CN107696487B - 一种具有外部巡边功能的3d打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有外部巡边功能的3D打印装置及方法。包括支撑架和安装在支撑架上的巡边驱动模块、外部巡边打印模块和巡边旋转模块，巡边驱动模块上设有打印台，通过巡边驱动模块带动打印台上下升降和水平移动；巡边旋转模块安装在支撑架顶部，外部巡边打印模块安装在巡边旋转模块底面，巡边旋转模块和外部巡边打印模块自身均带有喷头，巡边旋转模块带动外部巡边打印模块的喷头旋转，并巡边旋转模块带动自身的喷头水平移动，使得两个喷头均朝向巡边驱动模块上的打印台进行打印。本发明可提高3D打印的效率，提供更高的打印精度，并且可以有效地减少3D打印存在的台阶效应。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印快速成型技术领域，尤其是涉及了一种具有外部巡边功能的3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印装置又称三维打印机，是一种采用快速成型技术的机器。三维打印技术是20世纪80年代中后期发展起来的快速成型技术的深化与发展，以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式构造物体。由于其巨大的技术优势，三维打印技术与大数据、云计算、互联网等新兴先进技术成为数字化制造的主要内容，也是“中国制造2025”的驱动主力军。
三维打印机与传统打印机最大的区别在于它的打印材料，堆叠薄层的形式多种多样，可用于打印的介质种类多样，从塑料到金属。有些打印机还可以结合不同介质，打印出各种各样的物体。
目前，三维打印技术还存在一些局限性，当进行三维打印时，常常会产生台阶效应，无法完成精密的曲线打印，精度低，并且打印效率低。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种具有外部巡边功能的3D打印装置及方法，提高3D打印的效率，提供更高的打印精度，可以有效地减少3D打印存在的台阶效应。
本发明的技术方案是：
一、一种具有外部巡边功能的3D打印装置：
装置包括支撑架和安装在支撑架上的巡边驱动模块、外部巡边打印模块和巡边旋转模块，巡边驱动模块上设有打印台，通过巡边驱动模块带动打印台上下升降和水平移动；巡边旋转模块安装在支撑架顶部，外部巡边打印模块安装在巡边旋转模块底面，巡边旋转模块和外部巡边打印模块自身均带有喷头，巡边旋转模块带动外部巡边打印模块的喷头旋转，并巡边旋转模块带动自身的喷头水平移动，使得两个喷头均朝向巡边驱动模块上的打印台进行打印。
本发明通过巡边旋转模块带动自身喷头的水平移动和巡边驱动模块带动打印台的水平移动实现巡边旋转模块自身的喷头对内轮廓打印，通过巡边旋转模块带动外部巡边打印模块的旋转移动和巡边驱动模块带动打印台的水平移动实现外部巡边打印模块的喷头外轮廓打印。
所述的巡边驱动模块包括打印台、升降台、四根升降台丝杠、两根平台移动丝杠、四个竖直电机和两个水平电机，四个竖直电机均布地固定安装在支撑架底部，四个竖直电机输出轴朝上并分别与四根升降台丝杠同轴连接，四根升降台丝杠穿过升降台并与升降台上所穿过的螺纹孔形成丝杠螺母副，升降台上一侧固定安装有两个水平电机，水平电机的输出轴水平朝向升降台中部并分别与两根平台移动丝杠同轴连接，打印台的中部设有凸条块，两根平台移动丝杠穿设地安装于凸条块中并与凸条块形成丝杠螺母副；打印台底面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑道，升降台顶面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑轨，升降台的滑轨嵌装到打印台的滑道中形成直线导轨副；水平电机运行带动平台移动丝杠旋转，进而通过丝杠螺母副带动打印台在升降台上水平移动；支撑架内侧壁设有竖直的滑轨，升降台在位于安装水平电机的一侧边设有滑道，升降台的滑道嵌装到支撑架内侧壁的滑轨中形成直线导轨副；竖直电机运行带动升降台丝杠旋转，进而通过丝杠螺母副带动升降台上下升降移动。
所述的巡边旋转模块包括旋转台、喷头移动台、喷头和旋转电机，旋转电机固定安装在支撑架顶部，旋转电机输出轴朝下与一短轴同轴固接，短轴与中心轴同轴活动连接，中心轴固定套装在喷头移动台中心的通孔中，短轴固定套装在旋转台中心的通孔中，旋转台底面边缘安装外部巡边打印模块；旋转电机运行经短轴带动旋转台旋转，喷头移动台底面设有滑道，喷头顶面设有滑轨，喷头的滑轨嵌装到喷头移动台底部的滑道中形成直线导轨副，从而使得喷头在喷头移动台水平移动。
所述的外部巡边打印模块包括三个旋转臂和旋转臂喷头，三个旋转臂依次连接，连接后的一端固定连接到巡边旋转模块，连接后的另一端连接旋转臂喷头。
所述的巡边旋转模块的喷头采用大喷嘴，为内部区域打印喷头；所述的外部巡边打印模块的喷头采用小喷嘴，为外部巡边喷头。
二、一种3D打印外部巡边方法，方法具体如下：
1)输入所需要打印的图像图形，并建立用于图像图形外轮廓巡边的直角坐标系，直角坐标系包括相互垂直的水平X轴和竖直Y轴；
2)从图像图形外轮廓沿Y轴的最低值点开始，向上移动0.9个单位长度；
3)找到外轮廓上距离当前位置最近的外轮廓上的点，再选择该点所对应的外轮廓逆时针切线方向分别与X轴、Y轴之间夹角小于45度的其中一个轴方向作为正方向；
4)通过判断当前位置距离外轮廓是否小于一个单位长度来进行巡边处理；
5)直到当前位置移动到自身所经过的位置后，巡边停止。
所述步骤4)具体为：
4.1)判断当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.2)；
若当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进一步4.3)：
4.2)沿正方向顺时针旋转90度方向移动一个单位长度，再回到步骤4.1)；
4.3)判断当前位置沿正方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.4)；
若当前位置沿正方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进行步骤4.5)；
4.4)沿正方向移动一个单位长度，再进行步骤4.1)；
4.5)沿正方向逆时针旋转90度方向移动一个单位长度，再进行步骤4.6)；
4.6)保持图像图形不变，将直角坐标系逆时针旋转90度，即使得相互垂直的X轴和Y轴及其原点整体逆时针旋转90度，再重复回到3)进行处理，直到当前位置回到步骤3)开始移动的位置处。
所述的一个单位长度为巡边旋转模块和外部巡边打印模块的两种喷头的直径之和。
本发明方法根据目前3D打印所采用的分区规划打印，对不规则图形外轮廓进行巡边扫描，对不规则图形完成内外分区，内部区域进行规则打印，外部区域进行巡边打印。
本发明具有的有益效果是：
本发明提高3D打印的效率，提供更高的打印精度，可以有效地减少3D打印存在的台阶效应。
本发明能够完成比较精密的曲线打印，保证物体表面的精度，同时对于内部打印采用了大喷嘴，提高打印效率。
附图说明
图1是本发明的具有外部巡边功能的3D打印装置结构示意图。
图2是图1中底座的立体结构示意图。
图3是本发明的巡边驱动模块的立体结构示意图。
图4是本发明的外部巡边打印模块的立体结构示意图。
图5是本发明的巡边旋转模块的立体结构俯视角度示意图。
图6是本发明的巡边旋转模块的立体结构仰视角度示意图。
图7是本发明的外部巡边控制过程框图。
图8是本发明的内外分区轨迹示意图。
图9是本发明的外部巡边轨迹示意图。
图中：支撑架1，巡边驱动模块2，外部巡边打印模块3，巡边旋转模块4；打印台2.1，升降台2.2，升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10，平台移动丝杠2.13、2.14，竖直电机2.3、2.5、2.7、2.9，水平电机2.11、2.12；旋转臂3.1，旋转臂3.2，旋转臂3.3，旋转臂喷头3.4；旋转台4.1，喷头移动台4.2，喷头4.3，旋转电机4.4，短轴4.5。
具体实施方式
下面结合各附图，对本发明做详细描述：
如图1所示，本发明具体实施包括支撑架1和安装在支撑架1上的巡边驱动模块2、外部巡边打印模块3和巡边旋转模块4，巡边驱动模块2上设有打印台2.1，通过巡边驱动模块2带动打印台2.1上下升降和水平移动；巡边旋转模块4安装在支撑架1顶部，外部巡边打印模块3安装在巡边旋转模块4底面，巡边旋转模块4和外部巡边打印模块3自身均带有喷头，巡边旋转模块4带动外部巡边打印模块3的喷头旋转，并巡边旋转模块4带动自身的喷头水平移动，使得两个喷头均朝向巡边驱动模块2上的打印台进行打印。
如图3所示，巡边驱动模块2包括打印台2.1、升降台2.2、四根升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10、两根平台移动丝杠2.13、2.14、四个竖直电机2.3、2.5、2.7、2.9和两个水平电机2.11、2.12，四个竖直电机2.3、2.5、2.7、2.9均布地固定安装在支撑架1底部，四个竖直电机2.3、2.5、2.7、2.9输出轴朝上并分别与四根升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10同轴连接，四根升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10竖直平行布置，四根升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10穿过升降台2.2并与升降台2.2上所穿过的螺纹孔形成丝杠螺母副，升降台2.2上一侧固定安装有两个水平电机2.11、2.12，水平电机2.11、2.12的输出轴水平朝向升降台2.2中部并分别与两根平台移动丝杠2.13、2.14同轴连接，两根平台移动丝杠2.13、2.14水平平行布置，打印台2.1的中部设有凸条块，两根平台移动丝杠2.13、2.14穿设地安装于凸条块中并与凸条块形成丝杠螺母副；
打印台2.1底面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑道，升降台2.2顶面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑轨，升降台2.2的滑轨嵌装到打印台2.1的滑道中形成直线导轨副；水平电机2.11、2.12运行带动平台移动丝杠2.13、2.14旋转，进而通过丝杠螺母副带动打印台2.1在升降台2.2上水平移动。
支撑架1内侧壁设有竖直的滑轨，升降台2.2在位于安装水平电机2.11、2.12的一侧边设有滑道，升降台2.2的滑道嵌装到支撑架1内侧壁的滑轨中形成直线导轨副；竖直电机2.3、2.5、2.7、2.9运行带动升降台丝杠2.4、2.6、2.8、2.10旋转，进而通过丝杠螺母副带动升降台2.2上下升降移动。
具体实施中，如图2所示，支撑架1底部设有四个用于安装竖直电机的支撑孔，顶部设有四个用于套装升降台丝杠顶端的圆形孔。具体实施中，打印台2.1底部的凸条块上设有两条用于套装水平丝杠的螺纹孔，升降台2.2的四角分布设有四个用于穿设升降台丝杠的螺纹孔。
将升降台2.2与四根升降台丝杠2.4，2.6，2.8，2.10进行螺纹配合，升降台2.2的滑道与支撑架1开设的滑轨进行配合，四根丝杠下端固定于支撑架1底部设置的支撑孔中，由竖直电机2.3，2.5，2.7，2.9进行驱动。打印台2.1与升降台2.2通过滑轨和滑道安装，将平台移动丝杠2.13，2.14的一端固定于升降台2.2的支撑块上开设的支撑孔中，另一端连接水平电机由水平电机2.11，2.12进行驱动，中间部分与打印台2.1进行螺纹套装配合。
如图5和图6所示，巡边旋转模块4包括旋转台4.1、喷头移动台4.2、喷头4.3和旋转电机4.4，旋转电机4.4固定安装在支撑架1顶部，旋转电机4.4输出轴朝下与一短轴4.5同轴固接，短轴4.5与喷头移动台4.2的中心轴同轴活动连接，短轴4.5固定套装在旋转台4.1中心的通孔中，旋转台4.1底面边缘安装外部巡边打印模块3；旋转电机4.4运行经短轴4.5带动旋转台4.1旋转，由于短轴4.5与喷头移动台4.2的中心轴同轴活动连接，不带动中心轴及其连接的喷头移动台4.2旋转。喷头移动台4.2底面设有滑道，喷头4.3顶面设有滑轨，喷头4.3的滑轨嵌装到喷头移动台4.2底部的滑道中形成直线导轨副，从而使得喷头4.3在喷头移动台4.2水平移动。
喷头4.3和喷头移动台4.2之间的直线导轨副与打印台2.1和升降台2.2之间的直线导轨副导轨方向相垂直。
如图4所示，外部巡边打印模块3包括三个旋转臂3.1、3.2、3.3和旋转臂喷头3.4，三个旋转臂3.1、3.2、3.3依次连接，连接后的一端固定连接到巡边旋转模块4的旋转台4.1的底面边缘处，连接后的另一端连接旋转臂喷头3.4。旋转臂喷头3.4通过三个旋转臂3.1、3.2、3.3相互之间的铰接运动实现对打印位置的自由调整。
本发明实施例的打印工作过程如下：
打印机工作前，利用计算机对3D打印零件进行切片，然后对每一层切片利用外部巡边控制方法求解，获得每一层切片的内外分区轮廓。
外部巡边控制方法具体如下：
1)输入所需要打印的图像图形，并建立用于图像图形外轮廓巡边的直角坐标系，直角坐标系包括相互垂直的水平X轴和竖直Y轴；图像图形放置在直角坐标系的第一象限区域中。
2)从图像图形外轮廓沿Y轴的最低值点开始，向上移动0.9个单位长度；
3)找到外轮廓上距离当前位置最近的外轮廓上的点，再选择该点所对应的外轮廓逆时针切线方向分别与X轴、Y轴之间夹角小于45度的其中一个轴方向作为正方向；若外轮廓逆时针切线方向和X轴正方向之间的夹角小于45度，则选择X轴正方向为正方向。
4)通过判断当前位置距离外轮廓是否小于一个单位长度来进行巡边处理；
4.1)判断当前位置沿正方向顺时针90度方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向顺时针90度方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.2)；
若当前位置沿正方向顺时针90度方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进一步4.3)：
4.2)沿正方向顺时针90度方向移动一个单位长度，再回到步骤4.1)；
4.3)判断当前位置沿正方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.4)；
若当前位置沿正方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进行步骤4.5)；
4.4)沿正方向移动一个单位长度，再进行步骤4.1)；
4.5)沿正方向逆时针90度方向移动一个单位长度，再进行步骤4.6)；
4.6)保持图像图形不变，将直角坐标系逆时针旋转90度，即使得相互垂直的X轴和Y轴及其原点整体逆时针旋转90度，再重复回到3)进行处理，直到当前位置回到步骤3)开始移动的位置处。
5)直到当前位置移动到自身所经过的位置后，巡边停止。从而完成已知的外轮廓巡边获得内轮廓。
打印机开始工作时，升降台2.2位于打印机上方，打印台2.1位于升降台2.2上方，喷头4.3和旋转臂喷头3.4同时进行打印，喷头4.3进行内部规则部分打印，由水平电机2.11，2.12驱动打印台进行直线运动，喷头4.3沿喷头移动台4.2的滑道进行移动；
旋转台4.1进行旋转运动，在旋转臂3.1，3.2，3.3的驱动下，旋转臂喷头3.4先沿切片外轮廓进行打印，然后打印外轮廓内的非规则部分。
当完成一层打印之后，由竖直电机2.3，2.5，2.7，2.9驱动升降台2.2下降，进行下一层的打印，由此完成打印。
由图7-9所示，通过外部巡边控制方法对图像图形进行内外打印分区，由大喷头进行内部规则部分打印，外部采用小喷头打印，小喷头先沿轮廓进行打印，可以保证零件表面的精度，然后对剩下非规则部分进行打印，这样既可以保证零件精度，同时大小喷头同时进行打印，也可以保证打印效率。
由此可见，本发明能够有效地减少3D打印存在的台阶效应，大大提高3D打印的效率，提供更高的打印精度，具有其突出显著的技术效果。
Claims (8)
1.一种具有外部巡边功能的3D打印装置，其特征在于：包括支撑架(1)和安装在支撑架(1)上的巡边驱动模块(2)、外部巡边打印模块(3)和巡边旋转模块(4)，巡边驱动模块(2)上设有打印台(2.1)，通过巡边驱动模块(2)带动打印台(2.1)上下升降和水平移动；巡边旋转模块(4)安装在支撑架(1)顶部，外部巡边打印模块(3)安装在巡边旋转模块(4)底面，巡边旋转模块(4)和外部巡边打印模块(3)自身均带有喷头，巡边旋转模块(4)带动外部巡边打印模块(3)的喷头旋转，并巡边旋转模块(4)带动自身的喷头水平移动，使得两个喷头均朝向巡边驱动模块(2)上的打印台(2.1)进行打印。
2.根据权利要求1所述的一种具有外部巡边功能的3D打印装置，其特征在于：所述的巡边驱动模块(2)包括打印台(2.1)、升降台(2.2)、四根升降台丝杠(2.4、2.6、2.8、2.10)、两根平台移动丝杠(2.13、2.14)、四个竖直电机(2.3、2.5、2.7、2.9)和两个水平电机(2.11、2.12)，
四个竖直电机(2.3、2.5、2.7、2.9)均布地固定安装在支撑架(1)底部，四个竖直电机(2.3、2.5、2.7、2.9)输出轴朝上并分别与四根升降台丝杠(2.4、2.6、2.8、2.10)同轴连接，四根升降台丝杠(2.4、2.6、2.8、2.10)穿过升降台(2.2)并与升降台(2.2)上所穿过的螺纹孔形成丝杠螺母副，升降台(2.2)上一侧固定安装有两个水平电机(2.11、2.12)，水平电机(2.11、2.12)的输出轴水平朝向升降台(2.2)中部并分别与两根平台移动丝杠(2.13、2.14)同轴连接，打印台(2.1)的中部设有凸条块，两根平台移动丝杠(2.13、2.14)穿设地安装于凸条块中并与凸条块形成丝杠螺母副；
打印台(2.1)底面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑道，升降台(2.2)顶面两侧均设有平行于平台移动丝杠的滑轨，升降台(2.2)的滑轨嵌装到打印台(2.1)的滑道中形成直线导轨副；水平电机(2.11、2.12)运行带动平台移动丝杠(2.13、2.14)旋转，进而通过丝杠螺母副带动打印台(2.1)在升降台(2.2)上水平移动；
支撑架(1)内侧壁设有竖直的滑轨，升降台(2.2)在位于安装水平电机(2.11、2.12)的一侧边设有滑道，升降台(2.2)的滑道嵌装到支撑架(1)内侧壁的滑轨中形成直线导轨副；竖直电机(2.3、2.5、2.7、2.9)运行带动升降台丝杠(2.4、2.6、2.8、2.10)旋转，进而通过丝杠螺母副带动升降台(2.2)上下升降移动。
3.根据权利要求1所述的一种具有外部巡边功能的3D打印装置，其特征在于：所述的巡边旋转模块(4)包括旋转台(4.1)、喷头移动台(4.2)、喷头(4.3)和旋转电机(4.4)，旋转电机(4.4)固定安装在支撑架(1)顶部，旋转电机(4.4)输出轴朝下与一短轴(4.5)同轴固接，短轴(4.5)与喷头移动台(4.2)的中心轴同轴活动连接，短轴(4.5)固定套装在旋转台(4.1)中心的通孔中，旋转台(4.1)底面边缘安装外部巡边打印模块(3)；旋转电机(4.4)运行经短轴(4.5)带动旋转台(4.1)旋转，喷头移动台(4.2)底面设有滑道，喷头(4.3)顶面设有滑轨，喷头(4.3)的滑轨嵌装到喷头移动台(4.2)底部的滑道中形成直线导轨副，从而使得喷头(4.3)在喷头移动台(4.2)水平移动。
4.根据权利要求1所述的一种具有外部巡边功能的3D打印装置，其特征在于：所述的外部巡边打印模块(3)包括三个旋转臂(3.1、3.2、3.3)和旋转臂喷头(3.4)，三个旋转臂(3.1、3.2、3.3)依次连接，连接后的一端固定连接到巡边旋转模块(4)，连接后的另一端连接旋转臂喷头(3.4)。
5.根据权利要求1所述的一种具有外部巡边功能的3D打印装置，其特征在于：所述的巡边旋转模块(4)的喷头(4.3)采用大喷嘴，为内部区域打印喷头；所述的外部巡边打印模块(3)的旋转臂喷头(3.4)采用小喷嘴，为外部巡边喷头。
6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种3D打印外部巡边方法，其特征在于：方法具体如下：
1)输入所需要打印的图像图形，并建立用于图像图形外轮廓巡边的直角坐标系，直角坐标系包括相互垂直的水平X轴和竖直Y轴；
2)从图像图形外轮廓沿Y轴的最低值点开始，向上移动0.9个单位长度；
3)找到外轮廓上距离当前位置最近的外轮廓上的点，再选择该点所对应的外轮廓逆时针切线方向分别与X轴、Y轴之间夹角小于45度的其中一个轴方向作为正方向；
4)通过判断当前位置距离外轮廓是否小于一个单位长度来进行巡边处理；
5)直到当前位置移动到自身所经过的位置后，巡边停止。
7.根据权利要求6所述的一种3D打印外部巡边方法，其特征在于：
所述步骤4)具体为：
4.1)判断当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.2)；
若当前位置沿正方向顺时针旋转90度方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进行步骤4.3)：
4.2)沿正方向顺时针旋转90度方向移动一个单位长度，再回到步骤4.1)；
4.3)判断当前位置沿正方向距离外轮廓是否小于一个单位长度：
若当前位置沿正方向距离外轮廓大于一个单位长度，则进行步骤4.4)；
若当前位置沿正方向距离外轮廓小于等于一个单位长度，则进行步骤4.5)；
4.4)沿正方向移动一个单位长度，再进行步骤4.1)；
4.5)沿正方向逆时针旋转90度方向移动一个单位长度，再进行步骤4.6)；
4.6)保持图像图形不变，将直角坐标系逆时针旋转90度，即使得相互垂直的X轴和Y轴及其原点整体逆时针旋转90度，再重复回到步骤3)进行处理，直到当前位置回到步骤3)开始移动的位置处。
8.根据权利要求6或7所述的一种3D打印外部巡边方法，其特征在于：
所述的一个单位长度为巡边旋转模块(4)和外部巡边打印模块(3)的两种喷头的直径之和。
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