CN107716856B - 一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及方法。包括两个在空间中并行排列的喷头，两个喷头分别装有两种直径规格的喷嘴，每个喷头下装有同种直径规格并且能够分别单独开启和闭合的若干喷嘴；每个喷头均设置有分别沿两个相垂直方向的两个导轨滑块组件，两个喷头中的大喷头打印内外轮廓之间的内部区域，小喷头打印内外轮廓处的边界区域；方法对CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据，划分每个喷头在当前分层的打印区域，确定每个喷头在各自打印区域的打印路径。本发明能够提高边界的打印精度和提高打印效率，能够独立地选择性打印，可在提高砂模打印质量的同时进一步提高打印效率。

Description

一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及方法

技术领域

本发明涉及砂型3D打印技术领域，尤其是涉及了一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及方法。

背景技术

砂模3D打印技术是一种正在快速得到发展的新技术，在砂模造型中的应用越来越广泛。3D打印能够对任意复杂形体进行造型，使得砂模几何设计的灵活性大幅提升。目前，国内外诸多大学和科研单位对砂模打印技术进行了深入研究。美国Exone公司、德国voxeljet公司以及中国的峰华卓立公司均已开发了自己的砂模打印机，实现产业化。日本也启动“超精密三维造型系统技术开发项目”，意在开发高效、高精度的日本国产砂模3D打印机，以提高铸造业的行业竞争力。

尽管目前砂模成型设备已经初步产业化，但还存在很多问题，仍未被广泛推广，主要原因在于打印效率比较低、材料成本较高等。如果要提高打印效率，往往采取大喷头，提高砂模表面单位时间内的喷印面积，但是该方法会牺牲砂模的打印精度。为了兼顾打印效率，往往会采用多个喷嘴的面打印方式，当采用该种打印方式时，实际的轮廓线误差实际上就是喷嘴的直径，因此可以减小喷嘴尺寸控制打印误差。中国专利文献号CN105235221A，公开了一种3D打印机，通过采用装有多个喷嘴的喷头打印，解决了现有技术无法携带大量打印喷嘴及打印效率低等问题；专利文献号CN201610168437.5，采用若干个尺寸相同且依次排列的喷头串行打印砂模，提高打印效率。

通过对现有技术分享以及最新的论文、专利的查阅，现有设备所采用的方法都是通过增加喷头以及在喷头上安装的多个喷嘴来提高打印效率，所安装多个喷头都是串行运动，无法根据不同边界独立运动，并且喷嘴的尺寸也是固定的，即喷嘴尺寸所决定的打印精度是不变的。因此尽管增加喷嘴数目可以提高效率，但是无法解决精度缺失问题，如果为了提高打印精度增加多个小尺寸喷嘴，那么打印效率会受到极大影响。在模型每层轮廓的内部区域，大部分打印区域时不需要控制打印精度的，而模型表面的成型精度往往取决于轮廓的边界区域，因此本发明针对装有均匀尺寸的多喷头且串行运动的打印装置进行改进，旨在提高砂模打印效率的同时提高砂模的打印精度。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明提供一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及方法。

为实现上述目的，如图1所示，本发明的技术方案具体为：

一、一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置：

包括两个在空间中并行排列的喷头，两个喷头分别装有两种直径规格的喷嘴，每个喷头下装有同种直径规格并且能够分别单独开启和闭合的若干喷嘴。

每个喷头均设置有分别沿两个相垂直方向的两个导轨滑块组件，每个喷头由各自的导轨滑块组件带动下在同一打印分层下沿两个相垂直方向移动。

具体实施中建立坐标系，Z轴为分层打印方向，X和Y轴分别为同一打印分层下两个相垂直方向。每个喷头均设置有分别沿X和Y方向相垂直方向的两个导轨滑块组件，由各自的导轨滑块组件带动沿X和Y方向移动。在X和Y方向中，X方向为打印移动方向，Y方向为空程移动方向。

两个喷头中的小喷头在分层打印方向上设有伸缩杆，通过伸缩杆带动喷头沿分层打印方向自由移动，避免交换打印分区时与大喷头发生干涉。

大小喷头上分别均匀排列有孔径不同、个数不等的喷嘴。两个喷头中的大喷头装有较大孔径的喷嘴，两个喷头中的小喷头装有较小孔径的喷嘴。

两个喷头中的大喷头打印内外轮廓之间的内部区域，小喷头打印内外轮廓处的边界区域。

具体实施中，包括两个在空间中并行排列的大喷头9和小喷头7，大喷头和小喷头均连接有各自的导轨滑块组件，导轨滑块组件主要包括两根导轨和两个导轨块。

所述的喷嘴与高频通断电磁阀连接，开启状态由高频通断电磁阀控制。当喷嘴进入喷印区域后，控制该喷嘴的电磁阀开启，当离开喷印区域后，该电磁阀关闭，满足在不同区域下，两个喷头相互独立地对打印区域选择性打印。

本发明装置采用空间并行排列的双喷头，每个喷头下带有若干喷嘴，两个喷头下喷嘴的孔径不同；引入单独控制两个喷头运动轨迹的并行打印模块，两个喷头可以针对特定区域选择性地独立打印而互不干扰。

二、一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，包括以下步骤：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)划分每个喷头在当前分层的打印区域；

3)确定每个喷头在各自打印区域的打印路径；

4)依据所确定的打印路径控制两个喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

5)重复步骤2)-4)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印，依次更新下一分层轮廓数据并打印下一分层。

所述步骤2)中，具体步骤为：

(2.1)建立当前分层下最大轮廓的最小包围矩形，最小包围矩形的两条边分别平行于打印移动方向和空程移动方向，打印移动方向和空程移动方向为分层打印面上相垂直的两个方向，过最小包围矩形沿平行于空程移动方向的边的中间点作平行于打印移动方向的直线将打印区域分为两个子区域S_A和S_B；

(2.2)先让大小喷头分别在两个区域S_A和S_B中打印，如果其中一个喷头在其子区域内打印完毕，则将两个喷头同时停止打印，并记录另一个喷头的打印位置；

(2.3)将小喷头升起，交换两个喷头所打印的子区域，即将两个喷头各自移动到对方的子区域，直至两个喷头在交换后各自的子区域内均打印完毕；

(2.4)交换回两个喷头所打印的子区域，即将两个喷头移动到各自最开始所打印的子区域，并使(2.3)中另一个喷头移动到所记录的打印位置继续在最开始打印的子区域中继续打印直至全部打印完毕，由此以节约时间，提高打印工作效率。

所述步骤步骤3)中具体步骤为：

(3.1)提取当前分层的所有内、外轮廓曲线，构成原始轮廓曲线集合C；

(3.2)由原始轮廓曲线集合C进行偏置处理获得偏置轮廓曲线集合C′；

由原始轮廓曲线集合C和偏置轮廓曲线集合C′组成原始轮廓及其偏置轮廓集合{C_i，C_i′}；

所述步骤(3.2)具体为：对于喷头下的若干喷嘴，过每个喷嘴作平行于打印移动方向的直线，按照所作直线依次穿过轮廓曲线集合C的顺序，对第i个轮廓曲线c_i，c_i∈C(1＜i＜n)，当i为奇数时，c_i为外轮廓，i为偶数时，c_i为内轮廓；作第i个轮廓曲线c_i的偏置轮廓曲线c_i′，由所有偏置轮廓曲线c_i′组成偏置轮廓曲线集合C′：若c_i是外轮廓曲线，则向内偏置；若c_i是内轮廓曲线，则向外偏置；偏置距离为小喷头中喷嘴的直径。

(3.3)对于经过每个喷嘴所作平行于打印移动方向的直线，各条直线与原始轮廓曲线集合C和偏置轮廓曲线集合C′中的轮廓曲线相交，并记录交点，在所得交点中去除直线与曲线相切的切点；

(3.4)对于喷嘴下的一条直线，将其上的所有交点沿打印移动方向进行编号排序，依次为x₁，x₂，x₃，...，x_k，...，x_K，k为直线上交点的序数，K为直线上交点的总数(由于去除了交点中直线与曲线相切的切点，K必为偶数)；

对于小喷头下的喷嘴，若k＝2n+1，(其中n为自然数)，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k，y₁)和交点(x_k+1，y₁)之间进行打印；

对于大喷头下的喷嘴，若k＝2(2n+1)，(其中n为自然数)，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k，y₁)和交点(x_k+1，y₁)之间进行打印。

按照(3.4)中方法依次确定各个喷嘴下所作直线与轮廓的相交情况并得到各个喷嘴在当前层的打印路径。

所述步骤1)中对两个喷头划分打印区域，在喷头打印移动的方向(X方向)上划分，限定在初次打印过程中两个喷头的活动范围，防止在喷头移动过程中发生干涉。

所述步骤2)中分区打印并记录打印位置，当两个喷头在各自划分的打印区域里有一个完成打印的时候，另一个喷头停止打印并记录停止打印的喷头、坐标以及打印行进方向。

所述步骤3)中交换两个喷头的打印区域，升起小喷头，交换小喷头、大喷头的打印区域，即将小喷头移动至S_B区域下打印边界区域、大喷头移动至S_A区域下继续打印内部区域，直至两个区域全部打印完毕。

所述步骤4)中交换两个喷头的打印区域，升起小喷头，再次交换小喷头、大喷头的打印区域，从步骤2)中停止打印时所记录的喷头、坐标以及打印的行进方向继续打印未打印完的区域。

本发明方法为防止两个喷头运动中发生干涉，对整个打印区域进行划分，装有小孔径喷嘴的喷头打印边界部分，其它部分则由装有大孔径喷嘴的喷头完成，整个打印过程分三次打印完成，即需要喷头交换两次打印区域完成。该装置在提高边界区域打印精度、内部非边界区域打印效率的同时，由于采用并行打印方案，可进一步提高砂模的打印效率。

本发明具有的有益效果是：

本发明能够提高边界的打印精度和提高打印效率，能够独立地选择性打印，可在提高砂模打印质量的同时进一步提高打印效率。

附图说明

图1是本发明打印方法流程图；

图2是本发明打印装置图；

图3是图2的仰视结构图；

图4是双喷头区域划分示意图

图5是喷嘴开启状态示意图；

图6是双喷头分区打印示意图；

图7是双喷头交换分区后打印示意图。

图8是双喷头再次交换分区打印示意图

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例及其实施过程如下：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)划分每个喷头在当前分层的打印区域；

多个喷头的并行运动必然会存在运动干涉的问题，为了解决该问题，本发明对每层的打印区域划分初始打印区域，打印区域由该层最大轮廓的最小包围矩形确定，划分为等面积的子区域S_A和S_B，如图4所示，其中装有小孔径喷嘴的小喷头7在子区域S_B内选择性打印边界区域，装有大孔径喷嘴的喷头9在子区域S_A内选择性打印轮廓内部非边界区域。

3)喷头按设定的打印路径进行打印；

首先，根据成型模型确定喷头的喷嘴数量和规格。

如图2所示，小喷头7的导轨滑块组件包括小喷头7在X方向的第一导轨1、第一导轨块2、小喷头在Y方向的第二导轨3、第二导轨块4和伸缩连接杆5，小喷头7顶端经伸缩连接杆5和第一导轨块2固定连接，第一导轨块2套装在第一导轨1上沿第一导轨1移动，第一导轨块2顶端固定连接第二导轨块4，第二导轨块4套装在第二导轨3上沿第二导轨3移动，第一导轨1和第二导轨3相垂直。装有小孔径喷嘴的小喷头7通过伸缩连接杆5与第一导轨块2相连，小喷头7可沿分层方向(Z方向)也就是伸缩连接杆5的伸缩方向移动，使得小喷头7可自由调节高度，防止在运动过程中与喷头9发生干涉。

大喷头9的导轨滑块组件包括大喷头9在X方向的第三导轨6、第三导轨块8、小喷头在Y方向的第四导轨11、第四导轨块12和底座10，大喷头9顶端经底座10和第三导轨块8固定连接，第三导轨块8套装在第三导轨6上沿第三导轨6移动，第三导轨块8顶端固定连接第四导轨块12，第四导轨块12套装在第四导轨11上沿第四导轨11移动，第三导轨6和第四导轨11相垂直。装有大孔径喷嘴的喷头9通过底座10与导轨块相连。

大小喷头分别固定在不同底板上，大小喷头运动相互独立。大小喷头下分别装有直径d₁、d₂(d₁＜d₂)的若干喷嘴，喷嘴之间相互紧密排列于喷头上。小喷头7、大喷头9沿X方向打印砂模，在一个行程结束后，两个喷头沿Y方向移动一个喷头距离后继续打印。

具体实施中建立坐标系，Z轴为分层打印方向，X方向为打印移动方向，Y方向为空程移动方向。

小喷头7下装有10个直径为d₁的喷嘴，大喷头9下装有5个直径为d₂的喷嘴，如图3所示，其中两种喷嘴的孔径关系为：

d₂＝2d₁

按照扫描面积计算可知，喷头9的单位时间内的扫描面积是小喷头7的2倍，因此可以显著提高打印效率。在本发明中，d₂＝2d₁，小喷头7可在交换打印区域时通过伸缩杆升起，避免两个喷头在运动中发生干涉。

然后，确定每个喷头在各自打印区域的打印路径，并其中实时交换喷头位置进行打印。

对于每个喷头的打印路径，需要进一步确定喷头下喷嘴的打印路径，即确定喷嘴在确定的位置处开启和闭合。如图5，直线l₁与轮廓及其偏置轮廓交点的个数为12个，在X方向上依次排列为x₁，x₂，x₃，...，x_k，...，x₁₂；按照喷嘴开闭的判断方法，对于小喷头7下的喷嘴，若k＝2n+1，(其中n为自然数)，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k，y₁)和交点(x_k+1，y₁)之间进行打印，即小喷头下位于l₁处的喷嘴在交点(x₁，y₁)和交点(x₂，y₁)、交点(x₃，y₁)和交点(x₄，y₁)、交点(x₅，y₁)和交点(x₆，y₁)、交点(x₇，y₁)和交点(x₈，y₁)、交点(x₉，y₁)和交点(x₁₀，y₁)、交点(x₁₁，y₁)和交点(x₁₂，y₁)之间打印；对于大喷头下的喷嘴，若k＝2(2n+1)，(其中n为自然数)，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k，y₁)和交点(x_k+1，y₁)之间进行打印，即大喷头下位于l₁处的喷嘴在交点(x₂，y₁)和交点(x₃，y₁)、交点(x₆，y₁)和交点(x₇，y₁)、交点(x₁₀，y₁)和交点(x₁₁，y₁)。

如图6，在划分打印区域后，小喷头7打印图中标号14所示区域，大喷头9打印图中标号13所示的区域，由于两个区域是均等划分的，因此两个喷头在各自区域内完成打印时间会不同，假定小喷头7先打印完成，此时记录大喷头9的打印位置a，交换两个喷头的打印区域。

交换打印区域后，小喷头7打印图中标号15所示区域，大喷头9打印图中标号16所示的区域，直到两个喷头在交换后的区域内全部打印完，如图7所示。

再次交换打印区域，如图8所示，此时小喷头7已经全部打印完成，大喷头9移动至所记录的位置a出继续打印未完成的区域，直到大喷头9打印完结束整个打印过程。

4)依据所确定的打印路径控制两个喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

5)重复步骤2)-4)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印，依次更新下一分层轮廓数据并打印下一分层。

具体实施最后判断是否打印完所有层的轮廓，如果是，结束，否则继续执行步骤5)直至满足打印结束条件。

由此可见，本发明提供的双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印装置及其方法，该打印装置中两个喷头并行排列、安装在相应的底座上，两个喷头下安装有大小不同孔径的若干喷嘴，在打印过程中每个喷头独立运动，在交换打印区域时通过伸缩杆升起喷头避免运动干涉，装有小喷嘴的喷头在划分的打印区域内针对边界区域扫描并打印，大喷嘴喷头则在划分区域内对内部非边界区域扫描打印，小孔径喷嘴可以提高边界区域的打印精度，大孔径喷嘴可提高轮廓内部区域的打印效率，两个喷头并行的独立运动，可以进一步提高砂模打印的整体效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (3)

1.一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对所需打印的CAD三维模型的分层并确定各分层的轮廓数据；

2)划分每个喷头在当前分层的打印区域；

3)确定每个喷头在各自打印区域的打印路径；

4)依据所确定的打印路径控制两个喷头上每个喷嘴的开启和闭合进行打印；

5)重复步骤2)-4)根据各分层的轮廓数据进行各个分层的打印；

所述步骤2)中，具体步骤为：

(2.1)建立当前分层下最大轮廓的最小包围矩形，最小包围矩形的两条边分别平行于打印移动方向和空程移动方向，打印移动方向和空程移动方向为分层打印面上相垂直的两个方向，过最小包围矩形沿平行于空程移动方向的边的中间点作平行于打印移动方向的直线将打印区域分为两个子区域S_A和S_B；

(2.2)先让大小喷头分别在两个区域S_A和S_B中打印，如果其中一个喷头在其子区域内打印完毕，则将两个喷头同时停止打印，并记录另一个喷头的打印位置；

(2.3)将小喷头升起，交换两个喷头所打印的子区域，即将两个喷头各自移动到对方的子区域，直至两个喷头在交换后各自的子区域内均打印完毕；

(2.4)交换回两个喷头所打印的子区域，即将两个喷头移动到各自最开始所打印的子区域，并使另一个喷头移动到所记录的打印位置继续在最开始打印的子区域中继续打印直至全部打印完毕。

2.根据权利要求1的一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，其特征在于：

所述步骤3)中具体步骤为：

(3.1)提取当前分层的所有内、外轮廓曲线，构成原始轮廓曲线集合C；

(3.2)由原始轮廓曲线集合C进行偏置处理获得偏置轮廓曲线集合C′；

(3.3)对于喷头下的若干喷嘴，过每个喷嘴作平行于打印移动方向的直线，各条直线与原始轮廓曲线集合C和偏置轮廓曲线集合C′中的轮廓曲线相交，并记录交点，在所得交点中去除直线与曲线相切的交点；

(3.4)对于喷嘴下的一条直线，将其上的所有交点沿打印移动方向进行编号排序，依次为x₁,x₂,x₃,…,x_k,…,x_K，k为直线上交点的序数，K为直线上交点的总数；然后采用以下方式判断并设定打印路径：

对于小喷头下的喷嘴，若k＝2n+1，n为自然数，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k,y₁)和交点(x_k+1,y₁)之间进行打印；

对于大喷头下的喷嘴，若k＝2(2n+1)，n为自然数，则控制喷嘴沿直线在交点(x_k,y₁)和交点(x_k+1,y₁)之间进行打印；

按照(3.4)中方法依次确定各个喷嘴下所作直线与轮廓的相交情况并得到各个喷嘴在当前层的打印路径。

3.根据权利要求2的一种双喷头异孔径喷嘴的砂模并行打印方法，其特征在于：所述步骤(3.2)具体为：按照喷嘴下所作直线依次穿过轮廓曲线集合C的顺序，对第i个轮廓曲线c_i，c_i∈C(1＜i＜n)，当i为奇数时，c_i为外轮廓，i为偶数时，c_i为内轮廓；作c_i的偏置轮廓曲线C_i′，由所有偏置轮廓曲线C_i′组成偏置轮廓曲线集合C′：若c_i是外轮廓曲线，则向内偏置；若c_i是内轮廓曲线，则向外偏置；偏置距离为小喷头中喷嘴的直径。