CN107839229A - 拼接式多喷头fdm‑3d成型法及多挤出机总成系统 - Google Patents
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Abstract
拼接式多喷头FDM‑3D成型法及多挤出机总成系统,由多个挤出机总成联动,并通过X方向轨道机构(4)及Y方向导轨(5)运载挤出机总成做2维或3维运动,在电子系统的控制下，根据产品零件切片的截面信息来驱动各个挤出机的运动轨迹，所有的运动轨迹的拼接形成1个完整的切片的截面；各挤出头被挤压出来的材料由喷口喷出，有选择性的涂覆在工作台上，各挤出机总成各自负担铺设产品零件切片的截面的一部分，共同完成铺设产品零件切片的整个截面；在一层截面成型完成后工作台相对下降一定高度，再进行下一层的铺设，最终形成三维产品零件；大大的提高了成型速度。
Description
[技术领域]
本发明属于机械技术领域；确切的讲是利用独立多个挤出头，在1个平面内，独立运行，独立完成各自的平面区域，用拼接的方式来完成FDM-3D的打印成型方法及其挤出机总成。
[背景技术]
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。
FDM-3D打印机基本构造与运行原理表述为：
主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(Z轴方向)垂直方向保持静止，由Z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。往往使用1个专用喷口来铺设支撑材料(支撑材料一般是水溶性的，打印完毕后水洗除掉)；打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用Z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持Z轴方向静止，使用Z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的Z轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。
其结构细节阐述为：
挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件是挤出机总成，而挤出机总成的构件为：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对铝块进行加热,将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。位于挤出机总成最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。
近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。
目前FDM-3D打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。
电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。FDM-3D打印机软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。
[发明内容]
目前FDM-3D打印机的技术缺陷：目前的各种FDM挤出机的能同时工作的有效喷口都是只有1个，即使多喷口的也不是同时工作；多个喷头发挥不出快速的效率。
本发明的目的就在于解决已有产品的不足之处：同时使用多喷口，且同时工作；在执行轮廓及填充打印时，多个喷头可以同时在切层的不同区域同时堆积，进行快速的拼接铺设。
本发明特点：构造简单、运行可靠、成型速度有2-10倍以上的提高。
具体实施方式:包括:[多挤出机总成系统]及[拼接式FDM-3D成型法]:
[多挤出机总成系统]
该系统包括:多个(2—100个)挤出机总成(1),(2),(3)、运载挤出机总成做2维或3维(2维情况是指水平X、Y轴,而Z轴方向的运动是由一个打印平台(14)的升降独立完成；或3维情况下的水平X、Y轴运动及垂直Z轴)运动的机械装置,该机械装置包括:X方向轨道机构(4),(23)及Y方向导轨(5)；此外还包括电子控制系统及结构壳体(25)；推动挤出机总成移动的机械装置是皮带、齿轮/齿条或丝杠/丝姆传送机构，该传送机构组成了X方向轨道机构及Y方向轨道机构
多挤出机总成系统的排列分为：单X排列拼接系统及双X排列拼接系统.
单X排列拼接系统------是由多个被X方向轨道机构(4)约束下的可以独立运动的多挤出机总成组成,每一个X方向轨道机构都承载着1个可以独立运动的挤出机总成；在Y方向轨道机构的约束下都能独立的沿着Y方向位移,且各个挤出机总成彼此在Y方向没有互相穿越。
双X排列拼接系统------是由沿着Y方向分布的2组单X方向轨道机构组成双X方向轨道机构(23)；每个双X方向轨道机构都承载着各自独立运动挤出机总成(16),(17),(18),(19)在X方向活动在各自的半区空间内,在各自的Y方向轨道机构的约束下都能独立的沿着Y方向位移,且各个挤出机总成在X方向轨道机构保持各自的X移动位移,彼此在Y方向没有互相穿越。
对于上述2种排列的拼接系统来说,原则上,独立运动的挤出机总成数量不限,包括成对出现,适合于中大型FDM-3D打印机,前者尤其适用于狭长形状的大型构件；后者尤其适用于较款形状的大型构件；成型速度的提高取决于这一数量.
[拼接式多喷头FDM-3D成型法]
基本成型方法包括：载物工作台要调整相对高度，使得在打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口接近位置处，在电子系统的控制下，根据产品零件切片的截面信息来驱动各个挤出机的运动轨迹，所有的运动轨迹的拼接形成1个完整的切片的截面；各挤出头被挤压出来的材料由喷口喷出，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的物件切层薄片；各挤出机总成各自负担铺设产品零件切片的截面的一部分，共同完成铺设产品零件切片的整个截面；在一层截面成型完成后工作台相对下降一定高度，再进行下一层的铺设，一层又一层，如此循环，最终形成三维产品零件；该系统更适合于同时打印与挤出机总成数量一致且形状一样的物件,每一个挤出机负责1个物件,同时打印完成.
各挤出头的协同运行原则如下：
防止冲撞原则：该原则由软件编程决定，需要保持任意相邻的2个X方向轨道机构及挤出机总成的任意部位的平面方向的距离大于零，这就需要合理安排各个挤出机总成的起始位址坐标,铺设路径及铺设速度,在多个挤出机总成同时工作时，它们之间才没有冲撞。
工作区域分配的均分原则：该原则也是由软件编程决定，在数学原理上,只有各个挤出头尽量均分物件切层的打印面积,打印唢需要的时间越少；各挤出机总成所分担的物件切片铺层的面积，以趋于相等为原则；对于单X排列系统的情况下：多数情况下可以分担到相等的面积。而对于双X排列系统由于挤出机总成的X方向的位移量比X方向的成型尺度小许多(该位移量占X方向的成型尺度的百分比:略大于50％)，挤出机总成的挤出喷口无法移动超出X方向的成型区域中间线(28)很大的距离,导致一些情况下难以在X方向均分切层，只能按均分原则尽量均分。
进一步：各个挤出头的平面位置绝对坐标的标定方法:是将各个挤出机总成的喷口位置对准设置在平台上标定点的正上方或通过确认挤出机总成及X方向轨道机构的相对于框架的位置的绝对标定方式；也可以采用所有挤出机总成移动到平台上方的中间位置区域,并将其紧紧的靠拢在一起的位置作为标定坐标点,的一种相对的标定方式.
进一步：X方向轨道机构约束下的可以独立运动的多挤出机总成数量:2—100个.
进一步：对于收料缓慢的挤出机而言,由于喉管式挤出喷口的止料速度都很缓慢,因而要尽量争取各个挤出机总成喷口的连续工作,对于分担成型切层面积较小的挤出机总成来说,如果放慢铺设速度还达不到同步铺设的目的.就只能通过在有效区域以外铺设无用成型物件来实现不间断铺设的目的,使得挤出喷头连续工作,不至于积累过多残余物料,影响下一层的成型铺设，尽量争取各个挤出机的物料喷口的吐料连续工作，对于能瞬间停止排料的挤出机来说,不必考虑上述问题.
进一步：对安全保护:为了防止由于故障及电子系统的误动作所导致的各个运动部件的可能冲撞,可以在各个可能碰撞的运动部件的接触部位放置感应器件,当运动部件接近到危险距离内,及时感知并停止运行；对于能瞬间停止排料的挤出机来说,不必考虑上述问题.防止冲撞的另一个方法是在一些挤出头附近安装干簧管，而在另一些挤出头附近安装永磁体，当彼此接近到危险距离时，干簧管接通。
进一步：对于双X排列拼接系统,要采用外突挤出头(24)的设计特点,这样每个挤出机喷口才能跨越成型区域中间线(28),生成X方向的铺设重叠区域.对于单X排列拼接系统来说,挤出机总成的挤出喷口可以沿着Y的方向外凸,比如说单X排列拼接系统的2个或3个挤出机总成情况下,边上的2个挤出机总成的挤出喷口可以沿着Y的方向反向外凸,左面的向右侧凸出,右面的向左侧凸出,呈现相对凸出状态,有利于铺设.
本发明的有益效果在于:
可以成倍的增加成型速度；不仅加大了物件轮廓的成型速度，而填充实体的速度也能大大的加快，使得整个的打印速度获得了很大的整体提高。
[附图说明]
图1单X排列拼接多挤出机总成系统
图2双X排列拼接多挤出机总成系统
标号说明：
1 挤出机总成
2 挤出机总成
3 挤出机总成
4 单X方向轨道机构
5 Y方向导轨
6 Y方向丝杠
7 Y丝杠姆
8 Y驱动电机
9 X驱动电机
10 挤出头
11 料丝
12 喉管
13 成型物件
14 打印平台
16 挤出机总成
17 挤出机总成
18 挤出机总成
19 挤出机总成
20 X丝杠
21 X驱动电机
22 Y驱动电机
23 双X方向轨道机构
24 外突挤出头
26 X丝杠姆
27 Y轴丝杠
28 成型区域中间线
30 Z轴丝杠
[实施例证]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示：
单X方向轨道机构(4):分别运载着各自的挤出机总成1(1)、挤出机总成2(2)、挤出机总成3(3)；每个单X方向轨道机构(4)(由传送皮带,皮带轮,导轨(图中是光轴),驱动电机等组成)承载着各自的挤出机总成,在各自的X驱动电机(9)的驱动下沿着X方向往复运动,构成1X3矩阵；而每个单X方向轨道机构(4)也整体在Y方向导轨(5)的约束下沿着Y方向往复移动；Y驱动电机(8)经由皮带驱动与单X方向轨道机构(4)进行转动约束配合的Y丝杠姆(7)转动,由于Y方向丝杠(6)是非转动的刚性固定安装,Y丝杠姆(7)会拖带各自的单X方向轨道机构(4)沿着Y方向往复运动的位移区域也在中间位置,两边的单X方向轨道机构(4)沿着Y方向往复运动.的位移区域在偏离中间的位置；区域的面积接近相等.
各个单X方向轨道机构(4)互相之间相互阻挡,无法穿越,但每一个单X方向轨道机构(4)都有各自的活动尺度,相邻的活动尺度存在大的重合区域；中间的单X方向轨道机构(4)上的挤出机总成
料丝(11)经过喉管(12)被加热体(未画出)加热后由挤出头(10)喷出。
上述结构构成了:单X排列拼接多挤出机总成系统.
打印平台(14)用来承载打印物件。结构体为固定各个部件的支称作用.
其各个挤出头所分担的铺设的切层面积是按照工作区域均分原则来分配：该原则由软件编程来实现的，各挤出机总成所分担的物件切片铺层的面积，以趋于相等为原则；对于单X排列系统的情况下：面积相等容易做得到。
(30)为:Z轴丝杠；结构壳体将各个部分的组件连接在一起(未画出).
如图2所示：
双X方向轨道构造(23):分别运载着各自的挤出机总成1(16)、挤出机总成2(17)、挤出机总成3(18)及挤出头总成4(19)；在各自的X驱动电机(21)的驱动X丝杠(20)下,使得X丝杠姆(26)驱动各个挤出机总成沿着X方向往复运动,构成1X4矩阵；每个双X方向轨道机构(23)在Y方向导轨(5)的约束下沿着Y方向往复移动；Y驱动电机(22)带动X丝杠姆(26)转动,在固定安装的Y轴丝杠(26)的约束下,驱动各自的双X方向轨道机构(23)沿着Y方向往复运动.
外突挤出头(24)的构造特点:挤出头的挤出喷口凸向X方向对面的挤出头方向,可以使得挤出头喷口的X方向的位移运动延伸到超过中心线(28)的区域；使得各个挤出机总成喷口的运动区域都有重叠,能够完全覆盖整个打印区域；当2个以上面对的挤出头总成同时超过成型区域中间线(28)时,就可能发生冲撞；避免冲撞就应该预先铺设路径进行编程处理,躲开碰撞.
其各个挤出头所分担的铺设的切层面积是按照工作区域均分原则来分配：该原则由软件编程来实现的，各挤出机总成所分担的物件切片铺层的面积，以趋于相等为原则；对于双X排列系统,由于每一排中的挤出机总成；的X方向的位移量比Y方向的相对位移量小许多，挤出机总成的挤出孔很难移动超出X方向的成型区域中间线(28)很多距离,部分情况下都难以在X方向均分切层面积，只能尽量均分。
各个挤出头的平面位置绝对坐标的标定方法:是将各个挤出机总成的喷口位置对准设置在平台上标定点的正上方或通过确认挤出机总成及X方向轨道机构的相对于框架的位置的绝对标定方式；也可以采用所有挤出机总成移动到平台上方的中间位置区域,并将其紧紧的靠拢在一起的位置作为标定坐标点,的一种相对的标定方式.
上述结构构成了:双X排列拼接多挤出机总成系统.
打印平台及用来承载打印物件,结构体,与上图类似,未被画出。
Claims (5)
1.拼接式多喷头FDM-3D成型法；硬件部分包括:2—100个挤出机总成、运载挤出机总成做2维或3维运动的机械装置,该机械装置包括:X方向轨道机构(4)及Y方向导轨(5)；此外还包括电子控制系统及结构壳体(25)；该成型方法包括：载物工作台要调整相对高度，使得在打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口接近位置处，在电子系统的控制下，根据产品零件切片的截面信息来驱动各个挤出机的运动轨迹，所有的运动轨迹的拼接形成1个完整的切片的截面；各挤出头被挤压出来的材料由喷口喷出，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的物件切层薄片；其特征就在于：各挤出机总成各自负担铺设产品零件切片的截面的一部分，共同完成铺设产品零件切片的整个截面；在一层截面成型完成后工作台相对下降一定高度，再进行下一层的铺设，一层又一层，如此循环，最终形成三维产品零件；该系统更适合于同时打印与挤出机总成数量一致且形状一样的物件,每一个挤出机负责1个物件,同时打印完成；各挤出机总成的协同运行原则为：防止冲撞原则,及工作区域分配的均分原则；对于收料缓慢的挤出机而言,尽量争取各个挤出机的物料喷口的吐料连续工作；各个挤出头的平面位置的标定方法的的绝对标定方式或相对的标定方式。
2.多挤出机总成系统,包括:2—100个挤出机总成、运载挤出机总成做2维或3维运动的机械装置,该机械装置包括:X方向轨道机构(4)及Y方向导轨(5)；此外还包括电子控制系统及结构壳体(25)；其特征就在于：采用了拼接式多喷头FDM-3D成型法；单X排列拼接系统是由多个被X方向轨道机构(4)约束下的可以独立运动的多挤出机总成组成,每一个X方向轨道机构都承载着1个可以独立运动的挤出机总成；在Y方向轨道机构的约束下都能独立的沿着Y方向位移,且各个挤出机总成彼此在Y方向没有互相穿越；双X排列拼接系统是由沿着Y方向分布的2组单X方向轨道机构组成双X方向轨道机构；每个双X方向轨道机构都承载着各自独立运动挤出机总成在X方向活动在各自的半区空间内,在各自的Y方向轨道机构的约束下都能独立的沿着Y方向位移,且各个挤出机总成在X方向轨道机构保持各自的X移动位移,彼此在Y方向没有互相穿越；该机械装置包括:X方向轨道机构(4),(23)及Y方向导轨(5)；此外还包括电子控制系统及结构壳体(25)；推动挤出机总成移动的机械装置是皮带、齿轮/齿条或丝杠/丝姆传送机构，该传送机构组成了X方向轨道机构及Y方向轨道机构；对于单X排列系统的情况下：多数情况下可以分担到相等的面积；而对于双X排列系统由于挤出机总成的X方向的位移量比X方向的成型尺度小许多，该位移量占X方向的成型尺度的百分比:略大于50％，挤出机总成的挤出喷口无法移动超出X方向的成型区域中间线(28)很大的距离,导致一些情况下难以在X方向均分切层，只能按均分原则尽量均分；对于单X排列拼接系统的2个或3个挤出机总成情况下,边上的2个挤出机总成的挤出喷口可以沿着Y的方向反向外凸,左面的向右侧凸出,右面的向左侧凸出,呈现相对凸出状态。
3.根据权利要求1拼接式多喷头FDM-3D成型法所述的防止冲撞原则,及工作区域分配的均分原则，其特征在于：所述防止冲撞原则指的是:该原则由软件编程决定，需要保持任意相邻的2个X方向轨道机构及挤出机总成的任意部位的平面方向的距离大于零，这就需要合理安排各个挤出机总成的起始位址坐标,铺设路径及铺设速度,在多个挤出机总成同时工作时，它们之间才没有冲撞；工作区域分配的均分原则指的是该原则也是由软件编程决定，在数学原理上,只有各个挤出头尽量均分物件切层的打印面积,打印唢需要的时间越少；各挤出机总成所分担的物件切片铺层的面积，以趋于相等为原则。
4.根据权利要求1拼接式多喷头FDM-3D成型法所述的防止冲撞原则,及工作区域分配的均分原则，其特征在于：所述各个挤出机的物料喷口的吐料连续工作指的是:对于收料缓慢的挤出机而言,尽量争取各个挤出机连续工作是时分重要的,对于分担成型面积较小的挤出机来说,如果放慢铺设速度还达不到同步的目的.只能通过在有效区域以外铺设无用成型物件。
5.根据权利要求1拼接式多喷头FDM-3D成型法所述的各个挤出头的平面位置的标定方法的的绝对标定方式或相对的标定方式，其特征在于：各个挤出头的平面位置的标定方法:是将各个挤出机总成的喷口位置对准设置在平台上标定点的正上方或通过确认挤出机总成及X方向轨道机构的相对于框架的位置的绝对标定方式；也可以采用所有挤出机总成移动到平台上方的中间位置区域,并将其紧紧的靠拢在一起的位置作为标定坐标点,的一种相对的标定方式。
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