CN107856310B - 一种大尺寸悬空构件3d打印的在线分区支撑方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法及系统，方法采用分区支撑算法对所需打印大尺寸构件模型的三维数据进行自动识别，根据构件模型的相关特征结构合理判定分区支撑方式，在构件的打印过程中，利用若干可升降的支撑装置，控制若干独立的打印基板形成能在要求的高度对所打印构件进行外部机械支撑的组合式整体打印基板，并进一步根据所打印构件几何特征对支撑的需要，在打印基板上打印构件所需要的微小支撑；系统包括分区支撑算法处理系统，分区支撑算法处理系统通过数据传输系统和控制器连接，控制器控制可升降支撑装置的状态，可升降支撑装置顶端连接着打印基板，打印基板上放置待打印的制件；本发明提高了打印效率和打印质量。

Description

一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法及系统
技术领域
本发明涉及大尺寸3D打印技术领域，具体涉及一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法及系统。
背景技术
大尺寸构件3D打印指的是面向大型构件(通常长高宽中的任一纬度尺寸在1米以上)的3D打印方法，主要的应用领域为大型工业装备、航天航空等领域。现有的大尺寸构件3D打印，主要方法有两种，一是间接方法，即将大尺寸构件模型分割成多个小模型，进行打印后再拼接；二是直接方法，即直接采用大尺寸3D打印设备进行大尺寸构件的直接打印。相对而言，直接方法具有工艺简单，成形零件一体化程度高等优点，然而，现有的技术存在几个关键问题，其中一个就是支撑问题。对于熔融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)三维打印技术，在打印3D模型时，是一层一层从底面打印到顶面的。因此，如果大尺寸构件具有较多悬空部分时，为了保证这些部分的成功成形，则需要增加大量支撑来支持零件的稳定，而现有大尺寸3D打印技术多采用与普通3D打印相似的单一平台支撑的方式，其存在如下几个问题：
一、由于较多的支撑结构需要较多的材料，会造成材料的极大浪费，大大增加了成本，同时打印支撑的过程也会增长总体零件的打印时间，降低打印效率；
二、复杂构件的支撑如果过多，而支撑通常不是密实的结构，因此容易发生变形和脱离，因此构件尺寸精度会受支撑变形影响；
三、完成零件制造后，需要进行去除支撑过程，如果支撑结构过多，那么不仅去除支撑的手段麻烦、费时，而且也容易造成所需零件的损伤。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法及系统，节省了支撑材料，缩短了打印时间，提高了打印效率和打印质量。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法，包括下列步骤：
1)采用分区支撑算法对大尺寸悬空构件的三维模型进行数据处理，识别模型特征结构并进行模型分区处理，形成模型分区数据，根据模型分区数据，形成分区支撑数据，并采用3D打印软件对大尺寸悬空构件的三维模型进行切片处理，得到打印数据；
2)打印数据传输到控制器，由控制器根据分区支撑数据控制若干可升降的支撑装置形成初始打印层合理的外部机械支撑结构，得到由若干独立打印基板组合而成的适用于当前打印层的打印床；
3)在一层开始打印时，当前外部机械支撑结构的位置数据通过控制器发送给大尺寸3D打印机，打印头会根据打印数据而随着XY运动机构在当前打印床上进行移动，实现当前层和当前层构件所需微小支撑的打印成形，完成后，当前打印床在可升降支撑装置的带动下整体下降一个层厚，准备进行下一层的打印；
4)比较下一层的打印尺寸和上一层打印床的尺寸，若下一层的打印尺寸超出上一层的打印床尺寸范围，则控制器将暂停信号发送给打印头，并根据下一层打印数据控制相应位置和数量的可升降支撑装置的高度，与上一层的打印床一起组合形成满足下一层打印需要的新的打印床后，继续打印；
5)重复步骤3)和4)，直到大尺寸实体零件的打印完成。
所述步骤1)中的模型分区处理及分区支撑数据的确定方法为：将打印构件中需要添加支撑的悬空部分进行分区，根据悬空部分分区的尺寸和分布选取相应尺寸与形状的打印基板，以最多支撑悬空部分为原则优化支撑方案。
所述步骤2)中由若干独立打印基板组合而成的打印床，若有2块及以上独立的打印基板相邻组合为一个平面时，各打印基板拼接间隙小于打印所用丝材直径的1/2，且各打印基板严格在同一水平高度。
一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，包括分区支撑算法处理系统、数据传输系统、控制器和可升降支撑装置，分区支撑算法处理系统通过数据传输系统和控制器连接，控制器控制可升降支撑装置的状态，可升降支撑装置顶端连接着打印基板，打印基板上放置待打印的制件。
所述可升降支撑装置的高度在一定行程范围内能够任意调节，可升降支撑装置包括但不局限于电机驱动、机械驱动方式。
打印时，根据打印构件的尺寸分布调节可升降支撑装置的数量和位置分布，并根据打印构件对添加支撑的位置要求将各可升降支撑装置调节到相应要求的高度。
所述的1个可升降支撑装置顶端固连1块打印基板作为一个可独立控制的最小支撑单元，并由若干最小支撑单元组合形成满足构件打印的机械支撑并作为打印平台。
所述打印基板的形状为规则的长方形或正N边形，N≥3，打印基板任一方向的最小尺寸为20mm，在打印过程中，根据打印构件的形状和尺寸对打印基板的形状和尺寸进行相应的替换。
本发明的有益效果为：
本发明可以为大尺寸悬空构件的打印提供一种简单有效的支撑方式，采用分区算法对所需打印大尺寸悬空构件模型的三维数据进行自动识别，根据构件模型的相关特征结构合理判定分区支撑方式，利用可升降支撑装置，控制打印基板在不同高度对零件进行外部机械支撑，相比于现有的3D打印过程中完全依赖打印支撑对打印构件进行支撑的方法，本发明提出的在线分区支撑方法仅部分需要打印支撑保证打印过程顺利完成，减少了打印支撑的过程，同时当打印大尺寸构件时，外部机械支撑比打印支撑的支撑方式承力能力强、稳定不易变形，从而大大节省了支撑材料，缩短了打印时间，大大提高了打印效率和打印质量，增大了经济效益，具有十分巨大的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统示意图。
图2是本发明一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统中最小支撑单元示意图，以矩形面打印基板为例。
图3(a)本发明一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法一打印实例示意图；图3(b)选用支撑单元的示意图。
图4是本发明一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法打印示例过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，包括分区支撑算法处理系统1、数据传输系统2、控制器3、可升降支撑装置4和打印基板5，分区支撑算法处理系统1通过数据传输系统2和控制器3连接，控制器3控制可升降支撑装置4的状态，可升降支撑装置4顶端连接着打印基板5，打印基板5上放置待打印的制件。
在本实施例中，采用电驱动推杆作为可升降支撑装置，打印如图3所示的构件，采用尺寸为300mm×300mm的打印基板5，参照图4，一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法，包括下列步骤：
1)分区支撑算法处理系统1对长宽高为2000mm×600mm×800mm大尺寸悬空构件的三维模型进行数据处理，识别模型特征结构并进行模型分区处理，形成模型分区数据，根据模型分区数据，形成分区支撑数据，并采用3D打印软件对大尺寸悬空构件的三维模型进行切片处理，得到打印数据；
2)打印数据经数据传输系统2传输到控制器3，由控制器3根据分区支撑数据控制由10个尺寸为300mm×300mm的打印基板5组成的5×2阵列的行程为1500mm的电动推杆可升降支撑装置4形成初始打印层合理的外部机械支撑结构，得到由10个独立打印基板5组合而成的适用于当前打印层的打印床；
3)在一层开始打印时，当前外部机械支撑结构的位置数据通过控制器3由数据传输系统2发送给大尺寸3D打印机，打印头会根据打印数据而随着XY运动机构在当前打印床上进行移动，实现当前层和当前层构件所需微小支撑的打印成形，完成后，当前打印床在可升降支撑装置4的带动下整体下降一个层厚，准备进行下一层的打印；
4)当打印到此构件的大尺寸悬臂部位时，下一层的打印尺寸超出上一层的打印床尺寸范围，则控制器3将暂停信号经数据传输系统2发送给打印头，并根据下一层打印数据，来控制该构件悬臂特征下的2×2阵列的可升降支撑装置4上升，直到与上一打印层顶面平齐，与上一层的打印床共同组合形成满足下一层打印需要的新的打印床后，继续打印；
5)重复步骤3)和4)，直到大尺寸实体零件的打印完成。

Claims (8)

1.一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)采用分区支撑算法对大尺寸悬空构件的三维模型进行数据处理，识别模型特征结构并进行模型分区处理，形成模型分区数据，根据模型分区数据，形成分区支撑数据，并采用3D打印软件对大尺寸悬空构件的三维模型进行切片处理，得到打印数据；
2)打印数据传输到控制器，由控制器根据分区支撑数据控制若干可升降的支撑装置形成初始打印层合理的外部机械支撑结构，得到由若干独立打印基板组合而成的适用于当前打印层的打印床；
3)在一层开始打印时，当前外部机械支撑结构的位置数据通过控制器发送给大尺寸3D打印机，打印头会根据打印数据而随着XY运动机构在当前打印床上进行移动，实现当前层和当前层构件所需微小支撑的打印成形，完成后，当前打印床在可升降支撑装置的带动下整体下降一个层厚，准备进行下一层的打印；
4)比较下一层的打印尺寸和上一层打印床的尺寸，若下一层的打印尺寸超出上一层的打印床尺寸范围，则控制器将暂停信号发送给打印头，并根据下一层打印数据控制相应位置和数量的可升降支撑装置的高度，与上一层的打印床一起组合形成满足下一层打印需要的新的打印床后，继续打印；
5)重复步骤3)和4)，直到大尺寸实体零件的打印完成。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法，其特征在于：所述步骤1)中的模型分区处理及分区支撑数据的确定方法为：将打印构件中需要添加支撑的悬空部分进行分区，根据悬空部分分区的尺寸和分布选取相应尺寸与形状的打印基板，以最多支撑悬空部分为原则优化支撑方案。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法，其特征在于：所述步骤2)中由若干独立打印基板组合而成的打印床，若有2块及以上独立的打印基板相邻组合为一个平面时，各打印基板拼接间隙小于打印所用丝材直径的1/2，且各打印基板严格在同一水平高度。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑方法所采用的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，其特征在于：包括分区支撑算法处理系统、数据传输系统、控制器和可升降支撑装置，分区支撑算法处理系统通过数据传输系统和控制器连接，控制器控制可升降支撑装置的状态，可升降支撑装置顶端连接着打印基板，打印基板上放置待打印的制件。
5.根据权利要求4所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，其特征在于：所述可升降支撑装置的高度在一定行程范围内能够任意调节，可升降支撑装置采用电机驱动或机械驱动方式。
6.根据权利要求4所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，其特征在于：打印时，根据打印构件的尺寸分布调节可升降支撑装置的数量和位置分布，并根据打印构件对添加支撑的位置要求将各可升降支撑装置调节到相应要求的高度。
7.根据权利要求4所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，其特征在于：1个所述的可升降支撑装置顶端固连1块打印基板作为一个可独立控制的最小支撑单元，并由若干最小支撑单元组合形成满足构件打印的机械支撑并作为打印平台。
8.根据权利要求4所述的一种大尺寸悬空构件3D打印的在线分区支撑系统，其特征在于：所述打印基板的形状为规则的长方形或正N边形，N≥3，打印基板任一方向的最小尺寸为20mm，在打印过程中，根据打印构件的形状和尺寸对打印基板的形状和尺寸进行相应的替换。
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