CN108407304B - 一种微滴喷射3d打印长度尺寸预测方法 - Google Patents

一种微滴喷射3d打印长度尺寸预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法，首先通过调节打印工艺参数进行可成滴性喷射试验，确保打印材料能以单个微滴的形式连续喷出，并得到期望大小的微滴，后测量单个微滴固化后的直径，然后结合打印设计的工艺需求，通过相关打印控制软件输入参数，包括微滴喷射频率、喷嘴运动速度和加速度，喷嘴离打印界面的高度；最后将以上所有参数代入本发明所提供的的计算模型，可实时计算出已打印的当前层轮廓长度尺寸，可为微滴喷射式3D打印长度控制提供预测模型和参考依据。

Description

一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法
技术领域
本发明涉及3D打印长度尺寸在线估计方法，具体涉及到一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法，用于在微滴喷射3D打印过程中在线预测当前层已打印的直线轮廓长度。
背景技术
微滴喷射3D打印是一种新兴的快速成形技术，它通过可控方式将流体类打印材料从喷嘴以均匀微滴的形式高频连续喷出，并按设计轨迹逐层叠加而构造实体，其具有材料选择面广，成本相对较低，操作方便等优点，已成为3D打印领域主流技术之一。
然而，目前微滴喷射3D打印的形貌精度难以控制，在高精度要求场合，例如含复杂微观结构的构件等，需要对已打印成形的构件进行二次修形。从机理而言，尺寸误差是逐层累积、甚至由各层中微小轮廓单元误差逐步累积形成的，因而需要对打印过程中的单元轨迹(如直线、圆弧、曲线等)的尺寸进行实时控制。然而，在打印过程中微单元的实际尺寸无法在线测量，不能获得实时的打印误差，导致不能对误差实时控制或补偿，因而需要通过构建既符合实际打印过程机理、且有足够精度又易于实现的软测量模型对已打印尺寸进行实时估计(或预测)，以替代实际测量过程，并将预测结果与设计结果进行实时比较，为控制提供数据依据。
发明内容
为解决微滴喷射3D打印尺寸不能在线测量的问题，本发明提供一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法，用以在线预测当前层已打印的长度尺寸。
为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)确定单个打印微滴固化后的直径：通过调节打印工艺参数进行可成滴性喷射试验，确保打印材料能以单个微滴的形式连续喷出，并得到期望大小的微滴，后测量单个微滴固化后的直径；
步骤2)其他打印参数设置或确定：结合打印设计的工艺需求，通过相关打印控制软件输入参数，包括微滴喷射频率、喷嘴运动速度和加速度，喷嘴离打印界面的高度。
当前层已打印的长度L的计算公式为：
Figure BDA0001569348920000021
其中：f为微滴喷射频率，ux为喷嘴水平运动速度(同时也为微滴从喷嘴喷出时刻的速度，与喷嘴当时运动的水平速度相同)，uy为微滴喷出喷嘴时刻竖直向下的运动速度(固定值)，n为当前层已经打印的微滴个数，a为喷嘴水平方加速度，D为单个微滴固化后直径，g为重力加速度，h为喷嘴离打印界面的高度。
本发明有如下有益效果：
本发明提供的一种喷射式3D打印长度尺寸预测方法，实际应用中，首先通过试加工获得理想微滴直径，然后在设备自带的打印软件中设置需要的工艺参数，后可通过本发明的方法直接计算出当前层已打印的尺寸长度。实际使用表明，本发明的预测精度在微米级尺度下可达97.31％，完全可用于在线预测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为微滴喷3D打印直线轮廓原理示意图。
图2为不同速度和加速度下打印直线仿真图。
图3为不同加速和速度下打印的直线长度与模型预测长度对比。
图4为实际微滴喷射3D打印直线样品。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
图1为通过微滴喷射3D打印一段直线轮廓的原理示意图，在打印同一层轮廓轨迹时，喷嘴离打印层的高度为h，微滴在脱离喷嘴时刻的运动速度可分解为两个相互垂直的速度分量ux、uy，其中ux与微滴被喷出的瞬时喷嘴水平运动速度的大小和方向相同(其值由设备控制软件设置获得)，uy为微滴竖直向下的初始速度(其值在试打印时先测得)。在打印过程中，最理想的情况是微滴脱离喷嘴后竖直下落，这样便于控制系统根据喷嘴位置来对微滴下落位置进行控制，而实际中，由于ux不为0，微滴脱离喷嘴后做抛物线运动落到打印层上，如图1所示，在打印某层时，假设此刻喷嘴在相对于已打印层材料水平向左运动，喷嘴在A处喷出的微滴落在OA，喷嘴在下一位置B喷出的微滴落在OB处，可以看出，微滴落点位置与对应的被喷射时喷嘴位置之间的偏差，将会提高控制难度，影响打印尺寸精度的控制；进一步，若喷嘴运动时加速度不为零，则在喷射相邻两滴时喷嘴的运动距离l0与相邻两滴的实际落点间的距离l之间会存在偏差，这将进一步增加了尺寸精度控制的难度，需要建立相应的模型对打印尺寸进行预测，再结合相应的设计要求，开发控制算法进行控制。对长度预测的具体实施步骤为：
步骤1)确定单个打印微滴固化后的直径：通过调节打印工艺参数进行可成滴性喷射试验，确保打印材料能以单个微滴的形式连续喷出，并得到期望大小的微滴，后测量单个微滴固化后的直径D。
步骤2)设置或确定其他打印参数：结合打印设计的工艺需求，通过相关打印控制软件输入参数，包括微滴喷射频率、喷嘴运动速度和加速度，喷嘴离打印界面的高度等。
步骤3)利用以下公式(或模型)计算当前层已打印的长度L：
Figure BDA0001569348920000031
其中：f为微滴喷射频率，ux为喷嘴水平运动速度(同时也为微滴从喷嘴喷出时刻的速度，与喷嘴当时运动的水平速度相同)，uy为微滴喷出喷嘴时刻竖直向下的运动速度(固定值)，n为当前层已经打印的微滴个数，a为喷嘴水平方加速度，D为单个微滴固化后直径，g为重力加速度，h为喷嘴离打印界面的高度。
实施例一
利用Flow 3D仿真软件对打印一段直线过程进行仿真，仿真中设置打印流体材料的初始温度设置为363K，空气和已打印层材料(或基板)初始温度为293K。微滴下落的竖直距离为h＝1.7mm，打印频率f＝70Hz。
首先进行单个微滴喷射、固化仿真，让单个微滴以初始水平速度ux＝0.03m/s喷射至基板上固化成形直至完全凝固(t＝0.33s)。将仿真结果通过后处理软件处理，得到单个微滴凝固后的直径为D＝420um。
进一步研究打印直线的情况，为不失一般性，不改变打印单个微滴时已设置的参数，但综合考虑喷嘴运动速度和加速度对打印过程的影响，仿真ux分别为0.02m/s、0.025m/s、0.03m/s且在上述三种速度下加速度分别为0.5m/s2、1m/s2、1.5m/s2时的情况。为降低计算量，每种情况连续打印6滴构成直线，结果汇总如图2所示。
为验证本发明的有效性，将公式(1)计算的理论长度结果与数值仿真结果进行对比，结果整理如图3所示，可以发现，在不同速度和不同加速度情况下，模型计算的打印长度和对应的数值仿真结果均存在一定程度的误差，且平均误差随速度的增大而减小，经计算，ux＝0.02m/s时平均误差为7.18％，ux＝0.025m/s时误差为6.59％，ux＝0.03m/s时误差为6.07％，存在误差的主要原因是预测模型中未考虑后一微滴与前一微滴部分接触后沿前一个微滴侧边向前滑移的影响的缘故(该部分影响涉及非线性热-力学理论，并入模型后尽管可能使预测精度提高，但会使模型缺乏可操作性)。
上述结果表明，喷嘴运动速度、加速度会影响3D打印尺寸，实际3D打印过程中，可通过本发明所建立的模型对打印速度、加速度进行调控，并结合设计目标，来进行打印长度尺寸预测，从而提高打印尺寸的精度。其优势是操作简单，易于实现。
实施例二
按照具体实施方式中所述3个步骤进行实际打印，选用低熔点锡铋合金材料，熔点为65摄氏度。首先以打印竖直距离h＝2mm进行熔液可成滴性试打印，测得单个微滴凝固后的直径D＝490um，微滴脱离喷嘴时竖直方向初速度uy＝1m/s(以高速摄像机获取该速度)。然后保持在该竖直距离水平下，保持试打印时的压力、材料温度等参数不变，控制喷嘴以初速度ux＝0.003m/s、加速度a＝0.001m/s2做水平直线运动，同时，设置打印频率f＝7Hz并开始连续打印8滴，结果如图4所示。用游标卡尺测得图4所示样品长度为3.876mm，进一步，将相应的实际打印参数代入本发明的计算模型，计算得到的预测长度为3.563mm，精度达到91.9％，进一步说明了本发明的准确性。
本发明所涉及的计算模型中的参数，除微滴脱离喷嘴时竖直方向初速度uy需要在试打印时测量外(可通过高速摄像机或频闪设备测量，一次测量后在正式打印中设置为不变)，其他参数均为打印工艺参数，可通过打印设备平台本身进行设置、控制，均为已知量，这也说明本发明的方法有很好的可操作性和可实现性。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (1)

1.一种微滴喷射3D打印长度尺寸预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)确定单个打印微滴固化后的直径：通过调节打印工艺参数进行可成滴性喷射试验，确保打印材料能以单个微滴的形式连续喷出，并得到期望大小的微滴，后测量单个微滴固化后的直径；
步骤2)其他打印参数设置或确定：结合打印设计的工艺需求，通过相关打印控制软件输入参数，包括微滴喷射频率、喷嘴运动速度和加速度，喷嘴离打印界面的高度；
当前层已打印的长度L的计算公式为：
Figure FDA0002277658740000011
其中：f为微滴喷射频率，ux为喷嘴水平运动速度，同时也为微滴从喷嘴喷出时刻的速度，与喷嘴当时运动的水平速度相同，uy为微滴喷出喷嘴时刻竖直向下的运动速度，n为当前层已经打印的微滴个数，a为喷嘴水平方加速度，D为单个微滴固化后直径，g为重力加速度，h为喷嘴离打印界面的高度。
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