CN108621420A - 一种磁力辅助成型3d打印成型装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁力辅助成型3D打印成型装置及方法，利用电磁技术配合3D打印技术，实现高分子基磁性金属复合材料制品悬臂结构无支撑打印以及防止制品翘边的作用。通过控制系统根据打印位置和挤出量的实时监控和计算对建磁平台中电磁铁工作状态的精确控制，使其对打印的悬臂结构施加的竖直向上的磁力平衡竖直向下的重力作用，使打印的熔融态悬臂可在空中稳定悬浮冷却固化成型。本发明可有效避免3D打印过程中对制品悬臂结构建立支撑部分，改善原有与支撑面接触制品表面的质量，缩短打印时间，减少打印过程中耗材的使用量；使制品有更好的质量；并且多台打印挤出机械臂同时工作，可选择从不同维度完全悬浮打印成型的技术，可以提高制品的制造效率。

Description

一种磁力辅助成型3D打印成型装置及方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种磁力辅助成型3D打印成型技术。
背景技术
熔融沉积成型技术作为3D打印技术的一种目前被广泛应用于医疗、时尚、工业、航空航天等各个方面。熔融沉积技术属于从下至上的层叠成型技术，为了避免由于重力导致打印悬臂结构过程中坍塌，必须在制品下方预先打印支撑结构，且支撑结构在打印结束后需被去除，这将在打印模型本体表面留下痕迹，使3D打印制品表面质量较差并且有塑料耗材废弃不利于环保。本发明提出一种克服物体重力避免打印支撑结构的熔融沉积3D打印的方案-磁力辅助成型3D打印技术。该技术利用麦克斯韦电磁理论改变磁性物质(铁、钴、镍等)的磁矩方向与地球引力协调以辅助高分子基磁性金属复合材料悬臂结构悬浮3D打印成型。相较于一种常见的利用超声波抵消重力影响的方法，磁力对物体的作用力较易精确控制，且成本较低。本发明具体介绍利用电磁技术辅助3D打印技术进行制品悬臂结构无支撑打印的技术，该技术同时可增强制品下表面与打印平台的接触力，避免制品翘曲变形的现象产生。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的不足，提供一种磁力辅助成型3D打印成型装置及方法。利用电磁技术配合3D打印技术，实现高分子基磁性金属复合材料制品悬空部分无支撑打印以及防止制品翘边的作用。本发明可有效避免3D打印过程中对制品支撑结构的建立，改善原有支撑面的表面质量，缩短打印时间，减少打印过程中耗材的使用量；使制品有较好的尺寸精度。
本发明提出的技术方案是：一种磁力辅助成型3D打印成型装置，由熔融沉积3D打印机、磁力辅助系统和控制系统组成。所述磁力辅助系统包括束线圈箱、线圈、铁芯、散热装置；所述控制系统包括3D打印机控制系统、磁场控制系统以及磁隔离箱。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的结构是以熔融沉积3D打印机为主要作用对象，安装两个建磁平台，上层建磁平台直接固接于3D打印机顶部；下层建磁平台安装于3D打印机成型平台下，并与之固接，可随3D打印机成型平台做Z轴轴向运动。两建磁平台均需保持水平安装。3D打印机及建磁平台控制系统均由导线迁出集中于3D打印机一侧，置于磁隔离箱内，防止磁干扰控制系统运作。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置中熔融沉积3D打印机的成型平台材料采用高磁导率材料。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置中建磁平台的束线圈箱由上下壳体、侧面壳体以及内部隔离带组成。其中侧面壳体用低磁导材料例如铝合金等材料制成，上下两壳体由高磁导材料例如工业纯铁等制成，内部隔离带为矩形网格结构，网格边长与电磁线圈外径一致，每个隔离带组成的矩形格中设置一枚由电磁线圈和铁芯的电磁铁，隔离带由铜等低磁导率和有电场隔离效果的材料制成，同时在工作过程中中间隔离带应接地，以减小线圈对相邻线圈的干扰。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置中磁力辅助系统的建磁平台的散热系统由多风扇组成，其中建磁平台上的风扇安装于束线圈箱前后左右四面，相互对称，以防止大量电磁设备工作形成热涡流，提高散热速度。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置中控制系统的磁隔离箱由低磁导率的材料例如铝等材料制成，完全包覆控制系统，避免在工作过程中产生的磁场对控制系统产生干扰，影响设备正常运转。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置中控制系统的磁场控制系统主要控制线圈电流和散热系统的工作。该系统随时监测3D打印机的工作状态，根据3D打印实时监测打印位置和挤出量，传输回的相关数据控制喷头挤出后熔融材料竖直投影覆盖的建磁平台相应位置线圈电流通断以及供应电流的大小。该系统根据束线圈箱中的温度控制风扇工作转速，使箱体内部温度稳定在合理范围之内。
采用本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的具体成型方法是：首先将磁性材料纤维或粉末与高分子材料熔融共混挤出成熔融沉积成型所需要的丝状耗材备用。上层建磁平台直接固接于3D打印机顶部；下层建磁平台安装于3D打印机成型平台正下方做Z轴轴向运动。在3D打印状态下，磁场控制系统打开散热系统的风扇，直至建磁平台在本次打印过程中不再使用且内部温度降至室温。当开始打印时，高分子基磁性金属复合材料被3D打印机熔融挤出并接触底部成型平台，此时磁场控制系统检测打印耗材与成型平台接触面区域并使耗材接触区域竖直投影向下覆盖的建磁平台相应区域线圈施加电流，打印耗材中磁性金属材料被下层建磁平台磁力吸引，保证高分子基复合材料打印制品底面与打印平台紧密接触，避免翘曲变形现象。通过3D打印控制系统检测即将有悬臂结构需打印时，下层建磁平台停止工作；通过电磁控制系统将刚刚打印的悬臂结构竖直向上投影至上层建磁平台位置的线圈通电工作，且通电电流大小与3D打印控制系统检测挤出耗材量正相关，将刚刚从喷头处挤出的悬臂结构熔融物料悬浮于空中，使其在悬空过程中冷却固化，实现无支撑部分的悬臂结构3D打印。当打印完悬臂结构后，上层建磁平台停止工作，下层建磁平台继续工作，将制品牢固磁吸在成型平台之上。
与传统的3D打印技术相比，本发明提供的一种磁力辅助成型3D打印成型装置及方法可以优化高分子基金属复合材料悬空结构3D打印工序，减少支撑结构的搭建和搭建支撑时的耗材；优化制品悬空部分的打印表面质量，避免因去除支撑材料过程中造成表面的破坏；可有效防止打印制品发生翘边。
根据本发明的原理，亦可实现高分子材料与磁性物质共混材料悬空3D打印及多挤出机械臂同时进行挤出粘接成型工作，可实现无水平成型平台的3D打印。在成型过程中，改变机械臂挤出耗材位置竖直向上投影覆盖的上建磁平台对应线圈的电流大小调整磁力强度，以保持打印出的耗材在空中稳定悬浮冷却固化。此方法可满足多台打印挤出机械臂同时工作，从不同方向上挤出粘接成型，摆脱了传统笛卡尔坐标系三轴加工各向异性的弊端，实现根据不同位置性能要求选择从不同维度完全悬浮打印成型的技术，同时可提高制品制造效率。
附图说明
图1是本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的总体示意图。
图2是本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的建磁平台的示意图。
图3是本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的建磁平台的束线圈箱示意图。
图4是本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的悬空多机械臂打印技术的示意图。
图中：1-上层建磁平台；2-下层建磁平台；3-磁隔离箱；4-3D打印机成型平台；5-悬空3D打印制品；6-3D打印机械臂；1-1-束线圈箱；1-2-风扇安装孔；1-3-线圈；1-4-铁芯。
具体实施方式
本发明提供了一种磁力辅助成型3D打印成型装置，见图1，由熔融沉积3D打印机、磁力辅助系统和控制系统组成。磁力辅助系统见图2所示，磁力辅助系统包括束线圈箱1-1、线圈1-3、铁芯1-4、散热装置；所述控制系统包括3D打印机控制系统、磁场控制系统以及磁隔离箱3，建磁平台的束线圈箱示意图如图3所示。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置是以熔融沉积3D打印机为主要作用对象，安装两个建磁平台，上层建磁平台1直接固接于3D打印机顶部；下层建磁平台2安装于3D打印机成型平台4下，并与之固接，可随成型平台做Z轴轴向运动两建磁平台均需保持水平安装。3D打印机及建磁平台控制系统均集中布置于3D打印机一侧，置于磁隔离箱3内，防止磁干扰控制系统运作，见图1所示。
本发明一种磁力辅助成型3D打印成型装置的具体成型方法是：将磁性材料纤维或粉末与高分子材料熔融共混挤出成熔融沉积成型所需要的丝状耗材备用。下层建磁平台2安装于3D打印机成型平台4正下方做Z轴轴向运动。在3D打印状态下，磁场控制系统打开散热系统的风扇1-2，并一直保持，直至建磁平台在本次打印过程中不再使用且内部温度降至室温。当开始打印时，高分子基磁性金属复合材料被3D打印机熔融挤出并接触底部成型平台4，此时磁场控制系统检测打印耗材与成型平台接触面区域并使下建磁层为相应区域线圈1-3施加电流，线圈1-3与铁芯1-4组成为电磁铁，使打印耗材中磁性金属材料被下层建磁平台2磁力吸引，保证打印制品底面与打印平台紧密接触，避免翘曲变形现象。通过3D打印控制系统检测即将有悬臂结构需打印时，下层建磁平台2停止工作；通过电磁控制系统将刚刚打印的悬臂结构竖直向上投影至上层建磁平台1位置的线圈1-3通电工作，且通电电流大小与3D打印控制系统检测挤出耗材量正相关，将刚刚从喷头处挤出的悬臂结构熔融物料悬浮于空中，使其在悬空过程中冷却固化，实现无支撑部分的悬臂结构3D打印。当打印完悬臂结构后，上层建磁平台1停止工作，下层建磁平台2继续工作，将制品牢固磁吸在成型平台4之上。
根据本发明的原理，亦可实现高分子材料与磁性物质共混材料悬空3D打印及多挤出机械臂6同时进行挤出粘接成型工作，可实现无水平成型平台的3D打印，见图4所示。在成型过程中，改变机械臂6挤出耗材位置对应线圈1-3的电流大小调整磁力强度，以保持打印的耗材在空中稳定悬浮冷却固化。此方法可满足多台打印挤出机械臂6同时工作，从不同方向上挤出粘接成型，摆脱了传统笛卡尔坐标系三轴加工各向异性的弊端，实现根据不同位置性能要求选择从不同维度打印成型的技术，同时提高制品5制造效率。

Claims (10)

1.一种磁力辅助成型3D打印成型装置，其特征在于：由熔融沉积3D打印机、磁力辅助系统和控制系统组成，所述磁力辅助系统包括束线圈箱、线圈、铁芯、散热装置；所述控制系统包括3D打印机控制系统、磁场控制系统以及磁隔离箱；以熔融沉积3D打印机为主要作用对象，安装两个建磁平台，上层建磁平台直接固接于3D打印机顶部；下层建磁平台安装于3D打印机成型平台下，并与之固接，下层建磁平台可随3D打印机成型平台做Z轴轴向运动；两建磁平台均需保持水平安装；3D打印机控制系统及建磁平台控制系统均由导线迁出集中于3D打印机一侧，置于磁隔离箱内，防止磁干扰控制系统运作；熔融沉积3D打印机的成型平台材料采用高磁导率材料；建磁平台的束线圈箱由上下壳体、侧面壳体以及内部隔离带组成，其中侧面壳体用低磁导材料材料制成，上下两壳体由高磁导材料制成，内部隔离带为矩形网格结构，网格边长与电磁线圈外径一致，每个隔离带组成的矩形格中设置一枚由电磁线圈和铁芯的电磁铁，隔离带由铜等低磁导率和有电场隔离效果的材料制成，同时在工作过程中中间隔离带应接地，以减小线圈对相邻线圈的干扰。
2.根据权利要求1所述的一种磁力辅助成型3D打印成型装置，其特征在于：侧面壳体用铝合金制成，上下两壳体由工业纯铁制成。
3.根据权利要求1所述的一种磁力辅助成型3D打印成型装置，其特征在于：建磁平台的散热系统由多风扇组成，其中建磁平台上的风扇安装于束线圈箱前后左右四面，相互对称。
4.根据权利要求1所述的一种磁力辅助成型3D打印成型装置，其特征在于：控制系统的磁隔离箱由低磁导率的材料制成，磁隔离箱完全包覆控制系统。
5.根据权利要求1所述的一种磁力辅助成型3D打印成型装置，其特征在于：控制系统的磁场控制系统主要控制线圈电流和散热系统的工作，随时监测3D打印机的工作状态，根据3D打印实时监测打印位置和挤出量，传输回的相关数据控制喷头挤出后熔融材料竖直投影覆盖的建磁平台相应位置线圈电流通断以及供应电流的大小；根据束线圈箱中的温度控制风扇工作转速，使箱体内部温度稳定在合理范围之内。
6.一种磁力辅助成型3D打印成型方法，其特征在于：首先将磁性材料纤维或粉末与高分子材料熔融共混挤出成熔融沉积成型所需要的丝状耗材备用；上层建磁平台直接固接于3D打印机顶部；下层建磁平台安装于3D打印机成型平台正下方做Z轴轴向运动；在3D打印状态下，磁场控制系统打开散热系统的风扇，直至建磁平台在本次打印过程中不再使用且内部温度降至室温；当开始打印时，高分子基磁性金属复合材料被3D打印机熔融挤出并接触底部成型平台，此时磁场控制系统检测打印耗材与成型平台接触面区域并使耗材接触区域竖直投影向下覆盖的建磁平台相应区域线圈施加电流，打印耗材中磁性金属材料被下层建磁平台磁力吸引，保证高分子基复合材料打印制品底面与打印平台紧密接触；通过3D打印控制系统检测即将有悬臂结构需打印时，下层建磁平台停止工作；通过电磁控制系统将刚刚打印的悬臂结构竖直向上投影至上层建磁平台位置的线圈通电工作，且通电电流大小与3D打印控制系统检测挤出耗材量正相关，将刚刚从喷头处挤出的悬臂结构熔融物料悬浮于空中，使其在悬空过程中冷却固化，实现无支撑部分的悬臂结构3D打印；当打印完悬臂结构后，上层建磁平台停止工作，下层建磁平台继续工作，将制品牢固磁吸在成型平台之上。
7.根据权利要求6所述的一种磁力辅助成型3D打印成型方法，其特征在于：能够实现高分子材料与磁性物质共混材料悬空3D打印及多挤出机械臂同时进行挤出粘接成型工作。
8.根据权利要求6所述的一种磁力辅助成型3D打印成型方法，其特征在于：能够实现无水平成型平台的3D打印。
9.根据权利要求6所述的一种磁力辅助成型3D打印成型方法，其特征在于：改变机械臂挤出耗材位置对应线圈的电流大小调整磁力强度，以保持打印的耗材在空中稳定悬浮冷却固化。
10.根据权利要求6所述的一种磁力辅助成型3D打印成型方法，其特征在于：多台打印挤出机械臂同时工作，从不同方向上挤出粘接成型。
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