CN108748977A - 一种高孔隙结构无支撑空间3d打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置及打印方法，装置包括冷却箱体，冷却箱体中设置有运动模块、打印头模块和同轴冷却组件，打印头模块与运动模块的载物台上固定连接，运动模块至少三个平动自由度，打印头模块下方设置有打印接收台，打印头模块包括挤出组件，挤出组件下端设置有挤出头，挤出组件外侧设置有加热组件和同轴冷却组件，同轴冷却组件包括喷气流道，喷气流道的入口处设置有风扇，冷却箱体外设置有用于对冷却箱体内部进行制冷的制冷空调，通过快速冷却使得挤出打印材料沿着打印头模块的空间曲线运动轨迹凝固，直接得到线径接近挤出头出口直径的空间曲线结构，提高了成型效率。

Description

一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置及打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置及打印方法。

背景技术

现有的熔融挤出式3D打印方法采用逐层沉积，在一个平面(或曲面)上进行面打印作业，完成一个面的打印作业后，在垂直平面(或曲面)方向上上升一段距离，在之前的打印层上再进行面打印作业，逐层累加直到打印任务完成。这种打印方法在面对有较多悬空结构或有细小空间曲线结构的打印任务时，需要打印许多支撑，并在打印后去除支撑。支撑的添加和去除使得打印效率低下，并且在面向尺度较小的打印任务时，去除支撑的步骤很可能破坏需要保留的结构，造成结构变形或表面粗糙度变大。若要求打印件有跨越毫米和微米尺度的结构，则现有打印方法在成型效率和最小成型尺度上往往不可兼顾。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置及打印方法，能快速、方便地制造出孔隙率高、具有细小尺度悬空结构、网状结构的打印件。

为达到上述目的，本发明所述一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置包括冷却箱体，冷却箱体中设置有运动模块、打印头模块和同轴冷却组件，打印头模块与运动模块的载物台固定连接，运动模块至少三个平动自由度，打印头模块下方设置有打印接收台，打印头模块包括挤出组件，挤出组件下端设置有挤出头，挤出组件外侧设置有加热组件和同轴冷却组件，同轴冷却组件包括喷气流道，喷气流道的入口处设置有风扇，冷却箱体外设置有用于对冷却箱体内部进行制冷的制冷空调。

进一步的，加热组件均匀布置在挤出组件外侧。

进一步的，喷气流道设置在相邻的加热组件之间。

进一步的，喷气流道为上大下小的锥形。

进一步的，挤出头锥度小于30°。

进一步的，还包括控制系统，控制系统使用基于STM32的工业控制卡和PC电脑。

一种高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，包括以下步骤：

步骤1、制冷空调对冷却箱体内部进行冷却，到达制冷温度后保持；加热组件开始加热打印材料直至达打印材料熔融温度；然后挤出组件通过挤出头挤出打印材料，同时对挤出的打印材料进行冷却，以调控挤出材料的凝固速度；

步骤2、运动模块移动打印头模块沿着打印接收台的接收面运动，打印出附着基底；

步骤3、打印头模块在附着基底的基础上沿着空间曲线进行打印，打印过程中动态调节打印材料挤出速率、同轴冷却功率、打印头模块运动速度三个工艺参数，使得挤出的打印材料按照打印需求改变凝固速度配合打印头模块的一系列打印动作在附着基底上打印出自支撑的空间曲线结构或丝线结构。

进一步的，通过打印装置的控制系统对打印材料挤出速度、同轴冷却功率和打印头模块空间运动速度进行控制。

进一步的，在步骤1之前，编写一系列结构单元程序，结构单元程序的输入包括几何参数和工艺参数；结构单元程序将输入的几何参数带入结构单元的参数化函数中逐个计算出结构单元的离散空间点坐标；工艺参数包括：打印头模块空间运动速度大小、同轴冷却功率和材料挤出速度；结构单元程序由工艺参数确定打印设备在遍历各离散点时所处状态；结构单元程序通过文本输出指令将离散空间点坐标和各点对应的工艺参数按照G代码格式依次输出，得到打印指令集，并写入文件；然后编写目标结构程序，通过一系列结构单元程序的嵌套、组合和重复，构成目标结构；最后向目标结构程序输入目标结构的几何参数和工艺参数，输出目标结构的打印指令集，生成打印指令文件。

进一步的，打印动作包括轨迹成型、焊合、拉丝和断丝，其中，进行轨迹成型动作时：打印头模块的运动速度等于打印材料挤出的线速度，同轴冷却组件对挤出材料进行全功率冷却；

进行焊合动作时：同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率的0～50％，使得挤出的打印材料保持熔融状态，打印头模块将挤出材料按压在之前打印的结构上0.5s～1.5s，使两者融合在一起；

进行拉丝动作时：打印头模块的运动速度与打印材料挤出的线速度的配比范围为1:1到200:1，同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率的0～50％，使得挤出材料保持熔融状态；

进行断丝动作时：在到达断丝点前，同轴冷却组件提高至最大的同轴冷却功率，同时挤出组件停止送丝。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明的3D打印装置，将打印头模块设置在冷却箱体中，并设置制冷空调对冷却箱体进行制冷，确保打印环境的温度可控，且处于较低温度，保证打印材料能够及时冷却并凝固，防止打印件塌陷。

进一步的，喷气流道为上大下小的锥形，将风扇吸入的冷空气进行集中，吹向挤出头的出口处，减少在进行打印时可能发生的干涉。

进一步的，挤出头锥度小于30°，扩大了可以不发生干涉的工作范围，同时通过打印头模块的运动动作对以打印的结构进行避让，防止打印过程中的干涉。

本发明的方法具有以下优点：

1)极大的减少了悬空结构所需的支撑

通过轨迹成型动作和拉丝动作打印出自支撑的悬空结构，而无需添加额外的支撑。自支撑的悬空结构可为空间螺旋线、空间折线等。而传统FDM打印技术，则必须在悬空结构底部添加一定的支撑，在打印完成后去除支撑。当目标结构的线径接近打印头挤出口直径时，支撑结构与目标的结构的接合处尺寸已经与目标的结构的线径相近，去除时会破坏目标的结构或造成无法成型的问题，导致目标结构损毁。若目标结构为细丝，则无法添加支撑。

2)能够打印出线径远小于挤出头出口直径的丝线：本方法通过拉丝动作可以打印出线径为挤出头出口直径1～0.05倍的细丝结构(如图5所示)。在成型效率和最小成型尺度能力上具有一定的兼顾性。传统FDM打印技术能够打印的结构的最小尺寸基本等于挤出头出口直径，若要能够打印具有更小结构尺寸的打印机，则需使用更小出口直径的挤出头，单位时间内挤出的材料能力降低，成型效率由此下降。

3)现有的FDM打印技术通过扫描平面进行打印并逐层累加得到空间曲线结构，其在平面的扫描动作必然使得扫描所得截面的尺寸大于挤出喷头直径。而本发明的设备及方法通过快速冷却使得挤出打印材料沿着打印头模块的空间曲线运动轨迹凝固，直接得到线径接近挤出头出口直径的空间曲线结构，提高了成型效率。

4)对挤出的打印材料各部分凝固状态的控制，其目的在于：不同的打印动作要求材料有不同的凝固状态，轨迹成型打印动作，要求材料能够沿着打印头模块空间运动轨迹迅速凝固，若凝固不及时，打印头模块的运动对已打印结构的牵扯力将造成其变形，而偏离预定的凝固位置，使得打印结构丧失精度。焊合打印动作要求挤出材料保持熔融状态，以和之前打印的结构进行熔融焊合。拉丝打印动作要求材料保持一定的熔融状态，以将材料拉扯成细丝。

附图说明

图1为打印设备的构成示意图；

图2为打印头模块的构成示意图；

图3为3D打印的流程图；

图4为用本发明的方法和设备打印出的PCL材料螺旋线结构打印件的示意图；

图5为用本发明的方法和设备打印出的具有微米级丝线结构和螺旋结构的PLA材料打印件的示意图；

附图中：1、运动模块，2、打印头模块，3、打印接收台，4、冷却箱体，5、制冷空调，201、挤出组件，202、加热组件，203、风扇，204、喷气流道，205、挤出头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1，一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置包含运动模块1、打印头模块2、打印接收台3、冷却箱体4和制冷空调5。其中，运动模块1、打印头模块2和打印接收台3均设置在冷却箱体4中，制冷空调5设置在冷却箱体4外侧，且制冷空调5的制冷端与冷却箱体4相通，制冷空调5能够降低冷却箱体4内的温度；运动模块1与打印头模块2固定连接，打印头模块2搭载在运动模块1上，运动模块1使得打印头模块2具有至少三个平动自由度。打印头模块2下方设置有打印接收台3，打印接收台3用以接收打印头模块2打印的打印件。

参照图2，打印头模块2包括挤出组件201、加热组件202、同轴冷却组件和挤出头205，同轴冷却组件包括多个风扇203和多个喷气流道204，挤出组件201内设置有挤出电机和挤出机构；挤出组件201下端设置有挤出头205，挤出组件201外周均匀设置有若干加热组件202，加热组件202内设置有加热线圈和热电偶；相邻的加热组件202之间设置有喷气流道204，喷气流道204的入口设置在上部，入口设置有风扇203，喷气流道204为上大下小的锥形，将风扇吸入的冷空气进行集中，吹向挤出头205的出口处，喷气流道204的出口位置高于挤出头205的出口，避免在进行打印时发生干涉。

挤出头205锥度小于30°，以减少干涉。多个喷气流道204关于挤出头205的轴线对称布置。在打印过程中，同轴冷却组件能够从冷却箱体4中汲取低温空气，喷向打印头模块2挤出的打印材料对其进行快速而均匀的冷却。

一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置使用基于STM32的工业控制卡和PC电脑作为控制系统。由PC电脑作为上位机，由上位机软件读取MATLAB程序生成的打印指令txt文件，通过串口向工业控制卡发送打印指令，由工业控制卡依据打印指令控制运动平台各轴电机、打印头模块挤出组件挤出电机、打印头模块加热组件的加热、同轴组件的风扇203的转动、冷却空调制冷。

运动模块1为具有至少三个自由度的并联臂式或机械臂式运动平台，运动平台具有放置被移动物体的载物台，采用多自由度运动平台是因为打印头模块有足够的自由度完成如螺旋运动、曲线快速拉丝运动等运动动作进行作业；打印头模块能够对以打印的结构进行避让，防止打印过程中的干涉；打印头模块在运动过程中打印头挤出头205法向能够与其空间平动运动方向保持一定的夹角，以防止夹角过小时挤出头205剐蹭打印出来的结构；打印头模块2安装在运动模块1的载物台上。

加热组件202能够加热打印材料使其熔融，并保持材料熔融状态的稳定性。

参照图3，一种高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，打印头在空间中的运动包括一系列的动作，通过实时调控打印头运动速度与挤出速度产生不同的组合形式，产生不同的工艺效果，进而打印出空间中的曲线结构。这一系列的动作包括：打印头沿打印任务要求的曲线结构运动、打印头对挤出材料进行拉扯、打印头在之前打印的结构或基底上进行焊合动作，断丝动作，通过实时调控打印头运动速度和出丝速度的配比、打印头运动动作、环境温度、同轴冷却功率来完成打印任务。将环境温度通过制冷空调控制在0℃～10℃之间，同轴冷却功率(即风扇的功率)控制在0～20W之间。

具体包括以下步骤：

步骤1、用MATLAB软件编写目标结构打印指令生成程序，输入目标结构几何参数和工艺参数，生成打印指令txt文件。

首先编写一系列结构单元程序；结构单元程序是基于结构单元(例如螺旋线结构单元、附着基底结构单元、丝线结构单元、正弦线结构单元、圆弧结构单元等)的参数化函数，结构单元程序的输入包括几何参数和工艺参数；结构单元程序将输入的几何参数带入结构单元的参数化函数中逐个计算出结构单元的离散空间点坐标；工艺参数包括：打印头模块空间运动速度大小、同轴冷却功率、材料挤出速度；结构单元程序由工艺参数确定打印设备在遍历各离散点时所处状态；结构单元程序通过文本输出指令将离散空间点坐标和各点对应的工艺参数按照G代码格式依次输出，得到打印指令集，并写入txt文件；其次编写目标结构程序，通过一系列结构单元程序的嵌套、组合和重复，构成目标结构；最后向目标结构程序输入目标结构的几何参数和工艺参数，输出目标结构的打印指令集，生成打印指令txt文件。用PC电脑上位机软件读取打印指令文件，打印指令文件为txt文件，并通过串口通信向工业控制卡发送打印指令进行打印工作。

步骤2、在打印指令的控制下，制冷空调5对打印环境温度进行冷却，到达制冷温度后保持；打印头模块2上的加热组件202开始加热打印材料，并到达打印材料的熔融温度，打印材料包括生物兼容性良好的PLA、PCL；挤出组件201以打印指令设定的速率挤出打印材料；同时同轴冷却组件以打印指令设定的同轴冷却功率对挤出的打印材料进行冷却，调控挤出的打印材料的凝固速度；

步骤3、运动模块1移动打印头模块2沿着打印接收台3的接收面运动，打印材料挤出的线速度与打印头模块运动速度大小相等，同轴冷却组件对挤出材料进行全功率快速冷却，打印出附着基底；

步骤4、打印头模块2在附着基底的基础上沿着空间曲线进行打印，打印过程中动态调节打印材料挤出速率、同轴冷却功率、打印头模块运动速度三个工艺参数，使得挤出的打印材料按照打印需求改变凝固速度配合打印头模块的一系列打印动作在附着基底上打印出自支撑的空间曲线结构或丝线结构。打印动作有轨迹成型、焊合、拉丝和断丝等，

其中，进行轨迹成型动作时：打印头运动速度大小等于打印材料挤出的线速度大小，同轴冷却组件对挤出材料进行全功率快速冷却，使得材料沿着打印头模块运动轨迹凝固，形成线径接近打印头模块挤出头出口直径的自支撑空间曲线；

进行焊合动作时，同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率(20W)的0～50％，使得挤出材料保持熔融状态，打印头模块将挤出材料按压在之前打印的结构上0.5-1.5s，使两者融合在一起，由此将前后打印的结构相接合；

进行拉丝动作时，打印头运动速度大小与打印材料挤出的线速度大小配比范围为1:1到200:1。以出口直径为1mm的挤出头为例，其打印出的丝线线宽可为0.05～1mm。速度比值越大，丝线宽度越小，同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率的0～50％，使得挤出材料保持熔融状态，打印头模块从拉丝起点处沿一定空间曲线迅速移动到拉丝终点，将挤出的熔滴拉扯成丝线，并将拉出的丝线的末端焊合在终点处之前打印的结构上；

进行断丝动作时，在到达断丝点前，同轴冷却组件提高至最大的同轴冷却功率，同时挤出组件停止送丝，到达断丝点后，打印头模块在断丝点停留0.5-1.5s，之后迅速移开，切断打印头模块与之前结构的连接。

步骤3和步骤4中，对挤出的打印材料凝固状态的控制，其目的在于：不同的打印动作要求材料有不同的凝固状态，轨迹成型打印动作，要求材料能够沿着打印头空间运动轨迹迅速凝固，若凝固不及时，打印头的运动对已打印结构的牵扯力将造成其变形，而偏离预定的凝固位置，使得打印结构丧失精度。焊合打印动作要求挤出材料保持熔融状态，以和之前打印的结构进行熔融焊合。拉丝打印动作要求材料保持一定的熔融状态，以将材料拉扯成细丝。

步骤5、重复步骤3和步骤4直到打印出所需的所有结构。实施例1：打印PCL材料变直径螺旋线结构件

步骤1、用MATLAB软件编写螺旋结构打印指令生成程序；

首先编写附着基底结构单元程序和螺旋线结构单元程序：附着基底结构程序的输入包括基底空间坐标、基底直径、基底高度、分层层数4个几何参数和打印头模块运动速度大小、挤出速度、同轴冷却功率3个工艺参数，通过直径由基底直径逐渐变小至0的螺旋线参数化函数计算得螺旋线上的离散点坐标，通过文本输出指令将离散点坐标和对应的工艺参数按照G代码格式输出；螺旋线结构单元程序的输入包括螺旋线起始空间坐标、螺旋线直径、螺旋线长度、螺旋升角、螺旋线首尾变径长度5个几何参数和打印头模块运动速度大小、挤出速度、同轴冷却功率3个工艺参数，通过螺旋线的参数化函数根据四个几何参数依次计算出螺旋线上的离散点坐标，通过文本输出指令将离散点坐标和对应的工艺参数按照G代码格式输出；

其次将附着基底结构单元程序和螺旋线结构单元程序拼接成螺旋线结构打印指令生成程序，程序包括基底坐标、基底直径、基底高度、基底螺旋次数、螺旋线直径、螺旋线程度、螺旋升角、螺旋线首尾变径长度8个几何参数，以及打印头运动速度大小、同轴冷却功率、冷却温度3个工艺参数；

向螺旋线结构打印指令生成程序输入几何参数：基底坐标(0,0,0)、基底直径6mm、基底高度1mm、基底螺旋次数6、螺旋线直径5mm、螺旋线高度10mm、螺旋升角15°、螺旋线首尾变径长度1mm，向螺旋线结构打印指令生成程序输入工艺参数：打印头运动速度大小1mm/s、挤出速度1mm/s、同轴冷却功率100％、冷却温度5℃；螺旋线结构打印指令生成程序得到输入后，输出打印指令txt文件，通过PC电脑上位机软件读取打印指令txt文件，并通过串口通信向工业控制卡发送打印指令进行打印工作。

步骤2、打印设备接收到打印指令后开始工作；制冷空调冷却制冷箱体内的空气，使其到达预设温度5℃；加热组件开始加热，使得挤出头温度到达70℃；挤出组件开始挤出PCL；风扇203开始以全功率工作；打印头模块2出丝稳定后，向打印接收台3方向竖直运动，直到挤出口距离平面0.15mm时，打印头模块2停止运动，随后打印头模块2水平运动，将多余的挤出材料擦去，并到达附着基底打印位置开始打印附着基底；

步骤3、打印头模块2绕垂直于打印接收台平面的一个轴作直径从6mm减小到0的螺旋上升运动，在直径减小到零时，打印头模块距离打印接收台平面0.5mm，之后打印头模块开始沿轴线运动上升至距离打印接收台平面1mm，完成附着基底的打印作业；

步骤4、打印头模块2绕附着基底轴线沿着直径先变大后变小的上升螺旋线运动，打印头模块上升1mm后，上升螺旋线的直径从0逐渐变大到5mm，打印头模块上升9mm后，上升螺旋线的直径从5mm逐渐变小为0mm；打印头模块运动速度大小为1mm/s，挤出速度为1mm/s，同轴冷却功率为100％，同轴冷却模块对挤出的熔融PCL进行快速冷却，使熔融PCL快速凝固，使其能沿着螺旋轨迹凝固，即打印头模块2做轨迹成型动作打印螺旋线结构；步骤5、打印头模块2将要运动到螺旋线终点时，挤出组件201停止挤出，同轴冷却模块以最大功率对挤出头205进行冷却；打印头模块2到达螺旋线终点时，打印头模块停留0.5S后迅速上升，即进行断丝动作。完成PCL螺旋线结构的打印，打印好的PCL螺旋线结构打印件如图4所示，螺旋线结构高度为11.2mm(设计高度为11mm，断丝动作带来的误差)，其中附着基底高1mm，螺旋线结构具有直径从0渐变到5.2mm的首尾两端和直径为5.2mm长8mm的中间部分，螺旋线结构线径为1mm(挤出头的出口直径为1mm)。

实施例2：打印出的具有微米级丝线和毫米级螺旋复合结构的PLA材料打印件

步骤1、用MATLAB软件编写丝线螺旋复合结构打印指令生成程序；

首先编写附着基底结构单元程序、螺旋线结构单元程序、拉丝结构单元程序；在实例1中提及了附着基底结构单元程序和螺旋线结构单元程序的编写，直接调用，此处不再累述；拉丝结构单元程序的输入包括起点坐标、终点坐标、抬升高度三个几何参数和焊合停留时间、拉丝速度、抬升速度、挤出速度、同轴冷却功率五个工艺参数，拉丝动作节点包括起点、起点抬升点、终点抬升点、终点四个运动节点，打印头模块依次经过这四个运动节点，通过文本输出指令将拉丝动作各运动节点坐标和对应的工艺参数按照G代码格式输出；

其次，通过组合和重复附着基底结构单元程序、螺旋线结构单元程序、拉丝结构单元程序，构造出如图5中的结构，形成丝线螺旋复合结构打印指令生成程序，程序输入包括：基底坐标、基底直径、基底高度、基底螺旋次数、螺旋线直径、螺旋线长度、螺旋升角、螺旋线首尾变径长度、立柱高度、立柱距离、抬升高度、拉丝层数、每层缩小距离13个几何参数以及打印头运动速度、同轴冷却功率、挤出速度、焊合停留时间、拉丝速度、抬升速度、拉丝挤出速度、拉丝同轴冷却功率、冷却温度9个工艺参数；

向丝线螺旋复合结构打印指令生成程序输入几何参数：基底坐标(0,0,0)、基底直径2mm、基底高度0.5mm、基底螺旋次数6、螺旋线直径2mm、螺旋线长度2mm、螺旋升角15°、螺旋线首尾变径长度1mm、立柱高度6mm、立柱距离10mm、抬升高度3mm、拉丝层数20、每层高度0.4mm、每层缩小距离0.05mm；向丝线螺旋复合结构打印指令生成程序输入工艺参数：打印头运动速度3mm/s、同轴冷却功率100％、挤出速度3mm/s、焊合停留时间800ms、拉丝速度30mm/s、抬升速度10mm/s、拉丝时打印材料的挤出速度3mm/s、拉丝同轴冷却功率50％、冷却温度5℃；丝线螺旋复合结构打印指令生成程序得到输入后，输出打印指令txt文件。用PC电脑上位机软件读取打印指令txt文件，并通过串口通信向工业控制卡发送打印指令进行打印工作。

步骤2、打印设备接收到打印指令后开始工作；制冷空调冷却制冷箱体内的空气，使其到达预设温度；然后加热组件开始加热，使得挤出头温度到达PLA熔点以上温度；然后挤出组件开始挤出PLA；风扇开始全功率工作；打印头模块2出丝稳定后，向打印接收台3平面运动，挤出头205距离打印接收台0.15mm时，打印头模块2停止运动，随后打印头模块2沿水平方向运动，将多余的挤出材料擦去，并到达附着基底打印位置开始打印附着基底。

步骤3、打印头模块2绕垂直于打印接收台3所在的平面的一个轴作直径由2mm逐渐减小到0的螺旋匀速上升运动，在半径减小到零时，打印头模块距离打印接收台平面0.25mm，之后打印头模块沿轴线匀速上升至打印头模块距打印接收台平面0.5mm，完成附着基底的打印作业；

步骤4、打印头模块2沿附着基底轴线上升，进行轨迹成型动作，打印出6mm高、直径1mm的立柱(挤出头的出口直径为1mm)；

步骤5、打印头模块2绕附着基底轴线沿着直径先从0逐渐变大到2mm后逐渐减小至0的上升螺旋线运动，同轴冷却组件对挤出的熔融PLA进行全功率冷却，即打印头模块2做轨迹成型动作在立柱的顶端打印螺旋线结构；

步骤6、打印头模块2将要运动到螺旋线终点时，挤出组件201停止挤出；打印头模块2到达螺旋线终点时，打印头模块停留0.5S后迅速上升，再即进行断丝动作，完成一个立柱结构A的打印，打印头模块迅速移动至下一结构的附着基底打印位置,挤出组件开始挤出。

步骤7、重复步骤3至6各三次，完成立柱结构B、C、D的打印，4个立柱结构分别在边长为10mm的正方形的4个顶点上，最后打印头模块2停留在立柱结构D的顶端；

步骤8、打印头模块2开始进行拉丝动作，同轴冷却模块以50％功率工作，使得打印材料保持较好的塑性挤出组件201保持3mm/s匀速挤出，打印头模块2依次进行如下运动：a)在挤出头205所在的立柱D的顶端焊合丝线起始端；b)以10mm/s的速率抬升3mm；c)沿立柱结构俯视正方形对角线方向以30mm/s的速率平移到对角立柱结构B斜上方；d)匀速向下运动，打印头停止在立柱结构B的顶端焊合丝线终端，停留时间为800ms；e)以10mm/s的速率抬升3mm；f)沿立柱结构俯视正方形的边方向以30mm/s的速率平移到对角立柱结构B俯视顺时针方向的相邻立柱结构C；g)匀速向下运动在对角立柱结构B的相邻立柱结构C的顶端焊合丝线终端,焊合停留时间为800ms；h)然后以立柱结构C为起始端重复a)至g)3次，完成一轮丝线的打印，并上升0.4mm；打印头模块2以上一轮丝线的焊合端为基底，打印下一轮丝线，且每轮打印路径的俯视正方形对角线长度缩小0.05mm，俯视方向上正方形中心点重合，即在俯视方向上看，丝线结构的焊合点沿正方形对角线方向逐渐内移，共打印20轮。完成微米级丝线和毫米级螺旋复合结构的PLA材料打印件，打印好的微米级丝线结构和螺旋结构的PLA材料打印件如图5所示：打印件具有A、B、C、D四根立柱，长度为6mm，立柱终端有变直径螺旋线结构，螺旋线结构长度为2mm，最大结构直径为2mm，线径为1mm；立柱结构上有20层丝线结构，每层丝线结构俯视为正方形的两条对角线和四条边，正方形中心点与四根立柱中心点重合，丝线焊合点构成的正方形的对角线长度每层减小0.05mm，丝线的线径为0.3到0.1mm。

Claims (10)

1.一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，包括冷却箱体(4)，冷却箱体(4)中设置有运动模块(1)、打印头模块(2)和同轴冷却组件，打印头模块(2)与运动模块(1)的载物台固定连接，运动模块(1)至少三个平动自由度，打印头模块(2)下方设置有打印接收台(3)，打印头模块(2)包括挤出组件(201)，挤出组件(201)下端设置有挤出头(205)，挤出组件(201)外侧设置有加热组件(202)和同轴冷却组件，同轴冷却组件包括喷气流道(204)，喷气流道(204)的入口处设置有风扇(203)，冷却箱体(4)外设置有用于对冷却箱体(4)内部进行制冷的制冷空调(5)。

2.根据权利要求1所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，加热组件(202)均匀布置在挤出组件(201)外侧。

3.根据权利要求2所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，喷气流道(204)设置在相邻的加热组件(202)之间。

4.根据权利要求1所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，喷气流道(204)为上大下小的锥形。

5.根据权利要求1所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，挤出头(205)锥度小于30°。

6.根据权利要求1所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印装置，其特征在于，还包括控制系统，控制系统使用基于STM32的工业控制卡和PC电脑。

7.一种基于权利要求1所述的打印装置的高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制冷空调(5)对冷却箱体(4)内部进行冷却，到达制冷温度后保持；加热组件(202)开始加热打印材料直至达打印材料熔融温度；然后挤出组件(201)通过挤出头(205)挤出打印材料，同时对挤出的打印材料进行冷却，以调控挤出材料的凝固速度；

步骤2、运动模块(1)移动打印头模块(2)沿着打印接收台(3)的接收面运动，打印出附着基底；

步骤3、打印头模块(2)在附着基底的基础上沿着空间曲线进行打印，打印过程中动态调节打印材料挤出速率、同轴冷却功率、打印头模块(2)运动速度三个工艺参数，使得挤出的打印材料按照打印需求改变凝固速度配合打印头模块(2)的一系列打印动作在附着基底上打印出自支撑的空间曲线结构或丝线结构。

8.根据权利要求7所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，其特征在于，通过打印装置的控制系统对打印材料挤出速度、同轴冷却功率和打印头模块(2)空间运动速度进行控制。

9.根据权利要求8所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，其特征在于，在步骤1之前，编写一系列结构单元程序，结构单元程序的输入包括几何参数和工艺参数；结构单元程序将输入的几何参数带入结构单元的参数化函数中逐个计算出结构单元的离散空间点坐标；工艺参数包括：打印头模块(2)空间运动速度大小、同轴冷却功率和材料挤出速度；结构单元程序由工艺参数确定打印设备在遍历各离散点时所处状态；结构单元程序通过文本输出指令将离散空间点坐标和各点对应的工艺参数按照G代码格式依次输出，得到打印指令集，并写入文件；然后编写目标结构程序，通过一系列结构单元程序的嵌套、组合和重复，构成目标结构；最后向目标结构程序输入目标结构的几何参数和工艺参数，输出目标结构的打印指令集，生成打印指令文件。

10.根据权利要求7所述的一种高孔隙结构无支撑空间3D打印方法，其特征在于，打印动作包括轨迹成型、焊合、拉丝和断丝，

其中，进行轨迹成型动作时：打印头模块(2)的运动速度等于打印材料挤出的线速度，同轴冷却组件对挤出材料进行全功率冷却；

进行焊合动作时：同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率的0～50％，使得挤出的打印材料保持熔融状态，打印头模块(2)将挤出材料按压在之前打印的结构上0.5s～1.5s，使两者融合在一起；

进行拉丝动作时：打印头模块(2)的运动速度与打印材料挤出的线速度的配比范围为1:1到200:1，同轴冷却组件降低同轴冷却功率至最大功率的0～50％，使得挤出材料保持熔融状态；

进行断丝动作时：在到达断丝点前，同轴冷却组件提高至最大的同轴冷却功率，同时挤出组件停止送丝。