CN108971424A - 具有监测补偿功能的3d打印头及在线补偿打印的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印技术领域内一种用于具有监测补偿功能的3D打印头及在线补偿打印方法，其中具有监测补偿功能的3D打印头包括复合安装支架，复合安装支架上设有安装板，安装板上设有主排打印头和铺助排打印头，主排打印头和铺助排打印头分别连接有用于检测各打印头喷射参数的在线监测装置，主排打印头和铺助排打印头之间的安装板上设有扫描窗口，扫描窗口用于在线扫描装置扫描主排打印头的打印图案，在线扫描装置用于扫描主排打印头的打印图像，辅助排打印头用于对主排打印头的漏喷位置进行补偿喷射打印。本发明的3D打印头通过在线监测装置和在线扫描装置的适时监测主排打印头的质量，并通过辅助排打印头适时补偿打印。

Description

具有监测补偿功能的3D打印头及在线补偿打印的方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种用于微滴喷射3D打印装置的具有监测补偿功能的3D打印头及其在线补偿打印方法。
背景技术
铸造砂型的3D打印技术是增材制造技术的重要应用领域。铸造砂型的分层打印原理决定砂型的制备过程由几百层甚至上千层连续扫描打印过程组成，各打印过程包括铺粉和打印头选择性喷射粘结剂两个动作，后者中出现漏喷或不喷粘结剂的故障现象均会导致砂型断层报废，这使得打印头喷射状态参数实时监测和喷射误差补偿技术对铸造砂型3D打印整机可靠性尤为重要。
现有技术中，在提高3D打印头工作可靠性和延长使用寿命方面，公开号为CN103218479A，名称为“用于细胞打印的压电式喷头优化设计方法”的发明专利中，公开了一种用于压电式打印头的优化设计方法。该技术基于有限元理论建立喷头流体动力学模型，通过计算打印头喷孔内各点处压力后推算出压力波动周期，结合电压脉宽调整方法对该模型进行优化并指导打印头设计过程，实现结构优化设计。该技术从打印头结构优化设计的角度主要解决现有压电式喷墨打印头在打印时喷孔易堵塞、可靠性低的问题；公开号为CN105729799A，公开日期为2016-07-06，名称为“具有打印头保护装置的3D打印设备及其使用方法”的专利中，公开了一种铸造砂型3D打印头的保护装置及方法，目的是防止因墨水结晶变干而堵塞打印头。该技术通过设计一种打印头清洗站，使得非工作状态下打印头位于清洗站内，隔绝了打印头与空气的接触，延长了打印头的使用寿命；刘红光和张学军等人在《国内外3D打印快速成型技术的专利情报分析》和《3D打印技术研究现状和关键技术》的文献中指出，3D打印头是3D打印设备的核心器件，其可靠性是影响这一技术发展的关键因素，并强调打印头结构运行过程出现的故障是导致整机可靠性低的主要原因。因此，提高3D打印头的运行可靠性是3D打印设备亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的铸造砂型3D打印过程因个别喷嘴故障而导致打印区粘结剂漏喷断层的问题，提供一种具有监测补偿功能的3D打印头，通过实时监测获取打印头喷射参数，将其与标准参数进行对比判断是否出现喷射故障及故障喷嘴位置，再以铺助打印头补偿喷射打印方式以保证打印质量。
本发明的目的是这样实现的，一种具有监测补偿功能的3D打印头，包括复合安装支架，所述复合安装支架上设有安装板，所述安装板上设有主排打印头和铺助排打印头，所述主排打印头和铺助排打印头分别连接有用于检测各打印头喷射参数的在线监测装置，所述主排打印头和铺助排打印头之间的安装板上设有扫描窗口，所述扫描窗口用于在线扫描装置扫描主排打印头的打印图案，所述在线扫描装置用于扫描主排打印头的打印图像，所述辅助排打印头用于对主排打印头的漏喷位置进行补偿喷射打印。
本发明的3D打印头，设有主排打印头和铺助排打印头，正常3D打印工作中，以主排打印头为主进行打印，打印过程中在线监测装置和扫描装置对打印头的喷射参数和打印图案进行在线适时监测，对主排打印头因故障漏喷射打印的位置通过铺助排打印头进行补偿打印，以保证打印图案的连续性和完整性。
为保证铺助排打印头及时准确的补偿主排打印头的漏打印位置，所述主排打印头和辅助排打印头分别包括若干阵列排布的打印单元，所述主排打印头沿打印头行进方向位于铺助排打印头的前方。
进一步地，所述主排打印头包括前后平行布置的两排或两排以上，并且相邻排之间的各打印单元交错排布。
为便于实现铺助排打印头的在线补偿打印功能，所述主排打印头、辅助排打印头、在线监测装置和在线扫描装置与控制系统连接，所述3D打印头打印工作时，优先控制主排打印头进行打印工作，所述辅助排打印头根据在线监测装置和在线扫描装置的检测结果对主排打印头的漏喷位置进行补偿打印，所述控制系统包括打印模块、检测诊断模块和补偿模块。
为便于精确实现补偿打印，所述打印模块用于驱动主排打印头按设定的打印图案进行打印；所述检测诊断模块用于控制在线监测装置和在线扫描装置对主排打印头的打印结果和喷射参数进行实时检测，并得出检测结果和故障信息传输至补偿模块；所述补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头，对主排打印头的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿。本发明的3D打印头的，通过在线监测装置和在线扫描装置的在线监测将打印输出量和打印结果直接反馈给控制系统，控制系统通过故障诊断和误差补偿，避免了打印头因喷嘴失效而漏喷或不喷的现象而造成打印质量问题，有效提高了打印头喷射可靠性。
本发明还提供了一种采用上述具有监测补偿功能的3D打印头进行在线补偿打印的方法，包括如下阶段：
第一阶段：打印驱动模块控制主排打印头按设定的打印图案进行喷射打印；
第二阶段：检测诊断模块通过在线扫描装置和在线监测装置对主排打印头的打印图案和喷射参数进行实时检测，并将检测结果和故障信息传输至补偿模块；
第三阶段：补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头，对主排打印头的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿打印。
第二阶段，在线监测装置采用集成作动-传感器，通过多传感器数据融合的方法实现喷头驱动状态参数、流道内压力波和温度特性参数的在线监测，并根据上述监测结果预估流体的粘度、密度参数和喷头喷射的尺寸和速度的喷射液滴特性参数，将上述预估参数与对应的喷头理论的驱动参数、流道内压力波、温度特性参数、驱动与典型喷射故障映射模型的理论参数进行对比完成故障诊断，确定故障喷头的位置和故障诊断信息。
第三阶段，所述补偿模块根据故障喷头的位置和故障诊断信息，生成适时调控驱动铺助排打印头的驱动参数，以驱动铺助排打印头对主排打印头喷射失效的部位进行补偿打印。
本发明的3D打印在线补偿打印方法，控制系统通过在线监测装置的适时监测和反馈，诊断主排打印头的故障信息和故障位置，并适时驱动辅助排打印头的对主排打印头的故障喷头对应的位置进行补偿打印，以保证3D打印的质量，提高打印头的可靠性。
附图说明
图1为本发明的具有监测补偿功能的3D打印头的结构示意图。
图2为图1的局部剖视图。
图3为安装板上打印头的排布示意图。
其中，1 复合安装支架；2在线监测装置；3主排打印头；3A主排打印单元；4辅助排打印头；4A打印单元；5控制系统；6喷盒；7中间板；8在线扫描装置；9扫描窗口。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2和图3所示，为本发明的具有监测补偿功能的3D打印头，包括复合安装支架1，复合安装支架上设有安装板1A，安装板1A上设有主排打印头3和铺助排打印头4，主排打印3头和铺助排打印头4分别连接用于检测各打印头喷射参数的在线监测装置2，主排打印头3和铺助排打印头4之间的安装板上设有扫描窗口9，扫描窗口9用于在线扫描装置8扫描主排打印头的打印图案，在线扫描装置安装在扫描窗口上方，辅助排打印头4用于对主排打印头3的漏喷位置进行补偿喷射打印。为便于安装，安装板上侧的复合安装支架上设有中间板7，在测监测装置2和在线扫描装置8安装在中间板4上，本实施例的打印头结构中，主排打印头3沿打印头行进方向位于铺助排打印4头的前方，并且主排打印头3和辅助排打印头4分别包括若干阵列排布的主打印单元3A和辅助排打印单元4A；为提高打印效率，主排打印头3包括前后平行布置的两排或两排以上的打印单元，并且相邻排之间的各打印单元交错排布，各打印单元分别与安装在中间板7上的墨盒连接。
为便于实现铺助排打印头的在线补偿打印功能，本实施例的主排打印头3、辅助排打印头4、在线监测装置2和在线扫描装置8与控制系统5连接， 3D打印头打印工作时，优先控制主排打印头3进行打印工作，辅助排打印头4根据在线监测装置2和在线扫描装置8的检测结果对主排打印头3的漏喷位置进行补偿打印，控制系统5包括打印模块、检测诊断模块和补偿模块。打印模块用于驱动主排打印头3按设定的打印图案进行打印；检测诊断模块用于控制在线监测装置2和在线扫描装置8对主排打印头3的打印结果和喷射参数进行实时检测，并得出检测结果和故障信息传输至补偿模块；补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头4，对主排打印头3的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿。本发明的3D打印头，通过在线监测装置2和在线扫描装置8的在线监测将打印输出量和打印结果直接反馈给控制系统5，控制系统5通过故障诊断和误差补偿，避免了打印头因喷嘴失效而漏喷或不喷的现象造成的打印质量问题，有效提高了打印头喷射可靠性。
本发明的上述3D打印头，设有主排打印头3和铺助排打印头4，正常3D打印工作中，以主排打印头3为主进行打印，打印过程中在线监测装置2和在线扫描装置8对打印头的喷射参数和打印图案进行在线适时监测，对主排打印头因故障漏喷射打印的位置通过铺助排打印头4进行补偿打印，以保证打印图案的连续性和完整性。
实施例2
本实施例为采用上述具有监测补偿功能的3D打印头进行在线补偿打印的方法，包括如下阶段：
第一阶段：打印驱动模块控制主排打印头3按设定的打印图案进行喷射打印；
第二阶段：检测诊断模块通过在线扫描装置8和在线监测装置2对主排打印头3的打印图案和喷射参数进行实时检测，并将检测结果和故障信息传输至补偿模块；本过程中，在线监测装置采用集成作动-传感器，通过多传感器数据融合的方法实现喷头驱动状态参数、流道内压力波和温度特性参数的在线监测，并根据上述监测结果预估流体的粘度、密度参数和喷头喷射的液滴的尺寸和速度等喷射液滴特性参数，将上述预估参数与对应的喷头理论的驱动参数、流道内压力波、温度特性参数、驱动与典型喷射故障映射模型的理论参数进行对比完成故障诊断，确定故障喷头的位置和故障诊断信息，并将上述信息传输给补偿模块；
第三阶段：补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头4的相关喷头，对主排打印头3的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿打印。本过程中补偿模块根据故障喷头的位置和故障诊断信息，生成适时调控驱动铺助排打印头4的驱动参数，以驱动铺助排打印头4对主排打印头3喷射失效的部位进行补偿打印。
本发明的3D打印在线补偿打印方法，控制系统通过在线监测装置的适时监测和反馈，诊断主排打印头3的故障信息和故障位置，并适时驱动辅助排打印头4的对主排打印头的故障喷头对应的位置进行补偿打印，以保证3D打印的质量，提高打印头的可靠性。

Claims (7)

1.一种具有监测补偿功能的3D打印头，包括复合安装支架，所述复合安装支架上设有安装板，其特征在于，所述安装板上设有主排打印头和铺助排打印头，所述主排打印头和铺助排打印头分别连接有用于检测各打印头喷射参数的在线监测装置，所述主排打印头和铺助排打印头之间的安装板上设有扫描窗口，所述扫描窗口用于在线扫描装置扫描主排打印头的打印图案，所述在线扫描装置用于扫描主排打印头的打印图像，所述辅助排打印头用于对主排打印头的漏喷位置进行补偿喷射打印。
2.根据权利要求1所述的具有监测补偿功能的3D打印头，其特征在于，所述主排打印头和辅助排打印头分别包括若干阵列排布的打印单元，所述主排打印头沿打印头行进方向位于铺助排打印头的前方。
3.根据权利要求1所述的具有监测补偿功能的3D打印头，其特征在于，所述主排打印头包括前后平行布置的两排或两排以上，并且相邻排之间的各打印单元交错排布。
4.根据权利要求1所述的具有监测补偿功能的3D打印头，其特征在于，所述主排打印头、辅助排打印头、在线监测装置和在线扫描装置与控制系统连接，所述3D打印头打印工作时，优先控制主排打印头进行打印工作，所述辅助排打印头根据在线监测装置和在线扫描装置的检测结果对主排打印头的漏喷位置进行补偿打印，所述控制系统包括打印模块、检测诊断模块和补偿模块。
5.根据权利要求4所述的具有监测补偿功能的3D打印头，其特征在于，所述打印模块用于驱动主排打印头按设定的打印图案进行打印；所述检测诊断模块用于控制在线监测装置和在线扫描装置对主排打印头的打印结果和喷射参数进行实时检测，并得出检测结果和故障信息传输至补偿模块；所述补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头，对主排打印头的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿。
6.一种采用权利要求1—4任一项所述的3D打印头进行在线补偿打印的方法，其特征在于，包括如下阶段：
第一阶段：打印驱动模块控制主排打印头按设定的打印图案进行喷射打印；
第二阶段：检测诊断模块通过在线扫描装置和在线监测装置对主排打印头的打印图案和喷射参数进行实时检测，并将检测结果和故障信息传输至补偿模块；
第三阶段：补偿模块根据故障信息在线调控辅助排打印头，对主排打印头的失效喷嘴对应的位置进行喷射补偿打印。
7.根据权利要求6所述的在线补偿打印的方法，其特征在于，第二阶段，在线监测装置采用集成作动-传感器，通过多传感器数据融合的方法实现喷头驱动状态参数、流道内压力波和温度参数的在线监测，并根据上述监测结果预估流体的粘度、密度参数和喷头喷射的尺寸和速度的喷射液滴特性参数，将上述预估参数与对应的喷头理论的驱动参数、流道压力波、温度特性、驱动与典型喷射故障映射模型的理论参数进行对比完成故障诊断，确定故障喷头的位置和故障诊断信息
根据权利要求7所述的在线补偿打印的方法，其特征在于，第三阶段，所述补偿模块根据故障喷头的位置和故障诊断信息，生成适时调控驱动铺助排打印头的驱动参数，以驱动铺助排打印头对主排打印头喷射失效的部位进行补偿打印。
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