CN109703018A - 一种无支撑磁悬浮式全方位3d打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮式全方位3D打印系统和方法，所述3D打印系统包括打印管理控制系统、控制计算机、打印头调动装置、打印头流速控制装置、打印部件冷却装置、打印部件悬浮装置、打印头组件和打印材料组成。所述打印部件悬浮装置，包括至少一个或多个电磁铁，利用磁悬原理，以磁力克服重力，实现打印部件在打印空间内悬浮。所述打印部件悬浮装置，还包括打印部件位置传感器、质量传感器、自稳定系统、电磁铁阵列控制模块和由多个电磁铁布置成的电磁铁阵列，可以对打印部件的悬浮位置和方向进行精确控制和调整。所述打印头组件包括一个或多个打印头，可以从多个方位向打印基件喷射或沉积打印材料，一次性完成打印部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印装置，具体涉及一种应用于3D智能制造的无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统。
背景技术
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，应用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造，工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。
已经有使用这种技术打印而成的零部件，该技术在工业设计，建筑工程施工，汽车，航天航空，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程、武器制造等领域有广泛的应用。
传统的3D打印技术存在如下问题：
1)在打印物体时，传统打印机只能对其平面上方的部位进行打印，而平面下方的打印需要另行打印，或者通过其他支撑工艺，实现上下部分组合固定，最终完成打印；这样的打印方式形成的物体的完整性和结构强度会受到不同程度的影响。
2)现有3D打印系统一般只有一个打印头，即使采用多个打印头，也只能逐层打印，打印效率较低。
3)现有3D打印系统的打印部件往往需要外部设备进行固定，才能够在其外部实施喷涂或沉积，打印完成后，需要拆除支撑固定装置，不能够一次性地完整性打印。
4)现有3D打印系统在打印过程当中，由于打印部件上连接有支撑固定装置，使得打印的部位和角度受到限制，不能实现多方位同时打印。
5)现有的悬浮式3D打印系统，如CN105965899A、CN 106217873 A，其悬浮装置结构不够完善，尤其是悬浮装置的控制精度不高，磁力大小和方向控制还不够精确，使得3D打印精度不高。
发明内容
针对传统的3D打印技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种系统结构完备，技术先进，控制精确，工作高效，可以有效提高3D打印效率的无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统。
本发明的技术方案如下：
本发明的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，所述3D打印系统包括管理控制系统1、控制计算机2、打印头调动装置3、打印头流速控制装置4、打印部件冷却装置5、打印部件悬浮装置6、打印头组件7、打印部件8、打印材料输送装置9组成；所述打印部件悬浮装置6，包括至少一个或多个电磁铁641，利用磁悬浮原理，以磁力克服重力，实现打印部件8在打印空间内悬浮；所述打印部件悬浮装置6，还包括打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65；电磁铁阵列64包括一个或多个电磁铁641，多个电磁铁641布置成阵列形式；打印部件自稳定系统63通过数据线连接打印部件位置传感器61和打印部件质量传感器62，电磁铁阵列控制模块65通过数据线连接打印部件自稳定系统63；电磁铁阵列控制模块65可以控制每一块电磁铁641的电压和相位，从而对打印部件8的悬浮位置和方向进行精确控制和调整；所述打印部件8由打印基件81和打印材料91组合而成；打印基件81是打印部件8的基础构件，打印过程中，通过在打印基件81上面喷涂或沉积打印材料91形成打印过程件82，通过在打印过程件82上面反复喷涂或沉积打印材料91，最终形成打印部件8；所述打印头组件7包括多个打印头71，可以从多个方位向打印基件81喷射或沉积打印材料91，一次性完成打印部件8。
优选地，所述管理控制系统1在控制计算机2上运行，包括运行控制模块11、打印头控制模块12、悬浮系统控制模块13、冷却装置控制模块14、任务管理模块15、状态监视模块16；运行控制模块11主要负责控制打印启动、暂停、停止；打印头控制模块12主要负责控制打印头71位置移动、打印头喷口711开关和材料流速；冷却装置控制模块14主要负责控制温度传感器51和冷却系统52的工作过程；任务管理模块15主要完成打印文件的导入，打印任务的设置，以及打印任务的统计管理等；状态监视模块16主要负责监视打印系统各组成系统的工作运行状态，直观显示各系统的技术状态；悬浮系统控制模块13主要负责控制悬浮装置内打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65的工作过程。
优选地，所述控制计算机2，主要用于运行管理控制系统1，以及连接打印系统各个组成部分，通过数据线向各个装置发送指令执行打印任务，控制打印过程。
优选地，所述打印部件悬浮装置6的电磁铁阵列64为打印部件8提供向上的磁力，来克服打印部件8本身的重力，使得打印部件8能够在打印空间内悬浮；电磁铁阵列64可以根据打印系统的空间位置以及功能要求，布置在打印系统的上部或下部；电磁铁阵列64的外形可以是弧形、平面或者是球面。
优选地，所述打印头组件7，包括一个或多个打印头71，所述打印头71包括材料喷口711和连接管道712；所述打印头调动装置3，包括打印头位置传感器31和打印头调动伺服机构32；一个或多个打印头71通过机械臂72与打印头调动伺服机构32连接；其中，所述打印头位置传感器31用于感知各个打印头71的空间位置；打印头调动伺服机构32用于执行打印头空间位置上的移动，带动打印头机械臂72运动，实现打印头71在打印空间内自由运动。
优选地，所述打印部件冷却装置5主要包括材料温度传感器51、材料冷却装置52；所述打印头流速控制装置4，包括打印材料流速控制筏41和打印材料流速控制开关42。
优选地，打印基件81可以是点状体，也可是线状体，也可是面状体；打印基件81采用铁质材料或是磁性材料；所述打印部件8可以包括一个打印基件81，或者包括多个打印基件81，也可以由多个不同类型的打印基件81组合而成。
一种应用无支撑悬浮式全方位3D打印系统打印物体的方法，其特征在于：步骤如下：
第一步，将打印材料91装填入打印材料输送装置9。
第二步，启动管理控制系统1，通过任务管理模块15加载打印部件文件。
第三步，根据打印部件8的要求选择打印基件81，并将打印基件81放置到打印空间内。
第四步，通过管理控制系统1中的运行控制模块11启动打印进程。
第五步，通过悬浮系统控制模块13发出打印部件悬浮指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印部件悬浮装置6，打印部件悬浮装置6中的打印部件自稳定系统63接收指令，并通过数据线传递给电磁铁磁阵列控制模块65，电磁铁磁阵列控制模块65根据指令调整电磁铁阵列64中一个或多个电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到一个或多个电磁铁641上产生磁场，在打印基件81上产生电磁力，克服打印基件81的重力，使打印基件81在打印空间内实现无支撑悬浮。
第六步，通过打印头控制模块12发出打印头调动指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印头调动装置3，打印头调动装置3启动打印头位置传感器31，并将打印头调动指令通过数据线传递给打印头调动伺服机构32，打印头调动伺服机构32通过机械联结带动打印头机械臂72，调整打印头71在空间的位置，做好打印准备。打印头控制模块12发出打印头流速控制指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印头流速控制装置4，控制打印头的开关和流速的大小，打印材料91通过管道从打印材料输送装置8输送到打印头71，喷射到打印基件81上。多个打印头71可以从不同方位同时向打印基件81喷射打印材料91。
第七步，冷却装置控制模块14出打印材料冷却指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印部件冷却装置5，打印部件冷却装置5的材料温度传感器51测量打印空间温度，根据温度情况，开启材料冷却装置52，对喷射到打印基件(81)的打印材料(91)进行冷却，打印材料(91)在打印基件(81)上快速凝固，打印基件(81)变成打印过程件(82)。
第八步，随着喷射的打印材料91不断增多，打印过程件82的质量不断变化，打印过程件82的重力发生变化，打印过程件82的悬浮状态会发生破坏，打印过程件82会变得不稳定。通过打印部件质量传感器62获取打印过程件82实时的质量变化情况，并将打印过程件82质量信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统63，打印部件自稳定系统63根据质量信息计算出自稳定控制指令，通过数据线传递给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65会根据指令调整多个电磁铁641的电压大小，进而改变电磁铁作用在打印过程件82上的磁力大小，使调整后的电磁力克服重力，实现打印过程件82保持动态的平衡，克服打印过程件82质量变化引起的悬浮不稳定的状态。
第九步，在打印过程中，需要变换打印过程件82在打印空间中的位置和方向时，通过打印部件位置传感器62获取打印过程件82的空间位置信息，然后根据管理控制系统1给出的位置调整指令，计算出打印过程件82的位置和方向控制指令，通过数据线将控制指令发送给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65根据控制指令调整多个电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到多个电磁铁641上，从而改变电磁铁阵列64作用在打印过程件82上磁力的大小和方向，来改变在打印过程件82空间的位置和方向。打印头调动装置3和打印头流速控制装置4控制多个打印头71继续向打印过程件82喷射或沉积打印材料91。如此反复，直至形成完整的打印部件8。
第十步，打印完成后，通过打印部件冷却装置5将打印部件8完全凝固，通过打印部件悬浮装置6逐渐减小电磁铁阵列64作用在打印部件8上的磁力，使打印部件8缓慢落下，然后取出打印组件，关闭打印系统，完成打印工作。
本发明与现有技术相比，优点在于：
1)本发明以磁悬浮技术为依据，设置有打印部件悬浮装置，可以实现3D打印过程中打印部件的无支撑悬浮，并可以在打印空间内自主稳定、自由移动、旋转。
2)本发明打印系统设置有多个打印头，可以同时实施打印，提高了打印的效率。
3)本发明打印系统采用磁悬浮式原理，不需要要任何支撑结构，可以全方位多角度打印，有利于整个打印部件的整体一次性完成。
4)本发明打印系统包括打印部件悬浮装置，该悬浮装置包括由多个电磁铁布置而成的电磁铁阵列和电磁铁阵列控制模块，电磁力控制更加地精准，使打印部件更加稳定，打印效果更加精确。
5)本发明打印系统包括了打印管理控制系统，提供了更加丰富的打印过程控制和状态监视功能，使打印系统的管理控制更加高效。
6)本发明打印系统包括打印部件悬浮装置，该悬浮装置的电磁铁阵列和电磁铁阵列控制模块，可以控制多个打印基件在打印空间悬浮，可以打印形成结构更加复杂的打印部件，可以用于复杂大型三维产品的加工，用途更加广泛。
附图说明
图1无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统结构图；
图2打印部件悬浮装置功能结构图；
图3单个电磁铁磁悬浮式全方位3D打印系统结构图；
图4电磁铁阵列磁悬浮式全方位3D打印系统结构图。
附图标记说明：管理控制系统1、控制计算机2、打印头调动装置3、打印头流速控制装置4、打印部件冷却装置5、打印部件悬浮装置6、打印头组件7、打印部件8、打印材料输送装置9、运行控制模块11、打印头控制模块12、悬浮系统控制模块13、冷却装置控制模块14、任务管理模块15、状态监视模块16、打印头位置传感器31、打印头调动伺服机构32、打印材料流速控制筏41、打印材料流速控制开关42、材料温度传感器51、材料冷却装置52、打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64、电磁铁阵列控制模块65、电磁铁641、打印头71、机械臂72、材料喷口711、连接管道712、打印基件81、点状打印基件811、线状打印基件812、打印材料91。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
如附图1所示，一种无支撑磁悬浮式全方位3D打印系统，所述3D打印系统包括管理控制系统1、控制计算机2、打印头调动装置3、打印头流速控制装置4、打印部件冷却装置5、打印部件悬浮装置6、打印头组件7、打印部件8、打印材料输送装置9组成；所述打印部件悬浮装置6，包括至少一个或多个电磁铁641，利用磁悬浮原理，以磁力克服重力，实现打印部件8在打印空间内悬浮；所述打印部件悬浮装置6，还包括打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65，可以对打印部件8的悬浮位置和方向进行精确控制和调整；所述打印头组件7包括多个打印头71，可以从多个方位向打印基件81喷射或沉积打印材料91，一次性完成打印部件8。
所述管理控制系统1在控制计算机2上运行，包括运行控制模块11、打印头控制模块12、悬浮系统控制模块13、冷却装置控制模块14、任务管理模块15、状态监视模块16；运行控制模块11主要负责控制打印启动、暂停、停止；打印头控制模块12主要负责控制打印头71位置移动、打印头喷口711开关和材料流速；冷却装置控制模块14主要负责控制温度传感器51和材料冷却装置52的工作过程；任务管理模块15主要完成打印文件的导入，打印任务的设置，以及打印任务的统计管理等；状态监视模块16主要负责监视打印系统各组成系统的工作运行状态，直观显示各系统的技术状态；悬浮系统控制模块13，主要负责控制悬浮装置内打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65的工作过程。
所述控制计算机2，主要用于运行管理控制系统1，以及连接打印系统各个组成部分，通过数据线向各个装置发送指令执行打印任务，控制打印过程。
如附图2所示，所述打印部件悬浮装置6，包括：打印部件位置传感器61，打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列64包括一个或多个电磁铁641，多个电磁铁641布置成阵列形式；打印部件自稳定系统63通过数据线连接打印部件位置传感器61和打印部件质量传感器62，电磁铁阵列控制模块65通过数据线连接打印部件自稳定系统63；电磁铁阵列控制模块65可以控制每一块电磁铁641的电压和相位。
所述打印部件悬浮装置6的基本工作过程是通过打印位置传感器61和打印部件质量传感器62获取打印部件的位置和质量变化信息，将这些信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统63，打印部件自稳定系统63根据获得信息和打印任务，计算出电磁铁阵列64的控制指令，通过数据线发送给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65通过改变每一块电磁铁641的电压、相位，来调整每一块电磁铁641的磁力的大小和方向，以此来控制和调整打印部件8所受的磁力大小和方向，进而调整打印部件8的位置和方向，实现打印部件8的悬浮动态平衡和稳定，以及对位置和方向的精确调整。
所述打印部件悬浮装置6的电磁铁阵列64为打印部件8提供向上的磁力，来克服打印部件8本身的重力，使得打印部件8能够在打印空间内悬浮；电磁铁阵列64可以根据打印系统的空间位置以及功能要求，布置在打印系统的上部或下部；电磁铁阵列64的外形可以是弧形、平面或者是球面。
所述打印头组件7，包括一个或多个打印头71，所述打印头71包括材料喷口711和连接管道712；所述打印头调动装置3，包括打印头位置传感器31和打印头调动伺服机构32；一个或多个打印头71通过机械臂72与打印头调动伺服机构32连接；其中，所述打印头位置传感器31用于感知各个打印头71的空间位置；打印头调动伺服机构32用于执行打印头空间位置上的移动，带动打印头机械臂72运动，实现打印头71在打印空间内自由运动。
所述打印部件冷却装置5主要包括材料温度传感器51、材料冷却装置52；所述打印头流速控制装置4，包括打印材料流速控制筏41和打印材料流速控制开关42。
所述打印部件8由打印基件81和打印材料91组合而成；打印基件81是打印部件8的基础构件，通过在上面反复喷涂或沉积打印材料91，最终形成打印部件8，打印基件81可以是点状体，也可是线状体，也可是面状体，一般采用铁质材料或是磁性材料；所述打印部件8可以包括一个打印基件81，或者包括多个打印基件81，也可以由多个不同类型的打印基件81组合而成，可以根据打印任务、打印系统结构来灵活地设置，可以完成复杂结构部件的打印。
具体实施例一：
一种单个电磁铁的磁悬浮式全方位3D打印系统示意图，如附图3所示，所述3D打印系统的打印部件悬浮装置6，包括：打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列控制模块65，一个电磁铁641；打印部件自稳定系统63通过数据线连接打印部件位置传感器61和打印部件质量传感器62，电磁铁阵列控制模块65通过数据线连接打印部件自稳定系统63；电磁铁阵列控制模块65通过电力线与电磁铁641相连，电磁铁阵列控制模块65可以控制电磁铁641的电压和相位。如附图3所示，所述3D打印系统的打印部件8包含1个打印基件81。如附图3所示，所述3D打印系统的打印头组件7，包含有多个打印头71，分布在打印基件81的周围，工作时打印头71喷射出打印材料91。
打印过程中，打印部件位置传感器61获取打印部件的位置信息，打印部件质量传感器62获取打印部件的质量信息，打印部件的位置信息和质量信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统63，打印部件自稳定系统63根据控制程序计算出打印部件自稳定指令，自稳定指令通过数据线传递给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65接收自稳定指令，并根据自稳定指令调整电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到电磁铁641上，从而控制电磁铁作用在打印基件81上磁力的大小和方向，克服打印基件81的重力，精确控制打印基件81在打印空间内的位置和方向。
打印过程中，多个打印头71同时从多个方向向打印基件81喷射打印材料91，而后打印部件悬浮装置6移动打印基件81的空间位置和方向后，多个打印头71继续同时从多个方向向打印基件81喷射打印材料91，如此反复，最终打印完成打印部件8。
具体实施例二：
一种电磁铁阵列磁悬浮式全方位3D打印系统示意图，如附图4所示，所述3D打印系统的打印部件悬浮装置6，包括：打印部件位置传感器61、打印部件质量传感器62、打印部件自稳定系统63、电磁铁阵列64和电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列64由多个电磁铁641组成，多个电磁铁641布置成一个电磁铁阵列64，所述电磁铁阵列64位于打印空间的上部；打印部件自稳定系统63通过数据线连接打印部件位置传感器61和打印部件质量传感器62，电磁铁阵列控制模块65通过数据线连接打印部件自稳定系统63；电磁铁阵列控制模块65通过电力线连接多个电磁铁641。如附图4所示，所述3D打印系统的打印部件8包含点状打印基件811和线状打印基件812。如附图4所示，所述3D打印系统的打印头组件7，包含有多个打印头71，分布在点状打印基件811和线状打印基件812的周围，工作时打印头71喷射出打印材料91。
打印过程中，打印部件位置传感器61获取点状打印基件811和线状打印基件812的位置信息，打印部件质量传感器62获取点状打印基件811和线状打印基件812的质量信息，点状打印基件811和线状打印基件812的位置信息和质量信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统63，打印部件自稳定系统63根据控制程序计算出打印部件自稳定指令，自稳定指令通过数据线传递给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65接收自稳定指令，并根据自稳定指令调整电磁铁阵列64中多个电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到多个电磁铁641上，从而分别控制电磁铁作用在点状打印基件811和线状打印基件812上磁力的大小和方向，克服点状打印基件811和线状打印基件812的重力，精确控制点状打印基件811和线状打印基件812在打印空间内的位置和方向。
打印过程中，多个打印头71同时从多个方向向点状打印基件811和线状打印基件812喷射打印材料91，而后，打印部件悬浮装置6移动点状打印基件811和线状打印基件812的空间位置和方向，多个打印头71继续同时从多个方向向点状打印基件811和线状打印基件812喷射打印材料91，如此反复，最终打印完成整个部件。
附图4所示的3D打印系统中打印部件8主要包括多个打印基件81，通过多个打印头71向多个打印基件81同时喷射打印材料91，实现复杂结构部件的一次性打印成形。
一种应用无支撑悬浮式全方位3D打印系统打印物体的方法，其特征在于：步骤如下：
第一步，将打印材料91装填入打印材料输送装置9。
第二步，启动管理控制系统1，通过任务管理模块15加载打印部件文件。
第三步，根据打印部件8的要求选择打印基件81，并将打印基件81放置到打印空间内。
第四步，通过管理控制系统1中的运行控制模块11启动打印进程。
第五步，通过悬浮系统控制模块13发出打印部件悬浮指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印部件悬浮装置6，打印部件悬浮装置6中的打印部件自稳定系统63接收指令，并通过数据线传递给电磁铁磁阵列控制模块65，电磁铁磁阵列控制模块65根据指令调整电磁铁阵列64中一个或多个电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到一个或多个电磁铁641上产生磁场，在打印基件81上产生电磁力，克服打印基件81的重力，使打印基件81在打印空间内实现无支撑悬浮。
第六步，通过打印头控制模块12发出打印头调动指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印头调动装置3，打印头调动装置3启动打印头位置传感器31，并将打印头调动指令通过数据线传递给打印头调动伺服机构32，打印头调动伺服机构32通过机械联结带动打印头机械臂72，调整打印头71在空间的位置，做好打印准备。打印头控制模块12发出打印头流速控制指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印头流速控制装置4，控制打印头的开关和流速的大小，打印材料91通过管道从打印材料输送装置8输送到打印头71，喷射到打印基件81上。多个打印头71可以从不同方位同时向打印基件81喷射打印材料91。
第七步，冷却装置控制模块14出打印材料冷却指令，由控制计算机2通过数据线传递给打印部件冷却装置5，打印部件冷却装置5的材料温度传感器51测量打印空间温度，根据温度情况，开启材料冷却装置52，对喷射到打印基件(81)的打印材料(91)进行冷却，打印材料(91)在打印基件(81)上快速凝固，打印基件(81)变成打印过程件(82)。
第八步，随着喷射的打印材料91不断增多，打印过程件82的质量不断变化，打印过程件82的重力发生变化，打印过程件82的悬浮状态会发生破坏，打印过程件82会变得不稳定。通过打印部件质量传感器62获取打印过程件82实时的质量变化情况，并将打印过程件82质量信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统63，打印部件自稳定系统63根据质量信息计算出自稳定控制指令，通过数据线传递给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65会根据指令调整多个电磁铁641的电压大小，进而改变电磁铁作用在打印过程件82上的磁力大小，使调整后的电磁力克服重力，实现打印过程件82保持动态的平衡，克服打印过程件82质量变化引起的悬浮不稳定的状态。
第九步，在打印过程中，需要变换打印过程件82在打印空间中的位置和方向时，通过打印部件位置传感器62获取打印过程件82的空间位置信息，然后根据管理控制系统1给出的位置调整指令，计算出打印过程件82的位置和方向控制指令，通过数据线将控制指令发送给电磁铁阵列控制模块65，电磁铁阵列控制模块65根据控制指令调整多个电磁铁641的电压和相位，通过电力线加载到多个电磁铁641上，从而改变电磁铁阵列64作用在打印过程件82上磁力的大小和方向，来改变在打印过程件82空间的位置和方向。打印头调动装置3和打印头流速控制装置4控制多个打印头71继续向打印过程件82喷射或沉积打印材料91。如此反复，直至形成完整的打印部件8。
第十步，打印完成后，通过打印部件冷却装置5将打印部件8完全凝固，通过打印部件悬浮装置6逐渐减小电磁铁阵列64作用在打印部件8上的磁力，使打印部件8缓慢落下，然后取出打印组件，关闭打印系统，完成打印工作。
应当理解的是，本发明描述的方法的步骤仅仅是示例性的描述，对其先后进行的时间顺序没有特殊的要求，除非其本身有必然的先后顺序关系。
如上所示，本发明虽然已参照有限的实施例和附图进行了说明，但在本发明所属领域中具备通常知识的人均可以从此记载中进行各种修改和变形。由此，其他实施例及权利要求书与等同物均属于权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于，所述3D打印系统包括管理控制系统(1)、控制计算机(2)、打印头调动装置(3)、打印头流速控制装置(4)、打印部件冷却装置(5)、打印部件悬浮装置(6)、打印头组件(7)、打印部件(8)、打印材料输送装置(9)组成；所述打印部件悬浮装置(6)，包括至少一个或多个电磁铁(641)，利用磁悬浮原理，以磁力克服重力，实现打印部件(8)在打印空间内悬浮；所述打印部件悬浮装置(6)，还包括打印部件位置传感器(61)、打印部件质量传感器(62)、打印部件自稳定系统(63)、电磁铁阵列(64)和电磁铁阵列控制模块(65)；电磁铁阵列(64)包括一个或多个电磁铁(641)，多个电磁铁(641)布置成阵列形式；打印部件自稳定系统(63)通过数据线连接打印部件位置传感器(61)和打印部件质量传感器(62)，电磁铁阵列控制模块(65)通过数据线连接打印部件自稳定系统(63)；电磁铁阵列控制模块(65)可以控制每一块电磁铁(641)的电压和相位，从而对打印部件(8)的悬浮位置和方向进行精确控制和调整；所述打印部件(8)由打印基件(81)和打印材料(91)组合而成；打印基件(81)是打印部件(8)的基础构件，打印过程中，通过在打印基件(81)上面喷涂或沉积打印材料(91)形成打印过程件(82)，通过在打印过程件(82)上面反复喷涂或沉积打印材料(91)，最终形成打印部件(8)；所述打印头组件(7)包括多个打印头(71)，可以从多个方位向打印基件(81)喷射或沉积打印材料(91)，一次性完成打印部件(8)。
2.根据权利要求1所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：所述管理控制系统(1)在控制计算机(2)上运行，包括运行控制模块(11)、打印头控制模块(12)、悬浮系统控制模块(13)、冷却装置控制模块(14)、任务管理模块(15)、状态监视模块(16)；运行控制模块(11)主要负责控制打印启动、暂停、停止；打印头控制模块(12)主要负责控制打印头(71)位置移动、打印头喷口(711)开关和材料流速；冷却装置控制模块(14)主要负责控制温度传感器(51)和材料冷却装置(52)的工作过程；任务管理模块(15)主要完成打印文件的导入，打印任务的设置，以及打印任务的统计管理等；状态监视模块(16)主要负责监视打印系统各组成系统的工作运行状态，直观显示各系统的技术状态；悬浮系统控制模块(13)主要负责控制悬浮装置内打印部件位置传感器(61)、打印部件质量传感器(62)、打印部件自稳定系统(63)、电磁铁阵列(64)和电磁铁阵列控制模块(65)的工作过程。
3.根据权利要求1或2所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：所述控制计算机(2)，主要用于运行管理控制系统(1)，以及连接打印系统各个组成部分，通过数据线向各个装置发送指令执行打印任务，控制打印过程。
4.根据权利要求1或2所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：所述打印部件悬浮装置(6)的电磁铁阵列(64)为打印部件(8)提供向上的磁力，来克服打印部件(8)本身的重力，使得打印部件(8)能够在打印空间内悬浮；电磁铁阵列(64)可以根据打印系统的空间位置以及功能要求，布置在打印系统的上部或下部；电磁铁阵列(64)的外形可以是弧形、平面或者是球面。
5.根据权利要求1或2所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：所述打印头组件(7)，包括一个或多个打印头(71)，所述打印头(71)包括材料喷口(711)和连接管道(712)；所述打印头调动装置(3)，包括打印头位置传感器(31)和打印头调动伺服机构(32)；一个或多个打印头(71)通过机械臂(72)与打印头调动伺服机构(32)连接；其中，所述打印头位置传感器(31)用于感知各个打印头(71)的空间位置；打印头调动伺服机构(32)用于执行打印头空间位置上的移动，带动打印头机械臂(72)运动，实现打印头(71)在打印空间内自由运动。
6.根据权利要求1或2所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：所述打印部件冷却装置(5)主要包括材料温度传感器(51)、材料冷却装置(52)；所述打印材料流速控制装置(4)，包括打印材料流速控制筏(41)和打印材料流速控制开关(42)。
7.根据权利要求1或2所述的一种无支撑悬浮式全方位3D打印系统，其特征在于：打印基件(81)可以是点状体，也可是线状体，也可是面状体；打印基件(81)采用铁质材料或是磁性材料；所述打印部件(8)可以包括一个打印基件(81)，或者包括多个打印基件(81)，也可以由多个不同类型的打印基件(81)组合而成。
8.一种应用权利要求1-7任一项所述的无支撑悬浮式全方位3D打印系统打印物体的方法，其特征在于：步骤如下：
第一步，将打印材料(91)装填入打印材料输送装置(9)；
第二步，启动管理控制系统(1)，通过任务管理模块(15)加载打印部件文件；
第三步，根据打印部件(8)的要求选择打印基件(81)，并将打印基件(81)放置到打印空间内；
第四步，通过管理控制系统(1)中的运行控制模块(11)启动打印进程；
第五步，通过悬浮系统控制模块(13)发出打印部件悬浮指令，由控制计算机(2)通过数据线传递给打印部件悬浮装置(6)，打印部件悬浮装置(6)中的打印部件自稳定系统(63)接收指令，并通过数据线传递给电磁铁磁阵列控制模块(65)，电磁铁磁阵列控制模块(65)根据指令调整电磁铁阵列(64)中一个或多个电磁铁(641)的电压和相位，通过电力线加载到一个或多个电磁铁(641)上，产生磁场，在打印基件(81)上产生电磁力，克服打印基件(81)的重力，使打印基件(81)在打印空间内实现无支撑悬浮；
第六步，通过打印头控制模块(12)发出打印头调动指令，由控制计算机(2)通过数据线传递给打印头调动装置(3)，打印头调动装置(3)启动打印头位置传感器(31)，并将打印头调动指令通过数据线传递给打印头调动伺服机构(32)，打印头调动伺服机构(32)通过机械联结带动打印头机械臂(72)，调整打印头(71)在空间的位置，做好打印准备；打印头控制模块(12)发出打印头流速控制指令，由控制计算机(2)通过数据线传递给打印头流速控制装置(4)，控制打印头的开关和流速的大小，将打印材料(91)从打印头(71)喷射出去，喷射到打印基件(81)上；多个打印头(71)可以从不同方位同时向打印基件(81)喷射打印材料(91)；
第七步，冷却装置控制模块(14)发出打印材料冷却指令，由控制计算机(2)通过数据线传递给打印部件冷却装置(5)，打印部件冷却装置(5)的材料温度传感器(51)测量打印空间温度，根据温度情况，开启材料冷却装置(52)，对喷射到打印基件(81)的打印材料(91)进行冷却，打印材料(91)在打印基件(81)上快速凝固，打印基件(81)变成打印过程件(82)；
第八步，随着喷射的打印材料(91)不断增多，打印过程件(82)的质量不断变化，打印过程件(82)的重力发生变化，打印过程件(82)的悬浮状态会发生破坏，打印过程件(82)会变得不稳定；通过打印部件质量传感器(62)获取打印过程件(82)实时的质量变化情况，并将打印过程件(82)质量信息通过数据线传递给打印部件自稳定系统(63)，打印部件自稳定系统(63)根据质量信息计算出自稳定控制指令，通过数据线传递给电磁铁阵列控制模块(65)，电磁铁阵列控制模块(65)会根据指令调整多个电磁铁(641)的电压大小，进而改变电磁铁作用在打印过程件(82)上的磁力大小，使调整后的电磁力克服重力，实现打印过程件(82)保持动态的平衡，克服打印过程件(82)质量变化引起的悬浮不稳定的状态；
第九步，在打印过程中，需要变换打印过程件(82)在打印空间中的位置和方向时，通过打印部件位置传感器(62)获取打印过程件(82)的空间位置信息，然后根据管理控制系统(1)给出的位置调整指令，计算出打印过程件(82)的位置和方向控制指令，通过数据线将控制指令发送给电磁铁阵列控制模块(65)，电磁铁阵列控制模块(65)根据控制指令调整多个电磁铁(641)的电压和相位，通过电力线加载到多个电磁铁(641)上，从而改变电磁铁阵列(64)作用在打印过程件(82)上磁力的大小和方向，来改变在打印过程件(82)空间的位置和方向；打印头调动装置(3)和打印头流速控制装置(4)控制多个打印头(71)继续向打印过程件(82)喷射或沉积打印材料(91)；如此反复，直至形成完整的打印部件(8)；
第十步，打印完成后，通过打印部件冷却装置(5)将打印部件(8)完全凝固，通过打印部件悬浮装置(6)逐渐减小电磁铁阵列(64)作用在打印部件(8)上的磁力，使打印部件(8)缓慢落下，然后取出打印组件，关闭打印系统，完成打印工作。
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