CN109834937A - 打印线条粗细可调的3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了打印线条粗细可调的3D打印装置，该装置在现有3D打印机的基础上，对打印喷头进行改进，在打印喷头内部固定有高压场致注入针，高压场致注入针通过穿射于导料管的导线，与高压静电源一端连接，高压静电源另一端连接打印线条实时调节单元，打印线条实时调节单元与主控计算机信号连接，高压场致注入针周围填充有液相的打印材料，液相打印材料在静电场作用下，发生形变产生泰勒锥，泰勒锥尖端的打印材料喷射出打印喷头，在打印喷头正下方的打印底板上沉积形成打印件；本发明能够在满足产品打印精度要求的同时，提高打印机的打印效率，还免除了更换打印喷头喷嘴的麻烦。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，特别是涉及一种打印线条粗细可调的3D打印装置。
背景技术
静电喷射是利用静电力改变液体形状和运动的过程，在该过程中液体如细小水柱一般喷射而出的情况称为射流，静电喷射的重点应用之一是利用静电场诱导液体产生形变得到泰勒锥（Taylor），并通过控制所施加的电压影响电荷分布，进而控制最终从泰勒锥顶部喷射出的射流粗细，静电喷射技术以其独特的优点，在众多领域中显示出了巨大的发展潜力和市场前景。
3D打印技术主要通过从打印喷头的喷头开口处，挤出加热熔融的打印材料来进行打印，其打印线条的粗细控制主要依赖于喷头开口的大小，通常最终落在打印底板上的打印线条和从喷头开口挤出的射流线条粗细相当，因此喷头开口大小大致相当或在同一个数量级，在整个打印过程中通常只能获得单一粗细的打印线条，该线条较粗时，难以打印精细结构；该线条较细时，打印效率又受到较大的限制；虽然通过调节挤出速度、底板与喷头间距等参数，能在一定范围内调节打印线条的粗细，但是其调节范围十分有限，基本与喷头开口大小在同一个数量级。
本发明使用静电喷射的原理，通过外加高压电源对打印材料施加高压来形成泰勒锥，通过改变高压静电场，得到比喷头开口小一个或以上数量级的射流线条，进而获得与射流线条粗细大致相当的打印线条，方便地通过调节电压等参数来调节打印线条，能较大范围内的实时调整打印线条的粗细。
3D打印通常使用的材料为金属粉末、光敏树脂、石膏等，都是粉末状或线状固体材料，熔融后生成的液体粘度极大，与传统静电喷射所使用的液体（通常为水、酒精、丙酮等常见无机或有机溶剂配成的溶液）有极大不同，而本发明是使用静电喷射技术来打印3D打印所使用的材料，与传统静电喷射有本质区别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种打印线条粗细可调的3D打印装置，能够通过改变高压静电力场，在较大范围内调整3D打印的打印线条粗细，适用于不同精度要求的产品制备，在满足产品精度要求的情况下提高3D打印效率。
本发明所采用的技术方案是，打印线条粗细可调的3D打印装置，在现有3D打印机的打印喷头内固定有高压场致注入针，高压场致注入针通过穿射于导料管内的导线，与高压静电源一端连接，所述高压静电源另一端与打印线条实时调节单元连接，打印线条实时调节单元信号连接主控计算机；打印喷头和导料管内填充有打印材料，打印材料在打印喷头下方形成泰勒锥，泰勒锥尖端喷射出打印喷头，在与打印喷头间隔设置的打印底板上沉积形成打印线条，打印底板接地；
进一步的，打印线条实时调节单元用于调节高压静电源的输出电压大小；
进一步的，打印底板为金属导电材质；
进一步的，打印材料为金属粉末、光敏树脂或石膏。
本发明的有益效果是：本发明通过调节高压静电输出电压，控制打印材料形成的泰勒锥形状，进而改变打印喷头输出的打印线条粗细，能满足同一产品不同区域或不同产品的精度要求，提高了3D打印的打印效率及产品质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是传统3D打印成品与本发明打印成品的效果对比图。
图中，1.打印底板，2.打印喷头，3.高压静电源，4.高压场致注入针，5.打印线条实时调节单元，6.主控计算机，7.导料管，8.泰勒锥，9.打印线条。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
打印线条粗细可调的3D打印装置结构如图1所示，在现有3D打印机的基础上，对打印喷头2进行改进，在打印喷头2内设置高压场致注入针4，高压场致注入针4通过穿射于导料管7的导线，与高压静电源3一端连接，高压静电源3另一端连接打印线条实时调节单元5，打印线条实时调节单元5通过串口通信等方式连接到主控计算机6的软件主控界面，与3D打印装置的软硬件控制实现互动，高压场致注入针4周围的打印喷头2内填充有液相的打印材料，液相的打印材料在打印喷头2下方发生形变形成泰勒锥8，泰勒锥8尖端形成射流，射流喷射后在打印喷头2下方的打印底板1上沉积形成3D打印物品。
打印线条实时调节单元5是用于调节高压静电源3输出电压的控制电路，是人为控制的高压开关；打印线条实时调节单元5还包括摄像头、电压调节单元、图像识别传感器和辅助电路，摄像头和图像识别传感器能实时观察打印线条9的粗细，并对打印线条9进行测量，传输至主控计算机6进行记录，电压调节单元是可变电阻器或软件信号输入等，可以调节高压静电源3的输出电压，辅助电路在打印线条实时调节单元5中能隔离高低压，有滤波、稳压的作用。
高压静电源3的输出电压范围为0～50kV，输出电流范围为0～1mA，输出电流优选范围为0.01mA-0.1mA，高压静电源3的输出电压过高时，操作不安全，高压静电源3的输出电压过低时，打印喷头2喷射出的射流方向、射流粗细等不稳定，影响打印的质量和效果；在3D产品打印的过程中，产品的三维模型和分层情况均可以通过主控计算机6获取，打印每一层时打印材料的沉积位置是确定的，所以高压静电源3不仅要保证打印线条9的粗细稳定，还要给射流提供足够的静电场，以严格控制射流在打印底板1上的沉积位置，使得3D打印物品的外形美观；高压静电源3开高压时打印线条9变细，打印的产品表面光滑程度提高，细节处的处理更接近3D模型，产品质量好；关闭高压时打印线条9变粗，对于产品结构中不可见或对精度要求不高的结构进行打印，能够提高打印效率；打印底板1作为高压静电压输出的地，进行妥善接地，将高压回路与其它低压回路分开，保证了操作安全，又能有效为射流提供引流静电场，打印底板1为金属导电材质。
打印材料为常见的3D打印材料，包括但不限于金属粉末、光敏树脂、石膏或其他已有的3D打印材料。
本发明工作时，在主控计算机6中输入待打印件的三维模型和分层情况，设计3D打印的线路，打开3D打印装置的电源，对打印喷头2内的打印材料加热融化，同时打开高压静电源3，利用高压场致注入针4将电荷引入融化后的打印材料中，打印材料在打印喷头2下方的出口处形变成泰勒锥8，并喷射出去，主控计算机6控制打印喷头2按照预设的打印路线进行移动，打印材料喷射出打印喷头2后，在打印底板1上沉积，最终形成与三维模型相同的打印件。
在上述内容中，打印线条实时调节单元5根据用户需要，实时调节高压静电源3的输出电压，进而控制打印线条9的粗细，此时的打印线条9的粗细是根据待打印件的精度需要和打印经验得出的，并不是确定的值；当用户想要打印特定粗细的打印线条9时，用户可以将预定的打印线条9的粗细作为目标参数，根据目标参数在查找表中与条件参数的对应关系，获得目标参数对应的条件参数，即打印喷头2运动轨迹、运动速度、打印喷头2与打印底板1距离，以及打印材料的种类、打印材料挤出方式和速度等，利用这些条件参数计算得出3D打印装置所需的高压静电源3输出电压，并将输出电压反馈至打印线条实时调节单元5，打印线条实时调节单元5调节高压静电源3的输出电压至该值后稳定输出，利用高压场致注入针4将电荷引入打印喷头2内，静电场促使打印材料形成泰勒锥8，进而形成直径比打印喷头2挤出口小的射流线条，进而得到预定粗细的打印线条9。
查找表通过以下操作获得：根据条件参数预先设计正交实验，测定各组条件参数下对应的线宽值即目标参数，得到条件参数-目标参数一一对应的表格；利用线性插值法或其他插值法，将条件参数-目标参数的对应关系补充完整，获得最终的查找表。
实施例
利用没有设置高压静电源3的现有3D打印机，和加设高压静电源3的本发明，打印同一物品，该物品为片状的矩形结构；现有3D打印机的打印效果如图2a所示，此时打印线条9的粗细与打印喷头2的出口大致相同，在同一平面内，通过重复打印喷头2的移动路线打印出矩形的片状物品；
使用本发明打印时，打开和关闭高压静电源3相互切换，3D打印装置的打印效果如图2b所示，首先打开高压静电源3，调整打印线条9变细，利用细的打印线条9先打印出片状物品的外部轮廓，然后关闭高压静电源3，使打印线条9粗细与打印喷头2出口相同，控制打印喷头2在矩形轮廓内部移动进行填充，完成矩形片状物体的打印；
使用本发明打印还可以先关闭高压静电源3，使打印喷头2在同一平面内重复移动，使用较粗的打印线条9形成片状物品的大致轮廓，然后打开高压静电源3，调整打印线条9变细，对物体的外部轮廓进行修饰；
由图2a和图2b可以得出本发明打印物品时，可以任意改变打印线条9的粗细，无需更换打印喷头2的喷嘴，操作方便；能够提高打印物品的外观美观程度和打印精度，同时还能满足用户对打印效率的要求。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.打印线条粗细可调的3D打印装置，其特征在于，在现有3D打印机的打印喷头（2）内固定有高压场致注入针（4），高压场致注入针（4）通过穿射于导料管（7）内的导线，与高压静电源（3）一端连接，所述高压静电源（3）另一端与打印线条实时调节单元（5）连接，打印线条实时调节单元（5）信号连接主控计算机（6）；打印喷头（2）和导料管（7）内填充有打印材料，打印材料在打印喷头（2）下方形成泰勒锥（8），泰勒锥（8）尖端喷射出打印喷头（2），在与打印喷头（2）间隔设置的打印底板（1）上沉积形成打印线条（9），打印底板（1）接地。
2.根据权利要求1所述的打印线条粗细可调的3D打印装置，其特征在于，所述打印线条实时调节单元（5）用于调节高压静电源（3）的输出电压大小。
3.根据权利要求1所述的打印线条粗细可调的3D打印装置，其特征在于，所述打印底板（1）为金属导电材质。
4.根据权利要求1所述的打印线条粗细可调的3D打印装置，其特征在于，所述打印材料为金属粉末、光敏树脂或石膏。
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