CN109940876A - 基于激光切除的3d打印机断点续打系统及其断点续打方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于激光切除的3D打印机断点续打系统及其断点续打方法，包括装料盘、送丝机构、长度计数器、出丝喷头、打印平台、激光头、激光器、用于控制激光器的激光电源控制器、打印机架；所述打印机架上还包括用于控制出丝喷头、激光头运动和工作的驱动控制组件。本发明一方面利用长度计数器对熔融沉积型3D打印机进行实时检测，保证了能够随时检测打印过程是否正常；另一方面，通过引入激光加工模块，利用激光加工时间短，冷却速度快，热影响区小的特点，对熔融沉积型3D打印机断点层进行加工处理，实现了断点层的完全初始化，保证了打印模型的完整性，有效提高打印效率和材料利用率。
Description
技术领域
本发明涉及快速成型技术和激光加工技术领域，具体为基于激光切除的3D打印机断点续打系统及其断点续打方法。
背景技术
随着3D打印技术的发展，熔融沉积型的3D打印机越来越成熟，打印精度和打印质量越来越高。然而受成型原理和打印过程参数控制的影响，打印速度相对较慢。同时，熔融沉积型3D打印精度越高，打印机出丝喷头的直径也会相对较小，如果在加工过程中喷头散热不及时，或者因加工时间太长导致喷头出现堵塞等故障，会直接导致打印中断。现阶段，处理的方式主要是通过改善3D打印机工作环境、降低温度，加快散热过程，尽量避免喷头出现故障。
但是，由于熔融沉积型3D打印机受成型原理限制，打印速度本来就比较慢，在实际操作过程中喷头堵塞时有发生，如果因喷头堵塞造成模型无法继续打印，不仅增加制造时间，还会造成材料和人工等成本的浪费。此外，如果对未完成打印的模型重新进行打印，由于在3D打印过程中，从人眼发现喷头故障到手动停止设备运行总存在时间间隔(ti到ti+1)，在这段时间差内，打印程序已执行一部分，而这部分并没有完成打印，因此清除喷头故障后，打印程序继续进行很难保证打印模型的完整性。如中国专利CN105946227B“一种带定层续打功能的3D打印机及打印方法”，该方法虽然可以实现续打功能，但是续打定位还是受控制单元的精度影响。因此，续打后的模型相对原始模型还是会有一定的误差。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提到的问题，本发明提出了基于激光切除的3D打印机断点续打系统以及断点续打方法。本发明在3D打印设备中引入激光加工模块，实现断点层的完全去除初始化，有效提高续打加工精度。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
基于激光切除的3D打印机断点续打系统，包括装料盘、送丝机构、长度计数器、出丝喷头、打印平台、激光头、激光器、用于控制激光器的激光电源控制器、打印机架；打印平台用于盛放打印模型。
所述打印机架上还包括用于控制出丝喷头、激光头运动和工作的驱动控制组件。
作为本发明的进一步改进，所述驱动控制组件包括用于控制出丝喷头的出丝控制组件、用于控制激光头的激光控制组件、以及控制器和向控制器输入控制指令的控制判断模块，所述激光电源控制器与控制器连接。
作为本发明的进一步改进，所述出丝控制组件包括喷头出丝长度计算模块、用于驱动出丝喷头运动的交流伺服电机组Ⅰ、用于控制交流伺服电机组Ⅰ的电机控制器Ⅰ，所述电机控制器Ⅰ与控制器连接。
作为本发明的进一步改进，所述交流伺服电机组Ⅰ实现出丝喷头的三维空间运动。
作为本发明的进一步改进，所述激光控制组件包括用于驱动激光头运动的交流伺服电机组Ⅱ、用于控制交流伺服电机组Ⅱ的电机控制器Ⅱ，所述电机控制器Ⅱ与控制器连接。
作为本发明的进一步改进，所述述交流伺服电机组Ⅱ实现激光头的三维空间运动。
基于激光切除的3D打印机断点续打方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实验测试，使激光头的有效气化层高度等于3D打印机的打印层高度，并建立3D打印机的打印材料、打印层高度、激光器输出功率、激光头移动速度的材料库；
步骤二：对出丝喷头以及激光头的初始位置标识化，确定出丝喷头以及激光头互不干涉的零点位置；
步骤三：控制器通过电机控制器Ⅰ控制交流伺服电机组Ⅰ驱动出丝喷头按照设定程序进行打印；
步骤四：出丝喷头打印过程中，在长度计数器检测ti时刻与ti+1时刻出丝喷头出丝长度的基础上，喷头出丝长度计算模块计算ti时刻与ti+1时刻出丝喷头的出丝长度，将两次结果进行相减计算，正常情况下，计算结果不为0，控制判断模块向控制器输入出丝正常指令，继续执行步骤三；
步骤五：根据步骤四的判断依据，若计算结果为0，先跳转到步骤八判断打印模型是否完成打印，如果否，则判定3D打印机的出丝喷头发生堵塞；
步骤六：根据步骤五的判断结果，控制判断模块向控制器输入出丝不正常指令，控制器通过电机控制器Ⅰ、电机控制器Ⅱ、激光电源控制器控制出丝喷头和激光头以及激光器完成断点层处理；
步骤七：出丝喷头验证出丝正常后，回到步骤三并从打印断点层的初始位置(x0,y0,z0)对打印模型继续进行打印；
步骤八：控制器验证设定打印程序是否执行完毕，如果是则打印完毕。
更进一步地，所述步骤六中断点层的具体处理步骤如下：
a、控制器先通过电机控制器Ⅰ停止出丝工作同时记录出丝喷头此刻的精确坐标(xi+1,yi+1,zi+1)和打印当前断点层的初始位置(x0,y0,z0)，并控制交流伺服电机组Ⅰ驱使出丝喷头回到零点位置；
b、然后通过电机控制器Ⅱ控制交流伺服电机组Ⅱ驱使激光头运动至空间点(x0,y0,z0+J)，其中J为激光焦距；
c、根据步骤一确定激光器的输出功率以及激光头的移动速度，并通过激光电源控制器设定激光器的输出功率以及打开激光器；
d、接着通过电机控制器Ⅱ控制交流伺服电机组Ⅱ驱使激光头以确定好的移动速度，按照出丝喷头在断点层已打印的路径进行激光切除，直至运动到空间点(xi+1,yi+1,zi+1+J)，完成断点层处理；
e、激光器关闭，激光头复位到零点位置。
更进一步地，所述电机控制器Ⅰ和电机控制器Ⅱ可采用位置控制模式和速度控制模式。
本发明的有益效果是：
本发明一方面利用长度计数器对熔融沉积型3D打印机进行实时检测，保证了能够随时检测打印过程是否正常；另一方面，通过引入激光加工模块，利用激光加工时间短，冷却速度快，热影响区小的特点，对熔融沉积型3D打印机断点层进行加工处理，实现了断点层的完全初始化，保证了打印模型的完整性，有效提高打印效率和材料利用率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为本发明的控制原理示意图；
图2为本发明应用在熔融沉积型3D打印机断点续打情况时的实施过程示意图；
图3为本发明实施例中的装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
如图1至图3所示，基于激光切除的3D打印机断点续打系统，包括装料盘1、送丝机构2、长度计数器3、出丝喷头4、打印平台6、激光头9、激光器15、用于控制激光器15的激光电源控制器14、打印机架17。打印平台6用于盛放打印模型5。
所述打印机架17上还包括用于控制出丝喷头4、激光头9运动和工作的驱动控制组件。
所述驱动控制组件包括用于控制出丝喷头4的出丝控制组件、用于控制激光头9的激光控制组件、以及控制器16和向控制器16输入控制指令的控制判断模块11，所述激光电源控制器14与控制器16连接。
所述出丝控制组件包括喷头出丝长度计算模块10、用于驱动出丝喷头4运动的交流伺服电机组Ⅰ7、用于控制交流伺服电机组Ⅰ7的电机控制器Ⅰ12，所述电机控制器Ⅰ12与控制器16连接。
所述交流伺服电机组Ⅰ7实现出丝喷头4的三维空间运动。
所述激光控制组件包括用于驱动激光头9运动的交流伺服电机组Ⅱ8、用于控制交流伺服电机组Ⅱ8的电机控制器Ⅱ13，所述电机控制器Ⅱ13与控制器16连接。
所述述交流伺服电机组Ⅱ8实现激光头9的三维空间运动。
工作时，装料盘1上的材料通过送丝机构2运送到出丝喷头4，利用电机控制器Ⅰ12控制交流伺服电机组Ⅰ7驱使出丝喷头4按照分层数据得到的路径进行运动，在运行过程中，出丝喷头4加热至材料的熔融温度，实现3D打印堆叠成型；当出现出丝喷头4堵塞的情况时，控制器16向电机控制器Ⅰ12、电机控制器Ⅱ13以及激光电源控制器14输入控制指令，电机控制器Ⅰ12控制交流伺服电机组Ⅰ7驱使出丝喷头4停止工作并回到初始位置，电机控制器Ⅱ13控制交流伺服电机组Ⅱ8驱使激光头9运动，激光电源控制器14控制激光器15的输出功率，通过激光头9的运动能够实现打印模型5上指定断点层的去除加工。
所述长度计数器3即计米器，作用在于检测送丝机构2向出丝喷头4输送的长度；同时喷头出丝长度计算模块10的作用在于能够计算出出丝喷头4的出丝长度。所述激光电源控制器14的作用在于能够控制激光器15的输出功率以及开关。
基于激光切除的3D打印机断点续打方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实验测试，使激光头9的有效气化层高度等于3D打印机的打印层高度，并建立3D打印机的打印材料、打印层高度、激光器15输出功率、激光头9移动速度的材料库；
步骤二：对出丝喷头4以及激光头9的初始位置标识化，确定出丝喷头4以及激光头9互不干涉的零点位置；
步骤三：控制器16通过电机控制器Ⅰ12控制交流伺服电机组Ⅰ7驱动出丝喷头4按照设定程序进行打印；
步骤四：出丝喷头4打印过程中，在长度计数器3检测ti时刻与ti+1时刻出丝喷头4出丝长度的基础上，喷头出丝长度计算模块10计算ti时刻与ti+1时刻出丝喷头4的出丝长度，将两次结果进行相减计算，正常情况下，计算结果不为0，控制判断模块11向控制器16输入出丝正常指令，继续执行步骤三；
步骤五：根据步骤四的判断依据，若计算结果为0，先跳转到步骤八判断打印模型5是否完成打印，如果否，则判定3D打印机的出丝喷头4发生堵塞；
步骤六：根据步骤五的判断结果，控制判断模块11向控制器16输入出丝不正常指令，控制器16通过电机控制器Ⅰ12、电机控制器II13、激光电源控制器14控制出丝喷头4和激光头9以及激光器15完成断点层处理；
步骤七：出丝喷头4验证出丝正常后，回到步骤三并从打印断点层的初始位置(x0,y0,z0)对打印模型5继续进行打印；
步骤八：控制器16验证设定打印程序是否执行完毕，如果是则打印完毕。
更进一步地，所述步骤六中断点层的具体处理步骤如下：
a、控制器16先通过电机控制器Ⅰ12停止出丝工作同时记录出丝喷头4此刻的精确坐标(xi+1,yi+1,zi+1)和打印当前断点层的初始位置(x0,y0,z0)，并控制交流伺服电机组Ⅰ7驱使出丝喷头4回到零点位置；
b、然后通过电机控制器II13控制交流伺服电机组Ⅱ8驱使激光头9运动至空间点(x0,y0,z0+J)，其中J为激光焦距；
c、根据步骤一确定激光器15的输出功率以及激光头9的移动速度，并通过激光电源控制器14设定激光器15的输出功率以及打开激光器15；
d、接着通过电机控制器Ⅱ13控制交流伺服电机组Ⅱ8驱使激光头9以确定好的移动速度，按照出丝喷头4在断点层已打印的路径进行激光切除，直至运动到空间点(xi+1,yi+1,zi+1+J)，完成断点层处理；
e、激光器15关闭，激光头9复位到零点位置。
更进一步地，所述电机控制器Ⅰ12和电机控制器Ⅱ13可采用位置控制模式和速度控制模式。
如图2所示为基于激光切除的3D打印机断点续打方法应用在熔融沉积型3D打印机断点续打情况下的具体实施过程：首先导入要打印的模型，设置打印的材料和打印的层高，根据实验测试可以得到激光头9的有效气化层高刚好等于3D打印机的打印层高时的激光加工参数和激光头运行速度关系库。然后，计算机将模型划分为一层一层的数据，本实施例中模型划分层数为5层，每一层的模型数据都保存在内存中，保证出丝喷头4和激光头9所走的层路径相同。当打印机打印到第4层时，ti时刻正常打印，即图2-a。
到ti+1时刻喷头出丝长度计算模块对长度计数器3输出的数据进行判断，长度差＝0，进一步判断打印过程并未完成，则3D打印过程立即停止，计算机记录出丝喷头4的打印第4层时的停止位置(xi+1,yi+1,zi+1)和第4层的打印起始位置(x0,y0,z0)，出丝喷头4在ti到ti+1时刻之间堵塞，具体位置却无法判断，因此若在保证出丝喷头4正常出丝条件下，立即启动3D打印机继续打印，无法保证模型打印的完整性，即图2-b。
此时，出丝喷头4立即运行至打印模型5区域之外的零点位置，而同时激光电源闭合，激光器15正常工作，激光头9立即运行到第4层的起始位置，并调整好焦距，即激光头9位置(x0,y0,z0+J)，即图2-c。
调用步骤1所建材料库中的数据，根据所打印材料，激光头9确定速度参数，激光器15确定输出功率参数，保证激光切除的深度等于3D打印的层高，激光头9按照第4层的加工路径进行加工，直到加工到与出丝喷头4的停止位置(xi+1,yi+1,zi+1+J)重合，即图2-d。
激光加工完成后，激光头9进行复位，移动到打印模型5区域以外的零点位置，同时验证出丝喷头4正常出丝后，对打印模型5继续进行打印，出丝喷头4移动到第4层的初始加工位置(x0,y0,z0)，对该层进行重新加工，即图2-e。
加工过程中依然实时监测，直到打印模型5第5层打印完成，即图2-f。
通过在熔融沉积型3D打印机中增加激光加工模块，利用激光加工的高精度的特点最终实现熔融沉积型3D打印机断点续打的过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：包括装料盘(1)、送丝机构(2)、长度计数器(3)、出丝喷头(4)、打印平台(6)、激光头(9)、激光器(15)、用于控制激光器(15)的激光电源控制器(14)、打印机架(17)；
所述打印机架(17)上还包括用于控制出丝喷头(4)、激光头(9)运动和工作的驱动控制组件。
2.根据权利要求1所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：所述驱动控制组件包括用于控制出丝喷头(4)的出丝控制组件、用于控制激光头(9)的激光控制组件、以及控制器(16)和向控制器(16)输入控制指令的控制判断模块(11)，所述激光电源控制器(14)与控制器(16)连接。
3.根据权利要求2所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：所述出丝控制组件包括喷头出丝长度计算模块(10)、用于驱动出丝喷头(4)运动的交流伺服电机组Ⅰ(7)、用于控制交流伺服电机组Ⅰ(7)的电机控制器Ⅰ(12)，所述电机控制器Ⅰ(12)与控制器(16)连接。
4.根据权利要求3所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：所述交流伺服电机组Ⅰ(7)实现出丝喷头(4)的三维空间运动。
5.根据权利要求2所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：所述激光控制组件包括用于驱动激光头(9)运动的交流伺服电机组Ⅱ(8)、用于控制交流伺服电机组Ⅱ(8)的电机控制器Ⅱ(13)，所述电机控制器Ⅱ(13)与控制器(16)连接。
6.根据权利要求5所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统，其特征在于：所述述交流伺服电机组Ⅱ(8)实现激光头(9)的三维空间运动。
7.应用权利要求1至6中任一项的基于激光切除的3D打印机断点续打系统的断点续打方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据实验测试，使激光头(9)的有效气化层高度等于3D打印机的打印层高度，并建立3D打印机的打印材料、打印层高度、激光器(15)输出功率、激光头(9)移动速度的材料库；
步骤二：对出丝喷头(4)以及激光头(9)的初始位置标识化，确定出丝喷头(4)以及激光头(9)互不干涉的零点位置；
步骤三：控制器(16)通过电机控制器Ⅰ(12)控制交流伺服电机组Ⅰ(7)驱动出丝喷头(4)按照设定程序进行打印；
步骤四：出丝喷头(4)打印过程中，在长度计数器(3)检测ti时刻与ti+1时刻出丝喷头(4)出丝长度的基础上，喷头出丝长度计算模块(10)计算ti时刻与ti+1时刻出丝喷头(4)的出丝长度，将两次结果进行相减计算，正常情况下，计算结果不为0，控制判断模块(11)向控制器(16)输入出丝正常指令，继续执行步骤三；
步骤五：根据步骤四的判断依据，若计算结果为0，先跳转到步骤八判断打印模型(5)是否完成打印，如果否，则判定3D打印机的出丝喷头(4)发生堵塞；
步骤六：根据步骤五的判断结果，控制判断模块(11)向控制器(16)输入出丝不正常指令，控制器(16)通过电机控制器Ⅰ(12)、电机控制器Ⅱ(13)、激光电源控制器(14)控制出丝喷头(4)和激光头(9)以及激光器(15)完成断点层处理；
步骤七：出丝喷头(4)验证出丝正常后，回到步骤三并从打印断点层的初始位置(x0,y0,z0)对打印模型(5)继续进行打印；
步骤八：控制器(16)验证设定打印程序是否执行完毕，如果是则打印完毕。
8.根据权利要求7所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统的断点续打方法，其特征在于：所述步骤六中断点层的具体处理步骤如下：
a、控制器(16)先通过电机控制器Ⅰ(12)停止出丝工作同时记录出丝喷头(4)此刻的精确坐标(xi+1,yi+1,zi+1)和打印当前断点层的初始位置(x0,y0,z0)，并控制交流伺服电机组Ⅰ(7)驱使出丝喷头(4)回到零点位置；
b、然后通过电机控制器Ⅱ(13)控制交流伺服电机组Ⅱ(8)驱使激光头(9)运动至空间点(x0,y0,z0+J)，其中J为激光焦距；
c、根据步骤一确定激光器(15)的输出功率以及激光头(9)的移动速度，并通过激光电源控制器(14)设定激光器(15)的输出功率以及打开激光器(15)；
d、接着通过电机控制器Ⅱ(13)控制交流伺服电机组Ⅱ(8)驱使激光头(9)以确定好的移动速度，按照出丝喷头(4)在断点层已打印的路径进行激光切除，直至运动到空间点(xi+1,yi+1,zi+1+J)，完成断点层处理；
e、激光器(15)关闭，激光头(9)复位到零点位置。
9.根据权利要求7所述的基于激光切除的3D打印机断点续打系统的断点续打方法，其特征在于：所述电机控制器Ⅰ(12)和电机控制器Ⅱ(13)可采用位置控制模式和速度控制模式。
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