CN109968660A - 三维打印机、打印方法及三维物体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维打印机、该三维打印机的打印方法以及利用这种打印方法打印的三维物体，三维打印机包括：打印平台，用于承载三维物体；第一材料打印头，用于挤出第一材料在打印平台上一层一层地打印三维物体；激光打孔器，用于在三维物体的成型层上生成连接位置孔，连接位置孔在深度方向上至少延伸在相邻两层成型层之间，并且连接位置孔的深度大于一层成型层的厚度；第二材料打印头，用于对连接位置孔填充第二材料；加热装置，用于加热打印平台上的第一材料。在打印三维物体内部成型层之间嵌入增强结构，增强了三维物体在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体各成型层之间的连接强度，提高了打印三维物体的整体强度。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印领域，具体地说，是涉及一种三维打印机、该三维打印机的打印方法以及利用这种打印方法打印的三维物体。
背景技术
三维打印机是一种利用快速成型技术进行打印三维物体的设备，其以数字模型为基础，利用塑料或金属粉末等材料，逐层地打印出三维物体。三维打印的过程首先是通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，再根据分析截面信息得到加工路径，从而指导打印机逐层打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技术有熔融沉积成型、选择性激光烧结成型、光固化成型等。
作为三维打印技术的代表，熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)是一种通过熔融丝料叠加堆积而形成三维实体模型的工艺，其主要是将线状丝材通过高温喷嘴，利用线材的连续挤压，将熔融状的材料通过喷嘴出口挤出，然后熔融状材料层层堆积产生三维物体。由于采用分层堆积的方法，打印成型时间一般都很长。打印层的层与层之间连接仅仅是通过熔融状的材料黏结后冷却，由于层与层之间的材料温度不同，因此打印出来的物体强度较低。而且层与层之间的局部细节特别容易分层，层与层之间黏结不到一体。
目前有一种利用在熔融沉积成型打印中加入碳纤维等材料来增加打印物体的强度，但是目前碳纤维材料的加入只是采用在打印层与层之间加入，仍然没有解决相邻层之间的分层以及层厚方向的强度问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种三维打印机，提高打印三维物体各成型层之间的连接强度，旨在提高打印三维物体的整体强度。
本发明的第二目的是提供一种上述三维打印机的打印方法，从而提高打印三维物体各成型层之间的连接强度，旨在提高打印三维物体的整体强度。
本发明的第三目的是提供一种利用上述三维打印机的打印方法打印的三维物体，提高打印三维物体各成型层之间的连接强度，从而提高打印三维物体的整体强度。
为了实现上述的第一目的，本发明提供一种三维打印机，包括：打印平台，用于承载三维物体；第一材料打印头，用于挤出第一材料在打印平台上一层一层地打印三维物体；激光打孔器，用于在三维物体的成型层上生成连接位置孔，连接位置孔在深度方向上至少延伸在相邻两层成型层之间，并且连接位置孔的深度大于一层成型层的厚度；第二材料打印头，用于对连接位置孔填充第二材料；加热装置，用于加热打印平台上的第一材料。
由以上方案可见，三维打印机利用激光打孔器在三维物体的成型层上生成连接位置孔，且对连接位置孔填充第二材料，即在所打印的三维物体内部成型层之间嵌入了增强结构，有效避免了三维物体的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体各成型层之间的连接强度，提高了打印三维物体的整体强度。
进一步的方案是，连接位置孔的深度大于两层成型层的厚度。
进一步的方案是，连接位置孔的深度小于三层成型层的厚度。
更进一步的方案是，第二材料与连接位置孔在靠近第二材料打印头的一端形成一凹陷位置，凹陷位置朝远离第二材料打印头方向凹入，凹陷位置填充第一材料。
更进一步的方案是，第二材料的粒子直径或粒子长度大于一层成型层的厚度。
更进一步的方案是，第二材料为碳纤维材料、金属粉末材料、光固化材料、短纤维材料、陶瓷材料中的一种。
更进一步的方案是，连接位置孔位于三维物体的内部。
更进一步的方案是，连接位置孔的深度方向垂直于打印平台。
为了实现上述的第二目的，本发明提供一种三维打印机的打印方法，其中三维打印机包括：打印平台，用于承载三维物体；第一材料打印头，用于挤出第一材料在打印平台上一层一层地打印三维物体；激光打孔器，用于在三维物体的成型层上生成连接位置孔，连接位置孔在深度方向上至少延伸在相邻两层成型层之间，并且连接位置孔的深度大于一层成型层的厚度；第二材料打印头，用于对连接位置孔填充第二材料；加热装置，用于加热打印平台上的第一材料；打印方法包括：
打印三维物体步骤：通过第一材料打印头将第一材料按照设定的方案在打印平台上一层一层地打印三维物体；
打孔步骤：通过激光打孔器按照设定的方案在成型层上生成连接位置孔；
打印增强结构步骤：通过第二材料打印头按照设定的方案对连接位置孔填充第二材料，同时加热装置对打印平台上的第一材料加热。
由以上方案可见，三维打印机的打印方法在所打印的三维物体内部成型层之间嵌入有增强结构，有效避免了三维物体的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体各成型层之间的连接强度，提高了打印三维物体的整体强度。
为了实现上述的第三目的，本发明提供一种三维物体，经过三维打印机打印获得，三维物体包括成型层和增强结构，增强结构位于三维物体的内部，并且增强结构至少连接着两层成型层。
由以上方案可见，三维物体的内部嵌入有增强结构，该增强结构至少连接着两层成型层，有效避免了三维物体的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体各成型层之间的连接强度，提高了打印三维物体的整体强度。
附图说明
图1是本发明三维打印机实施例中三维物体在打印平台上的结构图。
图2是本发明三维打印机实施例的第一工作状态剖视图。
图3是本发明三维打印机实施例的第二工作状态剖视图。
图4是本发明三维打印机实施例的第三工作状态剖视图。
图5是本发明三维打印机实施例的第四工作状态剖视图。
图6是本发明三维打印机实施例的第五工作状态剖视图。
图7是本发明三维打印机实施例的第六工作状态剖视图。
图8是本发明三维打印机实施例的第七工作状态剖视图。
图9是图8中在A处的放大图。
图10是本发明三维打印机的打印方法实施例的工作流程图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
三维打印机实施例：
参见图1至图4以及图9，三维打印机包括打印平台1、第一材料打印头3、激光打孔器4、第二材料打印头5和加热装置(未标示)，打印平台1用于承载打印的三维物体2，第一材料打印头3用于挤出第一材料在打印平台1上一层一层地打印三维物体2，激光打孔器4用于在三维物体2的成型层21上生成连接位置孔22，该连接位置孔22在深度方向上至少延伸在相邻两层成型层21之间，并且连接位置孔22的深度大于一层成型层21的厚度，优选地，连接位置孔22的深度大于两层成型层21的厚度且小于三层成型层21的厚度。本实施例连接位置孔22位于三维物体2的内部，而且连接位置孔22的深度方向可垂直于打印平台1。
第二材料打印头5用于对连接位置孔22填充第二材料23，本实施例第二材料23与连接位置孔22在靠近第二材料打印头5的一端形成一凹陷位置24，该凹陷位置24朝远离第二材料打印头5方向凹入，凹陷位置24可填充入第一材料。第二材料23的粒子直径或粒子长度大于一层成型层21的厚度，优选地，第二材料23为碳纤维材料、金属粉末材料、光固化材料、短纤维材料、陶瓷材料中的一种。本实施例加热装置用于加热打印平台1上的第一材料。
参见图2至图7，控制第一材料打印头3挤出第一材料在打印平台1上打印三层成型层21后，激光打孔器4开始在第三成型层21上生成多个连接位置孔22，直至连接位置孔22贯穿第三和第二成型层21并延伸至第一成型层21，即与打印平台1相黏贴的成型层21，因此连接位置孔22的深度大于两层成型层21的厚度且小于三层成型层21的厚度。随后，第二材料打印头5对每个连接位置孔22填充第二材料23，并在靠近第二材料打印头5的一端形成一凹陷位置24。连接位置孔22填充第二材料23完成，接着控制第一材料打印头3挤出第一材料在第三成型层21上打印第四层成型层21，其中第四层成型层21中的第一材料会嵌入到凹陷位置24内。随后，激光打孔器4开始在第四成型层21上生成多个连接位置孔22，这些新生成的连接位置孔22的位置与之前生成的连接位置孔22的位置错开设置，新生成的连接位置孔22贯穿第四和第三成型层21并延伸至第二成型层21。然后，第二材料打印头5对每个新生成的连接位置孔22填充第二材料23，并在靠近第二材料打印头5的一端形成一凹陷位置24。如此反复循环打印三维物体2，使第二材料23在三维物体2的内部形成层与层之间的嵌入式连接，有效避免了三维物体2的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体2在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体2各成型层21之间的连接强度，提高了打印三维物体2的整体强度。
三维打印机的打印方法实施例：
应用上述三维打印机实施例，参见图2至图10，本实施例三维打印机的打印方法包括下面的步骤。
首先，执行建立三维物体的计算机实体模型步骤S10，即通过各种建模软件进行所需打印的三维物体2的计算机实体模型的建立，同时对三维物体2进行内部增强结构位置的设计，即设计需要连接成型层21之间的填充第二材料23的连接位置孔22的布置位置。
接着，执行对模型进行切片分层步骤S20，根据已建立的计算机实体模型进行切片分层处理，即将建成的计算机实体模型“分区”成逐层的打印截面。
随后，执行得到模型每层的成型信息步骤S30，三维打印机通过有线或者无线方式获取模型每层的打印成型信息，以及连接位置孔22生成和第二材料23填充连接位置孔22的信息。
进一步，执行打印三维物体步骤S40，通过第一材料打印头3将第一材料按照设定的方案在打印平台1上一层一层地打印三维物体2。具体地，第一材料打印头3挤出第一材料在打印平台1上打印三层成型层21。
进一步，执行打孔步骤S50，通过激光打孔器4按照设定的方案在成型层21上生成连接位置孔22，具体地，激光打孔器4开始在第三成型层21上生成多个连接位置孔22，直至连接位置孔22贯穿第三和第二成型层21并延伸至第一成型层21，即与打印平台1相黏贴的成型层21，因此连接位置孔22的深度大于两层成型层21的厚度且小于三层成型层21的厚度。
进一步，执行打印增强结构步骤S60，通过第二材料打印头5按照设定的方案对连接位置孔22填充第二材料23，同时加热装置对打印平台1上的第一材料加热。具体地，第二材料打印头5对每个连接位置孔22填充第二材料23，并在靠近第二材料打印头5的一端形成一凹陷位置24。
进而反复循环步骤S40至步骤S60，直至三维物体2打印结束。
本实施例三维打印机的打印方法在所打印的三维物体2内部成型层21之间嵌入有增强结构，有效避免了三维物体2的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体2在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体2各成型层21之间的连接强度，提高了打印三维物体2的整体强度。
三维物体实施例：
应用上述三维打印机实施例和三维打印机的打印方法实施例打印获得，本实施三维物体2包括成型层21和增强结构23，该增强结构23位于三维物体21的内部，并且增强结构23至少连接着两层成型层21，有效避免了三维物体2的层与层之间容易分层的现象，增强了三维物体2在垂直方向上强度，从而提高了打印三维物体2各成型层21之间的连接强度，提高了打印三维物体2的整体强度。
以上实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。
Claims (10)
1.三维打印机，包括：
打印平台，用于承载三维物体；
其特征在于，所述三维打印机还包括：
第一材料打印头，用于挤出第一材料在所述打印平台上一层一层地打印所述三维物体；
激光打孔器，用于在所述三维物体的成型层上生成连接位置孔，所述连接位置孔在深度方向上至少延伸在相邻两层所述成型层之间，并且所述连接位置孔的深度大于一层所述成型层的厚度；
第二材料打印头，用于对所述连接位置孔填充第二材料；
加热装置，用于加热所述打印平台上的所述第一材料。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：
所述连接位置孔的深度大于两层所述成型层的厚度。
3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于：
所述连接位置孔的深度小于三层所述成型层的厚度。
4.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：
所述第二材料与所述连接位置孔在靠近所述第二材料打印头的一端形成一凹陷位置，所述凹陷位置朝远离所述第二材料打印头方向凹入，所述凹陷位置填充所述第一材料。
5.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：
所述第二材料的粒子直径或粒子长度大于一层所述成型层的厚度。
6.根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：
所述第二材料为碳纤维材料、金属粉末材料、光固化材料、短纤维材料、陶瓷材料中的一种。
7.根据权利要求1至6任一项所述的三维打印机，其特征在于：
所述连接位置孔位于所述三维物体的内部。
8.根据权利要求7所述的三维打印机，其特征在于：
所述连接位置孔的深度方向垂直于所述打印平台。
9.三维打印机的打印方法，其特征在于，三维打印机包括：
打印平台，用于承载三维物体；
第一材料打印头，用于挤出第一材料在所述打印平台上一层一层地打印所述三维物体；
激光打孔器，用于在所述三维物体的成型层上生成连接位置孔，所述连接位置孔在深度方向上至少延伸在相邻两层所述成型层之间，并且所述连接位置孔的深度大于一层所述成型层的厚度；
第二材料打印头，用于对所述连接位置孔填充第二材料；
加热装置，用于加热所述打印平台上的所述第一材料；
所述打印方法包括：
打印三维物体步骤：通过所述第一材料打印头将所述第一材料按照设定的方案在所述打印平台上一层一层地打印所述三维物体；
打孔步骤：通过所述激光打孔器按照设定的方案在所述成型层上生成所述连接位置孔；
打印增强结构步骤：通过所述第二材料打印头按照设定的方案对所述连接位置孔填充所述第二材料，同时所述加热装置对所述打印平台上的所述第一材料加热。
10.三维物体，经过三维打印机打印获得，其特征在于：
所述三维物体包括成型层和增强结构，所述增强结构位于所述三维物体的内部，并且所述增强结构至少连接着两层所述成型层。
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