CN110103460A - 一种织物3d打印设备及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种织物3D打印设备及其加工方法，设备由挤出单元、成型单元和辅助单元组成。首先依靠三维运动装置提供的三维运动令齿轮啮合挤出送料装置使用水溶性刚性分子聚合物丝状耗材在成型平台上制作纺织物品的三维支撑实体，为织物提供初步造型。两个螺杆挤出送料机构分别安装在Z轴导轨两侧的单自由度移动机构上。两螺杆挤出机构同时在Y方向做相反方向运动，在两螺杆挤出机构运动的同时底部成型平台由成型平台运动机构传动做X方向运动。经过多次运动柔性材料熔丝自由下垂可在下方支撑部分上方均匀覆盖多层经纬交错网格状柔性织物。当打印过程结束后，使用温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，上方织物便可直接使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速成型装置，尤其是涉及一种FDM熔融沉积成型3D打印设备及其工作方式。
背景技术
快速成型技术(又称为快速原型制造技术，Rapid Prototyping Manufactu-ring，简称RPM)，又被称作3D打印。该技术根据物体的三维模型数据，通过成型设备以逐层叠加的方式制造实体。
目前，熔融沉积成型(FDM)技术是市场上最常见的3D打印成型技术，但极少以熔融沉积成型技术制品作为最终产品并进行实际应用，尤其是纺织领域。由于熔融沉积成型技术送料方式通常为齿轮-滑轮机构中齿轮与丝状耗材啮合，电机带动输出轴上齿轮旋转送丝进入喷头。柔性材料易变形，在送料机构中由于其刚性不足会发生弯曲情况无法正常送料，故传统FDM技术进料方式难以打印柔性材料，并且柔性材料在打印大幅面制品时因自身柔性导致支撑力不足，易塌陷，难以定型，故目前FDM技术难以在纺织行业发展。
发明内容
本发明针对上述缺点，设计一种装置，该装置共有3个喷头，在Z轴导轨下半部分安装一送料机构使用刚性水溶性聚合物耗材为织物提供下方支撑部分并且为上方织物初步造型。织物通常由经纬织线交错制成，故在Z轴导轨上半部分安装两个螺杆挤出送料机构并在Y方向同时做相反方向运动并且与成型平台X轴方向运动配合联动，成型平台往返运动多次后在支撑部分上方均匀覆盖多层相互垂直交叉的高分子柔性材料线条，织物成型完毕后使用温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，上方织物便可直接使用。
本发明的技术方案是：一种织物3D打印设备，由挤出单元、成型单元和辅助单元构成；所述挤出单元由柔性聚合物颗粒耗材、料槽、螺杆挤出送料装置、水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材和齿轮啮合挤出送料装置组成；所述成型单元由成型平台、三维运动装置、单自由度运动机构和成型平台运动机构组成；所述辅助单元为密闭恒温机箱；柔性聚合物颗粒耗材放置在料槽之中，料槽安装于密闭恒温机箱内上端，料槽下部通过导料管依靠重力输送粒料进入螺杆挤出送料装置；在Z轴导轨上部两侧布置两个单自由度移动机构，两个螺杆挤出送料装置分别安装在两个单自由度移动机构上；三维运动装置固定于密闭恒温机箱底部，其Z向运动最大高度低于Z轴导轨两侧的单自由度运动机构安装位置，齿轮啮合挤出送料装置安装在三维运动装置上；成型平台运动机构安装在密闭恒温机箱内部最下端。
本发明一种织物3D打印设备的挤出单元中齿轮啮合挤出送料装置相对成型平台进行三维运动，使用水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材，在成型平台上沉积堆叠制成下方支撑部分。安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构上的两个螺杆挤出送料装置使用料槽中的柔性聚合物颗粒耗材，通过螺杆熔融塑化挤出熔丝，熔丝通过重力自由下落并覆盖在下方支撑部分上。螺杆挤出送料装置为制作上方柔性织物提供柔性材料线条。
本发明一种织物3D打印设备的成型单元中三维运动装置、单自由度运动机构和成型平台运动机构通过步进电机提供动力。齿轮啮挤出送料装置安装在三维运动装置上，三维运动装置为齿轮啮合挤出送料装置提供三维运动，使齿轮啮合挤出送料装置挤出材料可按照一定轨迹沉积生成三维支撑部分。成型平台安装在成型平台运动机构上，该运动机构为成型平台提供X轴方向运动。螺杆挤出送料装置安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构，该单自由度运动机构为螺杆挤出装置提供Y方向运动，两个螺杆挤出送料机构在Y方向同时做相反方向运动并且与成型平台X轴方向运动配合联动。多次运动后在支撑部分上方均匀覆盖多层经纬线相互垂直交叉的高分子柔性材料线条。两螺杆挤出机构同时反方向工作可使每一层中都有经纬线交叉柔性线条结构，且其同层经纬线交织黏连为一体，有助于提高制品强度。
本发明一种织物3D打印设备的辅助单元包括密闭恒温机箱。密闭恒温机箱内部具有调整内部温度功能的温控系统和加热部件。用于纺织的螺杆挤出装置安装在用于打印支撑部分的齿轮啮合挤出送料装置上方，螺杆挤出装置与成型平台有一定的竖直方向距离。密闭恒温机箱可避免螺杆挤出装置挤出的丝状柔性材料因设备附近气流扰动而没有落在设定路线上，造成成型失败；密闭恒温机箱内温度高于室温，密闭恒温机箱内温度和湿度都设有相应的装置进行控制，即能保证熔融柔性材料打印成丝后顺利固化，又有助于同层经纬线交叉柔性线条粘结为一体，提高制品强度。
本发明一种织物3D打印设备的工作过程是：首先依靠运动装置提供的三维运动使得齿轮啮合挤出送料装置将水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材在成型平台上打印制作纺织物品的三维支撑实体；三维支撑实体打印完成后，两个螺杆挤出机构同时在Y方向做相反方向运动，在两螺杆挤出机构运动的同时底部成型平台由一个成型平台运动机构传动做X方向运动，两螺杆挤出机构按照设定的路径打印细丝，细丝呈经纬线排列；经过多次运动柔性材料熔丝自由下垂可在下方支撑部分上方均匀覆盖多层经纬交错网格状柔性织物；最后当打印过程结束后，使用温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，上方织物便可直接使用。
本发明运用三喷头结构，结合了3D打印刚性水溶性材料与柔性材料的优点，即刚性材料制品有稳定的外形尺寸易于作为支撑材料为织物定型，水溶性支撑材料可在制品制备完毕后通过温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，便于去除支撑；柔性材料具有一定柔性和一定限度的形变较适合作为织物材料。该设备使用Z轴导轨下半部分一个齿轮啮合挤出送料装置挤出刚性水溶性高分子聚合物丝状耗材，通过三维运动装置成型支撑部分。使用Z轴导轨上半部分安装的两个螺杆挤出装置，利用两个螺杆挤出装置同时在Y轴方向分别向相反方向运动与成型平台的X轴运动联动，多次运动后在支撑部分上表面垂直交叉覆盖柔性材料熔丝。实现直接快速成型织物的设备功能。
附图说明
图1是本发明涉及的一种织物3D打印设备的结构示意图。
图中：1-成型平台；2-成型平台运动机构；3-齿轮啮合挤出送料装置；4-水溶性刚性聚合物丝状耗材；5-料槽；6-柔性聚合物颗粒耗材；7-螺杆挤出送料装置；8-单自由度运动机构；9-三维运动装置；10-密闭恒温机箱。
具体实施方式
本发明提供了一种织物3D打印设备，如图1所示，由挤出单元、成型单元和辅助单元构成；所述的挤出单元包括柔性聚合物颗粒耗材6、料槽5、水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材4、螺杆挤出送料装置7和齿轮啮合挤出送料装置3；所述的成型单元包括成型平台1、三维运动装置9、成型平台运动机构2和单自由度移动机构8；其中辅助单元主要包括密闭恒温机箱10，密闭恒温机箱10自设有温度和湿度调控装置，为打印提供所需的环境。
柔性聚合物颗粒耗材6放置在料槽5之中，料槽5安装于密闭恒温机箱10内上端，料槽5下部通过导料管依靠重力输送粒料进入螺杆挤出送料装置7。两个螺杆挤出送料装置7都由料槽5供料，在Z轴导轨上部两侧布置两个单自由度移动机构8，两个螺杆挤出送料装置7分别安装在两个单自由度移动机构8上。三维运动装置9固定于密闭恒温机箱10底部，其Z向运动最大高度低于Z轴导轨两侧的单自由度运动机构安装位置，齿轮啮合挤出送料装置安装在三维运动装置上。成型平台运动机构2安装在密闭恒温机箱内部最下端。
本发明一种织物3D打印设备，挤出单元中齿轮啮合挤出送料装置7相对成型平台进行二维运动，成型平台1可以完成一维运动，即，使用水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材4，在成型平台1上沉积堆叠制成下方支撑部分。安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构8上的两个螺杆挤出送料装置7使用料槽6中的柔性聚合物颗粒耗材5，通过螺杆熔融塑化挤出熔丝，熔丝通过重力自由下落并覆盖在下方支撑部分上。螺杆挤出送料装置7为制作上方柔性织物提供柔性材料线条。
本发明一种织物3D打印设备的成型单元中三维运动装置9、单自由度运动机构8和成型平台运动机构2通过步进电机提供动力。齿轮啮合挤出送料装置3安装在三维运动装置9上，三维运动装置9为齿轮啮合挤出送料装置3提供三维运动，使齿轮啮合挤出送料装置3挤出材料可按照一定轨迹沉积生成三维支撑部分。成型平台1安装在成型平台运动机构2上，该运动机构为成型平台1提供X轴方向运动。螺杆挤出送料装置7安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构8，该单自由度运动机构8为螺杆挤出送料装置7提供Y方向运动，两个螺杆挤出送料装置7在Y方向同时做相反方向运动并且与成型平台X轴方向运动配合联动。多次运动后在支撑部分上方均匀覆盖多层经纬线相互垂直交叉的高分子柔性材料线条。螺杆挤出送料装置7同时反方向工作可使每一层中都有经纬线交叉柔性线条结构，且其同层经纬线交织黏连为一体，有助于提高制品强度。
本发明一种织物3D打印设备的辅助单元包括密闭恒温机箱10。密闭恒温机箱10内部具有调整内部温度功能的温控系统和加热部件。用于纺织的螺杆挤出装置安装在用于打印支撑部分的齿轮啮合挤出送料装置3上方，螺杆挤出送料装置7与成型平台1有一定的竖直方向距离。密闭恒温机箱10可避免螺杆挤出送料装置7挤出的丝状柔性材料因设备附近气流扰动而没有落在设定路线上，造成成型失败；密闭恒温机箱10内温度高于室温，密闭恒温机箱10内温度和湿度都设有相应的装置进行控制，即能保证熔柔性材料打印成丝后顺利固化，又有助于同层经纬线交叉柔性线条粘结为一体，提高制品强度。
本发明一种织物3D打印设备的工作过程是首先依靠三维运动装置9提供的三维运动令齿轮啮合挤出送料装置3使用水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材4在成型平台1上制作纺织物品的三维支撑实体。两个相同的同步带与同步轮单自由度移动机构8安装在Z轴导轨偏上位置的两侧，两个螺杆挤出送料机构7分别安装在Z轴导轨两侧的同步带与同步轮单自由度移动机构8上。然后两个螺杆挤出机构7同时在Y方向做相反方向运动，在两螺杆挤出机构7运动的同时底部成型平台1由成型平台运动机构传动做X方向运动。两螺杆挤出机构7的相互反向运动与成型平台1的联动可使挤出熔丝堆叠呈现出经纬交错栅格结构。将整套装置放入密闭恒温机箱10中，避免螺杆挤出装置7挤出的丝状柔性材料因设备附近气流扰动而没有落在设定路线上，造成成型失败；有助于同层经纬线交叉柔性线条粘结为一体，提高制品强度。如此经过多次运动可在下方支撑部分上方均匀覆盖多层经纬交错网格状柔性织物。最后当打印过程结束后，从成型平台1上取下制品，并使用温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，上方织物便可直接使用。
Claims (6)
1.一种织物3D打印设备，其特征在于：由挤出单元、成型单元和辅助单元构成；所述挤出单元由柔性聚合物颗粒耗材、料槽、螺杆挤出送料装置、水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材和齿轮啮合挤出送料装置组成；所述成型单元由成型平台、三维运动装置、单自由度运动机构和成型平台运动机构组成；所述辅助单元为密闭恒温机箱；柔性聚合物颗粒耗材放置在料槽之中，料槽安装于密闭恒温机箱内上端，料槽下部通过导料管依靠重力输送粒料进入螺杆挤出送料装置；在Z轴导轨上部两侧布置两个单自由度移动机构，两个螺杆挤出送料装置分别安装在两个单自由度移动机构上；三维运动装置固定于密闭恒温机箱底部，其Z向运动最大高度低于Z轴导轨两侧的单自由度运动机构安装位置，齿轮啮合挤出送料装置安装在三维运动装置上；成型平台运动机构安装在密闭恒温机箱内部最下端。
2.根据权利要求1所述的一种织物3D打印设备，其特征在于：挤出单元中齿轮啮合挤出送料装置相对成型平台进行三维运动，使用水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材，在成型平台上沉积堆叠制成下方支撑部分。
3.根据权利要求1所述的一种织物3D打印设备，其特征在于：安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构上的两个螺杆挤出送料装置使用料槽中的柔性聚合物颗粒耗材，通过螺杆熔融塑化挤出熔丝，熔丝通过重力自由下落并覆盖在下方支撑部分上；螺杆挤出送料装置为制作上方柔性织物提供柔性材料线条。
4.根据权利要求1所述的一种织物3D打印设备，其特征在于：成型单元中三维运动装置、单自由度运动机构和成型平台运动机构通过步进电机提供动力，齿轮啮挤出送料装置安装在三维运动装置上，三维运动装置为齿轮啮合挤出送料装置提供三维运动，使齿轮啮合挤出送料装置挤出材料可按照一定轨迹沉积生成三维支撑部分；成型平台安装在成型平台运动机构上，该运动机构为成型平台提供X轴方向运动；螺杆挤出送料装置安装在Z轴导轨两侧单自由度移动机构；该单自由度运动机构为螺杆挤出装置提供Y方向运动，两个螺杆挤出送料机构在Y方向同时做相反方向运动并且与成型平台X轴方向运动配合联动；多次运动后在支撑部分上方均匀覆盖多层经纬线相互垂直交叉的高分子柔性材料线条；两螺杆挤出机构同时反方向工作可使每一层中都有经纬线交叉柔性线条结构，且其同层经纬线交织黏连为一体。
5.根据权利要求1所述的一种织物3D打印设备，其特征在于：辅助单元包括密闭恒温机箱，密闭恒温机箱内部具有调整内部温度功能的温控系统和加热部件；用于纺织的螺杆挤出装置安装在用于打印支撑部分的齿轮啮合挤出送料装置上方，螺杆挤出装置与成型平台有一定的竖直方向距离；密闭恒温机箱内温度高于室温，密闭恒温机箱内温度和湿度都设有相应的装置进行控制。
6.采用权利要求1所述的一种织物3D打印设备进行加工的方法，其特征在于：首先依靠运动装置提供的三维运动使得齿轮啮合挤出送料装置将水溶性刚性高分子聚合物丝状耗材在成型平台上打印制作纺织物品的三维支撑实体；三维支撑实体打印完成后，两个螺杆挤出机构同时在Y方向做相反方向运动，在两螺杆挤出机构运动的同时底部成型平台由一个成型平台运动机构传动做X方向运动，两螺杆挤出机构按照设定的路径打印细丝，细丝呈经纬线排列；经过多次运动柔性材料熔丝自由下垂可在下方支撑部分上方均匀覆盖多层经纬交错网格状柔性织物；最后当打印过程结束后，使用温水冲洗制品，水溶性支撑耗材溶于水中，上方织物便可直接使用。
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