CN110884114A - 阵列式3d打印机及其打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阵列式3D打印机及其打印方法，解决当前FDM型3D打印机打印效率低、速度慢的问题。包括一组Y轴主运动轨道，其上安装有多个子运动架，每个子运动架上安装有一组X轴运动轨道以及可在X轴运动轨道上独立运动的多组Y轴子运动轨道，每组Y轴子运动轨道上安装有一组喷头组件。本发明通过将单行多喷头打印结构扩展为阵列式打印结构，使得打印机中可以容纳的喷头组件数量提升数倍，并提供相应的打印方法，使大尺寸及超大尺寸打印机打印效率得到极大提高，从而使得大尺寸及超大尺寸打印机具备了较高的商用价值。

Description

阵列式3D打印机及其打印方法
技术领域
本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种阵列式3D打印机及其打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。
FDM打印机是通过将打印耗材熔融并挤成丝状后，由点到线再到面慢慢堆叠沉积成型的，因此和面成型工艺的3D打印技术相比，其打印效率较低，特别是打印较大尺寸的模型时，时常需要数十小时才能完成，因此这就限制了该项技术应用于大尺寸打印机上。目前常见的提高打印效率的方法是增加单层层厚，而增加层厚后会导致打印精度变低，使得模型表面变得粗糙。因此通过简单增加层厚来提高效率并不是理想选择。因为打印效率较低，导致大尺寸及超大尺寸打印机的时间成本非常高，因此这类打印机的商用价值不高，无法大规模推广普及。
为解决此技术问题，本申请人在申请号为201810756152.2的发明专利申请《多喷头3D打印机》以及申请号为201810893948.2的发明专利申请《多喷头3D打印机并行打印的方法》中提出采用并行打印的方法提高打印效率的方案。该方案采用多喷头并行打印，相较于目前的单喷头组件打印机其打印效率得到很大提升。但因为该方案采用的是单行多喷头结构，因此受限于各喷头组件及对应运动结构的物理尺寸，打印机中能够容纳的喷头组件数并不多，对于超大尺寸打印机，该方案依然需要较长时间才能完成打印任务。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种阵列式3D打印机，通过采用阵列式的喷头组件结构，使得打印机可以容纳的喷头组件数量大幅提升,同时提供了该结构并行打印的打印方法，使得喷头组件阵列的打印产能得到充分利用，极大地提高了大尺寸3D打印的效率。
需要说明的是，以下叙述中所提到的基于X、Y、Z轴的方向性描述，是为叙述方便，避免产生歧意，基于实施例中的阵列式打印机结构而言，并非限定具体实施时一定要按该坐标系定义才能实施。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
提出一种阵列式3D打印机，包括运动机构、喷头组件及打印平台，运动机构中包含一组Y轴主运动轨道，其上安装有K个子运动架，每个子运动架上安装有一组X轴运动轨道以及可在X轴运动轨道上独立运动的T组Y轴子运动轨道，每组Y轴子运动轨道上安装有一组喷头组件，所述K≥2且K为整数，所述T≥2且T为整数。
打印机中包含K个子运动架，每个子运动架中包含T个沿X轴方向排列并可独立运动的喷头组件，因此就构成了包含K×T个喷头组件的阵列式3D打印机。
优选的，所述打印平台为固定式结构，所述Y轴主运动轨道安装在主运动架上，主运动架安装在Z轴导轨上，可由Z轴运动机构驱动其做Z向运动。打印机结构采用打印平台固定，喷头组件执行X、Y、Z三向运动的结构形式。
优选的，所述打印机还包括保温腔体，通过腔体内部循环加热，达到模型材料要求的成型温度。当腔体温度较高时，会超过丝杆、导轨、电机等运动机构的温度极限，因此为了让打印机可以可靠工作，只将打印平台置于保温腔体内部，喷头组件的喷嘴部分穿过保温腔体顶部的保温层伸入到保温腔体内部进行打印，运动机构以及喷头组件中的挤丝机构等其他部件均置于保温腔体外部。
优选的，所述保温腔体采用可变空间的保温腔体结构。所谓的可变空间是指腔体空间可以随打印机的Z轴运动而发生变化。
优选的， K个子运动架均可在Y轴主运动轨道上独立运动，使得每个子运动架的打印区域可以通过软件灵活定义，从而提高整体打印效率。
优选的， K个子运动架也可以为联动结构，相邻子运动架之间保持固定的距离，运动时各子运动架作为一个整体，一起沿Y轴主运动轨道运动，这种结构相较于各子运动架独立运动的结构，牺牲了一定的效率，但由于只需要一组驱动机构，因而使得打印机整体结构得到简化。
上述打印机结构是在本申请人提交的申请号为201810756152.2的发明专利申请《多喷头3D打印机》基础上进一步优化升级而来，将原来单行多喷头打印结构扩展为阵列式打印结构，其中的每个子运动架都可以看成一个单行多喷头打印结构。
提出一种阵列式3D打印机的打印方法，包括：
将模型切片后的截面整体分割成沿Y轴方向排列的H行，每行区域进一步划分出沿Y轴方向排列的前后两个子行，所述H≤K且H为正整数；
将每一子行划分出若干分区，每子行的分区数为小于等于T的正整数；
选取H个子运动架，每行区域对应一个子运动架，打印时各子运动架上的喷头组件先打印同一侧子行，完成后再同步切换到另一侧子行进行打印；
在每个子运动架上选取与该子运动架将要打印的子行中分区数相同的喷头组件数量，每个分区由一个喷头组件负责打印。
上述打印方法的基本思路是先将整个打印截面划分出H行，再将每一行划分出前后两个子行，由一个子运动架负责其中一行的打印。将每一行划分出前后两个子行并由同一个子运动架交替打印两个子行是为了保证多个子运动架在打印时不会出现干涉。
优选的，所述行数量H满足Wmin≥d，其中Wmin为除了两端的两行以外的其他所有行宽度中的最小值，所述d为相邻子运动架相距最近时两个子运动架各自相同位置之间的距离，也即d是单个子运动架的宽度加上两个相邻子运动架之间的最小间隔宽度。保证处于中间的所有行宽度大于等于d是为了让子运动架有足够空间可以排开，如果无法完全排开，势必会出现交替打印的状态，导致整体的打印效率降低。
优选的，所述截面整体划分行、子行以及子行内分区的方法是采用计算各分区的预估打印时间或相对打印时间，来计算并确定总打印时间最少的划分方式。这里所说的总打印时间最少是基于采用的分区方法而言，是指在该分区方法下的理论最优解。实际应用中往往会基于计算平台的计算能力，选择合适的分区方法，所选的方法通常无法计算出绝对意义上的最优解，而只是尽可能去逼近最优解。操作中常以最优解为目标，设置允许的最大偏差，当小于最大允许偏差时，就认为已经实现最优解了。
阵列式3D打印机的子运动架可以设计为独立运动式和联动式两种形式，对于独立运动式结构，可以根据截面的情况划分各行以及其中子行的宽度，使得可以调用最多的子运动架参与打印，并且各行的打印时间尽可能接近，使得整体打印效率最高。而对于联动式结构，由于各子行之间的间距是固定的，因此行宽度也为固定值，这种情况下，可以通过调整分行的位置以及子行宽度，使得打印同一侧子行的打印时间尽可能接近，从而使整体打印时间在当前条件下最短。
优选的，因为打印过程中将每层截面划分成若干行，其中又分出子行，子行中还有若干打印分区，因而形成了大量的分区分界线，通常分区搭接处的力学性能会明显弱于分区内部。为了使最终打印出的模型能达到需要的力学强度，可采用以下两个方法：一是将分区分界线规划为曲线或折线，使得单层内各分区形成交叉嵌套；二是使相邻打印层之间的分区分界线不在垂直方向投影面上重合，不同层之间的分区分界线相互错开，使得搭接处不集中，因此每一处的力学强度也就不会明显下降。上述两个方法都可以提高搭接处的力学强度，如一起使用则效果更佳。
本发明是基于本申请人的两个发明专利申请提出的进一步的优化升级方案，通过将单行多喷头打印结构扩展为阵列式打印结构，使得打印机中可以容纳的喷头组件数量提升数倍，并且因为是阵列式结构，可以将每个喷头组件的打印范围设计得很小，采用尽可能多的喷头组件并行打印，使大尺寸及超大尺寸打印机打印效率得到极大提高，从而使大尺寸及超大尺寸打印机具备了较高的商用价值。
附图说明
图1为阵列式3D打印机XY轴运动机构的结构示意图。
图2为阵列式3D打印机实施例侧视图。
图3为打印截面分区示意图。
图4为分区分界线样式示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明阵列式3D打印机及其打印方法做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。
图1展示的是阵列式3D打印机XY轴运动机构的结构示意图，XY轴运动机构中包含一组Y轴主运动轨道11，其上安装有10个子运动架12，每个子运动架上安装有一组X轴运动轨道13以及可在X轴运动轨道13上独立运动的6组Y轴子运动轨道14，每组Y轴子运动轨道14上安装有一组喷头组件15。
实施例中一共包含60个喷头组件，假设该打印机的打印面积为2.4m×4m，平均分区时每个喷头组件负责打印的区域为400mm×400mm，与目前主流的工业FDM打印机尺寸相当。由于最多可以同时调用60个喷头组件同时工作，该打印机的产能最高可以达到普通单喷头打印机的60倍。
以最大打印高度为1.2m来计算，该打印机满尺寸打印时最大体积为11.52m3，如果按塑料密度为1.5g/cm3计算的话，全平台满尺寸打印的极限重量达到17.28吨。常见的打印平台作Z轴运动的结构，如果要实现在重载大平面条件下，保证极高的平面度及运动精度，设计制造难度极大，因此这种结构并不适合用在大尺寸打印机上。如图2所示，本实施例中采用打印平台23固定安装的结构，XY轴运动机构安装在主运动架21上，并通过Z轴运动机构22驱动主运动架21作Z向运动。
为了保证模型可以有合适的成型温度，打印机中还设置有保温腔体24，打印平台23安装在保温腔体24内部，运动机构以及喷头组件15中的挤丝机构等均安装于保温腔体外部，喷头组件15中的喷嘴部分穿过保温腔体24顶部的保温层伸入到保温腔体内部进行打印。
因为本实施例采用固定式打印平台结构，传统的保温腔体较难满足上述要求，所以本实施例中采用可变空间的保温腔体结构。采用可变空间的保温腔体有两点好处，一是这样可以使保温腔体空间在开始打印时较小，随着打印模型高度的增加，腔体空间也随之增大，对于大尺寸及超大尺寸打印机来说，这样可以减少腔体预热时间，提高加热效率；二是对于固定式平台的结构而言，腔体高度可变可以使打印机整体结构得到简化。本申请人在申请号为201810599282X的发明专利申请《可变空间的保温腔体结构及应用该结构的3D打印机》中对该腔体结构有详细阐述。
本实施例中，10个子运动架12可以设计成两种结构：
一种结构是10个子运动架12由10组驱动机构分别驱动，这样每个子运动架12均可独立运动，这种结构优势在于子运动架12之间的距离不是固定值，这样在进行分行时，就具有更高的灵活性，可以根据具体的打印截面划分出最优的行宽度，使打印机可以发挥最高的打印效率；但缺点在于这种结构需要配备独立的驱动机构，结构复杂。
另一种结构则与之相反，10个子运动架12通过连杆等结构连接在一起，组成联动结构，这样就只需要1组驱动机构就可以同时驱动10个子运动架，由于是联动结构，子运动架12之间的间距就由打印机结构固定下来，因此打印时行宽就成了常数，只能通过调整分行位置以及每行中的两个子行宽度进行适当的打印优化。
从上述描述可以发现，本实施例是将原来的单行多喷头打印机进一步扩展成阵列式打印机，使得打印机能够容纳的喷头数量可以增加数倍乃至数十倍，使得大型和超大型打印机的打印效率得到极大的提升。
基于上述阵列式3D打印机结构，本发明提供了对应的打印方法，具体实施方法及要点如下：
将模型切片后的截面整体分割成沿Y轴方向排列的H行，每行区域进一步划分出沿Y轴方向排列的前后两个子行，所述H≤10且H为正整数；
将每一子行划分出若干分区，每子行的分区数为小于等于6的正整数；
选取H个子运动架，每行区域对应一个子运动架，打印时各子运动架上的喷头组件先打印同一侧子行，完成后再同步切换到另一侧子行进行打印；
在每个子运动架上选取与该子运动架将要打印的子行中分区数相同的喷头组件数量，每个分区由一个喷头组件负责打印。
如图3所示，首先将截面分行，然后再将每一行划分出前后两个子行，图中无填充区域为各行的前子行，斜线填充为各行的后子行。以第1行L1为例，其划分出前子行L11以及后子行L12，进一步的，前子行L11再划分出P111、P112、P113以及P114四个分区。图中W是指第1行L1的宽度。
理论上分的行数越多，则可以调用的子运动架就越多，用于并行打印的喷头组件数量也就越多，因而打印效率会越高。但实际操作中还需要考虑子运动架的宽度，在打印截面较小时，如果划分的行数过多，会导致单行的宽度很小，这样子运动架就没有足够空间可以排开，而如果无法完全排开，势必会出现交替打印的状态，导致整体的打印效率降低。
因而，分行时需要控制行数量H，使得满足Wmin≥d，其中Wmin为除了两端的两行以外的其他所有行宽度中的最小值，所述d为相邻子运动架相距最近时两个子运动架各自相同位置之间的距离，也即d是单个子运动架的宽度加上两个相邻子运动架之间的最小间隔宽度。两端的两行之所以不作宽度限制，是因为他们都有一侧是开放的，因此不存在排不开的问题。
划分行、子行以及子行内分区最简单的办法就是按照行宽度平均划分，但这种划分方式的缺陷在于，对于不同的截面形状和打印参数（如填充密度、打印速度、丝宽等）打印相同宽度的行或子行所需的时间并不相同，这样划分后并行打印很可能会出现其中某些行很快就打印完成，对应的子运动架出现产能闲置，而其余行需要较长时间打印的情况，这样就降低了打印效率。
本实施例中通过计算预估打印时间来找到最优的划分行或子行的方法，按照使得所有前子行预估打印时间中的最小值与后子行预估打印时间中的最小值之和最小的基本划分原则，在满足子运动架能排开的前提下，划分的行数尽可能多，并且各行或同侧子行的预估打印时间要尽可能接近。实际操作中可以依上述基本原则，通过二分法有针对性的进行枚举计算，逐次逼近最优解。
对于子运动架采用独立运动结构的打印机，可以根据实际情况来划分行、子行以及子行中的各分区，使打印效率最大化，而对于联动结构的打印机，行宽度由于被打印机结构限住无法改变，此时可以通过该方法找到最佳的分行位置以及子行、子行内分区的划分方法。
在本申请人提交的申请号为201810893948.2的发明专利申请中，提供了预估打印时间及相对打印时间的详细计算方法，同时由于该专利申请中记载的单行多喷头并行打印的方法可以直接应用于阵列3D打印机中各子行内的打印，因此本专利中不再对子行内的分区和打印方法进行重复阐述。
为了解决各分区搭接处的力学性能下降的问题，本实施例中采用将分区分界线规划为曲线或折线，使得单层内各分区形成交叉嵌套，嵌套深度越深，就可以使得搭接处的力学性能下降越少，图4给出了四种分界线样式。同时再使相邻打印层之间的分区分界线不在垂直方向投影面上重合，不同层之间的分区分界线相互错开，这样就将搭接处分散开来，因此每一处的力学强度也就不会明显下降。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.阵列式3D打印机，包括运动机构、喷头组件及打印平台，其特征在于，运动机构中包含一组Y轴主运动轨道，其上安装有K个子运动架，每个子运动架上安装有一组X轴运动轨道以及可在X轴运动轨道上独立运动的T组Y轴子运动轨道，每组Y轴子运动轨道上安装有一组喷头组件，所述K≥2且K为整数，所述T≥2且T为整数。
2.如权利要求1所述的阵列式3D打印机，其特征在于，所述打印平台为固定式结构，所述Y轴主运动轨道安装在主运动架上，主运动架安装在Z轴导轨上，可由Z轴运动机构驱动其做Z向运动。
3.如权利要求1或2所述的阵列式3D打印机，其特征在于，所述打印机还包括保温腔体，所述运动机构以及喷头组件中的挤丝机构置于保温腔体外部，所述打印平台及喷头组件的喷嘴部分置于保温腔体内部。
4.如权利要求3所述的阵列式3D打印机，其特征在于，所述保温腔体采用可变空间的保温腔体结构。
5.如权利要求1或2所述的阵列式3D打印机，其特征在于，K个子运动架均可独立运动。
6.如权利要求1或2所述的阵列式3D打印机，其特征在于，K个子运动架为联动结构。
7.阵列式3D打印机的打印方法，其特征在于，包括：
将模型切片后的截面整体分割成沿Y轴方向排列的H行，每行区域进一步划分出沿Y轴方向排列的前后两个子行，所述H≤K且H为正整数；
将每一子行划分出若干分区，每子行的分区数为小于等于T的正整数；
选取H个子运动架，每行区域对应一个子运动架，打印时各子运动架上的喷头组件先打印同一侧子行，完成后再同步切换到另一侧子行进行打印；
在每个子运动架上选取与该子运动架将要打印的子行中分区数相同的喷头组件数量，每个分区由一个喷头组件负责打印。
8.如权利要求7所述的阵列式3D打印机的打印方法，其特征在于，所述行数量H满足Wmin≥d。
9.如权利要求8所述的阵列式3D打印机的打印方法，其特征在于，所述截面整体划分行、子行以及子行内分区的方法是采用计算各区域的预估打印时间或相对打印时间，来计算并确定总打印时间最少的划分方式。
10.如权利要求8或9所述的阵列式3D打印机的打印方法，其特征在于，满足下述两种情形中的至少一种：
所述分区分界线为曲线或折线；
相邻打印层之间的分区分界线不在垂直方向投影面上重合。
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