CN111037916A - 一种非平面热床的增材制造成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种非平面热床的增材制造成形方法，涉及3D打印的控制领域，其包括以下主要步骤：打印头与热床加热启动；设置拼接式或连续式打印参数，在第一工位开始打印杆梁结构单元；如果打印方式为拼接式打印，则后续步骤为从热床脱离杆梁结构单元，并移动至拼接打印工位，再拼接杆梁结构单元；如果打印方式为连续式打印，则后续步骤为移动杆梁结构单元至连续打印工位。本非平面热床的增材制造成形方法，适用于不同形状、不同尺寸杆梁结构的成形，可有效减少增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题，实现拼接式杆梁结构单元或连续式杆梁结构单元的制备。

Description

一种非平面热床的增材制造成形方法
技术领域
本发明涉及增材制造(3D打印)技术领域，具体涉及一种非平面热床增材制造成形方法。
背景技术
增材制造技术(即3D打印)是基于离散-堆积原理，结合数控与软件系统，通过逐层堆积方式，将数字化模型转化为实体物品的制造技术，包括熔融沉积技术、选区激光烧结技术、选择性激光熔化技术、立体光固化成形法和分层实体制造法等。
以熔融沉积技术(FDM-fused deposition modeling)为例，FDM技术的打印过程是利用加热的3D打印喷头熔融固相材料，打印喷头根据成形模型的打印路径运动，将熔融体涂覆在平面工作台上，实现层状堆积，最终形成产品。然而，对于刚打印成形的熔融层积部位，表层冷却速度过快，与新的打印层面的层间温差大，粘性下降，造成打印制品的翘曲、弯曲、开裂等问题。因此，现有FDM设备是以平面热床为工作台面，在制备大尺寸管体器件时，靠近平面热床的熔融层积层可有效避免翘曲、弯曲、开裂等问题；但是，随着管体高度的增加，熔融层积面与热床的距离加大，翘曲、弯曲、开裂等问题将尤为突出，导致FDM管体器件成品率低。
针对上述技术缺陷，现有解决方式包括提高平面热床温度，构建立体结构的保温腔体，在打印头设计温度场辅热等。但据前期资料查阅与文献报道，目前还没有一种简便、经济的非平面热床技术，以实现3D打印区域温度的有效控制，避免管体打印制品的翘曲、弯曲、开裂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：突破传统的平面热床、保温腔体的约束，利用管腔非平面热床，为3D打印机提供一种避免制品翘曲、弯曲、开裂的非平面工作面和有效温控的成形方法。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种非平面热床的增材制造成形方法，具体技术方案如下。
本发明的技术方案是一种非平面热床的增材制造成形方法，包括以下步骤：
打印头与热床加热启动；
设置拼接式打印或连续式打印参数，在第一工位开始打印杆梁结构单元；
如果打印方式为拼接式打印，则打印完杆梁结构单元后，从热床脱离杆梁结构单元，并移动至第二工位，拼接杆梁结构单元；如果打印方式为连续式打印，则打印完杆梁结构单元后，移动杆梁结构单元至第二工位，后续杆梁结构单元在拼接工位连续打印；
重复前两步骤，直至所有杆梁结构单元打印完毕，完成设置数量杆梁结构单元打印。
本非平面热床的增材制造成形方法，适用于不同形状、不同尺寸杆梁结构的成形，可有效减少由于增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题，实现拼接式杆梁结构或连续式杆梁结构的制备。
作为本发明的一种改进，热床在打印过程中保持旋转运动；
进一步地，杆梁结构单元在打印过程中一直受热均匀；
进一步地，杆梁结构单元连续制造；
进一步地，文中所述工位包括第一工位和第二工位，
所述其中第一工位包括：
打印头运动模块，用于控制打印头的运动速度和方向；
旋转运动模块，用于于控制非平面热床以平行于X轴的平行线为轴心，绕轴心的旋转运动，包括顺时针匀速旋转，顺时针变速旋转，逆时针匀速旋转，逆时针变速旋转，顺/逆时针混合方向旋转，顺/逆时针混合方向变速旋转中的一种或者几种；
辅热系统模块，用于监控打印头和非平面热床的温度；
分离夹持模块，用于控制夹具的运动；
说述第二工位包括：
拼接打印模块，用于杆梁结构单元的拼接打印功能，包括拼接温度，拼接打印位置和运动方向；
连续打印模块，用于杆梁结构单元的连续打印功能，包括温度调控和连续打印位置的定位。
进一步地，所述杆梁结构单元为管体结构。
进一步地，所述管体结构包括无缝管体结构、有缝管体结构中的一种或者两种。
进一步地，所述管体结构的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
有益效果在于：
针对增材制造技术制备大型的3D打印管体，在逐层堆积过程中，容易在管体的头尾两段产生大的温度差，从而导致管体出现翘曲、弯曲、开裂等问题。
本发明所采用的非平面热床不同于传统的平面热床，变平面为曲面，通过多个控制模块的协同与联动，有三大作用：
(1)可实现非平面热床温度的精确控制，依据增材制造的层积物料需求量，择适合的旋转施工温度，解决管体结构的翘曲、弯曲、开裂等问题。
(2)非平面热床可以增加热交换接触面积，采用增材制造方式制备大型管件时，有利于热的传递和管控，消除3D打印件残余应力。
(3)非平面热床增材制造成形方法可实现不同形状、不同尺寸管体结构的拼接制备或连续制备。
附图说明
图1为一种非平面热床拼接增材制造成形方法流程图；
图2为利用本发明中的拼接式打印方法，使用聚乳酸(PLA)材料打印得到的产品；
图3为利用本发明中的连续式打印方法，使用聚醚醚酮(PEEK)材料打印得到的产品。
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述。
请参考图1，一种非平面热床的增材制造成形方法，包括以下步骤：
S1、打印头与热床加热处理，热床在打印过程中保持旋转运动，该非平面热床以确保杆梁结构单元在打印过程中的均匀受热；
S2、设置拼接式打印或连续式打印参数，在第一工位开始打印杆梁结构单元。具体地，杆梁结构单元为管体结构，管体结构包括无缝管体结构、有缝管体结构中的一种或者两种，管体结构的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种；
S3、如果打印方式为拼接式打印，则打印完杆梁结构单元后，从热床脱离杆梁结构单元，并移动至第二工位，拼接杆梁结构单元；如果打印方式为连续式打印，则打印完杆梁结构单元后，移动杆梁结构单元至第二工位，后续杆梁结构单元在拼接工位连续打印；
具体地，第一工位包括：打印头运动模块，用于控制打印头的运动速度和方向；旋转运动模块，用于于控制非平面热床以平行于X轴的平行线为轴心，绕轴心的旋转运动，包括顺时针匀速旋转，顺时针变速旋转，逆时针匀速旋转，逆时针变速旋转，顺/逆时针混合方向旋转，顺/逆时针混合方向变速旋转中的一种或者几种；辅热系统模块，用于监控打印头和非平面热床的控温区间；分离夹持模块，用于控制夹具的运动；第二工位包括：拼接打印模块，用于杆梁结构单元的拼接打印功能，包括拼接温度，拼接打印位置和运动方向；连续打印模块，用于杆梁结构单元的连续打印功能，包括温度调控和连续打印位置的定位。
S4、重复前两步骤，直至所有杆梁结构单元打印完毕，完成设置数量杆梁结构单元打印。
请参考图2和图3，图2所示为利用本发明方法，使用聚乳酸(PLA)材料打印得到的杆件，杆件通过多节杆梁结构单元拼接而成。图3所示为利用本发明方法，使用聚醚醚酮(PEEK)材料打印得到的杆件，杆件通过连续打印而成。通过非平面热床的加热处理，可以有利于热传递，消除3D打印残余应力。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于包含以下步骤：
1)打印头与非平面热床加热启动；
2)设置拼接式或连续式打印参数，在第一工位开始打印杆梁结构单元；
3)如果打印方式为拼接式打印，则打印完杆梁结构单元后，从热床脱离杆梁结构单元，并移动至第二工位，拼接杆梁结构单元；如果打印方式为连续式打印，则打印完杆梁结构单元后，移动杆梁结构单元至第二工位，后续杆梁结构单元在拼接工位连续打印；
4)重复步骤2与3，直至所有杆梁结构单元打印完毕，完成设置数量杆梁结构单元打印。
2.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于热床在打印过程中保持旋转运动。
3.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于杆梁结构单元在打印过程中维持均匀受热。
4.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于杆梁结构单元连续制造。
5.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于，包括第一工位和第二工位，所述第一工位包括：
打印头运动模块，用于控制打印头的运动速度和方向；
旋转运动模块，用于控制非平面热床以平行于X轴的平行线为轴心，绕轴心的旋转运动，包括顺时针匀速旋转，顺时针变速旋转，逆时针匀速旋转，逆时针变速旋转，顺/逆时针混合方向旋转，顺/逆时针混合方向变速旋转中的一种或者几种；
辅热系统模块，用于监控打印头和非平面热床的温度；
分离夹持模块，用于控制夹具的运动；
所述第二工位包括：
拼接打印模块，用于杆梁结构单元的拼接功能，包括拼接温度，拼接位置和运动方向；
连续打印模块，用于杆梁结构单元的连续打印，包括温度调控和连续打印位置的定位。
6.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于：杆梁结构单元为管体结构。
7.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于：所述管体结构包括无缝管体结构、有缝管体结构中的一种或者两种。
8.根据权利要求1所述非平面热床的增材制造成形方法，其特征在于：所述管体结构的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
9.运用如权利要求1～8所述的方法制备得到的任意长度杆梁结构产品。
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Denomination of invention: A Non planar Hot Bed Additive Manufacturing Forming Method

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Assignor: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2024980012992

Denomination of invention: A Non planar Hot Bed Additive Manufacturing Forming Method

Granted publication date: 20230530

License type: Common License

Record date: 20240903

Application publication date: 20200421

Assignee: Chongqing Three Gorges Construction Group Co.,Ltd.

Assignor: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2024980012983

Denomination of invention: A Non planar Hot Bed Additive Manufacturing Forming Method

Granted publication date: 20230530

License type: Common License

Record date: 20240903

Application publication date: 20200421

Assignee: Chongqing Hechuang Nanotechnology Co.,Ltd.

Assignor: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2024980012971

Denomination of invention: A Non planar Hot Bed Additive Manufacturing Forming Method

Granted publication date: 20230530

License type: Common License

Record date: 20240903

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20200421

Assignee: Chongqing Fulio Electric Co.,Ltd.

Assignor: CHONGQING INSTITUTE OF GREEN AND INTELLIGENT TECHNOLOGY, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Contract record no.: X2024980013689

Denomination of invention: A Non planar Hot Bed Additive Manufacturing Forming Method

Granted publication date: 20230530

License type: Common License

Record date: 20240905