CN111070670B - 一种三维打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印机及打印方法,其中打印机包括机架、控制器、打印平台、供料装置以及打印装置,其打印平台设置在可伸缩的装有水的容器中,其中支撑材料为超疏水性粉末颗粒材料,表面含有多孔硅结构,下部为致密的耐高温丙烯酸树脂共聚物,打印支撑材料在水中会聚集成型实现打印支撑,在离开水后又容易松散分开；另外高温熔融打印成型材料与支撑材料接触部分会产生一个很强的瞬时附着力,当打印结束冷却至室温后,打印成型材料与支撑材料之间的附着力会变小,从而易于打印支撑材料的清除也有利于打印质量改善。

Description

一种三维打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及一种三维打印机及使用方法，具体涉及熔融三维打印机的打印机及打印方法，属于三维打印技术领域。

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(计算机辅助设计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,其主要是将线状丝料通过高温喷嘴,利用连续挤压，将熔融状的材料通过喷嘴出口挤出，然后熔融状材料堆积产生三维物体。

熔融的三维打印中要使打印的质量提升，其打印层之间的温度要控制的非常好。现有技术中的常用温度控制方式是在打印机架周围的设置加热装置或者在打印头附近设置辐射加热装置，这些都不能很好的解决打印层熔接的打印外层边缘的温度保温，而这也直接影响打印成型件的质量。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三维打印机及打印方法，一方面通过打印机的结构改进以解决打印层熔接的保温问题，尤其是打印外层边缘的温度保温问题，此外通过支撑材料的改进一使打印成型件上的支撑材料容易去除。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三维打印机，包括机架、打印平台及供料装置、打印装置，打印装置包括成型材料打印装置和支撑材料打印装置，其特征在于，所述打印平台是固定在筒体底部的且打印平台与筒体围成第一容器，且在第一容器内表面设置多排加热装置。

进一步，所述多排加热装置按不同高度位置设置的第一容器的内表面上的，且每排加热装置由多个串联的电加热棒构成，多排加热装置之间采用并联的方式连接，在每排加热装置与电源的连接导线上加装一个延时控制开关，多个延时控制开关所设定的关闭延时时间设定不同。

进一步，在所述打印平台的下面设置平台加热装置。

进一步，所述容器通过设置在其底部的连通管连接且连通有储水装置，在连通管上固定有泵。

进一步，所述机架包括机座、框架、横向杆及垂直杆，其中横向杆滑动配合在框架上，框架与垂直杆螺纹连接且框架作沿垂直杆轴向的上下移动动作，框架的底部与容器顶部之间连接有多根弹簧，打印装置支撑在横向杆上且打印装置相对横向杆作横向杆轴向滑动动作。

进一步，所述供料装置包括成型材料供应装置、支撑材料供应装置，其中成型材料供应装置包括成型材料盒和转盘轴，成型材料盒套设在转盘轴上且用螺钉将成型材料盒限位在转盘轴上，转盘轴固定在机架上，在成型材料盒上绕制有多圈成型线材，在框架上固定有特氟龙线材导管，成型线材远离成型材料盒的一端穿过特氟龙线材导管后输送给成型材料打印装置；而支撑材料供应装置包括第二容器。

进一步，所述成型材料打印装置包括第一打印头、第一打印驱动电机以及供料轮对，其中供料轮对中的两个供料轮呈左右相对设置且两者之间留有成型材料穿过的间隙，其中一个供料轮由第一打印驱动电机驱动，第一打印头包括加热熔融室、打印喷嘴，加热熔融室底部固定打印喷嘴且两者内部相连通，线材由特氟龙线材导管穿出后进入两个供料轮之间，然后从加热熔融室顶部开设的进料口进入，在加热熔融室内经加热成熔融状态的成型材料，在后续推力的作用下，从固定在加热熔融室底部的打印喷嘴中挤出。

进一步，支撑材料打印装置包括第二打印头、第二打印驱动电机、送料装置，其中送料装置包括接在第二打印头上的柔性送料管、硬管，其中硬管接在第二容器的底部开口处且硬管与第二容器内部相连通，在竖直的硬管内设置送料螺杆，送料螺杆的顶部支撑在固定于硬管上段内的固定架上且送料螺杆相对固定架作旋转动作，固定架上开设有供支撑材料流入硬管内的口子，送料螺杆的底部焊接固定有被动齿轮，被动齿轮上也开设有供支撑材料流入柔性螺旋送料管内的口子，被动齿轮通过齿啮合有主动齿轮，主动齿轮由第二打印驱动电机驱动，柔性送料管一端接在硬管的底部且两者相连通、另一端固定在第二打印头的顶部且两者相连通，柔性送料管内设有柔性送料片，柔性送料片与送料螺杆的底部固定连接。

进一步，所述三维打印机的打印方法，包括如下步骤：

（1）对需要打印成型件的支撑材料进行处理,然后对处理后的带有支撑材料的零件进行其软件的切片处理；

（2）根据软件切片后产生的成型件的打印时间或者是每层的打印时间以及打印成型材料层需要保温的温度和时间这些因素，确定第一容器中的多排加热装置的延迟关闭时间以及具体加热的温度；

（3）将成型材料和支撑材料安装在三维打印机上,启动打印机，调整打印平台以及成型材料打印头和支撑材料打印头位置,以使打印头喷口靠近打印平台且喷口面与打印平台平行；

（4）根据调整好的初始打印平台位置,通过控制器控制泵启动、电动阀门打开，从储水装置向第一容器内注水,当第一容器内的液面位置保持与支撑成型零件平台面同一平面后，暂停注水,开始打印初始层；

（5）初始层打印完成,打印头上升同时控制器控制泵启动、电动阀门打开，继续从储水装置向第一容器内注水，其注水的容量为初始层高度与第一容器横截面构成的容量，其中已经打印的支撑材料与水接触后聚集成型，实现打印支撑；

（6）依次打印切片层和注水,其中当设置在第一容器内表面的多排加热装置均与水接触后，所有的加热装置全部启动，来加热第一容器中的水,一段时间后，触发除最上面的那排加热装置所对应的延时控制外的其余延时控制开关，通过设定了延时控制延迟时间，先后关闭不同位置上的加热装置,形成容器中水温上下差异,同时位于最上面的那排加热装置始终开启，以实现始终可对要打印的外表层的均衡保温；

（7）打印完成后,将第一容器中的水抽回储水装置,就可直接拿出其打印成型件。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

1、采用本发明的三维打印机进行打印，一方面可以使容器中靠近打印层的上部水位处在一个与熔融打印成型材料需要保温的温度,另外对不需要较高温度的已经打印固化部分的成型件区域附近的水不加热,这一方面节省能耗,另外一方面也很好的配合了支撑件在与成型件接触区域当温度降低时附着力降低特性,实现了打印支撑材料的轻松方便清除；

2、采用本发明的三维打印机进行打印，打印装置跟随横向杆滑动、跟随框架升降运动，方便调整打印位置，结构设计合理；

3、在水中实现三维打印，方便本发明的支撑材料与成型材料脱离。

附图说明

图1为本发明所述三维打印机的结构示意图

图2为本发明所述三维打印机中打印装置的结构示意图

图3为本发明所述三维打印机中支撑材料打印装置的结构剖视图

图4为本发明所述三维打印机完成打印时第一容器的结构剖视图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权限要求书限定范围之内。

如图1-图4所示，本发明的三维打印机，包括机架11、控制器、打印平台15及供料装置，在机架上安装有受所述控制器控制的打印装置。

其中机架11包括机座、框架12、横向杆13及垂直杆14，其中,框架12四个角落均加工有螺纹筒，框架12通过四个螺纹筒分别与四根垂直杆14螺纹配合连接且框架12作沿垂直杆14轴向的上下移动动作，每根垂直杆14底部连接有一驱动电机的输出轴，垂直杆14通过设置在其底部的驱动电机转动进而实现框架12沿垂直杆14上下移动。所述框架12是由四根槽钢首尾焊接而成且所有槽钢的凹槽均向内，在其中左右两根槽钢的凹槽内滑动配合有一根横向杆13，横向杆13可沿框架12前后移动。

供料装置包括成型材料供应装置2、支撑材料供应装置5，其中成型材料供应装置2包括成型材料盒21和转盘轴22，成型材料盒21套设在转盘轴22上且用螺钉将成型材料盒21限位在转盘轴22上，转盘轴用螺栓或焊接固定在机架11上，在成型材料盒21上绕制有多圈成型线材23，成型线材可以是常用的树脂打印材料如PLA、ABS、PEEK、PA等也可以是金属打印的高分子复合金属线材，在框架12上固定有特氟龙线材导管24，线材23远离成型材料盒21的一端穿过特氟龙线材导管24后输送给第一打印头30。支撑材料供应装置5包括支撑材料51和盛装支撑材料的第二容器52，为使打印运行更为可靠，可将第二容器52固定在机架11的横向杆13上。

在横向杆13上设置有一固定板131且固定板可沿横向杆的轴向方向移动，打印装置通过螺栓固定在该固定板131上，打印装置可沿横向杆13的轴向方向移动。打印装置包括成型材料打印装置3、支撑材料打印装置4，其中成型材料打印装置3包括第一打印头30、第一打印驱动电机32以及供料轮33、34，其中供料轮33、34呈左右相对设置且两者之间留有成型材料23穿过的间隙，供料轮33、34通过轮轴固定在固定板131上，其中一个供料轮33的轮轴穿过固定板后由第一打印驱动电机32驱动，第一打印头30固定在固定板131上且包括加热熔融室301、打印喷嘴302，加热熔融室301底部固定打印喷嘴302且两者内部相连通，线材23由特氟龙线材导管24穿出后进入两个供料轮33/34之间，然后从加热熔融室301顶部开设进料口进入，在加热熔融室301内经加热成熔融状态的成型材料，在后续推力的作用下，从固定在加热熔融室底部的打印喷嘴302中挤出，并最终沉积在打印平台上；支撑材料打印装置4包括第二打印头40、第二打印驱动电机42、送料装置41，其中送料装置41包括接在第二打印头40上的柔性送料管411、硬管，其中硬管按常规方式接在盛装支撑材料的第二容器52的底部开口处且硬管与第二容器52内部相连通，在竖直的硬管内设置送料螺杆412，送料螺杆412的顶部支撑在固定于硬管上段内的固定架415上且送料螺杆412相对固定架可作旋转动作，固定架415上开设有供支撑材料流入硬管内的口子，送料螺杆412的底部焊接固定有被动齿轮413，被动齿轮413上也开设有供支撑材料流入柔性螺旋送料管内的口子，被动齿轮413通过齿啮合有主动齿轮，主动齿轮由第二打印驱动电机42驱动；柔性送料管411一端接在硬管的底部且两者相连通、另一端固定在第二打印头40的顶部且两者相连通，柔性送料管411内设有柔性送料片，柔性送料片与送料螺杆的底部固定连接。通过送料螺杆412旋转，以及送料螺杆412带动的柔性送料片的搅动，输送支撑材料51到打印头40的喷口并挤出并沉积于打印平台15上。

此外，本发明的三维打印机还包括第一容器6、储水装置7、泵71，其中第一容器6由打印平台15与柔性材料筒体60构成，打印平台15固定在柔性材料筒体60的底部，第一容器6通过设置在其底部的连通管61连接且连通有储水装置7（可以是水缸、水池或是水槽等），在连通管61上固定有泵71、及电动阀门，通过启动泵71、打开电动阀门，由储水装置7向第一容器6内注水；在第一容器6顶部与框架12的底部对应位置之间连接有多根弹簧63，且在第一容器6内表面通过螺钉固定有多排按不同高度位置分布的加热装置（防水处理的电加热棒），每排多个加热装置均布在第一容器的内壁上，每排多个电加热棒用电线串联且在加热装置与电源连接的线路上加装一个延时控制开关，实现加热启动后的延时关闭，多排电加热棒之间是并联的，通过延时控制开关延时关闭不同高度位置处的对应那排多个电加热棒，从而实现形成对容器内的不同水位的水进行加热时间差，形成第一容器6内不同水位水温差异，延时控制开关可以是现有技术中的触摸延时开关。

在打印平台15的外底部通过螺钉固定有平台加热装置16（具体是电加热棒）。

由控制器控制成型材料打印装置3和支撑材料打印装置4的打印，从而逐层打印出成型件8和支撑件9，同时由控制器控制泵71、电动阀门对第一容器注入水10。

本发明中的支撑材料51为球形结构，且由固体颗粒和涂覆在固体颗粒表面的涂层材料层构成，其中涂层材料层中所用材料主要由以下重量份的组分制备获得：

氟碳树脂40-80质量份；

丙烯酸树脂共聚物10-20质量份；

稀释剂 25-65份；

气相二氧化硅0.2-0.8质量份；

醋酸戊酯 15-25份；

硅烷偶联剂0.2-0.6质量份；

所述涂层材料层表面含有多孔硅结构、下部为致密的耐高温丙烯酸树脂共聚物。

支撑材料51的制备过程如下：

首先，执行步骤S1，固体颗粒的选择和球化处理：固体颗粒可选用常用的金属材料如铁粉、铜粉或者铁基合金粉末材料或者选择陶瓷、玻璃、沙子、有机高分子树脂材料中的一种。在水中使用的支撑材料，其所选固体颗粒密度大于1，以有利于后续支撑材料的打印。将选好的固体颗粒材料粉碎，选择合适的固体颗粒，并按照不同材料的特点进行球化处理，便其达到外表面光滑，颗粒直径达到要求（30-200μm）；

然后，执行步骤S2，氟碳树脂和丙烯酸树脂共聚物的制备或选取：氟碳树脂可选择其通过纳米级的气相二氧化硅和水性氟碳树脂为主要原料以水为溶剂通过氟硅烷疏水改性后获得水性氟碳树脂，同样的也可以选目前市场上常用的Kynar500树脂为原料配制成水性PVDF氟碳树脂涂料。其中为了提升疏水性，氟碳树脂涂料中氟碳树脂含量占树脂的比例要求大于60%。丙烯酸树脂共聚物，其可通过选取丙烯酸、丙烯酸丁酯、丙烯本酸2-乙基已酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸羟丙酯、叔碳酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯等单体中的一种通过合成获得丙烯酸树脂共聚物，也可选用市场上已经有的丙烯酸树脂共聚，通过测试试验选用东莞市新天地科技有限公司提供产品型号为WZ2510的丙烯酸树脂共聚物产品符合本发明对于丙烯酸树脂共聚物的要求，采用该公司提供的丙烯酸松脂共聚物，可缩短制备涂层混合液的时间，因此优先选用该型号产品；

接着，执行步骤S3，制备涂层混合液：将选好丙烯酸松脂共聚物和氟碳树脂涂料溶于稀释剂中，完全溶解后形成溶液A；然后将气相二氧化硅溶于醋酸戊酯，完全溶解后形成溶液B；将溶液A加入溶液B中混合，得混合液C；再往混合液C中加入硅烷偶联剂，得到混合液D；然后将混合液D在高速分散机下分散得到涂层混合液；

最后，执行步骤S4，喷涂涂层混合液：采用现有技术将涂层材料层混合液喷涂到经球化处理的固体颗粒上，具体是将步骤S3所得混合液涂于S1步聚处理的粉末颗粒上，然后烘干，而得。

因本发明的支撑材料表面有涂层，当高温熔融打印成型材料与支撑材料接触后会产生一个很强的瞬时附着力，从而使成型件与支撑件牢固结合，当打印过程结束后，物体冷却至室温后，打印物成型件与支撑材料表面之间的附着力会变小，其粘接在成型件上的支撑材料又很容易去除，提高了三维成型实体零件的成型精度和表面质量。而支撑材料的内部结构材料可以使用价格更便宜的固体颗粒如沙子、陶瓷、金属、玻璃、树脂等。没有与成型材料接触的支撑材料还可以方便回收再利用，因此有利于降低打印成本。另外为提升支撑材料的聚集强度，该支撑材料的表面具有超疏水性，在水中颗粒会进一步聚集使其保持更好的机械支撑强度，同时其三维打印支撑材料在离开水后又容易松散分开；因此该支撑材料也可使用在为了保温或降温打印平台在水环境下的熔融三维打印机上。

为了使打印零件的温差变化导致的打印粘结强度不高，以及打印变形问题外，一般熔融的三维打印机为提升打印质量，都要设置打印保温。本发明的三维打印机也设置了不同的加热保温装置，具体是考虑到三维打印机第一容器6中支撑材料51成型打印中会有水10的特点，因此在第一容器6的内壁上同时设置了带延时控制开关的加热装置。本发明此结构的设计一方面可以使容器中靠近打印层的上部水位处在一个与熔融打印成型材料23需要保温的温度,另外对不需要较高温度的已经打印固化部分的成型件8区域附近的水不加热,这一方面节省能耗,另外一方面也很好的配合了支撑件9在与成型件8接触区域当温度降低时附着力降低特性,实现了打印支撑材料的轻松方便清除。

本发明三维打印机的打印方法，包括如下步骤：

（1）对需要打印成型件的支撑材料进行制备处理（主要是制备支撑材料）,然后对处理后的带有支撑材料的零件进行其软件的切片处理；

（2）根据软件切片后产生的成型件的打印时间或者是每层的打印时间以及打印成型材料层需要保温的温度和时间这些因素，确定第一容器中的多排加热装置的延迟关闭时间以及具体加热的温度；

（3）将成型材料和支撑材料安装在三维打印机上,启动打印机，调整打印平台15以及成型材料打印头和支撑材料打印头位置,以使打印头喷口靠近打印平台且喷口面与打印平台平行；

（4）根据调整好的初始打印平台位置,通过控制器控制泵启动、电动阀门打开，从储水装置向第一容器6内注水,当第一容器6内的液面位置保持与支撑成型零件平台面同一平面后，暂停注水,开始打印初始层；

（5）初始层打印完成,打印头上升同时控制器控制泵启动、电动阀门打开，继续从储水装置向第一容器6内注水，其注水的容量为初始层高度与第一容器6横截面构成的容量，其中已经打印的支撑材料与水接触后聚集成型，实现打印支撑；

（6）依次打印切片层和注水,其中当设置在第一容器内表面的多排加热装置均与水接触后，所有的加热装置全部启动，来加热第一容器中的水,一段时间后，触发除最上面的那排加热装置所对应的延时控制外的其余延时控制开关，通过设定了延时控制延迟时间，先后关闭不同位置上的加热装置,形成容器中水温上下差异,同时位于最上面的那排加热装置始终开启，以实现始终可对要打印的外表层的均衡保温；

（7）打印完成后,将第一容器中的水抽回储水装置,就可直接拿出其打印成型件。

Claims (8)

1.一种三维打印机，包括机架、打印平台及供料装置、打印装置，打印装置包括成型材料打印装置和支撑材料打印装置，其特征在于，所述打印平台是固定在筒体底部的且打印平台与筒体围成第一容器，且在第一容器内表面设置多排加热装置；所述多排加热装置按不同高度位置设置的第一容器的内表面上的，且每排加热装置由多个串联的电加热棒构成，多排加热装置之间采用并联的方式连接，在每排加热装置与电源的连接导线上加装一个延时控制开关，多个延时控制开关所设定的关闭延时时间设定不同。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，在所述打印平台的下面设置平台加热装置。

3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于，所述容器通过设置在其底部的连通管连接且连通有储水装置，在连通管上固定有泵。

4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于，所述机架包括机座、框架、横向杆及垂直杆，其中横向杆滑动配合在框架上，框架与垂直杆螺纹连接且框架作沿垂直杆轴向的上下移动动作，框架的底部与容器顶部之间连接有多根弹簧，打印装置支撑在横向杆上且打印装置相对横向杆作横向杆轴向滑动动作。

5.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述供料装置包括成型材料供应装置、支撑材料供应装置，其中成型材料供应装置包括成型材料盒和转盘轴，成型材料盒套设在转盘轴上且用螺钉将成型材料盒限位在转盘轴上，转盘轴固定在机架上，在成型材料盒上绕制有多圈成型线材，在框架上固定有特氟龙线材导管，成型线材远离成型材料盒的一端穿过特氟龙线材导管后输送给成型材料打印装置；而支撑材料供应装置包括第二容器。

6.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述成型材料打印装置包括第一打印头、第一打印驱动电机以及供料轮对，其中供料轮对中的两个供料轮呈左右相对设置且两者之间留有成型材料穿过的间隙，其中一个供料轮由第一打印驱动电机驱动，第一打印头包括加热熔融室、打印喷嘴，加热熔融室底部固定打印喷嘴且两者内部相连通，线材由特氟龙线材导管穿出后进入两个供料轮之间，然后从加热熔融室顶部开设的进料口进入，在加热熔融室内经加热成熔融状态的成型材料，在后续推力的作用下，从固定在加热熔融室底部的打印喷嘴中挤出。

7.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，支撑材料打印装置包括第二打印头、第二打印驱动电机、送料装置，其中送料装置包括接在第二打印头上的柔性送料管、硬管，其中硬管接在第二容器的底部开口处且硬管与第二容器内部相连通，在竖直的硬管内设置送料螺杆，送料螺杆的顶部支撑在固定于硬管上段内的固定架上且送料螺杆相对固定架作旋转动作，固定架上开设有供支撑材料流入硬管内的口子，送料螺杆的底部焊接固定有被动齿轮，被动齿轮上也开设有供支撑材料流入柔性螺旋送料管内的口子，被动齿轮通过齿啮合有主动齿轮，主动齿轮由第二打印驱动电机驱动，柔性送料管一端接在硬管的底部且两者相连通、另一端固定在第二打印头的顶部且两者相连通，柔性送料管内设有柔性送料片，柔性送料片与送料螺杆的底部固定连接。

8.一种三维打印机的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对需要打印成型件的支撑材料进行处理,然后对处理后的带有支撑材料的零件进行其软件的切片处理；

（2）根据软件切片后产生的成型件的打印时间或者是每层的打印时间以及打印成型材料层需要保温的温度和时间这些因素，确定第一容器中的多排加热装置的延迟关闭时间以及具体加热的温度；

（3）将成型材料和支撑材料安装在三维打印机上,启动打印机，调整打印平台以及成型材料打印头和支撑材料打印头位置,以使打印头喷口靠近打印平台且喷口面与打印平台平行；

（4）根据调整好的初始打印平台位置,通过控制器控制泵启动、电动阀门打开，从储水装置向第一容器内注水,当第一容器内的液面位置保持与支撑成型零件平台面同一平面后，暂停注水,开始打印初始层；

（5）初始层打印完成,打印头上升同时控制器控制泵启动、电动阀门打开，继续从储水装置向第一容器内注水，其注水的容量为初始层高度与第一容器横截面构成的容量，其中已经打印的支撑材料与水接触后聚集成型，实现打印支撑；

（6）依次打印切片层和注水,其中当设置在第一容器内表面的多排加热装置均与水接触后，所有的加热装置全部启动，来加热第一容器中的水,一段时间后，触发除最上面的那排加热装置所对应的延时控制外的其余延时控制开关，通过设定了延时控制延迟时间，先后关闭不同位置上的加热装置,形成容器中水温上下差异,同时位于最上面的那排加热装置始终开启，以实现始终可对要打印的外表层的均衡保温；

（7）打印完成后,将第一容器中的水抽回储水装置,就可直接拿出其打印成型件。

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