CN111823581B - 一种具有增强骨架的异步3d打印方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有增强骨架的异步3D打印方法及装置，属于3D打印快速成型技术领域，该方法先通过熔融沉积成型打印半成品，该打印半成品具有上侧开口的内部随形空腔；然后将熔融物料从开口处注射到打印半成品的内部随形空腔，保压到熔融物料固化形成增强骨架，最终制得具有增强骨架的3D打印制品。该装置包括打印注射组件、熔融塑化组件、过渡连接组件、三维移动平台及控制系统；在熔融塑化组件的螺杆中设计分流拉伸汇流元件对物料进行分流汇流和拉伸流，以保证在较小螺杆长径比的条件下对物料进行有效塑化熔融和均化熔融物料。本发明可以不借助任何异种材料嵌件或化学助剂，用同种材料成型并提高3D打印制品的强度。

Description

一种具有增强骨架的异步3D打印方法及装置

技术领域

本发明属于3D打印快速成型技术领域，尤其涉及一种具有增强骨架的异步3D打印方法及装置。

背景技术

目前，3D打印主要分为熔融沉积成型、液态光敏树脂光固化、选择性激光烧结、选择性激光熔化等技术。虽然不同类型的3D打印技术所用成型材料、成型原理和系统特点不同，但其基本原理是一样的，均为“分层制造、逐层堆积”，因其层与层之间的结合力薄弱，容易导致堆积方向上的强度不足。现有3D打印内部结构为相互平行的层面叠加，原有的填充结构在三维方向上至少存在一维仅依靠熔融材料间薄弱的粘接力固化相连，制品存在拉伸强度及剪切强度差的短板。

为了增加3D打印产品的强度，现有技术中主要存在如下两种方法：

一、将3D打印件与金属等预制件相嵌的方法，形成具有金属内嵌件的组合结构3D打印工件以提高制品整体强度。但是，此方法需要内嵌金属件，导致制品重量增加，灵活性下降。

二、通过添加辅助溶剂提高层间结合力的方法，即在打印喷头挤出丝料的同时，依靠辅助溶剂溶解已打印的堆积丝料表面，使相邻层间熔接固化。但是，此方法需要额外的助剂。

因此，在3D打印快速成型技术领域中，对于增加3D打印产品强度的方法和装置仍存在研究和改进的需求，这也是目前3D打印快速成型技术领域中的一个研究热点和重点，更是本发明得以完成的出发点。

发明内容

为此，本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种具有增强骨架的异步3D打印方法，在不借助外加嵌件或助剂的前提下，能够显著提高3D打印制品强度；在同等材料的用量下，可增强制品在堆叠方向上的拉伸强度与剪切强度，且对制品其他维度的拉伸强度与剪切强度也有改善，以解决现有熔融沉积成型制品堆叠方向上强度不足的技术问题。

作为同一种技术构思，本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种具有增强骨架的异步3D打印装置。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种具有增强骨架的异步3D打印方法，先通过熔融沉积成型打印半成品，该打印半成品具有上侧开口的内部随形空腔；然后将熔融物料从开口处注射到打印半成品的内部随形空腔，保压到熔融物料固化形成增强骨架，最终制得具有增强骨架的3D打印制品。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种实现上述打印方法的具有增强骨架的异步3D打印装置，包括打印注射组件、熔融塑化组件、过渡连接组件、三维移动平台及控制系统；所述打印注射组件与所述熔融塑化组件通过所述过渡连接组件相连，并将三部分的内部相通，形成熔融物料的流动通道；所述过渡连接组件外有过渡加热器；所述打印注射组件、所述熔融塑化组件和所述三维移动平台的各动作工序均受所述控制系统监测和控制。

作为一种改进，所述打印注射组件包括打印头、打印箱体、储料仓、打印加热圈和由直线驱动装置驱动的注射活塞；所述注射活塞滑动安装于所述打印箱体内，所述打印箱体与所述注射活塞之间形成所述储料仓，所述储料仓设于所述熔融物料的流动通道上；所述注射活塞在所述直线驱动装置的带动下完成注射动作及调节所述储料仓的容积；所述打印加热圈对所述打印箱体进行温度控制，以保证所述打印箱体内部熔融物料的温度处于合理范围；所述打印头可拆卸地安装于所述打印箱体上，且所述打印头上设置有打印口启闭装置。

作为进一步的改进，所述直线驱动装置为伸缩缸，所述伸缩缸的缸体固定安装于所述打印箱体，所述伸缩缸的缸杆固定连接所述注射活塞。

作为一种改进，所述熔融塑化组件包括机筒、塑化加热器、料斗和由动力装置驱动的螺杆；所述螺杆包括普通螺纹元件和分流拉伸汇流元件，所述分流拉伸汇流元件对物料进行分流汇流和拉伸流。

作为进一步的改进，所述分流拉伸汇流元件包括分流棱、拉伸上斜面、拉伸下斜面和扰流钉，所述分流棱沿所述螺杆的圆周方向均匀分布有若干个，所述分流拉伸汇流元件处所述螺杆的最大径向尺寸等于所述普通螺纹元件处所述螺杆的大径；相邻所述分流棱之间为所述拉伸上斜面和所述拉伸下斜面，共同构成分流槽，所述拉伸上斜面沿轴向升高，所述拉伸下斜面沿轴向降低，所述拉伸上斜面轴向长度占据所述分流槽轴向长度的二分之一以上，所述拉伸上斜面与所述拉伸下斜面的最高处相接，且最高处略低于所述分流棱的高度；在所述拉伸上斜面和所述拉伸下斜面上分布有若干个所述扰流钉，所述扰流钉的最大高度不高于所述分流棱的高度。

作为进一步的改进，所述分流拉伸汇流元件有多个且串联排布在所述螺杆上，在相邻所述分流拉伸汇流元件的排布中，前一所述分流拉伸汇流元件的所述分流棱与后一所述分流拉伸汇流元件的所述分流槽的中心线重合。

作为进一步的改进，所述分流棱与所述螺杆的轴线平行设置；或者所述分流棱与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向。

作为进一步的改进，所述分流拉伸汇流元件的端面与所述螺杆轴线垂直设置；或者所述分流拉伸汇流元件的端面与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向。

作为一种改进，所述三维移动平台用于承载打印制品，可在所述控制系统的控制下根据打印制品的截面轮廓实现三个自由度的运动；所述打印制品包括堆积部分和内部增强骨架部分，所述内部增强骨架部分根据所述打印制品形状进行随形设计。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明提供的具有增强骨架的异步3D打印方法及装置，采用先通过熔融沉积成型带内部随形空腔的打印半成品，然后注射成型增强骨架的两步法制得3D打印制品，在同等材料的用量下，增强了制品在堆叠方向上的拉伸强度与剪切强度，且对制品其他维度的拉伸强度与剪切强度也有改善，相比传统提高3D打印强度的方法，不借助外加嵌件或助剂，有效增强了3D打印最终制品的强度，扩大了3D打印制品的工业应用范围，解决了传统熔融沉积成型制品堆叠方向上强度不足的缺点。

由于具有增强骨架的异步3D的打印装置包括打印注射组件、熔融塑化组件、过渡连接组件、三维移动平台及控制系统；这样在控制系统的监测和控制下，通过熔融塑化组件将物料熔融塑化，熔融物料经过渡连接组件进入打印注射组件，在打印注射组件和三维移动平台的共同作用下制得3D打印制品。

由于螺杆上设计了分流拉伸汇流元件，实现了在较小螺杆长径比条件下对物料进行有效塑化熔融和均化熔融，有效的缩小了3D打印设备整体体积。

由于所述分流拉伸汇流元件设计了分流棱、拉伸上斜面、拉伸下斜面和扰流钉，这样通过若干分流棱对物料进行分流汇流，通过拉伸上斜面和拉伸下斜面对物料进行拉伸，通过扰流钉分割熔融物料，增加界面，改变熔融物料的方向，使熔融物料流束重新排列，经过多次分流、汇合，改变熔融物料流动的方向，使熔体高效均匀塑化。

由于所述分流拉伸汇流元件有多个且串联排布在所述螺杆上，使得螺杆的塑化能力更佳。

由于所述分流棱与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向，使得熔融物料从普通螺纹元件向分流拉伸汇流元件流动时更加顺畅。

由于所述分流拉伸汇流元件的端面与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向，使得熔融物料从普通螺纹元件向分流拉伸汇流元件流动时更加顺畅。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1是本发明实施例提供的具有增强骨架的异步3D打印装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种分流拉伸汇流元件的立体图；

图3是分流拉伸汇流元件的串联示意图；

图4是另一分流拉伸汇流元件的结构示意图；

图5是又一分流拉伸汇流元件的结构示意图；

图6a、图6b和图6c是本发明实施例提供的具有增强骨架的异步3D打印方法的工艺路线图；

图中：1、打印注射组件；11、打印头；111、打印口启闭装置；12、打印箱体；13、储料仓；14、打印加热圈；15、注射活塞；16、伸缩缸；2、熔融塑化组件；21、机筒；22、塑化加热器；23、料斗；24、螺杆；241、普通螺纹元件；242、分流拉伸汇流元件；242a、分流拉伸汇流元件；242b、分流拉伸汇流元件；2421、分流棱；2421a、分流棱；2422、拉伸上斜面；2423、拉伸下斜面；2424、扰流钉；25、电机；3、过渡连接组件；31、过渡加热器；4、三维移动平台；5、控制系统；6、打印制品；61、堆积部分；62、内部增强骨架部分。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。

本说明书中所引用的如“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，一种具有增强骨架的异步3D打印装置，包括打印注射组件1、熔融塑化组件2、过渡连接组件3、三维移动平台4及控制系统5。打印注射组件1与熔融塑化组件2通过过渡连接组件3相连，并将三部分的内部相通，形成熔融物料的流动通道；过渡连接组件3外有过渡加热器31；打印注射组件1、熔融塑化组件2和三维移动平台4的各动作工序均受控制系统5监测和控制。

上述打印注射组件1是成型打印制品的主要部件，打印注射组件1包括打印头11、打印箱体12、储料仓13、打印加热圈14和由直线驱动装置驱动的注射活塞15，该直线驱动装置为伸缩缸16，伸缩缸16的缸体固定安装于打印箱体12，伸缩缸16的缸杆固定连接注射活塞15。伸缩缸16优选为液压油缸，当然，伸缩缸16还可以选用气缸或者电动缸等等，在此不再赘述。

注射活塞15滑动安装于打印箱体12内，打印箱体12与注射活塞15之间形成储料仓13，储料仓13设于熔融物料的流动通道上；注射活塞15在直线驱动装置的带动下完成注射动作及调节储料仓13的容积；打印加热圈14对打印箱体12进行温度控制，以保证打印箱体12内部熔融物料的温度处于合理范围；打印头11可拆卸地安装于打印箱体12上，打印头11可拆卸更换，打印头11可根据打印口径不同制作不同的规格，具体地，打印头11与打印箱体12靠螺纹连接，当然，也可以采用本领域技术人员能够实现的其他方式，在此不再赘述；打印头11上设置有打印口启闭装置111，需要说明的是，打印口启闭装置111为本领域的公知技术。

三维移动平台4用于承载打印制品6，可在控制系统5的控制下根据打印制品6的截面轮廓实现三个自由度(即X向移动、Y向移动和Z向移动)的运动；打印制品6包括堆积部分61和内部增强骨架部分62，内部增强骨架部分62根据打印制品形状进行随形设计，可复杂、可简单。

熔融塑化组件2是将固体粒料塑化成熔融状态并经过渡连接组件3输送到打印注射组件1的储料仓13的主要部件，熔融塑化组件2包括机筒21、塑化加热器22、料斗23和由动力装置驱动的螺杆24，动力装置优选为电机25，当然，动力装置还可以选用电机驱动的减速器等等，在此不再赘述；螺杆24包括普通螺纹元件241和分流拉伸汇流元件242，分流拉伸汇流元件242对物料进行分流汇流和拉伸流，实现了在较小螺杆长径比条件下对物料进行有效塑化熔融和均化熔融，有效的缩小了3D打印设备整体体积。

如图2所示，分流拉伸汇流元件242包括分流棱2421、拉伸上斜面2422、拉伸下斜面2423和扰流钉2424，分流棱2421沿螺杆24的圆周方向均匀分布有若干个，分流拉伸汇流元件242处螺杆24的最大径向尺寸等于普通螺纹元件241处螺杆24的大径；相邻分流棱2421之间为拉伸上斜面2422和拉伸下斜面2423，共同构成分流槽，拉伸上斜面2422沿轴向升高，拉伸下斜面2423沿轴向降低，拉伸上斜面2422轴向长度占据分流槽轴向长度的二分之一以上，拉伸上斜面2422与拉伸下斜面2423的最高处相接，且最高处略低于分流棱2421的高度；在拉伸上斜面2422和拉伸下斜面2423上分布有若干个扰流钉2424，扰流钉2424的高度可以相同或不同，但扰流钉2424的最大高度不高于分流棱2421的高度。这样通过若干分流棱2421对物料进行分流汇流，通过拉伸上斜面2422和拉伸下斜面2423对物料进行拉伸，通过扰流钉2424分割熔融物料，增加界面，改变熔融物料的方向，使熔融物料流束重新排列，经过多次分流、汇合，改变熔融物料流动的方向，使熔体高效均匀塑化。需要说明的是，熔融物料的流动方向是从拉伸上斜面2422至拉伸下斜面2423。

为了使螺杆24的塑化能力更佳，如图3所示，分流拉伸汇流元件242有两个且串联排布在螺杆上，当然，分流拉伸汇流元件242还可以选择其他数量，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在相邻分流拉伸汇流元件242的排布中，前一分流拉伸汇流元件的分流棱与后一分流拉伸汇流元件的分流槽的中心线重合。

如图3所示，分流棱2421与螺杆的轴线平行设置。当然，作为一种替代方式，在本发明另一实施例中，如图4所示，分流棱2421a与螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应普通螺纹元件螺棱的螺旋方向，使得熔融物料从普通螺纹元件向分流拉伸汇流元件242a流动时更加顺畅。

如图3所示，分流拉伸汇流元件242的端面与螺杆轴线垂直设置。当然，作为一种替代方式，在本发明又一实施例中，如图5所示，分流拉伸汇流元件242b的端面与螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应普通螺纹元件螺棱的螺旋方向，使得熔融物料从普通螺纹元件向分流拉伸汇流元件242b流动时更加顺畅。

在控制系统5的监测和控制下，通过熔融塑化组件2将物料熔融塑化，熔融物料经过渡连接组件3进入打印注射组件1，在打印注射组件1和三维移动平台4的共同作用下制得3D打印制品6。

具体地，本发明实施例还公开了一种具有增强骨架的异步3D打印方法，包括如下步骤：

S1、如图6a和图6b共同所示，注射活塞15在伸缩缸16的动力下移动到合适位置以控制储料仓13容积及打印流量，打开打印口启闭装置111，通过熔融沉积成型打印半成品(即堆积部分61)，该打印半成品具有上侧开口的内部随形空腔；

S2、如图6c所示，半成品打印完毕，关闭打印口启闭装置111，移动三维移动平台4，将打印头11的打印口对准内部随形空腔的开口，然后注射活塞15在伸缩缸16的动力下移动到合适位置以控制储料仓容积，打开打印口启闭装置111，注射活塞15在伸缩缸16的动力下将熔融物料从开口处注射到打印半成品的内部随形空腔，保压到熔融物料固化形成内部增强骨架部分62，最终制得具有增强骨架的3D打印制品6。

综上，本发明实施例提供的具有增强骨架的异步3D打印方法及装置，采用先通过熔融沉积成型带内部随形空腔的打印半成品，然后注射成型增强骨架的两步法制得3D打印制品，在同等材料的用量下，增强了制品在堆叠方向上的拉伸强度与剪切强度，且对制品其他维度的拉伸强度与剪切强度也有改善，相比传统提高3D打印强度的方法，不借助外加嵌件或助剂，有效增强了3D打印最终制品的强度，扩大了3D打印制品的工业应用范围，解决了传统熔融沉积成型制品堆叠方向上强度不足的缺点；同时，通过设置分流拉伸汇流元件的螺杆能够实现较小螺杆长径比条件下对物料进行有效塑化熔融和均化熔融，有效的缩小了3D打印设备整体体积。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，包括打印注射组件、熔融塑化组件、过渡连接组件、三维移动平台及控制系统；所述打印注射组件与所述熔融塑化组件通过所述过渡连接组件相连，并将三部分的内部相通，形成熔融物料的流动通道；所述过渡连接组件外有过渡加热器；所述打印注射组件、所述熔融塑化组件和所述三维移动平台的各动作工序均受所述控制系统监测和控制；

先通过熔融沉积成型打印半成品，该打印半成品具有上侧开口的内部随形空腔；然后将熔融物料从开口处注射到打印半成品的内部随形空腔，保压到熔融物料固化形成增强骨架，最终制得具有增强骨架的3D打印制品；

所述打印注射组件包括打印头、打印箱体、储料仓、打印加热圈和由直线驱动装置驱动的注射活塞；所述注射活塞滑动安装于所述打印箱体内，所述打印箱体与所述注射活塞之间形成所述储料仓，所述储料仓设于所述熔融物料的流动通道上；所述注射活塞在所述直线驱动装置的带动下完成注射动作及调节所述储料仓的容积；所述打印加热圈对所述打印箱体进行温度控制，以保证所述打印箱体内部熔融物料的温度处于合理范围；所述打印头可拆卸地安装于所述打印箱体上，且所述打印头上设置有打印口启闭装置。

2.根据权利要求1所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述直线驱动装置为伸缩缸，所述伸缩缸的缸体固定安装于所述打印箱体，所述伸缩缸的缸杆固定连接所述注射活塞。

3.根据权利要求1所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述熔融塑化组件包括机筒、塑化加热器、料斗和由动力装置驱动的螺杆；所述螺杆包括普通螺纹元件和分流拉伸汇流元件，所述分流拉伸汇流元件对物料进行分流汇流和拉伸流。

4.根据权利要求3所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述分流拉伸汇流元件包括分流棱、拉伸上斜面、拉伸下斜面和扰流钉，所述分流棱沿所述螺杆的圆周方向均匀分布有若干个，所述分流拉伸汇流元件处所述螺杆的最大径向尺寸等于所述普通螺纹元件处所述螺杆的大径；相邻所述分流棱之间为所述拉伸上斜面和所述拉伸下斜面，共同构成分流槽，所述拉伸上斜面沿轴向升高，所述拉伸下斜面沿轴向降低，所述拉伸上斜面轴向长度占据所述分流槽轴向长度的二分之一以上，所述拉伸上斜面与所述拉伸下斜面的最高处相接，且最高处略低于所述分流棱的高度；在所述拉伸上斜面和所述拉伸下斜面上分布有若干个所述扰流钉，所述扰流钉的最大高度不高于所述分流棱的高度。

5.根据权利要求4所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述分流拉伸汇流元件有多个且串联排布在所述螺杆上，在相邻所述分流拉伸汇流元件的排布中，前一所述分流拉伸汇流元件的所述分流棱与后一所述分流拉伸汇流元件的所述分流槽的中心线重合。

6.根据权利要求4所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述分流棱与所述螺杆的轴线平行设置；或者所述分流棱与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向。

7.根据权利要求3所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述分流拉伸汇流元件的端面与所述螺杆轴线垂直设置；或者所述分流拉伸汇流元件的端面与所述螺杆轴线倾斜成一定角度，以适应所述普通螺纹元件螺棱的螺旋方向。

8.根据权利要求1所述的具有增强骨架的异步3D打印装置，其特征在于，所述三维移动平台用于承载打印制品，可在所述控制系统的控制下根据打印制品的截面轮廓实现三个自由度的运动；所述打印制品包括堆积部分和内部增强骨架部分，所述内部增强骨架部分根据所述打印制品形状进行随形设计。

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