CN112776321A - 一种提高模型表面质量的3d打印系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法，包括机架，在机架上分别安装有Y向位移装置、Z向位移装置、供料装置和控制装置，Y向位移装置上连接有打印平台，Z向位移装置上连接有X向位移装置，X向位移装置上连接有喷头装置，喷头装置和供料装置连接实现供料；喷头装置包括喷头，喷头安装在X向位移装置上，喷头的侧面连接有Z向驱动装置，Z向驱动装置上连接有轮廓修形装置；方法利用等材成形工艺，控制修形球头沿着模型的外形轮廓运动，使得层纹上受到修形球头挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型的尺寸精度和表面质量得到有效地提高。

Description

一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法。
背景技术
利用FDM型3D打印机制作模型，由于受到熔融态成型材料自身重量的影响，以及层层叠加成型原理天然带来的问题，在模型表面会产生层纹，直接影响模型的尺寸精度、形状精度和表面质量。
目前，解决层纹问题常用的方法包括手工打磨、喷砂处理、化学制剂处理、喷漆处理和上胶处理等工艺，上述方法均是通过增材或是减材技术手段来消除模型表面的层纹，有些工艺繁琐耗时，有些会降低模型的强度、尺寸和外形精度，有些会使模型丢失一些表面细节，有些则会造成一定的环境污染。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法，利用等材成形工艺对模型表面进行修形，以消除层纹，提高表面质量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高模型表面质量的3D打印系统，包括机架1，在机架1上分别安装有Y向位移装置2、Z向位移装置5、供料装置8和控制装置9，Y向位移装置2上连接有打印平台3，打印平台3在Y向位移装置2的驱动下做Y向的移动；Z向位移装置5上连接有X向位移装置6，X向位移装置6在Z向位移装置5的驱动下做Z向移动，X向位移装置6上连接有喷头装置7，喷头装置7在X向位移装置6的驱动下做X向位移，喷头装置7和供料装置8连接实现供料；
所述的喷头装置7包括喷头7-1，喷头7-1安装在X向位移装置6上，喷头7-1的侧面连接有Z向驱动装置7-2，Z向驱动装置7-2上连接有轮廓修形装置7-3。
所述的轮廓修形装置7-3包括修形球头7-3-1，修形球头7-3-1的上部轴端插入到回转轴7-3-5的内孔中，在回转轴7-3-5外圆面的下端和上端分别安装有第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12，在第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12之间安装有套筒7-3-10，第一轴承7-3-9外侧通过第一端盖7-3-17固定在壳体7-3-11下端的内孔中；第二轴承7-3-12外侧的回转轴7-3-5上端连接有第二盖板7-3-14，第二轴承7-3-12外侧通过弹簧挡圈7-3-13、第二端盖7-3-15固定在壳体7-3-11上端的内孔中；第二端盖7-3-15的上端面安装有挡圈7-3-16，挡圈7-3-16的下端连接有吊杆7-3-2，吊杆7-3-2穿过盖板7-3-14伸入到回转轴7-3-5的内孔中，然后再穿过隔热环7-3-6，吊杆7-3-2下端和石墨烯加热柱7-3-3上端连接，将石墨烯加热柱7-3-3悬吊在修形球头7-3-1的球头部内腔中，吊杆7-3-2下端的外圆面上安装有温度传感器7-3-4。
所述的修形球头7-3-1的上部轴端和回转轴7-3-5的内孔之间安装有隔热环7-3-6，修形球头7-3-1上部轴端通过紧定螺钉7-3-7固定在回转轴7-3-5上。
所述的第一端盖7-3-17下端的内孔中安装有防尘圈7-3-8。
所述的Z向驱动装置7-2包括连接体7-2-1，连接体7-2-1的上端连接有步进电机7-2-2，步进电机7-2-2的输出轴和螺杆7-2-3的上端连接，螺杆7-2-3下端连接在连接体7-2-1内侧的底端面上；连接体7-2-1内侧的上下两个端面上连接有两个导柱7-2-4，导柱7-2-4、螺杆7-2-3和壳体7-3-11连接。
所述的控制装置9分别与Y向位移装置2、Z向位移装置5、X向位移装置6、喷头7-1、Z向驱动装置7-2中的步进电机7-2-2、石墨烯加热柱7-3-3、温度传感器7-3-4和供料装置8电连接。
利用一种提高模型表面质量的3D打印系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制装置9中设置修形球头7-3-1的加热温度T，使修形球头7-3-1将与其接触的冷却固化的打印材料加热成能够修形的塑性状态；
步骤2，在控制装置9中输入修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N；
步骤3，在控制装置9中依据3D打印模型波浪式层纹上波峰与波底的高度差H，设置修形尺寸D＝0.5H；
步骤4，在3D打印模型的准备阶段，利用控制装置9启动喷头7-1加热打印线材，使打印线材处于熔融态；启动石墨烯加热柱7-3-3加热修形球头7-3-1；启动温度传感器7-3-4监测修形球头7-3-1的温度，当修形球头7-3-1的温度升至所设定的加热温度T时，控制装置9对石墨烯加热柱7-3-3的控制转换成PID控制模式，使得修形球头7-3-1的温度始终保持在加热温度T±2℃；启动步进电机7-2-2，利用螺杆7-2-3和导柱7-2-4，将轮廓修形装置7-3中的修形球头7-3-1升至Z向的最高点；
步骤5，在3D打印模型时，当喷头7-1打印完第M层后，步进电机7-2-2驱动轮廓修形装置7-3沿着Z向下降，直至修形球头7-3-1的球心与第M层所属层纹的波峰所处的水平高度一致；
步骤6，控制装置9依据修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N，以及修形尺寸D，计算获得修形球头7-3-1相对于第M层外形轮廓运动轨迹的偏置距离，控制修形球头7-3-1沿着模型第M层的外形轮廓运动；由于此时修形球头7-3-1的温度为T，能够使得第M层所属层纹上受到修形球头7-3-1挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型表面的质量得到提高；
步骤7，当第M层的修形工作结束后，控制装置9驱动喷头7-1打印第M+1层；当第M+1层打印完后，控制装置9驱动轮廓修形装置对第M+1层的轮廓进行修形；
步骤8，打印和修形工作交替进行，直至整个模型的打印和修形工作结束。
本发明的有益效果是：
本发明利用等材成形工艺，控制修形球头沿着模型的外形轮廓运动，使得层纹上受到修形球头挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型的尺寸精度和表面质量得到有效地提高；同其他解决层纹问题的方法相比，本发明的工艺方法简单，耗时少，能够强化模型的强度，不会造成材料的浪费，对环境不会造成污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明喷头装置的主视图。
图3为本发明喷头装置的俯视图。
图4为本发明轮廓修形装置的结构示意图。
图5为本发明Z向驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种提高模型表面质量的3D打印系统，包括机架1，在机架1上分别安装有Y向位移装置2、Z向位移装置5、供料装置8和控制装置9，Y向位移装置2上连接有打印平台3，打印平台3在Y向位移装置2的驱动下做Y向的移动；Z向位移装置5上连接有X向位移装置6，X向位移装置6在Z向位移装置5的驱动下做Z向移动，X向位移装置6上连接有喷头装置7，喷头装置7在X向位移装置6的驱动下做X向位移，喷头装置7和供料装置8连接实现供料。
如图2、图3所示，所述的喷头装置7包括喷头7-1，喷头7-1安装在X向位移装置6上，喷头7-1的侧面连接有Z向驱动装置7-2，Z向驱动装置7-2上连接有轮廓修形装置7-3。
如图4所示，所述的轮廓修形装置7-3包括修形球头7-3-1，修形球头7-3-1的上部轴端插入到回转轴7-3-5的内孔中，在修形球头7-3-1的上部轴端和回转轴7-3-5的内孔之间安装有隔热环7-3-6，修形球头7-3-1上部轴端通过紧定螺钉7-3-7固定在回转轴7-3-5上，在回转轴7-3-5外圆面的下端和上端分别安装有第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12，在第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12之间安装有套筒7-3-10，第一轴承7-3-9外侧通过第一端盖7-3-17固定在壳体7-3-11下端的内孔中，第一端盖7-3-17的内孔中安装有防尘圈7-3-8；第二轴承7-3-12外侧的回转轴7-3-5上端连接有第二盖板7-3-14，第二轴承7-3-12外侧通过弹簧挡圈7-3-13、第二端盖7-3-15固定在壳体7-3-11上端的内孔中，弹簧挡圈7-3-13和套筒7-3-10共同作用，将第二轴承7-3-12限位在回转轴7-3-5的外圆面上；第二端盖7-3-15的上端面安装有挡圈7-3-16，挡圈7-3-16的下端连接有吊杆7-3-2，吊杆7-3-2穿过盖板7-3-14伸入到回转轴7-3-5的内孔中，然后再穿过隔热环7-3-6，吊杆7-3-2下端和石墨烯加热柱7-3-3上端连接，将石墨烯加热柱7-3-3悬吊在修形球头7-3-1的球头部内腔中，吊杆7-3-2下端的外圆面上安装有温度传感器7-3-4。
如图5所示，所述的Z向驱动装置7-2包括连接体7-2-1，连接体7-2-1的上端连接有步进电机7-2-2，步进电机7-2-2的输出轴和螺杆7-2-3的上端连接，螺杆7-2-3下端连接在连接体7-2-1内侧的底端面上；连接体7-2-1内侧的上下两个端面上连接有两个导柱7-2-4，导柱7-2-4、螺杆7-2-3和壳体7-3-11连接。
所述的控制装置9分别与Y向位移装置2、Z向位移装置5、X向位移装置6、喷头7-1、Z向驱动装置7-2中的步进电机7-2-2、石墨烯加热柱7-3-3、温度传感器7-3-4和供料装置8电连接。
利用一种提高模型表面质量的3D打印系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制装置9中设置修形球头7-3-1的加热温度T，使修形球头7-3-1将与其接触的冷却固化的打印材料加热成能够修形的塑性状态；
步骤2，在控制装置9中输入修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N；
步骤3，在控制装置9中依据3D打印模型波浪式层纹上波峰与波底的高度差H，设置修形尺寸D＝0.5H；
步骤4，在3D打印模型的准备阶段，利用控制装置9启动喷头7-1加热打印线材，使打印线材处于熔融态；启动石墨烯加热柱7-3-3加热修形球头7-3-1；启动温度传感器7-3-4监测修形球头7-3-1的温度，当修形球头7-3-1的温度升至所设定的加热温度T时，控制装置9对石墨烯加热柱7-3-3的控制转换成PID控制模式，使得修形球头7-3-1的温度始终保持在加热温度T±2℃；启动步进电机7-2-2，利用螺杆7-2-3和导柱7-2-4，将轮廓修形装置7-3中的修形球头7-3-1升至Z向的最高点，防止在喷头7-1打印时修形球头7-3-1与模型发生碰撞；
步骤5，在3D打印模型时，当喷头7-1打印完第M层后，步进电机7-2-2驱动轮廓修形装置7-3沿着Z向下降，直至修形球头7-3-1的球心与第M层所属层纹的波峰所处的水平高度一致；
步骤6，控制装置9依据修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N，以及修形尺寸D，计算获得修形球头7-3-1相对于第M层外形轮廓运动轨迹的偏置距离，控制修形球头7-3-1沿着模型第M层的外形轮廓运动；由于此时修形球头7-3-1的温度为T，能够使得第M层所属层纹上受到修形球头7-3-1挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型表面的质量得到有效地提高；
步骤7，当第M层的修形工作结束后，控制装置9驱动喷头7-1打印第M+1层；当第M+1层打印完后，控制装置9驱动轮廓修形装置对第M+1层的轮廓进行修形；
步骤8，打印和修形工作交替进行，直至整个模型的打印和修形工作结束。

Claims (7)

1.一种提高模型表面质量的3D打印系统，包括机架(1)，其特征在于：在机架(1)上分别安装有Y向位移装置(2)、Z向位移装置(5)、供料装置(8)和控制装置(9)，Y向位移装置(2)上连接有打印平台(3)，打印平台(3)在Y向位移装置(2)的驱动下做Y向的移动；Z向位移装置(5)上连接有X向位移装置(6)，X向位移装置(6)在Z向位移装置(5)的驱动下做Z向移动，X向位移装置(6)上连接有喷头装置(7)，喷头装置(7)在X向位移装置(6)的驱动下做X向位移，喷头装置(7)和供料装置(8)连接实现供料；
所述的喷头装置(7)包括喷头(7-1)，喷头(7-1)安装在X向位移装置(6)上，喷头(7-1)的侧面连接有Z向驱动装置(7-2)，Z向驱动装置(7-2)上连接有轮廓修形装置(7-3)。
2.根据权利要求1所述的一种提高模型表面质量的3D打印系统，其特征在于：所述的轮廓修形装置(7-3)包括修形球头(7-3-1)，修形球头(7-3-1)的上部轴端插入到回转轴(7-3-5)的内孔中，在回转轴(7-3-5)外圆面的下端和上端安装有第一轴承(7-3-9)和第二轴承(7-3-12)，在第一轴承(7-3-9)和第二轴承(7-3-12)之间安装有套筒(7-3-10)，第一轴承(7-3-9)外侧通过第一端盖(7-3-17)固定在壳体(7-3-11)下端的内孔中；第二轴承(7-3-12)外侧的回转轴(7-3-5)上端连接有第二盖板(7-3-14)，第二轴承(7-3-12)外侧通过弹簧挡圈(7-3-13)、第二端盖(7-3-15)固定在壳体(7-3-11)上端的内孔中；第二端盖(7-3-15)的上端面安装有挡圈(7-3-16)，挡圈(7-3-16)的下端连接有吊杆(7-3-2)，吊杆(7-3-2)穿过盖板(7-3-14)伸入到回转轴(7-3-5)的内孔中，然后再穿过隔热环(7-3-6)，吊杆(7-3-2)下端和石墨烯加热柱(7-3-3)上端连接，将石墨烯加热柱(7-3-3)悬吊在修形球头(7-3-1)的球头部内腔中，吊杆(7-3-2)下端的外圆面上安装有温度传感器(7-3-4)。
3.根据权利要求2所述的一种提高模型表面质量的3D打印系统，其特征在于：所述的修形球头(7-3-1)的上部轴端和回转轴(7-3-5)的内孔之间安装有隔热环(7-3-6)，修形球头(7-3-1)上部轴端通过紧定螺钉(7-3-7)固定在回转轴(7-3-5)上。
4.根据权利要求2所述的一种提高模型表面质量的3D打印系统，其特征在于：所述的第一端盖(7-3-17)下端的内孔中安装有防尘圈(7-3-8)。
5.根据权利要求2所述的一种提高模型表面质量的3D打印系统，其特征在于：所述的Z向驱动装置(7-2)包括连接体(7-2-1)，连接体(7-2-1)的上端连接有步进电机(7-2-2)，步进电机(7-2-2)的输出轴和螺杆(7-2-3)的上端连接，螺杆(7-2-3)下端连接在连接体(7-2-1)内侧的底端面上；连接体(7-2-1)内侧的上下两个端面上连接有两个导柱(7-2-4)，导柱(7-2-4)、螺杆(7-2-3)和壳体(7-3-11)连接。
6.根据权利要求5所述的一种提高模型表面质量的3D打印系统，其特征在于：所述的控制装置(9)分别与Y向位移装置(2)、Z向位移装置(5)、X向位移装置(6)、喷头(7-1)、Z向驱动装置(7-2)中的步进电机(7-2-2)、石墨烯加热柱(7-3-3)、温度传感器(7-3-4)和供料装置(8)电连接。
7.利用一种提高模型表面质量的3D打印系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，在控制装置(9)中设置修形球头(7-3-1)的加热温度T，使修形球头(7-3-1)将与其接触的冷却固化的打印材料加热成能够修形的塑性状态；
步骤2，在控制装置(9)中输入修形球头(7-3-1)的球心与喷头(7-1)上喷嘴轴线的水平距离N；
步骤3，在控制装置(9)中依据3D打印模型波浪式层纹上波峰与波底的高度差H，设置修形尺寸D＝0.5H；
步骤4，在3D打印模型的准备阶段，利用控制装置(9)启动喷头(7-1)加热打印线材，使打印线材处于熔融态；启动石墨烯加热柱(7-3-3)加热修形球头(7-3-1)；启动温度传感器(7-3-4)监测修形球头(7-3-1)的温度，当修形球头(7-3-1)的温度升至所设定的加热温度T时，控制装置(9)对石墨烯加热柱(7-3-3)的控制转换成PID控制模式，使得修形球头(7-3-1)的温度始终保持在加热温度T±2℃；启动步进电机(7-2-2)，利用螺杆(7-2-3)和导柱(7-2-4)，将轮廓修形装置(7-3)中的修形球头(7-3-1)升至Z向的最高点；
步骤5，在3D打印模型时，当喷头(7-1)打印完第M层后，步进电机(7-2-2)驱动轮廓修形装置(7-3)沿着Z向下降，直至修形球头(7-3-1)的球心与第M层所属层纹的波峰所处的水平高度一致；
步骤6，控制装置(9)依据修形球头(7-3-1)的球心与喷头(7-1)上喷嘴轴线的水平距离N，以及修形尺寸D，计算获得修形球头(7-3-1)相对于第M层外形轮廓运动轨迹的偏置距离，控制修形球头(7-3-1)沿着模型第M层的外形轮廓运动；由于此时修形球头(7-3-1)的温度为T，能够使得第M层所属层纹上受到修形球头(7-3-1)挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型表面的质量得到提高；
步骤7，当第M层的修形工作结束后，控制装置(9)驱动喷头(7-1)打印第M+1层；当第M+1层打印完后，控制装置(9)驱动轮廓修形装置对第M+1层的轮廓进行修形；
步骤8，打印和修形工作交替进行，直至整个模型的打印和修形工作结束。
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