CN113147021B - 一种提高fdm打印成型质量的方法及实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种提高FDM打印成型质量的方法及实现装置。该方法融合激振与点阵式滚珠同步热压实技术、并采用打印质量检测与反馈的方法，在打印丝材熔融过程、打印件成型过程等阶段综合提高成型质量；方法实现装置包括激振、同步压实、质量检测等机构。通过激振机构，在丝材熔融过程中使纤维、熔融树脂混合物产生振动，减少气孔、并提高树脂与纤维的熔融浸润性，同时降低堵头概率；通过带有滚珠的压实机构提高打印层间结合强度，实现打印过程中任意方向的即时压实，压实温度、滚珠压实面与打印成型面间的距离可以精确调节。另外，通过喷头出口处集成的质量检测机构，可以实时获得打印质量信息，并准确定位、判断缺陷，以此优化打印参数，减少质量不合格成品率。

Description

一种提高FDM打印成型质量的方法及实现装置
技术领域
本发明属于增材制造技术与复合材料交叉领域，具体涉及一种提高FDM打印成型质量的方法及实现装置。
背景技术
增材制造技术的产生与发展革新了传统制造模式，其具有快速成型复杂零件、模具，且成本低的特点。按照打印工艺的划分，可分为选择性激光烧结(Selective LaserSintering，SLS)，粉末微滴喷射(Three dimensional printing，3DP)，立体光固化(Stereolithography，SLA)、熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)、叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)、等，其中纤维增强树脂熔融沉积3D打印技术作为增材制造技术中的关键一部分，其能够实现短纤维、长纤维、连续纤维增强树脂复合材料的打印成型，在航空航天、轨道交通、体育用品等领域有着广泛的应用前景。纤维增强树脂熔融沉积3D打印，将打印物体模型进行分层，提取每层截面轮廓信息，然后按一定的路径沉积树脂或纤维增强树脂，打印成型单个截面，然后层层累加成型。
但在实际打印过程中，树脂往往存在空隙，且纤维与树脂浸润不充分，这导致打印出的复合材料强度较低；由于采用分层制造，层间结合由打印喷头运动，并挤出丝束粘结实现，新打印丝束与底层间不可避免的存在较高的温差，且层间缺少压实力，这些因素导致层间结合强度较弱，严重制约着其更加广泛的应用。同时，3D打印成型过程受多工艺参数的控制，也受打印材料体系的影响，打印过程中不可避免会出现缺陷，因此判断与定位缺陷，优化工艺参数尤为重要，如何快速、精准地实现打印缺陷判断及工艺参数的优化也成为一个亟待解决的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种提高FDM打印成型质量的方法及实现装置。该方法结合激振与点阵式同步压实技术、并采用打印质量检测与反馈的方法，在打印熔融过程、打印层间结合过程，打印成型等阶段综合提高成型质量；设计了带有激振、同步压实、质量检测等功能的实现装置，以实现上述方法。该装置设计通过在纤维与树脂熔融腔产生激振，减少树脂与纤维间的气孔、提高树脂与纤维的熔融浸润性，减少堵头概率；压实机构在丝束打印后及时对打印成型区域施加压实力，压实方向跟随打印头运动，沿任意方向，从而提高层间结合力；通过质量检测方法，实时获取打印件质量信息，并准确判断缺陷及位置，以此优化打印参数，反馈给打印机，减少质量不合格成品率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
1.一种提高FDM打印成型质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1,对打印模型进行建模，然后对模型进行分层切片，并生成相应的打印路径的G代码；
步骤2，打印机根据打印路径G代码，开始打印，当打印树脂与纤维混合物经过打印头加热熔融腔时，采用激振方式，如机械振动或超声振动等方法，使纤维与树脂产生一定幅度的振动，振动频率与振动功率根据需求调节；
步骤3，当打印丝材挤出喷口成型打印面后，按一定位置排列的压实滚珠阵列随打印运动方向即时滚压已成型面，从而提高层间结合强度，压实滚珠与打印面间的距离与压实滚珠的温度根据工艺需求调节；
步骤4，对打印面进行压实后，通过打印成型质量检测的方法，实时检测已成型区域打印质量，并准确定位、判断缺陷，以此作为依据进行分析，优化工艺参数，如激振频率幅度、压实力、喷头温度、喷头运动速度、层厚等参数调整，最后将多工艺参数反馈给打印机，协同提高打印成型质量，减少质量不合格成品率。
本发明提供了一种提高FDM打印成型质量的实现装置，具体实现装置包括：激振机构，压实机构，质量检测机构。
激振机构在融熔室附近，其采用超声波激振或机械激振，激振作用于纤维与树脂的混合物，振动频率与功率可调；
喷头出口处由压实机构环形围绕，压实机构通过压实滚珠对打印面产生滚动压力实现压实功能，在纤维束刚打印成型时，及时施加压力，压实运动沿任意运动方向；通过压实机构可以精确调节压实滚珠与打印面的距离，距离调节机构为丝杆螺母。压实机构带有自加热装置，加热方式可为热电阻加热等方式，通过加热可以调节压实滚珠温度。压实滚珠可采用金属、塑料、陶瓷等材质，采用一定数量的滚珠按矩形阵列式或圆周式的方式排列，实现对打印区域全面的压实覆盖。滚珠对打印成型面的压实力由压实过程中弹簧变形量调节。打印喷头喷口边缘，装有圆弧沿套环，减小纤维增强树脂与喷嘴间的磨损；
质量检测机构，采用超声等检测手段，实时检测打印质量，并准确判断缺陷及位置，以此优化打印参数并反馈给打印机，提高打印质量，减少质量不合格成品率。
本发明具有以下有益效果：
通过激振、同步压实、且具有打印质量检测反馈的方法在打印熔融过程、打印层间结合过程等阶段综合提高成型质量，其能够在纤维与树脂熔融过程实现树脂与纤维间的气孔减少、树脂与纤维的熔融浸润性提高，减少堵头概率；
通过滚珠同步压实，其能够在丝束打印后及时对打印成型区域施加压实力，压实滚珠与成型面间距可调，并且压实滚珠随打印方向任意运动，能够简便高效地提高层间结合力；
通过质量检测机构实时检测打印成型质量信息，并准确判断缺陷及位置，并以此优化打印参数，反馈给打印机，提高打印质量，同时减少质量不合格成品率。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图中：1、散热管；2、喉管；3、加热块；4、上固定架；5、电机固定螺钉；6、激振模块；7、减速模块；8、控制电机；9、弹簧； 10、上滚珠保持架；11、升降架；12、螺母；13、下滚珠保持架；14、滚珠；15、丝杠；16、质量探测模块；17、打印头；18、打印头喷口圆弧沿套环；19、喷头螺口；20、加热块固定螺孔；21、热电偶插孔； 22、加热电阻插孔；23、滚珠运动外轨道；24、滚珠运动内轨道；25、滚珠外保持孔；26、圆弧沿套环圆弧面。
图1打印装置主视图；
图2打印装置底部结构示意图；
图3打印装置主视图局部剖面及局部放大图；
图4加热块结构；
图5上固定架结构；
图6上滚珠保持架结构；
图7下滚珠保持架结构；
图8升降架；
图9打印头喷口圆弧沿套环；
具体实施方式
本发明提出了一种提高FDM打印成型质量的实现装置，装置包括激振机构，压实机构，质量检测机构等。
具体实施方式如以下步骤，打印开始时，纤维增强树脂丝材由散热管1顶部进入，在送丝机构的推动下，通过喉管2，至加热块3进行加热，最后通过打印头17挤出。
激振模块6产生振动，振动源可以是超声振动或机械振动，振动频率与振动功率根据需求调节，振动传递到加热块融熔室内，带动纤维与树脂一起振动，从而减少树脂与纤维间的空隙，使树脂与纤维充分浸润，同时减少堵头机率。
根据打印参数的设计及需求，选取合适的滚珠14的规格及排列方式，滚珠14由滚珠上保持架10中的滚珠外保持孔25与下滚珠保持架13中的滚珠运动外轨道23与滚珠运动内轨道24保持位置，螺母12固定在升降架11上，升降架11随螺母沿丝杠上下运动，带动上滚珠保持架10上下运动，利用三个控制电机8通过减速模块组7 带动丝杠螺母运动，根据打印需求调节滚珠14与打印成型面间的距离；弹簧9处于上固定架4与滚珠上保持架10之间，由于压缩产生弹力，并作用在上滚珠保持架10，从而使滚珠14对成型面产生一定的压实作用。
滚珠压实运动方向随打印路径移动，压实区域包含刚刚成型的纤维束区域与已成型的区域。压实温度由加热电阻通过发热，加热下固定环，将热量传递给滚珠保持架10与13，进而加热压实滚珠14，通过热电偶测量加热温度，反馈调节滚珠温度。打印过程中亦可配合外加热源打印，如激光、红外热源。
自检测装置通过质量探测模块16实现，检测采用超声，视觉等检测手段，实现实时质量及缺陷检测，质量检测包括打印纤维丝束形状轮廓、丝束间的结合状况等，缺陷包含纤维错位、层间分离、表面裂纹、翘曲等，通过反馈，调整工艺参数，并准确发现与定位缺陷位置。
打印头喷口处装有喷口圆弧沿套环18，圆弧沿套环边缘，为圆弧沿套环圆弧面26，减小纤维增强树脂与喷嘴间的磨损，使纤维树脂顺畅滑过喷口，圆弧面结构可根据实际需求柔性设计。

Claims (6)

1.一种提高FDM打印成型质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1,对打印模型进行建模，然后对模型进行分层切片，并生成相应的打印路径的G代码；
步骤2，打印机根据打印路径G代码，开始打印，当打印树脂与纤维混合物经过打印头加热熔融腔时，采用激振方式，使纤维与树脂产生一定幅度的振动，振动频率与振动功率根据需求调节；
步骤3，当打印丝材挤出喷口成型打印面后，按一定位置排列的压实滚珠阵列随打印运动方向即时滚压已成型面，从而提高层间结合强度，压实滚珠与打印面间的距离与压实滚珠的温度可根据工艺需求调节；
步骤4，对打印面进行压实后，通过打印成型质量检测的方法，实时检测已成型区域打印质量，并准确定位、判断缺陷，以此作为依据进行分析，优化激振频率幅度、压实力、喷头温度、喷头运动速度、层厚工艺参数，最后将多工艺参数反馈给打印机，协同提高打印成型质量，同时减少不合格成品率。
2.一种提高FDM打印成型质量的实现装置，其特征在于，该实现装置包括激振机构(6)，压实机构，质量检测机构(16)；
所述激振机构(6)对含有纤维与树脂的喷头熔融腔产生激振，减少树脂与纤维间的气孔、提高树脂与纤维的熔融浸润性，减少堵头概率；
所述压实机构，由压实滚珠(14)阵列跟随打印头(17)同步滚压打印成型面实现压实功能；且所述压实机构的压实滚珠(14)在丝束打印后及时对打印成型区域施加可调的压实力，压实滚珠(14)与成型面间距可调，压实滚珠(14)可采用金属、塑料、陶瓷材质，采用一定数量的滚珠按矩形阵列式或圆周阵列式排列，实现对打印区域全面的压实覆盖，滚珠对打印成型面的压实力由压实过程中弹簧(9)变形量调节；
所述质量检测机构(16)实时检测打印成型件质量信息，并准确判断缺陷及位置，以此调节优化打印参数并反馈给打印机，提高打印质量，减少质量不合格成品率。
3.根据权利要求2所述的一种提高FDM打印成型质量的实现装置，其主要特征在于，所述激振机构(6)位于加热块熔融腔(3)附近，激振作用熔融腔内至打印头(17)出口处，振动频率与振动功率根据需求调节。
4.根据权利要求2所述的一种提高FDM打印成型质量的实现装置，其特征在于，打印头(17)出口边沿处，带有圆弧沿套环(18)，使打印丝材与喷口处接触更为光滑，减少纤维磨损缺陷，圆弧沿套环(18)边沿曲面形状可根据实际需求设计，并方便更换。
5.根据权利要求2所述的一种提高FDM打印成型质量的实现装置，其特征在于，
所述压实滚珠(14)围绕打印出口周围排列，其由上滚珠保持架(10)与下滚珠保持架(13)固定位置；压实滚珠(14)在滚珠运动外轨道(23)和滚珠运动内轨道(24)上运动，下滚珠保持架(13)上的滚珠外保持孔(25)防止压实滚珠(14)脱离位置；
压实区域包含刚刚成型的纤维束区域与已成型的区域，压实温度由加热电阻通过发热，加热上滚珠保持架(10)，热量传递给下滚珠保持架(13)，进而加热压实滚珠(14)，通过热电偶测量加热温度，反馈调节滚珠温度，打印过程中亦可配合外加热源打印；
所述压实机构还包含压实滚珠(14)与打印成型面间的间距调节机构；
压实滚珠与压实打印件表面距离由可控电机(8)通过减速模块(7)带动丝杠(15)与螺母(12)自动调节，螺母(12)固定在升降架(11)上，可控电机(8)通过减速模块(7)带动丝杠(15)转动，使螺母(12)带动升降架(11)上下运动，升降架(11)上下运动从而带动上滚珠保持架(10)上下运动，上滚珠保持架(10)压缩弹簧(9)，从而产生弹力，进而转化为压实滚珠(14)对成型面的压实力。
6.根据权利要求2所述的一种提高FDM打印成型质量的实现装置，其特征在于，所述质量检测机构分布在打印头(17)周边；所述质量检测机构，通过打印质量检测机构(16)，实时检测打印质量，准确定位与判断缺陷信息，检测采用超声，视觉检测手段，以此调节优化打印参数并反馈给打印机，提高打印质量，减少质量不合格成品率。
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