CN113386239A

CN113386239A - 多材料3d打印方法及基于该方法的微流挤出式打印机

Info

Publication number: CN113386239A
Application number: CN202110765673.6A
Authority: CN
Inventors: 段国林; 韩硕; 彭壮壮
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2041-07-07
Also published as: CN113386239B

Abstract

本发明为一种多材料3D打印方法及基于该方法的微流挤出式打印机，方法包括一、读取待打印物体的stl格式文件，对stl格式文件进行处理并切片；对打印喷头进行路径规划，得到路径信息；设置移动步长，并对路径上的点添加材料信息；二、打印机读取材料信息，令混合料填充空白流道的时段内打印喷头作空行程运动，空行程运动结束时打印喷头位于路径的起始点，打印机继续读取材料信息和开始读取路径信息，开始打印任务；三、当材料信息读取完毕后，打印机不再读取材料信息，继续读取路径信息，直到料筒内的混合料全部挤出，打印喷头完成整个打印任务。方法能够消除混合料填充空白流道过程中产生的延时误差，装置适用于陶瓷功能梯度材料。

Description

多材料3D打印方法及基于该方法的微流挤出式打印机

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体是一种多材料3D打印方法及基于该方法的微流挤出式打印机，主要用于陶瓷功能梯度材料的3D打印。

背景技术

桌面级3D打印机一般都是通过熔融堆积的方式进行打印，打印机虽然小巧轻便价格便宜，但是使用材料过于单一，只能进行单材料，即单色彩打印，难以打印功能梯度材料制成的零件。而陶瓷浆料属于非牛顿流体，并有“剪切稀化”属性，在无搅拌情况下的粘度为285pa.s，普通的3D打印机挤出高粘度的陶瓷浆料较困难。

现有的3D打印工艺都是参照单材料打印原理，打印机读取的材料信息与路径信息一一对应，材料随挤随打。由于多材料打印过程中存在混料和将材料从料筒输送至打印喷头的阶段，因此存在材料延迟现象，使打印喷头的路径信息产生偏置距离，导致打印存在延时误差。图1为双材料打印对应的材料组分发生变化的位置示意图，其中a表示理想情况下材料组分发生变化的位置示意图，b表示实际情况下材料组分发生变化的位置示意图；图中各点表示打印喷头的路径信息，在点(82.60)处，理想情况下该点的材料颜色即组分发生变化，由红变蓝，但是由于打印机存在混料以及将混合后的材料输送至打印喷头的阶段，导致材料从进料机构中挤出到再从打印喷头挤出的过程中产生了偏置距离，使得在实际打印过程中，材料组分本该在点(82.60)处发生的组分变化实际上在点(108.70)处才完全显示，而打印喷头则是按照理想情况下的路径信息运动，导致打印偏差，材料信息与路径信息未一一对应。

因此，本申请提出一种针对多材料的微流挤出式3D打印机以及打印方法，该打印机能够用于陶瓷功能梯度材料的打印，该方法能够有效避免打印喷头出现偏置距离，消除延时误差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多材料3D打印方法及基于该方法的微流挤出式打印机。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种多材料3D打印方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

一、读取待打印物体的stl格式文件，对stl格式文件进行处理并切片；对打印喷头进行路径规划，得到路径信息；设置打印喷头的移动步长，并对路径上的点添加材料信息；

二、打印机读取材料信息，假设材料进入料筒的位置至打印喷头之间的空白流道体积为V，单位时间t内从各个进料机构中挤出并进入料筒中的所有材料的体积之和恒定，且等于单位时间t内打印喷头挤出的体积v，则混合料填充空白流道所需时间T＝V/v，令时间T内打印喷头作空行程运动，空行程运动结束时打印喷头位于路径的起始点，打印机继续读取材料信息和开始读取路径信息，打印喷头挤出混合料开始打印任务；

三、当材料信息读取完毕后，打印机不再读取材料信息，继续读取路径信息，直到料筒内的混合料全部挤出，打印喷头完成整个打印任务。

基于上述方法的微流挤出式打印机，包括箱体、成型平台、混料与挤出机构和多个进料机构；进料机构、成型平台、混料与挤出机构均安装在箱体上，进料机构和混料与挤出机构连接；

所述混料与挤出机构包括连接架、二号步进电机、料筒和变径螺杆，连接架安装在箱体的上部，二号步进电机固定在连接架上，二号步进电机的输出端与变径螺杆的上端连接，变径螺杆伸入料筒内，料筒的底部设有打印喷头。

所述料筒分为上、中、下三段，上段的内径大于中段，中段的内径与下段相等，使料筒的内腔呈阶梯型。

所述变径螺杆由上至下分为连接段、混料段、压缩段和挤出段，变径螺杆由上至下的螺距逐渐减小，且大径不变，小径逐渐增大。

所述变径螺杆的连接段的末端设有圆盘，圆盘上设有多个搅拌杆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.在单材料打印过程中，材料信息与路径信息一一对应，打印喷头的材料即出即打，但是由于多材料打印过程中存在混料和将混合料输送至打印喷头的过程，若参照单材料打印工艺则会在打印初始阶段出现材料从进料机构中挤出进入料筒，但是打印喷头没有混合料挤出，导致打印喷头只移动并没有将材料挤出，产生了空行程，使打印喷头出现偏置距离，导致打印误差，降低了打印质量，因此本申请的打印方法将路径信息滞后，正常读取材料信息，使混合料填满料筒的空白流道，在此过程中令打印喷头作空行程运动，空行程运动结束后打印喷头再按照设定的路径信息移动，进行打印任务，以消除混合料填充流道过程中产生的延时误差。

2.该打印机将多种材料挤出到料筒内，并通过变径螺杆上搅拌杆将材料混合均匀，提高打印效率；变径螺杆由上至下螺距逐渐减小，且变径螺杆的小径逐渐增大，使得变径螺杆的螺槽与料筒内壁之间的间隙减小，以增加挤料过程中的压力，保证能够将粘度较高的陶瓷功能梯度材料顺利挤出。

附图说明

图1为双材料打印对应的材料组分发生变化的位置示意图；

图2为本发明方法的整体流程图；

图3为本发明的材料信息和路径信息的示意图；

图4为本发明的3D打印机的整体结构示意图；

图5为本发明的3D打印机的进料机构和混料与挤出机构的连接示意图；

图6为本发明的3D打印机的成型平台的结构示意图；

图7为本发明的变径螺杆的结构示意图；

图8为本发明的变径螺杆与料筒的装配图；

附图标记为：1-进料机构；2-箱体；3-成型平台；4-混料与挤出机构；

101-一号步进电机；102-丝杠滑台；103-注射器；104-注射器支架；105-注射器推动块；

301-成型平台本体；302-固定架；303-X向直线滑台；304-Y向直线滑台；305-Z向直线滑台；

401-连接架；402-二号步进电机；403-料筒；404-变径螺杆；404-1、圆盘；404-2、搅拌杆。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明为一种多材料3D打印方法(简称方法，参见图2-3)，包括以下内容：

一、读取待打印物体的stl格式文件，对stl格式文件进行数据处理，然后对处理后的待打印物体进行切片；根据待打印物体的结构对打印喷头进行路径规划，得到打印喷头的路径信息，即成型平台的路径信息；设置路径上的移动步长，并对路径上的点添加材料信息；移动步长是指打印喷头每次移动的距离，根据多种材料混合后的颜色变化设置移动步长大小。

二、打印机读取材料信息，假设材料进入料筒的位置至打印喷头之间的流道体积为V，即打印初始阶段空白流道体积，混合料全部充满空白流道后才开始打印；单位时间t内从各个进料机构中挤出并进入料筒中的所有材料的体积之和恒定，且等于单位时间t内打印喷头挤出的体积v，打印喷头移动速度恒定，则混合料填充空白流道所需时间T＝V/v，令时间T内打印喷头作空行程运动，即在打印喷头的打印路径前插入空行程路径，在空行程运动过程中，打印机按顺序读取材料信息及空行程坐标，打印喷头只按照空行程路径移动不进行打印任务，空行程运动结束时打印喷头位于路径的起始点处，空行程运动结束后打印机继续读取材料信息和开始读取打印的路径信息，使打印喷头按照设定的路径信息移动，进行打印任务；

令单位时间内打印喷头移动的距离为d，时间T内打印喷头产生的偏置距离S＝d*(T/t)。

打印喷头的空行程运动相当于将路径信息滞后，使打印机读取到的材料信息和路径信息不同步，实际上打印过程是按照设定的材料信息和路径信息一一对应进行的。

要想实现在指定的位置点沉积指定的材料组分，须消除偏移量的影响，通常情况下采用将控制材料组分的G代码命令提前发送的方式，即补偿偏移量。具体来讲，在不改变原代码中位置代码“x_y_z_”的前提下，将原本组分改变位置点对应的材料组分代码“Ei_”往前提，两条代码之间的距离为偏移距离，而原本命令发送位置点的材料组分代码也前提相同距离。最终得到的实际功能梯度材料坯体挤出打印成形控制G-code代码为空间K点的空间绝对坐标信息与J点的材料组分配比信息相组合。

三、当材料信息读取完毕后，打印机不再读取材料信息，继续读取路径信息，打印机的变径螺杆继续转动，将料筒内的混合料全部挤出，直到打印喷头完成整个打印任务。

按照常规的3D打印方法，打印机随读随打，当材料信息读取完毕后，打印喷头不再运动，实际上当打印机读取完毕全部材料信息，此时最后一部分材料进入料筒，还未到达打印喷头，待打印物体尚未打印完成，则需要变径螺杆继续转动，将料筒内最后一部分混合料挤出，打印喷头则继续按照设定的路径信息完成最后一部分打印任务，因此在打印最后阶段打印机读取的仅有路径信息，不再读取到任何的材料信息，所以该阶段打印机只有打印动作，不再有材料从进料机构挤出进入料筒的动作。

基于上述方法的微流挤出式打印机(简称打印机，参见图4-8)，包括箱体2、成型平台3、混料与挤出机构4和多个进料机构1(本实施例包含两个)；进料机构1、成型平台3和混料与挤出机构4均安装在箱体2上，进料机构1和混料与挤出机构4连接；

所述混料与挤出机构4包括连接架401、二号步进电机402、料筒403和变径螺杆404，连接架401安装在箱体2的上部，二号步进电机402固定在连接架401上，二号步进电机402的输出端通过联轴器与变径螺杆404的上端连接，变径螺杆404伸入料筒403内，料筒403通过螺栓固定在连接架401上，料筒403的底部螺纹连接有打印喷头，材料进入料筒403后通过变径螺杆404进行搅拌并挤出；本装置配套设有不同型号的打印喷头，可以根据需求更换打印喷头；

所述进料机构1包括一号步进电机101、丝杠滑台102、注射器103、注射器支架104和注射器推动块105；注射器支架104和丝杠滑台102均安装在箱体2上，注射器103安装在注射器支架104上，注射器103的出料口与料筒403的进料口连接；注射器推动块105与丝杠滑台102的滑块连接，注射器推动块105与注射器103的活塞杆接触，通过丝杠滑台102带动注射器推动块105运动，进而推动注射器103的活塞杆运动，将材料从注射器103中挤入到料筒403中；

所述成型平台3包括成型平台本体301、固定架302、X向直线滑台303、Y向直线滑台304和Z向直线滑台305，两个Z向直线滑台305呈对角安装在箱体2的底板上，每个Z向直线滑台305分别通过固定架302安装有X向直线滑台303，Y向直线滑台304的两端分别与两个X向直线滑台303连接，成型平台本体301安装在Y向直线滑台304上，成型平台本体301在X向直线滑台303、Y向直线滑台304和Z向直线滑台305的作用下完成沿三轴方向的运动。

所述料筒403分为上、中、下三段，上段的内径大于中段，中段的内径与下段相等，使料筒403的内腔呈阶梯型；上段用于混料，中段和下段用于输料。

所述变径螺杆404由上至下分为连接段、混料段、压缩段和挤出段，连接段用于与二号步进电机402连接；混料段用于将多种材料混合均匀，压缩段用于混合料的压缩与加压，挤出段用于将混合料从打印喷头挤出；变径螺杆404由上至下的螺距逐渐减小，且大径不变，小径逐渐增大，即螺槽的槽深由上至下逐渐减小，使得螺槽与料筒403内壁之间的间隙变小，变径螺杆404与料筒403内壁之间的压力增大，以保证高固含量的陶瓷浆料能够从打印喷头中挤出；连接段的末端设有圆盘404-1，圆盘404-1上设有多个沿轴向的且位于混料段的搅拌杆404-2；当变径螺杆404安装在料筒403内时，搅拌杆404-2位于料筒403的上段，变径螺杆404与料筒403的中、下段间隙配合，变径螺杆404转动过程中通过搅拌杆404-2对陶瓷浆料进行搅拌混合均匀，在变径螺杆404的传动作用下，混合料沿着变径螺杆404的螺槽流动，并从打印喷头处挤出。连接段为光轴，混料段、压缩段和挤出段均为矩形螺纹，连接段、混料段、压缩段和挤出段的长度分别占变径螺杆长度的28％、36％、24％、12％；混料段、压缩段和挤出段的螺槽深度分别为0.25D、0.16D、0.065D，D为变径螺杆大径。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims

1.一种多材料3D打印方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

2.根据权利要求1所述的多材料3D打印方法，其特征在于，移动步长根据多种材料混合后的颜色变化设置。

3.一种基于多材料3D打印方法的微流挤出式打印机，包括箱体、成型平台、混料与挤出机构和多个进料机构；进料机构、成型平台、混料与挤出机构均安装在箱体上，进料机构和混料与挤出机构连接；

4.根据权利要求3所述的打印机，其特征在于，所述料筒分为上、中、下三段，上段的内径大于中段，中段的内径与下段相等，使料筒的内腔呈阶梯型。

5.根据权利要求3所述的打印机，其特征在于，所述变径螺杆由上至下分为连接段、混料段、压缩段和挤出段，变径螺杆由上至下的螺距逐渐减小，且大径不变，小径逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的打印机，其特征在于，变径螺杆的连接段的末端设有圆盘，圆盘上设有多个搅拌杆。