CN113733559B - 一种多平台高效材料挤出增材制造设备及分块打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多平台高效材料挤出增材制造设备及分块打印方法，所述设备包括底座，所述底座上设置有四个独立的打印平台，所述底座侧边设有导槽，用于连接第一支架并使其可以沿着导槽绕底座转动。所述第一支架上设置有可以沿着第一支架来回滑动的激光器。底座上方设置有第二支架，支架可以沿着支柱上下移动，第二支架上设置有可以沿着支架滑动的激光器。多打印平台的使用使得打印的效率大大提高。分块打印的方法可以避免大部分支撑的使用，进而可以节省打印材料，加快打印速度，并省去去除支撑的后处理步骤，提高制件表面质量。多平台分块打印还可以在不同的平台应用不同的打印材料和不同的颜色，使得制件能够更加美观和富有创造性。

Description

一种多平台高效材料挤出增材制造设备及分块打印方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种多平台高效材料挤出增材制造设备及分块打印方法。

背景技术

3D打印属于快速成型领域新兴技术，各发达国家将其作为战略发展关键，在航空航天、汽车制造、生物医学等方面广泛应用。与传统制造工艺相比，该技术集数字化控制，新型材料以及计算机辅助设计等多技术于一体，省去了产品模具加工制造环节，缩短生产周期、提高生产率、减少成本投入。3D打印技术可以分为许多种类，其中材料挤出成型技术中最为典型的一种：熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling，FDM)是操作最为简单且发展最为成熟的一种3D打印技术。随着科学技术和社会的发展，人们对产品生产效率、产品质量、外观等都提出了新的更高的要求，而传统市场上常用的单喷头FDM打印机由于种种原因，其发展和普及受到很大限制。原因总结如下：

1、打印速度慢，成型效率低。在成型加工前，由于熔融沉积成型技术需要设计并制作支撑结构，同时在加工的过程中，需要对整个轮廓的截面进行扫描和堆积，因此需要较长的成型时间。FDM成型技术相较于选择性激光融化(SLM)和立体光固化(SLA)成型技术在速度上有非常明显的劣势。过慢的成型速度和过低的成型效率给FDM成型设备的推广带来诸多困难。

2、在打印具有悬空特征的模型时需要支撑。FDM在成型悬臂结构时必须加入支撑，很多支撑非常难去除，特别是一些内部结构的支撑，而且去除支撑的过程也会影响零件的表面质量。另一方面在模型中加入支撑会使使用的材料增加，成本提高，打印所需的时间也会更长。目前存在的有效解决支撑问题的方法主要是采用水溶性支撑，可是采用水溶性支撑看似解决了支撑问题，实则又带来了很多其他方面问题。首先采用水溶性支撑就意味着要同时打印两种材料，这就要求FDM打印设备至少有两个喷头，而采用双喷头或多喷头就会带来设备定位精度差，维护复杂，故障率高等的问题。其次目前采用的水溶性支撑材料主要分为聚乙烯醇(PVA)树脂和丙烯酸类共聚物。PVA虽然溶于水但是它对保存的要求非常高，一旦暴露于空气中，PVA就会吸收空气中水分变得粘稠，从而不适用于3D打印。另外PVA材料对温度也非常敏感，如果温度过高，很容易堵塞喷嘴，而且这种材料不能牢固地粘附在印刷品上。丙烯酸类共聚物需要碱性溶液才能溶解，而且溶解时间很长。总之采用水溶性支撑材料虽然可以解决支撑问题，但是它也会带来一些设备或材料上其他的麻烦，并且材料的成本会上升，成型的时间也会更长。

3、FDM成型设备很难实现多颜色、多材料的混合打印。市面上最常见的FDM打印机是单喷头的打印机，这种打印机精度高，维护简单，但是内腔支撑很难去除，也基本只能打印单色单材料的制件。为了能够打印多色和多材料的模型件，一种方法是采用多喷头，但是多喷头会使设备成本升高，且设备定位精度差，维护复杂，故障率高。另一种方法是采用单喷头多挤出机，这种方法精度高，可以实现渐变色打印，但是它的加热模块结构很复杂，且无法打印颜色分明的图案。

以上三点原因，都非常明显地体现了现有FDM打印设备在实际打印过程中的局限性，这些原因严重影响了FDM打印设备的发展和普及。

发明内容

本发明提供了一种多平台高效材料挤出增材制造设备及分块打印方法，提高了打印速度，材料利用率，有效地避免了支撑的使用。

为达到上述目的，本发明一种多平台高效材料挤出增材制造设备，包括底座，底座上设有多个独立的打印平台，底座侧面安装有第一支架，第一支架上设置有第一激光器，底座上方设置有第二支架，第二支架上设置有第二激光器。

进一步的，第一支架为弧形，底座外侧面设置有导槽，第一支架的两端均与导槽滑动连接。

进一步的，第一激光器与第一支架滑动连接，第二激光器滑动安装在第二支架上。

进一步的，第一激光器和第二激光器均为飞秒激光器。

进一步的，第一支架与底座铰接。

进一步的，第二支架为圆环，安装在两根支柱顶部，两根支柱对称设置在底座两侧，支柱包括柱体和固定在柱体下端的圆台，圆台上端面的面积小于下端面的面。

进一步的，第二支架与两根支柱滑动连接。

进一步的，第二支架上设有两个激光器，两个激光器分别位于第二支架与支柱连接处的两侧。

一种多平台高效材料挤出分块打印方法，包括以下步骤：

步骤1、设计好零件的三维模型，然后导入切片软件；

步骤2、对设计好的三维模型进行分块，分块原则为：尽量减少或消除模型的悬空结构，在材料改变处和有特殊性能要求的部位分块；

步骤3、对分好的块进行参数设置，调整对应喷头路径，层厚，喷头、基板温度等等；

步骤4、对不同的块在切片软件中分别进行切片，导出打印机可识别的格式文件；

步骤5、将切片软件生成的文件导入各个独立的打印平台系统中，使打印平台同时打印不同的零件块；

步骤6、所有打印平台的零件块都成型后，将各个打印平台上的零件块按顺序组合成零件的形状，得到零件半成品；

步骤7、调整第一激光器和第二激光器的位置，使激光对准需要焊接或加工的位置，用第一激光器和第二激光器对零件半成品进行焊接或加工；

步骤8、重复步骤7中操作，完成零件全部位置的焊接或加工，得到整个零件。

进一步的，步骤2中，分块时，使得各块的打印时间相差尽量小。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明相较于市面上单喷头FDM打印机能大幅提高打印效率。FDM打印的速率问题一直为人所困扰，本发明通过将模型分块，并将每一块分配给一个独立的打印平台打印，待全部零件打印完毕由机械臂将各个打印完成的块叠加起来，由外部可自由移动的3个激光器对拼合处进行激光焊接得到完整的产品。这样将一个平台的打印任务分给多个单喷头打印平台去完成，再整合成一个整体，毫无疑问可以大大提高FDM打印的速度。

进一步的，第一激光器和第二激光器均为飞秒激光器，利用超快激光的优势可以进一步实现异种材料焊接，甚至直接去除支撑。

进一步的，支柱的底部为上小下大的圆台，一方面限定第二支架垂直方向上的原点，另一方面也使支柱不易晃动倾倒。

本发明采用多平台分块打印焊接的方法，将一个整体制件在适当的平面进行分块，分割为多的不需要支撑或者少支撑的块体，规避掉大部分支撑的使用，这样一方面可以节省材料和成本，另一方面可以进一步提高打印速率，降低成本，而且因为打印完成后不需要去除支撑，对零件的表面质量提高也大有帮助。

由于多平台的使用，在不同的打印平台上可以使用不同的打印材料和颜色，最后按顺序逐一焊接整合成一个整体，使得本发明可以打印出色彩更加多样，材料更加丰富，更具创造性的制件。另外随着激光技术的发展，超快激光应用越来越广泛。如果将本设备所用的激光器换成超快激光器，不仅可以焊接异种材料，拓宽材料的选择范围并获得更优异的焊接质量，还可以直接对制件表面进行抛光，雕刻，甚至可以直接去除一些无法避免的支撑而不产生热影响区影响制件质量。

随着激光技术的发展，超快激光以其超短的脉冲和极高的峰值功率正得到越来越广泛地应用。与传统激光相比，超快激光有着无材料选择性、加工精度高、热影响区域小、无毛刺和飞溅物等等的优势。将本发明中的激光器换成飞秒激光器，利用飞秒激光无材料选择性的特点可以进一步拓宽打印材料的可选择范围，例如透明材料、金属等等都可以通过超快激光焊接起来，成为打印的备选材料。另外，利用飞秒激光热影响区小可以实现“冷加工”的特点，可以用来直接去除一些通过分块仍然无法避免的支撑结构而不会造成周围部分的损坏。最后，利用飞秒激光加工精度高，无飞溅毛刺的特点可以直接用来加工制件表面，对工件表面进行抛光，又或者加工出一些打印精度达不到的微小花纹或图案，这使得制件更加美观和富有创造性。

附图说明

图1为多平台高效材料挤出增材制造设备三维图；

图2为多平台高效材料挤出增材制造设备主视图；

图3为多平台高效材料挤出增材制造设备俯视图；

图4为多平台高效材料挤出增材制造设备左视图；

图5为T型制件示意图；

图6为T型制件分成的竖长方体块示意图；

图7为T型制件分成的横长方体块示意图；

附图中：1、第一激光器；2、第一支架；3、底座；4、打印平台；5、支柱；6、固定销；7、第二激光器；8、第二支架；9、导槽；10、T型零件；11、竖向长方体块；12、横向长方体块，13、滑块。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

参照图1至图4，一种多平台高效材料挤出增材制造设备，包括底座3，所述底座截面形状为圆形，且其截面积足够大，使它能够同时布置下多个打印平台。底座3上设有四个打印平台4，四个打印平台4按照两行两列的形式排布，打印平台4包含喷头，图中未画出。四个打印平台4彼此相互独立，可以对每个打印平台4分别进行调平，升降，加热等操作。第一支架2两端设置有滑块13，底座3的外侧面设有环形导槽9，滑块13一端与半圆环形的第一支架2铰接，使得第一支架2围绕底座3的两端连接处可以在底座3上方实现180°旋转，另一端安装在导槽9中，且与导槽9组成滑动副，第一支架滑块13与导槽9的连接处可以在导槽9内沿导槽9滑动，使得第一支架2能够以底座3的圆心为圆心360°转动。第一支架2上设有一个与支架滑动连接的第一激光器1，第一激光器1可以沿着支架在底座上方180°范围内移动。

底座3两侧对称位置设置有两根支柱5，两根支柱5上安装有第二支架8，第二支架8为圆环，第二支架8与支柱5滑动连接，两根支柱5用于支撑第二支架8上下移动。当第二支架8上下移动至目标高度时，可使用卡扣将第二支架8的位置固定住。两根支柱5与底座3隔开足够的距离，使第二支架8上的激光器7能够自由移动不受阻碍。支柱5包括圆柱体和圆台，底部为成上窄下宽的锥形圆台，使得支柱能够站立得更稳。底部锥形圆台面积小的一面的面积大于上方圆柱体的截面积，这样可以限制第二支架8的最低位置，此时激光器7产生的激光束应正好与打印平台4基板相切，此时位置为第二激光器7竖直方向上0位。第二支架8上也设有两个与第二支架8滑动连接的第二激光器7，第二激光器7可以沿着第二支架8移动，但是无法穿过第二支架8与支柱5连接处，所以两个激光器7分别设于连接处两侧，分别负责连接处两侧180°范围内的焊接和加工任务。第一支架2，第二支架8，第一激光器1和两个第二激光器7以及支柱5共同构成了设备的激光焊接加工系统。

第一激光器1固定在连接件上，连接件上开设有凹槽，凹槽量侧壁上开设有安装孔，固定销6穿过安装孔，将第一激光器1安装在第一支架2上。第二激光器采用相同的方式安装在第二支架上。

优选的，所述第一激光器1和第二激光器7为飞秒激光器。

参照图5，以竖直打印一个由两个20mm×20mm×100mm的长方体构成的T形悬空结构组合件为例，一种多平台材料挤出分块打印方法，包括以下步骤：

步骤1、在计算机中通过三维绘图软件设计好T型零件10的三维模型，然后导入切片软件；

步骤2、对设计好的三维模型进行打印前分析，考虑最佳的分块方案，分块方案的原则为：分块要尽量减少或消除模型的悬空特征，在材料改变处和有特殊性能要求的部位也应该分块，另外每一块的打印时间不应相差太大，否则会影响整体效率，将需要加工的T形悬空结构件被简单的分成一竖一横两个长方体块，如图6和图7所示；

步骤3、在切片软件中对模型进行分块，对分好的两块进行参数设置，调整喷头路径，层厚，喷头、基板温度等等；

步骤4、将两个长方体块分别在切片软件中进行切片，导出打印机可识别的.stl格式文件；

步骤5、将切片软件生成的两个.stl文件分别导入两个独立的打印平台4系统中，两个平台4同时打印对应的零件块。

步骤6、待两个独立平台4上的零件块都打印完毕后，利用机械手臂将独立平台上横放打印的横向长方体块12从独立平台4上取下，接着继续由机械臂将取下的横向长方体块12准确摆放到竖向长方体块11上；

步骤7、由控制系统控制电机，并由电机驱动第一支架2，第二支架8和各支架上的第一激光器1和第二激光器7，使激光对准需要焊接或加工的位置，并调节好激光器参数，开始焊接或加工。加工过程第二支架8上两个激光器7分别在自己的半边从第二支架8与支柱5连接处沿支架8缓慢移动到另一个连接处完成180°旋转，使上下长方体贴合处可以完成360°焊接，使焊接处更加牢固可靠；

步骤8、待零件冷却后，从打印平台4上将整个零件取出，对焊接处和零件表面进行抛光，上色等后处理后，得到完好的T型制件。

采用多平台分块打印焊接的方法，首先因为多打印平台的使用，毫无疑问可以大大提高打印效率。其次通过分块多平台的打印方法可以规避掉大部分支撑的使用，这样一方面可以节省材料和成本，另一方面可以进一步提高打印速率，而且因为打印完成后不需要去除支撑，对零件的表面质量提高也大有帮助。最后还是由于多平台的使用，在不同的打印平台上可以使用不同的打印材料和颜色，使得本发明可以打印出色彩更加多样，材料更加丰富，更具创造性的制件。另外随着激光技术的发展，超快激光应用越来越广泛。如果将本设备所用的激光器换成超快激光器，不仅可以焊接异种材料，拓宽材料的选择范围并获得更优异的焊接质量，还可以直接对制件表面进行抛光，雕刻，甚至可以直接去除一些无法避免的支撑而不产生热影响区影响制件质量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多平台高效材料挤出增材制造设备，其特征在于，包括底座（3），所述底座（3）上设有多个独立的打印平台（4），所述底座（3）侧面安装有第一支架（2），所述第一支架（2）上设置有第一激光器（1），底座（3）上方设置有第二支架（8），所述第二支架（8）上设置有两个第二激光器（7）；

第一支架（2）两端设置有滑块（13），底座（3）的外侧面设有环形导槽（9），滑块（13）一端与半圆环形的第一支架（2）铰接，使得第一支架（2）围绕底座（3）的两端连接处可以在底座（3）上方实现180°旋转，另一端安装在导槽（9）中，且与导槽（9）组成滑动副，第一支架滑块（13）与导槽（9）的连接处可以在导槽（9）内沿导槽（9）滑动，使得第一支架（2）能够以底座（3）的圆心为圆心360°转动；

所述第一激光器（1）与第一支架（2）滑动连接，所述第二激光器（7）滑动安装在第二支架（8）上；

所述第二支架（8）为圆环，安装在两根支柱（5）顶部，两根所述支柱（5）对称设置在底座（3）两侧，所述支柱（5）包括柱体和固定在柱体下端的圆台，所述圆台上端面的面积小于下端面的面。

2.根据权利要求1所述的一种多平台高效材料挤出增材制造设备，其特征在于，所述第一激光器（1）和第二激光器（7）均为飞秒激光器。

3.根据权利要求1所述的一种多平台高效材料挤出增材制造设备，其特征在于，所述第一支架（2）与底座（3）铰接。

4.根据权利要求1所述的一种多平台高效材料挤出增材制造设备，其特征在于，所述第二支架（8）与两根支柱（5）滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种多平台高效材料挤出增材制造设备，其特征在于，所述第二支架（8）上设有两个第二激光器（7），两个第二激光器（7）分别位于第二支架（8）与支柱（5）连接处的两侧。

6.一种基于权利要求1所述的增材制造设备的分块打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设计好零件的三维模型，然后导入切片软件；

步骤2、对设计好的三维模型进行分块，分块原则为：尽量减少或消除模型的悬空结构，在材料改变处和有特殊性能要求的部位分块；

步骤3、对分好的块进行参数设置，调整对应喷头路径、层厚、喷头和基板温度；

步骤4、对不同的块在切片软件中分别进行切片，导出打印机可识别的格式文件；

步骤5、将切片软件生成的文件导入各个独立的打印平台（4）系统中，使打印平台（4）同时打印不同的零件块；

步骤6、所有打印平台（4）的零件块都成型后，将各个打印平台（4）上的零件块按顺序组合成零件的形状，得到零件半成品；

步骤7、调整第一激光器（1）和第二激光器（7）的位置，使激光对准需要焊接或加工的位置，用第一激光器（1）和第二激光器（7）对零件半成品进行焊接或加工；

步骤8、重复步骤7中操作，完成零件全部位置的焊接或加工，得到整个零件；

所述步骤2中，分块时，使得各块的打印时间相差尽量小。

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