CN113910597A - 一种3d打印机及其打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种3D打印机及其打印方法，该3D打印机包括打印机底座、打印头、步进支架和/或机械臂、计算机和厚度传感器；所述的打印机底座上设置有打印工件台；所述的打印头至少为两个，能分别在打印工件台上进行线成型或面成型；所述的打印头安装在步进支架和/或机械臂上。本发明的3D打印机配置的多个打印头，在打印构件切片时，既能实现线成型，也能实现面成型，打能够数倍地提升构件的成型速度，特别有利于大型构件和构件切片图形比较规整的构件的快速成型，使增材制造能够实现快速的定制生产和批量生产。该3D打印机通过对打印头及配套工件台的调整更换，使得其可适用于目前常用的多种3D打印成型技术。

Description

一种3D打印机及其打印方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地涉及一种3D打印机及其打印方法。
背景技术
增材制造技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件的“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。
但是增材制造技术发展至今，使用的设备主要是3D打印机，存在诸多局限性：一是，打印成型的形式基本上是线成型，在成型速度方面存在瓶颈；二是，普遍配置一个打印头，对于体积较大的构件，打印成型耗时过长；三是，打印作业过程中，需要在X、Y、Z轴3个方向做出步进位移，致使3D打印机结构复杂制造成本较高。从而使增材制造难以实现批量生产，影响了增材制造技术的广泛应用。
发明内容
为解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种3D打印机及其打印方法。
本发明的3D打印机包括打印机底座、打印头、步进支架和/或机械臂、计算机和厚度传感器；所述的打印机底座上设置有打印工件台；所述的打印头至少为两个，能分别在打印工件台上进行线成型或面成型；所述的打印头安装在步进支架和/或机械臂上；所述的厚度传感器设置于打印工件台的上方，并与计算机连接。
进一步地，所述的打印头包括用于三维打印黏结成型的一号打印头和二号打印头；所述的一号打印头的一端设置有圆形喷嘴，另一端配置有挤墨装置，所述的挤墨装置将墨料通过圆形喷嘴挤出，用于在打印工件台上进行构件切片的线成型；所述的二号打印头的一端设置有矩形喷嘴，另一端配置有挤墨装置，所述的挤墨装置将墨料通过矩形喷嘴挤出，用于在打印工件台上进行构件切片的面成型。
进一步地，所述的打印头包括用于熔融沉积成型的一号打印头和二号打印头；所述的一号打印头的一端设置有圆形喷嘴，另一端配置有送丝装置，所述的送丝装置将丝料送至一号打印头的内部，用于在打印工件台上进行构件切片的线成型；所述的二号打印头的一端设置有矩形喷嘴，另一端配置有送带装置，所述的送带装置将带料送至二号打印头的内部，用于在打印工件台上进行构件切片的面成型。
进一步地，所述的打印头包括用于电子束熔丝沉积成型的三号打印头和四号打印头；所述的三号打印头配置有点热源电子束发生器和送丝装置，所述的送丝装置将丝料送至点热源电子束发生器投射在打印工作台上的点热源处，用于进行构件切片的线成型；所述的四号打印头配置有矩形热源电子束发生器和送带装置，所述的送带装置将带料送至矩形热源电子束发生器投射在打印工作台上的矩形热源处，用于进行构件切片的面成型。
进一步地，所述的打印头包括用于电子束选区熔化成型的三号打印头和四号打印头，所述的打印工作台上铺设有成型材料粉末；所述的三号打印头配置有点热源电子束发生器，所述的点热源电子束发生器将点热源投射至打印工件台上的成型材料粉末，用于进行构件切片的线成型；所述的四号打印头配置有矩形热源电子束发生器，所述的矩形热源电子束发生器将矩形热源投射至打印工件台上的成型材料粉末，用于进行构件切片的面成型。
进一步地，所述的打印头包括用于激光选区熔化成型的五号打印头和六号打印头，所述的打印工作台上铺设有成型材料粉末；所述的五号打印头配置有点热源激光发生器，所述的点热源激光发生器将点热源投射至打印工件台上的成型材料粉末，用于进行构件切片的线成型；所述的六号打印头配置有矩形热源激光发生器，所述的矩形热源激光发生器将矩形热源投射至打印工件台上的成型材料粉末，用于进行构件切片的面成型。
更进一步地，所述的面成型的矩形短边尺寸与线成型的线宽尺寸相同，所述的面成型的矩形长边尺寸至少为线成型的线宽尺寸的20倍。
更进一步地，所述的打印头均安装在步进支架上。从而安装在步进支架上的打印头可先后进行打印作业,也可在同一直线上同时进行打印作业，打印头的打印成型方向为线性的，打印成型速度极快，配合线成型打印头和面成型打印头，大大提升构件的成型速度。
更进一步地，所述的打印头均安装在机械臂上。从而安装在机械臂上的打印头可同时在不同的位置进行打印作业，打印位置十分自由，打印头可在打印工件台上自由移动，即打印头可呈线性移动也可呈曲线移动；安装在机械臂上的打印头也可先后进行打印作业，配合线成型打印头和面成型打印头，大大提升构件的成型速度。
本发明的3D打印机的打印方法，包括以下步骤：
步骤一、计算机根据构件切片的CAD构图，自动划分出构件切片的面成型选区和线成型选区；
步骤二、计算机指令用于进行面成型的打印头按照面成型选区进行打印成型，指令用于进行线成型的打印头按照线成型选区进行打印成型；
步骤三、厚度传感器将打印成型的线成型选区和面成型选区的厚度数据实时传输给计算机，计算机将厚度数据与构件切片的厚度设定值进行比对，当某个打印头打印参数出现问题，计算机实时指令该打印头调整相关工艺参数，及时达到厚度设定值，从而使所有线成型选区和面成型选区的厚度达到构件切片的厚度设定值，直到该构件切片的打印成型结束。
与现有技术相比，本发明的3D打印机配置的多个打印头，在打印构件切片时，既能实现线成型，也能实现面成型，打印头在计算机的控制下可对同一构件切片内可先后进行打印作业,也可同时进行打印作业，能够数倍地提升构件的成型速度，特别有利于大型构件和构件切片图形比较规整的构件的快速成型，使增材制造在实现快速定制生产的同时，也能够实现快速的批量生产。该3D打印机的整体结构简单，打印过程易操作；该3D打印机通过对打印头的调整更换，使得其可适用于目前常用的多种3D打印成型技术。
附图说明
图1为3D打印机的结构示意图I。
图2为3D打印机的结构示意图II。
图3为一号打印头和二号打印头的正视图和仰视图I。
图4为一号打印头和二号打印头的正视图和仰视图II。
图5为三号打印头和四号打印头的正视图和仰视图I。
图6为三号打印头和四号打印头的正视图和仰视图II
图7为五号打印头和六号打印头的正视图和仰视图。
图8为矩形喷嘴对的仰视图及其A-A截面图和B-B截面图。
图9为构件切片的线成型选区和面成型选区的示意图。
其中：1-打印机底座；1.1-打印工件台；2-一号打印头；2.1-圆形喷嘴；3-二号打印头；3.1-矩形喷嘴；4-步进支架；5-机械臂；6-计算机；7-厚度传感器；8-三号打印头；8.1-点热源电子束发生器；9-四号打印头；9.1-矩形热源电子束发生器；10-五号打印头；10.1-点热源激光发生器；11-六号打印头；10.2-矩形热源激光发生器；12-挤墨装置；13-送丝装置；14-送带装置；15-构件切片；15.1-面成型选区；15.2-线成型选区。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
下面通过具体实施例对构件切片15进行打印成型。
需要打印成型的构件切片15的结构如图9所示，经计算机分析，计算机根据构件切片15的CAD构图，可自动划分出构件切片15的面成型选区15.1和线成型选区15.2。当然，对需打印成型的其他构件也可通过计算机对其切片进行分析，对其成型选区进行划分。
实施例1
如图1所示的3D打印机，底部设置有打印机底座1，打印机底座1的顶部设置有打印工件台1.1，打印机底座1上还设置有步进支架4，一号打印头2和二号打印头3安装在步进支架4上，打印头的出料口朝向打印工件台1.1，打印头的上方设置有厚度传感器7，该厚度传感器7与计算机6相连接，以监测打印成型的厚度。
一号打印头2和二号打印头3用于三维打印黏结成型，其结构如图3所示，一号打印头2的一端设置有圆形喷嘴2.1，另一端配置有挤墨装置12，挤墨装置12将墨料通过圆形喷嘴2.1挤出，用于在打印工件台1.1上进行构件切片15的线成型选区15.2的线成型；二号打印头3的一端设置有矩形喷嘴3.1，另一端配置有挤墨装置12，挤墨装置12将墨料通过矩形喷嘴3.1挤出，用于在打印工件台1.1上进行构件切片15的面成型选区15.1的面成型。
实施例2
如图2所示的3D打印机，底部设置有打印机底座1，打印机底座1的顶部设置有打印工件台1.1，打印机底座1的两侧安装有机械臂5，一号打印头2和二号打印头3分别安装在打印机底座1两侧的机械臂5上，打印头的出料口朝向打印工件台1.1，打印头的上方设置有厚度传感器7，该厚度传感器7与计算机6相连接，以监测打印成型的厚度。
一号打印头2和二号打印头3用于三维打印黏结成型，其结构与实施例1所述相同，此处不再赘述。
实施例3
3D打印机的整体结构如图1所示，即打印头安装在步进支架4上，与实施例1相同；不同点在于打印头的结构。
该3D打印机的打印头由用于熔融沉积成型的一号打印头2和二号打印头3构成，一号打印头2和二号打印头3的结构如图4所示，一号打印头2的一端设置有圆形喷嘴2.1，另一端配置有送丝装置13，该送丝装置13将丝料送至一号打印头2的内部，用于在打印工件台1.1上进行构件切片15的线成型选区15.2的线成型；二号打印头3的一端设置有矩形喷嘴3.1，另一端配置有送带装置14，所述的送带装置14将带料送至二号打印头3的内部，用于在打印工件台1.1上进行构件切片15的面成型选区15.1的面成型。
实施例4
3D打印机的整体结构如图1所示，即打印头安装在步进支架4上，与实施例1相同；不同点在于打印头的结构。
该3D打印机的打印头由用于电子束熔丝沉积成型的三号打印头8和四号打印头9构成，三号打印头8和四号打印头9的结构如图5所示，三号打印头8配置有点热源电子束发生器8.1和送丝装置13，点热源电子束发生器8.1可在打印工作台1.1上投射出电热源，送丝装置13将丝料送至打印工作台1.1上的点热源处，用于进行构件切片15的线成型选区15.2的线成型；四号打印头9配置有矩形热源电子束发生器9.1和送带装置14，矩形热源电子束发生器9.1可在打印工作台1.1上投射出矩形热源，送带装置14将带料送至打印工作台1.1上的矩形热源处，用于进行构件切片15的面成型选区15.1的面成型。
实施例5
3D打印机的整体结构如图1所示，即打印头安装在步进支架4上，与实施例1相同；不同点在于打印头的结构。
该3D打印机的打印头由用于电子束选区熔化成型的三号打印头8和四号打印头9构成，打印工作台1.1上铺设有成型材料粉末；三号打印头8和四号打印头9的结构如图6所示，三号打印头8配置有点热源电子束发生器8.1，点热源电子束发生器8.1将点热源投射至打印工件台1.1上的成型材料粉末，用于进行构件切片15的线成型选区15.2的线成型；四号打印头9配置有矩形热源电子束发生器9.1，所述的矩形热源电子束发生器9.1将矩形热源投射至打印工件台1.1上的成型材料粉末，用于进行构件切片15的面成型选区15.1的面成型。
实施例6
3D打印机的整体结构如图1所示，即打印头安装在步进支架4上，与实施例1相同；不同点在于打印头的结构。
该3D打印机的打印头由用于激光选区熔化成型的五号打印头10和六号打印头11构成，打印工作台1.1上铺设有成型材料粉末；五号打印头10和六号打印头11的结构如图7所示，五号打印头(10)配置有点热源激光发生器10.1，点热源激光发生器10.1将点热源投射至打印工件台1.1上的成型材料粉末，用于进行构件切片15的线成型选区15.2的线成型；六号打印头11配置有矩形热源激光发生器11.1矩形热源激光发生器11.1将矩形热源投射至打印工件台1.1上的成型材料粉末，用于进行构件切片15的面成型选区15.2的面成型。
当然，上述实施例3-6所述的打印头也可如实施例2所描述的安装在机械臂5上。打印头也可既安装在步进支架4上，也安装在机械臂5上，即该3D打印机既配置有安装有打印头的步进支架4，也配置有安装有打印头的机械臂5。
该3D打印机，通过对打印头的调整更换，使得其可适用于目前常用的多种3D打印成型技术，并不局限于上述实施例所述的3D打印成型技术。
矩形喷嘴3.1的结构和剖面图如图8所示，矩形喷嘴3.1的短边尺寸和圆形喷嘴2.1的直径相同，投射在打印工件台1.1上的矩形光源的短边尺寸和投射在打印工件台1.1上的点光源的直径相同；矩形喷嘴3.1的长边尺寸至少为圆形喷嘴2.1直径的20倍，投射在打印工件台1.1上的矩形光源的长边尺寸至少为投射在打印工件台1.1上的点光源直径的20倍。另外，送带装置12输送的带料的带宽与矩形喷嘴3.1的长边尺寸或投射在打印工件台1.1上的矩形光源的长边尺寸相同，送带装置12输送的带料的带厚与圆形喷嘴2.1的直径或圆形喷嘴2.1的直径相同。概括来说就是面成型的矩形短边尺寸与线成型的线宽尺寸相同，面成型的矩形长边尺寸至少为线成型的线宽尺寸的20倍。
使用该3D打印机对构件进行打印成型的过程如下所述。
步骤一、计算机6对成型构件进行分析，根据构件切片15的CAD构图，自动划分出构件切片15的面成型选区15.1和线成型选区15.2；
步骤二、计算机6指令用于进行面成型的打印头按照面成型选区15.1进行打印成型，指令用于进行线成型的打印头按照线成型选区15.2进行打印成型；
步骤三、厚度传感器7将打印成型的线成型选区15.1和面成型选区15.2的厚度数据实时传输给计算机6，计算机6将厚度数据与构件切片15的厚度设定值进行比对，当某个打印头打印参数出现问题，如打印头的打印位置偏差造成厚度不均匀、打印头的出料量不足或者成型材料量不足造成厚度偏小、打印头出料量过多或者热源成型材料量过多造成成型厚度偏厚等等问题，计算机6实时指令该打印头调整相关工艺参数，及时达到厚度设定值，从而使所有线成型选区15.1和面成型选区15.2的厚度达到构件切片的厚度设定值，直到该构件切片15的打印成型结束。
在本具体实施方式中，构件切片15为心形。当然，构件切片15也可为其他形状。该3D打印机需要打印成型结构较为复杂的构件时，只需要通过计算机6对构件进行分析，将其切分为多个切片即可，通过切片的打印成型层层堆叠即可将该构件打印成型出来。
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D打印机，其特征在于：包括打印机底座(1)、打印头、步进支架(4)和/或机械臂(5)、计算机(6)和厚度传感器(7)；所述的打印机底座(1)上设置有打印工件台(1.1)；所述的打印头至少为两个，能分别在打印工件台(1.1)上进行线成型或面成型；所述的打印头安装在步进支架(4)和/或机械臂(5)上；所述的厚度传感器(7)设置于打印工件台(1.1)的上方，并与计算机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头包括用于三维打印黏结成型的一号打印头(2)和二号打印头(3)；所述的一号打印头(2)的一端设置有圆形喷嘴(2.1)，另一端配置有挤墨装置(12)，所述的挤墨装置(12)将墨料通过圆形喷嘴(2.1)挤出，用于在打印工件台(1.1)上进行构件切片(15)的线成型；所述的二号打印头(3)的一端设置有矩形喷嘴(3.1)，另一端配置有挤墨装置(12)，所述的挤墨装置(12)将墨料通过矩形喷嘴(3.1)挤出，用于在打印工件台(1.1)上进行构件切片(15)的面成型。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头包括用于熔融沉积成型的一号打印头(2)和二号打印头(3)；所述的一号打印头(2)的一端设置有圆形喷嘴(2.1)，另一端配置有送丝装置(13)，所述的送丝装置(13)将丝料送至一号打印头(2)的内部，用于在打印工件台(1.1)上进行构件切片(15)的线成型；所述的二号打印头(3)的一端设置有矩形喷嘴(3.1)，另一端配置有送带装置(14)，所述的送带装置(14)将带料送至二号打印头(3)的内部，用于在打印工件台(1.1)上进行构件切片(15)的面成型。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头包括用于电子束熔丝沉积成型的三号打印头(8)和四号打印头(9)；所述的三号打印头(8)配置有点热源电子束发生器(8.1)和送丝装置(13)，所述的送丝装置(13)将丝料送至点热源电子束发生器(8.1)投射在打印工作台(1.1)上的点热源处，用于进行构件切片(15)的线成型；所述的四号打印头(9)配置有矩形热源电子束发生器(9.1)和送带装置(14)，所述的送带装置(14)将带料送至矩形热源电子束发生器(9.1)投射在打印工作台(1.1)上的矩形热源处，用于进行构件切片(15)的面成型。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头包括用于电子束选区熔化成型的三号打印头(8)和四号打印头(9)，所述的打印工作台(1.1)上铺设有成型材料粉末；所述的三号打印头(8)配置有点热源电子束发生器(8.1)，所述的点热源电子束发生器(8.1)将点热源投射至打印工件台(1.1)上的成型材料粉末，用于进行构件切片(15)的线成型；所述的四号打印头(9)配置有矩形热源电子束发生器(9.1)，所述的矩形热源电子束发生器(9.1)将矩形热源投射至打印工件台(1.1)上的成型材料粉末，用于进行构件切片(15)的面成型。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头包括用于激光选区熔化成型的五号打印头(10)和六号打印头(11)，所述的打印工作台(1.1)上铺设有成型材料粉末；所述的五号打印头(10)配置有点热源激光发生器(10.1)，所述的点热源激光发生器(10.1)将点热源投射至打印工件台(1.1)上的成型材料粉末，用于进行构件切片(15)的线成型；所述的六号打印头(11)配置有矩形热源激光发生器(11.1)，所述的矩形热源激光发生器(11.1)将矩形热源投射至打印工件台(1.1)上的成型材料粉末，用于进行构件切片(15)的面成型。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的面成型的矩形短边尺寸与线成型的线宽尺寸相同，所述的面成型的矩形长边尺寸至少为线成型的线宽尺寸的20倍。
8.根据权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头均安装在步进支架(4)上。
9.根据权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于：所述的打印头均安装在机械臂(5)上。
10.一种权利要求8或9所述的3D打印机的打印方法，包括以下步骤：
步骤一、计算机(6)根据构件切片(15)的CAD构图，自动划分出构件切片(15)的面成型选区(15.1)和线成型选区(15.2)；
步骤二、计算机(6)指令用于进行面成型的打印头按照面成型选区(15.1)进行打印成型，指令用于进行线成型的打印头按照线成型选区(15.2)进行打印成型；
步骤三、厚度传感器(7)将打印成型的线成型选区(15.1)和面成型选区(15.2)的厚度数据实时传输给计算机(6)，计算机(6)将厚度数据与构件切片(15)的厚度设定值进行比对，当某个打印头打印参数出现问题，计算机(6)实时指令该打印头调整相关工艺参数，从而使所有线成型选区(15.1)和面成型选区(15.2)的厚度达到构件切片(15)的厚度设定值，直到该构件切片(15)的打印成型结束。
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