CN114083794A - 一种基于可调气流的3d打印辅助支撑装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，其包括两自由度移动平台、舵机、喷嘴、喷气泵和辅助支撑控制单元；舵机固定在两自由度移动平台上，能够实现两个方向的移动；喷嘴固定在舵机上，由喷气泵供气；舵机驱动喷嘴转动，调整喷嘴与待打印件的角度，实现气流方向的改变；辅助支撑控制单元与3D打印的CAM和运动控制系统通信，用于根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的位移，实现喷气泵的喷嘴与打印机喷头的运动跟随；根据当前打印区域的成型角度生成舵机的转动方向、角度以及喷嘴喷气气流大小，实现当前打印区域的免支撑。本发明用于3D打印的工艺辅具具有良好的应用前景。

Description

一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置及打印方法

技术领域

本发明属于增材制造工艺领域，具体涉及适用于悬空结构的免固体支撑结构制造领域，具体涉及一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置及打印方法。

背景技术

三维打印技术又称增材制造技术，是一种通过连续的物理层叠加，逐层堆叠材料来生成三维实体的技术。熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling)在增材制造技术中应用最为广泛。其主要使用热塑性材料，利用材料的热熔性和熔融状态具有的流动性和粘接性，通过加热的打印喷头将熔融状态下的材料挤出，与已固化的零件或打印底板结合。然而，当前熔融沉积工艺面临的最大问题是因悬臂结构支撑造成的资源浪费。由于丝材冷却成型需要一定时间，在打印过程中由于喷头挤压和重力影响，丝材在固化过程中会出现流动现象。在FDM制造工艺过程中构建具有悬臂结构的模型时，为了保证零件顺利成型，通常需要添加支撑结构。打印支撑结构大大增加了打印时间和成本，且模型制作结束后支撑材料需要手工去除，去除难度大，造成了时间和材料的极大浪费；同时去除支撑的过程容易对模型表面造成损坏，影响模型的表面质量；一些复杂的结构中，去除内部结构的支撑也是难以解决的问题。

目前国内外关于熔融沉积成型减少支撑材料或规避支撑方法的研究有很多，但仍有各自的缺陷，如牺牲打印强度、增加打印工作量、破坏整体结构等等，并没有一个实用且通用的统一方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置及打印方法，通过该装置，能够生成跟随打印机喷嘴运动的气流，避免打印制件在打印角度过大时产生挂流现象。本发明同时提供一种采用可调气流提供辅助支撑的3D打印方法，该方法能够实现3D打印制件悬臂结构的免支撑制造，解决悬臂结构不采用支撑辅助制造时会产生的挂流问题。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，该装置包括两自由度移动平台、舵机、喷嘴、喷气泵和辅助支撑控制单元；

所述舵机固定在所述两自由度移动平台上，由所述两自由度移动平台带动所述舵机实现平行与垂直于打印平面的两个方向的移动；

所述喷嘴固定在所述舵机上，所述喷嘴由所述喷气泵供气；所述舵机驱动所述喷嘴顺时针或逆时针转动，调整所述喷嘴与待打印件的角度，实现气流方向的改变；

所述辅助支撑控制单元与3D打印的CAM和运动控制系统相互通信，用于根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的位移，实现喷气泵的喷嘴与打印机喷头的运动跟随；根据当前打印区域的成型角度生成所述舵机的转动方向、角度以及喷嘴喷气气流大小，保证打印机喷头在喷气泵喷嘴的气流覆盖范围内，实现加快熔融状态下丝材的凝固、减少丝材流动、平衡丝材自身重力、减少挂流并平衡打印件受到的来自喷头的压力，实现当前打印区域的免支撑。

优选地，所述两自由度移动平台包括相互正交的X轴移动平台和Z轴移动平台；所述X轴移动平台包括X轴导轨、X轴电机、X轴滑台；Z轴移动平台包括Z轴导轨、Z轴电机、Z轴滑台；所述X轴电机通过丝杠传动驱动所述X轴滑台移动，调整所述喷嘴距离打印件的水平距离；所述Z轴导轨固定在所述X轴滑台上，所述Z轴电机通过丝杠传动驱动所述Z轴滑台移动，调整所述喷嘴的竖直高度。

为便于调整喷喷嘴位置，实现喷嘴对打印机喷头位置的跟随，且为实现双轴滑台的电机驱动作为优选，所述X轴电机和Z轴电机为可灵活控制转速、转向和角位移的电机，电机采用直流电源驱动，且配有控制器，实现电机的转速、转向控制。

为了实现辅助气流的良好支撑，打印件固定在旋转平台上，打印过程中，打印件根据需要可旋转，使得打印喷头位于所述喷嘴喷出气流的覆盖范围内。

一种基于辅助支撑装置的3D打印方法，该方法包括如下步骤：

(1)将待打印件的STL模型导入CAM系统，CAM系统通过切片算法将STL模型转化为一系列相互平行的二维切片轮廓模型，并针对每一层二维切片轮廓模型生成打印机喷头的二维填充路径以及当前打印区域的倾斜角度；

(2)打印机喷头的运动控制系统将打印机喷头的二维填充路径插补为打印机各轴的位移运动轨迹；插补时通过C轴的补偿，尽量减小Y轴的位移；

(3)打印机运动控制系统读取一层二维切片轮廓模型后，按照填充路径开始进行填充运动；同时将打印机喷头的运动位移信息与当前打印区域的倾斜角度发送给辅助支撑控制单元；

(4)所述辅助支撑控制单元根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的位移，实现喷气泵的喷嘴与打印机喷头的运动跟随；根据当前打印区域的成型角度生成所述舵机的转动方向、角度以及喷嘴喷气气流大小，从而生成可以实现支撑3D打印悬臂结构的气流支撑；

(5)完成一层打印后，喷气泵喷嘴先回到安全位置，上升指定高度后再次接近打印机平台，重复上述步骤二到步骤四，直至打印完成。

本发明的有益效果如下：

(1)减少因生成支撑而浪费的打印材料；

(2)减少因打印支撑而消耗的时间；

(3)不用额外花费去除支撑的时间；

(4)提升打印产品的表面质量。

附图说明

图1是3D打印喷气辅助支撑装置结构示意图；

图2为两自由度移动平台以及舵机、喷嘴的装配图示意图；

图3是气流辅助支撑打印方法。

图1中，1为两自由度移动平台，2为喷气泵，3为舵机，4为喷嘴，5为辅助支撑控制单元，6为CAM+运动控制系统，7为打印机喷头，8为悬臂结构零件，9为旋转平台；101为X轴导轨，102为X轴电机，103为X轴滑台，104为Z轴导轨，105为Z轴电机，106为Z轴滑台。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和2所示，本发明的基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，包括两自由度移动平台1、舵机3、喷嘴4、喷气泵2和辅助支撑控制单元5。

两自由度移动平台1包括相互正交的X轴移动平台和Z轴移动平台；X轴移动平台包括X轴导轨101、X轴电机102、X轴滑台103；Z轴移动平台包括Z轴导轨104、Z轴电机105、Z轴滑台106；X轴电机102通过丝杠传动驱动X轴滑台103移动，调整喷嘴4距离悬臂结构零件8的水平距离；Z轴导轨104固定在X轴滑台103上，Z轴电机105通过丝杠传动驱动Z轴滑台106移动，调整喷嘴4的竖直高度。两自由度移动平台1的运动方向和运动位移由辅助支撑控制单元5控制。

喷嘴4固定在舵机上，喷嘴4由喷气泵供气。舵机驱动喷嘴4顺时针或逆时针转动，调整喷嘴4与悬臂结构零件8的角度，实现气流方向的改变。辅助支撑控制单元5可以控制舵机3的转动方向和转动角度，也可以控制喷气泵2的气流大小。

待打印的悬臂结构零件8支撑在旋转平台9上，可实现绕C轴的旋转，从而保证打印过程中，打印机喷头7沿Y的位移尽可能地小，以保证待打印的悬臂结构零件8始终在喷气泵2的喷嘴4的气流范围内；路径规划中打印路径的Y向位移尽可能采用C轴补偿的方式进行插补运算。

辅助支撑控制单元5能够与3D打印的CAM和运动控制系统相互通信，可以获得打印机喷头7的当前位置信息，以及当前打印区域模型外表面与Z轴的夹角。

3D打印的运动控制系统6针对切片软件生成的模型切片及其填充路径生成打印机各轴的运动控制代码。辅助支撑控制单元5根据打印机喷头7当前位置坐标，偏置生成喷嘴4位置坐标，并转化为X轴滑台103和Z轴滑台104的位移，实现喷气泵喷嘴4与打印机喷头7的运动跟随；辅助支撑控制单元5还根据当前打印区域所对应的STL面片与Z轴的夹角信息，生成舵机3的转动方向、角度及气流大小的控制代码，实现打印过程中在喷头7侧面添加气流辅助的功能，从而保证打印机喷头7在喷气泵喷嘴4的气流覆盖范围内，实现加快熔融状态下丝材的凝固、减少丝材流动、平衡丝材自身重力、减少挂流并平衡打印件受到的来自喷头的压力，实现当前打印区域的免支撑。

如图3所示，本发明的基于可调气流的3D打印辅助支撑打印方法，采用上述的气流辅助支撑装置，包括以下步骤：

步骤一：将待打印件的STL模型导入CAM系统，CAM系统通过切片算法将STL模型转化为一系列相互平行的二维切片轮廓模型，并针对每一层二维切片轮廓模型生成打印机喷头的二维填充路径以及确认当前打印区域的倾斜角度；

步骤二：打印机喷头的运动控制系统根据CAM生成的填充路径逐层计算插补点，该插补器在插补时保证待打印件的旋转运动平台在y方向的上位移在规定的小范围内，以满足喷气泵喷嘴4能覆盖当前打印区域；

步骤三：3D打印机接收CAM软件生成的运动控制代码，打印机喷头的运动控制系统读取一层后，按填充路径开始进行填充运动；同时，将打印机喷头的运动位移信息与当前打印区域的倾斜角度发送给辅助支撑控制单元；

步骤四：辅助支撑控制单元根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的X轴向和Z轴向位移，实现喷气泵的喷嘴4与打印机喷头的运动跟随；进而，根据当前打印区域的成型角度生成所述舵机的转动方向，调整喷嘴的转向；根据当前打印层与前序打印层的位置信息，调整气流大小；

步骤五：当一层切片打印完成后，喷气泵喷嘴4先回到安全位置，上升指定高度后再次接近打印机平台，重复上述步骤二到步骤四，直至打印完成。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，其特征在于，该装置包括两自由度移动平台、舵机、喷嘴、喷气泵和辅助支撑控制单元；

所述舵机固定在所述两自由度移动平台上，由所述两自由度移动平台带动所述舵机实现平行与垂直于打印平面的两个方向的移动；

所述喷嘴固定在所述舵机上，所述喷嘴由所述喷气泵供气；所述舵机驱动所述喷嘴顺时针或逆时针转动，调整所述喷嘴与待打印件的角度，实现气流方向的改变；

所述辅助支撑控制单元与3D打印的CAM和运动控制系统相互通信，用于根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的位移，实现喷气泵的喷嘴与打印机喷头的运动跟随；根据当前打印区域的成型角度生成所述舵机的转动方向、角度以及喷嘴喷气气流大小，保证打印机喷头在喷气泵喷嘴的气流覆盖范围内，实现加快熔融状态下丝材的凝固、减少丝材流动、平衡丝材自身重力、减少挂流并平衡打印件受到的来自喷头的压力，实现当前打印区域的免支撑。

2.根据权利要求1所述的基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，其特征在于，所述两自由度移动平台包括相互正交的X轴移动平台和Z轴移动平台；所述X轴移动平台包括X轴导轨、X轴电机、X轴滑台；Z轴移动平台包括Z轴导轨、Z轴电机、Z轴滑台；所述X轴电机通过丝杠传动驱动所述X轴滑台移动，调整所述喷嘴距离打印件的水平距离；所述Z轴导轨固定在所述X轴滑台上，所述Z轴电机通过丝杠传动驱动所述Z轴滑台移动，调整所述喷嘴的竖直高度。

3.根据权利要求1所述的基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，其特征在于，所述X轴电机和Z轴电机为可灵活控制转速、转向和角位移的电机，电机采用直流电源驱动，且配有控制器，实现电机的转速、转向控制。

4.根据权利要求1所述的基于可调气流的3D打印辅助支撑装置，其特征在于，打印件固定在旋转平台上，打印过程中，打印件根据需要可旋转，使得打印喷头位于所述喷嘴喷出气流的覆盖范围内。

5.一种基于权利要求1的辅助支撑装置的3D打印方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将待打印件的STL模型导入CAM系统，CAM系统通过切片算法将STL模型转化为一系列相互平行的二维切片轮廓模型，并针对每一层二维切片轮廓模型生成打印机喷头的二维填充路径以及当前打印区域的倾斜角度；

(2)打印机喷头的运动控制系统将打印机喷头的二维填充路径插补为打印机各轴的位移运动轨迹；插补时通过C轴的补偿，尽量减小Y轴的位移；

(3)打印机运动控制系统读取一层二维切片轮廓模型后，按照填充路径开始进行填充运动；同时将打印机喷头的运动位移信息与当前打印区域的倾斜角度发送给辅助支撑控制单元；

(4)所述辅助支撑控制单元根据当前已打印区域、打印机喷头的当前位置坐标，偏置生成喷嘴位置坐标，并转化为两自由度移动平台的位移，实现喷气泵的喷嘴与打印机喷头的运动跟随；根据当前打印区域的成型角度生成所述舵机的转动方向、角度以及喷嘴喷气气流大小，从而生成可以实现支撑3D打印悬臂结构的气流支撑；

(5)完成一层打印后，喷气泵喷嘴先回到安全位置，上升指定高度后再次接近打印机平台，重复上述步骤二到步骤四，直至打印完成。

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