CN114347466A - 具有多排挤出孔的3d打印装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种具有多排挤出孔的3D打印装置及其控制方法。该3D打印装置包括：一送料装置；一输料部分，与所述送料装置相连，具有物料的入口和出口；一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与输料部分流体连通，第一排挤出孔的孔间距与第二排挤出孔的孔间距不同；一控制部分，用于控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔或第二排挤出孔与输料部分的出口流体连通，以同时挤出一排丝状的物料。本申请提供的3D打印装置中的挤出孔共用同一送料装置和输料部分，因此，能够简化3D打印装置的结构和控制方式。此外，由于该3D打印装置能够在孔间距不同的多排挤出孔之间切换，因此，可以方便地打印出密度不同的网格构件。

Description

具有多排挤出孔的3D打印装置及其控制方法

本申请要求于2020年10月12日递交的申请号为202011087628.1、申请名称为“3D打印装置及其控制方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及3D打印领域，具体涉及一种具有多排挤出孔的3D打印装置及其控制方法。

背景技术

网格构件具有轻量化、节省成本、节约原材料、承重能力强的优点，因此，在产业上具有广泛应用。

由于3D打印装置能够轻松制造出具有复杂结构的网格构件。因此，3D打印装置在制造网格构件方面有着广泛的应用。

为了打印出网格构件，现有3D打印装置通常采用多个独立的打印头同时送丝，其中不同打印头负责打印网格构件的不同部分。但是，这种3D打印装置需要为多个打印头配置各自对应的送料装置和输料部分，导致这种3D打印装置的结构和控制方式均比较复杂。

发明内容

本申请提供一种具有多排挤出孔的3D打印装置及其控制方法，以简化3D打印装置的结构和控制方式。

第一方面，提供一种具有多排挤出孔的3D打印装置，包括一送料装置，用于输送可流动的物料；一输料部分，与送料装置相连，具有物料的入口和出口；一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与输料部分流体连通，第一排挤出孔的孔间距与第二排挤出孔的孔间距不同；一控制部分，用于控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔或第二排挤出孔与出口流体连通，以同时挤出一排丝状的物料。

第二方面，提供一种具有多排挤出孔的3D打印装置的控制方法，所述3D打印装置包括：一送料装置，用于输送可流动的物料；一输料部分，与送料装置相连，具有物料的入口和出口；一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与输料部分流体连通，第一排挤出孔的孔间距与第二排挤出孔的孔间距不同；所述控制方法包括：控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔或第二排挤出孔与出口流体连通；控制与出口流体连通的一排挤出孔同时挤出一排丝状的物料。

本申请提供的具有多排挤出孔的3D打印装置中的挤出孔共用同一送料装置和输料部分，因此，能够简化3D打印装置的结构和控制方式。此外，由于该3D打印装置能够在孔间距不同的多排挤出孔之间切换，因此，可以方便地打印出密度不同的网格构件。

附图说明

图1和图2均为本申请一个实施例提供的3D打印装置的剖面图。

图3是本申请另一实施例提供的3D打印装置的剖面图。

图4是本申请一个实施例提供的内外套筒结构的侧视图。

图5是本申请又一个实施例提供的3D打印装置的剖面图。

图6是本申请又一实施例提供的3D打印装置的剖面图。

图7是本申请另一实施例提供的内外套筒结构的侧视图。

图8是本申请一个实施例提供的3D打印装置打印出的网格构件的结构示意图。

图9是本申请另一实施例提供的3D打印装置打印出的网格构件的结构示意图。

图10是本申请实施例提供的3D打印装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

网格构件具有轻量化、节省成本、节约原材料、承重能力强的优点，因此，在产业上具有广泛应用。

由于3D打印装置能够轻松制造出具有复杂结构的网格构件。因此，3D打印装置在制造网格构件方面有着广泛的应用。

为了打印出网格构件，现有3D打印装置通常采用多个独立的打印头同时送丝，其中不同打印头负责打印网格构件的不同部分。但是，这种3D打印装置需要为多个打印头配置各自对应的送料装置和输料部分，导致这种3D打印装置的结构和控制方式均比较复杂。

另外，对于一些具有复杂结构的打印头，打印网格构件更具有挑战性。例如，打印头可以采用能够支持一次性面成形的挤出口(即挤出口的长度可以随着待打印零件的截面轮廓线的变化而变化的挤出口，相关描述可以参见WO2018/205149A1，WO2020/087359A1等)。这种打印头挤出口具有一维条带特征，也就是说挤出口在一维方向的长度远大于其在另一维度上的长度，并且挤出口可以在该一维方向上随着待打印零件的截面轮廓的变化改变长度，从而形成可变长度的狭槽式挤出口，从而可以在当前成形层上通过沿着当前成形层截面轮廓的一次单向运动完成整个截面的物料填充。具有这种挤出口特征的3D打印方式一般被可以称为“熔融面沉积3D打印”(Fused sheet deposition 3D printing，简称FSD)。因此，对于FSD，通常可以实现整个截面整体的物料填充，很难打印网格构件。

针对上述问题，本申请提供了一种结构简单的3D打印装置。下面结合附图，对该3D打印装置的结构进行举例说明。

如图1和图2所示，该3D打印装置10包括一送料装置105和一输料部分103。

送料装置105可用于输送可流动的物料(或熔融态的物料)。送料装置105的类型可以根据实际需要选择，例如可以是螺杆式送料装置，也可以是液压式送料装置。

输料部分103可以与送料装置105相连(流体连通)。输料部分103包括物料的入口107和出口108。输料部分103可用于将送料装置105提供的物料输送至出料部分101。

该3D打印装置10的出料部分101可以包括第一排挤出孔102(参见图1)和第二排挤出孔106(参见图2)。输料部分103输送的物料可以通过该出料部分101的第一排挤出孔102或第二排挤出孔106向外挤出，如挤出至打印平台(图中未示出)。第一排挤出孔102和第二排挤出孔106可在不同工况下分别与输料部分103的出口108流体连通。

物料的出口108可以是一个凹槽。本申请实施例对此凹槽的截面形状不作特别限制，例如可以是一个狭长的矩形槽，也可以是梯形或其它形状。

本申请实施例对出料部分101的结构以及第一排挤出孔102和第二排挤出孔106在出料部分101上的位置不做具体的限定。例如，如图3所示，出料部分101可以为一遮挡板，设置在输料部分103的外侧。第一排挤出孔102和第二排挤出孔106可以分别设置在该遮挡板101的不同位置。

又如，如图4所示，输料部分103可以是呈圆柱形状的内筒，出料部分101为设置在内筒外部的套筒。第一排挤出孔102和第二排挤出孔106可以设置在该套筒101的周向的不同位置，且第一排挤出孔102和第二排挤出孔106均可沿套筒101的轴线排布。

第一排挤出孔102的孔间距与第二排挤出孔106的孔间距不同。例如，第一排挤出孔102的孔间距小于第二排挤出孔106的孔间距。换句话说，第一排挤出孔102中的挤出孔的排列较为密集，第二排挤出孔106中的挤出孔的排列较为稀疏。第一排挤出孔102和第二排挤出孔106的疏密度不同使得二者可用于打印不同形式的网格构件。

该3D打印装置10还包括一控制部分104。控制部分104可用于控制第一排挤出孔102或第二排挤出孔106与输料部分103的出口108流体连通，以同时挤出一排丝状的物料。例如，当希望打印如图8(b)所示的密度较大的网格结构时，可以控制孔间距较小的第一排挤出孔102与出口108流体连通，并利用该第一排挤出孔102进行逐层的3D打印；当希望打印如图8(a)所示的密度较小的网格构件时，可以控制孔间距较大的第二排挤出孔106与出口108流体连通，并利用该第二排挤出孔106进行逐层的3D打印。

控制部分104的控制方式可以有多种。例如，当出料部分101结构为如图3所示的遮挡板时，控制部分104可以控制遮挡板状的出料部分101和输料部分103相对滑动，以从第一排挤出孔102和第二排挤出孔106中选择与输料部分103的出口108流体连通的一排挤出孔。又如，当出料部分101的结构为如图4所示的套筒时，控制部分104可以控制套筒状的出料部分101和圆柱状的输料部分103相对转动，以从第一排挤出孔102和第二排挤出孔106中选择与输料部分的出口108流体连通的一排挤出孔。

3D打印装置10中的挤出孔共用同一送料装置和输料部分，因此，能够简化3D打印装置10的结构和控制方式。此外，由于该3D打印装置10能够在孔间距不同的多排挤出孔之间切换，因此，可以方便地打印出密度不同的网格构件。

控制部分104还可用于当第一排挤出孔102与输料部分103的出口108流体连通时，控制出料部分101和输料部分103沿第一方向(第一方向可以是第一排挤出孔102的排列方向或输料部分103的出口108的长度方向，即图1和图2中的x方向)相对运动。出料部分101和输料部分103之间沿第一方向相对运动，会使得第一排挤出孔101中的原本与输料部分出口108连通的一些挤出孔移动至输料部分出口108所处的区域之外，从而处于阻塞状态。因此，控制部分104的上述控制方式可以改变第一排挤出孔102中的与输料部分出口108流体连通的挤出孔的数量。这样一来，该3D打印装置10可以根据待打印的网格构件的具体结构，调整挤出孔的数量，从而提高了3D打印装置10的灵活性。

在3D打印过程中，经常需要暂停打印过程。例如，当打印到截面的轮廓边缘时，就需要暂停打印过程，把3D打印装置移动到新的打印起点位置，再继续后续打印工序。由于3D打印技术采用的物料(如高分子材料)通常具有粘弹性，当送料装置停止输送物料时，物料的流动通常不会骤然停止，这时物料就会在待打印截面的轮廓边缘之外继续堆积，破坏打印截面的轮廓形状，降低打印件的几何精度。

为了解决上述问题，在一些实施例中，当第一排挤出孔102与输料部分103的出口108流体连通时，控制部分104可以控制输料部分103和出料部分101相对运动，使得第一排挤出孔101中的所有挤出孔和输料部分出口108同时错位。

例如，在如图3所示的实施例中，控制部分104可以控制遮挡板状的出料部分101从图3(a)所示的位置滑动至图3(b)所示的位置，使得第一排挤出孔102的所有挤出孔和输料部分出口108同时错位。

又如，在如图4所示的实施例中，控制部分104可以控制内筒状的输料部分103和套筒状的出料部分101从图4(a)所示的位置转动至图4(b)的位置，使得第一排挤出孔102的所有挤出孔和输料部分103的出口108同时错位。

如图5所示，在一些实施例中，可以在输料部分103的出口108内设置第三排挤出孔109。输料部分103中的物料可以通过第三排挤出孔109挤出至输料部分103的外侧。为了使得第三排挤出孔109既能够更好地与第一排挤出孔102配合，也能够与第二排挤出孔106配合，可以将第三排挤出孔109的孔间距设计成小于或等于第一排挤出孔102和第二排挤出孔106的孔间距中的较小者。

物料通过挤出孔挤出时，阻力可能非常大，需要提供非常高的挤出压力才能将物料从挤出孔中以所需要的速率挤出，这导致整个系统的结构尺寸和能耗偏大，降低3D打印装置的经济性。由于物料通过挤出孔的阻力正比于挤出孔的深度，因此可以通过减小挤出孔深度的方法来减小挤出物料的阻力。

例如，如图6所示，在一些实施例中，可以在第三排挤出孔109上方挖一个凹槽110，这样，孔道深度就从原来的输料部分103的壁厚尺寸减小了一个槽深的尺寸，挤出孔的深度等于从凹槽110底部到输料部分103外表面之间的距离，从而减小了挤出孔的深度。本申请对凹槽110的形状和深度不做具体限定，可以根据具体情况做出选择。例如，可以将凹槽110设计成弧形凹槽。

又如，如图7所示，在另一些实施例中，可削薄套筒状出料部件101在挤出孔对应位置的厚度，以减小挤出孔深度。具体地，可以以一定的弧形削薄挤出孔所在位置的筒壁。

套筒状出料部件101的形状不必一定是圆筒形，也可以是其他的任意形状。例如，参见图7，可以将套筒状出料部件101上部设计为厚大结构，以方便在其中安装加热器111。

针对不同的外观或者结构需求，网格结构的形态也不尽相同。可通过改变3D打印装置的运动方式来实现。可选地，在打印不同层时，3D打印装置可偏转一定的角度，偏转角度的设置没有具体限制，可以是任意的偏转角度。例如，图8所示的网格结构的打印是通过在层间打印时，将3D打印装置的运动方向偏转90°而实现的。再例如，图9(a)所示的网格结构的打印是通过在层间打印时，将3D打印装置的运动方向偏转45°实现的。

此外，在一些实施例中，3D打印装置与打印平台之间可采用不同的相对运动模式，例如，在打印图9(a)所示的结构时，3D打印装置与打印平台之间的相对运动模式为直线运动模式；在打印图9(b)所示的结构时，3D打印装置与打印平台之间的相对运动模式为直线运动模式结合曲线运动模式；在打印图9(c)所示的结构时，3D打印装置与打印平台之间的相对运动模式为纯曲线运动模式。本申请实施例对于3D打印装置和打印平台之间的相对运动模式没有具体限制，不同运动模式可以自由组合，从而形成结构多样的网格构件。

本申请实施例对挤出孔的形状不做具体限定，可以是方孔，也可以圆孔。挤出孔的孔径不同，一排物料形成的打印层的厚度也会不同。因此，可以通过改变挤出孔的孔径，改变单层打印厚度。本申请实施例对孔径的具体尺寸不同限定，可以根据实际需要进行设置。例如，针对精密打印，可以采用0.1mm或更小的孔径，以形成单层打印厚度小于0.1mm的超薄打印层；又如，针对高效率打印，可以采用1mm或更大的孔径，以形成单层打印厚度在1mm以上的超厚打印层。

本申请实施例提供的3D打印装置可以指3D打印头，也可以指整个3D打印系统。该3D打印装置的控制部分可以通过软件、硬件或软硬结合的方式实现，本申请实施例对此并不限定。

上文结合图1至图9，详细描述了本申请的装置实施例。下文结合图10，描述本申请的方法实施例。应理解，方法实施例的描述与装置实施例的描述相互对应，因此未详细描述的部分可以参见前面的装置实施例。

图10是本申请实施例提供的3D打印装置的控制方法的示意性流程图。该3D打印装置包括：一送料装置，用于输送可流动的物料；一输料部分，与送料装置相连，具有物料的入口和出口；一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与输料部分流体连通，第一排挤出孔的孔间距与第二排挤出孔的孔间距不同。3D打印装置的结构可以参见前文的描述。图10的控制方法包括步骤S1010至步骤S1020。

在步骤S1010，控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔或第二排挤出孔与输料部分的出口流体连通。在步骤S1020，控制与输料部分出口流体连通的一排挤出孔同时挤出一排丝状的物料。

可选地，在一些实施例中，当所述第一排挤出孔与所述出口连通时，步骤S1010可包括：控制输料部分和出料部分沿第一方向相对运动，以改变第一排挤出孔中的与出口流体连通的挤出孔的数量，其中第一方向为第一排挤出孔的排列方向。

可选的，在一些实施例中，当第一排挤出孔与出料部分出口连通时，图10所示方法还包括：控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔移动至出口所在区域之外，以同时关断第一排挤出孔。

可选的，在一些实施例中，输料部分为呈圆柱状的内筒；出料部分为内筒的套筒，第一排挤出孔和第二排挤出孔均沿内筒的轴线方向排布，图10所示方法还包括：控制内筒和套筒沿轴线相对转动，以控制第一排挤出孔或第二排挤出孔与出料部分出口流体连通。

可选的，在一些实施例中，出料部分为一遮挡板，设置在输料部分的外侧，且与输料部分滑动连接，图10所示方法还包括：控制遮挡板和输料部分相对滑动，以控制第一排挤出孔或第二排挤出孔与出料部分出口流体连通。

可选的，在一些实施例中，3D打印装置还包括第三排挤出孔，位于出料部分出口中，且第三排挤出孔的孔间距小于或等于第一排挤出孔和第二排挤出孔中的任意一排挤出孔的孔间距，图10所示的方法还包括：控制输料部分和出料部分相对运动，使得第一排挤出孔或第二排挤出孔与第三排挤出孔流体连通。

可选的，在一些实施例中，输料部分的内部具有一凹槽，第三排挤出孔位于凹槽的下方。

Claims (14)

1.一种具有多排挤出孔的3D打印装置，其特征在于，包括：

一送料装置，用于输送可流动的物料；

一输料部分，与所述送料装置相连，具有所述物料的入口和出口；

一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与所述输料部分流体连通，所述第一排挤出孔的孔间距与所述第二排挤出孔的孔间距不同；

一控制部分，用于控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔或第二排挤出孔与所述出口流体连通，以同时挤出一排丝状的物料。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：

所述控制部分还用于当所述第一排挤出孔与所述出口连通时，控制所述输料部分和所述出料部分沿第一方向相对运动，以改变所述第一排挤出孔中的与所述出口流体连通的挤出孔的数量，其中所述第一方向为所述第一排挤出孔的排列方向。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：

所述控制部分还用于当所述第一排挤出孔与所述出口连通时，控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔移动至所述出口所在区域之外，以同时关断所述第一排挤出孔。

4.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：

所述输料部分为呈圆柱状的内筒；

所述出料部分为所述内筒的套筒，所述第一排挤出孔和所述第二排挤出孔均沿所述内筒的轴线方向排布；

所述控制部分还用于控制所述内筒和所述套筒沿所述轴线相对转动，以控制所述第一排挤出孔或第二排挤出孔与所述出口流体连通。

5.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于：

所述出料部分为一遮挡板，设置在所述输料部分的外侧，且与所述输料部分滑动连接；

所述控制部分还用于控制所述遮挡板和所述输料部分相对滑动，以控制所述第一排挤出孔或第二排挤出孔与所述出口流体连通。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的3D打印装置，其特征在于，还包括：

第三排挤出孔，位于所述出口中，且所述第三排挤出孔的孔间距小于或等于所述第一排挤出孔和所述第二排挤出孔中的任意一排挤出孔的孔间距；

所述控制部分用于控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔或第二排挤出孔与所述第三排挤出孔流体连通。

7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，所述输料部分的内部具有一凹槽，所述第三排挤出孔位于所述凹槽的下方。

8.一种具有多排挤出孔的3D打印装置的控制方法，其特征在于，所述3D打印装置包括：

一送料装置，用于输送可流动的物料；

一输料部分，与所述送料装置相连，具有所述物料的入口和出口；

一出料部分，具有第一排挤出孔和第二排挤出孔，均可与所述输料部分流体连通，所述第一排挤出孔的孔间距与所述第二排挤出孔的孔间距不同；

所述控制方法包括：

控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔或所述第二排挤出孔与所述出口流体连通；

控制与所述出口流体连通的一排挤出孔同时挤出一排丝状的物料。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述第一排挤出孔与所述出口连通时，控制所述输料部分和所述出料部分沿第一方向相对运动，以改变所述第一排挤出孔中的与所述出口流体连通的挤出孔的数量，其中所述第一方向为所述第一排挤出孔的排列方向。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述第一排挤出孔与所述出口连通时，控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔移动至所述出口所在区域之外，以同时关断所述第一排挤出孔。

11.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：

所述输料部分为呈圆柱状的内筒；

所述出料部分为所述内筒的套筒，所述第一排挤出孔和所述第二排挤出孔均沿所述内筒的轴线方向排布；

所述控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，包括：

控制所述内筒和所述套筒沿所述轴线相对转动，以控制所述第一排挤出孔或所述第二排挤出孔与所述出口流体连通。

12.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：

所述出料部分为一遮挡板，设置在所述输料部分的外侧，且与所述输料部分滑动连接；

所述控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，包括：

控制所述遮挡板和所述输料部分相对滑动，以控制所述第一排挤出孔或所述第二排挤出孔与所述出口流体连通。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的控制方法，其特征在于：

所述3D打印装置还包括：

第三排挤出孔，位于所述出口中，且所述第三排挤出孔的孔间距小于或等于所述第一排挤出孔和所述第二排挤出孔中的任意一排挤出孔的孔间距；

所述控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，包括：

控制所述输料部分和所述出料部分相对运动，使得所述第一排挤出孔或第二排挤出孔与所述第三排挤出孔流体连通。

14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述输料部分的内部具有一凹槽，所述第三排挤出孔位于所述凹槽的下方。

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