CN114379078B - 沙支撑3d打印方法、设备及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沙支撑3D打印方法、设备及控制系统，选用沙子作为3D打印中工件悬挂部分的支撑材料，在3D打印过程中，先FDM打印工件，然后在工件区域外打印一层“桶状围墙”，该“桶状围墙”对沙子起到束缚作用，“桶状围墙”的半径由工件包围盒的尺寸+偏置距离得出。然后对“桶状围墙”包围的区域内并且工件区域以外的空心区域进行铺沙，铺沙结束后，FDM喷头和送沙喷头抬升一个切片高度，继续进行下一层的同样流程的3D打印，直至打印结束，沙子呈包容性结构支撑住整个工件。本发明专利具有结构轻便、安装简单、定位精度高和连续工作时间长等特点，是为满足沙支撑的FDM方式设计的一款3D打印机。

Description

沙支撑3D打印方法、设备及控制系统

技术领域

本发明涉一种沙支撑3D打印方法、设备及控制系统，属于3D打印领域设备组件技术领域。

背景技术

基于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的3D打印技术是3D打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用于打印各种复杂实物模型与工艺品。但是FDM在打印过程中，熔丝必须沉积在物体上，逐层累积，当工件结构出现悬空部分时，需要在打印过程中在悬空部分下方设置辅助支撑结构以保证工件的顺利生产，工件打印结束后再去除支撑。在去除支撑的过程中，可能出现支撑对模型本体的剥落，破碎或支撑去除不彻底等情况，导致打印功亏一篑。虽然目前出现了水溶性或其他易去除的材料可以作为支撑材料，但是该类材料与本体材料粘结性较差，而且溶解之前一般有一个溶胀的过程，有时会对制品造成一些损伤，应用受限。沙粒由于整体运动呈流体的特点，在流动中可以定量控制，同时沙粒个体是离散的，打印完成后很轻易即可去除，不会对工件产生破坏，为成为易去除的打印支撑材料提供了前提。同时，沙粒成本低，可重复使用。因此，沙支撑FDM3D打印具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有3D打印中存在的去除支撑困难和支撑材料昂贵的问题，本发明基于沙做FDM支撑的创意设计了沙支撑FDM打印方法及沙支撑3D打印机设备，主体方案如下：包括实现X、Y、Z三轴移动机构、挤丝装置和喷沙装置；各轴运动控制、运动轨迹实时显示、温度控制以及散热装置。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供沙支撑FDM打印方法是选用沙子作为3D打印中工件悬挂部分的支撑材料，在3D打印过程中，先FDM打印工件，然后在工件区域外打印一层“桶状围墙”，该“桶状围墙”对沙子起到束缚作用，工件STL模型整体尺寸的长宽最大值即是“桶状围墙”的最小半径尺寸，在实际3D打印中，“桶状围墙”和被包围的工件需要保持一定的距离，以便铺沙，该距离即为偏置距离；因此，“桶状围墙”的半径为“桶状围墙”的最小半径尺寸+偏置距离；“桶状围墙”的半径由工件包围盒的尺寸+偏置距离得出。然后对“桶状围墙”包围区域内并且工件区域以外的空心区域进行铺沙，铺沙结束后，FDM喷头和送沙喷头抬升一个切片高度，以相同的流程继续进行下一层的3D打印，直至打印结束，沙子呈包容性结构支撑住整个工件。

沙支撑FDM打印方法及沙支撑3D打印机设备，其机械结构主要涉及到传统三轴打印机X、Y、Z三轴移动模块的机械装置的设计以及喷沙装置的设计。其中X轴和Y轴采用的是同步带导轨，其形式为2条平行的Y轴导轨固定在机架上，1条X轴导轨安装在Y轴导轨上；Z轴与X、Y轴分离，安装在X、Y轴正下方，Z轴电机通过丝杆控制热床的升降。整个打印机的机架由铝型材、铝角码、T型角钢和L型角钢搭建而成，而后在机架顶部放置导轨，导轨的顶部装有步进电机，用以驱动同步带的运动。机架的两侧首先安装上两组Y轴的导轨，然后在Y轴导轨安装完毕后再在其上安装X轴导轨。在机架的下方两侧安装上两个朝上的Z轴电机，通过联轴器与竖直的两根丝杆相连，然后将热床与丝杆相连。为了保证丝杆的支撑和定位精度，在热床的四个角各穿过一根直线导轨轴承。直线导轨轴承与机架固定。喷砂装置由沙漏、漏沙管以及沙漏开关组成。沙漏开关由沙漏开关电机与沙漏挡板组成，沙漏挡板紧贴漏沙管正下方。漏沙时，沙漏开关电机带动沙漏挡板旋转90°，打开沙漏。盛在沙漏中的沙子通过漏沙管自由落入到打印基板上，通过X轴和Y轴带动到基板上的目标位置正上方进行喷沙。漏沙结束后，沙漏挡板旋回原位置，沙漏关闭。此外，挤丝装置也固定在该漏斗上。

沙支撑FDM打印方法及沙支撑3D打印机设备，其控制系统主要由运动控制模块、温度控制模块和散热模块3部分组成。其中，(1)运动控制模块包括X、Y、Z、挤丝电机和喷砂挡板开关五个轴的步进电机及其驱动器，X和Y轴两个轴正反两个方向的限位开关、运动控制卡和上位机，所述上位机中安装有基于MFC自主开发的控制软件，开发时先通过步进电机驱动器上的拨码开关设置步进电机驱动器的细分数，而后通过细分数对应的导程换算成单位位移量的脉冲数(pul/mm)，然后根据G代码指令中的各轴位移量计算出各轴所需脉冲，通过调用运动指令控制运动控制卡发出正确的脉冲数，保证各轴的控制距离与G代码中的目的位移一致。3D打印时，控制软件先读取G代码文件，对G代码文件中的指令逐行执行，直至结束。此外，为满足设备调试需要，该控制软件还具有对某轴的点动控制功能和G指令手动输入模式。该软件还具有FDM切片的运动轨迹显示窗口，通过调用运动位置查询指令获取该层X轴和Y轴的实时位置，将该点位数据保存至C++容器中，通过Opengl中的绘图指令画出容器中存放的所有的点。当该层打印结束后，清空容器，继续存放下一层X轴和Y轴的实时位置。由于查询频率较快，绘图周期极短，可以达到实时显示的效果。为了区分送沙装置的喷头轨迹以及FDM喷头轨迹，使用两种颜色进行轨迹显示。(2)温度控制模块包括热床热电偶、喷头热电偶、喷头温度传感器、热床温度传感器、喷头温控仪、热床温控仪、喷头继电器、热床继电器。喷头温度传感器和喷头继电器连接喷头温控仪，喷头温控仪连接喷头热电偶；热床温度传感器和热床继电器连接热床温控仪，热床温控仪连接热床热电偶。(3)散热模块包括风扇和风扇调速器，风扇连接风扇调速器，风扇用于给FDM五轴3D打印机喉管降温，风扇调速器用于调节风扇的速度。

有益效果

本发明在支撑形式上具有较强的创新性和前瞻性，由于支撑的离散性，3D打印结束后，很容易就可以将沙吹出掉或倒出，避免了其他支撑方式，如母材支撑中因支撑与工件粘结过于紧密导致支撑难以去除或去除支撑过程中对工件表面产生剥离甚至结构性破坏的情况，对于提高工件表面质量和复杂工件的打印具有较大意义。

设备具有结构轻便、安装简单、定位精度高和连续工作时间长等特点，自主开发的运动控制软件界面清晰，除了执行G代码文件，手动输入G代码指令、点动以及限位控制等基本控制功能外，该软件界面嵌入了刀路的实时显示窗口，面向沙支撑FDM打印方式针对性强，可对FDM打印和铺沙两种轨迹进行了不同颜色的区别显示。开始新一层的打印时，删除掉上一层的打印轨迹，此外，对于一些空走刀的轨迹进行过滤，凸显出每一层FDM打印和铺沙轨迹的图案，人机交互性好，极大地扩大了3D打印机的应用范围，提高了经济效益。

附图说明

图1为沙支撑FDM三维打印流程图；图2为打印机主视图；图3为打印机左视图；图4为打印机俯视图；图5为打印机轴测图；图6为X和Y轴导轨轴测图；图7为Z轴和抬升板轴测图；图8为喷砂装置测图；图9为抬升板主视图；图10是控制系统的总体方案设计图；图11是运动控制卡接线图，其中步进电机驱动模块、限位开关与之相连，其它均通过间接控制的形式与之连接，以实现整个控制系统的全功能；图12是运动控制系统工作流程图；图13是运动控制软件界面；图14为显示模块工作流程图；图15给出了电源组件等模块的接线图，其中包括电源、点动开关、热电偶、继电器和温控仪。

图中标记及含义：

1-L型角钢，2-铝型材直角连接件，3-铝型材，4-抬升板，5-热床，6-FDM喷嘴，7-漏沙管，8-喉管，9-风扇，10-Y型固定块，11-挤丝电机，12-X轴同步带导轨，13-弹簧，14-直线导轨轴承固定块，15-直线导轨轴承&抬升板连接块，16-直线光轴导轨，17-Z轴丝杆，18-联轴器，19-Z轴步进电机，20-X轴固定块，21-沙漏，22-沙漏挡板电机，23-Y轴同步带导轨。

具体实施方式

现将结合图1-15，对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。

如图1所示，本发明提供一种新的沙支撑FDM打印方式。在打印过程中，先FDM打印工件，然后在工件区域外打印一层“桶状围墙”，该“桶状围墙”对沙子起到束缚作用，“桶状围墙”的半径由工件包围盒的尺寸+偏置距离得出。然后对“桶状围墙”包围区域内并且工件区域以外的空心区域进行铺沙，铺沙结束后，FDM喷头和送沙喷头抬升一个切片高度，以相同的流程继续进行下一层的3D打印，直至打印结束，沙子呈包容性结构支撑住整个工件。

如图2-9所示，本发明公布了一种基于沙支撑FDM3D打印机设备的机械结构，其机械结构主要涉及到传统三轴打印机X、Y、Z三轴移动模块的机械装置的设计以及喷沙装置的设计。其中X轴和Y轴采用的是同步带导轨，其形式为2条平行的Y轴导轨固定在机架上，1条X轴导轨安装在Y轴导轨上，如图6所示；Z轴与X、Y轴分离，安装在X、Y轴正下方，Z轴电机通过丝杆控制热床的升降，如图7所示。喷砂装置包括沙漏、沙漏管以及沙漏开关(沙漏开关电机+沙漏挡板)，如图8所示。

如图2-5所示，整个打印机的机架由铝型材3、铝型材直角连接件2、T型角钢和L型角钢1搭建而成，而后在机架顶部两侧通过Y轴固定块10各安装一根Y轴同步带导轨23，在Y轴同步带导轨23的两侧各安装一个限位开关；Y轴导轨23安装完毕后再通过X轴固定块20，X轴同步带导轨12固定在Y轴同步带导轨23上，在X轴同步带导轨12的两侧各安装一个限位开关；沙漏21固定到X轴同步带导轨12上，沙漏21由3D打印而成，为树脂材料。漏沙管7通过螺纹连接到沙漏21上，沙漏开关电机22固定在沙漏21上，沙漏挡板24由于自身重量较轻且受力较小，通过胶结的形式与沙漏开关电机22的轴相连接。漏沙时，沙漏开关电机22带动沙漏挡板24旋转90°，打开沙漏21。盛在沙漏21中的沙子通过漏沙管7自由落入到打印基板上，通过X轴和Y轴带动到基板上的目标位置正上方进行喷沙。漏沙结束后，沙漏挡板旋24回原位置，沙漏21关闭。此外，沙漏21还设计了安装孔用作挤丝装置的安装。漏沙管7和FDM喷嘴6实现了在X和Y轴方向上的运动。在机架下部两侧各装有一个竖直向上的Z轴步进电机19，其通过联轴器18与Z轴丝杆17相连接；Z轴丝杆17另一端通过消间隙螺母与抬升板4连接；进而实现抬升板4在Z方向上的运动。为保证丝杆的稳定性和定位精度，在热床的四个角各穿过一根直线光轴导轨16，直线光轴导轨16与机架通过光轴固定座相连接。

如图10所示，沙支撑FDM打印方法及沙支撑3D打印机设备的控制系统主要由运动控制模块、温度控制模块和散热模块3部分组成。其中，(1)运动控制模块包括X、Y、Z、挤丝电机和沙漏开关五个轴的步进电机及其驱动器，X和Y轴两个轴正反两个方向的限位开关，运动控制卡、上位机，如图11所示；所述上位机中安装有基于MFC自主开发的控制软件，开发时先通过步进电机驱动器上的拨码开关设置步进电机驱动器的细分数，而后通过细分数对应的导程换算成单位位移量的脉冲数(pul/mm)，然后根据G代码指令中的各轴位移量计算出各轴所需脉冲，通过调用运动指令控制运动控制卡发出正确的脉冲数，保证各轴的控制距离与G代码中的目的位移一致。3D打印时，控制软件先读取G代码文件，对G代码文件中的指令逐行执行，直至结束，如图12所示。此外，为满足设备调试需要，该控制软件还具有对某轴的点动控制功能和G指令手动输入模式，如图13所示。该软件还具有FDM切片的运动轨迹显示窗口，通过调用运动位置查询指令获取该层X轴和Y轴的实时位置，将该点位数据保存至C++容器中，通过Opengl中的绘图指令画出容器中存放的所有的点。当该层打印结束后，清空容器，继续存放下一层X轴和Y轴的实时位置。由于查询频率较快，绘图周期极短，可以达到实时显示的效果。为了区分送沙装置的喷头轨迹以及FDM喷头轨迹，使用两种颜色进行轨迹显示。其区分机理主要在于对挤丝电机、Z轴电机和沙漏挡板电机的运动状态进行判断，是对某一层的3D打印轨迹进行实时显示。首先，执行该条指令时，若Z轴电机没有运动，则说明仍在该层3D打印，进而判断挤丝电机的运动状态和沙漏挡板的状态，若挤丝电机发生运动，沙漏挡板关闭，则说明目前处于FDM阶段，读取X轴和Y轴的点位并存入FDM运动轨迹容器中，通过Opengl将该FDM轨迹容器中的点位全部画出，即为该层FDM喷头轨迹；若挤丝电机不发生运动，沙漏挡板打开，则说明目前处于喷沙阶段，读取X轴和Y轴的点位并存入FDM喷头运动轨迹容器中，通过Opengl将该送沙喷头运动轨迹容器中的点位全部画出，即为该层送沙喷头运动轨迹；当该层打印结束后，Z轴发生运动并被检测到，同时清空FDM喷头轨迹容器和送沙喷头轨迹容器，此时，所有轨迹图被清空，开始存入新的数据，进行新一层的3D打印轨迹显示，流程如图14所示。

(2)沙支撑FDM3D打印机床的喷头和热床都是在限定温度下进行工作，而温度控制模块则可实现该功能。为了保证加工的可靠性和产品的制造精度，喷头和热床都是有严格的温度要求，因此在喷头和热床均连接温度传感器，温度传感器将温度信息传给温控仪，温控仪给定温度，当加热温度到达给定温度时，温控仪将传递信号给与之连接的继电器，继电器将断开电路停止加热，当温度又低于给定温度时，继电器又连接电路，热电偶继续工作。温度控制模块连接方式为：喷头温度传感器和喷头继电器连接喷头温控仪，喷头温控仪连接喷头热电偶；热床温度传感器和热床继电器连接热床温控仪，热床温控仪连接热床热电偶，接线图如图15所示。

(3)散热模块包括风扇和风扇调速器，风扇连接风扇调速器，风扇用于给FDM五轴3D打印机喉管降温，风扇调速器用于调节风扇的速度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (6)

1.基于沙支撑FDM打印方法的一种沙支撑3D打印机设备，所述沙支撑FDM打印方法选用沙子作为3D打印中工件悬挂部分的支撑材料，其特征在于，在3D打印过程中，先FDM打印工件，然后在工件区域外打印一层“桶状围墙”，该“桶状围墙”对沙子起到束缚作用，工件STL模型整体尺寸的长宽最大值即是“桶状围墙”的最小半径尺寸，在实际3D打印中，“桶状围墙”和被包围的工件需要保持一定的距离，以便铺沙，该距离即为偏置距离；因此，“桶状围墙”的半径为“桶状围墙”的最小半径尺寸+偏置距离；然后对“桶状围墙”包围区域内并且工件区域以外的空心区域进行铺沙，铺沙结束后，FDM喷头和送沙喷头抬升一个切片高度，以同样的流程继续进行下一层的3D打印，直至打印结束，沙子呈包容性结构支撑住整个工件；所述打印机设备包括X、Y、Z三轴移动模块的机械装置以及喷沙装置，所述喷沙装置包括沙漏、漏沙管以及沙漏开关；所述沙漏固定于X轴同步带导轨上，漏沙管竖直连接在沙漏的底部出口，沙漏开关设置于沙漏管底部的送沙喷头；盛在沙漏中的沙子通过漏沙管自由落入到打印基板上，通过X轴和Y轴带动到打印基板上的目标位置正上方进行喷沙；所述沙漏上设置安装孔用作挤丝装置的安装。

2.根据权利要求1所述的一种沙支撑3D打印机设备，其特征在于，所述沙漏开关包括沙漏开关电机和沙漏挡板，沙漏开关电机固定在沙漏上，沙漏挡板通过胶结的形式与沙漏开关电机的轴相连接；漏沙时，沙漏开关电机带动沙漏挡板旋转90°，打开沙漏；漏沙结束后，沙漏挡板旋回原位置，沙漏关闭。

3.根据权利要求1所述的一种沙支撑3D打印机设备，其特征在于，所述机械装置包括机架，以及安装在所述机架上的X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨，X轴导轨可沿Y轴导轨滑动，X轴导轨上安装有挤丝装置和喷沙装置，Z轴与X、Y轴分离，安装在X、Y轴下方，与抬升板相连接，抬升板上安装有热床。

4.基于权利要求1-3任一所述的3D打印机设备的一种沙支撑3D打印机设备的控制系统，其特征在于，包括运动控制模块；所述运动控制模块包括X、Y、Z、挤丝电机和沙漏开关五个轴的步进电机及其驱动器，X和Y轴两个轴正反两个方向的限位开关，运动控制卡和上位机；所述上位机中安装有控制软件，该控制软件可实现对各轴的点动控制，G代码文件读入以及限位控制；运动控制卡和上位机通过网口连接；X、Y、Z、挤丝和沙漏开关五个轴的步进电机与各自的驱动器相连接，驱动器再与运动控制卡上的脉冲和方向接口连接，X和Y轴的限位开关与运动控制卡的输入端口连接；所述控制软件还具有运动轨迹显示窗口，能够对送沙装置的喷头轨迹以及FDM喷头轨迹进行区别实时显示。

5.根据权利要求4所述的一种沙支撑3D打印机设备的控制系统，其特征在于，还包括温度控制模块，所述温度控制模块包括热床热电偶、喷头热电偶、喷头温度传感器、热床温度传感器、喷头温控仪、热床温控仪、喷头继电器、热床继电器；喷头温度传感器和喷头继电器连接喷头温控仪，喷头温控仪连接喷头热电偶；热床温度传感器和热床继电器连接热床温控仪，热床温控仪连接热床热电偶。

6.根据权利要求4所述的一种沙支撑3D打印机设备的控制系统，其特征在于，还包括散热模块，所述散热模块包括风扇和风扇调速器，风扇连接风扇调速器，风扇用于给FDM五轴3D打印机喉管降温，风扇调速器用于调节风扇的速度。

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