CN115195106A - 一种垂直方向堆叠成型的打印工艺 - Google Patents
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Abstract
一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，包括以下步骤：步骤1：根据打印工艺限制对打印件的外形数据进行分析及修改；步骤2：原材料的烘干；FDM打印前先需对所要打印的材料进行烘干处理，烘干温度及时间不宜过高过长，部分高温材料对烘干要求较高，烘干设备还需有热风循环及除湿干燥功能；步骤3：将烘干的原材料输送到专用的挤出机机构内，用分段加热的方式，通过设定合适的挤出温度，使塑料变为熔融状态，再用螺杆输送的方式挤出；步骤4：铺设用于打印的打印底板，并确认打印温度湿度环境是否适合打印；步骤5：调试合适打印参数并进行实际打印。本发明大大增强了与截面垂直的方向的强度，成型大大加强，可进行大构件打印。
Description
技术领域
本发明属于打印工艺技术领域，属于应用于FDM的垂直方向堆叠成型的打印工艺技术，尤其是一种垂直方向堆叠成型的打印工艺。
背景技术
使用热塑性塑料复合材料颗粒进行融溶，堆叠成型的3D打印工艺。根据各材料的耐温性能，机械力学性能等技术指标，制造耐温最高可到180℃，耐压0.6Mpa。用于替代传统金属模具(主要是热压罐成型模具)，并广泛运用于汽车，航空航天等多个领域。
相对于传统的车铣刨磨这类去除法加工工艺，3D打印的典型特点是采用逐层累积材料的一种材料添加法加工工艺。
FDM一般在国内翻译为熔融层积成型工艺，该工艺于1988年由Scott Crump发明。
工艺方式是通过多段加热熔融挤出热塑性材料，再堆叠成型的一种3D打印工艺，ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PC(聚碳酸酯)、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。打印方式为从下向上堆积方式的一种增材工艺手段，每一个层片都是在下一层上堆积而成，下一层对当前层起到定位和支撑的作用。
传统的FDM打印将低熔点丝状材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，并在1/10s内迅速凝固，每完成一层成型，工作台便下降一层高度，喷头再进行下一层截面的扫描喷丝，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
传统的FDM线材打印有以下技术缺陷：
(1)与截面垂直的方向强度小；
(2)成型速度相对较慢，不适合构建大型零件；
(3)原材料价格昂贵，热塑性原材料需先制作成成卷的线材再提供给对应的3D打印设备进行打印，增加了成本。且很难使用复合纤维材料，材料表面硬度及强度较低。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种垂直方向堆叠成型的打印工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，利用热塑性复合材料颗粒的线材，热塑性复合材料颗粒主基材为热塑性塑料，使用碳纤维或玻璃纤维作为辅助材料；将热塑性复合材料颗粒在要求的环境及设备内进行烘干去水分，将烘干准备好的原材料通过专用输送机构，输送至挤出机，挤出机采用多段加热的方式将输送入内的原材料加热至融熔状态，再通过内部的挤出螺杆将融熔的材料，再使用搭载的专用的打印挤出设备的3D打印机，进行3D打印；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据打印工艺限制对打印件的外形数据进行分析及修改；
步骤2：原材料的烘干；FDM打印前先需对所要打印的材料进行烘干处理，烘干温度及时间不宜过高过长，部分高温材料对烘干要求较高，烘干设备还需有热风循环及除湿干燥功能；
步骤3：将烘干的原材料输送到专用的挤出机机构内，用分段加热的方式，通过设定合适的挤出温度，使塑料变为熔融状态，再用螺杆输送的方式挤出；
步骤4：铺设用于打印的打印底板，并确认打印温度湿度环境是否适合打印；
步骤5：调试合适打印参数并进行实际打印；其温度可通过热成像摄像头监控，温度数值比各材料的维卡软化温度再降低20℃。
本发明和现有技术相比，其优点在于：
优点(1)，大大增强了与截面垂直的方向的强度，成型大大加强，成型打印速度最大可达12000mm/min，传统的方式受限于原材料输送加热等原因，打印速度最高只可达1500mm/min。且新方式可进行大构件打印，最大可打印件长宽高为：10m×4m×2.5m，是传统方式的数十倍。
优点(2)，原材料不用做成线材再提供给3D打印设备进行打印，降低了原材料的价格，且可使用复合增强材料，可增强打印件的表面硬度和强度，表面硬度最高可达邵氏硬度85D。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的最大的斜角打印能力限制能力示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，采用附图1，所示的热塑性复合材料颗粒替代原有的线材，该材料主基材为热塑性塑料，使用碳纤维或玻璃纤维作为辅助材料，提高打印后材料的各项力学性能，包括表面硬度，强度等。
将该材料在要求的环境及设备内进行烘干去水分。再使用搭载的专用的打印挤出设备的3D打印机，进行3D打印。先将烘干准备好的原材料通过专用输送机构，输送至挤出机，挤出机采用多段加热的方式将输送入内的原材料加热至融熔状态，再通过内部的挤出螺杆将融熔的材料。
一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，主要包括以下步骤：
步骤1：根据打印工艺限制对打印件的外形数据进行分析及修改。
线宽及层高的选择，所选则的层高范围在3-6mm，线宽范围在10-25mm。
线宽与层高比例关系，线宽需大于层高，线宽尽量需在层高的2倍以上，一般采用3mm。
当然在进行打印切片时，既制定打印线宽层高时，还需为后续CNC工序考虑，将打印完的工件，CNC加工去除层纹，达到要求的精度，再考虑预处理时造成的内应力变形，拐角的补偿机制及其他诸如拐角补偿，CNC工序的装夹等误差因素，一般需预留5-6mm的加工余量，那么我们假设打印时预留线宽是18mm，加工最后得到的线宽是12mm，在切片乃至上一节提到的模具设计时都需考虑该因素，目前建议模具打印时，模具面线宽在18mm至24mm之间，cnc加工后线宽尽量保证12mm以上。
最大的斜角打印能力限制，根据最大的斜角打印能力限制能力限制，分析打印模型，并进行修调。
将打印件剖开，为保证在打印过程中，那么在不做支撑，及其他额外处理的情况下，打印层不至于从下一层情况下滑落，掉落造成打印件塌陷变形等问题，则必须打支撑或采取其他手段进行打印。
一般来说不希望在打印当前层时，喷嘴悬空在下一层料层外进行打印。
那么可以根据层高，线宽进行如下运算，计算出大致的最大悬垂角度。
tan(最大悬垂角)＝(线宽/2-喷嘴口径半径-层高/2-安全余量)/层高。
安全余量和实际所用打印时的材料在熔融状态下挤出时的粘流度有直接关系，一般粘流度越低，所取值越小，反之越大，一般PC类材料该安全余量取3至5，ASA类可取0至3。
另实际打印中，圆弧拐角的位置的最大悬垂角还需在该基础上缩小5-8度，这是由于喷嘴的底平面离整形机构的拍击平面有一定的高度差，料线落下的同时，设备在走圆弧类及nurbs曲线类插补动作，受向心力影响，料线落下时会往一边甩动，实际打出的斜坡角会略大于理论，因此要做一定的补偿，这一般会在高速运动打印小圆弧拐角情况下出现(向心力较大)。
以打印线宽18mm，层高3mm为例，计算出的最大悬垂角在48度左右，打印直线部分无问题，打印圆弧拐角部分，最大悬垂角一般只能在40度至43度以内。
步骤2：原材料的烘干
FDM打印前先需对所要打印的材料进行烘干处理，目的是为了防止在打印过程中有因水分造成的挤出膨胀，料线中有气孔等不良现象。因各材料属性差异及适用范围的差异，因此烘干温度时长不一，具体参数及环境要求如下：
烘干温度及时间不宜过高过长，否则部分容易产生软化结块现象，以至于影响材料的正常输送及打印，部分高温材料对烘干要求较高，烘干设备还需有热风循环及除湿干燥功能。
步骤3：将烘干的原材料输送到挤出机构，分段加热，融熔挤出。
在专用的挤出机机构内，用分段加热的方式，通过设定合适的挤出温度。，使塑料变为熔融状态，再用螺杆输送的方式挤出。
步骤4：铺设用于打印的打印底板，并确认打印温度湿度环境是否适合打印。
打印区间的温度湿度环境尽量需保证在25℃至35℃，无对流强风，干燥的环境下。
步骤5：调试合适打印参数并进行实际打印。
3D打印本质上是一个熔融材料挤出后，逐步堆积的工艺，从挤出机内挤出时是一个半熔融状态既类似粘流态，堆积后其会开始逐步降温。随打印环境不同降温幅度及材料积热能力不同，降温幅度也不一致。但料线堆积上去的时候，理想的状态，其相邻的下一层应已经过一段时间降温，这层材料应已从粘流态变为弹性态，如果这层还是处于粘流态则容易造成积热塌陷现象，但不宜降温过度以至于达到结晶甚至完全固化，这样会大大降低Z向层间结合力及各项力学数据，甚至部分热变形量及打印时会产生较大内应力的材料还会有层间开裂现象。
其温度可通过热成像摄像头监控，数值可参考各材料的维卡软化温度，再略降低20℃。以基材为聚碳酸酯材料的复合增强材料为例，该材料挤出后一开始的温度在250℃，该材料维卡软化温度在145℃，那么在堆积过程中，当前打印层该位置点的下一层同样位置点能降温到120℃左右。这个时候层间结合力及打印成功率最高最为理想。
这种温度的控制工艺手段上我们一般通过调节单层时间来控制，可直接通过下表内的单层时间经验值，当然也可以通过打印过程中使用热成像摄像头观测后，自行调节。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，利用热塑性复合材料颗粒的线材，热塑性复合材料颗粒主基材为热塑性塑料，使用碳纤维或玻璃纤维作为辅助材料；将热塑性复合材料颗粒在要求的环境及设备内进行烘干去水分，将烘干准备好的原材料通过专用输送机构，输送至挤出机，挤出机采用多段加热的方式将输送入内的原材料加热至融熔状态，再通过内部的挤出螺杆将融熔的材料，再使用搭载的专用的打印挤出设备的3D打印机，进行3D打印；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据打印工艺限制对打印件的外形数据进行分析及修改；
步骤2：原材料的烘干；FDM打印前先需对所要打印的材料进行烘干处理，烘干温度及时间不宜过高过长，部分高温材料对烘干要求较高，烘干设备还需有热风循环及除湿干燥功能；
步骤3：将烘干的原材料输送到专用的挤出机机构内，用分段加热的方式，通过设定合适的挤出温度，使塑料变为熔融状态，再用螺杆输送的方式挤出；
步骤4：铺设用于打印的打印底板，并确认打印温度湿度环境是否适合打印；
步骤5：调试合适打印参数并进行实际打印；其温度可通过热成像摄像头监控，温度数值比各材料的维卡软化温度再降低20℃。
2.根据权利要求1所述的一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，其特征在于：步骤1中：
线宽及层高的选择，所选则的层高范围在3-6mm，线宽范围在10-25mm；
线宽与层高比例关系，线宽需大于层高，线宽需在层高的2倍以上；
在进行打印切片时，既制定打印线宽层高时，还需为后续CNC工序考虑，将打印完的工件，CNC加工去除层纹，达到要求的精度，再考虑预处理时造成的内应力变形，拐角的补偿机制及拐角补偿、CNC工序的装夹的误差因素，需预留5-6mm的加工余量；
最大的斜角打印能力限制，根据最大的斜角打印能力限制能力限制，分析打印模型，并进行修调；
将打印件剖开，为保证在打印过程中，不做支撑处理的情况下，打印层不至于从下一层情况下滑落；
为了不导致在打印当前层时，喷嘴悬空在下一层料层外进行打印，可以根据层高，线宽进行如下运算，计算出大致的最大悬垂角度；tan(最大悬垂角)＝(线宽/2-喷嘴口径半径-层高/2-安全余量)/层高；
安全余量和实际所用打印时的材料在熔融状态下挤出时的粘流度有直接关系，一般粘流度越低，所取值越小，反之越大。
3.根据权利要求1所述的一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，其特征在于：步骤2中：
基材丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物的复合增强材料的烘干温度为80℃，烘干时长为4h；
基材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材料的复合增强材料的烘干温度为80℃，烘干时长为4h；
基材为聚碳酸酯材料的复合增强材料的烘干温度为120℃，烘干时长为6h。
4.根据权利要求1所述的一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，其特征在于：步骤3中：
基材丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物的复合增强材料的第一段温度200-220℃；第二段温度230-250℃；第三段温度220-240℃；喷嘴温度210-230℃；
基材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材料的复合增强材料的第一段温度200-220℃；第二段温度220-240℃；第三段温度230-250℃；喷嘴温度210-230℃；
基材为聚碳酸酯材料的复合增强材料的第一段温度250-260℃；第二段温度260-290℃；第三段温度260-290℃；喷嘴温度260-290℃。
5.根据权利要求1所述的一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，其特征在于：步骤4中：打印区间的温度湿度环境在25℃至35℃，无对流强风，干燥。
6.根据权利要求1所述的一种垂直方向堆叠成型的打印工艺，其特征在于：步骤5中：
基材丙烯酸酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物的复合增强材料，SEC单层时间为90min；
基材为聚碳酸酯材料的复合增强材料，SEC单层时间为120min；
基材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材料的复合增强材料，SEC单层时间为90min。
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