CN115365518A - 磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法 - Google Patents

磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法，包括：管理控制系统、电机驱动注射泵流速控制装置、打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件；管理控制系统接收、处理其余部件反馈的信息并下达操作指令；打印喷头组件按设定值挤出浆料；磁吸辅助装置提供可控制大小的磁力，对打印件的未固化部分进行辅助支撑；打印部件固化装置通过调节温度使浆料快速固化。本发明利用电磁铁磁吸力对打印产物的未固化部分进行辅助支撑，有效避免浆料未固化时由于重力而产生的挂流与塌陷现象，快速成形的同时保证了成形的稳定；针对需要物理支撑的模型，通过调整磁力大小也能实现免支撑打印。

Description

磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法。
背景技术
3D金属直写打印是金属增材制造的一种，区别于主流的采用高能束熔融的金属3D打印技术(SLM，SLA)，金属直写3D打印实现了常温打印。事实上，这类技术由于其不发热的特点，它能保持材料的原有特性，避免由于高温产生的金属局部应力，是一项具有优势的零件制备技术。
已经有使用这种技术打印成的零部件，该技术在设计制造、汽车领域、牙医整形领域、模型工业设计、生物医疗等方面有着广泛的研究。
传统的3D打印技术存在如下问题：
(1)在打印物体的时候，传统的3D打印往往需要额外的物理支撑。比如SLM与SLA打印需要粉末床作为支撑，Binder Jetting粘合剂喷射打印则在打印时与打印后均需要粉末作为支撑。打印前后均需要处理粉末，成本高且耗时耗力。
(2)现有的金属直写3D打印方式虽然没有外部支撑，但是由于挤出物是粘性金属浆料，挤出物从挤出到固化需要一定时间，需要通过上一层已固化的打印层进行支撑，从物理层面上限制了打印产物的形状，无法打印倾角较大的物件。
(3)现有的磁相关的打印系统，采用的磁悬浮结构无法应用于铁粉、镍粉等铁磁性金属3D打印，永磁体与铁磁质、永磁体之间的作用力满足平方反比关系，所以根据恩肖理论，永磁体之间或者永磁体与铁磁质之间是不可能产生稳定的磁悬浮的，不稳定的打印脱离了3D打印的初衷。
发明内容
基于现有3D打印技术存在的缺陷，本发明提供一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，通过该装置，能够免支撑地制造出打印件，有效降低3D打印成本并同时提高打印效率与质量。
本发明同时提供了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造方法，通过本发明方法，在打印时能够有效避免浆料未固化时由于重力而产生的挂流与塌陷现象，实现免支撑打印。
本发明的技术方案如下：
一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，包括：管理控制系统、箱体、打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件；
所述打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件位于所述箱体内部；所述打印喷头组件固连在所述打印喷头运动控制装置上，所述打印喷头运动控制装置用于实现所述打印喷头组件在工作区域内的三维移动；所述打印喷头组件内部装有打印用的浆料，用于实现定量挤出所述浆料；
所述磁吸辅助装置包括：霍尔磁通传感器、环形电磁铁；所述环形电磁铁为磁通量可控的环形圆柱电磁铁，所述环形电磁铁固连在所述打印喷头组件上；所述霍尔磁通传感器固连在所述环形电磁铁的外侧，用于实时检测环形电磁铁的磁通量；
所述打印部件固化装置安装在所述箱体的底部，通过调节温度使浆料快速固化；
所述管理控制系统位于所述箱体的外部，所述管理控制系统包括固化控制模块、磁吸监控模块；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁的磁吸力大小。
进一步地，所述打印部件固化装置包括：热床、温度传感器；所述热床顶部为打印平面，所述温度传感器固连于所述打印平面上，用于实时检测所述热床的温度，打印过程中调节所述热床的温度，使浆料快速固化。
进一步地，所述打印喷头运动控制装置包含三轴运动丝杆和移动滑块，所述移动滑块安装在与打印平面平行的丝杆上，可在工作区域内实现三维移动；所述打印喷头组件固连在所述移动滑块上。
进一步地，所述打印喷头组件包括：步进电机、电机座、活塞杆、活塞头、流量挤出传感器、打印喷头3Dtouch位置传感器、打印喷头；
所述打印喷头为针筒状结构，且内部中空，出口尖端朝下；所述打印喷头的内部从上到下布置有所述步进电机、电机座、活塞杆、活塞头；所述步进电机固连在所述电机座上，所述步进电机与所述活塞杆的上端固连，所述活塞杆在所述步进电机的驱动下作轴向伸缩运动，通过活塞头挤出所述浆料；
所述流量挤出传感器固连于所述打印喷头的内壁的出口尖端处；所述打印喷头3Dtouch位置传感器固连于打印喷头的外壁的出口尖端处。
进一步地，所述管理控制系统包括上位控制机和下位控制板；
所述上位控制机包括：状态监视模块、运动控制模块、固化控制模块、任务管理模块、磁吸监控模块；所述状态监视模块负责监视打印机系统各组成部件的工作运行状态，直观显示各部件运行情况与运行过程；所述运动控制模块负责所述打印喷头运动控制装置的位置变换与所述打印喷头组件挤出浆料的运行扭矩与速度；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述任务管理模块负责打印文件的导入与打印任务设置；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁的磁吸力大小；
所述上位控制机将各个模块获得数据传输给所述下位控制板，所述下位控制板连接并控制所述打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件。
进一步地，所述浆料为磁性金属粉末浆料或添加了铁磁性物质的顺磁性材料。
一种采用磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将需要制造的三维结构模型利用分层软件进行分层切片处理，生成打印喷头的二维填充路径，输入到所述磁力辅助免支撑的直写增材制造装置中；
步骤二：所述管理控制系统根据所述二维填充路径生成打印机各轴的位移运动轨迹，所述运动控制模块通过所述打印喷头3Dtouch位置传感器反馈的位置信息实现所述打印喷头的定位，并获取所述打印喷头与所述打印件之间的距离，发送给所述磁吸监控模块；所述运动控制模块控制所述打印喷头组件定量挤出所述浆料，同时所述流量挤出传感器获取所述浆料的挤出流量，并发送给所述固化控制模块；
步骤三：所述固化控制模块根据步骤二获得的浆料流量数据和预先设定的固化时间计算出尚未固化的浆料质量，并发送给所述磁吸监控模块；所述磁吸监控模块根据固化控制模块返回的未固化浆料质量、运动控制模块发送的所述打印喷头与所述打印件之间的距离、所述霍尔磁通传感器返回的磁通量大小，计算出所需磁吸力的大小，调节所述环形电磁铁的磁吸力大小；
同时，所述打印部件固化装置根据所述温度传感器传回的数据调节所述热床的温度，使所述浆料快速稳定成型，最终得到打印产物。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以直写3D打印技术为依据，针对直写打印固化慢、易挂流与塌陷的问题，设计了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，该装置中采用固化装置，实现了浆料从挤出到快速固化的过程中，固化速度加快的同时，通过磁力辅助支撑，有效避免了浆料挂流与塌陷的现象。
（2）本发明的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的打印喷头处设置有多个传感器，可以根据打印喷头与打印件的具体距离与打印功能调节环形电磁铁磁力的大小；针对倾角大或自身支撑力小的模型，不需要提供额外支撑便可一次性完成打印，有效提高了直写打印的模型适应性。
（3）本发明的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置包括管理控制系统，提供了更加丰富的打印过程控制与监控功能，使打印过程更加直观，高效。
（4）本发明可拓展打印原料，所用浆料不仅限于磁性金属粉末浆料，还可使用添加了铁磁性物质的顺磁性物质等材料，大大拓宽了打印部件的原料选择，用途更广泛。
附图说明
图1是本发明的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的结构示意图。
图2是本发明的打印喷头组件和磁吸辅助装置的结构示意图。
图3是本发明的磁吸辅助装置的结构示意图。
图4是本发明的磁力辅助免支撑的直写增材制造方法的流程示意图。
图中，管理控制系统1、上位控制机2、下位控制板3、箱体4、打印部件固化装置5、热床5-1、温度传感器5-2、磁吸辅助装置6、霍尔磁通传感器6-1、环形电磁铁6-2、打印喷头运动控制装置7、三轴运动丝杆7-1、移动滑块7-2、打印喷头组件8、步进电机8-1、电机座8-2、活塞杆8-3、活塞头8-4、流量挤出传感器8-5、打印喷头3Dtouch位置传感器8-6、打印喷头8-7、打印件9。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。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所示，一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，包括：管理控制系统1、箱体4、打印部件固化装置5、磁吸辅助装置6、打印喷头运动控制装置7、打印喷头组件8。
打印部件固化装置5、磁吸辅助装置6、打印喷头运动控制装置7、打印喷头组件8位于箱体4内。打印喷头运动控制装置7包含三轴运动丝杆7-1和移动滑块7-2，移动滑块7-2安装在与打印平面平行的丝杆上，在步进电机的驱动下实现移动滑块7-2在工作区域内进行三维运动。
如图2所示，打印喷头组件8固连在移动滑块7-2上，打印喷头组件8包括：步进电机8-1、电机座8-2、活塞杆8-3、活塞头8-4、流量挤出传感器8-5、打印喷头3Dtouch位置传感器8-6、打印喷头8-7。
打印喷头8-7为针筒状结构，外壁中段有与磁吸辅助装置6长度相同的螺纹，且内部中空，出口尖端朝下。打印喷头8-7的内部从上到下布置有步进电机8-1、电机座8-2、活塞杆8-3、活塞头8-4。
步进电机8-1固连在电机座8-2上，步进电机8-1与活塞杆8-3的上端固连，活塞杆8-3可在步进电机8-1的驱动下作轴向伸缩运动；活塞杆8-3的下端与活塞头8-4固连，活塞头8-4与打印喷头8-7的内壁紧密贴合并可滑动，实现密封。打印喷头8-7内装有打印用的浆料，浆料为磁性金属粉末浆料或添加了铁磁性物质的顺磁性材料，本实施例中采用金属浆料。打印喷头组件8通过活塞头8-4定量、均匀地挤出金属浆料。
流量挤出传感器8-5固连于打印喷头8-7的内壁的出口尖端处，用于实时获取浆料挤出流量。打印喷头3Dtouch位置传感器8-6固连于打印喷头8-7的外壁的出口尖端处，用于感知打印喷头初始打印位置与调平位置。
如图3所示，磁吸辅助装置6包括：霍尔磁通传感器6-1、环形电磁铁6-2。环形电磁铁6-2为磁通量可控的环形圆柱电磁铁，环形电磁铁6-2内孔有螺纹，可通过螺纹连接固连在打印喷头8-7上。环形电磁铁6-2利用电磁铁磁吸原理，在注射泵挤出金属浆料的同时，提供向上的、大小可控制的磁吸力，此时金属浆料在重力、磁吸力、向下的挤压力的共同作用下保持平衡，避免金属浆料未固化时因其本身的重力产生的挂流和坍塌的现象。环形电磁铁6-2外侧固连有霍尔磁通传感器6-1，用于实时检测环形电磁铁6-2的磁通量。
如图1所示，打印部件固化装置5安装在箱体4的底部，包括：热床5-1、温度传感器5-2。温度传感器5-2固连在热床5-1顶部打印平面上，用于实时检测热床5-1的温度，打印过程中调节热床5-1的温度，使金属浆料快速固化。
管理控制系统1包括上位控制机2和下位控制板3，位于箱体4外部。上位控制机2包括：状态监视模块、运动控制模块、固化控制模块、任务管理模块、磁吸监控模块。其中，状态监视模块负责监视磁力辅助免支撑的直写增材制造装置各组成部件的工作运行状态，直观显示各部件运行情况与运行过程等；运动控制模块负责打印喷头运动控制装置7的位置变换与打印喷头组件8中注射泵的运行扭矩与速度；固化控制模块负责调节挤出金属浆料的固化时间、温度；任务管理模块主要负责打印文件的导入与打印任务设置；磁吸监控模块主要用于负责环形电磁铁6-2磁吸力大小的检测与调控。
上位控制机2连接下位控制板3，并将各个模块获得的数据传输给下位控制板3，本实施例中，采用USB数据线进行连接。下位控制板3为Arduino板，通过导线分别连接并控制打印部件固化装置5、磁吸辅助装置6、打印喷头运动控制装置7、打印喷头组件8，使各部件执行其功能。
管理控制系统1对各部件的监测与调控具体原理如下：运动控制模块通过打印喷头3Dtouch位置传感器8-6反馈的位置信息实现打印喷头的定位，并获取打印喷头8-7与打印件9之间的距离，发送给磁吸监控模块；运动控制模块控制打印喷头组件8的注射泵按设定流速和流量挤出金属浆料，同时流量挤出传感器8-5实时获取金属浆料的挤出流量，并发送给固化控制模块。固化控制模块根据得到的流量数据和预先设定的固化时间，计算出尚未固化的金属浆料的质量，并发送给磁吸监控模块；磁吸监控模块根据固化控制模块返回的未固化金属浆料质量、运动控制模块发送的打印喷头8-7与打印件9之间的距离、霍尔磁通传感器6-1返回的磁通量大小，计算出所需磁吸力的大小，并发送指令控制环形电磁铁6-2的磁吸力大小。温度传感器5-2将热床5-1的实时温度发送给固化控制模块，固化控制模块发出对热床5-1的温度进行调节的指令，实现金属浆料的快速固化。
如图4所示，一种使用磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的直写增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：利用分层软件将需要制造的打印部件模型进行分层切片处理，并针对每一层二维切片轮廓模型生成打印喷头的二维填充路径，即：将需要制造的金属三维结构模型输入计算机，利用分层软件进行分层切片处理，形成相应代码输入到磁力辅助免支撑的直写增材制造装置中。
步骤二：管理控制系统1根据打印喷头的二维填充路径生成打印机各轴的位移运动轨迹，运动控制模块通过打印喷头3Dtouch位置传感器8-6反馈的位置信息实现打印喷头8-7的定位，并获取打印喷头8-7与打印件9之间的距离，发送给磁吸监控模块。运动控制模块控制打印喷头组件8的注射泵定量、均匀地挤出金属浆料，同时流量挤出传感器8-5获取金属浆料的挤出流量，并发送给固化控制模块。
步骤三：固化控制模块根据金属浆料流量数据和预先设定的固化时间计算出尚未固化的金属浆料质量，并发送给磁吸监控模块，磁吸监控模块根据固化控制模块返回的未固化金属浆料质量、运动控制模块发送的打印喷头8-7与打印件9之间的距离、霍尔磁通传感器6-1返回的磁通量大小，计算出所需磁吸力的大小，并发送指令调节环形电磁铁6-2的电压，以改变环形电磁铁6-2的磁吸力大小，进行磁吸力的精确控制，从而对未固化的金属浆料起到支撑与防坍塌的辅助作用。
同时，打印部件固化装置5根据温度传感器5-2传回的数据调节热床5-1的温度，使得金属浆料快速稳定成型，最终得到打印产物。
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 (7)

1.一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，包括：管理控制系统（1）、箱体（4）、打印部件固化装置（5）、磁吸辅助装置（6）、打印喷头运动控制装置（7）、打印喷头组件（8）；
所述打印部件固化装置（5）、磁吸辅助装置（6）、打印喷头运动控制装置（7）、打印喷头组件（8）位于所述箱体（4）内部；所述打印喷头组件（8）固连在所述打印喷头运动控制装置（7）上，所述打印喷头运动控制装置（7）用于实现所述打印喷头组件（8）在工作区域内的三维移动；所述打印喷头组件（8）内部装有打印用的浆料，用于实现定量挤出所述浆料；
所述磁吸辅助装置（6）包括：霍尔磁通传感器（6-1）、环形电磁铁（6-2）；所述环形电磁铁（6-2）为磁通量可控的环形圆柱电磁铁，所述环形电磁铁（6-2）固连在所述打印喷头组件（8）上；所述霍尔磁通传感器（6-1）固连在所述环形电磁铁（6-2）的外侧，用于实时检测环形电磁铁（6-2）的磁通量；
所述打印部件固化装置（5）安装在所述箱体（4）的底部，通过调节温度使浆料快速固化；
所述管理控制系统（1）位于所述箱体（4）的外部，所述管理控制系统（1）包括固化控制模块、磁吸监控模块；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁（6-2）的磁吸力大小。
2.根据权利要求1所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印部件固化装置（5）包括：热床（5-1）、温度传感器（5-2）；所述热床（5-1）顶部为打印平面，所述温度传感器（5-2）固连于所述打印平面上，用于实时检测所述热床（5-1）的温度，打印过程中调节所述热床（5-1）的温度，使浆料快速固化。
3.根据权利要求1所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印喷头运动控制装置（7）包含三轴运动丝杆（7-1）和移动滑块（7-2），所述移动滑块（7-2）安装在与打印平面平行的丝杆上，能在工作区域内实现三维移动；所述打印喷头组件（8）固连在所述移动滑块（7-2）上。
4.根据权利要求2所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印喷头组件（8）包括：步进电机（8-1）、电机座（8-2）、活塞杆（8-3）、活塞头（8-4）、流量挤出传感器（8-5）、打印喷头3Dtouch位置传感器（8-6）、打印喷头（8-7）；
所述打印喷头（8-7）为针筒状结构，且内部中空，出口尖端朝下；所述打印喷头（8-7）的内部从上到下布置有所述步进电机（8-1）、电机座（8-2）、活塞杆（8-3）、活塞头（8-4）；所述步进电机（8-1）固连在所述电机座（8-2）上，所述步进电机（8-1）与所述活塞杆（8-3）的上端固连，所述活塞杆（8-3）在所述步进电机（8-1）的驱动下作轴向伸缩运动，通过活塞头（8-4）挤出所述浆料；
所述流量挤出传感器（8-5）固连于所述打印喷头（8-7）的内壁的出口尖端处；所述打印喷头3Dtouch位置传感器（8-6）固连于所述打印喷头（8-7）的外壁的出口尖端处。
5.根据权利要求4所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述管理控制系统（1）包括上位控制机（2）和下位控制板（3）；
所述上位控制机（2）包括：状态监视模块、运动控制模块、固化控制模块、任务管理模块、磁吸监控模块；所述状态监视模块负责监视所述磁力辅助免支撑的直写增材制造装置各组成部件的工作运行状态，直观显示各部件运行情况与运行过程；所述运动控制模块负责所述打印喷头运动控制装置（7）的位置变换与所述打印喷头组件（8）挤出浆料的运行扭矩与速度；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述任务管理模块负责打印文件的导入与打印任务设置；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁（6-2）的磁吸力大小；
所述上位控制机（2）将各个模块获得数据传输给所述下位控制板（3），所述下位控制板（3）连接并控制所述打印部件固化装置（5）、磁吸辅助装置（6）、打印喷头运动控制装置（7）、打印喷头组件（8）。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述浆料为磁性金属粉末浆料或添加了铁磁性物质的顺磁性材料。
7.一种采用权利要求5所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将需要制造的三维结构模型利用分层软件进行分层切片处理，生成打印喷头的二维填充路径，输入到所述磁力辅助免支撑的直写增材制造装置中；
步骤二：所述管理控制系统（1）根据所述二维填充路径生成打印机各轴的位移运动轨迹，所述运动控制模块通过所述打印喷头3Dtouch位置传感器（8-6）反馈的位置信息实现所述打印喷头（8-7）的定位，并获取所述打印喷头（8-7）与打印件（9）之间的距离，发送给所述磁吸监控模块；所述运动控制模块控制所述打印喷头组件（8）定量挤出所述浆料，同时所述流量挤出传感器（8-5）获取所述浆料的挤出流量，并发送给所述固化控制模块；
步骤三：所述固化控制模块根据步骤二获得的浆料流量数据和预先设定的固化时间计算出尚未固化的浆料质量，并发送给所述磁吸监控模块；所述磁吸监控模块根据固化控制模块返回的未固化浆料质量、运动控制模块发送的所述打印喷头（8-7）与所述打印件（9）之间的距离、所述霍尔磁通传感器（6-1）返回的磁通量大小，计算出所需磁吸力的大小，调节所述环形电磁铁（6-2）的磁吸力大小；
同时，所述打印部件固化装置（5）根据所述温度传感器（5-2）传回的数据调节所述热床（5-1）的温度，使所述浆料快速稳定成型，最终得到打印产物。
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