CN116408972A - 3d打印装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印装置及工艺，其包括收集并分析控制系统中的三维模型数据，在模型支撑组件上对模型支撑件进行分层切片，设计模型层片；按照3D打印流程，控制系统通过电信号处理、转化与输出对3D打印机组完成3D打印；本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

3D打印装置及工艺

技术领域

本发明涉及3D打印装置及工艺。

背景技术

3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

但是，现有进料方式存在不够精准，其无法进行精准温度测量，其配套载具定位不够精准等诸多问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种3D打印装置及工艺。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种3D打印装置，包括收集并分析控制系统中的三维模型数据，在模型支撑组件上对模型支撑件进行分层切片，设计模型层片；按照3D打印流程，控制系统通过电信号处理、转化与输出对3D打印机组完成3D打印；

3D打印机组包括底座部；在底座部上设置有竖直机架，在竖直机架上通过连接板连接有由Y轴驱动部驱动的Y轴直线滑台；在Y轴直线滑台上设置有机头连接板，在机头连接板上设置有由Z轴驱动部驱动的Z轴直线推杆；在底座部上设置有固定竖直机架的角件；在底座部上设置有由X轴驱动部驱动的X轴直线滑台，在X轴直线滑台上设置有打印平台，用于放置载具；在底座部上设置有压块；

在Z轴直线推杆下端连接有泵体连接板，在泵体连接板上设置有料筒，在料筒下端连接有由泵驱动电机驱动的螺旋供给泵，在螺旋供给泵的输出端设置有打印机头；打印件螺杆部包括螺旋供给泵。

作为上述技术方案的进一步改进：

在打印机箱中，其上方设置有公斤级下料筒，公斤级下料筒连接有打印件螺杆部，打印平台采用打印平台部；在打印机箱上设置有压力器与空压组件；打印件螺杆部包括螺杆挤出部，螺杆挤出部具有螺纹挤压通道，用于实现螺杆挤压，在螺杆挤出部上设置有进料口部，用于连接料筒，在螺杆挤出部的进口、出口和/或中部设置有温控组件，螺杆挤出部出口设置打印喷嘴，在螺杆挤出部上电连接挤出电机。

一种3D打印装置的配套系统，包括用于配套3D打印机组的打印平台的载具更换机组；载具更换机组配套有输出传送组或送出传送带且送出传送带或输出传送组传送连接有码垛工位，在输出传送组输出端设置有整理装置的输入端，在送入传送带的输出端设置送出传送带，以进行承载3D物料的矩形的载具工装；载具工装具有检验工艺槽；在送入传送带的输出端设置有侧向推杆部；侧向推杆部包括侧推手；在后侧推手前侧设置有前挡板且在后侧设置有后挡板；

前挡板与后挡板形成台阶结构并形成侧推开口；

在整理装置中，设置有斜向摆动底座，在斜向摆动底座上通过X-X转轴转动的托载平台；

载具工装在托载平台上的传送方向与X-X转轴中心线斜交；

在托载平台传送进口与传送出口分别设置有位于A处的平台输入工位及位于B处的平台输出工位。

作为上述技术方案的进一步改进：

在托载平台上分布有通气通孔，沿与X-X垂直的Y-Y方向，在托载平台上设置有摆动导向槽及斜向工艺开口；在托载平台下方分别设置有位于X-X转轴两侧的倾斜工位传感器与定位水平工位传感器；在托载平台上方设置有支撑部；在支撑部下方通过摆动铰接座摆动铰接有中间铰接架体且弹性连接有辅助弹簧件；在支撑部上倒置有俯仰驱动电机，在俯仰驱动电机下端连接有俯仰驱动架体，在俯仰驱动架体下端连接有俯仰驱动轴肩部，在中间铰接架体上设置有沿Y-Y方向的摆动导向槽，俯仰驱动轴肩部在摆动导向槽中沿Y-Y方向滑动设置。

在中间铰接架体上设置有位于俯仰驱动架体C处两侧的锥形接触旋转体，用于与载具工装的相邻两侧定位接触；在中间铰接架体上设置有铰接从动连接部，在铰接从动连接部下端铰接有下连接杆，在下连接杆上下对应设置有对接弹簧垫，用于接触托载平台对应摆动导向槽的上下表面。

一种3D打印工艺，首先，在控制系统中根据参数进行建模，分层切片并叠加，并将信号输出给3D打印机；然后，3D打印机执行送料打印定型到载具工装上；其次，将载有成型物的载具工装输出；其中，

在送料挤压步骤中，首先，在输送段，将物料压实并预热；然后，在熔融段，进行压缩熔融，二次压实并进行塑化；再次，在计量段，将熔体输送，进行塑化均匀呈粘流态后，挤出冷却成型。

一种3D打印辅助工艺，辅助工艺包括以下步骤，载具更换机组将载具工装单向进出于打印平台与送出传送带之间或单向进出于打印平台与输出传送组之间；

当空载的载具工装从送出传送带单向传输到载具更换机组的方案时，

S1，载具工装从输出传送组传送到整理装置；

S2，载具工装通过整理装置俯仰实现定位；

S3，载具工装从整理装置单向传输到送出传送带。

作为上述技术方案的进一步改进：

在S2中，S2.1，侧向推杆部后退，使得侧推开口朝向送入传送带的输出端并被后挡板阻挡，此时托载平台为水平状态并承接载具工装；S2.2，侧推手将载具工装侧向前行，俯仰驱动电机通过俯仰驱动架体驱动俯仰驱动轴肩部在摆动导向槽中沿Y-Y方向滑动设置，实现中间铰接架体摆动，从而实现铰接从动连接部通过铰接从动连接部带动对接弹簧垫，带动托载平台上扬，同时，锥形接触旋转体下降到斜向工艺开口，托载平台变为倾斜状态；S2.3，锥形接触旋转体对向旋转并与载具工装相邻的侧壁接触并旋转调节，进行定位；S2.4，俯仰驱动电机驱动托载平台回复水平状态，锥形接触旋转体上升复位；S2.5，侧向推杆部前行进入到托载平台上，并将载具工装推出。

本发明通过控制系统采用AMF/STLdata的格式，通过三维模型数据建模，模型支撑组件即载具，进行模型层片，执行3D打印流程，电信号处理、转化与输出实现控制3D打印机组，其采用结构明晰，实现了至少三个自由度的移动，实现了多点温度监控，通过螺杆精准挤压，进料口即打印喷嘴部，其实现了精准输出。

通过温控组件实现监控，螺杆挤出部实现挤压与搅拌，挤出电机进行驱动，螺纹挤压通道作为螺杆挤压的部位，通过输出传送组实现了载具输出，整理装置实现载具下落重力定位，送入传送带，送出传送带实现了载具的输送，载具工装用于3D自动化打印后输出，检验工艺槽工艺设计好，实现导向，侧向推杆部实现导向与输送，通过侧推手实现侧向推动，通过后挡板实现定位，侧推开口工艺合理，前挡板实现阻挡后续载具前行，斜向摆动底座实现了俯仰支撑，托载平台实现了托载定位，平台输出工位实现了输出，通气通孔实现了负压吸附与正压吹风，摆动导向槽实现了导向，配合铰接实现了俯仰，斜向工艺开口方便，倾斜工位传感器，定位水平工位传感器实现了定位支撑，上支撑部实现导向，中间铰接架体实现摆动支撑，摆动铰接座实现俯仰支撑，辅助弹簧件实现了缓冲复位，俯仰驱动电机实现了驱动，俯仰驱动架体实现连接，避开载具，俯仰驱动轴肩部实现了支撑，锥形接触旋转体可以实现旋转接触侧壁从而实现调整接触，摆动导向槽实现俯仰导向，铰接从动连接部实现了联动，下连接杆，对接弹簧垫实现了平台的倾斜定位与水平推送，从而实现了载具的自动定位，自动输出与后期阻挡，其本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

附图说明

图1是本发明的3D打印机通用工作原理。

图2是本发明螺杆的现有结构示意图。

图3是本发明打印的结构示意图。

图4是本发明喷嘴的结构示意图。

图5是本发明现有的控制示意图。

图6是本发明螺杆的结构示意图。

图7是本发明载具更换机组的结构示意图。

图8是本发明螺纹挤压通道的结构示意图。

图9是本发明输出传送组的结构示意图。

图10是本发明送入传送带的结构示意图。

图11是本发明托载平台的结构示意图。

图12是本发明中间铰接架体的结构示意图。

图13是本发明俯仰驱动电机的结构示意图。

图14是本发明热电偶的结构示意图。

其中：1、控制系统；2、AMF/STLdata；3、三维模型数据；4、模型支撑组件；5、模型层片；6、3D打印流程；7、电信号处理、转化与输出；8、3D打印机组；9、模型支撑件；10、底座部；11、角件；12、X轴驱动部；13、打印平台；14、X轴直线滑台；15、压块；16、竖直机架；17、Z轴驱动部；18、Z轴直线推杆；19、机头连接板；20、Y轴直线滑台；21、Y轴驱动部；22、连接板；23、料筒；24、泵驱动电机；25、泵体连接板；26、螺旋供给泵；27、打印机头；28、打印机箱；29、公斤级下料筒；30、打印件螺杆部；31、打印平台部；32、压力器；33、空压组件；34、进料口部；35、温控组件；36、螺杆挤出部；37、打印喷嘴；38、挤出电机；39、载具更换机组；40、螺纹挤压通道；41、输出传送组；42、整理装置；43、送入传送带；44、送出传送带；45、载具工装；46、检验工艺槽；47、侧向推杆部；48、侧推手；49、后挡板；50、侧推开口；51、前挡板；52、斜向摆动底座；53、托载平台；54、平台输出工位；55、通气通孔；56、摆动导向槽；57、斜向工艺开口；58、倾斜工位传感器；59、定位水平工位传感器；60、上支撑部；61、中间铰接架体；62、摆动铰接座；63、辅助弹簧件；64、俯仰驱动电机；65、俯仰驱动架体；66、俯仰驱动轴肩部；67、锥形接触旋转体；68、摆动导向槽；69、铰接从动连接部；70、下连接杆；71、对接弹簧垫；72、热电偶。

具体实施方式

本申请的螺杆挤出3D打印机装置，其原理是，依据含能纳米热塑复合材料材料特性，提出螺杆挤出3D打印装置基础设计方案。

如图1-13，展示基于FDM技术的螺杆挤出式3D打印机工作原理，包括建模、切片以及熔融挤出；在挤出阶段将固态颗粒料通过挤压输送机系统送入喷头流道内，经过加热系统的熔融塑化，在喷头内按既定的轨迹规划路径，在进给系统驱动下逐层累积成型，最终由喷嘴定温、定量、定压地挤出，在打印台上冷却后定型成完整的制品。

物料在螺杆挤压成型系统中会依次历经固体输送段、熔融段和计量段三大反应区，如图1中c所示，通过设计与优化各功能段结构和工艺参数，旨在实现对物料的稳定化连续挤出。

如图2所示，主要包括数控系统、传动装置、机构框架(箱体)、空压挤出系统、熔融挤压区、温控反馈系统。

数控控制系统主要包括运动控制和温度控制两部分，运动控制系统使螺杆、工作台等按照预定的速度、方向运动，运动控制系统的控制精度直接关系到最终打印的精度，例如Z轴电机的脉冲当量就是打印件的层厚；进给区由X、Y、Z三向进给运动系统组成，主要完成喷头及工作平台的三维成型运动；温度控制系统主要负责塑化熔融挤出装置的加热和热床的预热，将固态物料塑化熔融使其具有流动性，温度控制的精度无论对打印件的质量还有其它工艺参数的设置都有重要影响。传动装置负责将电机的扭矩传递给丝杠、齿形带等执行机构，实现工作台按照既定的轨迹运动，传动装置的选择、传递的效率对打印质量有重要影响；机构框架负责为打印工作提供一个稳定的打印环境，有些对温度敏感的材料，结构框架还起到密闭保温作用；空压挤出系统控制粉料的流动和并推入螺杆系统。熔融挤压区主要完成对打印材料的熔融塑化、挤压传动和挤出成型。由于螺杆挤出过程中含能材料受到剪切、摩擦、挤压、固-液转变等影响，容易发生燃烧或者爆炸事故，用于连续加工含能材料的挤出设备需要具备各类安全特性。

螺杆挤出系统用于完成含能材料安全连续的输送，将固态的打印物料在热场的作用将其变为粘流态，此时挤出的物料已经具有可塑性，满足打印的要求，如图3。该装置包括步进电机、联轴器、微型挤出螺杆、机筒、机头、喷嘴、温控系统、进料装置；

挤出螺杆，在保证在外场和螺杆推力作用下稳定、连续的挤出即可。因此挤出螺杆不需要像塑化螺杆一样做特殊设计，设计成等深等距即可。由于物料进入挤出螺杆仅靠内部压力，为了保证物料顺利进入挤出螺杆，在物料入口处将螺杆做成光杆。

机筒与挤出螺杆相互配合完成胶料的输送、稳定挤出。螺杆与机筒间隙通过公差控制，和塑化熔融段机筒设计一样，因为挤出机筒尺寸较小不方便再加内衬套。机筒的两端设置法兰结构，一端与机头配合形成封闭流道，一端用于支撑挤出电机，为了方便加工，电机支撑端的法兰与机筒分别加工，然后焊接在一起。料筒的外端用于缠绕电阻加热线圈，为了便于实时探测和调节温度设计了测温孔用于放置温度传感器。

机头用于连接机筒和打印喷嘴，挤出机头与常规挤出机机头不一样，它还要与打印喷嘴连接，所以挤出机头主要用于建压，使胶料由螺旋运动变为直线运动，保证螺杆内的物料顺利进入喷嘴。为了精确控制挤出物料温度使其稳定挤出，在机头处设计了加热棒和测温孔。

打印喷嘴是保证物料顺利挤出的最后一道“关卡”，喷嘴结构形式、口径大小以及制造精度将直接影响到打印件的精度。在这里熔融物料由于较大的速度梯度受到拉伸剪切的作用而进一步塑化，为了防止产生滞料和分解，选用直通式喷嘴。

打印箱体(打印系统)是整个打印机的承载结构，包括打印箱体、打印平台、升降装置以及打印控制系统组成，如图2和图4所示。采用金属密封打印箱体，确保内部温度恒定，保证打印过程安全；箱体材料选用304金属。改进后的整体框架设计成内外嵌套型，外箱体起到支撑保护作用，内框架负责升降工作台。为了保证内部框架的受力均匀，平稳升降，在内边框左右两侧分别安装了滚珠丝杠传动结构和导向光轴；打印升降装置包括丝杆装置；打印系统采用定制分层打印系统，操作简单。

传动系统的精度及稳定性在很大程度上决定了打印件的精度、表面质量和打印效率。3D打印机本身相当于一个小型的数控机床，需要根据指令信号自动精准的控制各执行结构的位移、方向和速度，完成三轴联动。

由于料筒部分体积较大，运动不方便，所以采用工作平台运动的方式，这样更大程度的保证打印精度。本发明采用工作平台作X、Y平面联动，Z轴带动工作台作上下运动的传动方案，X、Y轴由于运动速度较快、频率高且负载小，采用步进电机带动同步齿形带作为传动机构，Z轴由于负载较大，且精度要求较高，采用步进电机加滚珠丝杠作为传动机构，X、Y、Z轴均采用光轴作导向。由于改进前Z轴丝杠只带动打印平台，而改进后的Z轴滚珠丝杠需要支撑整个工作台。

电机在工作时，步进电机通过联轴器把扭矩传递给滚珠丝杠，然后带动工作台上下运动。通过测量，工作台和部件质量在6～8kg之间，按质量最大代入扭矩公式

式中，F——运行时的最大载荷，F＝m_maxg/2，l——滚珠丝杠导程，

η——传动效率，0.9

代入数据，当TL<T额定时，电机转矩满足要求。滚珠丝杠将扭矩通过内框架上的滚珠螺母带动内框架降落，滚珠丝杠机构在运行时螺母只承受轴向载荷，径向载荷由导向部件承担。因为滚珠丝杠的耐拉强度要远远超过其耐压强度，所以在设计时将Z轴的驱动电机置于内框架上方通过滚珠丝杠拉动框架升降。

(1)滚珠丝杠轴向应力计算

式中，F—滚珠丝杠受到的轴向拉力，F＝0.5*内框架重力；

A—滚珠丝杠小径截面，

(2)滚珠丝杠径向应力计算

式中，J—丝杠的转动惯量，

T—丝杠承受的扭矩，

代入公式1-3得，

根据计算可知，滚珠丝杠的结构强度满足要求

控制系统及控制流程图

(1)伺服控制系统主要用于控制步进电机的运转速度和方向，准确定位工作台的位置和工作平台的升降，确保物料的稳定挤出等。现有的3D打印机中，挤出机构和工作平台运动的源动力均为42步进电机，传动的方式为带轮传动和滚珠丝杠驱动，挤出机头在XOY平面内联动，工作平台在Z向上下运动。螺杆式3D打印机由于挤出部分体积较大，质量重，如果按照现有打印机的控制方式运动不太现实，无论打印质量还是工作的稳定性都难以保障。所以本设计的驱动方式以现有3D打印机驱动为基础，并对其做一些改进，使挤出装置固定不动，工作平台做平面联动及升降运动，原有的挤出电机控制挤出螺杆电机转动，而塑化熔融螺杆再加一块控制板单独控制，这样可以最大限度的利用现有的驱动系统，减少工作量，且稳定可靠。由于其驱动原理仍然为步进电机控制，因此伺服系统仍然为步进电机伺服系统。

(2)硬件采用Arduino单片机电子设计平台，它由可编程电路板(又称微处理器)和基于Eclipse的IDE开发环境组成。为了便于进行二次开发，Arduino在设计之初就明确提出要作为开放和开源的平台进行设计，当前很多桌面机的开发都是利用的Arduino。Arduino有丰富的接口，包括SPI、UART串口通信等，可扩展性强，可以读取不同传感器的数字或模拟信号的输入，并实时转化为输出。

本设计采用的是Arduino MEGA2560控制板外加ramps1.4扩展板，扩展板的作用的是增加控制板卡的输入输出，用于连接电机驱动，因为控制板卡无法直接连接电机驱动。Mega2560具有54路数字输入/输出通道，其中15路可以作为脉冲输出，15路用于模拟型号输入(如机头处温度传感器模拟信号)，输入的模拟信号通过内部ADC转换转换成数字信号。4KB的EEPROM具有记忆功能，当意外情况断电，打印机在通电之后会接着上次的继续打印。在扩展板上按照需求扩充了不同的数字接口，用于实现不同要求。表3是控制卡信息。

(3)IDE是Interated Development Environment首字母的缩写，又称集成开发环境。Arduino IDE是由Java、avr-gcc、Processing等开放源码的软件编写而成，和Arduino开发板一样，其源码也是对外开放的。在Arduino IDE编辑界面可以选择开发板的类型、COM口的选择、串口通信监视、官方库函数和第三方函数的调用等，界面和其他开发环境一样，包括菜单栏、程序编辑区、错误信息提醒区。在对现有控制系统改进时，就是在Arduino IDE下打开3D打印机的开源代码，根据需求修改配置文件，然后对代码重新编译，编译成功后上传至Arduino控制板，如果编译不成功就根据提示信息修改，但Arduino IDE没有调试功能，这是其一个明显缺陷。图7是编译的打印系统。

温度控制系统

温度控制系统对于螺杆式3D打印机至关重要，高分子材料的粘度对温度有很大的依赖性，尤其对于塑料这种对温度较敏感的热塑性材料，温度控制效果的好坏直接影响到打印的质量和精度。此外，改进后的打印机相较之前的打印机，受热历程较长，稍有一点偏差经过时间累积都可能产生较大影响。温度若偏高，物料的粘度降低，流动性增加，在相同的螺杆转速时单位时间内挤出量会增加，打印件表面出现“积瘤”现象；若温度过高，有可能导致材料热分解，破坏原有的物料属性，温度偏高导致材料被烧焦；若温度偏低物料达不到正常挤出时的状态，有可能堵塞喷嘴，挤出后无法粘结牢固等问题。所以，必须减小3D打印机的温度控制偏差和波动。基于FDM技术的螺杆式3D打印机温度控制系统分为热床、挤出喷头温度控制和塑化熔融挤出料筒温度控制两部分。与运动控制系统相似，前者在现有打印机的温度控制系统已包括，只需要按照打印材料相应的修改热床预热温度和挤出温度即可，后者由于是本设计对挤出装置的改进，原有温度系统中没有该处温度控制，所以需要单独控制。这里对热床、挤出机头的加热系统只介绍下工作原理，重点介绍塑化熔融挤出部分的温度控制系统的实现过程。在螺杆挤出部的端头、中部和/或尾部设置有热电偶，从而实现温度监控。

温度控制系统是一个闭环控制系统，主要有温度微控制器、PWM温控、加热元件、温度采集等模块构成。首先，温度传感器采集到热床、挤出机头或机筒的温度，通过A/D转换模块将采集到的模拟信号转化成数字信号，并传递给微控制器，微控制器读取反馈来的数字信号后，与设定的温度值对比，通过PID温度控制算法调节，而后通过PWM温控模块调节加热元件的加热与否。该系统既可以实时监测加热部件的温度值，又可以将温度反馈给控制器实时调节，如此往复，保证温度处于动态平衡状态，确保打印顺利进行。

采用大功率加热棒用于挤出机头的加热，对挤出物料的性能具有直接影响。3D打印机的加热棒又称单端加热段，其工作原理为：控制器的定时器输出端口输出占空比调节PWM波，控制三极管的开断，进而控制电源对加热棒进行加热。三极管的导通时间和加热时间随着占空比增大而增大，相反，占空比越小，导通时间和加热时间越短。加热圈主要用于塑化熔融部分、储料部分、挤出部分，在机筒内的热量一部分靠外部热场传递，另一部分靠螺杆的剪切粘性耗散生热，所以在测温时尽量将传感器探头往接近物料的地方设置，这样测的温度才更加接近物料的真实温度。

(3)加热床是为了防止熔融物料挤出时与工作台接触瞬间温度差较大影响物料打印质量，产生翘曲变形设计的。热床的温度既要低于物料的熔点，确保挤出物料正常粘结固化，又不能设置的太低，以免成型时产生翘曲，为此，对热床的温度要进行良好的控制使其在一个合理的范围内。对于常规的打印材料ABS/PLA，前者热床的温度一般设置在110℃，后者设置在60℃。

(4)基于打印过程中安全性的冷却装置。为了防止打印过程中聚合物剪切生热过大或者局部温升过快引起得安全隐患，在挤出机筒外添加温度自调控冷却系统，当温度大于设定温度时，立即触发冷却系统进行冷却降温。冷却系统由控温软件、风扇以及循环水冷循环构成，当打印含能材料(<100℃)，可以确保温度恒定。

为了确保高填充含量聚合物顺利挤出，本发明设计空压装置和料筒，增加高填充纳米粒子聚合物复合材料挤出作用力，使复合材料粉末顺利挤出。空压机的气压范围在0.1-10Mpa，能够推动2L粉末以100mm/min的挤出速率挤出。空气压力由压力阀控制，同时控制粉末的挤入量。挤出速度由空压装置和螺杆协同控制。在挤出过程中，选取进料管直径>15mm，确保进料管内部粉末均匀流动，进料时保持垂直放置，设计料筒置物架，确保挤出通路流畅。

含能材料在螺杆挤出过程中的局域温度分布和温升效应极易引起危险事故。然而，引起材料温升的成型过程很难被现有的测试技术检测，例如挤出过程中的剪切、摩擦、挤压生热等。采用模拟仿真技术可以便捷、高效的探究含能材料实际螺杆挤出过程的状况，发现影响加工过程安全性的重要因素，进而优化螺杆挤出装置，避免危险事故发生。纳米含能热塑复合材料螺旋挤压成型是物料在特定温度和压力作用下的固-融转变变形过程。物料进入螺杆系统后，逐渐由固体状态转变为塑化状态，最后物料呈粘流态充满整个螺槽，也就是物料从高弹态向粘流态转变。因此，物料在螺杆挤出系统中分为三个过程：固体输送段、压缩塑化段和熔体输送段。

本发明利用ANSYS-Fluent软件对螺杆挤出系统内部流场、温度场进行分析，得到内部流动情况和温度分布；设定符合工况的螺杆挤出的关键参数的取值范围，采用控制变量法对各参数进行有限元分析对仿真数据结果进行对比，选取最佳参数进行优化模型建立，得到优化模型的仿真结果更符合打印工况的要求，保证物料在挤出过程中安全稳定供给。

物料在机筒内的塑化过程是由螺杆转动提供外力，从而达到剪切和挤压物料的目的。

螺杆挤出3D打印的产量与螺杆转速成正比。而物料在机筒内的塑化过程是由螺杆转动提供外力，从而达到剪切和挤压物料的目的。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一例举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所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；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种3D打印装置 ，其特征在于：包括收集并分析控制系统（1）中的三维模型数据（3），在模型支撑组件（4）上对模型支撑件（9）进行分层切片，设计模型层片（5）；按照3D打印流程（6），控制系统（1）通过电信号处理、转化与输出（7）对3D打印机组（8）完成3D打印；

3D打印机组（8）包括底座部（10）；在底座部（10）上设置有竖直机架（16），在竖直机架（16）上通过连接板（22）连接有由 Y轴驱动部（21）驱动的Y轴直线滑台（20）；在Y轴直线滑台（20）上设置有机头连接板（19），在机头连接板（19）上设置有由Z轴驱动部（17）驱动的Z轴直线推杆（18）；在底座部（10）上设置有固定竖直机架（16）的角件（11）；在底座部（10）上设置有由X轴驱动部（12）驱动的X轴直线滑台（14），在X轴直线滑台（14）上设置有打印平台（13），用于放置载具；在底座部（10）上设置有压块（15）；

在Z轴直线推杆（18）下端连接有泵体连接板（25），在泵体连接板（25）上设置有料筒（23），在料筒（23）下端连接有由泵驱动电机（24）驱动的螺旋供给泵（26），在螺旋供给泵（26）的输出端设置有打印机头（27）；打印件螺杆部（30）包括螺旋供给泵（26）。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置 ，其特征在于: 在打印机箱（28）中，其上方设置有公斤级下料筒（29），公斤级下料筒（29）连接有打印件螺杆部（30），打印平台（13）采用打印平台部（31）；在打印机箱（28）上设置有压力器（32）与空压组件（33）；打印件螺杆部（30）包括螺杆挤出部（36），螺杆挤出部（36）具有螺纹挤压通道（40），用于实现螺杆挤压，在螺杆挤出部（36）上设置有进料口部（34），用于连接料筒（23），在螺杆挤出部（36）的进口、出口和/或中部设置有温控组件（35），螺杆挤出部（36）出口设置打印喷嘴（37），在螺杆挤出部（36）上电连接挤出电机（38）；温控组件（35）采用热电偶（72）。

3.一种3D打印装置的配套系统，其特征在于: 包括用于配套3D打印机组（8）的打印平台（13）的载具更换机组（39）；载具更换机组（39）配套有输出传送组（41）或送出传送带（44）且送出传送带（44）或输出传送组（41）传送连接有码垛工位，在输出传送组（41）输出端设置有整理装置（42）的输入端，在送入传送带（43）的输出端设置送出传送带（44），以进行承载3D物料的矩形的载具工装（45）；载具工装（45）具有检验工艺槽（46）；在送入传送带（43）的输出端设置有侧向推杆部（47）；侧向推杆部（47）包括侧推手（48）；在后侧推手（48）前侧设置有前挡板（51）且在后侧设置有后挡板（49）；

前挡板（51）与后挡板（49）形成台阶结构并形成侧推开口（50）；

在整理装置（42）中，设置有斜向摆动底座（52），在斜向摆动底座（52）上通过X-X转轴转动的托载平台（53）；

载具工装（45）在托载平台（53）上的传送方向与X-X转轴中心线斜交；

在托载平台（53）传送进口与传送出口分别设置有位于A处的平台输入工位及位于B处的平台输出工位（54）。

4.根据权利要求3所述的3D打印装置的配套系统，其特征在于: 在托载平台（53）上分布有通气通孔（55），沿与X-X垂直的Y-Y方向，在托载平台（53）上设置有摆动导向槽（56）及斜向工艺开口（57）；在托载平台（53）下方分别设置有位于X-X转轴两侧的倾斜工位传感器（58）与定位水平工位传感器（59）；在托载平台（53）上方设置有支撑部（60）；在支撑部（60）下方通过摆动铰接座（62）摆动铰接有中间铰接架体（61）且弹性连接有辅助弹簧件（63）；在支撑部（60）上倒置有俯仰驱动电机（64），在俯仰驱动电机（64）下端连接有俯仰驱动架体（65），在俯仰驱动架体（65）下端连接有俯仰驱动轴肩部（66），在中间铰接架体（61）上设置有沿Y-Y方向的摆动导向槽（68），俯仰驱动轴肩部（66）在摆动导向槽（68）中沿Y-Y方向滑动设置。

5.根据权利要求4所述的3D打印装置的配套系统，其特征在于: 在中间铰接架体（61）上设置有位于俯仰驱动架体（65）C处两侧的锥形接触旋转体（67），用于与载具工装（45）的相邻两侧定位接触；在中间铰接架体（61）上设置有铰接从动连接部（69），在铰接从动连接部（69）下端铰接有下连接杆（70），在下连接杆（70）上下对应设置有对接弹簧垫（71），用于接触托载平台（53）对应摆动导向槽（56）的上下表面。

6.一种3D打印工艺，其特征在于:首先，在控制系统中根据参数进行建模，分层切片并叠加，并将信号输出给3D打印机；然后，3D打印机执行送料打印定型到载具工装（45）上；其次，将载有成型物的载具工装（45）输出；其中，

在送料挤压步骤中，首先，在输送段，将物料压实并预热；然后，在熔融段，进行压缩熔融，二次压实并进行塑化；再次，在计量段，将熔体输送，进行塑化均匀呈粘流态后，挤出冷却成型。

7.一种3D打印辅助工艺，其特征在于:辅助工艺包括以下步骤，载具更换机组（39）将载具工装（45）单向进出于打印平台（13）与送出传送带（44）之间或单向进出于打印平台（13）与输出传送组（41）之间；

当空载的载具工装（45）从送出传送带（44）单向传输到载具更换机组（39）的方案时，

S1，载具工装（45）从输出传送组（41）传送到整理装置（42）；

S2，载具工装（45）通过整理装置（42）俯仰实现定位；

S3，载具工装（45）从整理装置（42）单向传输到送出传送带（44）。

8.根据权利要求7所述的3D打印辅助工艺，其特征在于:在S2中，S2.1，侧向推杆部（47）后退，使得侧推开口（50）朝向送入传送带（43）的输出端并被后挡板（49）阻挡，此时托载平台（53）为水平状态并承接载具工装（45）；S2.2，侧推手（48）将载具工装（45）侧向前行，俯仰驱动电机（64）通过俯仰驱动架体（65）驱动俯仰驱动轴肩部（66）在摆动导向槽（68）中沿Y-Y方向滑动设置，实现中间铰接架体（61）摆动，从而实现铰接从动连接部（69）通过铰接从动连接部（69）带动对接弹簧垫（71），带动托载平台（53）上扬，同时，锥形接触旋转体（67）下降到斜向工艺开口（57），托载平台（53）变为倾斜状态；S2.3，锥形接触旋转体（67）对向旋转并与载具工装（45）相邻的侧壁接触并旋转调节，进行定位；S2.4，俯仰驱动电机（64）驱动托载平台（53）回复水平状态，锥形接触旋转体（67）上升复位；S2.5，侧向推杆部（47）前行进入到托载平台（53）上，并将载具工装（45）推出。

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