CN117627176B - 一种大尺度三维晶格结构的3d空间打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，属于材料的3D打印成型技术领域。大尺度三维晶格结构包括若干个在X、Y、Z轴的方向上拓扑的正方体单元，正方体单元的侧面上设置有连接正方形相对点的斜边，正方体单元的边长V为50cm‑100cm；正方体单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1。本发明采用上述大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，可以快速的建造大尺度的空间晶格模型，晶格模型质量好，杆件笔直，受力性能好。

Description

一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法

技术领域

本发明涉及材料的3D打印成型技术领域，尤其是涉及一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法。

背景技术

空间晶格结构是一种超材料结构，具有轻质高强，受力性能好的特性，同时又由于其形状容易设计匹配成各种曲面形状，具有良好的美学效果，目前被广泛应用在各种大型艺术构筑物的建造之中。

由于尺寸和形状多变的限制，目前大尺度的空间晶格结构都是用基于机械臂的挤出式塑料3D打印的方式来进行建造，建造效率高，成本低。但是这样的大尺度的3D打印建造技术不够成熟，往往建造出来的晶格结构模型质量不好，挤出的材料不能及时冷却硬化，导致杆件弯扭现象严重，从而降低晶格模型的受力性能。因此研究高质量的大尺度打印方法，建造高质量的大尺度晶格模型，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，可以快速的建造大尺度的空间晶格模型，保证打印过程中挤出的材料及时冷却硬化形成杆件，晶格模型质量好，杆件笔直，受力性能好。

为实现上述目的，本发明提供了一种大尺度三维晶格结构，包括若干个在X、Y、Z轴的方向上拓扑的正方体单元，正方体单元的侧面上设置有连接正方形相对点的斜边，正方体单元的边长V为50cm-100cm；

正方体单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1。

上述大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，包括以下步骤：

S1、清理打印平台，确定打印区域，在打印平台上的打印区域设置增加打印材料粘附力的粘结件；

S2、将打印枪装配在机械臂上，调整打印枪的加热模块，设定加热温度；

S3、进行底层网格打印，底层网格的主体为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端都延长出V厘米，打印枪喷嘴每行走V厘米暂停3S-5S，形成节点；

S4、在底层网格上进行第一层竖直层的打印，竖直层为连续打印的呈蛇形分布的竖直三角形阵列，在竖直层的最后打印一条竖杆；

S5、采用S3的方法在第一层竖直层的上方打印第一悬空网格层，第一悬空网格层为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端不设延长段，第一悬空网隔层在与第一竖直层的交点处停留3S-5S；

S6、重复S4-S5进行上部晶格结构的打印，直至整个晶格结构打印完成；

S7、关闭机械臂和打印枪，将晶格结构从打印平台上拆卸下来。

优选的，所述S2中，打印枪为设置有三段加热模块的热塑性挤出式3D打印枪。

优选的，所述三段加热模块从进料端到出料端的温度分别为T1、T2、T3，150℃≤T1≤170℃，220℃≤T2≤270℃，170℃≤T3≤190℃。三段加热模块的具体温度设置根据打印材料进行设定。

优选的，所述S3中底层网格打印具体为：

开启风扇，首先进行Y轴方向路径的打印，再进行X轴方向路径的打印；单条直线路径打印完成后，关闭喷嘴，并将喷嘴抬升80mm-150mm；

或，首先进行X轴方向路径的打印，再进行Y轴方向路径的打印；单条直线路径打印完成后，关闭喷嘴，并将喷嘴上升80mm-150mm；

打印枪的螺杆挤出的速度为40转/分钟-60转/分钟，机械臂的移动速度为8mm/s-15 mm/s。

优选的，所述S4中竖直层的打印具体为：

从Y方向路径的端点开始，沿着Y方向打印M个竖直三角形，然后沿着X方向打印一个竖直三角形，再沿着Y方向打印M个竖直三角形，再沿着X方向打印一个竖直三角形，继续沿着Y方向打印M个竖直三角形，以此重复打印直到底层网格的节点都被覆盖，在最后一个节点上打印一条竖杆；关闭喷嘴，并将喷嘴抬升80mm-150mm。

优选的，所述S4中，竖直三角形为等腰直角三角形，竖直三角形的底边为底层网格的一条边，边长为V厘米，竖边是在底层网格节点向上的竖直杆件，斜边是斜向下45°连接两条直角边端点的杆件。

优选的，所述竖直三角形的打印具体为：

S41、喷嘴移动到底层网格的节点上，该节点作为控制节点一，喷嘴挤出并停留2s-3s；

S42、开启冷却风扇，喷嘴挤出向上移动V-（13-16）mm，该点为控制节点二；

S43、关闭喷嘴挤出，喷嘴继续向上移动13mm-16mm到竖直三角形的顶点，顶点为控制节点三，喷嘴在向上移动过程中进行旋转，喷嘴移动到竖直三角形顶点时喷嘴与水平线的夹角为45°，喷嘴停留3s-5s；

S44、开启喷嘴挤出，停留2s-3s，喷嘴向竖直三角形的底部顶点移动，竖直三角形的底部顶点为控制节点四，喷嘴在移动过程中进行旋转，喷嘴在控制节点四处旋转成竖直状态，关闭风扇，停留2s-3s。

优选的，所述S4中，打印枪的螺杆挤出的速度为20转/分钟-40转/分钟，机械臂的移动速度为5mm/s-10 mm/s。

优选的，所述S5中，第一悬空网格层打印中开启风扇，在第一悬空网隔层与第一竖直层的交点处停留时关闭风扇，打印枪的螺杆挤出的速度为20转/分钟-40转/分钟，机械臂的移动速度为5mm/s-10 mm/s。

本发明所述的大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法的优点和积极效果是：本发明通过控制打印枪的打印速度和螺杆挤出速度，并通过合理的打印路径设置，能够高效地进行大尺度晶格模型的高质量建造，材料用量少，且制造的晶格结构杆件笔直，节点处理简洁，受力性能好，艺术效果更高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的晶格结构模型示意图；

图2为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的正方体单元结构示意图；

图3为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的打印装置示意图；

图4为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的底层网格打印过程示意图；

图5为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的第一层竖直层打印过程示意图；

图6为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的竖直三角形打印过程示意图；

图7为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的第一悬空网格层打印过程示意图；

图8为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例的后续重复打印过程示意图；

图9为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例1与对比例1打印的晶格结构受压测试对比图；

图10为本发明一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法实施例1与对比例1打印的晶格结构受弯测试对比图。

附图标记

1、机械臂；2、打印枪；3、打印平台；4、晶格结构；5、双面胶；6、控制节点一；7、控制节点二；8、控制节点三；9、控制节点四。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种大尺度三维晶格结构，包括若干个在X、Y、Z轴的方向上拓扑的正方体单元，正方体单元的侧面上设置有连接正方形相对点的斜边，正方体单元的边长V为50cm-100cm。

正方体单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1，并且L、M、N均为正整数。本实施例模型中L=2，M=4，N=3。

通过参数化建模软件对晶格结构4进行建模、规划路径，并转化成工业机械臂1能识别的语言文件，导入机械臂1系统之中，控制机械臂1进行打印。上述过程根据需要选择现有的计算机三维软件，采用现有的技术进行晶格结构4的设计和数据的处理即可。大尺度三维晶格结构4的3D空间打印方法，包括以下步骤：

S1、清理打印平台3，确定打印区域，在打印平台3上的打印区域设置增加打印材料粘附力的粘结件。本实施例中粘结件为强力双面胶5，将强力双面胶5粘贴在打印平台3上，通过双面胶5的设置，提高打印模型的稳定性。双面胶5的粘度在保证模型牢固的粘贴在打印平台3上的同时，要能够使得打印模型能够方便的从打印平台3上拆卸下来。打印装置的结构如图3所示。

S2、将打印枪2装配在机械臂1上，调整打印枪2的加热模块，设定加热温度。

打印枪2为设置有三段加热模块的热塑性挤出式3D打印枪2，打印枪2采用现有的结构。机械臂1采用现有的工业机械臂1，通过机械臂1带动打印枪2在三维空间内按照编程好的路径移动。

打印枪2也可以采用现有的其他加热方式的打印枪2，实现打印材料的完全熔化即可。

本实施例中打印材料为ABS颗粒。三段加热模块从进料端到出料端的温度分别为T1、T2、T3，150℃≤T1≤170℃，220℃≤T2≤270℃，170℃≤T3≤190℃。在第一段加热模块对ABS颗粒预热，以便于ABS颗粒的融化。在第二段加热模块采用较高的温度对ABS进行融化，加热时间为10分钟，以保证ABS的充分融化，使得ABS能够通过打印枪2的喷嘴均匀的挤出。在第三段加热模块采用较低的温度，对ABS熔融料进行初步的降温，提高ABS挤出后的凝固速度，提高晶格结构4的打印质量。

S3、进行底层网格打印，底层网格的主体为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端都延长出V厘米，以减轻晶格结构4在打印过程中的卷翘。

如图4所示，底层网格打印具体为：

首先进行Y轴方向路径的打印，再进行X轴方向路径的打印。也可以首先进行X轴方向路径的打印，再进行Y轴方向路径的打印。底层网格有5条在X轴方向的直线，有3条在Y轴方向的直线。机械臂1带动打印枪2沿着8条直线依次进行打印。单条直线路径打印完成后，关闭喷嘴，并将喷嘴快速抬升100mm，然后移动到下一条路径起始点进行打印。重复上述动作，完成底层网格的打印。打印枪2的螺杆挤出速度为50转/分钟，机械臂1的移动速度为10mm/s。底层网格的打印需要开启风扇，通过风扇对打印材料进行冷却。打印枪2喷嘴每行走V厘米暂停3S，暂停过程中保持喷嘴继续挤出，使得打印材料堆积形成圆形节点，从而为下一层的打印提供更大的接触面积。

S4、在底层网格上进行第一层竖直层的打印，竖直层为连续打印的呈蛇形分布的竖直三角形阵列，在竖直层的最后打印一条竖杆。

如图5所示，竖直层的打印具体为：

从Y方向路径的端点开始，沿着Y方向打印M个竖直三角形，然后沿着X方向打印一个竖直三角形，再沿着Y方向打印M个竖直三角形，再沿着X方向打印一个竖直三角形，继续沿着Y方向打印M个竖直三角形，以此重复打印直到底层网格的节点都被覆盖，在最后一个节点上打印一条竖杆。关闭喷嘴，并将喷嘴抬升100mm。

竖直三角形为等腰直角三角形，竖直三角形的底边为底层网格的一条边，边长为V厘米。竖边是在底层网格向上的竖直杆件，边长为V厘米。斜边是斜向下45°连接两条直角边端点的杆件。

如图6所示，每个竖直三角形设置4个控制点。竖直三角形的打印具体为：

S41、喷嘴移动到底层网格的圆形节点上，该节点作为控制节点一6。关闭风扇，喷嘴挤出并停留2s，打印材料挤出与底层网格的节点紧密的粘结在一起，提高竖直三角形与底层网格之间粘结强度。

S42、开启冷却风扇，喷嘴挤出向上移动V-15mm，该点为控制节点二7。

S43、关闭喷嘴挤出，喷嘴继续向上移动15mm到竖直三角形的顶点，顶点为控制节点三8。喷嘴在向上移动过程中进行旋转，喷嘴移动到竖直三角形顶点时喷嘴与水平线的夹角为45°。在控制节点二7和控制节点三8之间喷嘴会由于溢料现象继续挤（溢）出材料，在控制节点三8处溢料刚好停止。喷嘴在控制节点三8处停留4s，保证挤出的竖直杆充分的冷却硬化。

S44、开启喷嘴挤出，停留2.4s，喷嘴向竖直三角形的底部顶点移动，竖直三角形的底部顶点为控制节点四9。喷嘴在移动过程中进行旋转，喷嘴在控制节点四9处旋转成竖直状态。在控制节点四9处关闭风扇，停留2s，使得控制节点四9与底层网格的圆形节点粘结在一起。

在竖直三角形中，上一个竖直三角形的控制节点四9是下一个竖直三角形的控制节点一6。重复上述动作，直到全部的竖直三角形打印完毕。

打印枪2的螺杆挤出的速度为30转/分钟，机械臂1的移动速度为6 mm/s。

S5、采用S3的方法在第一层竖直层的上方打印第一悬空网格层，第一悬空网格层为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端不设延长段。

如图7所示，第一悬空网格层和底层网格的打印路径顺序相同，先打印Y方向的杆件，再打印X方向的杆件，单条杆件的打印完成后，关闭喷嘴材料的挤出，同时将喷嘴快速上升100毫米，再移到下一条路径的起始点。两个方向路径的交点是第一层竖直层三角形阵列的顶点。在30转/分钟的螺杆挤出速度、6 mm/s的机械臂1移动速度、风扇开启的情况下进行打印。在每个节点处喷嘴停顿5s并继续挤出，挤出足够多的材料与三角形阵列顶点进行充分粘结。喷嘴停顿时要关闭风扇，降低打印材料的冷却速度，使打印材料能够与节点粘结的更加紧密，提高粘结的稳定性。最后形成悬空网格层。

如图8所示，S6、重复S4-S5进行上部晶格结构4的打印，直至整个晶格结构4打印完成。

S7、关闭机械臂1和打印枪2，将晶格结构4模型从打印平台3上拆卸下来。

打印枪2的喷嘴根据需要可以选用圆形喷嘴或者十字形喷嘴。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的打印材料为：PETG颗粒。三段加热模块从进料端到出料端的温度分别为T1、T2、T3，150℃≤T1≤170℃，230℃≤T2≤250℃，170℃≤T3≤190℃。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的打印材料为：PLA颗粒。三段加热模块从进料端到出料端的温度分别为T1、T2、T3，150℃≤T1≤170℃，210℃≤T2≤230℃，160℃≤T3≤180℃。

对比例1

采用传统预留变形打印法进行晶格结构4的打印。预留变形打印法，是提前考虑好挤出的杆件由于未能及时硬化，会被后续的打印拉歪的偏移量，直接在进行了反向偏移的路径上挤出材料，这样杆件被后续拉歪后，正好停在了预设的位置上，通过这种偏移补偿的方法来进行大尺度晶格的打印。

对实施例1和对比例1获得的晶格结构4分别进行受压测试和受弯测试，测试结果分别如图9、图10所示。结果表明，实施例1所打印的晶格结构4在受压和受弯能力方面相当于对比例1打印的晶格结构4都有很大的提高，说明采用本发明所述的方法打印的晶格结构4具有非常好的力学性能。

因此，本发明采用上述大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，可以快速的建造大尺度的空间晶格模型，晶格模型质量好，杆件笔直，受力性能好。

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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：

所述大尺度三维晶格结构包括若干个在X、Y、Z轴的方向上拓扑的正方体单元，正方体单元的侧面上设置有连接正方形相对点的斜边，正方体单元的边长V为50cm-100cm；

正方体单元在X轴方向的个数为L个，在Y轴方向的个数为M个，在Z轴方向的个数为N个，L≥1，M≥1，N≥1；

3D空间打印方法包括以下步骤：

S1、清理打印平台，确定打印区域，在打印平台上的打印区域设置增加打印材料粘附力的粘结件；

S2、将打印枪装配在机械臂上，调整打印枪的加热模块，设定加热温度；

S3、进行底层网格打印，底层网格的主体为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端都延长出V厘米，打印枪喷嘴每行走V厘米暂停3S-5S，形成节点；

S4、在底层网格上进行第一层竖直层的打印，竖直层为连续打印的呈蛇形分布的竖直三角形阵列，在竖直层的最后打印一条竖杆；

S5、采用S3的方法在第一层竖直层的上方打印第一悬空网格层，第一悬空网格层为L×M的正方形阵列，正方形阵列每条边的末端不设延长段，第一悬空网隔层在与第一竖直层的交点处停留3S-5S；

S6、重复S4-S5进行上部晶格结构的打印，直至整个晶格结构打印完成；

S7、关闭机械臂和打印枪，将晶格结构从打印平台上拆卸下来。

2.根据权利要求1所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：所述S2中，打印枪为设置有三段加热模块的热塑性挤出式3D打印枪。

3.根据权利要求2所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：所述三段加热模块从进料端到出料端的温度分别为T1、T2、T3，150℃≤T1≤170℃，220℃≤T2≤270℃，170℃≤T3≤190℃。

4.根据权利要求1所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于，所述S3中底层网格打印具体为：

开启风扇，首先进行Y轴方向路径的打印，再进行X轴方向路径的打印；单条直线路径打印完成后，关闭喷嘴，并将喷嘴抬升80mm-150mm；

或，首先进行X轴方向路径的打印，再进行Y轴方向路径的打印；单条直线路径打印完成后，关闭喷嘴，并将喷嘴上升80mm-150mm；

打印枪的螺杆挤出的速度为40转/分钟-60转/分钟，机械臂的移动速度为8mm/s-15mm/s。

5.根据权利要求1所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于，所述S4中竖直层的打印具体为：

从Y方向路径的端点开始，沿着Y方向打印M个竖直三角形，然后沿着X方向打印一个竖直三角形，再沿着Y方向打印M个竖直三角形，再沿着X方向打印一个竖直三角形，继续沿着Y方向打印M个竖直三角形，以此重复打印直到底层网格的节点都被覆盖，在最后一个节点上打印一条竖杆；关闭喷嘴，并将喷嘴抬升80mm-150mm。

6.根据权利要求5所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：所述S4中，竖直三角形为等腰直角三角形，竖直三角形的底边为底层网格的一条边，边长为V厘米，竖边是在底层网格节点向上的竖直杆件，斜边是斜向下45°连接两条直角边端点的杆件。

7.根据权利要求6所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于，所述竖直三角形的打印具体为：

S41、喷嘴移动到底层网格的节点上，该节点作为控制节点一，喷嘴挤出并停留2s-3s；

S42、开启冷却风扇，喷嘴挤出向上移动V-（13-16）mm，该点为控制节点二；

S43、关闭喷嘴挤出，喷嘴继续向上移动13mm-16mm到竖直三角形的顶点，顶点为控制节点三，喷嘴在向上移动过程中进行旋转，喷嘴移动到竖直三角形顶点时喷嘴与水平线的夹角为45°，喷嘴停留3s-5s；

S44、开启喷嘴挤出，停留2s-3s，喷嘴向竖直三角形的底部顶点移动，竖直三角形的底部顶点为控制节点四，喷嘴在移动过程中进行旋转，喷嘴在控制节点四处旋转成竖直状态，关闭风扇，停留2s-3s。

8.根据权利要求1所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：所述S4中，打印枪的螺杆挤出的速度为20转/分钟-40转/分钟，机械臂的移动速度为5mm/s-10mm/s。

9.根据权利要求1所述的一种大尺度三维晶格结构的3D空间打印方法，其特征在于：所述S5中，第一悬空网格层打印中开启风扇，在第一悬空网隔层与第一竖直层的交点处停留时关闭风扇，打印枪的螺杆挤出的速度为20转/分钟-40转/分钟，机械臂的移动速度为5mm/s-10 mm/s。