CN107866975A - 一种高效率的3d打印多模组多喷头成型机器结构及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构及打印方法，所述机器结构包括举升平台、整机骨架和打印模组；所述举升平台位于所述整机骨架的空腔中，能够在整机骨架内进行精密升降；所述打印模组安装在所述整机骨架顶部，所述打印模组包括多个打印喷头，多个所述打印喷头分别使用不同的耗材打印；多个所述打印喷头的打印口径不一致；根据不同的打印需求，控制所述打印模组中相应的所述打印喷头运动到所需位置，并控制所述打印喷头定量挤出相应的耗材。本发明打印效率高、成型结构稳定；通过多模组多喷头的设置，可根据打印部位选用不同的打印耗材及喷头的规格，能更好的调和打印速度与精度，保证打印的速度与质量，还可节省成本。

Description

一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构及打印方法

技术领域

本发明主要涉及3D打印成型领域，尤其涉及一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构及打印方法。

背景技术

在融熔沉积工艺形式的3D打印机打印过程中发现，传统的单喷头打印工艺在300*300*300(mm^3)成型尺度，打印速度及质量表现良好。但当打印体积大于该值，如1000*1000*1000(mm^3)，则存在以下几点问题：

1、速度与精度无法调和；

小型桌面级FDM打印机采用0.4mm喷头，其沉积速度约25～40g/h，一般打印表面质量善可，可见细微表面堆砌纹理。对于1～2kg小型目标构件，可在一至两天内完成。

对于1000*1000*1000(mm^3)一般成型目标构件，最低4～8kg，如果采用0.4mm喷头，最快成型周期也超过8天，该成型速度不具备实际使用价值。但如果采用0.8mm喷头，成型周期可至2～3天，但打印表面质量可见明显堆砌纹理，感官粗糙，并且细节特征无法构成。

2、支撑问题。

桌面级FDM(熔融沉积)打印机对于悬空结构，一般会设置并打印支撑板，以提供悬空结构堆砌的基底，同时设置支撑也可有效提升高斜倾角结构的打印质量。一般打印的支撑板为0.4～0.8mm薄板壁(喷头在该位置单行列堆砌，壁厚正比于喷嘴大小)。但对1000*1000*1000(mm^3)的打印件0.4～0.8mm的薄壁板支撑存在以下缺点：

1、0.4～0.8mm薄壁板支撑在高度高于200mm时，将存在严重的压溃扭曲变形，不再具备支撑能力。

2、支撑板细小。为达到支撑效果，在进行大尺寸构件打印时，支撑板的布局数量一般比较多，且支撑板的打印时间中超过80％是跑刀时间，严重影响打印速度。

3、支撑板为非目标打印件本体，一般需拆除。细小及细密的支撑板的拆除费工费时，且严重影响低面成型质量。

发明内容

针对上述3D打印中存在的问题，本发明提供一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构及打印方法，该成型机器结构采用多模组，分别搭载大流量挤出***和精密挤出***或同时搭载精密挤出***，同时间进行分工作业、协同作业，以提升3D打印机的打印效率及成品精度，能够实现高效率、高精度的3D打印。

本发明的具体技术方案如下：

一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述机器结构包括举升平台、整机骨架和打印模组；

所述举升平台位于所述整机骨架的空腔中，能够在整机骨架内进行精密升降；

所述打印模组安装在所述整机骨架顶部，所述打印模组包括多个打印喷头，多个所述打印喷头分别置于所述整机骨架内，位于所述举升平台上方；多个所述打印喷头分别使用不同的耗材打印；多个所述打印喷头的打印口径不一致；

根据不同的打印需求，控制所述打印模组中相应的所述打印喷头运动到所需位置，并控制所述打印喷头定量挤出相应的耗材。

进一步地，所述打印模组包括Y轴滑动模组、X轴精密滑动模组、X轴精密双挤出***、X轴大流量挤出***和X轴大承载滑动模组；

所述Y轴滑动模组固定安装在所述整机骨架的顶部；所述X轴精密滑动模组和所述X轴大承载滑动模组平行设置在所述Y轴滑动模组上；在所述Y轴滑动模组带动下，所述X轴精密滑动模组和所述X轴大承载滑动模组在所述Y轴滑动模组上进行Y方向精确滑行；

所述X轴精密双挤出***安装在所述X轴精密滑动模组上，在所述X轴精密滑动模组带动下，在所述X轴精密滑动模组上进行X方向滑动；

所述X轴大流量挤出***安装在所述X轴大承载滑动模组上，在所述X轴大承载滑动模组带动下，在所述X轴大承载滑动模组上进行X方向滑动。

进一步地，所述Y轴滑动模组包括主滑动轨道和随动轨道，所述主滑动轨道和所述随动轨道平行固定安装在所述整机骨架的顶部两端；所述X轴精密滑动模组和所述X轴大承载滑动模组的两端分别安装在所述Y轴滑动模组的所述主滑动轨道和所述随动轨道上；所述主滑动轨道带动所述X轴精密滑动模组和所述X轴大承载滑动模组在所述Y轴滑动模组上分别进行Y方向滑行。

进一步地，所述X轴精密双挤出***包括可溶性支撑耗材卷料、两组耗材送丝***、两套精密挤出头和主体耗材卷料；

所述可溶性支撑耗材卷料和所述主体耗材卷料分别通过所述耗材送丝***与所述精密挤出头相连，通过各自的所述耗材送丝***将耗材送向所述精密挤出头。

进一步地，所述可溶性支撑耗材卷料和所述主体耗材卷料固定于所述整机骨架上，两组所述耗材送丝***并排安装在所述X轴精密滑动模组上，所述精密挤出头安装在所述耗材送丝***底端。

进一步地，所述精密挤出头包括电加热结构，通过电加热将耗材融化并挤出。

进一步地，所述X轴大流量挤出***包括主体颗粒耗材、料盒、电机及减速***、螺杆挤出***、大孔径挤出头；

所述主体颗粒耗材放置储存在所述料盒内；所述料盒的出口与所述螺杆挤出***相连，所述主体颗粒耗材经所述料盒的出口进入所述螺杆挤出***内；所述电机及减速***与所述螺杆挤出***相连，为所述螺杆挤出***提供运行旋转的所需动力；所述大孔径挤出头设置在所述螺杆挤出***的底端。

进一步地，所述螺杆挤出***包括电加热结构，所述主体颗粒耗材经所述螺杆挤出***电加热融化后，经所述大孔径挤出头定量挤出。

本发明还提供了一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括如下步骤：

S1、将目标样件分成若干部分，并了解各部分的打印需求或作用；

所述目标样件主要分为样件外观表面、样件内部填充、可溶性支撑、支撑骨架和基底层四个部分；

S2、根据各部分的打印要求或作用选择打印喷头；

由X轴精密双挤出***精密且高速进行所述样件外观表面、所述可溶性支撑打印；所述样件内部填充、所述支撑骨架和基底层采用X轴大流量挤出***打印；

S3、逐层打印；

升降平台逐层下降，完成3D打印融熔沉积工艺中的高度变化；根据每层的打印需求控制所述X轴精密双挤出***、所述X轴大流量挤出***分别在水平面方向完成各自的XY方向运动；

S4、当所述X轴精密双挤出***和/或所述X轴大流量挤出***根据打印需求到达相应位置后，将相应耗材加热并定量挤出。

进一步地，在S3中，Y轴滑动模组分别驱动X轴精密滑动模组和X轴大承载滑动模组独立完成Y方向直线运行；所述X轴精密双挤出***在所述X轴精密滑动模组驱动下完成X方向直线运动；所述X轴大流量挤出***在所述X轴大承载滑动模组的驱动下完成X方向的直线运动。

本发明的有益效果：

本发明相较传统3D打印机效率高、成型结构更稳定；通过多模组多喷头的设置，可根据打印部位选用不同的打印耗材及喷头的规格，能更好的调和打印速度与精度，保证打印的速度与质量，还可节省成本。

附图说明

图1为本发明高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构的结构示意图；

图2为本发明中X轴双喷头精密挤出***结构示意图；

图3为本发明中X轴大流量挤出***结构示意图；

图4为一般打印件的构成解析示意图；

图5为本发明中双模组打印实施示意图。

其中：100-举升工作台、200-整机骨架、300-Y轴滑动模组、400-X轴精密滑动模组、500-X轴精密双挤出***、501-可溶性支撑耗材卷料、502-耗材送丝***、503-精密挤出头、504-主体耗材卷料、600-X轴大流量挤出***、601-主体颗粒耗材、602-料盒、603-电机及减速***、604-螺杆挤出***、605-大孔径挤出头、700-X轴大承载滑动模组、800-打印成品件、801-目标样件、802-样件外观表面、803-样件内部填充、804-可溶性支撑、805-支撑骨架和基底层。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本实施例记载了一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，如图1所示，该机器结构包括举升平台100、整机骨架200、Y轴滑动模组300、X轴精密滑动模组400、X轴精密双挤出***500、X轴大流量挤出***600、X轴大承载滑动模组700。

举升平台100位于整机骨架200的空腔中，举升平台100设有升降机构，通过升降机构举升平台100可整体在整机骨架200内进行精密升降。

本例中Y轴滑动模组300由主滑动轨道和随动轨道构成，主滑动轨道和随动轨道平行固定安装在整机骨架200的顶部两端。主滑动轨道由Y轴驱动机构提供驱动动力。

X轴精密滑动模组400和X轴大承载滑动模组700的两端分别安装在Y轴滑动模组300的主滑动轨道和随动轨道上，且二者平行设置，二者与主滑动轨道相接端为驱动端，与随动轨道相接端为随动端。在Y轴驱动机构的驱动下，X轴精密滑动模组400和X轴大承载滑动模组700的驱动端带动随动端在Y轴滑动模组300上进行Y方向精确滑行。

X轴精密双挤出***500主要用于处理打印零部件表面纹理及可溶性支撑材料，其安装在X轴精密滑动模组400上，可在X轴精密滑动模组400带动下在X轴精密滑动模组400上滑动，进行快速精密X方向定位。

如图2所示，X轴精密双挤出***500包括可溶性支撑耗材卷料501、两组耗材送丝***502、两套精密挤出头503和主体耗材卷料504。

可溶性支撑耗材卷料501和主体耗材卷料504固定于整机骨架200上，并分别通过耗材送丝***502与精密挤出头503相连，通过各自的耗材送丝***502牵引推送将耗材送向精密挤出头503。精密挤出头503包括电加热结构，通过电加热将耗材融化后将其挤出。本实施例中两组耗材送丝***502并排安装在X轴精密滑动模组400上，精密挤出头503安装在耗材送丝***502底端。

X轴大流量挤出***600主要用于处理零部件上外部结构支撑的打印及基底层材料的铺设，其安装在X轴大承载滑动模组700上，并可在X轴大承载滑动模组700带动下在X轴大承载滑动模组700上稳定滑动，进行X方向精密定位。

如图3所示，X轴大流量挤出***600包括主体颗粒耗材601、料盒602、电机及减速***603、螺杆挤出***604、大孔径挤出头605。

主体颗粒耗材601放置储存在料盒602内。料盒602的出口与螺杆挤出***604相连，主体颗粒耗材601经料盒602的出口进入螺杆挤出***604内。电机及减速***603与螺杆挤出***604相连，为螺杆挤出***604提供运行旋转的所需动力，本例中电机及减速***603设置在螺杆挤出***604上端。大孔径挤出头605设置在螺杆挤出***604的底端。螺杆挤出***604包括电加热结构。主体颗粒耗材601经螺杆挤出***604电加热融化后经大孔径挤出头605定量挤出。本例中大孔径挤出头605与精密挤出头503相比，口径大，耗材挤出速度快。

在采用本例中的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构打印获得打印成品件800的过程中，其打印方法如下：

一、将目标样件801分成若干部分，并了解各部分的打印需求或作用；

如图4所示，在3D打印中，目标样件801通常主要分为样件外观表面802、样件内部填充803、可溶性支撑804、支撑骨架和基底层805四个部分。

样件外观表面802，为目标样件801的实心外层壳体；其要求层厚小、表面精细。样件内部填充803，为目标样件801内部的填充，层厚大，对表面无要求，可使用大口径喷头进行打印，相对传统小口径喷头的实心填充能够减少材料使用，提升打印速度。可溶性支撑804，为处于外部支撑骨架和基底层805与样件外观表面802的界面，主要为可溶性物质，能保证打印成品精度质量，同时更易拆除。支撑骨架和基底层805，主要作用：一方面填充举升平台100表面的凹凸，保证落料均匀；另一方面作为主要结构支撑辅助复杂结构的3D打印。

二、根据各部分的打印要求或作用选择打印喷头；

在目标样件801的各组成部分中，由于样件外观表面802、可溶性支撑804直接涉及外观属性，故而需打印细腻，喷头定位精准，同时高速，因此由X轴精密双挤出***500精密且高速进行样件外观表面802、可溶性支撑804打印。而样件内部填充803、支撑骨架和基底层805为不可见或拆除部分，对外观没有要求，仅需从成型速度及成型成本考虑。因此样件内部填充803、支撑骨架和基底层805采用X轴大流量挤出***600打印。

三、逐层打印。

升降平台100逐层下降，完成3D打印融熔沉积工艺中的高度变化。Y轴滑动模组300，分别驱动X轴精密滑动模组400和X轴大承载滑动模组700独立完成Y方向直线运行。X轴精密双挤出***500可在X轴精密滑动模组400驱动下完成X方向直线运动。X轴大流量挤出***600可在X轴大承载滑动模组700的驱动下完成X方向的直线运动。即根据每层的打印需求控制X轴精密双挤出***500、X轴大流量挤出***600分别在水平面方向完成各自的XY方向运动。

四、当X轴精密双挤出***500和/或X轴大流量挤出***600根据打印需求到达相应位置后，控制其将相应耗材加热并定量挤出。

因样件内部填充803、支撑骨架和基底层805在一般1000*1000*1000(mm^3)尺度的打印件中可占整体打印质量的85～95％，将样件内部填充803、支撑骨架和基底层805采用X轴大流量挤出***600单独打印，可提升3D打印构型速度60～80％。同时主体颗粒耗材601价格仅为主体耗材卷料504的20～30％，所以可为大件打印节约大量成本。

在本例中，通过精密挤出头503、大流量挤出头605针对目标样件801的不同部位依次独立或协同作业，如图5所示，可构建外观细致而内部坚固填充的打印成品件800。

另外在另一实施例中，可根据目标样件801情况设置多组X轴精密滑动模组400与X轴精密双挤出***500和/或X轴大流量挤出***600与X轴大承载滑动模组700的组合体，分别独立打印不同的3D打印区域或部件。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述机器结构包括举升平台(100)、整机骨架(200)和打印模组；

所述举升平台(100)位于所述整机骨架(200)的空腔中，能够在整机骨架(200)内进行精密升降；

所述打印模组安装在所述整机骨架(200)顶部，所述打印模组包括多个打印喷头，多个所述打印喷头分别置于所述整机骨架(200)内，位于所述举升平台(100)上方；多个所述打印喷头分别使用不同的耗材打印；多个所述打印喷头的打印口径不一致；

根据不同的打印需求，控制所述打印模组中相应的所述打印喷头打印喷头运动到所需位置，并控制所述打印喷头定量挤出相应的耗材。

2.根据权利要求1所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述打印模组包括Y轴滑动模组(300)、X轴精密滑动模组(400)、X轴精密双挤出***(500)、X轴大流量挤出***(600)和X轴大承载滑动模组(700)；

所述Y轴滑动模组(300)固定安装在所述整机骨架(200)的顶部；所述X轴精密滑动模组(400)和所述X轴大承载滑动模组(700)平行设置在所述Y轴滑动模组(300)上；在所述Y轴滑动模组(300)带动下，所述X轴精密滑动模组(400)和所述X轴大承载滑动模组(700)在所述Y轴滑动模组(300)上进行Y方向精确滑行；

所述X轴精密双挤出***(500)安装在所述X轴精密滑动模组(400)上，在所述X轴精密滑动模组(400)带动下，在所述X轴精密滑动模组(400)上进行X方向滑动；

所述X轴大流量挤出***(600)安装在所述X轴大承载滑动模组(700)上，在所述X轴大承载滑动模组(700)带动下，在所述X轴大承载滑动模组(700)上进行X方向滑动。

3.根据权利要求2所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述Y轴滑动模组(300)包括主滑动轨道和随动轨道，所述主滑动轨道和所述随动轨道平行固定安装在所述整机骨架(200)的顶部两端；所述X轴精密滑动模组(400)和所述X轴大承载滑动模组(700)的两端分别安装在所述Y轴滑动模组(300)的所述主滑动轨道和所述随动轨道上；所述主滑动轨道带动所述X轴精密滑动模组(400)和所述X轴大承载滑动模组(700)在所述Y轴滑动模组(300)上分别进行Y方向滑行。

4.根据权利要求2所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述X轴精密双挤出***(500)包括可溶性支撑耗材卷料(501)、两组耗材送丝***(502)、两套精密挤出头(503)和主体耗材卷料(504)；

所述可溶性支撑耗材卷料(501)和所述主体耗材卷料(504)分别通过所述耗材送丝***(502)与所述精密挤出头(503)相连，通过各自的所述耗材送丝***(502)将耗材送向所述精密挤出头(503)。

5.根据权利要求4所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述可溶性支撑耗材卷料(501)和所述主体耗材卷料(504)固定于所述整机骨架(200)上，两组所述耗材送丝***(502)并排安装在所述X轴精密滑动模组(400)上，所述精密挤出头(503)安装在所述耗材送丝***(502)底端。

6.根据权利要求4或5所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述精密挤出头(503)包括电加热结构，通过电加热将耗材融化并挤出。

7.根据权利要求2所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述X轴大流量挤出***(600)包括主体颗粒耗材(601)、料盒(602)、电机及减速***(603)、螺杆挤出***(604)、大孔径挤出头(605)；

所述主体颗粒耗材(601)放置储存在所述料盒(602)内；所述料盒(602)的出口与所述螺杆挤出***(604)相连，所述主体颗粒耗材(601)经所述料盒(602)的出口进入所述螺杆挤出***(604)内；所述电机及减速***(603)与所述螺杆挤出***(604)相连，为所述螺杆挤出***(604)提供运行旋转的所需动力；所述大孔径挤出头(605)设置在所述螺杆挤出***(604)的底端。

8.根据权利要求7所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构，其特征在于，所述螺杆挤出***(604)包括电加热结构，所述主体颗粒耗材(601)经所述螺杆挤出***(604)电加热融化后，经所述大孔径挤出头(605)定量挤出。

9.一种高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括如下步骤：

S1、将目标样件(801)分成若干部分，并了解各部分的打印需求或作用；

所述目标样件(801)主要分为样件外观表面(802)、样件内部填充(803)、可溶性支撑(804)、支撑骨架和基底层(805)四个部分；

S2、根据各部分的打印要求或作用选择打印喷头；

由X轴精密双挤出***(500)精密且高速进行所述样件外观表面(802)、所述可溶性支撑(804)打印；所述样件内部填充(803)、所述支撑骨架和基底层(805)采用X轴大流量挤出***(600)打印；

S3、逐层打印；

升降平台(100)逐层下降，完成3D打印融熔沉积工艺中的高度变化；根据每层的打印需求控制所述X轴精密双挤出***(500)、所述X轴大流量挤出***(600)分别在水平面方向完成各自的XY方向运动；

S4、当所述X轴精密双挤出***(500)和/或所述X轴大流量挤出***(600)根据打印需求到达相应位置后，将相应耗材加热并定量挤出。

10.根据权利要求9所述的高效率的3D打印多模组多喷头成型机器结构的打印方法，其特征在于，在S3中，Y轴滑动模组(300)分别驱动X轴精密滑动模组(400)和X轴大承载滑动模组(700)独立完成Y方向直线运行；所述X轴精密双挤出***(500)在所述X轴精密滑动模组(400)驱动下完成X方向直线运动；所述X轴大流量挤出***(600)在所述X轴大承载滑动模组(700)的驱动下完成X方向的直线运动。