CN108215177B - 一种可提高打印效率的3d打印设备及其3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印领域内一种可提高打印效率的3D打印设备及其3D打印方法，本发明的可提高打印效率的3D打印设备，包括一个打印头和若干个铺粉装置，每个所述铺粉装置分别对应一个打印区域，各打印区域沿直线方向依次布置，并且各打印区域分别配有独立控制升降的工作台，所述铺粉装置可往返双向铺粉,所述铺粉装置的双向铺粉方向与打印区域布置的直线方向垂直；所述打印头的打印方向与铺粉方向垂直，并且打印头可沿铺粉方向移动实现换行往返打印。本发明的3D打印设备，设置一个打印头和多个铺粉装置，实现通过合理配置打印速度、铺粉速度，和铺粉顺序，实现打印头连续打印不停机，消除等待时间，从而大幅提高设备打印效率，降低打印成本。

Description

一种可提高打印效率的3D打印设备及其3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种可提高打印效率的3D打印设备及其3D打印方法。
背景技术
3DP成型方法是典型的粉末（或颗粒）材料3D打印技术，该技术最早由美国麻省理工大学于1989年在US5204055A1这篇专利中提出。该方法的具体过程为先在平台上均匀的铺一层粉末，打印头扫描并在特定区域内喷射一种液料，使得喷射部位的粉末粘结在一起，然后打印平台下降相应的的层厚距离，重复上述步骤，直至完成所有层的铺粉打印工作。现有技术中，基于上述技术的粉末3D打印设备普遍特征在于，铺粉和打印是分步骤依次完成的，存在等待时间，使得单层铺粉打印周期较长，从而导致设备打印效率大大受限。如想提高效率，只能通过增大打印面积、提高铺粉与打印速度、增加打印头的宽度等方法来实现，但上述方法中增加打印面积会增加整个设备的制造难度，甚至无法实现；铺粉与打印速度在达到特定的值后很难再提升；增加打印头的宽度会大大提高设备的制造与维护成本，且增加控制难度。上述方法只能小幅度的提升设备打印效率，远远不能满足粉末3D打印技术产业化推广应用的要求。
美国EXone公司于2014年在DE102014112447A1的专利中提到一种双工作箱的3D打印设备结构，该方法为双工作箱同时铺砂及打印，与同等成型尺寸的单箱3D打印设备相比，效率可成倍提高。但该方法的实质仍然是铺粉和打印分步骤依次完成，存在等待时间，效率未最大化。
美国Voxeljet公司于2013年在WO2015/096826的专利中提到提高打印效率的设备和方法，该方法主要为将一组或多组铺粉装置与打印头并列布置，可实现铺粉与打印同时进行，以及单向多层、双向多层同时打印的动作。但该方法在实施过程中仍然存在如下问题：首先将铺粉装置与打印头设置为同向运动，实际使用中，铺粉装置的运动速度远低于打印头的运动速度，因此打印效率由铺粉速度决定，如按此方法实施，还是无法显著提高打印效率；其次将铺粉装置与打印头设置为同向运动，要求将打印头的宽度设置为与铺粉装置的有效铺粉宽度相同，在实施该方法时，因受打印头制造难度、成本、控制难度等方面制约，可实施宽度往往只能控制在1米以内，会严重制约有效打印尺寸，且打印效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术中的3D打印成型方法中存在的打印头与铺粉装置的速度不匹配而导致的打印效率低的问题，提供一种可提高打印效率的3D打印设备，通过特定的打印方向、铺粉方向及多打印区域的设置，避免打印头的停机等待，以提高3D打印设备的打印效率。
本发明的目的是这样实现的，一种可提高打印效率的3D打印设备，包括一个打印头和若干可独立工作的铺粉装置，每个所述铺粉装置分别对应一个打印区域，各打印区域沿直线方向依次布置，并且各打印区域分别配有独立控制升降的工作台，所述铺粉装置可往返双向铺粉,所述铺粉装置的双向铺粉方向与打印区域布置的直线方向垂直；所述打印头的打印方向与铺粉方向垂直，并且打印头可沿铺粉方向移动实现换行往返打印。
本发明的3D打印设备，设置一个打印头和多个铺粉装置，每个铺粉装置分别对单独的打印区域进行独立的铺粉，一个打印头对多个打印区域进行打印，实现根据打印头和铺粉装置的速度，合理配置各铺粉装置的铺粉顺序和打印头的打印顺序，实现打印头连续打印不停机，消除等待时间，从而大幅提高设备打印效率，降低打印成本。
为进一步优化各部的配区性，所述打印区域为长方形，每个打印区域沿打印工作台布置的直线方向为所述打印区域的长度方向，与长度方向垂直的方向为打印区域的宽度方向；所述铺粉装置的铺粉方向与打印区域的宽度方向一致，并且铺粉装置的有效铺粉宽度与对应的打印区域的长度相等；所述打印头沿铺粉方向的长度大于或等于打印区域宽度的一半。本发明的结构中，铺粉方向和打印方向垂直进行，打印头沿各打印区域布置的纵向往返打印一来回，各铺粉装置沿铺粉方向从一侧向另一侧铺粉运动一次即完成一层的铺粉和打印。
为方便打印头在各打印区域之间的临时停留，所述打印区域之间的空档间距大于打印头沿打印方向的宽度以方便打印头临时停留在任一相邻的打印区域之间的空档。
为保证铺粉装置停止等待时，不占用打印头的打印位置，所述铺粉装置在打印区域宽度方向的两侧分别设有停止位，所述铺粉装置位于停止位时，其垂直投影位于打印区域的外侧，所述铺粉装置从一侧的停止位移动并铺粉至另一侧的停止位完成一层的铺粉，可暂停在相应的停止位或继续返回并同时进行下一层的铺粉。
为进一步实现本发明高效打印的目的，本发明还提供一种采用上述3D打印设备进行3D打印的方法,包括如下过程：
1）在沿直线方向分别布置1#、2#…N#打印区域和与各打印区域对应的1#铺粉装置、2#铺粉装置…N#铺粉装置，各铺粉装置分别停留在各打印区域其中之一的停止位上，所述打印头的长度方向与打印区域的宽度方向一致，各打印区域之间的空档间距大于打印头的宽度以便于打印头在打印区域之间的空档临时停留；
2）设置打印头和各铺粉装置开始打印前的初始位置，各铺粉装置分别停于各自打印区域其中之一的停止位上，所述打印头停止于任一相邻的打印区域之间的空档位置并且靠近打印区域宽度方向的一侧；
3）铺底层粉：首先打印头暂停在初始状态，各铺粉装置从初始位置开始从一侧向另一侧往复移动并在移动过程中向对应的打印区域逐层铺若干层底粉，完成底层粉的铺设后各铺粉装置暂停在各自初始位置的停止位上；
4）打印头从始初位置开始，沿打印区域的布置方向在已铺设的底层粉上方依次打印，当打印头打印至N#打印区域的末端时，打印头沿打印区域的宽度方向移动至另一部份未打印区域的上方反方向对各打印区域的剩余部分进行依次打印，同时，每完成一个打印区域一层的完整打印，对应的铺粉装置开始从其所在的停止位向另一停止位移动并铺粉至另一停止位上暂停；当打印头反向打印至1#打印区域上方并完成打印头对应的1#打印区域的打印时，打印头沿打印区域的宽度方向移动至正对另一侧未打印的区域的上方从1#打印区域开始继续进行打印，直至打印头打印至初始位置完成一个铺粉层的打印，各铺粉装置陆续对各打印完的打印区域进行下一层的铺粉，打印头不停的继续向下一打印区域进行下一铺粉层的循环打印和循环铺粉，直至完成各打印区域产品的打印。
本发明的3D打印方法，根据双向铺粉的铺粉装置的铺粉速度和打印头的打印速度，将打印方向和铺粉方向垂直设备，并且各铺粉装置可独立的进行各自区域的铺粉，通过合理设置打印头的起始位置和各铺粉装置的铺粉动作的顺序，并且铺粉装置铺粉和停止均不影响打印头的行进路线，可以实现打印头不间断的打印，避免打印头和铺粉装置的相互等待，从而显著提高打印效率。
进一步地，所述铺粉装置在停止位时，不占用打印区域上方的空间。
为进一步优化配置打印速度和铺粉速度，当所述打印头的起始位置位于1#打印区域和 2#打印区域之间的空档，所述打印头沿打印方向的打印速度和铺粉装置沿铺粉方向的铺粉速度应满足：打印头沿打印方向从起始位置向1#打印区域的一侧打印至另一侧再移动至1#打印区域剩余未打印区域上方完成1#打印区域的一层的打印时，铺粉装置至少完成对应打印区域的一层的铺粉并停止在停止位。
附图说明
图1为发明的可提高打印效率的3D打印设备的示意图。
图2为本发明的3D打印设备打印前的初始状态图。
图3为本发明的3D打印过程中状态图之一。
图4为本发明的3D打印过程中状态图之二。
图5为本发明的3D打印过程中状态图之三。
图6为本发明的3D打印过程中状态图之四。
图7为本发明的3D打印过程中状态图之五。
具体实施方式
实施例1
如图1所示为本发明的一种可提高打印效率的3D打印设备，包括一个打印头1和若干个可独立工作的铺粉装置2，每个铺粉装置2分别对应一个打印区域3，各打印区域3沿直线方向依次布置，并且各打印区域3分别配有独立控制升降的工作台，各铺粉装置2可往返独立的双向铺粉,并且铺粉装置2的双向铺粉方向与打印区域3布置的直线方向垂直；打印头1的打印方向与铺粉方向垂直，同时，打印头1可沿铺粉方向移动实现换行往返打印。
为进一步优化各部的配区性，本发明的各打印区域3为一般为长方形，每个打印区域3沿打印工作台布置的直线方向为打印区域3的长度方向，与长度方向垂直的方向为打印区域3的宽度方向；各铺粉装置2的铺粉方向与打印区域3的宽度方向一致，并且铺粉装置2的有效铺粉宽度与对应的打印区域3的长度相等，可以实现铺粉装置2沿宽度方向移动一次完成一层的铺粉，打印头1沿铺粉方向的长度L1大于或等于打印区域宽度的一半,便于打印头换行一次即往返一次可以完成一层铺粉层的打印。
为方便打印头1在各打印区域之间的临时停留，打印区域之间的空档间距大于打印头1沿打印方向的宽度以方便打印头临时停留在任一相邻的打印区域3之间的空档。
为保证铺粉装置停止等待时，不占用打印头的打印位置，铺粉装置2在打印区域宽度方向的两侧分别设有停止位，铺粉装置2位于停止位时，其垂直投影位于打印区域的外侧，铺粉装置从一侧的停止位移动并铺粉至另一侧的停止位完成一层的铺粉，可暂停在相应的停止位或继续返回并同时进行下一层的铺粉。
本发明的3D打印设备，设置一个打印头和多个铺粉装置，每个铺粉装置分别对单独的打印区域进行独立的铺粉，一个打印头对多个打印区域进行打印，根据打印头和铺粉装置的速度，合理配置各铺粉装置的铺粉顺序和打印头的打印顺序，实现打印头连续打印不停机，消除等待时间，从而大幅提高设备打印效率，降低打印成本。
实施例2
下面结合附图详细说明采用上述实施例的3D打印设备进行3D打印的方法，具体包括如下过程：
如图2所示，首先沿直线方向分别布置1#、2#…N#打印区域和与各打印区域对应的1#铺粉装置、2#铺粉装置…N#铺粉装置，各铺粉装置分别停留在各打印区域其中之一的停止位上，并且各铺粉装置在停止位时，不占用打印区域上方的空间；打印头的长度方向与打印区域的宽度方向一致，各打印区域之间的空档间距大于打印头的宽度以便于打印头在打印区域之间的空档临时停留；然后，设置打印头和各铺粉装置开始打印前的初始位置，各铺粉装置分别停于各自打印区域其中之一的停止位上，打印头停止于任一相邻的打印区域之间的空档位置并且靠近打印区域宽度方向的一侧；本实施例中，打印头初始位置位于1#打印区域和2#打印区域之间的空档位置上； 开始打印时，先在各打印区域铺若干层一定厚度的底层粉，此时，打印头暂停在初始位置，各铺粉装置从各自的初始位置开始从一侧向另一侧往复移动并在移动过程中向对应的打印区域逐层铺若干层底粉，完成底层粉的铺设后各铺粉装置暂停在各自初始位置的停止位上；然后，打印头从始初位置开始，沿打印区域的布置方向在已铺设的底层粉上方依次打印，即打印头从2#打印区域依次打印至N#打印区域的末端时，如图3所示，完成2#—N#各区域与打印头长度对应区域的打印，打印头沿打印区域的宽度方向移动至另一部份未打印区域的上方反方向对各打印区域的剩余部分进行依次打印，如图4所示；同时，每完成一个打印区域一层的完整打印，对应的铺粉装置开始从其所在的停止位向另一停止位移动并铺粉至另一停止位上暂停，如图5所示；当打印头反向打印至1#打印区域上方并完成打印头对应的1#打印区域的打印时，如图6所示，打印头沿打印区域的宽度方向移动至正对另一侧未打印的区域的上方从1#打印区域开始继续进行打印，直至打印头打印至初始位置完成一个铺粉层的打印，如图7所示；至此，各铺粉装置陆续对各打印完的各打印区域进行下一层的铺粉，打印头不停的继续向下一打印区域进行下一铺粉层的循环打印和，各铺粉装置陆续的循环铺粉，直至完成各打印区域产品的打印。
本发明的方法中，打印头的初始位置不仅限于设置在1#打印区域和2#打印区域之间的空档，还可以设置在任一相邻的打印区域之间的空间，并且打印头沿铺粉方向需靠一侧设置，以便于往返两次完成一个铺粉层的打印。为便于打印速度和铺粉速度的优化设置，本实施例中，当打印头的起始位置位于1#打印区域和 2#打印区域之间的空档，打印头沿打印方向的打印速度和铺粉装置沿铺粉方向的铺粉速度应满足：打印头沿打印方向从起始位置向1#打印区域的一侧打印至另一侧再移动至1#打印区域剩余未打印区域上方完成1#打印区域的一层的打印时，铺粉装置至少完成对应打印区域的一层的铺粉并停止在停止位。
本发明的3D打印方法，根据双向铺粉的铺粉装置的铺粉速度和打印头的打印速度，将打印方向和铺粉方向垂直设备，并且各铺粉装置可独立的进行各自区域的铺粉，通过合理设置打印头的起始位置和各铺粉装置的铺粉动作的顺序，并且铺粉装置铺粉和停止均不影响打印头的行进路线，可以实现打印头不间断的打印，避免打印头和铺粉装置的相互等待，从而显著提高打印效率。

Claims (5)

1.一种可提高打印效率的3D打印设备，其特征在于，包括一个打印头和若干个可独立工作的铺粉装置，每个所述铺粉装置分别对应一个打印区域，各打印区域沿直线方向依次布置，并且各打印区域分别配有独立控制升降的工作台，所述铺粉装置可往返双向铺粉,所述铺粉装置的双向铺粉方向与打印区域布置的直线方向垂直；所述打印头的打印方向与铺粉方向垂直，并且打印头可沿铺粉方向移动实现换行往返打印；打印头沿打印区域的布置方向依次打印，当打印头打印至最后一个打印区域的末端时，打印头沿打印区域的宽度方向移动至另一部分未打印区域的上方反方向对各打印区域的剩余部分进行依次打印；所述打印区域为长方形，每个打印区域沿打印工作台布置的直线方向为所述打印区域的长度方向，与长度方向垂直的方向为打印区域的宽度方向；所述铺粉装置的铺粉方向与打印区域的宽度方向一致，并且铺粉装置的有效铺粉宽度与对应的打印区域的长度相等；所述打印头沿铺粉方向的长度大于或等于打印区域宽度的一半；所述打印区域之间的空档间距大于打印头沿打印方向的宽度以方便打印头临时停留在任一相邻的打印区域之间的空档。
2.根据权利要求1所述的可提高打印效率的3D打印设备，其特征在于，所述铺粉装置在打印区域宽度方向的两侧分别设有停止位，所述铺粉装置位于停止位时，其垂直投影位于打印区域的外侧，所述铺粉装置从一侧的停止位移动并铺粉至另一侧的停止位完成一层的铺粉，可暂停在相应的停止位或继续返回并同时进行下一层的铺粉。
3.一种采用权利要求1或2所述的3D打印设备进行3D打印的方法,其特征在于，包括如下过程：
1）在沿直线方向分别布置1#、2#…N#打印区域和与各打印区域对应的1#铺粉装置、2#铺粉装置…N#铺粉装置，各铺粉装置分别停留在各打印区域其中之一的停止位上，所述打印头的长度方向与打印区域的宽度方向一致，各打印区域之间的空档间距大于打印头的宽度以便于打印头在打印区域之间的空档临时停留；
2）设置打印头和各铺粉装置开始打印前的初始位置，各铺粉装置分别停于各自打印区域其中之一的停止位上，所述打印头停止于任一相邻的打印区域之间的空档位置并且靠近打印区域宽度方向的一侧；
3）铺底层粉：首先打印头暂停在初始状态，各铺粉装置从初始位置开始从一侧向另一侧往复移动并在移动过程中向对应的打印区域逐层铺若干层底粉，完成底层粉的铺设后各铺粉装置暂停在各自初始位置的停止位上；
4）打印头从始初位置开始，沿打印区域的布置方向在已铺设的底层粉上方依次打印，当打印头打印至N#打印区域的末端时，打印头沿打印区域的宽度方向移动至另一部份未打印区域的上方反方向对各打印区域的剩余部分进行依次打印，同时，每完成一个打印区域一层的完整打印，对应的铺粉装置开始从其所在的停止位向另一停止位移动并铺粉至另一停止位上暂停；当打印头反向打印至1#打印区域上方并完成打印头对应的1#打印区域的打印时，打印头沿打印区域的宽度方向移动至正对另一侧未打印的区域的上方从1#打印区域开始继续进行打印，直至打印头打印至初始位置完成一个铺粉层的打印，各铺粉装置陆续对各打印完的打印区域进行下一层的铺粉，打印头不停的继续向下一打印区域进行下一铺粉层的循环打印和循环铺粉，直至完成各打印区域产品的打印。
4.根据权利要求3所述的3D打印的方法，其特征在于，所述铺粉装置在停止位时，不占用打印区域上方的空间。
5. 根据权利要求3所述的3D打印的方法，其特征在于，当所述打印头的起始位置位于1#打印区域和 2#打印区域之间的空档，所述打印头沿打印方向的打印速度和铺粉装置沿铺粉方向的铺粉速度应满足：打印头沿打印方向从起始位置向1#打印区域的一侧打印至另一侧再移动至1#打印区域剩余未打印区域上方完成1#打印区域的一层的打印时，铺粉装置至少完成对应打印区域的一层的铺粉并停止在停止位。
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