CN109774116A - 一种3d打印装置和打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D打印装置和打印方法，包括数控***、运动***、热源、送料***、打印平台以及旋转***，所述旋转***用于调节所述运动***、所述热源、所述送料***以及所述打印平台旋转从而实现待打印零件片层的自支撑。本发明提供的一种3D打印装置和打印方法的打印质量高。

Description

一种3D打印装置和打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种3D打印装置和打印方法。
背景技术
增材制造，即3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印金属、塑料、陶瓷、砂等可粘合材料的方式来成型物体的技术，突破了传统工艺的加工限制，能够快速成型具备复杂结构的零件。根据耗材种类及送料方式的不同，3D打印装置采用的技术类型也不同，包括：光固化成型(Stereo Lithography,SL)、熔融沉积(Fused DepositionModeling)技术、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术、电子束熔化(Electron Beam Melting，EBM)技术、电弧送丝增材制造(Wire and Arc AdditiveManufacturing,WAAM)技术，激光近净成型(Laser Engineered Net Shaping，LENS)等等。
由于3D打印“分层切片，逐层叠加”的成型方式，如果每层耗材没有被刚性地固定在一个实体平台上，那么这个零件表面很有可能会在冷却过程中发生弯曲，这也就意味着需要打印的下一层粉末无法均匀地铺盖或喷洒在零件表面。因此即使是用铺粉的方式来成型，支撑或者基板仍然是必须的。多数塑料或砂型打印装置可以直接在金属平台上挤出沉积，大多数金属3D打印装置都会使用一个基准平台或者基板来成型零件，并且会在成型完成后将零件用机加工或线切割或是相似的方法从基板上切割下来。
现有的3D打印技术在打印零件的时候，当遇到如附图1中的悬空结构a、负倾角壁b或者空槽结构c等结构的时候，就需要在打印零件切片d的同时打印出如图2中所示的支撑e，从而使得悬空结构a、负倾角壁b或空槽结构c等能够正常的打印，但是零件打印完成之后还需要单独的将这些打印出来的支撑e与零件分离，容易对零件表面的切片d造成损伤，不仅如此打印这些支撑结构还会增大耗材的损耗，去支撑工艺也会耗费大量的时间，此外，在较为复杂的内部孔槽和悬空结构里添加的支撑难以甚至无法去除，打印质量低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印装置和打印方法，旨在解决现有技术中对复杂零件3D打印时设置支撑结构增大耗材的损耗、去除支撑花费大量时间甚至引起零件表面损伤的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印装置，包括数控***、运动***、热源、送料***、打印平台以及旋转***，所述旋转***用于调节所述运动***、所述热源、所述送料***以及所述打印平台旋转从而实现待打印零件片层的自支撑。
本发明进一步设置为，所述旋转***调节所述运动***、所述热源、所述送料***以及所述打印平台同步转动。
本发明进一步设置为，所述旋转***包括旋转体以及若干个不共线分布于所述旋转体上的可升降的控制顶头。
本发明进一步设置为，所述热源与所述送料***固定连接，所述热源与所述送料***同步运动。
本发明还提供一种3D打印方法，包括以下步骤：
S1，第一层切片固定于打印平台；
S2，根据第i层切片以及第i+1层切片计算第i+1层切片的悬空尺寸，并判断所述第i+1层切片是否需要支撑，否则进行S3，是则进行S4，其中i为大于或者等于1的整数；
S3，待第i层切片成形后，将第i+1层切片打印于第i层切片上，打印生成的第i+1层切片形成新的第i层切片，重复S2；
S4，待第i层切片成形后，将打印平台旋转，旋转到第i+1层切片可在第i层切片上进行自支撑的角度，进行S5；
S5，将第i+1层切片打印于旋转后的第i层切片上，打印生成的第i+1层切片形成新的第i成切片，重复S2；
S6，重复S2-S5，直到零件打印完成。
本发明进一步设置为，所述S1-S5中的打印过程均通过送料***提供耗材给一热源，所述送料***通过熔覆、粘接、焊接或喷涂中的一种或几种方式向所述热源提供耗材。
本发明进一步设置为，所述打印平台的旋转过程在打印过程之前或者与打印过程同步进行。
与现有技术相比，本发明提供的一种3D打印装置和打印方法能够分析切片层的自支撑性，若待打印的切片层耗材的结构强度能够对其自身的重量进行支撑，即可自支撑的时候，直接进行打印，而当待打印的切片层耗材的结构强度不足以进行自支撑的时候，则驱动打印平台转动使得打印平台与水平面之间具有一定的夹角，由于待打印的切片层减少了水平方向伸出于前一层切片的长度在重力方向上的投影，就使得待打印的切片层耗材能够通过自身的结构强度对自身的重量进行支撑，如此在打印过程中就不需要打印新的支撑结构，待新打印的切片成形之后通过计算可知下一片层切片是否需要旋转，需要旋转则旋转之后进行下一层片切片的打印，不需要旋转则直接打印，如此循环，就能够实现零件的零支撑打印。本发明提供的3D打印装置和打印方法不仅能够保证零件表面具有较高的质量，还能够减少打印耗材的损耗，节约去除支撑所需的工艺时间，进而提高打印效率。
附图说明
图1是一种具有悬空结构、负倾角壁和空槽结构等结构的零件示意图；
图2是一种对图1中零件进行打印的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种3D打印方法的流程图；
图4是本发明一实施例提供的一种3D打印装置中旋转***的工作流程图；
图5是本发明一实施例提供的一种3D打印装置的工作原理图；
图6是本发明一实施例提供的一种3D打印装置的结构连接图；
图7是本发明一实施例提供的一种3D打印装置中旋转***的结构示意图。
其中，1-数控***；2-运动***；3-热源；4-送料***；5-打印平台；6-旋转***；7-零件；8-旋转体；9-控制顶头；a-悬空结构；b-负倾角壁；c-空槽结构；d-切片；e-支撑。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种3D打印装置和打印方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
由于3D打印技术采用“分层切片，逐层叠加”的加工方式，一些结构强度不足以进行自支撑的耗材无法直接在空气或真空中沉积。因此对于因重力作用无法自支撑的零件区域，必须在零件下侧打印一定的支撑结构，例如附图1给出了一种具有悬空结构a、负倾角壁b以及空槽结构e的零件，附图2为打印附图1中b结构时候的示意图，其中打印的方向为附图1中箭头的方向，其打印零件的过程中，形成零件的部分切片d需要单独的打印支撑e才能保持切片d的位置稳定性。
本实施例提供了一种3D打印装置和打印方法，参照附图3至附图7，其中3D打印方法如图3所示，其中图3中的n表示零件7所需要打印的总层数，包括以下步骤：
S1，第一层切片固定于打印平台5；
S2，根据第i层切片以及第i+1层切片计算第i+1层切片的悬空尺寸，并判断所述第i+1层切片是否需要支撑，否则进行S3，是则进行S4，其中i为大于或者等于1的整数；
S3，待第i层切片成形后，将第i+1层切片打印于第i层切片上，打印生成第i+1层切片形成新的第i层切片，，重复S2；
S4，待第i层切片成形后，打印平台5旋转，旋转到第i+1层切片可在第i层切片上进行自支撑的角度，如图4所示，其中图中的虚线方向为切片的沉积方向，圆弧形的箭头为零件的旋转方向，其中实现旋转功能的方式可以是改变三维坐标、极坐标或者球坐标中的一种，进行S5；
S5，将第i+1层切片打印于旋转后的第i层切片上，打印生成第i+1层切片形成新的第i成切片，重复S2；
S6，重复S2-S5，直到i＝n时零件7打印完成。其中为节省工艺时间，S2中的判断分析步骤可在切片成形前进行。
其中，所述S1-S5中的打印过程均通过送料***4提供耗材给一热源3，所述送料***4通过熔覆、粘接、焊接或喷涂中的一种或几种方式向所述热源3提供耗材，本实施例优选的方式为喷涂。
所述打印平台5的旋转过程在打印过程之前或者与打印过程同步进行。
请参见图3，该数控***1集成了旋转***6，需要输入打印的切片层高和相应耗材的自支撑角，根据层高对模型进行切片后，从第二层切片开始，计算第二层切片相对于第一层切片的悬空距离和悬空维度，根据悬空距离和切片层高，就可以判断出悬空角与自支撑角的关系，进而判断出零件7是否需要支撑。如果不需要支撑，则正常输入运动路径给运动***2；如果需要支撑，那么根据坐标位置将每个悬空维度所需要的旋转空间角度和此时的运动路径作为数据矩阵输出，再继续进行下一层判断，直至最终每层切片的旋转参数和运动路径全部生成。旋转***6可以执行在运动***2之前即可，无需实时配合，降低了控制难度。
请参见图4，在确定零件7摆放位置后，对零件7进行切片，并计算出在此摆放位置需要支撑的具体切片层数。当沉积层数达到该层的前一层时，通过旋转控制***操控旋转***6，对3D打印装置内的热源3、送料***4和运动***2进行旋转，直到待打印的切片层能够顺利自支撑的角度，保证耗材能够在当前的打印平面上沉积成型。对于悬空维度较多的需支撑平面，可以通过多维度旋转，针对该平面的各个悬空位置多次旋转，保证该层耗材的完整打印。该层打印完后具备一定的强度，能够支撑下一层的打印并保证在旋转过程中不断裂。通过借助旋转***6调整打印平台5和重力方向的角度，可以实现打印件的层层沉积，直至最终成型。
本实施例提供的一种3D打印装置，如图5至图7所示，包括数控***1、运动***2、热源3、送料***4、打印平台5以及旋转***6，数控***1能够向运动***2、热源3和旋转***6输出打印工程所需的工作指令和工艺参数，运动***2能够按照数控***1输出的指令移动热源3、送料***4或者打印平台5，实现从送料***4送出的耗材在打印平台5的层层沉积。所述旋转***6用于调节所述运动***2、所述热源3、所述送料***4以及所述打印平台5旋转。优选的，所述运动***2、所述热源3、所述送料***4以及所述打印平台5为整体结构，所述旋转***6调节所述运动***2、所述热源3、所述送料***4以及所述打印平台5同步转动，从而能够对切片的沉积方向和重力方向的夹角进行调整，直至零件7成型完毕。所述热源3与所述送料***4固定连接，所述热源3与所述送料***4同步运动。
请参见图5，由数控***1完成零件7模型切片，将运动路径(热源3扫描路径或打印平台5移动路径)输出给运动***2，将工艺参数输出给热源3，由集成在数控***1的旋转控制***分析切片的自支撑性，判断传统3D打印工艺需要支撑的切片层和支撑面，计算出打印过程中的旋转角度和转角维持时间。运动***2根据数控***1输出的路径对热源3、送料***4或者打印平台5进行移动，保证送料***4送出的耗材经过热源3处理后，能够层层贴合在打印平台5上。当零件7达到需要支撑的层数时，旋转***6开始按照数控***1输出的旋转参数运作，通过同步旋转运动***2、热源3、送料***4和打印平台5，实现3D打印零件的切片的自支撑。
所述旋转***6包括旋转体8以及若干个不共线分布于所述旋转体8上的可升降的控制顶头9，优选的本实施例中所述旋转体8为矩形结构，所述控制顶头9分布于所述旋转体8的四个角上。
综上所述，本发明提供的一种3D打印装置和打印方法，在打印的时候，如果在已经打印的切片上需要新打印的切片的结构强度足够对自身的重量进行支撑，如此就可以直接进行打印，待该切片成形之后，对再接下来打印的切片进行判断，如果是需要进行支撑的，此时旋转***6控制运动***2、热源3、送料***4以及打印平台5转动，并转动到待打印切片层耗材能够进行自支撑的角度，进行S5，此时再进行打印，并停留充足的时间使得该打印的切片层耗材成形，成形之后循环该步骤，这样整个打印过程中都不需要进行支撑，所以打印完成之后也没有需要移出的支撑，不仅保证了零件7表面的质量，同时由于不需要打印支撑，所以打印的耗材更少，成本更低，同时由于减少了需要打印的总量，所以也能够提高打印的速度。
其中由于运动***2、热源3、送料***4和打印平台5为整体结构，如此旋转***6在进行旋转的时候，也能够更为简单方便的进行旋转，实用性强。打印平台5的旋转过程在打印过程之前或者与打印过程同步进行，这样就能够使得旋转过程占用打印进行的时间减少到最少，进一步的提高了打印的效率。旋转***6运行时，旋转体8上的控制顶头9伸缩，如此就能够对四个控制顶头9顶部所在的平面的角度进行调节，从而能够对连接于四个控制顶头9上的打印平台5等结构的角度进行调节，简单方便。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括数控***、运动***、热源、送料***、打印平台以及旋转***，所述旋转***用于调节所述运动***、所述热源、所述送料***以及所述打印平台旋转从而实现待打印零件片层的自支撑。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印装置，其特征在于，所述旋转***调节所述运动***、所述热源、所述送料***以及所述打印平台同步转动。
3.根据权利要求1或2所述的一种3D打印装置，其特征在于，所述旋转***包括旋转体以及若干个不共线分布于所述旋转体上的可升降的控制顶头。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印装置，其特征在于，所述热源与所述送料***固定连接，所述热源与所述送料***同步运动。
5.一种3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，第一层切片固定于打印平台；
S2，根据第i层切片以及第i+1层切片计算第i+1层切片的悬空尺寸，并判断所述第i+1层切片是否需要支撑，否则进行S3，是则进行S4，其中i为大于或者等于1的整数；
S3，待第i层切片成形后，将第i+1层切片打印于第i层切片上，打印生成的第i+1层切片形成新的第i层切片，重复S2；
S4，待第i层切片成形后，将打印平台旋转，旋转到第i+1层切片可在第i层切片上进行自支撑的角度，进行S5；
S5，将第i+1层切片打印于旋转后的第i层切片上，打印生成的第i+1层切片形成新的第i成切片，重复S2；
S6，重复S2-S5，直到零件打印完成。
6.根据权利要求5所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述S1-S5中的打印过程均通过送料***提供耗材给一热源，所述送料***通过熔覆、粘接、焊接或喷涂中的一种或几种方式向所述热源提供耗材。
7.根据权利要求5或6所述的一种3D打印方法，其特征在于，所述打印平台的旋转过程在打印过程之前或者与打印过程同步进行。
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