一种全面积三维成形系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种全面积打印喷头结构用于三维成形模型的制造系统装置，属于快 速成型的微机械三维加工的技术领域。
【背景技术】
[0002] 三维成形（Rapid Prototyping and Manufacturing)技术是20世纪八十年代后 期发展起来的一种高新技术。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机 辅助设计和计算机辅助制造集成于一体。根据在计算机上构造的CAD三维模型，按照一定 的规律将该模型离散为一系列片层有序的单元，成形系统制作一系列层片并自动将它们连 接起来，得到一个三维物理实体。
[0003] 三维快速成形技术自上世纪80年代后期出现至今，已经出现了几十种工艺。目 前应用比较广泛的典型工艺有光固化快速成型技术、分层实体造型技术、熔丝沉积造型技 术、选择性激光烧结技术以及三维打印快速成型（3DP)等技术。与这些技术方法相对应的 成型设备可以大体分为：基于粉末的激光烧结和粘接设备、基于热熔丝沉积的3D打印成型 设备、光固化设备、直接喷墨的三维成型设备等制造装置。
[0004] 这些三维快速成型的增材制造技术方法与传统的减材制造方法虽然在节能减排， 减少环境污染等方面具有优势。但是这些三维快速成型的设备都普遍存在模型制品的成型 材料少，制作周期长，成型精度差，制件的强度低等缺点。所制备出来的实际的三维物理模 型只是模型的的轮廓，这种模型的成形制件精度和表面质量比较差、制件强度低，其物理性 能不能满足功能性或半功能型制件的要求，不能作为功能性制件使用，只能作为模型的模 拟示范。
[0005] 要实现三维快速成形的物理模型制件能够直接用于实际工作机构时，其模型制件 的物理、化学性能（强度、刚度、热性、导电性、加工性等）要满足实际功能性使用要求。要 在了解模型机构的运行情况和物理、化学特性状态下，通过有限元模拟分析预先判断模型 实际应用中的的理化特性和状态，明确模型应用中不同部位和区域的受力、受热等物理化 学特性，为实际的三维模型所采用的多种材料混合打印成形，提高模型制件的物理性能，满 足制件的功能要求提供依据。
[0006] 现有的三维快速成型工艺装置在模型单品制备上只能做到使用一种成形材料，不 能实现在同一制作模型上多种材料合理搭配。另外，现有成形系统还存在的喷头装置单一， 无法自动选择成型材料等缺陷和不足。
【发明内容】
[0007] 本发明针对现有快速成形方法和装置中存在的模型制件的成型材料少，制作周期 长，成型精度差，制件的强度低等缺点，以及无法自动选择打印成型材料的不足，而提出了 一种全面积三维成形系统。这种全面积三维成形系统能够实现在单品模型中多种材料同时 制备，任意多种材料都可以自由相邻近相连，且成形时间短，成型精度高。模型单品材料组 成多、强度高，满足功能性或半功能性的制件要求。
[0008] 本发明所公布的这种全面积三维成形系统先要对三维模型进行有限元分析，明确 模型受力、受热等理化状态，来确定成型材料的构成。通过本成形系统的自动材料选择组合 功能，任意两种打印成型材料都可以自由的相邻组合。
[0009] 本发明的全面积三维成形系统的结构示意图如图1所示，在本系统采用全面积打 印喷头，这种打印喷头上分布有N圈喷孔支架，每一圈的支架可以自由旋转360度；在每一 圈的打印喷孔又可以分为N个喷孔单元区域，N从1~16, 582, 375。每个区域对于一种成 形材料，设置其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔。每个区域对于一个像素位置点，每 个像素点对应三维模型的一个位置坐标。每个打印喷头区域通过一个供料导管与上面的供 料盒相连，供料盒根据打印喷孔区域数量的设定来确定。打印成型材料的选择是根据模型 有限元分析后的云图的颜色来分配。一种的颜色对于一个喷孔单元的位置，一个的喷孔单 元连接一种成型材料，当喷头上有N个喷孔区域时就对应有N种打印成型材料相连接。材 料的选择是根据上位机的控制命令来实现，通过控制电机驱动圆圈的喷孔支架，自动转动 定位，相邻功能区材料的衔接。在打印过程中喷头的喷孔能连续喷出成型材料。根据所打 印模型的形状要求，在成型过程中先打印成型支撑结构以实现柔性模具结构，再连续打印 出成型切片或模块，打印过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成型，直达全 部打印结束。本发明是区别于现有3D打印逐层成型的方法，而是以物理功能来区分切片或 模块，利用支撑结构来支撑模型制作成形。数据模型通过本发明的全面积成型装置从下之 上连续逐渐堆积成实际的三维物理模型。
[0010] 本发明的成型装置为全面积三维成形系统的喷头结构，如图2所示。这套快速成 形系统是由1~N层圆圈喷头架组成，每一圆圈架上分为1~N个不同单元的喷墨喷孔单 元区域，N从1~16, 582, 375。每个单元对应一种打印成形材料，每圆圈喷头架可以围绕中 心360度自由旋转，每个区域对于一种成形材料，并且每个区域对于一个像素位置点。设置 其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔。每个像素点对应三维模型的一个位置坐标。
[0011] 当打印过程中，任意相邻两圈的两个打印喷孔可以自由组合相邻近接触，这就构 成了任意两种材料都可以相邻近相连，支撑材料喷射单元可以自由与成型材料喷射单元相 挨着联接，在打印成型的过程中，可以根据模型的结构同时进行多组成材料的模型的切片 或单元同时打印成型，也可以根据模型片层的组成区域进行两组或多组相邻不同单元结构 的同时打印成型。根据所打印模型的形状要求，在模型成型过程在需要打印支撑结构时，根 据支撑结构的成型位置与相邻模型成型结构，先打印成型支撑结构，再连续打印出成型切 片或模块，打印过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成型，直达全部打印结 束。这种全面积打印成形系统，不仅可以实现多材料的打印成形，而且还做到了不同种类成 形材料自由组合相邻近接触组合，在打印成形过程中能做到多区域的成形切片或单元同时 打印。
[0012] 有益效果 本发明具有如下效益：（1)打印效率高；（2)制件模型强度大；(3)制件模型又多种材 料构成，满足模型的物理和化学性能；（4)制件模型的实用性强，可以作为最终的产品应用 的实际的运行机构；（5)本发明的快速成形方法和设备可以替代部分现有的加工方式。
【附图说明】
[0013] 图1所示为N个喷孔单元全面积三维成形打印系统的示意图； 图2所示为N个喷孔单元全面积三维成形打印喷头示意图； 图3所示为八个喷孔单元全面积三维成形系统的实施例示意图； 图4所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头的实施例示意图； 图5所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头的立体实施例示意图； 图6所示为风机叶片轮盘经过有限元分析后的应力分布图； 图7所示为分级叶片的经过有限元分析后的应力分布图。
[0014] 以上示意图包括：第N圈第N个供料盒供料导管1、第N圈第N个打印供料盒2、 第N-I圈第N-I个供料盒3、第5圈第5个供料盒4、第4圈第4个供料盒5、第3圈第3个 打印供料盒6、第2圈第2个供料盒7、第1圈第1个供料盒8、第1圈旋转电机9、第N圈旋 转电机10、全面积打印喷头11、X轴平面支架12、Y轴平面支架13、模型托盘14、升降支架 15、圆心轴16、第一圈第一个打印喷孔单元17、第一圈第二个打印喷孔单元18、第二圈第二 个打印喷孔单元19、第N-I圈第二个打印喷孔单元20、第N圈第一个打印喷孔单元21、第N 圈第N个打印喷孔单元22、第1圈第1个打印单元打印供料盒23、第1圈第2个打印单元 打印供料盒24、第1圈第3个打印单元打印供料盒25、第1圈第4个打印单元打印供料盒 26、第1圈第5个打印单元打印供料盒27、第1圈第6个打印单元打印供料盒28、第1圈第 7个打印单元打印供料盒29、第1圈第8个打印单元打印供料盒30、第2圈第1个打印单 元打印供料盒31、第2圈第2个打印单元打印供料盒32、第2圈第3个打印单元打印供料 盒33、第2圈第4个打印单元打印供料盒34、第2圈第5个打印单元打印供料盒35、第2圈 第6个打印单元打印供料盒36、第2圈第7个打印单元打印供料盒37、第2圈第8个打印 单元打印供料盒38、第3圈第1个打印单元打印供料盒39、第3圈第2个打印单元打印供 料盒40、第3圈第3个打印单元打印供料盒41、、第3圈第4个打印单元打印供料盒42、第 3圈第5个打印单元打印供料盒43、第3圈第6个打印单元打印供料盒44、第3圈第7个 打印单元打印供料盒45、第3圈第8个打印单元打印供料盒46、第3圈第4个打印供料盒 供料导管47、第3圈第8个打印供料盒供料导管48、打印头支架圈的旋转驱动电机49、打 印头支架圈的支架轴50、X轴平面支架51、Y轴平面支架52、全面积打印喷头53、模型托盘 54、升降支架55、第1圈第1个打印喷孔单元56、第2圈第1个打印喷孔单元57、第3圈第 1个打印喷孔单元58、第1圈第2个打印喷孔单元59、第2圈第2个打印喷孔单元60、第3 圈第2个打印喷孔单元61、第1圈第3个打印喷孔单元62、第2圈第3个打印喷孔单元63、 第3圈第3个打印喷孔单元64、第1圈第4个打印喷孔单元65、第2圈第4个打印喷孔单 元66、第3圈第4个打印喷孔单元67、第1圈第5个打印喷孔单元68、第2圈第5个打印喷 孔单元69、第3圈第5个打印喷孔单元70、第1圈第6个打印喷孔单元71、第2圈第6个打 印喷孔单元72、第3圈第6个打印喷孔单元73、第1圈第7个打印喷孔单元74、第2圈第7 个打印喷孔单元75、第3圈第7个打印喷孔单元76、第1圈第8个打印喷孔单元77、第2圈 第8个打印喷孔单元78、第3圈第8个打印喷孔单元79、距离轮盘轴线的半径2/3的区域 80、叶片上离旋转轴线1/3处81的区域、叶片的边缘周围区域82、叶片的中部区域83。
[0015] 具体的实施方式 以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体三维成型方法和 实际制作结构并不限于以下的实施例。
[0016] 实施例一，本发明实施例所应用打印的成型系统为八个喷孔单元全面积三维成 形系统，其结构如图3所示意，立体图如图4所示。八个喷孔的全面积成形系统采用三圈 打印头支架，每一圈支架都可以360度自由