本发明涉及fdm打印技术领域，特别涉及一种用于消除热朔性材料打印的产品内应力的消除装置及消应力打印的方法。
背景技术：
fdm即为熔融挤出沉积成型，是3d打印技术的一种，其在3d打印领域有着至关重要的地位。fdm成型技术主要依靠打印头和打印平台的移动实现三维立体模型的构建。在整个3d打印过程中，热塑性材料具有至关重要的地位，是整个打印模型的构成物质，fdm成型技术的材料有很多，例如abs、pla、尼龙等。
众所周知，热塑性材料在熔融成型后因自身收缩会产生较大应力，在应力作用下，打印过程中产品与打印平台面会分离，这一现象称为翘边。实践中发现，打印一件长度和宽度在500mm以上的产品时，翘边现象非常严重，甚至影响打印过程的正常进行，同时产品在后期使用过程中开裂倾向也很严重。
热塑性材料应力产生于两个阶段，第一阶段在熔融过程中，材料因温度不均匀、温度控制精度较低、排气不畅等原因产生较高应力，此时的应力主要依靠挤出机械控制。第二阶段为热塑性材料冷却结晶过程中，由于收缩以及分子重新排列产生应力，如果打印过程中层与层之间温差较大，降温速度不一致而产生较大应力，此时产生的应力主要依靠控制材料降温速度、减小温差等措施解决。
现有技术中，在公开号为cn106363910a的专利说明书中，公开了一种3d打印冷却装置及使用该冷却装置的3d打印机，在该装置中通过增加风管，在打印过程中进行吹风从而达到打印产品快速冷却的目的。此装置通过产品的快速冷却，消除了部分应力，但是无法彻底消除产品应力，产品应力依旧存在，使用过程中应力导致的开裂问题也依旧存在。可以用来缓解小型产品打印过程中产品与打印平台面分离问题，但是对较大产品无明显效果。同时风冷冷却速度较快时，会导致层与层之间粘接强度降低，影响产品性能。
在公开号为cn106513596a的专利说明书中，公开了一种用于3d打印的模具的应力消除设备，此装置只解决了热塑性材料在熔融过程中产生的应力，而热塑性材料在冷却结晶过程中产生的应力无法消除。此问题制约着fdm打印向更广阔的的空间发展，使得fdm打印技术目前局限于桌面级打印级别，无法实现大尺寸产品的打印和使用，工业利用价值大幅度降低。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中用于热朔性材料fdm打印过程中挤出料冷却结晶不均匀而造成产品内应力的问题，提供一种fdm打印应力消除装置，以控制fdm打印后产品的降温过程，从而消除产品冷却结晶内应力。
本发明的目的是这样实现的，一种fdm打印应力消除装置，包括fdm打印头和可升降的打印平台，所述打印平台下方设有载液箱，所述载液箱内设有温控加热部件和液面高度恒定的冷却液,所述fdm打印头逐层在打印平台上熔融打印过程中打印平台逐层下降并带动打印平台上的半成品逐渐浸入冷却液内进行热处理。
本发明的fdm打印应力消除装置，在打印平台下方设置载液箱，载液箱内充注一定液面高度的冷却液，打印头在打印台上逐层打印过程中，打印平台带动已经打印出半成品逐渐没入冷却液中，使熔融挤出的物料在冷却液内按设定的冷却工艺均匀冷却结晶，防止产品产生内应力。因此本发明的装置解决了热朔性材料熔融挤出后冷却不均匀而产生内应力的问题，并可防止打印后的产品翘曲，变形等问题。
为保证打印过程中，产品及打印平台逐渐没入冷却液过程中液面高度保持恒定，所述载液箱内与冷却液平齐的箱壁上设有液面平衡口，所述液面平衡口经输液管与液体收集箱连接，所述液体收集箱内的输液管口部设有液体发送泵。本发明的液面恒定的载液箱，打印平台带动产品没入冷却液的过程中，产品和打印平台排出的冷却液从液面平衡口经输液管排出至液体收集箱，以保持载液箱内液面高度恒定。当一个产品打印完，经冷却后从载液箱内取出，进入下一循环的产品打印时，通过液体发送泵再将载液箱内液体充注至液面平衡口下缘，可以继续进行下一产品的打印过程。
为便于控制冷却液的温度，所述温控加热部件包括没入冷却液内的加热元件，用于测量冷却液温度的测温仪、用于控制冷却液温度的温控器和温控开关。
作为本发明的改进，所述打印平台开始打印时平台上表面的起始高度与冷却液液面的高度差为10～50mm。打印平台的起始高度与冷却液液面设置一定的高度差，可以使刚刚挤出的打印料初步冷却定形，然后随着打印平台高度的降低没入冷却液进行均匀冷却，以保证打印产品的尺寸。
作为本发明的优选方案，所述冷却液为水、油类或酯类中的一种或一种以上的混合物。具体可根据打印材料对应选取。
为进一步实现消应力打印，本发明还提供一种采用上述应力消除装置进行fdm消应力打印的方法，具体包括如下过程：
s1：将载液箱内注入冷却液，使冷却液的液面高度达到液面平衡口的下边缘，同时，开启温控加热部件，将冷却液升温至低于打印材料熔融挤出温度30-50℃；
s2:调整打印平台的高度，使打印平台上表面高出冷却液液面的高度为10～50mm；
s3:开启fdm打印机，fdm打印头按打印程序设定的图形将物料熔融挤出在在打印平台上，每打印一层，打印平台下降一个打印层的厚度，在打印平台上逐层打印逐层下降过程中，打印平台的半成品逐层依次没入冷却液内进行保温处理，直至完成整个产品的打印并将打印的产品全部没入冷却液内；
s4：：当打印完的产品全部没入冷却液后，产品在冷却液内继续保温5-50min，然后将产品在冷却液内整体降温至40℃以下取出。
作为本发明方法的进一步改进，所述冷却液根据打印材料的不同为水，油类或酯类中的一种或多种的混合物。
作为本发明消应力打印方法的更进一步改进，所述打印材料为pla类材料时，冷却液为油类冷却液；所述打印材料为abs类材料时，冷却液为油类和/或酯类的单品或混合液，所述打印材料为pp时，冷却液为水。
为保证打印后产品的均匀冷却和消应力，所述s4过程中，冷却液以50-100℃/小时的降温速度降至40℃，然后自然冷却时室温取出产品。
为防止产品在打印平台上冷却过程中的翘曲，所述打印平台的表面粗糙度ra为3～25。
附图说明
图1为本发明的fdm打印应力消除装置的结构示意图。
其中，1载液箱；2冷却液；3加热元件；4输液管；5打印平台；6fdm打印头；7温控仪；8测温仪；9温控开关；10液体收集箱；11液体发送泵。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本发明的fdm打印应力消除装置，包括fdm打印头6和可升降的打印平台5，打印平台5下方设有载液箱1，载液箱1内设有温控加热部件和液面高度恒定的冷却液2,fdm打印头6逐层在打印平台5上熔融打印过程中打印平台5逐层下降并带动打印平台5上的半成品逐渐浸入冷却液内进行热处理。
为保证打印过程中，产品及打印平台5逐渐没入冷却液2过程中液面高度保持恒定，载液箱1内与冷却液2平齐的箱壁上设有液面平衡口，液面平衡口经输液管4与液体收集箱10连接，液体收集箱10内的输液管口部设有液体发送泵11。本发明的液面恒定的载液箱1，打印平台5带动产品没入冷却液2的过程中，产品和打印平台5排出的冷却液从液面平衡口经输液管4排出至液体收集箱10，以保持载液箱1内液面高度恒定。当一个产品打印完，经冷却后从载液箱1内取出，进入下一循环的产品打印时，通过液体发送泵11再将载液箱1内液体充注至液面平衡口下缘，可以继续进行下一产品的打印过程。
为便于控制冷却液的温度，本实施例的温控加热部件包括没入冷却液2内的加热元件3，用于测量冷却液2温度的测温仪8、用于控制冷却液温度的温控器7和温控开关8。
为使刚刚挤出的物料初步冷却定形，打印平台5开始打印时打印平台5上表面的起始高度与冷却液液面的高度差为10～50mm。本结构中，打印平台5的起始高度与冷却液2的液面设置一定的高度差，可以使刚刚挤出的打印料初步冷却定形，然后随着打印平台高度的降低没入冷却液进行均匀冷却，以保证打印产品的尺寸。
作为本发明的优选方案，冷却液根据打印材料的不同，可以选用水、油类或酯类中的一种或一种以上的混合物。
本发明的fdm打印应力消除装置，在打印平台下方设置载液箱1，载液箱1内充注一定液面高度的冷却液2，打印头6在打印平台5上逐层打印过程中，打印平台5带动已经打印出的半成品逐渐没入冷却液2中，使熔融挤出的物料在冷却液内按设定的冷却工艺均匀冷却结晶，防止产品产生内应力。因此本发明的装置解决了热朔性材料熔融挤出后冷却不均匀而产生内应力的问题，并可防止打印后的产品翘曲，变形等问题。
实施例2
本实施例提供一种采用上述实施例的fdm打印应力消除装置进行消应力打印的方法，具体包括如下过程：
s1：通过液体发送泵11将液体收集箱10内的冷却液向载液箱1内注入至液面平衡口的下边缘，同时，开启温控加热部件，预热冷却液。本实施例中，fdm打印的打印材料为abs，其适用的熔融挤压的温度为180℃～240℃，该物料经fdm打印头挤出后，需冷却至180℃进行初步定形，所以载液箱内冷却液选用矿物油，其初始预热温度为150℃。
s2:为使刚挤压打印出来的物料具有一定的初步定形时间，需使打印平台5初始高度与冷却液的液面有一定的高度差，因此，调整打印平台5的高度，使打印平台5上表面高出冷却液液面的高度为10～50mm，本实施例中，针对abs物料的打印温度和冷却定形的温度差及打印速度和打印区域的面积，调整打印平台5与冷却液液面的高度差为30mm，为使打印后的物料与打印平台5表面有一定的附着力，防止冷却过程中翘曲，打印平台需有一定的表面粗糙度，一般ra为3～25；
s3:开启fdm打印机，fdm打印头6按打印程序设定的图形将物料熔融挤出在打印平台5上，每打印一层，打印平台5下降一个打印层的厚度，在打印平台5上逐层打印逐层下降过程中，打印平台5的半成品逐层依次没入冷却液2内进行保温处理，载液箱1内产品排出的冷却液从液面平衡口经输液管4排入液体收集箱10，直至完成整个产品的打印并将打印的产品全部没入冷却液2内，此过程中，需将温控加热部件的温控仪设定为保温控制程序，以使冷却液保持在s1过程中设置的初始预热温度的范围内；
s4：当打印完的产品全部没入冷却液2后，产品在冷却液内继续保温20min，然后将产品在冷却液内整体降温至50℃取出，本实施例中，采用的冷却工艺为：首先将冷却液以80℃/小时的冷却速度至40℃，然后再使冷却液自然冷却至25℃，将产品从载液箱内取出。
本发明的消应力打印方法中，打印材料、冷却液的选取、初始预热温度的设置均不限于上述实施例的选取方案，需要根据具体fdm打印产品的不同，选不同的打印材料，再根据打印材料选取相应的冷却液及预热保温工艺。例中，当选用pla打印材料时，冷却液可以选用植物油、矿物油、乙酸乙酯、三氟乙酰乙酸乙酯、乙酸二丁酯等。