支撑易剥离的三维造型方法与流程

本发明属于3d打印机技术领域，具体涉及一种支撑易剥离的三维造型方法。

背景技术：

3d打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（fdm：fuseddepositionmodeling）原理的3d打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3d打印机。

当打印模型存在悬空结构时，3d打印要求通过相应的支撑结构给予模型的悬空部分一定的支撑，以保证模型可以顺利成型。目前fdm打印技术最常见的支撑方式是直接使用与模型相同的材料打印支撑结构，当前市面上主流的桌面打印机均采用此方式。这种方式的优点是结构简单、易于实现，但后期去支撑的难度很大，稍不注意就会破坏模型部分。

另一种方式是支撑部分的材料采用可剥离的材料或者水溶性的材料，目前最常见的水溶性材料就是聚乙烯醇，其在通用塑料打印方式的应用比较成功，可以较理想的解决这类材料的去支撑问题。但因为聚乙烯醇的热变形温度较低，若使用其直接作为工程塑料打印时的支撑，则会因为构建环境温度过高导致聚乙烯醇软化而无法起到支撑作用。这种问题在大尺寸模型时尤为明显。因此，直接采用聚乙烯醇材料直接作为支撑材料的方式无法很好的解决工程塑料支撑问题。

为解决上述问题，美国stratasys公司在其公告号为cn1552017b的专利《三维造型的材料和方法》中提出一种可剥离的树脂类支撑材料。这种材料的热变形温度可以做到120℃左右或者更高，且其具有较弱的粘合力，因而可以使支撑材料可以方便的从模型上取下。这种方式比较好的解决了工程塑料去支撑的问题，但合成这种材料需要专门制备，且所使用的原料价格较高，导致其本身价格也较高，这样也就间接提高了模型打印的成本。

据本发明人目前了解到，国内目前还未见到有厂商提出该问题的解决方案。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种支撑易剥离的三维造型方法，通过将支撑材料分为刚性的支撑主体部分以及起到易剥离作用的填充部分，通过两种不同的材料来分别实现刚性支撑与易剥离的性能要求。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

提出一种支撑易剥离的三维造型方法，打印模型的支撑部分包含两种支撑材料，第一支撑材料的热变形温度与模型材料热变形温度的偏差在20℃以内；第二支撑材料具有易剥离的特性，能够在不损伤模型材料的条件下通过物理或者化学的方法将其剥离，如使用溶剂将其溶解或是直接将其打碎。打印时使用第一支撑材料作为支撑部分的主体结构，第一支撑材料与模型材料具有相近的热变形温度，因此在模型构建环境中能够顺利成型，并且也有足够的刚性来支撑模型部分的打印。第二支撑材料则填充于模型材料与第一支撑材料之间，使得模型材料与第一支撑材料不会直接接触，这样只要剥离第二支撑材料，第一支撑材料便与模型材料分开了。第二支撑材料通常控制为薄片状，且周围被模型材料与第一支撑材料限制，因此其被压缩的空间非常有限，从而使得即使环境温度超过其软化温度，只要材料不发生熔融，依然可以很好地实现支撑功能。

优选地，所述第一支撑材料与模型材料为同一种材料，这样实际打印中只用到两种材料，减少一种材料可以使得打印设备得到简化。

优选地，所述第二支撑材料为可溶性树脂材料，所述的可溶性是指存在一种溶剂使其可以被溶解，并且在溶解过程中模型材料不会被溶解或与溶剂发生反应，这样就可以将支撑材料去除而不损伤模型。如常见的聚乙烯醇可以溶于水、聚乳酸可以溶于碱性溶液、抗冲击性聚苯乙烯可溶于柠檬烯等等。

优选地，聚乙烯醇和聚乳酸为常见打印材料，同时对应的溶剂为水或碱性溶液也非常常见，因此采用聚乙烯醇或聚乳酸作为第二支撑材料是较为理想的选择。

当第二支撑材料的填充厚度过高时，则容易因为其软化而导致其上方支撑结构的稳固性降低，此时若要使支撑稳固，需要提高该材料的填充密度，但支撑部分打印时进行高密度填充又会导致打印时间加长，因此第二支撑材料的填充厚度不宜过高，优选填充厚度为打印层厚的1倍到20倍。

优选地，填充层厚过薄会使得溶解去支撑时间变长，当填充厚度为打印层厚的3倍到10倍综合表现最佳。

优选地，对于某些模型，如中空小开口结构，在剥离第二支撑材料后，第一支撑材料依然无法完整的从模型上取下，因此需要将第一支撑材料分割成若干小块，并通过填充第二支撑材料使各小块之间不会直接接触。这样在第二支撑材料剥离后，第一支撑材料所分割出的小块就可以方便地从模型上取下。在这里第二支撑材料同时作为第一支撑材料各小块之间的支撑，因此若第一支撑材料中的各小块之间在没有第二支撑材料进行填充支撑的情况下也能顺利成型并且互不接触，也可以不在各小块之间填充第二支撑材料进行隔离。

与现有技术相比，本发明所提出的支撑易剥离的三维造型方法通过将支撑材料拆分成刚性支撑的主体结构以及易剥离的填充部分，刚性支撑材料只需要在模型建造环境中具有足够的刚性来支撑模型部分即可，填充于模型与支撑主体结构之间的易剥离填充部分解决了支撑主体结构与模型的分离问题，填充部分由于为薄片状结构，只要材料未开始熔融，就依然能够满足支撑的需求，因此对于聚酰胺、聚碳酸酯这类普通工程塑料完全可以采用常规的聚乙烯醇和聚乳酸等材料用作第二支撑材料。因此较现有技术通过同一种材料实现支撑的方式，本发明采用两种材料的组合结构解决了工程塑料三维造型时的支撑问题，所用材料也无需专门制备。

附图说明

图1为支撑易剥离的三维造型方法实施例所涉打印模型的三维图。

图2为打印模型加入支撑后的纵向剖视图。

图3为打印模型的第一支撑材料分割成若干小块后的横向剖视图。

图4为打印模型的第一支撑材料分割成若干小块后的纵向剖视图。

图中：11.模型材料部分，12.第一支撑材料部分，121.第一支撑材料分割后的上层部分，122.第一支撑材料分割后的下层部分，13.第二支撑材料部分。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明支撑易剥离的三维造型方法做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

支撑易剥离的三维造型方法实施例：

图1中展示的本实施例中所打印的模型，该模型为直径150mm厚72mm的中空类圆柱形。

图2展示的是该模型加入支撑结构后的纵向剖视图。从剖视图中可以看出，该模型的顶面与底面均有圆形的凹陷，因此模型底部凹陷处加入支撑结构，同样在中部的悬空部分也加入了支撑结构。

本实施例中，第一支撑材料12与模型材料11均为聚碳酸酯。因其不耐强碱，因此选择用聚乙烯醇作为第二支撑材料13。打印完成后，将模型与支撑一起放入热水中，待聚乙烯醇溶解后，模型材料11与第一支撑材料12分离，这样就成功取下了支撑材料。

从图2中可以看出，所述的支撑结构由第一支撑材料12以及第二支撑材料13构成。其中第一支撑材料12作为支撑主体，完成对模型部分的刚性支撑。第二支撑材料13则填充于模型材料11与第一支撑材料12之间，使两者之间不会相互接触。

本实施例中，打印层厚为0.2mm，在大尺寸模型测试中发现，当第二支撑材料厚度越厚，则支撑出现变形的风险越高。支撑填充密度在30%时，当超过20倍层厚，部分大尺寸模型就开始出现支撑变形的情况。同时支撑材料过薄会增加溶解时间，填充厚度在1到20倍层厚时均能达到有效支撑的目的，而取3到10倍层厚时综合表现最佳。因此这里取第二支撑材料13的填充厚度为5倍层厚。

因为打印模型结构的原因，若不对支撑材料进行分割，则套在模型中部外圈的环形支撑与模型内部的环形支撑均无法直接取出。因此为了方便取下支撑部，在切片时需要对第一支撑材料12进行了切割。如图3以及图4所示，外圈的环形结构分成了3小块，内部的环形结构切割成了上下两层每层16小块。这样在第二支撑材料13溶解后，模型内圈及外圈的第一支撑材料就可以轻松地从模型上取下。为了使第一支撑材料分割后的上层部分121与下层部分122能够隔离开，在两者之间也填充了第二支撑材料13。

第一支撑材料分割后的上层部分121或下层部分122内部的各小块之间在不填充第二支撑材料13时也可以顺利成型，因此本实施例中选择不进行填充。对于某些模型，也可以在第一支撑材料12各小块之间填充第二支撑材料13，以使整个支撑部分的刚性更好。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。