一种基于粘性液体挤出的3D打印延迟补偿方法及其系统与流程

本发明涉及打印机数据处理技术领域的一种延迟补偿方法，尤其涉及一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，还涉及应用该方法的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿系统。

背景技术：

三维立体打印机，也称3d打印机，是快速成型的一种工艺设备，其采用层层堆积的方式分层制作出三维模型。3d打印机的运行过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸质上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘结剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。

传统的以粘性液体为材料的产品的生产方法(如注塑等)有许多限制和缺点，如生产周期长、成本高以及不能制造高度复杂和完整的结构等。为了解决这些缺点，近年来，以粘性液体为挤出材料的3d打印技术的研究得到了关注。现有的以粘性液体为挤出材料的3d打印技术，在打印过程中，运动平台的控制与粘性液体挤出控制是相对独立的两个系统，虽然在数控控制指令同时给出，但由于粘性液体在挤出过程中由于粘性液体与挤出头内壁的摩擦、粘滞等因素的存在，导致材料挤出与平台运动之间的不同步，从而引起路径粗细不均匀以及结点等打印缺陷，导致打印质量降低，无法达到预期效果。

技术实现要素：

为解决现有的3d打印方法中材料挤出与平台运动之间的不同步而导致打印质量低的技术问题，本发明提供一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法及其系统。

本发明采用以下技术方案实现：一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，其应用于一种3d打印机中；所述3d打印机包括运动控制平台、气压调节装置、挤出头以及容器；挤出头用于将位于容器中的粘性液体挤出在运动控制平台上并成型至少一个三维打印产品；气压调节装置用于调节容器的气压，以改变挤出头的挤出速度；

所述延迟补偿方法包括以下步骤：

对运动控制平台进行调平，并选择3d打印工艺参数；

根据所述3d打印工艺参数，确定打印图案以及挤出头的高度h和挤出速度，并定义打印路径和打印速度；

根据所述打印路径和打印速度，通过所述3d打印机打印出多个三维打印样品；

先测量所述三维打印样品中的路径宽度，再计算以单位时间内挤出头所移动的路径长度为测量间距的同一垂直位置点的路径宽度比例，最后将所述路径宽度比例的变化函数作为延迟函数g(t)；

定义挤出头的速度补偿函数：并对挤出头的移动速度进行补偿；式中，v'为挤出头的实时移动速度，v为在路径宽度达到稳态时挤出头的移动速度；

确定路径宽度达到稳态时挤出头的移动速度与挤出头的高度之间的函数关系w(v，h)；

建立所述3d打印机的打印路径宽度l的数学模型：l＝g(t)×w(v，h)；

根据所述数学模型中打印路径宽度l的变化量，通过气压调节装置对挤出头的挤出速度和挤出量进行补偿。

本发明通过先测量打印产品的路径宽度，再计算出同一垂直位置点的路径宽度比例，并将其变化函数作为延迟函数，然后根据延迟函数获得速度补偿函数，进而对挤出头的移动速度进行补偿，随后确定挤出头的移动速度与高度之间的函数关系，并进一步建立打印路径宽度的数学模型，最后通过该数学模型对挤出头的挤出速度和挤出量进行补偿，使打印路径宽度保持稳定，使路径的均匀度更高，同时使材料挤出与平台运动之间达到同步，实现打印路径宽度的可控性，解决了现有的3d打印方法中材料挤出与平台运动之间的不同步而导致打印质量低的技术问题，得到了打印质量高，路径可控，路径均匀性好的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，所述打印图案为“e”型图案，其中相同的三段路径的长度均为150mm，位于所述三段路径之间的两段路径的长度均为10mm。

作为上述方案的进一步改进，挤出头的内径为0.84mm，高度的变化范围为0.2-1.0mm。

进一步地，在所述3d打印工艺参数中，气压调节装置的气压压力为25mpa，挤出头的移动速度范围为600-3000mm/min，速度增幅为300mm/min，挤出头的单位增幅为0.2mm。

作为上述方案的进一步改进，所述粘性液体由道康宁737固化密封胶构成，且邵氏硬度为33a，拉伸强度大于1.2mpa，伸长率大于300％。

作为上述方案的进一步改进，所述打印图案的形状为直线型、正弦波型、8字型、卷绕型中的一种。

作为上述方案的进一步改进，容器呈注射筒状，并具有活塞；挤出头安装在容器的注射端上，并与容器连通；所述粘性液体位于所述活塞与挤出头之间；压调节装置用于向所述活塞提供气压，使所述活塞挤压所述粘性液至挤出头。

作为上述方案的进一步改进，所述3d打印机还包括外罩；运动控制平台、气压调节装置、挤出头以及容器均安装在所述外罩中；所述外罩由有机玻璃板制成的外罩。

作为上述方案的进一步改进，所述延迟补偿方法还包括以下步骤：

检测所述外罩中的实时湿度和实时温度；

根据所述粘性液体的类型，在一个预设湿固化参数表中查询湿固化所需的湿度阈值以及温度阈值范围，并判断所述实时湿度是否大于所述湿度阈值，还同时判断所述实时温度是否位于所述温度阈值范围内；

在所述实时湿度低于所述湿度阈值时，增加所述外罩中的环境湿度；

在所述实时温度低于所述温度阈值范围的下限值时，提高所述外罩中的环境温度；

在所述实时温度高于所述温度阈值范围的上限值时，降低所述外罩中的环境温度。

本发明还提供一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿系统，该系统应用上述任意所述的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，其包括：

调平模块，其用于先判断控制平台的移动平台是否处于水平状态；在所述移动平台未处于水平状态时，所述调平模块对所述移动平台进行调平；

参数确定模块，其用于确定所述3d打印机的3d打印工艺参数；

打印分析模块，其用于根据所述3d打印工艺参数，确定打印图案以及挤出头的高度h和挤出速度，并定义打印路径和打印速度；

打印实验模块，其用于根据所述打印路径和打印速度，通过所述3d打印机打印出多个三维打印样品；

延迟函数确定模块，其用于先测量所述三维打印样品中的路径宽度，再计算以单位时间内挤出头所移动的路径长度为测量间距的同一垂直位置点的路径宽度比例，最后将所述路径宽度比例的变化函数作为延迟函数g(t)；

速度补偿模块，其用于定义挤出头的速度补偿函数：并对挤出头的移动速度进行补偿；式中，v'为挤出头的实时移动速度，v为在路径宽度达到稳态时挤出头的移动速度；

函数关系确定模块，其用于确定路径宽度达到稳态时挤出头的移动速度与挤出头的高度之间的函数关系w(v，h)；

模型建立模块，其用于建立所述3d打印机的打印路径宽度l的数学模型：l＝g(t)×w(v，h)；以及

挤出补偿模块，其用于根据所述数学模型中打印路径宽度l的变化量，通过气压调节装置对挤出头的挤出速度和挤出量进行补偿。

相较于现有的3d打印方法，本发明的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法及其系统具有以下有益效果：

1、该基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，其先对运动控制平台进行调平，保证后续延迟补偿的准确性，而后根据工艺参数对打印图案、挤出头高度、挤出速度、打印路径以及速度进行确定，随后打印出多个三维打印样品，进一步测量打印产品的路径宽度，再计算出同一垂直位置点的路径宽度比例，并将其变化函数作为延迟函数，然后根据延迟函数获得速度补偿函数，进而对挤出头的移动速度进行补偿，随后确定挤出头的移动速度与高度之间的函数关系，并进一步建立打印路径宽度的数学模型，最后通过该数学模型对挤出头的挤出速度和挤出量进行补偿，针对由于粘性液体与挤出头内壁的摩擦、粘滞等因素造成的延迟做速度规划，提高打印路径的均匀度，使打印路径宽度保持稳定，同时使材料挤出与平台运动之间达到同步，避免不同步所引起的打印缺陷，提高打印质量，而且该补偿方法可以通过得出的路径宽度的数学模型预测不同工艺参数组合下的路径宽度，实现打印路径宽度的可控性，进而实现特定功能以及结构的产品的打印需求。

2、该基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，所应用的粘性液体可以为硅胶等湿固化材料，其外罩可由有机玻璃板制成，并采用湿度控制的方式对外罩内的湿度进行调节控制，可以保持打印环境的湿润，防止打印过程中零件的变形。

3、该基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，其能够通过检测实时湿度和实时温度，与粘性液体所需要的湿度阈值和温度范围进行比较，并通过调节湿度和温度，使打印机在打印过程中始终保持较高的湿度与合适的温度，这样粘性液体就能够快速地成型为三维打印产品，一方面能够加速打印，提高打印机的打印效率，并同时减少粘性液体的固化时间，另一方面由于成型快，使打印产品发生形变的时间缩短，从而提高打印产品的合格率。

该基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿系统的有益效果与上述补偿方法的有益效果相同，在此不再做赘述。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法的流程图。

图2为本发明实施例1的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法所应用的3d打印机的立体图。

图3为图2中的3d打印机的打印参数示意图。

图4为图2中的3d打印机所打印出的“e”型图案示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1以及图2，本实施例提供了一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，该方法应用在一种3d打印机中。该3d打印机的运动控制系统与挤料系统时相对独立的两个系统，而在打印过程中粘性液体与挤出头内壁的摩擦、粘滞等因素的存在，会导致材料挤出与平台运动之间的不同步，使得打印质量不能达到预期效果。在本实施例中，该补偿方法用于对该3d打印机在打印过程中产生的延迟进行补偿，使最终的3d打印机能够打印出均匀的产品。

请参阅图3以及图4，该3d打印机包括运动控制平台1、气压调节装置2、挤出头3以及容器4。挤出头3用于将位于容器4中的粘性液体挤出在运动控制平台1上并成型至少一个三维打印产品。气压调节装置2用于调节容器4的气压，以改变挤出头3的挤出速度。在本实施例中，运动控制平台1设有移动平台，该移动平台能够在三维空间中移动，这样在挤出头3挤出粘性液体后，粘性液体会在移动平台上成型，并在空气中水分的作用下而固化，这个过程为湿固化的过程。容器4呈注射筒状，并具有活塞，这类似于现有的注射器结构。挤出头3安装在容器4的注射端上，并与容器4连通。实际上，挤出头3类似于注射器前端的针头，其目的在于将粘性液体以同一半径同一流量射出，保证打印的均匀性。在本实施例中，挤出头3的内径为0.84mm，高度的变化范围为0.2-1.0mm，这些尺寸实际上是为了后续对延迟进行补偿进行设定的，当然，在其他实施例中，这些尺寸都可以不同。粘性液体位于活塞与挤出头3之间，这样其在活塞的压迫下会进入到挤出头3。气压调节装置2用于向活塞提供气压，使活塞挤压粘性液至挤出头3。气压调节装置2可以包括气泵和泵控制器，泵控制器控制气泵的气压，而气泵则可以向活塞提供高压气体。而且，本实施例利用omron电子继电器(晶闸管)与控制板的风扇接口(12v开关量)以及气压调节装置相连，实现对气压调节装置开关的控制。omron电子继电器的动作时间在1ms以内，可视为瞬时动作，即在挤出指令发出的瞬间气压调节装置打开，开始进气。

在本实施例中，粘性液体为一种硅胶材料，能够通过与空气中的水分结合进行固化，具体可以由道康宁737固化密封胶构成，而且邵氏硬度为33a，拉伸强度大于1.2mpa，伸长率大于300％。在常温下，该粘性液体暴露于潮湿的空气中固化时间为24小时。在其他实施例中，粘性液体可以选用其他湿固化材料，其能够在打印的过程中与空气中的水分结合而固化，这个固化的过程会在较短的时间内发生，从而使产品快速成型。

其中，延迟补偿方法包括以下这些步骤。这里需要说明的是，以下这些步骤中，一些步骤可以设置成计算机程序或者模块进行运行，另一些步骤可以通过人为方式执行。

步骤一、对运动控制平台1进行调平，并选择3d打印工艺参数。在调平时，可以先判断控制平台1的移动平台是否处于水平状态。其中，移动平台的水平度可以通过现有的水平仪进行确定。在在移动平台未处于水平状态时，对移动平台进行调平。在进行打印之前，本实施例需要对打印平台进行调平，防止因平台不平产生误差，准备好合适大小的打印纸并将打印参数标记在纸上。

步骤二、根据3d打印工艺参数，确定打印图案以及挤出头3的高度h和挤出速度，并定义打印路径和打印速度。在3d打印工艺参数中，气压调节装置2的气压压力可以为25mpa，挤出头3的移动速度范围可以为600-3000mm/min，速度增幅可以为300mm/min，挤出头3的单位增幅可以为0.2mm。在本实施例中，为了便于对延迟补偿进行说明，打印图案设置为“e”型图案，其中相同的三段路径的长度均为150mm，位于三段路径之间的两段路径的长度均为10mm。即，“e”型图案的oa段为起始段，de段为终止段，其中oa＝bc＝de＝150mm，ab＝oc＝od＝10mm。在其他实施例中，打印图案的形状则可以为直线型、正弦波型、8字型、卷绕型中的一种。其实，由于硅胶作为粘性流体在挤出时因为液体绳卷绕效应，在流体挤出过程下落过程中会发生卷绕，不同的挤出头高度和移动速度组合下落在打印平台上会产生不同的图案。

步骤三、根据打印路径和打印速度，通过3d打印机打印出多个三维打印样品。o—i段的路径宽度是一个由细变粗的渐变过程，而不是开始就达到稳态，这是由于粘性液体与挤出头内壁的摩擦、粘滞等因素造成的延迟现象。观测路径宽度的观测工具为电子显微镜。在已知直线型图案的打印参数范围的情况下，选取合适的挤出头高度以及挤出头移动速度等打印参数设计“e”型图案进行打印实验。设计的“e”型图案如图4所示，为了确保得出的延迟正确性，oa段与bc段的长度需要足够长以达到稳定状态，本发明中oa＝bc＝150mm。利用matlab编写程序生成“e”型图案的g代码进行打印，本实施例中打印了45组三维打印样品(在其他实施例中，三维打印样品的数量可以根据需要进行确定)。每组三维打印样品打印结束后，可以将三维打印样品充分暴露在空气中放置，24小时之后进行观测，保证其完全固化。

步骤四、先测量三维打印样品中的路径宽度，再计算以单位时间内挤出头3所移动的路径长度为测量间距的同一垂直位置点的路径宽度比例，最后将路径宽度比例的变化函数作为延迟函数g(t)。在本实施例中，将样品放置在电子显微镜下进行观测，观测oa与bc同一垂直位置点的路径宽度，同一垂直位置点的路径宽度比例记为μ(oa:bc)，测量间距为每隔0.1s挤出头移动的路径长度，比例μ的变化规律即为延迟函数g(t)。

步骤五、定义挤出头3的速度补偿函数：并对挤出头3的移动速度进行补偿。式中，v'为挤出头3的实时移动速度，v为在路径宽度达到稳态时挤出头3的移动速度。这样，就能够对挤出头3的移动进行补偿，其移动速度实际上为相对运动控制平台1的速度，在正常情况下其相对于外界是固定的。

步骤六、确定路径宽度达到稳态时挤出头3的移动速度与挤出头3的高度之间的函数关系w(v，h)。本实施例中对45组“e”型图案达到稳态时的路径宽度进行测量，整理数据可得出稳态线宽和挤出头移动速度v以及挤出头高度h的函数关系w(v，h)。

步骤七、建立3d打印机的打印路径宽度l的数学模型：l＝g(t)×w(v，h)。该数学模型可以利用matlab编写程序控制打印的路径宽度，实现具有复杂结构的产品打印。

步骤八、根据数学模型中打印路径宽度l的变化量，通过气压调节装置2对挤出头3的挤出速度和挤出量进行补偿。

综上所述，相较于现有的3d打印方法，本实施例的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法具有以下优点：

该基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，其先对运动控制平台进行调平，保证后续延迟补偿的准确性，而后根据工艺参数对打印图案、挤出头高度、挤出速度、打印路径以及速度进行确定，随后打印出多个三维打印样品，进一步测量打印产品的路径宽度，再计算出同一垂直位置点的路径宽度比例，并将其变化函数作为延迟函数，然后根据延迟函数获得速度补偿函数，进而对挤出头的移动速度进行补偿，随后确定挤出头的移动速度与高度之间的函数关系，并进一步建立打印路径宽度的数学模型，最后通过该数学模型对挤出头的挤出速度和挤出量进行补偿，针对由于粘性液体与挤出头内壁的摩擦、粘滞等因素造成的延迟做速度规划，提高打印路径的均匀度，使打印路径宽度保持稳定，同时使材料挤出与平台运动之间达到同步，避免不同步所引起的打印缺陷，提高打印质量，而且该补偿方法可以通过得出的路径宽度的数学模型预测不同工艺参数组合下的路径宽度，实现打印路径宽度的可控性，进而实现特定功能以及结构的产品的打印需求。

实施例3

本实施例提供了一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，该方法所应用的3d打印机在实施例1的基础上增加了外罩。运动控制平台1、气压调节装置2、挤出头3以及容器4均安装在外罩中。外罩由有机玻璃板制成的外罩。其中，该方法在实施例1的基础上增加以下这些步骤。

步骤1、检测外罩中的实时湿度和实时温度。在本实施例中，可以通过温湿度传感器对湿度和温度进行检测，传感器的数量可以设置为多个，具体数量则可以根据外罩的大小进行确定。在外罩的容积较大时，其内部空间较大，因此可以多设置一些传感器来检测温湿度，而在外罩的容积较小时，则可以设置单个传感器就可以完成对温湿度的检测。在采用多个传感器检测温湿度时，当多个湿度或温度的数据不统一时，可以选取极大值或极小值作为实时湿度或者温度。

步骤2、根据粘性液体的类型，在一个预设湿固化参数表中查询湿固化所需的湿度阈值以及温度阈值范围，并判断实时湿度是否大于湿度阈值，还同时判断实时温度是否位于温度阈值范围内。湿度阈值的大小可以根据粘性液体固化所需要湿度进行确定，同样，温度阈值范围也可以根据固化温度进行确定。

步骤3、在实时湿度低于湿度阈值时，增加外罩中的环境湿度。在实际增湿的过程中，可以选择加湿器对外罩的内部进行加湿，还可以通过向外罩中输入固定湿度的空气以增加环境湿度。

步骤4、在实时温度低于温度阈值范围的下限值时，提高外罩中的环境温度；在实时温度高于温度阈值范围的上限值时，降低外罩中的环境温度。在调节温度时，可以通过空调系统进行调节。

因此，本实施例的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法，所应用的粘性液体可以为硅胶等湿固化材料，其外罩可由有机玻璃板制成，并采用湿度控制的方式对外罩内的湿度进行调节控制，可以保持打印环境的湿润，防止打印过程中零件的变形。而且，该延迟补偿方法能够通过检测实时湿度和实时温度，与粘性液体所需要的湿度阈值和温度范围进行比较，并通过调节湿度和温度，使打印机在打印过程中始终保持较高的湿度与合适的温度，这样粘性液体就能够快速地成型为三维打印产品，一方面能够加速打印，提高打印机的打印效率，并同时减少粘性液体的固化时间，另一方面由于成型快，使打印产品发生形变的时间缩短，从而提高打印产品的合格率。

实施例3

本实施例提供了一种基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿系统，其应用实施例1或实施例2的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿方法。在本实施例中，该延迟补偿系统包括调平模块、参数确定模块、打印分析模块、打印实验模块、延迟函数确定模块、速度补偿模块、函数关系确定模块、模型建立模块以及挤出补偿模块。这里需要说明的是，前述这些模块可以进行组合，也可以分解成多个单元，这些可以根据实际产品需要进行确定。

调平模块用于先判断控制平台1的移动平台是否处于水平状态。在移动平台未处于水平状态时，调平模块对移动平台进行调平。参数确定模块用于确定3d打印机的3d打印工艺参数。打印分析模块用于根据3d打印工艺参数，确定打印图案以及挤出头3的高度h和挤出速度，并定义打印路径和打印速度。打印实验模块用于根据打印路径和打印速度，通过3d打印机打印出多个三维打印样品。延迟函数确定模块用于先测量三维打印样品中的路径宽度，再计算以单位时间内挤出头3所移动的路径长度为测量间距的同一垂直位置点的路径宽度比例，最后将路径宽度比例的变化函数作为延迟函数g(t)。速度补偿模块用于定义挤出头3的速度补偿函数：并对挤出头3的移动速度进行补偿。式中，v'为挤出头3的实时移动速度，v为在路径宽度达到稳态时挤出头3的移动速度。函数关系确定模块用于确定路径宽度达到稳态时挤出头3的移动速度与挤出头3的高度之间的函数关系w(v，h)。模型建立模块用于建立3d打印机的打印路径宽度l的数学模型：l＝g(t)×w(v，h)。挤出补偿模块用于根据数学模型中打印路径宽度l的变化量，通过气压调节装置2对挤出头3的挤出速度和挤出量进行补偿。

实施例4

本实施例提供了一种湿固化3d打印机，该打印机包括实施例3的基于粘性液体挤出的3d打印延迟补偿系统，还包括实施例1中所介绍的运动控制平台1、气压调节装置2、挤出头3、容器4以及实施例2中的外罩。在本实施例中，该湿固化3d打印机还可以包括检测系统、调节系统以及控制系统。

检测系统包括湿度探测装置和温度探测装置。湿度探测装置用于检测外罩1中的实时湿度，温度探测装置用于检测外罩中的实时温度。在本实施例中，检测系统还可以设置其他的检测探测装置，例如设置距离探测装置，该距离探测装置能够探测三维打印产品与外罩各个内壁面的距离，防止三维打印产品过大而粘附在外罩的内壁上。湿度探测装置可以采用现有的湿度探测设备，其探测时要保证湿度探测的精度，因为3d打印过程中湿度会直接影响到产品的打印质量和成型时间。温度探测装置也可以选择现有的温度探测设备，如温度探头，可在多个区域设置多个温度探头或湿度探头，保证湿度和温度探测的准确性。

调节系统包括加湿器和温度调节装置。加湿器用于增加外罩中的湿度，温度调节用于调节外罩中的温度。加湿器可以选择现有的加湿器，也可以采用带有加湿功能的其他设备，并且将加湿的功能结构移植到外罩中进行使用。温度调节装置在选择时，当外罩的内部空间较小时可以选择将外罩放置在恒温设备中进行使用，而当外罩较大时，温度调节装置则可以选择空调系统。

控制系统还用于根据粘性液体的类型，在一个预设湿固化参数表中查询湿固化所需的湿度阈值以及温度阈值范围，并判断实时湿度是否大于湿度阈值，还同时判断实时温度是否位于温度阈值范围内。在实时湿度低于湿度阈值时，控制系统驱使加湿器增加湿度。在实时温度低于温度阈值范围的下限值时，控制系统驱使温度调节装置提高温度。在实时温度高于温度阈值范围的上限值时，控制系统驱使温度调节装置降低温度。这样，打印材料就能够快速地成型为三维打印产品，一方面能够加速打印，提高打印机的打印效率，并同时减少湿固化材料的固化时间，另一方面由于成型快，使打印产品发生形变的时间缩短，从而提高打印产品的合格率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。