轮廓与填充分治的旋转喷口FDM3D打印法及组件的制作方法

[技术领域]

本发明属于机械技术领域；确切的讲是使用不同的层高选择打印切片的轮廓与填充部分，并在打印大曲率的轮廓部分时，通过电机使得挤出机喷口轴向旋转的fdm-3d打印成型机及成型方法。

[

背景技术：
]

熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling,fdm)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料abs、聚碳酸酯pc等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称fdm。大部分fdm快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(abs)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中pla(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

fdm-3d打印机基本构造与运行原理表述为：

主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平x轴y轴运动及垂直z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(z轴方向)垂直方向保持静止，由z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作x-y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持z轴方向静止，使用z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的z轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

其结构细节阐述为：

挤出机总成是fdm快速成型技术的核心的部件是挤出机总成，而挤出机总成的构件为：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对铝块进行加热,将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。位于挤出机总成最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

目前fdm-3d打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(x、y轴)2维机械传动+(z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。

电路部分包括：3d打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过程协调、有序、完整的运行。fdm型3d打印机一种典型电路部分主要包括arduinomega2560主控板，ramps1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它们的基本参数和作用，作如下介绍。arduinomega2560主控板arduinomega2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5v，数字i/o引脚为54个，模拟输入引脚为16个，每个i/o引脚的直流电流为50毫安，主控板是3d打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega2560主控板供电，直接使用usb5v或通过电源接头供电。arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的arduino板)和软件(arduinoide)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3d打印机运行前，需要在arduinoide中下载marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打印的要求。拓展板ramps1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接两个12v电源，其中一个为11a，为加热床供电，另一个为5a，为挤出机、各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12v、5a电源即可。ramps1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的led，挤出机总成与各轴电机均通过步进电机驱动板a4988由主控板控制，由于作者采用单机头打印机，挤出机总成2电机接口不用安装a4988，位于拓展板右上角，有x、y、z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。a4988步进电机驱动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现xyz轴电机及挤出机总成的动作。a4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。

fdm-3d打印机软件部分举例：前面作者已经知道，3d打印机软件部分包括上位机软件和下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控板对打印参数的设置及控制。一台3d打印机所有软件完整运行的过程如下：首先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如solidworks、ug、3dmax等三维软件，创建完3d模型以后将文件另存为stl格式，将stl文件在切片软件slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在另一上位机软件pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件为marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的led灯会闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一下打印机的软件部分。下位机软件marlin固件为自由软件，可以直接用来做软件开发，而作者在3d打印机中使用marlin固件时，只需要在arduinoide软件中下载完固件，找到marlin固件中的configuration.h文件，可根据自己的需要来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。

[

技术实现要素：
]

目前fdm-3d打印机的技术缺陷：

层高(厚度)的选择决定着成型物件的表面质量与精度，轮廓边界保持着自然边界的弧状截面状态，目前最小的层高为0.1毫米，表面质量相对最佳，随着层高的减少打印速度极大放慢，质量与速度的矛盾无法调和。

熔融下的打印物料，带有一定的粘性及应力等，挤出喷口在沿着曲线路径工作下，挤出喷口的单纯平动将带来的熔融料丝的几何扭转，这样熔融状态的原料将承受着该应力及粘滞力，该力将影响成型物件的细节部位的形状，比如：当执行一个平动圆周运动时，每平动1周，会使得熔融的物料也扭转1周：即360度；对于较平滑的曲线(相对有较大曲率半径的曲线)，扭转将被较长的熔融物料丝分担，应变不会过大，不会造成足以破坏物料走向的力，而对于较大曲率的曲线(相对较小曲率半径的曲线)而言，扭转量就被较短的熔融物料丝分担，应变过大，造成足以破坏物料预定路径的改变。

本发明的目的就在于解决已有产品的不足之处：

解决随着层高的减少打印速度极大放慢的这一成型质量与成型速度无法调和的矛盾，解决轮廓与填充层高的不兼容性；也要解决提升对打印物件的细部表达能力：即对于较大曲率(相对有着较小的曲率半径)的曲线而言，喷丝的扭转力矩所产生的过大应变足以改变喷丝的预定路径。

本发明特点：

构造简单、运行可靠、快速及完成传统技术所完成不了的结构细部及表面光滑度。

本发明内容:

轮廓与填充分治的旋转喷口fdm3d打印法：

打印物件的切片的边界部分对应着打印物件的表面—称之为轮廓线，实际上，轮廓含外表面及内表面；轮廓代表着打印物件的外观，需要尺寸的精准度及表面的光滑性。

该fdm3d打印法是一种广义切层的打印过程，该广义切层有着相对较厚的厚度；分为轮廓打印过程及填充打印过程：轮廓打印过程：是对于切片的轮廓部分的打印，以沿着轮廓线的路径，并以挤出喷口直径的1-50倍的宽度作为轮廓部分，这相当于轮廓部分所对应的区域需要打印圈数是1-50圈，而且使用薄的层厚度来进行2层--30层打印过程，可以使用喷口较小的喷头，使得该部分有着精细的打印效果，由于轮廓区域面积远远小于切层的面积，时间不至于过于延长。

之后是填充打印过程：是再对于轮廓以内的还未打印的填充区域进行打印，使用同一挤出喷口或更大直径的挤出喷口将该2层--30层填充区域所对应厚度分1层来填充完毕，称之为填充打印过程，该过程可以使用喷口较大的喷头，使得该部分有着快速的打印速度；便完成了1个广义切层的打印过程，之后循环往复进入下1个的广义切层的打印过程，直至完成整个物件的打印，由于打印物件的轮廓部分涉及到外观及装配精度问题，而填充部分仅仅是结构支撑的作用，因而能做到了速度与精度的完美结合，成倍的提高了打印效率。

进一步：增加旋转喷口功能，将能抵消由于喷口的曲线平动所引起料丝的几何扭转变形，该旋转喷口供料组件结构上采取旋转喷口的步进电机驱动方式，液压的驱动也是一种选择，传动可以是皮带、齿条及链条等方式；旋转喷口主体的自转方向与喷口对其运行曲线的瞬时曲率中心的回转方向相同，按右手法则判断：掌心对着曲率中心，4指对着运行方向，拇指的指向便是转动方向。

轮廓与填充分治的旋转喷口fdm3d挤出机组件：

包括：1-10根喉管或送料泵体、加热棒及温度传感器部件，至少有1根喉管的端部安装有旋转喷口，在各自送料电机或送料泵体的供料下，熔融物料由各自的喷口挤出；较小孔径或旋转的喷口用于挤较系细熔丝，铺设轮廓区域，较大的喷口用于铺设填充区域。在打印方法上使用了，轮廓与填充分治的旋转喷口fdm3d打印法。

本发明的有益效果在于:

可以大大的增加成型速度；由于是在大的层高下完成高精度的打印；同时喷口的直径也大，不仅加大了轮廓的成型速度，而填充实体的速度也能大大的加快，使得整个的打印速度获得了很大的整体提高。

[附图说明]

图1轮廓与填充分治fdm3d打印法示意图

图2旋转喷口的工作原理示意图

图3挤出喷口的旋转喷口化改造结构示意图

标号说明：

(1)广义切层

(2)轮廓区域

(3)物件内表面

(4)物件外表面

(5)轮廓区域

(6)物件填充区域

(7)载物平台

(8)喷口体

(9)顺时针方向

(10)料丝

(11)旋转喷口锁紧姆

(12)旋转喷口主体

(13)喉管

(14)喉管大径端

(15)喷口主体齿轮部

(16)驱动齿轮

(17)电机轴

(18)电机

(19)挤出机总成支架

(20)加热棒

(21)加热铝体

(22)逆时针方向

(23)喷口运动方向

(24)喷口运动方向

(25)喷口

(26)喷口体

(27)打印物件内表面

(28)打印物件外表面

(29)喷口

[实施例证]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：

在载物平台(7)上放置着打印物件；轮廓区域(5)、轮廓区域(2)的形状像是城墙，是使用较小的挤出机喷头喷口经由1-20层的铺设而成，城墙的宽度可以是1-50个铺设环环绕而成；也就是挤出机喷头喷口经由1-50个铺设宽度铺设而成；然后由喷口直径较大的挤出机喷头喷口来1次性的完成上述1-20层厚度的物件填充区域(6)的铺设；便完成了1个广义切层(1)的铺设。

由于物件内表面(3)、物件外表面(4)的品质要求较高，因而采用较小的挤出机喷头喷口较为适宜。

如图2所示：

按右手法则：掌心对着曲率中心，4指对着运行方向，拇指的指向便是转动方向。

掌心对着曲率中心，即本图的下方；4指对着运行方向，即对着喷口(25)的运动方向喷口运动方向(23)；拇指的指向是纸的内侧，喷口体(8)的转动方向为顺时针方向(9)。

同样；掌心对着曲率中心，即本图的右下方；4指对着运行方向，即对着喷口(29)的运动方向喷口运动方向(24)；拇指的指向是纸的内侧，喷口体(26)的转动方向为逆时针方向(22)。

打印物件的表面分别是：打印物件内表面(27)及打印物件外表面(28)。

如图3所示：

料丝(10)经由喉管(13)在被加热棒(20)加热的加热铝体(21)的加热下，被熔化后由喷口挤出，物料可以是丝状的也可以是粉状的，料的推力可以由送料电机或泵体产生。

旋转喷口主体(12)被旋转喷口锁紧姆(11)锁定在喉管大径端(14)处，可以通过密封圈来密封，喉管大径端(14)的环凸构造约束着旋转喷口主体(12)绕着喷口喷射的方向作为轴线来转动；固定在挤出机总成支架(19)上的电机(18)经电机轴(17)带动驱动齿轮(16)驱动喷口主体齿轮部(15)，使得喷口获得转动。

本图是挤出机总成的1部分，一般有多个喷口构件，孔径也不一样。