一种3D打印组件及3D打印设备的制作方法

本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印组件及3D打印设备。

背景技术：

3DP(3D Printing，3D打印)技术又称为AM(Additive Manufacturing，增材制造)技术或RP(Rapid Prototyping，快速成型)技术，是基于离散-堆积原理，通过将模型分层，在支撑平台上逐层打印，然后多层叠加最终制成目标3D物体的立体构造技术，包括FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积)技术、SLA(Stereo Lithography Apparatus，立体光固化)技术、SLS(Selective Laser Sintering，选择性激光烧结)技术、DLP(Digital Light Processing，数字光处理)技术、LOM(Laminated Object Manufacturing，分层实体制造)技术、喷墨技术等。

现有喷墨3D打印机的字车上包括多个并列排放的打印头，字车的主扫描方向为X，副扫描方向为Y，打印头上的喷嘴排列方向平行于Y，打印头排列方向平行于X。打印头分配的材料可以是相同或不同的光敏树脂材料或温度固化材料，例如包括分配不同颜色的实体材料的多个打印头、分配支撑材料的多个打印头等等。

此外，在字车上、打印头侧设置有固化装置，根据打印材料的类型通常为UV固化装置或/和温度固化装置，3D打印机的打印方式具体为：

1、打印头在主扫描阶段喷射墨滴后使用固化装置固化，形成层的一部分；

2、打印头副扫描步进一个距离，重复下一个主扫描的打印工作；

3、重复上述步骤2形成整个层，多个层叠加形成打印物体。

并且，打印物体有可能在某个部位存在悬空的情况，在打印时应当具备支撑结构提供支撑，支撑结构相对于实体结构为易去除的，易于后期处理。

而由于上述一个主扫描阶段中在实体结构的实体区域和支撑结构的支撑区域分别喷射实体材料和支撑材料，然后才使用固化装置固化，因此，在喷射材料后到固化材料前这段时间内在实体区域和支撑区域的交界处发生材料互渗的情况，互渗的结果将导致物体的打印精度受到影响，严重时可能导致物体开裂。

技术实现要素：

本申请提供了一种3D打印组件及3D打印设备，以有效改善打印时不同材料之间的交界处容易发生互渗进而影响打印精度的问题。

本申请的第一方面提供了一种3D打印组件，用于3D打印设备，所述3D打印设备在打印过程中形成切片层，包括:

第一打印头组；

第二打印头组，与所述第一打印头组分配不同的打印材料；

所述第一打印头组与所述第二打印头组相互独立且分时工作；

所述第一打印头组包括多个相互近似平行的第一打印头；

所述第二打印头组包括多个相互近似平行的第二打印头；

所述第一打印头的排布方向与所述第二打印头的排布方向具有预设夹角，所述预设夹角不包括0°、180°、360°。

优选地，所述预设夹角为近似90°。

优选地，所述的3D打印组件还包括围绕所述第一打印头组和所述第二打印头组而设置的第一固化机构；

所述第一固化机构用于对所述第一打印头组和第二打印头组分配的打印材料进行固化。

优选地，所述的3D打印组件还包括与所述第一打印头组对应设置的第二固化机构，用于对所述第一打印头组分配的打印材料进行固化；

所述的3D打印组件还包括与所述第二打印头组对应设置的第三固化机构，用于对所述第二打印头组分配的打印材料进行固化。

优选地，所述第一打印头组与所述第二打印头组分时工作包括：

所述第一打印头组与所述第二打印头组交替循环工作，

在同一切片层上，所述第一打印头组完成第一方向上打印后，再由所述第二打印头组进行第二方向上的打印；或，

所述第一打印头组与所述第二打印头组顺序工作，

在同一切片层上，所述第一打印头组使用对应的打印材料完成该切片层对应位置的打印后，再由所述第二打印头组使用对应的打印材料对该切片层的剩余部分进行打印。

优选地，在不同的切片层之间，所述第一打印头组完成该层对应位置的打印后，再由所述第二打印头组完成该层剩余部分的打印以及与该层相邻的至少一层上的对应于该层中第一打印头组打印位置的打印。

优选地，所述第一打印头组用于分配实体材料，所述实体材料形成打印物体；

所述第二打印头组用于分配支撑材料，所述支撑材料为打印物体的悬空部分提供支撑。

本申请的第二方面提供了一种3D打印设备，其包括上述任一项所述的3D打印组件。

优选地，还包括第一校平机构和第二校平机构；

所述第一校平机构与所述第一打印头组配合设置；所述第二校平机构与所述第二打印头组配合设置。

优选地，还包括打印数据生成模块，所述打印数据生成模块对打印数据进行分类处理，分别生成第一打印数据和第二打印数据；

所述第一打印数据输入至所述第一打印头组，由所述第一打印头组执行对应所述第一打印数据的打印工作；所述第二打印数据输入至所述第二打印头组，由所述第二打印头组执行对应所述第二打印数据的打印工作。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请所提供的3D打印组件能够通过相互独立的打印头组来分配不同的材料进行逐层打印，两个打印头组相互配合，顺序或交替进行工作，且不会同时进行打印工作，以此保证打印的高精度，避免不同的打印材料之间产生互渗的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的3D打印设备简单的平面结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种字车构造结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的另一种字车构造示意图；

图4为本申请实施例所提供的其中一个打印头组打印时的运动方向示意图；

图5为本申请实施例所提供的另一个打印头组打印时的运动方向示意图；

图6为本申请实施例所提供的切片层结构示意图；

图7a-7d为本申请具体实施例所提供的一种打印方式实现过程示意图；

图8a-8d为本申请具体实施例所提供的另一种打印方式实现过程示意图；

图9a-9b为本申请对比实施例所提供的打印方式实现过程示意图。

附图标记：

1-机架；

2-字车；

3-支撑平台；

4-3D打印组件；

41-第一打印头组；

42-第二打印头组；

41a-第一打印头；

42a-第二打印头；

5-校平机构；

51-第一校平机构；

52-第二校平机构；

6-固化机构；

61-第一固化机构；

62-第二固化机构；

63-第三固化机构；

7-切片层；

71-实体部分

72-支撑部分；

P1-第一次打印；

P2-第二次打印；

P3-第三次打印；

P4-第四次打印。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

如图1所示，本申请实施例提供了一种3D打印设备，参照图1所示，包括机架1、字车2和支撑平台3，机架1上设置有移动机构，通过移动机构分别使字车2、支撑平台3移动，支撑平台3与切片层7平面平行，支撑平台3的运动方向平行于切片层7递增或递减的方向，字车2运动形成的平面与切片层7的平面平行，3D打印组件4置于字车2上与其固定连接，支撑平台3滑动连接在机架1上并位于字车2下方，3D打印组件4置于支撑平台3上方不与其接触，且字车2上的3D打印组件4置于靠近支撑平台3的一端；

其中，如图2、图3所示，3D打印组件4包括第一打印头组41，第二打印头组42与第一打印头组41分配不同的打印材料，第一打印头组41与第二打印头组42相互独立且分时工作，且靠近切片层7的一端为第一打印头组41和第二打印头组42的工作端，第一打印头组41包括多个相互近似平行的第一打印头41a；第二打印头组42包括多个相互近似平行的第二打印头42a；第一打印头41a的排布方向与第二打印头42a的排布方向具有预设夹角，预设夹角不包括0°、180°、360°，作为优选其预设夹角为近似90°。

其中，第一打印头41a和第二打印头42a均为喷墨打印头，第一打印头41a包括至少一个第一通道和与第一通道连通的多个第一喷嘴，第一通道用于向第一喷嘴输送打印材料；第二打印头42a包括至少一个第二通道和与第二通道连通的多个第二喷嘴，第二通道用于向第二喷嘴输送打印材料。

其中，3D打印组件4还包括围绕第一打印头组41和第二打印头组42而设置的第一固化机构61；第一固化机构61用于对第一打印头组41和第二打印头组42分配的打印材料进行固化，或者，3D打印组件4包括与第一打印头组41对应设置的第二固化机构62，用于对第一打印头组41分配的打印材料进行固化；3D打印组件4还包括与第二打印头组42对应设置的第三固化机构63，用于对第二打印头组42分配的打印材料进行固化。

其中，如图4、5所示，第一打印头组41与第二打印头组42分时工作包括：第一打印头组41与第二打印头组42交替循环工作，在同一切片层7上，第一打印头组41完成第一方向上打印后，再由第二打印头组42进行第二方向上的打印，或，第一打印头组41与第二打印头组42顺序工作，在同一切片层7上，第一打印头组41使用对应的打印材料完成该切片层7对应位置的打印后，再由第二打印头组42使用对应的打印材料对该切片层7的剩余部分进行打印；在不同的切片层7之间，第一打印头组41完成该层对应位置的打印后，再由第二打印头组42完成该层剩余部分的打印以及与该层相邻的至少一层上的对应于该层中第一打印头组41打印位置的打印。

作为优选，考虑常用的移动机构使字车2与支撑平台3在空间上以三坐标的三个方向运动(如图1所示，指示方向为X、Z运动方向)，所以第一打印头组41的打印头排列方向与所述第二打印头组42的打印头的排列方向分别形成的两条线之间的夹角为90°。

作为本申请的一种实施方式(图中未标出，均属于现有技术中常规的手段实现相应方向的运动形式)，移动机构分为水平移动机构和竖直移动机构；水平移动机构又分为第一水平移动机构和第二水平移动机构，第一水平移动机构包括第一电机，第一电机输出端通过第一减速器连接第一丝杠，字车2置于第一丝杠上与其螺纹连接，使字车2在第一丝杠上滑动，第二水平移动机构包括第二电机，第二电机输出端通过第二减速器连接第二丝杠，第二丝杠上螺纹连接滑块，使滑块在第二丝杠上滑动，滑块固定连接第一丝杠，进而带动第一丝杠沿第二丝杠轴线方向移动；竖直移动机构包括置于机架1上的第三电机，第三电机的输出端通过传动轴转动连接同轴心的蜗轮，机架1上还转动连接与蜗轮配合的蜗杆，使蜗杆转动，支撑平台3底部设有底座，底座内设有螺纹孔，蜗杆一端置于螺纹孔内与其螺纹连接，从而带动支撑平台运动；

优选的，第一丝杠和第二丝杠的轴线相互垂直，且第一丝杠和第二丝杠之中的一个其轴线平行于第一打印头组41的打印头排列方向，另一个的轴线平行于第二打印头组42的打印头排列方向，蜗杆的轴线平行于切片层递增或递减的方向，采用此种形式使打印时的运动更加精确，从而提高打印的精确度。

上述移动机构只是实现其水平移动和竖直移动的一种具体实施方式，但并不排除其他可以实现其水平移动和竖直移动的传动方式，例如通过直线电机、带传动等方式实现相应的水平移动和竖直移动。

作为本申请的一种实施方式，如图2、3所示，第一打印头组41用于分配实体材料，实体材料形成打印物体；第二打印头组42用于分配支撑材料，支撑材料为打印物体的悬空部分提供支撑。实体材料为打印时形成打印物体的打印材料，包括可固化性材料树脂、蜡；支撑材料为打印时为打印物体的悬空部分提供支撑的支撑材料，包括易于去除的可固化性材料树脂、蜡；

在此种实施方式下，第一打印头组41包括多个打印头，其上每个打印头可以配备不同的实体材料，作为一种具体实施方式，可以是每个打印头分别配备CMYK不同颜色的材料，第二打印头组42包括至少一个打印头，一般情况下，由于支撑材料较为单一，通常采用一个打印头，但是不排除特殊情况下存在多种不同易去除的支撑材料，此时，打印头的个数根据实际情况而定。

作为本申请的一种可选实施方式，如图2、3所示，校平机构包括第一校平机构51和第二校平机构52，第一校平机构51和第二校平机构52分别置于第一打印头组41和第二打印头组42侧与其配合，用于对打印层进行校平，提高打印层的精度，属于较为常规的配合方式，故在此不再赘述；第一固化机构61呈L形半包围在两个打印头组组合后的外侧，第一固化机构61与两个打印头组配合(参照图2中的一种字车构造示意图)，使两个打印头组共用一个固化机构，当第一打印头组41和第二打印头组42在不同方向上打印时，分配的打印材料均可以被固化机构所固化；或者，固化机构分为第二固化机构62和第三固化机构63，两个固化机构62、63分别置于第一打印头组41和第二打印头组42的一侧且分别与对应的打印头组配合(参照图3中的另一种字车构造示意图)；字车2上的固化机构、校平机构和两个打印头组相互配合且互不干涉。

作为本实用新型的一种具体实施方式，在打印每一层时，第一打印头组41和第二打印头组42可以交叉工作或顺序工作，具体的，可以是在第一打印头组41完成一次对应方向上的打印工作后，由第二打印头组42完成另一方向上的打印工作，如此循环；或者，在第一打印头组41完成一个层对应的打印工作后，由第二打印头组42完成一个层对应的打印工作。数据处理部分：

本实用新型在打印前需要对打印物体进行打印数据获取，具体为，获取打印物体的模型，将模型信息转换成能被处理终端的分层切片软件识别的数据格式，例如转换成立体光刻成型(Stereolithography，简称STL)格式、多边形档案(Polygon File Format，简称PLY)格式、虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，简称VWRL)格式等，进而得到可被分层切片软件识别的数据格式的打印物体信息。然后，对格式转换后的模型信息，通过分层切片软件进行切片，即进行切片处理，可以生成位图图像，然后对每个位图图像进行解析之后得到各层的切片层7数据，切片层7数据即为打印数据。

在生成打印数据后，根据打印组件上第一打印头组41和第二打印头组42的配置对打印数据进行分类处理，分别为由第一打印头组41处理的第一打印数据和由第二打印头组42处理的第二打印数据。在打印时，根据字车2的行进方向分别向第一打印头组41和第二打印头组42发送第一打印数据和第二打印数据，参照图4、图5所示，字车2在其中一个方向上移动时，第一打印头组41根据第一打印数据分配材料，在另一个方向上移动时，第二打印头组42根据第二打印数据分配材料。

作为本实用新型的一种具体实施方式，在同一轴上打印头组可以执行沿该轴轴线方向上的往复打印，往复打印时，调整打印数据发送的顺序即可；在执行打印工作时，相邻层的初始打印阶段和最终打印阶段可以对应，例如当前层的最终打印阶段为第二打印头组42执行的一个轴线方向上的打印，在下一层的初始打印阶段同样为第二打印头组执行的该方向上的打印。为减少打印物体的形成时间，进一步判断相邻层间的数据结构，在当前层的在先打印部分与下一层的对应部分所打印的数据结构不同时，在当前层打印所述对应部分。具体的，例如，在当前层中的一部分为实体部分71，对应部分的下一层为支撑部分72，因此可在打印当前层中执行以下处理：

通过第一打印头组41打印当前层的实体部分71，在第二打印头组43打印当前层的支撑部分72时，提取当前层上实体部分71对应下一层的支撑部分72，在打印当前层的同时打印下层的支撑部分72，由此减少打印时间，提高打印效率，如此支撑平台3每次的移动距离至少为两个切片层7的厚度，为了在提高效率的同时保证打印精度，优选的支撑平台3每次移动的距离为两个切片层7的厚度。

具体实施例：

参照图1所示，本实施例提供的3D打印设备包括机架1、字车2和支撑平台3，在字车2上设置有打印组件，支撑平台3设置在机架1上并位于字车2下方。

机架1上设置有移动机构，一方面，移动机构控制字车2在水平面上的移动；另一方面，移动机构通过电机带动蜗杆转动，控制支撑平台3在竖直面上的移动。

在移动过程中，移动机构通过光栅或编码器等电子器件实现移动距离的精确控制。

参照图2、3，字车2包括第一打印头组41、第一校平机构51、第二打印头组42、第二校平机构52和固化机构，第一打印头组41与第二打印头组42在打印头的排列方向上成90°设置。

参照图6，其示出了本实施例所使用的切片层7，该切片层7中条状部分表示实体材料打印的实体部分71所在位置，网状阴影部分表示支撑材料打印的支撑部分72所在位置，现参照图7a-7d来描述上述3D打印设备打印该切片层7的打印过程：

根据切片层7的规格以及打印头的打印参数，将切片层7分为4次打印，打印顺序如图7a-7d所示，在第一次打印P1时，第一打印头组41分配实体材料以打印切片层7中的一部分实体部分71，然后通过第一校平机构51(图中未示出)校平，最后通过固化机构(图中未示出)固化；在第二次打印P2时，第一打印头组41分配实体材料以打印切片层7中的剩余实体部分71，然后通过第一校平机构51校平，最后通过固化机构固化；在第三次打印P3时，第二打印头组42分配支撑材料以打印切片层7中的一部分支撑部分72，然后通过第二校平机构52校平，最后通过固化机构固化；在第四次打印P4时，第二打印头组42分配支撑材料以打印切片层7中的剩余支撑部分72，然后通过第二校平机构52校平，最后通过固化机构固化，如此完成一个切片层7的打印工作，最终多个层叠加形成打印物体。

上述各阶段固化前，在第一次打印P1中，支撑平台3上仅存在实体材料；在第二次打印P2中，存在固化后的实体材料和未固化的实体材料；在第三次打印P3中，存在固化后的实体材料和未固化的支撑材料；在第四次打印P4中，存在固化后的实体材料、固化后的支撑材料和未固化的支撑材料。各个阶段中，实体材料和支撑材料均不曾在未固化前接触，因此减少了可能在实体部分71和支撑部分72的交界处产生材料互渗的情况，保证打印物体的表面精度。

作为本实施例的另一种打印过程，参照图8a-8d，在第一次打印P1时，第一打印头组41分配实体材料以打印切片层7中的一部分实体部分71，然后通过第一校平机构51(图中未示出)校平，最后通过固化机构(图中未示出)固化；在第二次打印P2时，第二打印头组42分配支撑材料以打印切片层7中的一部分支撑部分72，然后通过第二校平机构52校平，最后通过固化机构固化；在第三次打印P3时，第一打印头组41分配实体材料以打印切片层7中的剩余实体部分71，然后通过第一校平机构51校平，最后通过固化机构固化；在第四次打印P4时，第二打印头组42分配支撑材料以打印切片层7中的剩余支撑部分72，然后通过第二校平机构52校平，最后通过固化机构固化。如此完成一个切片层7的打印工作，最终多个层叠加形成打印物体。

对比实施例：

同样参照图6，其示出了与上述实施例所使用的相同切片层7，根据切片层7的规格以及打印头的打印参数，将切片层7分为2次打印，打印顺序如图9a、9b所示，在第一次打印P1时，打印头分配实体材料以打印切片层7中的一部分实体部分71，同时，打印头分配支撑材料以打印切片层7中的一部分支撑部分72，然后通过校平机构5校平，最后通过固化机构6固化；在第二次打印时P2，打印头分配实体材料以打印切片层7中的剩余实体部分71，同时，打印头分配支撑材料以打印切片层7中的剩余支撑部分72，然后通过校平机构5校平，最后通过固化机构6固化，如此完成一个切片层7的打印工作，最终多个层叠加形成打印物体

上述第一次打印P1和/或第二次打印P2中，实体材料和支撑材料在固化前同时在支撑平台3上存在，因此可能在实体部分71和支撑部分72的交界处产生材料互渗的情况，最终影响打印物体的表面精度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。