三维模型打印系统及三维模型的成型方法
【专利摘要】本发明提供了一种三维模型打印系统及三维模型的成型方法。该三维模型打印系统包括：工控机；驱动装置，所述驱动装置与所述工控机电连接，所述工控机控制所述驱动装置运动；以及喷嘴阵列，所述喷嘴阵列包括n行×m列个的喷嘴，其中，n≥1，m≥1，第n行中的第m个所述喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或m+1个所述喷嘴的轴线之间存在距离，所述工控机控制所述驱动装置带动所述喷嘴开启或者关闭，解决了打印速度与打印精度不能兼容的技术难题，实现快速任意精度的打印三维模型。
【专利说明】
三维模型打印系统及三维模型的成型方法
技术领域
[0001]本发明涉及打印设备领域，特别是涉及一种能够提高打印速度与打印精度的三维模型打印系统，以及应用上述三维模型打印系统的三维模型的成型方法。
【背景技术】
[0002]三维模型(3D)打印，又称增材制造，是通过逐层打印可粘结材料的方式直接将设计模型制造为三维物体，是一种具有工业革命意义的制造技术。3D打印的制造过程无需传统加工方式的模具，突破传统加工方法的加工极限，能够制备出传统加工方法无法加工的复杂结构，且不增加制造成本。3D打印降低了新产品研发周期与成本，能够快速响应日益增长的个性化需求，将改变未来的制造模式，也将改变传统加工面向制造工艺的设计方法，催生面向功能设计的新方法。因此，3D打印技术在未来制造业中必将具有重要的战略意义，特别是对于制造技术相对薄弱的中国而言，目前正面临发达国家重返制造业以及发展中国家的低成本优势的双重压力，掌握原创性的3D打印技术有助于增强制造业的水平，缩小与国外的差距，为我国在制造业方面超越西方国家，为实现制造强国奠定基础。
[0003]目前，3D打印技术主要有三维直写技术、激光/电子束熔覆技术、激光/电子束选区烧结技术、光固化技术、熔融沉积技术等。三维直写技术包含液滴喷射和连续细丝直写两类，主要应用于电子材料、有机溶剂、细胞、气溶胶等材料；广泛应用于电容电感电阻等电子器件，有机发光二极管(OLED)、滤光片等显示器件，生物化学传感器、微透镜等功能器件，微细的周期性结构。采用高能热源(如激光、电子束)部分或全部熔化熔点较高的金属粉末材料，制备复杂金属结构件。光固化技术主要应用于对紫外光敏感的光敏树脂材料。熔融沉积技术主要应用于ABS、尼龙、低熔点金属等丝状材料。
[0004]其中喷墨直写技术在微器件制造方面有着广泛的应用前景。传统微器件的制造主要依靠光刻技术，该技术操作流程繁杂，存在污染，且加工能力已无法满足微机电系统的极限要求，而三维直写技术则能够满足更高精度、更小尺寸的微器件制造需求，并且能够直接打印电子元器件。目前，美国Microfab公司利用液滴喷射技术已经实现多种材料的3D打印，并成功应用于生物医药、印刷电子、光学器件等。Arizona大学电子与计算机工程学院也利用液滴喷射装置制备出微波器件、天线、波导管等微器件。
[0005]但目前这些技术存在着成型速度较慢的缺点，特别是对于精度较高的微细三维结构，长时间的工作增加突发事故导致成型失败的风险，此外机器长时间运作稳定性也会降低，因此慢的成型速度较大程度上阻碍了 3D打印技术在工程上的广泛应用。为了提高3D的成型速度，目前多采用多喷头成型的方法。虽然，通过多喷嘴组合的喷嘴阵列提高了成型速度，但简单的喷嘴方向排布不能消除喷嘴之间存在的壁厚对打印精度的影响，因此在分辨率上很难进一步提高。
【发明内容】
[0006]基于此，有必要针对现有的三维模型打印技术存在喷嘴之间的壁厚影响打印精度的问题，提供一种能够提高三维模型打印的速度和精度的三维模型打印系统，以及应用上述三维模型打印系统的三维模型的成型方法。上述目的通过下述技术方案实现:
[0007]一种三维模型打印系统，包括:
[0008]工控机；
[0009]驱动装置，所述驱动装置与所述工控机电连接，所述工控机控制所述驱动装置运动；以及
[0010]喷嘴阵列，所述喷嘴阵列包括η行Xm列个的喷嘴，其中，η多l，m多1，第η行中的第m个所述喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或m+l个所述喷嘴的轴线之间存在距离，所述工控机控制所述驱动装置带动所述喷嘴开启或者关闭。
[0011]在其中一个实施例中，所述三维模型打印系统还包括喷头组件，所述喷嘴与所述喷头组件可拆卸连接，所述喷头组件包括储液管、输液管和毛细管，成型材料放置在所述储液管中，所述输液管的一端安装在所述储液管上，所述输液管的另一端安装在所述喷嘴上，所述毛细管安装在所述喷嘴远离所述输液管的一端。
[0012]在其中一个实施例中，所述第η行中的第m个所述喷嘴的轴线和所述第n+1行中的第m或m+l个所述喷嘴的轴线之间的距离为错位距离，所述错位距离由所述成型材料的搭接率决定。
[0013]在其中一个实施例中，所述三维模型打印系统还包括密封箱，所述喷嘴阵列与所述喷头组件均安装在所述密封箱中。
[0014]在其中一个实施例中，所述驱动装置的驱动方式为气动方式、压电方式、热泡方式或者超声振动方式中一种或者几种方式的组合。
[0015]在其中一个实施例中，所述驱动装置的驱动方式为气动方式与压电方式的组合；
[0016]其中，所述驱动装置包括压力控制器、压电陶瓷和压电控制器，所述压力控制器设置在所述喷头组件中储液管的进气管上，所述压电陶瓷设置在所述喷嘴上，所述压电陶瓷与所述压电控制器电连接。
[0017]在其中一个实施例中，所述输液管输出所述成型材料的方式为脉冲滴液或者连续液流的方式。
[0018]在其中一个实施例中，所述成型材料为聚合物材料、常温液态材料或者成型高温材料。
[0019]在其中一个实施例中，所述三维模型打印系统还包括加热装置，所述加热装置安装在所述喷头组件上，其中加热装置包括加热器与温度控制仪，所述加热器安装在所述喷嘴上，所述加热器与所述温度控制仪电连接。
[0020]在其中一个实施例中，所述喷嘴阵列的数量为多个，任意相邻的两个所述喷嘴阵列之间在高度方向上错位排布。
[0021]在其中一个实施例中，任意相邻的两个所述喷嘴阵列之间在高度方向上的错位的高度与所述成型材料的沉积的厚度相适应。
[0022]在其中一个实施例中，所述三维模型打印系统还包括用于检测异常状况的报警装置，所述报警装置与所述工控机电连接。
[0023]还涉及一种三维模型的成型方法，包括如下步骤:
[0024]SlOO:将三维模型切片分成多层二维截面图形，获取每层所述二维截面图形的轮廓信息；
[0025]S200:根据所述二维截面图形的轮廓信息生成数控代码及所述二维截面图形的填充路径；
[0026]S300:根据相应的算法将所述二维截面图形的填充路径计算出不同时刻不同位置喷嘴阵列中每个喷嘴的开启或者关闭信息；
[0027]S400:根据所述喷嘴阵列中每个喷嘴的开启或者关闭信息生成每个所述喷嘴开启或者关闭的代码；
[0028]S500:将所述数控代码和每个所述喷嘴开启或者关闭的代码传输到工控机中；
[0029]S600:所述工控机带动驱动装置控制所述喷嘴阵列根据所述数控代码及所述喷嘴开启或者关闭的代码填充所述二维截面图形；
[0030]S700:重复所述步骤SlOO至S600，直至生成所述三维模型。
[0031]本发明的有益效果是:
[0032]本发明的三维模型打印系统及三维模型的成型方法，结构设计简单合理，用于打印三维模型，喷嘴阵列包括η行Xm列个的喷嘴，通过较多数量的喷嘴来提高三维模型的成型速度。同时，第η行中的第m个喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或m+l个喷嘴的轴线之间存在错位距离，通过该错位距离来消除任意相邻的两个喷嘴之间的壁厚对三维模型的打印精度的影响，提高三维模型的分辨率，解决了打印速度与打印精度不能兼容的技术难题，实现快速任意精度的打印三维模型。
【附图说明】
[0033]图1为本发明的三维模型打印系统中喷嘴阵列一实施例的主视图；
[0034]图2为本发明的三维模型打印系统中其中一个喷嘴与驱动装置、加热装置连接的示意图；
[0035]图3为本发明的三维模型打印系统在初始时刻喷嘴关闭的示意图；
[0036]图4为本发明的三维模型打印系统在h时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0037]图5为本发明的三维模型打印系统在t2时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0038]图6为本发明的三维模型打印系统在t4时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0039]图7为本发明的三维模型打印系统在ts时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0040]图8为本发明的三维模型打印系统多次成型时在初始时刻喷嘴关闭的示意图；
[0041]图9为本发明的三维模型打印系统多次成型时在t2时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0042]图10为本发明的三维模型打印系统多次成型时在t12时刻喷嘴开启或者关闭的示意图；
[0043]图11为本发明的三维模型打印系统的喷嘴组件中任意相邻的两行喷嘴喷射成型材料在基板上形成沉积层的搭接效果图；
[0044]图12为本发明的三维模型打印系统中喷嘴阵列另一实施例的主视图；
[0045]图13为本发明的三维模型打印系统包括多个喷嘴阵列组的主视图；
[0046]图14为图13所示的三维模型打印系统中多个矩阵组的示意图；
[0047]其中:
[0048]1-喷嘴阵列；
[0049]11-第一行喷嘴列；111-第一行第一个喷嘴；112-第一行第二个喷嘴；113-第一行第三个喷嘴；114_第一行第四个喷嘴；115_第一行第五个喷嘴；
[0050]12-第二行喷嘴列；121_第二行第一个喷嘴；122_第二行第二个喷嘴；
[0051]13-第三行喷嘴列；131_第三行第一个喷嘴；132_第三行第二个喷嘴；
[0052]5-压力控制器；
[0053]6-压电控制器；
[0054]7-成型材料；
[0055]8-储液管；
[0056]9-输液管；
[0057]15-进气管；
[0058]16-滑块；
[0059]17-三维零件；
[0060]18-运动平台；
[0061]19-Z 轴支架；
[0062]20-连杆；
[0063]21-导轨；
[0064]23-毛细管；
[0065]24-滴液；
[0066]25-沉积层；
[0067]26-基板；
[0068]27-压电陶瓷；
[0069]28-加热器；
[0070]29-电容親合器件相机；
[0071]30-密封箱；
[0072]31-温度控制仪；
[0073]32-喷嘴阵列组。
【具体实施方式】
[0074]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的三维模型打印系统及三维模型的成型方法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。
[0075]参见图1和图2，本发明一实施例的三维模型打印系统，用于打印三维模型，包括工控机、驱动装置、喷嘴阵列I以及运动平台18。驱动装置与工控机电连接，工控机能够控制驱动装置运动。三维模型在运动平台18的基板26上生成，运动平台18与工控机电连接，工控机能够控制运动平台18带动基板26运动，以适应不同数量的喷嘴阵列I。通过软件将三维模型的切片分层以获取该模型的二维截面图形的轮廓信息，根据每层二维截面图形的轮廓信息生成相应的数控代码及二维截面图形的填充路径。工控机根据每层的轮廓信息生成的数控代码以及填充路径控制驱动装置带动喷嘴阵列I运动。在打印三维模型时，工控机带动驱动装置控制喷嘴阵列I逐层打印最终三维模型。喷嘴阵列I每次打印一层二维截面图形，喷嘴阵列I多次打印后，多层二维截面图形相互叠加形成三维模型。
[0076]喷嘴阵列I包括η行Xm列个的喷嘴，其中，n ^ l，m多1，每行喷嘴沿X轴方向排布，每列喷嘴沿Y轴方向排布，第η行中的第m个喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或m+l个喷嘴的轴线之间存在错位距离。在本发明中，X轴、Y轴与Z轴按照笛卡尔坐标系排布。当然，X轴、Y轴与Z轴也可以任意限定方向，但是需要保证X轴与Y轴在同一平面内，Z轴为喷嘴阵列的高度方向。每个喷嘴对应一个驱动装置，工控机控制驱动装置带动喷嘴开启或者关闭。当然，也可以是多个喷嘴对应一个驱动装置。
[0077]软件根据每层二维截面图形的轮廓信息生成数控代码以及填充路径，再二维截面图形的填充路径通过相应的算法计算出不同时刻不同位置每个喷嘴的开启或者关闭信息，生成喷嘴开启或者关闭的代码，进而工控机控制驱动装置、运动平台18按照数控代码及喷嘴开启或者关闭的代码控制喷嘴阵列I中的每个喷嘴的开启或者关闭，实现二维截面图形的快速成型，待成型材料7凝固或是工艺条件满足的情况下成型下一层，最终能够实现快速高精度生成三维模型。
[0078]本发明的三维模型打印系统通过η行Xm列的喷嘴阵列I来提高成型速度，通过任意相邻的两行喷嘴之间在X轴方向上错位排布来提高打印精度，进而使得三维模型打印系统能够实现快速高精度的三维模型打印。喷嘴阵列I包括η行喷嘴列，每行喷嘴列包括均匀分布的m个喷嘴。第一行喷嘴列11、第二行喷嘴列12、第三行喷嘴列13…第η行喷嘴列在X方向错开一定距离构成η行喷嘴阵列I。第一行喷嘴列11包括第一行第一个喷嘴111、第一行第二个喷嘴112、第一行第三个喷嘴113、第一行第四个喷嘴114、第一行第五个喷嘴115...第一行第m个喷嘴；第二行喷嘴列12包括第二行第一个喷嘴121、第二行第二个喷嘴122...第二行第m个喷嘴；第三行喷嘴列13包括第三行第一个喷嘴131、第三行第二个喷嘴132…第三行第m个喷嘴；…；第η行喷嘴列包括第η行第一个喷嘴、第η行第二个喷嘴、第η行第三个喷嘴…第η行第m个喷嘴。
[0079]第n行中的第m个喷嘴的轴线和在第n+1行中的第m或m+l个喷嘴的轴线之间存在距离，也就是第η行喷嘴列与第n+1行喷嘴列错位排布，以第一行喷嘴列11和第二行喷嘴咧12为例，也就是说第一行第一个喷嘴111的轴线与第二行第一个喷嘴121的轴线之间存在距离，第一行第一个喷嘴111的轴线与第二行第一个喷嘴121的轴线之间的距离为错位距离。
[0080]目前，三维模型打印技术存在着成型速度与打印精度不能兼容的问题。为了保证三维模型的打印精度，三维模型打印时的成型速度就会相应的变慢，特别是对于精度较高的微细三维结构，长时间的工作增加突发事故导致成型失败的风险，此外机器长时间运作稳定性也会降低。为了提高三维模型的成型速度，多采用多喷头成型的方法，但是这样会因为喷嘴之间存在的壁厚影响三维模型的打印精度。本发明的三维模型打印系统采用η行Xm列的喷嘴阵列I来提高三维模型的成型速度，通过任意相邻的两行喷嘴之间在X轴方向上错位排布来消除任意相邻的两个喷嘴之间的壁厚对三维模型的打印精度的影响，提高三维模型的分辨率，即提高三维模型的打印精度。通过工控机带动驱动装置控制喷嘴的开启与关闭来实现快速高精度的三维模型打印。
[0081]进一步地，每行与每列的喷嘴的数量原则上不受限制，可以无限扩展。当然，喷嘴阵列I的数量也可以相应的增加，形成喷嘴阵列组32。同时，任意相邻的两个喷嘴之间的间距相同，该间距均为P。任意相邻的两个喷嘴之间的间距P可以在加工准许的范围内设定。但由于喷嘴需要与驱动装置等其他装置连接，而其他装置又要占有一定的空间位置，因此，任意相邻的两个喷嘴之间的间距受到一定限制。根据实际加工方法不同，任意相邻的两个喷嘴之间的间距P可在微米、毫米、厘米等范围变化。更进一步地，m个喷嘴沿X轴方向均匀分布，为了减小任意相邻的两个喷嘴之间的壁厚，两个喷嘴紧贴设置，这样还能够在有限的空间内设置数量较多的喷嘴，以提高三维模型的成型速度。在本发明中，距离P为喷嘴在X轴方向上的尺寸。
[0082]通过软件将三维模型切片分层，分成多层二维截面图形，获取每层二维截面图形的轮廓信息，软件根据每层的轮廓信息生成数控代码及二维截面图形的填充路径。软件再根据每层二维截面图形的填充路径通过相应的算法计算出不同时刻不同位置每个喷嘴的开启或者关闭信息，生成相应的喷嘴开启或者关闭的代码。随后软件将数控代码和喷嘴开启或者关闭代码传输到工控机中，工控机带动驱动装置控制喷嘴阵列I按照相应的代码填充二维截面图形。如图3所示，每个完整或部分网格均代表喷嘴喷射出成型材料7的一个液滴，但在成型过程中，通过设置网格的面积门槛值过滤掉很小面积的网格。判断某一时刻需要成型的网格对应的喷嘴确定喷嘴的开启与关闭的信息。
[0083]以三行喷嘴列、每行两个喷嘴构成的3行X2列喷嘴阵列I为例，如图4所示，喷嘴按照Y轴方向填充，在时刻，有网格与第一行第一个喷嘴111和第一行第二个喷嘴112对应，工控机生成打开的第一行第一个喷嘴111和第一行第二个喷嘴112的代码，关闭其余喷嘴的代码。如图5所示，下一时刻t2，喷嘴阵列I整体沿着路径Y轴方向向前移动一个网格的距离，则有网格分别与第一行第一个喷嘴111、第二行第一个喷嘴121和第二行第二个喷嘴122相对应，工控机生成打开第一行第一个喷嘴111、第二行第一个喷嘴121和第二行第二个喷嘴122的代码，关闭其余喷嘴的代码。如图6所示，然后t4时刻，有网格分别与第一行第一个喷嘴111和第三行第二个132对应，工控机生成打开第一行第一个喷嘴111和第三行第二个132喷嘴的代码，关闭其余喷嘴的代码。以此类推，如图7所示，到ts时刻，工控机需生成打开第三行第一个喷嘴131和第三行第二个喷嘴132，关闭其余喷嘴的代码，至此完成该二维截面代码生成。如此反复，便获得三维模型的所有切片分层的数控代码和喷嘴开启或者关闭代码。
[0084]当二维截面图形的尺寸较大时，喷嘴阵列I经过一次扫描后无法打印全部的二维截面图形，需要经过多次成型才能生成完整的二维截面图形。如图8所示，以三行喷嘴列，每行两个喷嘴构成的3行X2列喷嘴阵列I为例，喷嘴阵列I按Y轴方向以S型路径运动。在t2时刻，如图9所示，需要打开第一行第一个喷嘴111、第二行第一个121和第二行第二个122，关闭其他喷嘴，工控机生成相应的开关代码。以此类推，完成第一次扫描。然后，喷嘴阵列I向X轴方向移动6个网格的距离，进行第二次的扫描。在t12时刻，如图10所示，则需要关闭第三行第一个喷嘴131，打开其余喷嘴，生成相应的开关代码。如此往复，完成当前二维截面图形的代码生成。
[0085]当然，η行Xm列的喷嘴阵列I可以在同一板材上加工而成，也可以在不同的板材上加工，在将各个喷嘴通过精密方法组合安装成喷嘴阵列1，二者在生产过程中所需要的时间大致相同。喷嘴阵列I在同一板材上加工时，每个喷嘴加工所需要的时间较长，但是这样能够节省组合安装时间。喷嘴阵列I在不同的板材上加工时，每个喷嘴加工所需要的时间较短，但是需要较多的时间将各个喷嘴组合安装。
[0086]参见图1，作为一种可实施方式，三维模型打印系统还包括喷头组件，喷嘴与喷头组件可拆卸连接，喷头组件包括储液管8、输液管9和毛细管23，成型材料7放置在储液管8中，输液管9的一端安装在储液管8上，输液管9的一端安装在喷嘴上，毛细管23安装在喷嘴远离输液管9的一端。成型材料7装入储液管8内，通过驱动装置控制喷嘴的开启或者关闭，驱动装置控制喷嘴的开启时，输液管9和毛细管23通过喷嘴连通，成型材料7能够流到基板26上，最终生成三维模型；驱动装置控制喷嘴的关闭时，输液管9和毛细管23之间不连通，成型材料7不能流动。喷嘴与喷头组件之间为可拆卸连接，当喷头损坏时，可以将喷头从喷头组件上拆卸下来，更换成无损的喷头即可，这样能够节省成本。喷头组件与喷嘴一一对应，每个喷头组件控制与其连接的喷嘴成型材料7的输出。成型材料7储存在储液管8中，每个喷嘴可以有独立的储液管8用于存储不同的成型材料7。当然，当多个喷嘴喷射相同的成型材料7时，也可以使用一个储液管8连通多个喷嘴，以节省空间。
[0087]在实际成型时，可以安装足够多的喷嘴，使喷嘴形成喷嘴阵列I或者喷嘴阵列组32，喷嘴形成喷嘴阵列I或者喷嘴阵列组32能够完全覆盖住基板26上所需的成型区域，经过扫描后，驱动装置控制喷嘴喷出成型材料7全部覆盖基板26最终生成三维模型。当然，也可用少量的喷嘴成型，喷嘴阵列I只能够覆盖部分基板26上所需的成型区域，经过扫描后，驱动装置控制喷嘴喷出成型材料7将该部分基板26覆盖生成一部分三维模型，再移动喷嘴阵列1，使喷嘴阵列I覆盖基板26上的其他所需成型区域，经过扫描后，依次生成部分三维模型，经过多次移动喷嘴阵列I和多次扫描后，最终实现三维模型。
[0088]如图11所示，作为一种可实施方式，第η行中的第m个喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或者m+l个喷嘴的轴线之间的距离为错位距离，错位距离d由成型材料7的搭接率决定。三维模型的成型是由驱动装置带动喷嘴阵列I逐层向运动平台18的基板26上喷射而成。为了保证三维模型的打印精度，需要任意相邻的两行喷嘴之间的错位排布。喷嘴阵列I每喷射出的一次成型材料7，成型材料7就在基板26上形成一个沉积层25，喷嘴阵列I喷射出多次成型材料7，基板26上形成多个沉积层25，多个沉积层25相叠加最终生成三维模型。
[0089]任意相邻的两行喷嘴之间的错位排布时，能够使得三维模型的表面平整，这样就要求任意相邻的喷嘴列对应位置处的两个沉积层25之间应该满足一定的搭接率，而搭接率又与成型材料7的种类和成型材料7的喷射工艺有关。因此，喷嘴的错位距离d应当根据成型材料7的种类与喷射工艺确定，以满足一定的搭接率。在图11中，由弧线ABC与X轴围设而成的区域M为其中一个喷嘴列喷射成型材料7在基板上形成的沉积层25，弧线DE与X轴围设而成的区域N为与其中一个喷嘴列相邻的另一喷嘴列喷射成型材料7在基板上形成的沉积层25，区域M与区域N之间交叉的部分为相邻两行的喷嘴列的成型材料7形成沉积层25的搭接部分。
[0090]喷嘴阵列I中的各个喷嘴的大小可以相同，也可以不同，喷嘴的大小可以在微观尺度到宏观尺度范围内变化，即喷嘴的大小可以在微米、毫米、厘米的范围内变化，以满足不同三维模型成型的需要。如图1所示，在本发明的一实施例中，喷嘴阵列I中的各个喷嘴的大小相同。喷嘴阵列I中的各个喷嘴的也可以不同，如图12所示，在本发明的另一实施例中，喷嘴阵列I的边缘位置的喷嘴的尺寸小于喷嘴阵列I的中部位置的喷嘴的尺寸。同时还需要精确控制所有喷嘴中成型材料7的输出量，以保证成型高度一致和表面平整。用于填充边界的第一例喷嘴和第η列喷嘴可以采用较小的尺寸，使得二维截面图形的表面成型的精度较高。用于填充内部的喷嘴的尺寸可以较大，以提高二维截面图形的成型速度。进一步地，喷嘴的截面形状为圆形或者矩形等规则或者不规则的图形，喷嘴的截面形状也可以为矩形向圆形变化过程中的各个图形。在本发明中，喷嘴的截面形状为矩形以使各个喷嘴应该紧密排布，进而提高三维模型的成型速度。
[0091]如图13所示，作为一种可实施方式，三维模型打印系统还包括密封箱30，密封箱30能够满足真空度、氧含量、湿度、温度或惰性气氛中的一种或几种条件，工控机与驱动装置安装在密封箱30外，喷嘴阵列I与喷头组件均安装在密封箱30中。三维模型的成型过程可以在大气条件下进行，也可以通过密封箱30对成型条件如:真空度、氧含量、湿度、温度或惰性气氛中的一种或几种进行控制，以满足不同环境条件下的使用需求。
[0092]如图2所示，作为一种可实施方式，驱动装置的驱动方式为气动方式、压电方式、热泡方式或者超声振动方式中一种或者几种方式的组合。每个喷嘴由独立的驱动装置控制，驱动装置与工控机电连接，通过工控机可以控制驱动装置，从而控制喷嘴的开起或者关闭。本实施例中，驱动装置的驱动方式为气动方式与压电方式的组合。其中，驱动装置包括压力控制器5、压电陶瓷27和压电控制器6，压力控制器5设置在喷头组件中储液管8的进气管15上，压电陶瓷27设置在喷嘴上，压电陶瓷27与压电控制器6电连接。
[0093]三维模型的环境条件设置好后，将成型材料7装入储液管8内，通过压力控制器5控制进气管15处的压力，使得成型材料7经过输液管9进入毛细管23内并使成型材料7在毛细管23出口处保持一定的液面形状。压电控制器6产生一定的电压波形使得管状压电陶瓷27对毛细管23产生脉冲机械力的作用，从而喷出液滴24，液滴24在运动平台18的基板26上凝固形成沉积层25。
[0094]作为一种可实施方式，输液管9输出成型材料7的方式为脉冲滴液或者连续液流的方式。喷嘴阵列I中各个喷嘴的开启或者关闭均由工控机根据每层的二维截面信息确定不同喷嘴在不同时间和空间位置的开关代码来控制。通过各个喷嘴的开启或者关闭能够打印点阵列、柱状阵列或是三维零件17，成型材料7以脉冲液滴或是连续液流的喷射方式，能在微小尺度以及超大宏观尺度上进行高精度快速三维模型打印。
[0095]作为一种可实施方式，三维模型打印系统还包括加热装置，加热装置安装在喷头组件上，其中加热装置包括加热器28与温度控制仪31，加热器28安装在喷嘴上，加热器28与温度控制仪31电连接，温度控制仪31能够控制加热器28的加热温度。成型材料7喷射出来的状态为滴液状态，滴液24落到基板26上，凝固后形成沉积层25。加热器28能够加快滴液24的凝固速度。进一步地，成型材料7主要是熔融沉积成型材料。更为具体的，成型材料7为聚合物材料、常温液态材料或者成型高温材料等。对于粘度较高的成型材料7，可通过加热器28加热成型材料7至较高温度，降低成型材料7的粘度，温度控制仪31控制加热器28的加热温度。当然，成型材料7为常温液态材料时，也可以采用加热器28加热。更进一步地，为了进一步加快滴液24的凝固速度，可以在滴液24的成型过程中通过对基板26预热或者红外、激光等热源烧结的方式来实现。
[0096]如图13和图14所示，作为一种可实施方式，喷嘴阵列I的数量为多个，任意相邻的两个喷嘴阵列I之间在高度方向上错位排布，即在Z轴方向上错位排布，这样能够实现经过一次扫描后，多个喷嘴阵列I能够同时成型多个二维截面图形，能够进一步提高打印效率，提高三维模型的成型速度。每个喷嘴都由独立的驱动装置和温控装置控制，通过工控机能够独立控制每个喷嘴的开起或者关闭。当任意相邻的两个喷嘴阵列I之间在Z轴方向上错位排布时，三维模型打印系统还包括连杆20、滑块16、导轨21和Z轴支架19，导轨21安装在Z轴支架19上，滑块16安装在导轨21上，喷嘴阵列I组通过连杆20与Z轴支架19上的滑块16连接，滑块16能够沿着导轨21沿Z轴方向运动，进而带动喷嘴阵列I组沿着Z轴方向运动。
[0097]可将多个喷嘴阵列I通过沿Z轴方向错位的方式组成喷嘴阵列组32。工控机在扫描过程中，不同喷嘴阵列可同时打印。以两个喷嘴阵列1，其中一个喷嘴阵列I在Z轴方向上的高度上低于另一喷嘴阵列1，每个喷嘴阵列I包括三行喷嘴列，每行2个喷嘴，打印图3所示的二维截面图形为例。喷嘴阵列组32沿着Y轴方向移动，在t4时刻，如图6所示，其中一个喷嘴阵列I打开第一行第一个喷嘴111和第一行第二个喷嘴112，此时，对于另一喷嘴阵列I而言，需要打开第一行第一个喷嘴111和第一行第二个喷嘴112，在其中一个喷嘴阵列I打印的二维截面图形上继续成型，最终生成三维模型，从而提高三维模型的成型速度。工控机先根据三维模型分成生成数控代码和喷嘴开关代码，进而工控机控制运动平台18的运动以及各喷嘴的开起或者关闭，便可逐层打印成型材料7制备三维零件17。
[0098]如图2和图11所示，进一步地，任意相邻的两个喷嘴阵列I之间在Z轴方向上的错位的高度h与成型材料7的沉积的厚度相适应。喷嘴阵列I在Z轴方向上错位排布能够实现成型多个二维截面图形。而三维模型包括多个二维截面图形，喷嘴阵列I每喷射一次成型材料7形成一个沉积层25。喷嘴阵列I在Z轴方向上错位排布时，相邻的两个喷嘴阵列I依次形成两个二维截面图形，后一个的二维截面图形能够落在前一个二维截面图形上，为了保证两个喷嘴阵列I依次形成两个二维截面图形的顺序不变，任意相邻的两个喷嘴阵列I之间的错位高度h应与成型材料7的沉积的厚度相适应，也就是错位高度h应由成型材料7的种类和喷射工艺来决定。
[0099]作为一种可实施方式，三维模型打印系统还包括用于检测异常状况的报警装置，报警装置与工控机电连接。在本发明中，报警装置通过电容耦合器件(CCD)相机29检测三维模型打印系统的运行过程。报警装置与工控机电连接，当三维模型打印系统出现异常情况时，工控机控制喷嘴阵列I停止打印三维模型并发出警告声。
[0100]本发明还涉及一种三维模型的成型方法，包括如下步骤:
[0101]SlOO:将三维模型切片分成多层二维截面图形，获取每层二维截面图形的轮廓信息;
[0102]S200:根据二维截面图形的轮廓信息生成数控代码及二维截面图形的填充路径；
[0103]S300:根据相应的算法将二维截面图形的填充路径计算出不同时刻不同位置喷嘴阵列I中每个喷嘴的开启或者关闭信息；
[0104]S400:根据喷嘴阵列I中每个喷嘴的开启或者关闭信息生成每个喷嘴开启或者关闭的代码；
[0105]S500:将数控代码和所述喷嘴开启或者关闭的代码传输到工控机中；
[0106]S600:工控机带动驱动装置控制喷嘴阵列I根据数控代码及喷嘴开启或者关闭的代码填充二维截面图形；
[0107]S700:重复所述步骤SlOO至S600，直至生成三维模型。本发明的三维模型的成型方法应用于上述三维模型打印系统，以实现快速高精度的打印三维模型。
[0108]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种三维模型打印系统，其特征在于，包括: 工控机； 驱动装置，所述驱动装置与所述工控机电连接，所述工控机控制所述驱动装置运动；以及 喷嘴阵列，所述喷嘴阵列包括η行Xm列个的喷嘴，其中，η多1，第η行中的第m个所述喷嘴的轴线和第n+1行中的第m或m+1个所述喷嘴的轴线之间存在距离，所述工控机控制所述驱动装置带动所述喷嘴开启或者关闭。2.根据权利要求1所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述三维模型打印系统还包括喷头组件，所述喷嘴与所述喷头组件可拆卸连接，所述喷头组件包括储液管、输液管和毛细管，成型材料放置在所述储液管中，所述输液管的一端安装在所述储液管上，所述输液管的另一端安装在所述喷嘴上，所述毛细管安装在所述喷嘴远离所述输液管的一端。3.根据权利要求2所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述第η行中的第m个所述喷嘴的轴线和所述第n+1行中的第m或m+l个所述喷嘴的轴线之间的距离为错位距离，所述错位距离由所述成型材料的搭接率决定。4.根据权利要求3所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述三维模型打印系统还包括密封箱，所述喷嘴阵列与所述喷头组件均安装在所述密封箱中。5.根据权利要求4所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述驱动装置的驱动方式为气动方式、压电方式、热泡方式或者超声振动方式中一种或者几种方式的组合。6.根据权利要求1所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述三维模型打印系统还包括加热装置，所述加热装置安装在所述喷头组件上，其中加热装置包括加热器与温度控制仪，所述加热器安装在所述喷嘴上，所述加热器与所述温度控制仪电连接。7.根据权利要求6所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述喷嘴阵列的数量为多个，任意相邻的两个所述喷嘴阵列之间在高度方向上错位排布。8.根据权利要求7所述的三维模型打印系统，其特征在于，任意相邻的两个所述喷嘴阵列之间在高度方向上的错位的高度与所述成型材料的沉积的厚度相适应。9.根据权利要求1至8任一项所述的三维模型打印系统，其特征在于，所述三维模型打印系统还包括用于检测异常状况的报警装置，所述报警装置与所述工控机电连接。10.三维模型的成型方法，其特征在于，包括如下步骤: SlOO:将三维模型切片分成多层二维截面图形，获取每层所述二维截面图形的轮廓信息; S200:根据所述二维截面图形的轮廓信息生成数控代码及所述二维截面图形的填充路径； S300:根据相应的算法将所述二维截面图形的填充路径计算出不同时刻不同位置喷嘴阵列中每个喷嘴的开启或者关闭信息； S400:根据所述喷嘴阵列中每个喷嘴的开启或者关闭信息生成每个所述喷嘴开启或者关闭的代码； S500:将所述数控代码和每个所述喷嘴开启或者关闭的代码传输到工控机中； S600:所述工控机带动驱动装置控制所述喷嘴阵列根据所述数控代码及所述喷嘴开启或者关闭的代码填充所述二维截面图形； S700:重复所述步骤SlOO至S600，直至生成所述三维模型。
【文档编号】B29C67/00GK105856562SQ201510035379
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】张文武, 张远明
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所