基于熔融沉积快速成型技术的3d打印机及其打印方法
【专利摘要】一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机及其打印方法。现有3D打印机的打印头采用激光加热方式，造成3D打印机的打印成本高、打印时间长、维修成本高等缺点。过高的使用和维护成本限制了3D打印技术的普及。本发明方法包括：加热工作室（1），加热工作室的一侧安装送丝机构（2），加热工作室的内部安装工作台（3）和两根竖直的Z轴（4）和两根Y轴，Z轴连接伺服电机A，Y轴之间连接X轴（6），X轴上安装双喷嘴打印头（7）；送丝机构包括两个原型材料辊（8），原型材料辊具有送丝装置（9），送丝装置连接伺服电机B（10），伺服电机A、伺服电机B连接工控机；双喷嘴打印头安装打印喷嘴（14）。本实发明应用于3D打印机。
【专利说明】基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机及其打印方法
[0001]【技术领域】:
本发明涉及一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机及其打印方法。
[0002]【背景技术】:
3D打印技术以其巨大的市场应用前景，近年已成为世界性的研究热点。根据对目前国际上3D打印技术研发领域最新动态的跟踪、调研、分析与总结，发现主要的研究集中在打印成本的降低，打印精度的提高，打印出产品的强度、刚度的增强，打印时间的缩短四个方面。
[0003]现有3D打印技术的种类:SLS选择性激光烧结技术，L0M分层实体制造法又称层叠法成形技术，3DP三维印刷技术，SLA光固化成型技术。每种方法都有其独到之处，也在一定程度上解决了打印精度和打印产品强度、刚度不足的问题，不可相互替代。但是现有3D打印机的打印头采用激光加热方式，造成3D打印机的打印成本高、打印时间长等缺点。过高的使用和维护成本，从根本上限制了 3D打印技术的大规模普及，如何降低成本就成了 3D打印技术普及使用的重中之重。
[0004]本发明在3D打印制造技术和3D数据获取技术上加大研究力度，通过智能化、数字化、网络化的技术融合，实现绿色、智能、超常态等先进装备制造。同时计划为石化院研究新型打印材料提供3D打印室试验机的支持。
[0005]
【发明内容】
:
本发明的目的是提供一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机及其打印方法。
[0006]上述的目的通过以下的技术方案实现:
一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其组成包括:加热工作室，所述的加热工作室的一侧安装送丝机构，所述的加热工作室的内部安装工作台和两根竖直的Z轴，所述的Z轴连接伺服电机A，所述的Z轴还分别垂直连接Y轴，两个所述的Y轴之间连接X轴，所述的X轴上安装双喷嘴打印头；所述的送丝机构包括两个原型材料辊，所述的原型材料辊具有送丝装置，所述的送丝装置连接伺服电机B，所述的伺服电机A、伺服电机B连接工控机；所述的双喷嘴打印头前端安装电阻丝式加热器和温度传感器，所述的双喷嘴打印头的内部具有两个熔腔，所述的熔腔底部分别安装打印喷嘴。
[0007]所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的送丝装置安装于所述的双喷嘴打印头上方，所述的双喷嘴打印头还安装散热风扇，所述的双喷嘴打印头上安装的打印喷嘴的内径为0.25?1.32mm
所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的X轴和所述的Y轴都为水平方向，所述的X轴和垂直于所述的Y轴。
[0008]所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的温度传感器连接所述的工控机。
[0009]一种利用上述基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，
第一步，在工控机内将CAD或CAM软件设计产品图形以.stl文件形式输出，再进行模型的自动分层和制成材料路径的形成，最后生成3D打印机加工数据；第二步，将蜡丝、ABS塑料、PLA材料的原型材料先抽成丝状，通过送丝机构送进双喷嘴打印头的一个熔腔内，支撑材料送进双喷嘴打印头的另一个熔腔内，丝材和支撑材料在熔腔内被阻丝式加热器熔化，在工控机的控制下，双喷嘴打印头作X-Y平面运动，将熔融的丝材和支撑材料通过微细喷嘴的喷头挤喷出来，涂覆在工作台上；
第三步，当被挤出丝材的温度低于固化温度后开始固化成形，成为工件的一层厚度为
0.15?0.25mm的截面，结束一层的喷涂后材料迅速固化并与周围材料粘接成形，双喷嘴打印头在Z轴向上移动一层的高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件；
第四步，根据所选择的支撑材料的特性选择相应的水溶或热熔的方法，将支撑材料去除，最终获得所打印的三维工件。
[0010]所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，所述的双喷嘴打印头的移动速度小于380mm/s ;所述的送丝装置的送丝速度为10?25mm/s ;所述的腊丝的熔融温度为74°C，所述的ABS塑料的熔融温度为270°C，所述的PLA材料的熔融温度为150°C。
[0011]有益效果:
1.本发明设置了用于完成成型过程的加热工作室，在加热工作室外部安装送丝结构，送丝机构通过伺服电机控制，实现了打印的自动化控制。而加热工作室内部设置了用于放置工件的工作台、以及控制双喷嘴打印头的机械传动和定位装置，与普通打印机不同的是Z轴的引入，工件的加工工作台或者打印头在每层打印结束后，需进行层厚尺寸的Z轴移动，Z轴的移动与定位通过伺服电机进行精确控制，以保证最终工件外形的精准。
[0012]2.本发明采用双喷嘴打印头代替以往的激光器，由于熔融成型技术每一层都是在上一层上堆积而成，随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当变化较大时，上层轮廓就就不能提供充分的定位和支撑，就需要进行辅助支撑的设计，这时能够利用另一维系喷嘴进行支撑材料的喷涂，辅助工件喷涂，使工件外形更加精准。双喷嘴打印头内部设置电阻丝式加热器将丝状材料和支撑材料加热融化，使用温度传感器控制加热温度，逐层堆积的方法加工三维工件。原型材料辊上安装原型材料后，丝材穿过送丝装置后深入熔腔内同时喷出沉积模型材料和沉积支撑材料，达到不同材料的同步打印，以达到最佳效果。具有降低打印机的制造成本和打印机的日常维护成本的好处。
[0013]3.本发明使用丝状热熔性材料例如石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度，约比熔点高1V，加工所使用的丝材在成型过程中无化学变化，利用效率高且没有毒气或化学物质的污染，制件的翘曲变形小。
[0014]采用熔融沉积技术加工的原型零件，能够直接用于熔模铸造。能够降低3D打印机成本和缩短打印时间。
[0015]【专利附图】
【附图说明】:
附图1是本发明的结构示意图。
[0016]附图2是本发明送丝部分的结构原理图。
[0017]附图3是本发明生成3D打印机加工数据时的流程图。
[0018]【具体实施方式】:
实施例1:
一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其组成包括:加热工作室1，所述的加热工作室的一侧安装送丝机构2，所述的加热工作室的内部安装工作台3和两根竖直的Z轴4，所述的Z轴连接伺服电机A，所述的Z轴还分别垂直连接Y轴5，两个所述的Y轴之间连接X轴6，所述的X轴上安装双喷嘴打印头7 ;所述的送丝机构包括两个原型材料辊8，所述的原型材料辊具有送丝装置9，所述的送丝装置连接伺服电机B(图中件号为10)，所述的伺服电机A、伺服电机B连接工控机；所述的双喷嘴打印头前端安装电阻丝式加热器11和温度传感器12，所述的双喷嘴打印头的内部具有两个熔腔13，所述的熔腔底部分别安装打印喷嘴14。
[0019]所述的原型材料辊上安装原型材料，所述的原型材料穿过送丝装置后深入所述的熔腔内。
[0020]实施例2:
根据实施例1所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的送丝装置安装于所述的双喷嘴打印头上方，所述的双喷嘴打印头还安装散热风扇16，所述的双喷嘴打印头上安装的打印喷嘴的内径为0.25?1.32mm。
[0021]实施例3:
根据实施例1或2所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的X轴和所述的Y轴都为水平方向，所述的X轴和垂直于所述的Y轴。
[0022]实施例4:
根据实施例1或2所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，所述的温度传感器连接所述的工控机。
[0023]实施例5:
一种利用上述基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，
第一步，在工控机内将CAD或CAM软件设计产品图形以.stl文件形式输出，再进行模型的自动分层和制成材料路径的形成，最后生成3D打印机加工数据；
第二步，将蜡丝、ABS塑料、PLA材料的原型材料先抽成丝状，通过送丝机构送进双喷嘴打印头的一个熔腔内，支撑材料送进双喷嘴打印头的另一个熔腔内，丝材和支撑材料在熔腔内被阻丝式加热器熔化，在工控机的控制下，双喷嘴打印头作X-Y平面运动，将熔融的丝材和支撑材料15通过微细喷嘴的喷头挤喷出来，涂覆在工作台上；
第三步，当被挤出丝材的温度低于固化温度后开始固化成形，成为工件的一层厚度为
0.15?0.25mm的截面，结束一层的喷涂后材料迅速固化并与周围材料粘接成形，双喷嘴打印头在Z轴向上移动一层的高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件16 ；
第四步，根据所选择的支撑材料的特性选择相应的水溶或热熔的方法，将支撑材料去除，最终获得所打印的三维工件。
[0024]实施例6:
根据实施例5所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，所述的双喷嘴打印头的移动速度小于380mm/s ;所述的送丝装置的送丝速度为10?25mm/s ;所述的腊丝的熔融温度为74°C，所述的ABS塑料的熔融温度为270°C，所述的PLA材料的熔融温度为150。。。
【权利要求】
1.一种基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其组成包括:加热工作室，其特征是:所述的加热工作室的一侧安装送丝机构，所述的加热工作室的内部安装工作台和两根竖直的z轴，所述的Z轴连接伺服电机A，所述的Z轴还分别垂直连接Y轴，两个所述的Y轴之间连接X轴，所述的X轴上安装双喷嘴打印头；所述的送丝机构包括两个原型材料辊，所述的原型材料辊具有送丝装置，所述的送丝装置连接伺服电机B，所述的伺服电机A、伺服电机B连接工控机；所述的双喷嘴打印头前端安装电阻丝式加热器和温度传感器，所述的双喷嘴打印头的内部具有两个熔腔，所述的熔腔底部分别安装打印喷嘴。
2.根据权利要求1所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其特征是:所述的送丝装置安装于所述的双喷嘴打印头上方，所述的双喷嘴打印头还安装散热风扇，所述的双喷嘴打印头上安装的打印喷嘴的内径为0.25?1.32mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其特征是:所述的X轴和所述的Y轴都为水平方向，所述的X轴和垂直于所述的Y轴。
4.根据权利要求1或2所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机，其特征是:所述的温度传感器连接所述的工控机。
5.一种利用权利要求1-4所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，其特征是:第一步，在工控机内将CAD或CAM软件设计产品图形以.stl文件形式输出，再进行模型的自动分层和制成材料路径的形成，最后生成3D打印机加工数据；第二步，将蜡丝、ABS塑料、PLA材料的原型材料先抽成丝状，通过送丝机构送进双喷嘴打印头的一个熔腔内，支撑材料送进双喷嘴打印头的另一个熔腔内，丝材和支撑材料在熔腔内被阻丝式加热器熔化，在工控机的控制下，双喷嘴打印头作X-Y平面运动，将熔融的丝材和支撑材料通过微细喷嘴的喷头挤喷出来，涂覆在工作台上；第三步，当被挤出丝材的温度低于固化温度后开始固化成形，成为工件的一层厚度为0.15?0.25mm的截面，结束一层的喷涂后材料迅速固化并与周围材料粘接成形，双喷嘴打印头在Z轴向上移动一层的高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件；第四步，根据所选择的支撑材料的特性选择相应的水溶或热熔的方法，将支撑材料去除，最终获得所打印的三维工件。
6.根据权利要求5所述的基于熔融沉积快速成型技术的3D打印机的打印方法，其特征是:所述的双喷嘴打印头的移动速度小于380mm/s ;所述的送丝装置的送丝速度为10?25mm/s ;所述的蜡丝的熔融温度为74°C，所述的ABS塑料的熔融温度为270°C，所述的PLA材料的熔融温度为150°C。
【文档编号】B29C67/00GK103737934SQ201410029231
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】杨洋, 吴冈, 何艳, 宋昌江, 费磊, 高凤娇, 朱国强 申请人:黑龙江省科学院自动化研究所