CN111421809A - 高致密3d打印的方法及应用该方法的打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机，解决当前FDM型3D打印机存在打印模型内部结合力差以及致密性差的缺陷。通过在熔融丝成型过程中对打印层表面进行预热、温度维持或是在成型后加热打印层表面使其再次熔融，使得相互接触的打印丝之间可以充分融合，提高了3D打印材料的致密性以及力学性能。

Description

高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机
技术领域
本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种高致密3D打印的方法以及应用该方法的打印机。
背景技术
3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。
FDM打印机的基本工作原理是将打印耗材送入熔腔并将其熔化，并从喷嘴中挤出，打印机通过控制喷头的运动路径，将喷嘴中挤出的熔丝成型到指定的位置。由于塑料材料的流动性差以及熔丝挤出后会快速冷却，这两个特点会导致挤出的熔丝无法实现与周边已成型材料的良好结合。
因为流动性差会导致两道熔丝的接触面之间留存空隙，熔丝的快速冷却会导致其无法使周边模型材料重熔。特别是因为周边模型材料接触面没有充分熔融，会导致最终打印出的模型力学性能大打折扣。在同一层的两道打印丝之间结合力不佳可以通过优化打印路径来弥补，但优化打印路径对提高层间结合力则无能为力。图1为目前FDM型3D打印技术打印模型的剖视示意图，由于熔融丝10挤出后冷却过快，导致其没有充分的时间将接触面位置的空隙填满，从而形成了许多空隙11。同样，由于冷却过快，熔融丝挤出后无法将接触面12处已成型的材料重熔，因而导致相互之间的结合力不够理想。
该问题在暂停续打时尤为明显，如果打印过程中因为某些原因暂停打印，在模型温度完全降下来后再在之前打印的基础上继续打印的话，模型在两次打印的拼接处最易碎裂，因此目前的FDM打印机在打印对力学性能有较高要求的模型时只能通过一次打印成型来完成，一旦暂停就需要重新打印。
上述原因除了会导致模型力学性能下降外，同时也导致打印透明材料时，模型的透明度差，因此即便采用高透光的材料进行打印，根据打印厚度的不同，模型最终也会呈现为半透明或白色不透明的模型。由于模型内部存在大量的微小空隙以及接触面未能完全塑化熔融在一起而导致光在模型内部会出现大量随机的折射与反射，因此降低了模型的透光率。
申请号为CN201720861657.6的中国实用新型专利《一种通过光纤激光预热打印区域的3D打印装置》提出一种采用激光预热提高打印模型层间结合力的装置。该装置可以在熔融丝成型前将其前方的已成型材料预热，由此提升了打印模型的层间结合力。该装置的缺陷在于，由于激光的功率密度很高，能量非常集中，其预热区域只能为单个很小的点，实施例中说明为不大于2mm的光斑，由于加热区域过小，当激光移开停止加热后，所述区域会还是会急速冷却，依然会降低材料层间结合的性能。
申请号为CN201810420252.8的中国发明专利申请《一种3D打印机头及3D打印机》中也提出了一种具有对前一层打印层材料进行预热功能的打印机，其采用在打印头上安装加热片加热、高周波加热或激光加热的加热器，实现对已成型材料的预热。其在专利说明书中描述的实施方法是先通过打印头打印一层，再由加热器对当前层进行预热，完成后再进行下一层的打印。这种方式的问题在于其预热与打印是分开的，预热过程能够维持的时间很有限，因此当打印模型较大时，模型的前一打印层会在打印尚未结束时就已经完全冷却掉了。
这两项专利申请中均提出了采用预热方式来解决打印模型层间结合力差的问题。区别在于，前一专利采用预热与打印同时进行的方案，后一专利采用先预热后打印的方案。但是仅仅对已成型模型进行简单预热并不能很好地解决层间结构力差的问题，也无法解决打印致密性和透明材料打印后不透明的问题。
综上所述，目前的FDM打印机存在打印模型内部结合力差以及致密性差的缺陷，导致其应用范围受到一定的限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机，通过在成型过程中对成型区域的打印材料进行预热和温度维持又或是在成型后加热打印层表面使其二次熔融的方法，使熔融丝挤出后可以与之前已成型的材料部分充分融合，从而提高了3D打印模型成型的致密性以及层间力学性能。
如无特殊说明，本文中所述熔融丝是指刚从喷头中挤出尚未完全固化的打印丝，所述打印丝宽度是指熔融丝沉积成型后的宽度。
对于高分子材料而言，熔融温度通常是一个范围，通常是指从高分子材料内部开始出现熔融到完全熔融塑化所对应的温度区间。如无特殊说明，本文中所述低于材料的熔融温度是指对应温度低于该材料熔融温度区间的最小值，所述等于材料的熔融温度是指对应温度处于该材料的熔融温度区间范围内，所述高于材料的熔融温度是指对应温度高于该材料的熔融温度区间的最大值。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：
提出一种高致密3D打印的方法，包含以下操作中的至少一项：
P1：在当前层打印过程中，对将要沉积熔融丝的区域进行预热，并且在熔融丝挤出过程中，对熔融丝沉积区域进行温度维持；
P2：在当前层打印完成后，再次对已成型的层表面进行加热，并使打印层表面再次熔融。
上述两项操作分别在打印过程中及打印后对打印层进行加热。P1操作采用预热加温度维持的方式，使熔融丝在挤出成型的过程中与相接触的模型材料充分融合；P2操作则是在模型打印完一层后，对整个层进行全面加热，并使打印层表面再次熔融，利用模型材料熔融后的表面张力以及内部的分子扩散运动，使同一层的相邻打印丝之间以及相邻打印层之间的材料能够充分融合。因此可以说P1与P2两项操作既可以独立进行，实现提高相邻打印丝之间融合效果的目的，也可以相互补充，使得材料之间的融合更加充分。
优选地，所述P1操作中的加热使得加热区域内的模型材料温度高于模型构建环境温度，低于或等于模型材料的熔融温度；所述P2操作中的加热使得加热区域内的模型材料表面温度不低于材料的熔融温度。
优选地，所述方法中采用非接触式加热，优选为热风加热或红外辐射加热。
优选地，所述P1操作中的加热区域为以打印头喷嘴为中心，打印丝宽度的5倍~50倍为半径的圆型区域，优选半径为打印丝宽度的10倍到20倍。加热区域以喷嘴为中心，就可以同时兼顾对将要沉积熔融丝的区域进行预热以及对熔融丝沉积区域进行温度维持。加热区域过小会使得温度维持时间过短，而使成型效果变差，反之如果加热区域过大，则打印层中会出现大面积、长时间维持在接近熔融的温度的区域，易导致模型变形。当加热区域半径取为打印丝宽度的5到50倍，优选10~20倍范围内时，可以很好的兼顾到延长温度维持时间以及降低模型变形风险两方面。
优选地，所述P2操作中打印层表面再次加热熔融的深度为打印层厚的1到5倍，优选为1.5到2倍。熔融深度过深易导致模型发生变形，因而需要控制熔融深度，使得能够让相邻层之间可以充分融合，同时降低模型变形的风险。
优选地，所述方法中还包括：在模型切片时，优化打印路径与打印速度，使P1操作中模型各区域的加热均衡，避免过度加热或加热不足。
同时提出一种高致密3D打印机，可应用高致密3D打印方法进行打印，包含用于熔融丝挤出成型的喷头，还包含加热机构，所述加热机构采用的加热方式为热风加热或红外辐射加热，可以实现对打印层表面区域进行加热。
优选地，所述加热机构中包含两个加热装置：第一加热装置安装于打印头上，跟随打印头一起运动。该加热装置的加热区域完全包含以喷嘴为中心，以打印丝宽度的5倍宽度为半径的圆形区域。第二加热装置安装于其中一个水平运动轴滑块上，使得该加热部件横跨于打印平台之上，可以在所述运动轴的驱动下扫描加热打印平台的整个打印区域。
优选地，所述第一加热装置的加热区域为以喷嘴为中心，以10倍到20倍打印丝宽度为半径的圆形区域。
优选地，所述第一加热装置为热风加热器，所述第二加热装置为红外加热管。
与现有技术相比，本发明所提出的高致密3D打印的方法通过在熔融丝成型过程中对打印层表面进行预热、温度维持或是在成型后加热打印层表面使其再次熔融，使得相互接触的打印丝之间可以充分融合，提高了3D打印模型的致密性以及力学性能，致密性的提高也使得透明材料模型的透明度得到提高。
附图说明
图1为现有技术FDM型3D打印技术打印模型的剖视示意图。
图2为本发明高致密3D打印机结构示意图。
图3为本发明高致密3D打印机第一加热装置工作原理示意图。
图4为本发明高致密3D打印机第二加热装置工作原理示意图。
图中：10.打印丝，11.打印丝间空隙，12.打印丝之间接触面，21.喷头，22.第一加热装置，23.第二加热装置，24.第一加热装置的加热区域，25.打印平台，341.当前打印层，342.前一打印层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。
实施例：
图2为本发明高致密3D打印机的结构示意图。如图2所示，本实施例中X轴运动轨道安装于机架之上，Y轴运动轨道安装于X轴运动滑块上。喷头21安装于Y轴运动滑块上，在喷头21上固定安装有第一加热装置22，所述第一加热装置22为热风加热器，其加热区域24为以喷头21的喷嘴为中心的圆形区域。本实施例中，打印丝宽度为1mm，所述圆形区域的半径为打印丝宽度的15倍，即15mm。在X轴运动滑块上同时固定安装有第二加热装置23，第二加热装置23横跨于打印平台25上方，在X轴运动机构的驱动下可以扫描加热打印平台25的整个打印区域。所述第二加热装置23为红外加热管。
下面基于高致密3D打印机实施例，详细阐述高致密3D打印方法的实施细节。
在P1操作中，如图3所示，熔融丝从喷头21中挤出，在前一打印层342之上成型当前打印层341。在成型过程中，第一加热装置22持续对前一打印层342及当前打印层341进行加热。第一加热装置22的加热区域24同时覆盖打印路径前方的前一打印层342以及打印路径后面的当前打印层341，同时实现了对将要沉积熔融丝的区域进行预热以及对熔融丝沉积区域进行温度维持。
第一加热装置22的加热温度控制在高于模型构建环境温度且低于或等于模型材料熔融温度的范围内。所述加热温度是指热风加热器将下方模型材料表面加热到的温度，而非热风本身的温度。因打印头在不停的运动，对模型材料的加热温度要低于热风本身的温度，并且与打印头运动速度及热风的风量有直接关系。
可以根据成型材料的不同以及加热区域的大小，选择加热温度处于熔融温度范围内，或是较接近熔融温度的温度值。该温度越高、持续时间越长，前后两层之间的融合效果就越好，但温度高了会增加模型变形的风险。本实施例中，成型材料为聚碳酸酯，其熔融温度为215~225℃，本实施例中第一加热装置的加热温度为205℃。
在P2操作中，第二加热装置23在X轴运动机构的驱动下，从打印模型的上面扫描过去，实现对当前打印层341的整体加热。并控制第二加热装置23的加热功率和运动速度，使得其可以将模型的表层材料熔融，并且熔融深度在打印层厚的1.5~2倍左右。加大熔融深度可以使上下层之间融合得更好，但同样也会增加模型变形的风险。因此该深度应控制在5倍层厚之内，最佳为1.5倍到2倍层厚。本实施例中第二加热装置的加热温度为230℃，并通过选择合适的扫描速度，使模型表层材料的熔融深度控制在1.5倍到2倍层厚之间。
为了降低对打印模型的影响，所述方法中最好是采用非接触式的加热器，而在所有非接触式加热方式中，优选为热风加热和红外加热。因此本实施例中第一加热装置为热风加热器，第二加热装置为红外加热管。
为了进一步优化打印效果，本方法实施例中还包括在模型切片时，优化打印路径与打印速度，使P1操作中模型各区域加热均衡，避免过度加热或加热不足。由于加热区域为数倍到数十倍打印丝宽，因此对于大面积填充时，会出现大量重复加热的情况，此时应降低第一加热装置的加热功率，并以较高的速度进行打印，对于类似窄长条形的打印区域，由于其材料集中度低，按正常情况打印，易出现加热不足的情况，因此需要在切片时降低打印速度并提高第一加热装置的加热功率。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法包含以下操作中的至少一项：
P1：在当前层打印过程中，对将要沉积熔融丝的区域进行预热，并且在熔融丝挤出过程中，对熔融丝沉积区域进行温度维持；
P2：在当前层打印完成后，再次对已成型的层表面进行加热，并使打印层表面再次熔融。
2.如权利要求1所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P1操作中的加热使得加热区域内的模型材料温度高于模型构建环境温度，低于或等于模型材料的熔融温度；
所述P2操作中的加热使得加热区域内的模型材料表面温度不低于材料的熔融温度。
3.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法中采用非接触式加热，优选为热风加热或红外辐射加热。
4.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P1操作中的加热区域为以打印头喷嘴为中心，打印丝宽度的5倍~50倍为半径的圆型区域，优选半径为打印丝宽度的10倍到20倍。
5.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P2操作中打印层表面再次加热熔融的深度为打印层厚的1到5倍，优选为1.5到2倍。
6.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法中还包括：在模型切片时，优化打印路径与打印速度，使P1操作中模型各区域的加热均衡，避免过度加热或加热不足。
7.高致密3D打印机，可应用权利要求1~6中所述1项或多项高致密3D打印方法进行打印，包含用于熔融丝挤出成型的喷头，其特征在于，还包含加热机构，所述加热机构采用的加热方式为热风加热或红外辐射加热，可以实现对打印层表面区域进行加热。
8.如权利要求7所述的高致密3D打印机，其特征在于，所述加热机构中包含两个加热装置：
第一加热装置安装于打印头上，跟随打印头一起运动；该加热装置的加热区域完全包含以喷嘴为中心，以打印丝宽度的5倍宽度为半径的圆形区域；
第二加热装置安装于其中一个水平运动轴滑块上，使得该加热部件横跨于打印平台之上，可以在所述运动轴的驱动下扫描加热打印平台的整个打印区域。
9.如权利要求8所述的高致密3D打印机，其特征在于，所述第一加热装置的加热区域为以喷嘴为中心，以10倍到20倍打印丝宽度为半径的圆形区域。
10.如权利要求8所述的高致密3D打印机，其特征在于，所述第一加热装置为热风加热器，所述第二加热装置为红外加热管。
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