[技術(shù)領(lǐng)域]

本發(fā)明屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域；確切的講是使用不同的層高選擇打印切片的輪廓與填充部分，并在打印大曲率的輪廓部分時(shí)，通過電機(jī)使得擠出機(jī)噴口軸向旋轉(zhuǎn)的fdm-3d打印成型機(jī)及成型方法。

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背景技術(shù)：
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熔融沉積成型(fuseddepositionmodeling,fdm)快速成型工藝是將各種絲材(如工程塑料abs、聚碳酸酯pc等)加熱熔化進(jìn)而逐層堆積成型方法，簡稱fdm。大部分fdm快速成型技術(shù)可采用的成型材料很多，如改性后的石蠟、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(abs)、尼龍、橡膠等熱塑性材料，以及多相混合材料，如金屬粉末、陶瓷粉末、短纖維等與熱塑性材料的混合物。其中pla(聚乳酸)具有較低的收縮率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等優(yōu)點(diǎn)。

fdm-3d打印機(jī)基本構(gòu)造與運(yùn)行原理表述為：

主要包括送料機(jī)構(gòu)，運(yùn)載擠出機(jī)總成的2維或3維(水平x軸y軸運(yùn)動及垂直z軸驅(qū)動)運(yùn)動的機(jī)械裝置，或擠出機(jī)總成的(z軸方向)垂直方向保持靜止，由z軸方向的運(yùn)動由一個(gè)獨(dú)立的載物平臺的升降完成；還有保持上述運(yùn)動構(gòu)建的結(jié)構(gòu)殼體等；還有支持機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動的電子控制系統(tǒng)等。工作情況如下：在電子系統(tǒng)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，擠出機(jī)總成作x-y平面運(yùn)動，載物工作臺調(diào)整高度，打印開始時(shí)工作臺平面位于熱熔噴頭噴口位置，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層大約0.2—8mm厚的薄片輪廓。在一層截面成型完成后工作臺下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫出"截面及輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。打印過程中，打印頭在平面上的位移以及配合打印平臺上下位移會形成一個(gè)三維空間，打印頭和打印平臺根據(jù)生成的路徑進(jìn)行打印，打印頭完成一個(gè)平面上的打印任務(wù)后，打印平臺自動下降一層，打印頭繼續(xù)打印，循環(huán)往復(fù)直至成品的完成。或者不使用z軸電機(jī)驅(qū)動打印物件平臺升降，打印物件平臺保持z軸方向靜止，使用z軸電機(jī)驅(qū)動擠出機(jī)總成上下移動；或者利用3根垂直絲杠驅(qū)動3個(gè)垂直移動的滑塊，3個(gè)滑塊都與擠出機(jī)總成進(jìn)行鉸軸鏈接，通過算法(3個(gè)滑塊的z軸方向的位置坐標(biāo)來決定擠出機(jī)總成的3維空間位置)而同樣達(dá)到三維位移尋址的目的。打印頭溫度較高，根據(jù)材料的不同以及模型設(shè)計(jì)溫度的不同，打印頭的溫度相對也不同。為了防止打印物體翹邊等問題的出現(xiàn)打印平臺一般為加熱，打印平臺上一般覆蓋粘貼紙以便于打印成品的剝離。

其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)闡述為：

擠出機(jī)總成是fdm快速成型技術(shù)的核心的部件是擠出機(jī)總成，而擠出機(jī)總成的構(gòu)件為：喉管、加熱鋁體、加熱棒及溫度傳感器等部件，多數(shù)采用加熱棒對鋁塊進(jìn)行加熱,將塑料絲經(jīng)過喉管的入口端擠入，再通過喉管導(dǎo)向，到達(dá)鋁塊加熱部位熔化后進(jìn)入噴口區(qū)域，融化后的塑料絲在后續(xù)進(jìn)絲的(活塞)壓力的作用下從噴口擠出，并擠到打印臺上，如果為了減少塑料因溫度驟減而發(fā)生翹邊和收縮等不良現(xiàn)象，可以使用熱床打印臺。單擠頭相比較，雙擠頭采用兩個(gè)擠出機(jī)總成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其質(zhì)量更大，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的慣性更大，對導(dǎo)軌的剛度要求也更高。位于擠出機(jī)總成最下端噴頭的噴口直徑常見有四種類型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市場上應(yīng)用最廣的是0.4mm的噴口，選定好噴口直徑后，也要在打印時(shí)軟件中設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，如切片軟件中的打印層高、打印速度等，使打印的質(zhì)量和精度更高。

近端送絲就是將擠出機(jī)總成安裝在打印頭上，材料由擠出機(jī)總成直接擠入喉管，在鋁塊中融化由噴口噴出打印。這種安裝方式由于擠出機(jī)總成與打印頭一起運(yùn)動，打印頭質(zhì)量大，打印時(shí)慣性也大，容易使打印不精確，采用近端送絲對導(dǎo)軌的剛度要求也比較高。而遠(yuǎn)端送絲是將擠出機(jī)總成安裝在離擠出機(jī)總成較遠(yuǎn)位置，驅(qū)動電機(jī)一般安裝在打印機(jī)框架上，而不是安裝在擠出機(jī)總成上，與近端送絲相比較，遠(yuǎn)端送絲需要較大扭矩，才能將材料擠入打印頭中。

目前fdm-3d打印機(jī)的驅(qū)動擠出機(jī)尋址的3維機(jī)械系統(tǒng)分為：機(jī)械臂3維位移系統(tǒng)、皮帶或絲杠驅(qū)動的(x、y軸)2維機(jī)械傳動+(z軸)升降載物平臺系統(tǒng)、垂直3絲杠驅(qū)動(俗稱：方式)的使用連桿聯(lián)接擠出機(jī)平臺的位移驅(qū)動系統(tǒng)等。

電路部分包括：3d打印機(jī)電路部分在打印機(jī)中起的作用是控制整個(gè)打印過程協(xié)調(diào)、有序、完整的運(yùn)行。fdm型3d打印機(jī)一種典型電路部分主要包括arduinomega2560主控板，ramps1.4拓展板以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板。下面對它們的基本參數(shù)和作用，作如下介紹。arduinomega2560主控板arduinomega2560主控板的微控制器為atmega2560，工作電壓為5v，數(shù)字i/o引腳為54個(gè)，模擬輸入引腳為16個(gè)，每個(gè)i/o引腳的直流電流為50毫安，主控板是3d打印機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)控制整個(gè)打印機(jī)來完成特定的動作，如打印特定的文件等。這里需要說明，拓展版給主控板供電的二級管不焊接，也就是需要單獨(dú)給mega2560主控板供電，直接使用usb5v或通過電源接頭供電。arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件(各種型號的arduino板)和軟件(arduinoide)，它開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依個(gè)人需要修改，它滿足了不同人群創(chuàng)新創(chuàng)意的需要。3d打印機(jī)運(yùn)行前，需要在arduinoide中下載marlin固件，根據(jù)需要修改固件中部分參數(shù)來滿足打印的要求。拓展板ramps1.4插在主控板上，通過插針與主控板相連，有了它是為了更好的與其它硬件進(jìn)行連接和控制，起到過渡橋梁的作用。拓展板需要接兩個(gè)12v電源，其中一個(gè)為11a，為加熱床供電，另一個(gè)為5a，為擠出機(jī)、各軸電機(jī)及風(fēng)扇等元件供電，由于作者未使用加熱床，只使用一個(gè)12v、5a電源即可。ramps1.4拓展板上還有風(fēng)扇輸出與加熱棒輸出指示的led，擠出機(jī)總成與各軸電機(jī)均通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板a4988由主控板控制，由于作者采用單機(jī)頭打印機(jī)，擠出機(jī)總成2電機(jī)接口不用安裝a4988，位于拓展板右上角，有x、y、z方向的限位開關(guān)，可以控制打印機(jī)每次工作時(shí)的原點(diǎn)。a4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板是用來連接步進(jìn)電機(jī)的，從而實(shí)現(xiàn)主控板對步進(jìn)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)xyz軸電機(jī)及擠出機(jī)總成的動作。a4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板的特點(diǎn)是，它只有簡單的步進(jìn)和方向控制接口，有5個(gè)不同的步進(jìn)模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)最大電流輸出，從而獲得更高的步進(jìn)率，有過熱關(guān)閉電路、欠壓鎖定、交叉電流保護(hù)的功能，以及接地短路保護(hù)和加載短路保護(hù)的作用。

fdm-3d打印機(jī)軟件部分舉例：前面作者已經(jīng)知道，3d打印機(jī)軟件部分包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩大部分，而每部分又有細(xì)分，通過軟件的運(yùn)行，作者才能實(shí)現(xiàn)主控板對打印參數(shù)的設(shè)置及控制。一臺3d打印機(jī)所有軟件完整運(yùn)行的過程如下：首先，作者需要在電腦上的三維建模軟件中完成零件的建模，如solidworks、ug、3dmax等三維軟件，創(chuàng)建完3d模型以后將文件另存為stl格式，將stl文件在切片軟件slic3r中打開，通過一系列的打印設(shè)置，進(jìn)行切片產(chǎn)生代碼，在另一上位機(jī)軟件pronterface上將代碼打開，并連接主板，主板上的下位機(jī)軟件為marlin固件，運(yùn)行前已提前進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，連接成功后，主板上的led燈會閃爍，待打印機(jī)上加熱管加熱，溫度升至設(shè)定溫度后開始打印。下面具體介紹一下打印機(jī)的軟件部分。下位機(jī)軟件marlin固件為自由軟件，可以直接用來做軟件開發(fā)，而作者在3d打印機(jī)中使用marlin固件時(shí)，只需要在arduinoide軟件中下載完固件，找到marlin固件中的configuration.h文件，可根據(jù)自己的需要來修改相關(guān)的代碼內(nèi)容，作者研制的打印機(jī)需要做如下修改。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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目前fdm-3d打印機(jī)的技術(shù)缺陷：

層高(厚度)的選擇決定著成型物件的表面質(zhì)量與精度，輪廓邊界保持著自然邊界的弧狀截面狀態(tài)，目前最小的層高為0.1毫米，表面質(zhì)量相對最佳，隨著層高的減少打印速度極大放慢，質(zhì)量與速度的矛盾無法調(diào)和。

熔融下的打印物料，帶有一定的粘性及應(yīng)力等，擠出噴口在沿著曲線路徑工作下，擠出噴口的單純平動將帶來的熔融料絲的幾何扭轉(zhuǎn)，這樣熔融狀態(tài)的原料將承受著該應(yīng)力及粘滯力，該力將影響成型物件的細(xì)節(jié)部位的形狀，比如：當(dāng)執(zhí)行一個(gè)平動圓周運(yùn)動時(shí)，每平動1周，會使得熔融的物料也扭轉(zhuǎn)1周：即360度；對于較平滑的曲線(相對有較大曲率半徑的曲線)，扭轉(zhuǎn)將被較長的熔融物料絲分擔(dān)，應(yīng)變不會過大，不會造成足以破壞物料走向的力，而對于較大曲率的曲線(相對較小曲率半徑的曲線)而言，扭轉(zhuǎn)量就被較短的熔融物料絲分擔(dān)，應(yīng)變過大，造成足以破壞物料預(yù)定路徑的改變。

本發(fā)明的目的就在于解決已有產(chǎn)品的不足之處：

解決隨著層高的減少打印速度極大放慢的這一成型質(zhì)量與成型速度無法調(diào)和的矛盾，解決輪廓與填充層高的不兼容性；也要解決提升對打印物件的細(xì)部表達(dá)能力：即對于較大曲率(相對有著較小的曲率半徑)的曲線而言，噴絲的扭轉(zhuǎn)力矩所產(chǎn)生的過大應(yīng)變足以改變噴絲的預(yù)定路徑。

本發(fā)明特點(diǎn)：

構(gòu)造簡單、運(yùn)行可靠、快速及完成傳統(tǒng)技術(shù)所完成不了的結(jié)構(gòu)細(xì)部及表面光滑度。

本發(fā)明內(nèi)容:

輪廓與填充分治的旋轉(zhuǎn)噴口fdm3d打印法：

打印物件的切片的邊界部分對應(yīng)著打印物件的表面—稱之為輪廓線，實(shí)際上，輪廓含外表面及內(nèi)表面；輪廓代表著打印物件的外觀，需要尺寸的精準(zhǔn)度及表面的光滑性。

該fdm3d打印法是一種廣義切層的打印過程，該廣義切層有著相對較厚的厚度；分為輪廓打印過程及填充打印過程：輪廓打印過程：是對于切片的輪廓部分的打印，以沿著輪廓線的路徑，并以擠出噴口直徑的1-50倍的寬度作為輪廓部分，這相當(dāng)于輪廓部分所對應(yīng)的區(qū)域需要打印圈數(shù)是1-50圈，而且使用薄的層厚度來進(jìn)行2層--30層打印過程，可以使用噴口較小的噴頭，使得該部分有著精細(xì)的打印效果，由于輪廓區(qū)域面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切層的面積，時(shí)間不至于過于延長。

之后是填充打印過程：是再對于輪廓以內(nèi)的還未打印的填充區(qū)域進(jìn)行打印，使用同一擠出噴口或更大直徑的擠出噴口將該2層--30層填充區(qū)域所對應(yīng)厚度分1層來填充完畢，稱之為填充打印過程，該過程可以使用噴口較大的噴頭，使得該部分有著快速的打印速度；便完成了1個(gè)廣義切層的打印過程，之后循環(huán)往復(fù)進(jìn)入下1個(gè)的廣義切層的打印過程，直至完成整個(gè)物件的打印，由于打印物件的輪廓部分涉及到外觀及裝配精度問題，而填充部分僅僅是結(jié)構(gòu)支撐的作用，因而能做到了速度與精度的完美結(jié)合，成倍的提高了打印效率。

進(jìn)一步：增加旋轉(zhuǎn)噴口功能，將能抵消由于噴口的曲線平動所引起料絲的幾何扭轉(zhuǎn)變形，該旋轉(zhuǎn)噴口供料組件結(jié)構(gòu)上采取旋轉(zhuǎn)噴口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，液壓的驅(qū)動也是一種選擇，傳動可以是皮帶、齒條及鏈條等方式；旋轉(zhuǎn)噴口主體的自轉(zhuǎn)方向與噴口對其運(yùn)行曲線的瞬時(shí)曲率中心的回轉(zhuǎn)方向相同，按右手法則判斷：掌心對著曲率中心，4指對著運(yùn)行方向，拇指的指向便是轉(zhuǎn)動方向。

輪廓與填充分治的旋轉(zhuǎn)噴口fdm3d擠出機(jī)組件：

包括：1-10根喉管或送料泵體、加熱棒及溫度傳感器部件，至少有1根喉管的端部安裝有旋轉(zhuǎn)噴口，在各自送料電機(jī)或送料泵體的供料下，熔融物料由各自的噴口擠出；較小孔徑或旋轉(zhuǎn)的噴口用于擠較系細(xì)熔絲，鋪設(shè)輪廓區(qū)域，較大的噴口用于鋪設(shè)填充區(qū)域。在打印方法上使用了，輪廓與填充分治的旋轉(zhuǎn)噴口fdm3d打印法。

本發(fā)明的有益效果在于:

可以大大的增加成型速度；由于是在大的層高下完成高精度的打??；同時(shí)噴口的直徑也大，不僅加大了輪廓的成型速度，而填充實(shí)體的速度也能大大的加快，使得整個(gè)的打印速度獲得了很大的整體提高。

[附圖說明]

圖1輪廓與填充分治fdm3d打印法示意圖

圖2旋轉(zhuǎn)噴口的工作原理示意圖

圖3擠出噴口的旋轉(zhuǎn)噴口化改造結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)號說明：

(1)廣義切層

(2)輪廓區(qū)域

(3)物件內(nèi)表面

(4)物件外表面

(5)輪廓區(qū)域

(6)物件填充區(qū)域

(7)載物平臺

(8)噴口體

(9)順時(shí)針方向

(10)料絲

(11)旋轉(zhuǎn)噴口鎖緊姆

(12)旋轉(zhuǎn)噴口主體

(13)喉管

(14)喉管大徑端

(15)噴口主體齒輪部

(16)驅(qū)動齒輪

(17)電機(jī)軸

(18)電機(jī)

(19)擠出機(jī)總成支架

(20)加熱棒

(21)加熱鋁體

(22)逆時(shí)針方向

(23)噴口運(yùn)動方向

(24)噴口運(yùn)動方向

(25)噴口

(26)噴口體

(27)打印物件內(nèi)表面

(28)打印物件外表面

(29)噴口

[實(shí)施例證]

以下結(jié)合附圖就較佳實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示：

在載物平臺(7)上放置著打印物件；輪廓區(qū)域(5)、輪廓區(qū)域(2)的形狀像是城墻，是使用較小的擠出機(jī)噴頭噴口經(jīng)由1-20層的鋪設(shè)而成，城墻的寬度可以是1-50個(gè)鋪設(shè)環(huán)環(huán)繞而成；也就是擠出機(jī)噴頭噴口經(jīng)由1-50個(gè)鋪設(shè)寬度鋪設(shè)而成；然后由噴口直徑較大的擠出機(jī)噴頭噴口來1次性的完成上述1-20層厚度的物件填充區(qū)域(6)的鋪設(shè)；便完成了1個(gè)廣義切層(1)的鋪設(shè)。

由于物件內(nèi)表面(3)、物件外表面(4)的品質(zhì)要求較高，因而采用較小的擠出機(jī)噴頭噴口較為適宜。

如圖2所示：

按右手法則：掌心對著曲率中心，4指對著運(yùn)行方向，拇指的指向便是轉(zhuǎn)動方向。

掌心對著曲率中心，即本圖的下方；4指對著運(yùn)行方向，即對著噴口(25)的運(yùn)動方向噴口運(yùn)動方向(23)；拇指的指向是紙的內(nèi)側(cè)，噴口體(8)的轉(zhuǎn)動方向?yàn)轫槙r(shí)針方向(9)。

同樣；掌心對著曲率中心，即本圖的右下方；4指對著運(yùn)行方向，即對著噴口(29)的運(yùn)動方向噴口運(yùn)動方向(24)；拇指的指向是紙的內(nèi)側(cè)，噴口體(26)的轉(zhuǎn)動方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向(22)。

打印物件的表面分別是：打印物件內(nèi)表面(27)及打印物件外表面(28)。

如圖3所示：

料絲(10)經(jīng)由喉管(13)在被加熱棒(20)加熱的加熱鋁體(21)的加熱下，被熔化后由噴口擠出，物料可以是絲狀的也可以是粉狀的，料的推力可以由送料電機(jī)或泵體產(chǎn)生。

旋轉(zhuǎn)噴口主體(12)被旋轉(zhuǎn)噴口鎖緊姆(11)鎖定在喉管大徑端(14)處，可以通過密封圈來密封，喉管大徑端(14)的環(huán)凸構(gòu)造約束著旋轉(zhuǎn)噴口主體(12)繞著噴口噴射的方向作為軸線來轉(zhuǎn)動；固定在擠出機(jī)總成支架(19)上的電機(jī)(18)經(jīng)電機(jī)軸(17)帶動驅(qū)動齒輪(16)驅(qū)動噴口主體齒輪部(15)，使得噴口獲得轉(zhuǎn)動。

本圖是擠出機(jī)總成的1部分，一般有多個(gè)噴口構(gòu)件，孔徑也不一樣。