[发明专利]一种自适应送丝3D打印机及其打印方法

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种基于自适应送丝的3D打印机及其打印方法。

背景技术

熔融沉积制造(FDM)是目前使用范围最为广泛的3D打印工艺之一。它的基本工作方式是将丝状材料(主要包括PLA、ABS等工程塑料)通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热融化，喷头后端的送丝电机在一定力矩的作用下，将熔融丝材挤出到预热到一定温度的成型基板上，挤出的材料迅速固化，并与周围材料相互粘结，最终完成零件制造。

目前的熔融沉积3D打印工艺存在以下问题：

⑴FDM工艺通过喷头将材料熔化后，挤出到基板上并逐层叠加以最终获得成型制件。因此，基板的平整度会显著地影响到制件的打印精度。所以，大部分的设备在加工之前需要对基板进行平面度调校，从而保证基板的平整以及与喷头保持固定的工作距离，这一过程需要反复进行方能开始打印，大大降低了成型效率。在某些情况下，受加工精度影响，基板的平面度难以调校，与制件自身的翘曲相互叠加，会造成制件与打印喷头剐蹭，造成打印精度降低，甚至无法形成零件。

⑵在打印过程中，材料从固态变为熔融态，再凝结为固态，在相变的过程中，受到温度的影响，材料会产生一定程度的收缩、翘曲，在大平面结构以及突变结构上表现得尤为明显，如果在打印过程中无法及时调整，会导致零件的精度和质量的严重下降。而且，随着多喷头打印技术的出现，多材料在同一个零件中表征出不同的收缩率。对于送丝的精确控制提出了更高要求，目前的工艺难以满足高精度、高性能要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自适应送丝的3D打印机及其打印方法，在减小基板的平面度误差的同时，提高零件的整体精度。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种自适应送丝的3D打印机，包括二维运动平台2，3D打印头1安装在二维运动平台2上，3D打印头1的下方设有工作平台3，工作平台3和升降装置4连接，料盘7固定在工作平台3后部的打印机外壳5上，塑料丝6缠绕在料盘7上，塑料丝6经过张紧装置8并经由导向管9送入3D打印头1中；

所述的3D打印头1包括动态扭矩传感器12，动态扭矩传感器12的内部安装有传动轴23，传动轴23的一端通过第二联轴器14与打印头步进电机15同轴连接，传动轴23的另一端通过第一联轴器13与导轮轴10同轴连接，送丝导轮20连接在导轮轴10上，在导轮轴10的中间连接有导轮轴固定装置22，送丝导轮20的下方为打印头外壳11，打印头外壳11内部是打印头空腔21，打印头空腔21的端头连接有喷嘴19，塑料丝6经过导向管9穿过打印头空腔21到达喷嘴19，打印头外壳11靠近喷嘴19处连接有加热装置16和温控器17，喷嘴19外设有剪切装置18，打印头外壳11、动态扭矩传感器12和打印头步进电机15固定在保护壳24上。

所述的自适应送丝的3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

1)塑料丝6从料盘7中出发，经过张紧装置8，由导向管9供给3D打印头1，并由喷嘴19挤出并铺在工作平台3上，所述的塑料丝6是PLA或ABS塑料；

2)当进行零件的3D打印工作时，计算机程序控制二维运动平台2与升降装置4，带动3D打印头1在工作平台3上按照当前层模型的截面数据运动；同时，打印头步进电机15带动依靠第二联轴器4同轴连接的动态扭矩传感器12的传动轴23转动，传动轴23带动依靠第一联轴器13同轴连接的导轮轴10与送丝导轮20转动，塑料丝6在送丝导轮20的带动下进入打印头空腔22并运动到喷嘴19处挤出，喷嘴19附近处的加热装置16和温控器17保证塑料丝6始终处于熔融状态；

3)塑料丝6从喷嘴19处被挤出之后在工作平台3上冷却沉积，同时塑料丝6被粘附在了工作平台3上，因此能够随着二维运动平台2的运动而不断从料盘7中被拉扯出；喷嘴19将塑料丝6挤出并铺在工作平台3的过程中，打印头步进电机15的输出扭矩值被动态扭矩传感器12所测得，同时，工作平台3的平面度变化与打印工件的尺寸变化会引起打印头步进电机15的输出扭矩发生变化，动态扭矩传感器12能够检测这一变化；

4)动态扭矩传感器12将打印头步进电机15的输出扭矩以数字信号的形式传入控制计算机，控制计算机对数字信号进行相应的转码和处理并向打印头步进电机15发出相应的控制指令调节打印头步进电机15的转速从而控制塑料丝6经由喷嘴19挤出并铺在工作平台3的送丝进给量，从而减小工作平台3的平面度误差，同时在打印工件的过程中，根据工件尺寸的变化及时调节送丝进给量，提高打印工件的精度；