[发明专利]轮廓与填充分治的旋转喷口FDM3D打印法及组件

说明书

[技术领域]

本发明属于机械技术领域；确切的讲是使用不同的层高选择打印切片的轮廓与填充部分，并在打印大曲率的轮廓部分时，通过电机使得挤出机喷口轴向旋转的FDM-3D打印成型机及成型方法。

[背景技术]

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而逐层堆积成型方法，简称FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

FDM-3D打印机基本构造与运行原理表述为：

主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(Z轴方向)垂直方向保持静止，由Z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。在一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至成品的完成。或者不使用Z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持Z轴方向静止，使用Z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个滑块的Z轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三维位移寻址的目的。打印头温度较高，根据材料的不同以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的剥离。

其结构细节阐述为：

挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件是挤出机总成，而挤出机总成的构件为：喉管、加热铝体、加热棒及温度传感器等部件，多数采用加热棒对铝块进行加热,将塑料丝经过喉管的入口端挤入，再通过喉管导向，到达铝块加热部位熔化后进入喷口区域，融化后的塑料丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷口挤出，并挤到打印台上，如果为了减少塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，可以使用热床打印台。单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，打印速度更快效率也更高，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚度要求也更高。位于挤出机总成最下端喷头的喷口直径常见有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm的喷口，选定好喷口直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉管，在铝块中融化由喷口喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

目前FDM-3D打印机的驱动挤出机寻址的3维机械系统分为：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。