一种全面积三维成形系统

一种全面积三维成形系统

技术领域

本发明涉及一种全面积打印喷头结构用于三维成形模型的制造系统装置，属于快速成型的微机械三维加工的技术领域。

背景技术

三维成形（RapidPrototypingandManufacturing）技术是20世纪八十年代后期发展起来的一种高新技术。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计和计算机辅助制造集成于一体。根据在计算机上构造的CAD三维模型，按照一定的规律将该模型离散为一系列片层有序的单元，成形系统制作一系列层片并自动将它们连接起来，得到一个三维物理实体。

三维快速成形技术自上世纪80年代后期出现至今，已经出现了几十种工艺。目前应用比较广泛的典型工艺有光固化快速成型技术、分层实体造型技术、熔丝沉积造型技术、选择性激光烧结技术以及三维打印快速成型（3DP）等技术。与这些技术方法相对应的成型设备可以大体分为：基于粉末的激光烧结和粘接设备、基于热熔丝沉积的3D打印成型设备、光固化设备、直接喷墨的三维成型设备等制造装置。

这些三维快速成型的增材制造技术方法与传统的减材制造方法虽然在节能减排，减少环境污染等方面具有优势。但是这些三维快速成型的设备都普遍存在模型制品的成型材料少，制作周期长，成型精度差，制件的强度低等缺点。所制备出来的实际的三维物理模型只是模型的的轮廓，这种模型的成形制件精度和表面质量比较差、制件强度低，其物理性能不能满足功能性或半功能型制件的要求，不能作为功能性制件使用，只能作为模型的模拟示范。

要实现三维快速成形的物理模型制件能够直接用于实际工作机构时，其模型制件的物理、化学性能(强度、刚度、热性、导电性、加工性等)要满足实际功能性使用要求。要在了解模型机构的运行情况和物理、化学特性状态下，通过有限元模拟分析预先判断模型实际应用中的的理化特性和状态，明确模型应用中不同部位和区域的受力、受热等物理化学特性，为实际的三维模型所采用的多种材料混合打印成形，提高模型制件的物理性能，满足制件的功能要求提供依据。

现有的三维快速成型工艺装置在模型单品制备上只能做到使用一种成形材料，不能实现在同一制作模型上多种材料合理搭配。另外，现有成形系统还存在的喷头装置单一，无法自动选择成型材料等缺陷和不足。

发明内容

本发明针对现有快速成形方法和装置中存在的模型制件的成型材料少，制作周期长，成型精度差，制件的强度低等缺点，以及无法自动选择打印成型材料的不足，而提出了一种全面积三维成形系统。这种全面积三维成形系统能够实现在单品模型中多种材料同时制备，任意多种材料都可以自由相邻近相连，且成形时间短，成型精度高。模型单品材料组成多、强度高，满足功能性或半功能性的制件要求。

本发明所公布的这种全面积三维成形系统先要对三维模型进行有限元分析，明确模型受力、受热等理化状态，来确定成型材料的构成。通过本成形系统的自动材料选择组合功能，任意两种打印成型材料都可以自由的相邻组合。

本发明的全面积三维成形系统的结构示意图如图1所示，在本系统采用全面积打印喷头，这种打印喷头上分布有N圈喷孔支架，每一圈的支架可以自由旋转360度；在每一圈的打印喷孔又可以分为N个喷孔单元区域，N从1～16,582,375。每个区域对于一种成形材料，设置其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔。每个区域对于一个像素位置点，每个像素点对应三维模型的一个位置坐标。每个打印喷头区域通过一个供料导管与上面的供料盒相连，供料盒根据打印喷孔区域数量的设定来确定。打印成型材料的选择是根据模型有限元分析后的云图的颜来分配。一种的颜对于一个喷孔单元的位置，一个的喷孔单元连接一种成型材料，当喷头上有N个喷孔区域时就对应有N种打印成型材料相连接。材料的选择是根据上位机的控制命令来实现，通过控制电机驱动圆圈的喷孔支架，自动转动定位，相邻功能区材料的衔接。在打印过程中喷头的喷孔能连续喷出成型材料。根据所打印模型的形状要求，在成型过程中先打印成型支撑结构以实现柔性模具结构，再连续打印出成型切片或模块，打印过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成型，直达全部打印结束。本发明是区别于现有3D打印逐层成型的方法，而是以物理功能来区分切片或模块，利用支撑结构来支撑模型制作成形。数据模型通过本发明的全面积成型装置从下之上连续逐渐堆积成实际的三维物理模型。

本发明的成型装置为全面积三维成形系统的喷头结构，如图2所示。这套快速成形系统是由1～N层圆圈喷头架组成，每一圆圈架上分为1～N个不同单元的喷墨喷孔单元区域，N从1～16,582,375。每个单元对应一种打印成形材料，每圆圈喷头架可以围绕中心360度自由旋转，每个区域对于一种成形材料，并且每个区域对于一个像素位置点。设置其中一个喷孔单元作为支撑材料的出料孔。每个像素点对应三维模型的一个位置坐标。

当打印过程中，任意相邻两圈的两个打印喷孔可以自由组合相邻近接触，这就构成了任意两种材料都可以相邻近相连，支撑材料喷射单元可以自由与成型材料喷射单元相挨着联接，在打印成型的过程中，可以根据模型的结构同时进行多组成材料的模型的切片或单元同时打印成型，也可以根据模型片层的组成区域进行两组或多组相邻不同单元结构的同时打印成型。根据所打印模型的形状要求，在模型成型过程在需要打印支撑结构时，根据支撑结构的成型位置与相邻模型成型结构，先打印成型支撑结构，再连续打印出成型切片或模块，打印过程依据模块材料和结构特性按顺序，从低到高逐渐成型，直达全部打印结束。这种全面积打印成形系统，不仅可以实现多材料的打印成形，而且还做到了不同种类成形材料自由组合相邻近接触组合，在打印成形过程中能做到多区域的成形切片或单元同时打印。

有益效果

本发明具有如下效益：（1）打印效率高；（2）制件模型强度大；(3)制件模型又多种材料构成，满足模型的物理和化学性能；（4）制件模型的实用性强，可以作为最终的产品应用的实际的运行机构；（5）本发明的快速成形方法和设备可以替代部分现有的加工方式。

附图说明

图1所示为N个喷孔单元全面积三维成形打印系统的示意图；

图2所示为N个喷孔单元全面积三维成形打印喷头示意图；

图3所示为八个喷孔单元全面积三维成形系统的实施例示意图；

图4所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头的实施例示意图；

图5所示为八个喷孔单元全面积三维成形喷头的立体实施例示意图；

图6所示为风机叶片经过有限元分析后的应力分布图；

图7所示为分级叶片的经过有限元分析后的应力分布图。

以上示意图包括：第N圈第N个供料盒供料导管1、第N圈第N个打印供料盒2、第N-1圈第N-1个供料盒3、第5圈第5个供料盒4、第4圈第4个供料盒5、第3圈第3个打印供料盒6、第2圈第2个供料盒7、第1圈第1个供料盒8、第1圈旋转电机9、第N圈旋转电机10、全面积打印喷头11、X轴平面支架12、Y轴平面支架13、模型托盘14、升降支架15、圆心轴16、第一圈第一个打印喷孔单元17、第一圈第二个打印喷孔单元18、第二圈第二个打印喷孔单元19、第N-1圈第二个打印喷孔单元20、第N圈第一个打印喷孔单元21、第N圈第N个打印喷孔单元22、第1圈第1个打印单元打印供料盒23、第1圈第2个打印单元打印供料盒24、第1圈第3个打印单元打印供料盒25、第1圈第4个打印单元打印供料盒26、第1圈第5个打印单元打印供料盒27、第1圈第6个打印单元打印供料盒28、第1圈第7个打印单元打印供料盒29、第1圈第8个打印单元打印供料盒30、第2圈第1个打印单元打印供料盒31、第2圈第2个打印单元打印供料盒32、第2圈第3个打印单元打印供料盒33、第2圈第4个打印单元打印供料盒34、第2圈第5个打印单元打印供料盒35、第2圈第6个打印单元打印供料盒36、第2圈第7个打印单元打印供料盒37、第2圈第8个打印单元打印供料盒38、第3圈第1个打印单元打印供料盒39、第3圈第2个打印单元打印供料盒40、第3圈第3个打印单元打印供料盒41、、第3圈第4个打印单元打印供料盒42、第3圈第5个打印单元打印供料盒43、第3圈第6个打印单元打印供料盒44、第3圈第7个打印单元打印供料盒45、第3圈第8个打印单元打印供料盒46、第3圈第4个打印供料盒供料导管47、第3圈第8个打印供料盒供料导管48、打印头支架圈的旋转驱动电机49、打印头支架圈的支架轴50、X轴平面支架51、Y轴平面支架52、全面积打印喷头53、模型托盘54、升降支架55、第1圈第1个打印喷孔单元56、第2圈第1个打印喷孔单元57、第3圈第1个打印喷孔单元58、第1圈第2个打印喷孔单元59、第2圈第2个打印喷孔单元60、第3圈第2个打印喷孔单元61、第1圈第3个打印喷孔单元62、第2圈第3个打印喷孔单元63、第3圈第3个打印喷孔单元64、第1圈第4个打印喷孔单元65、第2圈第4个打印喷孔单元66、第3圈第4个打印喷孔单元67、第1圈第5个打印喷孔单元68、第2圈第5个打印喷孔单元69、第3圈第5个打印喷孔单元70、第1圈第6个打印喷孔单元71、第2圈第6个打印喷孔单元72、第3圈第6个打印喷孔单元73、第1圈第7个打印喷孔单元74、第2圈第7个打印喷孔单元75、第3圈第7个打印喷孔单元76、第1圈第8个打印喷孔单元77、第2圈第8个打印喷孔单元78、第3圈第8个打印喷孔单元79、距离轴线的半径2/3的区域80、叶片上离旋转轴线1/3处81的区域、叶片的边缘周围区域82、叶片的中部区域83。

具体的实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明，但发明的具体三维成型方法和实际制作结构并不限于以下的实施例。

实施例一，本发明实施例所应用打印的成型系统为八个喷孔单元全面积三维成形系统，其结构如图3所示意，立体图如图4所示。八个喷孔的全面积成形系统采用三圈打印头支架，每一圈支架都可以360度自由的转动，在每一圈安置八个打印喷孔单元，共计二十四个打印喷孔单元。根据模型的有限元分析得到八种颜灰度的模型云图，将八种颜渲染的原模型上，并定义一种颜对应一种材料，这样八个打印喷孔单元对已对应八种打印成型材料，其中对应七种打印成形材料，一种打印成形的支撑材料。将八种材料盒按照八种颜，分别为白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红。其中打印成型材料的强度和韧性从纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙直到红逐渐增加。所以在本发明的全面积三维成型系统的实施例中，选取三圈打印喷头支架，在每一圈中安装八中成型材料，分别对应白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红8中颜，其中将白设为打印支撑结构的喷头，设白对应为石蜡材料、纯蓝为灰铸铁材料、青为不锈钢材料、绿为氧化材料、草绿为钴基合金材料、黄为钛及钛合金材料、橙金贵重金属材料、红金刚石材料。

根据有限元分析云图显示，三圈喷头自动组合相邻三种成型材料，选择白、草绿和橙为一组作为打印成形喷头，同时打印成形材料也与颜相对应自动组合。

以风机的三维快速成形的为例，利用本发明的全面积打印成形系统制成的风机风叶可以直接安装在实际的风机使用。

首先是叶片模型的建立，利用Pro/Engineer操作软件的各种特征创建命令，如旋转、拉伸、孔、壳加厚等命令，建立了风机的叶片的几何三维模型，为后续的有限元分析、数值模拟以及三维打印成形提供模型，如图6所示。

将风机的叶片进行有限元分析，实施例所设计的叶片为前向窄圆弧叶片，没有前、后，而是由中间与两端叶片焊接而成，双向吸风。风扇的结构参数为叶轮内径242mm、叶轮外径600mm、叶轮厚度8mm、叶片数为6片、叶片进口安装角68.1°、叶片出口安装角120.3°、叶片厚度6mm、叶片宽度105mm。

先取一种材料如灰铸铁进行有限元分析，其弹性模量150GPa、抗拉强度220MPa、密度7.2kg/m3、泊松比0.25,。对叶轮自由网格划分时选择带中间节点solid92四面体单元，对叶片部分映射网格的单元选择带中间节点六面体单元solid95，每个节点都有x、y、z三个方向的自由度，solid95单元共有20个节点。

对离心风叶轮采用混合网格划分，即将叶轮分割成叶片和中间两部分，分别采用映射网格以及自由网格进行划分，最后形成整个叶轮的混合网格。先对叶片部分进行映射网格划分，选择单元solid95，将单元尺寸设置为6。再对叶轮部分进行自由网格划分，选择solid92单元，采用相同的单元尺寸设置。最后，整个叶轮网格划分后形成的有限元模型，共有77495个单元，200118个节点。叶轮有限元模型加载、求解后，通过ANSYS软件的后处理模块得到的叶轮和叶片的应力分布云图分别见图6、图7。从应力分布云图可以看到在叶片离旋转轴线越远处颜变为蓝，离中间区域青；距离轴线的半径2/3的区域以内颜为青，2/3的区域以外为纯蓝。这表明距离叶片旋转轴线越远处应力越大，离中间越近应力越大，除叶片应力最大处外，叶片中间应力比周围高一些。根据这个分析结果设定在部分设定距离轴线的半径2/3的区域82以内部分采用高结合力的材料如不锈钢材料，而距离轴线的半径2/3的区域82以外采用低结合力的材料如灰铸铁等。在叶片上离旋转轴线1/3处83的区域为低结合力的材料如灰铸铁等，在1/3处83以外的区域设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的边缘周围区域84也设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的中部区域85采用采用低结合力的材料如灰铸铁等材料。

将材料选择构成数据STL文件格式。并将模型保存在文件*.STL副本中，并弹出参数分配设置对话窗口中，来根据实际的加工精度要求设置弦高度和角度等三维打印成型参数。

模型定向，利用离心风机的叶轮模型三维结构，设置为水平放置，成型过程从底部逐层打印开始，在底部同时打印支撑结构，硬化材料第一层切片与工作平台连接。

支撑结构的生成，将离心风机的叶轮模型的摆放的位垂直水平面投影自动生成支撑结构柔性模具，来支撑打印成型离心风机的叶轮模型的位置和稳定，这些柔性支撑结构在模型打印成型完成后能过拆除，不影响模型的整体结构。

模型切片或模块划分，利用切片软件将离心风机的叶轮模型进行分层处理，沿着沿离心风机的叶轮的竖直方向按照层厚进行切片，获得每层截面的轮廓信息，设置分成厚底为200。

模型成型数据的自动修复，利用全面积成型软件系统可以对离心风机的叶轮数据形成的缺陷进行自动寻的补充，并进行修复。

对于离心风机的叶轮模型的面片法线方向反向、面与面的间隙、面丢失、面重合、面交叉、多余面、部件脱离等导致切片轮廓数据的丢失，通过对切片轮廓的不封闭轮廓线的处理，到轮廓断开点，计算各个断点之间的距离，连接距离最近的断开点，并修正各段轮廓线的方向。

在STL模型分成后的轮廓信息文件中，对于其中的一些微小线段，在当前的成型系统的精度要求下，根本无法插补加工，可以作为冗余点去除这些数据。还有剔除重合点和一条直线段的多余点的数据，以减少多余的插补运算。

本发明实施例所应用打印的成型系统为八个喷孔单元全面积三维成型系统，采用三圈打印头支架，每一圈支架都可以360度自由的转动，在每一圈安置八个打印喷孔单元。根据模型的有限元分析得到八种颜灰度的模型云图，将八种颜渲染的原模型上，并定义一种颜对应一种材料，这样八个打印喷孔单元对已对应八种打印成型材料，其中对应七种打印成型材料，一种打印成型的支撑材料。将八种材料盒按照八种颜，分别为白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红。其中打印成型材料的强度和韧性从纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙直到红逐渐增加。所以在本发明的全面积三维成型系统的实施例中，选取三圈打印喷头支架，在每一圈中安装八中成型材料，分别对应白、纯蓝、青、绿、草绿、黄、橙、红八种颜，其中将白设为打印支撑结构的喷头相对应，白对应为石蜡材料、纯蓝为灰铸铁材料、青为不锈钢材料、绿为氧化材料、草绿为钴基合金材料、黄为钛及钛合金材料、橙金贵重金属材料、红金刚石材料。

根据有限元分析云图显示，三圈喷头自动组合相邻三种成型材料，选择白、存蓝和青为一组作为打印成型喷头，分别为石蜡、灰铸铁材料、不锈钢三种打印成型材料。

全面积成型系统的调试是成型的准备工作，将打印喷头设置为测试程序，打印喷头打出各种的材料，与测试试纸相对比匹配。

在每次打印成型过程中都要对打印头进行清洗，以保障打印头的清洁和喷头的畅通。将全面积打印喷头移动到X-Y平面的0点位置进行打印头的清洗。

三维成型的打印过程：利用本发明实施例的八个喷孔单元全面积成型，将风机的叶片成型模式和位置区域成形材料选定后，输入待加工模型，设置模型加工参数，连接快速成形机，先打印成型风机底部的部分，利用系统根据模型结构所确认的模型的支撑结构，选取石蜡为支撑材料，先打印成型支撑结构的石蜡柔性模具，在依据风机叶片的模块结构，连续打印成型风机的底部叶片。

在打印部分，距离轴线的半径2/3的区域80以内部分打印头自动选择高结合力的材料如不锈钢材料，而距离轴线的半径2/3的区域80以外打印头自动选择采用低结合力的材料如灰铸铁，直至模型打印成型。在叶片部分的打印过程中对于叶片受力，叶片上离旋转轴线1/3处81的区域打印头自动选择低结合力的材料如灰铸铁，连续打印成型内部结构。打印完1/3区域后,在叶片的1/3处81以外连续逐层打印的区域设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的边缘周围区域82也设定为高结合力的材料如不锈钢材料等，在叶片的中部区域83采用采用低结合力的材料如灰铸铁等材料。

三维成形的实体风机叶片模型的后处理,将风机叶片模型从工作台上取出零件，去除支撑，清洗，打磨表面到光滑为止，完成风机叶片模型的通过有限元分析后的不同材料的连续立体的三维打印成型过程。