技术领域
[0001] 本
发明涉及特种工程材料增材制造技术领域，具体涉及多材料特种工程塑料增材制造方法及装置。
背景技术
[0002] 特种工程塑料具有阻燃、包覆加工性好(可熔融挤出，而不用
溶剂)、耐剥离性好、耐磨耗性好、优良的
生物相容性及耐辐照性强等特点，在医疗、航空、航天、
船舶、
原子能等领域都有广泛应用。特种工程塑料具有高熔点，耐高温，耐
腐蚀，高强度的特点，激光
烧结特种工程塑料的3D
打印机成本很高，现有桌面级FDM
3D打印机存在
精度低，打印尺寸小等问题。传统FDM打印机大都是采用同种材料打印构件或者打印
支撑结构，主要是对零件悬空部分起到支撑的作用，打印主体部分和支撑部分的收缩率一致，支撑结构无法抵抗打印主体件的
变形，结果只会导致零件的收缩率一致，增大变形；特种工程塑料价格昂贵，一般比PLA和ABS贵几倍，如果打印相同材料作为支撑结构将会大大提高零件成本，不利于生产；相同材料打印支撑结构，只会导致支撑部分与打印主题部分结合更紧密，不利于后期支撑材料的去除。
[0003] 目前，高精密、高强度、大尺寸的三维特种工程塑料打印技术，在增材制造领域有较少的应用，现在所存在的桌面级FDM3D打印主要停留在低精度，小尺寸的领域，由于FDM本身的技术难题，很难将基于FDM原理的打印机精度提高，桌面级打印机大都采用
齿形带(
同步带)传动，由于皮带传动的一些缺点，比如速度
波动，长度增加带来的精度降低，以及磨损等问题，都会带来打印精度的降低。
[0004] 特种工程塑料具有很大的特殊性，一般具有高熔点，耐高温，耐腐蚀，高强度的特点，但是在打印过程中也容易产生很大的变形，使得在目前的市场上很少有针对上述的FDM打印机，除此之外市场上存在有高精度的激光烧结特种工程塑料的打印机，由于价格的制约，在国内又很少的应用。
发明内容
[0005] 本发明提供一种封闭多材料特种工程塑料增材制造方法及装置，以解决目前存在的打印件变形大，支撑材料价格高，打印精度低的问题。
[0006] 本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
[0007] 1)开始打印前，先选择与特种工程塑料性质相近的特种工程塑料做为支撑材料，支撑材料选取材料收缩率比
主体材料收缩率小0.4％—0.7％；
[0008] 2)进行打印机三轴运动平台的热床调平，然后加热保
温室到140℃，再将保温室保温10min后，将保温室内的空气排出；
[0009] 3)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，再切片分层为STL格式文件，针对不同特种工程塑料来选择合适填充率，然后根据材料的不同设置每层的打印厚度为0.02mm—0.2mm、打印速度为30mm/s—50mm/s、支撑结构和打印主体结构的编程源代码结合；
[0010] 4)利用控制
软件加热双喷头，当双喷头加热到特种工程塑料或者特种工程塑料支撑材料所需
温度时，开始送丝，到喷头喷出丝后，停止材料进丝；
[0011] 5)继续加热保温室到特种工程材料的结晶温度，然后利用温度检测装置，检测保温室是否加热到特种工程材料的结晶温度150℃～300℃，该温度可防止特种工程塑料打印件在冷却过程发生
翘曲变形；
[0012] 6)打印第一层特种工程塑料时，需要通过
基板对第一层打印的材料加热，加热温度区间为特种工程材料热变形温度区间，为174℃～300℃；
[0013] 7)当需要打印支撑材料时，加热支撑材料喷头，并将其移动到相应打印
位置，当温度加热到支撑材料所需打印温度的时候，三轴运动平台开始运动，开始进丝，打印支撑部分；
[0014] 8)喷头被加热到特种工程塑料打印所需温度后，根据喷头加热情况，喷头温度一旦超过所需温度，开启
散热风扇，同时开启油冷系统，停止加热喷头，直到温度低于特种工程塑料打印所需温度时关闭油冷系统，然后再对喷头进行加热，随后三轴运动平台在控制卡的作用下沿着预定轨迹的运动，特种工程塑料材料开始融化挤出，开始第一层的打印工作并预留好支撑材料的打印位置，打印完成以后，对喷头进行油冷，维保持喷头在一定温度下等待下次工作；
[0015] 9)然后驱动
电机带动高精密
丝杠运动，带动Z轴平台下降一个打印层厚，层厚为0.02mm—0.2mm，开始下一层的打印，相对应的打印材料和支撑材料的收缩率差值为
0.4％—0.7％和填充率为13％—20％；
[0016] 10)重复步骤7)，8)，9)，完成零件的打印，并去除支撑材料。
[0017] 本发明所述特种工程塑料包括聚醚醚
酮(PEEK)、
碳纤维增强聚醚醚酮、玻纤聚醚醚酮、
石墨烯改性聚醚醚酮、聚醚枫(PES)，其中聚醚醚酮类特种工程塑料对应的支撑材料为：聚苯硫醚(PPS)，聚醚枫(PES)对应的支撑材料为：特氟龙(PTFE)。
[0018] 本发明支撑材料选取材料收缩率比主体材料收缩率小0.5％。
[0019] 本发明封闭多材料特种工程塑料增材制造装置，三轴运动平台组件安装在保温室组件的内部，特种工程塑料供丝卷组件安装在保温室组件的后面板上，喷头组件安装在保温室组件内部的顶部。
[0020] 本发明所述保温室组件的结构是：打印机
基座通过固定
块和密封板与高
硼硅类玻璃相连，内置
云母加热片内置在合成石板里面，单向放气
阀安装在高硼硅类玻璃组成的
箱体顶板上，高硼硅类玻璃组成的箱体顶板上开有两个穿出孔，保温室封闭
门通过旋
转轴与高硼硅类玻璃组成的箱体顶板相连，封闭门上安装有
门把手。
[0021] 本发明所述特种工程塑料供丝卷组件的结构是：打印材料卷和支撑材料卷安装在保温室组件的后面板上，丝状支撑材料和丝状打印材料分别通过支撑材料
导丝管和打印材料导丝管进入保温室组件内连接在喷头组件上。
[0022] 本发明所述的三轴运动平台组件的结构是：Z轴平台通过高精密丝杠一和导柱一与
伺服电机一相连，热床通过基板
水平调节螺钉与安装
底板相连，热床通
过热床电线与电源相连，安装底板通过安装螺钉与丝杠
螺母块相连，伺服电机三通过
联轴器与高精密丝杠三相连，高精密丝杠三和导柱二与丝杠螺母块相配合，伺服电机三通过伺服电机三安装座与
导轨滑块相连，导轨滑块与
直线导轨滑动连接，导轨滑块通过连接板与螺母块相连，伺服电机二通过高精密丝杠二与螺母块相连，伺服电机二通过伺服电机二安装座安装在Z轴平台上。
[0023] 本发明所述的喷头组件装置的结构是：光轴安装在喷头安装座上，喷头安装座安装在保温室内板上，喷头固定架上的光轴安装孔通过光轴安装在喷头安装座上，两个进料步进电机通过电机
固定板安装在一起，两个进料步进电机通过连接螺钉二和电机安装座固定在喷头固定架的封闭室底板上，封闭室底板通过连接螺钉一安装在喷头固定架上，
散热片和散热扇安装在进料步进电机的头部，电线穿出喷头固定架和电机固定板进入绝缘电线管道，绝热电线管道安装喷头固定架顶板上，进油管道一进入加热块同时回油管道一离开加热块，组成冷却回路，同理进油管道二进入加热块同时回油管道二离开加热块，220V加热棒一和220V加热棒二都连接在加热块上，温度检测块安装在加热块上，材料丝通过喉管进入加热块，加热块一端通过
螺纹连接有喉管，另外一端通过
螺纹连接有主喷头或者辅喷头，丝状材料在进丝滚轮的作用下，经过喉管到达
喷嘴处，材料丝经
过喷嘴喷出；
隔热材料板镶嵌在喷头固定架的四周，散热
通风管道安装在喷头固定架顶板上，丝状支撑材料和丝状打印材料进丝管道安装在喷头固定架顶板上。
[0024] 本发明的优点是：
[0025] 本发明采用不同收缩率的材料打印主题部分和支撑部分，通过对支撑结构采用小收缩率材料增大对主体零件的支撑强度，形成构件的不规则收缩，增大变形的能
力，增强打印件抵抗变形的能力，在打印的过程中将主体材料的收缩变形降低到0.35％。降低成本，易于后期去除支撑材料。
[0026] 本发明全部采用了高精密丝杠，避免了齿形带在打印尺寸的方面限制，可以打印最大成型件尺寸为600mm×550mm×600mm，此外还采用了结晶保温室，在打印高温特种工程塑料的过程中一般都会存在一个重要的问题，那就是成型件的变形，尤其是对于加支撑材料的成型件，变形更是无法控制，因为在打印成型件的过程中一般都是由一个喷头完成打印过程，包括支撑材料的打印都是同种材料，材料的收缩率一致，无法达到成型件的机械性能要求，本装置采用保温室，支持断电继续打印不会出现分层问题，保证打印的成型件在结晶温度内，结晶度高，并且可以避免由于材料的迅速冷却导致的弯曲变形。
[0027] 本发明装置采用了双喷头和油冷系统，由于水冷系统的低沸点原因，很容易在管道里面产生水蒸气，导致后面的液态
冷却水无法到达加热块处进行冷却，有时水蒸气的累积也会导致管道的爆裂，所以本发明方法采用油冷却系统，油
沸腾不会产生
蒸汽，所以可以很好应用于冷却，油冷装置的加入，可以防止温度升高的过高或过快，进而保证主喷头和辅喷头的加热精度，避免了特种工程塑料材料温度过高导致的焦糊或者融化的丝材
粘度变低导致喷丝不均匀现象的发生。
[0028] 本发明结构新颖，使用灵活方便，便于操作，解决了现存激光烧结三维成型技术的装置复杂，制造成本高，设备昂贵的弊端，可以实现低成本、高精度、高强度、小变形、高表面
质量，高效率的FDM式增材制造，打印精度可以达到0.06mm，打印层厚达到0.02mm，解决了传统特种工程塑料
铸造或
机械加工难以实现三维复杂零部件的加工的问题，解决了FDM式3D打印特种工程材料表面质量差，难以在医疗领域应用的难题；具有很大的打印材料范围和打印温度范围，在未来很有可能会成为大型桌面级FDM打印机的取代品。
附图说明
[0029] 图1是本发明的结构示意图；
[0030] 图2是本发明特种工程塑料供丝卷组件的结构示意图；
[0031] 图3是本发明保温室组件的结构示意图；
[0032] 图4a是本发明三轴运动平台组件的结构示意图；
[0033] 图4b是本发明三轴运动平台组件的爆炸图；
[0034] 图4c是本发明三轴运动平台组件的仰视图；
[0035] 图5a是本发明喷头组件的结构示意图；
[0036] 图5b是本发明喷头组件的喷头部分内部结构示意图；
[0037] 图5c是本发明喷头组件去掉隔热材料板的结构示意图；
[0038] 图5d是本发明喷头组件的轴测图；
[0039] 图5e是本发明喷头进丝与冷却原理图；
[0040] 图中：1保温室组件；2三轴运动平台组件；3特种工程塑料供丝卷组件；4喷头组件；301打印材料卷；302支撑材料卷；303支撑材料导丝管；304打印材料导丝管；101打印机基座；102内置云母加热片；103固定板；104封闭板；105高硼硅类玻璃；106单向放气阀；107穿出孔；108保温室封闭门；109门把手；110合成石板；201伺服电机二；202导柱一；203高精密丝杠一；204伺服电机三；205Z轴平台；206导轨滑块；207直线导轨；208伺服电机一；209伺服电机二安装座；210高精密丝杠二；211高精密丝杠三；212热床；213安装底板；214热床电线；
215基板水平调节螺钉；216安装螺钉；217丝杠螺母块；218伺服电机三安装座；219导柱二；
220螺母块；221连接板；401喷头安装座；402光轴；403隔热材料板；404连接螺钉一；405封闭室底板；406喷头固定架；407光轴安装孔；408连接螺钉二；409辅喷头；410 220V加热棒一；
411进油管道一；412回油管道一；413散热风扇；414散热片；415电线；416电机固定板；417进料步进电机；418进油管道二；419回油管道二；420加热块；421主喷头；422 220V加热棒二；
423温度检测块；424散热通风管道；425丝状支撑材料和丝状打印材料进丝管道；426绝热电线管道；427电机安装座；428进丝滚轮；429喉管；430喷嘴。
具体实施方式
[0041] 包括下列步骤：
[0042] 1)开始打印前，先选择与特种工程塑料性质相近的特种工程塑料做为支撑材料，支撑材料选取材料收缩率比主体材料收缩率小0.4％—0.7％；
[0043] 2)进行打印机三轴运动平台的热床调平，然后加热保温室到140℃，再将保温室保温10min后，将保温室内的空气排出；
[0044] 3)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，再切片分层为STL格式文件，针对不同特种工程塑料来选择合适填充率，然后根据材料的不同设置每层的打印厚度为0.02mm—0.2mm、打印速度为30mm/s—50mm/s、支撑结构和打印主体结构的编程源代码结合；
[0045] 4)利用控制软件加热双喷头，当双喷头加热到特种工程塑料或者特种工程塑料支撑材料所需温度时，开始送丝，到喷头喷出丝后，停止材料进丝；
[0046] 5)继续加热保温室到特种工程材料的结晶温度，然后利用温度检测装置，检测保温室是否加热到特种工程材料的结晶温度150℃～300℃，该温度可防止特种工程塑料打印件在冷却过程发生翘曲变形；
[0047] 6)打印第一层特种工程塑料时，需要通过基板对第一层打印的材料加热，加热温度区间为特种工程材料热变形温度区间，为174℃～300℃；
[0048] 7)当需要打印支撑材料时，加热支撑材料喷头，并将其移动到相应打印位置，当温度加热到支撑材料所需打印温度的时候，三轴运动平台开始运动，开始进丝，打印支撑部分；
[0049] 8)喷头被加热到特种工程塑料打印所需温度后，根据喷头加热情况，喷头温度一旦超过所需温度，开启散热风扇，同时开启油冷系统，停止加热喷头，直到温度低于特种工程塑料打印所需温度时关闭油冷系统，然后再对喷头进行加热，随后三轴运动平台在控制卡的作用下沿着预定轨迹的运动，特种工程塑料材料开始融化挤出，开始第一层的打印工作并预留好支撑材料的打印位置，打印完成以后，对喷头进行油冷，维保持喷头在一定温度下等待下次工作；
[0050] 9)然后
驱动电机带动高精密丝杠运动，带动Z轴平台下降一个打印层厚，层厚为0.02mm—0.2mm，开始下一层的打印，相对应的打印材料和支撑材料的收缩率差值为
0.4％—0.7％和填充率为13％—20％；
[0051] 10)重复步骤7)，8)，9)，完成零件的打印，并去除支撑材料。
[0052] 本发明所述特种工程塑料包括聚醚醚酮(PEEK)、
碳纤维增强聚醚醚酮、玻纤聚醚醚酮、
石墨烯改性聚醚醚酮、聚醚枫(PES)，其中聚醚醚酮类特种工程塑料对应的支撑材料为：聚苯硫醚(PPS)，聚醚枫(PES)对应的支撑材料为：特氟龙(PTFE)。
[0053] 本发明支撑材料选取材料收缩率比主体材料收缩率小0.5％。
[0054] 本发明封闭多材料特种工程塑料增材制造装置，三轴运动平台组件2安装在保温室组件1的内部，特种工程塑料供丝卷组件3安装在保温室组件1的后面板上，喷头组件4安装在保温室组件1内部的顶部。
[0055] 本发明所述保温室组件1的结构是：打印机基座101通过固定块103和密封板104与高硼硅类玻璃105相连，内置云母加热片102内置在合成石板110里面，单向放气阀106安装在高硼硅类玻璃105组成的箱体顶板上，高硼硅类玻璃105组成的箱体顶板上开有两个穿出孔107，保温室封闭门108通过
旋转轴与高硼硅类玻璃105组成的箱体顶板相连，封闭门上安装有门把手109。
[0056] 本发明所述特种工程塑料供丝卷组件3的结构是：打印材料卷301和支撑材料卷302安装在保温室组件1的后面板上，丝状支撑材料和丝状打印材料分别通过支撑材料导丝管303和打印材料导丝管304进入保温室组件内连接在喷头组件上。
[0057] 本发明所述的三轴运动平台组件2的结构是：Z轴平台205通过高精密丝杠一203和导柱一202与伺服电机一208相连，热床212通过基板水平调节螺钉215与安装底板213相连，热床212通过214与电源相连，安装底板213通过安装螺钉216与丝杠螺母块217相连，伺服电机三204通过联轴器与高精密丝杠三211相连，高精密丝杠211和导柱二219与丝杠螺母块217相配合，伺服电机三204通过伺服电机三安装座218与导轨滑块206相连，导轨滑块206与直线导轨207滑动连接，导轨滑块206通过连接板221与螺母块220相连，伺服电机二201通过高精密丝杠二210与螺母块220相连，伺服电机二201通过伺服电机二安装座209安装在Z轴平台205上。
[0058] 本发明所述喷头组件装置4的结构是：光轴402安装在喷头安装座401上，喷头安装座401安装在保温室内板上，喷头固定架406上的光轴安装孔407通过光轴402安装在喷头安装座401上，两个进料步进电机417通过电机固定板416安装在一起，两个进料步进电机417通过连接螺钉二408和电机安装座427固定在喷头固定架406的封闭室底板405上，封闭室底板405通过连接螺钉一404安装在喷头固定架406上，散热片414和散热扇413安装在进料步进电机417的头部，电线415穿出喷头固定架406和电机固定板416进入绝缘电线管道426，绝热电线管道426安装喷头固定架406顶板上，进油管道一411进入加热块420同时回油管道一412离开加热块，组成冷却回路，同理进油管道二418进入加热块420同时回油管道二419离开加热块，220V加热棒一410和220V加热棒二422都连接在加热块420上，温度检测块423安装在加热块420上，材料丝通过喉管429进入加热块420，加热块一端通过螺纹连接有喉管，另外一端通过螺纹连接有主喷头421或者辅喷头409，丝状材料在进丝滚轮428的作用下，经过喉管429到达喷嘴430处，材料丝经过喷嘴430喷出；隔热材料板403镶嵌在喷头固定架406的四周，散热通风管道424安装在喷头固定架406顶板上，丝状支撑材料和丝状打印材料进丝管道425安装在喷头固定架406顶板上。
[0059] 下面结合装置进一步说明本发明的方法。
[0060] 1)开始前打印，先选择性质相近的特种工程塑料作为支撑材料，除非打印的主体
工件对变形要求不高，支撑材料一般会选取材料收缩率比主体材料小0.4—0.7％，经试验0.5％最好，最终可以形成材料的不规则收缩，增强打印件的抵抗变形的能力，在打印的过程中将由于主体材料的收缩变形降低到0.35％；主体材料选择聚醚醚酮(PEEK)对应支撑材料选择聚苯硫醚(PPS)；
[0061] 2)首先利用基板水平调节螺钉215对打印机三轴运动平台中的热床212进行调平，然后加热两个喷头和保温室，同时开启220V加热棒二422和220V加热棒一410的电源，开启保温室内置云母加热片102的电源，通过合成石板110对保温室进行热传导和保温作用，此时为了将保温室内的空气排除干净，需要先将保温室加热并保温一段时间以后，通过单向放气阀106将保温室内的空气排出，防止内部空气被加热过程中保温室压力增大和水珠产生等问题的出现，导致特种工工程塑料在打印的过程中出现的层与层之间无法粘结和变形增大的问题；
[0062] 3)获取零件的三维模型，并将三维零件分成若干二维层面，再切片分层为STL格式文件，计算出每一层零件的厚度及形状，然后将零件所有二维层面形状、以及对应的厚度和填充率输入到开源软件中，要针对不同材料来选择较低的并且合适的填充率降低打印过程中的变形，然后在软件中设置每层的打印厚度、打印速度、支撑结构和打印主体结构编程源代码的结合，最后将总代码导入到PMAC运动控制卡中，由PMAC运动控制卡控制两个步进电机的进料和运动动作；
[0063] 4)利用控制软件加热双喷头，主喷头421被加热到特种工程塑料所需温度时，开始自动送丝，到喷头喷出丝后，停止特种工程塑料进丝；同理，将辅喷头409加热到特种工程塑料支撑材料所需温度时，开始自动进丝，到辅喷头409喷出丝后，停止耐高温支撑材料进丝，如果支撑材料达不到所需要求，可采用低于熔点温度的热空气处理特种工程材料的方法，使其发生
氧化交联和淬火，可以提高其结晶度，使其抵抗变形的温度和能力都会得到提高，作为理想支撑材料；
[0064] 5)继续加热保温室到特种工程材料的结晶温度，然后利用温度检测装置，检测保温室是否加热到特种工程材料的结晶温度150℃～300℃，该温度可防止特种工程塑料打印件在冷却过程发生翘曲变形；
[0065] 6)打印第一层特种工程塑料时，需要通过热床212对第一层打印的材料加热，加热温度区间为特种工程材料热变形温度区间，为174℃～300℃；
[0066] 7)打印件需要支撑时，PMAC会执行支撑结构的代码，移动辅喷头409到相应位置，同时对主喷头421进行油冷，维持在一定温度下，下次使用时可以快速加热到所需温度，期间会一直进行220V加热棒二422的加热，然后利用220V加热棒一410对辅喷头409进行加热，当温度加热到特种工程塑料支撑材料所需温度的时候，温度检测器检测到
信号以后，将
电信号传递给labview上位机软件，同时上位机软件开始继续逐行导入代码，运行旋转缓冲区中的代码，三个伺服电机开始运动并且另外两个进料步进电机417开始进丝，打印支撑部分，主要采用耐高温特种工程塑料，重复上述两个步骤；
[0067] 8)主喷头421利用220V加热棒二422加热到特种工程塑料熔点温度，根据主喷头421的加热情况，主喷头421的温度一旦超过特种工程塑料所需温度时，上位机软件自动开启散热风扇413，将加热棒产生的内部热气和通过热传导进入喷头隔热室内的热气通过散热通风管道424排出去，然后散热通风管道424经过穿出孔107，到达外部，达到散热目的，并开启油冷进油管道二418和回油管道二419，同时停止220V加热棒二422加热，到温度低于特种工程塑料所需温度时，才会关闭油冷进油管道二418，然后再进行220V加热棒二422对喷头的加热，随后对三轴平台的三个伺服电机进行使能，电机
锁死，PMAC旋转缓冲区打开，将开源软件生成的大程序G-code逐行导入到PMAC运动控制卡中，主喷头421被加热到特种工程塑料所需温度左右时，特种工程塑料材料丝开始融化挤出，这时上位机软件开始将打开的PMAC旋转缓冲区运行起来，然后四个电机开始在代码的指导下旋转运动，利用高精密丝杠二210、高精密丝杠三211和高精密丝杠一203带动XYZ轴直线运动，开始第一层的打印工作并预留好支撑材料的打印位置；
[0068] 9)上位机软件将代码导入到PMAC中，然后驱动高精度伺服电机一208带动高精密丝杠一203做旋转运动，带动Z轴平台205下降一个打印层厚，层厚是根据打印材料和支撑材料的收缩率差和填充率决定，开始下一层的打印。
[0069] 10)重复步骤上述三个步骤7)，8)，9)，完成零件的打印，并去除支撑材料。
