3D打印去支撑喷咀托垫及工件悬空部位打印流程
专利汇可以提供3D打印去支撑喷咀托垫及工件悬空部位打印流程专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 3D打印去 支撑 喷咀托垫及 工件 悬空部位打印流程，包括喷咀托垫结构，对复杂工件数字模型悬空部位倾 角 大小，方位给以标识，复杂工件上的预留喷咀托垫退出空间及继后打印修复，喷咀托垫打印工件悬空部位操作流程，本发明适用3D打印类型，以及其它。其基本特征是，用喷咀托垫，在欲打印复杂工件内部或外部悬空部位，为喷咀 挤压 、溶融喷出的3D打印材质微滴 凝结 成型提供抗重 力 附着点，以成 型材 质的 应力 支撑打印结构，直到悬空部位无支撑3D打印完成。本发明有望解决或基本解决某些3D打印类型(如FDM，LMPD等)打印复杂工件时遇到的必须加设支撑结构的难题，消除90％的支撑结构，在工业设计、复杂模型制造、功能零部件和成品制造、提高3D打印效率、成品率和降低成本，都能发挥积极作用，在先进制造技术各领域都具有重要意义。，下面是3D打印去支撑喷咀托垫及工件悬空部位打印流程专利的具体信息内容。
1.本发明“3D打印去支撑喷咀托垫及工件悬空部位打印流程”，包括喷咀托垫结构，复杂工件数字模型悬空部位倾角标识，为打印复杂工件悬空部位预留喷咀托垫总成退出空间及继后打印修复，喷咀和喷咀托垫总成打印悬空部位操作流程，本发明适用3D打印类型，以及其它；其基本特征是，用喷咀托垫，在复杂工件内部或外部悬空部位，为喷咀挤压、熔融喷出的3D打印材质微滴凝结成型提供抗重力附着点，以成型材质的应力支撑已打印部分，直到悬空部位无支撑3D打印完成。
2.根据权利要求1所述本发明，所述喷咀托垫结构，其特征是：
喷咀托垫结构分两部分，一部分控制托垫(1)倾斜角度，另一部分控制托垫(1)倾斜方位，由此可提出两种设计方案：A方案和B方案。
A方案：控制托垫倾斜角度的部分和控制托垫倾斜方位的部分，分离布置，示于图1；
B方案：控制托垫倾斜角度的部分和控制托垫倾斜方位的部分，组合成一体，示于图2；
A方案：
其一，控制托垫(1)倾斜角度的部分即喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)和控制托垫(1)倾斜方位的部分(4、8)分离设置，控制托垫(1)倾斜角度的部分即喷咀托垫总成(1、3、6、10、
11)与某些3D打印设备(如FDM，LMPD)通过支架(5、6)及手动或自动垂直升降装置(7)与喷咀(2)连接；控制托垫(1)倾斜方位的部分(4、8)，设置成旋转步进电机(4)控制旋转的打印平台(8)，其旋转角度0≤α≤360°，不留死角；
其二，在用旋转平台(8)控制托垫(1)倾斜方位α时，那么，所有数字模型x-y轴数据，也都需做坐标x-y轴旋转α角度的数据变换才能进行打印；
其三，喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)由线性步进电机(3)和微型直线驱动电器(10)，控制托垫(1)倾斜角度；由旋转步进电机(4)控制托垫(1)的倾斜方位；由3D打印机的Z轴步进电机控制喷咀(2)和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)的垂直升降；此外，由手动或自动垂直升降装置(7)控制喷咀(2)与喷咀托垫(1)的垂直距离；其中，托垫(1)倾斜角度0≤θ≤90°；托垫总成(1、3、6、10、11)的托垫组合体(1、10、11)旋转角度θ′(0≤θ′≤180°)；托垫(1)倾斜方位0＜α＜360°，无死角；喷咀(2)和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)垂直升降值H＞h，h为3D打印加工工件成型高度，且应满足0≤θ′≤180°；
其四，喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)的托垫(1)尺寸，只需略大于喷咀所喷成型材质的液滴凝结直径；或大尺度房屋建筑的3D打印喷咀喷射模板建材液滴的快速凝结直径；
其五，喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)在3D打印工件悬空部位时，托垫(1)始终处于喷咀(2)下方，与喷咀(2)运动轨迹同步同方向；喷咀(2)离托垫(1)垂直距离，由喷咀(2)所喷射成型材质液滴凝结厚度(图2的ω)决定，需大于这个厚度(图3的ω)，托垫(1)的作用是为喷咀(2)喷射的液滴凝结提供抗重力附着点；液滴重量极小，对托垫(1)产生的剪应力可忽略不计；但长程的水平成型线材质(图3的14)对托垫(1、图3的1)产生一定应力；如果这个长程水平成型线材质(图3的14)的重量影响其挠度超过设计值，那么，必须用常规喷咀在适当位置打印支撑结构，以支撑长程水平成型线材质(图3的14)的一半重量；但这比在长程水平成型线材质(图3的14)下方全程打印支撑结构，要减少支撑结构95％以上；
其六，为确保在打印悬空部位时，托垫(1)无论倾斜多大角度θ，0≤θ≤90°，托垫(1)都始终处于喷咀(2)垂直线下方，且与喷咀(2)垂直距离不变；托垫(1)通过连杆(11)，由微型直线驱动电器(10)控制其倾斜角度θ，0≤θ≤90°；线性步进电机(3)控制托垫总成(1、3、6、
10、11)的托垫组合体(1、10、11)旋转角度θ′，0≤θ′≤180°；
其七，确保托垫(1)与喷咀(2)所喷各种液滴不发生粘结现象，为此，①托垫(1)选择能耐各种材质(从金属到塑料)液滴高温的材料如钨、黄金、云母、硅、石棉等制成，托垫与液滴接触平面平整，不与液滴凝结粘连；②可由手动或自动垂直升降装置(7)控制喷咀(2)与托垫(1)的垂直距离；③用风扇或风压管降低托垫(1)温度；④用专门设计的粉末压力喷管，在打印悬空部位时，给托垫(1)喷上一薄层粉末；
其八，托垫(1)厚度d很小；托垫(1)外缘略向反侧倾斜，确保喷咀(2)和托垫(1)在打印下一条同高度悬空线时，不与此前已成型平行线(图3的14)发生触碰影响打印质量；
其九，托垫(1)和托垫组合体(1、10、11)可用微机械机电系统(MEMS)技术进行微型化(毫米级到微米级)制造；
其十，托垫(1)和托垫组合体(1、10、11)易于更换。
3.根据权利要求1所述本发明，所述B方案：
其一，控制托垫(图2的1)倾斜角度的部分(图2的1、3、6、10、11)和控制托垫(图2的1)倾斜方位的部分(图2的4、11)两部分通过支架(图2的6、5)及手动或自动垂直升降装置(图2的
7)与某些3D打印设备(如FDM，LMPD)的喷咀(图2的2)连接；
其二，在托垫(图2的1)倾角度θ和倾斜方位α变动打印时，x-y轴数据无需作α角变换。
其三，方案B的其它内容与方案A相同，此处无需赘述。
4.根据权利要求1所述本发明，所述复杂工件数字模型悬空部位倾角标识，其特征是，数字模型内、外空腔、悬空部位倾角大小、方位(θ、α)给以标识，指令喷咀(2)打印悬空部位时，托垫组合体(1、10、11)的托垫(1)倾角大小、方位(θ、α)及喷咀(2)和托垫总成(1、3、6、
10、11)升降值H，迅速作出调整，作轮廓和填充的曲线扫描和填充打印；不过，为减少θ、α、H值的频频变动，喷咀(2)和托垫总成(1、3、6、10、11)依数字模型的扫描移动，可取依x-y平面合成的固定直线移动方式。
5.根据权利要求1所述本发明，所述复杂工件上的预留喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)退出空间(图3的12)及继后打印修复，其特征是：在为复杂工件建模时，在工件内、外有悬空部位需使用喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)的地方，工件数字模型需预先为喷咀托垫总成(1、3、
6、10、11)的每次退出留下空间(图3的12)，该所留空间(图3的12)在喷咀和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)完成悬空部位(图3的14)打印后，将再用3D打印喷咀(2)喷出液滴打印加以修复，不妨碍后续对复杂工件的打印。
6.根据权利要求1所述本发明，所述喷咀(2)和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)打印悬空部位(图2的12)操作流程，其特征是，
其一，①喷咀(1)和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)进入悬空部位打印，首先步进电机(图
3的3)和微型直线驱动电器(图3的10)控制托垫组合体(图3的1、10、11)旋转θ′角，0≤θ′≤
180°，使托垫(图3的1)转到喷咀(图3的2)垂直线下方；其后，步进电机(图3的3)和微型直线驱动电器(图3的10)控制托垫(图3的1)旋转θ角，0≤θ≤90°，使托垫(图3的1)旋转到所需θ角，0≤θ≤90°，处于喷咀(图3的2)垂直线下方，然后对悬空部位进行打印；②喷咀(图3的2)和喷咀托垫组合体(图3的1、10、11)退出悬空部位，其操作流程与①逆反；
其二，由步进电机(3)完成其一所述①和②的正、反操作流程的各两次托垫组合体(1、
10、11)和托垫总成的(1、3、6、10、11)的间歇运动，可采取多种机械设计方式；本发明为简单说明起见，采取用步进电机(3)和微型直线驱动电器(10)及托垫连杆(11)来完成正、反操作流程的各两次托垫组合体(1、10、11)和托垫总成(1、3、6、10、11)的间歇运动；
其三，打印水平悬空部位时，喷咀(2)和喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)在一条水平悬空成型材质线(图3的14)打印完毕后，进入成型工件预留空间(图3的12)，在预留空间(图3的
12)再打印成型材质一至数滴，然后喷咀(图3的2)停止喷射液滴，喷咀托垫总成(图3的1、3、
6、10、11)在预留空间(图3的12)继续水平移动，直到整个喷咀托垫总成(图3的1、3、6、10、
11)和喷咀(图3的2)能够由Z轴步进电机控制垂直上移，使喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)升高值H＞h且满足0≤θ′≤180°，喷咀托垫总成(图3的1、3、6、10、11)不影响喷咀(图3的2)打印为止；此时，喷咀托垫(图3的1、3、6、10、11)在工件预留空间(图3的12)最后打印的数滴成型液滴凝结后，水平悬空成型材质线(图3的14)将下降一个托垫(1、图3的1)厚度d，落在已成型工件(图3的13)的预留空间上(图3的12)；这个下降高度d可忽略不计，或预先就在数字模型中加以考虑作出补偿；然后，喷咀(图3的2)将该水平成型线(图3的14)的预留空间(图3的12)用喷咀(图3的2)打印填满，不影响整个工件的后续打印。
其四，打印倾角θ悬空部位(0≤θ≤45°)时，其喷咀(2、图3的2)和喷咀托垫总成(1、3、6、
10、11，图3的1、3、6、10、11)打印操作流程与其二、其三相似；
其五，打印倾角为θ，倾斜方位为α的悬空部位时，控制倾角θ的托垫总成(1、3、6、10、11)和控制倾斜方位α的部分(4、8)即旋转步进电机(4)和旋转平台(8)，依前述A方案进行，此处不重复。
7.根据权利要求1所述本发明，所述本发明适用3D打印类型，其特征是：凡通过各种热源将打印材质(细丝或粉末)融化后通过喷咀以液滴形式从喷咀喷出凝结成型的3D打印工艺，如熔融沉积成型(FDM，使用材质ABS，PLA)，激光金属粉末沉积技术(LMPD，使用金属粉末)，电子束自由成形制造(EBF，使用金属粉末)，激光近净成型(LNS，使用金属粉末)，等等，本发明都可参入进行去支撑3D打印；大型房屋建筑的3D打印，也可使用本发明，对悬空部件、部位进行无支撑3D打印加工。
8.根据权利要求1所述本发明，所述其它，其特征是：
其一，如果欲打印复杂工件具有类似倒挂钟乳石这样的悬空部位，那么，可选择将这种复杂工件垂直面旋转180°，将倒挂钟乳石结构变成石笋结构来3D打印，无需采用喷咀托垫；
但是，如果欲打印复杂工件既有类似倒挂钟乳石结构，又有并不与类似钟乳石结构相连接的类似石笋结构，那么，这种复杂工件无论怎么旋转，颠倒，都是用喷咀托垫无法打印加工的，必须采用传统支撑结构；可见，喷咀托垫能在多大程度上消除复杂工件3D打印的支撑结构，取决于具体欲打印复杂工件的倒挂悬空部位(类似钟乳石)和底部凸出部位(类似石笋)是否同时存在，若存在，则用喷咀托垫无法消除支撑结构，必须采用传统3D打印支撑结构；
其二，使用喷咀托垫打印大型建筑横梁(图4的1)、天花板(图4的2)和立柱(图4的7)模板时，横梁(图4的1)和天花板(图4的2)的塑材模板可先打印加强筋(图4的5、6)，再打整个横梁(图4的1)和天花板(图4的2)的模板；立柱(图4的7)下方预留钢筋结构的焊接窗口(图4的9)；在横梁(图4的1)、天花板(图4的2)和立柱(图4的7)的模板(图4的3、4、7)打印好以后，用人工或机器人装预制钢筋结构，然后浇灌混凝土，并用震捣器震实混凝土，完成横梁(图4的1)、天花板(图4的2)、立柱(图4的7)的钢筋混凝土浇灌工序，为更上一层的3D打印提供基础。
3D打印去支撑喷咀托垫及工件悬空部位打印流程
技术领域
背景技术
发明内容
1、3、6、10、11)在预留空间(图3的12)继续水平移动，直到整个喷咀托垫总成(图3的1、3、6、
10、11)和喷咀(图3的2)能够由Z轴步进电机控制垂直上移，使喷咀托垫总成(1、3、6、10、11)升高值H＞h且满足0≤θ′≤180°，喷咀托垫总成(图 3的1、3、6、10、11)不影响喷咀(图3的2)打印为止；此时，喷咀托垫(图3的1、3、 6、10、11)在工件预留空间(图3的12)最后打印的数滴成型液滴凝结后，水平悬空成型材质线(图3的14)将下降一个托垫(1、图3的1)厚度d，落在已成型工件(图3的13) 的预留空间上(图3的12)；这个下降高度d可忽略不计，或预先就在数字模型中加以考虑作出补偿；然后，喷咀(图3的2)将该水平成型线(图3的14)的预留空间(图3的12) 用喷咀(图3的2)打印填满，不影响整个工件的后续打印。
具体实施方式
4、6、10、11)由FDM 3D打印机Z轴步进电机控制垂直上移H，使H＞h，且满足0≤θ′≤180°， h为此时打印的水平悬空成型线材质(图3的14)距旋转打印平台(8，图3的8)高度；其他内容，说明书前文已做详细叙述，此处毋庸赘述。
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