采用蒸发堆积成型技术的3D盐溶液打印装置及打印方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及3D打印领域，尤其是一种3D液体打印装置及其打印方法。
背景技术
[0002] 3D
打印机是一种采用累积制造技术实现模型快速成形的一种机器，它以数字模型文件为
基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体，
3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层打印出来。
[0003] 3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨
水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质材料多样，3D打印常用的材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、
石膏材料、
铝材料、金属材料、
橡胶类材料。目前的打印技术有：
[0004] 1、“喷墨”技术，即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质
喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理，之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来；
[0005] 2、“熔积成型”技术，整个流程是在喷头内
熔化塑料，然后通过沉积塑料
纤维的方式才形成薄层；
[0006] 3、“激光
烧结”技术，以粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成
指定形状，然后由喷出的液态
粘合剂进行
固化；
[0007] 4、利用
真空中
电子流熔化粉末微粒技术，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供
支撑或用来占据空间，这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。
[0008] 现有与液体3D打印相关的文献资料中，《一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法》(
申请号201611117769.7，公开号CN106626358)，该发明能够使用低
粘度液态物材料，但其所使用的液体材料为水凝胶和液态
硅胶，成本较大且打印模型强度较低，不具有打印材料可复用性。
[0009] 对比现有的几种3D打印技术，其中SLA(光固化技术)系统
精度高，但采用的耗材是液态
树脂，强度低，熔点低，有毒有气味，而且设备运转及维护成本较高；SLS(粉末烧结技术)虽然可以直接制作金属制件，但精细度低且加工过程中会产生有害气体；3DP(3D喷射打印技术)模型制作精细但仅限于采用光敏聚合材料。
发明内容
[0010] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种3D液体打印装置，采用改良自3FDM(熔融沉积技术)的3EDM(蒸发沉积技术)，在继承FDM维护成本低、易于操作的优点外，可以使用盐溶液作为打印材料，成本低，无毒无污染，且制作的模型强度高，硬度大，可用来浇灌金属模型，使用完之后可以溶解再次利用。本发明使得盐饱和溶液成为一种新的具可重复使用、成本低、打印模型硬度高、熔点高等特性的新型3D打印耗材。
[0011] 本发明还提供使用本发明的3D液体打印装置进行打印的方法。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0013] 本发明所述的采用饱和溶液蒸发堆积成型技术的3D盐溶液打印装置包含3D打印装置、恒温加热平台、热
风枪、陶瓷加热圈和
注射器推进
泵。
[0014] 所述3D打印装置由一台采用Delta
框架的3D打印机和打印笔头组成，所述打印笔头整体为锥形笔头结构，打印笔头整体为实体，材质为金属，打印笔头中心打孔置入耐200-300℃高温的特氟龙管，特氟龙管与不锈
钢金属头相连接，
不锈钢金属头外嵌金属
铜，内嵌微孔墨水笔笔尖，微孔墨水笔笔尖作为打印头，一端与打印面
接触，另一端固定在耐高温特氟龙管中，用于输送盐饱和溶液材料；微孔墨水笔笔尖超出锥尖圆台平面0.5cm-1cm；以锥形金属铜的中心孔径方向为垂直线，微孔墨水笔笔尖的横截面外围圆周上均匀分布三个与微孔墨水笔笔尖的垂直
线轴向方向倾斜15°
角的
通风孔，通风孔送出的热风到达微孔墨水笔笔尖，微孔墨水笔笔尖承受不超过300℃的高温，笔尖粗细为0.5-0.6mm时，微孔墨水笔笔尖可自行更换，微孔墨水笔笔尖插进锥形金属铜的中心孔径内的特氟龙管，特氟龙管卡紧在中心孔径内，从而固定了微孔墨水笔笔尖，笔尖的直径范围在0.3mm-0.8mm，通过改变笔尖的直径调整打印的走线宽度和打印模型的精度；
[0015] 所述的恒温加热平台固定于3D打印机打印平台上，替代3D打印机的打印平台，包括加热
台面和温控器；所述温控器与加热台面相连接，能够控制恒温加热平台的台面
温度范围为100℃～300℃，供打印材料蒸发成型；
[0016] 所述的热风枪温度在100℃-480℃，气流量为23L/min，热风枪与打印笔头并排固定，且热风枪与打印笔头均并排垂直于恒温加热平台，在打印笔头上，热风枪的出风口输送热风，随着打印笔头的移动，当3D模型打印至打印模型表面上笔尖打印部位出现气泡时，热风枪吹出热风加快打印的盐溶液水分蒸发，使盐模型固化，即可有效提高盐模型表面的平整度和光滑度；
[0017] 所述的陶瓷加热圈环绕在恒温加热平台的外侧，调节设定恒温加热平台上方被陶瓷加热圈包裹范围高出40mm之内的温度在200℃～300℃，陶瓷加热圈确保恒温加热平台上方高40mm范围内的
环境温度与恒温加热平台的温度差在20℃-30℃范围；
[0018] 所述注射器推进泵，包括推进泵和
控制器，控制器连接推进泵，控制推进泵的推进速度，推进泵的推进速度为0.01mm/min-12.50mm/min，推进泵匀速推进，为打印机提供打印用的盐溶液耗材，注射器推进泵作为供料装置的一部分，将装满饱和食盐溶液的针管安装固定在注射器推进泵上，以硅胶管作连接管，硅胶管的一端连接针管，硅胶管的另一端连接打印笔头的耐高温特氟龙管，以输送盐溶液，打印开始后，设定推进泵的推进速度以使打印笔头出液速度匹配于打印速度。
[0019] 使用本发明所述的采用饱和溶液蒸发堆积成型技术的3D盐溶液打印装置的打印方法具体步骤如下：
[0020] 步骤1：打印平台调平
[0021] 在电脑上启动本发明所述3D打印机的自带驱动程序，开启3D打印机后将3D打印机通过数据线与电脑连接，在电脑设备管理器的端口中检查设备是否连接正常，记录下此时对应的连接设备端口号，若连接正常则打开调平
软件pronterface，设置波特率为25000，选择对应的端口号后点击“Connect”联机控制打印机，连接成功后，“Connect”变为“Disconnect”，软件右侧空白区域显示“Printer is now online”即可开始调平操作：
[0022] 首先在恒温打印平台上放置一张普通的A4打印纸，然后在右下角命令输入框输入G28，点击Send发送至打印机，此时打印机三塔滑车会先后触碰3D打印机的限位
开关后再归位，接下来输入G1Z100，即将打印头移至Z轴高度100mm的
位置，当打印笔头与恒温加热平台的距离到达安全距离10mm，微调高度值，每次下降高度调整在5mm以内，如G1Z5,G1Z3…，若小于安全距离，导致打印头直接下降至接触恒温加热平台，或者直接顶撞恒温加热平台，损坏打印设备；逐步降低3D打印机的Z轴高度，即逐步通过输入命令G1Z100、G1Z50、G1Z10……，调节至打印笔头与已固定的恒温加热平台之间的距离在0.08-0.12mm之间，记录下此时Z的数值，点击“Disconnect”断开连接；
[0023] 打开
固件烧写软件Arduino，
修改固件Configuration.h，在该文件内查找POS 2，设原高度值为Y，新高度值为N，调平后命令G1ZX中的Z轴高度值为X；获得打印头与恒温加热平台的垂直高度定义“#define MANUAL_Z_HOME_POS Y”，若X值为非负，则新高度N＝Y-X，同时修改高度定义为“#define MANUAL_Z_HOME_POS N”；若X值为负，则新高度N＝Y+X，同时修改高度定义为“#define MANUAL_Z_HOME_POS N”，重新烧录进控制
主板，再次降至打印笔头与恒温加热平台的距离为0.08-0.12mm之间，观察在此距离范围内，调平命令中X是否为零，若为零，则表明已调平，不为零，则重复高度参数修改步骤，直至打印笔头与恒温加热平台间距在0.08-0.12mm时调平命令中X等于零；
[0024] 步骤2：打印参数设定
[0025] 利用切片软件Cura或Slic3r载入要打印的3D模型，根据模型尺寸，参数设置如下：打印速度为20mm/s，打印层厚为0.08mm，
喷嘴孔径为0.5mm，其中，若需要壁的走线方式与壁内走线方式一样，均为网格走线，则壁厚设置为0；若需要壁的走线方式为回路走线，则设置壁厚为回路走线的总宽度；若打印实心模型则设置填充
密度为100％，打印空心模型则设置填充密度为0，确定无误后准备开始打印；
[0026] 步骤3：恒温加热平台温度设定
[0027] 准备开始打印阶段，开启恒温加热平台的控制台，按下“Switch”键，环境温度低于25℃时设定恒温加热平台温度为180℃，高于25℃时设定恒温加热平台温度为160℃，按下“Set”键确认，打印开始后，随着打印模型高度上升，当打印笔头的盐线中出现气泡，提高恒温加热平台的温度，每次升温幅度在5℃-10℃之间，最高温度不超过220℃；
[0029] 待恒温加热平台达到设定的初始温度即可开始打印，打印笔头需进行预加热至90℃，预加热结束后，打印机会进行复位，在触碰到限位开关后，打印笔头开始下降，此时开启注射器推进泵的控制板，按下“Switch”键，将初始出料速度设置在0.8mm/min，待模型底层打印过三层后，调节出料速度至0.5mm/min，按下“Save”键，此后打印过程中出料速度在0.5mm/min±0.2mm/min范围；
[0030] 步骤5：热风枪调控
[0031] 开始打印后，开启热风枪，初始风速开至最低，温度调至300℃，当打印模型表面走过的盐线会出现气泡，提高热风枪温度，每次将热风枪的温度提高10℃-20℃，热风枪温度最高至480℃；
[0032] 步骤6：陶瓷加热圈开启
[0033] 开始打印后，开启陶瓷加热圈，在恒温加热平台的台面之上，陶瓷加热圈包裹范围之内保持温度范围在200℃-300℃，开启本打印系统后，打印进入正常工作阶段，打印过程中当打印模型表面出现三个以上的凹点，则将注射器推进泵推进速度提高，速度增量在0.2mm/min-0.4mm/min，待打印2-4层后模型表小于三个凹点，则恢复推进速度为0.5mm/min，在注射器被推至尽头时，重新加入液体材料。
[0034] 步骤6中所述的三个凹点为直径大于0.5mm，深度大于0.4mm的凹点。
[0035] 本发明的有益效果在于由于采用盐饱和溶液材料进行3D打印，且打印模型硬度高、熔点高，可用于制作模具供金属浇灌成型，相较于传统的PLA和ABS打印材料，本发明所用的盐饱和溶液成本低并可重复使用，且在打印过程中不存在有毒微粒的大量挥发从而对人体健康造成伤害的问题，非常环保。
附图说明
[0036] 图1是本发明的盐溶液3D打印机立体结构示意图。
[0037] 图2是本发明所设计的专用液体材料的打印笔头示意图。
[0038] 图3是本发明所采用的注射器推进泵的示意图。
[0039] 图4是本发明所采用的注射器推进泵控制板的示意图。
[0040] 图5是本发明所采用的恒温加热平台的示意图。
[0041] 图6是本发明所采用的恒温加热平台控制台的示意图。
[0042] 图7是本发明所采用的PC计算机示意图。
[0043] 图8是本发明所使用的调平软件pronterface。
[0044] 图9是本发明所使用的切片软件Cura界面。
[0045] 图10是本发明的详细打印参数设置示意图。
[0046] 图11是本发明盐溶液蒸发堆积成型技术的实例打印成品。
[0048] 其中：101-限位开关，102-打印笔头，103-陶瓷加热圈，104-恒温加热平台，105-耐高温特氟龙管，106-通风孔，107-微孔墨水笔笔尖，108-不锈钢金属头，109-针管。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0050] 本发明应用于
消失模铸造技术，由于盐的熔解温度高达800°，本发明使用盐饱和溶液3D打印技术来打印模具，并将其应用于低于此温度的铸造成
型材料，可以大大降低模具开发成本，打印成型后再将盐模具用水溶解化掉，化掉的饱和盐水还可重复使用，此方法即可以大大降低成本，简化工艺；而且又非常环保，并可重复，所以，此方法的研究应用前景非常广阔。
[0051] 本发明所述的采用饱和溶液蒸发堆积成型技术的3D盐溶液打印装置包含3D打印装置、恒温加热平台、热风枪、陶瓷加热圈和注射器推进泵，如图12所示。
[0052] 所述3D打印装置由一台采用Delta框架的3D打印机和打印笔头组成，所述打印笔头整体为锥形笔头结构，打印笔头整体为实体，材质为金属，本发明选材质为铜，有效传导温度，打印笔头中心打孔置入耐200-300℃高温的特氟龙管，特氟龙管与不锈钢金属头相连接，不锈钢金属头外嵌金属铜，内嵌微孔墨水笔笔尖，微孔墨水笔笔尖作为打印头，一端与打印面接触，另一端固定在耐高温特氟龙管中，用于输送盐饱和溶液材料；微孔墨水笔笔尖超出锥尖圆台平面0.5cm-1cm；以锥形金属铜的中心孔径方向为垂直线，微孔墨水笔笔尖的横截面外围圆周上均匀分布三个与微孔墨水笔笔尖的垂直线轴向方向倾斜15°角的通风孔，通风孔送出的热风到达微孔墨水笔笔尖，微孔墨水笔笔尖承受不超过300℃的高温，笔尖粗细为0.5-0.6mm时，微孔墨水笔笔尖可以自行更换，微孔墨水笔笔尖插进锥形金属铜的中心孔径内的特氟龙管，特氟龙管卡紧在中心孔径内，从而固定了微孔墨水笔笔尖，从而改变其孔径大小，笔尖的直径范围在0.3mm-0.8mm，最佳使用直径范围在0.5-0.6mm，即可保证打印盐水出水量合适，通过调节注射器推进泵的泵速来控制打印笔头盐水出料的快慢，从而影响打印模型每层的厚度；同时自行更换微孔墨水笔的笔尖，改变其孔径大小来调整打印时的走线宽度和打印模型的精度；直径越大，精度越低；直径减小，打印模型精度有所提高，但直径太小会被高温损坏，经实验发现0.5-0.6mm最为合适；
[0053] 打印笔头整体剖面结构如图2所示。
[0054] 所述的恒温加热平台固定于3D打印机打印平台上，如图1中的104所示，替代3D打印机的打印平台，其详细结构如图5和图6所示，包括加热台面和温控器；所述温控器与加热台面相连接，能够控制恒温加热平台的台面温度范围为100℃～300℃，供打印材料蒸发成型，恒温加热平台为本发明3D打印时的打印平面，调平并固定恒温加热平台的平面；恒温加热平台温度可调控，适应不同的打印速度，调整程度以开始打印时，恒温加热平台可确保打印笔头打印出的液体快速蒸发烘干成盐线、继而成盐平面；
[0055] 所述的热风枪温度在100℃-480℃，气流量为23L/min,，提供风速可控和温度可调的热风，热风枪与打印笔头并排固定，且热风枪与打印笔头均并排垂直于恒温加热平台，在打印笔头上，热风枪的出风口输送热风，随着打印笔头的移动，当3D模型打印至打印模型表面上笔尖打印部位出现气泡时，此时恒温加热平台的温度不足以传导到盐模型的上层，因此在打印盐模型高度逐渐增加时，辅以热风枪，吹出热风加快打印的盐溶液水分蒸发，使盐模型固化，即可有效提高盐模型表面的平整度和光滑度；
[0056] 所述的陶瓷加热圈环绕在恒温加热平台的外侧，如图1所示103，调节设定恒温加热平台上方被陶瓷加热圈包裹范围高出40mm之内的温度在200℃～300℃，提供一个半封闭的高温打印环境。陶瓷加热圈确保恒温加热平台上方高40mm范围内的环境温度与恒温加热平台的温度差在20℃-30℃范围，由于打印过程中，随着打印出的盐模型高度的不断增加，恒温加热平台的温度不能及时传导到上层或是悬空的盐模型结构层中，陶瓷加热圈可以确保在一定高度范围内的环境温度与底层恒温加热平台温度接近，从而确保打印笔头出液后模型及时固
化成型；
[0057] 所述注射器推进泵，如图3和图4所示，包括推进泵和控制器，控制器连接推进泵，控制推进泵的推进速度，推进泵的推进速度为0.01mm/min-12.50mm/min，推进泵匀速推进，为打印机提供打印用的盐溶液耗材，注射器推进泵作为供料装置的一部分，将装满饱和食盐溶液的针管安装固定在注射器推进泵上，以内径为3mm的硅胶管作连接管，硅胶管的一端连接针管，硅胶管的另一端连接打印笔头的耐高温特氟龙管，以输送盐溶液，打印开始后，设定推进泵的推进速度以使打印笔头出液速度匹配于打印速度，以出液均匀且易干，成型较快为准。
[0058] 使用本发明所述的采用饱和溶液蒸发堆积成型技术的3D盐溶液打印装置的打印方法具体如下：
[0059] 步骤1：打印平台调平
[0060] 在电脑上启动本发明图1所示3D打印机的自带驱动程序，开启3D打印机后将3D打印机通过数据线与图7所示电脑连接，在电脑设备管理器的端口中检查设备是否连接正常，记录下此时对应的连接设备端口号，若连接正常则打开调平软件pronterface，如图8所示，设置波特率为25000，选择对应的端口号后点击“Connect”联机控制打印机，连接成功后，“Connect”变为“Disconnect”，软件右侧空白区域显示“Printer is now online”即可开始调平操作：
[0061] 首先在恒温打印平台上放置一张普通的A4打印纸，然后在右下角命令输入框输入G28，点击Send发送至打印机，此时打印机三塔滑车会先后触碰3D打印机的限位开关后再归位，接下来输入G1Z100，即将打印头移至Z轴高度100mm的位置，当打印笔头与恒温加热平台的距离到达安全距离10mm，微调高度值，每次下降高度调整在5mm以内，如G1Z5,G1Z3…，若小于安全距离，导致打印头直接下降至接触恒温加热平台，或者直接顶撞恒温加热平台，损坏打印设备；逐步降低3D打印机的Z轴高度，即逐步通过输入命令G1Z100、G1Z50、G1Z10……，调节至打印笔头与已固定的恒温加热平台之间的距离在0.08-0.12mm之间，记录下此时Z的数值，点击“Disconnect”断开连接；
[0062] 打开固件烧写软件Arduino，修改固件Configuration.h，在该文件内查找POS 2，设原高度值为Y，新高度值为N，调平后命令G1ZX中的Z轴高度值为X；获得打印头与恒温加热平台的垂直高度定义“#define MANUAL_Z_HOME_POS Y”，若X值为非负，则新高度N＝Y-X，同时修改高度定义为“#define MANUAL_Z_HOME_POS N”；若X值为负，则新高度N＝Y+X，同时修改高度定义为“#define MANUAL_Z_HOME_POSN”，重新烧录进控制主板，再次降至打印笔头与恒温加热平台的距离为0.08-0.12mm之间，观察在此距离范围内，调平命令中X是否为零，若为零，则表明已调平，不为零，则重复高度参数修改步骤，直至打印笔头与恒温加热平台间距在0.08-0.12mm时调平命令中X等于零；
[0063] 步骤2：打印参数设定
[0064] 利用切片软件Cura或Slic3r载入要打印的3D模型，本发明采用Cura软件，如图9所示，根据模型尺寸，参数设置如下：打印速度为20mm/s，打印层厚为0.08mm，喷嘴孔径为0.5mm，如图10所示，其中，若需要壁的走线方式与壁内走线方式一样，均为网格走线，则壁厚设置为0；若需要壁的走线方式为回路走线，则设置壁厚为回路走线的总宽度；若打印实心模型则设置填充密度为100％，打印空心模型则设置填充密度为0，此参数设置时，打印模型精度较高。随打印速度增加，打印模型精度下降；打印速度降低，确定无误后准备开始打印；
[0065] 步骤3：恒温加热平台温度设定
[0066] 准备开始打印阶段，开启图6所示恒温加热平台的控制台，按下“Switch”键，环境温度低于25℃时设定恒温加热平台温度为180℃，高于25℃时设定恒温加热平台温度为160℃，按下“Set”键确认，打印开始后，随着打印模型高度上升，当打印笔头的盐线中出现气泡，提高恒温加热平台的温度，每次升温幅度在5℃-10℃之间，最高温度不超过220℃；
[0067] 这样一方面可以保证打印模型不会出现裂缝，更加坚固；另一方面可以避免初始打印时过高的温度损坏打印笔头。
[0068] 步骤4：注射泵供料速度设定
[0069] 待恒温加热平台达到设定的初始温度即可开始打印，打印笔头需进行预加热至90℃，预加热结束后，打印机会进行复位，在触碰到限位开关后，打印笔头开始下降，此时开启图4所示注射器推进泵的控制板，按下“Switch”键，将初始出料速度设置在0.8mm/min，待模型底层打印过三层后，调节出料速度至0.5mm/min，按下“Save”键，此后打印过程中出料速度在0.5mm/min±0.2mm/min范围；
[0070] 步骤5：热风枪调控
[0071] 开始打印后，开启热风枪，初始风速开至最低，温度调至300℃，当打印模型表面走过的盐线会出现气泡，提高热风枪温度，每次将热风枪的温度提高10℃-20℃，热风枪温度最高至480℃；
[0072] 步骤6：陶瓷加热圈开启
[0073] 开始打印后，开启陶瓷加热圈，在恒温加热平台的台面之上，陶瓷加热圈包裹范围之内保持温度范围在200℃-300℃，开启本打印系统后，打印进入正常工作阶段，打印过程中当打印模型表面出现三个以上的凹点，则将注射器推进泵推进速度提高，速度增量在0.2mm/min-0.4mm/min，待打印2-4层后模型表小于三个凹点，则恢复推进速度为0.5mm/min，在注射器被推至尽头时，重新加入液体材料，打印成品如图11所示。
[0074] 步骤6中所述的三个凹点为直径大于0.5mm，深度大于0.4mm的凹点。
