三維打印用的支撐裝置以及三維打印方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及三維打印技術領域，特別涉及三維打印用的支撐裝置以及三維打印方法。
【背景技術】
[0002]熔積成型三維打印(FDM)技術是指將打印材料加熱到某一超過材料熔點的溫度之后，材料熔化為粘性半液態。通過噴嘴擠出打印材料，接觸到平臺或者之前打印的材料后降溫凝固，形成一層固體。在程序的控制下，反復這一過程，一層一層堆疊出要求的三維模型的固體結構，是目前應用最廣的三維打印技術。
[0003]FDM的工作原理是將加工成絲狀的熱熔融材料(ABS、PLA、蠟等)經送絲機構送進熱熔噴嘴，在噴嘴內絲狀材料被加熱熔融，同時噴頭沿零件層片輪廓和填充軌跡運動，并將熔融材料擠出，使其在沉積在工作臺上指定的位置后凝固成型，與前一層已成型的材料粘結層層堆積最終形成產品模型。
[0004]根據其工作原理可以將FDM系統分為五個部分:噴頭、送絲機構、運動機構、加熱臺、工作臺。目前，FDM技術已廣泛應用于機械、汽車、航空航天、醫療、藝術和建筑等行業，在產品開發，零件制造方面有著快速、簡便、準確的特點，大大簡化了加工工藝，縮短產品周期，并在一些復雜零件、功能零件的制造方面較傳統制造工藝有著極大的優越性。
[0005]同時，FDM技術還存在著一些局限性，當需要打印的模型中存在懸空部時(模型中的某一部分之下是空的，如橋梁)，熔化材料擠出后無處固著也就無法成形，為了解決該問題，打印機需要先打印足夠的支撐模塊，支撐模塊獨立于需打印的模型，為需打印的模型的懸空部提供固著點。模型打印完成后，懸空部凝固為固體，此時便可將支撐模塊去除。
[0006]支撐模塊必需滿足兩個條件，一是結構穩固，能為需打印的模型的懸空部提供足夠且穩定的支撐力;二是易于去除，不能與需打印的模型粘合太緊，以致模型凝固后無法剝離。但是這種支撐結構耗費時間，浪費絲料，而且去除不便。
[0007]目前可以通過改進材料或是改進打印時的工藝路線來減少支撐結構，例如申請公布號CN 105058798 A的專利文獻公開了一種熔積成型三維打印的支撐模塊及其生成方法。所述支撐模塊用于支撐需三維打印的模型的懸空部。所述支撐模塊包括相互間隔排布的多個支撐單元，以對一個所述懸空部提供多個固著點。該支撐模塊相較于以往的支撐模塊，能夠在保持支撐的性能的同時，更加易于從模型的懸空部去除。
[0008]但是新型材料價格昂貴，而改進工藝會導致程序復雜，使開源引擎不能滿足打印要求。

【發明內容】

[0009]本發明提供了一種三維打印用的支撐裝置，通過可升降的支撐板代替原有的需要打印和分離的支撐模塊，簡化了原有的程序，提高了打印效率，同時解決了絲料浪費的問題。
[0010]一種三維打印用的支撐裝置，包括:
[0011]機架；
[0012]支撐單元，由多塊支撐板拼接組成，布置在三維打印機的三維成型區域的正下方；
[0013]升降單元，安裝在機架上，用于驅動所述支撐板移動到各個所需的支撐位置支撐所要打印的三維模型。
[0014]本發明的支撐裝置在三維打印機的三維成型區域的正下方設置由多塊支撐板拼接組成的支撐單元，并設置升降單元控制所述支撐板移動到各個所需的支撐位置支撐所要打印的三維模型，從而替代現有的打印支撐，結構簡單，使用方便，節省打印材料，簡化打印程序，有效提高打印效率。
[0015]為了便于計算、控制和安裝制造，優選的，所述支撐板為矩形且多塊支撐板矩陣排布。矩陣排布結構簡單，不僅便于制造安裝，同時還更易進行自動控制。
[0016]為了方便使用同時降低控制的計算量，優選的，所述矩陣排布的大小為3?12X3?12。
[0017]為了提高升降單元的控制精度，優選的，所述升降單元包括位于支撐單元正下方的多個對應所述支撐板布置的升降機構，每個升降機構包括:
[0018]旋轉動力源;可以采用便于采購到的直線步進電機。
[0019]第一螺紋傳動件，一端與旋轉動力源的動力輸出端固定連接；
[0020]第二螺紋傳動件，與第一螺紋傳動件螺紋傳動配合；
[0021]升降桿，一端與第二螺紋傳動件的自由端連接，另一端與對應的支撐板背面固定連接；
[0022]導向結構，用于引導升降桿上下運動。
[0023]第一螺紋傳動件和第二螺紋傳動件一般情況下分別為螺桿和螺母，可以根據需要進行互換。
[0024]上述升降機構結構簡單，控制方便。
[0025]為了提高控制精度，提高支撐板的定位精度，優選的，所述支撐裝置還包括限定升降桿水平位置的限位單元，所述限位單元安裝在靠近支撐板的一端。限位單元可以采用軸套結構、夾持結構等。
[0026]優選的，所述限位單元包括:
[0027]上限位板，與機架固定連接，設有多個上避讓孔，每個上避讓孔安裝有與對應升降桿配合的上限位法蘭；
[0028]下限位板，與機架固定連接且與上限位板間隔布置，設有多個下避讓孔，每個下避讓孔安裝有與對應升降桿配合的下限位法蘭。
[0029]上下兩層限位，有效提高限位單元對支撐板的定位效果，提高支撐板的支撐定位的精度。
[0030]為了提高導向的精度和穩定性，優選的，所述導向結構為多個與升降桿對應配合的導向軸承，所述升降桿設有沿軸向延伸且與導向軸承滾動配合的導向切面。通過導向軸承與導向切面配合，限制升降桿轉動，實現升降桿穩定帶動支撐板上下運動，導向軸承可以采用最常見的滾動軸承。
[0031]為了方便制造和安裝，使裝置更緊湊，優選的，所述下限位板的兩側分別安裝有相對布置的軸承壓緊座，兩軸承壓緊座之間安裝有多根水平布置的轉軸，所述導向軸承安裝在對應轉軸上。
[0032]本發明還提供了一種三維打印方法，使用上述的支撐裝置，包括以下步驟:
[0033](I)打印開始前，支撐單元的支撐板均回到初始位置；
[0034](2)計算待打印的三維模型的支撐部位；
[0035](3)根據步驟(2)的計算結果，控制升降單元驅動支撐板移動到各個所需的支撐位置；
[0036](4)打印三維模型。
[0037]本發明的有益效果:
[0038]本發明的支撐裝置可以代替原有的打印支撐，節省了材料，提高了打印效率，同時支撐部分由外部機械進行替代，優化了原有的打印機算法結構，可控性好。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發明的支撐裝置的結構示意圖。
[0040]圖2是本發明中的滾動軸承壓緊升降桿防止轉動的立體結構示意圖。
[0041 ]圖3是本發明中的框架的立體結構示意圖。
[0042]圖4是本發明的升降單元的結構示意圖。
[0043]圖5是圖4的A部分的局部剖視示意圖。
[0044]圖6是圖4的B部分的局部爆炸示意圖。
[0045]圖7是本發明的支撐裝置的立體結構示意圖。
[0046]圖8是本發明的支撐裝置的工作流程圖。
[0047]圖中:1、活動頂塊面板，2、活動頂塊底板，3、升降桿，4、上限位板，5、限位法蘭，6、連接柱，7、軸承壓緊座，8、軸承安裝轉軸，9、滾動軸承，10、下限位板，11、光桿螺母聯軸器，12、電機螺母，13、連接承重板，14、電機安裝座板，15、直線步進電機，16、三維模型。
【具體實施方式】
[0048]如圖1?3所示，本發明的支撐裝置包括活動頂塊面板1、活動頂塊底板2、升降桿3、上限位板4、限位法蘭5、連接柱6、軸承壓緊座7、軸承安裝轉軸8、滾動軸承9、下限位板10、光桿螺母聯軸器11、電機螺母12、連接承重板13、電機安裝座板14和直線步進電機15。
[0049]如圖1所示，作為升降單元的動力源，直線步進電機15通過其端面上的螺孔與電機安裝座板14螺紋固定連接。支撐單元包括多塊拼接成完整打印范圍的支撐板，支撐板由活動頂塊面板I和活動頂塊底板2組成，本實施例中，支撐板按6X6的方陣安裝在框架中，框架包括固定連接的電機安裝座板14、連接承重板13、下限位板11、上限位板以及連接柱6。升降單元的升降桿3與上限位板4和下限位板10的上、下限位孔上安裝的限位法蘭5過渡配合。
[0050]如圖2所示，軸承壓緊座7底面鉆螺孔，位于上限位板4與下限位板10之間，垂直于連接柱6安裝方向上，與下限位板10端面的側邊上的通孔用沉頭螺釘連接。6根軸承安裝轉軸8安裝在兩塊軸承壓緊座7之間，每根軸承安裝轉軸8上套有6個滾動軸承9，滾動軸承9用于壓緊升降桿3的軸向上磨出的平面，防止其軸向轉動。
[0051]如圖3所示，由上限位板4，下限位板10，限位法蘭5，連接柱6，電機安裝座板14，連接承重板13連接構成框架。上限位板4與下限位板10的端面側邊上均開有通孔;連接柱6兩端開階梯軸，可以與通孔配合。連接承重板13側端面上鉆螺孔，電機安裝座板14端面側邊鉆通孔，而連接承重板13與電機安裝座板14和下限位板10分別螺紋連接。上限位板4和下限位板10端面中部的光孔均同軸，每個光孔與限位法蘭5(包括上限位法蘭和下限位法蘭)過渡配合，各限位法蘭5端面用螺紋連接分別固定在上限位板4和下限位板10上。
[0052]如圖4所示，由直線步進電機15，電機螺母12，光桿螺母聯軸器11和升降桿3組成單個升降單元。活動頂塊面板I和活動頂塊底板2組成支撐板安裝在升降桿3的頂部，升降桿3端面鉆通孔后套在直線步進電機15的螺桿上。直線步進電機15的螺桿通過電機螺母12和光桿螺母聯軸器11的連接與升降桿3結合。直線步進電機15側面與活動頂塊面板I側面平行。
[0053]如圖5所示，光桿螺母聯軸器11一頭鉆階梯孔與升降桿3過盈配合，另一端的端面鉆螺孔與電機螺母12螺紋連接。
[0054]如圖6所示，升降桿3頂部與活動頂塊面板I上中間的盲孔間隙配合，活動頂塊底板2中間設有與升降桿3配合的通孔且一側開通槽，旋轉其側面通槽上的緊定螺釘可夾住升降桿3;活動頂塊面板I與活動頂塊底板2螺紋連接，活動頂塊面板I的底面四角上開有盲孔，與活動頂塊底板2的四角上的通孔用螺釘連接。
[0055]帶有本實施例的三維打印機的上位機將命令傳到電機芯片上控制本發明的支撐裝置運動。由于升降桿3軸向無法轉動，在直線步進電機15驅動螺桿轉動下，電機螺母12通過光桿螺母聯軸器11帶著升降桿3穿過限位法蘭5實現升降運動。
[0056]如圖8所示，使用本實施例的支撐裝置進行三維打印的具體的工作流程如下:
[0057]I)打印開始前，所有支撐板均回到零點(初始位置)。
[0058]2)通過CAD設計系統設計的零件三維實體以STL文件形式導入上位機軟件處理。
[0059]3)上位機將STL文件進行分層切片處理，生成加工必須的二維零件層輪廓信息。
[0060]4)為保證打印零件制作的穩定性，上位機計算所需支撐部位距離零點的垂直高度，換算成對應的直線步進電機15的轉角。
[0061]5)上位機將指令傳輸到單片機上，通過單片機驅動相應位置處的直線步進電機15轉動。
[0062]6)電機螺母12在轉動的直線步進電機15的螺桿的帶動下，通過光桿螺母聯軸器11將升降桿3頂起，實現升降運動。
[0063]7)升降桿3的活動帶動支撐板升降。
[0064]8)最終形成零件的輔助支撐結構，如圖7所示，打印機開始打印。
【主權項】
1.一種三維打印用的支撐裝置，其特征在于，包括: 機架； 支撐單元，由多塊支撐板拼接組成，布置在三維打印機的三維成型區域的正下方； 升降單元，安裝在機架上，用于驅動所述支撐板移動到各個所需的支撐位置支撐所要打印的三維模型。2.如權利要求1所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述支撐板為矩形且多塊支撐板矩陣排布。3.如權利要求2所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述矩陣排布的大小為3?12X3 ?12。4.如權利要求1所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述升降單元包括位于支撐單元正下方的多個對應所述支撐板布置的升降機構，每個升降機構包括: 旋轉動力源； 第一螺紋傳動件，一端與旋轉動力源的動力輸出端固定連接； 第二螺紋傳動件，與第一螺紋傳動件螺紋傳動配合； 升降桿，一端與第二螺紋傳動件的自由端連接，另一端與對應的支撐板背面固定連接； 導向結構，用于引導升降桿上下運動。5.如權利要求4所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述支撐裝置還包括限定升降桿水平位置的限位單元，所述限位單元安裝在靠近支撐板的一端。6.如權利要求5所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述限位單元包括: 上限位板，與機架固定連接，設有多個上避讓孔，每個上避讓孔安裝有與對應升降桿配合的上限位法蘭； 下限位板，與機架固定連接且與上限位板間隔布置，設有多個下避讓孔，每個下避讓孔安裝有與對應升降桿配合的下限位法蘭。7.如權利要求6所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述導向結構為多個與升降桿對應配合的導向軸承，所述升降桿設有沿軸向延伸且與導向軸承滾動配合的導向切面。8.如權利要求7所述的三維打印用的支撐裝置，其特征在于，所述下限位板的兩側分別安裝有相對布置的軸承壓緊座，兩軸承壓緊座之間安裝有多根水平布置的轉軸，所述導向軸承安裝在對應轉軸上。9.一種三維打印方法，其特征在于，使用如權利要求1?8任一權利要求所述的支撐裝置，包括以下步驟: (1)打印開始前，支撐單元的支撐板均回到初始位置； (2)計算待打印的三維模型的支撐部位； (3)根據步驟(2)的計算結果，控制升降單元驅動支撐板移動到各個所需的支撐位置； (4)打印三維模型。
【專利摘要】本發明公開了一種三維打印用的支撐裝置，包括：機架；支撐單元，由多塊支撐板拼接組成，布置在三維打印機的三維成型區域的正下方；升降單元，安裝在機架上，用于驅動所述支撐板移動到各個所需的支撐位置支撐所要打印的三維模型；本發明還公開了一種三維打印方法；本發明的裝置和方法可以代替原有的打印支撐，節省了材料，提高了打印效率，同時支撐部分由外部機械進行替代，優化了原有的打印機算法結構，可控性好。
【IPC分類】B33Y30/00, B29C67/00
【公開號】CN105711095
【申請號】CN201610157030
【發明人】沈洪垚, 葉瀟祥, 孫嘉振, 鄒一飛, 朱雨賀
【申請人】浙江大學