三维打印用的支撑装置以及三维打印方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维打印技术领域，特别涉及三维打印用的支撑装置以及三维打印方法。
【背景技术】
[0002]熔积成型三维打印(FDM)技术是指将打印材料加热到某一超过材料熔点的温度之后，材料熔化为粘性半液态。通过喷嘴挤出打印材料，接触到平台或者之前打印的材料后降温凝固，形成一层固体。在程序的控制下，反复这一过程，一层一层堆叠出要求的三维模型的固体结构，是目前应用最广的三维打印技术。
[0003]FDM的工作原理是将加工成丝状的热熔融材料(ABS、PLA、蜡等)经送丝机构送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融材料挤出，使其在沉积在工作台上指定的位置后凝固成型，与前一层已成型的材料粘结层层堆积最终形成产品模型。
[0004]根据其工作原理可以将FDM系统分为五个部分:喷头、送丝机构、运动机构、加热台、工作台。目前，FDM技术已广泛应用于机械、汽车、航空航天、医疗、艺术和建筑等行业，在产品开发，零件制造方面有着快速、简便、准确的特点，大大简化了加工工艺，缩短产品周期，并在一些复杂零件、功能零件的制造方面较传统制造工艺有着极大的优越性。
[0005]同时，FDM技术还存在着一些局限性，当需要打印的模型中存在悬空部时(模型中的某一部分之下是空的，如桥梁)，熔化材料挤出后无处固着也就无法成形，为了解决该问题，打印机需要先打印足够的支撑模块，支撑模块独立于需打印的模型，为需打印的模型的悬空部提供固着点。模型打印完成后，悬空部凝固为固体，此时便可将支撑模块去除。
[0006]支撑模块必需满足两个条件，一是结构稳固，能为需打印的模型的悬空部提供足够且稳定的支撑力;二是易于去除，不能与需打印的模型粘合太紧，以致模型凝固后无法剥离。但是这种支撑结构耗费时间，浪费丝料，而且去除不便。
[0007]目前可以通过改进材料或是改进打印时的工艺路线来减少支撑结构，例如申请公布号CN 105058798 A的专利文献公开了一种熔积成型三维打印的支撑模块及其生成方法。所述支撑模块用于支撑需三维打印的模型的悬空部。所述支撑模块包括相互间隔排布的多个支撑单元，以对一个所述悬空部提供多个固着点。该支撑模块相较于以往的支撑模块，能够在保持支撑的性能的同时，更加易于从模型的悬空部去除。
[0008]但是新型材料价格昂贵，而改进工艺会导致程序复杂，使开源引擎不能满足打印要求。
【发明内容】
[0009]本发明提供了一种三维打印用的支撑装置，通过可升降的支撑板代替原有的需要打印和分离的支撑模块，简化了原有的程序，提高了打印效率，同时解决了丝料浪费的问题。
[0010]一种三维打印用的支撑装置，包括:
[0011]机架；
[0012]支撑单元，由多块支撑板拼接组成，布置在三维打印机的三维成型区域的正下方；
[0013]升降单元，安装在机架上，用于驱动所述支撑板移动到各个所需的支撑位置支撑所要打印的三维模型。
[0014]本发明的支撑装置在三维打印机的三维成型区域的正下方设置由多块支撑板拼接组成的支撑单元，并设置升降单元控制所述支撑板移动到各个所需的支撑位置支撑所要打印的三维模型，从而替代现有的打印支撑，结构简单，使用方便，节省打印材料，简化打印程序，有效提高打印效率。
[0015]为了便于计算、控制和安装制造，优选的，所述支撑板为矩形且多块支撑板矩阵排布。矩阵排布结构简单，不仅便于制造安装，同时还更易进行自动控制。
[0016]为了方便使用同时降低控制的计算量，优选的，所述矩阵排布的大小为3?12X3?12。
[0017]为了提高升降单元的控制精度，优选的，所述升降单元包括位于支撑单元正下方的多个对应所述支撑板布置的升降机构，每个升降机构包括:
[0018]旋转动力源;可以采用便于采购到的直线步进电机。
[0019]第一螺纹传动件，一端与旋转动力源的动力输出端固定连接；
[0020]第二螺纹传动件，与第一螺纹传动件螺纹传动配合；
[0021]升降杆，一端与第二螺纹传动件的自由端连接，另一端与对应的支撑板背面固定连接；
[0022]导向结构，用于引导升降杆上下运动。
[0023]第一螺纹传动件和第二螺纹传动件一般情况下分别为螺杆和螺母，可以根据需要进行互换。
[0024]上述升降机构结构简单，控制方便。
[0025]为了提高控制精度，提高支撑板的定位精度，优选的，所述支撑装置还包括限定升降杆水平位置的限位单元，所述限位单元安装在靠近支撑板的一端。限位单元可以采用轴套结构、夹持结构等。
[0026]优选的，所述限位单元包括:
[0027]上限位板，与机架固定连接，设有多个上避让孔，每个上避让孔安装有与对应升降杆配合的上限位法兰；
[0028]下限位板，与机架固定连接且与上限位板间隔布置，设有多个下避让孔，每个下避让孔安装有与对应升降杆配合的下限位法兰。
[0029]上下两层限位，有效提高限位单元对支撑板的定位效果，提高支撑板的支撑定位的精度。
[0030]为了提高导向的精度和稳定性，优选的，所述导向结构为多个与升降杆对应配合的导向轴承，所述升降杆设有沿轴向延伸且与导向轴承滚动配合的导向切面。通过导向轴承与导向切面配合，限制升降杆转动，实现升降杆稳定带动支撑板上下运动，导向轴承可以采用最常见的滚动轴承。
[0031]为了方便制造和安装，使装置更紧凑，优选的，所述下限位板的两侧分别安装有相对布置的轴承压紧座，两轴承压紧座之间安装有多根水平布置的转轴，所述导向轴承安装在对应转轴上。
[0032]本发明还提供了一种三维打印方法，使用上述的支撑装置，包括以下步骤:
[0033](I)打印开始前，支撑单元的支撑板均回到初始位置；
[0034](2)计算待打印的三维模型的支撑部位；
[0035](3)根据步骤(2)的计算结果，控制升降单元驱动支撑板移动到各个所需的支撑位置；
[0036](4)打印三维模型。
[0037]本发明的有益效果:
[0038]本发明的支撑装置可以代替原有的打印支撑，节省了材料，提高了打印效率，同时支撑部分由外部机械进行替代，优化了原有的打印机算法结构，可控性好。
【附图说明】
[0039]图1是本发明的支撑装置的结构示意图。
[0040]图2是本发明中的滚动轴承压紧升降杆防止转动的立体结构示意图。
[0041 ]图3是本发明中的框架的立体结构示意图。
[0042]图4是本发明的升降单元的结构示意图。
[0043]图5是图4的A部分的局部剖视示意图。
[0044]图6是图4的B部分的局部爆炸示意图。
[0045]图7是本发明的支撑装置的立体结构示意图。
[0046]图8是本发明的支撑装置的工作流程图。
[0047]图中:1、活动顶块面板，2、活动顶块底板，3、升降杆，4、上限位板，5、限位法兰，6、连接柱，7、轴承压紧座，8、轴承安装转轴，9、滚动轴承，10、下限位板，11、光杆螺母联轴器，12、电机螺母，13、连接承重板，14、电机安装座板，15、直线步进电机，16、三维模型。
【具体实施方式】
[0048]如图1?3所示，本发明的支撑装置包括活动顶块面板1、活动顶块底板2、升降杆3、上限位板4、限位法兰5、连接柱6、轴承压紧座7、轴承安装转轴8、滚动轴承9、下限位板10、光杆螺母联轴器11、电机螺母12、连接承重板13、电机安装座板14和直线步进电机15。
[0049]如图1所示，作为升降单元的动力源，直线步进电机15通过其端面上的螺孔与电机安装座板14螺纹固定连接。支撑单元包括多块拼接成完整打印范围的支撑板，支撑板由活动顶块面板I和活动顶块底板2组成，本实施例中，支撑板按6X6的方阵安装在框架中，框架包括固定连接的电机安装座板14、连接承重板13、下限位板11、上限位板以及连接柱6。升降单元的升降杆3与上限位板4和下限位板10的上、下限位孔上安装的限位法兰5过渡配合。
[0050]如图2所示，轴承压紧座7底面钻螺孔，位于上限位板4与下限位板10之间，垂直于连接柱6安装方向上，与下限位板10端面的侧边上的通孔用沉头螺钉连接。6根轴承安装转轴8安装在两块轴承压紧座7之间，每根轴承安装转轴8上套有6个滚动轴承9，滚动轴承9用于压紧升降杆3的轴向上磨出的平面，防止其轴向转动。
[0051]如图3所示，由上限位板4，下限位板10，限位法兰5，连接柱6，电机安装座板14，连接承重板13连接构成框架。上限位板4与下限位板10的端面侧边上均开有通孔;连接柱6两端开阶梯轴，可以与通孔配合。连接承重板13侧端面上钻螺孔，电机安装座板14端面侧边钻通孔，而连接承重板13与电机安装座板14和下限位板10分别螺纹连接。上限位板4和下限位板10端面中部的光孔均同轴，每个光孔与限位法兰5(包括上限位法兰和下限位法兰)过渡配合，各限位法兰5端面用螺纹连接分别固定在上限位板4和下限位板10上。
[0052]如图4所示，由直线步进电机15，电机螺母12，光杆螺母联轴器11和升降杆3组成单个升降单元。活动顶块面板I和活动顶块底板2组成支撑板安装在升降杆3的顶部，升降杆3端面钻通孔后套在直线步进电机15的螺杆上。直线步进电机15的螺杆通过电机螺母12和光杆螺母联轴器11的连接与升降杆3结合。直线步进电机15侧面与活动顶块面板I侧面平行。
[0053]如图5所示，光杆螺母联轴器11一头钻阶梯孔与升降杆3过盈配合，另一端的端面钻螺孔与电机螺母12螺纹连接。
[0054]如图6所示，升降杆3顶部与活动顶块面板I上中间的盲孔间隙配合，活动顶块底板2中间设有与升降杆3配合的通孔且一侧开通槽，旋转其侧面通槽上的紧定螺钉可夹住升降杆3;活动顶块面板I与活动顶块底板2螺纹连接，活动顶块面板I的底面四角上开有盲孔，与活动顶块底板2的四角上的通孔用螺钉连接。
[0055]带有本实施例的三维打印机的上位机将命令传到电机芯片上控制本发明的支撑装置运动。由于升降杆3轴向无法转动，在直线步进电机15驱动螺杆转动下，电机螺母12通过光杆螺母联轴器11带着升降杆3穿过限位法兰5实现升降运动。
[0056]如图8所示，使用本实施例的支撑装置进行三维打印的具体的工作流程如下:
[0057]I)打印开始前，所有支撑板均回到零点(初始位置)。
[0058]2)通过CAD设计系统设计的零件三维实体以STL文件形式导入上位机软件处理。
[0059]3)上位机将STL文件进行分层切片处理，生成加工必须的二维零件层轮廓信息。
[0060]4)为保证打印零件制作的稳定性，上位机计算所需支撑部位距离零点的垂直高度，换算成对应的直线步进电机15的转角。
[0061]5)上位机将指令传输到单片机上，通过单片机驱动相应位置处的直线步进电机15转动。
[0062]6)电机螺母12在转动的直线步进电机15的螺杆的带动下，通过光杆螺母联轴器11将升降杆3顶起，实现升降运动。
[0063]7)升降杆3的活动带动支撑板升降。
[0064]8)最终形成零件的辅助支撑结构，如图7所示，打印机开始打印。
【主权项】
1.一种三维打印用的支撑装置，其特征在于，包括: 机架； 支撑单元，由多块支撑板拼接组成，布置在三维打印机的三维成型区域的正下方； 升降单元，安装在机架上，用于驱动所述支撑板移动到各个所需的支撑位置支撑所要打印的三维模型。2.如权利要求1所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述支撑板为矩形且多块支撑板矩阵排布。3.如权利要求2所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述矩阵排布的大小为3?12X3 ?12。4.如权利要求1所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述升降单元包括位于支撑单元正下方的多个对应所述支撑板布置的升降机构，每个升降机构包括: 旋转动力源； 第一螺纹传动件，一端与旋转动力源的动力输出端固定连接； 第二螺纹传动件，与第一螺纹传动件螺纹传动配合； 升降杆，一端与第二螺纹传动件的自由端连接，另一端与对应的支撑板背面固定连接； 导向结构，用于引导升降杆上下运动。5.如权利要求4所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述支撑装置还包括限定升降杆水平位置的限位单元，所述限位单元安装在靠近支撑板的一端。6.如权利要求5所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述限位单元包括: 上限位板，与机架固定连接，设有多个上避让孔，每个上避让孔安装有与对应升降杆配合的上限位法兰； 下限位板，与机架固定连接且与上限位板间隔布置，设有多个下避让孔，每个下避让孔安装有与对应升降杆配合的下限位法兰。7.如权利要求6所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述导向结构为多个与升降杆对应配合的导向轴承，所述升降杆设有沿轴向延伸且与导向轴承滚动配合的导向切面。8.如权利要求7所述的三维打印用的支撑装置，其特征在于，所述下限位板的两侧分别安装有相对布置的轴承压紧座，两轴承压紧座之间安装有多根水平布置的转轴，所述导向轴承安装在对应转轴上。9.一种三维打印方法，其特征在于，使用如权利要求1?8任一权利要求所述的支撑装置，包括以下步骤: (1)打印开始前，支撑单元的支撑板均回到初始位置； (2)计算待打印的三维模型的支撑部位； (3)根据步骤(2)的计算结果，控制升降单元驱动支撑板移动到各个所需的支撑位置； (4)打印三维模型。
【专利摘要】本发明公开了一种三维打印用的支撑装置，包括：机架；支撑单元，由多块支撑板拼接组成，布置在三维打印机的三维成型区域的正下方；升降单元，安装在机架上，用于驱动所述支撑板移动到各个所需的支撑位置支撑所要打印的三维模型；本发明还公开了一种三维打印方法；本发明的装置和方法可以代替原有的打印支撑，节省了材料，提高了打印效率，同时支撑部分由外部机械进行替代，优化了原有的打印机算法结构，可控性好。
【IPC分类】B33Y30/00, B29C67/00
【公开号】CN105711095
【申请号】CN201610157030
【发明人】沈洪垚, 叶潇祥, 孙嘉振, 邹一飞, 朱雨贺
【申请人】浙江大学