一种提高模型表面质量的3d打印系统及方法
阅读说明：本技术 一种提高模型表面质量的3d打印系统及方法 (3D printing system and method for improving surface quality of model ) 是由 张毅 毋源 王小博 郑泽华 周亚男 吴聪 于 2021-02-04 设计创作，主要内容包括：一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法,包括机架,在机架上分别安装有Y向位移装置、Z向位移装置、供料装置和控制装置,Y向位移装置上连接有打印平台,Z向位移装置上连接有X向位移装置,X向位移装置上连接有喷头装置,喷头装置和供料装置连接实现供料；喷头装置包括喷头,喷头安装在X向位移装置上,喷头的侧面连接有Z向驱动装置,Z向驱动装置上连接有轮廓修形装置；方法利用等材成形工艺,控制修形球头沿着模型的外形轮廓运动,使得层纹上受到修形球头挤压的部分发生塑性变形,波峰处的材料向波谷处流动,波纹变浅,模型的尺寸精度和表面质量得到有效地提高。(A3D printing system and a method for improving the surface quality of a model comprise a rack, wherein a Y-direction displacement device, a Z-direction displacement device, a feeding device and a control device are respectively arranged on the rack, a printing platform is connected to the Y-direction displacement device, an X-direction displacement device is connected to the Z-direction displacement device, a nozzle device is connected to the X-direction displacement device, and the nozzle device and the feeding device are connected to realize feeding; the spray head device comprises a spray head, the spray head is arranged on the X-direction displacement device, the side surface of the spray head is connected with a Z-direction driving device, and the Z-direction driving device is connected with a contour modification device; the method utilizes the equal-material forming process to control the shape-modifying ball head to move along the outline of the model, so that the part extruded by the shape-modifying ball head on the lamination is subjected to plastic deformation, the material at the wave crest flows to the wave trough, the wave is shallow, and the size precision and the surface quality of the model are effectively improved.)
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法。
背景技术
利用FDM型3D打印机制作模型，由于受到熔融态成型材料自身重量的影响，以及层层叠加成型原理天然带来的问题，在模型表面会产生层纹，直接影响模型的尺寸精度、形状精度和表面质量。
目前，解决层纹问题常用的方法包括手工打磨、喷砂处理、化学制剂处理、喷漆处理和上胶处理等工艺，上述方法均是通过增材或是减材技术手段来消除模型表面的层纹，有些工艺繁琐耗时，有些会降低模型的强度、尺寸和外形精度，有些会使模型丢失一些表面细节，有些则会造成一定的环境污染。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种提高模型表面质量的3D打印系统及方法，利用等材成形工艺对模型表面进行修形，以消除层纹，提高表面质量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高模型表面质量的3D打印系统，包括机架1，在机架1上分别安装有Y向位移装置2、Z向位移装置5、供料装置8和控制装置9，Y向位移装置2上连接有打印平台3，打印平台3在Y向位移装置2的驱动下做Y向的移动；Z向位移装置5上连接有X向位移装置6，X向位移装置6在Z向位移装置5的驱动下做Z向移动，X向位移装置6上连接有喷头装置7，喷头装置7在X向位移装置6的驱动下做X向位移，喷头装置7和供料装置8连接实现供料；
所述的喷头装置7包括喷头7-1，喷头7-1安装在X向位移装置6上，喷头7-1的侧面连接有Z向驱动装置7-2，Z向驱动装置7-2上连接有轮廓修形装置7-3。
所述的轮廓修形装置7-3包括修形球头7-3-1，修形球头7-3-1的上部轴端插入到回转轴7-3-5的内孔中，在回转轴7-3-5外圆面的下端和上端分别安装有第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12，在第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12之间安装有套筒7-3-10，第一轴承7-3-9外侧通过第一端盖7-3-17固定在壳体7-3-11下端的内孔中；第二轴承7-3-12外侧的回转轴7-3-5上端连接有第二盖板7-3-14，第二轴承7-3-12外侧通过弹簧挡圈7-3-13、第二端盖7-3-15固定在壳体7-3-11上端的内孔中；第二端盖7-3-15的上端面安装有挡圈7-3-16，挡圈7-3-16的下端连接有吊杆7-3-2，吊杆7-3-2穿过盖板7-3-14伸入到回转轴7-3-5的内孔中，然后再穿过隔热环7-3-6，吊杆7-3-2下端和石墨烯加热柱7-3-3上端连接，将石墨烯加热柱7-3-3悬吊在修形球头7-3-1的球头部内腔中，吊杆7-3-2下端的外圆面上安装有温度传感器7-3-4。
所述的修形球头7-3-1的上部轴端和回转轴7-3-5的内孔之间安装有隔热环7-3-6，修形球头7-3-1上部轴端通过紧定螺钉7-3-7固定在回转轴7-3-5上。
所述的第一端盖7-3-17下端的内孔中安装有防尘圈7-3-8。
所述的Z向驱动装置7-2包括连接体7-2-1，连接体7-2-1的上端连接有步进电机7-2-2，步进电机7-2-2的输出轴和螺杆7-2-3的上端连接，螺杆7-2-3下端连接在连接体7-2-1内侧的底端面上；连接体7-2-1内侧的上下两个端面上连接有两个导柱7-2-4，导柱7-2-4、螺杆7-2-3和壳体7-3-11连接。
所述的控制装置9分别与Y向位移装置2、Z向位移装置5、X向位移装置6、喷头7-1、Z向驱动装置7-2中的步进电机7-2-2、石墨烯加热柱7-3-3、温度传感器7-3-4和供料装置8电连接。
利用一种提高模型表面质量的3D打印系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制装置9中设置修形球头7-3-1的加热温度T，使修形球头7-3-1将与其接触的冷却固化的打印材料加热成能够修形的塑性状态；
步骤2，在控制装置9中输入修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N；
步骤3，在控制装置9中依据3D打印模型波浪式层纹上波峰与波底的高度差H，设置修形尺寸D＝0.5H；
步骤4，在3D打印模型的准备阶段，利用控制装置9启动喷头7-1加热打印线材，使打印线材处于熔融态；启动石墨烯加热柱7-3-3加热修形球头7-3-1；启动温度传感器7-3-4监测修形球头7-3-1的温度，当修形球头7-3-1的温度升至所设定的加热温度T时，控制装置9对石墨烯加热柱7-3-3的控制转换成PID控制模式，使得修形球头7-3-1的温度始终保持在加热温度T±2℃；启动步进电机7-2-2，利用螺杆7-2-3和导柱7-2-4，将轮廓修形装置7-3中的修形球头7-3-1升至Z向的最高点；
步骤5，在3D打印模型时，当喷头7-1打印完第M层后，步进电机7-2-2驱动轮廓修形装置7-3沿着Z向下降，直至修形球头7-3-1的球心与第M层所属层纹的波峰所处的水平高度一致；
步骤6，控制装置9依据修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N，以及修形尺寸D，计算获得修形球头7-3-1相对于第M层外形轮廓运动轨迹的偏置距离，控制修形球头7-3-1沿着模型第M层的外形轮廓运动；由于此时修形球头7-3-1的温度为T，能够使得第M层所属层纹上受到修形球头7-3-1挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型表面的质量得到提高；
步骤7，当第M层的修形工作结束后，控制装置9驱动喷头7-1打印第M+1层；当第M+1层打印完后，控制装置9驱动轮廓修形装置对第M+1层的轮廓进行修形；
步骤8，打印和修形工作交替进行，直至整个模型的打印和修形工作结束。
本发明的有益效果是：
本发明利用等材成形工艺，控制修形球头沿着模型的外形轮廓运动，使得层纹上受到修形球头挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型的尺寸精度和表面质量得到有效地提高；同其他解决层纹问题的方法相比，本发明的工艺方法简单，耗时少，能够强化模型的强度，不会造成材料的浪费，对环境不会造成污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明喷头装置的主视图。
图3为本发明喷头装置的俯视图。
图4为本发明轮廓修形装置的结构示意图。
图5为本发明Z向驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种提高模型表面质量的3D打印系统，包括机架1，在机架1上分别安装有Y向位移装置2、Z向位移装置5、供料装置8和控制装置9，Y向位移装置2上连接有打印平台3，打印平台3在Y向位移装置2的驱动下做Y向的移动；Z向位移装置5上连接有X向位移装置6，X向位移装置6在Z向位移装置5的驱动下做Z向移动，X向位移装置6上连接有喷头装置7，喷头装置7在X向位移装置6的驱动下做X向位移，喷头装置7和供料装置8连接实现供料。
如图2、图3所示，所述的喷头装置7包括喷头7-1，喷头7-1安装在X向位移装置6上，喷头7-1的侧面连接有Z向驱动装置7-2，Z向驱动装置7-2上连接有轮廓修形装置7-3。
如图4所示，所述的轮廓修形装置7-3包括修形球头7-3-1，修形球头7-3-1的上部轴端插入到回转轴7-3-5的内孔中，在修形球头7-3-1的上部轴端和回转轴7-3-5的内孔之间安装有隔热环7-3-6，修形球头7-3-1上部轴端通过紧定螺钉7-3-7固定在回转轴7-3-5上，在回转轴7-3-5外圆面的下端和上端分别安装有第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12，在第一轴承7-3-9和第二轴承7-3-12之间安装有套筒7-3-10，第一轴承7-3-9外侧通过第一端盖7-3-17固定在壳体7-3-11下端的内孔中，第一端盖7-3-17的内孔中安装有防尘圈7-3-8；第二轴承7-3-12外侧的回转轴7-3-5上端连接有第二盖板7-3-14，第二轴承7-3-12外侧通过弹簧挡圈7-3-13、第二端盖7-3-15固定在壳体7-3-11上端的内孔中，弹簧挡圈7-3-13和套筒7-3-10共同作用，将第二轴承7-3-12限位在回转轴7-3-5的外圆面上；第二端盖7-3-15的上端面安装有挡圈7-3-16，挡圈7-3-16的下端连接有吊杆7-3-2，吊杆7-3-2穿过盖板7-3-14伸入到回转轴7-3-5的内孔中，然后再穿过隔热环7-3-6，吊杆7-3-2下端和石墨烯加热柱7-3-3上端连接，将石墨烯加热柱7-3-3悬吊在修形球头7-3-1的球头部内腔中，吊杆7-3-2下端的外圆面上安装有温度传感器7-3-4。
如图5所示，所述的Z向驱动装置7-2包括连接体7-2-1，连接体7-2-1的上端连接有步进电机7-2-2，步进电机7-2-2的输出轴和螺杆7-2-3的上端连接，螺杆7-2-3下端连接在连接体7-2-1内侧的底端面上；连接体7-2-1内侧的上下两个端面上连接有两个导柱7-2-4，导柱7-2-4、螺杆7-2-3和壳体7-3-11连接。
所述的控制装置9分别与Y向位移装置2、Z向位移装置5、X向位移装置6、喷头7-1、Z向驱动装置7-2中的步进电机7-2-2、石墨烯加热柱7-3-3、温度传感器7-3-4和供料装置8电连接。
利用一种提高模型表面质量的3D打印系统的方法，包括以下步骤：
步骤1，在控制装置9中设置修形球头7-3-1的加热温度T，使修形球头7-3-1将与其接触的冷却固化的打印材料加热成能够修形的塑性状态；
步骤2，在控制装置9中输入修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N；
步骤3，在控制装置9中依据3D打印模型波浪式层纹上波峰与波底的高度差H，设置修形尺寸D＝0.5H；
步骤4，在3D打印模型的准备阶段，利用控制装置9启动喷头7-1加热打印线材，使打印线材处于熔融态；启动石墨烯加热柱7-3-3加热修形球头7-3-1；启动温度传感器7-3-4监测修形球头7-3-1的温度，当修形球头7-3-1的温度升至所设定的加热温度T时，控制装置9对石墨烯加热柱7-3-3的控制转换成PID控制模式，使得修形球头7-3-1的温度始终保持在加热温度T±2℃；启动步进电机7-2-2，利用螺杆7-2-3和导柱7-2-4，将轮廓修形装置7-3中的修形球头7-3-1升至Z向的最高点，防止在喷头7-1打印时修形球头7-3-1与模型发生碰撞；
步骤5，在3D打印模型时，当喷头7-1打印完第M层后，步进电机7-2-2驱动轮廓修形装置7-3沿着Z向下降，直至修形球头7-3-1的球心与第M层所属层纹的波峰所处的水平高度一致；
步骤6，控制装置9依据修形球头7-3-1的球心与喷头7-1上喷嘴轴线的水平距离N，以及修形尺寸D，计算获得修形球头7-3-1相对于第M层外形轮廓运动轨迹的偏置距离，控制修形球头7-3-1沿着模型第M层的外形轮廓运动；由于此时修形球头7-3-1的温度为T，能够使得第M层所属层纹上受到修形球头7-3-1挤压的部分发生塑性变形，波峰处的材料向波谷处流动，波纹变浅，模型表面的质量得到有效地提高；
步骤7，当第M层的修形工作结束后，控制装置9驱动喷头7-1打印第M+1层；当第M+1层打印完后，控制装置9驱动轮廓修形装置对第M+1层的轮廓进行修形；
步骤8，打印和修形工作交替进行，直至整个模型的打印和修形工作结束。
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