一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法技术

本发明专利技术公开了一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，属于增材制造领域，本发明专利技术运用不同的打印速度和/或不同的打印路径来控制打印件最终形状的方法，打印平面形状(或者一维的线型)的物体，打印成型后的样品在外激励(加热)的作用下完成不同曲率半径的变形，最终形成想要的三维形状，本发明专利技术的方法与直接打印三维形状相比，只打印平面形状，在通过加热转变成三维形状，制造时间短，节省能源，成型效率高，只需打印平面形状，不需要支撑材料，节省材料，采用二维形状直接转换成三维结构，三维结构是连续的丝材形成的，强度高。

【技术实现步骤摘要】
一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法
本专利技术涉及增材制造领域，具体涉及一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法。
技术介绍
高分子材料的结构和性质受到加工过程中的工艺条件影响，不同的加工工艺及工艺参数，会导致不同的材料结构，进而形成不同的材料性质。如聚乙烯材料，采用不同的加工工艺和不同的工艺参数可以制造成泡沫材料、管材和纤维。虽然这些材料的化学成分相同，但是由于不同的工艺和参数导致材料分子结构、结晶程度和晶体结构的不同，致使材料的强度产生跨越多个数量级的变化，从泡沫的0.01GP到管材的1GP到纤维的200GP。高分子材料常在高温下进行热加工成型，如注塑、挤出和压延等，加工过程中的温度、压力和流动速度等参数对材料的结构产生重要影响，因此可以通过控制工艺参数调控材料结构和性能。3D打印也叫增材制造，是采用逐点(逐线或逐面)添加材料累积成型的工艺，在3D打印工艺过程中，材料的性质无疑会受到打印工艺参数的严重影响。例如，在最常用的熔融沉积成型3D打印中，热塑性塑料线材经过加热融化后从挤出头挤出后，温度降低使材料凝固成型沉积在成型基板上(或沉积在已经凝固的打印件表面)，打印件的力学性质和几何精度等受到打印参数(如材料熔化温度、基板温度、挤出速度和沉积方向等)的影响。一般的熔融沉积成型3D打印过程中，打印速度和路径设定后，在打印整个零件的过程中是不变的。如果打印参数不恰当，打印完成后当打印件从打印机上取出后，由于环境的变化，如环境温度、以及零件从基板上取下后失去了基板对零件的约束，打印件会产生翘曲变形、开裂和各向异性等缺陷。在传统的制造理念中，这种缺陷是不想要的、是应该尽量避免的，因此，基于目前3D打印三维结构是按照三维模型给出的路径直接成型三维结构，人们采用的技术手段往往是在千方百计地优化工艺参数，以使制造缺陷最小。然而，并没有意识到这种由于打印工艺参数的不一致导致的缺陷(如变形翘曲等)是可以被利用的。本专利技术人发现，如果确定了参数和缺陷的关系，我们可以通过控制参数来故意制造缺陷，以获得我们想要的材料结构和性质。
技术实现思路
基于这种技术背景和理念，本专利技术提出了运用打印参数(不同的打印速度和/或不同的打印路径)来控制打印件最终形状的方法，打印平面形状(或者一维的线型)的物体，打印成型后的样品在外激励(加热)的作用下完成不同曲率半径的变形。成型样品由单层或两层组成，各层的不同区域采用不同的打印速度和打印方向，使材料产生各向异性的内应力，之后在温度的刺激下产生驱动力，驱使样品完成不同方向和曲率半径的变形，最终形成想要的三维形状。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，包括以下步骤：S1、模型建立：打印的样件是平面的二维形状，由一层或多层组成，同一层的不同区域或者不同的层采用不同的打印速度和/或打印路径，使材料产生各向异性的内应力；S2、3D打印：将热塑性塑料丝材通过FDM的方法熔融沉积到打印台上，完成所需的样件打印；S3、冷却：将打印平台和打印样件放置室温下冷却，打印平台与样件进行分离；S4、曲率变形：将经过冷却处理的样件在特定区域下加热，特定区域感知温度的变化，产生应激响应，发生不同方向和/或不同程度曲率半径的变化，从而完成变形。其中，所述的热塑性塑料选自聚乳酸、ABS、聚己内酯和聚丙烯材料中的一种。聚乳酸、聚己内酯、聚丙烯等是一类热塑性塑料，机械性能良好，无毒无味可用作食品及医用材料。采用其作为可变性打印材料，加热至玻璃化转变温度后，便可有玻璃态转变为橡胶态，完成形状变化，冷却至室温，便可维持其形状不变化。同时聚乳酸和聚己内酯是生物可降解材料，使用后能被自然界中的生物完全降解，是一种理想的绿色高分子材料。本专利技术适用大多数半结晶热塑性聚合物材料，材料为3D打印通用的1.75毫米或者3毫米线材。上述的将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，在同一层的不同区域或者不同的层，打印速度为突变或渐变，打印速度的范围是30-250mm/s。上述的将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，在同一层的不同区域或者不同的层，打印路径由不同角度的直线组成，或者由不同的曲线组成，或者由直线和曲线的组合组成。作为具体的实施方式，模型由两层热塑性塑料层组成，包括模型主动层和模型被动层。模型主动层材料的打印速度V1的范围为30-250mm/s，模型被动层材料的打印速度V2范围为30-250mm/s。V1和V2不同。打印温度设置为195℃-210℃，挤出头的内径为0.4mm，每完成一层打印，打印台均下降一个打印层高度，再根据下一个打印层的沉积路径进行沉积，循环往复，直到完成所需的样件打印。最后采用60-120℃进行加热，加热时间为5-60分钟，特定区域感知温度的变化，产生应激响应，发生不同程度曲率半径的变化，从而完成变形。本专利技术的有益效果是：1、成型效率高，与直接打印三维形状相比，本专利技术只打印平面形状，在通过加热转变成三维形状，制造时间短，效率高；2、节省材料，直接打印三维结构往往需要支撑材料，本专利技术只需打印平面形状，不需要支撑材料；3、打印件的强度高，直接打印三维结构是通过逐层累积成型的，其强度取决于层间的结合强度，本专利技术采用二维形状转换成三维结构，三维结构是连续的丝材形成的，是将二维弯曲成三维，其强度高于逐层累积的；4、节省能源，熔融沉积成型需要将材料加热融化消耗电能，本方法加工时间短，消耗较少能源，虽然打印件需要加热处理，但是其时间很短，消耗能量很少。附图说明图1为本专利技术实施例提供的3D打印成型后的条形件立体图。图2为本专利技术实施例提供的3D打印成型后的条形件变形后的立体图。图3为本专利技术实施例打印装置，图中1是打印仓，2是送料辊，3是打印丝材，4是加热装置，5是固定装置，6是挤出头，7是打印平台，8是打印样件，H指打印高度，d指打印直径。图4为本专利技术实施例提供的3D打印成型后的条形件的剖面图。图5为本专利技术实施例提供的3D打印成型后的条形件的截面图。图6为本专利技术实施例提供的3D打印成型后的条形件变形后的平面图。图7为本专利技术实施例1提供的“桌子腿”3D打印成型后的样件立体图。图8为本专利技术实施例1提供的“桌子腿”3D打印成型后的样件变形后的立体图。图9为本专利技术实施例2提供的“椅子”3D打印成型后的样件立体图。图10为本专利技术实施例2提供的“椅子”3D打印成型后的样件俯视图。图11为本专利技术实施例2提供的“椅子”3D打印成型后的样件变形后的立体图。具体实施方式本专利技术采用熔融沉积成型3D打印技术，即使用热塑性塑料线材，经过液化器加热使材料加温到超过熔化温度，挤出后材料降温凝固成型。目前的3D打印方法是一旦设定后，在一个样件的整个打印过程中，打印速度是不变的、恒定的，样件各个部分的打印速度是相同的。与目前的打印方法不同的是，本专利技术打印线型或平面形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、模型建立：打印的样件是平面的二维形状，由一层或多层组成，同一层的不同区域或者不同的层采用不同的打印速度和/或打印路径，使材料产生各向异性的内应力；/nS2、3D打印：将热塑性塑料丝材通过FDM的方法熔融沉积到打印台上，完成所需的样件打印；/nS3、冷却：将打印平台和打印样件放置室温下冷却，打印平台与样件进行分离；/nS4、曲率变形：将经过冷却处理的样件在特定区域下加热，特定区域感知温度的变化，产生应激响应，发生不同方向和/或不同程度曲率半径的变化，从而完成变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模型建立：打印的样件是平面的二维形状，由一层或多层组成，同一层的不同区域或者不同的层采用不同的打印速度和/或打印路径，使材料产生各向异性的内应力；
S2、3D打印：将热塑性塑料丝材通过FDM的方法熔融沉积到打印台上，完成所需的样件打印；
S3、冷却：将打印平台和打印样件放置室温下冷却，打印平台与样件进行分离；
S4、曲率变形：将经过冷却处理的样件在特定区域下加热，特定区域感知温度的变化，产生应激响应，发生不同方向和/或不同程度曲率半径的变化，从而完成变形。


2.根据权利要求1所述的将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，其特征在于，所述的热塑性塑料选自聚乳酸、ABS、聚己内酯和聚丙烯材料中的一种。


3.根据权利要求1所述的将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，其特征在于，所述的热塑性塑料丝材采用1.75毫米或者3毫米线材。


4.根据权利要求1所述的将平面形状转变成三维结构的3D打印成型方法，其特征在于，在同一层的不同区域或者不同的层，打印速度为突变或渐变，打印速度的范围是30-250mm/s。


5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：马云海，吴千，刘庆萍，禹江涛，刘炫廷，吴思阳，周雪莉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22