本发明专利技术公开了一种高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机，解决当前FDM型3D打印机存在打印模型内部结合力差以及致密性差的缺陷。通过在熔融丝成型过程中对打印层表面进行预热、温度维持或是在成型后加热打印层表面使其再次熔融，使得相互接触的打印丝之间可以充分融合，提高了3D打印材料的致密性以及力学性能。
【技术实现步骤摘要】
高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机
本专利技术属于3D打印机
，具体涉及一种高致密3D打印的方法以及应用该方法的打印机。
技术介绍
3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：FusedDepositionModeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。FDM打印机的基本工作原理是将打印耗材送入熔腔并将其熔化，并从喷嘴中挤出，打印机通过控制喷头的运动路径，将喷嘴中挤出的熔丝成型到指定的位置。由于塑料材料的流动性差以及熔丝挤出后会快速冷却，这两个特点会导致挤出的熔丝无法实现与周边已成型材料的良好结合。因为流动性差会导致两道熔丝的接触面之间留存空隙，熔丝的快速冷却会导致其无法使周边模型材料重熔。特别是因为周边模型材料接触面没有充分熔融，会导致最终打印出的模型力学性能大打折扣。在同一层的两道打印丝之间结合力不佳可以通过优化打印路径来弥补，但优化打印路径对提高层间结合力则无能为力。图1为目前FDM型3D打印技术打印模型的剖视示意图，由于熔融丝10挤出后冷却过快，导致其没有充分的时间将接触面位置的空隙填满，从而形成了许多空隙11。同样，由于冷却过快，熔融丝挤出后无法将接触面12处已成型的材料重熔，因而导致相互之间的结合力不够理想。该问题在暂停续打时尤为明显，如果打印过程中因为某些原因暂停打印，在模型温度完全降下来后再在之前打印的基础上继续打印的话，模型在两次打印的拼接处最易碎裂，因此目前的FDM打印机在打印对力学性能有较高要求的模型时只能通过一次打印成型来完成，一旦暂停就需要重新打印。上述原因除了会导致模型力学性能下降外，同时也导致打印透明材料时，模型的透明度差，因此即便采用高透光的材料进行打印，根据打印厚度的不同，模型最终也会呈现为半透明或白色不透明的模型。由于模型内部存在大量的微小空隙以及接触面未能完全塑化熔融在一起而导致光在模型内部会出现大量随机的折射与反射，因此降低了模型的透光率。申请号为CN201720861657.6的中国技术专利《一种通过光纤激光预热打印区域的3D打印装置》提出一种采用激光预热提高打印模型层间结合力的装置。该装置可以在熔融丝成型前将其前方的已成型材料预热，由此提升了打印模型的层间结合力。该装置的缺陷在于，由于激光的功率密度很高，能量非常集中，其预热区域只能为单个很小的点，实施例中说明为不大于2mm的光斑，由于加热区域过小，当激光移开停止加热后，所述区域会还是会急速冷却，依然会降低材料层间结合的性能。申请号为CN201810420252.8的中国专利技术专利申请《一种3D打印机头及3D打印机》中也提出了一种具有对前一层打印层材料进行预热功能的打印机，其采用在打印头上安装加热片加热、高周波加热或激光加热的加热器，实现对已成型材料的预热。其在专利说明书中描述的实施方法是先通过打印头打印一层，再由加热器对当前层进行预热，完成后再进行下一层的打印。这种方式的问题在于其预热与打印是分开的，预热过程能够维持的时间很有限，因此当打印模型较大时，模型的前一打印层会在打印尚未结束时就已经完全冷却掉了。这两项专利申请中均提出了采用预热方式来解决打印模型层间结合力差的问题。区别在于，前一专利采用预热与打印同时进行的方案，后一专利采用先预热后打印的方案。但是仅仅对已成型模型进行简单预热并不能很好地解决层间结构力差的问题，也无法解决打印致密性和透明材料打印后不透明的问题。综上所述，目前的FDM打印机存在打印模型内部结合力差以及致密性差的缺陷，导致其应用范围受到一定的限制。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机，通过在成型过程中对成型区域的打印材料进行预热和温度维持又或是在成型后加热打印层表面使其二次熔融的方法，使熔融丝挤出后可以与之前已成型的材料部分充分融合，从而提高了3D打印模型成型的致密性以及层间力学性能。如无特殊说明，本文中所述熔融丝是指刚从喷头中挤出尚未完全固化的打印丝，所述打印丝宽度是指熔融丝沉积成型后的宽度。对于高分子材料而言，熔融温度通常是一个范围，通常是指从高分子材料内部开始出现熔融到完全熔融塑化所对应的温度区间。如无特殊说明，本文中所述低于材料的熔融温度是指对应温度低于该材料熔融温度区间的最小值，所述等于材料的熔融温度是指对应温度处于该材料的熔融温度区间范围内，所述高于材料的熔融温度是指对应温度高于该材料的熔融温度区间的最大值。为了达到上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：提出一种高致密3D打印的方法，包含以下操作中的至少一项：P1：在当前层打印过程中，对将要沉积熔融丝的区域进行预热，并且在熔融丝挤出过程中，对熔融丝沉积区域进行温度维持；P2：在当前层打印完成后，再次对已成型的层表面进行加热，并使打印层表面再次熔融。上述两项操作分别在打印过程中及打印后对打印层进行加热。P1操作采用预热加温度维持的方式，使熔融丝在挤出成型的过程中与相接触的模型材料充分融合；P2操作则是在模型打印完一层后，对整个层进行全面加热，并使打印层表面再次熔融，利用模型材料熔融后的表面张力以及内部的分子扩散运动，使同一层的相邻打印丝之间以及相邻打印层之间的材料能够充分融合。因此可以说P1与P2两项操作既可以独立进行，实现提高相邻打印丝之间融合效果的目的，也可以相互补充，使得材料之间的融合更加充分。优选地，所述P1操作中的加热使得加热区域内的模型材料温度高于模型构建环境温度，低于或等于模型材料的熔融温度；所述P2操作中的加热使得加热区域内的模型材料表面温度不低于材料的熔融温度。优选地，所述方法中采用非接触式加热，优选为热风加热或红外辐射加热。优选地，所述P1操作中的加热区域为以打印头喷嘴为中心，打印丝宽度的5倍~50倍为半径的圆型区域，优选半径为打印丝宽度的10倍到20倍。加热区域以喷嘴为中心，就可以同时兼顾对将要沉积熔融丝的区域进行预热以及对熔融丝沉积区域进行温度维持。加热区域过小会使得温度维持时间过短，而使成型效果变差，反之如果加热区域过大，则打印层中会出现大面积、长时间维持在接近熔融的温度的区域，易导致模型变形。当加热区域半径取为打印丝宽度的5到50倍，优选10~20倍范围内时，可以很好的兼顾到延长温度维持时间以及降低模型变形风险两方面。优选地，所述P2操作中打印层表面再次加热熔融的深度为打印层厚的1到5倍，优选为1.5到2倍。熔融深度过深易导致模型发生变形，因而需要控制熔融深度，使得能够让相邻层之间可以充分融合，同时降低模型变形的风险。优选地，所述方法中还包括：在模型切片时，优化打印路径与打印速度，使P1操作中模型各区域的加热均衡，避免过度加热或加热不足。同时提出一种高致密3D打印机，可应用高致密3D打印方法进行打印本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法包含以下操作中的至少一项：/nP1：在当前层打印过程中，对将要沉积熔融丝的区域进行预热，并且在熔融丝挤出过程中，对熔融丝沉积区域进行温度维持；/nP2：在当前层打印完成后，再次对已成型的层表面进行加热，并使打印层表面再次熔融。/n
【技术特征摘要】
1.高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法包含以下操作中的至少一项：
P1：在当前层打印过程中，对将要沉积熔融丝的区域进行预热，并且在熔融丝挤出过程中，对熔融丝沉积区域进行温度维持；
P2：在当前层打印完成后，再次对已成型的层表面进行加热，并使打印层表面再次熔融。
2.如权利要求1所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P1操作中的加热使得加热区域内的模型材料温度高于模型构建环境温度，低于或等于模型材料的熔融温度；
所述P2操作中的加热使得加热区域内的模型材料表面温度不低于材料的熔融温度。
3.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述方法中采用非接触式加热，优选为热风加热或红外辐射加热。
4.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P1操作中的加热区域为以打印头喷嘴为中心，打印丝宽度的5倍~50倍为半径的圆型区域，优选半径为打印丝宽度的10倍到20倍。
5.如权利要求2所述的高致密3D打印的方法，其特征在于，所述P2操作中打印层表面再次加热熔融的深度为打印层厚的1到5倍，优选为1.5到2倍。
6.如权利要求2所...
【专利技术属性】
技术研发人员：严铜，
申请(专利权)人：严铜，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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