磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法，包括：管理控制系统、电机驱动注射泵流速控制装置、打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件；管理控制系统接收、处理其余部件反馈的信息并下达操作指令；打印喷头组件按设定值挤出浆料；磁吸辅助装置提供可控制大小的磁力，对打印件的未固化部分进行辅助支撑；打印部件固化装置通过调节温度使浆料快速固化。本发明专利技术利用电磁铁磁吸力对打印产物的未固化部分进行辅助支撑，有效避免浆料未固化时由于重力而产生的挂流与塌陷现象，快速成形的同时保证了成形的稳定；针对需要物理支撑的模型，通过调整磁力大小也能实现免支撑打印。通过调整磁力大小也能实现免支撑打印。通过调整磁力大小也能实现免支撑打印。

【技术实现步骤摘要】
磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，尤其涉及一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置及其制造方法。

技术介绍

[0002]3D金属直写打印是金属增材制造的一种，区别于主流的采用高能束熔融的金属3D打印技术(SLM，SLA)，金属直写3D打印实现了常温打印。事实上，这类技术由于其不发热的特点，它能保持材料的原有特性，避免由于高温产生的金属局部应力，是一项具有优势的零件制备技术。
[0003]已经有使用这种技术打印成的零部件，该技术在设计制造、汽车领域、牙医整形领域、模型工业设计、生物医疗等方面有着广泛的研究。
[0004]传统的3D打印技术存在如下问题：(1)在打印物体的时候，传统的3D打印往往需要额外的物理支撑。比如SLM与SLA打印需要粉末床作为支撑，Binder Jetting粘合剂喷射打印则在打印时与打印后均需要粉末作为支撑。打印前后均需要处理粉末，成本高且耗时耗力。
[0005](2)现有的金属直写3D打印方式虽然没有外部支撑，但是由于挤出物是粘性金属浆料，挤出物从挤出到固化需要一定时间，需要通过上一层已固化的打印层进行支撑，从物理层面上限制了打印产物的形状，无法打印倾角较大的物件。
[0006](3)现有的磁相关的打印系统，采用的磁悬浮结构无法应用于铁粉、镍粉等铁磁性金属3D打印，永磁体与铁磁质、永磁体之间的作用力满足平方反比关系，所以根据恩肖理论，永磁体之间或者永磁体与铁磁质之间是不可能产生稳定的磁悬浮的，不稳定的打印脱离了3D打印的初衷。

技术实现思路

[0007]基于现有3D打印技术存在的缺陷，本专利技术提供一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，通过该装置，能够免支撑地制造出打印件，有效降低3D打印成本并同时提高打印效率与质量。
[0008]本专利技术同时提供了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造方法，通过本专利技术方法，在打印时能够有效避免浆料未固化时由于重力而产生的挂流与塌陷现象，实现免支撑打印。
[0009]本专利技术的技术方案如下：一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，包括：管理控制系统、箱体、打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件；所述打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件位于所述箱体内部；所述打印喷头组件固连在所述打印喷头运动控制装置上，所述打印喷头运动控制装置用于实现所述打印喷头组件在工作区域内的三维移动；所述打印喷头组件内
部装有打印用的浆料，用于实现定量挤出所述浆料；所述磁吸辅助装置包括：霍尔磁通传感器、环形电磁铁；所述环形电磁铁为磁通量可控的环形圆柱电磁铁，所述环形电磁铁固连在所述打印喷头组件上；所述霍尔磁通传感器固连在所述环形电磁铁的外侧，用于实时检测环形电磁铁的磁通量；所述打印部件固化装置安装在所述箱体的底部，通过调节温度使浆料快速固化；所述管理控制系统位于所述箱体的外部，所述管理控制系统包括固化控制模块、磁吸监控模块；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁的磁吸力大小。
[0010]进一步地，所述打印部件固化装置包括：热床、温度传感器；所述热床顶部为打印平面，所述温度传感器固连于所述打印平面上，用于实时检测所述热床的温度，打印过程中调节所述热床的温度，使浆料快速固化。
[0011]进一步地，所述打印喷头运动控制装置包含三轴运动丝杆和移动滑块，所述移动滑块安装在与打印平面平行的丝杆上，可在工作区域内实现三维移动；所述打印喷头组件固连在所述移动滑块上。
[0012]进一步地，所述打印喷头组件包括：步进电机、电机座、活塞杆、活塞头、流量挤出传感器、打印喷头3Dtouch位置传感器、打印喷头；所述打印喷头为针筒状结构，且内部中空，出口尖端朝下；所述打印喷头的内部从上到下布置有所述步进电机、电机座、活塞杆、活塞头；所述步进电机固连在所述电机座上，所述步进电机与所述活塞杆的上端固连，所述活塞杆在所述步进电机的驱动下作轴向伸缩运动，通过活塞头挤出所述浆料；所述流量挤出传感器固连于所述打印喷头的内壁的出口尖端处；所述打印喷头3Dtouch位置传感器固连于打印喷头的外壁的出口尖端处。
[0013]进一步地，所述管理控制系统包括上位控制机和下位控制板；所述上位控制机包括：状态监视模块、运动控制模块、固化控制模块、任务管理模块、磁吸监控模块；所述状态监视模块负责监视打印机系统各组成部件的工作运行状态，直观显示各部件运行情况与运行过程；所述运动控制模块负责所述打印喷头运动控制装置的位置变换与所述打印喷头组件挤出浆料的运行扭矩与速度；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述任务管理模块负责打印文件的导入与打印任务设置；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁的磁吸力大小；所述上位控制机将各个模块获得数据传输给所述下位控制板，所述下位控制板连接并控制所述打印部件固化装置、磁吸辅助装置、打印喷头运动控制装置、打印喷头组件。
[0014]进一步地，所述浆料为磁性金属粉末浆料或添加了铁磁性物质的顺磁性材料。
[0015]一种采用磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的增材制造方法，包括以下步骤：步骤一：将需要制造的三维结构模型利用分层软件进行分层切片处理，生成打印喷头的二维填充路径，输入到所述磁力辅助免支撑的直写增材制造装置中；步骤二：所述管理控制系统根据所述二维填充路径生成打印机各轴的位移运动轨迹，所述运动控制模块通过所述打印喷头3Dtouch位置传感器反馈的位置信息实现所述打印喷头的定位，并获取所述打印喷头与所述打印件之间的距离，发送给所述磁吸监控模块；所述运动控制模块控制所述打印喷头组件定量挤出所述浆料，同时所述流量挤出传感器获
取所述浆料的挤出流量，并发送给所述固化控制模块；步骤三：所述固化控制模块根据步骤二获得的浆料流量数据和预先设定的固化时间计算出尚未固化的浆料质量，并发送给所述磁吸监控模块；所述磁吸监控模块根据固化控制模块返回的未固化浆料质量、运动控制模块发送的所述打印喷头与所述打印件之间的距离、所述霍尔磁通传感器返回的磁通量大小，计算出所需磁吸力的大小，调节所述环形电磁铁的磁吸力大小；同时，所述打印部件固化装置根据所述温度传感器传回的数据调节所述热床的温度，使所述浆料快速稳定成型，最终得到打印产物。
[0016]本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术以直写3D打印技术为依据，针对直写打印固化慢、易挂流与塌陷的问题，设计了一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，该装置中采用固化装置，实现了浆料从挤出到快速固化的过程中，固化速度加快的同时，通过磁力辅助支撑，有效避免了浆料挂流与塌陷的现象。
[0017]（2）本专利技术的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置的打印喷头处设置有多个传感器，可以根据打印喷头与打印件的具体距离与打印功能调节环形电磁铁磁力的大小；针对倾角大或自身支撑力小的模型，不需要提供额外支撑便可一次性完成打印，有效提高了直写打印的模型适应性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，包括：管理控制系统（1）、箱体（4）、打印部件固化装置（5）、磁吸辅助装置（6）、打印喷头运动控制装置（7）、打印喷头组件（8）；所述打印部件固化装置（5）、磁吸辅助装置（6）、打印喷头运动控制装置（7）、打印喷头组件（8）位于所述箱体（4）内部；所述打印喷头组件（8）固连在所述打印喷头运动控制装置（7）上，所述打印喷头运动控制装置（7）用于实现所述打印喷头组件（8）在工作区域内的三维移动；所述打印喷头组件（8）内部装有打印用的浆料，用于实现定量挤出所述浆料；所述磁吸辅助装置（6）包括：霍尔磁通传感器（6
‑
1）、环形电磁铁（6
‑
2）；所述环形电磁铁（6
‑
2）为磁通量可控的环形圆柱电磁铁，所述环形电磁铁（6
‑
2）固连在所述打印喷头组件（8）上；所述霍尔磁通传感器（6
‑
1）固连在所述环形电磁铁（6
‑
2）的外侧，用于实时检测环形电磁铁（6
‑
2）的磁通量；所述打印部件固化装置（5）安装在所述箱体（4）的底部，通过调节温度使浆料快速固化；所述管理控制系统（1）位于所述箱体（4）的外部，所述管理控制系统（1）包括固化控制模块、磁吸监控模块；所述固化控制模块用于调节挤出的浆料的固化时间、温度；所述磁吸监控模块用于检测与调控所述环形电磁铁（6
‑
2）的磁吸力大小。2.根据权利要求1所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印部件固化装置（5）包括：热床（5
‑
1）、温度传感器（5
‑
2）；所述热床（5
‑
1）顶部为打印平面，所述温度传感器（5
‑
2）固连于所述打印平面上，用于实时检测所述热床（5
‑
1）的温度，打印过程中调节所述热床（5
‑
1）的温度，使浆料快速固化。3.根据权利要求1所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印喷头运动控制装置（7）包含三轴运动丝杆（7
‑
1）和移动滑块（7
‑
2），所述移动滑块（7
‑
2）安装在与打印平面平行的丝杆上，能在工作区域内实现三维移动；所述打印喷头组件（8）固连在所述移动滑块（7
‑
2）上。4.根据权利要求2所述的磁力辅助免支撑的直写增材制造装置，其特征在于，所述打印喷头组件（8）包括：步进电机（8
‑
1）、电机座（8
‑
2）、活塞杆（8
‑
3）、活塞头（8
‑
4）、流量挤出传感器（8
‑
5）、打印喷头3Dtouch位置传感器（8
‑
6）、打印喷头（8
‑
7）；所述打印喷头（8
‑
7）为针筒状结构，且内部中空，出口尖端朝下；所述打印喷头（8
‑
7）的内部从上到下布置有所述步进电机（8
‑
1）、电机座（8
‑
2）、活塞杆（8
‑
3）、活塞头（8
‑
4）；所述步进电机（8
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泳彤，孙扬帆，沈洪垚，高振宇，吴凯，谢海波，杨华勇，王柏村，张威，
申请(专利权)人：浙江大学高端装备研究院，
类型：发明
国别省市：