本發(fā)明涉及一種3D打印領(lǐng)域，特別涉及一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)及打印方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)制造相比，3D(中文名：三維)打印技術(shù)是制造技術(shù)的一種。通過(guò)建立三維數(shù)字模型，在平面的X軸和Y軸之上增加了Z軸，用材料堆積的方法實(shí)現(xiàn)了立體化的逐層制造技術(shù)。該技術(shù)以液態(tài)或粉末狀材料為主要原料，遵循“分層固化，層層累加”技術(shù)原理，根據(jù)層內(nèi)固化的方式不同，常見(jiàn)的3D打印技術(shù)有：熔融層積成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、立體光刻(Stereo Lithography Appearance,SLA)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,SLS)、三維打印黏結(jié)成型(Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)、數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing,DLP)、直書寫技術(shù)(Direct Writing Modeling,DWM)等。其中，熔融層積成型和直書寫技術(shù)都是通過(guò)建立三維數(shù)字模型，控制軟件根據(jù)三維數(shù)字模型進(jìn)行切片和打印路徑規(guī)劃，控制打印噴頭在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中擠出打印原料，通過(guò)層層疊加最終形成實(shí)物模型。

但是現(xiàn)有的通過(guò)建立三維數(shù)字模型的3D打印技術(shù)存在以下局限性：

1、現(xiàn)有的通過(guò)建立三維數(shù)字模型的3D打印技術(shù)，由于建立三維模型中往往存在懸空結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在打印過(guò)程中下方缺少支撐，使得前一層跟現(xiàn)打印層之間連接不足以支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，造成實(shí)物懸空結(jié)構(gòu)變形(如塌陷現(xiàn)象)，進(jìn)而影響整個(gè)實(shí)物的打印成型與成型精度。

2、現(xiàn)有的通過(guò)建立三維數(shù)字模型的3D打印技術(shù)，也存在使用固態(tài)材料作為支撐懸空結(jié)構(gòu)的方法，但是3D打印遇到實(shí)物的眾多懸空結(jié)構(gòu)，因高度、形態(tài)等的不同，需要不同形狀和大小的固態(tài)材料支撐，支撐過(guò)程繁雜，并且存在作為支撐結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料與實(shí)物粘結(jié)等問(wèn)題，固態(tài)材料不便在實(shí)物成型后去除，強(qiáng)行剝離容易損壞實(shí)物工件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的通過(guò)建立三維數(shù)字模型的3D打印懸空結(jié)構(gòu)缺少支撐而變型，或者采用固態(tài)材料支撐后不易去除的上述不足，提供一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)及打印方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)，包括：打印裝置，用于打印實(shí)物；液體支撐裝置，用于打印過(guò)程中對(duì)所述實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)的支撐；控制裝置，用于控制所述打印裝置的工作，同時(shí)控制所述液體支撐裝置調(diào)節(jié)支撐高度來(lái)匹配所述打印裝置打印所述懸空結(jié)構(gòu)時(shí)的預(yù)設(shè)打印高度；電源，用于向所述打印裝置、液體支撐裝置和控制裝置提供動(dòng)力。

采用本發(fā)明這樣的3D打印機(jī)，在打印實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，由于有液體支撐裝置對(duì)懸空結(jié)構(gòu)的支撐作用，使得打印懸空結(jié)構(gòu)時(shí)前一層跟現(xiàn)打印層之間連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)造成實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)變形，保證整個(gè)實(shí)物的打印成型與成型精度；同時(shí)相對(duì)于固態(tài)材料支撐，液體支撐裝置能夠滿足對(duì)不同形狀和大小的懸空結(jié)構(gòu)的支撐，并且容易與實(shí)物剝離。

優(yōu)選地，所述液體支撐裝置包括：液體材料，用于所述打印裝置打印所述懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，提供浮力支撐所述懸空結(jié)構(gòu)；容器，用于裝載所述液體材料；液泵，用于向所述容器灌入或者抽出所述液體材料來(lái)調(diào)整所述容器中的液面高度。

采用的液體材料為在-10℃到40℃范圍下為液態(tài)的鎵銦合金。

優(yōu)選地，所述控制裝置包括：高度傳感器，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述液體材料的液面高度；控制系統(tǒng)，用于建立三維模型，控制所述打印裝置按照輸入三維路徑程序運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制所述液泵的工作來(lái)調(diào)整液面高度，從而匹配所述打印裝置打印所述懸空結(jié)構(gòu)時(shí)的預(yù)設(shè)打印高度。

采用這種液面高度可控的方式，便于通過(guò)3D打印的方式制造出現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法成形的三維結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)根據(jù)所述高度傳感器檢測(cè)的液面高度對(duì)比所述打印裝置打印所述懸空結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)設(shè)打印高度，實(shí)時(shí)控制所述液泵調(diào)整液面高度匹配所述預(yù)設(shè)打印高度。

優(yōu)選地，所述高度傳感器實(shí)時(shí)獲取液面高度的誤差在±200微米以內(nèi)。

采用這種方式，保證3D打印懸空結(jié)構(gòu)的精度。

優(yōu)選地，所述液體材料的密度大于打印實(shí)物所用材料的密度。

采用這種方式，提供更大的浮力，保證打印實(shí)物的懸空結(jié)構(gòu)時(shí)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明還提供了一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印方法，包括上述的3D打印機(jī)，其打印方法包括以下步驟：

a、建立三維數(shù)字模型輸入控制系統(tǒng)并且所述控制系統(tǒng)對(duì)所述三維數(shù)字模型進(jìn)行切片和打印路徑規(guī)劃；

b、在打印裝置打印實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)部分時(shí)，所述控制系統(tǒng)控制液體材料的液面高度匹配打印所述懸空結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)打印高度，利用所述液體材料的浮力支撐所述懸空結(jié)構(gòu)防止其結(jié)構(gòu)變形。

c、待打印結(jié)束所述實(shí)物成型，取出后沖洗其表面附著所述液體材料。

采用本發(fā)明這樣的3D打印方法，能夠有效的支撐打印過(guò)程中的懸空結(jié)構(gòu)以讓其不發(fā)生形變，從而通過(guò)3D打印的方式制造出現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法成型的三維結(jié)構(gòu)；同時(shí)相比現(xiàn)有固態(tài)材料支撐法存在與實(shí)物粘結(jié)等問(wèn)題，極為方便去除，只需待打印成型后從容器中取出，沖洗干凈即可。

優(yōu)選地，所述液體材料裝載于容器中，所述容器連接液泵，所述液泵能夠向所述容器灌入或者抽出所述液體材料，以便控制所述液體材料的液面高度。

優(yōu)選地，控制系統(tǒng)連接高度傳感器檢測(cè)所述液體材料的液面高度，所述控制系統(tǒng)根據(jù)所述高度傳感器檢測(cè)的液面高度對(duì)比所述打印裝置預(yù)設(shè)打印高度，實(shí)時(shí)控制所述液泵調(diào)整液面高度匹配所述預(yù)設(shè)打印高度。

優(yōu)選地，所述液體材料的密度大于打印實(shí)物所用材料的密度。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所述的一種3D打印機(jī)的有益效果是：

運(yùn)用本發(fā)明所述的一種3D打印機(jī)，在打印實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，由于有液體支撐裝置對(duì)懸空結(jié)構(gòu)的支撐作用，使得打印懸空結(jié)構(gòu)時(shí)前一層跟現(xiàn)打印層之間連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)造成實(shí)物上懸空結(jié)構(gòu)變形，保證整個(gè)實(shí)物的打印成型與成型精度；同時(shí)相對(duì)于固態(tài)材料支撐，液體支撐裝置能夠滿足對(duì)不同形狀和大小的懸空結(jié)構(gòu)的支撐，并且容易與實(shí)物剝離。

本發(fā)明所述的一種3D打印方法的有益效果是：

運(yùn)用本發(fā)明所述的一種3D打印方法，能夠有效的支撐打印過(guò)程中的懸空結(jié)構(gòu)以讓其不發(fā)生形變，從而通過(guò)3D打印的方式制造出現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法成型的三維結(jié)構(gòu)；同時(shí)相比現(xiàn)有固態(tài)材料支撐法存在與實(shí)物粘結(jié)等問(wèn)題，極為方便去除，只需待打印成型后從容器中取出，沖洗干凈即可。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為本發(fā)明所述的一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印方法的工作流程圖。

圖中標(biāo)記：10-打印裝置，11-實(shí)物，12-懸空結(jié)構(gòu)，20-液體材料，21-容器，22-液泵，30-高度傳感器，31-控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合試驗(yàn)例及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明內(nèi)容所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，包括打印裝置10、實(shí)物11、懸空結(jié)構(gòu)12、液體材料20、容器21、液泵22、高度傳感器30和控制系統(tǒng)31。

控制系統(tǒng)31連接打印裝置10、液泵22和高度傳感器30；通過(guò)控制系統(tǒng)31建立三維數(shù)字模型并且對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行切片和打印路徑規(guī)劃，來(lái)驅(qū)動(dòng)打印裝置10將三維數(shù)字模型打印成實(shí)物11；在打印裝置10打印實(shí)物11上懸空結(jié)構(gòu)12部分時(shí)，控制系統(tǒng)31驅(qū)動(dòng)液泵22向容器21灌入或者抽出液體材料20，以此來(lái)調(diào)整容器21中液體材料20的液面高度；高度傳感器30檢測(cè)液體材料20的液面高度并將數(shù)據(jù)反饋控制系統(tǒng)31，控制系統(tǒng)31將此液面高度數(shù)據(jù)對(duì)比打印裝置10預(yù)設(shè)打印懸空結(jié)構(gòu)12的高度，繼而實(shí)時(shí)控制液泵22調(diào)整液體材料20的液面高度來(lái)匹配預(yù)設(shè)打印高度，從而利用液體材料20的浮力來(lái)支撐懸空結(jié)構(gòu)12，使其在打印過(guò)程中不變形，保證實(shí)物11的打印成型以及成型精度，制造出現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法成型的三維結(jié)構(gòu)，最后只需待實(shí)物11打印成型后從容器21中取出，沖洗干凈即可。

需要指出的是液體材料20的密度大于打印實(shí)物11所用材料的密度，鑒于此在打印實(shí)物11基底時(shí)將基底與容器21底固定連接，防止在打印過(guò)程中容器21中足夠多液體材料20時(shí)造成實(shí)物11漂浮。

實(shí)施例2

如圖2所示，本發(fā)明所述的一種基于液體浮力支撐打印懸空結(jié)構(gòu)的3D打印方法的工作流程圖。

建立三維數(shù)字模型輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)軟件對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行切片和打印路徑規(guī)劃，識(shí)別出待打印實(shí)物上的懸空結(jié)構(gòu)，并且預(yù)設(shè)懸空結(jié)構(gòu)打印高度；控制系統(tǒng)控制打印裝置工作，當(dāng)打印路徑到達(dá)懸空結(jié)構(gòu)時(shí)待命；控制系統(tǒng)控制液泵調(diào)整液面高度，高度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)液面實(shí)際高度并且將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)對(duì)比懸空結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)打印高度和液面實(shí)際高度是否匹配；如果是，控制系統(tǒng)則控制打印裝置開始打印懸空結(jié)構(gòu)，所打印的懸空結(jié)構(gòu)因?yàn)楦×Φ淖饔?，不至于變形坍塌；如果不是，控制系統(tǒng)則控制液泵繼續(xù)調(diào)整液面高度直到懸空結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)打印高度和液面實(shí)際高度匹配。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。