三維模型打印系統及三維模型的成型方法
【專利摘要】本發明提供了一種三維模型打印系統及三維模型的成型方法。該三維模型打印系統包括：工控機；驅動裝置，所述驅動裝置與所述工控機電連接，所述工控機控制所述驅動裝置運動；以及噴嘴陣列，所述噴嘴陣列包括n行×m列個的噴嘴，其中，n≥1，m≥1，第n行中的第m個所述噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或m+1個所述噴嘴的軸線之間存在距離，所述工控機控制所述驅動裝置帶動所述噴嘴開啟或者關閉，解決了打印速度與打印精度不能兼容的技術難題，實現快速任意精度的打印三維模型。
【專利說明】
三維模型打印系統及三維模型的成型方法
技術領域
[0001]本發明涉及打印設備領域，特別是涉及一種能夠提高打印速度與打印精度的三維模型打印系統，以及應用上述三維模型打印系統的三維模型的成型方法。
【背景技術】
[0002]三維模型(3D)打印，又稱增材制造，是通過逐層打印可粘結材料的方式直接將設計模型制造為三維物體，是一種具有工業革命意義的制造技術。3D打印的制造過程無需傳統加工方式的模具，突破傳統加工方法的加工極限，能夠制備出傳統加工方法無法加工的復雜結構，且不增加制造成本。3D打印降低了新產品研發周期與成本，能夠快速響應日益增長的個性化需求，將改變未來的制造模式，也將改變傳統加工面向制造工藝的設計方法，催生面向功能設計的新方法。因此，3D打印技術在未來制造業中必將具有重要的戰略意義，特別是對于制造技術相對薄弱的中國而言，目前正面臨發達國家重返制造業以及發展中國家的低成本優勢的雙重壓力，掌握原創性的3D打印技術有助于增強制造業的水平，縮小與國外的差距，為我國在制造業方面超越西方國家，為實現制造強國奠定基礎。
[0003]目前，3D打印技術主要有三維直寫技術、激光/電子束熔覆技術、激光/電子束選區燒結技術、光固化技術、熔融沉積技術等。三維直寫技術包含液滴噴射和連續細絲直寫兩類，主要應用于電子材料、有機溶劑、細胞、氣溶膠等材料；廣泛應用于電容電感電阻等電子器件，有機發光二極管(OLED)、濾光片等顯示器件，生物化學傳感器、微透鏡等功能器件，微細的周期性結構。采用高能熱源(如激光、電子束)部分或全部熔化熔點較高的金屬粉末材料，制備復雜金屬結構件。光固化技術主要應用于對紫外光敏感的光敏樹脂材料。熔融沉積技術主要應用于ABS、尼龍、低熔點金屬等絲狀材料。
[0004]其中噴墨直寫技術在微器件制造方面有著廣泛的應用前景。傳統微器件的制造主要依靠光刻技術，該技術操作流程繁雜，存在污染，且加工能力已無法滿足微機電系統的極限要求，而三維直寫技術則能夠滿足更高精度、更小尺寸的微器件制造需求，并且能夠直接打印電子元器件。目前，美國Microfab公司利用液滴噴射技術已經實現多種材料的3D打印，并成功應用于生物醫藥、印刷電子、光學器件等。Arizona大學電子與計算機工程學院也利用液滴噴射裝置制備出微波器件、天線、波導管等微器件。
[0005]但目前這些技術存在著成型速度較慢的缺點，特別是對于精度較高的微細三維結構，長時間的工作增加突發事故導致成型失敗的風險，此外機器長時間運作穩定性也會降低，因此慢的成型速度較大程度上阻礙了 3D打印技術在工程上的廣泛應用。為了提高3D的成型速度，目前多采用多噴頭成型的方法。雖然，通過多噴嘴組合的噴嘴陣列提高了成型速度，但簡單的噴嘴方向排布不能消除噴嘴之間存在的壁厚對打印精度的影響，因此在分辨率上很難進一步提高。
【發明內容】
[0006]基于此，有必要針對現有的三維模型打印技術存在噴嘴之間的壁厚影響打印精度的問題，提供一種能夠提高三維模型打印的速度和精度的三維模型打印系統，以及應用上述三維模型打印系統的三維模型的成型方法。上述目的通過下述技術方案實現:
[0007]一種三維模型打印系統，包括:
[0008]工控機；
[0009]驅動裝置，所述驅動裝置與所述工控機電連接，所述工控機控制所述驅動裝置運動；以及
[0010]噴嘴陣列，所述噴嘴陣列包括η行Xm列個的噴嘴，其中，η多l，m多1，第η行中的第m個所述噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或m+l個所述噴嘴的軸線之間存在距離，所述工控機控制所述驅動裝置帶動所述噴嘴開啟或者關閉。
[0011]在其中一個實施例中，所述三維模型打印系統還包括噴頭組件，所述噴嘴與所述噴頭組件可拆卸連接，所述噴頭組件包括儲液管、輸液管和毛細管，成型材料放置在所述儲液管中，所述輸液管的一端安裝在所述儲液管上，所述輸液管的另一端安裝在所述噴嘴上，所述毛細管安裝在所述噴嘴遠離所述輸液管的一端。
[0012]在其中一個實施例中，所述第η行中的第m個所述噴嘴的軸線和所述第n+1行中的第m或m+l個所述噴嘴的軸線之間的距離為錯位距離，所述錯位距離由所述成型材料的搭接率決定。
[0013]在其中一個實施例中，所述三維模型打印系統還包括密封箱，所述噴嘴陣列與所述噴頭組件均安裝在所述密封箱中。
[0014]在其中一個實施例中，所述驅動裝置的驅動方式為氣動方式、壓電方式、熱泡方式或者超聲振動方式中一種或者幾種方式的組合。
[0015]在其中一個實施例中，所述驅動裝置的驅動方式為氣動方式與壓電方式的組合；
[0016]其中，所述驅動裝置包括壓力控制器、壓電陶瓷和壓電控制器，所述壓力控制器設置在所述噴頭組件中儲液管的進氣管上，所述壓電陶瓷設置在所述噴嘴上，所述壓電陶瓷與所述壓電控制器電連接。
[0017]在其中一個實施例中，所述輸液管輸出所述成型材料的方式為脈沖滴液或者連續液流的方式。
[0018]在其中一個實施例中，所述成型材料為聚合物材料、常溫液態材料或者成型高溫材料。
[0019]在其中一個實施例中，所述三維模型打印系統還包括加熱裝置，所述加熱裝置安裝在所述噴頭組件上，其中加熱裝置包括加熱器與溫度控制儀，所述加熱器安裝在所述噴嘴上，所述加熱器與所述溫度控制儀電連接。
[0020]在其中一個實施例中，所述噴嘴陣列的數量為多個，任意相鄰的兩個所述噴嘴陣列之間在高度方向上錯位排布。
[0021]在其中一個實施例中，任意相鄰的兩個所述噴嘴陣列之間在高度方向上的錯位的高度與所述成型材料的沉積的厚度相適應。
[0022]在其中一個實施例中，所述三維模型打印系統還包括用于檢測異常狀況的報警裝置，所述報警裝置與所述工控機電連接。
[0023]還涉及一種三維模型的成型方法，包括如下步驟:
[0024]SlOO:將三維模型切片分成多層二維截面圖形，獲取每層所述二維截面圖形的輪廓信息；
[0025]S200:根據所述二維截面圖形的輪廓信息生成數控代碼及所述二維截面圖形的填充路徑；
[0026]S300:根據相應的算法將所述二維截面圖形的填充路徑計算出不同時刻不同位置噴嘴陣列中每個噴嘴的開啟或者關閉信息；
[0027]S400:根據所述噴嘴陣列中每個噴嘴的開啟或者關閉信息生成每個所述噴嘴開啟或者關閉的代碼；
[0028]S500:將所述數控代碼和每個所述噴嘴開啟或者關閉的代碼傳輸到工控機中；
[0029]S600:所述工控機帶動驅動裝置控制所述噴嘴陣列根據所述數控代碼及所述噴嘴開啟或者關閉的代碼填充所述二維截面圖形；
[0030]S700:重復所述步驟SlOO至S600，直至生成所述三維模型。
[0031]本發明的有益效果是:
[0032]本發明的三維模型打印系統及三維模型的成型方法，結構設計簡單合理，用于打印三維模型，噴嘴陣列包括η行Xm列個的噴嘴，通過較多數量的噴嘴來提高三維模型的成型速度。同時，第η行中的第m個噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或m+l個噴嘴的軸線之間存在錯位距離，通過該錯位距離來消除任意相鄰的兩個噴嘴之間的壁厚對三維模型的打印精度的影響，提高三維模型的分辨率，解決了打印速度與打印精度不能兼容的技術難題，實現快速任意精度的打印三維模型。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的三維模型打印系統中噴嘴陣列一實施例的主視圖；
[0034]圖2為本發明的三維模型打印系統中其中一個噴嘴與驅動裝置、加熱裝置連接的示意圖；
[0035]圖3為本發明的三維模型打印系統在初始時刻噴嘴關閉的示意圖；
[0036]圖4為本發明的三維模型打印系統在h時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0037]圖5為本發明的三維模型打印系統在t2時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0038]圖6為本發明的三維模型打印系統在t4時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0039]圖7為本發明的三維模型打印系統在ts時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0040]圖8為本發明的三維模型打印系統多次成型時在初始時刻噴嘴關閉的示意圖；
[0041]圖9為本發明的三維模型打印系統多次成型時在t2時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0042]圖10為本發明的三維模型打印系統多次成型時在t12時刻噴嘴開啟或者關閉的示意圖；
[0043]圖11為本發明的三維模型打印系統的噴嘴組件中任意相鄰的兩行噴嘴噴射成型材料在基板上形成沉積層的搭接效果圖；
[0044]圖12為本發明的三維模型打印系統中噴嘴陣列另一實施例的主視圖；
[0045]圖13為本發明的三維模型打印系統包括多個噴嘴陣列組的主視圖；
[0046]圖14為圖13所示的三維模型打印系統中多個矩陣組的示意圖；
[0047]其中:
[0048]1-噴嘴陣列；
[0049]11-第一行噴嘴列；111-第一行第一個噴嘴；112-第一行第二個噴嘴；113-第一行第三個噴嘴；114_第一行第四個噴嘴；115_第一行第五個噴嘴；
[0050]12-第二行噴嘴列；121_第二行第一個噴嘴；122_第二行第二個噴嘴；
[0051]13-第三行噴嘴列；131_第三行第一個噴嘴；132_第三行第二個噴嘴；
[0052]5-壓力控制器；
[0053]6-壓電控制器；
[0054]7-成型材料；
[0055]8-儲液管；
[0056]9-輸液管；
[0057]15-進氣管；
[0058]16-滑塊；
[0059]17-三維零件；
[0060]18-運動平臺；
[0061]19-Z 軸支架；
[0062]20-連桿；
[0063]21-導軌；
[0064]23-毛細管；
[0065]24-滴液；
[0066]25-沉積層；
[0067]26-基板；
[0068]27-壓電陶瓷；
[0069]28-加熱器；
[0070]29-電容親合器件相機；
[0071]30-密封箱；
[0072]31-溫度控制儀；
[0073]32-噴嘴陣列組。
【具體實施方式】
[0074]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下通過實施例，并結合附圖，對本發明的三維模型打印系統及三維模型的成型方法進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0075]參見圖1和圖2，本發明一實施例的三維模型打印系統，用于打印三維模型，包括工控機、驅動裝置、噴嘴陣列I以及運動平臺18。驅動裝置與工控機電連接，工控機能夠控制驅動裝置運動。三維模型在運動平臺18的基板26上生成，運動平臺18與工控機電連接，工控機能夠控制運動平臺18帶動基板26運動，以適應不同數量的噴嘴陣列I。通過軟件將三維模型的切片分層以獲取該模型的二維截面圖形的輪廓信息，根據每層二維截面圖形的輪廓信息生成相應的數控代碼及二維截面圖形的填充路徑。工控機根據每層的輪廓信息生成的數控代碼以及填充路徑控制驅動裝置帶動噴嘴陣列I運動。在打印三維模型時，工控機帶動驅動裝置控制噴嘴陣列I逐層打印最終三維模型。噴嘴陣列I每次打印一層二維截面圖形，噴嘴陣列I多次打印后，多層二維截面圖形相互疊加形成三維模型。
[0076]噴嘴陣列I包括η行Xm列個的噴嘴，其中，n ^ l，m多1，每行噴嘴沿X軸方向排布，每列噴嘴沿Y軸方向排布，第η行中的第m個噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或m+l個噴嘴的軸線之間存在錯位距離。在本發明中，X軸、Y軸與Z軸按照笛卡爾坐標系排布。當然，X軸、Y軸與Z軸也可以任意限定方向，但是需要保證X軸與Y軸在同一平面內，Z軸為噴嘴陣列的高度方向。每個噴嘴對應一個驅動裝置，工控機控制驅動裝置帶動噴嘴開啟或者關閉。當然，也可以是多個噴嘴對應一個驅動裝置。
[0077]軟件根據每層二維截面圖形的輪廓信息生成數控代碼以及填充路徑，再二維截面圖形的填充路徑通過相應的算法計算出不同時刻不同位置每個噴嘴的開啟或者關閉信息，生成噴嘴開啟或者關閉的代碼，進而工控機控制驅動裝置、運動平臺18按照數控代碼及噴嘴開啟或者關閉的代碼控制噴嘴陣列I中的每個噴嘴的開啟或者關閉，實現二維截面圖形的快速成型，待成型材料7凝固或是工藝條件滿足的情況下成型下一層，最終能夠實現快速高精度生成三維模型。
[0078]本發明的三維模型打印系統通過η行Xm列的噴嘴陣列I來提高成型速度，通過任意相鄰的兩行噴嘴之間在X軸方向上錯位排布來提高打印精度，進而使得三維模型打印系統能夠實現快速高精度的三維模型打印。噴嘴陣列I包括η行噴嘴列，每行噴嘴列包括均勻分布的m個噴嘴。第一行噴嘴列11、第二行噴嘴列12、第三行噴嘴列13…第η行噴嘴列在X方向錯開一定距離構成η行噴嘴陣列I。第一行噴嘴列11包括第一行第一個噴嘴111、第一行第二個噴嘴112、第一行第三個噴嘴113、第一行第四個噴嘴114、第一行第五個噴嘴115...第一行第m個噴嘴；第二行噴嘴列12包括第二行第一個噴嘴121、第二行第二個噴嘴122...第二行第m個噴嘴；第三行噴嘴列13包括第三行第一個噴嘴131、第三行第二個噴嘴132…第三行第m個噴嘴；…；第η行噴嘴列包括第η行第一個噴嘴、第η行第二個噴嘴、第η行第三個噴嘴…第η行第m個噴嘴。
[0079]第n行中的第m個噴嘴的軸線和在第n+1行中的第m或m+l個噴嘴的軸線之間存在距離，也就是第η行噴嘴列與第n+1行噴嘴列錯位排布，以第一行噴嘴列11和第二行噴嘴咧12為例，也就是說第一行第一個噴嘴111的軸線與第二行第一個噴嘴121的軸線之間存在距離，第一行第一個噴嘴111的軸線與第二行第一個噴嘴121的軸線之間的距離為錯位距離。
[0080]目前，三維模型打印技術存在著成型速度與打印精度不能兼容的問題。為了保證三維模型的打印精度，三維模型打印時的成型速度就會相應的變慢，特別是對于精度較高的微細三維結構，長時間的工作增加突發事故導致成型失敗的風險，此外機器長時間運作穩定性也會降低。為了提高三維模型的成型速度，多采用多噴頭成型的方法，但是這樣會因為噴嘴之間存在的壁厚影響三維模型的打印精度。本發明的三維模型打印系統采用η行Xm列的噴嘴陣列I來提高三維模型的成型速度，通過任意相鄰的兩行噴嘴之間在X軸方向上錯位排布來消除任意相鄰的兩個噴嘴之間的壁厚對三維模型的打印精度的影響，提高三維模型的分辨率，即提高三維模型的打印精度。通過工控機帶動驅動裝置控制噴嘴的開啟與關閉來實現快速高精度的三維模型打印。
[0081]進一步地，每行與每列的噴嘴的數量原則上不受限制，可以無限擴展。當然，噴嘴陣列I的數量也可以相應的增加，形成噴嘴陣列組32。同時，任意相鄰的兩個噴嘴之間的間距相同，該間距均為P。任意相鄰的兩個噴嘴之間的間距P可以在加工準許的范圍內設定。但由于噴嘴需要與驅動裝置等其他裝置連接，而其他裝置又要占有一定的空間位置，因此，任意相鄰的兩個噴嘴之間的間距受到一定限制。根據實際加工方法不同，任意相鄰的兩個噴嘴之間的間距P可在微米、毫米、厘米等范圍變化。更進一步地，m個噴嘴沿X軸方向均勻分布，為了減小任意相鄰的兩個噴嘴之間的壁厚，兩個噴嘴緊貼設置，這樣還能夠在有限的空間內設置數量較多的噴嘴，以提高三維模型的成型速度。在本發明中，距離P為噴嘴在X軸方向上的尺寸。
[0082]通過軟件將三維模型切片分層，分成多層二維截面圖形，獲取每層二維截面圖形的輪廓信息，軟件根據每層的輪廓信息生成數控代碼及二維截面圖形的填充路徑。軟件再根據每層二維截面圖形的填充路徑通過相應的算法計算出不同時刻不同位置每個噴嘴的開啟或者關閉信息，生成相應的噴嘴開啟或者關閉的代碼。隨后軟件將數控代碼和噴嘴開啟或者關閉代碼傳輸到工控機中，工控機帶動驅動裝置控制噴嘴陣列I按照相應的代碼填充二維截面圖形。如圖3所示，每個完整或部分網格均代表噴嘴噴射出成型材料7的一個液滴，但在成型過程中，通過設置網格的面積門檻值過濾掉很小面積的網格。判斷某一時刻需要成型的網格對應的噴嘴確定噴嘴的開啟與關閉的信息。
[0083]以三行噴嘴列、每行兩個噴嘴構成的3行X2列噴嘴陣列I為例，如圖4所示，噴嘴按照Y軸方向填充，在時刻，有網格與第一行第一個噴嘴111和第一行第二個噴嘴112對應，工控機生成打開的第一行第一個噴嘴111和第一行第二個噴嘴112的代碼，關閉其余噴嘴的代碼。如圖5所示，下一時刻t2，噴嘴陣列I整體沿著路徑Y軸方向向前移動一個網格的距離，則有網格分別與第一行第一個噴嘴111、第二行第一個噴嘴121和第二行第二個噴嘴122相對應，工控機生成打開第一行第一個噴嘴111、第二行第一個噴嘴121和第二行第二個噴嘴122的代碼，關閉其余噴嘴的代碼。如圖6所示，然后t4時刻，有網格分別與第一行第一個噴嘴111和第三行第二個132對應，工控機生成打開第一行第一個噴嘴111和第三行第二個132噴嘴的代碼，關閉其余噴嘴的代碼。以此類推，如圖7所示，到ts時刻，工控機需生成打開第三行第一個噴嘴131和第三行第二個噴嘴132，關閉其余噴嘴的代碼，至此完成該二維截面代碼生成。如此反復，便獲得三維模型的所有切片分層的數控代碼和噴嘴開啟或者關閉代碼。
[0084]當二維截面圖形的尺寸較大時，噴嘴陣列I經過一次掃描后無法打印全部的二維截面圖形，需要經過多次成型才能生成完整的二維截面圖形。如圖8所示，以三行噴嘴列，每行兩個噴嘴構成的3行X2列噴嘴陣列I為例，噴嘴陣列I按Y軸方向以S型路徑運動。在t2時刻，如圖9所示，需要打開第一行第一個噴嘴111、第二行第一個121和第二行第二個122，關閉其他噴嘴，工控機生成相應的開關代碼。以此類推，完成第一次掃描。然后，噴嘴陣列I向X軸方向移動6個網格的距離，進行第二次的掃描。在t12時刻，如圖10所示，則需要關閉第三行第一個噴嘴131，打開其余噴嘴，生成相應的開關代碼。如此往復，完成當前二維截面圖形的代碼生成。
[0085]當然，η行Xm列的噴嘴陣列I可以在同一板材上加工而成，也可以在不同的板材上加工，在將各個噴嘴通過精密方法組合安裝成噴嘴陣列1，二者在生產過程中所需要的時間大致相同。噴嘴陣列I在同一板材上加工時，每個噴嘴加工所需要的時間較長，但是這樣能夠節省組合安裝時間。噴嘴陣列I在不同的板材上加工時，每個噴嘴加工所需要的時間較短，但是需要較多的時間將各個噴嘴組合安裝。
[0086]參見圖1，作為一種可實施方式，三維模型打印系統還包括噴頭組件，噴嘴與噴頭組件可拆卸連接，噴頭組件包括儲液管8、輸液管9和毛細管23，成型材料7放置在儲液管8中，輸液管9的一端安裝在儲液管8上，輸液管9的一端安裝在噴嘴上，毛細管23安裝在噴嘴遠離輸液管9的一端。成型材料7裝入儲液管8內，通過驅動裝置控制噴嘴的開啟或者關閉，驅動裝置控制噴嘴的開啟時，輸液管9和毛細管23通過噴嘴連通，成型材料7能夠流到基板26上，最終生成三維模型；驅動裝置控制噴嘴的關閉時，輸液管9和毛細管23之間不連通，成型材料7不能流動。噴嘴與噴頭組件之間為可拆卸連接，當噴頭損壞時，可以將噴頭從噴頭組件上拆卸下來，更換成無損的噴頭即可，這樣能夠節省成本。噴頭組件與噴嘴一一對應，每個噴頭組件控制與其連接的噴嘴成型材料7的輸出。成型材料7儲存在儲液管8中，每個噴嘴可以有獨立的儲液管8用于存儲不同的成型材料7。當然，當多個噴嘴噴射相同的成型材料7時，也可以使用一個儲液管8連通多個噴嘴，以節省空間。
[0087]在實際成型時，可以安裝足夠多的噴嘴，使噴嘴形成噴嘴陣列I或者噴嘴陣列組32，噴嘴形成噴嘴陣列I或者噴嘴陣列組32能夠完全覆蓋住基板26上所需的成型區域，經過掃描后，驅動裝置控制噴嘴噴出成型材料7全部覆蓋基板26最終生成三維模型。當然，也可用少量的噴嘴成型，噴嘴陣列I只能夠覆蓋部分基板26上所需的成型區域，經過掃描后，驅動裝置控制噴嘴噴出成型材料7將該部分基板26覆蓋生成一部分三維模型，再移動噴嘴陣列1，使噴嘴陣列I覆蓋基板26上的其他所需成型區域，經過掃描后，依次生成部分三維模型，經過多次移動噴嘴陣列I和多次掃描后，最終實現三維模型。
[0088]如圖11所示，作為一種可實施方式，第η行中的第m個噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或者m+l個噴嘴的軸線之間的距離為錯位距離，錯位距離d由成型材料7的搭接率決定。三維模型的成型是由驅動裝置帶動噴嘴陣列I逐層向運動平臺18的基板26上噴射而成。為了保證三維模型的打印精度，需要任意相鄰的兩行噴嘴之間的錯位排布。噴嘴陣列I每噴射出的一次成型材料7，成型材料7就在基板26上形成一個沉積層25，噴嘴陣列I噴射出多次成型材料7，基板26上形成多個沉積層25，多個沉積層25相疊加最終生成三維模型。
[0089]任意相鄰的兩行噴嘴之間的錯位排布時，能夠使得三維模型的表面平整，這樣就要求任意相鄰的噴嘴列對應位置處的兩個沉積層25之間應該滿足一定的搭接率，而搭接率又與成型材料7的種類和成型材料7的噴射工藝有關。因此，噴嘴的錯位距離d應當根據成型材料7的種類與噴射工藝確定，以滿足一定的搭接率。在圖11中，由弧線ABC與X軸圍設而成的區域M為其中一個噴嘴列噴射成型材料7在基板上形成的沉積層25，弧線DE與X軸圍設而成的區域N為與其中一個噴嘴列相鄰的另一噴嘴列噴射成型材料7在基板上形成的沉積層25，區域M與區域N之間交叉的部分為相鄰兩行的噴嘴列的成型材料7形成沉積層25的搭接部分。
[0090]噴嘴陣列I中的各個噴嘴的大小可以相同，也可以不同，噴嘴的大小可以在微觀尺度到宏觀尺度范圍內變化，即噴嘴的大小可以在微米、毫米、厘米的范圍內變化，以滿足不同三維模型成型的需要。如圖1所示，在本發明的一實施例中，噴嘴陣列I中的各個噴嘴的大小相同。噴嘴陣列I中的各個噴嘴的也可以不同，如圖12所示，在本發明的另一實施例中，噴嘴陣列I的邊緣位置的噴嘴的尺寸小于噴嘴陣列I的中部位置的噴嘴的尺寸。同時還需要精確控制所有噴嘴中成型材料7的輸出量，以保證成型高度一致和表面平整。用于填充邊界的第一例噴嘴和第η列噴嘴可以采用較小的尺寸，使得二維截面圖形的表面成型的精度較高。用于填充內部的噴嘴的尺寸可以較大，以提高二維截面圖形的成型速度。進一步地，噴嘴的截面形狀為圓形或者矩形等規則或者不規則的圖形，噴嘴的截面形狀也可以為矩形向圓形變化過程中的各個圖形。在本發明中，噴嘴的截面形狀為矩形以使各個噴嘴應該緊密排布，進而提高三維模型的成型速度。
[0091]如圖13所示，作為一種可實施方式，三維模型打印系統還包括密封箱30，密封箱30能夠滿足真空度、氧含量、濕度、溫度或惰性氣氛中的一種或幾種條件，工控機與驅動裝置安裝在密封箱30外，噴嘴陣列I與噴頭組件均安裝在密封箱30中。三維模型的成型過程可以在大氣條件下進行，也可以通過密封箱30對成型條件如:真空度、氧含量、濕度、溫度或惰性氣氛中的一種或幾種進行控制，以滿足不同環境條件下的使用需求。
[0092]如圖2所示，作為一種可實施方式，驅動裝置的驅動方式為氣動方式、壓電方式、熱泡方式或者超聲振動方式中一種或者幾種方式的組合。每個噴嘴由獨立的驅動裝置控制，驅動裝置與工控機電連接，通過工控機可以控制驅動裝置，從而控制噴嘴的開起或者關閉。本實施例中，驅動裝置的驅動方式為氣動方式與壓電方式的組合。其中，驅動裝置包括壓力控制器5、壓電陶瓷27和壓電控制器6，壓力控制器5設置在噴頭組件中儲液管8的進氣管15上，壓電陶瓷27設置在噴嘴上，壓電陶瓷27與壓電控制器6電連接。
[0093]三維模型的環境條件設置好后，將成型材料7裝入儲液管8內，通過壓力控制器5控制進氣管15處的壓力，使得成型材料7經過輸液管9進入毛細管23內并使成型材料7在毛細管23出口處保持一定的液面形狀。壓電控制器6產生一定的電壓波形使得管狀壓電陶瓷27對毛細管23產生脈沖機械力的作用，從而噴出液滴24，液滴24在運動平臺18的基板26上凝固形成沉積層25。
[0094]作為一種可實施方式，輸液管9輸出成型材料7的方式為脈沖滴液或者連續液流的方式。噴嘴陣列I中各個噴嘴的開啟或者關閉均由工控機根據每層的二維截面信息確定不同噴嘴在不同時間和空間位置的開關代碼來控制。通過各個噴嘴的開啟或者關閉能夠打印點陣列、柱狀陣列或是三維零件17，成型材料7以脈沖液滴或是連續液流的噴射方式，能在微小尺度以及超大宏觀尺度上進行高精度快速三維模型打印。
[0095]作為一種可實施方式，三維模型打印系統還包括加熱裝置，加熱裝置安裝在噴頭組件上，其中加熱裝置包括加熱器28與溫度控制儀31，加熱器28安裝在噴嘴上，加熱器28與溫度控制儀31電連接，溫度控制儀31能夠控制加熱器28的加熱溫度。成型材料7噴射出來的狀態為滴液狀態，滴液24落到基板26上，凝固后形成沉積層25。加熱器28能夠加快滴液24的凝固速度。進一步地，成型材料7主要是熔融沉積成型材料。更為具體的，成型材料7為聚合物材料、常溫液態材料或者成型高溫材料等。對于粘度較高的成型材料7，可通過加熱器28加熱成型材料7至較高溫度，降低成型材料7的粘度，溫度控制儀31控制加熱器28的加熱溫度。當然，成型材料7為常溫液態材料時，也可以采用加熱器28加熱。更進一步地，為了進一步加快滴液24的凝固速度，可以在滴液24的成型過程中通過對基板26預熱或者紅外、激光等熱源燒結的方式來實現。
[0096]如圖13和圖14所示，作為一種可實施方式，噴嘴陣列I的數量為多個，任意相鄰的兩個噴嘴陣列I之間在高度方向上錯位排布，即在Z軸方向上錯位排布，這樣能夠實現經過一次掃描后，多個噴嘴陣列I能夠同時成型多個二維截面圖形，能夠進一步提高打印效率，提高三維模型的成型速度。每個噴嘴都由獨立的驅動裝置和溫控裝置控制，通過工控機能夠獨立控制每個噴嘴的開起或者關閉。當任意相鄰的兩個噴嘴陣列I之間在Z軸方向上錯位排布時，三維模型打印系統還包括連桿20、滑塊16、導軌21和Z軸支架19，導軌21安裝在Z軸支架19上，滑塊16安裝在導軌21上，噴嘴陣列I組通過連桿20與Z軸支架19上的滑塊16連接，滑塊16能夠沿著導軌21沿Z軸方向運動，進而帶動噴嘴陣列I組沿著Z軸方向運動。
[0097]可將多個噴嘴陣列I通過沿Z軸方向錯位的方式組成噴嘴陣列組32。工控機在掃描過程中，不同噴嘴陣列可同時打印。以兩個噴嘴陣列1，其中一個噴嘴陣列I在Z軸方向上的高度上低于另一噴嘴陣列1，每個噴嘴陣列I包括三行噴嘴列，每行2個噴嘴，打印圖3所示的二維截面圖形為例。噴嘴陣列組32沿著Y軸方向移動，在t4時刻，如圖6所示，其中一個噴嘴陣列I打開第一行第一個噴嘴111和第一行第二個噴嘴112，此時，對于另一噴嘴陣列I而言，需要打開第一行第一個噴嘴111和第一行第二個噴嘴112，在其中一個噴嘴陣列I打印的二維截面圖形上繼續成型，最終生成三維模型，從而提高三維模型的成型速度。工控機先根據三維模型分成生成數控代碼和噴嘴開關代碼，進而工控機控制運動平臺18的運動以及各噴嘴的開起或者關閉，便可逐層打印成型材料7制備三維零件17。
[0098]如圖2和圖11所示，進一步地，任意相鄰的兩個噴嘴陣列I之間在Z軸方向上的錯位的高度h與成型材料7的沉積的厚度相適應。噴嘴陣列I在Z軸方向上錯位排布能夠實現成型多個二維截面圖形。而三維模型包括多個二維截面圖形，噴嘴陣列I每噴射一次成型材料7形成一個沉積層25。噴嘴陣列I在Z軸方向上錯位排布時，相鄰的兩個噴嘴陣列I依次形成兩個二維截面圖形，后一個的二維截面圖形能夠落在前一個二維截面圖形上，為了保證兩個噴嘴陣列I依次形成兩個二維截面圖形的順序不變，任意相鄰的兩個噴嘴陣列I之間的錯位高度h應與成型材料7的沉積的厚度相適應，也就是錯位高度h應由成型材料7的種類和噴射工藝來決定。
[0099]作為一種可實施方式，三維模型打印系統還包括用于檢測異常狀況的報警裝置，報警裝置與工控機電連接。在本發明中，報警裝置通過電容耦合器件(CCD)相機29檢測三維模型打印系統的運行過程。報警裝置與工控機電連接，當三維模型打印系統出現異常情況時，工控機控制噴嘴陣列I停止打印三維模型并發出警告聲。
[0100]本發明還涉及一種三維模型的成型方法，包括如下步驟:
[0101]SlOO:將三維模型切片分成多層二維截面圖形，獲取每層二維截面圖形的輪廓信息;
[0102]S200:根據二維截面圖形的輪廓信息生成數控代碼及二維截面圖形的填充路徑；
[0103]S300:根據相應的算法將二維截面圖形的填充路徑計算出不同時刻不同位置噴嘴陣列I中每個噴嘴的開啟或者關閉信息；
[0104]S400:根據噴嘴陣列I中每個噴嘴的開啟或者關閉信息生成每個噴嘴開啟或者關閉的代碼；
[0105]S500:將數控代碼和所述噴嘴開啟或者關閉的代碼傳輸到工控機中；
[0106]S600:工控機帶動驅動裝置控制噴嘴陣列I根據數控代碼及噴嘴開啟或者關閉的代碼填充二維截面圖形；
[0107]S700:重復所述步驟SlOO至S600，直至生成三維模型。本發明的三維模型的成型方法應用于上述三維模型打印系統，以實現快速高精度的打印三維模型。
[0108]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種三維模型打印系統，其特征在于，包括: 工控機； 驅動裝置，所述驅動裝置與所述工控機電連接，所述工控機控制所述驅動裝置運動；以及 噴嘴陣列，所述噴嘴陣列包括η行Xm列個的噴嘴，其中，η多1，第η行中的第m個所述噴嘴的軸線和第n+1行中的第m或m+1個所述噴嘴的軸線之間存在距離，所述工控機控制所述驅動裝置帶動所述噴嘴開啟或者關閉。2.根據權利要求1所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述三維模型打印系統還包括噴頭組件，所述噴嘴與所述噴頭組件可拆卸連接，所述噴頭組件包括儲液管、輸液管和毛細管，成型材料放置在所述儲液管中，所述輸液管的一端安裝在所述儲液管上，所述輸液管的另一端安裝在所述噴嘴上，所述毛細管安裝在所述噴嘴遠離所述輸液管的一端。3.根據權利要求2所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述第η行中的第m個所述噴嘴的軸線和所述第n+1行中的第m或m+l個所述噴嘴的軸線之間的距離為錯位距離，所述錯位距離由所述成型材料的搭接率決定。4.根據權利要求3所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述三維模型打印系統還包括密封箱，所述噴嘴陣列與所述噴頭組件均安裝在所述密封箱中。5.根據權利要求4所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述驅動裝置的驅動方式為氣動方式、壓電方式、熱泡方式或者超聲振動方式中一種或者幾種方式的組合。6.根據權利要求1所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述三維模型打印系統還包括加熱裝置，所述加熱裝置安裝在所述噴頭組件上，其中加熱裝置包括加熱器與溫度控制儀，所述加熱器安裝在所述噴嘴上，所述加熱器與所述溫度控制儀電連接。7.根據權利要求6所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述噴嘴陣列的數量為多個，任意相鄰的兩個所述噴嘴陣列之間在高度方向上錯位排布。8.根據權利要求7所述的三維模型打印系統，其特征在于，任意相鄰的兩個所述噴嘴陣列之間在高度方向上的錯位的高度與所述成型材料的沉積的厚度相適應。9.根據權利要求1至8任一項所述的三維模型打印系統，其特征在于，所述三維模型打印系統還包括用于檢測異常狀況的報警裝置，所述報警裝置與所述工控機電連接。10.三維模型的成型方法，其特征在于，包括如下步驟: SlOO:將三維模型切片分成多層二維截面圖形，獲取每層所述二維截面圖形的輪廓信息; S200:根據所述二維截面圖形的輪廓信息生成數控代碼及所述二維截面圖形的填充路徑； S300:根據相應的算法將所述二維截面圖形的填充路徑計算出不同時刻不同位置噴嘴陣列中每個噴嘴的開啟或者關閉信息； S400:根據所述噴嘴陣列中每個噴嘴的開啟或者關閉信息生成每個所述噴嘴開啟或者關閉的代碼； S500:將所述數控代碼和每個所述噴嘴開啟或者關閉的代碼傳輸到工控機中； S600:所述工控機帶動驅動裝置控制所述噴嘴陣列根據所述數控代碼及所述噴嘴開啟或者關閉的代碼填充所述二維截面圖形； S700:重復所述步驟SlOO至S600，直至生成所述三維模型。
【文檔編號】B29C67/00GK105856562SQ201510035379
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年1月23日
【發明人】張文武, 張遠明
【申請人】中國科學院寧波材料技術與工程研究所