本發(fā)明屬于機(jī)械及加工工藝領(lǐng)域,確切的講是伴隨著逐層堆積得3D成型過(guò)程,通過(guò)精雕刀進(jìn)行微量逐層跟隨切削成型件的輪廓,但要保留成型物件的頂部用于對(duì)新的熔融鋪層的支撐,而獲得的更為精準(zhǔn)而光滑的成型物件的FDM等方式的3D打印方法。

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背景技術(shù)：
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FDM：熔融沉積成型技術(shù)是，熔融沉積成型工藝(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是繼LOM工藝和SLA工藝之后發(fā)展起來(lái)的一種3D打印技術(shù)。該技術(shù)由Scott Crump于1988年發(fā)明，隨后Scott Crump創(chuàng)立了Stratasys公司。1992年，Stratasys公司推出了世界上第一臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D打印機(jī)——“3D造型者(3D Modeler)”，這也標(biāo)志著FDM技術(shù)步入商用階段。

FDM成型原理相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)部分包括:XOY軸平面尋址行走機(jī)械系統(tǒng)、Z軸垂直尋址行走機(jī)械系統(tǒng)、擠出機(jī)組件、送料系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、打印物件承載臺(tái)及操作面板等部分.

打印之前FDM 3D打印機(jī)內(nèi)置軟件自動(dòng)讀取3D模型數(shù)據(jù)并將其分層,分層之后，經(jīng)過(guò)高溫熔化的液態(tài)通過(guò)擠出機(jī)的噴口擠出，擠出后遇冷迅速凝結(jié)固化，然后通過(guò)擠出機(jī)在平面上的擺動(dòng)以及打印板向下位移形成立體實(shí)物。

3D打印需要經(jīng)過(guò)3D掃描、3D建模的過(guò)程，最終完成3D打印成品。當(dāng)然，基于FDM成型技術(shù)的3D打印機(jī)也不例外。除去3D掃描、3D建模過(guò)程，就3D打印本身而言，F(xiàn)DM成型技術(shù)一般經(jīng)過(guò)以下環(huán)節(jié)。首先FDM軟件對(duì)3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分層，生成打印路徑以及支撐路徑。其次，擠出機(jī)和打印平臺(tái)會(huì)升至3D模型設(shè)置的溫度。

最后，打印過(guò)程中，擠出機(jī)在平面上的位移以及打印平臺(tái)上下位移會(huì)形成一個(gè)三維空間，擠出機(jī)和打印平臺(tái)根據(jù)生成的路徑進(jìn)行打印。在打印過(guò)程中，擠出機(jī)完成一個(gè)平面上的打印任務(wù)后，打印平臺(tái)自動(dòng)下降一層，擠出機(jī)繼續(xù)打印。循環(huán)往復(fù)直至成品的完成。

在打印過(guò)程中，插入擠出機(jī)的線材會(huì)迅速融化，通過(guò)擠出機(jī)擠出瞬間凝結(jié)。擠出機(jī)溫度較高，根據(jù)材料的不同以及模型設(shè)計(jì)溫度的不同，擠出機(jī)的溫度相對(duì)也不同。為了防止打印物體翹邊等問(wèn)題的出現(xiàn)打印平臺(tái)一般為加熱，打印平臺(tái)上一般覆蓋粘貼紙以便于打印成品的剝離。

熔融沉積成型的原理如下：先是向計(jì)算機(jī)輸入切片文件(截面輪廓信息),切片的厚度一般選取為:0.1-0.6毫米之間；加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的(切片)截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來(lái)，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫(huà)出"截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。

目前的FDM-3D技術(shù)與精雕技術(shù)(CNC)的結(jié)合還沒(méi)有一個(gè)在成本，效果能盡善盡美的方案。

下面通過(guò),以開(kāi)源軟件的版本為例對(duì)切片的程序操作進(jìn)行說(shuō)明:

智壘科技在打印三維模型的時(shí)候是需要將三維模型文件生成導(dǎo)出為STL格式的文件，然后將STL格式文件生成Gcode格式的文件才可以對(duì)其進(jìn)行打印操作的，接下來(lái)我就教給大家如何進(jìn)行設(shè)置Cura軟件的各個(gè)參數(shù)選項(xiàng)，進(jìn)而使得生成的Gcode代碼更好地進(jìn)行打??；首先我們需要事先做出一個(gè)模型，在這里智壘科技制作的是一個(gè)小方塊的模型文件，智壘科技可以在3ds max中制作，也可以在Solid Works丶UG丶MAYA等其他的三維模型制作軟件中制作。接下來(lái)，智壘科技需要在3ds max中將此方塊的模型進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出為STL格式的文件，并命名為適當(dāng)?shù)奈募Q，值得注意的是命名的時(shí)候要使用英文或者拼音命名操作，或者字母加數(shù)字兩者組合。為接下來(lái)的使用“Cura軟件”生成Gcode格式的可打印格式文件做好準(zhǔn)備工作：在導(dǎo)出的時(shí)候，智壘科技會(huì)看到一個(gè)提示選項(xiàng)框，需要智壘科技選擇生成什么格式的STL文件，是“二進(jìn)制”的還是“ASCII”碼的，而且還有一個(gè)復(fù)選框“僅選定”這里智壘科技需要選擇“二進(jìn)制”，不選擇“僅選定”復(fù)選框，這樣智壘科技導(dǎo)出STL格式的文件才會(huì)更有利于智壘科技打印操作。導(dǎo)出STL格式文件之后智壘科技會(huì)得到一個(gè)命名為“fkuai”的文件，然后智壘科技就可以在Cura軟件中進(jìn)行設(shè)置具體參數(shù)進(jìn)行打印了。

接下來(lái)智壘科技打開(kāi)Cura軟件，將智壘科技導(dǎo)出的STL格式的三維模型文件在Cura軟件中打開(kāi)。接下來(lái)告訴大家怎么設(shè)置Cura軟件的打印選項(xiàng)設(shè)置：開(kāi)啟回抽是指如果在同時(shí)打印兩個(gè)或多個(gè)模型的時(shí)候噴頭在物體之間非打印區(qū)域移動(dòng)的時(shí)候回抽一部分耗材,防止拉絲現(xiàn)象,填充密度是指模型內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)0％為空心物體100％為實(shí)心物體填充密度越大重量越大,相對(duì)的時(shí)間也會(huì)增加打印速度需要根據(jù)實(shí)際打印模型的大小結(jié)構(gòu)等合理調(diào)整,初始打印第一層時(shí)打印機(jī)默認(rèn)速度為20,可根據(jù)此速度自行設(shè)置推薦高質(zhì)量打印30～40速度,一般打印50～60速度,高速打印80～100,打印溫度根據(jù)所用耗材的材質(zhì)來(lái)決定一般PLA材料為210左右,ABS為230左右；支撐內(nèi)分為兩種類型:第一項(xiàng)為外部支撐:即與打印機(jī)平臺(tái)能有接觸的支撐結(jié)構(gòu)第二項(xiàng)Everywhere是指所有出現(xiàn)懸空結(jié)構(gòu)的地方均給予支撐輔助；平臺(tái)附著類型也是有兩個(gè)類型:第一項(xiàng)為模型外圍附加一圈底座幫助模型更牢固的粘附在平臺(tái)上,第二項(xiàng)為模型整個(gè)底部附加底座來(lái)幫助模型粘附在平臺(tái)上這里一般推薦使用第一項(xiàng)即可；線材直徑是指3D打印機(jī)所使用的耗材的直徑大小,這里因?yàn)槭鞘褂玫?MM的耗材,輸入2.95即可流量值100％；智壘科技還需要對(duì)其他的兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：“機(jī)器設(shè)置”和“高級(jí)設(shè)置”。機(jī)器設(shè)置需要注意的設(shè)置選項(xiàng)是“平臺(tái)大小”及"擠出量"的設(shè)置；高級(jí)設(shè)置一般只需要將這里支撐的填充密度改動(dòng)即可.

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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實(shí)現(xiàn)本方法的FDM打印機(jī)的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由:XOY軸平面尋址行走機(jī)械系統(tǒng)、Z軸垂直尋址行走機(jī)械系統(tǒng)、擠出機(jī)組件、送料系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、打印物件承載臺(tái)及操作面板等部分組成；除了結(jié)構(gòu)部分包括常規(guī)內(nèi)容外還包括實(shí)現(xiàn)本方法的專門(mén)構(gòu)造:具有能與熔融物料噴口沿著Z軸方向進(jìn)行相對(duì)位移的”T型刀”或”斜刀”的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置；當(dāng)使用”斜刀”時(shí):要增加第4軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī),使得該”斜刀”能繞著通過(guò)其尖端部位及附近的與Z軸平行的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),使得在雕削處理打印物件頂部時(shí),打印物件頂部的截面稍稍大于”斜刀”尖部所接觸的打印物件部位的截面面積.

由于的擠出料的流速波動(dòng)及與運(yùn)動(dòng)速度的匹配失調(diào)；的擠出物料的寬度不斷變化，無(wú)法保證鋪層的輪郭尺寸與預(yù)先計(jì)算設(shè)定的一致；因而在每一次堆積構(gòu)建后，需要用雕刻刀略為整理切削鋪層的輪郭邊界尺寸使得鋪層的幾何外形達(dá)到預(yù)定要求。

為解決FDM等方式的3D打印機(jī)的成型邊界精度問(wèn)題，及所成型物件表面的光滑度問(wèn)題；增設(shè)了輪郭精雕工藝；為了使得精雕刀留有加工余量,需要預(yù)先對(duì)切片面積設(shè)置略大于實(shí)際物件所需要的尺寸，完成1層或數(shù)層之后驅(qū)動(dòng)精雕刀來(lái)精雕該層的外形，磨削或切削掉大于實(shí)際物件所需要的尺寸的那一部分，在獲得物件精度的同時(shí)，也獲得了光滑表面。

如果無(wú)保留將成型過(guò)度物件的頂層被雕削后,下一層的物料堆積將面臨在周邊失去支撐無(wú)法鋪設(shè)的難題，解決這個(gè)問(wèn)題的具體方法如下：

該方法分為以下過(guò)程：過(guò)盈切片文件生成過(guò)程、過(guò)盈鋪層過(guò)程、邊界雕形過(guò)程及留頂精雕過(guò)程：

流程細(xì)節(jié)：先生成過(guò)盈切片文件，再進(jìn)行第一輪過(guò)盈鋪層過(guò)程：邊界雕形過(guò)程：留頂精雕過(guò)程：第二輪過(guò)盈鋪層過(guò)程：邊界雕形過(guò)程：留頂精雕過(guò)程：………..周而復(fù)始：直至最后一輪完成最后的鋪層，將頂部不加保留的精雕處理，完成全部物件打印成型工作。

過(guò)盈切片文件生成過(guò)程：

本文所指的切片(截面)的方向,與常規(guī)的FDM技術(shù)一樣.是與Z軸一致的方向,也就是說(shuō)切片的面是與XOY平面(水平面)平行的.

這個(gè)過(guò)程需要在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，一般控制使用Repetier-Host、replicatorG等，分層軟件使用skeinforge，slic3r等，單片機(jī)中還要輸入固件(有好幾種,如：Sprinter，Marlin，Teacup等)；既可以使用開(kāi)源軟件，也可以自己開(kāi)發(fā)的自有己軟件。

所謂“過(guò)盈”就是指：相對(duì)于(目標(biāo)打印物體的真實(shí)截面)切片的輪廓而言:輪廓線向?qū)嶓w以外的方向擴(kuò)張，過(guò)盈切片的輪廓面積大于物體實(shí)體部分的截面積，給雕刀的加工留有余量；當(dāng)?shù)窨痰粢徊糠治锪虾?成型物體的外形才縮小到原來(lái)的外形.

截面積加大的數(shù)量是與物料噴口的直徑相關(guān),截面向輪郭線以外的擴(kuò)張寬度等于直徑的0.01倍到100倍之間.當(dāng)該寬度較小時(shí),擴(kuò)張所增加的面積近似等于該寬度與擴(kuò)張的輪郭線的總長(zhǎng)度的乘積.

過(guò)盈鋪層過(guò)程：

該過(guò)程就是3D打印機(jī)執(zhí)行”過(guò)盈切片文件”的過(guò)程；表現(xiàn)為擠出機(jī)的熱噴口擠出熔融物料鋪設(shè)大于打印物體實(shí)際截面積的過(guò)程；一層的過(guò)程.具體表現(xiàn)為:物料噴口鋪設(shè)輪郭邊界的過(guò)程,及按設(shè)定的填充率鋪設(shè)實(shí)體的過(guò)程.其層高可以選取為0.1—10毫米.

邊界雕形過(guò)程：

由于的擠出料的流速波動(dòng)及與運(yùn)動(dòng)速度的匹配失調(diào)；的擠出物料的寬度不斷變化，無(wú)法保證鋪層的輪郭尺寸與預(yù)先計(jì)算設(shè)定的一致；因而在每一次堆積構(gòu)建后，需要用雕刻刀略為整理切削鋪層的輪郭邊界尺寸使得鋪層的幾何外形達(dá)到預(yù)定要求。該階段是先行整理該鋪層的輪郭大小,使得輪郭超出實(shí)際物體真實(shí)輪郭的大小一致.以免妨礙后續(xù)的留頂加工階段.

留頂精雕過(guò)程：

使用T型刀具或斜刀來(lái)加工，可以躲開(kāi)鋪層的最頂層的邊緣構(gòu)造，保留物件最頂層的適當(dāng)厚度不被雕刻切削，該厚度一般為加熱噴頭的鋪層厚的80％--10％.

此種情況下需要垂直(Z軸方向)擺放的T形刀；或與Z軸(非平行)夾有非零角度的斜刀，第4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)的驅(qū)動(dòng)可以改變雕刀的傾斜方向的空間取向；使得其取向的方向向量的在XOY平面的投影始終與鋪層的輪廓線的法線方向平行。

補(bǔ)充說(shuō)明:

*鋪層/雕削差異層高:是為加快3D打印的成型速度出發(fā)；FDM層堆積物料的高度要遠(yuǎn)大雕刻刀的步進(jìn)層高；也就是使用較厚的加熱噴頭的鋪層厚度來(lái)鋪設(shè)熔融物料.對(duì)無(wú)精雕處理的常規(guī)打印技術(shù)來(lái)說(shuō)：層高決定打印精度,越小的層高所打印物件的精細(xì)度越好，但由于采用了CNC雕刻輔助加工方式，噴口吐料的鋪設(shè)層高可以厚一些,雕刻的層高可以小一些,一般來(lái)講:雕刻的層高是噴口吐料的鋪設(shè)層高的1—1/20之間；因而；堆積層厚度倍于精雕層的厚度將能充分發(fā)揮CNC精雕的效能。保留適當(dāng)厚度的物件頂層將是工作能進(jìn)行的充分必要條件。

*雕削留頂過(guò)度物件的產(chǎn)生:過(guò)度物件是在打印的過(guò)程中,生成的不完全的成型物件；它的特點(diǎn)是一直伴隨著整個(gè)打印過(guò)程；最頂部的輪郭(截面)面積,相對(duì)于其下方臨近的被雕削的部位的輪郭(截面)面積來(lái)說(shuō)是最大的.

*邊界雕形過(guò)程：不是一個(gè)完全必要的過(guò)程；對(duì)于斜刀的雕削完全不需要該過(guò)程；對(duì)于T型刀來(lái)說(shuō),當(dāng)T型刀的刀刃處的T型突出量較小時(shí),不將物件最頂部的輪郭進(jìn)行統(tǒng)一整形,有些部位就有可能擋住T型刀的刀柄處,使得該部位的雕削無(wú)法進(jìn)行.

*軸流風(fēng)冷方法：冷卻風(fēng)經(jīng)由風(fēng)冷入口(7)進(jìn)入風(fēng)冷通道(9)，再由風(fēng)冷出口(10)噴出；正好位于雕刻刀的過(guò)孔處，風(fēng)向沿著雕刻刀的軸向，可以吹向刀刃的任何使用部位，具有一定的截流制冷作用；側(cè)向吹風(fēng)(側(cè)流風(fēng)冷)是常規(guī)的冷卻方法；體積較大。

*鋪層的幾何外形達(dá)到切片時(shí)的預(yù)定要求指的是:切片軟件處理時(shí)可以設(shè)定:大于打印物體實(shí)際截面積的”過(guò)盈量”；由雕刀進(jìn)行專門(mén)流程處理.

[附圖說(shuō)明]

圖1伴隨雕削留頂過(guò)度物件的FDM-3D打印機(jī)工作原理示意圖。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明：

(1)精雕刀

(2)高速電機(jī)

(3)第4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)

(4)刀具架升降電機(jī)

(5)螺桿

(6)刀具架

(7)風(fēng)冷入口

(8)密封圈

(9)風(fēng)冷通道

(10)風(fēng)冷出口

(11)電機(jī)回轉(zhuǎn)支架

(12)留頂過(guò)度物件的頂部

(13)已經(jīng)被雕部位

(15)遠(yuǎn)程供料管

(16)物料喉管

(17)導(dǎo)軌孔

(18)加熱呂體

(19)銅質(zhì)擠出頭

(20)堆積在邊緣的擠出物料

(21)層積時(shí)的留頂過(guò)度物件

(22)虛擬移動(dòng)后的成型物件

[具體實(shí)施方式]

以下結(jié)合附圖就較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示：

精雕刀(1)被高速電機(jī)(2)驅(qū)動(dòng)；電機(jī)回轉(zhuǎn)支架(11)承載固定著高速電機(jī)(2),同時(shí)也在軸承的約束下在刀具架(6)的垂直孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；固定在刀具架(6)上的第4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)通過(guò)45度錐角的傘形齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)支架(11)繞著Z軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；固定在移動(dòng)平臺(tái)上的刀具架升降電機(jī)(4)通過(guò)螺桿(5)驅(qū)動(dòng)刀具架(6)進(jìn)行Z軸方向的上下位移；在密封圈(8)的密封下，冷卻風(fēng)經(jīng)由風(fēng)冷入口(7)進(jìn)入風(fēng)冷通道(9)，再由風(fēng)冷出口(10)噴出；正好位于雕刻刀的過(guò)孔處，風(fēng)向沿著雕刻刀的軸向，可以吹向刀刃的任何使用部位，具有一定的截流制冷作用。移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)軌孔(17)是用于穿過(guò)X或Y方向的約束導(dǎo)柱，在水平方向往復(fù)滑動(dòng)。

料絲通過(guò)遠(yuǎn)程供料管(15)，再經(jīng)由物料喉管(16)后在加熱呂體(18)的加熱下，最終由銅質(zhì)擠出頭(19)的噴口擠出。

其基本工作過(guò)程如下：首先與常規(guī)的FDM的啟動(dòng)打印一樣；先在載物臺(tái)(21)上建立堆積數(shù)層打底鋪設(shè)，主要是用來(lái)找平面及松散支撐成型物件，便于成型后拆卸；接下來(lái)開(kāi)始鋪設(shè)1-3層熔融切片層后，由刀具架升降電機(jī)(4)通過(guò)螺桿(5)驅(qū)動(dòng)刀具架(6)進(jìn)行沿著Z軸方向向下移動(dòng)精雕刀(1)，使其從原來(lái)高于銅質(zhì)擠出頭(19)的噴口數(shù)毫米高差的高度，下降為低于銅質(zhì)擠出頭(19)的噴口數(shù)毫米高差的高度，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，載物臺(tái)(21)也要做配合的下移，同時(shí)XOY軸及第4軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)也要進(jìn)行匹配的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，使得精雕刀(1)可以雕削物件鋪層的任何位置；為了不妨礙下一輪的熔融物料的鋪層，要保留該層鋪層的最頂部的一部分部位不被雕削或不被完全雕削；如留頂過(guò)度物件的頂部(12)所示，其下方的物件部位被雕削成目標(biāo)尺寸，如已經(jīng)被雕部位(13)所示。

留頂過(guò)度物件的頂部(12)的形狀是為了保障下一次鋪層時(shí)，作為必要的支撐面積，否則輪郭邊緣的銅質(zhì)擠出頭(19)的噴出熔融物料將無(wú)承載著落面。如虛擬移動(dòng)后的成型物件(22)的頂部邊緣承載堆積在邊緣的擠出物料(20)的示意狀態(tài)所示。