[发明专利]一种无支撑3D悬浮打印结构及方法

说明书

本发明公开了一种无支撑3D悬浮打印结构及方法，包括：采用超声悬浮方法，在零件3D打印过程中，将零件置于声场中，在超声波辐射力作用下，支撑悬空或浮空部分，保证其初始几层的材料打印完成，以此支撑后续层的打印，进而在无支撑情况下，完成零件的3D打印。本发明一方面大幅降低支撑材料成本，大大提高制造效率，另一方面排除支撑不利可能带来的对产品质量的影响。尤其是对于薄壳类零件而言，有些支撑材料甚至占到了整体材料用量的60％以上，若在无支撑情况下打印出该零件，成本预计将节省50％以上，制造周期缩短40％以上，并且不必担心支撑去除可能造成的质量问题。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种无支撑3D悬浮打印结构及方法。

背景技术

3D打印技术原理要求模型的上层结构要有下层部分的支撑，所以，被打印模型的某些部位如果是悬空或浮空的，打印时就需要设计支撑结构。熔融沉积法(FDM)进行打印时，其工作原理是将材料加热至半流体状态后，以层层叠加堆积的方式挤出在打印平板上，虽然凝固较快，但在打印过程中受重力因素影响，当模型的某个面与垂直线角度α大于45°且悬空时，材料会在凝固前发生坠落，这就是3D打印中的45°角原则，也即α过大需增加支撑结构。另外，若模型有浮空结构，切片打印时会形成空间孤岛，此时增加支撑是唯一的选择。

少、无支撑是3D打印研究的热点之一，但目前所提的“无支撑”尚未实现真正的无支撑，仍属于工艺结构优化的范畴，主要包括转移支撑位置，模型分解打印后再组装，最大可打印悬伸角优化。现在的“无支撑”打印方法，虽提及“无支撑”概念，但适用范围有限，并未真正实现无支撑打印，仍属少支撑的工艺结构改进。若要实现真正的无支撑打印，还需突破现有3D打印支撑研究框架，考虑学科交叉，实现原理方法上的创新。

超声波悬浮是利用高强度声场产生声辐射压力，并与被悬浮物的重力相平衡，从而使放入声场中的物体被悬浮起来。该技术与磁悬浮、超导悬浮、气动悬浮等技术不同，可以悬浮任何物质，包括液体和固体。典型的驻波装置(通常称为单轴)由一个圆形的换能器和一个反射器组成，它们同轴地布置并隔开一定的距离，当超声波的发射端和反射端间的距离为超声波半波长的整数倍时，超声波会在发射端和反射端之间反复叠加，从而在发射器和反射器之间建立一个高压幅度的驻波，形成的高声强驻波就会通过媒质将辐射声压作用在驻波场中的样品上，这样就使得样品悬浮起来。目前超声驻波悬浮对被悬浮物体的物理化学性质无特殊要求，主要用于单颗粒或小液滴研究，可以避免因容器壁的不确定性吸附、记忆效应和污染而引起的分析物损失。

3D打印支撑的存在，一方面增加了成本，制造效率低下，另一方面可能会造成支撑去除不利影响产品质量。某些复杂曲面薄壳类零件模型整体打印，支撑材料甚至占到了整体材料用量的60％以上，若在无支撑情况下打印出该零件，根据Cura分析结果，成本预计将节省50％以上，制造周期缩短40％左右，并且不必担心支撑去除可能造成的质量问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无支撑3D悬浮打印结构及方法，该方法可实现多种3D打印技术的无支撑打印，节省成本，提高制造效率，从而利于3D打印的低成本应用推广。

本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种无支撑3D悬浮打印结构，包括超声相阵支架，设置在超声相阵支架两侧的蜂鸣器阵列，与蜂鸣器阵列连接的超声发射电源及控制机构，以及设置在超声相阵支架上方的3D打印头，其中，两组蜂鸣器阵列分别形成悬浮声场的发射端与反射端。

本发明进一步的改进在于，每组蜂鸣器阵列均包括几十个至上百个蜂鸣器。

一种无支撑3D悬浮打印方法，包括以下步骤：

1)针对3D打印设备情况设计悬浮声场；

2)调整打印头的喷嘴直径、温度和送丝速度工艺参数；

3)将构建好的悬浮声场与现有3D打印设备结合；