[发明专利]高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机

说明书

本发明公开了一种高致密3D打印的方法及应用该方法的打印机，解决当前FDM型3D打印机存在打印模型内部结合力差以及致密性差的缺陷。通过在熔融丝成型过程中对打印层表面进行预热、温度维持或是在成型后加热打印层表面使其再次熔融，使得相互接触的打印丝之间可以充分融合，提高了3D打印材料的致密性以及力学性能。

技术领域

本发明属于3D打印机技术领域，具体涉及一种高致密3D打印的方法以及应用该方法的打印机。

背景技术

3D打印技术是一种快速成形技术，它以数字三维模型文件为基础，将金属、塑料、光敏树脂等成型材料通过逐层打印的方式成型物体的技术，属于增材制造。目前基于熔融沉积成型（FDM：Fused Deposition Modeling）原理的3D打印机由于结构简单，适用材料种类丰富，设备及耗材成本低等优势，已成为普及率最高的一种3D打印机。

FDM打印机的基本工作原理是将打印耗材送入熔腔并将其熔化，并从喷嘴中挤出，打印机通过控制喷头的运动路径，将喷嘴中挤出的熔丝成型到指定的位置。由于塑料材料的流动性差以及熔丝挤出后会快速冷却，这两个特点会导致挤出的熔丝无法实现与周边已成型材料的良好结合。

因为流动性差会导致两道熔丝的接触面之间留存空隙，熔丝的快速冷却会导致其无法使周边模型材料重熔。特别是因为周边模型材料接触面没有充分熔融，会导致最终打印出的模型力学性能大打折扣。在同一层的两道打印丝之间结合力不佳可以通过优化打印路径来弥补，但优化打印路径对提高层间结合力则无能为力。图1为目前FDM型3D打印技术打印模型的剖视示意图，由于熔融丝10挤出后冷却过快，导致其没有充分的时间将接触面位置的空隙填满，从而形成了许多空隙11。同样，由于冷却过快，熔融丝挤出后无法将接触面12处已成型的材料重熔，因而导致相互之间的结合力不够理想。

该问题在暂停续打时尤为明显，如果打印过程中因为某些原因暂停打印，在模型温度完全降下来后再在之前打印的基础上继续打印的话，模型在两次打印的拼接处最易碎裂，因此目前的FDM打印机在打印对力学性能有较高要求的模型时只能通过一次打印成型来完成，一旦暂停就需要重新打印。

上述原因除了会导致模型力学性能下降外，同时也导致打印透明材料时，模型的透明度差，因此即便采用高透光的材料进行打印，根据打印厚度的不同，模型最终也会呈现为半透明或白色不透明的模型。由于模型内部存在大量的微小空隙以及接触面未能完全塑化熔融在一起而导致光在模型内部会出现大量随机的折射与反射，因此降低了模型的透光率。

申请号为CN201720861657.6的中国实用新型专利《一种通过光纤激光预热打印区域的3D打印装置》提出一种采用激光预热提高打印模型层间结合力的装置。该装置可以在熔融丝成型前将其前方的已成型材料预热，由此提升了打印模型的层间结合力。该装置的缺陷在于，由于激光的功率密度很高，能量非常集中，其预热区域只能为单个很小的点，实施例中说明为不大于2mm的光斑，由于加热区域过小，当激光移开停止加热后，所述区域会还是会急速冷却，依然会降低材料层间结合的性能。

申请号为CN201810420252.8的中国发明专利申请《一种3D打印机头及3D打印机》中也提出了一种具有对前一层打印层材料进行预热功能的打印机，其采用在打印头上安装加热片加热、高周波加热或激光加热的加热器，实现对已成型材料的预热。其在专利说明书中描述的实施方法是先通过打印头打印一层，再由加热器对当前层进行预热，完成后再进行下一层的打印。这种方式的问题在于其预热与打印是分开的，预热过程能够维持的时间很有限，因此当打印模型较大时，模型的前一打印层会在打印尚未结束时就已经完全冷却掉了。

这两项专利申请中均提出了采用预热方式来解决打印模型层间结合力差的问题。区别在于，前一专利采用预热与打印同时进行的方案，后一专利采用先预热后打印的方案。但是仅仅对已成型模型进行简单预热并不能很好地解决层间结构力差的问题，也无法解决打印致密性和透明材料打印后不透明的问题。