[发明专利]一种提高熔融沉积3D打印构件壁间强度的轨迹规划方法

说明书

本发明公开了提高熔融沉积3D打印构件壁间强度的轨迹规划方法，根据打印的模型，获取打印构件的分层信息，顺序规划每一层的运动轨迹；对于单层的运动轨迹，将外壳部分设计为多道外壁；按照打印头打印的顺序，设计后一道外壁的高度比前一道外壁高；相邻两道外壁之间的偏置值满足：相邻两道外壁的丝材挤出并膨胀后的宽度区域的计算值部分重叠。多道外壁错层布置，使得拍板拍打时高出的丝材会被拍至前一道外壁上，同时相邻两道外壁之间互相挤压，提高了熔融沉积3D打印构件壁间强度。此外，拍板拍打时高出的丝材会被拍至前一道外壁上，即拍板一直接触的是刚刚挤出的柔软的丝材，减小了对拍板的磨损，延长了拍板的使用寿命。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种提高熔融沉积3D打印构件壁间强度的轨迹规划方法。

背景技术

3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

熔融沉积成型法（FDM，Fused Deposition Modeling），是目前常用的一种3D打印工艺。这种工艺是通过将丝状材料，如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝，从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚，进行叠加沉积新的一层，如此反复，最终实现零件的沉积成型。

在熔融沉积成型法FDM工艺中，3D打印构件是靠逐层扫描堆积成型的，是一个由点到线、由线到面、由二维到三维的逐层累积过程。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25~0.50mm。逐层累积过程中，3D打印构件需要进行大量的扫描，因此，设计合理的扫描路径非常重要。

熔融沉积成型法工艺的另一个关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上（一半比熔点高1℃左右），半流动成型材料从喷嘴挤出后即会冷却凝固。

本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

1、熔融沉积成型法加工出来的3D打印构件，从x-y-z三维坐标轴的角度看，一般来说，z方向材料间粘合性较好，这是由于重力的作用，使得z方向材料间粘合性增加，构件强度增强。但是，x-y方向材料间由于彼此没有压力作用，粘合性不佳；相反，由于材料本身的分子特性，丝材外边沿倾向于向同轨迹丝材中心方向粘合，因此，x-y方向打印的多道轨迹间通常会有间隙微裂缝。

如图1所示，11表示第一外壁的外边沿，12第一外壁的内边沿，21表示第二外壁的外边沿，22表示第二外壁的内边沿， g1表示第一外壁的轨迹线，g2表示第二外壁的轨迹线。设丝材挤出并膨胀后的宽度k为10mm，则轨迹规划时，g1与g2的间距D设置为10mm，即第一外壁与第二外壁的偏置值为10mm。

这样，理论情况下，丝材挤出并膨胀后第一外壁的内边沿12与第二外壁的外边沿21正好重合，第一外壁与第二外壁紧贴。

而实际情况下，由于材料本身的分子特性，第一外壁的内边沿12沿倾向于第一外壁的中心粘合，而第二外壁的外边沿21沿倾向于第二外壁的中心粘合，如此，第一外壁的内边沿12与第二外壁的外边沿21之间通常会出现间隙微裂缝。

上述3D打印构件在表面CNC（机床铣削）处理后，表面会存在裂缝，真空度测试不合格，影响力学强度有限元分析，无法满足生产的要求。

2、熔融沉积成型法工艺中，打印头按照预定的轨迹行走，喷嘴挤出丝状材料，然后拍板将刚打印出的柔软的丝材拍打成型。该过程存在的一个问题是，拍板在拍打过程通常会触及同一层前一道轨迹外壁的材料，而前一道轨迹外壁的材料已经冷却硬化，因此，会导致拍板磨损，影响了拍板的使用寿命。

发明内容