CN108673880A - 一种具有榫卯结构的3d打印填充结构及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺，通过3D打印方式使相邻丝料间存在榫卯状机械啮合结构，将一个加工周期制得的机械啮合结构称之为一个错位平面单元，制品由各个错位平面单元互相交错啮合叠加形成总体结构；每个错位平面单元为表面有规律的凹凸结构的成型面。本发明采用的榫卯结构模糊了分层叠加的概念，使相邻丝料间存在榫卯状机械啮合结构。本发明提出的打印工艺是一种中国传统榫卯结构与现有熔融沉积工艺的融合，使制品内部填充结构由相互平行的层面叠加变为机械榫卯结构的叠加。采用上述结构可使制品内部有更多的填充结构共同承受外力，将所承受外力分散至制品内部各丝状结构上，避免受力集中进而提高3D打印制品强度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印快速成型领域，具体为一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺。
背景技术
熔融沉积成型技术是一种增材制造技术，其被广泛应用于模型制造和工业零件制造等方面。该技术通常由聚合物熔丝冷却固化逐层堆积打印成型。现有3D打印内部结构为相互平行的层面叠加，原有的填充结构在三维方向上至少存在一维仅依靠熔融材料间薄弱的粘接力固接相连，制品存在拉伸强度及剪切强度的短板。传统填充结构在受到外力时极易造成受力集中，导致制品结构破坏。这直接造成熔融沉积成型制品难以在工业领域中应用，大幅限制了该工艺的未来发展道路。
发明内容
本发明针对现有熔融沉积成型制品内部填充结构方向性拉伸强度和剪切强度的不足，提出一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺。本发明提供的高强度熔融快速成型填充结构，在同等材料的用量下，可增强制品对拉力或剪切力较敏感维度上的拉伸强度与剪切强度，且对制品其他维度的拉伸强度与剪切强度也有改善。
本发明的结构方案是：一种具有榫卯结构的3D打印填充结构为一种榫卯结构并采用错位叠层的加工方法得以实现。通过机械啮合、增加丝间粘合面积、增强相邻丝间粘接力等措施实现熔融沉积成型制品强度的提高。
对现有的3D打印内部填充结构进行分析可以看出，若以XY平面为成型平台打印3D打印制品，由于制品完全为熔丝分层堆积制成，故当制品在Z轴方向上受到拉力时，仅有各层间薄弱的粘接力抵抗外力，且层界面为水平面，该结构难以实现各层间分散受力，导致受力集中，故其在Z轴方向上的拉伸强度较低；此外XY水平面对水平方向剪切和冲击力的抵抗也较弱，其原因同样在于层间结合仅为各层平面间的粘接力，水平面与受力方向一致时，相互平行的层界面极易导致错层断裂，且无法使制品内部填充整体受力。
本发明一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺中高强度填充结构是一种榫卯结构，该结构是一种中国传统榫卯结构与现有熔融沉积工艺的融合，使制品内部填充结构由相互平行的层面叠加变为机械榫卯结构的叠加。采用上述结构可使制品内部有更多的填充结构共同承受外力，将所承受外力分散至制品内部各丝状结构上，避免受力集中进而提高3D打印制品的强度。以笛卡尔坐标系中搭建在XY平面上的制品为例：当制品承受平行于XY平面上的剪切或冲击力，由于采用的榫卯结构模糊了分层叠加的概念，使相邻丝料间存在榫卯状机械啮合结构，将一个加工周期制得的机械啮合结构称之为一个错位平面单元，制品由各个错位平面单元互相交错啮合叠加形成总体结构。每个错位平面单元为表面有规律的凹凸结构的成型面。这种丝间连接方式可使制品受到水平方向剪切或冲击力时不仅有层间结合力抵抗，凹凸的层界面和机械啮合内部填充结构将所受外力分散至受力点的周围，使制品各部分均抵抗外力避免单一层界面受力。榫卯状机械啮合结构不易发生制品内部层间的相对滑移，保证了制品的稳定性；其次，3D打印制品承受Z轴方向上的拉力时，各丝料之间的机械啮合使受力面由相互平行的水平面变为有规律凹凸的层界面，增加了熔丝间的接触面。增加接触面其一可以增强各相邻丝料间的粘接力，此外增加的接触面均为竖直方向，即与Z向拉力同方向，在施加拉力的同时，丝间产生的摩擦力可以与丝间粘接力共同作用抵抗拉力，达到制品增强效果。
本发明一种高强度熔融沉积快速成型的加工工艺采用一种错位层叠方法。由于本发明采用榫卯状机械啮合结构搭建制品，故模糊了3D打印分层的概念，制品由各个错位平面单元互相交错啮合叠加形成总体结构，单元中水平方向相邻高度差半个丝料直径。其加工工艺过程为在打印错位平面单元时Z轴高度微动调整配合挤出熔丝量的控制，实现半线径打印的效果，并以此方式打印出榫卯填充结构中的凸起与凹槽结构。
本发明一种高强度熔融沉积快速成型填充结构的搭建过程是：在打印错位叠层结构时，水平方向相邻丝料的同一层相差半个线径，可通过微调Z轴的位置实现，并在各堆叠丝料的填充交点处适量减小挤出量。榫卯结构的打印方式是按照指定顺序打印熔丝并互相搭接沉积出一个错位平面单元，各个错位平面单元互相叠加形成总体结构，
本发明的填充方案为利用3D打印各丝料之间的机械啮合、增大各丝料之间的接触面和分散丝料的单一点受力的方式实现在现有设备硬件基础上提高3D打印制品强度的目的。本发明中的填充结构为一种榫卯结构并采用错位叠层的加工方法得以实现。
附图说明
图1是一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺的填充结构的俯视图。
图2是一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺的填充结构的榫卯结构细节拆分图。
图3是一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺的填充结构的榫卯结构细节组合图。
图4是一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺的部分结构单元组合的拆分图。
图5是一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺的部分结构单元组合的组合图。
图中标号1、2、3、4、5和6为依次打印的熔丝的打印次序；4-1为第n层部分错位平面单元；4-2为第n+1层部分错位平面单元；4-3为第n+2层部分错位平面单元。
具体实施方式
本发明的结构方案是：一种具有榫卯结构的3D打印填充结构及其加工工艺中填充结构为榫卯结构(其组合图如图3所示，拆分图如图2所示)加工工艺为错位叠层方式。通过机械啮合、增加丝间粘合面积或增加相邻熔丝间粘接力等措施提高强度的高强度填充结构和加工工艺。图1展示了本发明填充结构的俯视图。
本发明的加工工艺是：在打印错位平面单元时Z轴高度微动调整并配合挤出熔丝量的控制，实现半线径打印的效果，并以此方式打印出榫卯填充结构中的凸起与凹槽结构。具体榫卯结构的打印方式如图2和图3所示，按照1、2、3、4、5、6的顺序打印出一个错位平面单元：先打印出错位平面单元内的所有标号为1的丝料，在填充交点处Z轴先向下再向上微动半个线径；然后转角90度打印标号为2的丝料，在填充交点处适当减小挤出量；Z轴上升半个线径打印标号为3的丝料，在填充交点处Z轴先向下再向上微动半个线径并在填充交点处适量减小挤出量；接着打印标号为4的丝料，在填充交点处Z轴先向下再向上微动半个线径，并在填充交点处适量减小挤出量；转角90度开始打印标号为5和6的丝料，在这两条丝料的打印过程中在填充交点处适量减小挤出量；至此，单个错位平面单元打印完成。各个错位平面单元互相叠加形成总体结构，如图4和图5所示，其中4-1代表第n层错位平面单元，4-2代表第n+1层错位平面单元，4-3代表第n+2层错位平面单元。
Claims (4)
1.一种具有榫卯结构的3D打印填充结构，其特征在于：通过3D打印方式使相邻丝料间存在榫卯状机械啮合结构，将一个加工周期制得的机械啮合结构称之为一个错位平面单元，制品由各个错位平面单元互相交错啮合叠加形成总体结构；每个错位平面单元为表面有规律的凹凸结构的成型面。
2.一种具有榫卯结构的3D打印填充结构的加工工艺，其特征在于：采用榫卯状机械啮合结构搭建制品，制品由各个错位平面单元互相交错啮合叠加形成总体结构，在打印错位平面单元时Z轴高度微动调整配合挤出熔丝量的控制，实现半线径打印的效果，并以此方式打印出榫卯填充结构中的凸起与凹槽结构。
3.根据权利要求2所述的一种具有榫卯结构的3D打印填充结构的加工工艺，其特征在于：在打印错位叠层结构时，水平方向相邻丝料的同一层相差半个线径，可通过微调Z轴的位置实现，并在各堆叠丝料的填充交点处适量减小挤出量。
4.根据权利要求2所述的一种具有榫卯结构的3D打印填充结构的加工工艺，其特征在于：榫卯结构的打印方式是按照指定顺序打印熔丝并互相搭接沉积出一个错位平面单元，各个错位平面单元互相叠加形成总体结构。
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