一种快速分割3D打印生坯件的方法和装置与流程

一种快速分割3d打印生坯件的方法和装置
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，特别涉及一种快速分割3d打印生坯件的方法和装置。


背景技术：

2.低熔点3d打印生坯件在原料完全冷却后，生坯件的打底层与基床有着很强的结合力但自身结合强度较低而难以去除。为了降低生坯件的分割难度，目前多数用户采用基床整体加热结合机械工具(如铲、刀片等工具)的方式进行分割，极易损伤已成型的生坯件。同时，这种基床整体加热方式存在加热速度慢，受热不均匀等缺陷。为了解决加热速度慢、反复加热等问题。中国发明专利申请cn106738922a一种易于分割打印成品的3d打印机。其从设备的角度，设计了一种带有温度和压力传感器的刀片，实现了打印成品的自动分割。然而，这种高度附加自动化功能的设备带来了新的缺陷，如价格昂贵、技术实现难度大、分割时间长。
3.为了减小分割工具与生坯件的接触面，金属零部件的3d打印生坯件采用线切割方式进行分割。然而，这种分割方式仅适用于结合强度高的金属零部件。在分割领域，中国发明专利申请cn106687420a一种用于分割玻璃板的设备和方法，该方法利用材料的膨胀系数不同实现两个部件分割。同时，为了避免玻璃片在分割的过程中生坯件发生偏移，该方法还需要使用锋利边缘的工具夹持产品。这种平行夹持式分割方法应用于分割3d打印生坯件时，夹持装置与加热线很容易产生空间干涉。为了消除两者在空间上的物理干涉，需要频繁的更换夹持装置的位置。而频繁的变更夹持装置的位置不仅降低了分割效率，而且高温加热线在停留的过程很容易碰撞其他物体造成损失(如烫坏铺有加热线的基床、烫伤人等)。此外，对于自身结合强度脆弱的金属浆料生坯件，夹持装置不仅无法起到固定整个生坯件的作用而且会夹伤生坯件本身。而且，申请人发现：高温金属线在金属浆料形成的高温影响区域较窄，快速冷却的打底层存在重新结合的可能。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的快速分割3d打印生坯件的方法和装置。
5.本发明实施例提供了一种快速分割3d打印生坯件的方法，所述方法包括：
6.采用热分割装置沿预设轨迹对生坯件进行分割，所述热分割装置的温度a与软化或融化所述生坯件底部原料温度b满足如下关系：a＝b
±
25℃；
7.进行分割的同时，在所述生坯件的分割处设置冷却隔离层，用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。
8.可选的，所述热分割装置为热分割线或热分割薄片。
9.可选的，所述热分割线为导电加热线，所述热分割薄片为导电加热薄片。
10.可选的，所述热分割装置的温度为所述生坯件底部原料的熔点温度
±
25℃。
11.可选的，所述冷却隔离层为移动薄片，以所述热分割装置的移动方向，所述移动薄片设于所述热分割装置的后端，所述移动薄片跟随所述热分割装置移动。
12.可选的，所述冷却隔离层包括多个冷却薄片，多个所述冷却薄片随着所述分割装置的移动逐次插入所述生坯件的分割处。
13.可选的，所述隔离层的厚度为0.2
‑
3mm。
14.基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种快速分割3d打印生坯件的装置，所述装置包括：
15.基床，用以承接熔融后冷却成型的生坯件；
16.热分割装置，所述热分割装置用以沿预设轨迹对生坯件进行分割；
17.加热装置，所述加热装置用以将所述热分割装置加热至恰好能够软化或融化所述生坯件的温度；
18.隔离层，所述隔离层用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。
19.可选的，所述热分割装置为热分割线或热分割薄片。
20.可选的，所述隔离层为移动薄片，以所述热分割装置的移动方向计，所述移动薄片设于所述热分割装置的后端，所述移动薄片跟随所述热分割装置移动。
21.本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
22.本发明实施例提供的快速分割3d打印生坯件的方法，所述方法包括：采用热分割装置沿预设轨迹对生坯件进行分割，所述热分割装置的温度恰好能够软化或融化所述生坯件；进行分割的同时，在所述生坯件的分割处设置冷却隔离层，用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合；采用热分割装置避免对基床整体加热。具有加热时间短，效率高的优势。热分割装置利用高温热影响区域软化/融化底部，以降低生坯件与基床的结合强度，分割过程对生坯件自身的强度并无要求。由此可见，整个分割装置的适用范围更广；采用高温软化/融化的方式分割生坯件与基床，热分割装置对生坯件与基床几乎不存在横向力的作用。因此不需要额外的夹持工具有效避免两者的干涉；分割装置结构简单，零件可替代性强、制造成本低。
23.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地逐一介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
25.图1是本发明实施例提供的方法的流程图；
26.图2是本发明实施例提供的装置的结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的u型轨迹分割示意图；
28.图4是本发明实施例提供的热分割装置和移动薄片的配合示意图；
29.附图标记：1
‑
基床、2
‑
热分割装置、3
‑
隔离层、4
‑
水平夹持器、5
‑
生坯件。
具体实施方式
30.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
31.在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
32.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
33.本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
34.根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种快速分割3d打印生坯件的方法，所述方法包括：
35.s1.采用热分割装置沿预设轨迹对生坯件进行分割，所述热分割装置的温度恰好能够软化或融化所述生坯件。需要说明的是：生坯件可以为生坯件本体，也可以是包括打底层的生坯件本体；本发明实施例提供的方法能够适用的生坯件的材料可以选自：丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物(abs)、石蜡、金属黏土等材料中的一种或多种。
36.作为一种可选择的实施方式，热分割装置的温度为所述生坯件的熔点
±
25℃。在其他实施例中，加热温度可以根据用户分割速度进行调整。总之，热分割装置的加热温度选在打底层或生坯件本体的熔点附近。例如打底层的原料为abs时，热分割装置的加热温度选在abs熔点(235℃)附近。
37.整个分割的过程，热分割装置具有很高的温度，很容易烧坏基床和其他设施。因此，实际的分割轨迹线分别必须限定在打底层和生坯件本体区域内。同时，为了避免局部区域温度过高，当热分割装置为热分割线时，热分割线需保持一定张力的紧绷状态。
38.预设轨迹包括u型、一字型、z字型等多种形态。为了尽量避免烧坏基床或其他配件，轨迹的设置可以根据实际情况进行选择。当分割平面时，选用u形态轨迹最为保险和安全。
39.作为一种可选择的实施方式，所述热分割装置为热分割线或热分割薄片。热分割线直径选用0.4mm、0.6mm、0.8mm等，热分割线的最大直径或热分割薄片的厚度不宜超过打底层厚度的3/4。热分割线或热分割薄片的材料可以选自包含铜、铝、镍、不锈钢等导热性能较好的材质。
40.作为一种可选择的实施方式，热分割线为导电加热线。导电加热线可以选择加热线、电阻丝等具有发热功能的金属物质，如镍铬丝。所述热分割薄片为导电加热薄片，在实际实施时，可以采用直流电和交流电供电，具体操作如下：
41.使用24v的直流作为电源、wx
‑
101温控版高精度数显温度控制器作为温控主板、100kω的热敏电阻将导电的热分割线/热分割薄片加热并控制在180℃。待温控主板显示导电的热分割线/热分割薄片的温度范围维持在180
±
5℃时，热分割线/热分割薄片以平行于打底层顶面的角度沿着图的u型轨迹移动。选用直流电源的电压范围在5
‑
48v是可行的，在
其他的实施例中，也可以选用其他的电压范围。
42.导热的热分割线/热分割薄片在恒温装置的加热和控制下保持在一定温度范围内。恒温装置配件选用100kω的附加电阻、220v的交流作为电源、欧姆龙温控器温度控制器全新原装数显电子温控仪表e5cwl
‑
r1p作为温控主板、500kω的热敏电阻以及100kω的加热棒。等待温控主板显示导热的热分割线/热分割薄片的温度范围维持在180
±
5℃时。导热的热分割线/热分割薄片以平行于基床的顶部沿着预定u型轨迹融化坯件的底部。选用交流电源的电压范围在110
‑
380v是可行的，在其他的实施例中，也可以选用其他的电压范围。
43.需要强调的是，选用的温控主板必须与选用电源交直流方式以及电压范围匹配。选用电阻的电阻值大小应适中，确保导电的加热线或者加热棒的加热温度上升速度低于20℃/s。为了确保加热线温度上升速度，可以适当增加额外电阻。
44.s2.进行分割的同时，在所述生坯件的分割处设置冷却隔离层，用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。
45.作为一种可选的的实施方式，冷却隔离层为移动薄片。以所述热分割装置的移动方向计，所述移动薄片设于所述热分割装置的后端，所述移动薄片跟随所述热分割装置移动。具体实施时，移动薄片与热分割装置保持在同一个水平面上且在距离热分割装置移动轨迹的反方向的位置固定。在水平夹持器(即为滑轨)的固定作用下，移动薄片与热分割装置保持在同一个水平面上且移动薄片距离热分割装置行走轨迹反方向5mm左右的位置。移动薄片跟随热分割装置移动，从而实现移动薄片在刚被热分割装置割开的生坯件间形成隔断区。两个隔断区域内熔融的材料再次分别冷却成型，从而实现移动薄片上方的生坯件和下方的基床或打底层分割。
46.作为一种可选的的实施方式，冷却隔离层包括多个冷却薄片。多个所述冷却薄片随着所述分割装置的移动逐次插入所述生坯件的分割处。具体实施时，在热分割装置的行走轨迹附近的融化区域内，插入多条0.5mm厚的不锈钢金属薄片。冷却薄片在生坯件和基床/打底层之间形成隔断区。两个隔断区域内熔融的材料再次分别冷却成型。从而实现冷却薄片上方的生坯件和下方的基床/打底层分割。
47.作为一种可选的的实施方式，隔离层的厚度为0.2
‑
3mm，一般而言，隔离层的最大厚度不易超过打底层的3/4。同时，隔离层的最大厚度不易超过生坯件允许损耗最大高度的1/2；移动薄片或冷却薄片可以选自不锈钢片、铝合金片、铜片等具有导热性能较好、耐高温的金属或非金属薄片。具体实施时，移动薄片或冷却薄片具有良好的导热性，可以采用风冷的方式降低薄片温度，提高移动薄片或冷却薄片的散热效果。
48.根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种快速分割3d打印生坯件的装置，所述装置包括：
49.基床，用以承接熔融后冷却成型的生坯件。具体而言，基床的可以选自铝合金、铜合金、木板、陶瓷等材质制成的水平平台。
50.热分割装置，所述热分割装置用以沿预设轨迹对生坯件进行分割；
51.加热装置，所述加热装置用以将所述热分割装置加热至恰好能够软化或融化所述生坯件的温度；
52.隔离层，所述隔离层用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。
53.作为一种可选择的实施方式，当隔离层为上述的移动薄片时，移动薄片和热分割装置同时可滑动的连接于水平夹持器(同滑轨)，水平夹持器安装于基床。
54.下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的快速分割3d打印生坯件的方法和装置进行详细说明。
55.实施例1
56.一种快速分割3d打印生坯件的方法，生坯件、打底层与基床形成一个具有一定结合强度的整体。导电的加热线在恒温装置的加热和控制下保持在一定温度范围内。使用24v的直流作为电源、wx
‑
101温控版高精度数显温度控制器作为温控主板、100kω的热敏电阻将导电的加热线加热并控制在180℃。待温控主板显示导电的加热线的温度范围维持在180
±
5℃时，加热线以平行于打底层顶面的角度沿着u型轨迹移动。同时，常温薄片与加热线保持在同一个水平面上且距离加热线移动轨迹反方向固定的位置。在水平夹持器的固定作用下，常温薄片与加热线保持在同一个水平面上且常温薄片距离加热线行走轨迹反方向5mm的位置。常温薄片在生坯件和基床之间形成隔断区。两个隔断区域内熔融的材料再次冷却成型。从而实现常温薄片上方的生坯件和下方的基床分割。
57.实施例2
58.一种快速分割3d打印生坯件的方法，生坯件与基床形成一个具有一定结合强度的整体。导热的金属线在恒温装置的加热和控制下保持在一定温度范围内。恒温装置配件选用100kω的附加电阻、220v的交流作为电源、欧姆龙温控器温度控制器全新原装数显电子温控仪表e5cwl
‑
r1p作为温控主板、500kω的热敏电阻以及100kω的加热棒。等待温控主板显示导热的金属线的温度范围维持在180
±
5℃时。导热的金属线以平行于基床的顶部沿着预定u型轨迹融化坯件的底部。然后，金属线的行走轨迹附近的融化区域内，插入多条0.5mm的温不锈钢金属薄片。常温薄片在生坯件和基床之间形成隔断区。两个隔断区域内熔融的材料再次冷却成型。从而实现常温薄片上方的生坯件和下方的基床分割。
59.对比例1
60.一种快速分割3d打印生坯件的方法，生坯件、打底层与基床形成一个具有一定结合强度的整体。导电的加热线在恒温装置的加热和控制下保持在一定温度范围内。使用24v的直流作为电源、wx
‑
101温控版高精度数显温度控制器作为温控主板、100kω的热敏电阻将导电的加热线加热并控制在180℃。待温控主板显示导电的加热线的温度范围维持在180
±
5℃时，加热线以平行于打底层顶面的角度沿着u型轨迹移动。
61.对比例2
62.一种快速分割3d打印生坯件的方法，采用冷刀片直接对生坯件进行分割。
63.对实施例1
‑
2和对比例1
‑
2分割后的生坯件进行检测，情况见下表：
[0064] 分割分离情况分割面平整情况生坯件损毁情况实施例1均分离成功平整无损毁实施例2均分离成功平整无损毁对比例1有粘接未粘接部分分割面平整无损毁对比例2均分离成功不平整有损毁
[0065]
由上表可知，采用本发明实施例提供的方法来对生坯件进行分割，分割成功率高且分割面均平整；而对比例1，由于未设置隔离层导致分离成功率低。分割后，生坯件与基床
发生再次粘接。而对比例2，分割过程造成大量的生坯件损毁，且部分分割成功的生坯件的分割面存在不平整的现象。
[0066]
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
[0067]
(1)本发明实施例提供的方法，包括加热元件或者装置将导电或导热的金属或非金属线通过自热或者导热的方式加热到设定温度附近。然后，具有恒定温度的线在机械或者手持装置的辅助下沿着预定轨迹移动。生坯件的底部或者打底层在接触到高温线后软化甚至融化，大大降低了生坯件与基床的结合强度。最后，在融化的线性区域内快速介入常温薄片或者空间分离以隔断生坯件与基床，避免融化的生坯件底部浆料再次将生坯件与基床冷却结合。经过常温薄片隔断后，融化后的生坯件底部浆料分别再次与生坯件、基床相结合形成两个独立的实体从而实现分割；
[0068]
(2)本发明实施例提供的方法，使用加热线/片接触生坯件进行局部加热，避免了对基床进行整体加热而造成的能源损耗；
[0069]
(3)本发明实施例提供的方法，利用生坯件材料热熔融特性，软化/熔融的过程中加热线/片对生坯件无明显横向作用力；
[0070]
(4)本发明实施例提供的方法，采用常温金属薄片对熔融后的生坯件和基床进行物理隔离，大大的提高了生坯件的分割效果。最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0071]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0072]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述方法包括：采用热分割装置沿预设轨迹对生坯件进行分割，所述热分割装置的温度a与软化或融化所述生坯件底部原料温度b满足如下关系：a＝b
±
25℃；进行分割的同时，在所述生坯件的分割处设置冷却隔离层，用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。2.根据权利要求1所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述热分割装置为热分割线或热分割薄片。3.根据权利要求2所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述热分割线为导电加热线，所述热分割薄片为导电加热薄片。4.根据权利要求1所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述热分割装置的温度为所述生坯件底部原料的熔点温度
±
25℃。5.根据权利要求1所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述冷却隔离层为移动薄片，以所述热分割装置的移动方向，所述移动薄片设于所述热分割装置的后端，所述移动薄片跟随所述热分割装置同步移动。6.根据权利要求1所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述冷却隔离层包括多个冷却薄片，多个所述冷却薄片随着所述分割装置的移动逐次插入所述生坯件的分割处。7.根据权利要求1所述的快速分割3d打印生坯件的方法，其特征在于，所述隔离层的厚度为0.2
‑
3mm。8.一种快速分割3d打印生坯件的装置，其特征在于，所述装置包括：基床，用以承接熔融后冷却成型的生坯件；热分割装置，所述热分割装置用以沿预设轨迹对生坯件进行分割；加热装置，所述加热装置用以将所述热分割装置加热至恰好能够软化或融化所述生坯件的温度；隔离层，所述隔离层用以填充所述生坯件的分割处来避免割离开的生坯件与基床发生再次粘合。9.根据权利要求8所述的快速分割3d打印生坯件的装置，其特征在于，所述热分割装置为热分割线或热分割薄片。10.根据权利要求8所述的快速分割3d打印生坯件的装置，其特征在于，所述隔离层为移动薄片，以所述热分割装置的移动方向，所述移动薄片设于所述热分割装置的后端，所述移动薄片跟随所述热分割装置移动。
技术总结
本发明特别涉及一种快速分割3D打印生坯件的方法和装置，属于3D打印技术领域。该方法包括：采用热分割装置沿预设轨迹对生坯件进行分割，实现生坯件与基床的快速分离。热分割装置的温度在软化或融化生坯件底部材料所需的温度附近；进行分割的同时，在生坯件的分割处添加冷却隔离层，用以填充生坯件的分割处以避免割离开的生坯件与基床再次融合；采用热分割装置，规避了基床整体加热，有效的缩短了加热时长，提高了3D打印生坯件的分割效率。采用高温软化/融化的方式从基床上分离出生坯件，热分割装置对生坯件与基床几乎不存在横向力的作用。因此，整个分割过程不需要额外的夹持工具，进而避免分割装置与夹持工具在物理空间内干涉；此外，分割装置具有结构简单，零件可替代性强、制造成本低等诸多优势。性强、制造成本低等诸多优势。性强、制造成本低等诸多优势。


技术研发人员：李祥友 贺兵 王泽敏 兰新强 李树寒 李桐
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.03.03
技术公布日：2021/6/29