本发明属于三维打印，具体涉及一种螺杆挤出的双辊并行辊压装置和三维打印方法。
背景技术：
1、增材制造是一种基于材料沉积的加工工艺方式，是第四次工业革命的主要进步之一。增材制造中以fdm工艺最为简单，获得了广泛的应用。近年来，由于绿色制造观念的引入，提出了螺杆挤出式三维打印，这种工艺采用塑料颗粒，相比较采用丝材打印的传统熔融沉积工艺，减少了原料的加工步骤，可以有效的减少能源的消耗。同时，螺杆挤出式3d打印可以有效提高打印效率，并且可以在打印大尺寸零件时保持打印的连贯性。然而，和丝材打印一样，螺杆挤出式三维打印层间结合力较差，较大的孔隙率进一步限制了制件的力学性能。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题在于：针对现有的螺杆挤出式三维打印层间结合力较差，孔隙率较大问题，提供了一种螺杆挤出三维打印的压辊装置和方法，在螺杆挤出打印的同时，控制压辊以与打印轨迹相垂直的角度对沉积物进行辊压，这样有利于减少熔融物中的孔隙，还可以增加z方向相邻两层熔融物之间的纠缠再扩散，有效提高制件的层间结合力，从而提高螺杆挤出打印制件的力学性能。
2、为解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：一种螺杆挤出的双辊并行辊压打印装置，用于实现辊压过程中压辊角度的控制，包括螺杆挤出螺杆外筒，螺杆挤出螺杆外筒的一端设置有打印喷嘴，螺杆挤出螺杆外筒表面上固定设置第一固定架，第一固定架上固定设置作为压辊角度的控制部件的步进电机，步进电机输出轴上设有链条装配结构，链条装配结构与双辊并行辊压结构固定接连；通过步进电机驱动链条装配结构运动进一步带动双辊压结构实现打印喷嘴在打印时沿着预设打印轨迹行进的过程中，旋转角度以始终满足双辊压结构的辊筒的轴线方向与打印轨迹垂直。
3、进一步地，前述的链条装配结构包括第一链轮、高温轴承、第二链轮、云母隔热层、链条；
4、第一链轮与步进电机固定连接，第二链轮与第一链轮通过链条形成链条装配；第二链轮与双辊压结构固定接连；
5、螺杆挤出螺杆外筒设有高温轴承，且高温轴承设于靠近喷嘴的螺杆挤出螺杆外筒一侧，所述高温轴承与螺杆挤出螺杆外筒过盈配合，高温轴承与云母隔热层固定连接，云母隔热层与双辊并行辊压结构固定接连。
6、进一步地，前述的双辊并行辊压结构包括刻度平台、升降平台、第二固定架、支撑架；
7、刻度平台与升降平台一个端面螺纹连接且保持活动调节的相对位置，用于实现压辊高度控制，升降平台的另一个端面固定连接设置第二固定架，第二固定架用于连接支撑架，支撑架上设置并行的双压辊，并行的双压辊轴线相互平行且通过各自的辊筒轴心与支撑架螺纹连接，辊筒轴心设有限位环，限位环用于微型轴承固定空间移动，所述微型轴承与辊筒相互配合连接。
8、进一步地，前述的刻度平台与升降平台一个端面螺纹连接时，通过对螺纹螺距设置预设距离，且在刻度平台上划分刻度，实现刻度平台和升降平台相对旋转时，升降平台根据刻度在预设距离范围内精确上升或者下降。
9、本发明还提出一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，包括如下步骤：
10、s1、建立压辊力和压入深度的数学关系模型，在辊压过程中对每一层施加固定的下压量实现对沉积轨迹的均匀辊压；
11、s2、建立愈合促进模型，降低压辊孔隙率及提升制件层间结合力；
12、s3、在辊压每一层沉积后，对层高进行偏执处理，即除第一层外的每一层的打印高度都为已沉积高度加层高；
13、s4、通过打印代码获取所有轨迹点的坐标，根据点的坐标计算每条轨迹向量的角度α并进行锐角化为α′，基于α′初始化压辊角度，根据当前轨迹三维打印代码中物料挤出量、第一链轮和第二链轮的分度圆直径、步进电机输出轴轴径，计算当前轨迹两个压辊角度，用当前轨迹两个压辊角度分别减去上一个轨迹对应的两个压辊角度，获得压辊角度变化值，取变化值最小的压辊角度，并进行锐角化，作为下一轨迹的压辊角度。
14、进一步地，前述的步骤s1包括以下子步骤：
15、s101、在压辊过程中，基于距离上一层沉积高度为h的微元，建立压辊运动方程：
16、
17、式中，p为压辊对物料的压力，τ为压辊和物料间的黏着摩擦力；τ＝fp，f为打印材料和压辊材料之间的黏着摩擦系数；
18、s102、根据牛顿流体本构方程对压辊运动方程改写为下式：
19、
20、式中，η0是物料的粘度；
21、边界条件为：
22、
23、s103、对沿着打印方向的运动方程进行两次y的积分，带入边界条件：
24、
25、式中，vprint是打印速度；
26、s104、计算体积流量q：
27、
28、将上式变化为：
29、
30、将h0为压辊压入深度带入上式，得到下式：
31、
32、进一步地，参考图6，采用压辊导致的高度误差累积原理及补偿措施示意图。前述的步骤s2包括以下子步骤：
33、s201、提取无压辊和有压辊下一条沉积轨迹的截面，
34、s202、建立层间z-z方向强度预测模型：
35、
36、其中，σpred为制件的预测强度，wbond为z方向相邻两条沉积轨迹之间的接触宽度，w为打印时沉积轨迹的宽度，σ∞为完全愈合强度，由模压强度给出,χ为层间扩散时的层间穿透距离，χ∞为完全愈合时的扩散距离；
37、s203、根据三维打印中，z-z方向向相邻两条轨迹之间的愈合过程：浸润、扩散、随机化，当层间扩散时的层间穿透距离χ＝0时，此时层间结合强度σ0仅由浸润产生，此时σ0＝0，当层间扩散时的层间穿透距离χ>χ∞时，层间结合强度不会随着扩散距离的增加而进一步增加，即：
38、
39、式中，w根据挤出前后、辊压前后体积不变，结合材料挤出胀大比计算，如下：
40、
41、其中，rn为打印喷嘴的口模半径，b为挤出胀大比，即完全松弛的挤出物与打印喷嘴口模半径之比，hs为打印时设定的打印层高参数，kroller为压辊高度系数，为辊压后层高与辊压前层高之比；
42、wbond定义如下式：
43、
44、式中，rc为沉积物表面的粗糙度系数，反应z向相邻沉积物之间的孔隙情况，pcontact为z向相邻沉积物之间的接触压力，ta为接触时间，一般为5～10ms，为温度tm、为沉积时的剪切速率,α为幂律指数。
45、进一步地，前述的步骤s3具体为：对打印代码对层高进行了偏置处理如下式：
46、zni＝h+ih
47、其中，zni为喷嘴相对平台的高度，h为打印层高，h为辊压后的层高，i为打印层数，i的初始值为0。
48、进一步地，前述的步骤s4中：根据点的坐标计算每条轨迹向量的角度α并进行锐角化为α′如下式：
49、
50、式中，α为轨迹向量的角度，α′为锐角化后轨迹向量的角度；
51、压辊角度，计算如下式：
52、
53、式中，e为三维打印代码中挤出量，d1为第一链轮的分度圆直径，d2为第二链轮的分度圆直径，d为步进电机输出轴轴径。
54、进一步地，前述的压辊角度变化锐角化通过下面定义：
55、
56、式中，δβ为相邻两轨迹对应的压辊角度变化值，δβ′为锐角化后相邻两轨迹对应的压辊角度变化值。
57、相较于现有技术，本发明采用以上技术方案的有益技术效果如下：
58、1.减少了螺杆挤出三维打印过程中孔隙率的产生，提高了制件的致密度及层间结合力；
59、2.可以通过设计的机械装置定量调控压辊的下压量，以适应不同的打印需求；
60、3.通过提出的压辊角度自适应规划，可以使得压辊能够随着轨迹的走向而自适应发生变化；
61、4.对打印层高进行了补偿，避免了由于引入压辊而导致的悬空打印。
1.一种螺杆挤出的双辊并行辊压打印装置，用于实现辊压过程中压辊角度的控制，包括螺杆挤出螺杆外筒(01)，其特征在于，螺杆挤出螺杆外筒(01)的一端设置有打印喷嘴(13)，螺杆挤出螺杆外筒(01)表面上固定设置第一固定架(02)，第一固定架(02)上固定设置作为压辊角度的控制部件的步进电机(06)，步进电机(06)输出轴上设有链条装配结构，链条装配结构与双辊并行辊压结构固定接连；通过步进电机(06)驱动链条装配结构运动进一步带动双辊压结构实现打印喷嘴(13)在打印时沿着预设打印轨迹行进的过程中，旋转角度以始终满足双辊压结构的辊筒(15)的轴线方向与打印轨迹垂直。
2.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压打印装置，其特征在于，链条装配结构包括第一链轮(07)、高温轴承(12)、第二链轮(03)、云母隔热层(11)、链条(08)；
3.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压打印装置，其特征在于，双辊并行辊压结构包括刻度平台(04)、升降平台(05)、第二固定架(09)、支撑架(10)；
4.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压打印装置，其特征在于，刻度平台(04)与升降平台(05)一个端面螺纹连接时，通过对螺纹螺距设置预设距离，且在刻度平台(04)上划分刻度，实现刻度平台(04)和升降平台(06)相对旋转时，升降平台(05)根据刻度在预设距离范围内精确上升或者下降。
5.一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，步骤s1包括以下子步骤：
7.根据权利要求5所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，步骤s2包括以下子步骤：
8.根据权利要求5所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，步骤s3具体为：对打印代码对层高进行了偏置处理如下式：
9.根据权利要求5所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，步骤s4中：根据点的坐标计算每条轨迹向量的角度α并进行锐角化为α′如下式：
10.根据权利要求5所述的一种螺杆挤出的双辊并行辊压三维打印方法，其特征在于，压辊角度变化锐角化通过下面定义：
