CN103231513B - 3d打印方法及3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印方法及3D打印机。包括如下步骤：计算机中的3D建模软件为需要打印的物体建模；计算机控制升降平台上升；计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度保持不变；依次打印第一层至最后一层的外壳，在外壳的打印过程中，计算机通过Z轴电机依次控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充；外壳打印完毕后，计算机控制线料挤出装置停止挤出膏状紫外线光固化树脂，计算机控制紫外线灯照射壳体一段时间，壳体内部的液态紫外线光固化树脂固化。本发明具有打印效率高；并且在保证打印效率的同时，可保证所打印的物体密度高，不易损坏的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印技术领域，尤其是涉及一种打印效率高的3D打印方法及3D打印机。
背景技术
3D打印机的工作原理与普通打印机基本相同，是通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，这是一项颠覆传统制造工艺的技术革命。
通常的3D打印机打印速度很慢并且价格昂贵，如果要提高通常的3D打印机的打印效率，则需要将填充率参数的填充率降低，而填充率的降低则导致打印出来的物体的密度降低，强度差。
因此，通常的3D打印机只能在科研机构等场所使用，3D打印技术还不能广泛推广应用。
中国专利授权公开号：CN101531103A，授权公开日2011年5月18日，公开了一种打印机控制方法和打印机。包括以下步骤：存储包括第一数据或第一命令在内的设置信息，所述第一数据或第一命令用于令所述打印机基于蜂鸣器配置命令使所述蜂鸣器发出蜂鸣声；以及所述打印机基于所述第一数据或第一命令使所述蜂鸣器发出蜂鸣声。不足之处是，该发明的打印机不能用于3D打印。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的3D打印机打印效率低的不足，提供了一种打印效率高的3D打印方法及打印机。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
(1-1)计算机中的3D建模软件为需要打印的物体建模，将建成的三维模型分割成m层截面，并将截面信息存储于计算机中，预先设定储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围；
(1-2)计算机控制升降平台上升，使金属网距离喷头下端若干毫米；计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面低于金属网的高度若干毫米，计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围保持不变；
(1-3)在计算机的软件上设定填充率为0，外壳层数为1；计算机调取第一层的横截面信息，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿导轨架滑动至第一层横截面的边缘坐标的起始位置；
(1-4)计算机控制挤出电机工作，膏状紫外线固化树脂从喷头挤出，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿着第一层横截面的边缘移动，紫外线点光源同时照射挤出来的膏状紫外线光固化树脂，经过照射的膏状紫外线光固化树脂固化粘贴在金属网上；
(1-5)当第一层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充，设定层数i＝2；
(1-6)计算机调取第i层的横截面信息，计算机使X轴电机、Y轴电机带动滑动座滑动至第i层横截面的边缘坐标处的起始位置并沿着第i层横截面的边缘移动；
(1-7)膏状紫外线固化树脂从喷头挤出，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿着第i层横截面的边缘移动，紫外线点光源对挤出来的膏状紫外线光固化树脂和在紫外线点光源照射范围内的第i-1层液态紫外线光固化树脂进行照射，挤出来的膏状紫外线光固化树脂和靠近壳体的第i-1层液态紫外线光固化树脂固化；
(1-8)当第i层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充；
(1-9)当i<m时，使i值增加1并重复(1-6)至(1-8)的打印及填充过程；
(1-10)计算机控制线料挤出装置停止挤出膏状紫外线光固化树脂，计算机控制紫外线灯照射壳体一段时间，壳体内部的液态紫外线光固化树脂固化，物体打印完成。
本发明的3D打印机与普通的3D打印机相比，只需要设定填充率为0，外壳层数为1圈，就可以打出其它的3D打印机设定填充率100％的实心物体，可节省打印时间十几倍，打印物体大的甚至可以提高效率几十倍。
本发明使用膏状和液态并且的紫外线光固化树脂作为打印材料。利用膏状紫外线光固化树脂打印物体的外壳，膏状紫外线光固化树脂靠紫外线点光源的照射进行固化；利用储液箱内的液态紫外线光固化树脂对壳体内部进行填充，打印一层外壳，升降平台下降一层，储液箱内的液态紫外线光固化树脂不断流入壳体内，对壳体内部进行填充；当外壳打印完毕后，计算机控制线料挤出装置停止挤出膏状紫外线光固化树脂，计算机控制紫外线灯照射壳体一段时间，壳体内部的液态紫外线光固化树脂固化。
3D建模软件包括CAID和CAD两类。
CAID类包括alias studio，rhino等外观设计软件。
CAD类包括Pro/Engineer，UG(Unigraphics NX)，CATIA，solidwork等软件。
作为优选，所述紫外线点光源的照射方向对准喷头下方的0.1毫米至0.2毫米处。
作为优选，所述紫外线点光源的照射范围的直径为4毫米至6毫米。
在打印壳体的过程中，只有紫外线点光源的照射范围内的膏状紫外线光固化树脂和靠近壳体的液态光固化树脂会被固化，其它的没有被固化的液态光固化树脂会在壳体打印完毕后由紫外线灯照射固化。
作为优选，所述距离传感器为红外测距传感器、激光测距传感器或超声波测距传感器。
作为优选，所述步骤(1-10)中紫外线灯照射壳体的时间长度为2分钟至10分钟。
一种3D打印机，包括机架，上端开口的储液罐，设于机架上的第一树脂筒、第二树脂筒、升降平台、线料挤出装置和紫外线点光源；第一树脂筒内盛有液态紫外线光固化树脂，第二树脂筒内盛有膏状紫外线光固化树脂；第二树脂筒下部与线料挤出装置相联通，线料挤出装置上设有喷头，紫外线点光源的照射位置位于喷头下方；
第一树脂筒通过导管与储液罐的开口相连接，导管上设有电磁阀，储液罐内设有液面高度测量装置；
升降平台包括中部设有通孔的平板、平板上表面上设有金属网，平板与设于机架上的两条导向柱滑动连接，平板与设于机架上的丝杆相连接，丝杆下端与设于机架上的Z轴电机的转轴相连接；储液罐下部通过导管与设于平板下表面上的上端开口的储液箱相连通；
线料挤出装置和紫外线点光源位于滑动座上，机架上设有可带动滑动座横向及纵向移动的轨道架，机架上设有X轴电机、Y轴电机和与线料挤出装置相连接的挤压电机；
靠近所述升降平台的机架上设有至少1个用于面向升降平台照射的紫外线灯；计算机分别与液面高度测量装置、电磁阀、紫外线点光源、紫外线灯和各个电机电连接。
在计算机内预先设定储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围；在打印操作过程中，测距传感器不断检测与液态紫外线光固化树脂上表面之间的距离，计算机内的软件计算液态紫外线光固化树脂上表面的高度，当计算得到的液态紫外线光固化树脂上表面高度小于高度范围的最小值，则计算机控制电磁阀打开，液态紫外线光固化树脂从第一树脂筒流入储液罐中；当计算得到的液态紫外线光固化树脂上表面高度大于高度范围的最大值，则计算机控制电磁阀关闭。第二树脂筒下部通过塑料管与线料挤出装置相联通。
作为优选，所述液面高度测量装置包括设于储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面上的悬浮板和设于储液罐开口上的距离传感器，距离传感器的信号收发端面向悬浮板上表面，距离传感器与计算机电连接。
作为优选，所述滑动座包括与轨道架配合连接的底座、设于底座上的固定杆，固定杆上设有进料三通管，进料三通管的前端口与位于固定杆上的所述喷头上端相连通，进料三通管前端口和后端口之间设有螺杆，螺杆后端伸出进料三通管的后端口之外并与第二齿轮相连接；
所述挤压电机位于底座上，挤压电机的转轴与第一齿轮相连接，第一齿轮与第二齿轮相噬合；所述紫外线点光源位于固定杆上。
作为优选，所述轨道架包括设于机架上的前横杆、后横杆，X轴电机的转轴与后横杆相连接，前、后横杆的左端之间通过左皮带传动，前、后横杆的右端之间通过右皮带传动；左皮带上设有左固定座，右皮带上设有右固定座；左固定座与设于机架上的纵向延伸的左导向杆滑动连接，右固定座与设于机架上的纵向延伸的右导向杆滑动连接，左、右固定座之间设有前导向杆和后导向杆；
Y轴电机位于右固定座上，Y轴电机的转轴与设于左、右固定座之间的传动链条相连接，滑动座与传动链条固定连接。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)打印效率高；(2)并且在保证打印效率的同时，可保证所打印的物体密度高，不易损坏。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的滑动座的一种结构示意图；
图3是本发明的线料挤出装置的一种结构示意图；
图4是本发明的轨道架的一种结构示意图；
图5是本发明的一种原理框图；
图6是本发明的实施例的一种流程图。
图中：计算机1、机架2、储液罐3、第一树脂筒4、第二树脂筒5、升降平台6、线料挤出装置7、紫外线点光源8、喷头9、导管10、电磁阀11、距离传感器12、平板13、金属网14、导向柱15、丝杆16、Z轴电机17、储液箱18、滑动座19、轨道架20、X轴电机21、Y轴电机22、挤压电机23、紫外线灯24、固定杆25、进料三通管26、螺杆27、第二齿轮28、第一齿轮29、前横杆30、后横杆31、左皮带32、右皮带33、左固定座34、右固定座35、左导向杆36、右导向杆37、前导向杆38、后导向杆39、传动链条40、底座41。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种3D打印机，包括机架2，上端开口的储液罐3，设于机架上的第一树脂筒4、第二树脂筒5、升降平台6、线料挤出装置7和紫外线点光源8；第一树脂筒内盛有液态紫外线光固化树脂，第二树脂筒内盛有膏状紫外线光固化树脂；第二树脂筒下部与线料挤出装置相联通，线料挤出装置上设有喷头9，紫外线点光源的照射位置位于喷头下方；
第一树脂筒通过导管10与储液罐的开口相连接，导管上设有电磁阀11，储液罐内设有液面高度测量装置；液面高度测量装置包括设于储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面上的悬浮板和设于储液罐开口上的距离传感器12；距离传感器的信号收发端面向悬浮板上表面；
升降平台包括中部设有通孔的平板13、平板上表面上设有金属网14，平板与设于机架上的两条导向柱15滑动连接，平板与设于机架上的丝杆16相连接，丝杆下端与设于机架上的Z轴电机17的转轴相连接；储液罐下部通过导管与设于平板下表面上的上端开口的储液箱18相连通；
线料挤出装置和紫外线点光源位于滑动座19上，机架上设有可带动滑动座横向及纵向移动的轨道架20，机架上设有X轴电机21、Y轴电机22和与线料挤出装置相连接的挤压电机23；
靠近所述升降平台的机架上设有1个用于面向升降平台照射的紫外线灯24。
如图5所示，计算机1分别与距离传感器、电磁阀、紫外线点光源、紫外线灯和各个电机电连接。
如图4所示，轨道架包括设于机架上的前横杆30、后横杆31，X轴电机的转轴与后横杆相连接，前、后横杆的左端之间通过左皮带32传动，前、后横杆的右端之间通过右皮带33传动；左皮带上设有左固定座34，右皮带上设有右固定座35；左固定座与设于机架上的纵向延伸的左导向杆36滑动连接，右固定座与设于机架上的纵向延伸的右导向杆37滑动连接，左、右固定座之间设有前导向杆38和后导向杆39；
Y轴电机位于右固定座上，Y轴电机的转轴与设于左、右固定座之间的传动链条40相连接。
如图2、图3所示，所述滑动座包括与轨道架配合连接的底座41、设于底座上的固定杆25，固定杆上设有进料三通管26，进料三通管的前端口与位于固定杆上的所述喷头上端相连通，进料三通管前端口和后端口之间设有螺杆27，螺杆后端伸出进料三通管的后端口之外并与第二齿轮28相连接；
所述挤压电机位于底座上，挤压电机的转轴与第一齿轮29相连接，第一齿轮与第二齿轮相噬合；所述紫外线点光源位于固定杆上。
底座与传动链条固定连接，前导向杆和后导向杆分别穿过设有底座上的导向孔，前导向杆和后导向杆分别与底座滑动连接。
紫外线点光源的照射方向与喷头呈45度夹角。紫外线点光源的照射方向对准喷头下方的0.15毫米处。
紫外线点光源的照射范围的直径为5毫米。距离传感器为红外测距传感器。
喷头出料口的直径为0.4毫米。
本实施例中采用的液态紫外线光固化树脂和膏状紫外线光固化树脂均为无色透明的。
如图6所示，使用本发明的3D打印机打印一个边长为100毫米的立方体的打印方法包括如下步骤：
步骤100，计算机中的3D建模软件为立方体建模，将建成的三维模型分割成层厚为0.27毫米的370层截面，并将截面信息存储于计算机中，预先设定悬浮板上表面的高度范围为50厘米-8毫米至50厘米+8毫米，悬浮板的厚度为2厘米；液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围为48厘米-8毫米至48厘米+8毫米。
步骤200，计算机控制升降平台上升，使金属网距离喷头下端0.15毫米；计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面低于金属网的高度2.15毫米，计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度保持不变；
在打印的同时，计算机通过电磁阀控制装在第一树脂筒内的液态紫外线光固化树脂不断的流入储液罐中，使悬浮板的高度始终在预设的高度范围：50厘米-8毫米至50厘米+8毫米内。
步骤300，在计算机的软件上设定填充率为0，外壳层数为1；计算机调取第一层的横截面信息，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿导轨架滑动至第一层横截面的边缘坐标的起始位置；
步骤400，计算机控制膏状紫外线固化树脂以35毫米/秒的速度从喷头挤出，计算机使X轴电机、Y轴电机带动滑动座滑动沿着第一层横截面的边缘移动，紫外线点光源同时照射挤出来的膏状紫外线光固化树脂，经过照射的膏状紫外线光固化树脂固化粘贴在金属网上；
步骤500，当第一层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充，设定层数i＝2；
步骤600，计算机调取第i层的横截面信息，计算机使X轴电机、Y轴电机带动滑动座滑动至第i层横截面的边缘坐标处的起始位置并沿着第i层横截面的边缘移动；
步骤700，膏状紫外线固化树脂从喷头挤出，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿着第i层横截面的边缘移动，紫外线点光源对挤出来的膏状紫外线光固化树脂和在紫外线点光源照射范围内的第i-1层液态紫外线光固化树脂进行照射，挤出来的膏状紫外线光固化树脂和靠近壳体的第i-1层液态紫外线光固化树脂固化；
步骤800，当第i层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充；
步骤900，当i〈370时，使i值增加1并重复步骤600至步骤800的打印及填充过程；
步骤1000，计算机控制线料挤出装置停止挤出膏状紫外线光固化树脂，计算机控制紫外线灯照射壳体5分钟，壳体内部的液态紫外线光固化树脂固化，物体打印完成。立方体打印完成，总用时大约1小时。
下表为本发明的3D打印机与普通的3D打印机的效率对比表：
通过上表可以看出，本发明的3D打印方法及打印机与普通的3D打印机相比，本发明的3D打印机有效的提高了打印效率，降低了打印成本，为3D打印机的推广提供了可靠基础。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (8)
1.一种3D打印方法，其特征是，包括如下步骤：
(1-1)计算机中的3D建模软件为需要打印的物体建模，将建成的三维模型分割成m层截面，并将截面信息存储于计算机中，预先设定储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围；
(1-2)计算机控制升降平台上升，使金属网距离喷头下端若干毫米；计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面低于平台金属网的高度若干毫米，计算机控制储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面的高度范围保持不变；
(1-3)在计算机的软件上设定填充率为0，外壳层数为1；计算机调取第一层的横截面信息，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿导轨架滑动至第一层横截面的边缘坐标的起始位置；
(1-4)计算机控制挤出电机工作，膏状紫外线固化树脂从喷头挤出，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿着第一层横截面的边缘移动，紫外线点光源同时照射挤出来的膏状紫外线光固化树脂，经过照射的膏状紫外线光固化树脂固化粘贴在平台金属网上；
(1-5)当第一层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充，设定层数i＝2；
(1-6)计算机调取第i层的横截面信息，计算机使X轴电机、Y轴电机带动滑动座滑动至第i层横截面的边缘坐标处的起始位置并沿着第i层横截面的边缘移动；
(1-7)膏状紫外线固化树脂从喷头挤出，计算机控制X轴电机、Y轴电机带动滑动座沿着第i层横截面的边缘移动，紫外线点光源对挤出来的膏状紫外线光固化树脂和在紫外线点光源照射范围内的第i-1层液态紫外线光固化树脂进行照射，挤出来的膏状紫外线光固化树脂和靠近壳体的第i-1层液态紫外线光固化树脂固化；
(1-8)当第i层打印完毕后，计算机通过Z轴电机控制升降平台下降一层高度，储液箱内的液态紫外线光固化树脂流入壳体内，对壳体内部进行填充；
(1-9)当i＜m时，使i值增加1并重复(1-6)至(1-8)的打印及填充过程；
(1-10)计算机控制线料挤出装置停止挤出膏状紫外线光固化树脂，计算机控制紫外线灯照射壳体一段时间，壳体内部的液态紫外线光固化树脂固化，物体打印完成。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征是，所述紫外线点光源的照射方向对准喷头下方的0.1毫米至0.2毫米处。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征是，所述紫外线点光源的照射范围的直径为4毫米至6毫米。
4.根据权利要求1或2或3所述的3D打印方法，其特征是，所述步骤(1-10)中紫外线灯照射壳体的时间长度为2分钟至10分钟。
5.一种适用于权利要求1所述的3D打印方法中的3D打印机，其特征是，包括机架(2)，上端开口的储液罐(3)，设于机架上的第一树脂筒(4)、第二树脂筒(5)、升降平台(6)、线料挤出装置(7)和紫外线点光源(8)；第一树脂筒内盛有液态紫外线光固化树脂，第二树脂筒内盛有膏状紫外线光固化树脂；第二树脂筒下部与线料挤出装置相联通，线料挤出装置上设有喷头(9)，紫外线点光源的照射位置位于喷头下方；
第一树脂筒通过导管(10)与储液罐的开口相连接，导管上设有电磁阀(11)，储液罐内设有液面高度测量装置；
所述升降平台包括中部设有通孔的平板(13)、平板上表面上设有金属网(14)，平板与设于机架上的两条导向柱(15)滑动连接，平板与设于机架上的丝杆(16)相连接，丝杆下端与设于机架上的Z轴电机(17)的转轴相连接；储液罐下部通过导管与设于平板下表面上的上端开口的储液箱(18)相连通；
线料挤出装置和紫外线点光源位于滑动座(19)上，机架上设有可带动滑动座横向及纵向移动的轨道架(20)，机架上设有X轴电机(21)、Y轴电机(22)和与线料挤出装置相连接的挤压电机(23)；
靠近所述升降平台的机架上设有至少1个用于面向升降平台照射的紫外线灯(24)；计算机(1)分别与液面高度测量装置、电磁阀、紫外线点光源、紫外线灯和各个电机电连接。
6.根据权利要求5所述的3D打印机，其特征是，所述液面高度测量装置包括设于储液罐内的液态紫外线光固化树脂上表面上的悬浮板和设于储液罐开口上的距离传感器(12)，距离传感器的信号收发端面向悬浮板上表面，距离传感器与计算机电连接。
7.根据权利要求5所述的3D打印机，其特征是，所述滑动座包括与轨道架配合连接的底座(41)、设于底座上的固定杆(25)，固定杆上设有进料三通管(26)，进料三通管的前端口与位于固定杆上的所述喷头上端相连通，进料三通管前端口和后端口之间设有螺杆(27)，螺杆后端伸出进料三通管的后端口之外并与第二齿轮(28)相连接；
所述挤压电机位于底座上，挤压电机的转轴与第一齿轮(29)相连接，第一齿轮与第二齿轮相噬合；所述紫外线点光源位于固定杆上。
8.根据权利要求5或6或7所述的3D打印机，其特征是，所述轨道架包括设于机架上的前横杆(30)、后横杆(31)，X轴电机的转轴与后横杆相连接，前、后横杆的左端之间通过左皮带(32)传动，前、后横杆的右端之间通过右皮带(33)传动；左皮带上设有左固定座(34)，右皮带上设有右固定座(35)；左固定座与设于机架上的纵向延伸的左导向杆(36)滑动连接，右固定座与设于机架上的纵向延伸的右导向杆(37)滑动连接，左、右固定座之间设有前导向杆(38)和后导向杆(39)；
Y轴电机位于右固定座上，Y轴电机的转轴与设于左、右固定座之间的传动链条(40)相连接，滑动座与传动链条固定连接。
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