CN103331911B - 三维打印快速成型设备及三维实体物成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明是三维打印快速成型设备及三维实体物成型方法。其中，成型设备包括第一、第二感光鼓、承印台、转印带和光源。生成于第一感光鼓上的显影剂图像一由转印带转印至承印台上并经光照后固化成固体层。生成于第二感光鼓上的显影剂图像二由转印带转印到承印台上位于固体层之外的区域。承印台位于转印带沿铅垂向的下方。在铅垂向上位于承印台上的固体层上表面和粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内。其成型方法主要是用第一感光鼓生成可光照固化的三维实体物，用第二感光鼓生成可对三维实体物提供支撑的粉末堆积区。利用该成型设备制作三维实体物时成型精度高，所得三维实体物的后续精加工较为简便。

Description

三维打印快速成型设备及三维实体物成型方法

技术领域

本发明涉及快速成型设备及成型方法，特别是三维打印快速成型设备及三维实体物成型方法。

背景技术

三维立体打印是快速成型技术的一种。它是以数字模型文件为基础，运用粉末状或液体状的金属、塑料等可粘合材料，经过逐层打印的方式来构造物体的技术。该物体构造过程不再需要传统的刀具、夹具和机床等加工制造设备就可以打造出任意形状的立体物品。

三维立体打印机是连接计算机并将计算机中的信息予以输出的设备。在制造特定的立体物品时，通过把计算机设计的立体图像沿特定方向分割为若干薄层，再经由三维立体打印机用原材料逐一生成对应的薄层，进而逐层叠加后获得三维实体物。

目前，国内开发的三维立体打印快速成型设备主要是CN200510029726.9号专利文献公开的三维打印成型设备。该设备采用的成型方式是以液体材料作为支撑，在液体支撑材料中设置可升降的工作台并保持工作台的铅垂向上表面同液体支撑材料的同向上部液面处于同一个水平面内，通过喷头将成型材料喷溅至工作台的铅垂向上表面后使溅射材料固化成型。这种快速成型设备，需要设置工作台，以便提供支承溅射材料所需的支承件，因而在溅射成型过程中，其工作台会因为成型材料溅射到工作台表面后导致工作台下沉，致使工作台的铅垂向上表面与液体支撑材料的同向上部液面出现错位，以致提供支撑作用的液体材料浸入成型材料中，产生污染溅射材料或者影响溅射材料固化成型的现象，甚至出现溅射材料不能成型或者成型的溅射材料不符设计规格的后果。另一方面，利用现有的其他三维立体打印快速成型设备来制造三维实体物时，在具体的成型过程中，三维实体物的一些悬空或者镂空部位需要相应的辅助材料来充填其中以提供支撑作用。通常选用的辅助支撑材料都是既适合喷射操作又可以固化的材料如蜡等。这就导致制作三维实体物之前还需要准备不同的辅助支撑材料，同时制作三维实体物的过程被复杂化，且三维实体物成型后同辅助支撑材料之间的分离过程亦变得繁复异常，这些因素还会导致三维实体物的成型精度偏低，增大三维实体物的后续加工操作。

发明内容

针对上述现有三维立体打印快速成型设备的成型过程较为复杂且最终所得三维实体物成型精度偏低的问题，本发明目的在于提供一种三维打印快速成型设备。利用该设备制作三维实体物时，其操作过程十分简捷，且最终所得三维实体物的成型精度较高，对所得三维实体物的后续精加工极为有利。

本发明另一个目的在于提供三维实体物的成型方法。利用该成型方法制备三维实体物时，操作过程十分简捷，且最终所得三维实体物的成型精度较高。

为达至上述发明目的，本发明开发了一种三维打印快速成型设备。它包括第一、第二感光鼓、可沿铅垂向升降的承印台、转印带和光源。生成于第一感光鼓上的粉末状显影剂图像一由转印带转印至承印台上，并由光源产生的光线照射后固化成固体层。生成于第二感光鼓上的粉末状显影剂图像二由转印带转印到承印台上位于固体层之外的区域。承印台位于转印带沿铅垂向的下方。在铅垂向上，位于承印台上的固体层的上表面和位于承印台上的粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内。

前述三维打印快速成型设备，其光源产生的光线优选为紫外光线。

前述三维打印快速成型设备，其转印到承印台上的粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态。

前述三维打印快速成型设备，其承印台被置放于空筒中。

为实现上述第二个发明目的，本发明提出了一种利用三维打印快速成型设备实施的三维实体物成型方法。它包括下列顺序工艺步骤：

① 通过计算机设计出三维实体物的立体模型，并将该立体模型沿预定方向分割成一系列具有预定厚度的截面图形。之后，

② 沿着铅垂方向，提升承印台至适宜接受拟生成的粉末状显影剂图像一或粉末状显影剂图像二的位置。接着，

③ 计算机控制第一感光鼓和第二感光鼓分别生成与前述截面图形的第一层对应的粉末状显影剂图像一和粉末状显影剂图像二。粉末状显影剂图像一和粉末状显影剂图像二分别经由转印带转印至承印台上。转印到承印台上的粉末状显影剂图像一经光源产生的光线照射后固化成与前述截面图形的第一层相同的第一固体层。转印到承印台上的粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态。在铅垂向上，位于承印台上的第一固体层的上表面和位于承印台上的粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内。随后，

④ 沿着铅垂方向，降低承印台至适宜接受拟生成的与前述截面图形的第二层对应的粉末状显影剂图像一的位置。其后，

⑤ 计算机控制第一感光鼓和第二感光鼓分别生成与前述截面图形的第二层对应的粉末状显影剂图像一和粉末状显影剂图像二。粉末状显影剂图像一和粉末状显影剂图像二分别经由转印带转印至承印台上。转印到承印台上的粉末状显影剂图像一经光源产生的光线照射后固化成与前述截面图形的第二层相同的第二固体层并凝结于第一固体层上。转印到承印台上的粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态。在铅垂向上，位于承印台上的第二固体层的上表面和位于承印台上的粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内。最后，

⑥ 重复步骤④～⑤，得到与前述截面图形的后续层对应的后续固体层，直至三维实体物加工完毕。再从与粉末状显影剂图像二对应的粉末区中取出三维实体物即可完成三维实体物的成型加工。

前述三维实体物成型方法，其光源产生的光线为紫外光线。

针对现有三维立体打印快速成型设备的成型过程较为复杂且最终所得三维实体物成型精度偏低的问题，本发明提供的三维打印快速成型设备由第一、第二感光鼓、可沿铅垂向升降的承印台、转印带和光源作为主要构成基础，利用第一感光鼓经由转印带在承印台上生成能够光照固化的三维实体物，利用第二感光鼓经由转印带在承印台上生成对于源自第一感光鼓的三维实体物能够提供支撑作用的粉末堆积区。在这种构造方式下，打印成型的三维实体物同外部辅助支撑材料，即源自第二感光鼓的粉末堆积体之间，除了外部辅助支撑材料对三维实体物提供充填和支撑作用外基本不产生相互干扰，并且外部辅助支撑材料以粉末堆积体的方式提供支撑，三维实体物被包藏于粉末堆积体中，因此，三维实体物的成型过程处于相对不受干扰的状态，成型后的三维实体物亦可以从粉末堆积区中直接取出，而不需要清理辅助支撑材料，促使最终所得三维实体物的成型精度较高。由此，现有三维立体打印快速成型过程较为复杂且最终所得三维实体物与辅助支撑材料分离过程较为困难以及最终所得三维实体物成型精度偏低的问题得以避免。本发明三维打印快速成型设备操控简单，其三维实体物的成型过程以及同辅助支撑材料的分离过程均较为简捷，对形状复杂的三维实体物的成型加工尤为适用。利用该设备制作的三维实体物成型精度较高，其所得三维实体物的后续精加工亦极为简便。

附图说明

图1本发明三维打印快速成型设备结构示意图。

图2本发明三维打印快速成型设备工作过程示意图一。

图3本发明三维打印快速成型设备工作过程示意图二。

图4本发明三维打印快速成型设备工作过程示意图三。

图5本发明三维打印快速成型设备工作过程示意图四。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明三维打印快速成型设备及其成型方法。

参见图1～5，分别示出了本发明三维打印快速成型设备的结构示意图和工作过程示意图。

见图1，该三维打印快速成型设备100的主要构成基础是第一感光鼓101、第二感光鼓102、承印台103、转印带104和光源105。

第一感光鼓101和第二感光鼓102分别是电子照相成像处理盒一和电子照相成像处理盒二的构成部件。电子照相成像处理盒一的结构与电子照相成像处理盒二的结构相同。下面主要以电子照相成像处理盒一的结构和工作过程为例加以描述，对于电子照相成像处理盒二仅描述其相异之处。除了本文关于电子照相成像处理盒的介绍外，本领域技术人员还可以参阅电子照相成像处理盒的现有技术文献以获取该技术领域更详细的技术知识。

电子照相成像处理盒一的基本构成核心是第一感光鼓101、充电辊106、激光扫描器107、显影辊108和废粉刮片109。充电辊106、激光扫描器107、显影辊108和废粉刮片109沿着第一感光鼓101的圆周方向依次分布在第一感光鼓101的周围。工作时，第一感光鼓101的表面由充电辊106均匀地充电。激光扫描器107向第一感光鼓101的外圆柱面发射含有图像信息并且经过调制的激光束110，经激光束110照射后在第一感光鼓101的圆柱形表面上形成其分布存有差异的静电荷分布图，亦即与待复制的图像对应的静电潜像。之后，自显影辊108传来的碳粉111之类的显影剂在经过出粉刀调节层厚的状态下转而吸附在第一感光鼓101的圆柱形表面上，将前述静电潜像覆盖后，把其转换成可以肉眼观察的可视图像。随着第一感光鼓101朝着箭头x所示方向的旋转，由碳粉111在第一感光鼓101表面形成的可视图像换位至转印带104所在的位置。经转印带104所携带的转印电压的作用，将可视图像形式的碳粉111转印至位于第一感光鼓101所成可视图像附近的转印带104的表面上。前述第一感光鼓101上的可视图像在被转印带104转印之后，附着于其上的残留碳粉112由废粉刮片109刮除至废粉收集仓中，第一感光鼓101表面经相应消电设备消除静电后恢复至无电无尘的备用状态。这样就完成了一个基本的成像工作流程。该流程反复循环运转的结果，就可以在转印带104上形成对应的图像。电子照相成像处理盒一供应给第一感光鼓101的碳粉111为能够在光照状态下，特别是在紫外线照射下被固化的粉末状显影剂。

承印台103沿铅垂向位于转印带104的下方，它被放置于空筒113中，在铅垂向上它处于可以升降的状态。在转印带104上形成的图像经转印带104沿着箭头y所示方向转动后，被携带至承印台103的上方，经承印台103所携带的转印电压的作用，这些图像被转移至承印台103上。

光源105可发射紫外光线。它被设置于承印台103沿铅垂向的上方，方便光源105发出的紫外光线照射到承印台103上。

当第一感光鼓101在转印带104上形成以碳粉111作为显影剂的图像后，转印带104随即携带这些图像转移至承印台103的上方并将其移转到承印台103上，这些图像经光源105发出的紫外光线的照射，就会在承印台103上固化进而形成固体层。

电子照相成像处理盒二的工作流程与电子照相成像处理盒一的工作流程基本相同。其不同之处是，电子照相成像处理盒二供应给第二感光鼓102的碳粉是不具备光敏特性的粉末状显影剂，因此在包括紫外光在内的光线的照射下用于第二感光鼓102的碳粉依然保持着粉末形态。

利用三维打印快速成型设备100制作三维实体物时，第一感光鼓101在自身表面上生成粉末状显影剂图像一，粉末状显影剂图像一随即由转印带104转印到承印台103上，并由光源105产生的紫外光线照射后固化成固体层；第二感光鼓102在自身表面上生成粉末状显影剂图像二，粉末状显影剂图像二随即由转印带104转印到承印台103上。粉末状显影剂图像二在承印台103上的位置介于由粉末状显影剂图像一形成的固体层之外。粉末状显影剂图像二被容纳于由承印台103和空筒113的筒壁围成的空腔中。在三维实体物的具体制作过程中，于铅垂方向上，位于承印台103上由粉末状显影剂图像一形成的固体层的上表面与位于承印台103上的粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内，以便转印带104同承印台103的上表面或者承印台103所载样品的上表面之间保持在同一个间隙距离，并且粉末状显影剂图像二即使在在包括紫外光在内的光线的照射下也依然保持粉末状分散状态。

作为本发明三维打印快速成型设备100的改进，本领域技术人员可以对该设备使用的电子照相成像处理盒的数量作出调整，在对应的电子照相成像处理盒中充填以不同颜色的显影剂，以实现彩色三维实体物的打印成型。这种改进同本发明相比并非实质性的技术变化，当属于本发明三维打印快速成型设备权利要求的保护范围。

利用三维打印快速成型设备100具体制作三维实体物时，采用以下顺序的工艺步骤，参见图2、3、4、5：

首先，通过计算机设计出待制作三维实体物的立体模型，并将该立体模型沿预定方向分割成一系列具有预定厚度的截面图形。

其次，沿着铅垂方向，把承印台103提升至适宜的位置，以便接受即将由第一感光鼓101生成后移转到转印带104上的粉末状显影剂图像一114或即将由第二感光鼓102生成后移转到转印带104上的粉末状显影剂图像二115。

接着，计算机控制第一感光鼓101和第二感光鼓102分别生成与前文所述截面图形的第一层对应的粉末状显影剂图像一114和粉末状显影剂图像二115。粉末状显影剂图像一114和粉末状显影剂图像二115分别经由转印带104移转到承印台103上。转印到承印台103上的粉末状显影剂图像一114经光源105所生紫外光线照射后固化成与截面图形第一层形状相同的第一固体层116。转印到承印台103上的粉末状显影剂图像二115则保持粉末状的分散状态，亦即转印到承印台103上的粉末状显影剂图像二115以互不固结的粉末形态方式容纳于由承印台103和空筒113的筒壁围成的空腔中。完成截面图形第一层的打印之后，在铅垂方向上，位于承印台103上的第一固体层116的上表面和位于承印台103上的粉末状显影剂图像二115的上表面位于同一水平面内。

之后，沿着铅垂方向，在空筒113中把承印台103降低至适宜的位置，以便承印台103方便接受与计算机分割所得之截面图形第二层对应的粉末状显影剂图像一114。

其后，计算机控制第一感光鼓101和第二感光鼓102分别第二次生成与计算机分割所得之截面图形第二层对应的粉末状显影剂图像一114和粉末状显影剂图像二115。粉末状显影剂图像一114和粉末状显影剂图像二115分别经由转印带104转印至承印台103上。转印到承印台103上的粉末状显影剂图像一114经光源105产生的紫外光线照射后固化成与截面图形第二层形状相同的第二固体层117并凝结于第一固体层116上（见图4）。转印到承印台103上的粉末状显影剂图像二115依然保持粉末状分散状态，并堆积于同截面图形第一层对应的粉末状显影剂图像二115上。完成截面图形第二层的打印之后，在铅垂方向上，位于承印台103上的第二固体层117的上表面和位于承印台103上的粉末状显影剂图像二115的上表面位于同一个水平面内。

最后，重复上述第四、第五步骤，得到与计算机分割所得之截面图形的后续层对应的后续固体层，直至三维实体物加工完毕。再从与粉末状显影剂图像二115对应的粉末区中取出三维实体物118即可完成三维实体物的初步成型加工，辅以后续精加工后即可得到目标产品。

Claims (6)

1. 三维打印快速成型设备，包括第一、第二感光鼓和可沿铅垂向升降的承印台，其特征在于，还包括转印带和光源，生成于所述第一感光鼓上的粉末状显影剂图像一由所述转印带转印至所述承印台上并由所述光源产生的光线照射后固化成固体层，生成于所述第二感光鼓上的粉末状显影剂图像二由所述转印带转印到所述承印台上位于所述固体层之外的区域，所述承印台位于所述转印带沿铅垂向的下方，在铅垂向上位于所述承印台上的所述固体层的上表面和位于所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内。

2. 根据权利要求1所述三维打印快速成型设备，其特征在于，所述光源产生的光线为紫外光线。

3. 根据权利要求1或2所述三维打印快速成型设备，其特征在于，转印到所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态。

4. 根据权利要求1或2所述三维打印快速成型设备，其特征在于，所述承印台被置放于空筒中。

5. 利用权利要求1所述三维打印快速成型设备实施的三维实体物成型方法，包括下列顺序工艺步骤：

① 通过计算机设计出三维实体物的立体模型，并将所述立体模型沿预定方向分割成一系列具有预定厚度的截面图形，

② 沿着铅垂方向，提升所述承印台至适宜接受拟生成的所述粉末状显影剂图像一或所述粉末状显影剂图像二的位置，

③ 计算机控制所述第一感光鼓和所述第二感光鼓分别生成与所述截面图形的第一层对应的所述粉末状显影剂图像一和所述粉末状显影剂图像二，所述粉末状显影剂图像一和所述粉末状显影剂图像二分别经由所述转印带转印至所述承印台上，转印到所述承印台上的所述粉末状显影剂图像一经所述光源产生的光线照射后固化成与所述截面图形的第一层相同的第一固体层，转印到所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态，在铅垂向上位于所述承印台上的所述第一固体层的上表面和位于所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内，

④ 沿着铅垂方向，降低所述承印台至适宜接受拟生成的与所述截面图形的第二层对应的所述粉末状显影剂图像一的位置，

⑤ 计算机控制所述第一感光鼓和所述第二感光鼓分别生成与所述截面图形的第二层对应的所述粉末状显影剂图像一和所述粉末状显影剂图像二，所述粉末状显影剂图像一和所述粉末状显影剂图像二分别经由所述转印带转印至所述承印台上，转印到所述承印台上的所述粉末状显影剂图像一经所述光源产生的光线照射后固化成与所述截面图形的第二层相同的第二固体层并凝结于所述第一固体层上，转印到所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二保持粉末状分散状态，在铅垂向上位于所述承印台上的所述第二固体层的上表面和位于所述承印台上的所述粉末状显影剂图像二的上表面位于同一个水平面内，

⑥ 重复步骤④～⑤得到与所述截面图形的后续层对应的后续固体层直至所述三维实体物加工完毕，随后从与所述粉末状显影剂图像二对应的粉末区中取出所述三维实体物。

6. 根据权利要求5所述三维实体物成型方法，其特征在于，所述光源产生的光线为紫外光线。