CN103862678A - 多组份反应固化材料3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多组份反应固化材料3D打印机，包括：喷头，用于混合和喷射树脂液；供料系统，所述供料系统与喷头相连，用于向喷头供给树脂液；清洁系统，所述清洁系统位于喷头下方，用于去除喷头下面残留的树脂液；控制系统，用于控制3D打印机的动作；红外灯，用于加速喷头喷射的树脂液的固化反应；滑块，所述滑块为喷头、红外灯和清洁系统的载体；机身，所述机身为3D打印机的支承体。本发明可利用现有商品化的双组份液态聚氨酯树脂，打印成形许许多多性能不同的塑料件，大大减少必须研制3D打印机专用塑料的品牌和型号数量，有效降低运行成本，有利于3D打印技术的推广。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种多组份反应固化材料3D打印机。
背景技术
3D打印是一种先进增材制造技术，这种技术基于离散－堆积制造原理，针对设计的工件三维CAD模型，将其自下而上离散为一系列的2D横截面薄层，然后用计算机控制的3D打印机，一层层地成形这些截面薄层，并将其顺序叠加、粘接为三维工件实体。用3D打印技术制作工件时，无需传统的切削加工机床和工模具，可直接成形复杂形状的三维实体，能大大节省工时与成本，特别适合于个性化生产，因此是现代重点发展的一种智能制造技术。
3D打印机与20世纪80年代末出现的快速成形机都是基于离散－堆积制造原理，但是，3D打印机与快速成形机又有所不同，3D打印机采用微滴喷射式喷头，特别强调成形真实可用的功能构件，而不是只能成形用于外观评价的样品。为此，3D打印机采用的成形材料必须符合功能构件的要求，不能是性能相差甚大的替代材料。
从制造业的需求看，最常用的材料有塑料和金属两种，特别是塑料非常普遍，其牌号与性能相差甚远，因此，要满足制造业3D打印成形众多性能不同的功能塑料件的需求，必须研制3D打印机专用的众多性能和牌号不同的塑料，这是十分艰巨甚至难于达到的要求。为解决上述难题，一个办法是：改进3D打印机的设计，设法使3D打印机能采用已有众多性能和牌号的通用塑料，而不是专用塑料。
在已有的快速成形和快速模具制造技术中，常常通过快速成形的母模型制作快速硅橡胶模，然后用硅橡胶模浇注双组份液态聚氨酯树脂。双组份聚氨酯树脂中，一个组分是活泼氢的化合物，例如多元醇(树脂)；另一个组分是异氰酸脂(固化剂)，在多元醇组分中还包含催化剂、扩链剂，以及其他助剂。将这两个组份按一定的质量比例加以混合，并浇注到硅橡胶模内，能迅速完成聚合、链增长、交联和固化反应，得到塑料件。经过多年来的发展，现有许许多多不同性能的商品化双组份液态聚氨酯树脂，这些树脂发生反应固化后能产生许许多多不同性能的塑料件。例如，硬塑料件、弹性塑料件、透明塑料件、耐高温塑料件和彩色塑料件等。因此，改进3D打印机的设计，充分利用现有许许多多不同性能的商品化双组份液态聚氨酯树脂，是解决3D打印机所需塑料，满足成形众多性能不同的功能塑料件需求的一个简捷办法。
目前，尚未见研制双组份反应固化材料3D打印机的报导，因此，有必要提供一种多组份反应固化材料3D打印机。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提供了一种多组份反应固化材料3D打印机。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种多组份反应固化材料3D打印机，所述3D打印机包括：
喷头，用于混合和喷射树脂液；
供料系统，所述供料系统与喷头相连，用于向喷头供给树脂液；
清洁系统，所述清洁系统位于喷头下方，用于去除喷头下面残留的树脂液；
控制系统，用于控制3D打印机的动作；
红外灯，用于加速喷头喷射的树脂液的固化反应；
滑块，所述滑块为喷头、红外灯和清洁系统的载体；
机身，所述机身为3D打印机的支承体。
作为本发明的进一步改进，所述喷头包括接头、混合管、螺旋棒和针头，其中，
所述接头的进口通过软管与供料系统相连，接头的出口与混合管配合，接头用于供料系统与混合管之间的连接；
所述混合管的进口与接头配合，内部放置螺旋棒，混合管的出口与针头配合，混合管用作多组份树脂液的混合腔；
所述螺旋棒处于混合管内，用于混合多组份树脂液；
所述针头的进口与混合管的出口配合，针头用于细化喷头喷射的树脂液流。
作为本发明的进一步改进，所述供料系统包括多个数量相等且一一对应设置的储料罐、蠕动泵和软管，其中，
所述储料罐通过软管与相应蠕动泵配合，储料罐用于储存树脂液；
所述蠕动泵通过软管与相应储料罐相连，蠕动泵用于将相应储料罐中的树脂液输送至喷头；
所述软管的进口插入储料罐的树脂液中，软管的出口与喷头接头的进口连接，软管用作储料罐与喷头之间树脂液的输送道。
作为本发明的进一步改进，所述蠕动泵内设置有滚柱，滚柱旋转从而挤压软管，使软管产生蠕动变形来输送树脂液。
作为本发明的进一步改进，所述储料罐、蠕动泵和软管的数量均设为2个。
作为本发明的进一步改进，所述清洁系统包括直流电动机、转轴、托盘、塑料海绵块，其中，
所述直流电动机固定在滑块上，直流电动机的下输出轴与转轴连接，用于驱动转轴和托盘转动；
所述转轴的上端与直流电动机的下输出轴连接，下端与托盘连接，用于将直流电动机的转动传递至托盘；
所述托盘的一端与转轴连接，托盘上表面粘有塑料海绵块，用于承接由喷头喷射的多余的树脂液；
所述塑料海绵块的下表面粘接在托盘的上表面，用于擦除喷头下面残留的树脂液。
作为本发明的进一步改进，所述清洁系统还包括固定杆，所述固定杆的上端固定于滑块，固定杆用于旋转托盘的定位。
本发明的多组份反应固化材料3D打印机可利用现有商品化的双组份液态聚氨酯树脂，打印成形许许多多性能不同的塑料件，大大减少必须研制3D打印机专用塑料的品牌和型号数量，有效降低运行成本，有利于3D打印技术的推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明一优选实施方式中多组份反应固化材料3D打印机的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，包括：
喷头，用于混合和喷射树脂液；
供料系统，所述供料系统与喷头相连，用于向喷头供给树脂液；
清洁系统，所述清洁系统位于喷头下方，用于去除喷头下面残留的树脂液；
控制系统，用于控制3D打印机的动作；
红外灯，用于加速喷头喷射的树脂液的固化反应；
滑块，所述滑块为喷头、红外灯和清洁系统的载体；
机身，所述机身为3D打印机的支承体。
参图1所示为本发明一优选实施方式中多组份反应固化材料3D打印机的结构示意图。本实施方式中的3D打印机为双组份反应固化材料3D打印机，由喷头100、供料系统200、清洁系统300、控制系统400、红外灯20与21、滑块22、可移动工作台31、驱动系统（未图示）和机身（未图示）等组成。
进一步地，喷头包括接头、混合管、螺旋棒和针头，其中：
述接头的进口通过软管与供料系统相连，接头的出口与混合管配合，接头用于供料系统与混合管之间的连接；
混合管的进口与接头配合，内部放置螺旋棒，混合管的出口与针头配合，混合管用作多组份树脂液的混合腔；
螺旋棒处于混合管内，用于混合多组份树脂液；
针头的进口与混合管的出口配合，针头用于细化喷头喷射的树脂液流。
如在本实施方式中，喷头100包括：接头17、混合管18、螺旋棒19和针头24。接头17用于喷头100与供料系统200的连接。混合管18为双组份液态聚氨酯树脂的混合腔。螺旋棒19由一连串的左旋叶片和右旋叶片，依序相互垂直紧密排列在混合管内组合而成，双组份聚氨酯树脂液分别在蠕动泵11和12驱动下通过混合管时,被叶片连续地切割重组，从而使两种液体均匀地混合、反应，然后通过针头24喷射至可移动工作台31的基板30表面，并迅速固化。针头24的内孔尺度为微米级，使喷射的液流细化。喷头100固定在滑块22上,在控制系统400的控制下，可相对可移动工作台31和基板32，沿X和Z方向往复运动。
进一步地，供料系统包括多个数量相等且一一对应设置的储料罐、蠕动泵和软管，其中，
储料罐通过软管与相应蠕动泵配合，储料罐用于储存树脂液；
蠕动泵通过软管与相应储料罐相连，蠕动泵用于将相应储料罐中的树脂液输送至喷头，蠕动泵内设置有滚柱，滚柱旋转从而挤压软管，使软管产生蠕动变形来输送树脂液；
软管的进口插入储料罐的树脂液中，软管的出口与喷头接头的进口连接，软管用作储料罐与喷头之间树脂液的输送道。
如在本实施方式中，供料系统200包括：储料罐13与14，蠕动泵11与12，以及供液软管33。储料罐13与14中分别储存双组份聚氨酯树脂液（储料罐13中为液态多元醇，储料罐14中为液态硬化剂）。蠕动泵11与12由步进电动机（未图示）驱动其中的滚柱32旋转，从而逐步挤压软管33，使其产生蠕动变形来输送树脂液。
调节驱动蠕动泵11与12的步进电动机的转速，可改变蠕动泵11与12的输出树脂液流量，从而改变双组份树脂液的混合质量比，适应现有商品化双组份聚氨酯树脂不同混合质量比的要求。由蠕动泵11与12输送的树脂液只在软管33中流动，不与蠕动泵的其他零件相接触，因此树脂液不会受泵体的污染，更换树脂液时，只需更换软管即可，无须清洁蠕动泵。蠕动泵输送的树脂液量精度高，可即开即停。
清洁系统包括直流电动机、转轴、托盘、塑料海绵块，其中，
直流电动机固定在滑块上，直流电动机的下输出轴与转轴连接，用于驱动转轴和托盘转动；
转轴的上端与直流电动机的下输出轴连接，下端与托盘连接，用于将直流电动机的转动传递至托盘；
托盘的一端与转轴连接，托盘上表面粘有塑料海绵块，用于承接由喷头喷射的多余的树脂液；
塑料海绵块的下表面粘接在托盘的上表面，用于擦除喷头下面残留的树脂液。
进一步地，清洁系统还包括固定杆，固定杆的上端固定于滑块，固定杆用于旋转托盘的定位。
如在本实施方式中，清洁系统300包括：微型直流电动机25、转轴26、托盘27、塑料海绵块28、固定杆29。微型直流电动机25固定在滑块22上，其下输出轴与转轴26连接，可通过转轴26驱动托盘27，使托盘27和粘接其上的塑料海绵块28摆过针头24的下方，承接由喷头喷射的多余树脂液，并擦除针头24下面残留的树脂液。然后，微型直流电动机25可反向转动并借助固定杆29定位，使托盘27和其上的塑料海绵块28返回原位，从而喷头100可继续喷射树脂液。
本实施方式中，控制系统400由CNC控制器23和配套软件组成。
红外灯20与21分别位于喷头100的左右侧，固定在滑块22上，可跟随喷头100，相对可移动工作台31沿X和Z方向往复运动，使发出的红外线照射在喷头100喷射的树脂液上，加速树脂液的固化反应。
滑块22为喷头100、红外灯20与21、清洁系统300的载体，在控制系统400的控制和驱动系统（未图示）的带动下，可相对可移动工作台31沿X和Z方向往复运动。
可移动工作台31与安装其上的基板30在控制系统400的控制和驱动系统（未图示）的带动下，可相对滑块沿Y方向往复运动。
本实施方式中的3D打印机工作时，按照成形塑料件的图形要求，控制系统400使供料系统200输出的双组份树脂液，通过喷头100混合和喷射，同时驱动系统又驱动喷头100、红外灯20与21与可移动工作台31之间，作X、Y和Z方向的运动，因而可成形固态塑料件。
上述实施方式为双组份反应固化材料3D打印机，在其他实施方式中，只需增加储料罐、蠕动泵和软管的数量，即可对应得到多组份反应固化材料3D打印机，其实现方式与上述实施方式完全相同，在此不再进行赘述。
由上述实施方式可以看出，本发明多组份反应固化材料3D打印机可利用现有商品化的双组份液态聚氨酯树脂，打印成形许许多多性能不同的塑料件，大大减少必须研制3D打印机专用塑料的品牌和型号数量，有效降低运行成本，有利于3D打印技术的推广。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括：
喷头，用于混合和喷射树脂液；
供料系统，所述供料系统与喷头相连，用于向喷头供给树脂液；
清洁系统，所述清洁系统位于喷头下方，用于去除喷头下面残留的树脂液；
控制系统，用于控制3D打印机的动作；
红外灯，用于加速喷头喷射的树脂液的固化反应；
滑块，所述滑块为喷头、红外灯和清洁系统的载体；
机身，所述机身为3D打印机的支承体。
2.根据权利要求1所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述喷头包括接头、混合管、螺旋棒和针头，其中，
所述接头的进口通过软管与供料系统相连，接头的出口与混合管配合，接头用于供料系统与混合管之间的连接；
所述混合管的进口与接头配合，内部放置螺旋棒，混合管的出口与针头配合，混合管用作多组份树脂液的混合腔；
所述螺旋棒处于混合管内，用于混合多组份树脂液；
所述针头的进口与混合管的出口配合，针头用于细化喷头喷射的树脂液流。
3.根据权利要求1所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述供料系统包括多个数量相等且一一对应设置的储料罐、蠕动泵和软管，其中，
所述储料罐通过软管与相应蠕动泵配合，储料罐用于储存树脂液；
所述蠕动泵通过软管与相应储料罐相连，蠕动泵用于将相应储料罐中的树脂液输送至喷头；
所述软管的进口插入储料罐的树脂液中，软管的出口与喷头接头的进口连接，软管用作储料罐与喷头之间树脂液的输送道。
4.根据权利要求3所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述蠕动泵内设置有滚柱，滚柱旋转从而挤压软管，使软管产生蠕动变形来输送树脂液。
5.根据权利要求3所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述储料罐、蠕动泵和软管的数量均设为2个。
6.根据权利要求1所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述清洁系统包括直流电动机、转轴、托盘、塑料海绵块，其中，
所述直流电动机固定在滑块上，直流电动机的下输出轴与转轴连接，用于驱动转轴和托盘转动；
所述转轴的上端与直流电动机的下输出轴连接，下端与托盘连接，用于将直流电动机的转动传递至托盘；
所述托盘的一端与转轴连接，托盘上表面粘有塑料海绵块，用于承接由喷头喷射的多余的树脂液；
所述塑料海绵块的下表面粘接在托盘的上表面，用于擦除喷头下面残留的树脂液。
7.根据权利要求6所述的多组份反应固化材料3D打印机，其特征在于，所述清洁系统还包括固定杆，所述固定杆的上端固定于滑块，固定杆用于旋转托盘的定位。
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