CN104527065A - 一种具有刮平功能的激光3d打印机及其光固化打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先公开了一种具有刮平功能的激光3D打印机，包括用于构成节本骨架的外框单元、用于盛放打印原液的料槽、能够与所述的外框单元相对纵向运动且位于所述料槽内工作位的打印单元、用于提供光固化激光光源的照射单元、位于所述打印单元和所述照射单元之间用于对打印面的刮平处理的刮平单元以及控制各单元工作状态的控制单元；所述刮平单元能够纵向运动，其上设置的刮平板能在料槽内水平横向运动，并在一个往复运动中同时完成刮除动作和抹平动作；还公开了一种适用于所述3D打印机的光固化打印方。本发明打印平稳，精度较高，对于每一截面的平整度控制较好，整体打印形变率较低。

Description

一种具有刮平功能的激光3D打印机及其光固化打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种具有刮平功能的激光3D打印机，以及该3D打印机的光固化打印方法。

背景技术

随着时代的发展，3D打印机和3D打印技术自出现以来一直处于高速的发展中，且已延伸到了国民经济的各个领域中，从一开始的FDM传统式的打印方法渐渐的演变为当前流行的SLA激光光固化打印方法。

参阅申请号为201310417391.2的中国专利《用于光固化3D打印机的压板装置及面成型3D打印机》，一种用于光固化3D打印机的压板装置及面成型3D打印机，所述压板装置包括透明压板，透明压板上设有用于固定在光固化3D打印机的容器盒中的固定结构。面成型3D打印机包括：容器盒，用于盛放液态的光固化材料；打印板，具有位于所述容器盒中的工作位，是产品的成型支持平台；驱动机构，用于驱动所述打印板在所述容器盒中上下移动；投影设备，其投影镜头位于所述打印板的上方，用于向所述打印板投射投影图像；压板装置，该压板装置位于所述容器盒中并介于所述投影镜头和所述打印板之间。但本发明仍未能解决打印面存在毛刺或不平等情况引起打印过程产生形变甚至打印失败的问题。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有刮平功能的激光3D打印机及其光固化打印方法，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供了一种具有刮平功能的激光3D打印机，包括：

一外框单元，其为打印机主体结构；

一料槽，其固定安装在所述外框单元上，用于盛放打印原料；

一打印单元，其安置于所述料槽内工作位，并与所述外框单元活动连接，能够与所述的外框单元相对纵向运动；

一照射单元，其安置于所述外框单元上，并位于所述打印单元正上方，用于提供原料成型光源；

一刮平单元，其位于所述打印单元和所述照射单元之间，并与所述外框单元活动连接，用于对打印面的刮平处理；

一控制单元，其安装在所述外框单元上，用于对所述照射单元、所述打印单元以及所述刮平单元进行控制。

所述的刮平单元包括：

一刮平支架，其与所述外框单元上设置的一刮平轨道相连接，所述刮平支架上设置有一横向轨道；

一第二电机，其设置在所述刮平支架上，用于驱动所述刮平单元整体沿着所述刮平轨道运动；

一刮平装置，其与所述刮平支架相连，并能够沿着所述横向轨道做平行往复运动。

较佳的，所述的刮平装置包括：

一刮平板，其分为上部和下部，所述上部与所述横向轨道相连接，所述下部两侧面分别为一刮除面和一抹平面，用于在所述往复运动中分别对打印面进行刮除处理动作和抹平处理动作；

一刮平电机，其与所述刮平板上设置的一小轴相连，用于驱动所述刮平板沿着所述横向轨道进行往复运动。

较佳的，所述的刮除面边缘符合公式：

ay＝hlg|x+1|           (1)

所述的抹平面692边缘符合公式：

a|y|＝2hx²              (2)

其中，以所述刮平板截面中所述刮除面与所述抹平面相交点为原点建立平面坐标，x为水平方向，y为竖直方向，a为截面中所述上部的长度，h为高度。

较佳的，所述的刮平支架下端还设置有一距离传感器，其用于测量所述打印原液的液面高度，并将测量数据传输至所述控制单元进行所述刮平单元高度的调节。

较佳的，所述的3D打印机还包括一搅拌单元，所述的搅拌单元设置于所述料槽底部，其包括一搅拌电机和一搅拌支架，所述搅拌电机通过所述搅拌支架固定安装在所述料槽的底部，所述搅拌电机上设置有叶片，所述叶片用于在所述搅拌电机的驱动下对所述的打印原液进行搅拌。

较佳的，所述的搅拌单元还包括一筛网，所述筛网安置于所述料槽内，并位于所述叶片上方，用于容纳所述刮平单元刮下的固体杂质。

较佳的，所述的刮平装置还包括一翻转电机，所述翻转电机与所述的小轴相连，用于在所述抹平处理动作时带动所述刮平板向上翻转15度。

较佳的，所述3D打印机还包括一减震单元，其设置于所述料槽与所述外框单元连接面，用于对所述料槽进行减震。

然后提供了一种光固化打印方法，其适用于上面所述的具有刮平功能的激光3D打印机，包括步骤：

步骤a，3D建模软件为产品建模、分层，并将截面信息存储于计算机中，计算机通过所述控制单元对所述3D打印机完成工作状态的控制；

步骤b，向所述料槽内注入打印原液；

步骤c，所述控制单元控制调整打印平台高度；

步骤d，距离传感器检测刮平板下端是否与料槽内液面高度齐平，若不齐平，驱动所述刮平单元进行纵向位置调整，直到所述刮平板下端与液面处齐平；

步骤e，所述照射单元根据第一层面的截面信息进行光固化打印；

步骤f，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤g，打印平台下降一个层面高度；

步骤h，所述照射单元根据当前层面的截面信息进行光固化打印；

步骤i，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤j，判断打印层面是否已是最后一层,若否，重复步骤g至步骤i，若是，打印完成。

较佳的，所述的步骤i包括步骤：

步骤i1，系统检测到已完成扫描打印动作，控制所述刮平板从初始位置开始沿所述横向轨道运动；

步骤i2，横向运动过程中所述刮除面工作，刮除打印面毛刺；

步骤i3，系统检测到所述刮平板已到达终点，停止移动，并驱动所述刮平板向上翻转15度；

步骤i4，系统控制所述刮平板向初始位置运动，横向运动过程中所述抹平面工作，抹平打印面不平位置；

步骤i5，系统检测到所述刮平板已回到初始位置，停止横向移动动作。

本发明的有益效果在于：(1)所述横向轨道和刮平电机的设计使得所述刮平动作能够稳定高速的完成；(2)所述刮平装置横向往返运动中得到两种不同的效果，从而得到更为优秀的打印面；(3)所述距离传感器的设计使得对所述料槽内的液面高度更为敏感，从而及时配合所述第二电机进行所述刮平单元高度的调节；(4)所述搅拌单元7的设计使得所述料槽中的打印原液能够进行上下对流交换；(5)所述翻转电机的设计使得所述抹平过程更为合理，从而得到更为平滑的打印面；(6)所述筛网的设计可容纳所述刮平单元刮下的固体杂质，防止大块的固体杂质进入所述料槽底部对所述叶片产生影响。

附图说明

图1为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例一的结构功能框图；

图2为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的剖面结构示意图；

图3为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的半剖结构左视示意图；

图4为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的半剖结构右视示意图；

图5为图2中图示I部的局部放大结构示意图；

图6为图2中A-A截面的左视剖面结构示意图；

图7为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例三的剖面结构示意图；

图8为图7中II部的局部放大结构示意图

图9为本发明光固化打印方法的流程图；

图10为本发明光固化打印方法步骤i的具体步骤流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。在实施方式中，相同构造的部分使用相同的附图标记并且省略描述。

参阅图1所示，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例一的结构功能框图。如图所示，所述的3D打印机包括外框单元1、照射单元2、料槽3、打印单元4、控制单元5以及刮平单元6。

所述的外框单元1构成所述3D打印机的基本骨架结构。

所述料槽3设置在所述外框单元1上，用于承载光固化3D打印用的打印原液。

所述照射单元2安置在所述外框单元1上，且其位于所述料槽3上方，用于提供光固化3D打印过程所需要的激光光源。

所述的打印单元4位于所述料槽3内，并与所述外框单元1活动连接，其能够与所述的外框单元1相对纵向运动。

所述的刮平单元6设置于所述料槽3内，并位于所述打印单元4上方，其与所述的外框单元1相连接，能够对打印面进行刮平处理。

所述的控制单元5设置在所述外框单元1上，用于对所述的照射单元2、所述的打印单元4以及所述的刮平单元6进行工作状态的控制。

在光固化3D打印过程开始时，所述的料槽3内盛有打印原液，所述的打印单元4首先浸入所述打印原液一定深度，并调整所述的刮平单元6至适当位置，所述的照射单元2提供激光光源，所述的控制单元5对整个工作状态进行控制，使得所述的打印单元4在照射单元2每扫描光固化一个层面后，所述的刮平单元6就对所述的层面上端进行一次刮平处理，然后所述的打印单元4再整体下降一个层面高度，并进行下一层面的打印，直到打印完成。

这样，所述刮平单元6的设计使得每一层面的打印后都能有效的清除因受光不均等原因引起的打印面存在毛刺或不平的问题。

参阅图2所示，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的剖面结构示意图；结合图3，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的半剖结构左视示意图；以及图4，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例二的半剖结构右视示意图。

如图中所示，所述的3D打印机包括外框单元1、照射单元2、料槽3、打印单元4、控制单元5以及刮平单元6。其中，

所述的外框单元1包括外框体11、一打印平台轨道12和一刮平轨道13。所述的外框体11构成所述打印机的外部骨架结构，所述外框体11两侧分别设置有所述打印平台轨道12和所述刮平轨道13，其所处位置分别与所述的打印单元4以及刮平单元6相对应。

所述的照射单元2由一照射装置21和一照射支架22组成，所述照射装置21通过所述的照射支架22连接在所述的外框体11上。

所述的料槽3固定安装在所述的外框体11中，本实施例中，所述打印原液选用光敏树脂。

所述的打印单元4包括一打印平台41、一第一电机42和一平台支架43，所述的打印平台41设置于所述料槽3内，其与所述的平台支架43一端相连，所述平台支架43的另一端与所述的打印平台轨道12相连接，所述的第一电机42设置在所述的平台支架43上，用于驱动所述的平台支架43沿着所述的打印平台轨道12纵向运动。

所述的控制单元5设置在所述外框体11内下部，用于对所述的照射单元2、所述的打印单元4以及所述的刮平单元6进行工作状态的控制。

所述的刮平单元6包括一刮平支架61、一刮平装置62、一距离传感器63和一第二电机64。所述的刮平支架61一端与所述的刮平轨道13相连接，另一端与所述的刮平装置62相连，所述的刮平支架61上设置有一横向轨道611；所述的第二电机64设置于所述刮平支架61与所述刮平轨道13连接面，其用于驱动所述的刮平单元6在工作状态下沿所述刮平轨道13纵向运动。

参阅图5所示为图2中图示I部的局部放大结构示意图，如图中所示：

所述的刮平装置62包括一刮平板621和一刮平电机622，所述的刮平板621内设置有一小轴624，所述小轴624从所述刮平板621一侧透出，并通过所述的横向导轨611与所述的刮平电机64相连，所述刮平电机64用于驱动所述的刮平装置62在工作状态下沿着所述横向轨道611横向运动。

所述的距离传感器63设置于所述刮平支架61下端，其用于测量所述光敏树脂的液面高度，通过将测量数据传输至所述的控制单元5驱动所述的第二电机64进行所述刮平单元6的高度调节，从而避免了所述刮平装置62的无效操作，本实施例中，所述距离传感器为一激光测距仪。

参阅图6所示，为图2中A-A截面的左视剖面结构示意图，即为所述刮平板621的截面剖视图，如图所示，所述刮平板621包括上部68和下部69，所述上部68用于固定支撑所述刮平板621所在位置，所述下部69包括位于边缘的刮除面691和抹平面692，在工作状态下，所述刮平单元6每做一次往复运动，就完成一次所述刮除面691对打印面的刮除动作，和一次所述抹平面692对经过刮除动作后打印面的抹平动作。

其中，以截面中所述刮除面691与所述抹平面692相交点为原点建立平面坐标，截面中所述上部68的长度为a，高度为h，则，

所述的刮除面691边缘符合公式：

ay＝hlg|x+1|               (1)

所述的抹平面692边缘符合公式：

a|y|＝2hx²              (2)

这样，所述刮平装置62在所述刮平电机622驱动下可沿着所述横向轨道611横向运动的设计，使得刮平动作能够稳定高速的完成；所述刮平板621上所述刮除面691与所述抹平面692的设计使得所述刮平装置62横向往返运动中得到两种不同的效果，从而得到更好的打印面；所述刮平轨道13和第二电机64的设计使得所述刮平单元62能够纵向运动进行调节；所述距离传感器63的设计使得对所述料槽3内的所述光敏树脂液面高度更为敏感，从而及时配合所述第二电机63进行所述刮平单元6高度的调节。

参阅图7所示，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机实施例三的剖面结构示意图。其基本结构与上述实施例二相同，其特征在于，所述的3D打印机还包括一搅拌单元7，所述搅拌单元7用于在工作状态下对所述的光敏树脂进行搅拌，使得所述光敏树脂能够进行上下层面的对流交换，从而使得所述刮平单元6刮除的固体物质能够得到很好的沉降，而不影响打印过程。

所述搅拌单元7包括一搅拌电机72，所述搅拌电机72通过一搅拌支架73固定在所所述料槽3的底部，其上设置有叶片71，用于在搅拌电机72的驱动下对所述的光敏树脂进行搅拌；所述的料槽3底部还设置有一通孔，所述搅拌电机72穿过所述通孔与所述的控制单元5电连接；所述搅拌支架73上设置有一密封装置，用于对所述通孔缝隙进行密封，本实施例中所述密封装置为一O型密封圈。所述搅拌单元7还设置有一筛网74，所述筛网74安置于所述料槽3上，其位于所述叶片71上方并与所述叶片71存在一定距离，用于容纳所述刮平单元6刮下的固体杂质，防止大块的固体杂质进入所述料槽3底部对所述叶片71产生影响。

所述料槽3与所述支架单元2连接部分还设置有一减震单元8，其设置于所述料槽3底部，与所述的支架单元2相连，用于减轻因所述搅拌单元7工作时引起的震动，从而增强所述打印机的打印效果和打印精度。

参阅图8所示，为图7中II部的局部放大结构示意图，如图中所示，所述刮平装置62上还设置有一翻转电机626，其与所述的小轴624相连，用于在刮平装置62运行的抹平过程中带动所述刮平板62向上翻转一定角度，从而得到更为平整的打印面，本实施例中所述角度为15度，且所述翻转电机与所述控制单元5电连接。

这样，所述刮平动作能够稳定高速的完成；所述刮平装置62横向往返运动中得到两种不同的效果，从而得到更为优秀的打印面；所述刮平单元62能够纵向运动进行调节；所述距离传感器63的设计使得对所述料槽3内的所述光敏树脂液面高度更为敏感，从而及时配合所述第二电机63进行所述刮平单元6高度的调节；所述搅拌单元7的设计使得所述料槽3中的光敏树脂能够进行上下对流交换；所述减震单元8的设计使得打印精度更为优良；所述翻转电机的设计使得所述抹平过程更为合理，从而得到更为平滑的打印面。

参阅图8所示，为本发明具有刮平功能的激光3D打印机的光固化打印方法流程图，所述打印方法包括步骤：

步骤a，3D建模软件为产品建模、分层，并将截面信息存储于计算机中，计算机通过所述控制单元5对所述3D打印机完成工作状态的控制；

步骤b，向所述料槽内注入打印原液；

步骤c，所述控制单元控制调整打印平台高度；

步骤d，所述距离传感器检测刮平板下端是否与所述料槽内液面高度齐平，若不齐平，驱动所述刮平单元进行纵向位置调整，直到所述刮平板下端与液面处齐平；

步骤e，所述照射单元根据第一层面的截面信息进行激光扫描，进行光固化打印；

步骤f，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤g，所述打印平台下降一个层面高度；

步骤h，所述照射单元根据当前层面的截面信息进行激光扫描，光固化打印；

步骤i，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤j，判断打印层面是否已是最后一层,若否，重复步骤g至步骤i，若是，打印完成。

其中参阅图10，为本发明光固化打印方法步骤i的具体步骤流程图，所述的步骤i包括步骤：

步骤i1，系统检测到已完成扫描打印动作，控制所述刮平板从初始位置开始沿所述横向轨道运动；

步骤i2，横向运动过程中所述刮除面工作，刮除打印面毛刺；

步骤i3，系统检测到所述刮平板已到达终点，停止移动，并驱动所述刮平板向上翻转15度；

步骤i4，系统控制所述刮平板向初始位置运动，横向运动过程中所述抹平面工作，抹平打印面不平位置；

步骤i5，系统检测到所述刮平板已回到初始位置，停止横向移动动作。

这样，所述刮平单元往复运动进行两次不同的操作，刮除动作和抹平动作配合使得所述打印面更为平滑；所述抹平动作中所述刮平板向上翻转15度，从而得到一个效果更佳的打印面；所述距离传感器和所述第二电机配合使用使得所述刮平板位于适当位置，从而避免了无效操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，包括：

一外框单元，其为打印机主体结构；

一料槽，其固定安装在所述外框单元上，用于盛放打印原料；

一打印单元，其安置于所述料槽内工作位，并与所述外框单元活动连接，能够与所述的外框单元相对纵向运动；

一照射单元，其安置于所述外框单元上，并位于所述打印单元正上方，用于提供原料成型光源；

一刮平单元，其位于所述打印单元和所述照射单元之间，并与所述外框单元活动连接，用于对打印面的刮平处理；

一控制单元，其安装在所述外框单元上，用于对所述照射单元、所述打印单元以及所述刮平单元进行控制。

2.如权利要求1所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的刮平单元包括：

一刮平支架，其与所述外框单元上设置的一刮平轨道相连接，所述刮平支架上设置有一横向轨道；

一第二电机，其设置在所述刮平支架上，用于驱动所述刮平单元整体沿着所述刮平轨道运动；

一刮平装置，其与所述刮平支架相连，并能够沿着所述横向轨道做平行往复运动。

3.如权利要求2所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的刮平装置包括：

一刮平板，其分为上部和下部，所述上部与所述横向轨道相连接，所述下部两侧面分别为一刮除面和一抹平面，用于在所述往复运动中分别对打印面进行刮除处理动作和抹平处理动作；

一刮平电机，其与所述刮平板上设置的一小轴相连，用于驱动所述刮平板沿着所述横向轨道进行往复运动。

4.如权利要求3所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的刮除面边缘符合公式：

ay＝hlg|x+1|          (1)

所述的抹平面边缘符合公式：

a|y|＝2hx²        (2)

其中，以所述刮平板截面中所述刮除面与所述抹平面相交点为原点建立平面坐标，x为水平方向，y为竖直方向，a为截面中所述上部的长度，h为高度。

5.如权利要求2所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的刮平支架下端还设置有一距离传感器，其用于测量所述打印原液的液面高度，并将测量数据传输至所述控制单元进行所述刮平单元高度的调节。

6.如权利要求5所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的3D打印机还包括一搅拌单元，所述的搅拌单元设置于所述料槽底部，其包括一搅拌电机和一搅拌支架，所述搅拌电机通过所述搅拌支架固定安装在所述料槽的底部，所述搅拌电机上设置有叶片，所述叶片用于在所述搅拌电机的驱动下对所述的打印原液进行搅拌。

7.如权利要求6所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的搅拌单元还包括一筛网，所述筛网安置于所述料槽内，并位于所述叶片上方，用于容纳所述刮平单元刮下的固体杂质。

8.如权利要求3所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，所述的刮平装置还包括一翻转电机，所述翻转电机与所述的小轴相连，用于在所述抹平处理动作时带动所述刮平板向上翻转15度。

9.一种光固化打印方法，适用于如权利要求1-8任一项所述的具有刮平功能的激光3D打印机，其特征在于，包括步骤：

步骤a，3D建模软件为产品建模、分层，并将截面信息存储于计算机中，计算机通过所述控制单元对所述3D打印机完成工作状态的控制；

步骤b，向所述料槽内注入打印原液；

步骤c，所述控制单元控制调整打印平台高度；

步骤d，距离传感器检测刮平板下端是否与料槽内液面高度齐平，若不齐平，驱动所述刮平单元进行纵向位置调整，直到所述刮平板下端与液面处齐平；

步骤e，所述照射单元根据第一层面的截面信息进行光固化打印；

步骤f，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤g，打印平台下降一个层面高度；

步骤h，所述照射单元根据当前层面的截面信息进行光固化打印；

步骤i，所述刮平单元运作，对打印面完成一次刮除动作，以及一次抹平动作；

步骤j，判断打印层面是否已是最后一层,若否，重复步骤g至步骤i，若是，打印完成。

10.如权利要求9所述的光固化打印方法，其特征在于，所述的步骤i包括步骤：

步骤i1，系统检测到已完成扫描打印动作，控制所述刮平板从初始位置开始沿所述横向轨道运动；

步骤i2，横向运动过程中所述刮除面工作，刮除打印面毛刺；

步骤i3，系统检测到所述刮平板已到达终点，停止移动，并驱动所述刮平板向上翻转15度；

步骤i4，系统控制所述刮平板向初始位置运动，横向运动过程中所述抹平面工作，抹平打印面不平位置；

步骤i5，系统检测到所述刮平板已回到初始位置，停止横向移动动作。