CN104760295A - 一种3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印装置及方法。该3D打印装置包括逐层成型单元以及控制单元。其中，控制单元包括用于判定是否接收到嵌入工序开始指示的嵌入开始判定部和用于判定嵌入工序是否完成的嵌入结束判定部。当嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示时，控制单元使成像部件、光源装置中止工作，且控制单元使升降部件提升已固化部分；当嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成时，控制单元使升降部件将已固化部分降低回到原始打印位置，且控制单元使成像部件、光源装置恢复工作。本发明的控制单元包括嵌入开始判定部和嵌入结束判定部，可以在打印过程中允许中断而嵌入其他装配工序，适合加工各种复杂结构。

Description

一种3D打印装置及方法

技术领域

本发明属于逐层增量制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种3D打印装置及方法。

背景技术

快速成型是20世纪80年代末期产生和发展起来的一种新型制造技术，是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNN)、激光、新材料、精密伺服等多项技术的发展和综合。已知的RP(Rapid Prototyping：快速成型)方法包括SLA(Stereo Lithography Apparatus：立体光固化造型)、LOM(Laminated Object Manufacturing：分层实体制造)、SLS(Selective LaserSintering：选择性激光烧结)、FDM(Fused Deposition Modeling：熔融沉积造型)、3DP(Three Dimension Printing：三维打印)、和SGC(Solid Ground Curing：固基光敏液相)。

3D打印通过分层制造、逐层叠加形成三维物体。当一层成型完成后，再进行下一层的成型，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种3D打印装置，其在打印过程中允许中断而嵌入其他装配工序。

本发明通过如下技术方案实现：一种3D打印装置，所述3D打印装置包括逐层成型单元、驱动已固化部分升降的升降部件以及用于控制所逐层成型单元和所述升降部件的控制单元，所述控制单元包括用于判定是否接收到嵌入工序开始指示的嵌入开始判定部和用于判定嵌入工序是否完成的嵌入结束判定部，

其中，当所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元使所述逐层成型单元中止工作，且所述控制单元使所述升降部件提升已固化部分；当所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分降低回到原始打印位置，且所述控制单元使所述逐层成型单元恢复工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述逐层成型单元包括用于容纳光敏树脂的承载体、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件、用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂固化的光源装置，所述承载体位于所述成像部件上方，所述成像部件位于所述光源装置上方。

作为上述技术方案的进一步改进，所述嵌入工序开始指示预先存储在所述控制单元的存储器内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述3D打印装置上设置有用于接收嵌入工序开始指示的嵌入开始指示输入部，当所述嵌入开始指示输入部上输入嵌入开始指示时，所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示；所述3D打印装置上设置有用于接收结束嵌入工序指示的嵌入完成指示输入部，当所述嵌入完成指示输入部上输入结束嵌入工序指示时，所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成。

作为上述技术方案的进一步改进，当所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度；当所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。

另一方面，本发明还提供一种3D打印方法，所述3D打印方法包括以下步骤：

嵌入开始判定步骤，其用于判定是否接收到嵌入工序开始指示；

分离步骤，其用于在接收到嵌入工序开始指示的情况下使所述成像部件、所述光源装置中止工作，分离已固化部分；

嵌入步骤，其用于手动或自动地在已固化部分上执行嵌入工序；

嵌入结束判定步骤，其用于判定嵌入工序是否完成；

复位步骤，其用于在判定嵌入工序已完成的情况下，使所述升降部件将已固化部分回到原始打印位置，且所述控制单元使所述成像部件、所述光源装置恢复工作。

作为上述技术方案的进一步改进，在嵌入步骤中，所述嵌入工序为在已固化部分上安装机械零件或电子器件。

作为上述技术方案的进一步改进，所述已固化部分为中空的结构，在嵌入步骤的所述嵌入工序中，将机械零件或电子器件安装在已固化部分内。

作为上述技术方案的进一步改进，在嵌入结束判定步骤中，当通过嵌入完成指示输入部输入结束嵌入工序指示时，判定嵌入工序已完成。

作为上述技术方案的进一步改进，在分离步骤中，将已固化部分从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度；在复位步骤中，将已固化部分从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。

实施本发明的有益效果是：本发明的控制单元包括嵌入开始判定部和嵌入结束判定部，可以在打印过程中允许中断而嵌入其他装配工序，适合加工各种复杂结构。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的3D打印装置的外形的立体示意图；

图2是本发明的3D打印装置的概念图；

图3是图1的3D打印装置的主要部分的分解示意图，其移除了外壳；

图4是图1的3D打印装置的主要部分的另一分解示意图，其移除了外壳；

图5是图1的3D打印装置的主要部分的剖面示意图，其移除了外壳；

图6是图1的3D打印装置的光源装置的框体的立体示意图；

图7是图1的3D打印装置的光源装置的成像部件的平面示意图；

图8是根据本发明的一个实施方式的3D打印装置的构成的示意框图；

图9是根据本发明的另一个实施方式的3D打印装置的构成的示意框图；

图10是根据本发明的一个实施方式的3D打印方法的流程图；

图11是用于显示3D打印方法的打印过程的图(1/3)；

图12是用于显示3D打印方法的打印过程的图(2/3)；

图13是用于显示3D打印方法的打印过程的图(3/3)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。

如图1、图2、图8所示，所述3D打印装置1000包括逐层成型单元150、驱动已固化部分410升降的升降部件800以及用于控制所逐层成型单元150和所述升降部件800的控制单元600。

其中，本实施例中，逐层成型单元150包括用于容纳光敏树脂400的承载体300、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件200、用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂400固化的光源装置100。光源装置100配置在成像部件200下方。成像部件200配置在承载体300的下方。光源装置100、成像部件200、承载体300、升降部件800配置在外壳900内。

如图8所示，控制单元600包括用于控制光源装置100的光源控制单元110、用于控制成像部件200的成像驱动控制单元220、用于判定是否接收到嵌入工序开始指示的嵌入开始判定部710和用于判定嵌入工序是否完成的嵌入结束判定部720。

如图9所示，在另一实施例中，3D打印装置1000A还包括用于执行嵌入工序的嵌入部件700。嵌入部件700例如可以为机械手，用于自动执行嵌入工序。

控制单元600由CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)、ROM(ReadOnly Memory只读存储器)、RAM(Random Access Memory随机存储器)以及与相互电连接的各部件进行各种信号的收发的输入输出接口601等构成。控制单元600负责3D打印装置1000的整体的动作控制。ROM存储3D打印装置1000的基本工作的工作程序。RAM用作3D打印装置1000的工作区域等。

在本实施例的3D打印装置1000的组装状态下，光源装置100、成像部件200以及承载体300在上下方向上从下到上依次贴合，结构紧凑。成像部件200位于光源装置100和承载体300之间。光源装置100发出的光线经过成像部件200抵达承载体300，照射在光敏树脂400上。

如图2及图6所示，所述光源装置100由多个发光单元130阵列而成。其中，发光单元130的数量可以依据光固化成型的精细要求而定。光固化成型的精细度与发光单元130的数量成正比例。所述光源装置100具有框体120。如图6所示，多个发光单元130形成在框体120的各隔间(compartment)131内。所述多个发光单元130的每一发光单元均包括至少一个发光体(emitter)132及准直器(collimiter)134。

光源控制单元110与所述多个发光单元130电性连接。光源控制单元110用于控制多个发光单元130的每一发光单元。由此，可以通过光源控制单元110控制多个发光单元130的每一发光单元，使得仅成像部件200展现的二维图像正下方的发光单元点亮，而二维图像正下方之外的其他发光单元熄灭。这样，可以一方面可以进一步减少杂散光的量，一方面可以节省电力。

本实施例中，所述成像部件200为TFT液晶显示屏，例如单色TFT液晶显示屏或彩色TFT(Thin Film Transistor)液晶显示屏。TFT液晶显示屏具有高速度、高亮度、高对比度的优点。当然，本发明不限于此，所述成像部件200也可以其他种类的液晶显示屏，例如扭转式向列型(Twisted Nematic；TN)液晶显示屏、超扭转式向列型(Super Twisted Nematic；STN)液晶显示屏。成像驱动控制单元220对所述成像部件200的各像素进行驱动，展现出所希望的二维图像。二维图像所对应的区域为透明区域。光线可以穿过二维图像所对应的区域。而且，光线不能够穿过二维图像所对应的区域之外的区域。

如图7所示，在需要形成一花瓶形状的层时，成像驱动控制单元220对所述成像部件200的各像素进行驱动，展现出花瓶形状的二维图像(二维图像区域240所表示的图像)。二维图像区域240为透光状态，而二维图像区域240之外的区域230为不透光状态。光源装置100发出的光线均匀穿过二维图像区域240，使所述光敏树脂400发生光聚合反应而固化成型，形成一花瓶形状的层。

本实施例中，升降部件800为丝杆传动机构。升降部件800包括驱动马达、丝杆、固连块500。驱动马达由控制单元600控制。驱动马达用于驱动丝杆转动。固连块500与丝杆连接。当驱动马达驱动丝杆转动时，固连块500沿丝杆上下运动。

如上所述，嵌入开始判定部710用于判定是否接收到嵌入工序开始指示。嵌入结束判定部720用于判定嵌入工序是否完成。

其中，当所述嵌入开始判定部710判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元600使所述成像部件200、所述光源装置100中止工作，且所述控制单元600使所述升降部件800提升已固化部分410。

在本实施例中，所述嵌入工序开始指示预先存储在所述控制单元600的ROM内。当从存储在ROM内的打印数据文件读取到所述嵌入工序开始指示时，所述嵌入开始判定部710判定为接收到嵌入工序开始指示。

在另一实施例中，在本实施例中，所述3D打印装置1000上设置有用于接收操作者的嵌入工序开始指示的嵌入开始指示输入部。当操作者通过所述嵌入开始指示输入部输入嵌入开始指示时，所述嵌入开始判定部710判定接收到嵌入工序开始指示。嵌入开始指示输入部例如可以为按钮或触摸面板上的软键。当操作者按下该按钮或触摸面板上的软键时，嵌入开始判定部710判定接收到嵌入工序开始指示。

当所述嵌入结束判定部720判定嵌入工序已完成时，所述控制单元600使所述升降部件800将已固化部分410降低回到原始打印位置，且所述控制单元600使所述成像部件200、所述光源装置100恢复打印工作。

在本实施例中，所述3D打印装置1000上设置有用于接收操作者的结束嵌入工序指示的嵌入完成指示输入部。当操作者通过所述嵌入完成指示输入部输入结束嵌入工序指示时，所述嵌入结束判定部720判定嵌入工序已完成。嵌入开始指示输入部例如可以为按钮或触摸面板上的软键。当操作者按下该按钮或触摸面板上的软键时，嵌入结束判定部720判定嵌入工序已完成。

在本实施例中，当所述嵌入开始判定部710判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元600使所述升降部件800将已固化部分410从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度。当所述嵌入结束判定部720判定嵌入工序已完成时，所述控制单元600使所述升降部件800将已固化部分410从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。其中，原始打印位置是指，所述控制单元600使所述成像部件200、所述光源装置100中止工作时固连块500的高度位置。

如图10所示，本发明还提供一种3D打印方法。该3D打印方法利用上述的3D打印装置进行。

在典型的3D打印过程中，首先，向承载体300内注入流体状态的光敏树脂400；然后，以透光的形式在成像部件200上展现二维图形；接着，点亮面光源形式的光源装置100的发光单元130，使光线经过成像部件200的透光部分照射承载体300中的光敏树脂，使光敏树脂形成一固化层，该固化层粘接在固连块500的底面上；通过升降部件800的固连块500提升已固化部分410，直到所有的截面已完成成型。

根据本发明的3D打印方法，在上述的3D打印过程中，执行以下步骤：

嵌入开始判定步骤S11，其用于判定是否接收到嵌入工序开始指示；

分离步骤S12，其用于在接收到嵌入工序开始指示的情况下使所述成像部件200、所述光源装置100中止工作，分离已固化部分410，即使所述升降部件800提升已固化部分410；

嵌入步骤S13，其用于手动或自动地在已固化部分410上执行嵌入工序；

嵌入结束判定步骤S14，其用于判定嵌入工序是否完成；

复位步骤S15，其用于在判定嵌入工序已完成的情况下，使所述升降部件800将已固化部分410回到原始打印位置，且所述控制单元600使所述成像部件200、所述光源装置100恢复工作。

在嵌入步骤S13中，所述嵌入工序可以为在已固化部分410上安装机械零件或电子器件。

所述已固化部分410为中空的结构，在嵌入步骤S13的所述嵌入工序中，通过嵌入部件(例如机械手)700抓取机械零件或电子器件并安装在已固化部分410内。

在嵌入结束判定步骤S14中，当操作者通过嵌入完成指示输入部输入结束嵌入工序指示时，判定嵌入工序已完成。

在分离步骤S12中，将已固化部分410从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度；在复位步骤S15中，将已固化部分410从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。

下面参照图11至图13对本发明的3D打印方法进行举例说明。如图11至图13所示，待成型的产品为封闭型结构450。且嵌入件420安装在该封闭型结构450的内壁上。首先，当在嵌入开始判定步骤S11中，判定接收到嵌入工序开始指示时，则执行分离步骤S12，使所述成像部件200、所述光源装置100中止工作，使所述升降部件800提升已固化部分410。然后，在嵌入步骤S13中，用手440将嵌入件420粘接在已固化部分410的底部上。接着，操作者通过按下该按钮，输入结束嵌入工序指示，确认嵌入工序已经完成。接着，所述升降部件800将已固化部分410降低回到原始打印位置，且所述控制单元600使所述成像部件200、所述光源装置100恢复打印工作，打印封闭型结构450的剩余部分430，最终完成封闭型结构450的成型。

虽然上述实施例中，说明了手动执行嵌入工序的情况，但本发明不限于此，例如，也可以通过机械手全自动或半自动地完成嵌入工序。虽然上述实施例中，说明了安装嵌入件420的情况，但本发明不限于此，例如也可以是填充气体、填充液体、安装电子元器件等情况。

如上所述，本发明的控制单元包括嵌入开始判定部和嵌入结束判定部，可以在打印过程中允许中断而嵌入其他装配工序，适合加工各种复杂结构，例如封闭型结构等。

此外，本发明的3D打印装置和3D打印方法可以适用于加工各种材料的二维或三维结构。而且，本发明的3D打印装置的光路部分仅由成像部件和光源装置组成，位置关系简单，结构简洁，部件数量少，降低了3D打印装置的体积和成本。

本文中，以SLA型3D打印装置举例说明了本发明的3D打印装置及方法，但是，本发明的3D打印装置及方法也可以用于其他的3D打印装置，例如FDM型3D打印机、SLS型3D打印机等。

本文中，以对在竖直方向上升降已固化部分来进行分离的情况进行了说明，但本发明不限于此，本发明也可以适用于在水平左右方向上移动已固化部分来进行分离的情况。本文中，用语“提升”、“降低”应理解为包含了水平左右方向上的来回移动。

此外，虽然以上说明中描述了嵌入工序开始指示、结束嵌入工序指示通过操作者输入的情况，但是本发明不限于此，嵌入工序开始指示、结束嵌入工序指示可以由任何事件触发而生成。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置包括逐层成型单元、驱动已固化部分升降的升降部件以及用于控制所逐层成型单元和所述升降部件的控制单元，所述控制单元包括用于判定是否接收到嵌入工序开始指示的嵌入开始判定部和用于判定嵌入工序是否完成的嵌入结束判定部，

其中，当所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元使所述逐层成型单元中止工作，且所述控制单元使所述升降部件提升已固化部分；当所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分降低回到原始打印位置，且所述控制单元使所述逐层成型单元恢复工作。

2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述逐层成型单元包括用于容纳光敏树脂的承载体、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件、用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂固化的光源装置，所述承载体位于所述成像部件上方，所述成像部件位于所述光源装置上方。

3.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述嵌入工序开始指示预先存储在所述控制单元的存储器内。

4.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述3D打印装置上设置有用于接收嵌入工序开始指示的嵌入开始指示输入部，当所述嵌入开始指示输入部上输入嵌入开始指示时，所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示；所述3D打印装置上设置有用于接收结束嵌入工序指示的嵌入完成指示输入部，当所述嵌入完成指示输入部上输入结束嵌入工序指示时，所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成。

5.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，当所述嵌入开始判定部判定接收到嵌入工序开始指示时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度；当所述嵌入结束判定部判定嵌入工序已完成时，所述控制单元使所述升降部件将已固化部分从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。

6.一种3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法包括以下步骤：

嵌入开始判定步骤，其用于判定是否接收到嵌入工序开始指示；

分离步骤，其用于在接收到嵌入工序开始指示的情况下使所述成像部件、所述光源装置中止工作，分离已固化部分；

嵌入步骤，其用于手动或自动地在已固化部分上执行嵌入工序；

嵌入结束判定步骤，其用于判定嵌入工序是否完成；

复位步骤，其用于在判定嵌入工序已完成的情况下，将已固化部分回到原始打印位置，且所述控制单元使所述成像部件、所述光源装置恢复工作。

7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，在嵌入步骤中，所述嵌入工序为在已固化部分上安装机械零件或电子器件。

8.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述已固化部分为中空的结构，在嵌入步骤的所述嵌入工序中，将机械零件或电子器件安装在已固化部分内。

9.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，在嵌入结束判定步骤中，当通过嵌入完成指示输入部输入结束嵌入工序指示时，判定嵌入工序已完成。

10.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，在分离步骤中，将已固化部分从原始打印位置提升至预先确定的嵌入准备高度；在复位步骤中，将已固化部分从所述嵌入准备高度降低回到原始打印位置。