CN104890241B - 三维快速成型设备和成型方法 - Google Patents

三维快速成型设备和成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及三维快速成型设备和成型方法,本发明提供的三维快速成型设备包括第一显影组件,第一显影组件包括第一显影剂,第一显影剂为UV光固化显影剂;第二显影组件包括第二显影剂;环形转印带用于承接第一显影剂和第二显影剂;电荷生成装置能使环形转印带产生电荷;打印平台用于承接环形转印带上的第一显影剂和第二显影剂,从而形成薄层;UV光固化光源用于照射薄层,使得第一显影剂发生固化;加热装置对打印平台进行预热;加热压平装置对薄层进行加热和压平处理。支撑材料非常容易去除,不会对三维物体的成型结构的表面造成损伤;能够降低能量消耗,缩短UV光固化的时间;降低第一薄层的显影剂由于受热不均匀造成的翘曲和收缩效应。

Description

三维快速成型设备和成型方法
技术领域
[0001]本发明涉及三维快速成型设备和成型方法,具体地说,是涉及一种把电子成像原 理应用到增材制造方法的三维快速成型设备和成型方法。
背景技术
[0002] 三维(3D)快速成型,也被称为增材制造,基本原理是通过打印或铺设连续的材料 层来产生三维物体。三维快速成型备或三维打印机通过转换物体的三维计算机模型并产生 一系列截面切片来工作,然后,打印每个切片,一个在另一个的顶部上,从而产生最终的三 维物体。
[0003] 三维快速成型的方法主要包括的类型为:立体平板印刷或光固化 (Stereolithography,SLA)、分层实体制造(Laminated object manufacturing, LOM)、选 择性激光烧结(Selective laser sintering, SLS)、溶融沉积成型(Fused deposition modeling, FDM)〇
[0004] 三维成型过程中一些悬空的地方需要用支撑材料作为悬空部分的支撑,例如可以 选用喷射后可固化的材料如蜡等,这种方案会导致三维快速成型设备需要准备不同的材 料,过程复杂,且成型后分离的过程非常复杂。另外,当采用FDM方案进行支撑材料打印时, 由于三维物体及其支撑结构均采用打印头进行打印,由于受限于打印喷嘴的尺寸,打印出 的三维物体及支撑结构的精度不高,支撑结构与成型结构的接触面之间容易发生粘连作 用,当去除支撑结构后也容易造成成型物体的接触面发生损坏。
[0005] 电子照相成像技术是通过显影组件把显影剂在介质如纸上成像,显影组件主要部 件包括感光鼓、充电棍、激光扫描器、显影棍和废粉刮片、充电辊,另外还可以包括粉仓和废 粉仓。电子照相成像技术的部件的结构和它们之间的工作原理可参考申请号为 CN201110220048.X.CN201410222958.5^CN201310137076.4^CN201010237520.6^ CN201410182632.4、CN201110248333.2、CN200910266892.9的中国发明专利申请以及专利 号为CN200720059274.3、CN200820046406.3的中国实用新型专利。鉴于电子照相成像技术 的发展己经相对成熟,并且其在平面介质上的成像效果非常优异,因此现有技术中逐渐出 现了一些方案而把这项技术应用到三维快速成型中。例如,申请号为CN201410568730.1的 中国发明专利申请就公开了一种显影剂、三维打印机和三维打印方法。
[0006] 在申请号为CN201320350051.8的中国实用新型专利中公布了一种三维打印快速 成型设备,即三维打印机,其具有第一感光鼓、第二感光鼓、承印台、转印带及光源,承印台 位于转印带沿铅垂方向的下方。该三维快速成型设备利用现有激光打印机中的电子照相成 像技术,在第一感光鼓土生成第一显影剂图像,第一显影剂图像由转印带转印至承印台上 并经光照而固化成固体层;在第二感光鼓土生成第二显影剂图像,第二显影剂图像由转印 带转印至承印台上位于固体层之外的区域。重复上述步骤,逐层打印出的固体层组成三维 物体,第二显影剂图像组成粉末堆积体,形成三维物体的支撑结构。
[0007] 由于采用可光照固化的显影剂为成型材料,不可光照固化的显影剂为支撑材料, 并采用电子照相成像技术,使打印出每层三维物体与支撑结构的厚度很薄,提局二维幻叫 的精度。但是,上述方案由于采用了 UV光固化显影剂经固化后形成多个薄层,这样就难以保 证形成的每个薄层的表面为光滑平面,从而无法为后续打印的薄层提供良好的参考基准 面,另外打印平台的温度为室温温度,当对薄层的上面进行固化加热时,第一薄层的下表 面,即第一薄层与打印平台的接触面的温度较低,这样就容易造成翘曲或收缩效应,从而造 成打印精度降低。
发明内容
[0008] 本发明的第一目的是提供一种三维快速成型设备。
[0009] 本发明的第二目的是提供一种三维快速成型方法。
[0010]本发明提供的三维快速成型设备包括第一显影组件,第一显影组件包括第一显影 剂,第一显影剂为UV光固化显影剂;第二显影组件包括第二显影剂;环形转印带用于承接第 一显影剂和第二显影剂;电荷生成装置用于向环形转印带产生电荷;打印平台用于承接环 形转印带上的第一显影剂和第二显影剂,从而形成薄层;UV光固化光源用于照射薄层,使得 第一显影剂固化;加热装置对打印平台进行预热;加热压平装置对薄层进行加热和压平处 理。
[0011]由上述方案可见,通过uv光固化的第一显影剂作为成型材料,而选取普通碳粉的 第二显影剂作为支撑材料,这样就提高了三维打印物体的精度,并且在三维物体成型后支 撑材料非常容易去除,不会对三维物体的成型结构的表面造成损伤;通常,UV光固化过程需 要消耗较高的能量,并且相应延长了固化时间,而加热装置的预热作用以及加热压平过程 使得第一显影剂的温度快速达到一定温度,加热装置的产生的加热方式比UV光更加容易, 因此这种方案能够降低能量消耗,并且缩短UV光固化的时间;通过对每一薄层的压平处理, 能够使得薄层在接受下一薄层的显影剂时提供了一个良好的平面支撑,并且避免了翘曲效 应的产生;对打印平台的预热处理,降低了第一薄层的显影剂由于受热不均匀造成的翘曲 和收缩效应。
[0012] —个优选的方案是,第二显影剂的软化温度高于第一显影剂的软化温度;加热压 平装置的加热温度高于第一显影剂的软化温度但低于第二显影剂的软化温度。
[0013]由上述方案可见,把第一显影剂的温度加热至软化点以上,这样在UV光固化过程 中能够降低能量消耗,缩短固化时间,并且保持第二显影剂不发生软化,这样的方案还能够 避免第二显影剂的颗粒之间发生粘连作用,而粘连作用会使得支撑材料与成型材料的分离 变得困难。
[0014] 一个优选的方案是,加热装置设置在打印平台上,加热装置为加热板,加热板具有 多个独立工作的加热区域。
[0015]由上述方案可见,针对不同的打印材料,加热板可以在打印平台的不同区域提供 不同的加热温度,例如,对支撑材料和成型材料的区域设定不同的加热温度,从而降低能量 消耗。
[0016] —个优选的方案是,电荷生成装置包括第一电荷生成器和第二电荷生成器;第一 电荷生成器用于控制第一显影剂的移动,第二电荷生成器用于控制第二显影剂的移动。 [0017]由上述方案可见,通过电荷吸引或排斥的原理实现显影剂在不同部件之间的位置 转移,方便可靠,简单易行。
[0018] 一个优选的方案是,第一显影剂的颜色为红色或黄色或蓝色或黑色或紫色或绿 色。
[0019] 由上述方案可见,形成各种颜色的三维物体,成型精度高。
[0020] 一个优选的方案是,加热装置的加热温度设定在50°C至90。(:。
[0021]三维快速成型方法,包括以下步骤,获得三维物体切片分层后的每一层的成型数 据;通过显影使得第一显影剂形成第一薄层;对第一薄层用UV光照射,使得第一显影剂固 化;然后再通过显影形成后续薄层,对后续薄层用UV光照射,从而使得后续薄层上的第一显 影剂发生固化;在UV光照射之前,对第一薄层进行预热;在UV光照射之前,对第一薄层和后 续薄层进行加热和压平处理。
[0022]由上述方案可见,通常,UV光固化过程需要消耗较高的能量,并且相应延长了固化 时间,而加热装置的预热作用以及加热压平过程使得第一显影剂的温度快速达到一定温 度,加热装置的产生的加热方式比UV光更加容易,可见这种方案能够降低能量消耗,并且缩 短UV光固化的时间。
[0023] —个优选的方案是,第一薄层还包括由显影产生的第二显影剂,在UV光照射下,第 二显影剂不发生变化。
[0024] —个优选的方案是,后续薄层还包括由显影产生的第二显影剂,在UV光照射下,第 二显影剂不发生固化。
[0025]由上述方案可见,第二显影剂可以作为立体模型的支撑材料,这样就提高了三维 打印物体的精度,并且在三维物体成型后支撑结构非常容易去除,不会对成型结构的表面 造成损伤。
[0026] 进一步优选的方案是,所述第二显影剂的软化温度高于所述第一显影剂的软化温 度。
[0027] 一个优选的方案是,通过异性电荷相互吸引或通过同性电荷相互排斥而控制第一 显影剂和第二显影剂的转移。
附图说明
[0028]图1是本发明三维快速成型设备的第一实施例结构图。
[0029] 图2是本发明三维快速成型设备的第一实施例加热压平装置在打印平台上作用的 状态图。
[0030] 图3是本发明三维快速成型设备的第一实施例加热压平装置在打印平台上作用的 状态图。
[0031] 图4是本发明三维快速成型设备的第一实施例成型方法的流程图。
[0032]图5是本发明三维快速成型设备的实施例形成第一薄层的截面示意图。
[0033] 图6是本发明三维快速成型设备的实施例形成另一种第一薄层的截面示意图。
[0034] 图7是本发明三维快速成型设备的实施例打印一种工字形三维物体的示意图。
[0035] 图8是图7中工字形三维物体的支撑材料和成型材料的堆积示意图。
[0036] 图9是图7中工字形三维物体的支撑材料和成型材料的另一种堆积方式的示意图。 [0037]以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式 [0038] 第一实施例:
[0039]如图1所示,本实施例的三维快速成型设备包括第一显影组件1〇,第二显影组件 20、环形转印带30、UV光固化光源40、加热压平装置50、加热装置60以及打印平台70。
[0040]第一显影组件10包括容纳第一显影剂11的粉仓12、显影辊I3、充电辊14、感光鼓 15、清洁刮刀16和废粉仓17。第一显影剂11为UV光固化显影剂,第一显影剂11在UV光的照射 下其颗粒的之间发生粘连作用而形成一个整体结构。第二显影组件20也包括容纳第二显影 剂21粉仓,其它部件与第一显影组件10相同,第二显影剂21为普通的显影碳粉,其在UV光的 照射下不发生变化,即第二显影剂21的颗粒之间不会发生粘连作用。其中,第二显影剂21的 软化温度高于第一显影剂11的软化温度。
[0041]第一显影组件10和第二显影组件20设置在同一水平位置,它们的下方位置设置有 环形转印带30,环形转印带30在电机的带动下能够环形地转动,这种转动可以是顺时针或 者逆时针方向转动。环形转印带30用于承接第一显影剂11和第二显影剂21。
[0042]环形转印带3〇的第一位置设置了第一电荷生成器32,在第二位置设置第二电荷生 成器34。第一电荷生成器32能够产生正电荷或负电荷,第二电荷生成器34也能够产生正电 荷或负电荷,且第一电荷生成器32与第二电荷生成器34能够分别独立工作。
[0043]在环形转印带30的下方位置设置有打印平台70,打印平台70用于承接环形转印带 3〇上的第一显影剂11和第二显影剂21。在三维打印设备的控制单元的作用下,打印平台70 能够相对于环形转印带3〇发生竖直方向的相对运动。打印预备阶段,打印平台70与环形转 印带30之间具有一定间隔距离,这个间隔距离应该至少大于第一显影剂11和第二显影剂21 ^成的一个薄层的厚度,每当完成一个薄层的打印后,打印平台70相对于环形转印带30远 离一个薄层的厚度,直到完成整个三维物体的打印,间隔距离优选为薄层厚度的丨.2倍至 1.5倍。
[0044]在打印平台70上设置了一个加热装置60,加热装置60对打印平台70进行预热。力口 热装置60可以是加热板结构,加热板具有多个独立工作的加热区域。在打印平台上可以增 加支撑腔73,作为支撑材料的第二显影剂21在打印平台70的端部与支撑腔73的内表面接 触,支撑腔73能够对支撑材料起到支撑作用。
[0045] UV光固化光源40用于照射薄层,使得第一显影剂11发生固化。加热压平装置50对 每一个薄层进行加热和压平处理,加热压平装置5〇为一个圆柱体,圆柱体既有加热功能也 具有压平第一薄层的作用。加热和压平的方案一方面能够避免三维物体的翘曲效应,另一 方面还可以为下一薄层显影剂的堆积提供良好的平面基础。UV光固化光源40与加热压平装 置50形成一个整体结构,在控制单元的控制下其能够沿水平方向相对于打印平台70运动。 如图2所示,当打印平台70上形成第一薄层71后,加热装置60己经对第一薄层71进行了预热 过程,然后加热压平装置50在第一薄层71上进行按压和加热,其可以采用两种方式,第一种 方式是加热压平装置50缓慢前行,当第一显影剂11达到软化温度以上时,再进行UV光固化。 第二种方式是加热压平装置50在第一薄层71上反复加热、按压、固化,也就是加热压平装置 50在打印平台70的两个端部之间多次运动,直到完成第一薄层71的固化,这种方案能够使 得薄层的平面更趋平整。如图3所示,当多个薄层堆积到一定厚度后,打印平台70上的加热 装置60就失去了对薄层72的加热效果,加热压平装置50对薄层72仍然进行加热和压平处 理。
[0046]进行三维成型操作时,如图4所示,首先,执行步骤S1,得到需要打印的三维物体的 每一层的成型数据,成型数据的获得可以通过计算机对三维物体进行建模、分层切片而得 到成型数据,也可以通过外部插入设备如存储卡而直接把三维物体的成型数据导入到三维 快速成型设备中,或者通过无线传输方式获得成型数据。
[0047]然后,执行步骤S2,得到第一薄层,即通过第一显影组件10把粉仓12内的第一显影 剂11依次通过显影辊13、感光鼓15而转移到环形转印带30上。通过第一电荷生成器32产生 与第一显影剂11相异的电性的电荷,从而使得第一显影剂i i紧密地吸附在环形转印带30的 外表面。通过第二显影组件20把第二显影剂21转移到环形转印带30上,通过第二电荷生成 器34产生与第二显影剂21电性相异的电荷,从而使得第二显影剂21紧密地吸附在环形转印 市30的外表面。弟一显影剂11和第二显影剂21由感光鼓转移到环形转印带30上后,形成三 维物体的第一薄层。当环形转印带30发生转动后,第一薄层运动到打印平台70的上方,此时 第一电荷生成器32产生与第一显影剂11相同的电性,根据排斥原理而使得第一显影剂 环形转印带30转移到打印平台70上,第二电荷生成器34产生与第二显影剂21相同的电性, 从而使得第二显影剂21也转移到打印平台70上。由此,第一薄层由环形转印带30转移到打 印平台70上。通过加热装置60对打印平台70进行预热,预热可以在第一薄层转移到打印平 台70之前或者之后。
[0048]接着,执行步骤S3,对第一薄层进行加热、压平和UV光照射,使得第一显影剂11发 生固化。
[0049]然后,执行步骤S4,再通过显影原理形成下一薄层,下一薄层包括了第一显影剂 11,并且可以选择性地包括第二显影剂21,因为第二显影剂21为支撑材料,如果三维物体在 某些薄层不需要支撑材料,就不需要进行第二显影剂21的堆积。
[OOSO]接着,执行步骤S5,对步骤S4形成的薄层用UV光照射,从而使得薄层上的第一显影 剂11发生固化。
[0051]然后,对成型过程进行判断,如果三维物体的成型未完成,则返回步骤S4而进行下 一薄层的成型,如果判断结果显示三维物体成型完毕,则完成打印过程。
[0052]在完成打印过程后,操作人员可以手动取下三维物体,由于支撑材料仍然为粉末 状态,因此支撑材料非常容易与三维物体分离,支撑材料容易回收,从而降低成本、保护环 境。
[0053]最后需要说明的是,本发明不限于上述的实施方式,在其它实施例中,在三维成型 物体的其中一个薄层中,如图5所示,薄层8〇的截面可以为矩形,而如图6所示,截面90可以 为圆形。第一显影剂形成的区域可以是三角形等规则图案81,也可以是不规则图案91。如图 7所示,当打印工字形三维物体犯时,在进行底部区域93的打印时,第一薄层只需要堆积第 一显影剂作为成型材料,而不需要堆积作为支撑材料的第二显影剂。当打印过程进入中部 区域94时,每一薄层中既要堆积作为成型材料的第一显影剂,也需要堆积作为支撑材料的 第二显影剂。如图8所示,支撑材料95的截面可以形成矩形结构,如图9所示,支撑材料96的 截面也可以形成梯形结构,梯形结构的支撑材料能够防止三维物体在成型过程中发生坊 塌,从而避免三维物体失去支撑效果造成打印失败。第一显影剂的颜色可以为红色或黄色 或蓝色或黑色或紫色或绿色。
[0054] 得到第一显影剂的方法可以通过在普通显影剂的制造过程中掺入光引发剂和光 敏剂,光引发剂可以是安息香以及其衍生物,光敏剂可以是二苯甲酮、硫杂蒽醌。三维快速 成型设备还可以安装有位置感应装置,位置感应装置能够感应到每一个薄层的位置是否在 预设的位置,然后把感应到的信号传输到三维快速成型设备的控制单元,当其中的一个薄 层在打印平台上的位置发生偏差之后,就需要相应调节薄层转移到打印平台上的位置,从 而提高三维物体的成型精度。上述这些设计也在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1. 三维快速成型设备,包括: 第一显影组件,包括第一显影剂,所述第一显影剂为UV光固化显影剂; 第二显影组件,包括第二显影剂; 环形转印带,用于承接所述第一显影剂和所述第二显影剂; 电荷生成装置,用于向所述环形转印带产生电荷; 打印平台,用于承接所述环形转印带上的所述第一显影剂和所述第二显影剂,从而形 成薄层; UV光固化光源,用于照射所述薄层,使得所述第一显影剂固化; 其特征在于: 加热装置,对所述打印平台进行预热; 加热压平装置,对所述薄层进行加热和压平处理; 所述第二显影剂的软化温度高于所述第一显影剂的软化温度;所述加热压平装置的加 热温度高于所述第一显影剂的软化温度但低于所述第二显影剂的软化温度。
2. 根据权利要求1所述的三维快速成型设备,其特征在于: 所述加热装置设置在所述打印平台上,所述加热装置为加热板,所述加热板具有多个 独立工作的加热区域。
3. 根据权利要求1所述的三维快速成型设备,其特征在于: 所述电荷生成装置包括第一电荷生成器和第二电荷生成器; 所述第一电荷生成器用于控制所述第一显影剂的移动,所述第二电荷生成器用于控制 所述第二显影剂的移动。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的三维快速成型设备,其特征在于: 所述第一显影剂的颜色为红色或黄色或蓝色或黑色或紫色或绿色。
5. 三维快速成型方法,包括以下步骤: 获取三维物体切片分层后的每一层的成型数据; 通过显影使得第一显影剂形成第一薄层; 对所述第一薄层用UV光照射,使所述第一显影剂发生固化; 显影形成后续薄层,对所述后续薄层用UV光照射,使所述后续薄层上的所述第一显影 剂发生固化; 其特征在于: 在UV光照射之前,对所述第一薄层进行预热; 在UV光照射之前,对所述第一薄层和所述后续薄层进行加热和压平处理; 所述后续薄层还包括由显影产生的第二显影剂,在所述UV光照射下,所述第二显影剂 不发生固化,所述第二显影剂的软化温度高于所述第一显影剂的软化温度。
6. 根据权利要求5所述的三维快速成型方法,其特征在于: 所述第一薄层还包括由显影产生的第二显影剂,在所述UV光照射下,所述第二显影剂 不发生固化。
7. 根据权利要求6所述的三维快速成型方法,其特征在于: 通过异性电荷相互吸引或通过同性电荷相互排斥而控制所述第一显影剂和所述第二 显影剂的转移。
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