CN104908320B - Uv光固化3d打印机及叠成精度保证方法 - Google Patents

Abstract

一种UV光固化3D打印机及叠成精度保证方法，包括废料管、清洗槽、打印平台、喷头部分、Y向导轨、负压管、负压系统、X向导轨、供墨盒、Z向导轨、供墨管、废料盒，其特征在于，负压系统通过负压管与喷头部分的墨盒相连；供墨盒通过供墨管与喷头部分的墨盒相连；Y向导轨上设有可自由移动的喷头，X向导轨上设有可自由移动的Y向导轨及压辊滚轴，喷头在控制系统的控制下沿X向导轨、Y向导轨运动完成平面打印；打印平台下设有可控制其升降的Z向导轨，每完成一层打印打印平台3沿Z向导轨10移动一定层厚；清洗槽位于机器一侧，清洗槽通过废料管与废料盒相连。

Description

UV光固化3D打印机及叠成精度保证方法

技术领域：

本技术应用于3D打印领域，涉及到3D打印机的结构及打印控制方法的实现，具体采用了一种特殊的机械结构保证喷射堆积精度，完成高速高精度的3D打印。

背景技术

三维打印(也称快速成型、迭层制造等)技术被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破^[1]，也有众多国内外媒体称其为“第三次工业革命”的典型代表。他颠覆了以往制造业要运用大量的人力、资金、设备等完成大规模集中化的生产方式，而3D打印机技术是一种更加灵活的、所需要投入更少的生产方式。当这种方式得到广泛的运用，那么每个人都可以是一家工厂，能够实现创意的工艺设计的模型制作。

UV光固化成形技术和平面喷墨打印技术长期都是同时发展的，相辅相成。为了适应时代的变化以及对于新技术发展的迫切需要，研究者将微滴喷射喷头、机械运动装置、UV光固化的设备与固化墨水相结合，形成了一种新的成形技术，称之为UV光固化微滴喷射3D打印技术。

UV光固化3D打印是使用特定波长的UV光照射液态的UV油墨或光敏树脂使其发生光聚合反应从而成膜固化的原理。UV三维打印的过程，每层的打印类似于UV平面打印机，沿X轴移动，在成形截面上根据当前层图形精确、迅速地喷射一层光敏树脂，同时喷头架上的紫外光LED灯发射相应波长的紫外光，用以快速固化和硬化当前层的光敏树脂。每打印完成一层后，系统内的成形底盘将精确地位移动一定量，位移量等于即将开始打印的层的目标层高。如此反复，直至生成所需要的零件。

UV固化的3D打印目前国外仅有几家公司推出了类似于本项目的数字化微滴三维打印成型设备：一家为以色列Objet公司推出的Eden，采用的材料为光敏树脂，该设备在国际范围内已形成小批量销售；一家为美国3D System公司推出的Invision，采用的材料为ABS材料，目前这两家已经合并。此类三维打印成型设备其设备价格和材料价格均较高，设备运行、维护及培训成本均较高，耗材成本也较高，不太适合国内广大的中小型制造类企业。

目前国内现有的打印机主要是在纸张上或在其他打印介质如瓷片、文具、礼品等物体上打印，打印的大多数是平面而非立体信息，虽然现在也有制作三维立体打印的设备，但其耗时长，打印精度不高，有的还需要模具辅助完成。另外三维物体成型过程中的悬空部分需要材料支撑，成型后支撑材料的去除困难，特殊部位的支撑去除复杂。

UV固化的三维物体成型的打印精度高及支撑去除方便有其独特的优势。目前国内已有的UV固化仅限于二维的平面喷墨打印，三维UV打印国内尚无报道。

发明内容

发明目的：解决在三维打印中如何精确定位及因材料固化时收缩特性不同、呈球冠状的墨滴如何形成完整的平面，减少层叠后的累积误差问题。

技术方案：一种UV光固化3D打印机，包括废料管、清洗槽、打印平台、喷头部分、Y向导轨、负压管、负压系统、X向导轨、供墨盒、Z向导轨、供墨管、废料盒，其特征在于，负压系统通过负压管与喷头部分的墨盒相连；供墨盒通过供墨管与喷头部分的墨盒相连；Y向导轨上设有可自由移动的喷头，X向导轨上设有可自由移动的Y向导轨及压辊滚轴，喷头在控制系统的控制下沿X向导轨、Y向导轨运动完成平面打印；打印平台下设有可控制其升降的Z向导轨，每完成一层打印打印平台3沿Z向导轨10移动一定层厚；清洗槽位于机器一侧，清洗槽通过废料与废料盒相连。

喷头部分由微滴喷头1、微滴喷头2、UV灯、压辊滚轴等组成，微滴喷头1、微滴喷头2位并列于喷头外壳内，在微滴喷头2的不靠近微滴喷头1一侧设有丝杆传动及压辊滚轴，在喷头外壳内微滴喷头上方设有散热风扇，在喷头外壳内的另一侧设有UV灯，微滴喷头和UV灯之间的距离大于10mm；压辊滚轴下切面和微滴喷头1及微滴喷头2的下表面不在同一平面，两平面落差一定距离，此安装距离根据材料特性进行选择，让压辊轴能挤压喷射出的材料，保证每一喷射面的平整、不出现凹凸，从而控制系统累积成型精度。

压辊滚轴和喷射喷头，微滴喷头距成型平台的距离L大于压辊滚轴距成型平台的距离d。

沿Y轴向上设有刮刀，刮刀支架安装在Y轴的支撑架上，刮刀与压辊滚轴相切并附带导管与废料盒相通。UV光固化3D打印机叠成精度保证方法，步骤一：喷头4在控制系统的控制下沿X轴8完成特定宽幅的阵列喷射，之后X轴8复位，压辊和X轴运动同步，同时UV灯15点亮进行固化，完成球冠型的墨滴平整；步骤二：喷头4沿Y轴5移动一定位置，重复步骤一，由每层平面图形的大小决定步骤一及步骤二次数，直至完成平面喷射和固化；步骤三：每打印完一层，喷头沿X轴8及Y轴5复位，打印平台3沿Z向导轨10下移一打印层厚；在喷头按阵列图形喷射时实际喷射墨滴的拱高大于层厚，依赖压辊去除多余部分，确保表面的平整，减少单层的凹凸，从而降低多层的累积误差，提高打印的成型精度。

有益效果：(1)使用压辊滚轴，保证平面喷射的平整性，减少了喷射点阵所引起的自然凹凸，减少3D成型的累积误差，确保系统的成型精度。(2)采用了倾斜式刮刀片的安装方式，使压辊后的多余介质有效的清除，同时废液延倾斜刀片自然滑落，进入刮刀支架22的槽口排至废料盒。

附图说明

图1UV光固化3D打印机的成型结构图

图2喷头部分的构成

图3喷嘴和压辊的安装

图4阵列式墨滴

图5压辊处的废液处理

图中标号

1废料管，2清洗槽，3打印平台，4喷头部分，5Y向导轨，6负压管，7负压系统，8X向导轨，9供墨盒，10Z向导轨，11供墨管，12废料盒13散热风扇，14喷头外壳，15UV灯，16成型平台，17微滴喷头1，18微滴喷头2，19丝杆传动，20压辊滚轴21刮刀，用于刮除压辊滚轴上残留的成型材料，22刮刀支架，安装在Y轴支架上使刮刀与压辊滚轴相切L：微滴喷头距成型平台的距离

d：压辊滚轴距成型平台的距离

具体实施方式

为实现成形系统的零件打印功能，打印喷头需实现相对于成形工作台的三维空间运动。为此，本专利进行了如下运动方式的设计：对于X方向上的位置运动由步进电机带动喷头架移动实现，X方向上的位置运动由光栅尺进行反馈，达到闭环控制的目的；Y方向使用伺服电机加编码盘进行精确定位；这样设计后，就可以实现打印喷头相对于成形工作台完成平面运动；平层压辊运动使球冠型的墨滴平整；每打印一个平面后，Z方向的电机带动Z轴做垂直方向的运动，至此三维立体成形的三维空间运动得以实现。对于X方向为了保证成型的速度及稳定性系统采用带轮传动方式、压辊采用带轮传动方式，在压辊过程中保持和X轴的同步，Y、Z方向上的运动系统均采用了丝杆传动的方式。通过上述方式已经实现了二维平面到三维立体成型的打印。

如何使呈球冠状的墨滴趋于平整，保证在三维成型中减少Z轴方向上的累积误差，是通过结构设计及切片控制的方式来实现，也是此发明的重点。

我们设计的UV光固化3D打印机的成型结构图如图1所示，负压系统7通过负压管6与喷头部分4的墨盒相连保证喷头喷墨及清洗的稳定；供墨盒9通过供墨管11与喷头部分4的墨盒相连确保喷墨正常；喷头部分4在控制系统的控制下沿X向导轨8、Y向导轨5运动完成平面打印；每完成一层打印打印平台3沿Z向导轨10移动一定层厚；喷头清洗后的废液由清洗槽2经废料管1流入废料盒12。

UV光固化3D打印步骤是，步骤一：喷头4在控制系统的控制下沿X轴8完成特定宽幅的阵列喷射，之后X轴8复位，压辊和X轴运动同步，同时UV灯15点亮进行固化，完成球冠型的墨滴平整。步骤二：喷头4沿Y轴5移动一定位置，重复步骤一，由每层平面图形的大小决定步骤一及步骤二次数，直至完成平面喷射和固化。步骤三：每打印完一层，喷头沿X轴8及Y轴5复位，打印平台3沿Z向导轨10下移一打印层厚。在喷头按阵列图形喷射时实际喷射墨滴的拱高大于层厚，依赖压辊去除多余部分，确保表面的平整，减少单层的凹凸，从而降低多层的累积误差，提高打印的成型精度。

为了保证每层的成型精度及能正确的完成UV固化，同时UV灯发射的紫外光不影响喷头的喷射，在结构上如图2所示，喷头部分4由微滴喷头17、微滴喷头18、UV灯15、压辊滚轴20等组成。微滴喷头18和UV灯15之间的距离大于10mm，确保UV射线不影响微滴喷头17和18的喷射；压辊滚轴20下切面和微滴喷头17及18的下表面不在同一平面，两平面落差一定距离，此安装距离根据材料特性进行选择，让压辊轴能挤压喷射出的材料，保证每一喷射面的平整、不出现凹凸，从而控制系统累积成型精度，压辊滚轴和喷射喷头的安装见图3，在安装中保证微滴喷头距成型平台的距离L大于压辊滚轴距成型平台的距离d。

在光固化三维打印快速成形工艺的的单层成形过程中，经打印头喷射到成形工作面的材料是由呈阵列布置的液滴组成，如图4所示。光固化三维快速成形工艺要求：在材料固化前，这些液滴能重新融合为一整体，否则固化后的表面就会凸凹不平，进而会影响光固化三维打印的成形精度和质量，为了确保墨点的有效融合，我们对平面X、Y轴的打印分辨率做了要求，同时进一步减少拱顶所引起的凹凸我们采用上述压辊的设计方案。由于压辊的存在会引起另一问题，即压辊滚轴20上的余墨的处理。在设备中采用图5所示的结构，压辊滚轴20随X轴8同步运动复位同时完成对喷射出的介质进行挤压，削平拱顶，多余的墨随压辊滚轴20转动移至刮刀21处，由刮刀21刮除多余墨，同时排入刮刀支架22的槽口中，再由泵吸入废料盒。

Claims (2)

1.一种UV光固化3D打印机，包括废料管、清洗槽、打印平台、喷头部分、Y向导轨、负压管、负压系统、X向导轨、供墨盒、Z向导轨、供墨管、废料盒，其特征在于，负压系统通过负压管与喷头部分的墨盒相连；供墨盒通过供墨管与喷头部分的墨盒相连；Y向导轨上设有可自由移动的喷头，X向导轨上设有可自由移动的Y向导轨及压辊滚轴，喷头在控制系统的控制下沿X向导轨、Y向导轨运动完成平面打印；打印平台下设有可控制其升降的Z向导轨，每完成一层打印时，打印平台沿Z向导轨移动一定层厚；清洗槽位于机器一侧，清洗槽通过废料管与废料盒相连；沿Y轴向上设有刮刀，刮刀支架安装在Y轴的支撑架上，刮刀与压辊滚轴相切并附带导管与废料盒相通，喷头部分由微滴喷头1、微滴喷头2、UV灯、压辊滚轴组成，微滴喷头1、微滴喷头2并列位于喷头外壳内，在微滴喷头2的不靠近微滴喷头1一侧设有丝杆传动及压辊滚轴，在喷头外壳内微滴喷头上方设有散热风扇，在喷头外壳内的另一侧设有UV灯，微滴喷头和UV灯之间的距离大于10mm；压辊滚轴下切面和微滴喷头1及微滴喷头2的下表面不在同一平面，两平面落差一定距离，此安装距离根据材料特性进行选择，让压辊滚轴能挤压喷射出的材料，保证每一喷射面的平整、不出现凹凸，从而控制系统累积成型精度，压辊滚轴和喷射喷头的底面不在同一水平面上，即微滴喷头底面距成型平台的距离L大于压辊滚轴底面距成型平台的距离d。

2.一种如权利要求1所述的UV光固化3D打印机叠成精度保证方法，其特征在于，

步骤一：喷头在控制系统的控制下沿X轴完成特定宽幅的阵列喷射，之后X轴复位，压辊和X轴运动同步，同时UV灯点亮进行固化，完成球冠型的墨滴平整；

步骤二：喷头沿Y轴移动一定位置，重复步骤一，由每层平面图形的大小决定步骤一及步骤二次数，直至完成平面喷射和固化；

步骤三：每打印完一层，喷头沿X轴及Y轴复位，打印平台沿Z向导轨下移一打印层厚；在喷头按阵列图形喷射时，实际喷射墨滴的拱高大于层厚，依赖压辊去除多余部分，确保表面的平整，减少单层的凹凸，从而降低多层的累积误差，提高打印的成型精度。