CN104960202B - 一种3d打印装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印装置和方法。该装置包括打印室、送料装置、运动支架、打印喷头、加热体、气压控制器、打印平台、机械臂和修复刀头。采用熔融挤出冷凝的方式进行3D打印，严格控制打印喷头喷出的材料和工件的温差，保证了打印出来冷凝的材料的一致性和质量，对材料的要求较低，大部分材料均能实现3D打印；此外，本发明还在打印室设置机械臂和修复刀头对工件进行边打印边修复，最终实现3D打印工艺，具有精度高、可被加工材料广泛等优势。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种3D打印装置和方法。
背景技术
3D打印是当前热门的增材加工工艺。目前市场上主流的3D打印工艺类型有选择性激光烧结(SLS)、光固化成型(SLA)、丝材熔融挤出成型(FDM)、液体喷印成型(3DP)、分层实体制造(LOM)以及上述类型相应的细分衍生技术等。但目前由于3D打印工艺温度和环境的控制瓶颈，使得现有的3D打印装置对打印材料的要求高，打印材料比较单一，没有一种普适的3D打印装置能够满足大多数材料的3D打印，且在3D打印的环境控制方面不够严格和精确，如打印材料和打印基体直接的温度差控制、气体氛围控制等，导致3D打印出来的材料的一致性和质量也不够好。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种3D打印装置和方法，借用半导体材料生长与微加工的思路，对3D打印室进行严格的氛围、压力和温度调控，采用熔融挤出冷凝的方式进行3D打印，严格控制打印喷头喷出材料和工件的温差，保证打印出来冷凝的材料的一致性和质量，并设置机械臂和修复刀头对工件进行修复。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种3D打印装置，其特征在于，包括打印室、送料装置、运动支架、打印喷头、加热体、气压控制器、打印平台、机械臂和修复刀头；所述送料装置通过输料管连接所述打印喷头，用于为所述打印喷头提供原材料；所述加热体包覆所述打印喷头，用于对进入到所述打印喷头中的原材料加热熔融并控制其温度；所述气压控制器通过输气管连接所述打印喷头，用于控制所述打印喷头的压力，进而控制所述打印喷头喷出的熔融的原材料的速度；所述运动支架的一端固定在所述打印室的内壁，另一端连接所述打印喷头，用于带动所述打印喷头实现3～5维方向的移动；所述打印平台安装在所述打印室内，用于承载所述打印喷头打印的工件；所述机械臂的一端固定在所述打印室的内壁，另一端连接所述修复刀头，用于通过调整所述修复刀头的位置，对所述打印喷头打印的工件进行修复和精加工；所述打印室上还设置有进气口和出气口，用于调控所述打印室内的氛围、压力和温度；所述打印室上还设置有冷却液进口和冷却液出口，用于向所述打印室输入冷却液对所述打印平台和所述打印喷头打印的工件进行冷却。
优选地，上述装置还包括抽气装置，设置在所述出气口处，用于调整所述打印室内的压力，扩大所述打印室的压力调控范围。
优选地，所述打印平台能旋转运动，以便于所述修复刀头对所述打印喷头打印的工件进行全方位修复。
优选地，所述打印平台能升降运动，用于控制所述打印平台的高度，使所述打印室内的冷却液的液面始终与所述打印喷头保持距离。
按照本发明的另一方面，提供了一种用上述装置进行3D打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)送料装置通过输料管向打印喷头提供打印原材料；
(2)通过调节由进气口进入的气体种类、流量和温度来调控打印室内的氛围、压力和温度，气体从出气口排出；
(3)加热体对输入到打印喷头的打印原材料进行加热熔融，并使其维持在合适的温度，打印喷头在气压控制器的作用下喷出熔融的打印原材料，打印喷头在运动支架的带动下开始3D打印；
(4)输入冷却液对打印平台和3D打印得到的工件进行冷却，调节冷却液的液面高度使之低于工件的上表面，并与工件的上表面保持合适距离，保证工件在打印时维持合适温度；
(5)机械臂调节修复刀头的位置，对工件进行修复和精加工。
优选地，所述步骤(1)中，向打印喷头提供的打印原材料为丝状材料或粉末状材料。
优选地，所述冷却液为导热液体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、在打印喷头外围安装加热体，用来控制打印喷头中熔融的原材料的温度，同时通过冷却液对打印平台和工件进行冷却并保持一定温度，这样保证了打印喷头喷出的材料和工件的温度差，对材料的冷凝提供了一致性的环境和条件，从而保证3D打印的一致性和质量。
2、通过调节进气口的气体种类、气体流量和温度来调控打印室内氛围、压力和温度，保证了3D打印环境的一致性，并可以针对特定类型的材料提供特定的气体氛围，如惰性气体氛围，气压和温度的控制也可以使材料的冷凝更为顺利，提高打印质量、效率和洁净度。
3、通过机械臂和修复刀头对工件进行边打印边修复，提高了打印精度。
4、本发明采用的方案对材料不挑剔，只要可以冷凝加工的材料都可以进行3D打印，普适性较好。
附图说明
图1是本发明实施例的3D打印装置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-打印室，2-送料装置，3-运动支架，4-打印喷头，5-加热体，6-进气口，7-出气口，8-输料管，9-气压控制器，10-输气管，11-冷却液进口，12-冷却液出口，13-抽气装置，14-打印平台，15-机械臂，16-修复刀头，17-冷却液，18-工件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的3D打印装置包括打印室1、送料装置2、运动支架3、打印喷头4、加热体5、气压控制器9、打印平台14、机械臂15和修复刀头16。
送料装置2通过输料管8连接打印喷头4，用于为打印喷头4提供原材料；加热体5包覆打印喷头4，用于对进入到打印喷头4中的原材料加热熔融并控制其温度；气压控制器9通过输气管10连接打印喷头4，用于控制打印喷头4的压力，进而控制打印喷头4喷出的熔融的原材料的速度；运动支架3的一端固定在打印室1的内壁，另一端连接打印喷头4，用于带动打印喷头4实现3～5维方向的移动；打印平台14安装在打印室1内，用于承载打印喷头4打印的工件18；机械臂15的一端固定在打印室1的内壁，另一端连接修复刀头16，用于通过调整修复刀头16的位置，对打印喷头4打印的工件18进行修复和精加工。
打印室1上还设置有进气口6和出气口7，通过调节从进气口6进入打印室1的气体种类、流量和温度来调控打印室1内的氛围、压力和温度，气体从出气口7排出。
打印室上还设置有冷却液进口11和冷却液出口12，用于向打印室1输入冷却液17对打印平台14和工件18进行冷却，并可以通过调节冷却液17的流量以控制冷却液17在打印室1的液面高度，冷却液17从冷却液出口12排出或循环。
更进一步地，上述3D打印装置还包括抽气装置13，设置在出气口7处，用于调整打印室1内的压力(例如抽真空)，扩大打印室1的压力调控范围。
更进一步地，打印平台14能旋转运动，以便于修复刀头16对工件18进行全方位修复；打印平台14还能升降运动，用于控制打印平台14的高度，使冷却液17的液面始终与打印喷头4保持一定距离。
用上述3D打印装置进行3D打印的方法，包括如下步骤：
(1)送料装置2通过输料管8向打印喷头4提供打印原材料；
(2)通过调节由进气口6进入的气体种类、流量和温度来调控打印室1内的氛围、压力和温度，气体从出气口7排出；
(3)加热体5对输入到打印喷头5的打印原材料进行加热熔融，并使其维持在合适的温度，打印喷头4在气压控制器9的作用下喷出熔融的打印原材料，打印喷头4在运动支架3的带动下开始3D打印；
(4)输入冷却液17对打印平台14和3D打印得到的工件18进行冷却，调节冷却液的液面高度使之低于工件18的上表面，并与工件18的上表面保持合适距离，保证工件18在打印时维持合适温度；
(5)机械臂15调节修复刀头16的位置，对工件进行修复和精加工。
更进一步地，向打印喷头4提供的打印原材料为丝状材料或粉末状材料。
更进一步第，冷却液17为导热液体。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种3D打印装置，其特征在于，包括打印室、送料装置、运动支架、打印喷头、加热体、气压控制器、打印平台、机械臂和修复刀头；
所述送料装置通过输料管连接所述打印喷头，用于为所述打印喷头提供原材料；所述加热体包覆所述打印喷头，用于对进入到所述打印喷头中的原材料加热熔融并控制其温度；所述气压控制器通过输气管连接所述打印喷头，用于控制所述打印喷头的压力，进而控制所述打印喷头喷出的熔融的原材料的速度；所述运动支架的一端固定在所述打印室的内壁，另一端连接所述打印喷头，用于带动所述打印喷头实现3～5维方向的移动；所述打印平台安装在所述打印室内，用于承载所述打印喷头打印的工件；所述机械臂的一端固定在所述打印室的内壁，另一端连接所述修复刀头，用于通过调整所述修复刀头的位置，对所述打印喷头打印的工件进行修复和精加工；所述打印室上还设置有进气口和出气口，用于调控所述打印室内的氛围、压力和温度；所述打印室上还设置有冷却液进口和冷却液出口，用于向所述打印室输入冷却液对所述打印平台和所述打印喷头打印的工件进行冷却。
2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括抽气装置，设置在所述出气口处，用于调整所述打印室内的压力，扩大所述打印室的压力调控范围。
3.如权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于，所述打印平台能旋转运动，以便于所述修复刀头对所述打印喷头打印的工件进行全方位修复。
4.如权利要求1或2所述的3D打印装置，其特征在于，所述打印平台能升降运动，用于控制所述打印平台的高度，使所述打印室内的冷却液的液面始终与所述打印喷头保持距离。
5.一种用权利要求1所述的3D打印装置进行3D打印的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)送料装置通过输料管向打印喷头提供打印原材料；
(2)通过调节由进气口进入的气体种类、流量和温度来调控打印室内的氛围、压力和温度，气体从出气口排出；
(3)加热体对输入到打印喷头的打印原材料进行加热熔融，并使其维持在合适的温度，打印喷头在气压控制器的作用下喷出熔融的打印原材料，打印喷头在运动支架的带动下开始3D打印；
(4)输入冷却液对打印平台和3D打印得到的工件进行冷却，调节冷却液的液面高度使之低于工件的上表面，并与工件的上表面保持合适距离，保证工件在打印时维持合适温度；
(5)机械臂调节修复刀头的位置，对工件进行修复和精加工。
6.如权利要求5所述的3D打印的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，向打印喷头提供的打印原材料为丝状材料或粉末状材料。
7.如权利要求5或6所述的3D打印的方法，其特征在于，所述冷却液为导热液体。
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