CN104960207A - 个性化口罩快速制造3d打印复印一体机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，包括吸塑薄片放卷装置、送料装置、切割装置、口罩成型系统、计算机控制系统和3D扫描系统，吸塑薄片放卷装置位于最前端，送料装置、切割装置、口罩成型系统依次排列其后；口罩成型系统包括预热及冷却装置、夹持装置、数字化控制3D吸塑模具，数字化控制3D吸塑模具包括单元柱、单元柱支撑板、复位弹簧、电磁位移发生器、真空通道和模具箱体。本发明中由于采用单元柱的移动，并且3D扫描系统与计算机控制系统使得模具型腔可变化，故而称作打印复印一体机，也使得所生产的口罩可以根据人的面部轮廓进行个性化定制；具有操作简单、成本低、生产效率高、制品性能优化、灵活性高、安全系数高等优点。

Description

个性化口罩快速制造3D打印复印一体机

技术领域

本发明属于高分子材料加工成型领域，尤其涉及一种高性能口罩快速制造3D打印复印一体机。

背景技术

现有塑料制品的模具加工生产方式有注塑成型、热压成型等成型方法。注塑成型又称注射模塑成型，它是一种注射兼模塑的成型方法，是指在一定温度下，通过螺杆搅拌将完全熔融的塑料材料用高压射入模腔，经冷却固化后，得到成型品的方法。热压成型主要是利用加热加工模具后，注入试料，以压力将模型固定于加热板，控制试料的熔融温度及时间，以达熔化后硬化、冷却，然后取出成品。

显然，注塑成型与热压成型方法的成型模具为单一形状，无法在同一成型装置中成型不同形状的制品，使得制品生产存在局限性。也就是说，每一种制品都要加工制造一种模具，造价昂贵、灵活性低。

目前，雾霾成了人们日常生活中的热门话题，口罩的需求也逐渐扩大,其中就包括以塑料骨架制作的口罩或防毒面具。但是由于每个人的面部特征不同，一种形状的塑料口罩是无法很好地适用于不同的个体，那么就要求塑料口罩的形状多样化以实现其个性定制。

在专利CN201120119709中，提出了一种自动模压口罩成型机，其成型装置包括有热成型口罩衬底的上模与下模，下模固定于机架，上模配设有上下动作且缸体固定于机架的成型气缸，成型气缸的柱塞与上模驱动连接。这种成型机仍旧需要整体的模具，并且一个模具只能生产一种形状的制品，无法实现一模多形的情况。

而本技术从一种名为“钉子手模”的工艺品与针式打印机得到启示，可将模具设计成一种可以随着成型制品形状不同而变化的单元柱组合模，从而可实现根据每个人的脸部轮廓进行个性化定制。

发明内容

为解决注塑成型及热成型方法制造不同口罩需要不同模具，从而造价昂贵、灵活性低的问题，本发明提供了一种个性化的高性能口罩快速制造3D打印复印一体机。

本发明采用的技术方案是：一种个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，包括吸塑薄片放卷装置、送料装置、切割装置、口罩成型系统、计算机控制系统和3D扫描系统。吸塑薄片放卷装置位于最前端，送料装置、切割装置、口罩成型系统依次排列其后。

口罩成型系统包括预热及冷却装置、夹持装置、数字化控制3D吸塑模具。预热及冷却装置设置在夹持装置上方，数字化控制3D吸塑模具设置在夹持装置下方。3D扫描系统与计算机控制系统对接，并通过计算机控制系统控制数字化控制3D吸塑模具的形状。

其中，数字化控制3D吸塑模具包括单元柱、单元柱支撑板、复位弹簧、电磁位移发生器、真空通道和模具箱体；复位弹簧套在单元柱下部分以实现自动复位功能；每个单元柱下端存在磁铁，磁铁的极性与其下方的电磁发生器产生的磁场的极性相同，同性磁极相互排斥以实现单元柱上下移动，电磁位移发生器设置在单元柱的正下方从而使得单元柱受力比较均匀稳定，真空通道开设在模具箱体底部正中央，单元柱中心有气孔或单元柱间有通气的通道，单元柱支撑板为单元柱的安装板，单元柱支撑板上开孔的个数与单元柱的个数相同，单元柱支撑板为单元柱导向，单元柱的上部分截面直径大于单元柱支撑板上单元柱安装孔的截面直径，复位弹簧顶在单元柱支撑板下方，单元柱支撑板位于模具箱体内高度的接近中间位置，单元柱在弹簧和电磁力的作用下在单元柱支撑板的空中可上下自由移动。

本发明中的单元柱有两种技术方案：一种是单元柱为长方体，横截面形状为正方形，相邻单元柱紧密接触，其间依靠侧面相互配合实现定位作用从而保证单元柱始终处于铅直状态，单元柱中央沿轴线开设通气孔，通气孔位于每个单元柱的中心以实现气流的均匀流动；另一种是单元柱为圆柱体，横截面形状为圆形，单元柱顶部为半球状，因相邻接触圆柱体之间自然存在空隙，无需开设通气孔从而可使单元柱加工更简单，且加工的截面积可以更小以提高制品加工表面轮廓精度，直接依靠单元柱彼此之间的间隙作为气体流通的通道，单元柱半球状头部加耐高温橡胶层以使制品加工表面质量更高。

本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机的单元柱侧面喷涂摩擦系数低的材料，或单元柱本身采用摩擦系数小的材料制造，以减少单元柱上下移动时的摩擦阻力。

本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机的步骤为：操作者通过3D扫描系统扫描人的面部特征传递到计算机控制系统，计算机系统通过分析，自动添加拟合口罩的某些形状特征，如嘴部通气部分，并生成位置坐标，然后通过调整每个电磁位移发生器中的电流大小控制电磁力，使对应的单元柱上下移动处于不同位置形成模腔表面。在上述过程进行的同时，通过计算机控制系统控制吸塑薄片放卷装置自动上料，送料装置将片材输送到数字化控制3D吸塑模具正上方，夹持装置将片材稳定固定，再由切割装置切断。在以上准备过程完成后，再通过计算机控制系统控制预热装置对片材进行预热，可采用红外线加热的方式。预热完毕后，若采用横截面形状为正方形的单元柱，则利用真空泵把空气从模腔经过通气孔与真空通道抽走；若采用横截面形状为圆形的单元柱，则直接利用真空泵把气体通过单元柱间空隙与真空通道抽走，从而在薄片下侧形成负压，在大气压作用下使得薄片变形贴附在模具轮廓面上。接着，冷却装置对制品进行冷却，可采用风冷冷却的方式。然后，取下制品进行后处理，完成整个工艺过程，得到制品。所得制品在嘴巴部位开设有通气通道，所以后处理主要是在口罩制品的嘴部突起部位内置PM2.5过滤层，过滤层内储有纳米纤维等过滤材料，用于过滤PM2.5颗粒，阻隔其进入人体呼吸系统。

本发明中的数字化控制3D吸塑模具的工作原理是通过计算机控制系统控制，使电磁位移发生器中的线圈产生不同的电流值，从而形成不同大小的电磁力，再根据磁场同极相斥的原理使单元柱向上移动，单元柱通过上下移动达到不同的位移，组合形成不同的模具表面，实现模具的可变性。

考虑到电磁力易受到外界干扰而使单元柱上下扰动，导致位置精度降低的问题，所采取的改进实施例如下：将模具箱体的侧板和底板分离成独立的四个模具箱体侧板及一个模具箱体底板，相对的模具箱体侧板在驱动力的作用下可实现微小位移的相离或相近运动。当所有的单元柱在电磁力作用下移动到指定位置后，四个模具箱体侧板在驱动力作用下向模具箱体中心靠拢，在单元柱侧面产生足够的正压力，使该正压力所产生的摩擦力大于单元柱的重力，使得单元柱不至于向下滑动，然后撤去电磁力后仍能维持位置的稳定。为了保证密封性，在沿模具箱体内侧装有具有弹性的密封橡胶囊，这样无论模具箱体侧板如何运动，密封橡胶囊均能保证吸塑时工作空间的密封性。单元柱的安装板为单元柱支撑板，单元柱支撑板与模具箱体制作成一体，而当有密封橡胶囊时，单元柱支撑板位于模具箱体的固定的高度，单元柱支撑板在非工作状态时固定支撑单元柱，在工作状态，单元柱上移，四个模具箱体侧板在驱动力作用下向模具箱体中心靠拢，单元柱支撑板通过密封橡胶囊与四个模具箱体侧板压紧。

本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机的一种方案是将成型模具轮廓微分成一个个小的正方形，边长尺寸在2～5mm之间不等，根据所需设备精度及制造成本、制品要求等决定；另一种方案是将成型模具轮廓微分成一个个小的圆形，半径为2～5mm不等，根据所需设备精度及制造成本、制品要求等决定。

本发明的有益效果是：由于采用单元柱的移动，如同针式打印机，并且3D扫描系统与计算机控制系统使得模具型腔可变化，摆脱了原来的不同形状制品就需要不同模具的现状，这种吸塑过程如同复印，故而称作打印复印一体机，也使得所生产的口罩可以根据人的面部轮廓进行个性化定制，从而可以满足不同的个体的使用要求；具有操作简单、成本低、生产效率高、制品性能优化、灵活性高、安全系数高等优点。

附图说明

图1为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机示意图；

图2为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机吸塑成型前的口罩成型系统示意图；

图3为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机吸塑成型后的口罩成型系统示意图；

图4为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机数字化控制3D吸塑模具中的正方形横截面单元柱示意图；

图5为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机数字化控制3D吸塑模具中的圆形横截面单元柱示意图；

图6为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机数字化控制3D吸塑模具中的正方形横截面单元柱另一种结构示意图

图7为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机数字化控制3D吸塑模具示意图；

图8为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机所制得的制品示意图；

图9为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机另一实施例；

图10为本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机单元柱与单元柱支撑板接触处局部放大图。

图中：1.吸塑薄片放卷装置,2.送料装置,3.切割装置,4.预热及冷却装置,5.夹持装置,6.数字化控制3D模具,7.计算机控制系统,8.3D扫描系统,9.片材,10.通气孔，11.单元柱,12.复位弹簧，13.模具箱体,14.电磁位移发生器，15.真空通道，16.磁铁，17.耐热橡胶层，18.密封橡胶囊，19.单元柱支撑板；其中，13-1.模具箱体侧板，13-2.模具箱体底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作出说明。

本发明是一种个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，如图1所示，包括吸塑薄片放卷装置1、送料装置2、切割装置3、口罩成型系统、计算机控制系统7和3D扫描系统8，吸塑薄片放卷装置1位于最前端，送料装置2、切割装置3、口罩成型系统依次排列其后。

口罩成型系统，如图2、图3所示，包括预热及冷却装置4、夹持装置5、数字化控制3D吸塑模具6，预热及冷却装置4设置在夹持装置5上方，数字化控制3D吸塑模具6设置在夹持装置5下方。3D扫描系统8与计算机控制系统7对接，并通过计算机控制系统7控制数字化控制3D吸塑模具6的形状。

其中，数字化控制3D吸塑模具6包括单元柱11、复位弹簧12、电磁位移发生器14、真空通道15和模具箱体13；复位弹簧12套在单元柱11下部分，复位弹簧12上端自由伸缩，复位弹簧12下端可通过卡圈或焊接挡板固定在磁铁16的上方的单元柱11上，以实现自动复位功能，每个单元柱11下端存在磁铁16，磁铁16的极性与其下方的电磁位移发生器14产生的磁场的极性相同，同性磁极相互排斥以实现单元柱11上下移动，电磁位移发生器14设置在单元柱11的正下方从而使得单元柱11受力比较均匀稳定，真空通道15开设在模具箱体13底部正中央。

本发明中的单元柱11有两种技术方案：一种是单元柱11为长方体，如图4所示，横截面形状为正方形，相邻单元柱11紧密接触，其间依靠侧面相互配合实现定位作用从而保证单元柱11始终处于铅直状态，单元柱11中央沿轴线开设通气孔10，通气孔10位于每个单元柱11的中心以实现气流的均匀流动；另一种是单元柱11为圆柱体，如图5所示，横截面形状为圆形，单元柱11顶部为半球状，因相邻接触圆柱体之间自然存在空隙，无需开设通气孔10从而可使单元柱11加工更简单，且由于顶端为球形，其顶面更小以提高制品加工表面轮廓精度，直接依靠单元柱11彼此之间的间隙作为气体流通的通道，单元柱11半球状头部加耐高温橡胶层17以使加工表面质量更高。图6所示为将图4所示的横截面形状为正方形的单元柱11的顶端放置半球形耐高温橡胶层17，使得正方形截面的单元柱11与圆形截面的单元柱11的成型功能相近。此外，也可以将横截面形状为正方形的单元柱11的顶端加工成圆锥形，圆锥顶为球形。

本发明个性化口罩快速制造3D打印复印一体机工作的步骤为：操作者通过3D扫描系统8扫描人的面部特征，传递到计算机控制系统7，计算机系统通过分析，自动添加拟合口罩的某些形状特征，如嘴部通气部分，并生成位置坐标，然后通过调整每个电磁位移发生器14中的电流大小控制电磁力，使对应的单元柱11上下移动处于不同的位置形成模腔表面，如图7所示。在上述过程进行的同时，通过计算机控制系统7控制吸塑薄片放卷装置1自动上料，送料装置2将片材输送到数字化控制3D吸塑模具6正上方，夹持装置5将片材稳定固定，再由切割装置3切断。在以上准备过程完成后，再通过计算机控制系统7控制预热装置对片材9进行预热，可采用红外线加热的方式。预热完毕后，若采用横截面形状为正方形的单元柱11，则利用真空泵把空气从模腔经过通气孔10与真空通道15抽走；若采用横截面形状为圆形的单元柱11，则直接利用真空泵把气体通过单元柱11间间隙与真空通道15抽走，从而在片材9下侧形成负压，在大气压作用下使得片材9变形贴附在模具轮廓面上。接着，冷却装置对制品进行冷却，可采用风冷冷却的方式。然后，取下制品进行后处理，完成整个工艺过程，得到制品，如图8所示。所得制品在嘴巴部位开设有通气通道，所以后处理主要是在口罩制品的嘴部突起部位内置PM2.5过滤层，过滤层内储有纳米纤维等过滤材料，用于过滤PM2.5颗粒，阻隔其进入人体呼吸系统。

本发明中的数字化控制3D吸塑模具6的工作原理是计算机控制系统7给予电磁位移发生器15中的线圈不同的电流值，从而形成不同大小的电磁力，再根据磁场同极相斥的原理将单元柱11向上顶，单元柱11通过上下移动达到不同的位移，组合形成不同的模具表面，如图7所示，实现模具的可变性。

考虑到电磁力易受到外界干扰而使单元柱上下扰动，导致位置精度降低的问题，所采取的改进实施例如图9所示。将模具箱体13的侧板和底板分离成独立的四个模具箱体侧板13-1及一个模具箱体底板13-2，相对的模具箱体侧板13-1在驱动力的作用下可实现微小位移的相离或相近运动。当所有的单元柱11在电磁力作用下移动到指定位置后，四个模具箱体侧板13-1在驱动力作用下向模具箱体13中心靠拢，在单元柱11侧面产生足够的正压力，使该正压力所产生的摩擦力大于单元柱的重力，使得单元柱11不至于向下滑动，然后撤去电磁力后仍能维持位置的稳定。为了保证密封性，在沿模具箱体13内侧装有具有弹性的密封橡胶囊18，这样无论模具箱体侧板13-1如何运动，密封橡胶囊18均能保证吸塑时工作空间的密封性。图2和图3中单元柱11的安装板为单元柱支撑板19，单元柱支撑板19与模具箱体13制作成一体，而在图9中，箭头所指为受力方向，由于有密封橡胶囊18，单元柱支撑板19位于模具箱体13的固定的高度，单元柱支撑板19在非工作状态时固定支撑单元柱11，在工作状态，单元柱11上移，四个模具箱体侧板13-1在驱动力作用下向模具箱体13中心靠拢，单元柱支撑板19通过密封橡胶囊18与四个模具箱体侧板13-1压紧，单元柱11与单元柱支撑板19的关系如图10所示。

以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。

Claims (10)

1.个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：包括吸塑薄片放卷装置、送料装置、切割装置、口罩成型系统、计算机控制系统和3D扫描系统，吸塑薄片放卷装置位于最前端，送料装置、切割装置、口罩成型系统依次排列其后；口罩成型系统包括预热及冷却装置、夹持装置、数字化控制3D吸塑模具，预热及冷却装置设置在夹持装置上方，数字化控制3D吸塑模具设置在夹持装置下方，3D扫描系统与计算机控制系统对接，并通过计算机控制系统控制数字化控制3D吸塑模具的形状；数字化控制3D吸塑模具包括单元柱、单元柱支撑板、复位弹簧、电磁位移发生器、真空通道和模具箱体；复位弹簧套在单元柱下部分以实现自动复位功能；每个单元柱下端存在磁铁，磁铁的极性与其下方的电磁发生器产生的磁场的极性相同，真空通道开设在模具箱体底部正中央，单元柱中心有气孔或单元柱间有通气的通道，单元柱支撑板为单元柱的安装板，单元柱支撑板上开孔的个数与单元柱的个数相同，单元柱支撑板为单元柱导向，复位弹簧顶在单元柱支撑板下方，单元柱支撑板位于模具箱体内高度的接近中间位置。

2.根据权利要求1所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱为长方体，横截面形状为正方形，相邻单元柱紧密接触，其间依靠侧面相互配合实现定位作用从而保证单元柱始终处于铅直状态，单元柱中央沿轴线开设通气孔。

3.根据权利要求1所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱为圆柱体，横截面形状为圆形，单元柱顶部为半球状，相邻接触圆柱体之间自然存在空隙。

4.根据权利要求1所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱侧面喷涂摩擦系数低的材料，或单元柱本身采用摩擦系数小的材料制造。

5.根据权利要求1所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：将模具箱体的侧板和底板分离成独立的四个模具箱体侧板及一个模具箱体底板，相对的模具箱体侧板在驱动力的作用下可实现微小位移的相离或相近运动，四个模具箱体侧板在驱动力作用下向模具箱体中心靠拢，在单元柱侧面产生足够的正压力，使该正压力所产生的摩擦力大于单元柱的重力，使得单元柱不至于向下滑动，然后撤去电磁力后仍能维持位置的稳定。

6.根据权利要求5所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：在沿模具箱体内侧装有具有弹性的密封橡胶囊。

7.根据权利要求2所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱的正方形边长尺寸在2～5mm之间。

8.根据权利要求3所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱半径为2～5mm。

9.根据权利要求3所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：单元柱半球状头部加耐高温橡胶层。

10.根据权利要求2所述的个性化口罩快速制造3D打印复印一体机，其特征在于：横截面形状为正方形的单元柱的顶端放置半球形耐高温橡胶层，或横截面形状为正方形的单元柱的顶端加工成圆锥形，圆锥顶为球形。