CN105014975A - 一种立体打印机和用于微重力环境的立体打印机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体打印机，包括底座、主机、激光扫描仓、进料仓、成型仓和活塞机构，进料仓和成型仓均为上部开口的仓体且相邻设置，其相邻侧面的底部设有缝隙，进料仓和出料仓的侧面下部还设有可开合的开口，成型仓的底面用玻璃板构成，激光扫描仓包括外壳体、激光发射器、扫描装置，激光发射器发射的激光垂直射向成型仓底面，活塞机构包括两个分别用于进料仓和成型仓的活塞，活塞位于最底端时可密封所述缝隙，主机的主控系统用于控制扫描装置和活塞机构。还公开了用于微重力环境的立体打印机和其打印方法。本发明保证了打印原料在整个打印过程中均处于密封环境中，且不会因表面张力而变形，便于成品取出和剩余原料清理，适用于太空舱内打印。

Description

一种立体打印机和用于微重力环境的立体打印机及其方法

技术领域

本发明涉及立体打印机技术领域，特别是涉及一种立体打印机和用于微重力环境的立体打印机及其方法。

背景技术

现有的立体光刻打印机包括激光发射器、扫描仪、液体槽和具有活塞结构的打印平台。打印时先在液体槽中倒入液态的光敏树脂，该光敏树脂在受到紫外线照射后会凝固。该打印平台可升降的位于液体槽中，激光发射器位于液体槽上方。打印开始时，打印平台上浸没一层光敏树脂，在激光发射器和扫描仪的作用下，打印平台上经激光照射的光敏树脂会发生固化，完成产品的第一层；之后随着打印平台的逐级下降，逐层固化产品，新固化层和前一层牢固地粘合在一起，最终完成完整立体产品的打印。但是，现有的光刻打印技术在太空微重力环境下不能实施，原因是现有技术是在地球重力为固有条件下创造的，而在微重力环境下，液体槽的顶端没有封口时，液态的光敏树脂会因为没有重力而变成球状，在进料时液体也会径直向四方飞去，大大地阻挠了打印过程。最重要的是，光敏树脂具有一定的毒性，打印完成后多余液体的清理也会变得十分困难，故现有的立体光刻打印机不适合应用在微重力环境中。

而随着人类对外太空的研究进展，“太空制造”也逐渐发展与完善。为了实现对宇航器、空间站、外星基地等内部易损易耗件、备品备件、专用工具、微型人造卫星、雷达以及太阳能接收板等零部件的按需在轨快速制造，需要在太空舱中应用立体打印机完成各种日常用品或仪器零部件的替代品，所以，如何创设一种立体打印机和用于微重力环境的立体打印机及其方法，实属当前重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种立体打印机，使其实现密封环境下完成立体产品的打印，从而克服现有的立体打印机的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种立体打印机，包括底座、位于底座上的主机和激光扫描仓、分别位于主机和激光扫描仓上的进料仓和成型仓、以及位于进料仓和成型仓上的活塞机构，

所述进料仓和成型仓均为上部开口的仓体且相邻设置，其相邻侧面的底部设有连通进料仓和成型仓的缝隙，所述进料仓和出料仓的侧面下部还分别设有可开合的开口，所述成型仓的底面由玻璃构成，

所述激光扫描仓包括外壳体、激光发射器、带动激光发射器移动的扫描装置，所述激光扫描仓的外壳体顶面由玻璃构成，所述激光发射器发射的激光垂直射向所述成型仓的底面，

所述活塞机构包括两个分别用于进料仓和成型仓的活塞，用于支撑所述活塞的活塞架以及用于带动所述活塞移动的动力机构，所述活塞在位于进料仓和成型仓最底端时均可密封所述进料仓和成型仓之间的缝隙，

所述主机包括外壳体和设置于其内部的主控系统，所述主控系统与所述激光扫描仓中的扫描装置以及所述活塞机构中的动力机构连接并控制其动作。

作为本发明的一种改进，所述激光发射器为半导体激光器。

进一步改进，所述缝隙的高度约0.2mm。

进一步改进，所述带动激光发射器移动的扫描装置包括基台、固定机构、移动机构和步进电机，

所述固定机构为两个相对设置于基台两侧边的固定柱，两个固定柱之间设有供移动机构穿过的不锈钢轴，

所述步进电机共五个，其中四个步进电机分别位于基台的四角，所述位于固定机构同侧的两个步进电机之间连接有与移动机构连接的步进带，所述移动机构在步进带的带动下沿所述不锈钢轴水平移动，

所述移动机构上还设有供所述激光发射器垂直于所述不锈钢轴运动的轨道，所述轨道下部设有带动所述激光发射器移动的步进电机。

进一步改进，所述进料仓、成型仓和激光扫描仓的侧面中分别设置至少一个由玻璃材质制成的侧面。

进一步改进，所述玻璃采用具有偏振效应的玻璃板。

进一步改进，所述立体打印机采用丙烯酸光敏树脂为打印原料，所述用于成型仓的活塞最底面采用丙烯酸塑料构成。

进一步改进，所述主机的外壳体上设有显示装置，且所述主机的外壳体与底座成一体结构。

本发明还要解决的技术问题是提供一种用于微重力环境的立体打印机，使其能适应微重力环境完成立体产品的打印，从而克服现有的立体打印机的不足。

为解决上述技术问题，本发明采用上述的立体打印机，并且在所述成型仓上方还设有成品仓，所述成品仓由支撑所述用于成型仓中活塞的活塞架主体构成，且所述成品仓的一个侧面可开合。

此外，本发明还提供了一种上述的用于微重力环境的立体打印机的打印方法，所述打印步骤如下：

(1)初始状态：将所述两个活塞均位于最底端，所述进料仓的开口连接装有光敏树脂的可塑性强的包装袋，所述出料仓的开口闭合；

(2)进料：启动所述进料仓中的活塞向上移动，所述进料仓中形成负压，在大气压的作用下光敏树脂被挤入所述进料仓中，待进料完毕后，闭合所述进料仓的开口；

(3)打印：启动所述成型仓中活塞向上移动，并控制进料仓中活塞向下移动，所述两个活塞的移动步距相同，与此同时启动所述激光发射器，在所述激光发射器完成成品第一层扫描后，再次启动成型仓中活塞向上移动和进料仓中活塞向下移动，经固化的成品第一层紧密粘帖在成型仓中活塞的下表面并随其向上移动，经所述激光发射器固化的成品第二层紧密粘帖成品第一层，以此循环操作，直至成品完成；

(4)取出成品：将所述成型仓中的活塞向上移动至最高处，成品进入所述成品仓中，通过所述成品仓的可开合侧面取出成品；

(5)清理剩余原料：开启成型仓中的开口并连接回收装置，启动所述进料仓中的活塞移动至最底端，再启动所述成型仓中的活塞向下移动至最底端，将剩余光敏树脂挤入回收装置中，即完成。

采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明利用密封活塞移动形成的负压进料，采用两个活塞配合完成原料在进料仓与成型仓之间的流动，并通过激光发射器的垂直照射，完成立体打印，即使进料在密封条件下进行，又保证了打印原料在打印过程中不会因表面张力而变形，且独立设立的激光扫描仓维修更加便捷。

2、本发明通过设置成品仓，进一步保证了打印原料在整个打印过程中均处于密封环境下，便于微重力环境下打印成品的取出和剩余打印原料的清理，克服了现有的立体光刻打印机不能适用于太空舱的问题。

3、本发明通过将进料仓、成型仓、激光扫描仓以及成品仓的侧面设置成玻璃侧面，使整个打印过程清晰可见，便于使用者的监督。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明立体打印机的主视图；

图2是本发明立体打印机中激光扫描仓的俯视图；

图3是本发明立体打印机中活塞机构的主视图；

具体实施方式

参照附图1可见，本发明立体打印机包括底座1、激光扫描仓2、进料仓3、成型仓4、活塞机构5和主机6。

参照附图2可见，该激光扫描仓2位于底座1上，其包括激光发射器21、带动激光发射器移动的扫描装置以及外壳体。本实施例中激光发射器21为半导体激光器，其发射的激光波长405nm，光斑半径为0.2mm，其激光发射方向向上且垂直于成型仓的底部。本实施例中带动激光发射器移动的扫描装置包括基台22、固定机构23、移动机构24和步进电机25，固定机构23为两个相对设置于基台22两侧边的固定柱，两个固定柱之间设有供移动机构24穿过的不锈钢轴26。步进电机25共五个，四个分别位于基台22的四角，采用环氧树脂胶水固定，尺寸42*42*48mm，轴径5mm，步矩角1.8°。其中位于固定机构23同侧的两个步进电机之间连接有2GT步进带，该步进带与移动机构24连接，则移动机构24在步进带的带动下沿两个固定柱之间的不锈钢轴26水平移动。并且移动机构24上还设有与上述不锈钢轴26垂直的轨道，激光发射器21位于该轨道内，该轨道下部设有一个步进电机，则激光发射器21在该步进电机的带动下沿该轨道移动。所以该激光发射器21可在扫描装置的带动下，实现同一水平面上水平和垂直运动。该激光扫描仓2的外壳体均由玻璃制成，或至少其顶面和一侧面由玻璃制成，利于使用者观察仓内情况。并且该激光扫描仓独立设立的结构使其维修更加便捷。

该主机6包括外壳体和设置于其内部的主控系统，主控系统采用ramps电路板，采用Repetier-Host软件，用于控制激光扫描仓2中的步进电机25、激光发射器21和下述的控制活塞杆运动的步进电机。本实施例中主机6的外壳体与激光扫描仓2的外壳体尺寸相同，并排设置于底座1上，且主机6的外壳体侧面设有显示装置。当然主机6的外壳体可以和底座成一体结构。

该进料仓3和成型仓4均为上部开口的仓体，并排设置于主机和激光扫描仓的上方，且进料仓3和成型仓4之间设有供液体原料流通的缝隙7，该缝隙7位于进料仓3与成型仓4之间隔板的底部，该缝隙7的高度约0.2mm。进料仓3的侧面下部设有进料口31，用于与进料装置32配合完成进料。本实施例中进料装置32由高强度塑料构成，可为漏斗型，其小的开口端与进料口31配合，大的开口端连接装有原料的可塑性强的包装袋。成型仓4的侧面下部设有出料口41，用于与回收装置配合完成剩余原料的回收。进料口31和出料口41均配有塞体42用于密封其开口，塞体42的材质可采用塑胶构成。本实施例中进料口31和出料口41的尺寸相同，故进料装置32和回收装置可通用。当然，进料口31和出料口41均可自带闭合装置，方便进料和出料。

还有成型仓4的底面由玻璃构成，激光发射器21的激光垂直照射于该成型仓4的玻璃底面，用于照射成型仓4内的原料，使原料固化成型。该激光发射器21发出的光线与玻璃表面垂直，既保证了打印精度又避免了光线的折射反射，减少了能量损耗。

为了便于打印过程中观察进料仓3和成型仓4内部的状况，将进料仓3和成型仓4的侧面中分别至少设置一个玻璃侧面。还为了防止太空中紫外线对打印产生的不良影响，本实施例中上述玻璃侧面采用具有偏振效应的玻璃板，该具有偏振效应的玻璃板在滤掉紫外线的同时允许可见光通过，使打印过程清晰可见，方便使用者监督。

参照附图3可见，活塞机构5包括活塞架51、活塞杆和与其端部连接的活塞板，以及带动活塞杆上下移动的步进电机56。活塞架51位于进料仓3和成型仓4的上部，其下部与进料仓3和成型仓4的上部固定连接。活塞架51整体由聚四氟乙烯塑料组成且其表面附有环氧树脂喷漆。活塞架51的上表面设置有两个活塞杆52、53，该两个活塞杆下部连接有分别伸入进料仓3和成型仓4内部的活塞板54、55，两个活塞板的尺寸均为15mm*370mm*395mm，其中活塞板54由高强度有机玻璃板构成，活塞板55由丙烯酸塑料构成。在两个活塞板的四周分别设有橡胶圈，利于提高活塞板与进料仓3和成型仓4内壁之间的密封性。活塞杆52、53分别通过设置于活塞架51上表面的步进电机56完成上下活塞运动，该步进电机56均与主控系统连接并受其控制。

本发明立体打印机采用丙烯酸光敏树脂为打印原料，其固化光谱为405nm，固化时间不超过7s。

本发明立体打印机为了适应太空舱中微重力环境，克服打印原料中微重力环境下容易变成球状，且在打印完成后不易清理原料的困难，本发明用于微重力环境下的立体打印机在上述打印机的基础上进行改进,如在活塞架51上设置活塞杆53的部分设有侧壁，各侧壁围成成品仓57，该成品仓57的一个侧壁设置成可打开的门体，用于取出成品。该结构便于打印成品的取出和剩余打印原料的清理。

本发明立体打印机可用于具有正常大气压的微重力环境下，其打印过程如下：

1.初始状态：两个活塞板54、55均位于进料仓3和成型仓4的最底端，其活塞板55将进料仓3和成型仓4之间的缝隙7密封，出料口41用塞体42密封，进料口31插入进料装置32，进料装置32连接装有光敏树脂的可塑性强的包装袋；

2.启动进料仓3中的活塞板54向上移动，进料仓3中形成负压，在大气压的作用下光敏树脂被挤入进料仓3中，待光敏树脂进料完毕后，拨出进料装置32，用塞体密封进料口31；

3.启动成型仓4中活塞板55向上移动，同时控制活塞板54向下移动，该两个活塞板的移动步距相同，这样光敏树脂通过进料仓3和成型仓4之间的缝隙7进入成型仓4中，与此同时启动激光发射器21，在激光发射器21完成成品第一层扫描后，再次启动活塞板55向上移动，同时控制活塞板54向下移动，经固化的成品第一层紧密粘帖在活塞板55的下表面，随活塞板55向上移动，经激光发射器21固化的成品第二层紧密粘帖成品第一层，以此循环操作，直至成品完成；

4.将活塞板55向上移动至最高处，成品进入成品仓57，通过成品仓57的门体取出成品；

5.将出料口41的塞体42换成回收装置，回收装置连接包装袋，先启动活塞板54移动至最底端，清除进料仓3中的剩余光敏树脂，再启动活塞板55向下移动，将剩余光敏树脂挤入包装袋中，即完成打印。

本发明克服了现有的立体打印机不能在微重力环境下工作的限制，采用活塞腔所产生的负压来完成进料过程，并且通过两个活塞的配合完成原料在进料仓与成型仓之间的流动，又通过激光发射器的照射，一层一层的固化液体树脂，最终完成零件的打印。本发明能使太空舱中日常用品或中等精度(0.2mm)零件损坏后及时得以更换，很好的解决了新零件从地球送达太空的时间差问题。

本发明由两个活塞配合完成原料在进料仓与成型仓之间的流动，该结构保证了打印材料在打印过程中不会因表面张力而变形，且原料便于补充和回收，打印过程清晰可见，精度较高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种立体打印机，其特征在于，包括底座、位于底座上的主机和激光扫描仓、分别位于主机和激光扫描仓上的进料仓和成型仓、以及位于进料仓和成型仓上的活塞机构，

所述进料仓和成型仓均为上部开口的仓体且相邻设置，其相邻侧面的底部设有连通进料仓和成型仓的缝隙，所述进料仓和出料仓的侧面下部还分别设有可开合的开口，所述成型仓的底面由玻璃构成，

所述激光扫描仓包括外壳体、激光发射器、带动激光发射器移动的扫描装置，所述激光扫描仓的外壳体顶面由玻璃构成，所述激光发射器发射的激光垂直射向所述成型仓的底面，

所述活塞机构包括两个分别用于进料仓和成型仓的活塞，用于支撑所述活塞的活塞架以及用于带动所述活塞移动的动力机构，所述活塞在位于进料仓和成型仓最底端时均可密封所述进料仓和成型仓之间的缝隙，

所述主机包括外壳体和设置于其内部的主控系统，所述主控系统与所述激光扫描仓中的扫描装置以及所述活塞机构中的动力机构连接并控制其动作。

2.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述激光发射器为半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述缝隙的高度约0.2mm。

4.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述带动激光发射器移动的扫描装置包括基台、固定机构、移动机构和步进电机，

所述固定机构为两个相对设置于基台两侧边的固定柱，两个固定柱之间设有供移动机构穿过的不锈钢轴，

所述步进电机共五个，其中四个步进电机分别位于基台的四角，所述位于固定机构同侧的两个步进电机之间连接有与移动机构连接的步进带，所述移动机构在步进带的带动下沿所述不锈钢轴水平移动，

所述移动机构上还设有供所述激光发射器垂直于所述不锈钢轴运动的轨道，所述轨道下部设有带动所述激光发射器移动的步进电机。

5.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述进料仓、成型仓和激光扫描仓的侧面中分别设置至少一个由玻璃材质制成的侧面。

6.根据权利要求5所述的立体打印机，其特征在于，所述玻璃采用具有偏振效应的玻璃板。

7.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述立体打印机采用丙烯酸光敏树脂为打印原料，所述用于成型仓的活塞最底面采用丙烯酸塑料构成。

8.根据权利要求1所述的立体打印机，其特征在于，所述主机的外壳体上设有显示装置，且所述主机的外壳体与底座成一体结构。

9.一种用于微重力环境的立体打印机，其特征在于，所述立体打印机如权利要求1-8任一项所述的立体打印机，在所述成型仓上方还设有成品仓，所述成品仓由支撑所述用于成型仓中活塞的活塞架主体构成，且所述成品仓的一个侧面可开合。

10.一种如权利要求9所述的用于微重力环境的立体打印机的打印方法，其特征在于，所述打印步骤如下：

(1)初始状态：将所述两个活塞均位于最底端，所述进料仓的开口连接装有光敏树脂的可塑性强的包装袋，所述出料仓的开口闭合；

(2)进料：启动所述进料仓中的活塞向上移动，所述进料仓中形成负压，在大气压的作用下光敏树脂被挤入所述进料仓中，待进料完毕后，闭合所述进料仓的开口；

(3)打印：启动所述成型仓中活塞向上移动，并控制进料仓中活塞向下移动，所述两个活塞的移动步距相同，与此同时启动所述激光发射器，在所述激光发射器完成成品第一层扫描后，再次启动成型仓中活塞向上移动和进料仓中活塞向下移动，经固化的成品第一层紧密粘帖在成型仓中活塞的下表面并随其向上移动，经所述激光发射器固化的成品第二层紧密粘帖成品第一层，以此循环操作，直至成品完成；

(4)取出成品：将所述成型仓中的活塞向上移动至最高处，成品进入所述成品仓中，通过所述成品仓的可开合侧面取出成品；

(5)清理剩余原料：开启成型仓中的开口并连接回收装置，启动所述进料仓中的活塞移动至最底端，再启动所述成型仓中的活塞向下移动至最底端，将剩余光敏树脂挤入回收装置中，即完成。