CN105082544A - 一种3d打印机及使用3d打印机打印物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用3D打印机打印物体的方法及其3D打印机，包括：获取物体的多个切面图；将打印材料溶解或者分散于溶剂中，获得打印溶液/浆料；依次使3D打印机的喷头位于多个打印平面中，并且在每个打印平面中，使喷头相对于支撑平台在该打印平面内按照切面图移动并且同时使打印溶液/浆料从喷头中挤出，从而打印出相应的图形，并加热图形使其固化。本发明的实施例中，将打印材料配制成打印溶液/浆料以进行3D打印，可通过调整打印溶液/浆料的浓度、喷头孔径、挤出电机运转速度、位置电机平面移动速度等因素而容易地调节和提高打印精度，打印精度可以提高到微米量级。而且，打印溶液/浆料可自行配制，大大扩展了打印材料的种类范畴。

Description

一种3D打印机及使用3D打印机打印物体的方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种3D打印机及使用3D打印机打印物体的方法。

背景技术

3D打印是快速成型技术的一种，是一种以数字文件为基础，使用可固化材料，通过逐层打印的方式来制造产品的技术。与传统制造业采用的减材制造技术不同，3D打印是一种增材制造技术，通过一层层材料的叠加形成最终的产品。

目前，常用的3D打印技术包括熔融沉积成型技术（FusedDepositionMode1ing，FDM）、光固化立体成型技术（StereoLithography，SLA）、选择性激光烧结技术（SelectiveLaserSintering，SLS）以及三维打印技术（3DPrinting，3DP）等。

FDM打印机是斯科特·克伦普于上世纪80年代发明的，这类打印机通过打印头打印出某种软质的材料，这类材料包括热塑性的材料以及一些生物类来源的材料，可以打印塑料制件、食物、生物材料等。此类打印机较难打印多种材料，并且打印精度较差。

SLA打印机是最早商用的打印机之一，这类打印机利用紫外光固化光敏树脂形成打印层，打印完一层后支撑平台向下（或者向上）移动一定距离让光敏树脂层重新覆盖在前一层打印面上，然后继续进行固化。由于支撑平台在装光敏树脂的容器中，所以使用此类打印机一次只能打印一种材料。

SLS技术与SLA技术比较类似，但使用的原料为粉末，通过激光加热融合形成打印层。SLS打印机的打印精度较差，打印某些材料时需要保护气体，打印完成后一般需要一定时间的冷却。

3DP技术是通过打印头将粘合剂或者某种胶挤出到原材料粉末上，从而实现一层层打印的效果。3DP技术能实现彩色打印，并且能使用多种原材料，但其制作的产品一般表面较为粗糙，精度相对较差。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种打印精度容易调节和提高的3D打印机和用3D打印机打印物体的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种用3D打印机打印物体的方法，包括：获取所述物体的多个切面图，所述多个切面图通过沿着所述物体的打印方向将所述物体的三维模型切片而获得，并且所述多个切面图相互平行；将打印材料溶解或者分散于溶剂中，获得打印溶液或者打印浆料；将所述打印溶液或者打印浆料加入3D打印机的储液装置中；依次使所述3D打印机的喷头位于多个打印平面中，其中每个打印平面平行于支撑平台，并且所述多个打印平面依次与所述多个切面图一一对应；其中在每个打印平面中，使所述喷头相对于支撑平台在该打印平面内按照与该打印平面对应的切面图移动并且同时使所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头中挤出，从而打印出与该打印平面对应的切面图的图形，并加热所述图形使所述图形固化。

本发明的一些实施例中，所述打印材料包括聚合物材料、陶瓷粉末、银浆和碳材料中的一种或者多种。

本发明的一些实施例中，所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、丙酮和乙醇中的一种或者多种。

本发明的一些实施例中，所述打印溶液中打印材料的质量分数为2%至30%，所述打印浆料中打印材料的质量分数为40%至80%。

本发明的一些实施例中，完成了所述打印平面的打印之后，还包括：加热打印出的物体以去除物体中残留的溶剂。

本发明的实施例中还提供了一种3D打印机，包括：控制器；储液装置，所述储液装置用于容纳打印溶液或者打印浆料；喷头，所述喷头与所述储液装置连通；支撑平台，所述支撑平台用于支撑打印出的物体；位置电机，所述位置电机通过第一传动系统连接到所述喷头或者所述支撑平台，使所述喷头相对于所述支撑平台运动；挤出电机，所述挤出电机通过第二传动系统连接到所述喷头或者所述储液装置，并且驱动所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头挤出；加热装置；其中，所述控制器用于：获取所述物体的多个切面图，所述多个切面图通过沿着所述物体的打印方向将所述物体的三维模型切片而获得，并且所述多个切面图相互平行；控制所述位置电机依次使所述喷头相对于所述支撑平台位于多个打印平面中，其中每个打印平面平行于所述支撑平台，并且所述多个打印平面依次与所述多个切面图一一对应；其中在每个打印平面中，控制所述位置电机使所述喷头相对于支撑平台在该打印平面内按照与该打印平面对应的切面图移动并且同时控制所述挤出电机使所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头中挤出，从而打印出与该打印平面对应的切面图的图形，并控制所述加热装置加热所述图形使所述图形固化。

本发明的一些实施例中，所述打印材料包括聚合物材料、陶瓷粉末、银浆和碳材料中的一种或者多种。

本发明的一些实施例中，所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、丙酮和乙醇中的一种或者多种。

本发明的一些实施例中，所述打印溶液中打印材料的质量分数为2%至30%，所述打印浆料中打印材料的质量分数为40%至80%。

本发明的实施例中，将打印材料配制成打印溶液或者打印浆料，通过打印溶液或者打印浆料进行3D打印，可通过调整打印溶液或者打印浆料的浓度、喷头孔径、挤出电机运转速度、位置电机平面移动速度等因素而容易地调节和提高打印精度，打印精度可以提高到微米量级。而且，所需打印溶液或者打印浆料可自行配制，易于获得，大大扩展了打印材料的种类范畴。

附图说明

图1是本发明一个实施例的3D打印机的结构框图示意图。

图2是本发明一个实施例的使用3D打印机打印物体的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的3D打印机的结构以及使用3D打印机打印物体的方法的具体步骤。

如图1所示，本发明一个实施例中，一种3D打印机100可以包括控制器101、挤出电机102、储液装置103、喷头105、位置电机106、支撑平台107和加热装置108。

储液装置103用于容纳打印溶液或者打印浆料。在使用该3D打印机打印物体时，配制好的打印溶液或者打印浆料（下文中详述）将加入该储液装置103中。喷头105连接到该储液装置103，即与储液装置103连通，使得储液装置103中容纳的打印溶液或者打印浆料能够通过喷头105挤出。

支撑平台107用于在其上执行3D打印物体的操作，并且打印出的物体支撑于该支撑平台107上。位置电机106可以通过第一传动系统连接到喷头105上（例如，如图1中示意性所示）或者连接到支撑平台107上（图中未示出），从而通过该第一传动系统驱动喷头105相对于支撑平台107运动或者驱动支撑平台107相对于喷头105运动或者驱动喷头105和支撑平台107在不同的方向上同时运动，即使得喷头105与支撑平台107之间相对运动。本文中，将驱动喷头105相对于支撑平台107运动或者驱动支撑平台107相对于喷头105运动或者驱动喷头105和支撑平台107在不同的方向上同时运动这三种情况统一称之为使喷头105相对于支撑平台运动107。即，本文中，当说明喷头相对于支撑平台运动时，是指这二者之间存在相对运动，但不限于喷头运动而支撑平台静止，而是只要二者之间有相对运动即可。

本发明的实施例中，这里位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107的第一传动系统可以是任何适合的结构，例如可以使用本领域中常用的传动系统结构，在此不再详述。

挤出电机102通过第二传动系统连接到喷头105或者储液装置103，并且可以驱动储液装置103中的打印溶液或者打印浆料从储液装置103流动到喷头105并从喷头105中挤出。

本发明的实施例中，这里的第二传动系统可以是任何适合的结构，例如可以使用本领域中常用的传动系统结构，在此不再详述。

加热装置108用于在3D打印过程中加热支撑平台107上打印的物体，它可以设置在3D打印机100中的适合位置，只要能够加热支撑平台107上的物体即可。

控制器101控制3D打印机100中的各个元件的工作以将物体打印出来。下面将接合图2详细说明在控制器101的控制下该3D打印机的工作过程。

如图2所示，在步骤10中，可以制备打印溶液或者打印浆料。例如，一些实施例中，可以将打印材料（即用于由其打印形成欲打印的物体的材料，也就是物体的构成材料）溶解或者分散于溶剂中，从而获得打印溶液或者打印浆料。

一些实施例中，这里的打印材料可以包括聚合物材料、陶瓷粉末、市售的银浆和碳材料（例如，羧基化石墨烯，等等）等等中的一种或者多种。例如，一些实施例中，这里的打印材料可以包括聚二偏氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）、纳米钛酸钡和纳米钛酸锶等等中的一种或者多种。

一些实施例中，这里的溶剂可以包括N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、二甲基亚砜（DMSO）、甲苯、丙酮和乙醇等等中的一种或者多种。

例如，一些实施例中，可以将聚二偏氟乙烯（PVDF）溶解于NMP、DMF、DMAc、DMSO等溶剂中制备打印溶液或者打印浆料。另一些实施例中，可以将纳米钛酸钡颗粒通过超声分散于DMAc中得到浆料1，将聚醚砜（PES）溶解于DMAc中得到溶液1，将浆料1与溶液1按照一定比例混合并通过搅拌/超声获得待打印浆料。

本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法使打印材料在相应溶剂中充分溶解或分散。例如，一些实施例中，使用搅拌的方法，磁力搅拌2小时以上，容器密封状况良好的情况下还可以用加热的方式辅助加快材料溶解；或者，另一些实施例中，可以使用超声的方法，超声2小时以上；等等。

本发明的实施例中，打印溶液或者打印浆料的浓度可以由打印材料的溶解度限制和打印精度需求等因素共同确定，例如，一些实施例中，打印溶液中打印材料的质量分数可以为2%至30%。一些实施例中，打印浆料中打印材料的质量分数可以为40%至80%，等等。

在步骤20中，控制器101可以获取欲打印的物体的多个切面图。该物体的多个切面图可以通过构建物体的三维模型，然后沿着物体的打印方向（即后续3D打印过程中从物体的将最先打印的部分到将最后打印的部分的方向）将该物体的三维模型切片而获得。这样，可以获得欲打印的物体的一组（多个）切面图，并且这些切面图相互平行。

一些实施例中，这些切面图可以预先已经由其他计算机或者其他具有计算能力的电子设备获得并存储在存储器中。3D打印机100工作时，控制器101从存储器中直接读取所需要的切面图。另一些实施例中，这些切面图也可以是由其他计算机或者其他具有计算能力的电子设备实时传送给控制器101。

在步骤10中获得了打印溶液或者打印浆料后，在步骤30中，可以将制备好的打印溶液或者打印浆料加入3D打印机100的储液103中。然后，控制器101即可控制该3D打印机100开始工作，以在支撑平台107上打印出物体。

例如，一些实施例中，控制器101可以控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107，从而依次使3D打印机100的喷头105相对于支撑平台107位于多个打印平面中，这里，每个打印平面平行于支撑平台107，并且该多个打印平面依次与前述的多个切面图一一对应；其中，在每个打印平面中，控制器101可以控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107从而使喷头105相对于支撑平台107在当前的打印平面内按照与当前的打印平面对应的切面图移动并且同时控制挤出电机102驱使打印溶液或者打印浆料从喷头105中挤出，从而将打印溶液或者打印浆料涂覆到支撑平台107上或者之前已经涂覆的（即打印处的）前一个切面图的图形上，从而打印出与当前打印平面对应的切面图的图形，并控制加热装置108加热打印处的图形使该图形固化。

例如，如图2所示，在步骤40中，打印第一层，即控制器101控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107运动使得喷头105位于与前述的多个切面图中沿着前述的打印方向的第一个切面图相对应的第一个打印平面中（例如，距离支撑平台20~500微米的平面），然后，控制器101控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107运动使得喷头105在第一个打印平面中相对于支撑平台107按照第一个切面图移动同时控制挤出电机102驱使打印溶液或者打印浆料从喷头105中挤出，从而将打印溶液或者打印浆料涂敷到支撑平台107上并形成第一个切面图的图形，在涂敷打印溶液或者打印浆料的过程中和/或在涂敷了打印溶液或者打印浆料之后，控制器101控制加热装置108加热打印处的第一个切面图的图形从而使得该图形固化。这样，即打印出了第一层。

然后，如步骤50、60、70、80、90所示，控制器101控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107运动使喷头运动到位于与前述的多个切面图中沿着前述的打印方向的第二个切面图相对应的第二个打印平面中，并按照与前述的类似的方式，控制器101控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107运动使得喷头105在第二个打印平面中相对于支撑平台107按照第二个切面图移动同时控制挤出电机102驱使打印溶液或者打印浆料从喷头105中挤出，从而将打印溶液或者打印浆料涂敷到已经形成的第一个切面图的图形上并形成第二个切面图的图形并加热这个图形，从而打印出第二层；然后控制位置电机106驱动喷头105或者支撑平台107运动使使喷头运动到位于与前述的多个切面图中沿着前述的打印方向的第三个切面图相对应的第三个打印平面中，并按照与前述的类似的方式，打印出第三层；依次类推，直到前述的多个切面图中的每个切面图都已经打印完毕。此时，整个欲打印的物体即已经全部打印出来，可以停止打印过程。

本发明的一些实施例中，在停止打印过程之后，控制器101可以控制加热装置108继续加热打印处的物体以去除物体中残留的溶剂，以进一步固化打印出的物体。

本发明的实施例中，物体打印完成后还可以对打印出的物体进行的后续处理，例如使用锉刀进行外观修饰处理、高温退火处理等等。

下面详细说明本发明的方法的几个方法的实施例。

实例一：

使用UG绘制一个边长4cm厚0.2mm的物体。使用Repeteir-host连接3D打印机，控制喷头位置归零，载入刚才设计的物体模型，切片精度设置为0.2mm，即打印的物体为单层膜。加热装置目标温度设置为60℃。

配制质量分数为6%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.3mm的喷头，挤出电机运转速度设置为50步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为25%，加热装置达到所设定的目标温度后打印所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约12μm，即在此条件下3D打印机的Z轴（即在垂直于支撑平台的方向上的轴）打印精度可以达到12μm。

实例二：

配制质量分数为6%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.4mm的喷头，挤出电机运转速度设置为75步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为50%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约12μm，即在此条件下Z轴打印精度可以达到12μm。

实例三：

配制质量分数为6%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.7mm的喷头，挤出电机运转速度设置为100步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为75%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约20μm，即在此条件下Z轴打印精度可以达到20μm。

实例四：

配制质量分数为9%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.7mm的喷头，挤出电机运转速度设置为50步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为50%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约18μm，即在此条件下Z轴打印精度可以达到18μm。

实例五：

配制质量分数为9%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.3mm的喷头，挤出电机运转速度设置为75步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为75%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约12μm，即在此条件下的Z轴打印精度可以达到12μm。

实例六：

配制质量分数为9%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.4mm的喷头，挤出电机运转速度设置为100步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为25%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约30μm，即在此条件下的Z轴打印精度可以达到30μm。

实例七：

配制质量分数为12%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.4mm的喷头，挤出电机运转速度设置为50步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为75%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约8μm，即在此条件下普通的Z轴打印精度可以达到8μm。

实例八：

配制质量分数为12%的PVDF/DMF溶液，采用孔径为0.7mm的喷头，挤出电机运转速度设置为75步/mm，位置电机平面移动速度倍率设置为25%，加热装置达到所设定的目标温度后打印实例一所设计的物体模型，打印溶液固化后继续加热10分钟驱除残留溶剂DMF。

经测量，所得单层膜厚度约41μm，即在此条件下的Z轴打印精度可以达到41μm。

本发明的实施例中，将打印材料配制成打印溶液或者打印浆料，通过打印溶液或者打印浆料进行3D打印，可通过调整打印溶液或者打印浆料的浓度、喷头孔径、挤出电机运转速度、位置电机平面移动速度等因素而容易地调节和提高打印精度，打印精度可以提高到微米量级。而且，所需打印溶液或者打印浆料可自行配制，易于获得，大大扩展了打印材料的种类范畴。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (9)

1.一种用3D打印机打印物体的方法，其特征在于，包括：

获取所述物体的多个切面图，所述多个切面图通过沿着所述物体的打印方向将所述物体的三维模型切片而获得，并且所述多个切面图相互平行；

将打印材料溶解或者分散于溶剂中，获得打印溶液或者打印浆料；

将所述打印溶液或者打印浆料加入3D打印机的储液装置中；

依次使所述3D打印机的喷头位于多个打印平面中，其中每个打印平面平行于支撑平台，并且所述多个打印平面依次与所述多个切面图一一对应；

其中在每个打印平面中，使所述喷头相对于支撑平台在该打印平面内按照与该打印平面对应的切面图移动并且同时使所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头中挤出，从而打印出与该打印平面对应的切面图的图形，并加热所述图形使所述图形固化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述打印材料包括聚合物材料、陶瓷粉末、银浆和碳材料中的一种或者多种。

3.如权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于：所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、丙酮和乙醇中的一种或者多种。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述打印溶液中打印材料的质量分数为2%至30%，所述打印浆料中打印材料的质量分数为40%至80%。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，完成了所述打印平面的打印之后，还包括：加热打印出的物体以去除物体中残留的溶剂。

6.一种3D打印机，其特征在于，包括：

控制器；

储液装置，所述储液装置用于容纳打印溶液或者打印浆料；

喷头，所述喷头与所述储液装置连通；

支撑平台，所述支撑平台用于支撑打印出的物体；

位置电机，所述位置电机通过第一传动系统连接到所述喷头或者所述支撑平台，使所述喷头相对于所述支撑平台运动；

挤出电机，所述挤出电机通过第二传动系统连接到所述喷头或者所述储液装置，并且驱动所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头挤出；

加热装置；

其中，所述控制器用于：

获取所述物体的多个切面图，所述多个切面图通过沿着所述物体的打印方向将所述物体的三维模型切片而获得，并且所述多个切面图相互平行；

控制所述位置电机依次使所述喷头相对于所述支撑平台位于多个打印平面中，其中每个打印平面平行于所述支撑平台，并且所述多个打印平面依次与所述多个切面图一一对应；

其中在每个打印平面中，控制所述位置电机使所述喷头相对于支撑平台在该打印平面内按照与该打印平面对应的切面图移动并且同时控制所述挤出电机使所述打印溶液或者打印浆料从所述喷头中挤出，从而打印出与该打印平面对应的切面图的图形，并控制所述加热装置加热所述图形使所述图形固化。

7.如权利要求6所述的3D打印机，其特征在于：所述打印材料包括聚合物材料、陶瓷粉末、银浆和碳材料中的一种或者多种。

8.如权利要求6所述的3D打印机，其特征在于：所述溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、甲苯、丙酮和乙醇中的一种或者多种。

9.如权利要求6至8中任意一项所述的方法，其特征在于：所述打印溶液中打印材料的质量分数为2%至30%，所述打印浆料中打印材料的质量分数为40%至80%。