CN105291432A - 多自由度喷射光固化3d成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多自由度喷射光固化3D成型方法，包括确定三维模型、数据录入喷头、喷头按路径喷射以及光固化成型的过程进行3D打印成型作业，通过在确定的三维模型中，将计算出来的分层路径数据导入到多自由度的控制系统中，从喷头中心点开始喷射，从而克服了传统喷射固化成型的空间局限性，提供了一种多自由度的喷嘴控制程序系统，这样在打印的过程中成型的精度更高，成型的效果更好，对于任意复杂的空间几何特征都可以很好的成型。

Description

多自由度喷射光固化3D成型方法

技术领域

本发明涉及光固化3D成型的技术领域，尤其涉及一种多自由度喷射光固化3D成型方法。

背景技术

目前常用的喷嘴固化成型技术为三自由度挤出或喷射，在加工成型过程中受到了空间几何特征的局限性，对于一般复杂的几何特征就难以加工。在成型过程中，需要对模型进行切片，按截面逐层叠加。成型过程中每个截面需分解成挤出头的曲线运动轨迹。对于材料附着，切片片层之间的结合不牢固，而且在Z轴方向上材料强度显著低于X轴与Y轴维度。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种结构简单、操作方便的多自由度喷射光固化3D成型方法。

为了达到上述目的，本发明一种多自由度喷射光固化3D成型方法，包括以下操作步骤：

S1、确定三维模型：对实体几何模型进行三维建模，建立的三维模型通过流行几何计算得出待加工的分层包裹处理路径，同时计算出路径各处的曲面法向量；

S2、数据录入喷头：将计算出来的分层路径数据导入到多自由度的控制系统中，喷头从中心点开始喷射；

S3、喷头按路径喷射：喷射时，喷头按路径移动，喷头指向则始终与已成型曲面的法向量相反；

S4、光固化成型：喷射时用固化光源照射，将喷出的材料固化成型。

其中，S2中的多自由度控制系统为五自由度的喷头控制程序系统，五个自由度包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、法向量U以及法向量V，所述X轴坐标、Y轴坐标以及Z轴坐标为出料定位坐标，法向量U以及法向量V为出料角度向量。

其中，在S2中的五个方向通过机床和喷头自身来控制，在调节X轴坐标和Y轴坐标时，通过机床来调节，喷头不动；而在调节Z轴坐标、法向量U以及法向量V时，机床位置不动，喷头通过自身来调节方向。

其中，几何实体的喷射是由内往外一层一层进行加工的，其实体的中心点是喷射的起始点，其中喷射起始点和整个离散点的轨迹是通过算法得到，整个材料的成型实际上是由N层立体曲面包裹已形成的外轮廓，最后成型几何实体。

其中，在S4中，所述固化光源设置在液态光敏树脂中，通过移动控制机构带动固化光源在喷射材料的成型平台上进行上下移动和水平移动，固化光源产生的固化光线按照固化光源移动的方向，逐步投射到喷射材料的外表面上。

其中，所述固化光源为激光光源、LED光源、蓝光光源、紫光光源或者紫外光光源中的一种。

其中，在S2中使用的光固化材料包括以下成分：20%~30%的环氧单体、20~40%的稀释剂、5%~10%的光引发剂、1%~3%的增感剂以及30%~50%的助剂。

其中，所述环氧单体包括双酚A型环氧化合物、联苯型环氧化合物、缩水甘油胺型环氧化合物、二环戊二烯型环氧化合物、酚醛型环氧化合物、脂环族型环氧化合物中的一种或几种；所述稀释剂包括丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、1,6-已二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。

其中，所述光引发剂包括芳香重氮盐、芳香硫鎓盐、芳香碘翁盐、芳香碘鎓铝盐、芳香硫铝盐、茂金属化合物、铁芳烃化合物中的一种或几种；所述助剂包括增韧剂、消泡剂、流平剂、稳定剂中的一种或几种。

其中，所述增感剂包括安息香双甲醚、蒽、1-羟基环已基苯基甲酮、2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦、异丙基硫杂蒽酮、二苯甲酮、4-甲基二苯甲酮、4-苯基二苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、对-N,N-二甲氨基苯甲酸乙酯中的一种或几种。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的多自由度喷射光固化3D成型方法，通过在确定的三维模型中，将计算出来的分层路径数据导入到多自由度的控制系统中，从喷头中心点开始喷射，从而克服了传统喷射固化成型的空间局限性，提供了一种多自由度的喷嘴控制程序系统，这样在打印的过程中成型的精度更高，成型的效果更好，对于任意复杂的空间几何特征都可以很好的成型。

附图说明

图1为本发明多自由度喷射光固化3D成型方法的工艺流程图。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

参阅图1，本发明一种多自由度喷射光固化3D成型方法，包括以下操作步骤：

S1、确定三维模型：对实体几何模型进行三维建模，建立的三维模型通过流行几何计算得出待加工的分层包裹处理路径，同时计算出路径各处的曲面法向量；

S2、数据录入喷头：将计算出来的分层路径数据导入到五自由度的控制系统中，五个自由度包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、法向量U以及法向量V，X轴坐标、Y轴坐标以及Z轴坐标为出料定位坐标，法向量U以及法向量V为出料角度向量；喷头从中心点开始喷射；在喷射过程中，在调节X轴坐标和Y轴坐标时，通过机床来调节，喷头不动；而在调节Z轴坐标、法向量U以及法向量V时，机床位置不动，喷头通过自身来调节方向；

S3、喷头按路径喷射：喷射时，喷头按路径移动，喷头指向则始终与已成型曲面的法向量相反；几何实体的喷射是由内往外一层一层进行加工的，其实体的中心点是喷射的起始点，其中喷射起始点和整个离散点的轨迹是通过算法得到，整个材料的成型实际上是由N层立体曲面包裹已形成的外轮廓，最后成型几何实体；

S4、光固化成型：喷射时用固化光源照射，将喷出的材料固化成型；固化光源设置在液态光敏树脂中，通过移动控制机构带动固化光源在喷射材料的成型平台上进行上下移动和水平移动，固化光源产生的固化光线按照固化光源移动的方向，逐步投射到喷射材料的外表面上。固化光源为激光光源、LED光源、蓝光光源、紫光光源或者紫外光光源中的一种。

在本实施例中，光固化材料包括以下成分：20%~30%的环氧单体、20~40%的稀释剂、5%~10%的光引发剂、1%~3%的增感剂以及30%~50%的助剂。

环氧单体包括双酚A型环氧化合物、联苯型环氧化合物、缩水甘油胺型环氧化合物、二环戊二烯型环氧化合物、酚醛型环氧化合物、脂环族型环氧化合物中的一种或几种；稀释剂包括丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、1,6-已二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。光引发剂包括芳香重氮盐、芳香硫鎓盐、芳香碘翁盐、芳香碘鎓铝盐、芳香硫铝盐、茂金属化合物、铁芳烃化合物中的一种或几种；助剂包括增韧剂、消泡剂、流平剂、稳定剂中的一种或几种。增感剂包括安息香双甲醚、蒽、1-羟基环已基苯基甲酮、2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦、异丙基硫杂蒽酮、二苯甲酮、4-甲基二苯甲酮、4-苯基二苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、对-N,N-二甲氨基苯甲酸乙酯中的一种或几种。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

S1、确定三维模型：对实体几何模型进行三维建模，建立的三维模型通过流行几何计算得出待加工的分层包裹处理路径，同时计算出路径各处的曲面法向量；

S2、数据录入喷头：将计算出来的分层路径数据导入到多自由度的控制系统中，喷头从中心点开始喷射；

S3、喷头按路径喷射：喷射时，喷头按路径移动，喷头指向则始终与已成型曲面的法向量相反；

S4、光固化成型：喷射时用固化光源照射，将喷出的材料固化成型。

2.根据权利要求1所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，S2中的多自由度控制系统为五自由度的喷头控制程序系统，五个自由度包括X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、法向量U以及法向量V，所述X轴坐标、Y轴坐标以及Z轴坐标为出料定位坐标，法向量U以及法向量V为出料角度向量。

3.根据权利要求2所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，在S2中的五个方向通过机床和喷头自身来控制，在调节X轴坐标和Y轴坐标时，通过机床来调节，喷头不动；而在调节Z轴坐标、法向量U以及法向量V时，机床位置不动，喷头通过自身来调节方向。

4.根据权利要求3所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，几何实体的喷射是由内往外一层一层进行加工的，其实体的中心点是喷射的起始点，其中喷射起始点和整个离散点的轨迹是通过算法得到，整个材料的成型实际上是由N层立体曲面包裹已形成的外轮廓，最后成型几何实体。

5.根据权利要求1所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，在S4中，所述固化光源设置在液态光敏树脂中，通过移动控制机构带动固化光源在喷射材料的成型平台上进行上下移动和水平移动，固化光源产生的固化光线按照固化光源移动的方向，逐步投射到喷射材料的外表面上。

6.根据权利要求5所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，所述固化光源为激光光源、LED光源、蓝光光源、紫光光源或者紫外光光源中的一种。

7.根据权利要求1所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，在S2中使用的光固化材料包括以下成分：20%~30%的环氧单体、20~40%的稀释剂、5%~10%的光引发剂、1%~3%的增感剂以及30%~50%的助剂。

8.根据权利要求7所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，所述环氧单体包括双酚A型环氧化合物、联苯型环氧化合物、缩水甘油胺型环氧化合物、二环戊二烯型环氧化合物、酚醛型环氧化合物、脂环族型环氧化合物中的一种或几种；所述稀释剂包括丙烯基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚、苄基缩水甘油醚、1,6-已二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。

9.根据权利要求7所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，所述光引发剂包括芳香重氮盐、芳香硫鎓盐、芳香碘翁盐、芳香碘鎓铝盐、芳香硫铝盐、茂金属化合物、铁芳烃化合物中的一种或几种；所述助剂包括增韧剂、消泡剂、流平剂、稳定剂中的一种或几种。

10.根据权利要求7所述的多自由度喷射光固化3D成型方法，其特征在于，所述增感剂包括安息香双甲醚、蒽、1-羟基环已基苯基甲酮、2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦、异丙基硫杂蒽酮、二苯甲酮、4-甲基二苯甲酮、4-苯基二苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、对-N,N-二甲氨基苯甲酸乙酯中的一种或几种。