CN105415681A - 一种光固化3d打印机 - Google Patents

Abstract

一种光固化3D打印机，包括光源、成型平台、树脂整平机构、树脂液位平衡机构、树脂升降平台、树脂槽、树脂温控器、打印控制系统、机架、保护罩。本发明提供一种可靠性好，无需离型膜，同时结构紧凑，可小型化，制造成本低，适合大范围推广使用的高精度光固化3D打印机。

Description

一种光固化3D打印机

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，特别是涉及一种光固化3D打印机。

背景技术

光固化3D打印精度高，并且成型后表面效果好，可以满足很多领域的应用，如航空航天、建筑、医疗、模具制造等等，因此越来越受到人们的重视。根据打印时成型板运动方向的不同，光固化3D打印机可以分为两种：一种是上升式打印，即打印时光线从树脂槽底部穿过将树脂固化，固化好一层后成型板会向上升高一定高度再固化下一层，直到打印完成。另一种是下沉式打印，即打印时光线从上面照射树脂液面，使上表面的一层树脂固化，然后成型板会下沉一定高度再固化下一层直到打印完成。采用上升式打印的光固化3D打印机结构一般都很紧凑，体积也很小巧，但是每固化一层都要把固化好的树脂从树脂槽底部剥离下来，所以在树脂槽底部都会设有离型膜。由于气压和分子引力的作用，打印的面积较大时，剥离起来还是会比较困难，而且离型膜经过反复剥离后会失效，随时可能造成打印失败，使打印机的可靠性下降。由于离型膜容易损坏失效，所以需要经常更换树脂槽，造成打印成本大大增高。采用下沉式打印的光固化3D打印机需要有庞大的树脂槽，需要有对树脂液面进行整平的机构，有的还要配置真空泵、液泵等辅助系统，导致设备结构复杂、笨重、功耗大及造价高等缺点。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供一种可靠性好，无需离型膜，同时结构紧凑，可小型化，制造成本低，适合大范围推广使用的高精度光固化3D打印机。

为了达到上述目的，本发明的光固化3D打印机，包括光源、成型平台、树脂整平机构、树脂液位平衡机构、树脂升降平台、树脂槽、树脂温控器、打印控制系统、机架、保护罩，其特征是：光源设置在机架顶部，树脂升降平台设置在机架底部，树脂槽放置在树脂升降平台上，成型平台或树脂整平机构设置在光源与树脂升降平台之间，打印控制系统连接光源、成型平台、树脂整平机构、树脂升降平台或树脂温控器。

所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的光源是DLP投影机或者是设有扫描振镜的激光器；DLP投影机或者激光器发出的光可以固化光敏树脂；

所述的成型平台设有电机A、竖直导轨、升降支架、成型板，电机A和竖直导轨分别安装在机架上，电机A输出端连接升降支架，升降支架安装在竖直导轨上，成型板连接升降支架，成型板设有网孔；成型平台的升降支架和成型板可沿竖直导轨运动并受控于打印控制系统；

所述的树脂整平机构设有调平支架、电机B、水平导轨、滑车、整平横梁、调平板、整平头，整平头安装在调平板上，调平板安装在整平横梁上，整平横梁安装在滑车上，滑车安装在水平导轨上，水平导轨安装在调平支架上，调平支架安装在机架上，电机B输出端连接滑车；树脂整平机构的滑车、整平横梁、调平板和整平头可以沿水平导轨运动并受控于打印控制系统；

所述的树脂液位平衡机构设有浸液杆，浸液杆的一端连接绳子一头，绳子另一头通过变向机构连接到升降支架，浸液杆竖直悬挂在树脂槽内部或上方；绳子可以由链条、钢索或皮带代替；变向机构是指可以改变绳子方向的机构，简单一点的可以是一个固定的钩子，高级一点可以是定滑轮，打印时升降支架下沉同时通过绳子带动浸液杆上升；

所述的树脂升降平台设有升降控制器、升降板、支撑轴、螺纹轴套，支撑轴设有螺纹；升降控制器连接支撑轴，支撑轴连接螺纹轴套，螺纹轴套固定在升降板下方；或者，升降控制器连接螺纹轴套，螺纹轴套连接支撑轴，支撑轴固定在升降板下方；树脂升降平台需要精确调整树脂槽的高度，其作用是在打印开始前调整好升降高度使树脂槽内的树脂液面与成型板上表面在同一高度；

所述的树脂槽是上面开口的容器；

所述的树脂温控器是设有自限温PTC电热元件的电加热器；或者是设有测温元件并连接打印控制器的电加热器；或者是设有控温器的电加热器；控制树脂温度在10-120℃范围内，使树脂在冬季也适合光固化打印；

所述的打印控制系统设有电源、操控界面、打印控制器、限位开关，或者还设有照明灯、测温器；电源的输出端为3-36V的直流电，输入端连接交流电，输出端连接操控界面或打印控制器；限位开关的数量至少是2个，分别设在成型平台和树脂整平机构；照明灯或测温器可以设在本发明的机台上，或者是借用外界具有相关功能的设备，如手电筒或手持式红外测温器；

所述的机架底部设有水平调节脚；用来调整机台使成型板与树脂液面水平；

所述的保护罩设有门或窗；保护罩的作用主要是防止外界光线对树脂造成影响，另外还有控温、防尘作用。

所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的成型平台，电机A是输出端设有丝杆的步进电机，电机A输出端通过消间隙螺母连接升降支架，升降支架通过直线轴承安装在竖直导轨上，升降支架设有定位孔，定位孔下方设有磁铁，成型板下方设有与升降支架上的定位孔相匹配的铁磁性凸台，成型板经定位孔下方磁铁吸引铁磁性凸台连接升降支架；通过磁铁吸引连接的成型板可以很方便地从升降支架上取下来或安装上；

所述的树脂整平机构，整平头是单层塑料片或者是多层塑料片叠加在一起，或者整平头是横截面为V型的橡胶片或硅胶片，调平板通过螺丝和弹簧安装在整平横梁上，调平支架通过螺丝和弹簧安装在机架上；电机B是输出端设有减速齿轮箱B的步进电机，通过连杆连接滑车；或者，电机B是输出端设有同步轮的步进电机，通过同步带连接滑车；可以通过转动螺丝来调节整平头与成型板之间的距离，并确保整平头下沿与成型板平行；电机B设有减速齿轮箱B可以提供更大的输出扭力；

所述的树脂液位平衡机构，变向机构是设置在机架或竖直导轨顶端的定滑轮；浸液杆的长度范围是树脂槽容纳树脂时树脂液位值的0.5-1.5倍，其横截面积范围是树脂液面处升降支架横截面积的0.5-1.5倍；树脂液面处浸液杆的截面积与升降支架截面积相等时，升降支架下沉到树脂里的体积与浸液杆上升到树脂外的体积相同，树脂液面高度便会保持恒定，此时竖直方向的打印误差最小；

所述的树脂升降平台，升降控制器设有减速齿轮箱C和电机C，或者设有旋钮手柄；支撑轴或螺纹轴套设有同步轮、链轮或齿轮，升降控制器与支撑轴或螺纹轴套通过同步带、链条或齿轮连接在一起；

所述的树脂温控器，电加热器设在树脂槽侧壁或者树脂槽底部；

所述的打印控制系统，操控界面设有树脂升降平台开关、树脂温控器开关，或者还设有照明灯开关、电源；打印控制器设有主控板、扩展板、步进电机驱动板，打印控制器的接口包括电源接口、USB接口、步进电机接口、限位开关接口、测温元件接口、电加热器接口；

所述的保护罩，其材质是不透光的金属、塑料或复合材料，或者是半透光的塑料或玻璃。

所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的成型平台，成型板所设的网孔为直径大于1mm且小于7mm的圆孔；

所述的树脂整平机构，整平头是厚度范围为0.1-1mm的单层塑料片；或者，整平头是3层塑料片叠加在一起，中间层塑料片厚度小于0.6mm，两侧的塑料片厚度范围为0.1-1mm，中间层塑料片比两侧的塑料片下沿凸出1-15mm；塑料片的材质包括ABS、PET、PBT、PVA、PP、PC、PE、PA、PPO、POM或PU；整平头的刚性和柔韧性要适中，因此对材料的选择及厚度要求较高；

所述的树脂升降平台，支撑轴和螺纹轴套共设有4组；

所述的打印控制系统，照明灯为无紫外线LED灯或设有紫外截止滤光片的LED灯，测温仪为红外测温仪；如果照明灯发出的光含有紫外光，直接照射会引起光敏树脂固化；

所述的保护罩，金属包括：铁、钢、铝合金或铜合金；塑料包括ABS、PP、POM、PMMA或PC；复合材料包括电木或玻璃钢。

所述的光固化3D打印机，其特征是：所述的打印控制系统还设有计算机，计算机通过USB接口连接打印控制器，通过HDMI接口、VGA接口或USB接口连接光源，计算机安装有打印控制软件。

本发明采用下沉式打印原理，具备下沉式打印的可靠性好、无需离型膜的优点，与传统下沉式打印原理的3D打印机相比，具有结构紧凑，可小型化，制造成本低的优势，适合大范围推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例的外形示意图。

图2是本发明实施例的整体结构示意图。

图3是本发明实施例的内部整体结构示意图。

图4是本发明实施例的成型平台和树脂液位平衡机构示意图。

图5是本发明实施例的成型平台升降支架与成型板相分离示意图。

图6是本发明实施例的树脂整平机构示意图。

图7是本发明实施例的树脂升降平台示意图。

具体实施方式

附图标记说明：光源1、成型平台2、树脂整平机构3、树脂液位平衡机构4、树脂升降平台5、树脂槽6、树脂温控器7、打印控制系统8、机架9、保护罩10、DLP投影机11，电机A21、竖直导轨22、升降支架23、成型板24、丝杆25、消间隙螺母26、直线轴承27、磁铁28、铁磁性凸台29、调平支架301、电机B302、水平导轨303、滑车304、整平横梁305、调平板306、整平头307、螺丝308、弹簧309、螺丝310、弹簧311、减速齿轮箱B312、连杆313、浸液杆41、绳子42、定滑轮43、升降控制器51、升降板52、支撑轴53、螺纹轴套54、减速齿轮箱C55、电机C56、同步轮57、同步带58、电源81、操控界面82、打印控制器83、水平调节脚91。

本发明光固化3D打印机的实施例包括光源1、成型平台2、树脂整平机构3、树脂液位平衡机构4、树脂升降平台5、树脂槽6、树脂温控器7、打印控制系统8、机架9、保护罩10，光源1设置在机架9顶部，树脂升降平台5设置在机架9底部，树脂槽6放置在树脂升降平台5上，成型平台2或树脂整平机构3设置在光源1与树脂升降平台5之间，打印控制系统8连接光源1、成型平台2、树脂整平机构3、树脂升降平台5或树脂温控器7。光源1是DLP投影机11。成型平台2设有电机A21、竖直导轨22、升降支架23、成型板24，电机A21和竖直导轨22分别安装在机架9上，电机A21是输出端设有丝杆25的步进电机，电机A21输出端通过消间隙螺母26连接升降支架23，升降支架23通过直线轴承27安装在竖直导轨22上，升降支架23设有定位孔，定位孔下方设有磁铁28，成型板24设有直径为4mm的网孔，成型板24下方设有与升降支架23上的定位孔相匹配的铁磁性凸台29，成型板24经定位孔下方磁铁28吸引铁磁性凸台29连接升降支架23。树脂整平机构3设有调平支架301、电机B302、水平导轨303、滑车304、整平横梁305、调平板306、整平头307，整平头307是厚度为0.5mm的单层塑料片，整平头307安装在调平板306上，调平板306通过螺丝308和弹簧309安装在整平横梁305上，整平横梁305安装在滑车304上，滑车304安装在水平导轨303上，水平导轨303安装在调平支架301上，调平支架301通过螺丝310和弹簧311安装在机架9上，电机B302是输出端设有减速齿轮箱B312的步进电机，电机B302输出端通过连杆313连接滑车304。树脂液位平衡机构4设有浸液杆41，浸液杆41的一端连接绳子42一头，绳子42另一头通过设置在竖直导轨22顶端的定滑轮43连接到升降支架23，浸液杆41竖直悬挂在树脂槽6内部或上方，树脂液面处浸液杆41的截面积是升降支架23截面积的1倍。树脂升降平台5设有升降控制器51、升降板52、支撑轴53、螺纹轴套54，支撑轴53设有螺纹和同步轮57；升降控制器51与支撑轴53通过同步带58连接，支撑轴53连接螺纹轴套54，螺纹轴套54固定在升降板52下方；升降控制器51设有减速齿轮箱C55和电机C56；支撑轴53和螺纹轴套54共设有4组；树脂槽6是上面开口的容器。树脂温控器7是设有自限温PTC电热元件的电加热器，电加热器设在树脂槽6侧壁。打印控制系统8设有电源81、操控界面82、打印控制器83、限位开关；电源81的输出端为3-36V的直流电，输入端连接交流电，输出端连接操控界面82或打印控制器83；操控界面82设有树脂升降平台开关、树脂温控器开关、照明灯开关或电源81；打印控制器83设有主控板、扩展板、步进电机驱动板，打印控制器83的接口包括电源接口、USB接口、步进电机接口、限位开关接口、测温元件接口、电加热器接口；限位开关的数量是2个，成型平台2和树脂整平机构3分别设有1个限位开关。机架9底部设有水平调节脚91。保护罩10设有门或窗，其前部上开门的材质是的半透光的有机玻璃PMMA，其余部分材质是不透光的玻璃钢。本发明实施例未设有计算机，需要自备计算机，这样的好处是打印机台更加紧凑和小型化。

打印前需要先做准备工作。先将自备的计算机通过USB接口连接打印控制器83，通过HDMI接口连接DLP投影机11。然后连接交流电源，开启计算机并打开打印控制软件，开启DLP投影机11，如果是首次打印，需要对DLP投影机11进行校准。在树脂槽6中添加光敏树脂，打开树脂温控器7，把树脂加热到合适温度。将成型平台2和树脂整平机构3的位置归零，调整树脂升降平台5，使树脂液面与成型板24上表面在同一高度。如果是首次打印需要调节树脂整平机构3，使整平头307下沿与成型板24的竖直距离保持在0-0.2mm，调好距离后把树脂整平机构3位置归零。如果是首次打印或者打印机移动到了新的位置，则需调整机架9底部的水平调节脚91，使成型板24与树脂液面水平。接着在计算机的打印控制软件中导入打印件的数据三维图，并设置好层厚、曝光时间、Z轴升降速度等参数，最后进行切片。

准备工作做好后，便可进行打印，打印过程都是自动化的。计算机先控制树脂整平机构3移动整平头307将树脂液面整平，然后控制DLP投影机11，把切片后打印件的第一层画面投射在树脂液面上，因为树脂是光敏树脂，经光照后便会在成型板24上固化，固化区域便是DLP投影机11所照射的区域。接着，计算机会控制成型平台2，使成型板24下降一定高度，这个高度就是之前在打印参数中所设置的层厚。这样，第一层打印就完成了。接下来，计算机会重复第一层的打印步骤打印下一层，直到整个打印件打印完成。打印好后，就可以把打印件从成型板24上取下来，如果在打印机的狭小空间里不好取，可以把成型板24和打印件一起从升降支架23上取下来，转移到宽敞的地方再取下打印件。成型板24与升降支架23是通过磁铁28吸引连接的，取放都很方便，如果是连续的打印作业，可以多备几块成型板24。

Claims (5)

1.一种光固化3D打印机，包括光源、成型平台、树脂整平机构、树脂液位平衡机构、树脂升降平台、树脂槽、树脂温控器、打印控制系统、机架、保护罩，其特征是：光源设置在机架顶部，树脂升降平台设置在机架底部，树脂槽放置在树脂升降平台上，成型平台或树脂整平机构设置在光源与树脂升降平台之间，打印控制系统连接光源、成型平台、树脂整平机构、树脂升降平台或树脂温控器。

2.根据权利要求1所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的光源是DLP投影机或者是设有扫描振镜的激光器；

所述的成型平台设有电机A、竖直导轨、升降支架、成型板，电机A和竖直导轨分别安装在机架上，电机A输出端连接升降支架，升降支架安装在竖直导轨上，成型板连接升降支架，成型板设有网孔；

所述的树脂整平机构设有调平支架、电机B、水平导轨、滑车、整平横梁、调平板、整平头，整平头安装在调平板上，调平板安装在整平横梁上，整平横梁安装在滑车上，滑车安装在水平导轨上，水平导轨安装在调平支架上，调平支架安装在机架上，电机B输出端连接滑车；

所述的树脂液位平衡机构设有浸液杆，浸液杆的一端连接绳子一头，绳子另一头通过变向机构连接到升降支架，浸液杆竖直悬挂在树脂槽内部或上方；绳子可以由链条、钢索或皮带代替；

所述的树脂升降平台设有升降控制器、升降板、支撑轴、螺纹轴套，支撑轴设有螺纹；升降控制器连接支撑轴，支撑轴连接螺纹轴套，螺纹轴套固定在升降板下方；或者，升降控制器连接螺纹轴套，螺纹轴套连接支撑轴，支撑轴固定在升降板下方；

所述的树脂槽是上面开口的容器；

所述的树脂温控器是设有自限温PTC电热元件的电加热器；或者是设有测温元件并连接打印控制器的电加热器；或者是设有控温器的电加热器；

所述的打印控制系统设有电源、操控界面、打印控制器、限位开关，或者还设有照明灯、测温器；电源的输出端为3-36V的直流电，输入端连接交流电，输出端连接操控界面或打印控制器；限位开关的数量至少是2个，分别设在成型平台和树脂整平机构；

所述的机架底部设有水平调节脚；

所述的保护罩设有门或窗。

3.根据权利要求2所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的成型平台，电机A是输出端设有丝杆的步进电机，电机A输出端通过消间隙螺母连接升降支架，升降支架通过直线轴承安装在竖直导轨上，升降支架设有定位孔，定位孔下方设有磁铁，成型板下方设有与升降支架上的定位孔相匹配的铁磁性凸台，成型板经定位孔下方磁铁吸引铁磁性凸台连接升降支架；

所述的树脂整平机构，整平头是单层塑料片或者是多层塑料片叠加在一起，或者整平头是横截面为V型的橡胶片或硅胶片，调平板通过螺丝和弹簧安装在整平横梁上，调平支架通过螺丝和弹簧安装在机架上；电机B是输出端设有减速齿轮箱B的步进电机，通过连杆连接滑车；或者，电机B是输出端设有同步轮的步进电机，通过同步带连接滑车；

所述的树脂液位平衡机构，变向机构是设置在机架或竖直导轨顶端的定滑轮；浸液杆的长度范围是树脂槽容纳树脂时树脂液位值的0.5-1.5倍，其横截面积范围是树脂液面处升降支架横截面积的0.5-1.5倍；

所述的树脂升降平台，升降控制器设有减速齿轮箱C和电机C，或者设有旋钮手柄；支撑轴或螺纹轴套设有同步轮、链轮或齿轮，升降控制器与支撑轴或螺纹轴套通过同步带、链条或齿轮连接在一起：

所述的树脂温控器，电加热器设在树脂槽侧壁或者树脂槽底部；

所述的打印控制系统，操控界面设有树脂升降平台开关、树脂温控器开关，或者还设有照明灯开关、电源；打印控制器设有主控板、扩展板、步进电机驱动板，打印控制器的接口包括电源接口、USB接口、步进电机接口、限位开关接口、测温元件接口、电加热器接口；

所述的保护罩，其材质是不透光的金属、塑料或复合材料，或者是半透光的塑料或玻璃。

4.根据权利要求3所述的光固化3D打印机，其特征是：

所述的成型平台，成型板所设的网孔为直径大于1mm且小于7mm的圆孔；

所述的树脂整平机构，整平头是厚度范围为0.1-1mm的单层塑料片；或者，整平头是3层塑料片叠加在一起，中间层塑料片厚度小于0.6mm，两侧的塑料片厚度范围为0.1-1mm，中间层塑料片比两侧的塑料片下沿凸出1-15mm；塑料片的材质包括ABS、PET、PBT、PVA、PP、PC、PE、PA、PPO、POM或PU；

所述的树脂升降平台，支撑轴和螺纹轴套共设有4组；

所述的打印控制系统，照明灯为无紫外线LED灯或设有紫外截止滤光片的LED灯，测温仪为红外测温仪；

所述的保护罩，金属包括：铁、钢、铝合金或铜合金；塑料包括ABS、PP、POM、PMMA或PC；复合材料包括电木或玻璃钢。

5.根据权利要求2、3或4所述的光固化3D打印机，其特征是：所述的打印控制系统还设有计算机，计算机通过USB接口连接打印控制器，通过HDMI接口、VGA接口或USB接口连接光源，计算机安装有打印控制软件。