CN105731769A - 用于打印玻璃体的3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法，包括打印机，扫描仪，熔化窑和原料供应槽；打印机包括机体和打印仓，机体底部设有喷头，喷头下方与喷头相对应设有底板，喷头和底板设置在打印仓内；机体与扫描仪相连；熔化窑通过引流管与原料供应槽相连，原料供应槽通过引流管与喷头相连。本发明提供的用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法，可以将废旧无用的玻璃作为打印材料，实现玻璃3D打印；玻璃材料在硬度、光学质量、经济型和普遍性，玻璃基材料在增材制造领域具有与众不同的特殊价值；本发明扩大了打印原料的选择范围，将废旧的玻璃变废为宝加以利用，实用性强。

Description

用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明属于3D打印机领域，尤其涉及用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法。

背景技术

3D打印技术最早出现于20世纪90年代中期的美国，当时发明家恩里科·迪尼(EnricoDini)根据3D技术设计了一种神奇的打印机———3D打印机，其原理是利用光固化和纸层叠等方法，实现快速成型的一种技术。此后打印概念迅速发展、扩张和崛起，目前3D打印技术成为“第三次工业革命”的重大标志之一。3D打印，也可称之为增量制造，是通过打印机打出而非加工出各类工业与日常产品。之所以使用“打印”一词，是因为其原理与传统打印机相似，其“打印”都是通过电脑操作来完成。但本质上存在许多区别，比如传统打印机里面装的是墨粉，而3D打印机里面却是一个庞大复杂的材料系统。系统里面是根据产品需要配备的多种高技术的新材料。可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品，而且成本比传统制造降低了90％，准确性和精确度得到了高度提升。3D打印技术的出现和发展与我国目前的转变经济增长方式联系起来，改变制造方法和内容，改变制造过程，优化制造工艺，提高准确性，使制造行业发生从粗放到精细、从重数量到重质量的变化。

传统的3D打印机只能打印普通的塑料、蜡材、粉末状金属等可粘合的材料，打印出来的物品大多不透明，降低美观性。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法。

为实现上述目的，本发明提供一种用于打印玻璃体的3D打印机，包括打印机，扫描仪，熔化窑和原料供应槽；

所述打印机包括机体和打印仓，所述机体底部设有喷头，所述喷头下方与喷头相对应设有底板，所述喷头和底板设置在所述打印仓内；所述机体与所述扫描仪相连；

所述熔化窑通过引流管与所述原料供应槽相连，所述原料供应槽通过引流管与所述喷头相连。

作为本发明的进一步改进，所述熔化窑与原料供应槽之间的引流管上设有第一阀门；

所述第一阀门与所述机体相连，所述机体根据扫描仪扫描的图形或者图库中选取的图形，计算打印图形所需的原料量，通过第一阀门控制原料供应槽内加入的原料量。

作为本发明的进一步改进，还包括青色颜料桶，品红色颜料桶和黄色颜料桶；青色颜料桶，品红色颜料桶和黄色颜料桶均通过引流管与所述原料供应槽相连；

所述青色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第二阀门，所述品红色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第三阀门，所述黄色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第四阀门；

所述机体上设有控制面板，所述控制面板上设有不同颜色的控制按键；

所述第二阀门、第三阀门和第四阀门均与所述机体相连，所述机体根据控制面板上选择的打印颜色进行计算，通过第二阀门、第三阀门和第四阀门分别控制青色、品红色和黄色颜料的加入量，从而配制出所选择的打印颜色。

作为本发明的进一步改进，所述原料供应槽内设有搅拌机，所述原料供应槽与所述喷头之间的引流管上设有第五阀门，第五阀门与机体相连，机体通过第五阀门控制混合有颜料的原料从喷头处挤出。

作为本发明的进一步改进，所述打印仓内还设有与所述机体相连激光器，所述激光器位于打印喷头的外侧，所述激光器的运动轨迹与所述喷头的工作轨迹完全相同。

作为本发明的进一步改进，所述打印仓为密封的仓体结构，所述打印仓的每个内壁上均设有多个呈弧形矩阵排列的LED固化灯，每个所述LED固化灯包括灯管和透视镜。

作为本发明的进一步改进，所述引流管为二氧化硅引流管，所述底板为金属底板，所述喷头的喷嘴为氧化铝-锆石-二氧化硅喷嘴。

本发明还公开了一种3D打印机的打印方法，包括：

步骤一、将废旧的玻璃加入到熔化窑进行熔化，生成打印所需的原料；

步骤二、通过扫描仪输入需打印的图形，若图形存储在机体的图库内，则直接调取所述图形；

步骤三、机体根据输入的图形以及打印物体的大小与厚度计算所述的原料量，通过第一阀门控制从熔化窑中流入到原料供应槽内的原料量；

步骤四、用户通过控制面板选择所述打印图形的颜色，机体根据选择的颜色与原料槽中的原料量计算加入的颜料量，通过第二阀门、第三阀门和第四阀门控制所需加入的颜料量来配制所选择的颜色；

步骤五、通过搅拌机将原料和颜料进行搅拌，使原料受色均匀；

步骤六、机体通过控制第五阀门将混合有颜料的原料从喷头处挤出，在激光器和LED固化灯的作用下进行玻璃水的固化，打印出所选颜色的图形。

作为本发明的进一步改进，所述步骤二中，若图形未存储在机体内，则通过扫描仪对打印的物体进行扫描，等比例缩小存入机体的图库。

作为本发明的进一步改进，所述步骤六中，打印出所选颜色的图形的方法包括：

步骤1、图形由机体的切片软件进行切片处理；

步骤2、打印机按照切片软件的图形，将所述切片的图形打印的底板上，利用激光器加速底板上打印原料的凝固；

步骤3、在打印过程中打印机的喷头每执行完一个切片的打印工作后，将打印底座下降一个打印厚度为下一步的凝固成型工作；

步骤4、打印机进行下一张切片的打印工作直至打印完成，打印出所选颜色的图形。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法，可以将废旧无用的玻璃作为打印材料，实现玻璃3D打印；玻璃材料在硬度、光学质量、经济型和普遍性，玻璃基材料在增材制造领域具有与众不同的特殊价值；本发明扩大了打印原料的选择范围，将废旧的玻璃变废为宝加以利用，实用性强；

本发明通过设置颜料三原色的颜料桶，可以实现不同颜色的玻璃打印，使打印出来的玻璃物品精美绝伦用途更广；

本发明通过在打印仓内设置与喷头运动轨迹完全相同的激光器，同时在打印仓的内侧壁上设置具有呈弧形矩阵排列的LED固化灯，加速了玻璃原料在底板上的凝固，提高了打印速度；

本发明通过在LED固化灯内设置透视镜，透视镜会根据弧面的角度将LED固化灯的能量集中，具有提高固化的作用；打印仓内的LED固化灯全部亮起也有助于打印实体的整体固化。

附图说明

图1为本发明一种实施例提供的用于打印玻璃体的3D打印机的框架图；

图2为本发明一种实施例提供的3D打印机的打印仓的结构图；

图3为本发明一种实施例提供的LED固化灯排列的矩阵图；

图4为本发明一种实施例提供的LED固化灯的结构图；

图5为本发明一种实施例提供的3D打印机打印方法的流程图。

图中：1、机体；2、喷头；3、底板；4、控制面板；4-1、控制按键5、扫描仪；6、熔化窑；7、原料供应槽；8、青色颜料桶；9、品红色颜料桶；10、黄色颜料桶；11、第一阀门；12、第二阀门；13、第三阀门；14、第四阀门；15、第五阀门；16、激光器；17、搅拌机；18、打印仓；19、LED固化灯；19-1、灯光；19-2、透视镜；20、待加工工件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1-5对本发明做进一步的详细描述：

实施例1：如图1-4所示，本发明提供一种用于打印玻璃体的3D打印机，包括打印机，扫描仪5，熔化窑6，原料供应槽7，青色颜料桶8，品红色颜料桶9和黄色颜料桶10；

打印机包括机体1和打印仓18，机体1内配置有图库，可以从图库中选择需要打印的图形，机体1作为整个打印机的控制系统以及计算系统，控制整个3D打印机的精准、自动运行。机体1上设有控制面板4，控制面板4上设有不同颜色的控制按键4-1。

机体1底部设有喷头2，喷头2下方与喷头2相对应设有底板3，喷头2将玻璃水挤出到底板3上形成待加工工件20。喷头2的外侧设有激光器16，激光器16与机体1相连，喷头2、底板3和激光器16均设置在打印仓18内；激光器16的运动轨迹与喷头2的工作轨迹完全相同。其中打印仓18为密封的仓体结构，打印仓18的每个内壁上均设有多个呈弧形矩阵排列的LED固化灯19，每个所述LED固化灯包括灯管19-1和透视镜19-2。激光器16发出激光束或电子束扫描工件表面，热量由下层金属底板迅速吸收，加速打印的玻璃水凝固速度。为了适应玻璃的温度，底板3选用金属底板，喷头2的喷嘴选用为氧化铝-锆石-二氧化硅喷嘴。机体1与扫描仪5相连，机体内的图库中没有用户所需图形时，则通过扫描仪对打印的物体进行扫描，等比例缩小存入机体的图库中。

熔化窑的作用是将零散无用的碎玻璃放入熔化窑中，窑火的温度能够升至1850～1950℉，很容易就将放置在内的玻璃熔化，形成玻璃水原料。熔化窑6通过引流管与原料供应槽7相连，熔化窑6与原料供应槽7之间的引流管上设有第一阀门11；第一阀门11与机体1相连，机体1根据扫描仪6扫描的图形或者图库中选取的图形，计算打印图形所需的原料量，通过第一阀门11控制从熔化窑加入到原料供应槽7内的原料量，其原料量保证了选取的图形能正常打印完成，不存在在打印过程中原料用完的问题，优选加入到原料供应槽7的原料量多出打印图形所需原料量10ml。

青色颜料桶8，品红色颜料桶9和黄色颜料桶10均通过引流管与原料供应槽7相连，原料供应槽7内设有搅拌机17；青色颜料桶8与原料供应槽7之间的引流管上设有第二阀门12，品红色颜料桶9与原料供应槽7之间的引流管上设有第三阀门13，黄色颜料桶10与原料供应槽7之间的引流管上设有第四阀门14。第二阀门12、第三阀门13和第四阀门14均与机体1相连，机体1根据控制面板4上选择的打印颜色进行计算，通过第二阀门12、第三阀门13和第四阀门14分别控制青色、品红色和黄色颜料的加入量，通过搅拌机17搅拌混匀从而配制出所选择的打印颜色。

原料供应槽7通过引流管与喷头2相连，原料供应槽7与喷头2之间的引流管上设有第五阀门15；第五阀门15与机体1相连，机体1通过第五阀门15控制混合有颜料的原料从喷头2处挤出。

进一步，由于玻璃水的温度极高，因此引流管选用二氧化硅引流管。

如图2所示，本发明提供一种用于打印玻璃体的3D打印机，由于其打印的为液态玻璃材料；液态的玻璃为了打印出更加精美的现实用品和工艺品在提高打印速度的同时也要对玻璃的凝固速度。在本发明公开的3D打印机中较以往不同的是在密封的3D打印机的打印仓内，为了进一步实现液态玻璃的及时固化，在喷头的外侧安装了激光器16；该激光器的的运功轨迹与喷头的工作轨迹完全一致。此激光器可以根据固化的物料要求相应的实现对应材料的固化，激光器的固化原理是按照3D打印机的喷头工作轨迹对即刻对打印完的玻璃液体进行固化操作，逐点扫描使被扫描区域的薄层产生光聚合反应而固化形成零件的一个薄层。一层固化完毕后此激光器会跟随3D打印机的打印喷头进行工作台下移一个层厚的距离，然后进行下一层的打印，扫描固化加工。新固化的一层牢固地粘结在前一层上加此重复直至整个零件制造完毕得到一个三维实体原型。此激光器的主要优点是可以跟随3D打印机的切片软件中喷头的运动轨迹实现即刻固化的功能，能更好的配合3D打印机更加快速的加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的玻璃原料；最后再将实体原型放在安装LED固化灯的打印仓内进行整体的固化，后续进行相应的抛光及打磨工作。

如图3、4所示，玻璃打印的过程中除了需要具备专用的激光器进行固化之外，本发明还在具有弧度的打印仓的四壁上安装了具有聚焦效果透视镜的LED固化灯19矩阵(仓壁具有弧度是为了让所有带有聚焦效果的LED固化灯的灯光都能聚焦在打印仓中心的物体上面)，为了加快打印材料的凝固速度，本发明在增加LED固化灯数量的同时在每个LED固化灯的灯管19-1前方安装具有聚焦效果的透视镜19-2，此透视镜会根据弧面的角度来讲LED固化灯的能量集中，具有提高固化的作用，打印仓内的LED固化灯全部亮起也有助于打印实体的整体固化。

实施例2：如图5所示，本发明提供一种3D打印机的打印方法，包括：

S101、将废旧的玻璃加入到熔化窑进行熔化，加热到1850～1950℉，生成打印所需的原料；

S102、通过扫描仪输入需打印的图形，若图形存储在机体的图库内，则直接调取图形；若图形未存储在机体内，则通过扫描仪对打印的物体进行扫描，等比例缩小存入机体的图库；

S103、机体根据输入的图形以及打印物体的大小与厚度计算的原料量，通过第一阀门控制从熔化窑中流入到原料供应槽内的原料量；加入到原料供应槽7的原料量多出打印图形所需原料量5～10ml；

S104、若用户选择彩色打印，则用户通过控制面板上的颜色按键选择打印图形的颜色，机体根据选择的颜色、原料槽中的原料量计算加入的颜料量，通过第二阀门、第三阀门和第四阀门控制所需加入的青色、品红色和黄色的颜料量；若用户不选择彩色打印则无需进行控制面板上颜色的选择。

S105、通过搅拌机将原料和颜料进行搅拌，使原料受色均匀，配制出所选择的颜色；其中：原料供应槽在加入颜料的程序后，在打印之前会自动均匀搅拌，使玻璃水的受色均匀；

S106、机体通过控制第五阀门将混合有颜料的原料从喷头处挤出，在激光器和LED固化灯的作用下进行玻璃水的固化，打印出所选颜色的图形。

在S106中，打印出所选颜色的图形的方法包括：

步骤1、图形由机体的切片软件进行切片处理；

步骤2、打印机按照切片软件的图形，将切片的图形打印的底板上，利用激光器发出激光束或电子束扫描工件表面，热量由下层金属底板迅速吸收，加速打印的玻璃水凝固速度；

步骤3、在打印过程中打印机的喷头每执行完一个切片的打印工作后，将打印底座下降一个打印厚度为下一步的凝固成型工作；

步骤4、打印机喷头回到步骤1的位置进行相应的下一切片的打印工作直至打印完成，打印出所选颜色的图形。

进一步，如果使用者想要停止打印玻璃体的话，只需使用压缩空气降低喷嘴的温度即可。

本发明为了打印出更多样式的现实生活中的物品，扩展3D打印机的原料来源将废旧的玻璃变废为宝加以利用，通过相关技术工艺制成玻璃水作为此款3D打印机的原料；传统的废旧玻璃大多是透明色的，此款打印机的与众不同之处是可以将透明的玻璃水按照客户的需求选定制成染色透明的玻璃水，用此种原料进行打印会使打印出的作品更加逼真和超凡脱俗；在此3D打印机上对每个切片都进行如下的处理，会加速玻璃水凝固的速度从而加快打印的速度。利用激光束或电子束扫描工件表面，使玻璃水打印出来的表面极薄层的金属迅速熔化，热量由下层基底金属迅速吸收，加速打印的玻璃水凝固速度。

本发明提供的用于打印玻璃体的3D打印机及其打印方法，可以将废旧无用的玻璃作为打印材料，实现玻璃3D打印；玻璃材料在硬度、光学质量、经济型和普遍性，玻璃基材料在增材制造领域具有与众不同的特殊价值；本发明扩大了打印原料的选择范围，将废旧的玻璃变废为宝加以利用，实用性强；通过设置颜料三原色的颜料桶，可以实现不同颜色的玻璃打印，使打印出来的玻璃物品精美绝伦用途更广；通过在打印仓内设置与喷头运动轨迹完全相同的激光器，同时在打印仓的内侧壁上设置具有呈弧形矩阵排列的LED固化灯，加速了玻璃原料在底板上的凝固，提高了打印速度；通过在LED固化灯内设置透视镜，透视镜会根据弧面的角度将LED固化灯的能量集中，具有提高固化的作用；打印仓内的LED固化灯全部亮起也有助于打印实体的整体固化。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，包括打印机，扫描仪，熔化窑和原料供应槽；

所述打印机包括机体和打印仓，所述机体底部设有喷头，所述喷头下方与喷头相对应设有底板，所述喷头和底板设置在所述打印仓内；所述机体与所述扫描仪相连；

所述熔化窑通过引流管与所述原料供应槽相连，所述原料供应槽通过引流管与所述喷头相连。

2.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，所述熔化窑与原料供应槽之间的引流管上设有第一阀门；

所述第一阀门与所述机体相连，所述机体根据扫描仪扫描的图形或者图库中选取的图形，计算打印图形所需的原料量，通过第一阀门控制原料供应槽内加入的原料量。

3.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，还包括青色颜料桶，品红色颜料桶和黄色颜料桶；青色颜料桶，品红色颜料桶和黄色颜料桶均通过引流管与所述原料供应槽相连；

所述青色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第二阀门，所述品红色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第三阀门，所述黄色颜料桶与原料供应槽之间的引流管上设有第四阀门；

所述机体上设有控制面板，所述控制面板上设有不同颜色的控制按键；

所述第二阀门、第三阀门和第四阀门均与所述机体相连，所述机体根据控制面板上选择的打印颜色进行计算，通过第二阀门、第三阀门和第四阀门分别控制青色、品红色和黄色颜料的加入量，从而配制出所选择的打印颜色。

4.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，所述原料供应槽内设有搅拌机，所述原料供应槽与所述喷头之间的引流管上设有第五阀门，第五阀门与机体相连，机体通过第五阀门控制混合有颜料的原料从喷头处挤出。

5.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，所述打印仓内还设有与所述机体相连激光器，所述激光器位于打印喷头的外侧，所述激光器的运动轨迹与所述喷头的工作轨迹完全相同。

6.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，所述打印仓为密封的仓体结构，所述打印仓的每个内壁上均设有多个呈弧形矩阵排列的LED固化灯，每个所述LED固化灯包括灯管和用于聚焦的透视镜。

7.如权利要求1所述的用于打印玻璃体的3D打印机，其特征在于，所述引流管为二氧化硅引流管，所述底板为金属底板，所述喷头的喷嘴为氧化铝-锆石-二氧化硅喷嘴。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的3D打印机的打印方法，其特征在于，包括：

步骤一、将废旧的玻璃加入到熔化窑进行熔化，生成打印所需的原料；

步骤二、通过扫描仪输入需打印的图形，若图形存储在机体的图库内，则直接调取所述图形；

步骤三、机体根据输入的图形以及打印物体的大小与厚度计算所述的原料量，通过第一阀门控制从熔化窑中流入到原料供应槽内的原料量；

步骤四、用户通过控制面板选择所述打印图形的颜色，机体根据选择的颜色与原料槽中的原料量计算加入的颜料量，通过第二阀门、第三阀门和第四阀门控制所需加入的颜料量来配制所选择的颜色；

步骤五、通过搅拌机将原料和颜料进行搅拌，使原料受色均匀；

步骤六、机体通过控制第五阀门将混合有颜料的原料从喷头处挤出，在激光器和LED固化灯的作用下进行玻璃水的固化，打印出所选颜色的图形。

9.如权利要求8所述的3D打印机的打印方法，其特征在于，所述步骤二中，若图形未存储在机体内，则通过扫描仪对打印的物体进行扫描，等比例缩小存入机体的图库。

10.如权利要求8所述的3D打印机的打印方法，其特征在于，所述步骤六中，打印出所选颜色的图形的方法包括：

步骤1、图形由机体的切片软件进行切片处理；

步骤2、打印机按照切片软件的图形，将所述切片的图形打印的底板上，利用激光器加速底板上打印原料的凝固；

步骤3、在打印过程中打印机的喷头每执行完一个切片的打印工作后，将打印底座下降一个打印厚度为下一步的凝固成型工作；

步骤4、打印机进行下一张切片的打印工作直至打印完成，打印出所选颜色的图形。