CN106113499A - 一种多材料底面曝光连续成型系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多材料底面曝光连续成型系统及方法，包括计算机、送料系统、成型系统、分离系统及供氧系统；送料系统包括液压泵、送料管及喷嘴；成型系统包括液槽、隔板、透光玻璃板、投影光机、工作台以及用于带动工作台在Z轴方向上移动的升降机构；分离系统包括薄膜以及用于驱动薄膜运动的驱动机构，该系统及方法能够实现多材料的曝光固化，并且能够实现固化层面与液槽底部的分离。

Description

一种多材料底面曝光连续成型系统及方法
技术领域
本发明属于快速成型技术领域，涉及一种多材料底面曝光连续成型系统及方法。
背景技术
光固化3D打印技术是增材制造技术中最早出现的快速制造工艺，通过光源选择性照射液态光敏材料使其发生聚合反应，然后逐层堆叠形成三维结构，最终打印出具有一定机械结构、特性的零件。光固化3D打印技术目前主要有逐点扫描式光固化(SLA)和面曝光投影固化(DLP)两种，理论上面曝光固化(DLP)这种方法使设备结构和工艺都更加简单，一次成形一个层面能够提高效率，而且由于所使用光源成形图案精度高便于实现精细结构的打印。但目前的底面曝光投影固化(DLP)系统在成形过程中普遍存在着成形零件与底部易粘接而与已固化层断开破坏打印过程，尤其是当所使用的光固化材料黏度较高，而且零件截面积较大时，固化后的零件更加难以粘接到工作台上，因为高黏度材料的固化性能一般较弱，物化性能较复杂，零件在固化后被拉起时由于浆料的粘附力较大，固化层被拉断；截面积较大的零件在固化大截面时，在底部会形成真空状态，导致固化层粘接在底部而破坏打印过程，该问题直接导致零件打印时固化层站接不到上一层而中断或打印零件出现大面积缺陷；同时目前的底面曝光设备中都无法实现多种材料的曝光固化，因为多种材料成型送料较麻烦，容易引起多种材料混合，而且多种材料由于性能不同在层分离时也较难分离。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多材料底面曝光连续成型系统及方法，该系统及方法能够实现多材料的曝光固化，并且能够实现固化层面与液槽底部的分离。
为达到上述目的，本发明所述的多材料底面曝光连续成型系统包括计算机、送料系统、成型系统、分离系统及供氧系统；送料系统包括液压泵、送料管及喷嘴；成型系统包括液槽、隔板、透光玻璃板、投影光机、工作台以及用于带动工作台在Z轴方向上移动的升降机构；分离系统包括薄膜以及用于驱动薄膜运动的驱动机构；
液槽由隔板分割为储液室及成型室，液槽为中空结构，液槽4位于透光玻璃板上，薄膜位于液槽与透光玻璃板之间，工作台正对成型室，液压泵的出液口经送料管与喷嘴的入口相连通，喷嘴位于储液室的正上方，投影光机正对透光玻璃板及工作台的底部，计算机的输出端与液压泵的控制端、升降机构的控制端及驱动机构的控制端相连接，供氧系统向薄膜的底部供氧气，氧气透过薄膜在薄膜与成型室内的光固化液体之间形成氧阻聚层。
所述升降机构包括Z轴升降台及工作台悬臂梁，工作台悬臂梁的一端固定于Z轴升降台上，工作台的上端固定于工作台悬臂梁的另一端。
所述驱动机构包括带轮电机、第一带轮、第二带轮、同步带、第一轴及第二轴，带轮电机的输出轴与第一轴相连接，第一带轮套接于第一轴上，第二带轮套接于第二轴上，第一带轮与第二带轮通过同步带相连接，薄膜两端分别缠绕于第一轴及第二轴上，带轮电机的控制端与计算机的输出端相连接。
还包括用于张紧薄膜的张紧轮。
供氧系统包括制氧机、输氧管以及设于输氧管上的气体流量计，其中，制氧机通过输氧管将氧气通入薄膜的底部。
本发明所述的多材料底面曝光连续成型方法包括以下步骤：
1)获取待打印零件的三维模型，其中，待打印零件的三维模型由若干材料的打印区域组成，再将各材料的打印区域沿同一方向分为若干层面，再将各层面的形状及所用材料信息输入到计算机中；
2)计算机控制液压泵将第一层面所用材料通入喷嘴中，并通过喷嘴将第一层面所用材料喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜移动，薄膜在移动过程中将储液室中第一层面所用材料携带至成型室中，并使第一层面所用材料平铺于薄膜的上表面；
3)计算机控制升降机构调整工作台的位置，使工作台的下表面到薄膜上表面的距离为第一层面的厚度，计算机根据第一层面的形状控制投影光机发出紫外光，使投影光机发出的紫外光在薄膜上的投影为第一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板及薄膜照射到薄膜与工作台之间第一层面所用材料上，使第一层面所用材料固化，并粘接于工作台的底部，同时供氧系统向薄膜的底部供氧气，在薄膜与成型室内的第一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的第一层面所用材料与薄膜分离，完成第一层面的成型；
4)计算机控制液压泵将下层面所用材料通入喷嘴中，并通过喷嘴喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜移动，薄膜在移动过程中将储液室中下层面所用材料携带至成型室中，并使下层面所用材料平铺于薄膜的上表面；
5)计算机控制升降机构调整工作台的位置，使上一层面的下表面到薄膜上表面的距离为下一层面的厚度，计算机根据下一层面的形状控制投影光机发出紫外光，使投影光机发出的紫外光在薄膜上的投影为下一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板及薄膜照射到薄膜与上一层面之间的下一层面所用材料上，使下一层面所用材料固化，并粘接于上一层面的底部，同时供氧系统向薄膜的底部供氧气，使薄膜与成型室内的下一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的下一层面所用材料与薄膜分离，完成下一层面成型；
6)重复步骤4)、5)，直至所用层面成型完成为止，完成待打印零件成型。
各层面的厚度为0.01-0.1mm。
所述薄膜的材质为聚二甲基硅氧烷，薄膜的厚度为50～500μm，薄膜的透氧率大于0.05cm3/cm2.s.MPa。
供氧系统输出氧气的流量为0.001L/s～0.1L/s。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的多材料底面曝光连续成型系统及方法在具体操作时，利用光固化材料在光照固化过程中，受到氧气影响而抑制聚合反应的原理，在固化过程中，通过供氧系统向薄膜的底部供氧气，氧气透过薄膜，在薄膜与成型室内的光固化液体之间形成氧阻聚层，从而破坏固化层底部固化时的真空状态，避免固化后的层面粘接到薄膜上，实现固化层面与液槽底部之间的分离。同时本发明中将液槽通过隔板分为储液室和成型室，在打印各层面时，通过液压泵向储液室内供应当前层面所用材料，通过薄膜将当前层所用材料带入到成型室中进行成型，从而实现多材料的曝光固化成型，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为Z轴升降台、2为工作台悬臂梁、3为工作台、4为液槽、5为压板、6为薄膜、7为送料管、8为液压泵、9为喷嘴、10为透光玻璃板、11为张紧轮、12为同步带、13为带轮电机、14为第一带轮、15为投影光机、16为气体流量计、17为输氧管、18为制氧机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的多材料底面曝光连续成型系统包括计算机、送料系统、成型系统、分离系统及供氧系统；送料系统包括液压泵8、送料管7及喷嘴9；成型系统包括液槽4、隔板、透光玻璃板10、投影光机15、工作台3以及用于带动工作台3在Z轴方向上移动的升降机构；分离系统包括薄膜6以及用于驱动薄膜6运动的驱动机构；液槽4由隔板分割为储液室及成型室，液槽4为中空结构，液槽4位于透光玻璃板10上，薄膜6位于液槽4与透光玻璃板10之间，工作台3正对成型室，液压泵8的出液口经送料管7与喷嘴9的入口相连通，喷嘴9位于储液室的正上方，投影光机15正对透光玻璃板10及工作台3的底部，计算机的输出端与液压泵8的控制端、升降机构的控制端及驱动机构的控制端相连接，供氧系统向薄膜6的底部供氧气，氧气透过薄膜6在薄膜6与成型室内的光固化液体之间形成氧阻聚层。
所述升降机构包括Z轴升降台1及工作台悬臂梁2，工作台悬臂梁2的一端固定于Z轴升降台1上，工作台3的上端固定于工作台悬臂梁2的另一端。
所述驱动机构包括带轮电机13、第一带轮14、第二带轮、同步带12、第一轴及第二轴，带轮电机13的输出轴与第一轴相连接，第一带轮14套接于第一轴上，第二带轮套接于第二轴上，第一带轮14与第二带轮通过同步带12相连接，薄膜6两端分别缠绕于第一轴及第二轴上，带轮电机13的控制端与计算机的输出端相连接。本发明还包括用于张紧薄膜6的张紧轮11。
供氧系统包括制氧机18、输氧管17以及设于输氧管17上的气体流量计16，其中，制氧机18通过输氧管17将氧气通入薄膜6的底部。
本发明所述的多材料底面曝光连续成型方法包括以下步骤：
1)获取待打印零件的三维模型，其中，待打印零件的三维模型由若干材料的打印区域组成，再将各材料的打印区域沿同一方向分为若干层面，再将各层面的形状及所用材料信息输入到计算机中；
2)计算机控制液压泵8将第一层面所用材料通入喷嘴9中，并通过喷嘴9将第一层面所用材料喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜6移动，薄膜6在移动过程中将储液室中第一层面所用材料携带至成型室中，并使第一层面所用材料平铺于薄膜6的上表面；
3)计算机控制升降机构调整工作台3的位置，使工作台3的下表面到薄膜6上表面的距离为第一层面的厚度，计算机根据第一层面的形状控制投影光机15发出紫外光，使投影光机15发出的紫外光在薄膜6上的投影为第一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板10及薄膜6照射到薄膜6与工作台3之间第一层面所用材料上，使第一层面所用材料固化，并粘接于工作台3的底部，同时供氧系统向薄膜6的底部供氧气，在薄膜6与成型室内的第一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的第一层面所用材料与薄膜6分离，完成第一层面的成型；
4)计算机控制液压泵8将下层面所用材料通入喷嘴9中，并通过喷嘴9喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜6移动，薄膜6在移动过程中将储液室中下层面所用材料携带至成型室中，并使下层面所用材料平铺于薄膜6的上表面；
5)计算机控制升降机构调整工作台3的位置，使上一层面的下表面到薄膜6上表面的距离为下一层面的厚度，计算机根据下一层面的形状控制投影光机15发出紫外光，使投影光机15发出的紫外光在薄膜6上的投影为下一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板10及薄膜6照射到薄膜6与上一层面之间的下一层面所用材料上，使下一层面所用材料固化，并粘接于上一层面的底部，同时供氧系统向薄膜6的底部供氧气，使薄膜6与成型室内的下一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的下一层面所用材料与薄膜6分离，完成下一层面成型；
6)重复步骤4)、5)，直至所用层面成型完成为止，完成待打印零件成型。
各层面的厚度为0.01-0.1mm。
所述薄膜6的材质为聚二甲基硅氧烷，薄膜6的厚度为50～500μm，薄膜6的透氧率大于0.05cm3/cm2.s.MPa。
供氧系统输出氧气的流量为0.001L/s～0.1L/s。
成型系统还包括用于固定透光玻璃板10及液槽4的压板5，储液室的数量为两个，其中，喷嘴9位于第一个储液室的正上方，薄膜6将第一个储液室中的液体材料带入成型室中，并在成型室中进行光固化成型，并将多余的液体材料带入第二个储液室中，并将多余的液体材料剐蹭到第二个储液室中，实现薄膜6的清洁，避免多种液体材料的混合。

Claims (9)

1.一种多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，包括计算机、送料系统、成型系统、分离系统及供氧系统；送料系统包括液压泵(8)、送料管(7)及喷嘴(9)；成型系统包括液槽(4)、隔板、透光玻璃板(10)、投影光机(15)、工作台(3)以及用于带动工作台(3)在Z轴方向上移动的升降机构；分离系统包括薄膜(6)以及用于驱动薄膜(6)运动的驱动机构；
液槽(4)由隔板分割为储液室及成型室，液槽(4)为中空结构，液槽(4)位于透光玻璃板(10)上，薄膜(6)位于液槽(4)与透光玻璃板(10)之间，工作台(3)正对成型室，液压泵(8)的出液口经送料管(7)与喷嘴(9)的入口相连通，喷嘴(9)位于储液室的正上方，投影光机(15)正对透光玻璃板(10)及工作台(3)的底部，计算机的输出端与液压泵(8)的控制端、升降机构的控制端及驱动机构的控制端相连接，供氧系统向薄膜(6)的底部供氧气，氧气透过薄膜(6)在薄膜(6)与成型室内的光固化液体之间形成氧阻聚层。
2.根据权利要求1所述的多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，所述升降机构包括Z轴升降台(1)及工作台悬臂梁(2)，工作台悬臂梁(2)的一端固定于Z轴升降台(1)上，工作台(3)的上端固定于工作台悬臂梁(2)的另一端。
3.根据权利要求1所述的多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，所述驱动机构包括带轮电机(13)、第一带轮(14)、第二带轮、同步带(12)、第一轴及第二轴，带轮电机(13)的输出轴与第一轴相连接，第一带轮(14)套接于第一轴上，第二带轮套接于第二轴上，第一带轮(14)与第二带轮通过同步带(12)相连接，薄膜(6)两端分别缠绕于第一轴及第二轴上，带轮电机(13)的控制端与计算机的输出端相连接。
4.根据权利要求3所述的多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，还包括用于张紧薄膜(6)的张紧轮(11)。
5.根据权利要求3所述的多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，供氧系统包括制氧机(18)、输氧管(17)以及设于输氧管(17)上的气体流量计(16)，其中，制氧机(18)通过输氧管(17)将氧气通入薄膜(6)的底部。
6.一种多材料底面曝光连续成型方法，其特征在于，基于权利要求1所述的多材料底面曝光连续成型系统，包括以下步骤：
1)获取待打印零件的三维模型，其中，待打印零件的三维模型由若干材料的打印区域组成，再将各材料的打印区域沿同一方向分为若干层面，再将各层面的形状及所用材料信息输入到计算机中；
2)计算机控制液压泵(8)将第一层面所用材料通入喷嘴(9)中，并通过喷嘴(9)将第一层面所用材料喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜(6)移动，薄膜(6)在移动过程中将储液室中第一层面所用材料携带至成型室中，并使第一层面所用材料平铺于薄膜(6)的上表面；
3)计算机控制升降机构调整工作台(3)的位置，使工作台(3)的下表面到薄膜(6)上表面的距离为第一层面的厚度，计算机根据第一层面的形状控制投影光机(15)发出紫外光，使投影光机(15)发出的紫外光在薄膜(6)上的投影为第一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板(10)及薄膜(6)照射到薄膜(6)与工作台(3)之间第一层面所用材料上，使第一层面所用材料固化，并粘接于工作台(3)的底部，同时供氧系统向薄膜(6)的底部供氧气，在薄膜(6)与成型室内的第一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的第一层面所用材料与薄膜(6)分离，完成第一层面的成型；
4)计算机控制液压泵(8)将下层面所用材料通入喷嘴(9)中，并通过喷嘴(9)喷入到储液室中，驱动机构驱动薄膜(6)移动，薄膜(6)在移动过程中将储液室中下层面所用材料携带至成型室中，并使下层面所用材料平铺于薄膜(6)的上表面；
5)计算机控制升降机构调整工作台(3)的位置，使上一层面的下表面到薄膜(6)上表面的距离为下一层面的厚度，计算机根据下一层面的形状控制投影光机(15)发出紫外光，使投影光机(15)发出的紫外光在薄膜(6)上的投影为下一层面的形状，紫外光依次穿过透光玻璃板(10)及薄膜(6)照射到薄膜(6)与上一层面之间的下一层面所用材料上，使下一层面所用材料固化，并粘接于上一层面的底部，同时供氧系统向薄膜(6)的底部供氧气，使薄膜(6)与成型室内的下一层面所用材料之间形成氧阻聚层，使固化后的下一层面所用材料与薄膜(6)分离，完成下一层面成型；
6)重复步骤4)、5)，直至所用层面成型完成为止，完成待打印零件成型。
7.根据权利要求6所述的多材料底面曝光连续成型方法，其特征在于，各层面的厚度为0.01-0.1mm。
8.根据权利要求6所述的多材料底面曝光连续成型方法，其特征在于，所述薄膜(6)的材质为聚二甲基硅氧烷，薄膜(6)的厚度为50～500μm，薄膜(6)的透氧率大于0.05cm3/cm2.s.MPa。
9.根据权利要求6所述的多材料底面曝光连续成型系统，其特征在于，供氧系统输出氧气的流量为0.001L/s～0.1L/s。
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