CN106393669B - 一种反应型3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应型3D打印机，具体地，本发明所述的3D打印机包括一外壳，和位于外壳中的：出料装置，所述的出料装置包括一混合器，以及两个或多个储料针筒；气流控制系统，所述的气流控制系统包括：输气管和电磁阀或用于控制高压气体通断的电磁阀或电磁开关；成型室，所述的成型室中具有一成型基板；排气系统，所述排气系统包括：冷却装置(如冷却排气风扇)和用于将反应尾气排出的尾气排出装置(如排气风扇)；运动控制系统：所述的运动控制系统用于控制各部件移动；和操作面板。与现有技术相比，所述的反应型3D打印机材料适用面广、操作简单、易于维护和推广，能满足3D打印对于多材料打印的需求。

Description

一种反应型3D打印机

技术领域

本发明涉及新型装备制造领域，具体地，本发明提供了一种反应型3D打印机。

背景技术

增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备上快速精密地制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。与传统加工技术相比，增材制造可降低加工成本20％-40％以上，缩短产品研发周期约80％。近20年来，增材制造技术得到了快速发展，形成了多种成型技术和装备。这些技术面向航空航天、武器装备、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工的制造难题。增材制造作为一项前瞻性、战略性技术，其工程应用性很强，领域跨度大，对未来制造业，尤其是高端制造的发展十分重要。其中熔融沉积快速原型制造(FDM)是一种将各种热熔性的丝状/粉体材料加热熔化挤出成型技术，它具有设备简单、工艺干净、运行成本低且不产生垃圾，可以快速构建中空零件等优点。相比于选择性激光融化设备(SLM)，桌面型FDM打印机具有价格低廉，易于推广等优点，已经应用于工艺品、模具、汽车零部件直接制造等民用工业。但现有的FDM一般只能加工热塑性材料，材料固化后硬度、韧性和弹性性能较差。随着3D打印应用领域的拓展，多材料打印成为3D打印的一种趋势。与之配套的打印机的研发也迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应型3D打印机，所述的反应型3D打印机材料适用面广、操作简单、易于维护和推广，能满足3D打印对于多材料打印的需求。

在本发明的第一方面，提供了一种反应型3D打印机，所述3D打印机包括一外壳(1)，和位于外壳中的：出料装置，所述的出料装置包括一混合器401，以及两个或多个储料针筒4；气流控制系统，所述的气流控制系统包括：输气管2和电磁阀或用于控制高压气体通断的电磁阀或电磁开关3；成型室，所述的成型室中具有一成型基板5；排气系统，所述排气系统包括：冷却装置(如冷却排气风扇)和用于将反应尾气排出的尾气排出装置如排气风扇；运动控制系统11：所述的运动控制系统用于控制各部件移动；操作面板12。

在另一优选例中，所述的两个或多个储料针筒用于存放不同的打印原料；

在另一优选例中，所述的两个或多个储料针筒分别储存一种或多种打印原料；

在另一优选例中，在打印过程中，打印原料在所述的成型基板表面固化成型。

在另一优选例中，所述的出料装置包括：两个或多个储料针筒，所述的储料针筒包括外套402、内胆403和气动接头404；与所述储料针筒下方连接具有一出料开口的混合器。

在另一优选例中，所述的储料针筒中，所述的外套为不锈钢外套，和/或所述的内胆为聚四氟乙烯内胆。

在另一优选例中，所述的储料针筒还包括分别连接于各个储料针筒的多个单独气管405，和与所述的单独气管相连的压缩气体源406。

在另一优选例中，所述的多个单独气管上分别具有一电磁阀或电磁开关，且所述的电磁阀或电磁开关用于控制所述单独气管中的高压气体通断。

在另一优选例中，所述3D打印机还包括温度控制系统，所述的温度控制系统还包括一加热器6。

在另一优选例中，所述的加热器位于所述的成型基板背面或内部。

在另一优选例中，所述的温度控制系统用于控制成型基板表面和/或成型室的温度。

在另一优选例中，所述的温度控制系统可对打印原料加热，加快其反应速度。

在另一优选例中，所述排气系统包括：冷却风扇10和用于将反应尾气排出的排气风扇7。

在另一优选例中，所述的3D打印机还包括：用于控制储料针筒在平面内移动的XY十字滑台8，和/或用于控制成型基板在垂直方向上下移动的Z轴连接器9。

本发明的第二方面提供了一种3D打印方法，所述打印方法包括以下步骤：

(a)在所述储料针筒中分别加入相应的打印原料；

(b)设定控制各储料针筒中所述打印原料的出料速率或出料比例；

(c)设置成型基板中加热器的温度；

(e)在所述的成型基板上进行脱机打印。

在另一优选例中，所述的打印原料选自下组：翻模硅胶胶水/硅胶固化剂(优选地，所述的硅胶与固化剂的出料速率比为100:1-5)；

环氧树脂A胶/环氧树脂B胶(优选地，所述的环氧树脂A胶和环氧树脂B胶的出料速率之比为1:0.5-2)；

或所述的组分包括组分(a)和组分(b)，且所述的组分(a)包括选自下组的一种或多种：玉米淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、碳酸钙、氢氧化钠、水，且所述的组分(b)包括选自下组的一种或多种：过硫酸铵、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、水(优选地，所述的组分(a)和组分(b)的出料速率比为1:0.5-2)。

在另一优选例中，所述的成型基板中加热器的温度为：40-100℃。

应理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本发明反应型打印机结构示意图；

图2为本发明反应型打印机出料装置结构示意图；

图3为本发明反应型打印机加热器布置结构示意图；

图4为本发明反应型打印机排气扇布置结构示意图；

各图中，1为外壳，2为输气管，3为电磁阀或电磁开关，4为针筒，5为成型基板，6为加热器，7为排气风扇，8为XY十字滑台，9为Z轴连接器，10为冷却风扇1，11为控制系统，12为操作面板，401为混合器，402为不锈钢外套，403为聚四氟乙烯内胆，404为气动接头，405为气管，406为压缩气体源。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，发现现有的FDM打印机以固态丝材为原料，一般只能加工热塑性材料，材料固化后硬度、韧性和弹性性能较差。本发明所述的反应型3D打印机，将双喷头FDM打印机的两个喷头分别替换成储料针筒，将FDM的挤出电机换成控制高压气体通断的电磁阀门，阀门与高压钢瓶或者压缩空气连结。根据打印图案的需要，控制电磁阀通断，使两个针筒内的液态物质挤出后混合均匀，然后在加热的基板加速反应，固化定型。与FDM逐层叠加类似，通过层层叠加，形成所需的3D立体结构，从而完成了本发明。

以下结合附图，进一步说明本发明。需理解，以下的描述仅为本发明的最优选实施方式，而不应当被认为是对于本发明保护范围的限制。在充分理解本发明的基础上，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出非本质的改动，这样的改动应当被视为包括于本发明的保护范围之中的。

如图1所示，本发明提供了一种反应型3D打印机，包括包括一外壳1，和位于外壳中的：出料装置，所述的出料装置包括一混合器401，以及两个或多个储料针筒4；气流控制系统，所述的气流控制系统包括：输气管2和电磁阀或用于控制高压气体通断的电磁阀或电磁开关3；成型室，所述的成型室中具有一设置有加热器6的成型基板5；排气系统，所述排气系统包括：冷却装置(如冷却排气风扇)10和用于将反应尾气排出的尾气排出装置(如排气风扇)7(详见图4，排气扇布置结构示意图)；运动控制系统11：所述的运动控制系统用于控制各部件移动；用于控制储料针筒在平面内移动的XY十字滑台8；用于控制成型基板在垂直方向上下移动的Z轴连接器9和操作面板12。

如图2所示的储料针筒，包括一混合器401、外套402、内胆403和气动接头404，在所述储料针筒下方连接具有一出料开口的混合器。所述的储料针筒还包括分别连接于各个储料针筒的多个单独气管405，和与所述的单独气管相连的压缩气体源406，在操作过程中，在所述的储料针筒中分别加入相应的打印原料(打印原料)，通过所述电磁阀或电磁开关控制所述压缩气体源中的压缩气体在所述气管中的通断，进一步控制所述储料针筒中的打印原料的出料速率或出料比例，打印原料通过所述混合器用于混合。设置成型基板中加热器的温度(详见图3，加热器布置结构示意图)，在所述的成型基板上进行脱机打印。

本发明的主要优点包括：

本发明所述的反应型3D打印机具有材料适用面广、操作简单、易于维护和推广等优点。

(1)传统喷头一般适用于粘度较小的反应剂，不适合硅胶等粘度大的物质，本发明所述的反应型3D打印机从弹性硅胶到硬度较高的环氧树脂，以及水凝胶、陶瓷坯体等都可以打印，能满足3D打印对于多材料打印的需求；

(2)传统的喷头不具备搅拌功能，因此不能保证物料的充分混合，本发明所述的反应型3D打印机设置了混合器，可将针筒中储存的打印原料混合均匀，促进反应的发生。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

本实施例中，所述的储料针筒有两个，分别为①和②。针筒①中装入翻模硅胶胶水，针筒②中装入硅胶固化剂。硅胶和固化剂的质量比为100:2.5，在3d打印切片软件上，将①和②的打印头的丝径分别设置为1和40，热床温度设置为50度，进行脱机打印。

实施例2

本实施例中，所述的储料针筒有两个，分别为①和②。针筒①中装入环氧树脂AB胶的A胶，针筒②中装入环氧树脂AB胶的B胶。A胶和B胶的质量比为1:1，然后在3d打印切片软件上，将①和②的打印头的丝径分别设置为1.75和1.75，热床温度设置为60度，进行脱机打印。

实施例3

本实施例中，所述的储料针筒有两个，分别为①和②。针筒①中装入搅拌混合均匀的玉米淀粉4.5克、丙烯酸22克、丙烯酰胺9克、碳酸钙4.5克、氢氧化钠9.5、水30.5克；针筒②中装入混合均匀的过硫酸铵3.5克、N,N-亚甲基双丙烯酰胺6.5克、水10克。然后在3d打印切片软件上，将①和②的打印头的丝径设置为1.75，热床温度设置为70度，进行脱机打印。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种高温反应型3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括一外壳(1)，和位于外壳中的：

出料装置，所述的出料装置包括一混合器(401)，以及两个或多个储料针筒(4)；

气流控制系统，所述的气流控制系统包括：输气管(2)和电磁阀；

成型室，所述的成型室中具有一成型基板(5)；

排气系统，所述排气系统包括：冷却装置和用于将反应尾气排出的尾气排出装置；

运动控制系统(11)：所述的运动控制系统用于控制各部件移动；

操作面板(12)；

所述3D打印机还包括温度控制系统，所述的温度控制系统还包括一加热器(6)；所述的加热器位于所述的成型基板背面或内部；所述的温度控制系统用于控制成型基板表面和/或成型室的温度；所述的温度控制系统可对打印原料加热，加快其反应速度；

所述的3D打印机还包括：用于控制储料针筒在平面内移动的XY十字滑台(8)，和/或用于控制成型基板在垂直方向上下移动的Z轴连接器(9)；

所述的储料针筒还包括分别连接于各个储料针筒的多个单独气管(405)，和与所述的单独气管相连的压缩气体源(406)；

所述储料针筒连接所述混合器；打印原料在所述的混合器(401)混合后直接进入成型基板(5)；在打印过程中，打印原料在所述的成型基板表面固化成型；

所述储料针筒中的打印原料选自下组：翻模硅胶胶水/硅胶固化剂，所述的翻模硅胶胶水与硅胶固化剂的出料速率比为100:1-5；

环氧树脂A胶/环氧树脂B胶，所述的环氧树脂A胶和环氧树脂B胶的出料速率之比为1:0.5-2；

或所述的打印原料包括组分a和组分b，且所述的组分a包括玉米淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、碳酸钙、氢氧化钠和水，且所述的组分b包括过硫酸铵、N,N-亚甲基双丙烯酰胺和水，所述的组分a和组分b的出料速率比为1:0.5-2；

所述的多个单独气管上分别具有一电磁阀，且所述的电磁阀用于控制所述单独气管中的高压气体通断。

2.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的出料装置包括：两个或多个储料针筒，所述的储料针筒包括外套(402)、内胆(403)和气动接头(404)；与所述储料针筒下方连接具有一出料开口的混合器。

3.如权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述的储料针筒中，所述的外套为不锈钢外套，和/或所述的内胆为聚四氟乙烯内胆。

4.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述的两个或多个储料针筒用于存放不同的打印原料。

5.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述排气系统包括：冷却风扇(10)和用于将反应尾气排出的排气风扇(7)。

6.一种用如权利要求1所述的3D打印机进行3D打印方法，其特征在于，包括步骤：

(a)在所述储料针筒中分别加入相应的打印原料；

(b)设定控制各储料针筒中所述打印原料的出料速率；

(c)设置成型基板中加热器的温度；

(e)在所述的成型基板上进行脱机打印。

7.如权利要求6的方法，其特征在于，所述的成型基板中加热器的温度为：40-100℃。

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