CN106938541A - 一种高效3d打印机及其打印方法、用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效3D打印机及其打印方法、用途。所述打印机包括设置于真空室内的多个打印模块，所述多个打印模块可同时工作实现并行打印。每个所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置与吸粉装置，其中所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述吸粉装置可将多余的粉体吸走；各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。所述打印机尤其适用于打印以粉体材料为原料的物品，各打印模块可同时并行工作大大提高了打印效率。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机领域，特别是涉及一种高效3D打印机及其打印方法、用途。
背景技术
现有技术中，金属模具、陶瓷用品、刀具、厨具等物品的制造采用传统砂模法等手段生产，效率很低，成本高。
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。一般的3D打印机均采用打印头逐层打印，首先通过计算机建模，生成三维模型切片和逐层的截面信息，打印机读取上述信息并用液体状、粉末状或片状的材料将这些截面信息逐层打印出来，各层截面间以各种方式粘合起来形成打印物品。然而，上述一层一层地打印导致其打印速度很慢，难以应用于大规模的生产作业。
现有技术中已经公开了一些采用多喷头并行打印来提高打印效率的技术方案。比如，CN201410142105.0公开了一种3D打印方法及3D打印系统，该打印系统在圆形打印平台的上方设置有多个打印头，每个打印头上设有沿圆形径向布置的多个喷头，同步控制机构驱动圆形打印平台绕圆心旋转轴转动并下降，使得成形的打印层在整个圆形打印平台上构成螺旋状。打印数据信息的切片数据在物品中的位置和形状与打印物体的螺旋层状一致。CN201610017185.6公开了一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，该方案采用平面极坐标机构实现喷嘴的平面运动，搭配Z方向的运动，实现基于空间柱坐标的轨迹的打印运动，并且可通过调整极坐标平面打印机构的层数和极坐标平面打印机构内喷头的数目来调整喷头，实现多喷头打印。但是，上述技术方案均不适于打印粉状原材料的物品，无法解决层与层之间的结合问题，上述技术方案不适于打印以粉体材料为原来的金属模具、陶瓷用品、刀具、厨具等产品。
因此，有必要发明一种高效的3D打印机及其打印方法，该3D打印机可适于打印以粉体为材料的产品，尤其可用于打印金属模具、陶瓷用品、刀具、厨具等物品。
发明内容
本发明的目的之一在于克服上述现有技术的不足，提供一种高效的3D打印机，该打印机设置的多个打印模块可同时工作打印不同的物品层，该打印机尤其适用于打印以粉体材料为原料的物品。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种高效3D打印机,包括设置于真空室内的多个打印模块、所述打印模块设置于承载打印物品的打印平台的上方，多个所述打印模块依次排列，每个所述打印模块与所述打印平台的距离依次增加，所述打印模块和所述打印平台之间可相对运动；
其中，所述多个打印模块可同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置与吸粉装置，其中所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述吸粉装置可将多余的粉体吸走；各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
优选地，所述多个打印模块沿直线依次设置，所述打印平台可相对于各打印模块水平往复运动；或者，各打印模块可相对于所述打印平台水平往复运动。
优选地，所述多个打印模块沿周向依次设置，各打印模块可相对于所述打印平台旋转运动；或者，所述打印平台可相对于各打印模块旋转运动。
优选地，各打印模块与所述打印平台的距离可调，和/或各打印模块之间的距离可调。
优选地，相邻两个打印模块之间在垂直于所述打印平台的方向上的距离等于打印物品单个打印层的厚度。
优选地，所述胶体喷头、给粉装置与吸粉装置与所述打印平台的距离分别可调。
优选地，所述胶体喷头喷出的胶滴的直径为1-50μm。
本发明的目的之二在于提供一种上述3D打印机的打印方法，采取的技术方案如下：
一种打印机的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：
(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；
(2)所述打印指令驱动所述打印模块相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印模块进行往复式直线运动或旋转运动；
(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述多个打印模块同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块在打印时，先由所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴至所述打印平台，接着所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，然后利用所述吸粉装置将多余的粉体吸走，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
优选地，还包括步骤(4)：所述吸粉装置将多余的粉体吸走后输送到所述给粉装置中进行循环利用。
本发明的目的之三在于提供一种上述3D打印机的用途，采取的技术方案如下：
一种高效3D打印机的用途，所述3D打印机至少用于打印金属模具、刀具、厨具、陶瓷用品，其中所述3D打印机为上述3D打印机。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用多个打印模块同时并行打印的手段，大大提高了打印效率。所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置和吸粉装置，所述打印机尤其适用于打印以粉体材料为原料的物品，各打印层之间通过胶滴进行粘结固定。所述吸粉装置可将多余的粉体吸走循环利用，并且各打印模块均置于真空室中，防止粉体污染环境。各打印模块与打印平台之间的高度差可调、打印模块内部的胶体喷头、给粉装置和吸粉装置与打印平台的高度差也可调，这样设置便于针对不同的打印对象设置不同的打印层厚度。
附图说明
图1为本发明公开的单个打印模块的示意图。
图2为本发明公开的实施例一的主视示意图。
图3为本发明公开的实施例一的俯视示意图。
图4为本发明公开的实施例二的主视示意图。
图5为本发明公开的实施例二的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明公开了一种高效3D打印机,包括设置于真空室内的多个打印模块、所述打印模块设置于承载打印物品的打印平台的上方，多个所述打印模块依次排列，每个所述打印模块与所述打印平台的距离依次增加，所述打印模块和所述打印平台之间可相对运动；所述多个打印模块可同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置与吸粉装置，其中所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述吸粉装置可将多余的粉体吸走，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
实施例一
参见图1-3，本实施例公开了一种高效3D打印机，该3D打印机包括打印平台50、真空室、多个打印模块10、20、30、40、……、N。所述多个打印模块均设置于真空室内，并且在所述打印平台50的上方依次设置，与所述打印平台50的距离最小的打印模块10为第一打印模块，与所述打印平台50的距离次小的打印模块20为第二打印模块，依次类推，与所述打印平台50的距离最大的打印模块为第N打印模块。上述打印平台50为一水平布置的打印平台，多个所述打印模块在所述打印平台的上方直线依次设置，并且从第一打印模块10至第N打印模块，其距离所述打印平台的距离逐渐增大。优选地，两两相邻的两个打印模块之间的高度差相等。具体地，所述打印模块通过可调的方式固定在所述打印平台的上方。
参见图1，单个所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置与吸粉装置，上述胶体喷头、给粉装置与吸粉装置通过可调的方式安装于支架13上。其中，胶体喷头包括胶体输送装置11和胶体喷嘴12，给粉装置包括粉体输送装置14和粉体喷嘴15，吸粉装置包括抽吸装置16和吸头17，具体地，所述抽吸装置16可采用真空泵。打印时，根据打印指令，控制器控制所述多个打印模块可同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层。即所述第一打印模块打印物品的第一层，第二打印模块打印物品的第二层，第N打印模块打印物品的第N层。并且，在所述第一打印模块打印第一层的一部分后，所述第二模块紧接着在所述第一层的上表面进行打印，所述第二模块打印一部分后，所述第三模块紧接着在所述第二层上表面进行打印，依此类推，第N打印模块打印物品的最后一层至打印完毕，这样就实现了多喷头并行工作同时打印多层。与单喷头相比，该方案理论上可以实现N倍的打印速度，但由于后一层跟随前一层打印有一定的滞后性，实际打印速度在0.7-0.9N倍单喷头3D打印机的打印速度之间。
优选地，所述打印平台可相对于所述打印模块作直线往复运动，使所述打印平台上的打印层依次经过多个打印模块的正下方。当然，也可以是这样的方案，即所述打印平台固定不动，所述打印模块可相对于所述打印平台作直线往复运动。优选地，各所述打印模块与所述打印平台之间的距离均可调，相邻两个打印模块之间在垂直于所述打印平台的方向上的距离等于打印物品单个打印层的厚度。针对不同的打印对象，可以通过调整所述打印模块的高度设置来设定不同的打印层厚度。
优选地，所述胶体喷头、给粉装置与吸粉装置与所述打印平台的距离分别可调，这样便于针对不同的打印对象进行适应性调整。优选地，各打印模块之间的高度差可以用限位器来控制。
第一打印模块在打印时，先由胶体喷嘴12喷出一层用于粘结粉体的胶滴在所述打印平台50上，接着所述粉体喷嘴15将所述打印物品的原料粉体喷洒在所述胶滴层上，使粉体粘结固定，然后所述吸头17可将洒落在打印区域周边的多余粉体吸走。作为一个优选的实施例，多余的粉体被吸走后可回收至所述粉体输送装置14循环利用。第一打印模块在打印第一打印层的一部分后，所述第二打印模块紧接着在所述第一打印层的上表面进行打印，即由所述第二打印模块的胶体喷嘴将所述胶滴喷射在所述第一打印层的上表面上，接着粉体喷嘴喷洒粉体到所述胶滴层上，然后吸头将多余的粉体吸走，以此类推，实现多层并行打印。各打印层之间的结合是通过所述胶滴层的粘结来实现的。典型地，所述原料粉体可以是金属粉体、陶瓷粉体、塑料粉体等，所述粉体的粒径优选介于5-80μm之间；所述胶滴可以是无机材料或有机材料，喷出胶滴的直径优选介于1-50μm之间。
实施例二
参见图4-5，本实施例公开了另一种方案的高效3D打印机，该3D打印机包括打印平台500、真空室、多个打印模块100、200、300、400、……、N。所述多个打印模块均设置于真空室内，并且在所述打印平台500的上方依次设置，与所述打印平台500的距离最小的打印模块100为第一打印模块，与所述打印平台500的距离次小的打印模块200为第二打印模块，依次类推，与所述打印平台500的距离最大的打印模块为第N打印模块。
与实施例一不同的是，上述打印平台500为一圆形设置的打印平台，还包括一回转体固定部件600，多个所述打印模块沿周向依次安装在所述固定部件600的上，并且从第一打印模块100至第N打印模块，其距离所述打印平台500的距离逐渐增大。优选地，两两相邻的两个打印模块之间的高度差相等。具体地，所述打印模块通过可调的方式固定在固定部件600上。
优选地，所述打印平台可相对于所述打印模块作旋转运动，使所述打印平台上的打印层依次经过多个打印模块的正下方。当然，也可以是这样的方案，即所述打印平台固定不动，所述打印模块可相对于所述打印平台作旋转运动。优选地，各所述打印模块与所述打印平台之间的距离均可调，相邻两个打印模块之间在垂直于所述打印平台的方向上的距离等于打印物品单个打印层的厚度。针对不同的打印对象，可以通过调整所述打印模块的高度设置来设定不同的打印层厚度。
单个打印模块的设置以及打印过程与实施例一类似，在此不作过多赘述。
实施例三
本实施例公开了一种上述3D打印机的打印方法，所述打印方法包括以下步骤：
(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；
(2)所述打印指令驱动所述打印模块相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印模块进行往复式直线运动或旋转运动；
(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述多个打印模块同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块在打印时，先由所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴至所述打印平台，接着所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，然后利用所述吸粉装置将多余的粉体吸走，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
优选地，还包括步骤(4)：所述吸粉装置将多余的粉体吸走后输送到所述给粉装置中进行循环利用。
实施例四
本实施例公开了一种上述3D打印机的用途，所述3D打印机可用于打印金属模具、刀具、厨具、陶瓷用品等。这些产品均可先做成一定粒径的粉体，然后通过上述3D打印机的多喷头并行打印提高打印效率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种高效3D打印机,包括设置于真空室内的多个打印模块、所述打印模块设置于承载打印物品的打印平台的上方，多个所述打印模块依次排列，每个所述打印模块与所述打印平台的距离依次增加，所述打印模块和所述打印平台之间可相对运动；
其特征在于：所述多个打印模块可同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块包括胶体喷头、给粉装置与吸粉装置，其中所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴，所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，所述吸粉装置可将多余的粉体吸走；各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
2.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述多个打印模块沿直线依次设置，所述打印平台可相对于各打印模块水平往复运动；或者，各打印模块可相对于所述打印平台水平往复运动。
3.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述多个打印模块沿周向依次设置，各打印模块可相对于所述打印平台旋转运动；或者，所述打印平台可相对于各打印模块旋转运动。
4.一种根据权利要求2或3所述的3D打印机，其特征在于：各打印模块与所述打印平台的距离可调，和/或各打印模块之间的距离可调。
5.一种根据权利要求4所述的3D打印机，其特征在于：相邻两个打印模块之间在垂直于所述打印平台的方向上的距离等于打印物品单个打印层的厚度。
6.一种根据权利要求4所述的3D打印机，其特征在于：所述胶体喷头、给粉装置与吸粉装置与所述打印平台的距离分别可调。
7.一种根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于：所述胶体喷头喷出的胶滴的直径为1-50μm。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的3D打印机的打印方法，其特征在于，所述打印方法包括以下步骤：
(1)获取物品的打印数据信息并传输至控制器；所述控制器根据所述打印数据信息生成相应的打印指令；
(2)所述打印指令驱动所述打印模块相对于所述打印平台进行往复式直线运动或旋转运动；或者，所述打印指令驱动所述打印平台相对于所述打印模块进行往复式直线运动或旋转运动；
(3)在步骤(2)进行的同时，所述打印指令驱动所述多个打印模块同时工作，不同高度的打印模块分别打印对应的物品层，即在其中一个打印模块打印完成一个物品层的一部分时，相邻的打印模块接着在上述物品层的上表面打印下一个物品层；每个所述打印模块在打印时，先由所述胶体喷头喷射用于粘结粉体的胶滴至所述打印平台，接着所述给粉装置将所述打印物品的原料粉体喷射到所述胶滴上，然后利用所述吸粉装置将多余的粉体吸走，各物品层之间通过上述胶滴进行粘结固定。
9.一种根据权利要求8所述的打印方法，其特征在于：还包括步骤(4)：所述吸粉装置将多余的粉体吸走后输送到所述给粉装置中进行循环利用。
10.一种高效3D打印机的用途，所述3D打印机至少用于打印金属模具、刀具、厨具、陶瓷用品，其特征在于：所述3D打印机为根据权利要求1-7任一项所述的3D打印机。
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