CN107150441A - 一种3d打印机 - Google Patents

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张洪波
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明涉及一种3D打印机。该打印机包括：1）机身，2）挤出平台，由旋转装置、喷头和点光源构成；3）挤出平台位置控制系统，4）托盘及位置控制装置，5）树脂储罐，6）树脂泵送系统，7）面光源，8）计算机控制系统。该打印机有两种操作方式：a）喷头与点光源固定在挤出平台上，树脂在挤出过程中，点光源对挤出的树脂进行辐照固化。当一层挤出固化完成后，通过下移挤出平台进行下一层的挤出固化，实现逐层打印。b）挤出过程中，点光源可开启或关闭，待该层挤出结束后，托盘移动至面光源下方采用面光源固化，然后继续下一层的挤出固化。实现逐层打印。挤出平台可同时安装多个喷头，每个喷头填装不同树脂，实现异质材料打印。

Description

一种3D打印机
技术领域
本发明涉及一种光固化型3D打印机。
背景技术
利用光固化树脂的光固化特性，可实现3D打印，主要打印方式是立体光固化成型法（SLA），光源在液体表面或透明树脂槽底部进行扫描或数字式曝光，形成固化层，移动Z方向位置实现逐层打印。
SLA技术具有很高的打印速度和打印精度，且表面层纹不是很明显。在原型建模、工艺品制作等领域应用较为广泛。
但是，传统的SLA技术打印一个样件一次只能采用一种材料，若在一个样件中实现不同材料的同时打印是很难实现的。
为实现一次打印过程实现不同材料的同时使用，本发明公开了一种全新的3D打印机。
发明内容
本发明提供了一种3D打印机。可实现不同材料用于一次打印过程。
本发明提供了一种3D打印机，其特征在于，其包括：
1）机身，机身侧壁和顶部由具有紫外光阻隔作用的材料制成；
2）挤出平台，包括旋转装置107g、喷头107a和点光源（107f、107j和107k），旋转装置位于喷头上部，喷头垂直于托盘平面，喷头带有伴热装置，点光源邻近喷头，为1-20个光纤光源107f或LED/LCD/OLED灯珠107j，或围绕喷头的环形阵列式LED/LCD/OLED面板107k；
3）喷头位置控制系统，挤出平台位于机身上部，包括滑轨（水平XY方向）108、动力装置112、位移检测装置106-1和106-2；
4）托盘及位置控制装置，托盘111成水平状态，托盘位置可水平（XY方向）和垂直方向（Z方向）移动和控制；
5）树脂储罐，可设置不同数量的树脂储罐103-1、103-2，材质为可屏蔽紫外光和湿气的材料，比如黑色PE、黑色PP、金属等；
6）树脂泵送系统104-1和104-2，连接树脂储罐和喷头；
7）面光源109，位于机身上部，挤出平台位置控制系统下方；
8）计算机控制系统101，控制挤出平台位置、移动速度及方向、点光源开启关闭及输出功率、面光源开启关闭及输出功率、托盘移动方向及速度等。
机身，机身侧壁和顶部由具有紫外光阻隔作用的材料制成，如具有紫外光阻隔作用的PMMA板、PE板、PP板，不锈钢板等。
挤出平台，包括旋转装置107g、喷头107a和点光源（107f、107j和107k）。
喷头，喷头固定于挤出平台，并垂直于托盘平面。
喷头，可通过计算机控制使其在滑轨108所在水平面沿水平方向（XY）移动。
喷头安装有伴热装置107c，可以是电阻丝伴热，可以是加热介质伴热，介质温度控制在0-150摄氏度，优选的控制在10-90摄氏度。
喷头通过连接管105-1，105-2连接泵送装置104-1，104-2和储料罐103-1，103-2。
泵送装置104-1，104-2的泵送压力可通过计算机控制和调节。
喷头连接管107a，内径为0.01-60mm。
喷头末端107b的横截面为圆形或矩形，圆形的直径为0.005-20mm，优选0.05-2mm；矩形长为0.5-50mm，宽为0.005-10mm，优选的长为1-5mm，宽为0.05-1mm。
喷头末端2-30mm的内径为变径，圆形内截面直径变径至原内径的10-90%，优选的变径至30-50%，矩形截面长度变径至原内径的100-2000%，优选的变至200-1000%，矩形截面宽度变径至原内径的2-90%，优选的缩小至5-50%。
点光源，为LED/LCD/OLED灯珠或光纤光源或圆环形阵列式LED/LCD/OLED光源。
LED/LCD/OLED灯珠107h，灯珠直径1-20mm，优选2-5mm。发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-300mW，优选的为300-450nm，此波段光功率为0.2-200mW。灯珠固定于支架107h。每只喷头配有一只或围绕喷头等间距的配有2-8只。
光纤光源107f，光线通过一束光纤由光源发生器导出。一束光纤外径1-20mm，优选2-5mm。发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-300mW，优选的为300-450nm，此波段光功率为0.2-200mW。每只喷头配有一束或围绕喷头等间距的配有2-8束光纤。
圆环形阵列式LED/LCD/OLED光源107j，圆环形光源固定于支架107h，圆环轴心与喷头轴心重合。通过程序控制需要亮起的部分，亮起部分垂直于喷头行进方向的宽度为喷头末端垂直于行进方向内圈宽度的10-100%，优选的为40-80%。发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-300mW，优选的为300-450nm，此波段光功率为0.2-200mW。
点光源投射到喷头末端所在水平面的宽度为喷头内径或矩形内截面最大边长的1.0-2.5倍，优选的为1.1-1.3倍。
点光源中心线与喷头中心线的距离为1-50mm，优选的为3-10mm。
喷头数量可配置1-50只，优选1-5只，每只喷头配置独立的点光源、储罐和泵送系统，可通过计算机控制每层使用的喷头和点光源。
托盘111，水平设置，可沿水平（XY方向）和竖直方向（Z方向）移动。
旋转装置，其特征在于，可通过计算机控制使喷头围绕喷头中心线进行双向旋转，旋转角度±180°，优选的可旋转角度为±90°。
面光源109，位于滑轨108下方。
面光源可以是1根或多根汞灯排列组成，发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-400mW，优选的为300-450nm，此波段光功率为2-200mW。
面光源可以是LED/LCD/OLED面板，发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-400mW，优选的为300-450nm，此波段光功率为2-200mW。
计算机控制系统101，控制挤出平台位置、移动速度及方向、点光源开启关闭及输出功率、面光源开启关闭及输出功率、托盘移动方向及速度等。
该打印机有两种操作方式，点固化操作和点面固化操作。
点固化操作方式，喷头与点光源固定在挤出平台上，树脂在挤出过程中，点光源对挤出的树脂进行辐照固化。当一层挤出固化完成后，通过上移挤出平台进行下一层的挤出固化，实现逐层打印。挤出过程中，对于光纤光源107f和灯珠式光源107j需通过喷头旋转装置使喷头及点光源旋转一定角度，以保证喷头行进过程中，喷头正后方有点光源且开启；对于阵列式LED/LCD/OLED点光源107k，当喷头行进方向改变时，不需要旋转喷头，只需通过计算机控制启动喷头行进方向反方向相应阵列光源区域即可，关闭其它区域。
点面固化操作方式，挤出过程中，点光源可以进行即时固化，也可以不开启点光源，待该层挤出结束后，托盘移动至面光源下方进行采用面光源固化，然后继续下一层的挤出。实现逐层打印。挤出过程中，对于光纤光源107f和灯珠式光源107j需通过喷头旋转装置使喷头及点光源旋转一定角度，以保证喷头行进过程中，喷头正后方有点光源且开启；对于阵列式LED/LCD/OLED点光源107k，当喷头行进方向改变时，不需要旋转喷头，只需通过计算机控制启动喷头行进方向反方向相应阵列光源区域即可，关闭其它区域。
对于上述两种操作方式，挤出平台可同时安装多个喷头，每个喷头填装不同树脂，实现异质材料打印。
打印材料，包括含有光敏树脂或含有陶瓷粉、陶瓷前驱体、二氧化硅粉、聚合物微球、炭黑、石墨烯、二氧化钛粉体、碳酸钙粉体、碳纤维、碳纳米管、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维金属（铜、银、金、铝及其氧化物）微纳米颗粒及其它微纳米粉体或纤维的复合物等，但不限于上述光敏树脂及其复合材料。
附图说明：
图1是3D打印机结构示意图；
图2是光纤固化喷头系统结构示意图；
图3是灯珠固化喷头系统结构示意图；
图4是盘式固化喷头系统结构示意图；
图5是环形固化装置示意图；
图6是灯珠固化喷头系统剖面结构示意图。
应理解，在阅读了本发明的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种3D打印机，其特征在于，其包括：
1）机身，机身侧壁和顶部由具有紫外光阻隔作用的材料制成；
2）挤出平台，包括旋转装置、喷头和点光源，旋转装置位于喷头上部，喷头垂直于托盘平面，喷头带有伴热装置，点光源邻近喷头，为1-20个光纤光源或LED/LCD/OLED灯珠，或围绕喷头的环形阵列式LED/LCD/OLED面板；
3）喷头位置控制系统，挤出平台位于机身上部，包括滑轨（水平XY方向）、动力装置、X方向位移检测装置、Y方向位移检测装置、Z方向（竖直方向）位移检测装置；
4）托盘及位置控制装置，托盘成水平状态，托盘位置可水平（XY方向）和垂直方向（Z方向）移动和控制；
5）树脂储罐，可设置不同数量的树脂储罐，材质为可屏蔽紫外光和湿气的材料；
6）树脂泵送系统，连接树脂储罐和喷头；
7）面光源，位于机身上部，挤出平台位置控制系统下方；
8）计算机控制系统，控制挤出平台位置、移动速度及方向、点光源开启关闭及输出功率、面光源开启关闭及输出功率、托盘移动方向及速度等。
2.根据权利要求1所述的喷头，其特征在于，喷头末端横截面为圆形或矩形，圆形的直径为0.005-20mm，优选0.05-2mm；矩形长为0.5-50mm，宽为0.005-10mm，优选的长为1-5mm，宽为0.05-2mm。
3.根据权利要求1所述的喷头，其特征在于，喷头末端2-50mm的内径为变径，圆形截面直径变径至原内径的10-90%，优选的缩小至30-50%，矩形截面长度变至原内径的100-2000%，优选的变至200-1000%，矩形截面宽度变径至原内径的2-90%，优选的缩小至5-50%。
4.根据权利要求1所述的点光源，其特征在于，可以是LED或LCD灯珠、激光光纤光源、数字控制的环形阵列式点光源（环绕喷头设置，计算机控制开启光源部分）。
5.根据权利要求1所述的点光源，其特征在于，发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-300mW，优选的为300-450nm，波段光功率为0.2-200mW。
6.根据权利要求1所述的点光源，其特征在于，点光源投射到喷头末端所在水平面的宽度为喷头内径或矩形内截面最大边长的1.0-2.5倍，优选的为1.1-1.3倍。
7.根据权利要求1所述的点光源，其特征在于，点光源中心线与喷头中心线的距离为1-50mm，优选的为3-10mm。
8.根据权利要求1所述的点光源，其特征在于，LED/LCD/OLED灯珠式或光纤式光源围绕喷头可设置1-10个，优选设置2-6个。
9.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征在于，可围绕喷头中心线进行双向旋转，旋转角度±180°，优选的可旋转角度为±90°。
10.根据权利要求1所述的面光源，其特征在于，其发光波长在200-1000nm范围内，波谱式或单一波长，该波段光功率为0.05-400mW，优选的为300-450nm，波段光功率为0.2-200mW。
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