CN107415239A - 一种uv光固化3d快速成型系统及其打印方法 - Google Patents

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姜杰
李彬
张捷
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黄天成
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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Abstract

本发明提供了一种UV光固化3D快速成型系统，包括：打印固化装置、打印仓及供粉装置，打印固化装置包括UV灯固化单元及UV胶粘结单元；打印仓具有供打印粉末粘结并固化成型的工作台；供粉装置用于储存并输送打印粉末至打印仓，包括供粉仓及铺粉辊；本发明还提供了上述上述UV光固化3D快速成型系统的打印方法。本发明的优点在于，本系统将UV光固化技术应用于三维印刷，解决了三维印刷成型制件强度不高，需要二次固化后处理，如再次用胶水浸泡的问题，减少了投入成本，缩短了生产周期，提高了生产效率；该系统的操作方便，铺粉效率高；将粉层在UV固化之前就初步固化，比松散的粉末支撑力度好，对后续的已固化制件支撑效果更好，有利于成型。

Description

一种UV光固化3D快速成型系统及其打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种UV光固化3D快速成型系统及其打印方法。
背景技术
3DP工艺就是今天的3D打印。是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面″印刷″在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理，如再次胶水浸泡。
UV光固化是利用UV光源来固化UV涂料的技术，UV涂料可以是UV漆、UV油墨、UV胶等，UV光即紫外线光与UV涂料里的光敏剂起化学反映，瞬间干燥固化，广泛应用于印刷行业。
光固化成形是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长(x＝325nm)和强度(w＝30mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。光固化成型是目前研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度较高。光固化工艺的优点是精度较高、表面效果好。但是在生产时，已固化制件四周需要支撑物，但是目前只是打印粉末的简单支撑，效果差。
但是目前的3D印刷设备都是采用一侧供粉仓的结构，铺粉辊完成一次铺粉后需返回，等待下一次动作，即一次铺粉需两个动作才能完成，效率比较低，且铺粉辊在往返过程中容易出现失误，破坏已推平的料层。
因此，如何针对上述现有UV光固化快速成型所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本发明设计人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本发明。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了推平效率高、不会对已铺平粉层造成破坏的一种UV光固化3D快速成型系统及其打印方法。
(二)技术方案
本发明提供了一种UV光固化3D快速成型系统，包括：
打印固化装置，包括UV灯固化单元及UV胶粘结单元，所述UV灯固化单元包括UV灯管阵列，所述UV胶粘结单元包括喷嘴；
打印仓，具有供打印粉末粘结并固化成型的工作台，该打印仓位于UV灯管阵列及喷嘴下方，且该打印仓上端具有与UV灯管阵列和喷嘴对应的敞口；
供粉装置，储存并输送打印粉末至打印仓，包括：
供粉仓，对称设置在打印仓两侧，用于储存打印粉末，该供粉仓为上端具有敞口的仓体，且具有承载打印粉末的底板；
铺粉辊，横设在供粉仓敞口上方，输送供粉仓上方的打印粉末到打印仓内，其运动行程覆盖供粉仓及打印仓上方；
其中，所述供粉仓和打印仓的上端敞口位于同一水平面上。
在本发明的一些实施例中，所述工作台由升降装置间歇驱动，且其上端面为供打印粉末粘结并固化成型的平面。
在本发明的一些实施例中，所述底板由升降装置间歇驱动，且底板上升时带动供粉仓内打印粉末高出供粉仓上端敞口。
在本发明的一些实施例中，所述铺粉辊具有第一端部和第二端部，其中第一端部固定，输送打印粉末时，该铺粉辊绕第一端部做平面转动。
在本发明的一些实施例中，在输送打印粉末时，所述第二端部绕第一端部做平面转动，且第二端部与滑轨配合。
在本发明的一些实施例中，所述滑轨横跨两侧供粉仓及打印仓。
在本发明的一些实施例中，所述滑轨呈弧形，具有朝向铺粉辊第二端部的滑槽。
在本发明的一些实施例中，所述铺粉辊第一端部由步进电机驱动。
本发明还提供了一种上述UV光固化3D快速成型系统的打印方法，包括如下步骤：
(1)将打印粉末存储在两侧的供粉仓内，打印仓内的工作台上端面与打印仓上端敞口齐平；
(2)打印仓工作台在升降装置的作用下下降一个粉层的厚度；一侧供粉仓升降装置驱动底板向上升起一定距离，从而该供粉仓内的打印粉末高出供粉仓上端敞口；铺粉辊动作，将高出供粉仓的打印粉末推压至打印仓内，并在打印仓工作台上形成一个薄且平的粉层；同时，铺粉辊运动至另一侧供粉仓上；
(3)在已铺平的粉层上喷洒粘合剂，初步固化粉层；
(4)UV胶粘结单元依据程序将UV胶输送至喷嘴中，在初步固化的粉层上选择性喷射UV胶，紧接着UV灯管阵列对喷射区域进行照射；
(5)一层喷胶固化完成后，打印仓下降一个粉层的厚度，铺粉辊所在一侧的供粉仓上升一定高度，铺粉辊将高出供粉仓的打印粉末在打印仓内铺平，铺粉辊又运动至另一侧供粉仓上；
(6)重复步骤(3)、(4)；
(7)循环重复步骤(2)～(6)，直至打印结束。
在本发明的一些实施例中，所述步骤(3)中，粘合剂喷洒量为0.1～0.2mg/cm2。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本系统将UV光固化技术应用于三维印刷，解决了三维印刷成型制件强度不高，需要二次固化后处理，如再次用胶水浸泡的问题，减少了投入成本，缩短了生产周期，提高了生产效率；本系统可用于概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用；打印仓两侧具有供粉仓，铺粉辊可在任一侧开始铺粉作业，避免铺粉辊在但返回的途中破坏已推平的粉层影响打印效果；且提高了生产效率；
(2)该快速成型系统包括三个料仓及升降装置，料仓可以存放粉料，如金属粉末、石膏粉末、塑料粉末、木粉、陶瓷粉末等，已固化制件也存放于中间的打印仓中，升降装置可以推动仓内的打印粉末做规律的运动，便于后续一系列的运动；
(3)底板在升降装置的驱动下向上运动，供粉仓内的粉末高出其上端敞口，高出的该部分粉末被填入打印仓内，形成一层粉层；其中，部分粉末在UV胶的作用下粘结在一起，其余部分作为填充和对粘结部分的支撑而存在；
(4)铺粉辊绕一端转动，其另一端在滑轨内移动，从而该铺粉辊做标准的平面运动，铺粉辊受力好，不易变形，能够很好的将供粉仓上的粉末推入打印仓并铺平；
(5)铺粉辊的驱动装置仅需设置在铺粉辊的一端，不会对铺粉造成干扰；
(7)该系统的操作方便，铺粉效率高；将粉层在UV固化之前就初步固化，比松散的粉末支撑力度好，对后续的已固化制件支撑效果更好，有利于成型。
附图说明
图1为本发明实施例的主视图。
图2为本发明实施例的俯视图。
【本发明主要元件符号说明】
11、UV灯电源； 12、UV灯管阵列； 21、UV胶供给容器；
22、喷嘴； 30、铺粉辊； 31、第一端部；
32、第二端部； 33、步进电机； 34、滑槽；
35、滑轨； 40、打印粉末； 50、供粉仓；
51、底板； 60、打印仓； 61、工作台；
70、已固化制件； 80、升降装置。
具体实施方式
本发明提供了一种UV光固化3D快速成型系统及其打印方法。本系统将UV光固化技术应用于三维印刷，解决了三维印刷成型制件强度不高，需要二次固化后处理，如再次用胶水浸泡的问题，减少了投入成本，缩短了生产周期，提高了生产效率；且铺粉效率高，效果好。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种UV光固化3D快速成型系统。图1为本发明实施例的主视图。如图1所示，本发明包括打印固化装置、打印仓60及供粉装置，供粉装置包括对称设置在打印仓60两侧供粉仓50及铺粉辊30。
工作时，三个料仓均由升降装置80驱动做间歇运动，三个料仓用于存放打印粉末40，如金属粉末、石膏粉末、塑料粉末、木粉、陶瓷粉末等，已固化制件70存放于中间的打印仓60中。铺粉辊30在三个料仓之间来回运动。
以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细描述。
打印固化装置，包括UV灯固化单元及UV胶粘结单元，UV灯固化单元包括UV灯管阵列12，UV胶粘结单元包括喷嘴22；由于打印和固化过程中会产生热量，该打印固化装置还包括一散热装置。
打印仓60，具有供打印粉末40粘结并固化成型的工作台61，该打印仓60位于UV灯管阵列12及喷嘴22下方，且该打印仓60上端具有与UV灯管阵列12和喷嘴22对应的敞口；工作台61由升降装80置间歇驱动，且其上端面为供打印粉末40粘结并固化成型的平面。
供粉装置，储存并输送打印粉末40至打印仓60，包括：
供粉仓50，对称设置在打印仓60两侧，用于储存打印粉末40，该供粉仓50为上端具有敞口的仓体，且具有承载打印粉末40的底板51；底板51由升降装置60间歇驱动，且底板51在上升时带动供粉仓50内打印粉末40高出供粉仓上端敞口。
铺粉辊30，横设在供粉仓50敞口上方，输送高出供粉仓50上方的打印粉末40到打印仓60内，其运动行程覆盖供粉仓50及打印仓60上方；
其中，供粉仓50和打印仓60的上端敞口位于同一水平面上，便于铺粉辊30动作。
此外，如图2所示，铺粉辊30具有第一端部31和第二端部32，其中第一端部31固定，输送打印粉末40时，该铺粉辊30绕第一端部31做平面转动，其行程覆盖两侧供粉仓50和中间打印仓60。第二端部32绕第一端部31做平面转动，且铺粉辊30的第二端部32与滑轨35配合，该滑轨35的形状为与第二端部32运动轨迹相符的弧形，该滑轨35横跨两侧供粉仓50及打印仓60，且具有朝向铺粉辊30第二端部的滑槽34，第二端部32插入该滑槽34，并可在滑槽34内运动。铺粉辊30第一端部31由步进电机33驱动，控制转向和转动角度。
同时，本发明提供了一种UV光固化3D快速成型系统的打印方法。其步骤如下：
(1)首先，打印粉末40存储在两侧的供粉仓50内，打印仓60内的工作台61上端面与打印仓60上端敞口齐平；
(2)打印仓60工作台61在升降装置80的作用下下降一个粉层的厚度；一侧供粉仓50升降装置80驱动底板51向上升起一定距离，从而该供粉仓50内的打印粉末40高出供粉仓50上端敞口；铺粉辊30动作，将高出供粉仓50的打印粉末40推压至打印仓60内，并在打印仓60工作台61上形成一个薄且平的粉层；同时，铺粉辊30运动至另一侧供粉仓50上；
(3)在已铺平的粉层上喷洒粘合剂，初步固化粉层，形成支撑能力较好的粉层；粘合剂喷洒量为0.1～0.2mg/cm2；
(4)UV胶粘结单元依据程序将UV胶输送至喷嘴22中，依据切片的二维CAD路径在初步固化的粉层上选择性喷射UV胶，紧接着UV灯管阵列12对喷射区域进行照射，被UV光照射到的UV胶连同粉末颗粒瞬间固化，生成具有一定厚度的实体薄片，未扫描的区域保持初步固化的粉层状态，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，由于粉层是初步固化的，比较容易去除。散热装置有效延长UV灯使用寿命。
(5)一层喷胶固化完成后，打印仓60下降一个粉层的厚度，铺粉辊30所在一侧的供粉仓50上升一定高度，铺粉辊30将高出供粉仓50的打印粉末40在打印仓60内铺平，铺粉辊30又运动至另一侧供粉仓50上；
(6)重复步骤(3)、(4)；
(7)重复循环步骤(2)～(6)，直至打印结束。
结合本系统及其使用方法，成功地将UV光固化技术应用于三维印刷，解决了三维印刷成型制件强度不高，需要二次固化后处理，如再次用胶水浸泡的问题，减少了投入成本，缩短了生产周期，提高了生产效率，将粉层在UV固化之前就初步固化，比松散的粉末支撑力度好，对后续的已固化制件支撑效果更好，有利于成型；本系统可用于概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用；打印仓60两侧具有供粉仓50，铺粉辊30可在任一侧开始铺粉作业，避免铺粉辊30在但返回的途中破坏已推平的粉层影响打印效果；且提高了生产效率。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，包括：
打印固化装置，包括UV灯固化单元及UV胶粘结单元，所述UV灯固化单元包括UV灯管阵列，所述UV胶粘结单元包括喷嘴；
打印仓，具有供打印粉末粘结并固化成型的工作台，该打印仓位于UV灯管阵列及喷嘴下方，且该打印仓上端具有与UV灯管阵列和喷嘴对应的敞口；
供粉装置，储存并输送打印粉末至打印仓，包括：
供粉仓，对称设置在打印仓两侧，用于储存打印粉末，该供粉仓为上端具有敞口的仓体，且具有承载打印粉末的底板；
铺粉辊，横设在供粉仓敞口上方，输送供粉仓上方的打印粉末到打印仓内，其运动行程覆盖供粉仓及打印仓上方；
其中，所述供粉仓和打印仓的上端敞口位于同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述工作台由升降装置间歇驱动，且其上端面为供打印粉末粘结并固化成型的平面。
3.根据权利要求1所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述底板由升降装置间歇驱动，且底板上升时带动供粉仓内打印粉末高出供粉仓上端敞口。
4.根据权利要求1所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述铺粉辊具有第一端部和第二端部，其中第一端部固定，输送打印粉末时，该铺粉辊绕第一端部做平面转动。
5.根据权利要求4所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，在输送打印粉末时，所述第二端部绕第一端部做平面转动，且第二端部与滑轨配合。
6.根据权利要求5所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述滑轨横跨两侧供粉仓及打印仓。
7.根据权利要求6所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述滑轨呈弧形，具有朝向铺粉辊第二端部的滑槽。
8.根据权利要求4所述的一种UV光固化3D快速成型系统，其特征在于，所述铺粉辊第一端部由步进电机驱动。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的UV光固化3D快速成型系统的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将打印粉末存储在两侧的供粉仓内，打印仓内的工作台上端面与打印仓上端敞口齐平；
(2)打印仓工作台在升降装置的作用下下降一个粉层的厚度；一侧供粉仓升降装置驱动底板向上升起一定距离，从而该供粉仓内的打印粉末高出供粉仓上端敞口；铺粉辊动作，将高出供粉仓的打印粉末推压至打印仓内，并在打印仓工作台上形成一个薄且平的粉层；同时，铺粉辊运动至另一侧供粉仓上；
(3)在已铺平的粉层上喷洒粘合剂，初步固化粉层；
(4)UV胶粘结单元依据程序将UV胶输送至喷嘴中，在初步固化的粉层上选择性喷射UV胶，紧接着UV灯管阵列对喷射区域进行照射；
(5)一层喷胶固化完成后，打印仓下降一个粉层的厚度，铺粉辊所在一侧的供粉仓上升一定高度，铺粉辊将高出供粉仓的打印粉末在打印仓内铺平，铺粉辊又运动至另一侧供粉仓上；
(6)重复步骤(3)、(4)；
(7)循环重复步骤(2)～(6)，直至打印结束。
10.根据权利要求10所述的一种UV光固化3D快速成型系统的打印方法，其特征在于，所述步骤(3)中，粘合剂喷洒量为0.1～0.2mg/cm2。
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