CN107614244B - 3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印机，根据本发明的一个方面，所提供的3D打印机包括：用于储存包含磁体的墨的墨罐；连接至墨罐并适用于喷射墨的喷射喷嘴；所喷射的墨沉积在基底上；加热单元，其被设置成通过感应加热对涂覆在基底上的墨进行加热并且基于喷射喷嘴的输送方向被设置在位于喷射喷嘴的后方；用于输送喷射喷嘴和加热单元的输送单元；以及用于控制加热单元和输送单元的控制单元。

Description

3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印机。
本申请要求基于2015年5月7日提交的韩国专利申请第10-2015-0063861号和2016年5月9日提交的韩国专利申请第10-2016-0056080号的优先权的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。
背景技术
3D打印机是一种三维地输出物体的打印机，并且具有取决于墨的材质的多种打印方法。
作为3D打印方法，例如，已经使用了用热塑性聚合物纤维作为墨通过加热的打印头熔融并挤出墨的方法，或者用可光固化树脂作为墨通过激光使墨光固化的方法。然而，当使用热塑性聚合物纤维作为墨时，存在分辨率低的缺点，而当使用可光固化树脂作为墨时，分辨率高，但是由于必须使用光学设备，所以存在设备体积变大的缺点。
此外，存在的问题是由于根据各打印方法生产3D墨，所以几乎没有互换性(interchangeability)。
发明内容
技术问题
本发明将要解决的目的是提供能够通过感应加热引起墨的热固化或热熔融的3D打印机。
另外，本发明将要解决的另一个目的是提供这样的3D打印机：包括设置在喷射喷嘴的后方的一个或更多个线圈结构并且设置成能够在其上施用墨的区域中形成集中的交变电磁场。
另外，本发明将要解决的另一个目的是提供这样的3D打印机：能够调整喷射喷嘴与基底之间的间隔和加热单元与基底之间的间隔中的至少一者，并且连续进行3D打印。
技术解决方案
为了解决上述目的，根据本发明的一个方面，提供了3D打印机，包括：用于储存包含磁体的墨的墨罐；连接至墨罐并用于喷射墨的喷射喷嘴；所喷射的墨沉积在基底上；加热单元，其被设置成通过感应加热对涂覆在基底上的墨进行加热并且基于喷射喷嘴的输送方向设置在喷射喷嘴的后面；用于输送喷射喷嘴和加热单元的输送单元(carriage unit)；以及用于控制加热单元和输送单元的控制单元。
此外，加热单元可以被设置成将外部交变电磁场施加至沉积在基底上的墨。
而且，加热单元可以被设置成在沉积在基底上的墨上形成集中的交变电磁场。
另外，加热单元可包括一个或更多个线圈结构。
另外，线圈结构可具有圆柱形状(螺线管)、螺旋形状或扁平形状(pancakeshape)。
另外，线圈结构可具有圆形线圈形状或矩形线圈形状。
另外，加热单元可以包括基于喷射喷嘴分别设置在后方的两侧上的两个线圈结构。此时，加热单元可以被设置成将外部交变电磁场施加至放置在两个线圈结构之间的空间中的墨。
另外，加热单元可以被设置成位于与喷射喷嘴相同的高度，加热单元可以被设置成位于与喷射喷嘴不同的高度。例如，加热单元可以被设置成位于喷射喷嘴下方约1mm处。
另外，加热单元可以被设置成使得喷射喷嘴中的喷嘴头的中心线位于两个线圈结构之间。特别地，加热单元可以被设置成使得两个线圈结构沿着喷射喷嘴中的喷嘴头的中心线对称布置。
另外，喷射喷嘴的喷嘴头的直径可为100μm或更小，并且优选为10μm至50μm。
另外，两个线圈结构可以设置成亥姆霍兹型、双锥型或双扁平型。
另外，输送单元可以被设置成将加热单元和喷射喷嘴作为整体进行输送。
另外，输送单元可以被设置成将加热单元和喷射喷嘴独立地输送。
另外，输送单元可以被设置成以彼此不同的速度输送加热单元和喷射喷嘴。
另外，输送单元可以被设置成调整加热单元相对于基底的相对位置。
另外，加热单元和基底中的至少一者可以被设置成可上下移动。例如，加热单元可以被设置成相对于基底可上下移动。
另外，输送单元可以被设置成调整基底与喷射喷嘴之间的间隔。例如，喷射喷嘴可以被设置成相对于基底可上下移动。
另外，控制单元可以被设置成在施用墨的同时操作加热单元。或者，控制单元可以被设置成在从施用墨起经过预定时间之后操作加热单元。
另外，磁体可以包含具有磁性的金属颗粒、金属氧化物或合金颗粒。
另外，墨可以包含包括热固性基团的单分子、低聚物或聚合物。例如，墨可以包含热固性聚合物。
另外，墨可以包含陶瓷颗粒，其中陶瓷颗粒可包含选自硅(Si)、铝(Al)、钛(Ti)和锆(Zr)中的一种或更多种氧化物、氮化物或碳化物。
有利效果
如上所述，与本发明的至少一个实施方案相关的3D打印机具有以下效果。
3D打印机能够通过感应加热产生墨(或墨组合物)的热固化或热熔融并且被设置成能够在其上施用墨的区域中形成集中的交变电磁场。
此外，3D打印机被设置成使得喷射喷嘴与基底之间的间隔和加热单元与基底之间的间隔中的至少一者是可调整的，并且能够连续3D打印。
附图说明
图1是示出与本发明的一个实施方案相关的3D打印机的配置图。
图2至图5是示出与本发明相关的加热单元的多种实施方案的概念图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细地描述根据本发明的一个实施方案的3D打印机。
此外，相同或相似的附图标记表示相同或相应的组件，而不管附图标记如何，其中将省略冗余的说明，并且为了便于说明，所示的每个构成部件的尺寸和形状可能被夸大或缩小。
图1是示出与本发明的一个实施方案相关的3D打印机的配置图，图2至图5是示出与本发明相关的加热单元的多种实施方案的概念图。
墨可以是指可以通过感应加热进行热熔融或热固化的墨组合物，并且术语如墨或墨组合物可以以相同的意义一起使用。
参照图1，与本发明的一个实施方案相关的3D打印机(1)包括：其中储存包含磁体的墨(I)的墨罐(10)，和连接至墨罐(10)并且用于喷射墨的喷射喷嘴(40)。3D打印机(1)还包括其上沉积所喷射的墨的基底(20)和加热单元(50)，所述加热单元被设置成通过感应加热对涂覆在基底(20)上的墨进行加热并且基于喷射喷嘴(40)的输送方向设置在喷射喷嘴(40)的后面。3D打印机(1)还包括用于输送喷射喷嘴(40)和加热单元(50)的输送单元(60)。3D打印机(1)还包括用于控制加热单元(50)和输送单元(50)的控制单元(70)。
此外，加热单元(50)被设置成将外部交变电磁场施加至沉积在基底(20)上的墨组合物(C)。具体地，可以在由电磁场产生感应加热的同时对墨组合物(C)进行加热。
在此，如下所述，在墨组合物(C)中，根据组合物，可以对热固性树脂进行固化或者对金属颗粒进行热熔融，由此进行三维打印。参照图1，为了便于说明，从喷射喷嘴(40)喷射的墨由字母I表示，而通过加热单元(50)加热的墨由字母C表示。
另外，外部交变电磁场可具有100kHz至1GHz的频率和5A至500A的电流。当在上述范围内施加频率和电流时，墨组合物可以在约10秒至1小时内完全固化。
参照图1，加热单元(50)可以被设置成在沉积在基底(20)上的墨组合物(C)上形成集中的交变电磁场。此外，加热单元(50)可包括一种或更多种线圈结构。在此，线圈结构可具有多种结构，例如圆形、多边形和螺旋形。此外，线圈结构可用于表面加热、内表面加热、平板加热等。另外，可以各种不同地确定线圈结构的形状和数量以及线圈结构之间的布置。例如，线圈结构可具有圆柱形状、螺旋形状或扁平形状。另外，线圈结构可具有圆形线圈形状或矩形线圈形状。
此外，加热单元(50)可以邻近喷射喷嘴(40)设置。加热单元(50)还被设置成基于喷射喷嘴(40)的输送方向设置在喷射喷嘴(40)的后面。具体地，当加热单元(50)被设置在喷射喷嘴(40)的输送方向的后部时，可以同时或者依次地进行通过喷射喷嘴(40)喷射墨和通过加热单元(50)加热墨。
在上述布置中，输送单元(60)可以被设置成将加热单元(50)和喷射喷嘴(40)作为整体进行输送。此时，可以以相同的速度输送加热单元(50)和喷射喷嘴(40)。或者，输送单元(60)可以被设置成将加热单元(50)和喷射喷嘴(40)独立地输送。此时，加热单元(50)和喷射喷嘴(40)可以被设置成以彼此不同的速度输送。输送单元可以包括驱动源，例如马达，并且可以由在打印机技术领域中用于输送墨喷嘴的已知元件构成。
同时，输送单元(60)可以被设置成调整基底(20)与加热单元(50)之间的间隔。例如，加热单元(50)可以被设置成相对于基底(20)可上下移动。或者，基底(20)可以被设置成相对于加热单元(50)可上下移动。即，输送单元(60)可以被设置成调整加热单元(50)相对于基底(20)的相对位置，加热单元(50)和基底(20)中的至少一者可以被设置成可上下移动。此外，输送单元(60)可以被设置成调整基底(20)与喷射喷嘴(40)之间的间隔。
而且，控制单元(70)可以被设置成在施用墨(I)的同时操作加热单元(50)。或者，控制单元(70)可以被设置成在从施用墨起经过预定时间之后操作加热单元(50)。
参照图2，加热单元(150)可以包括基于喷射喷嘴(40)分别设置在后方的两侧上的两个线圈结构(151，152)。此外，加热单元(150)可以被设置成将外部交变电磁场施加至放置在两个线圈结构(151，152)之间的空间中的墨。加热单元(150)还可以被设置成使得喷射喷嘴(40)中的喷嘴头的中心线(L)位于两个线圈结构(151，152)之间。例如，两个线圈结构(151，152)可以设置成亥姆霍兹型(见图3)、双扁平型(见图4)或双锥型(见图5)。
下文中，将具体地描述由此所述的墨(墨组合物)。
磁体可包含具有铁磁性的金属颗粒、金属氧化物、铁氧体或合金颗粒。
此外，磁体可包含磁性纳米颗粒。
例如，墨组合物(I)可包含热固性聚合物和磁性纳米颗粒。通过将外部交变电磁场施加至墨组合物(I)，在磁性纳米颗粒中形成磁场，由此可以通过所产生的热使热固性聚合物固化。因此，墨组合物(I)可以仅通过施加外部交变电磁场固化，而不通过直接热固化。
此外，热固性聚合物中的单体或低聚物的种类没有特别限制，但是可以使用选自以下的一种或更多种：环氧树脂的单体、酚树脂的单体、氨基树脂的单体、不饱和聚酯树脂的单体、丙烯酸树脂的单体、马来酰亚胺树脂的单体以及氰酸酯树脂的单体，并且优选地可以使用选自以下的一种或更多种：环氧树脂的单体、丙烯酸树脂的单体和马来酰亚胺树脂的单体。
相对于墨组合物的总重量，还可以以80重量份至99重量份的量包含热固性聚合物的单体或低聚物。
另一方面，磁性纳米颗粒的直径为1nm至999nm，优选地直径为30nm至300nm，更优选地直径为50nm至100nm，并且仍然更优选地直径为50nm至60nm。在此，如果磁性纳米颗粒的直径超过纳米尺寸，则墨组合物可能无法确保分散性。此外，磁性纳米颗粒可以是选自Fe3O4、Fe2O3、MnFe2O4、CoFe2O4、Fe、CoPt和FePt中的一种或更多种。
此外，相对于总重量，墨组合物(I)可包含80重量份至99重量份的热固性聚合物和1重量份至20重量份的磁性纳米颗粒。如果磁性纳米颗粒的含量小于1重量份，则固化墨组合物的时间变得更长，如果磁性纳米颗粒的含量超过20重量份，则经固化的树脂的颜色会由于带黑色的磁性纳米颗粒而变得更暗。另外，当可能发生磁性纳米颗粒的聚集现象时，也可能引起经固化的树脂中的空隙，由此也可能导致开裂。
此外，墨组合物还可包含选自固化剂和交联剂的一种或更多种。固化剂的类型没有特别限制，但是例如，可以使用选自以下的一种或更多种：有机过氧化物、氢过氧化物、偶氮化合物、咪唑类、脂肪胺、芳香胺、叔胺、聚酰胺树脂、酚树脂和酸酐。相对于墨组合物的总重量，固化剂可以以1重量份至10重量份，并且优选地1重量份至5重量份的量包含在内。如果固化剂的含量小于1重量份，则可能花费长时间来完全固化墨组合物，如果其多于10重量份，则会产生大量的具有短链长度的聚合物，从而降低经固化的树脂的热稳定性。
另外，交联剂的种类没有特别限制，但是例如，可以使用选自以下的一种或更多种：苯酚酚醛清漆树脂、苯酚烷基树脂、烯丙基化的苯酚酚醛清漆树脂和微胶囊型交联剂。通过进一步使用交联剂，可以增加墨组合物的硬度和热稳定性。相对于墨组合物的总重量，交联剂可以以1重量份至10重量份的量包含在内，其中如果交联剂的含量小于1重量份，则交联进行的不充分，因此聚合物可以在高温下熔化和流动，并且可能发生溶剂引起的膨胀，如果其多于10重量份，则交联过大，因此经固化的树脂可能处于易碎状态。
同时，连接至墨罐(10)的喷射喷嘴(40)和用于将外部交变电磁场施加至墨组合物以形成热固化的加热单元(50)可以构成打印机头(30)。此时，上述输送单元(60)调整打印机头(30)相对于基底(20)的相对位置。
此外，控制单元(70)被设置成控制输送单元(60)和打印机头(30)。另外，控制单元(70)可以同时控制形成墨组合物(I)的喷射和外部交变电磁场的产生。
输送单元(60)可以被配置成用于从打印机输送喷嘴头的常规输送单元。例如，输送单元(60)可包括根据喷射轨迹的轨道部分和用于在轨道部分上移动打印机头(30)的一个或更多个马达。此外，输送单元(60)可包括用于升高和降低打印机头(30)和/或基底(20)的一个或更多个马达(例如，步进马达)。
此外，与本发明相关的墨组合物可包含微尺寸的金属颗粒和添加剂(例如，有机组分)。在这种情况下，通过感应加热对金属颗粒进行热熔融，使得可以进行3D打印。总而言之，墨组合物还可包含热固性树脂和磁性纳米颗粒(热固性树脂墨)，或者还可包含金属颗粒和添加剂(金属墨)。在热固性树脂墨的情况中，基于墨组合物的总重量，热固性聚合物作为主要组分被包含在内，磁性纳米颗粒作为辅助组分被包含在内，而在金属墨的情况中，微尺寸的金属颗粒作为主要组分被包含在内。特别地，在金属墨的情况中，可以通过经由感应加热使金属颗粒热熔融的方法除去添加剂组分。
此外，磁性颗粒可包含金属氧化物、铁氧体或合金颗粒。金属氧化物还可包含选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、钇(Y)、钐(Sm)和钆(Gd)的一种或更多种氧化物。另外，铁氧体包含MO·Fe2O3，其中M可以是二价金属离子。此外，二价金属离子可包含锰、铁、钴、镍或锌。另外，合金颗粒可包含FePt、CoPt、Ni-Zn或Mn-Zn。
另外，墨可以包含陶瓷颗粒。具体地，陶瓷可包含选自硅(Si)、铝(Al)、钛(Ti)和锆(Zr)的一种或更多种氧化物、氮化物或碳化物。此外，墨可以包含具有核-壳结构的无机颗粒和陶瓷颗粒。此时，壳可以包含陶瓷。另外，核可以包含磁体或金属粉末，并且核可包含选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、钇(Y)、钐(Sm)和钆(Gd)的一种或更多种氧化物。
此外，组合物可以包含陶瓷溶胶溶剂。因此，组合物可以是陶瓷溶胶溶液。在这种情况下，可以通过从均匀分散在组合物中的磁体或金属粉末中产生热来进行均匀的热固化，并且通过伴随陶瓷颗粒的固化以及陶瓷溶胶的固化，可以提高最终经固化的产物的强度。固化可以通过陶瓷材料之间的烧结进行，但不限于此，并且组合物的固化可以与上述可固化的树脂一起进行。
出于说明的目的公开如上所述的本发明的优选实施方案，其可以由本领域技术人员在本发明的思想和范围内修改、改变和添加并且将认为这样的修改、改变和添加落入所附权利要求的范围内。
工业实用性
与本发明相关的3D打印机能够通过感应加热产生墨(墨组合物)的热固化或热熔融，并且被设置成能够在其上施用墨的区域中形成集中的交变电磁场。

Claims (15)

1.一种3D打印机，包括：
用于储存包含磁体的墨的墨罐；
连接至所述墨罐并用于喷射所述墨的喷射喷嘴；
所喷射的墨沉积在基底上；
加热单元，其被设置成通过感应加热对涂覆在所述基底上的所述墨进行加热并且基于所述喷射喷嘴的输送方向被设置在所述喷射喷嘴的后面；
用于输送所述喷射喷嘴和所述加热单元的输送单元；以及
用于控制所述加热单元和所述输送单元的控制单元，
其中所述加热单元包括基于所述喷射喷嘴分别设置在后方的两侧上的两个线圈结构，以及
所述加热单元被设置成将外部交变电磁场施加至放置在所述两个线圈结构之间的空间中的所述墨，
其中所述加热单元被设置成使得所述喷射喷嘴中的喷嘴头的中心线位于所述两个线圈结构之间。
2.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述线圈结构具有圆柱形状、螺旋形状或扁平形状。
3.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述线圈结构具有圆形线圈形状或矩形线圈形状。
4.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述两个线圈结构设置成亥姆霍兹型、双锥型或双扁平型。
5.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述输送单元被设置成将所述加热单元和所述喷射喷嘴作为整体进行输送。
6.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述输送单元被设置成将所述加热单元和所述喷射喷嘴独立地输送。
7.根据权利要求6所述的3D打印机，
其中所述输送单元被设置成以彼此不同的速度输送所述加热单元和所述喷射喷嘴。
8.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述输送单元被设置成调整所述加热单元相对于所述基底的相对位置。
9.根据权利要求8所述的3D打印机，
其中所述加热单元和所述基底中的至少一者被设置成能够上下移动。
10.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述输送单元被设置成调整所述基底与所述喷射喷嘴之间的间隔。
11.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述控制单元被设置成在施用所述墨的同时操作所述加热单元。
12.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述控制单元被设置成在从施用所述墨起经过预定时间之后操作所述加热单元。
13.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述磁体包含具有磁性的金属颗粒、金属氧化物或合金颗粒。
14.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述墨包括包含热固性基团的单分子、低聚物或聚合物。
15.根据权利要求1所述的3D打印机，
其中所述墨包含陶瓷颗粒，以及
所述陶瓷颗粒包含选自硅、铝、钛和锆的一种或更多种的氧化物、氮化物或碳化物。
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