CN107627601A - 一种用于上置式光源3d打印机的密封增压式浆料池装置 - Google Patents

Abstract

本发明的用于上置式光源3D打印机的密封增压式浆料池装置，包括：内部容纳有用于光固化的液态浆料的主浆料池、安装于所述装置上方的光源机构、安装于所述主浆料池顶部的透明密封机构、安装于所述主浆料池内部的升降机构、安装于所述升降机构上的样品台、以及与所述主浆料池连接的增压填料机构。根据本发明，能够保证浆料池浆料的高度控制且减少光固化后浆料表层的涂覆步骤，缩短打印时间，克服传统刮刀式铺料结构带来的液面波动、涂覆不均匀的缺点，降低浆料流动性对填充浆料过程的影响，提高工作效率和打印的层厚精度。

Description

一种用于上置式光源3D打印机的密封增压式浆料池装置

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体涉及3D快速成型技术领域的光固化快速成型工艺过程，尤其涉及一种用于上置式光源3D打印机的密封增压式浆料池装置。

背景技术

3D打印技术是一种与传统材料加工方法截然相反的增材制造技术，以三维数字模型设计为基础，经过软件分层离散和数控成型系统，将陶瓷粉末、树脂、金属粉末等材料进行分层加工、堆积粘结，最后叠加成型，制造出三维实体。3D打印技术相对于传统制造方法来说更加节省原材料，进行复杂结构的快速制造，缩短研发周期，更加适合个性化产品的生产，目前已经广泛应用于生物医学、组织工程、汽车部件、航空航天、微纳器件等领域。

目前，聚合物聚合交联反应的数字光处理（Digital Light Processing；DLP）和立体光固化（Stereo Lithography Apparatus；SLA）两种技术应用较为广泛，基于此，适合制作结构复杂、精度要求高的零件。其中DLP是以在紫外光下固化的液态光敏树脂为原料通过面光源的投影实现单层的固化。SLA是通过紫外激光束，按照设计好的样品截面，通过透镜聚焦到液态光敏树脂上，由点及线、由线及面逐点固化的方式实现单层固化。

然而，含光敏树脂的液态浆料通常保存在避光恒温的状态下。由于其中含有光引发剂，当在一定波长的光照下会引发体系进行聚合。传统的上置式光固化成型设备的浆料池均采用的敞口容器来盛放液态浆料，样品台在含光敏树脂的浆料固化后沿垂直方向下移一个截面层的距离，等待液态浆料自然流平或用铺料刮平装置在已固化样品表面涂覆一层未固化的液态浆料。

前者（即、自然流平）由于树脂存在粘滞的特性需要较长的流平时间，且经过流平后表层浆料的层厚均匀度很差，在固化后会产生翘曲现象。同时，层间厚度也存在较大的差别，样品在固化后存在很大的层间内应力。后者（即、用铺料刮平）通常采用的液面刮平装置为片式刮刀和带有负压吸附空腔的刮刀。受液态浆料粘滞性的影响，片式刮刀在刮平前后会产生液态浆料的回流，液态浆料的固化层厚均匀度也较差。带有负压吸附空腔的刮刀是在前后刮刀间设置空腔结构，利用负压原理和毛细现象在空腔内储存一定的液态浆料，在刮刀水平运动过程中刮刀把凹下去的地方填平或把凸出来的地方刮平。但由于刮刀与液态浆料之间存在间隙，很容易造成失去负压而失稳，影响样品的成型质量。

现有技术：

专利文献：

专利文献1：中国专利公开CN106863781A；

专利文献1：中国专利公开CN201070835A；

专利文献1：中国专利公开CN1900871A。

发明内容

鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可控制光源遮蔽的、可密封加压控制的用于上置式3D打印机的密封增压式浆料池装置。

为了解决上述技术问题，本发明的密封增压式浆料池装置，包括：内部容纳有用于光固化的液态浆料的主浆料池、安装于所述装置上方的光源机构、安装于所述主浆料池顶部的透明密封机构、安装于所述主浆料池内部的升降机构、安装于所述升降机构上的样品台、以及与所述主浆料池连接的增压填料机构。

根据本发明，能够保证浆料池浆料的高度控制且减少光固化后浆料表层的涂覆步骤，缩短打印时间，克服传统刮刀式铺料结构带来的液面波动、涂覆不均匀的缺点，降低浆料流动性对填充浆料过程的影响，提高工作效率和打印的层厚精度。

又，在本发明中，也可以是，还具备安装于所述透明密封机构上部的光线遮蔽机构。

本发明进一步结合了光线遮蔽控制的设计，同时可实现液态浆料在非打印状态下的避光存储，为液态浆料的可控光固化和保存提供了一种方法。

又，在本发明中，也可以是，所述主浆料池由不锈钢、纯金属、亚克力板中一种或几种材料结合制成。

又，在本发明中，也可以是，所述光源机构采用DMD数字掩膜技术或激光光束通过扫描器调节光路两种中的一种。

又，在本发明中，也可以是，所述透明密封机构包括：形成于所述主浆料池的内壁开口附近的密封凹槽、嵌入所述密封凹槽的透明密封板、贴敷于所述透明密封板上与所述液态浆料有接触可能的一侧的防粘层8、以及固定于所述主浆料池的密封件；所述透明密封板和所述密封凹槽上均设有开孔；所述透明密封板上还设有可开闭的液流口，并通过阀口进行密封。

又，在本发明中，也可以是，所述光线遮蔽机构包括：安装在所述主浆料池的顶部最外侧的折叠帘、将所述折叠帘可拆卸地固定于主浆料池的连动杆、滑轨、以及驱动所述折叠帘在所述滑轨上移动传动电机。

又，在本发明中，也可以是，所述升降机构包括：安装并固定在所述主浆料池内部的一侧的支撑架、安装在所述支撑架底部的升降电机、可转动地安装于所述支撑架且一端与所述升降电机连接的升降螺杆、以及组合安装于所述升降螺杆上的支撑杆和升降螺母；所述样品台通过所述支撑杆和所述升降螺母，与所述升降螺杆相连接，并借助所述升降螺杆的转动实现升降。

又，在本发明中，也可以是，所述增压填料机构包括：副浆料池，位于所述主浆料池与副浆料池之间的增压泵、设置于所述主浆料池底部的连通管路中的活塞、以及连接所述副浆料池与所述增压泵的软胶管；所述连通管路连通所述主浆料池与所述增压泵，并设有微阀门。

又，在本发明中，也可以是，所述增压填料机构还包括设置于所述主浆料池底部的连通管路中的活塞。

又，在本发明中，也可以是，所述透明密封板为亚克力板，或者，所述防粘层为高透光率硅胶或离型膜中的一种，或者，所述液态浆料为光敏树脂或混有光敏树脂的陶瓷浆料。

根据本发明，密封增压式浆料池装置通过密封增压机构，去掉了传统刮刀铺浆机构在固化层上反复地刮平涂覆未固化浆料的步骤，从而实现了连续的下降运动和光固化过程，增强系统对液态浆料流动性的适应能力，同时，通过光源遮蔽机构可保证液态浆料在非打印状态下避光存储，从而实现缩减步骤，简化工艺，节约时间，降低成本，提高产品质量等有益效果。

进一步地，根据本发明，该密封增压式浆料池装置有效解决了打印截面层厚度不均匀的状况，加快了打印截面层的液态浆料的填充速度，提高了光固化设备对液态浆料的流动性的适应，显著加快了打印速度，节约了时间成本。

进一步地，根据本发明，由于该液态浆料的补充方式能够很好的保证打印截面层的厚度均一性，具有较高的打印精度，降低了光固化后的层间应力。

进一步地，根据本发明，本发明通过光线遮蔽机构，能够有效的控制打印过程中光线的入射，对光固化过程进行有效的控制；同时，在样品打印结束后能够对浆料池中未利用的液态浆料进行较好的保存。

进一步地，根据本发明，由于减弱了光固化设备受液态浆料粘滞性的影响，从而提高了光固化打印材料的种类，适合打印高固化量、高粘滞性的材料。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施形态的密封增压式浆料池装置的结构示意图；

图2示出了图1所示的密封增压式浆料池装置的左视图；

图3示出了由下向上观察图1所示的密封增压式浆料池装置的立体图；

图4示出了根据本发明一实施形态的光线遮蔽机构的结构示意图；

图5示出了根据本发明一实施形态的透明密封板的结构示意图；

符号说明：

1 LED光源；2 数字微镜器件（DMD）；3 透镜；4 折叠帘；5 连动杆；6 密封凹槽；7 透明密封板；8 防粘层；9 主浆料池；10 液态浆料；11 支撑架；12 升降螺杆；13 样品台；14 支撑杆；15 升降螺母；16 升降电机；17 微阀门；18 连通软管；19 增压泵；20 副浆料池；21软胶管；31 光源机构；30 透明密封机构；32 光线遮蔽机构；33 升降机构；34 增压填料机构。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

本发明的密封增压式浆料池装置用于上置式3D打印机，可以解决光固化3D打印液面涂覆不均匀的状况。此外，还提供了一种控制打印时间，且有效防止非打印状态下浆料池中液态浆料发生聚合交联反应的方法。

图1示出了根据本发明一实施形态的密封增压式浆料池装置的结构示意图，图2示出了图1所示的密封增压式浆料池装置的左视图，图3示出了图1所示的密封增压式浆料池装置的立体图。本发明一实施形态的用于上置式光源3D打印机的密封增压式浆料池装置，包括：内部容纳有陶瓷浆料10的主浆料池9、安装于装置上方的光源机构31、安装于主浆料池9顶部的透明密封机构30、安装于主浆料池9内部的升降机构33、安装于升降机构33上的样品台13、以及与主浆料池9连接的增压填料机构34。

具体地，主浆料池9为开口型容器，由不锈钢、纯金属、亚克力板中一种或几种材料结合制成，本实施形态中为长方形，但材质与形状均不限于此，圆形或正方形皆可。其内盛放有液态浆料10，本实施形态中，液态浆料10为光敏树脂或混有光敏树脂的陶瓷浆料，但亦不限于此。主浆料池9内部安装有升降机构33和样品台13，顶部安装有透明密封机构30，并通过连通软管18与增压填料机构34相连接。

又，主浆料池9可增加其他配件，如液体粘度计、温度计、加热装置等。具体地，液体粘度计可安置于主浆料池9的中部，用于检测液态浆料10的粘度。加热装置可位于主浆料池9的底部，用于加热液态浆料10。温度计用于检测液态浆料10的温度，便于及时反馈给加热装置。

如图1所示，光源机构31设置在主浆料池9的上部，采用DMD数字掩膜技术或激光照射透镜调节光路中的一种。光固化3D打印一般而言，光源机构可分为两种：SLA（立体光固化）和DLP（数字光处理技术）。SLA是逐点扫描固化，DLP是整个面投影扫描固化。其中，采用SLA则光源机构主要包括激光发生光源和扫描系统，透镜属于SLA中扫描系统的部件，激光光束通过数控装置控制扫描器，按照预定扫描路径照射到光敏浆料中，使特定区域产生固化反应。而采用DLP时，常用的光源主要有四种：超高压汞灯泡发光的UHP光源、LED光源、激光光源以及LED和激光混合光源，DLP采用的光源类型不一样，对应的光源机构的组件也不同。采用UHP光源的DLP中，光源机构的组件主要包括超高压汞灯泡、色轮和DMD数字微镜器件，超高压汞灯泡发出的白光通过色轮进行分色，在经过DMD进行三色光的混合，进行数据控制后将转换的图像投影在预定打印区域中实现光固化。采用激光光源的DLP技术中，光源机构多采用单色激光器作为光源，通过带有荧光粉的色轮进行分色，后续和UHP相似。本实施形态中虽未详细图示，但作为光源机构31，可以是采用LED光源的DLP技术的光源机构或SLA技术的光源机构。

如图1所示，本实施形态中，是采用了LED光源的DLP技术，光源机构31包括：LED光源1、数字微镜器件（Digital Micromirror Device；DMD）2、和透镜3，LED光源1发出的光通过聚光透镜（未图示）进行集光，再经过整形透镜（未图示）和反射透镜（未图示）到数字微镜器件2进行光控制后，形成图像通过透镜3进行投影，产生特定区域的光固化反应。LED光源1可采用紫外灯LED光源，透镜3可采用菲涅尔透镜。另，数字微镜器件2是光开关的一种，利用旋转反射镜实现光开关的开合。但各构件的种类不限于此，可根据具体功能或结构需求进行变更。光源机构31位于整体结构的上部，用于将合适的光源调制之后，透过后述的透明密封机构30投影或照射在主浆料池9中，从而引发聚合物的交联固化反应。

又，具体地，紫外激光被数字微镜器件2接收，生成样品预设切片层的截面光后照射在透镜上，通过透镜3将来自样品预设切片层的截面光折射放大，反射后的光路通过后述的透明密封机构30逐点照射在主浆料池9的液态浆料10上，实现液态浆料10的固化。

上述升降机构33包括：支撑架11、升降螺杆12、支撑杆14、升降螺母15、以及升降电机16。如图2所示，支撑架11安装在主浆料池9内部的一侧，通过螺栓（省略图示）固定在主浆料池9内壁上，升降电机16安装在支撑架11底部，用于控制升降螺杆12的旋转。升降螺杆12可转动地安装于支撑架11，一端与升降电机16连接，其上组合有升降螺母15和支撑杆14。

样品台13设置于升降机构33上，具体而言通过支撑杆14和升降螺母15与升降螺杆12相连接，借助升降螺杆12的转动实现样品台13的升降。

此外，该密封增压式浆料池装置还可包括安装于透明密封机构30上部的光线遮蔽机构32。如图4所示，光线遮蔽机构32位于浆料池上部，用于调节光固化的打印时间，以及抑制主浆料池中的浆料在非打印状态下液态聚合物的聚合反应，其包括：折叠帘4、连动杆5、传动电机、以及T型滑轨（省略图示）。折叠帘4安装在主浆料池9的顶部最外侧，比透明密封机构30更靠近外侧，通过连动杆5可拆卸地固定于主浆料池9。本实施形态中，传动电机能够驱动折叠帘4在T型滑轨上的移动，从而实现开合。

该折叠帘4用于随时控制光线的开闭合状态，同时防止在非打印状态下主浆料池9中的液态浆料10发生聚合反应。本实施形态中，折叠帘4在“调节光固化时间”和“打印完成”两个状况下处于开启状态，但不限于此。又，折叠帘4例如可由多重折叠叶片连接组成，通过驱动电机控制叶片的折叠行为，在驱动电机开启时，叶片可全部折叠到主浆料池9的一侧。但不限于此，只要能起到相同或相似作用即可。

如图5所示，透明密封机构30包括：密封凹槽6、透明密封板7、防粘层8以及密封件（省略图示）。密封凹槽6形成于主浆料池9的内壁开口附近，透明密封板7嵌入密封凹槽6中，通过螺栓和密封垫片等密封件固定于主浆料池9。防粘层8贴敷于透明密封板7上与液态浆料10有接触可能的一侧，用于防止固化的液态浆料粘结于透明密封板7上。又，透明密封板7和密封凹槽6上均设有开孔，用于通过密封件将透明密封板7固定于密封凹槽6上。此外，透明密封板7上设有可开闭的液流口，通过阀口进行密封既可作为注入液态浆料的备选入口，另外可保证液态浆料填充满主浆料池顶部。

又，增压填料机构34用于为主浆料池9供应输运补充浆料的动力，包括：增压泵19、副浆料池20、以及软胶管21。如图1所示，增压填料机构34的增压泵19于主浆料池9外侧通过连通软管18与主浆料池9相连接，另一端通过软胶管21与副浆料池20连接。又，该连通软管18上设有微阀门17，用于控制来自增压泵19的压强。

其中，增压泵19可以是液压泵，例如可选用蠕动泵或微量泵，本实施形态中，采用的增压方式为蠕动泵直接填料增压，通过连通管将填料送入主浆料池9中。但不限于此，只要能通过抽取副浆料池20中的液态浆料10来填补主浆料池9中因聚合物交联固化反应所产生的体积收缩而减少的浆料即可。例如，还可在主浆料池9底部的连通管路中设置活塞，并通过活塞与泵体配合的结构来增加主浆料池中的压力亦可。又，活塞设置于主浆料池9底部的连通管路中，并与增压泵19连接，通过增压泵19增压推动活塞，以此为主浆料池9提供压强，从而使主浆料池9始终保持液态浆料填充满的状态。一般而言，在主浆料池9的液体始终充满状态下，打印完一层之后，无需流平步骤即可迅速填充好打印固化层与主浆料池9顶部的空隙，由此可减少传统打印方式中的流平步骤，减少流平过程中带来的打印缺陷，提高打印效率。由于省略该步骤，因而，在流平过程中因涂覆不均匀而对下一固化层带来的缺陷也会减少，同时打印时耗也会减少。

由此可知，本发明的密封增压式浆料池装置不仅能减少光固化后浆料表层的涂覆步骤，还能缩短打印时间，克服传统刮刀式铺料结构带来的液面波动、涂覆不均匀等缺点，降低浆料流动性对填充浆料过程的影响，提高了工作效率和打印的层厚精度。同时本发明结合了光线遮蔽控制的设计，为液态浆料的可控光固化和保存提供了一种方法。

（实施例）

以下，结合具体实施例详细说明根据本发明上述实施形态的密封增压式浆料池装置在工作状态下的工艺流程。具体地，本实施形态中，增压泵19例如可采用能够承受压强为0～2Mpa、流量为0.001～400ml/min，转速为0.1～200rmp的蠕动泵或微量泵。主浆料池9例如可由不锈钢制备，尺寸为L150×W150×H150mm～L800×W800×H600mm。透明密封板7例如可为高透光率的亚克力板。防粘层8例如可为高透光率的离型膜。LED光源1例如可以是额定功率为20W，波长为365nm的紫外LED光源。DMD器件2例如可采用德州仪器公司的产品。

具体地，在工作状态下，主浆料池9和副浆料池20预先放置好符合成型物体要求的光敏树脂或混有光敏树脂的陶瓷浆料，且主浆料池9始终处于封闭状态。如：丙烯酸酯和光引发剂作为液态光敏树脂，陶瓷粉体为氧化铝，二者组成具有一定粘度和流动性要求的混合浆料。蠕动泵19连续工作，将副浆料池20中的液态浆料10持续的供应到主浆料池9中，使浆料液位始终填充满主浆料池9顶部。

接着，控制升降螺杆12使样品台13移动到主浆料池9顶部的初始固化层厚的位置。根据样品设置好的分层截面数据，控制数字微镜器件2的偏转角度，使调制好的光线穿透过透明密封板7，在液态浆料10表面投影出二维图像进而形成一层固化层。一层液态浆料扫描固化完成后，系统根据工艺要求控制升降电机16使升降螺杆12运动，进而带动样品台13下降一层截面层的厚度。

与此同时，蠕动泵19始终工作，补充因光固化造成的浆料体积收缩，使液态浆料10很快的覆盖到已固化层的样品表面。重复上述步骤完成预设样品的打印。在上述步骤进行过程中，开启折叠帘4可有效控制截面层的光固化时间。在上述步骤完成后，开启折叠帘4，将主浆料池9中的液态浆料10做避光防护。

在一层液态浆料10固化后，在无增压情况下，样品台13的下降会造成顶部液态浆料的缺失，而本发明的该实施方式使得顶部液态浆料层始终维持固定、均匀的厚度，解决了由于传统刮刀涂覆方式带来的不均匀性和液态浆料流动性的影响。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于上置式光源3D打印机的密封增压式浆料池装置，包括：内部容纳有用于光固化的液态浆料的主浆料池、安装于所述装置上方的光源机构、安装于所述主浆料池顶部的透明密封机构、安装于所述主浆料池内部的升降机构、安装于所述升降机构上的样品台、以及与所述主浆料池连接的增压填料机构。

2.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

还具备安装于所述透明密封机构上部的光线遮蔽机构。

3.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述主浆料池由不锈钢、纯金属、亚克力板中一种或几种材料结合制成。

4.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述光源机构采用DMD数字掩膜技术或激光光束通过扫描器调节光路两种的一种。

5.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述透明密封机构包括：形成于所述主浆料池的内壁开口附近的密封凹槽、嵌入所述密封凹槽的透明密封板、贴敷于所述透明密封板上与所述液态浆料有接触可能的一侧的防粘层、以及固定于所述主浆料池的密封件；

所述透明密封板和所述密封凹槽上均设有开孔；

所述透明密封板上还设有可开闭的液流口，并通过阀口进行密封。

6.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述光线遮蔽机构包括：安装在所述主浆料池的顶部最外侧的折叠帘、将所述折叠帘可拆卸地固定于主浆料池的连动杆、滑轨、以及驱动所述折叠帘在所述滑轨上移动的传动电机。

7.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述升降机构包括：安装并固定在所述主浆料池内部的一侧的支撑架、安装在所述支撑架底部的升降电机、可转动地安装于所述支撑架且一端与所述升降电机连接的升降螺杆、以及组合安装于所述升降螺杆上的支撑杆和升降螺母；

所述样品台通过所述支撑杆和所述升降螺母，与所述升降螺杆相连接，并借助所述升降螺杆的转动实现升降。

8.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述增压填料机构包括：副浆料池，位于所述主浆料池与副浆料池之间的增压泵、以及连接所述副浆料池与所述增压泵的软胶管；

所述连通管路连通所述主浆料池与所述增压泵，并设有微阀门。

9.根据权利要求5所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述透明密封板为亚克力板；

所述防粘层为透光率≥90%的硅胶或离型膜中的一种。

10.根据权利要求1所述的密封增压式浆料池装置，其特征在于，

所述液态浆料为光敏树脂或混有光敏树脂的陶瓷浆料。