CN107627602A - 一种复合材料3d打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料3D打印机及打印方法，该打印机包括底座模块、机械手模块、工作平台模块以及光固化模块。3D打印机工作时，将复合材料缠绕在耗材滚轮上，经过导管直接连接至机械手3D打印喷头，由传动装置控制复合材料给进；光源系统对上下可升降工作平台表面树脂进行固化；最终，通过工作平台模块、机械手模块和光固化模块的协调配合实现零件增材制造。本发明利用光固化技术成型零件快且表面精度高以及机械手的灵活性等特点，按需求对零件进行不同复合材料、不同方位、不同力学强度的增材制造，实现具有特定功能、表面高精度零件的快速制造；该打印机可使用范围广、能够缩短产品周期、提高零件表面精度、减少制造成本。

Description

一种复合材料3D打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及3D打技术的研究领域，尤其是一种利用增强复合材料的光固化成型技术，具体地是一种复合材料3D打印机及打印方法。

背景技术

3D打印又称为增材制造、增量制造、快速成型等，它属于一种非传统加工工艺，近30多年来，该技术越来越完善，是全球先进制造领域兴起的一项集光/电/机、计算机及新材料等于一体的先进制造技术。它通常是以零件的数据模型文件为基础，运用粉末状可粘合性的塑料、金属等为耗材，利用熔融沉积（FDM）、激光烧结（DMLS）、石膏3D打印（PP）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理（DLP）等工艺，经过逐层打印叠加的方式来实现所需零件的制造。

增材制造技术将传统的复杂制造系统缩小到一台制造装备中，是制造技术的革命性进步；该技术具有成型快、自动化程度高、产品质量稳定和简单易操作等优势，已经被广泛应用于生物医疗、航空航天、汽车零部件、塑料制品、机器人、国防军事、工业工程、教育教学等领域。传统的增材制造，如果想打印高强度零件，一般采用增强复合材料的打印工艺及技术，如美国Mark Forged公司开发了Mark系列的3D打印机[WO2014197732]、西安交通大学田小勇等人研发的连续长纤维增强复合材料打印头[CN201410325650.3]以及多级送丝打印头[CN20150633569.6]、华中科技大学闫春泽等人研发的短纤维增强固性树脂复合3D打印方法[CN201510075179.1]等，其打印的零件虽然在纤维方向上有较好的力学性能，但是其余方向上的综合性能不能达到较高的指标，且其成型零件的表面较粗糙；如果想打印表面较光滑的零件，一般采用光固化式的打印工艺及技术，如北京金达雷科技有限公司研发的光固化3D打印机及其树脂池组件、打印方法[CN201710150209X]、深圳摩方新材料科技有限公司研发的实时监控面型的3D打印光学系统[CN2017100413050]等，其打印的零件外表面光滑，但是其成型零件的强度不够，应用范围有限。因此，有必要发展一种新型的，能够集两种传统工艺及技术优势于一身的3D打印机，以提高3D打印零件的力学强度性能和表面光滑度，使其能够更好的应用于相应的领域。

发明内容

结合以上背景技术，针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种复合材料3D打印机及打印方法。采用机械手、可升降工作平台和光源的协调配合，实现立体自由空间的3D打印。此方法可以实现增强复合耗材以任意角度、任意轨迹和指定密度的沉积以及增强复合耗材与液体光固化树脂的无缝结合，最终实现3D打印制造。机械手上可以根据需要安装能够实现不同工艺的3D打印头，如高强度短纤维增强复合材料3D打印和连续树脂长纤维拼接和编织的3D打印头等；光固化支架上可以根据需要安装不同的光固化光源，如DLP、LED等；同时，采用该方法可以较好控制该3D打印机的打印工艺，可以根据不同情况或零件本身需求，对零件的不同部位或是采用不同增强复合耗材，通过在光固化的树脂耗材中加入指定的增强复合耗材，增强3D打印零件的力学性能，提高成型零件的表面光滑度。与传统工艺相比，提高了产品性能质量，扩大了3D打印零件的应用范围。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种复合材料3D打印机，包括3D打印机底座1，左外壳2，耗材支架3，耗材通孔4，上盖5，光源支架6，光源7，丝杆接头8，传动带9，丝杆10，工作平台导轨11，右外壳12，固定螺钉13，固定螺孔13.1，液槽右（左）滑轨14-1（14-2），底座固定右（左）滑轨15-1（15-2），内液槽16，外液槽17，3D打印头18，3D打印喷嘴18.1，工作平台19，导管20，导管接口20.1，机械手前臂21，机械手后臂22，机械手23，24固定螺钉，机械手底座25，固定螺孔26，调距丝杆27，丝杆调距头27.1，调平螺母28，电机29-1（29-2、29-3、29-4），3D打印机外壳接口30，外壳平行接口31，丝杆底座32，前外壳33。所述导管（20）一端连接3D打印头（18），另一端通过耗材通孔（4）进行耗材的供给；机械手底座25通过机械手固定螺钉26固定在3D打印机底座1上；机械手调距丝杆27固定在机械手底座上；机械手23通过机械手调平螺母28固定在机械手调距丝杆上；外液槽17通过液槽滑轨14-1、14-2固定在底座滑轨15-1、15-2上；内液槽16固定在外液槽内；可升降工作平台丝杆接头8通过可升降工作平台丝杆底座固定螺钉13固定在3D打印机底座上；可升降工作平台调距丝杆10通过可升降工作平台丝杆接头安装在可升降工作平台底座上，通过可升降平台控制电机29-4驱动传动带9，实现对可升降工作平台的上升和下降的精准控制；可升降工作平台19通过可升降工作平台导轨11安装在可升降工作平台调距丝杆上；机械手控制电机29-1、29-2、29-3安装在机械手前臂21和机械手后臂22上；传动带9链接在可升降工作平台控制电机29-4和可升降工作平台调距丝杆上；光源7固定在光源支架6上，3D打印头18在光源7和可升降工作平台之间，仅靠但不接触可升降工作平台。

零件模型数据，驱动控制打印头的位置和速度，增强复合材料由3D打印喷嘴18.1喷出后，迅速完成本次加固回到不会遮挡光源的起始位置，紧接着光固化开始动作，待此步骤完成后可升降工作台进行下降一定高度，以此循环往复，直至最终形成3D打印零件成品的制造。

优选的，所述液槽包括内液槽和外液槽，内液槽存放光固化打印树脂，外液槽收集由于可升降工作平台下降而溢出的树脂液体。

优选的，所述的机械手能够对可升降工作平台进行全方位覆盖。

优选的，所述的机械手采用龙门机械手或多自由度机械手的一种，包括但不限于所述。

优选的，所述的光源采用DLP或LED中的一种，包括但不限于所述。

所述3D打印机的打印方法，包括下列步骤。

1）建立需打印零件的数据模型文件。

2）在内液槽16内准备好进行光固化的树脂耗材，增强复合耗材放置在耗材支架3上，经过耗材通孔4和导管20供给到3D打印头18。

3）准备可升降工作平台19及固定光源7，调整可升降工作平台调距丝杆10和可升降工作平台导轨11的相对位置，使可升降工作平台与内液槽内的树脂位于同一个平行平面，且树脂液体要刚没过可升降工作平台，固定光源位于可升降工作平台的正上方。

4）准备机械手23，调节机械手上的机械手调平螺母28，使3D打印头18处于可升降工作平台19与固定光源7之间，且3D打印头靠近但不接触可升降工作平台。

5）3D打印头18固定在机械手前臂21上，机械手23根据打印零件输出的模型数据，按照模型路径驱动3D打印头在可升降工作平台19上运动。

6）3D打印头18在本层的工作结束后自动回到不会遮挡光源的起始位置，同时，可升降工作平台控制电机29-4通过控制传动链条9的运动，使可升降工作平台下降固定高度。

7）固定光源7在接收到可移动平台下降后的信号后开始工作，根据零件输出的模型数据进行固化，而后，所述可升降工作平台再下降一定高度。

8）重复步骤5）、步骤6）、步骤7），实现所述零件的3D打印。

利用本发明的打印方法成型的零件，具有产品质量性能稳定、表面精度高等优势，可根据需要调整零件力学性能以及零件表面光滑度等；利用机械手的灵活性，进而可以以任意角度、任意运动轨迹和指定密度进行3D打印，其上的3D打印头，既能够打印高强度短纤维增强符合耗材，也可以打印连续树脂长纤维的编织或拼接，从而实现不同增强复合耗材成型零件的制造。由于本发明并不局限于机械手、固定光源以及可升降工作平台等结构设计和使用，只要能够相互配合完成所需零件即可，因此，可以更大范围地进行材料、机械手、光源等选择和配置，可以得到特定机械、电和力学性能，以及更强、更持久、更光滑的零件；同时，该过程无需预先对增强复合耗材进行预处理或模具定制，减少了成型零件的生产周期，大大提高了成型零件性能和产品质量性能的稳定性。

附图说明

图1是本发明机械手的左右等轴测结构示意图。

图2是本发明可升降工作平台的整体结构示意图。

图3是本发明3D打印机底座及可移动外壳的整体结构示意图。

图4是本发明3D打印机的内部结构示意图。

图中：1、3D打印机底座，2、左外壳，3、耗材支架，4、耗材通孔，5、上盖，6、光源支架，7、光源、8、丝杆接头，9、传动带，10、丝杆，11、工作平台导轨，12、右外壳，13、固定螺钉，13.1、固定螺孔，14-1（14-2）液槽右（左）滑轨，15-1（15-2）底座固定右（左）滑轨，16、内液槽，17、外液槽，18、3D打印头，18.1、3D打印喷嘴，19、工作平台，20、导管，20.1、导管接口，21、机械手前臂，22、机械手后臂，23、机械手，24、固定螺钉，25、机械手底座，26、固定螺孔，27、调距丝杆，27.1、丝杆调距头。28、调平螺母，29-1（29-2、29-3、29-4）、电机，30、3D打印机外壳接口，31、外壳平行接口,32、丝杆底座，33、前外壳。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，所述的一种复合材料3D打印机，其中的机械手，包括3D打印头18，3D打印头18下连接着3D打印机挤出头18.1，上连接着机械前臂21，机械手前臂21上接有机械手控制电机29-1、导管接口20.1和机械关节后臂22，机械手后臂上有机械手控制电机29-2、29-3，机械手臂21、22通过机械手调平螺母28固定在机械手调距丝杆27上，机械手调距丝杆27通过机械手底座25，用机械手固定螺钉26固定在3D打印机底座1上。

参照图2，所述的一种复合材料3D打印机，其中的可升降工作平台整体，包括外液槽17，外液槽17通过外液槽右滑轨14-1，外液槽左滑轨14-2，底座液槽右滑轨15-1，底座液槽左滑轨15-2固定在3D打印机底座1上，内液槽16固定于外液槽17内，可升降工作平台19位于内液槽16的正上方，可升降工作平台19由可升降工作平台导轨11通过可升降工作平台调距丝杆10与可升降工作平台丝杆底座32相连，可升降工作平台导轨11上接有可升降工作平台控制电机29-4，可升降工作平台控制电机运行时，带动传动链条9，进一步驱动可升降工作平台调距丝杆10，实现可升降工作平台19的精准上升与下降，可升降工作平台丝杆底座32通过可升降工作平台丝杆底座固定螺钉13固定在3D打印机底座1上。

参照图3，所述的一种复合材料3D打印机，其中的3D打印机底座及可移动外壳整体，包括3D打印机底座1，可移动左外壳2、可移动上外壳5、可移动右外壳12、可移动前外壳33，耗材支架3固定在可移动左外壳2上，可移动左外壳2上有耗材通孔4，可升降工作平台整体一端通过底座液槽右滑轨15-1，底座液槽左滑轨15-2，，另一端通过可升降工作平台丝杆底座在3D打印机底座的固定螺孔13.1固定在3D打印机底座1上，固定光源支架6固定在3D打印机底座1上。

参照图4，所述的一种复合材料3D打印机，包括耗材机械手23，机械手23将耗材支架3上的耗材通过耗材通孔4和导管20，再经由机械手前臂21和机械手后臂22，最终到达3D打印头18，,3D打印机挤出头18.1挤出到可升降工作平台19上，固定光源7固定在光源支架6上，处于可升降工作平台19的正上方。

所述的3D打印机的打印方法，包括下列步骤。

1）根据所需，建立需打印零件的数据模型文件。

2）参照图1、图2和图3，在内液槽16内准备好进行光固化的树脂耗材，增强复合耗材放置在耗材支架3上，经过耗材通孔4和导管20供给到3D打印头18。

3）参照图2和图4准备可升降工作平台19及固定光源7，调整可升降工作平台调距丝杆10和可升降工作平台导轨11的相对位置，使可升降工作平台与内液槽内的树脂位于同一个平行平面，且树脂液体要刚没过可升降工作平台，固定光源位于可升降工作平台的正上方。

4）参照图1和图4，准备机械手23，调节机械手上的机械手调平螺母28，使3D打印头18处于可升降工作平台19与固定光源7之间，且3D打印头靠近但不接触可升降工作平台。

5）参照图1和图2，3D打印头18固定在机械手前臂21上，机械手23根据打印零件输出的模型数据，按照模型路径驱动3D打印头在可升降工作平台19上运动。

6）参照图4，3D打印头18在本层的工作结束后自动回到不会遮挡光源的起始位置，同时，可升降工作平台控制电机29-4通过控制传动链条9的运动，使可升降工作平台下降固定高度。

7）参照图4，固定光源7在接收到可移动平台下降后的信号后开始工作，根据零件输出的模型数据进行固化，而后，所述可升降工作平台再下降一定高度。

8）重复步骤5）、步骤6）、步骤7），实现所述零件的3D打印。

本发明利用先进的光固化技术和增强复合材料技术，实现了3D打印产品质量上的提高，主要针对成型零件的力学性能和表面光滑度，并且能够根据不同情况或是不同需求，对零件进行不同部位或不同程度的力学加固，保证零件表面依旧光滑，大大提高了成型零件的质量、工作性能和实用范围。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合材料3D打印机，其特征在于，所述的3D打印机包括，3D打印机底座，外壳，耗材支架，光源，传动带，丝杆，工作平台，固定螺钉，固定螺孔，液槽，液槽滑轨，底座滑轨，3D打印头，导管，机械手，调距丝杆，调平螺母，电机；所述导管（20）一端连接3D打印头（18），另一端通过耗材通孔（4）进行耗材的供给；所述机械手底座（25）通过机械手固定螺钉（26）固定在3D打印机底座（1）上；所述机械手调距丝杆（27）固定在机械手底座上；所述机械手（23）通过机械手调平螺母（28）固定在机械手调距丝杆上；所述光源支架（6）固定在3D打印机底座上；所述固定光源（7）固定在光源支架上；所述外液槽（17）通过液槽滑轨（14-1、14-2）固定在底座滑轨（15-1、15-2）上；所述内液槽（16）固定在外液槽内；所述可升降工作平台丝杆接头（8）通过可升降工作平台丝杆底座固定螺钉（13）固定在3D打印机底座上；所述可升降工作平台调距丝杆（10）通过可升降工作平台丝杆接头安装在可升降工作平台底座上；所述可升降工作平台（19）通过可升降工作平台导轨（11）安装在可升降工作平台调距丝杆上；所述机械手控制电机（29-1、29-2、29-3）安装在机械手前臂21和机械手后臂22上；所述传动带（9）链接在可升降工作平台控制电机（29-4）和可升降工作平台调距丝杆上。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料3D打印机，其特征在于：所述的液槽分为内外两层，外液槽用于收集由于可移动工作台下降时，内液槽溢出的光固化树脂材料，内液槽用于存放光固化树脂耗材且两液槽可分离。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料3D打印机，其特征在于：所述的机械手能够对可移动工作平台进行全方位覆盖。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料3D打印机，其特征在于：所述的3D打印机底座与其外壳可分离。

5.一种复合材料3D打印机的打印方法，其特征在于：所述机械手通过零件模型数据驱动控制3D打印头的位置和速度，增强复合材料由3D打印喷嘴出料后，迅速完成本次加固回到不会遮挡光源的位置，紧接着光固化开始动作，待此步骤完成后可移动工作台进行下降一定高度，以此循环往复，直至最终形成3D打印零件成品的制造。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料3D打印机的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）建立需打印零件的数据模型文件；

2）在内液槽（16）内准备好进行光固化的树脂耗材，增强复合耗材放置在耗材支架（3）上，经过耗材通孔（4）和导管（20）供给3D打印头（18）；

3）准备可移动的工作平台（19）及光源（7），调整可升降工作平台调距丝杆（10）和可升降工作平台导轨（11）的相对位置，使可升降工作平台与内液槽内的树脂位于同一个平行平面，且树脂液体要刚没过可升降工作平台，固定光源位于可升降工作平台的正上方；

4）准备机械手（23），调节机械手调平螺母（28），使3D打印头处于可升降工作平台与固定光源之间，且3D打印头靠近但不接触可升降工作平台；

5）3D打印头（18）固定在机械手前臂（21）上，机械手根据打印零件输出的模型数据，按照模型路径带动3D打印头在可升降工作平台上运动；

6）3D打印头本层的工作结束后自动回到不会遮挡光源的起始位置，同时，可升降工作平台控制电机（29-4）驱动传动带（9），使可升降工作平台下降一定高度；

7）光源模块在接收到可升降工作平台下降后的信号后开始工作，根据零件输出的模型数据进行固化，而后，所述可移动工作平台再下降一定高度；

8）重复步骤5）、步骤6）、步骤7），实现所述零件的3D打印。