CN107673585B - 一种3d玻璃打印机及打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于3D打印技术领域，提出一种3D玻璃打印机及打印方法。提出的一种3D玻璃打印机具有防护壳体；防护壳体内设置有活动框架；活动框架套置在丝杠Ⅲ上，并与其螺纹连接；丝杠Ⅲ连接在步进电机Ⅲ的输出端；活动框架内设置有两根垂直设置的丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ；丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ均与高温打印头螺纹连接；丝杠Ⅰ连接在步进电机Ⅰ的输出端；丝杠Ⅱ连接在步进电机Ⅱ的输出端；高温打印头上端连接物料处理室；高温打印头的下方设置有活动加热基板；对应活动加热基板设置有用以驱动其上下移动的步进电机Ⅳ；防护壳体内设置有金属锂盐加热室，且金属锂盐加热室位于所述防护壳体的底部。本发明加强了打印玻璃的强度，消除了应力。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，主要提出一种3D玻璃打印机及打印方法。
背景技术
当今3D打印技术的迅猛兴起和高速发展，这些所有都离不开各种3D打印机和材料的发展，不同的应用领域所用的打印机和耗材种类是不一样的，因此此种技术的丰富和发展程度决定着3D技术是否能够普及使用。根据我们实际调查，当今可用的3D打印技术虽然很多，但是依据现实中可以买到的和经常使用的为标准，对这些纷繁复杂的打印技术进行归类，基本可以归纳为两类：
、塑料类打印机：包括ABS塑料和PLA塑料类
ABS塑料熔丝是最常用的打印材料，目前有多种颜色可以选择，是消费级3D打印机用户最喜爱的打印材料，比如打印玩具、创意家居饰件等。ABS材料通常是细丝盘装，通过3D打印喷嘴加热熔解打印；PLA塑料熔丝可以说是另外一个非常常用的打印材料，尤其是对于消费级3D打印机来说， PLA可以降解，是一种环保的材料。
、金属类打印机：包括银、金、钛金属、不锈钢等等
这些金属材料都是采用粉末烧结，金银可以打印饰品，而钛金属是高端3D打印机经常用的材料，用来打印机械方面的非标件。不锈钢粉末采用SLS技术进行激光3D烧结打印，可以打印出银色、古铜色以及白色的颜色。
然而众所周知是，地壳90%的成分是硅酸盐矿物质，也就是制造玻璃的主要原料，它们资源丰富、易于回收不会污染环境，同时玻璃制品的质感更棒、价格便宜，显然是非常符合消费者预期的制品，如果能够将玻璃材质应用到3D打印领域，显然会加快此项技术的普及； 并且玻璃有许多独特的性质使它成为3D打印的理想材料；几乎没有什么材料能够暴露在玻璃所能承受的高温下；也几乎没有什么化学物质可以改变玻璃的性状，而塑料类材料可以通过紫外光和有机溶剂降解而老化，金属类材料加工难度大，要求条件非常高。
但是3D玻璃打印材料也存在一些需要克服的难题：
、普通玻璃熔点很高（大约1000℃），对高温喷头和加热基板要求非常苛刻。
、玻璃是一种材质非常硬且特别脆的材料，玻璃物体在打印成型过程中，会经受激烈的温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力，这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性，如果直接冷却，很可能在冷却过程中或者以后的存放、运输和使用过程中爆裂（俗称玻璃的冷爆）；
、玻璃熔化后形成的熔融液滴，具有一定的流动性，并且此流动性随玻璃液滴的温度、大小变化而变化，精确控制的难度较大。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提出一种3D玻璃打印机及打印方法。
本发明为完成上述目的采用如下技术方案：
一种3D玻璃打印机,所述的3D打印机具有由耐火材料制成的防护壳体；所述的防护壳体内设置有活动框架；所述的活动框架为由多根支撑杆构成的矩形框架；所述的活动框架通过多根丝杠Ⅲ支撑在防护壳体内；所述的活动框架套置在所述的丝杠Ⅲ上，并与其螺纹连接；所述的丝杠Ⅲ连接在步进电机Ⅲ的输出端，所述的活动框架在步进电机Ⅲ的作用下可沿Y轴上下移动；所述的活动框架内设置有两根垂直设置的丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ；所述的丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ均与高温打印头螺纹连接；所述的丝杠Ⅰ连接在步进电机Ⅰ的输出端，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ的作用下可沿X轴移动；所述的丝杠Ⅱ连接在步进电机Ⅱ的输出端，所述的高温打印头在步进电机Ⅱ的作用下可沿Z轴移动；所述的高温打印头上端连接物料处理室；所述的物料处理室用以熔化低熔点柱状玻璃棒；所述的物料处理室的上端伸出所述的防护壳体，并在所述的物料处理室内插入若干根低熔点柱状玻璃棒；所述高温打印头的下方设置有用以承载打印玻璃的活动加热基板；在步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的作用下，将玻璃液层层打印堆叠在所述的活动加热基板上；所述的活动加热基板通过多根丝杠Ⅳ支撑在所述的防护壳体内；对应所述的活动加热基板设置有用以驱动其上下移动的步进电机Ⅳ；所述的步进电机Ⅳ的输出端连接多根所述的丝杠Ⅳ；所述防护壳体内设置有用以对玻璃进行热处理的金属锂盐加热室，且所述的金属锂盐加热室位于所述防护壳体的底部；在步进电机Ⅳ的作用下，使打印有玻璃样品的所述的活动加热基板上下移动没入所述的金属锂盐加热室内对玻璃进行化学钢化或位于所述金属锂盐加热室的上方，由高温打印头将玻璃液打印并层层堆叠在活动加热基板上。
所述低熔点柱状玻璃棒的转变温度Tg为300±10℃ ～ 400℃±10℃，软熔温度Tf为350±10℃ ～450℃±10℃；彻底熔融温度Tf 为500±10℃ ～ 600℃±10℃；
一种3D玻璃打印机的打印方法，其具体步骤如下：
1）低熔点柱状玻璃棒的选取：选取转变温度Tg为300±10℃ ～ 400℃±10℃，软熔温度Tf 为350±10℃ ～450℃±10℃，彻底熔融温度Tf 为500±10℃ ～ 600℃±10℃的低熔点柱状玻璃棒；
2）将步骤1）所选取的低熔点柱状玻璃棒插入物料处理室内，加热至450℃±1℃并保持加热10分钟，使低熔点柱状玻璃棒处于熔化液体状态，并将熔融态的玻璃液送入下方高温打印头内；
3）所述的高温打印头将步骤2）送来的熔融态的玻璃液继续加热至550±0.5℃，使玻璃原料完全熔融至均匀玻璃液，并通过高温打印头将玻璃液呈直径为0.4±0.05 mm的玻璃细丝持续喷出，然后采用层层堆积的方法，即先完成一个平面，再在其上打印一个平面，逐层加高累积，直至完成打印出玻璃体，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的作用下沿 X轴、Z轴做前后左右水平移动，在步进电机Ⅲ的作用下带动活动框架可做上下移动，从而实现打印头在空间X轴、Y轴、Z轴 三维自由移动；
4）步骤3）中高温打印头喷出的玻璃细丝在活动框架的作用下沿 X轴、Y轴、Z轴 三维自由移动均匀的平铺在温度在400 ± 5℃的加热基板上；然后将铺有玻璃层的加热基板向下移动至金属锂盐加热室内，使打印后的玻璃在400℃的金属锂盐加热室内与熔融的金属锂盐进行离子交换，使玻璃中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子进行交换，对打印后的玻璃在线进行化学钢化。
本发明提出的一种3D玻璃打印机及打印方法，采用的在线式化学钢化是通过改变玻璃的表面的化学组成来提高玻璃的强度，一般是应用离子交换发进行钢化，其方法是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃，侵入到熔融状态的锂（Li +）盐中，是玻璃表层的Na +或者K+离子与Li +离子发生交换，表面形成Li + 离子交换层，由于Li +的膨胀系数小于Na +和K+ 离子，从而在冷却过程中造成外层收缩较小而内层收缩较大，当冷却到常温后，玻璃便同样处于内层受拉，外层受压的状态，此时打印物件应力基本达到平衡状态；使用在线式化学钢化技术加强了打印玻璃的强度，消除了应力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为3D打印机的内部结构图 。
图中：1、高温打印头，2、物料处理室，3、低熔点柱状玻璃棒，4、活动加热基板，5、金属锂盐加热室，6、活动框架，7、防护壳体，8、控制计算机，9、电加热管，10、丝杠Ⅰ，11、丝杠Ⅱ，12、丝杠Ⅲ，13、焊接点 14、丝杠Ⅳ，15、步进电机Ⅰ，16、步进电机Ⅱ，17、步进电机Ⅲ，18、步进电机Ⅳ。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明加以说明：
如图1、图2、图3所示，一种3D玻璃打印机,所述的3D打印机具有由耐火材料制成的防护壳体7；所述的防护壳体7由钢板和耐火砖构成；所述的防护壳体7内设置有活动框架6；所述的活动框架6为由多根支撑杆构成的矩形框架；所述的活动框架6通过多根丝杠Ⅲ12支撑在防护壳体7内；所述的活动框6架套置在所述的丝杠Ⅲ12上，并与其螺纹连接；所述的丝杠Ⅲ12连接在步进电机Ⅲ17的输出端，所述的活动框架3在步进电机Ⅲ17的作用下可沿Y轴上下移动；所述的活动框架3内设置有两根垂直设置的丝杠Ⅰ11、丝杠Ⅱ12；所述的丝杠Ⅰ11、丝杠Ⅱ12均与高温打印头1螺纹连接；所述的丝杠Ⅰ11连接在步进电机Ⅰ15的输出端，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ15的作用下可沿X轴移动；所述的丝杠Ⅱ12连接在步进电机Ⅱ16的输出端，所述的高温打印头1在步进电机Ⅱ16的作用下可沿Z轴移动；所述的高温打印头1上端通过耐热304不锈钢波纹管连接物料处理室2；将熔融玻璃液输送给下方的高温打印头；该波纹管外罩采用耐热纤维棉来进行保温,避免物料输送过程中的热量损失；所述的物料处理室2用以熔化低熔点柱状玻璃棒3；所述的物料处理室2的上端伸出所述的防护壳体7，并在所述的物料处理室内插入若干根低熔点柱状玻璃棒；所述高温打印头1的下方设置有用以承载打印玻璃的活动加热基板4；在步进电机Ⅰ15、步进电机Ⅱ16和步进电机Ⅲ17的作用下，将玻璃液层层打印在所述的活动加热基板4上；所述的活动加热基板4通过多根丝杠Ⅳ14支撑在所述的防护壳体7内；对应所述的活动加热基板14设置有用以驱动其上下移动的步进电机Ⅳ18；所述的步进电机Ⅳ18的输出端连接多根所述的丝杠Ⅳ14；所述防护壳体7内设置有用以对玻璃进行热处理的金属锂盐加热室5，且所述的金属锂盐加热室5位于所述防护壳体7的底部；在步进电机Ⅳ18的作用下，使打印有玻璃液的所述的活动加热基板4上下移动没入所述的金属锂盐加热室内对玻璃进行化学钢化或位于所述金属锂盐加热室的上方，由高温打印头将玻璃液打印在活动加热基板上。
上述实施例中所述的低熔点柱状玻璃棒是由高岭土、石灰石、硅灰石、硅石、霞石、钾长石、钠长石、硼盐及各种添加剂，进行高温固相反应，形成无序结构的玻璃均质体，从而降低了玻璃熔点采用环保的材料混料、在高温环境下熔融共聚结晶产生氧化硅硼类金属盐，具有超低温熔化的显著特点；所述低熔点柱状玻璃棒的转变温度Tg为300±10℃ ～400℃±10℃，软化温度Tf 为350±10℃ ～450℃±10℃；熔融温度Tf 为500±10℃ ～600℃±10℃；
一种3D玻璃打印机的打印方法，其具体步骤如下：
1）低熔点柱状玻璃棒的选取：选取转变温度Tg为300±10℃ ～ 400℃±10℃，软熔温度Tf 为350±10℃ ～450℃±10℃，彻底熔融温度Tf 为500±10℃ ～ 600℃±10℃的低熔点柱状玻璃棒；
2）将步骤1）所选取的低熔点柱状玻璃棒插入物料处理室内，加热至450℃±1℃并保持加热10分钟，使低熔点柱状玻璃棒处于熔化液体状态，并将熔融态的玻璃液送入下方高温打印头内；
3）所述的高温打印头将步骤2）送来的熔融态的玻璃液继续加热至550±0.5℃，使玻璃原料完全熔融至玻璃液，并通过高温打印头将玻璃液呈直径为0.4±0.05 mm的玻璃细丝持续喷出，然后采用层层堆积的方法，即先完成一个平面，再在其上打印一个平面，逐层加高累积，直至完成打印出玻璃体，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的作用下沿 X轴、Z轴做前后左右水平移动，在步进电机Ⅲ的作用下带动活动框架可做上下移动，从而实现打印头在空间X轴、Y轴、Z轴 三维自由移动；
步骤3）中高温打印头喷出的玻璃细丝在活动框架的作用下沿 X轴、Y轴、Z轴 三维自由移动均匀的平铺在温度在400 ± 5℃的加热基板上；然后将铺有玻璃层的加热基板向下移动至金属锂盐加热室内，使打印后的玻璃在400℃的金属锂盐加热室内与熔融的金属锂盐进行离子交换，使玻璃中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子进行交换，对打印后的玻璃在线进行化学钢化，消除应力提高强度。
Claims (2)
1.一种3D玻璃打印机,其特征在于：所述的3D玻璃打印机具有由耐火材料制成的防护壳体；所述的防护壳体内设置有活动框架；所述的活动框架为由多根支撑杆构成的矩形框架；所述的活动框架通过多根丝杠Ⅲ支撑在防护壳体内；所述的活动框架套置在所述的丝杠Ⅲ上，并与其螺纹连接；所述的丝杠Ⅲ连接在步进电机Ⅲ的输出端，所述的活动框架在步进电机Ⅲ的作用下可沿Y轴上下移动；所述的活动框架内设置有两根垂直设置的丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ；所述的丝杠Ⅰ、丝杠Ⅱ均与高温打印头螺纹连接；所述的丝杠Ⅰ连接在步进电机Ⅰ的输出端，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ的作用下可沿X轴移动；所述的丝杠Ⅱ连接在步进电机Ⅱ的输出端，所述的高温打印头在步进电机Ⅱ的作用下可沿Z轴移动；所述的高温打印头上端连接物料处理室；所述的物料处理室用以熔化低熔点柱状玻璃棒；所述的物料处理室的上端伸出所述的防护壳体，并在所述的物料处理室内插入若干根低熔点柱状玻璃棒；所述高温打印头的下方设置有用以承载打印玻璃的活动加热基板；在步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ和步进电机Ⅲ的作用下，将玻璃液层层打印在所述的活动加热基板上；所述的活动加热基板通过多根丝杠Ⅳ支撑在所述的防护壳体内；对应所述的活动加热基板设置有用以驱动其上下移动的步进电机Ⅳ；所述的步进电机Ⅳ的输出端连接多根所述的丝杠Ⅳ；所述防护壳体内设置有用以对玻璃进行热处理的金属锂盐加热室，且所述的金属锂盐加热室位于所述防护壳体的底部；在步进电机Ⅳ的作用下，使打印有玻璃液的所述的活动加热基板上下移动没入所述的金属锂盐加热室内对玻璃进行化学钢化过程，活动加热基板位于所述金属锂盐加热室的上方，由高温打印头将玻璃液打印在活动加热基板上。
2.如权利要求1所述的一种3D玻璃打印机,其特征在于：所述低熔点柱状玻璃棒的转变温度Tg为300±10℃ ～ 400℃±10℃，软熔温度Tf 为350±10℃ ～450℃±10℃；彻底熔融温度Tf 为500±10℃ ～ 600℃±10℃；
利用所述的一种3D玻璃打印机进行打印的方法，其具体步骤如下：
1）低熔点柱状玻璃棒的选取：选取转变温度Tg为300±10℃ ～ 400℃±10℃，软熔温度Tf 为350±10℃ ～450℃±10℃，彻底熔融温度Tf 为500±10℃ ～ 600℃±10℃的低熔点柱状玻璃棒；
2）将步骤1）所选取的低熔点柱状玻璃棒插入物料处理室内，加热至450℃±1℃并保持加热10分钟，使低熔点柱状玻璃棒处于熔化液体状态，并将熔融态的玻璃液送入高温打印头内；
3）所述的高温打印头将步骤2）送来的熔融态的玻璃液继续加热至550±0.5℃，使玻璃原料完全熔融至玻璃液，并通过高温打印头将玻璃液呈直径为0.4±0.05 mm的玻璃细丝持续喷出，然后采用层层堆积的方法，即先完成一个平面，再在其上打印一个平面，逐层加高累积，直至完成打印出玻璃体，所述的高温打印头在步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ的作用下沿 X轴、Z轴做前后左右水平移动，在步进电机Ⅲ的作用下带动活动框架可做上下移动，从而实现打印头在空间X轴、Y轴、Z轴三维自由移动；
4）步骤3）中高温打印头喷出的玻璃细丝在活动框架的作用下沿 X轴、Y轴、Z轴三维自由移动均匀的平铺在温度在400 ± 5℃的活动加热基板上；然后将铺有玻璃层的活动加热基板向下移动至金属锂盐加热室内，使打印后的玻璃在400℃的金属锂盐加热室内与熔融的金属锂盐进行离子交换，使玻璃中半径较小的离子与溶液中半径较大的离子进行交换，对打印后的玻璃在线进行化学钢化，消除应力提高强度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 571924 Hainan Province Chengmai County Old Town High-tech Industrial Demonstration Zone Hainan Eco-Software Park A17 One Floor 2001 Applicant after: Hainan Haikong special glass technology Co.,Ltd. Address before: 571924 Hainan Ecological Software Park, South First Ring Road, Laocheng Economic Development Zone, Chengmai County Applicant before: AVIC (HAINAN) SPECIAL GLASS MATERIALS Co.,Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |