CN107718541A - 一种三维打印机及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印机，包括移动喷头、横杆、衔接器、打印喷嘴、固定连接杆和可调光源组件，其中，所述移动喷头通过所述横杆与所述衔接器相连接，所述打印喷嘴设置在所述移动喷头的底部，所述可调光源组件通过所述固定连接杆固定在所述移动喷头上，所述可调光源组件射出的聚光光斑位于所述打印喷嘴的正下方；本发明通过在移动喷头上设置可调光源组件的方式，通过光辐射实现将打印喷嘴下方的物料加热熔融的效果，即利用聚焦光温度高的特点，对已经冷却的前一层聚乳酸材料进行辐射加热融化，使其回到熔融状态，再滴注第二层聚乳酸材料，做到熔融状态的连接，通过聚光熔接的方法增加截面层间的粘合度。

Description

一种三维打印机及其实现方法

技术领域

本发明涉及打印机技术领域，具体涉及一种三维打印机及其实现方法。

背景技术

目前3D打印技术多用聚乳酸(PLA)等易熔、易固、易成型的材料作为打印物料，而在使用聚乳酸材料进行3D打印时，一般运用熔融沉积制造法(FDM)快速成型技术，即由计算机根据计算机辅助设计(CAD)模型确定的几何信息(三维图形)，控制FDM喷嘴，将使用的聚乳酸材料通过加热器的挤压头熔化成液体，使熔化的聚乳酸材料通过喷嘴挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的聚乳酸材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的部件之上，并在0.1s内迅速凝固，形成一层聚乳酸材料。之后，挤压头沿轴向上运动一个微小距离进行下一层聚乳酸材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。但是，在现有技术中，如果底层部件打印时间过长，接下来需要打印的一层聚乳酸材料就建造在已冷却至固态的底层聚乳酸材料上面，这两层聚乳酸材料不是同时处于熔融状态，存在温差，因此相邻两层之间的聚乳酸材料不能很好地融合起来，即粘合程度降低，使打印出来的成品极易出现断层现象，从而导致物料、能源的损失。为了保证成品不容易断层，操作者往往会限制打印薄层截面面积来提高粘合程度，即通过缩小打印薄层截面面积来保证打印同一点的间隔时间不至过长，在已建造层聚乳酸材料冷却至固态之前，覆盖上下一层的聚乳酸材料，通过这样提高扫描速率以实现相邻两层聚乳酸材料都同处于熔融状态，使其更易融合。但是，由于存在加热聚乳酸材料至熔融状态的速度、通过FDM喷嘴传输挤出的速度、电机运转速度、打印层截面等等的条件限制，往往打印同一点间隔时间的把握并不能保证相邻两层之间的聚乳酸材料有效融合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种三维打印机，该三维打印机利用聚焦光热熔的方法，即利用聚焦光温度高的特点，对打印的前一层聚乳酸材料进行辐射加热融化，再打印第二层聚乳酸材料，通过聚光熔接的方法增加截面层间的粘合度，解决打印时由于现有3D打印技术的速度和打印方式的限制，当打印的层截面过大，打印材料聚乳酸的冷却导致粘合度降低而造成断层的问题。

本发明的另一目的在于提供一种三维打印机的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种三维打印机，包括移动喷头、横杆、衔接器、打印喷嘴、固定连接杆和可调光源组件，其中，所述移动喷头通过所述横杆与所述衔接器相连接，所述打印喷嘴设置在所述移动喷头的底部，所述可调光源组件通过所述固定连接杆固定在所述移动喷头上，所述可调光源组件射出的聚光光斑位于所述打印喷嘴的正下方，且所述聚光光斑的半径大于所述打印喷嘴孔径的半径；

所述可调光源组件包括外壳，以及设置在外壳内的光源、可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜，其中所述光源设置在所述外壳的顶部，所述可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜设置在所述光源的下方，所述固定偏振片设置在所述可调节偏振片和可调节聚光透镜之间。

优选地，所述衔接器设有两个，分别设置在所述横杆的两端。

优选地，所述光源与外部电源相连接，所述可调光源组件的光辐射强度可通过与所述光源相连接的外部电源来调节。

优选地，所述外壳上设有与所述可调节偏振片相连接的旋钮，所述可调光源组件的光辐射强度可通过所述旋钮控制可调节偏振片旋转的幅度来调节。

优选地，所述外壳下部设有供所述可调节聚光透镜上下移动的空间，所述可调光源组件的聚光光斑大小可通过所述可调节聚光透镜上下运动的距离来调节。

一种由上述三维打印机的实现方法，包括下述步骤：

(1)首先三维打印机控制衔接器运动，从而控制移动喷头移动到操作台上，打印喷嘴启动，开始打印第一层聚乳酸材料，打印完成后，第一层凝固的聚乳酸材料为底层物料；

(2)之后在底层物料之上开始打印第二层聚乳酸材料，此时可调光源组件启动，在打印喷嘴打印第二层聚乳酸材料的同时，可调光源组件的光源、可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜相互配合工作，可调光源组件射出汇聚光线，在打印喷嘴的正下方形成聚光光斑，对打印喷嘴正下方的底层物料进行加热，使聚光光斑范围内的底层物料温度升高，并使其与第二层聚乳酸材料都处于熔融状态，从而使相邻两层之间的聚乳酸材料融合起来；

(3)之后三维打印机继续控制移动喷头在底层物料上移动，而聚光光斑继续跟随打印喷嘴移动，直至打印作业完成；

其中，所述步骤(2)中，所述可调光源组件的工作过程具体为：

光源出光能量为W_光源，聚光光斑的半径为r，移动喷头的移动速度为v，加热时间为则在加热时间内底层物料受到的辐射能量为：

因此，可知光源越强、光斑半径越小、移动喷头的移动速度越小，其辐射的能量越大，反之则越小；

划定辐射能量的范围，即W_MIN＜W_辐射＜W_MAX，其中，W_MIN和W_MAX可根据聚乳酸的热熔性质计算得出；

由于聚乳酸材料打印后在0.1s内会迅速凝固，且受打印面积影响，当打印第二层聚乳酸材料时，底层物料已趋于室温，即为起始温度，设为T_起始，而第二层聚乳酸材料被打印时已加热至熔融阶段，即120℃到160℃，因此加热温差分别为：

ΔT_MIN＝120℃-T_起始；

ΔT_MAX＝160℃-T_起始；

聚乳酸材料的比热容为C＝2040J/(kg*K)，质量为m＝πr′²*z，其中r′为打印喷嘴的孔径半径，z为每层物料的厚度，

因此，得出如下公式：

W_MIN＝C×ΔT_MIN×m；

W_MAX＝C×ΔT_MAX×m；

可调光源组件按照以上推导进行操作，根据打印喷嘴孔径大小和待打印物料厚度的情况，调节移动喷头的移动速度、光斑半径和光源强度即可完成三维打印机的打印作业需求。

本发明的工作原理：

工作时，首先三维打印机控制衔接器运动，从而控制移动喷头移动到操作台上，打印喷嘴启动，开始打印第一层聚乳酸材料，打印完成后，第一层凝固的聚乳酸材料为底层物料，之后在底层物料之上开始打印第二层聚乳酸材料，此时可调光源组件启动，在打印喷嘴打印第二层聚乳酸材料的同时，可调光源组件的光源、可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜相互配合工作，可调光源组件射出汇聚光线，在打印喷嘴的正下方形成聚光光斑，对打印喷嘴正下方的底层物料进行加热，使聚光光斑范围内的底层物料温度升高，并使其与第二层聚乳酸材料都处于熔融状态，从而使相邻两层之间的聚乳酸材料融合起来；之后三维打印机继续控制移动喷头在底层物料上移动，而聚光光斑继续跟随打印喷嘴移动，直至打印作业完成；

其中，所述可调光源组件的工作过程具体为：

光源出光能量为W_光源，聚光光斑的半径为r，移动喷头的移动速度为v，加热时间为则在加热时间内底层物料受到的辐射能量为：

因此，可知光源越强、光斑半径越小、移动喷头的移动速度越小，其辐射的能量越大，反之则越小；

划定辐射能量的范围，即W_MIN＜W_辐射＜W_MAX，其中，W_MIN和W_MAX可根据聚乳酸的热熔性质计算得出；

由于聚乳酸材料打印后在0.1s内会迅速凝固，且受打印面积影响，当打印第二层聚乳酸材料时，底层物料已趋于室温，即为起始温度，设为T_起始，而第二层聚乳酸材料被打印时已加热至熔融阶段，即120℃到160℃，因此加热温差分别为：

ΔT_MIN＝120℃-T_起始；

ΔT_MAX＝160℃-T_起始；

聚乳酸材料的比热容为C＝2040J/(kg*K)，质量为m＝πr′²*z，其中r′为打印喷嘴的孔径半径，z为每层物料的厚度，

因此，得出如下公式：

W_MIN＝C×ΔT_MIN×m；

W_MAX＝C×ΔT_MAX×m；

可调光源组件按照以上推导进行操作，根据打印喷嘴孔径大小和待打印物料厚度的情况，调节移动喷头的移动速度、光斑半径和光源强度即可完成三维打印机的打印作业需求。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明通过在移动喷头上设置可调光源组件的方式，通过光辐射实现将打印喷嘴下方的物料加热熔融的效果，即利用聚焦光温度高的特点，对已经冷却的前一层聚乳酸材料进行辐射加热融化，使其回到熔融状态，再滴注第二层聚乳酸材料，做到熔融状态的连接，通过聚光熔接的方法增加截面层间的粘合度，避免由于打印层截面过大、聚乳酸材料冷却而导致的相邻两层之间的聚乳酸材料粘合度降低，进而造成物料断层的现象发生；通过本发明的打印，使相邻两层之间的聚乳酸材料融合程度很高，不易出现断层，而且不管打印的面积有多大，都不会影响打印的质量；本发明可调光源组件的内部结构都可自由调节，相互配合工作，通过光源、可调节偏振片和可调节聚光透镜的调节都能够实现调节聚光光斑的强度和大小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明可调光源组件的结构示意图。

图中附图标记为：1、衔接器；2、移动喷头；3、横杆；4、固定连接杆；5、可调光源组件；6、打印喷嘴；7、汇聚光线；8、聚光光斑；9、第二层聚乳酸材料；10、底层物料；11、操作台；12、外壳；13、光源；14、可调节偏振片；15、固定偏振片；16、可调节聚光透镜。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～2所示，一种三维打印机，包括移动喷头2、横杆3、衔接器1、打印喷嘴6、固定连接杆4和可调光源组件5，其中，所述移动喷头2通过所述横杆3与所述衔接器1相连接，所述衔接器1设有两个，分别设置在所述横杆3的两端，设置两个衔接器能够更加精确地控制移动喷头2的运动轨迹；所述打印喷嘴6设置在所述移动喷头2的底部，所述可调光源组件5通过所述固定连接杆4固定在所述移动喷头2上，所述可调光源组件5射出的聚光光斑8位于所述打印喷嘴6的正下方，且所述聚光光斑8的半径大于所述打印喷嘴6孔径的半径；

所述可调光源组件5包括外壳12，以及设置在外壳12内的光源13、可调节偏振片14、固定偏振片15和可调节聚光透镜16，其中所述光源13设置在所述外壳12的顶部，所述可调节偏振片14、固定偏振片15和可调节聚光透镜16设置在所述光源13的下方，所述固定偏振片15设置在所述可调节偏振片14和可调节聚光透镜16之间；所述光源13与外部电源相连接，所述可调光源组件5的光辐射强度可通过与所述光源13相连接的外部电源来调节；所述外壳12上设有与所述可调节偏振片14相连接的旋钮，所述可调光源组件5的光辐射强度可通过所述旋钮控制可调节偏振片14旋转的幅度来调节；所述外壳12下部设有供所述可调节聚光透镜16上下移动的空间，所述可调光源组件5的聚光光斑8大小可通过所述可调节聚光透镜16上下运动的距离来调节。

工作时，首先三维打印机控制衔接器1运动，从而控制移动喷头2移动到操作台11上，打印喷嘴6启动，开始打印第一层聚乳酸材料，打印完成后，第一层凝固的聚乳酸材料为底层物料10，之后在底层物料10之上开始打印第二层聚乳酸材料9，此时可调光源组件5启动，在打印喷嘴6打印第二层聚乳酸材料9的同时，可调光源组件5的光源13、可调节偏振片14、固定偏振片15和可调节聚光透镜16相互配合工作，可调光源组件5射出汇聚光线7，在打印喷嘴6的正下方形成聚光光斑8，对打印喷嘴6正下方的底层物料10进行加热，使聚光光斑8范围内的底层物料10温度升高，并使其与第二层聚乳酸材料9都处于熔融状态，从而使相邻两层之间的聚乳酸材料融合起来；之后三维打印机继续控制移动喷头2在底层物料10上移动，而聚光光斑8继续跟随打印喷嘴6移动，直至打印作业完成；

其中，所述可调光源组件5的工作过程具体为：

光源13出光能量为W_光源，聚光光斑8的半径为r，移动喷头2的移动速度为v，加热时间为则在加热时间内底层物料10受到的辐射能量为：

因此，可知光源13越强、光斑半径越小、移动喷头2的移动速度越小，其辐射的能量越大，反之则越小；

划定辐射能量的范围，即W_MIN＜W_辐射＜W_MAX，其中，W_MIN和W_MAX可根据聚乳酸的热熔性质计算得出；

由于聚乳酸材料打印后在0.1s内会迅速凝固，且受打印面积影响，当打印第二层聚乳酸材料9时，底层物料10已趋于室温，即为起始温度，设为T_起始，而第二层聚乳酸材料9被打印时已加热至熔融阶段，即120℃到160℃，因此加热温差分别为：

ΔT_MIN＝120℃-T_起始；

ΔT_MAX＝160℃-T_起始；

聚乳酸材料的比热容为C＝2040J/(kg*K)，质量为m＝πr′²*z，其中r′为打印喷嘴6的孔径半径，z为每层物料的厚度，

因此，得出如下公式：

W_MIN＝C×ΔT_MIN×m；

W_MAX＝C×ΔT_MAX×m；

可调光源组件5按照以上推导进行操作，根据打印喷嘴6孔径大小和待打印物料厚度的情况，调节移动喷头2的移动速度、光斑半径和光源13强度即可完成三维打印机的打印作业需求。

本发明通过在移动喷头上设置可调光源组件的方式，通过光辐射实现将打印喷嘴下方的物料加热熔融的效果，即利用聚焦光温度高的特点，对已经冷却的前一层聚乳酸材料进行辐射加热融化，使其回到熔融状态，再滴注第二层聚乳酸材料，做到熔融状态的连接，通过聚光熔接的方法增加截面层间的粘合度，避免由于打印层截面过大、聚乳酸材料冷却而导致的相邻两层之间的聚乳酸材料粘合度降低，进而造成物料断层的现象发生；通过本发明的打印，使相邻两层之间的聚乳酸材料融合程度很高，不易出现断层，而且不管打印的面积有多大，都不会影响打印的质量；本发明可调光源组件的内部结构都可自由调节，相互配合工作，通过光源、可调节偏振片和可调节聚光透镜的调节都能够实现调节聚光光斑的强度和大小。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维打印机，其特征在于，包括移动喷头、横杆、衔接器、打印喷嘴、固定连接杆和可调光源组件，其中，所述移动喷头通过所述横杆与所述衔接器相连接，所述打印喷嘴设置在所述移动喷头的底部，所述可调光源组件通过所述固定连接杆固定在所述移动喷头上，所述可调光源组件射出的聚光光斑位于所述打印喷嘴的正下方，且所述聚光光斑的半径大于所述打印喷嘴孔径的半径；

所述可调光源组件包括外壳，以及设置在外壳内的光源、可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜，其中所述光源设置在所述外壳的顶部，所述可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜设置在所述光源的下方，所述固定偏振片设置在所述可调节偏振片和可调节聚光透镜之间。

2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述衔接器设有两个，分别设置在所述横杆的两端。

3.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述光源与外部电源相连接，所述可调光源组件的光辐射强度可通过与所述光源相连接的外部电源来调节。

4.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述外壳上设有与所述可调节偏振片相连接的旋钮，所述可调光源组件的光辐射强度可通过所述旋钮控制可调节偏振片旋转的幅度来调节。

5.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述外壳下部设有供所述可调节聚光透镜上下移动的空间，所述可调光源组件的聚光光斑大小可通过所述可调节聚光透镜上下运动的距离来调节。

6.一种由权利要求1～5任一项所述三维打印机的实现方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)首先三维打印机控制衔接器运动，从而控制移动喷头移动到操作台上，打印喷嘴启动，开始打印第一层聚乳酸材料，打印完成后，第一层凝固的聚乳酸材料为底层物料；

(2)之后在底层物料之上开始打印第二层聚乳酸材料，此时可调光源组件启动，在打印喷嘴打印第二层聚乳酸材料的同时，可调光源组件的光源、可调节偏振片、固定偏振片和可调节聚光透镜相互配合工作，可调光源组件射出汇聚光线，在打印喷嘴的正下方形成聚光光斑，对打印喷嘴正下方的底层物料进行加热，使聚光光斑范围内的底层物料温度升高，并使其与第二层聚乳酸材料都处于熔融状态，从而使相邻两层之间的聚乳酸材料融合起来；

(3)之后三维打印机继续控制移动喷头在底层物料上移动，而聚光光斑继续跟随打印喷嘴移动，直至打印作业完成；

其中，所述步骤(2)中，所述可调光源组件的工作过程具体为：

光源出光能量为W_光源，聚光光斑的半径为r，移动喷头的移动速度为v，加热时间为则在加热时间内底层物料受到的辐射能量为：

因此，可知光源越强、光斑半径越小、移动喷头的移动速度越小，其辐射的能量越大，反之则越小；

划定辐射能量的范围，即W_MIN＜W_辐射＜W_MAX，其中，W_MIN和W_MAX可根据聚乳酸的热熔性质计算得出；

由于聚乳酸材料打印后在0.1s内会迅速凝固，且受打印面积影响，当打印第二层聚乳酸材料时，底层物料已趋于室温，即为起始温度，设为T_起始，而第二层聚乳酸材料被打印时已加热至熔融阶段，即120℃到160℃，因此加热温差分别为：

ΔT_MIN＝120℃-T_起始；

ΔT_MAX＝160℃-T_起始；

聚乳酸材料的比热容为C＝2040J/(kg*K)，质量为m＝πr′²*z，其中r′为打印喷嘴的孔径半径，z为每层物料的厚度，因此，得出如下公式：

W_MIN＝C×ΔT_MIN×m；

W_MAX＝C×ΔT_MAX×m；

可调光源组件按照以上推导进行操作，根据打印喷嘴孔径大小和待打印物料厚度的情况，调节移动喷头的移动速度、光斑半径和光源强度即可完成三维打印机的打印作业需求。