CN107953544B - 一种基于电场力的三维快速成型方法及装置 - Google Patents

一种基于电场力的三维快速成型方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于电场力的三维快速成型方法及装置，该方法通过电场控制平板，控制其表面附近的电场分布，并利用电场力俘获液体，形成具有预设厚度的二维液体图案，固化并累积二维液体图案形成三维固体实体；所述电场控制平板由下至上为五层结构，依次为基体、下电极、介电层、上电极以及疏液层；当下电极和上电极通上电压后，疏液层上方会存在一定的电场；此时，若液体材料流经此处，部分材料会被电场俘获，形成与下电极平面形状与大小均相同的液滴；本发明还公开了实现该方法的成型装置；实现多材料快速打印；拓宽打印材料范围，同时实现特种材料如水凝胶的3D打印。

Description

一种基于电场力的三维快速成型方法及装置
技术领域
本发明涉及三维快速成型技术领域，具体涉及一种基于电场力的三维快速成型方法及装置。
背景技术
三维快速成型技术也被称为3D打印。目前，对于可固化液体材料的3D打印的成型方式主要有两种。一种是利用喷头移动，同时挤出打印材料并堆积成型的打印方法，单层图案的成型依靠喷头的机械运动。包括直写打印，化学固化打印，以及Polyjet打印方法等。另一种是利用光路进行扫描或投影，从而逐层固化光固化液体材料，并累积成型，单层图案的成型依靠光的扫描路径或投影出的光的图案。包括SLS,DLP,2PP等。基于喷头移动的3D打印技术受限于喷头的移动速度，打印速度慢，且对挤出材料的流变特性要求较高；而依靠光成型的打印方法则只能使用光固化类材料，光学器件造价昂贵，且难以实现多材料打印。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于将一种新的成型方式引入到3D打印中，提供一种基于电场力的三维快速成型方法及装置，从而突破现有的打印技术成型方式本身的限制，实现多材料快速打印；拓宽打印材料范围，同时实现特种材料如水凝胶的3D打印。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电场力的三维快速成型方法，通过电场控制平板，控制其表面附近的电场分布，并利用电场力俘获液体，形成具有预设厚度的二维液体图案，固化并累积二维液体图案形成三维固体实体；
所述电场控制平板由下至上为五层结构，依次为用作支持电场控制平板的基体21、用于施加电场的下电极22、隔开下电极与上电极的介电层23、用于施加电场并与下电极22极性相反的上电极24以及用于隔开上电极与打印液体材料，防止接触，同时提供3D打印所需疏液表面的疏液层25；
当由介电层23隔开的下电极22和上电极24通上电压后，疏液层25上方会存在一定的电场；此时，若液体材料流经此处，部分材料会被电场俘获，形成与下电极22平面形状与大小均相同的液滴。
所述下电极22和上电极24均为若干电极点组成的电极点阵列，电极点阵列根据行或列分组，每组电极点由导电材料连通。
所述下电极22和上电极24的电极点阵列在分组后以正交方式放置.
所述上电极24的电极点阵列的直径小于下电极22的的电极点阵列的直径。
实现所述基于电场力的三维快速成型方法的成型装置，包括固定于水平滑台导轨12-1的水平滑块13-1上的电场控制平板14，固定于竖直滑台导轨12-2的竖直滑块13-2间并与位于电场控制平板14上方且与电场控制平板14平行的固化平台17，所述竖直滑台导轨12-2与步进电机11连接，将步进电机11轴的旋转运动转变为竖直滑台导轨12-2上竖直滑块13-2的直线运动，所述水平滑台导轨12-1与步进电机11连接，步进电机11带动水平滑台导轨12-1使水平滑块13-1和电场控制平板14一起在水平面内做直线运动；还包括固定于水平滑块13-1上方内部存储有打印液体材料的加液装置15，加液装置15上设置加液孔与刮刀，刮刀固定于加液装置15上，与电场控制平板14处于同一水平高度；还包括于固定于空间中或固定于固化平台17或电场控制平板14上的固化装置16。
所述固化装置16为紫外发射装置或加热装置。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明首先通过电场控制平板，控制平板表面附近的电场分布，之后令未固化的液体材料流经电场控制平板，因电场力俘获作用，液体材料会在存在电场的位置停留，在不存在电场的位置直接流走，从而形成具有一定厚度的指定的二维图案。随后通过机械装置控制电场控制平板移动，将成型的二维材料图案与固化平台或已固化模型接触，通过固化手段将液体材料固化。重复以上步骤，通过逐层累加的方式，形成三维实体。
本发明通过电场力俘获导电或者介电液体，使其在液体状态下亦能形成稳定的二维图案，因此其对液体的流变特性没有要求；通过对电极上通电方式的控制，可以一次性控制整个电场控制平板上的电场分布，从而一次性形成一整面的液体二维图案，无需机械运动的辅助，成型速度快；成型的单层二维图案可以利用任何固化方式将其固化，因此对材料的固化方式没有要求。特别是对于水凝胶的3D打印，效果显著。
附图说明
图1为本发明专利的整体结构示意图。
图2为图1中电场控制平板结构示意图。
图3为图2中电极排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明一种基于电场力的三维快速成型方法，通过电场控制平板，控制其表面附近的电场分布，并利用电场力俘获液体，形成具有预设厚度的二维液体图案，固化并累积二维液体图案形成三维固体实体。
如图2所示，所述电场控制平板由下至上为五层结构，依次为用作支持电场控制平板的基体21、用于施加电场的下电极22、隔开下电极与上电极的介电层23、用于施加电场并与下电极22极性相反的上电极24以及用于隔开上电极与打印液体材料，防止接触，同时提供3D打印所需疏液表面的疏液层25。当由介电层23隔开的下电极22和上电极24通上电压后，疏液层25上方会存在一定的电场；此时，若液体材料流经此处，部分材料会被电场俘获，形成与下电极22平面形状与大小均相同的液滴。
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述下电极22和上电极24均为若干电极点组成的电极点阵列，电极点阵列根据行或列分组，每组电极点由导电材料连通。
如图3所示，作为本发明的优选实施方式，所述下电极22和上电极24的电极点阵列在分组后以正交方式放置。当然，可以以任意角度放置。所述上电极24的电极点阵列的直径小于下电极22的的电极点阵列的直径。
本发明通过对不同的电极进行加电控制，控制疏液层25上方的电场分布，进而控制被电场俘获的液体图案。例如，我们将下电极22最左边的电极以及上电极24最下边的电极通上电压，则仅在图3最左下角的电极上方会存在较强的电场；若此时让液体材料流经整个平板，则液体仅会在左下角的电极处被捕获。利用计算机控制，对不同的电极加电，便能任意控制平板上任意一电极点上方电场的有无，因此便能控制液体材料在控制平板的疏液层25上方形成任意的图案。
形成液体二维图案的大小、精度、分辨率等参数由电极点的大小、个数及所加电压决定。
如图1所示，为实现本发明基于电场力的三维快速成型方法的成型装置，包括固定于水平滑台导轨12-1的水平滑块13-1上的电场控制平板14，固定于竖直滑台导轨12-2的竖直滑块13-2间并与位于电场控制平板14上方且与电场控制平板14平行的固化平台17，所述竖直滑台导轨12-2与步进电机11连接，将步进电机11轴的旋转运动转变为竖直滑台导轨12-2上竖直滑块13-2的直线运动，所述水平滑台导轨12-1与步进电机11连接，步进电机11带动水平滑台导轨12-1使水平滑块13-1和电场控制平板14一起在水平面内做直线运动；还包括固定于水平滑块13-1上方内部存储有打印液体材料的加液装置15，加液装置15上设置加液孔与刮刀，刮刀固定于加液装置15上，与电场控制平板14处于同一水平高度；还包括于固定于空间中或固定于固化平台17或电场控制平板14上的固化装置16。
作为本发明的优选实施方式，根据所打印液体材料的固化方式不同，所述固化装置16为紫外发射装置如UV灯、汞灯，或加热装置如电热丝或其他固化相关装置。
采用如图1所示的成型装置的打印步骤如下：
(1)通过计算机处理，将三维实体的图形信息转化为控制信号，控制电压源对电场控制平板14中的特定电极加压，形成与图形信息相关的电场；
(2)计算机控制步进电机11进而带动水平滑台导轨12-1的水平滑块13-1将电场控制平板14移动到加液装置15正下方，在压力作用下，加液装置15中存储的液体打印材料会从加液孔中流出，并流到电场控制平板14上。计算机控制步进电机11带动水平滑台导轨12-1，从而移动电场控制平板14远离加液装置15，此时加液装置15上刮刀与电场控制平板14产生相对运动，从而引导电场控制平板14上的打印液体材料流经整个电场控制平板14。在电场力的作用下，液体会在平板上方存在电场的位置被俘获，留下与下电极22大小与形状均相同的液滴，而在不存在电场的位置，液滴会直接流走，从而在电场控制平板14上形成单层未固化液体图案19；
(3)控制步进电机11带动水平滑台导轨12-1，水平移动电场控制平板14到固化平台17正下方。随后控制步进电机11带动竖直滑台导轨12-2，上下移动固化平台17，令液体图案19与固化平台17或固化平台上已固化材料18接触；
(4)启动固化装置16，固化步骤(2)中成型的液体图案19，使其固化并粘接在固化平台17或已固化材料18上；
(5)重复步骤(1)～(4)，逐层累加打印出绘制的三维实体。

Claims (5)

1.一种基于电场力的三维快速成型方法，其特征在于：通过电场控制平板，控制其表面附近的电场分布，并利用电场力俘获液体，形成具有预设厚度的二维液体图案，固化并累积二维液体图案形成三维固体实体；
所述电场控制平板由下至上为五层结构，依次为用作支持电场控制平板的基体(21)、用于施加电场的下电极(22)、隔开下电极与上电极的介电层(23)、用于施加电场并与下电极(22)极性相反的上电极(24)以及用于隔开上电极与打印液体材料，防止接触，同时提供3D打印所需疏液表面的疏液层(25)；
当由介电层(23)隔开的下电极(22)和上电极(24)通上电压后，疏液层(25)上方会存在一定的电场；此时，若液体材料流经此处，部分材料会被电场俘获，形成与下电极(22)平面形状与大小均相同的液滴；
所述下电极(22)和上电极(24)均为若干电极点组成的电极点阵列，电极点阵列根据行或列分组，每组电极点由导电材料连通；
对不同的电极进行加电控制，控制疏液层(25)上方的电场分布，进而控制被电场俘获的液体图案。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场力的三维快速成型方法，其特征在于：所述下电极(22)和上电极(24)的电极点阵列在分组后以正交方式放置.
3.根据权利要求1所述的一种基于电场力的三维快速成型方法，其特征在于：所述上电极(24)的电极点阵列的直径小于下电极(22)的的电极点阵列的直径。
4.实现权利要求1-3任一项所述基于电场力的三维快速成型方法的成型装置，其特征在于：包括固定于水平滑台导轨(12-1)的水平滑块(13-1)上的电场控制平板(14)，固定于竖直滑台导轨(12-2)的竖直滑块(13-2)间并与位于电场控制平板(14)上方且与电场控制平板(14)平行的固化平台(17)，所述竖直滑台导轨(12-2)与步进电机(11)连接，将步进电机(11)轴的旋转运动转变为竖直滑台导轨(12-2)上竖直滑块(13-2)的直线运动，所述水平滑台导轨(12-1)与步进电机(11)连接，步进电机(11)带动水平滑台导轨(12-1)使水平滑块(13-1)和电场控制平板(14)一起在水平面内做直线运动；还包括固定于水平滑块(13-1)上方内部存储有打印液体材料的加液装置(15)，加液装置(15)上设置加液孔与刮刀，刮刀固定于加液装置(15)上，与电场控制平板(14)处于同一水平高度；还包括于固定于空间中或固定于固化平台(17)或电场控制平板(14)上的固化装置(16)；
所述电场控制平板由下至上为五层结构，依次为用作支持电场控制平板的基体(21)、用于施加电场的下电极(22)、隔开下电极与上电极的介电层(23)、用于施加电场并与下电极(22)极性相反的上电极(24)以及用于隔开上电极与打印液体材料，防止接触，同时提供3D打印所需疏液表面的疏液层(25)；
所述下电极(22)和上电极(24)均为若干电极点组成的电极点阵列，电极点阵列根据行或列分组，每组电极点由导电材料连通；
对不同的电极进行加电控制，控制疏液层(25)上方的电场分布，进而控制被电场俘获的液体图案。
5.根据权利要求4所述的成型装置，其特征在于：所述固化装置(16)为紫外发射装置或加热装置。
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