CN108312524B - 一种基于气液化学反应沉积的3d打印装置与运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置与运行方法。包括密封成型室,以及设置在密封成型室内的三轴联动机构;该三轴联动机构根据D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷嘴在密封成型室内沿X轴、Y轴或者Z轴方向运动;所述密封成型室内部设置有成型槽;喷嘴为喷气嘴,位于成型槽上方;密封成型室的外部设置有供液槽、气瓶;成型槽上设有一喷液嘴,喷液嘴通过导管连接供液槽;供液槽内装有基体溶液;通过上述简单的结构配置即可实现零件成型目的,整个成型过程在反应气体与基体溶液的化学能驱动下自动方式,无需额外提供热源、光源等,除了具有现存D打印技术的特点外,还具有结构简单、成本低廉、容易实现的特点。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域,尤其涉及一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置与运行方法。
背景技术
3D打印是增材制造技术的通俗称谓,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,与电脑连接后,通过电脑控制把打印材料逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“积层造形法”)。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程,以及其他领域都有所应用。
3D打印技术包括激光选区熔化技术、激光选区烧结技术、电子束熔化成型技术、熔融沉积技术、数字化光处理技术、立体平板印刷技术等等,经过不断的发展已经获得了显著的成果。以上3D打印技术均是通过加热粉料或丝材、固化树脂、切割薄片等方式来实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足,提供一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置与运行方法。
本发明通过下述技术方案实现:
一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置,包括密封成型室10,以及设置在密封成型室10内的三轴联动机构;该三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷嘴在密封成型室10内沿X轴、Y轴或者Z轴方向运动;所述密封成型室10内部设置有成型槽17;
所述喷嘴为喷气嘴15,位于成型槽17上方;
所述密封成型室10的外部设置有供液槽1、气瓶2;
所述成型槽17上设有一喷液嘴14,喷液嘴14通过导管13连接供液槽1;供液槽内装有基体溶液4;
所述喷气嘴15通过随动导管5连接气瓶2;气瓶2内装有反应气体。
所述成型槽17内底部设置有成型基台。
所述导管13与供液槽的衔接处设置有电磁阀门6;所述随动导管5与气瓶2的衔接处设置有气阀8。
所述供液槽1和气瓶2分别安装在密封成型室10上。
一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,其包括如下步骤:
步骤一:根据待加工零件的形状,建立其三维CAD数字模型,然后保存为STL格式文件,使用切片软件对三维数字模型进行切片处理,每层切片的厚度相同,切片中包含了零件的截面轮廓信息,将切片后的文件导入移动路径规划软件中,获得喷气嘴15的移动路径数据;
步骤二:通过三轴联动机构调整喷气嘴15的坐标位置,预先将喷气嘴15的喷嘴移动至成型基台上,并与成型基台距离一个切片厚度;
步骤三:基体溶液4预先注满成型槽17内;
步骤四:启动加工作业,三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷气嘴15按照步骤一中的移动路径数据,选择性的在成型基台的基体溶液4上喷射反应气体,反应气体与成型基台上表面的基体溶液4接触发生化学反应固体沉积,完成零件的一个成型层的加工;
步骤五:步骤四完成后,喷气嘴15上升一个切片层厚的高度,在基体溶液4的自身张力及重力作用下自发流动下,重新覆盖在已成型层的表面,喷气嘴15按照下一层移动移动路径,将反应气体喷射到该已成型层表面,通过化学反应产生的物质沉积到已成型层表面,完成本层加工;
步骤六:重复步骤四至步骤五,直至整个零件加工完成。
步骤六所述零件加工过程中,随着化学反应的进行,成型槽17中的基体溶液4会逐渐减少,则打开电磁阀门6补充基体溶液4,使零件的成型层始终处于基体溶液4的液面之下。
步骤四所述反应气体为二氧化碳或者氨气;
步骤四所述基体溶液为氢氧化钙溶液或者氯化镁溶液。
本发明相对于现有技术,具有如下的优点及效果:
本发明将化学反应沉淀效应成功转化为一种加工方法,开发出了一种新型的3D打印方式,与传统激光选区熔化设备的不同之处主要在于:所述密封成型室10内部设置有成型槽17;所述喷嘴为喷气嘴15,位于成型槽17上方;所述密封成型室10的外部设置有供液槽1、气瓶2;所述成型槽17上设有一喷液嘴14,喷液嘴14通过导管13连接供液槽1;供液槽内装有基体溶液4;所述喷气嘴15通过随动导管5连接气瓶2;气瓶2内装有反应气体。所述成型槽17内底部设置有成型基台。通过上述结构配置,在基于气液化学反应沉积原理下实现工件的打印。通过上述简单的结构配置即可实现零件成型目的,整个成型过程在反应气体与基体溶液(液体或者胶状物)的化学能驱动下自动方式,无需额外提供热源、光源等。
本发明通过反应气体与基体溶液4(液体或者胶状物)发生化学反应产生固体沉淀的现象,结合传统3D打印机控制系统的移动路径规划及三轴联动机构的自动控制机理,根据所需零件的数字化模型,按照处理后的移动路径,控制喷气嘴选区移动并不断喷出反应气体,并与基体溶液4发生化学沉积反应,经过层层累积叠加最终实现整个零件的成型。根据所需零件的材质,可以配置不同的组合,获得金属、无机非金属以及固体有机体等不同材质的零件。本发明根据化学反应沉积现象,创新性的将该现象作为一种成型方式,开发出来新的3D打印技术,不但结构简单,容易实现,而且整个成型过程是由两种物质的化学能自发推动,因此无需引入热源、光源等,具有极高的应用潜力和价值。
附图说明
图1为本发明基于气液化学反应沉积的3D打印装置。
图2为本发明基于气液化学反应沉积的3D运行流程图。
图中:供液槽1;气瓶2;X导轨3;基体溶液4;随动导管5;电磁阀门6;Y导轨7;气阀8;滑块9;密封成型室10;夹持杆11;Z导轨12;导管13;喷液嘴14;喷气嘴15、已成型零件16;成型槽17。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-2所示。本发明公开了一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置,包括密封成型室10,以及设置在密封成型室10内的三轴联动机构;该三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷嘴在密封成型室10内沿X轴、Y轴或者Z轴方向运动;
3D打印技术基于离散材料逐层堆积成型原理,依据三维设计软件设计的数字化零件的三维数据,通过选区熔化、堆积等方式直接制造出具有复杂结构的功能零件。本发明提供的基于气液化学反应沉积的3D打印装置与传统方式不同之处在于,无需额外的热源、光源等,仅仅依靠气态反应物质与液体或胶状基体物质的化学能自发进行,工艺简单,容易实现。
具体方案如下:
所述密封成型室10内部设置有成型槽17;
所述喷嘴为喷气嘴15,位于成型槽17上方;
所述密封成型室10的外部设置有供液槽1、气瓶2;
所述成型槽17上设有一喷液嘴14,喷液嘴14通过导管13连接供液槽1;供液槽内装有基体溶液4;
所述喷气嘴15通过随动导管5连接气瓶2;气瓶2内装有反应气体。
所述成型槽17内底部设置有成型基台。
所述导管13与供液槽的衔接处设置有电磁阀门6;所述随动导管5与气瓶2的衔接处设置有气阀8。
所述供液槽1和气瓶2分别安装在密封成型室10上。
密封成型室10为化学反应沉积过程提供环境,避免环境的干扰。
预先贮存于供液槽1的基体溶液4通过电磁阀门6由导管13通过喷液嘴14流入成型槽17中,成型前基体溶液4预先注满成型槽17,在成型过程中随着化学反应的进行,成型槽17中的基体溶液4会逐渐减少,则打开电磁阀门6使得预先储存的基体溶液4流入成型槽内进行补充。
三轴联动机构中的X导轨3、Y导轨7以及Z导轨12实现滑块9在X、Y和Z方向移动,夹持杆11左端连接喷气嘴15,右端与滑块9连接,进而滑块9的移动带动了喷气嘴15的移动。由于该三轴联动机构的工作机理,与现有激光选区熔化设备中的三轴联动机构工作原理相同,故不再一一赘述。
成型槽17中的基体溶液4充满后,气瓶2中的反应气体通过气阀8由随动导管5通过喷气嘴15通入成型槽17中。反应气体通过与基体溶液4发生化学反应产生固体沉淀,通过逐层沉积获得零件16。每完成一层成型后,喷气嘴15上升一个切片层厚的高度,基体溶液4在重量作用下自动预铺到已成型零件16表面,进而为下一层化学反应沉积做准备。不断重复以上步骤直至整个成型过程完成。
本发明基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,其包括如下步骤:
步骤一:根据待加工零件的形状,建立其三维CAD数字模型,然后保存为STL格式文件,使用切片软件对三维数字模型进行切片处理,每层切片的厚度相同,切片中包含了零件的截面轮廓信息,将切片后的文件导入移动路径规划软件中,获得喷气嘴15的移动路径数据;
步骤二:通过三轴联动机构调整喷气嘴15的坐标位置,预先将喷气嘴15的喷嘴移动至成型基台上,并与成型基台距离一个切片厚度;
步骤三:基体溶液4预先注满成型槽17内;
步骤四:启动加工作业,三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷气嘴15按照步骤一中的移动路径数据,选择性的在成型基台的基体溶液4上喷射反应气体,反应气体与成型基台上表面的基体溶液4接触发生化学反应固体沉积,完成零件的一个成型层的加工;
步骤五:步骤四完成后,喷气嘴15上升一个切片层厚的高度,在基体溶液4的自身张力及重力作用下自发流动下,重新覆盖在已成型层的表面,喷气嘴15按照下一层移动移动路径,将反应气体喷射到该已成型层表面,通过化学反应产生的物质沉积到已成型层表面,完成本层加工;
步骤六:重复步骤四至步骤五,直至整个零件加工完成。
步骤六所述零件加工过程中,随着化学反应的进行,成型槽17中的基体溶液4会逐渐减少,则打开电磁阀门6补充基体溶液4,使零件的成型层始终处于基体溶液4的液面之下。
所述反应气体应可以与基体溶液发生化学沉淀反应,生产所需的固体材料,其组合包括但不限于以下所示:
以二氧化碳为反应物质,以氢氧化钙溶液为基体溶液,通过二氧化碳与氢氧化钙溶液接触后发生化学反应产生碳酸钙沉淀,碳酸钙沉淀在逐层累积后形成所需的零件实体。为获得氢氧化镁材质的零件,可以将氨气为作为反应物质,以氯化镁溶液作为基体溶液,通过两者之间的化学反应产生氢氧化镁沉淀来获得所需零件实体。
本发明喷气嘴可安装气流调节阀门,喷气嘴的口径根据成型零件精度要求可选取尺寸在0.1-1.0mm;具体尺寸应根据实际应用而定。
喷气嘴上升一个切片厚度,其具体数值需根据成型需要选择0.05-0.3mm范围内。
根据反应产物的不同,可分为无机非金属零件、金属零件以及有机物零件。
本发明通过反应气体与基体溶液4(液体或者胶状物)发生化学反应产生固体沉淀的现象,结合传统3D打印机控制系统的移动路径规划及三轴联动机构的自动控制机理,根据所需零件的数字化模型,按照处理后的移动路径,控制喷气嘴选区移动并不断喷出反应气体,并与基体溶液4发生化学沉积反应,经过层层累积叠加最终实现整个零件的成型。根据所需零件的材质,可以配置不同的组合,获得金属、无机非金属以及固体有机体等不同材质的零件。本发明根据化学反应沉积现象,创新性的将该现象作为一种成型方式,开发出来新的3D打印技术,不但结构简单,容易实现,而且整个成型过程是由两种物质的化学能自发推动,因此无需引入热源、光源等,具有极高的应用潜力和价值。
如上所述,便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他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 (4)
1.一种基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,其特征在于,该3D打印装置包括密封成型室(10),以及设置在密封成型室(10)内的三轴联动机构;该三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷嘴在密封成型室(10)内沿X轴、Y轴或者Z轴方向运动;
所述密封成型室(10)内部设置有成型槽(17);
所述喷嘴为喷气嘴(15),位于成型槽(17)上方;
所述密封成型室(10)的外部设置有供液槽(1)、气瓶(2);
所述成型槽(17)上设有一喷液嘴(14),喷液嘴(14)通过导管(13)连接供液槽(1);供液槽内装有基体溶液(4);
所述喷气嘴(15)通过随动导管(5)连接气瓶(2);气瓶(2)内装有反应气体;
所述运行方法,包括如下步骤:
步骤一:根据待加工零件的形状,建立其三维CAD数字模型,然后保存为STL格式文件,使用切片软件对三维数字模型进行切片处理,每层切片的厚度相同,切片中包含了零件的截面轮廓信息,将切片后的文件导入移动路径规划软件中,获得喷气嘴(15)的移动路径数据;
步骤二:通过三轴联动机构调整喷气嘴(15)的坐标位置,预先将喷气嘴(15)的喷嘴移动至成型基台上,并与成型基台距离一个切片厚度;
步骤三:基体溶液(4)预先注满成型槽(17)内;
步骤四:启动加工作业,三轴联动机构根据3D打印机控制系统的移动路径规划,携带喷气嘴(15)按照步骤一中的移动路径数据,选择性的在成型基台的基体溶液(4)上喷射反应气体,反应气体与成型基台上表面的基体溶液(4)接触发生化学反应固体沉积,完成零件的一个成型层的加工;
步骤五:步骤四完成后,喷气嘴(15)上升一个切片层厚的高度,在基体溶液(4)的自身张力及重力作用下自发流动下,重新覆盖在已成型层的表面,喷气嘴(15)按照下一层移动移动路径,将反应气体喷射到该已成型层表面,通过化学反应产生的物质沉积到已成型层表面,完成本层加工;
步骤六:重复步骤四至步骤五,直至整个零件加工完成;零件加工过程中,随着化学反应的进行,成型槽(17)中的基体溶液(4)会逐渐减少,则打开电磁阀门(6)补充基体溶液(4),使零件的成型层始终处于基体溶液(4)的液面之下。
2.根据权利要求1所述基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,所述成型槽(17)内底部设置有成型基台。
3.根据权利要求2所述基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,所述导管(13)与供液槽的衔接处设置有电磁阀门(6);所述随动导管(5)与气瓶(2)的衔接处设置有气阀(8)。
4.根据权利要求3所述基于气液化学反应沉积的3D打印装置的运行方法,所述供液槽(1)和气瓶(2)分别安装在密封成型室(10)上。
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