CN108372572A - 高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3d成型机及打印方法 - Google Patents
高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3d成型机及打印方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机及打印方法，包括主体框架、料槽、投影仪、Z轴垂竖直降系统、刮刀系统、激光测距控制系统以及打印平台；该3D成型机采用打印平台压入式，每一层打印后，打印平台在成形缸中下压，低于水平一定高度，高温硬质复合材料凭借自身流动性在压力作用进入旁侧存料缸中，旁侧存料缸中复合材料液面上升，在刮刀作用下，将该高于水平液面材料带入成形缸中并置平。本发明采用专用刮刀结构，实现高效材料置平且不造成刮刀粘附。同时采用上罩式面曝光样件埋入方式克服大尺寸零件重量大，基板与零件粘结不良的问题，并借助激光测距传感器固定在打印平台及料槽之上的结构来克服打印精度较低的问题。
Description
技术领域
本发明属于増材制造领域，涉及一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机及打印方法。
背景技术
随着时代的不断革新，许多高新科技借助这一契机蓬勃发展。快速成型技术，同样依赖于计算机控制技术、激光技术、材料科学技术迅猛发展。SLA和DLP则为该技术的两个主要成型方式。两者的区别主要在于使用的光源不一样，SLA采用激光，DLP采用投影仪。DLP打印机所依托的技术为数字化面曝光，以提高打印效率。RP技术的实现通过软件对CAD模型进行分层切片，在软件内部则将每一层的切片信息经过计算机处理传输到DLP投影仪上，然后逐层累积材料至最终成型。其优点是简单快速，成型质量高，在机械、医疗、航空、军工等众多领域取得良好的反响。不过，它们都存在各自的局限性，如SLA生产效率较低，打印精度不高；而下照式DLP打印机在树脂脱离离型膜的过程仍旧存在较大问题，同时，存在模型较大导致难以牢固地吸附在打印平台的局限，再者，在控制打印精度方面也无法有效提高。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机及打印方法，实现以不同材料如铌硅、铝、树脂等为载体，借助数字化光刻3D打印机实现平面打印，进而得到高温硬质合金零部件打印件。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，包括主体框架、料槽、投影仪、Z轴垂竖直降系统、刮刀系统、激光测距控制系统以及打印平台，所述投影仪设置在料槽的上方且固定于主体框架之上；所述Z轴垂竖直降系统固定在主体框架上，包括上支撑板、中间载板、下支撑板、光轴和丝杆，所述光轴和丝杆垂直安装在上支撑板、中间载板和下支撑板上，所述上支撑板的顶端设有电机；所述打印平台通过光轴与Z轴垂竖直降系统中的中间载板固定连接，打印平台包括打印板、中层板和底板，所述打印板和中间板通过套上弹簧的螺钉与底板连接，以实现打印前的微调平；所述刮刀系统固定在主体框架上并与料槽相匹配，包括模组模块、刮刀以及刮刀固定板，所述刮刀通过刮刀固定板与模组模块连接；所述刮刀在刀刃结构处有过渡圆弧和倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点以减少材料的沾附，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角；所述料槽通过料槽耳固定在料槽载板上；所述激光测距控制系统设置于打印平台及料槽之上，包括激光传感器和激光传感器安装座。
作为优选的技术方案，所述投影仪为数字化曝光投影仪。
作为优选的技术方案，所述光轴为两根，光轴的两端通过固定座分别固定在上支撑板和下支撑板上，所述光轴的中部通过光轴套筒固定在中间载板上。
作为优选的技术方案，所述丝杆的顶部通过梅花联轴器与上支撑板固定，丝杆的底部通过丝杆固定座与下支撑板连接，丝杆的中部通过法兰轴承与中间载板固定。
作为优选的技术方案，所述打印板为实心的高强度平台，中层板和底板为空心结构，并通过四根套上弹簧的螺钉连接在一起以实现打印前的微调平。
作为优选的技术方案，所述刮刀采用硬质合金钢制造,在刀刃结构处有过渡圆弧加倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角与高温硬质复合材料的润湿角相近，从而使刮刀与材料之间的接触较为顺畅。
作为优选的技术方案，所述料槽为一个上端开口的方盒。
作为优选的技术方案，所述主体框架包括铝型材搭建的主体支撑架、固定挡板和投影仪支撑板，所述固定挡板围绕设置在主体支撑架的下部，所述投影仪通过投影仪支撑板固定在主体框架上。
本发明还提供了一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机的打印方法，包括下述步骤：
S1、对上述3D成型机进行初始调平，在调平阶段，用水平仪测定打印平台的水平度，然后拧动打印平台的螺钉，以调整打印平台的水平度；
S2、然后通过计算机软件控制Z轴垂竖直降系统向下移动，将打印平台降至料槽底部的设定距离，读出激光测距传感器的实时数值；
S3、将事先调配好的树脂与陶瓷颗粒粉末的均匀混合物导入料槽中，待树脂陶瓷均匀混合物的液面相对稳定后，再读出激光测距传感器的实时数值，通过前后两次的数值之差，调整Z轴垂竖直降系统的移动距离，以使液面与打印平台之间的距离精确地接近初始打印的底层层厚，至此调平工作完成；
S4、将事先设计好的模型导入计算机切片软件，进行切片层厚、打印速度、平台上升高度、刮刀移动速度的设置，紧接着进行切片处理，经切片处理后的数据文本转化为机器代码，分别控制投影仪、Z轴垂竖直降系统的实时准确升降及刮刀的正确移动；
S5、上述步骤S1-S4过程准备完毕后，开始进行树脂基陶瓷3D打印，打印开始时，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动一个层厚的距离，位于打印平台上方的投影仪则开始投射与树脂相适应的特定波长的光线，该光线组成的亮斑即为模型该层的切片截面；经过一定时间的曝光后，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动，同时带动打印平台向下运动设定的距离后，保持静止状态，而打印平台依靠Z轴垂竖直降系统引导向下运动，产生的下压作用力将可流动的高温硬质复合材料挤向料槽右边，然后刮刀往左运动将材料液面刮平，紧接着刮刀停止运动，打印平台在原来打印厚度的基础上在向下移动一个层厚的距离，至此一次打印完成；
S6、重复步骤S5直至模型打印结束，待模型打印结束后，将模型表面的残余树脂陶瓷混合物去除后进行脱脂烧结处理，即可得到陶瓷产品模型。
作为优选的技术方案，所述步骤S4中，模型的设计借助solidworks、proe或ug三维建模软件辅助建立模型，并按照制造要求实时调整设计参数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明主要针对当前SLA及DLP打印机的打印精度尚无法得到较高精度的问题以及高温硬质复合材料的制造技术较为缺少，该智能感应3D成型机旨在为高温硬质复合材料制造提供一种可行的方法，同时能够提高打印模型的精度，采用基于打印平台埋入式的上照式结构，无需考虑材料离型方面的问题，并且，不存在模型较大导致难以牢固吸附在打印平台的局限。同时，加入激光测距控制系统来测定并智能控制打印底层的厚度来保证打印的精度，刮刀特殊机构的使用也让材料成型过程更为顺畅。
2、本发明采用圆弧加凸点并与材料润湿角相近的刃角结构的专用刮刀结构，实现高效高质量材料置平且不造成刮刀粘附。
3、本发明采用上罩式面曝光样件埋入方式，并借助激光测距传感器固定在打印平台及料槽之上的结构来克服打印精度较低的问题。
附图说明
图1为本发明所述的智能感应3D成型机等轴测图。
图2为本发明所述的Z轴竖直升降系统正视图。
图3为本发明所述的打印平台结构示意图。
图4为本发明所述的与料槽相适应的刮刀系统的结构示意图。
图5为本发明所述的整体框架轴测图。
图6为本发明所述的激光传感器装配体结构图。
图7为本发明所述的埋入式示意图。
图8为本发明所述的埋入式中材料流动俯视图。
图9为本发明所述的刮刀刀刃的特殊结构示意图。
图10为本发明的具体实施的机械准备示意图。
图11为本发明的具体实施的一次打印完成示意图。
图中：1 为投影仪，2 为Z轴垂竖直降系统，3 为打印平台，4 为刮刀系统，5 为主体框架，6 为料槽，7 为电机，8 为上支撑板，9 为光轴固定座，10 为中间载板，11 为光轴套筒，12 为第一光轴，13 下支撑板，14 为丝杆固定座，15 为丝杆，16 为法兰轴承，17 为梅花联轴器，18 为第二光轴，19 为打印板，20 为中层板，21 为底板，22 为弹簧组，23 为模组模块，24 为料槽载板，25 为弹簧，26 为料槽耳，27 为刮刀，28 为刮刀固定板，29 为主体支撑架，30 为固定挡板，31 为投影仪支撑板，32 为激光传感器支撑座，33 为激光传感器，34 为圆弧，35 为凸点。
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。
实施例
如附图1-6所示，本发明涉及的一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，所述的智能感应3D成型机以不同材料，如铌硅、铝、树脂等为载体，采用打印平台压入式、埋入式等方式，即将打印平台浸入材料中，每层打印结束后打印平台依靠Z轴引导向下运动，产生的下压作用力将可流动的高温硬质复合材料挤向料槽右边，然后刮刀往左运动将材料液面刮平；为了高效地将高温硬质复合材料置平，采用特殊结构的刮刀。刮刀在刀刃结构处有过渡圆弧+倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角与高温硬质复合材料的润湿角相近(以树脂基陶瓷材料为例，θ为50°～70°)，从而使刮刀与材料之间的接触较为顺畅。
所述的功能方面上实现多种高温硬质复合材料的立体成型，如树脂基陶瓷打印，即以树脂为载体，借助3D打印机，打印树脂基陶瓷，最后经过脱脂烧结处理得到陶瓷类产品。以树脂为载体，即按照特定的配方比例将树脂与陶瓷粉末均匀混合已达到陶瓷粉末颗粒能够被树脂包围的工作要求，借助该智能感应3D成型机，制备树脂基陶瓷模型，最终经过脱脂烧结处理后得到陶瓷产品。
本实施例中的一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，包括主体框架5、料槽6、投影仪1、Z轴垂竖直降系统2、刮刀系统4、激光测距控制系统以及打印平台3，所述投影仪设置在料槽的上方且固定于主体框架之上；所述Z轴垂竖直降系统固定在主体框架上，包括上支撑板8、中间载板10、下支撑板13、第一光轴12和丝杆15，所述第一光轴和丝杆垂直安装在上支撑板、中间载板和下支撑板上，所述上支撑板的顶端设有电机7；所述打印平台通过光轴与Z轴垂竖直降系统中的中间载板固定连接，打印平台包括第二光轴18、打印板19、中层板20和底板21，所述打印板和中间板通过弹簧组22与底板连接，所述弹簧组22为套上弹簧25的螺钉，以实现打印前的微调平；所述刮刀系统固定在主体框架上并与料槽相匹配，包括模组模块23、刮刀27以及刮刀固定板28，所述刮刀通过刮刀固定板与模组模块连接；所述料槽通过料槽耳26固定在料槽载板24上；所述激光测距控制系统设置于打印平台及料槽之上，包括激光传感器33和激光传感器安装座32。
同时，该树脂基陶瓷3D打印机采用投影仪位于树脂槽之上，以克服下照式带来的打印困难的问题。激光测距传感器借助传感器支撑座安装在打印平台及料槽之上，通过软件控制打印底层的厚度来保证打印的精度。
所述的投影仪，为数字化面曝光投影仪，采用上照式结构，位于料槽之上，安装在由铝型材及挡板组成的投影仪固定架上，可以在整体框架上沿竖直方向和水平方向上移动，这样能够更好地调节投影仪的聚焦情况，并且投影仪采用较高分辨率和专用特定波段的光源规格以体现较高精度的细节打印和满足模型成品需求。
所述第一光轴为两根，光轴的两端通过广轴固定座9分别固定在上支撑板和下支撑板上，所述光轴的中部通过光轴套筒11固定在中间载板上。所述丝杆的顶部通过梅花联轴器17与上支撑板固定，丝杆的底部通过丝杆固定座14与下支撑板连接，丝杆的中部通过法兰轴承16与中间载板固定。通过该种设置，一定程度保证了三者的垂直度和稳定性。打印平台通过光轴同升降系统的中间载板固定连接起来，这样主要能起引导和保证打印平台在竖直方向上的升降的作用。
所述的打印平台，通过光轴同Z轴升降系统连接，由三层平板组成，首层平板为实心的高强度平台，中、下两层平板空心，并通过四根套上弹簧的螺钉连接在一起以实现打印前的微调平，并且通过两根光轴与Z轴升降系统连接。
所述料槽为一个上端开口的方盒。料槽通过料槽耳固定在料槽载板上，这样有利于料槽的拆卸与清理。刮刀系统和料槽固定在同一平板上，并与整体框架固连在一起。
所述主体框架5包括铝型材搭建的主体支撑架29、固定挡板30和投影仪支撑板31，所述固定挡板围绕设置在主体支撑架的下部，所述投影仪通过投影仪支撑板固定在主体框架上，对打印系统起支撑及稳定作用。
如附图7、8所示，所述的压入式、埋入式，即将打印平台浸入材料中，每一层打印后，打印平台在成形缸中下压，低于水平一定高度，高温硬质复合材料凭借自身流动性在压力作用低连通进入旁侧存料缸中(即图8中的A区域)，旁侧存料缸中复合材料液面上升，在刮刀作用下，将该高于水平液面材料带入成形缸中，并置平。
如附图9所示，刮刀采用硬质合金钢制造，刮刀在刀刃结构处有过渡圆弧34加倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点35，这样能够有效地减少材料的沾附，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角(即倾角)与高温硬质复合材料的润湿角相近，采用这种结构可大大降低材料附着在刮刀上的几率，从而提高材料的平整度。
下面以一个模型的树脂基陶瓷打印介绍完整详细的打印过程。
如图10、图11所示，首先，高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机的初始调平，在调平阶段，用水平仪测定打印平台的水平度，然后拧动打印平台的螺钉，以调整打印平台的水平度。然后通过计算机软件控制Z轴的竖直升降系统向下移动，将打印平台降至料槽底部的一定距离，读出激光测距传感器的实时数值。接着，将事先调配好的树脂与陶瓷颗粒粉末的均匀混合物导入料槽中，待树脂陶瓷均匀混合物的液面相对稳定后，再读出激光测距传感器的实时数值，通过前后两次的数值之差，调整Z轴垂竖直降系统的上升，以使液面与打印平台之间的距离精确地接近初始打印的底层层厚，至此调平工作完成。其次，模型的导入与设计，模型的设计可借助solidworks、proe、ug等三维建模软件辅助建立模型，并可以按照制造要求实时调整设计参数。然后将模型导入计算机切片软件，进行切片层厚、打印速度、平台上升高度、刮刀移动速度等重要参数设置，紧接着进行切片处理。经切片处理后的数据文本转化为机器代码，分别控制数字化面曝光投影仪、Z轴垂竖直降系统的实时准确升降及刮刀的正确移动。上述过程准备完毕，即可开始进行树脂基陶瓷3D打印。点击开始打印，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动一个层厚的距离，位于打印平台上方的数字化面曝光投影仪则开始投射与树脂相适应的特定波长的光线，该光线组成的亮斑即为模型该层的切片截面。经过一定时间的曝光后，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动，同时带动打印平台向下运动特定的距离后，保持静止状态，而打印平台依靠Z轴垂竖直降系统引导向下运动，产生的下压作用力将可流动的高温硬质复合材料挤向料槽右边，然后刮刀往左运动将材料液面刮平，紧接着刮刀停止运动，打印平台在原来打印厚度的基础上在向下移动一个层厚的距离。至此一次打印完成，重复此循环直至模型打印结束。待模型打印结束后，将模型表面的残余树脂陶瓷混合物去除后进行脱脂烧结处理，即可得到陶瓷产品模型。
上述实施例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实施例的限制，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 (10)
1.一种高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，包括主体框架、料槽、投影仪、Z轴垂竖直降系统、刮刀系统、激光测距控制系统以及打印平台，所述投影仪设置在料槽的上方且固定于主体框架之上；所述Z轴垂竖直降系统固定在主体框架上，包括上支撑板、中间载板、下支撑板、光轴和丝杆，所述光轴和丝杆垂直安装在上支撑板、中间载板和下支撑板上，所述上支撑板的顶端设有电机；所述打印平台通过光轴与Z轴垂竖直降系统中的中间载板固定连接，打印平台包括打印板、中层板和底板，所述打印板和中间板通过套上弹簧的螺钉与底板连接，以实现打印前的微调平；所述刮刀系统固定在主体框架上并与料槽相匹配，包括模组模块、刮刀以及刮刀固定板，所述刮刀通过刮刀固定板与模组模块连接；所述刮刀在刀刃结构处有过渡圆弧和倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点以减少材料的沾附，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角；所述料槽通过料槽耳固定在料槽载板上；所述激光测距控制系统设置于打印平台及料槽之上，包括激光传感器和激光传感器安装座。
2.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述投影仪为数字化曝光投影仪。
3.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述光轴为两根，光轴的两端通过固定座分别固定在上支撑板和下支撑板上，所述光轴的中部通过光轴套筒固定在中间载板上。
4.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述丝杆的顶部通过梅花联轴器与上支撑板固定，丝杆的底部通过丝杆固定座与下支撑板连接，丝杆的中部通过法兰轴承与中间载板固定。
5.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述打印板为实心的高强度平台，中层板和底板为空心结构，并通过四根套上弹簧的螺钉连接在一起以实现打印前的微调平。
6.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述刮刀采用硬质合金钢制造,在刀刃结构处有过渡圆弧加倾角结构，圆弧表面均匀分布凸点，刀刃与水平方向上的打印平台所形成的θ角与高温硬质复合材料的润湿角相近，从而使刮刀与材料之间的接触较为顺畅。
7.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述料槽为一个上端开口的方盒。
8.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机，其特征在于，所述主体框架包括铝型材搭建的主体支撑架、固定挡板和投影仪支撑板，所述固定挡板围绕设置在主体支撑架的下部，所述投影仪通过投影仪支撑板固定在主体框架上。
9.根据权利要求1所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机的打印方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、对上述3D成型机进行初始调平，在调平阶段，用水平仪测定打印平台的水平度，然后拧动打印平台的螺钉，以调整打印平台的水平度；
S2、然后通过计算机软件控制Z轴垂竖直降系统向下移动，将打印平台降至料槽底部的设定距离，读出激光测距传感器的实时数值；
S3、将事先调配好的树脂与陶瓷颗粒粉末的均匀混合物导入料槽中，待树脂陶瓷均匀混合物的液面相对稳定后，再读出激光测距传感器的实时数值，通过前后两次的数值之差，调整Z轴垂竖直降系统的移动距离，以使液面与打印平台之间的距离精确地接近初始打印的底层层厚，至此调平工作完成；
S4、将事先设计好的模型导入计算机切片软件，进行切片层厚、打印速度、平台上升高度、刮刀移动速度的设置，紧接着进行切片处理，经切片处理后的数据文本转化为机器代码，分别控制投影仪、Z轴垂竖直降系统的实时准确升降及刮刀的正确移动；
S5、上述步骤S1-S4过程准备完毕后，开始进行树脂基陶瓷3D打印，打印开始时，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动一个层厚的距离，位于打印平台上方的投影仪则开始投射与树脂相适应的特定波长的光线，该光线组成的亮斑即为模型该层的切片截面；经过一定时间的曝光后，Z轴垂竖直降系统控制电机向下运动，同时带动打印平台向下运动设定的距离后，保持静止状态，而打印平台依靠Z轴垂竖直降系统引导向下运动，产生的下压作用力将可流动的高温硬质复合材料挤向料槽右边，然后刮刀往左运动将材料液面刮平，紧接着刮刀停止运动，打印平台在原来打印厚度的基础上在向下移动一个层厚的距离，至此一次打印完成；
S6、重复步骤S5直至模型打印结束，待模型打印结束后，将模型表面的残余树脂陶瓷混合物去除后进行脱脂烧结处理，即可得到陶瓷产品模型。
10.根据权利要求9所述的高温硬质复合材料埋入式面曝光智能感应3D成型机的打印方法，其特征在于，所述步骤S4中，模型的设计借助solidworks、proe或ug三维建模软件辅助建立模型，并按照制造要求实时调整设计参数。
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