CN108688153A - 打印头、三维打印机及其打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种打印头、三维打印机及其打印方法，其中，打印头包括打印头本体、光源和光控微型管组件，打印头本体的一端具有喷嘴，光控微型管组件设置在打印头本体内部并与喷嘴连通，光源照射光控微型管组件上远离喷嘴的一端，光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩。光控微型管组件通过毛细作用将成型材料吸入打印头内，光源照射光控微型管组件从而使得光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，成型材料从打印头中喷出。采用该结构的打印头可以最大限度地节省成型材料，而且无需将打印平台浸入成型槽中。并且打印物体的体积不受成型槽大小的限制，能够打印体积较大的三维物体。

Description

打印头、三维打印机及其打印方法
技术领域
本发明涉及三维打印领域，具体地说，是涉及一种打印头、具有该打印头的三维打印机以及该三维打印机的打印方法。
背景技术
三维打印机是一种利用快速成型技术进行打印三维物体的设备，其以数字模型为基础，利用塑料、液体光敏树脂或粉末金属等材料，逐层地打印出三维物体。三维打印的过程首先是通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，再根据分析截面信息得到加工路径，从而指导打印机逐层打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技术有熔融挤压成型（Fused Deposition Modeling ,FDM)、激光选择性烧结成型(Selective Laser Sintering, SLS)、选择性激光熔化成型（SLM)、光固化成型(Stereo lithography Apparatus, SLA）等。
数字光处理（Digital Light Processing, DLP)三维打印机的基本原理与光固化成型的原理基本相同，利用DLP技术，光源采用投影仪成像，光源逐层固化液态光敏树脂，打印出分辨率较高的三维物体。但是DLP光源的投影形状更加容易控制，其分辨率超出典型的熔融沉积制造（FDM）类型的3D打印机。
现有的光固化三维打印机是打印平台上与成型槽相对应的那一面上逐层生产需要打印的物体。但是这样的结构存在的问题是，打印出来的物体在打印平台上，当平台向上移动的时候，光照固化层与成型槽底部黏结很紧，导致平台向上拉与成型槽底部脱离时，所需拉力很大。而且整个打印平台全部浸入成型槽内，容易导致成型材料的浪费。而且打印物体的体积受限于打印平台和成型槽的大小，打印物体体积一般较小。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种节省成型材料、打印成型效率高且可避免出现打印物体与成型槽底部粘连问题的打印头。
本发明的另一目的是提供一种具有上述打印头的三维打印机。
本发明的再一目的是提供一种上述三维打印机的打印方法。
为实现上述主要目的，本发明提供一种打印头，包括打印头本体、光源和光控微型管组件，打印头本体的一端具有喷嘴，光控微型管组件设置在打印头本体内部并与喷嘴连通，光源照射光控微型管组件上远离喷嘴的一端，光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩。
由上述方案可见，光控微型管组件通过毛细作用将成型材料吸入打印头内，光源照射光控微型管组件从而使得光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，成型材料从打印头中喷出。采用该结构的打印头可以最大限度地节省成型材料，而且无需将打印平台浸入成型槽中。并且打印物体的体积不受成型槽大小的限制，能够打印体积较大的三维物体。
一个优选的方案是，光源设置在打印头本体远离喷嘴的一端。
由此可见，光源可以在光控微型管的顶端照射，使成型材料从打印头喷出。
一个优选的方案是，光源设置在光控微型管组件的一侧，光源可以沿着竖直方向移动，和/或光源和光控微型管组件之间放置有衰减过滤片。
由此可见，光源也可以在光控微型管的一侧照射，使成型材料从打印头喷出。另外，通过光的移动方向或光的衰减方向来控制光控微型管内成型材料的运动方向。
进一步的方案是，光源和衰减过滤片均位于打印头本体内部。
进一步的方案是，光源位于打印头本体的外部，打印头本体由透明材质制成。
一个优选的方案是，光控微型管组件包括多个平行设置并沿着竖直方向延伸的光控微型管，光控微型管的外径为0.01毫米至2毫米范围内，内径为0.001毫米至1.99毫米范围内。
由此可见，多个光控微型管平行设置，便于光源能够同时照射到，以使各个光控微型管同时向外喷射成型材料。
进一步的方案是，光控微型管的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
为实现上述另一目的，本发明提供一种三维打印机，包括打印平台、成型槽、光固化装置和上述打印头，成型槽用于盛放成型材料，打印头和光固化装置均位于打印平台的上方，打印头吸取成型槽中的成型材料并喷涂至打印平台上，光固化装置朝向打印平台照射。
由上述方案可见，光控微型管组件通过毛细作用将成型材料吸入打印头内，光源照射光控微型管组件从而使得光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，成型材料从打印头中喷出。采用该结构的打印头可以最大限度地节省成型材料，而且无需将打印平台浸入成型槽中。并且能够打印体积较大的三维物体。
一个优选的方案是，光源设置在光固化装置的内部。
为实现上述再一目的，本发明提供一种上述三维打印机的打印方法，打印方法包括如下步骤：打印头伸入成型槽内，成型材料进入光控微型管组件。接着打印头移动至打印平台上方，光源照射光控微型管组件，光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，将成型材料喷涂在打印平台上。接着，打印头移动至打印平台一侧。接着光固化装置照射喷涂在打印平台上的成型材料，成型材料在打印平台上形成固化层。
由上述方案可见，光控微型管组件通过毛细作用将成型材料吸入打印头内，光源照射光控微型管组件从而使得光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，成型材料从打印头中喷出。采用该结构的打印头可以最大限度地节省成型材料，而且无需将打印平台浸入成型槽中。并且能够打印体积较大的三维物体。
附图说明
图1是本发明三维打印机第一实施例的原理图。
图2是本发明三维打印机第一实施例中光控微型管在成型槽中产生毛细现象的原理图。
图3是本发明三维打印机第一实施例中光控微型管在光源照射前的示意图。
图4是本发明三维打印机第一实施例中光控微型管在光源照射后的示意图。
图5是本发明三维打印机第二实施例中光固化装置和打印头的结构示意图。
图6是本发明三维打印机第三实施例中打印头的结构示意图。
图7是本发明三维打印机第三实施例中光控微型管在光源照射后的示意图。
图8是本发明三维打印机第五实施例中原理图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
打印头、三维打印机及其打印方法第一实施例
参见图1，本实施例的三维打印机为光固化三维打印机，光固化三维打印机包括打印平台11、成型槽12、清洁装置13、控制装置14、光固化装置15和打印头16。打印平台11用于承载打印的三维物体110。光固化装置15位于打印平台11的上方，光固化装置15朝向打印平台11照射，用于照射打印头16喷射在打印平台11上的成型材料并使该成型材料固化，成型槽12用于盛放成型材料，清洁装置3设置在成型槽12的一侧，用于清洁打印头16。打印平台11、打印头16、成型槽12以及光固化装置15均与控制装置14连接。
打印头16包括打印头本体、光源162和光控微型管组件163，光源162和光固化装置15均位于打印平台11的正上方，可选地，光源162设置在光固化装置15内，或者光源162设置在光固化装置15的一侧。打印头本体的下端具有喷嘴1611，光控微型管组件163设置在打印头本体内部并与喷嘴1611连通，光源162照射光控微型管组件163上远离喷嘴1611的一端后，光控微型管组件163上远离喷嘴1611的一端收缩，成型材料从喷嘴1611喷出。控制装置14通过控制光源162的光照强度来控制成型材料的喷出速率。
光源162位于打印头本体远离喷嘴1611的一端。光控微型管组件163包括多个平行设置并沿着竖直方向延伸的光控微型管1631，光源162照射光控微型管1631的上端后，光控微型管1631的上端收缩，使光控微型管1631由圆柱型变成圆锥形，利用光诱导光控微型管1631管径尺寸的变化来产生毛细作用力，进而驱动微型管内的成型材料运动。光控微型管1631的外径为0.01毫米至2毫米范围内，内径为0.001毫米至1.99毫米范围内。利用光诱导光控微型管1631变形的原理参照CN107676541A。光控微型管1631的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料，管壁材料的制备方法参照CN103087296A。
本实施例中的光源162为紫外光、可见光、红光和近红外光中的任意一种。
参见图2，图2为光控微型管1631在成型槽中产生毛细现象的原理图，成型材料为光敏树脂，光敏树脂相对于光控微型管1631是浸润性液体，将光控微型管1631插入成型槽后，在液体光敏树脂表面张力F的作用下成型槽中的光敏树脂进入光控微型管1631并上升，另外由于进入光控微型管1631的那部分光敏树脂同时受到重力G的作用，当光敏树脂的表面张力F与重力G相等时，光敏树脂受力平衡不再上升后停留在光控微型管1631内，如图3所示，即使将光控微型管移出成型槽，由于光控微型管中的光敏树脂受力平衡，因而不会下落。
本发明提供一种三维打印机的打印方法，包括如下步骤。
步骤一，控制装置14向打印头16输出第一移动信号，打印头16移动至成型槽12的上方并伸入成型槽12内，如图2所示，成型材料在毛细作用下进入光控微型管组件163。
步骤二，控制装置14向打印头16输出第二移动信号，打印头16移动至打印平台11的上方，控制装置14向光源162输出发光信号，光源162根据该发光信号发光并照射光控微型管组件163，如图4所示，光控微型管1631远离喷嘴1611的一端收缩，成型材料喷涂在打印平台11上。
步骤三，控制装置14向打印头16输出第三移动信号，打印头16移动打印平台11的一侧。
步骤四，控制装置14向光固化装置15输出发光信号，光固化装置15根据该发光信号发光并照射已喷涂在打印平台11上的成型材料，使成型材料在打印平台11上形成固化层。
步骤五，重复步骤二至步骤四，直至打印头16中的成型材料喷涂完毕。
步骤六，控制装置14控制打印头16移动至清洁装置13处，清洁装置13对打印头16进行清洁后，重复步骤一至步骤五，直至完成三维物体110的打印。
打印头、三维打印机及其打印方法第二实施例
作为本发明打印头第二实施例的说明，以下仅对与上述打印头第一实施例的不同之处予以说明。三维打印机及其打印方法第二实施例为安装有打印头第二实施例的三维打印机及其打印方法。
参见图5，光源设置在光固化装置25内，打印头26与光固化装置25一体设置，且打印头26设置在光固化装置25的下部。
打印头、三维打印机及其打印方法第三实施例
作为本发明打印头第三实施例的说明，以下仅对与上述打印头第一实施例的不同之处予以说明。三维打印机及其打印方法第三实施例为安装有打印头第三实施例的三维打印机及其打印方法。
参见图6和图7，光源362设置在光控微型管组件363的一侧，光源362可以沿着竖直方向移动，在光源362和光控微型管组件363之间放置有衰减过滤片，照射在光控微型管3631上的光的强度自上而下逐渐衰减，光源362和衰减过滤片均位于打印头本体内部。
打印头、三维打印机及其打印方法第四实施例
作为本发明打印头第四实施例的说明，以下仅对与上述打印头第三实施例的不同之处予以说明。三维打印机及其打印方法第四实施例为安装有打印头第四实施例的三维打印机及其打印方法。
照射光控微型管的光源位于打印头本体的外部，打印头本体由透明材质制成。
打印头、三维打印机及其打印方法第五实施例
作为本发明打印头第五实施例的说明，以下仅对与上述打印头第一实施例的不同之处予以说明。三维打印机及其打印方法第五实施例为安装有打印头第五实施例的三维打印机及其打印方法。
参见图8，光源562位于打印平台51的正上方，光固化装置55位于打印平台51的侧上方，光固化装置55与打印平台51之间设置有反射镜片50，从光固化装置55发出的光线经过反射镜片50后被反射到打印平台51上，反射的光用于照射已喷涂在打印平台51上的成型材料，使成型材料在打印平台51上形成固化层。本实施例中光源562和打印头56一体设置。
打印头、三维打印机及其打印方法第六实施例
作为本发明打印头第六实施例的说明，以下仅对与上述打印头第一实施例的不同之处予以说明。三维打印机及其打印方法第六实施例为安装有打印头第六实施例的三维打印机及其打印方法。
在打印头上远离喷嘴一端设置有与光控微型管连通的负压产生装置，步骤一中，将打印头移动至成型槽的上方并伸入成型槽内后，控制装置向负压产生装置输出工作信号，负压产生装置工作将成型槽内的成型材料吸入打印头的光控微型管中，接着负压道理装置停止工作，负压产生装置能够加快打印头从成型槽中吸取成型材料的速度。
此外，还可以在打印平台与打印头之间设置导轨，使成型槽能够移动到打印平台与打印头之间，从而使打印头吸取成型槽中的成型材料。上述方案也能实现本发明的目的。
由上可见，光控微型管组件通过毛细作用将成型材料吸入打印头内，光源照射光控微型管组件从而使得光控微型管组件上远离喷嘴的一端收缩，成型材料从打印头中喷出。采用该结构的打印头可以最大限度地节省成型材料，而且无需将打印平台浸入成型槽中。并且打印物体的体积不受成型槽大小的限制，能够打印体积较大的三维物体。

Claims (10)

1.打印头，其特征在于：包括打印头本体、光源和光控微型管组件，所述打印头本体的一端具有喷嘴，所述光控微型管组件设置在所述打印头本体内部并与所述喷嘴连通，所述光源照射所述光控微型管组件上远离所述喷嘴的一端，所述光控微型管组件上远离所述喷嘴的一端收缩。
2.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于：
所述光源设置在所述打印头本体远离所述喷嘴的一端。
3.根据权利要求1所述的打印头，其特征在于：
所述光源设置在所述光控微型管组件的一侧，所述光源可以沿着竖直方向移动，和/或所述光源和所述光控微型管组件之间放置有衰减过滤片。
4.根据权利要求3所述的打印头，其特征在于：
所述光源和所述衰减过滤片均位于所述打印头本体内部。
5.根据权利要求3所述的打印头，其特征在于：
所述光源位于所述打印头本体的外部，所述打印头本体由透明材质制成。
6.根据权利要求1至5任一项所述的打印头，其特征在于：
所述光控微型管组件包括多个平行设置并沿着竖直方向延伸的光控微型管，所述光控微型管的外径为0.01毫米至2毫米范围内，内径为0.001毫米至1.99毫米范围内。
7.根据权利要求6所述的打印头，其特征在于：
所述光控微型管的管壁材料为含有偶氮苯基团的高分子材料。
8.三维打印机，其特征在于，包括打印平台、成型槽、光固化装置和权利要求1至7任一项所述的打印头，所述成型槽用于盛放成型材料，所述打印头和所述光固化装置均位于所述打印平台的上方，所述打印头吸取所述成型槽中的成型材料并喷涂至所述打印平台上，所述光固化装置朝向所述打印平台照射。
9.根据权利要求8所述的三维打印机，其特征在于：
所述光源设置在所述光固化装置的内部。
10.三维打印机的打印方法，所述三维打印机为权利要求8或9所述的三维打印机，所述打印方法包括如下步骤：
所述打印头伸入所述成型槽内，成型材料进入所述光控微型管组件中；
所述打印头移动至所述打印平台上方，所述光源照射所述光控微型管组件，所述光控微型管组件上远离所述喷嘴的一端收缩，将所述成型材料喷涂在所述打印平台上；
所述打印头移动至所述打印平台一侧；
所述光固化装置照射喷涂在所述打印平台上的成型材料，所述成型材料在所述打印平台上形成固化层。
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