CN108724707B - 三维打印系统及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维打印系统及其打印方法，该三维打印系统包括暗箱；设置在暗箱内的打印平台；铺设机构，铺设机构用于将树脂粉末材料均匀铺设在打印平台上；预热机构，预热机构用于将树脂粉末材料预热至接近并低于树脂粉末材料熔点的温度；第一照射机构，第一照射机构用于向在暗箱内呈现较深颜色的树脂粉末材料的至少一部分实施第一照射条件，使树脂粉末材料的至少一部分变得透明、发亮或呈较浅颜色；第二照射机构，第二照射机构用于向树脂粉末材料实施第二照射条件，使呈较深颜色的树脂粉末材料固化。该三维打印方法包括使用该三维打印系统逐层打印。本发明的三维打印系统及其三维打印方法能够提高打印精确度和打印效率。

Description

三维打印系统及其打印方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术领域，具体涉及利用暗箱中树脂粉末材料在光照下的不同颜色状态实现快速和高精度打印的三维打印系统及其打印方法。

背景技术

三维（3D）快速成型，也被称为增材制造，其基本原理是通过打印或铺设连续的材料层来形成三维物体。三维快速成型设备或三维打印机通常是通过转换物体的三维计算机模型并产生一系列的截面切片来工作，然后打印每个切片，通过每个切片的重叠从而实现三维物体打印成型。

其中，现有的申请号为201580079600.4的中国专利申请披露了利用热辅助烧结的三维打印技术及打印方法，包括：施加构造材料组合物，构造材料组合物具有聚合物颗粒以及与聚合物颗粒混合的吸收辐射的增材，吸收辐射的增材选自由无机近红外吸收剂、有机近红外吸收剂和它们的组合组成的组中。通过将构造材料组合物暴露于辐射来预热构造材料组合物至低于聚合物颗粒的熔化温度的温度，吸收辐射的增材将增加辐射吸收并加速构造材料组合物的预热。然后选择性地将熔剂施加在构造材料组合物的至少一部分上，并进一步将构造材料组合物暴露于辐射，从而至少使与熔剂接触的构造材料组合物的至少一部分中的聚合物颗粒至少部分熔合。

该技术中由于聚合物颗粒与吸收辐射的增材混合，即在成型固化前需要将聚合物颗粒与增材结合，由于相容性等问题，在成型过程中不同材料之间的结合会影响成型材料的成型效果；另外还需要通过在构造成型材料上施加熔剂来才能实现三维成型，熔剂的选择性施加也会影响打印效率和打印效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一目的在于提供一种用于实现具有更高打印精度和打印效率的三维打印方法的三维打印系统。

本发明的第二目的在于提供一种具有更高打印精度和打印效率的三维打印方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了三维打印系统，该三维打印系统包括：暗箱；打印平台，打印平台设置在暗箱内，打印平台用于放置树脂粉末材料；铺设机构，铺设机构用于将树脂粉末材料均匀铺设在打印平台上；预热机构，预热机构用于将树脂粉末材料预热至接近并低于树脂粉末材料熔点的温度；第一照射机构，第一照射机构用于向在暗箱内呈现较深颜色的树脂粉末材料的至少一部分实施第一照射条件；树脂粉末材料的至少一部分在第一照射条件下变得透明、发亮或呈较浅颜色；第二照射机构，第二照射机构用于向树脂粉末材料实施第二照射条件；呈较深颜色的树脂粉末材料在第二照射条件下固化。

本发明的三维打印系统不需要另外添加吸收辐射的增材和熔剂，避免了增材的施加以及增材与树脂结合所带来的问题，改善了打印效果，提高了打印效率。本发明利用暗箱提供了屏蔽外部光线的打印环境，当不实施第一照射条件时，暗箱内的打印平台上的树脂粉末材料由于没有受到光线照射会呈现较深颜色。通过预热机构将树脂粉末材料预热至接近但低于熔点的温度，在该温度下树脂粉末材料进一步吸收辐射提高温度即可熔合粘连从而固化。第一照射机构选择性地向至少一部分树脂粉末材料施加第一照射条件，使受到第一照射条件的树脂粉末材料变得透明、发亮或颜色变浅，而没有受到第一照射条件的树脂粉末材料在暗箱中继续保持较深颜色。第二照射机构向树脂粉末材料施加第二照射条件，呈较深颜色的树脂粉末材料吸收辐射、温度升高而熔合固化，而透明、发亮或颜色变浅的树脂粉末材料由于吸收的能量较少而不会粘连固化。本发明利用材料熔点以及暗箱中材料在光照下颜色状态改变的特点，通过预热和两次照射实现了树脂粉末材料的快速和高精度打印。打印面积和打印成型速度可以通过控制照射情况而进行调整，提高了打印效率，降低了打印成本。

本发明的预热机构可以通过热传递等方式对树脂粉末材料进行预热。第一照射机构和第二照射机构可以选择本领域已知的照射机构或其他能够提供特定照射条件的照射机构。只要保证树脂粉末材料可在第一照射条件下变得透明、发亮或呈较浅颜色，且颜色较深的树脂粉末材料可在第二照射条件下固化即可。其中，“固化”是指树脂粉末材料相互粘合连接形成固体，树脂粉末材料熔合，在一些情况下粉末材料之间也可以相互反应连接。“较深颜色”是指树脂粉末材料在暗箱中所呈现的颜色，与之相对的“较浅颜色”是指树脂粉末材料在光照下所呈现的浅颜。

进一步的技术方案是，三维打印系统还包括控制装置，控制装置用于控制铺设机构、预热机构、第一照射机构和第二照射机构运作。

本发明还可以采用控制装置对打印过程中各个机构的工作进行精密的控制，进一步提高打印精确度。

进一步的技术方案是，第一照射机构设置在平台一侧上方；第一照射机构为DLP设备、LCD设备或蓝光设备；第二照射机构设置在平台中间上方；第二照射机构为红外照射设备，第二照射条件为近红外线照射、中红外线照射或远红外线照射。

本发明的第一照射机构和第二照射机构可以分别设置在打印平台的不同位置，第一照射机构可以从侧面向打印平台上的树脂粉末材料施加第一照射条件，第二照射机构可以从上方向打印平台上的树脂粉末材料施加第二照射条件，在光处理以及固化过程中，第一照射机构和第二照射机构无需移动，从而进一步提高打印效率。第一照射机构可以根据能量的要求选择不同的可选择性照射的投影设备。第二照射机构优选红外光照射设备，利用红外在颜色较深的区域产生的热能升温快、效率高的特点来照射树脂粉末材料，红外线可以选择波长为0.75至2.0μm的近红外线、波长为2.0至4.0μm的中红外线和波长为4.0至1000μm的远红外线中的不同波长的光线。

进一步的技术方案是，预热机构设置在打印平台内。

预热机构可以设置在打印平台内，通过打印平台向树脂粉末材料提供预热热量，或者预热机构设置在打印平台上方打印系统的成型腔内，独立于打印平台设置，向打印平台上的树脂粉末材料提供预热热量。

进一步的技术方案是，所述树脂粉末材料在可见光下是透明的或呈较浅颜色；或者，所述树脂粉末材料包括树脂以及荧光添加剂。

本发明的树脂粉末材料可以是本领域常见的浅色例如白色或透明的树脂，例如可以是尼龙、聚碳酸酯或ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物）等树脂材料。当采用这些树脂时，树脂粉末材料在普通的光照条件下即可实现透明或呈现材料原来的浅色，对第一照射条件要求不高。作为可替代的方案，本发明的树脂粉末材料还可以包括树脂以及荧光添加剂，通过选择合适的第一照射条件例如紫外光照射，可以使得树脂粉末材料发亮。荧光添加剂可以是本领域已有的荧光添加剂。

为实现本发明的第二目的，本发明提供了三维打印方法，三维打印方法通过三维打印系统进行，三维打印系统包括暗箱、设置在暗箱内的打印平台、铺设机构、预热机构、第一照射机构以及第二照射机构；三维打印方法包括：步骤一：通过铺设机构在打印平台上均匀铺设树脂粉末材料；树脂粉末材料在暗箱内呈较深颜色；步骤二：通过预热机构将树脂粉末材料预热至接近并低于树脂粉末材料熔点的温度；步骤三：通过第一照射机构向树脂粉末材料的至少一部分实施第一照射条件，树脂粉末材料在第一照射条件下变得透明、发亮或呈较浅颜色；步骤四：通过第二照射机构向所述树脂粉末材料实施第二照射条件，呈较深颜色的树脂粉末材料在第二照射条件下固化；步骤五：重复步骤一至四，直至完成三维物体的打印；步骤六：清除未固化的树脂粉末材料。

本发明提供了在上述三维打印系统中进行的三维打印方法，精准利用成型材料的熔点和暗箱中材料在光照下变色特点，通过预热、光处理和光固化步骤实现了用于三维成型的树脂粉末材料的快速和高精度打印。通过逐层铺设树脂粉末进行固化，即可获得所需的具有三维形状的固体。

进一步的技术方案是，三维打印系统还包括控制装置，控制装置控制铺设机构、预热机构、第一照射机构和第二照射机构执行步骤一至四。

进一步的技术方案是，预热机构设置在所述平台内。

进一步的技术方案是，第一照射机构设置在所述平台一侧上方；第一照射机构包括DLP设备、LCD设备或蓝光设备；第二照射机构设置在所述平台中间上方；第二照射机构为红外照射设备，第二照射条件为近红外线照射、中红外线照射或远红外线照射。

进一步的技术方案是，所述树脂粉末材料在可见光下是透明的或呈较浅颜色；或者，所述树脂粉末材料包括树脂以及荧光添加剂。

附图说明

图1是本发明三维打印系统实施例的结构示意图；

图2是本发明三维打印方法实施例中光处理变色步骤的示意图；其中图2（a）为光处理变色前的示意图，图2（b）为光处理变色后的示意图；

图3是本发明三维打印方法实施例中光处理变色步骤中选择非固化位置的示意图；

图4是本发明三维打印方法实施例中光固化步骤的示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

具体实施方式

三维打印系统实施例

本实施例的三维打印系统结构如图1所示，包括暗箱1、打印平台2、铺设机构3、预热机构、第一照射机构4、第二照射机构5以及控制装置6。

其中，打印平台2设置在暗箱1内。在本实施例中，铺设机构3、预热机构、第一照射机构4以及第二照射机构5也均设置在暗箱1内。在本发明的其他实施例中，除打印平台2以外的其他机构也可以穿过暗箱1设置。

铺设机构3位于打印平台2的一侧，树脂粉末材料7通过铺设机构3铺设到打印平台2的中间位置上，形成树脂粉末材料7的层。在打印过程中，在完成了一层树脂粉末材料7的固化后，铺设机构3将另一层的树脂粉末材料7铺设已固化的树脂层上，通过层的重叠实现三维物体的打印。

在本实施例中，预热机构设置在打印平台2内，通过打印平台2加热树脂粉末材料7，使树脂粉末材料7处在一个接近并低于熔点的温度。在本发明的其他实施例中，预热机构还可以设置在打印平台2上的成型腔内，为打印平台2上的树脂粉末材料7提供热量，使树脂粉末材料7达到预热温度。

树脂粉末材料7在暗箱1内由于没有光照而呈较深颜色。树脂粉末材料7在第一照射机构4提供的第一照射条件41下能够变透明、发亮或呈较浅颜色，例如呈材料原来在可见光下的浅色。维持呈较深颜色的部分在第二照射机构5提供的第二照射条件51下能够吸收热量熔合粘结从而固化。具体地，在本实施例中，树脂粉末材料7选择为尼龙或PC或ABS等浅色或透明的树脂。在本发明其他实施例中，树脂粉末材料7还可以包括树脂和荧光添加剂，荧光添加剂可以使树脂粉末材料7在第一照射条件41下发亮。

树脂粉末材料7在第一照射条件41的选择性作用下形成透明、发亮或呈较浅颜色的非固化部分71和维持呈较深颜色的待固化部分72。其中待固化部分72在第二照射条件51的作用下固化，而非固化部分71在第二照射条件51的作用下不固化。在本实施例中，第二照射机构5为红外线光固化设备，第二照射条件51为红外线照射，红外线可以根据所提供的能量的需要选择近红外线、中红外线或远红外线。待固化部分72颜色较深、升温快，非固化部分71升温慢或基本不升温，实现待固化部分72固化而非固化部分71不固化，从而在树脂粉末材料7的层中形成图案。

三维打印方法实施例

本实施例的三维打印方法可采用上述三维打印系统实施例的打印系统进行，包括以下步骤：

步骤一：通过铺设机构3在打印平台2上均匀铺设树脂粉末材料7。参见图1，铺设机构3在打印平台2的中间位置上铺设一层树脂粉末材料7。铺设机构3可以调整铺设高度。由于在暗箱1没有光照，树脂粉末材料7 呈较深颜色。

步骤二：通过预热机构将树脂粉末材料7预热至接近并低于树脂粉末材料7熔点的温度。在该温度下，树脂粉末材料7进一步吸热、提高温度后即可熔化粘连形成固体。

步骤三：通过第一照射机构4选择性地向树脂粉末材料7的至少一部分实施第一照射条件41，如图2（a）和（b）以及图3所示，树脂粉末材料7的至少一部分在第一照射条件41下变为透明、发亮或呈较浅颜色，形成非固化部分71，而没有接受第一照射条件41的部分在暗箱1中保持较深颜色，形成待固化部分72。其中非固化部分71即为不参与固化的区域，形成所需的打印形状的外轮廓，且精度较高。第一照射机构4可以设置在打印平台1一侧的上方，以一定的倾斜角度射向树脂粉末材料7。

步骤四：如图4所示，在施加第一照射条件41时，通过第二照射机构5向树脂粉末材料7实施第二照射条件51，待固化部分72在第二照射条件51下固化，树脂粉末材料7相互熔合粘连形成固体；非固化部分71不固化，树脂粉末材料7仍以粉末的状态存在。第二照射条件51可以是将红外线均匀地照射在树脂粉末材料7的全部区域上。第二照射条件51不需要具有选择性。

步骤五：如图4所示，重复步骤一至四，树脂粉末材料7逐层固化，直至形成所需的三维物体。

步骤六：清除未固化的树脂粉末材料7，即可得到三维物体。

步骤一至五中，铺设机构3、预热机构、第一照射机构4和第二照射机构5均由控制装置6进行控制。

由上可见，本发明提供了可应用于数字光固化的三维打印系统以及三维打印方法。本发明精准利用成型材料的熔点和暗箱中材料在光照下变色特点，通过预热、光处理和光固化实现了成型材料3D打印的快速和成型材料的精度。打印面积和打印成型速度可以根据光照射的照射情况调整，效率较高，打印成本较低。

最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.三维打印系统，其特征在于包括：

暗箱；

打印平台，所述打印平台设置在暗箱内，所述打印平台用于放置树脂粉末材料；所述树脂粉末材料在可见光下是透明的或呈较浅颜色；或者，所述树脂粉末材料包括树脂以及荧光添加剂；

铺设机构，所述铺设机构用于将所述树脂粉末材料均匀铺设在所述打印平台上；预热机构，所述预热机构用于将所述树脂粉末材料预热至接近并低于所述树脂粉末材料熔点的温度；

第一照射机构，所述第一照射机构用于向在暗箱内呈现较深颜色的所述树脂粉末材料的至少一部分实施第一照射条件；所述树脂粉末材料的所述至少一部分在所述第一照射条件下变得透明、发亮或呈较浅颜色；

第二照射机构，所述第二照射机构用于向所述树脂粉末材料实施第二照射条件；呈较深颜色的所述树脂粉末材料在所述第二照射条件下固化。

2.根据权利要求1所述的三维打印系统，其特征在于：

所述三维打印系统还包括控制装置，所述控制装置用于控制所述铺设机构、所述预热机构、所述第一照射机构和所述第二照射机构工作。

3.根据权利要求1或2所述的三维打印系统，其特征在于：

所述第一照射机构设置在所述打印平台一侧上方；所述第一照射机构为DLP设备、LCD设备或蓝光设备；

所述第二照射机构设置在所述打印平台中间上方；所述第二照射机构为红外线照射设备，所述第二照射条件为近红外线照射、中红外线照射或远红外线照射。

4.根据权利要求1或2所述的三维打印系统，其特征在于：

所述预热机构设置在所述打印平台内。

5.三维打印方法，其特征在于：所述三维打印方法通过三维打印系统进行，所述三维打印系统包括暗箱、设置在所述暗箱内的打印平台、铺设机构、预热机构、第一照射机构以及第二照射机构；

所述三维打印方法包括：

步骤一：通过所述铺设机构在所述打印平台上均匀铺设树脂粉末材料；所述树脂粉末材料在暗箱内呈较深颜色；所述树脂粉末材料在可见光下是透明的或呈较浅颜色；或者，所述树脂粉末材料包括树脂以及荧光添加剂；

步骤二：通过所述预热机构将所述树脂粉末材料预热至接近并低于所述树脂粉末材料熔点的温度；

步骤三：通过所述第一照射机构向所述树脂粉末材料的至少一部分实施第一照射条件，所述树脂粉末材料在所述第一照射条件下变得透明、发亮或呈较浅颜色；

步骤四：通过所述第二照射机构向所述树脂粉末材料实施第二照射条件，呈较深颜色的所述树脂粉末材料在所述第二照射条件下固化；

步骤五：重复步骤一至四，直至完成三维物体的打印；

步骤六：清除未固化的树脂粉末材料。

6.根据权利要求5所述的三维打印方法，其特征在于：

所述三维打印系统还包括控制装置，所述控制装置控制所述铺设机构、所述预热机构、所述第一照射机构和所述第二照射机构执行步骤一至四。

7.根据权利要求5或6所述的三维打印方法，其特征在于：

所述第一照射机构设置在所述打印平台一侧上方；所述第一照射机构为DLP设备、LCD设备或蓝光设备；所述第二照射机构设置在所述打印平台中间上方；所述第二照射机构为红外照射设备，所述第二照射条件为近红外线照射、中红外线照射或远红外线照射。

8.根据权利要求5或6所述的三维打印方法，其特征在于：

所述预热机构设置在所述打印平台内。