CN108790150A - 3d打印系统及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印系统，包括进料装置、打印平台和成像装置，进料装置包括透明传送带、第一供料罐和第一刮刀，第一供料罐可将打印材料排放在透明传送带上，第一刮刀的刀刃与透明传送带相对设置，第一刮刀可将打印材料涂刮平整，透明传送带可将打印材料运送至打印平台的表面，成像装置可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在打印平台上固化为打印实体。本发明的3D打印系统能逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义。本发明还涉及一种3D打印方法。

Description

3D打印系统及3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印系统及3D打印方法。

背景技术

3D打印技术作为前瞻性、战略性技术，在航空航天、生物医疗、武器装备、汽车以及模具等高端领域都有重要应用。

特别是在生物医疗领域，3D打印技术为生物芯片、生化器件提供了灵活制备的新方法，亦为生物材料、人工器官领域提供了新的研究手段和平台，实现了复杂3D载体支架制作。然而，现有的3D打印技术在打印精度和打印幅面上仍难以满足应用需求。针对生物应用领域，3D打印技术仍未有效解决打印精度和打印尺寸不能兼顾的问题。一方面，基于双光子或激光直写的光固化立体造型技术可实现小到0.1微米的复杂结构打印，然而受限于打印尺寸(小于几百微米)不适合生物芯片制作。另一方面，基于投影式的光固化立体造型技术受限于打印精度(大于30微米)难以满足生物芯片中微小结构的制作要求。目前商用3D打印机横向分辨率大多只有50微米，深度分辨率约为50-100微米。同时，现有的3D打印技术打印出的生物芯片表面粗糙度较大，给生物检测带来不便。考虑到生物多样性，单一材料无法实现生物器件设计与制作的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种3D打印系统，能逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义。

本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

一种3D打印系统，包括进料装置、打印平台和成像装置，进料装置包括透明传送带、第一供料罐和第一刮刀，第一供料罐可将打印材料排放在透明传送带上，第一刮刀的刀刃与透明传送带相对设置，第一刮刀可将打印材料涂刮平整，透明传送带可将打印材料运送至打印平台的表面，成像装置可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在打印平台上固化为打印实体。

在本发明的较佳实施例中，上述进料装置还包括放带盘和收带盘，透明传送带的两端分别卷绕在放带盘和收带盘上，打印平台设置于透明传送带的上方，并位于放带盘与收带盘之间。

在本发明的较佳实施例中，上述进料装置还包括多个第一张紧轮、多个第二张紧轮和主动辊，多个第一张紧轮靠近放带盘设置，多个第二张紧轮靠近收带盘设置，主动辊设置于第二张紧轮与收带盘之间，透明传送带依次经过第一张紧轮、第二张紧轮和主动辊，主动辊可驱使透明传送带向着靠近收带盘的方向移动。

在本发明的较佳实施例中，上述进料装置还包括残料固化灯，残料固化灯设置于透明传送带的上方，残料固化灯可发出紫外光固化打印之后剩余的打印材料。

在本发明的较佳实施例中，上述进料装置还包括第二供料罐和第二刮刀，第二供料罐可将打印材料排放至透明传送带上，第二刮刀的刀刃与透明传送带相对设置，第二刮刀可将打印材料涂刮平整，第二供料罐排出的打印材料与第一供料罐排出的打印材料不同。

在本发明的较佳实施例中，上述成像装置包括光源、光束整形器、空间光调制器、多块反射镜和投影镜头，光束整形器用于整形光源发出的光束；空间光调制器用于将整形后的光束生成图案光；反射镜用于将图案光反射至投影镜头，投影镜头与打印平台相对设置，投影镜头可将面状图案光投影在打印材料上。

在本发明的较佳实施例中，上述成像装置还包括计算机和控制器,计算机用于提供位移数据和将曝光数据分割成一系列长条的图案文件，并将位移数据和图案文件发送至控制器，控制器时序上传图案文件至空间光调制器，使空间光调制器生成图案光，控制器通过位移数据控制投影镜头沿着透明传送带的平面方向移动。

在本发明的较佳实施例中，上述成像装置还包括CCD监控系统，CCD监控系统用于监控打印平台的打印情况，并将影像发送至计算机，控制器通过位移数据控制CCD监控系统与投影镜头同步移动。

在本发明的较佳实施例中，上述成像装置还包括光电探测器,光电探测器用于采集打印材料表面反射的光线，并将产生的形貌数据发送至控制器，控制器根据形貌数据调节投影镜头的投影焦距。

本发明的另一目的在于，提供了一种3D打印方法，能逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义。

一种3D打印方法，该3D打印方法包括以下步骤：

提供进料装置，进料装置包括透明传送带、第一供料罐和第一刮刀，利用第一供料罐将打印材料排放至透明传送带上，利用第一刮刀将打印材料涂刮平整；

提供打印平台，利用透明传送带将打印材料运送至打印平台的表面；以及

提供成像装置，利用成像装置产生图案光，使图案光照射在打印材料上，并使打印材料在打印平台上固化为打印实体。

本发明的3D打印系统的进料装置包括透明传送带、第一供料罐和第一刮刀，第一供料罐可将打印材料排放在透明传送带上，第一刮刀的刀刃与透明传送带相对设置，第一刮刀可将打印材料涂刮平整，透明传送带可将打印材料运送至打印平台的表面，成像装置可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在打印平台上固化为打印实体。本发明的3D打印系统通过逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明。

附图说明

图1是本发明的3D打印系统的结构示意图。

图2是本发明的3D打印方法的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的3D打印系统及3D打印方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下:

有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明的3D打印系统的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，3D打印系统10包括进料装置12、打印平台14和成像装置16。

具体地,进料装置12包括透明传送带121、放带盘122、收带盘123、多个第一张紧轮124a、多个第二张紧轮124b、主动辊125、残料固化灯126、第一供料罐127a、第一刮刀127b、第二供料罐128a、第二刮刀128b和透明载物板129。

透明传送带121由可透光的材料制成，即光线可穿过透明传送带121。在本实施例中，透明传送带121沿着水平方向设置，透明传送带121的两端分别卷绕在放带盘122和收带盘123上。

放带盘122用于向外输出透明传送带121。在本实施例中，放带盘122与电机连接，放带盘122通过电机驱动匀速向外输出透明传送带121。

收带盘123用于卷收透明传送带121。在本实施例中，收带盘123与电机连接，收带盘123通过电机驱动匀速卷收透明传送带121。

多个第一张紧轮124a靠近放带盘122设置，透明传送带121依次绕在第一张紧轮124a上。在本实施例中，进料装置12具有三个第一张紧轮124a，其中两个第一张紧轮124a固定设置，另外一个第一张紧轮124a可沿着垂直于透明传送带121的方向张紧透明传送带121，保证透明传送带121始终处于水平状态。值得一提的是，第一张紧轮124a的数量并非限定于三个，可根据实际需要自由增减。

多个第二张紧轮124b靠近收带盘123设置，透明传送带121依次绕在第二张紧轮124b上。在本实施例中，进料装置12具有三个第二张紧轮124b，其中两个第二张紧轮124b固定设置，另外一个第二张紧轮124b可沿着垂直于透明传送带121的方向张紧透明传送带121，保证透明传送带121始终处于水平状态。值得一提的是，第二张紧轮124b的数量并非限定于三个，可根据实际需要自由增减。

主动辊125设置于第二张紧轮124b与收带盘123之间，主动辊125可驱使透明传送带121向着靠近收带盘123的方向移动。在本实施例中，主动辊125包括两个上下对称的驱动辊，透明传送带121的两表面分别与两个驱动辊接触。

残料固化灯126设置于透明传送带121的上方，残料固化灯126可发出紫外光固化打印之后剩余的打印材料。

第一供料罐127a设置于透明传送带121的上方；第一供料罐127a用于存放打印材料。第一供料罐127a的底部设有排料口，排料口正对透明传送带121；第一供料罐127a上还设有活塞，打印材料设置于活塞的下方。在本实施例中，第一供料罐127a可通过活塞挤压打印材料，使打印材料通过排料口排放在透明传送带121上。值得一提的是，透明传送带121上的打印材料需要涂刮成平整的薄膜状，为了保证薄膜的面积足够大，当排放打印材料时使第一供料罐127a沿着透明传送带121的宽度方向移动，使打印材料呈条状的排放至透明传送带121上。

第一刮刀127b设置于第一供料罐127a的一侧，并位于透明传送带121的上方，第一刮刀127b的刀刃与透明传送带121相对设置，且第一刮刀127b的刀刃长度方向平行于透明传送带121的宽度方向。第一刮刀127b可将打印材料涂刮平整，且第一刮刀127b的刀刃与透明传送带121之间的间距等于打印材料的膜厚。在本实施例中，第一刮刀127b可向着靠近透明传送带121的方向移动，直至移动至设定的距离，当透明传送带121承载打印材料经过第一刮刀127b时，打印材料被涂刮平整。值得一提的是，将打印材料涂刮平整的过程并非限定于上述方式，例如使透明传送带121不动，驱动第一刮刀127b沿着透明传送带121的长度方向往复移动涂刮打印材料。

第二供料罐128a设置于透明传送带121的上方，并位于第一供料罐127a的一侧；第二供料罐128a用于存放打印材料。第二供料罐128a的底部设有排料口，排料口正对透明传送带121；第二供料罐128a上还设有活塞，打印材料设置于活塞的下方。在本实施例中，第二供料罐128a可通过活塞挤压打印材料，使打印材料通过排料口排放在透明传送带121上，且第二供料罐128a排出的打印材料与第一供料罐127a排出的打印材料不同。值得一提的是，透明传送带121上的打印材料需要涂刮成平整的薄膜状，为了保证薄膜的面积足够大，当排放打印材料时使第二供料罐128a沿着透明传送带121的宽度方向移动，使打印材料呈条状的排放至透明传送带121上。

第二刮刀128b设置于第二供料罐128a的一侧，并位于透明传送带121的上方，第二刮刀128b的刀刃与透明传送带121相对设置，且第二刮刀128b的刀刃长度方向平行于透明传送带121的宽度方向。第二刮刀128b可将打印材料涂刮平整，且第二刮刀128b的刀刃与透明传送带121之间的间距等于打印材料的膜厚。在本实施例中，第二刮刀128b可向着靠近透明传送带121的方向移动，直至移动至设定的距离，当透明传送带121承载打印材料经过第二刮刀128b时，打印材料被涂刮平整。值得一提的是，将打印材料涂刮平整的过程并非限定于上述方式，例如使透明传送带121不动，驱动第二刮刀128b沿着透明传送带121的长度方向往复移动涂刮打印材料。本发明的进料装置12具有两个供料罐和刮刀，供料罐和刮刀的数量也可大于或等于3，可根据实际需要自由增减。

透明载物板129由可透光的材料制成，即光线可穿过透明载物板129。在本实施例中，透明载物板129设置于透明传送带121的下方，当进行3D打印时，透明传送带121将打印材料运送至透明载物板129。

打印平台14设置于透明传送带121的上方，并位于放带盘122与收带盘123之间,打印平台14的打印表面与透明载物板129相对设置。打印平台14可向着靠近或远离透明传送带121的方向移动，当进行3D打印时，打印平台14向着靠近透明传送带121的方向移动，直至打印平台14的打印表面与打印材料接触。

成像装置16设置进料装置12的下方，成像装置16可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在打印平台14上固化为打印实体。在本实施例中，成像装置16包括光源161a、光束整形器162、空间光调制器163、多块反射镜164和投影镜头165、计算机166、控制器167、CCD监控系统168、光电探测器169和测焦光源161b。

光源161a用于提供打印时需要的打印光。在本实施例中，成像装置16的光源161a例如为LED灯等，但并不以此为限。

光束整形器162用于整形光源161a发出的光线。在本实施例中，光束整形器162可将光线整形为平顶光束。

空间光调制器163用于将整形后的光线生成图案光。在本实施例中，空间光调制器163可显示打印图案，使整形后的光线经过空间光调制器163时生成图案光。

反射镜164用于将整形后的光线反射至空间光调制器163以及将图案光反射至投影镜头165。

投影镜头165与打印平台14相对设置，且投影镜头165设置于透明载物板129的下方，投影镜头165可将面状图案光投影在打印材料上。

计算机166用于提供位移数据和将曝光数据分割成一系列长条的图案文件，并将位移数据和图案文件发送至控制器167。在本实施例中，计算机166可将曝光数据分割成一系列宽度等于或小于空间光调制器163宽度像素的长条图案文件(BMP文件)。

控制器167用于控制成像装置16中的各个部件协调运行，例如数据的导入、运动同步控制、聚焦控制等。具体地，控制器167根据接收的图案文件时序上传图案文件至空间光调制器163，此时空间光调制器163可依次显示打印图案，使整形后的光线经过空间光调制器163时生成相应图案光。控制器167还根据接收的位移数据控制投影镜头165沿着透明传送带121的长度方向移动。在本实施例中，本发明的成像装置16运用时序同步技术，每次空间光调制器163发出图案光进行打印后，图案文件在空间光调制器163上平移一定像素，并对应发出另一副图案光，同时控制器167根据接收的位移数据控制投影镜头165移动一定距离。

CCD监控系统168用于监控打印平台14的打印情况，并将影像发送至计算机166，利用计算机166显示打印画面，实时监控打印情况。在本实施例中，控制器167还根据接收的位移数据控制CCD监控系统168与投影镜头165同步移动，保证CCD监控系统168能准确监控打印影像。

光电探测器169用于采集打印材料表面反射的光线，并将打印材料产生的形貌数据发送至控制器167，控制器167根据形貌数据调节投影镜头165的投影焦距。

测焦光源161b用于在3D打印前提供光源，进而调节投影镜头165的焦距。测焦光源161b发出的光线通过多个反射镜164反射至投影镜头165和光电探测器169，投影镜头165在透明传送带121的表面投影，同时光电探测器169采集透明传送带121表面反射的光线，并将产生的形貌数据发送至控制器167，控制器167根据形貌数据调节投影镜头165的投影焦距。

本发明的3D打印系统10采用空间光调制器163发出图案光，而空间光调制器163是通过液晶分子的偏转来控制输出光的亮度，使投影光在同一个平面内的不同区域的亮度加以控制，能够满足3D打印件在同一个截面内不同形状的需求。空间光调制器163的控制精度可以达到像素级，打印精度高，能够实现二维结构精度8um，厚度精度6um，能很好的满足生物器件对成型尺寸(例如微流控生物器件尺寸为1～4英寸)的特定要求，为生物器件的设计和生物医药领域的研究提供具有革新意义的技术平台。而且，空间光调制器163根据接收的图案文件时序产生相应的图案光，投影镜头165投影在打印材料上的光为面光源161a，同时投影镜头165沿着透明传送带121的长度方向移动，实现大幅面的投影扫描曝光，具有较高的打印速度。此外，本发明的3D打印系统10通过逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义，例如以模拟人耳的3D打印为例，需要类软骨材料、类肌肉材料的混合打印才能实现，可利用第一供料罐127a提供类软骨材料，利用第二供料罐128a提供类肌肉材料，在3D打印时，控制第一供料罐127a和第二供料罐128a时序供料，实现混合打印。

图2是本发明的3D打印方法的流程示意图。请参照图1和图2，本发明的3D打印方法利用3D打印系统10进行3D打印，3D打印方法的步骤包括：

提供进料装置12，该进料装置12包括透明传送带121、第一供料罐127a、第一刮刀127b、第二供料罐128a和第二刮刀128b，利用第一供料罐127a将打印材料排放至透明传送带121上，利用第一刮刀127b将打印材料刮平整，或者时序利用第一供料罐127a将打印材料排放至透明传送带121上，利用第一刮刀127b将打印材料刮平整，时序利用第二供料罐128a将打印材料排放至透明传送带121上，利用第二刮刀128b将打印材料涂刮平整，其中第一供料罐127a排出的打印材料与第二供料罐128a排出的打印材料不同；

提供打印平台14，利用透明传送带121将打印材料运送至打印平台14的表面；以及

提供成像装置16，利用成像装置16产生图案光，使图案光照射在打印材料上，并使打印材料在打印平台14上固化为打印实体。具体地，成像装置16包括光源161a、光束整形器162、空间光调制器163、多块反射镜164和投影镜头165、计算机166、控制器167、CCD监控系统168、光电探测器169和测焦光源161b。

利用光束整形器162对光源161a发出的光线进行整形；

利用计算机166提供位移数据和将曝光数据分割成一系列长条的图案文件，并将位移数据和图案文件发送至控制器167；

利用控制器167上传图案文件至空间光调制器163，使空间光调制器163显示打印图案，并使整形后的光线经过空间光调制器163时生成相应图案光；同时控制器167根据位移数据控制投影镜头165沿着透明传送带121的长度方向移动，实现大幅的投影扫描曝光；

利用光电探测器169采集打印材料表面反射的光线，并将打印材料产生的形貌数据发送至控制器167，控制器167根据形貌数据调节投影镜头165的投影焦距；

利用CCD监控系统168监控打印平台14的打印情况，并将影像发送至计算机166，利用计算机166显示打印画面，实时监控打印情况。

本发明的3D打印系统10的进料装置12包括透明传送带121、第一供料罐127a和第一刮刀127b，第一供料罐127a可将打印材料排放在透明传送带121上，第一刮刀127b的刀刃与透明传送带121相对设置，第一刮刀127b可将打印材料涂刮平整，透明传送带121可将打印材料运送至打印平台14的表面，成像装置16可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在打印平台14上固化为打印实体。本发明的3D打印系统10通过逐层涂覆打印材料，能实现多种材料混合打印，对生物应用具有极其重大的意义。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种3D打印系统，其特征在于，包括进料装置(12)、打印平台(14)和成像装置(16)，该进料装置(12)包括透明传送带(121)、第一供料罐(127a)和第一刮刀(127b)，该第一供料罐(127a)可将打印材料排放在该透明传送带(121)上，该第一刮刀(127b)的刀刃与该透明传送带(121)相对设置，该第一刮刀(127b)可将打印材料涂刮平整，该透明传送带(121)可将打印材料运送至该打印平台(14)的表面，该成像装置(16)可产生照射打印材料的图案光，使打印材料在该打印平台(14)上固化为打印实体。

2.如权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，该进料装置(12)还包括放带盘(122)和收带盘(123)，该透明传送带(121)的两端分别卷绕在该放带盘(122)和该收带盘(123)上，该打印平台(14)设置于该透明传送带(121)的上方，并位于该放带盘(122)与该收带盘(123)之间。

3.如权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，该进料装置(12)还包括多个第一张紧轮(124a)、多个第二张紧轮(124b)和主动辊(125)，多个第一张紧轮(124a)靠近该放带盘(122)设置，多个第二张紧轮(124b)靠近该收带盘(123)设置，该主动辊(125)设置于该第二张紧轮(124b)与该收带盘(123)之间，该透明传送带(121)依次经过该第一张紧轮(124a)、第二张紧轮(124b)和主动辊(125)，该主动辊(125)可驱使该透明传送带(121)向着靠近该收带盘(123)的方向移动。

4.如权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，该进料装置(12)还包括残料固化灯(126)，该残料固化灯(126)设置于该透明传送带(121)的上方，该残料固化灯(126)可发出紫外光固化打印之后剩余的打印材料。

5.如权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，该进料装置(12)还包括第二供料罐(128a)和第二刮刀(128b)，该第二供料罐(128a)可将打印材料排放至该透明传送带(121)上，该第二刮刀(128b)的刀刃与该透明传送带(121)相对设置，该第二刮刀(128b)可将打印材料涂刮平整，该第二供料罐(128a)排出的打印材料与该第一供料罐(127a)排出的打印材料不同。

6.如权利要求1所述的3D打印系统，其特征在于，该成像装置(16)包括光源(161a)、光束整形器(162)、空间光调制器(163)、多块反射镜(164)和投影镜头(165)，该光束整形器(162)用于整形该光源(161a)发出的光束；该空间光调制器(163)用于将整形后的光束生成图案光；该反射镜(164)用于将图案光反射至该投影镜头(165)，该投影镜头(165)与该打印平台(14)相对设置，该投影镜头(165)可将面状图案光投影在打印材料上。

7.如权利要求6所述的3D打印系统，其特征在于，该成像装置(16)还包括计算机(166)和控制器(167),该计算机(166)用于提供位移数据和将曝光数据分割成一系列长条的图案文件，并将位移数据和图案文件发送至该控制器(167)，该控制器(167)时序上传图案文件至该空间光调制器(163)，使该空间光调制器(163)生成图案光，该控制器(167)通过位移数据控制该投影镜头(165)沿着该透明传送带(121)的平面方向移动。

8.如权利要求7所述的3D打印系统，其特征在于，该成像装置(16)还包括CCD监控系统(168)，该CCD监控系统(168)用于监控该打印平台(14)的打印情况，并将该影像发送至该计算机(166)，该控制器(167)通过位移数据控制该CCD监控系统(168)与该投影镜头(165)同步移动。

9.如权利要求7所述的3D打印系统，其特征在于，该成像装置(16)还包括光电探测器(169),该光电探测器(169)用于采集打印材料表面反射的光线，并将产生的形貌数据发送至该控制器(167)，该控制器(167)根据形貌数据调节该投影镜头(165)的投影焦距。

10.一种3D打印方法，其特征在于，该3D打印方法包括以下步骤：

提供进料装置(12)，该进料装置(12)包括透明传送带(121)、第一供料罐(127a)和第一刮刀(127b)，利用该第一供料罐(127a)将打印材料排放至该透明传送带(121)上，利用该第一刮刀(127b)将打印材料涂刮平整；

提供打印平台(14)，利用该透明传送带(121)将打印材料运送至该打印平台(14)的表面；以及

提供成像装置(16)，利用该成像装置(16)产生图案光，使图案光照射在打印材料上，并使打印材料在该打印平台(14)上固化为打印实体。