CN109732907B - 一种3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种3D打印设备，包括料槽，光学设备，载物台，升降设备，空气压缩机，压力安全阀，传感器，加料口，内壳。料槽为封闭结构，料槽底部设有透光窗口，光学设备位于透光窗口下方，料槽内盛装可固化液体，所述可固化液体中含有光固化组分和非光固化组分，内壳设置在料槽内部，内壳的底部接触透光窗口并形成密封，内壳的上段呈喇叭状，下段的形状与载物台的形状匹配，下段的内径与载物台的尺寸吻合，在内壳的下段接近透光窗口处沿周长均匀开设多个通孔，载物台通过内壳的上段下降并伸入内壳的下段，载物台的升降由载物台顶部设置的可纵向运动的升降设备驱动，载物台底部为光固化制品，料槽内部与空气压缩机相连，在料槽顶部设有加料口和传感器，料槽侧壁还设有压力安全阀。

Description

一种3D打印设备

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种打印设备。

背景技术

3D打印是通过逐层增加材料来制造三维制品的技术，该技术综合了诸多领域的前沿技术，被誉为“第三次工业革命”的核心技术。其中光固化3D打印快速成形工艺，具有能耗小、成本低、成形精度高等特点。

图1显示了一种传统的光固化3D打印设备，包括料槽3，光学设备4，载物台5，升降设备6，料槽3底部设有透光窗口1，光学设备4位于透光窗口1下方，料槽3内盛装可固化液体2，在料槽3内设置载物台5，载物台5的升降由载物台顶部设置的可纵向运动的升降设备6驱动，载物台5底部为光固化制品7。

传统的光固化3D打印技术，经常出现透光窗口与光固化制品粘结的问题，需要对光固化制品进行机械剥离，期间载物台需要回退，无法实现连续打印，导致打印速度慢。

最近，美国的约瑟夫·德西蒙尼(Joseph M.DeSimone)与他的同事亚历克斯·叶尔莫什金(Alex Ermoshkin)以及爱德华·萨穆尔斯基(Edward T.Samulski)合作发明了一种“连续液面生长”(Continuous Liquid Interface Production，简称CLIP)的技术，该技术中，光敏树脂料槽底部的膜可以让氧气通过，而光敏树脂分子不能通过，氧气通过料槽底部的膜进入光敏树脂，打印过程中利用氧气的氧阻聚效应，创造了一种非层层打印的3D打印技术。

但是，该控制方法需要用到可以让氧气通过的透氧膜，据报道称，该膜厚度约0.1mm，由于该膜厚度小，所以非常容易耗损破裂，且全球目前只有杜邦一家公司能够生产该膜，成本高；同时，在打印过程中，该透氧膜在拔模力的作用下易发生弯曲变形，变形量和变形形状无法控制，因而影响打印精度。

因此，有必要设计一种更加经济实用且打印精度和速度都有较高保障的3D打印设备来解决现有技术中存在的不足。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种3D打印设备，可实现连续打印，打印速度较传统3D打印有明显提高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种3D打印设备，其特征在于，包括：料槽，光学设备，载物台，升降设备，空气压缩机，压力安全阀，传感器，加料口，内壳，

料槽为封闭结构，料槽底部设有透光窗口，光学设备位于透光窗口下方，料槽内盛装可固化液体，所述可固化液体中含有光固化组分和非光固化组分，

内壳设置在料槽内部，内壳的底部接触透光窗口并形成密封，内壳的上段呈喇叭状，下段的形状与载物台的形状匹配，下段的内径与载物台的尺寸吻合，在内壳的下段接近透光窗口处沿周长均匀开设多个通孔，

载物台通过内壳的上段下降并伸入内壳的下段，载物台的升降由载物台顶部设置的可纵向运动的升降设备驱动，载物台底部为光固化制品，

料槽内部与空气压缩机相连，在料槽顶部设有加料口和传感器，料槽侧壁还设有压力安全阀。

其中，所述可固化液体中含有的非光固化组分的含量为0.5-75wt％，优选为5-45wt％，非光固化组分受光照不固化，使得光固化制品与透光窗口之间存在未固化的液态非光固化组分，降低光固化制品与透光窗口的附着力，对非光固化组分可以进行湿气固化、室温固化、加热固化或几种固化形式共同或交替进行固化。

其中，所述可光固化液体中的非光固化组分包括非光固化的液体硅胶、非光固化的水凝胶、非光固化的聚氨酯、非光固化的聚脲树脂、非光固化的环氧树脂、非光固化的氨基树脂、非光固化的聚酯树脂、非光固化的聚醚树脂、非光固化的聚酰亚胺树脂、非光固化的酚醛树脂、非光固化的脲醛树脂、非光固化的三聚氰胺甲醛树脂、非光固化的呋喃树脂、非光固化的聚酰胺树脂、非光固化的乙烯基树脂和非光固化的烃类树脂中一种或多种的组合。

其中，所述可固化液体中含有的可光固化的组分包括自由基型光敏树脂和阳离子型光敏树脂中的一种或两种。

其中，所述透光窗口由单层低表面张力材料组成，或由低表面张力材料与透明材料组成，透明材料由单层或多层石英玻璃、PET或PC复合制成，透光窗口与可固化液体接触的上表面采用低表面张力材料，所述低表面张力材料的表面张力小于可固化液体的表面张力，例如小于30mN/m，优选为小于20mN/m，所述载物台的表面张力大于可固化液体的表面张力。

其中，所述低表面张力材料包括硅橡胶或有机氟化物，所述有机氟化物包括全氟聚醚、聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯和氟碳涂料。

其中，料槽的侧壁以及内壳的下段由多层套筒套接而成，相邻层套筒之间保持密封，相邻层套筒之间可以上下滑动，从而形成可伸缩结构。

其中，打印时，料槽的侧壁及内壳的下段的伸长与载物台的移动是同步的。

其中，所述传感器包括压力传感器，用于监测料槽中的气压，

当气压小于第一设定值时，空气压缩机向料槽内提供气体，直到料槽中的气压达到第一设定值时停止提供，

当气压大于第二设定值时，开启压力安全阀泄气，直到料槽中的气压低于第二设定值时停止泄气。

其中，所述传感器包括距离传感器，用于监测料槽内的可固化液体的液面与载物台的上表面之间的距离h，当距离h小于第三设定值时，打开加料口自动补充可固化液体，直到距离h达到第三设定值时停止补充。

本发明的有益效果是：

打印过程中，透光窗口与光固化制品不粘结，可有效避免传统3D打印出现的光固化制品机械剥离和载物台回退的现象，可实现连续打印，使得打印速度远超传统光敏树脂3D打印，速度可达传统3D打印速度的20～100倍；

与CLIP技术相比，本发明公开的3D打印设备在打印过程中，透光窗口无需透氧，生产成本低，且透光窗口在打印过程中的拔模力作用下不易发生破裂和变形，打印的制品精度更高；

打印设备的高度可调，可以实现产品的小型化，有利于打印设备的运输和安装。

附图说明

图1为传统的光固化3D打印设备的结构示意图；

图2为本发明实施例1公开的一种3D打印设备的结构示意图；

图3为本发明实施例2公开的一种3D打印设备的结构示意图。

其中，1-透光窗口，2-可固化液体，3-料槽，4-光学设备，5-载物台，6-升降设备，7-光固化制品，8-空气压缩机，9-压力安全阀，10-传感器，11-加料口，12-内壳。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

实施例1：料槽顶部封闭的3D打印设备

如图2所示，本实施例公开的3D打印设备包括：料槽3，光学设备4，载物台5，升降设备6，空气压缩机8，压力安全阀9，传感器10，加料口11，内壳12。料槽3底部设有透光窗口1，光学设备4位于透光窗口1下方，料槽3内盛装可固化液体2，所述可固化液体2中含有光固化组分和非光固化组分。内壳12设置在料槽3内部，内壳12的底部接触透光窗口1并形成密封，内壳12的上段121呈喇叭状，下段122的形状与载物台5的形状匹配，下段122的内径与载物台5的尺寸吻合，从而与载物台5形成过盈配合。在内壳12的下段122接近透光窗口1处沿周长均匀开设多个通孔123，从而允许可固化液体2从内壳12外部进入内壳12内部。载物台5通过内壳12的上段121下降并伸入内壳12的下段122，载物台5的升降由载物台顶部设置的可纵向运动的升降设备6驱动，载物台5底部为光固化制品7。料槽3为封闭结构，料槽3内部与空气压缩机8相连，在料槽3顶部设有加料口11和传感器10，料槽3侧壁还设有压力安全阀9。

所述光学设备4在程序控制下将变化的光通过透光窗口1照射到载物台5下表面的固化成型点，使得固化成型点处的可固化液体2中的光固化组分固化形成光固化制品7，而非光固化组分不固化。载物台5的下表面采用高表面张力材料，其表面张力大于可固化液体2的表面张力，从而使光固化制品7粘附在载物台5的下表面上。随着光固化制品7粘附，升降设备6同时向上提升。料槽3中的可固化液体2在液压作用下通过内壳12的通孔123从内壳12外部流入内壳12内部，向光固化区域补充直至打印完成。可固化液体2的这种流动会形成一定的涡流，可以防止光固化制品与透光窗口粘结，从而实现快速打印。

打印时，受光照的光固化组分固化形成光固化制品，而非光固化组分不固化，使得光固化制品与透光窗口之间存在未固化的液态非光固化组分，未固化的液态非光固化组分可充当润滑剂，大大降低光固化制品与透光窗口的附着力，进一步防止光固化制品与透光窗口粘结。光固化制品7中的未固化的液态非光固化组分在打印完成后需要进行湿气固化、室温固化、加热固化或几种固化形式共同或交替进行固化，使得非光固化组分完成固化。

所述光固化组分包括自由基型光敏树脂和阳离子型光敏树脂中的一种或两种，所述非光固化组分包括非光固化的液体硅胶、非光固化的水凝胶、非光固化的聚氨酯、非光固化的聚脲树脂、非光固化的环氧树脂、非光固化的氨基树脂、非光固化的聚酯树脂、非光固化的聚醚树脂、非光固化的聚酰亚胺树脂、非光固化的酚醛树脂、非光固化的脲醛树脂、非光固化的三聚氰胺甲醛树脂、非光固化的呋喃树脂、非光固化的聚酰胺树脂、非光固化的乙烯基树脂和非光固化的烃类树脂中一种或多种的组合，其中非光固化组分含量为0.5-75wt％，优选为5-45wt％。

所述传感器10包括压力传感器，压力传感器监测料槽3中的气压，当气压小于第一设定值时，空气压缩机8向料槽3内提供气体，直到料槽3中的气压达到第一设定值时停止提供。优选的，所述第一设定值等于2个大气压，这样可以使可固化液体2的流动形成的涡流的力度适中，在防止光固化制品与透光窗口粘结的同时也不会影响光固化制品的成形。当传感器10监测到料槽3中的气压大于第二设定值时，开启压力安全阀9泄气，直到料槽3中的气压低于第二设定值时停止泄气。第二设定值大于第一设定值。所述传感器10还包括距离传感器，距离传感器监测料槽3内的可固化液体2的液面与载物台5的上表面之间的距离h，当距离h小于第三设定值时，打开加料口11自动补充可固化液体2，直到距离h达到第三设定值时停止补充。具体而言，距离传感器可以是定向声波传感器，定向声波传感器发出的定向声波被可固化液体2的液面和载物台5的上表面反射，定向声波传感器可以在不同的时间接收到两个反射声波，根据两个反射声波之间的时间差可以计算出可固化液体2的液面与载物台5的上表面之间的距离h。

所述透光窗口1由单层透明低表面张力材料组成，厚度为30.05mm，或由低表面张力材料与透明材料组成，透明材料由单层或多层石英玻璃、PET或PC复合制成，透光窗口1与可固化液体2接触的上表面采用低表面张力材料，其中低表面张力材料厚度为0.05mm，透明材料厚度为30mm。所述低表面张力材料的表面张力小于可固化液体2的表面张力，例如小于30mN/m，优选为小于20mN/m，所述低表面张力材料包括硅橡胶或有机氟化物，所述有机氟化物包括全氟聚醚、聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯和氟碳涂料。在透光窗口1的上表面设置低表面张力材料且在载物台5的下表面设置高表面张力材料可以使得光固化制品与透光窗口的附着力更低，并使得光固化制品与载物台更易粘附，进一步防止光固化制品与透光窗口粘结。另一方面，选择具有按照本发明设计的厚度和材料的透光窗口1可以保证透光窗口在打印过程中的拔模力作用下不易发生破裂和变形，打印的制品精度更高。

本发明的3D打印机的打印速度可达900mm/h，打印精度可达0.1mm。

实施例2

如图3所示，本实施例公开的3D打印设备的结构或特征与实施例1类似，区别在于，料槽3和内壳12为可伸缩结构。下面将对可伸缩的料槽3和内壳12的相关结构或特征进行详细描述，与实施例1类似的结构或特征的描述则被省略。

料槽3的侧壁由多层套筒套接而成，相邻层套筒之间保持密封，在电机的驱动下，相邻层套筒之间可以上下滑动，从而形成可伸缩的侧壁。内壳12的下段122的结构与料槽3的侧壁结构类似，在此不再赘述。需要提及的是，当内壳12被设计成可伸缩结构时，应使内壳12的下段122的内径保持不变。可伸缩的密封结构是现有技术，在此不做详细描述。

初始状态下，料槽3的侧壁及内壳12的下段122处于收缩状态。打印时，随着光固化制品7粘附，升降设备6同时向上提升载物台5。当提升距离大于第四设定值时，电机驱动料槽3的侧壁及内壳12的下段122伸长。作为优选，驱动料槽3的侧壁及内壳12的下段122的电机与驱动升降设备6的电机可以是同一电机，即打印时，料槽3的侧壁及内壳12的下段122的伸长与载物台5的向上移动是同步的。

另一方面，当料槽3的侧壁及内壳12的下段122随着载物台5的升高而伸长时，可能导致料槽3内的气压发生变化。因此空气压缩机8和压力安全阀9基于压力传感器的检测值工作，调节料槽3内的气压，使料槽3内的气压始终大于等于第一设定值且小于等于第二设定值。

另一方面，当载物台升高且料槽3的侧壁及内壳12的下段122伸长时，料槽3内原有的可固化液体2的液面相对于载物台5的上表面的高度会下降。因此加料口11基于距离传感器的检测值工作，调节料槽3内的可固化液体2的容量，使可固化液体2的液面与载物台5的上表面之间的距离h始终大于第三设定值。

如此，利用本实施例公开的3D打印设备，料槽3的高度可调，因此打印设备可以适应不同高度的待打印的光固化制品7，而打印设备本身的高度不需要很高，可以实现产品的小型化，有利于打印设备的运输和安装。

本发明中各实施例公开的3D打印设备的优点是：

1.与传统光敏树脂3D打印相比：传统打印为间断打印需要固化层的剥离，光敏树脂的再填充和载物台回退步骤，打印时间长；而本发明的非光固化组分可有效避免光固化制品与具有低表面张力的透光窗口粘连，因此，在打印过程中，可避免光固化制品的剥离、光敏树脂的再填充和载物台回退步骤，从而节约打印时间，最终可实现连续快速打印，解决了传统3D打印剥离力大、速度慢的问题。

2.与CLIP技术相比，CLIP技术控制方法需要用到可以让氧气通过的膜(透氧膜)，该膜厚度约0.1mm，容易耗损破裂，同时，在打印过程中，该透氧膜在拔模力的作用下发生弯曲变形，变形量且变形形状无法控制，因而打印精度较低。而本发明公开的打印设备的透光窗口不需要透氧，其厚度可达到几个毫米厚或更大，打印过程中在拔模力作用下不易发生破裂和弯曲变形，因此打印的制品精度更高，解决了CLIP技术打印速度快而精度低的问题。

3.打印设备的高度可调，可以实现产品的小型化，有利于打印设备的运输和安装。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种3D打印设备，其特征在于，包括：料槽，光学设备，载物台，升降设备，空气压缩机，压力安全阀，传感器，加料口，内壳，

料槽为封闭结构，料槽底部设有透光窗口，光学设备位于透光窗口下方，料槽内盛装可固化液体，所述可固化液体中含有光固化组分和非光固化组分，

内壳设置在料槽内部，内壳的底部接触透光窗口，内壳的上段呈喇叭状，下段的形状与载物台的形状匹配，下段的内径与载物台的尺寸吻合，在内壳的下段接近透光窗口处沿周长均匀开设多个通孔，

载物台通过内壳的上段下降并伸入内壳的下段，载物台的升降由载物台顶部设置的可纵向运动的升降设备驱动，载物台底部为光固化制品，

料槽内部与空气压缩机相连，在料槽顶部设有加料口和传感器，料槽侧壁还设有压力安全阀。

2.如权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述可固化液体中含有的非光固化组分的含量为0.5-75wt％，非光固化组分受光照不固化，使得光固化制品与透光窗口之间存在未固化的液态非光固化组分，降低光固化制品与透光窗口的附着力，对非光固化组分可以进行湿气固化、室温固化、加热固化或几种固化形式共同或交替进行固化。

3.如权利要求2所述的3D打印设备，其中，所述可固化液体中的非光固化组分包括非光固化的液体硅胶、非光固化的水凝胶、非光固化的聚氨酯、非光固化的聚脲树脂、非光固化的环氧树脂、非光固化的氨基树脂、非光固化的聚酯树脂、非光固化的聚醚树脂、非光固化的聚酰亚胺树脂、非光固化的酚醛树脂、非光固化的脲醛树脂、非光固化的三聚氰胺甲醛树脂、非光固化的呋喃树脂、非光固化的聚酰胺树脂、非光固化的乙烯基树脂和非光固化的烃类树脂中一种或多种的组合。

4.如权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述可固化液体中含有的可光固化的组分包括自由基型光敏树脂和阳离子型光敏树脂中的一种或两种。

5.如权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述透光窗口由单层低表面张力材料组成，或由低表面张力材料与透明材料组成，透明材料由单层或多层石英玻璃、PET或PC复合制成，透光窗口与可固化液体接触的上表面采用低表面张力材料，所述低表面张力材料的表面张力小于可固化液体的表面张力，所述载物台的表面张力大于可固化液体的表面张力。

6.如权利要求5所述的3D打印设备，其中，所述低表面张力材料包括硅橡胶或有机氟化物，所述有机氟化物包括全氟聚醚、聚六氟丙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚三氟乙烯和氟碳涂料。

7.如权利要求1所述的3D打印设备，其中，料槽的侧壁以及内壳的下段由多层套筒套接而成，相邻层套筒之间保持密封，相邻层套筒之间可以上下滑动，从而形成可伸缩结构。

8.如权利要求7所述的3D打印设备，其中，打印时，料槽的侧壁及内壳的下段的伸长与载物台的移动是同步的。

9.如权利要求1或7或8所述的3D打印设备，其中，所述传感器包括压力传感器，用于监测料槽中的气压，

当气压小于第一设定值时，空气压缩机向料槽内提供气体，直到料槽中的气压达到第一设定值时停止提供，

当气压大于第二设定值时，开启压力安全阀泄气，直到料槽中的气压低于第二设定值时停止泄气。

10.如权利要求1或7或8所述的3D打印设备，其中，所述传感器包括距离传感器，用于监测料槽内的可固化液体的液面与载物台的上表面之间的距离h，当距离h小于第三设定值时，打开加料口自动补充可固化液体，直到距离h达到第三设定值时停止补充。

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