CN109732920A - 粉末材料光固化粘结的3d打印装置和打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置和打印方法，属于3D打印领域，该装置包括成型腔和光源系统，成型腔底部设置有光敏液体池，成型腔内部设置有粉末喷头，其中：光敏液体池内设置有底座，底座上放置有基板，底座连接有升降装置；粉末喷头连接有粉末罐，通过电机控制粉末喷头的位置；光源系统将光线照射到需要成型的区域。本发明克服了传统粉末烧结成型不能制造复杂结构零件、立体光固化成型只能打印单一光敏材料零件和选区激光熔化3D打印会使得材料再结晶易产生内部缺陷等缺点。具有打印速度快、成型效率高、能够打印复杂模型的优点，并且可以根据不同的目的添加不同的粉末材料。拓展了粉末材料的应用范围，节省了打印原材料。

Description

粉末材料光固化粘结的3D打印装置和打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别是指一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置和打印方法。

背景技术

立体光刻技术的成型原理是在充满液态光敏树脂的液槽中，通过计算机控制系统的控制，使光源扫描加工需要成型的部分，树脂会固化成一个薄层，当完成一层固化后液槽中的工作台会下降一定的高度(系统控制)继续进行下一层的打印，最终完成工件的制作。但是立体光刻技术成型过程中伴随着物理化学变化可能导致工件变形，软薄部分尤其容易发生翘曲变形，影响成型件精度，且单一的光敏树脂成型的工件硬度低整体较脆弱。

中国专利文献CN 108405865 A公开了一种粉末材料的3D打印方法，该方法将粉末颗粒和粘结剂分散在溶液中，制成3D打印料液；然后将配置得到的3D打印料液倒入储料槽中，因溶剂受光照加热而挥发，粉末颗粒间彼此由析出的溶质包覆连接，逐层打印即可形成完整的三维素坯。其存在以下缺点：

1)溶剂要求是流动性较好的易挥发性流体，和分散在料液中的粉末材料以及粘结剂不发生化学反应。配置好的料液应具有良好的流动性，在激光照射下不可引发燃烧等化学反应。而且要求粉末和粘结剂充分分散均匀。以上条件是很难同时满足的，很难制得合格的料液，也就无法保证打印出的成型件的质量。并且溶剂挥发后剩余的粉末和聚合物(粘结剂)固化粘结，由于溶剂挥发走了，不可避免的会使得固化位置处的体积减少，固化过程中发生变形，无法保证打印出的成型件的质量。

2)在制作一次打印材料过程需要使用大量溶剂与粉末混合，成本较高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置和打印方法，本发明克服了传统立体光刻技术打印过程中物理化学变化所导致的工件变形、成型件脆弱等缺点。具有打印速度快、成型效率高、能够使用不同粉末材料打印复杂模型的优点。提高了打印件的力学性能与精度，节省了打印原材料。

本发明提供技术方案如下：

一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置，包括成型腔和光源系统，所述成型腔底部设置有用于盛放光敏液体的光敏液体池，所述成型腔内部设置有粉末喷头，其中：

所述光敏液体池内设置有底座，所述底座上放置有基板，所述底座连接有升降装置；

所述粉末喷头连接有粉末罐，通过电机控制所述粉末喷头的位置；

所述光源系统将光线照射到需要成型的区域。

进一步的，所述光源系统包括光源、透镜组和扫描系统，所述光源连接有计算机控制系统，通过透镜组与扫描系统将光线照射到需要成型的区域。

进一步的，所述升降装置为升降台，所述升降台的一端与所述底座侧面连接，另一端连接有电机。

进一步的，所述升降装置为活塞，所述活塞的一端与所述底座底面连接，另一端伸出所述光敏液体池底部并连接有电机，所述活塞与光敏液体池的连接处设置有密封装置。

进一步的，所述成型腔为上端开口的壳体结构。

进一步的，所述扫描系统位于所述成型腔开口处的上方。

一种前述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置的打印方法，包括如下步骤：

步骤1：将所述基板放置在所述底座上，并调节升降装置使得所述基板位于初始位置；

步骤2：依据切片的形状，粉末喷头在电机的控制下移动到基板上方并沿着一定的轨迹移动，将粉末均匀喷撒在光敏液体上需要成型的区域；

步骤3：在计算机控制系统的控制下启动光源，按照切片的形状通过透镜组与扫描系统将光线依据一定的轨迹照射到需要成型的区域，使得光敏液体与粉末固化到一起，完成一层的打印；

步骤4：控制所述升降装置下降一定高度；

重复步骤2-4若干次，逐层打印，直至打印完成。

本发明具有以下有益效果：

本发明在光敏液体上每喷一层粉末材料后，利用光照将液体固化，粉末材料随之固定在表层，完成一层的打印。层层叠加，最后完成零件的打印。本发明利用均匀喷洒出的粉末材料与树脂等光敏液体结合进行立体光刻打印，提供了一种能够快速高效打印树脂与粉末材料的打印方法。本发明由于结合了粉末材料克服了传统立体光刻技术打印过程中物理化学变化所导致的工件变形、成型件脆弱等缺点。克服了传统粉末烧结成型不能制造复杂结构零件、立体光固化成型(SLA)只能打印单一光敏材料零件和选区激光熔化(SLM)3D打印会使得材料再结晶易产生内部缺陷等缺点。还可以根据不同的目的添加不同的粉末材料，利用粉末材料的性能实现特殊目的，拓展了粉末材料的应用范围。具有打印速度快、成型效率高、能够打印复杂模型的优点，且机械结构设计简单，有利于3D打印的推广与普及。此外，本发明提高了打印件的力学性能与精度，节省了打印原材料。

附图说明

图1为本发明的粉末材料光固化粘结的3D打印装置一个实施方式的示意图；

图2为本发明的粉末材料光固化粘结的3D打印装置另一个实施方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明实施例提供一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置，如图1-2所示，包括成型腔1和光源系统2，成型腔1底部设置有用于盛放光敏液体3的光敏液体池4，成型腔1内部设置有粉末喷头5，其中：

光敏液体池是进行零件打印场所，池内充满光敏液体，例如光敏树脂等。光敏液体池4内设置有底座41，底座41上放置有基板42并适当固定，工件在基板上被打印成型，打印过程中工件一直浸泡在光敏液体中，底座41连接有升降装置6(或6’)。

升降装置由一个单独的电机驱动，升降装置与底座相连，底座可由升降装置带动上下运动，通过计算机控制电机进行精确的升降。打印之前将基板放置在底座上并调平高度，每打印完一层后，升降装置根据系统控制自动下降一个高度，喷粉后进行下一层的打印，直至打印结束。

粉末喷头5连接有粉末罐51，粉末材料(如稀土材料、陶瓷粉末、金属粉末、碳纤维粉末等)事先装入粉末罐中并安装到打印机上，通过电机控制粉末喷头5的位置，当基板下降一定高度后，喷头在电机的控制下移动到基板上方，根据切片的形状，沿着一定的轨迹将粉末材料精确喷撒到需要成型的区域让粉末材料均匀的散布在光敏液体表面上。

本发明可以根据不同的目的添加不同的粉末材料，利用粉末材料的性能实现特殊目的。粉末材料不同，得到的零件性能也不同；如果粉末材料是碳纤维粉末，则得到零件的强度就大幅度增强；如果粉末材料是稀土永磁材料，则就可以得到高磁性的磁铁；如果是陶瓷粉末，则得到的是高硬度的材料。

光源系统2将光线照射到需要成型的区域，使得液体与粉末充分结合产生聚合反应而固化成一个薄层，完成一层的打印。层层叠加，最后完成整个工件的打印。在打印结束后将成型件从光敏液体池中取出并进行清理。

本发明在光敏液体上每喷一层粉末材料后，利用光照将液体固化，粉末材料随之固定在表层，完成一层的打印。层层叠加，最后完成零件的打印。本发明利用均匀喷洒出的粉末材料与树脂等光敏液体结合进行立体光刻打印，提供了一种能够快速高效打印树脂与粉末材料的打印方法。本发明由于结合了粉末材料克服了传统立体光刻技术打印过程中物理化学变化所导致的工件变形、成型件脆弱等缺点。克服了传统粉末烧结成型不能制造复杂结构零件、立体光固化成型(SLA)只能打印单一光敏材料零件和选区激光熔化(SLM)3D打印会使得材料再结晶易产生内部缺陷等缺点。还可以根据不同的目的添加不同的粉末材料，利用粉末材料的性能实现特殊目的，拓展了粉末材料的应用范围。具有打印速度快、成型效率高、能够打印复杂模型的优点，且机械结构设计简单，有利于3D打印的推广与普及。

此外，与现有技术CN 108405865 A相比，本发明不需要溶剂，也不用配置粉末、溶剂和粘结剂的混合液。提高了打印件的力学性能与精度，节省了打印原材料。

作为本发明的一种改进，光源系统2包括光源21、透镜组22和扫描系统23，光源21连接有计算机控制系统24，通过透镜组22与扫描系统23将光线照射到需要成型的区域。

计算机控制系统用于控制光源启动，透镜组与扫描系统用于使光线在需要固化的区域进行扫描，进行光固化。透镜组可以是一片透镜也可以是多片透镜，根据实际需要进行选择。

本发明的升降装置可以有多种方式，这里给出两个示例：

示例一：

如图1所示，升降装置为升降台6，升降台6的一端与底座41侧面连接，另一端连接有电机，通过计算机控制电机进行精确的升降。

示例二：

如图2所示，升降装置为活塞6’，活塞6’的一端与底座41底面连接，另一端伸出光敏液体池4底部并连接有电机，通过电机控制活塞的升降，活塞6’与光敏液体池4的连接处设置有密封装置，防止光敏液体泄露。

进一步的，成型腔1为上端开口的壳体结构，此时，扫描系统23位于成型腔开口处的上方。

另一方面，本发明实施例提供一种前述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置的打印方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：将基板42放置在底座41上适当固定，并调节升降装置使得基板42位于初始位置。

3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。因此，在初始位置时，基板应当低于光敏液体的液面，并且两者的高度差为切片的厚度。

步骤2：依据切片的形状，粉末喷头5在电机的控制下移动到基板42上方并沿着一定的轨迹移动，将粉末均匀喷撒在光敏液体上需要成型的区域。

步骤3：在计算机控制系统24的控制下启动光源21，按照切片的形状通过透镜组22与扫描系统23将光线依据一定的轨迹照射到需要成型的区域，使得光敏液体与粉末材料固化到一起，完成一层的打印。

步骤4：控制升降装置下降一定高度。

重复步骤2-4若干次，逐层打印，直至工件打印完成。

本发明在光敏液体上每喷一层粉末材料后，利用光照将液体固化，粉末材料随之固定在表层，完成一层的打印。层层叠加，最后完成零件的打印。本发明利用均匀喷洒出的粉末材料与树脂等光敏液体结合进行立体光刻打印，提供了一种能够快速高效打印树脂与粉末材料的打印方法。由于结合了粉末材料克服了传统立体光刻技术打印过程中物理化学变化所导致的工件变形、成型件脆弱等缺点。克服了传统粉末烧结成型不能制造复杂结构零件、立体光固化成型(SLA)只能打印单一光敏材料零件和选区激光熔化(SLM)3D打印会使得材料再结晶易产生内部缺陷等缺点。还可以根据不同的目的添加不同的粉末材料，利用粉末材料的性能实现特殊目的，拓展了粉末材料的应用范围。具有打印速度快、成型效率高、能够打印复杂模型的优点，且机械结构设计简单，有利于3D打印的推广与普及。此外，本发明提高了打印件的力学性能与精度，节省了打印原材料。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，包括成型腔和光源系统，所述成型腔底部设置有用于盛放光敏液体的光敏液体池，所述成型腔内部设置有粉末喷头，其中：

所述光敏液体池内设置有底座，所述底座上放置有基板，所述底座连接有升降装置；

所述粉末喷头连接有粉末罐，通过电机控制所述粉末喷头的位置；

所述光源系统将光线照射到需要成型的区域。

2.根据权利要求1所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，所述光源系统包括光源、透镜组和扫描系统，所述光源连接有计算机控制系统，通过透镜组与扫描系统将光线照射到需要成型的区域。

3.根据权利要求2所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，所述升降装置为升降台，所述升降台的一端与所述底座侧面连接，另一端连接有电机。

4.根据权利要求2所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，所述升降装置为活塞，所述活塞的一端与所述底座底面连接，另一端伸出所述光敏液体池底部并连接有电机，所述活塞与光敏液体池的连接处设置有密封装置。

5.根据权利要求1-4任一所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，所述成型腔为上端开口的壳体结构。

6.根据权利要求5所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置，其特征在于，所述扫描系统位于所述成型腔开口处的上方。

7.一种权利要求2所述的粉末材料光固化粘结的3D打印装置的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将所述基板放置在所述底座上，并调节升降装置使得所述基板位于初始位置；

步骤2：依据切片的形状，粉末喷头在电机的控制下移动到基板上方并沿着一定的轨迹移动，将粉末均匀喷撒在光敏液体上需要成型的区域；

步骤3：在计算机控制系统的控制下启动光源，按照切片的形状通过透镜组与扫描系统将光线依据一定的轨迹照射到需要成型的区域，使得光敏液体与粉末固化到一起，完成一层的打印；

步骤4：控制所述升降装置下降一定高度；

重复步骤2-4若干次，逐层打印，直至打印完成。