CN110181815A - 一种3d打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印设备，包括机身框架，机身框架的顶面一侧竖直设有Z轴电机滑台，Z轴电机滑台上设有成型平台，机身框架的顶面中部设有剥离机构，剥离机构上设有盛料装置，盛料装置正对成型平台的底部；DLP光机、光路调节装置、主控板及控制电路均安装于机身框架内部，补料模块加装于盛料装置一侧并对准料槽，分布式温控模块分别安装于盛料装置、补料模块、成型平台三处。该设备结构稳定，操作方便，可打印精细度高达微米级且造型复杂的树脂或生物材料结构；其机身小，适用于超净台等狭小的空间操作；设备可加装分布式温控模块与补料模块，防止生物材料的冷凝，减小生物凝胶材料的水分蒸发所带来的浓度变化，节省生物墨水材料。

Description

一种3D打印设备

技术领域

本发明涉及自动化装备技术领域，尤其是涉及一种3D打印设备。

背景技术

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。运用三维打印机打印模型，无需传统的切削加工机床和工模具，在计算机的控制下根据工件的三维模型可直接成形三维实体。该技术在珠宝、机械行业、工业设计、建筑工程、航空航天、牙科和医疗产业以及其他领域都有所应用。

随着3D打印行业的飞速发展，人们对3D打印机的要求也越来越高。现有的3D打印设备虽然能满足普通的使用需求，但大多停留在针对普通材料的加工阶段，不能适应特种材料诸如水凝胶等“生物墨水”材料的3D成型打印，缺乏模块化与功能化设计。

市面上缺乏一种可同时打印传统材料与生物材料的3D打印设备，其技术难点在于要同时适应传统材料与生物材料所存在的性质与性能差异。与传统材料3D打印类似的是，生物3D打印也是基于3D增材制造原理，只不过是利用“生物墨水”打印出所设计的三维结构体的技术，是一种以加工活性材料包括生物材料、生长因子、细胞等为主要内容，以重建人体组织和器官为目标，跨学科和领域的新型再生医学工程技术。其作为一种新兴的组织工程手段，已经在细胞三维体外培养、器官芯片制造、药物筛选，组织再生等方面起到越来越重要的作用，可以以较快、方便的构建细胞体外生长环境，或制造体内支架。与传统材料3D打印所不同的是，生物打印需要为细胞等生物活性材料提供适宜其生存、生长以及具有良好生物学功能的条件，如温度与湿度，还需要考虑生物材料所具有的完全不同于常规打印材料的特性。目前，生物打印机通常采用挤出式的打印方式，温度过低会导致生物墨水材料冷凝，容易使挤出头发生堵塞，导致打印中断。而欲进一步提高其精度，就必须把挤出头做小，这是一组矛盾。故采用挤出式的3D打印方式很难实现更为精细的孔隙结构和更为复杂的外形结构，打印材料容易在温度得不到有效控制的喷嘴及管路流道中发生堵塞，这种现象随着打印材料黏度的增加而愈加明显，从而影响整个生物打印机的打印效率。而采用DLP光固化3D打印技术则无需挤出头，并可以实现微米级的高精度打印，以及各种各样复杂的造型。但常规的光固化3D打印必须要求打印材料的流动性较好，故不适用于易冷凝生物材料的打印，同时水凝胶等材料存在水分易蒸发并发生收缩变形，以及材料昂贵的特点。综上，为适应生物3D打印，需要具备温度控制，湿度控制以及节约打印材料的能力。

发明内容

为克服现有3D打印设备的各种缺陷，本发明的目的在于提供一种全新的具备复杂造型能力的高精度3D打印设备，具备模块化与功能化设计，打印机主体在功能上即可满足打印光敏性树脂等传统材料的需求，同时留有功能扩展接口，可按需加装针对“生物墨水”打印的补料模块与温控模块，即实现了打印传统材料的同时，亦可打印光敏性“生物墨水”材料，只需添加上述两个模块即可。通过该设备，能够制造出精细度高达微米级、造型复杂的传统树脂或特种生物墨水3D打印结构。针对诸如水凝胶等生物材料打印时，本装置结构稳定且小型化的机身，完全可适用于无菌超净台狭小的空间，且设备加装分布式温控模块后，可在整个打印过程中对盛料装置、补料模块、成型平台三处的生物材料进行加热与保温以防止材料冷凝，确保打印的顺利进行。设备具备补料模块，可按一定规律定期加料，相较于一次性向料槽开放空间加注全部打印材料，由密封容器向外加料的设计减小了打印材料中易挥发组分暴露于空气中的面积、减小材料的水分蒸发，亦克服了长时间打印生物材料的浓度变化，同时节省了昂贵的生物墨水材料：本次打印结束后容器中剩余的打印材料可被回收或直接用于下一次打印，并可长时间保证无菌性。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种3D打印设备，包括机身框架，机身框架的顶面一侧竖直设有Z轴电机滑台，Z轴电机滑台上设有成型平台，机身框架的顶面中部设有剥离机构，剥离机构上设有盛料装置，所述盛料装置正对成型平台的底部；DLP光机、光路调节装置、主控板及控制电路均安装于机身框架内部；打印生物墨水时，于盛料装置一侧对准料槽加装补料模块，并于盛料装置、补料模块、成型平台三处分别安装分布式温控模块。

进一步的，所述的成型平台通过平台支架固定于Z轴电机滑台的滑块上，所述平台支架的底面依次固定有上片、下片和成型面板，三个精密调节装置平均分布在上片的顶面外周并伸入下片顶面设置的凹坑内。

进一步的，所述的成型面板可拆卸固定在下片的底面。

进一步的，所述的剥离机构包括料槽夹持块、转轴结构、上支撑板、盛料机构拖持板、剥离机构底板、缓冲调节装置、导向限位杆、连接头和贯穿式电机，所述剥离机构底板的一端通过转轴结构铰接在上支撑板上，其另一端的中部通过连接头与贯穿式电机的T型杆上端相连接；所述剥离机构底板的顶面通过三个缓冲调节装置固定有盛料机构拖持板，其中两个分别设置在剥离机构底板一边的两个顶角处，另一个设置在与之相对的另一条边的中部，所述盛料机构拖持板的顶面设有料槽夹持块；所述上支撑板上于连接头的两端开设有一对导向槽，两根导向限位杆分别穿设于两个导向槽并固定在剥离机构底板的底部，所述导向槽的宽度与导向限位杆的轴径相匹配。

进一步的，所述盛料装置包括料槽底座、料槽圈、特种玻璃和绷膜圈，所述盛料装置通过其底部的料槽底座插装于剥离机构的料槽夹持块之间；料槽底部安装有玻璃，所述玻璃上铺设有离型膜，所述绷膜圈与料槽圈相互压紧实现对离型膜绷紧；所述的玻璃可针对性的透过特定波长的固化光。

进一步的，所述的光路调节装置包括焦距调节滑轨和带有固定支架的反光镜，焦距调节滑轨和带有固定支架的反光镜固定在机身框架内，所述DLP光机设置在焦距调节滑轨上，其发射光经反光镜反射后垂直射向盛料装置的底部中心。

进一步的，所述补料模块固定在料槽夹持块的顶面，所述补料模块包括小型滑台、推杆、生物墨水容器和保温夹具，所述推杆设置在生物墨水容器内并固定在小型滑台的滑块上，所述保温夹具设置在生物墨水容器的外周。

进一步的，所述分布式温控模块由功率输出装置和温度反馈装置构成。

有益效果：本发明提供了一种3D打印设备，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、本发明的3D打印设备结构稳定，操作方便，光机的高精度投影将生物墨水固化，使得成型精度可达数十微米，并且可用于打印极复杂的造型。

二、机身采用模块化功能化设计，可同时适应传统材料打印与生物材料打印的不同打印需求。

三、本发明逐层打印，由面成体，打印速度较之于挤出式更为迅速。

四、较之于挤出式打印，本发明成型件缺陷少，强度更高，力学性能得到显著提升。

五、针对生物材料打印时，本发明相对于FDM挤出式打印方法，摆脱了挤出头的限制，同时具备精确的温度控制能力，克服了生物墨水易冷凝的缺陷。

六、针对生物材料打印时，本发明结构紧凑小型化，适用于放置在超净台等无菌环境，设计上实现了防止打印件由于水分蒸发带来的缩水变形与溶液浓度升高，并可节约昂贵的生物墨水。

七、成型平台使用三个精密调节装置利用三点定面原理实现对成型平面的初始高度及水平度的调节，从而提高打印精度；盛料装置处的三个缓冲调节装置同样利用三点定面原理实现对盛料装置水平度的调节，亦可用于微调其高度用于准确对焦，同时在Z轴降下时起到缓冲作用，从而进一步提高打印精度。

附图说明

图1是本发明的3D打印设备的结构示意图；

图2是本发明的成型平台的结构示意图；

图3是本发明的盛料装置的结构示意图；

图4是本发明的补料模块的结构示意图；

图5是本发明的剥离机构的结构示意图；

图6是本发明可打印的模型示例的结构图；

图7是本发明打印图6示例时截面1处的光机投影图；

图8是本发明打印图6示例时截面2处的光机投影图。

图中：1、Z轴电机滑台；2、成型平台；21、平台支架；22、精密调节装置；23、上片；24、下片；25、成型面板；3、补料模块；31、小型滑台；32、推杆；33、生物墨水容器；34、保温夹具；4、盛料装置；41、料槽底座；42、料槽圈；43、贴附有离型膜的特种玻璃；44、绷膜圈；5、机身框架；6、焦距调节滑轨；7、DLP光机；8、带有固定支架的反光镜；9、剥离机构；91、料槽夹持块；92、转轴结构；93、上支撑板；94、盛料机构拖持板；95、剥离机构底板；96、缓冲调节装置；97、导向限位杆；98、连接头；99、贯穿式电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

一种3D打印设备，如图1所示，包括机身框架5，机身框架5的顶面一侧竖直设有Z轴电机滑台1，Z轴电机滑台1上设有成型平台2，机身框架5的顶面中部设有剥离机构9，剥离机构9上设有盛料装置4，所述盛料装置4正对成型平台2的底部；DLP光机7、光路调节装置、主控板及控制电路均安装于机身框架内部，补料模块3加装于盛料装置4一侧并对准料槽，分布式温控模块分别安装于盛料装置4、补料模块3、成型平台2三处。Z轴电机滑台1包括电机、联轴器、丝杆或T型杆、丝杆螺母或T型杆螺母、滑块、支撑导向的框架结构，当电机受控旋转一定角度时，将通过联轴器带动丝杆或T型杆进行旋转，丝杆或T型杆螺母将上述旋转运动转化为直线运动，并带动滑块沿着Z方向上下移动。Z轴电机滑台1的运动行程，决定了打印物体的最大高度。作为优选，应选择精度高、刚度大的滑台，如双线轨滚珠丝杆滑台。

如图2所示，所述的成型平台2通过平台支架21固定于Z轴电机滑台1的滑块上，所述平台支架21的底面依次固定有上片23、下片24和成型面板25，所述上片23和下片24的中间通过螺栓固定在平台支架21上，三个精密调节装置22平均分布在上片23的顶面外周并伸入下片24顶面设置的凹坑内，从而为防止旋转增加稳定性。所述的精密调节装置22可选为微分头。为方便拆卸，所述的成型面板25可拆卸固定在下片24的底面，所述的成型面板25的最下层平面即为成型平面，亦为所打印物体首层固化后所粘附的面，所述的成型面板25为硬质橡胶材料或金属材质，具有较高的平面度却不可过于光滑，宜做表面氧化处理，以免打印物脱落。当所述的成型面板25为金属材质时，所述的成型面板25通过磁吸方式固定在下片24的底面，磁铁的磁力大小同时满足超过剥离所带来的下拉力加上自身及打印件重力，并可由操作人员手动拿下。

成型平台2面积大小的设计依据取决于光机投影幅面大小，并决定了所打印物体在X-Y平面上投影的最大尺寸。三个精密调节装置可以保证成型平台位置水平度，提高打印精度，并实现成型平台高度及水平度调节的便捷性，其利用三点定面原理实现对成型平面的初始高度及水平度的调节，为精调方式；粗调高度则可通过调节安装在电机滑台上限位开关的位置进行控制。

如图5所示，所述的剥离机构9包括料槽夹持块91、转轴结构92、上支撑板93、盛料机构拖持板94、剥离机构底板95、缓冲调节装置96、导向限位杆97、连接头98和贯穿式电机99，所述剥离机构底板95的一端通过转轴结构92铰接在上支撑板93上，其另一端的中部通过连接头98与贯穿式电机99的T型杆上端相连接；所述剥离机构底板95的顶面通过缓冲调节装置96固定有盛料机构拖持板94，所述缓冲调节装置96为三个，其中两个分别设置在剥离机构底板95一边的两个顶角处，另一个设置在与之相对的另一条边的中部，缓冲调节装置96由三根导杆及套于其上的弹簧组成，可以利用三点定面原理对盛料装置4的水平度进行调节，亦可用于微调其高度用于准确对焦，同时弹簧可起到缓冲作用，即在成型平台下压过度时起到保护作用。所述盛料机构拖持板94的顶面设有料槽夹持块91，所述上支撑板93上于连接头98的两端开设有一对导向槽，两根导向限位杆97分别穿设于两个导向槽并固定在剥离机构底板95的底部，所述导向槽的宽度与导向限位杆97的轴径相匹配，避免旋转倾斜时发生偏移。剥离机构底板通过连接头98与贯穿式电机的连接处的单位面积接触力较大，且打印数厘米高的物体就需要成百上千次的剥离运动，为防止磨损此处应选用强度较高的材料，否则会产生磨损、噪音甚至贯穿电机受阻失步，最终导致料槽难以回复水平状态。当贯穿式电机内部转子转动，且T型杆绕轴向的旋转自由度受到连接头98的约束时，转子的旋转运动将使得T型杆产生上下运动，从而从右侧拉动料槽产生相对于水平面的旋转与倾斜。整个剥离机构9结构可实现盛料机构4绕转轴结构92产生旋转与倾斜，使得打印层与料槽之间的分离更为轻松，有效减小分离时对打印物垂直方向的向下拉力，以免打印物产生断裂变形甚至从成型平台脱落。

如图3所示，所述盛料装置4包括料槽底座41、料槽圈42、特种玻璃43和绷膜圈44，所述盛料装置4通过其底部的料槽底座41插装于剥离机构的料槽夹持块91之间，所述料槽底座的一侧外端面加工有把手，使得料槽同时便于拿下与装上，利于打印前的加料与打印后的清洗；料槽底部安装有特种玻璃43，所述特种玻璃43上铺设有离型膜，所述绷膜圈44与料槽圈42相互压紧实现对离型膜绷紧。

优选的，所述的特种玻璃43为高硼硅酸盐玻璃，具备针对405nm波段光的高透射率，所述的离型膜为聚四氟乙烯薄膜材料，具有优异离型能力与力学性能。

所述的光路调节装置包括焦距调节滑轨6、带有固定支架的反光镜8，焦距调节滑轨和带有固定支架的反光镜固定在机身框架内，所述固定支架为45度斜面支架，所述反光镜设置在45度斜面上，所述DLP光机设置在焦距调节滑轨上，所述DLP光机的出光口正对45度倾斜的反光镜，经反光镜的反射光垂直射向盛料装置的底部中心。

如图4所示，所述补料模块3固定在料槽夹持块91的顶面，所述补料模块3包括小型滑台31、推杆32、生物墨水容器33和保温夹具34，所述推杆32设置在生物墨水容器33内，所述生物墨水容器33的挤出头对准料槽以便于加料。所述推杆32固定在小型滑台31的滑块上，所述保温夹具34设置在生物墨水容器33的外周，打印过程中保温夹具34工作以防止补料模块3处生物墨水冷凝导致堵塞挤出头。打印中，大部分的生物墨水存放于补料模块的生物墨水容器33中，随着打印进行逐次加料，相较于一次性向料槽开放空间加注全部材料，由密封容器向外加料的设计减小了生物墨水暴露于空气中的面积、减小材料的水分蒸发，亦然减小了长时间打印生物材料的浓度变化。其第二个优点在于节省昂贵的生物墨水材料，本次打印结束，生物墨水容器33中剩余的生物墨水可被回收或直接用于下一次打印，并可长时间保证无菌性。

所述分布式温控模块由功率输出装置和温度反馈装置构成，采用带有背胶的加热膜进行加热，采用防水的热敏电阻作为温度反馈装置，利用继电器控制加热膜的开闭进行控温，算法上采用PID算法或棒棒算法，通过改变通电时间段所占整个周期的比例来调节温度。分布式温控模块分别对盛料装置、补料模块、成型平台三处的生物材料进行加热与保温以防止材料冷凝。一处采用圆形方孔状加热膜贴附于特种玻璃下底面，用于对料槽中的生物墨水进行加热与保温；第二处采用圆形加热膜贴附于成型平台的成型面板25与下片24之间，用于对成型平台上粘附的打印件进行保温；第三处采用矩形加热膜，围绕粘附于保温夹具34的周围，用于对生物墨水容器33进行加热保温。

本发明所述3D打印设备的工作原理如下：

Z轴电机滑台可带动成型平台上下往复运动，以实现层层脱模及精确控制打印层厚的功能；成型平台固定于电机滑台的滑块上并可随之上下往复运动，打印物首层固化后粘附于成型平台底面；剥离机构可实现料槽底座绕转轴产生旋转与倾斜，有效减小分离时对打印物垂直方向的下拉力，以免打印物产生断裂变形甚至从成型平台脱落；打印材料盛放于盛料装置中，其槽底为特种玻璃，对405nm波段光具有高透射率；光机水平投影经45度反光镜反射后垂直向上曝光使得生物墨水固化成相应投影形状。针对生物材料打印，需在主机身加装分布式温控模块与补料模块，整个打印过程中分布式温控模块对盛料装置、补料模块、成型平台三处的生物材料进行加热与保温以防止材料冷凝，确保打印的顺利进行。补料模块按一定规律定期加料，以减小料槽中暴露于空气中的生物材料水分蒸发所带来的浓度变化并节约昂贵的打印材料。

本发明所述3D打印设备的装配流程如下：

整体装配时，成型平台通过螺纹连接固定于Z轴电机滑台的滑块上，电机滑台垂直安装于上支撑板的固定孔处，上支撑板通过四根立柱架设于下支承板上以构成机身框架。剥离机构一侧与贯穿式电机的T型杆相连，另一侧通过转轴或合页结构安装于上支撑板；盛料装置两侧插装于剥离机构的夹持块内；补料模块固定安装于剥离机构一侧并且生物墨水容器的挤出头对准料槽以便于加料；分布式温控模块分散安装于三处，即料槽特种玻璃的下底面、补料模块容器四周、成型平台内部；光机通过双导轨安装于下支撑板上，并可左右滑动以便于调节光机镜头与光固化成型面间的距离，使其恰好等于光机焦距；同样地，反光镜通过45度支架安装于下支撑板上以构成光路。

Claims (8)

1.一种3D打印设备，其特征在于：包括机身框架，机身框架的顶面一侧竖直设有Z轴电机滑台，Z轴电机滑台上设有成型平台，机身框架的顶面中部设有剥离机构，剥离机构上设有盛料装置，所述盛料装置正对成型平台的底部；DLP光机、光路调节装置、主控板及控制电路均安装于机身框架内部；打印生物墨水时，于盛料装置一侧对准料槽加装补料模块，并于盛料装置、补料模块、成型平台三处分别安装分布式温控模块。

2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的成型平台通过平台支架固定于Z轴电机滑台的滑块上，所述平台支架的底面依次固定有上片、下片和成型面板，三个精密调节装置平均分布在上片的顶面外周并伸入下片顶面设置的凹坑内。

3.根据权利要求2所述的3D打印设备，其特征在于：所述的成型面板可拆卸固定在下片的底面。

4.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的剥离机构包括料槽夹持块、转轴结构、上支撑板、盛料机构拖持板、剥离机构底板、缓冲调节装置、导向限位杆、连接头和贯穿式电机，所述剥离机构底板的一端通过转轴结构铰接在上支撑板上，其另一端的中部通过连接头与贯穿式电机的T型杆上端相连接；所述剥离机构底板的顶面通过三个缓冲调节装置固定有盛料机构拖持板，其中两个分别设置在剥离机构底板一边的两个顶角处，另一个设置在与之相对的另一条边的中部，所述盛料机构拖持板的顶面设有料槽夹持块；所述上支撑板上于连接头的两端开设有一对导向槽，两根导向限位杆分别穿设于两个导向槽并固定在剥离机构底板的底部，所述导向槽的宽度与导向限位杆的轴径相匹配。

5.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于：所述盛料装置包括料槽底座、料槽圈、特种玻璃和绷膜圈，所述盛料装置通过其底部的料槽底座插装于剥离机构的料槽夹持块之间；料槽底部安装有玻璃，所述玻璃上铺设有离型膜，所述绷膜圈与料槽圈相互压紧实现对离型膜绷紧；所述的玻璃可针对性的透过特定波长的固化光。

6.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述的光路调节装置包括焦距调节滑轨和带有固定支架的反光镜，焦距调节滑轨和带有固定支架的反光镜固定在机身框架内，所述DLP光机设置在焦距调节滑轨上，其发射光经反光镜反射后垂直射向盛料装置的底部中心。

7.根据权利要求4所述的3D打印设备，其特征在于：所述补料模块固定在料槽夹持块的顶面，所述补料模块包括小型滑台、推杆、生物墨水容器和保温夹具，所述推杆设置在生物墨水容器内并固定在小型滑台的滑块上，所述保温夹具设置在生物墨水容器的外周。

8.根据权利要求1所述的3D打印设备，其特征在于：所述分布式温控模块由功率输出装置和温度反馈装置构成。