CN110539487A - 一种基于液体挤出与激光成型的3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印设备领域，具体涉及到一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备。所述3D打印设备包括执行组件、喷头组件和控制系统；所述喷头组件包括体积泵、喷嘴、激光器三个部分，其激光焦点在所述喷嘴挤出线上；所述执行组件包括机械臂、三轴龙门数控结构和其它数控机构；所述执行组件与控制系统通讯连接。

Description

一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备
技术领域
本发明涉及3D打印设备领域，具体涉及到一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备。
背景技术
常温下的液态物质，可以在光或者热的条件下转化为固态。根据TRIZ理论，这种制造原理可以与3D打印技术相结合，将常温下是液态的物质，通过精密泵输送挤出，在挤出端创造固化环境，从而实现3D打印。然而现有的打印设备大都只能实现逐层打印，不能对形状和结构复杂且精细的产品很好的通过3D打印的方式进行成型。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，所述3D打印设备包括执行组件、喷头组件和控制系统；所述喷头组件包括体积泵电机、体积泵头和喷嘴；所述喷头组件侧面设置有激光器，其激光焦点在所述盆岁挤出线上；所述执行组件为机械臂、三轴龙门数控结构或其它数控机构；所述执行组件与控制系统通讯连接。
作为一种优选的技术方案，所述激光器选自可见光激光器、紫外光激光器、红外光激光器中的一种。
作为一种优选的技术方案，所述数控机构包括第一关节臂、第二关节臂和第三关节臂、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机和第四旋转电机；所述第一旋转电机设置在底座上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂；所述第一关节臂与第二关节臂通过所述第二旋转电机驱动连接；所述第二关节臂与第三关节臂通过所述第三旋转电机驱动连接；所述第四旋转电机设置在第三关节臂上，并与所述喷头组件固定连接。
作为一种优选的技术方案，其运动方式是三轴联动控制的，而不采用在固定z轴下的平面上实现二维填充。
作为一种优选的技术方案，所述喷头组件上方设置有进料口；所述喷头组件上方设置有进料口；所述进料口通过体积泵与喷嘴连接，其液体挤出的动力由定量体积泵提供动力，而不需要通过气动+通断阀实现，从而有很高的挤出精度。
作为一种优选的技术方案，所述体积泵选自压电泵、螺杆泵、柱塞泵中的一种，或者多种的并联或串联。在体积泵上设置有步进电机或者伺服电机，通过中央控制板卡可以控制喷嘴的空间XYZ路径，并通过控制体积泵设置的电机控制泵头的挤出速度，实现材料不同的材料配比、流量，从而实现梯度材料的打印；或者通过RGB三原色材料的实施配比调整，实现彩色打印。
作为一种优选的技术方案，所述的体积泵可以在打印的路径上，通过程序控制其挤出的液体的流量，实现梯度材料和结构的打印。
作为一种优选的技术方案，材料挤出后直接被激光器固化，因此不需要额外设置支撑喷头。
本发明中利用液态物料挤出与激光成型相结合的技术，除了可以使用三轴逐层打印的方法(即在每一个z高上实现扫描)，还可以用于5轴联动控制，进行空间成型，适用于形状和结构复杂且精细的产品3D打印。本发明中控制系统利用G代码通过中央控制板卡控制数控结构带动喷嘴在三维空间中的移动，于此同时中央控制板卡控制体积泵电机的运行情况，调控其打印材料的挤出速度，控制在喷嘴路径上的挤出/不挤出，挤出量多/挤出量少等参数，并在喷嘴挤出线和激光焦点处通过光固化或热固化的方式进行凝固成型，从而实现在三维空间中精细结构的打印。此外，由于打印材料在激光作用下能够很快凝固成型，因此不需要支撑材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备的结构示意图。
图2为本发明基于液体挤出与激光成型的3D打印设备中激光器设置结构示意图。
图3为本发明中压电泵结构示意图。
图4为本发明中螺杆泵结构示意图。
图5为本发明中柱塞泵结构示意图。
图6为本发明中的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备的结构示意图。
其中，01-控制系统、02-执行组件、03-中央控制板卡、1-第一旋转电机、2-第二旋转电机、3-第三旋转电机、4-第四旋转电机、5-第一关节臂、6-第二关节臂、7-第三关节臂、8-底座、9-体积泵电机、10-体积泵头、11-喷嘴、12-激光器、15-出料口、16-进料口、17-伺服电机、18-压电陶瓷、19-膜片、20-挤出口、21-供料口、22-步进电机、23-第一万向节、24-第二万向节、25-第二进料阀、26-出料阀、27-第一进料阀。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明提供技术方案中的技术特征作进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
此外，应理解，尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件、组分、区域、层和/或部分，但这些元件、组分、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组分、区域、层或部分区别于另外的元件、组分、区域、层或部分。因此，在不背离实例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组分、区域、层或部分可称为第二元件、组分、区域、层或部分。
本发明提供了一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，所述3D打印设备包括执行组件、喷头组件和控制系统；所述喷头组件包括体积泵电机、体积泵头和喷嘴；所述喷头组件侧面设置有激光器，其激光焦点在所述盆岁挤出线上；所述执行组件为机械臂、三轴龙门数控结构或其它数控机构；所述执行组件与控制系统通讯连接。
本发明中的所述基于液体挤出与激光成型的3D打印设备主要由三个部分组成，其中的执行机构包括机械臂、三轴龙门数控结构等。本发明中所述数控结构不做特殊限定，可以是三轴数控结构或者其它数控机构，如三轴龙门数控结构等，其主要作用是由与其连接的机械部带动喷头组件按照需要的轨迹运动，在XYZ空间中实现受控的运动。
本发明中还可以包括基板，主要用于承载打印堆积的零件和打印的工作件。该基板可以是与所述3D打印机为一体的，也可以两者分开独立存在。
本发明中激光器是本领域技术人员所熟知的装置，主要功能是发射激光。本发明中设置在喷头组件侧面的激光器通过发射激光，使从喷头组件中挤出的打印物料在激光与挤出线交汇出发生光固化反应和/或热固化反应，从而凝固成型，与常规的固化方式相比具有更短的固化时间，且可以精确的控制固化位置和固化程度，实现精细结构的成型。本发明中对所述激光器的种类，所发射激光类型不做特殊限定。
在一些实施方式中，所述激光器选自可见光激光器、紫外光激光器、红外光激光器中的一种。
在一些实施方式中，所述机械臂包括第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机和第四旋转电机；所述第一旋转电机设置在底座上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂；所述第一关节臂与第二关节臂通过所述第二旋转电机连接；所述第二关节臂与第三关节臂通过所述第三旋转电机连接；所述第四旋转电机设置在第三关节臂上，并与所述喷头组件固定连接。其中，第一旋转电机可以以底座为轴发生旋转，使第一关节臂能够在水平面上旋转，同时带动第二关节臂与喷头组件在水平面上旋转，而第二旋转电机则带动喷头组件在垂直于水平面上旋转。最终在上述四个电机联动作用下，调整喷头在某个固定的高度，在水平面内运动，实现点线面扫描，在某个高度高上，液体喷头组件实现实体的扫描填充。通过这种数控结构除了三轴逐层打印外，还能够很精确的控制被打印材料的精细结构，打印得到各种形状和结构各异的材料。
本发明中所述控制系统主要为电脑软件控制，通过特定的程序控制打印设备的执行组件，接收路径数据解析，并发送给执行组件，通过联动电机，实现XYZ三轴的空间运动。通过中央控制板卡控制上述旋转电机，使其在3维空间中带动喷头组件移动，同时通过控制喷头组件中与体积泵连接的电机运行，控制喷嘴上液体物料的挤出速度，从而实现在三维空间的打印。
在一些实施方式中，其运动方式是三轴联动控制的，而不采用在固定z轴下的平面上实现二维填充。
在一些实施方式中，所述喷头组件上方设置有进料口；所述进料口通过体积泵与喷嘴密封连接。其液体挤出的动力由定量体积泵提供动力，而不需要通过气动+通断阀实现，从而有很高的挤出精度。打印原料通过体积泵精确计量之后通过上述进料口进入到喷头组件中，在从喷嘴挤出，然后在激光作用下固化成型。
本发明中所述体积泵是打印材料的计量组件，主要用于对材料的精确计量，对其种类不做特殊限定。
在一些实施方式中，所述体积泵选自压电泵、螺杆泵、柱塞泵中的一种，或者多种的并联或串联。在体积泵上设置有步进电机或者伺服电机，通过中央控制板卡可以控制喷嘴的空间XYZ路径，并通过控制体积泵设置的电机控制泵头的挤出速度，实现材料不同的材料配比、流量，从而实现梯度材料的打印；或者通过RGB三原色材料的实施配比调整，实现彩色打印。
在本发明喷头组件中的喷嘴里体积泵头要有一定的距离，距离需要尽可能的短，这样与市场上其它方案(如两者距离布置的较远，采用输送管等)相比，可以避免因压力高了以后输送管变形导致计量不准确等问题。
本发明中所述压电泵是由压电陶瓷、膜片、供料口和出料口组成，其中压电陶瓷在给予一个电压或者电流之后，会发生压缩、扩张，高频率的电信号变化，可以将变化的频率信号转化为定量流量，从而实现精确计量。
本发明中所述螺杆泵主要包括伺服电机、螺杆、出料口等，由于螺杆泵的转动圈数与流量有对应关系。利用这个原理，可以使用步进或者私服电机，精确带动螺杆的转动圈数，从而实现极其精确的挤出。
本发明中所述柱塞泵可以为单冲程柱塞泵，也可以为双冲程柱塞泵，其中双冲程柱塞泵第一冲程挤出时，第二冲程吸料，交替进行，从而实现非常平滑的流量输出。可以使用多冲程实现更加平稳的流量输出。
本发明中材料挤出后直接被激光器固化，因此不需要额外设置支撑喷头。
通过并联连接的多个体积泵，利用每一个柱塞泵两个冲程的交替吸料和挤出，可以实现四种不同液体物料的打印，通过控制系统对执行组件的控制，喷嘴扫描的路径上的不同位置，通过数字控制，调整多组份液体的比例以及流量，使在喷嘴路径上，不同的位置可以有不同的液体量、不同的液体混合比，从而实现由多种物料凝固成型得到的多功能梯度材料的打印。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例
实施例1：参见图1～3、6，本实施例提供了一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，所述3D打印设备包括执行组件02、喷头组件和控制系统01；所述喷头组件包括体积泵电机9、体积泵头10和喷嘴11；所述喷头组件侧面设置有激光器12，其激光焦点在所述喷嘴11挤出线上；所述执行组件包括机械臂；所述执行组件与控制系统通讯连接。所述机械臂包括第一关节臂5、第二关节臂6、第三关节臂7、第一旋转电机1、第二旋转电机2、第三旋转电机3和第四旋转电机4；所述第一旋转电机1设置在底座8上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂5；所述第一关节臂5与第二关节臂6通过所述第二旋转电机2驱动连接；所述第二关节臂6与第三关节臂7通过所述第三旋转电机3驱动连接；所述第四旋转电机4设置在第三关节臂7上，并与所述喷头组件固定连接；所述进料口通过体积泵10与喷嘴11密封连接；所述体积泵10为压电泵。
实施例2：参见图1、2、4、6，本实施例提供了一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，所述3D打印设备包括执行组件02、喷头组件和控制系统01；所述喷头组件包括体积泵电机9、体积泵头10和喷嘴11；所述喷头组件侧面设置有激光器12，其激光焦点在所述喷嘴11挤出线上；所述执行组件包括机械臂；所述执行组件与控制系统通讯连接。所述机械臂包括第一关节臂5、第二关节臂6、第三关节臂7、第一旋转电机1、第二旋转电机2、第三旋转电机3和第四旋转电机4；所述第一旋转电机1设置在底座8上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂5；所述第一关节臂5与第二关节臂6通过所述第二旋转电机2驱动连接；所述第二关节臂6与第三关节臂7通过所述第三旋转电机3驱动连接；所述第四旋转电机4设置在第三关节臂7上，并与所述喷头组件固定连接；所述进料口通过体积泵10与喷嘴11密封连接；所述体积泵10为螺杆泵。
实施例3：参见图1、2、5、6，本实施例提供了一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，所述3D打印设备包括执行组件02、喷头组件和控制系统01；所述喷头组件包括体积泵电机9、体积泵10和喷嘴11；所述喷头组件侧面设置有激光器12，其激光焦点在所述喷嘴11挤出线上；所述执行组件包括机械臂；所述执行组件与控制系统通讯连接。所述机械臂包括第一关节臂5、第二关节臂6、第三关节臂7、第一旋转电机1、第二旋转电机2、第三旋转电机3和第四旋转电机4；所述第一旋转电机1设置在底座8上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂5；所述第一关节臂5与第二关节臂6通过所述第二旋转电机2驱动连接；所述第二关节臂6与第三关节臂7通过所述第三旋转电机3驱动连接；所述第四旋转电机4设置在第三关节臂7上，并与所述喷头组件固定连接；所述进料口通过体积泵10与喷嘴11密封连接；所述体积泵10为柱塞泵。
本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。
在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或更改为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括执行组件、喷头组件和控制系统；所述喷头组件包括体积泵、喷嘴和激光器，其激光焦点在所述喷嘴挤出线上；所述执行组件包括机械臂、三轴龙门数控结构和其它数控机构；所述执行组件与控制系统通讯连接。
2.如权利要求1所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述激光器选自可见光激光器、紫外光激光器、红外光激光器中的一种。
3.如权利要求1所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述数控机构包括第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第一旋转电机、第二旋转电机、第三旋转电机和第四旋转电机；所述第一旋转电机设置在底座上，并水平面方向固定连接所述第一关节臂；所述第一关节臂与第二关节臂通过所述第二旋转电机驱动连接；所述第二关节臂与第三关节臂通过所述第三旋转电机驱动连接；所述第四旋转电机设置在第三关节臂上，并与所述喷头组件固定连接。
4.如权利要求3所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其运动方式是三轴联动控制的，而不采用在固定z轴下的平面上实现二维填充。
5.如权利要求3所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述喷头组件上方设置有进料口；所述进料口通过体积泵与喷嘴连接，其液体挤出的动力由定量体积泵提供动力，而不需要通过气动和通断阀实现，从而有很高的挤出精度。
6.如权利要求4所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述体积泵选自压电泵、螺杆泵、柱塞泵中的一种，或者多种的并联或串联，在体积泵上设置有步进电机或者伺服电机，通过中央控制板卡可以控制喷嘴的空间XYZ路径，并通过控制体积泵设置的电机控制泵头的挤出速度，实现材料不同的材料配比、流量，从而实现梯度材料的打印；或者通过RGB三原色材料的实施配比调整，实现彩色打印。
7.如权利要求5所述的基于液体挤出与激光成型的3D打印设备，其特征在于，所述的体积泵可以在打印的路径上，通过程序控制其挤出的液体的流量，实现梯度材料和结构的打印。
8.如权利要求6所述的3D打印设备，材料挤出后直接被激光器固化，因此不需要额外设置支撑喷头。
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