CN111037920A - 一种光固化梯度材料成型装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光固化梯度材料成型装置及方法，通过在成形平台下端设置光固化槽，将成形平台通过竖直驱动装置设置于光固化槽上端，光固化槽下端设有光固化成型灯板，光固化槽内用于放置打印所需的光固化成型材料；混料槽连接有送料机构，实现光固化成型材料的密度调整，利用通过循环管路与光固化槽连通的混料槽实现光固化槽内光固化成型材料的流动，实现了梯度材料的制备，本装置结构简单，简化了传统梯度材料的制备工艺，降低了制造成本，并且降低梯度材料成型的所需条件，操作简单。本装置可以实现不同性能要求的密度梯度材料制备，只需在填料槽中添加不同填料即可，加入不同填料以改善不同零件的性能需求。

Description

一种光固化梯度材料成型装置及方法
技术领域
本发明涉及梯度材料制备装置技术领域，特别是一种光固化梯度材料成型装置及方法。
背景技术
随着高新技术的不断发展、材料科学领域的不断变革，密度梯度材料应运而生。密度梯度材料是一类密度沿厚度方向呈梯度变化的功能梯度材料，可以根据具体要求在保证材料完整性的前提下实现两侧或多侧功能的不同，以满足不同场合零件的性能要求。
密度梯度材料的制备方法有：化学气相沉积法、自蔓延高温合成法、等离子喷涂法、粉末冶金法、离心铸造法和薄膜浸渗成型法。但这些技术在制造密度梯度材料过程中存在缺陷、在控制密度方面存在一定的局限性。比如等离子喷涂法各涂层间存在成分突变的界面和各涂层的结合强度不高等问题；气相沉积法只能制备薄层，难以得到具有一定厚度的大尺寸材料；此外，此类制备方法工序复杂，需要大型设备，无法在实验室中进行，而且成本居高，不利于研究生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光固化梯度材料成型装置及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光固化梯度材料成型装置，包括打印机构和循环机构；
打印机构包括成形平台，成形平台下端设有光固化槽，成形平台通过竖直驱动装置设置于光固化槽上端，光固化槽下端设有光固化成型灯板，光固化槽内用于放置打印所需的光固化成型材料；
循环机构包括混料槽，混料槽通过循环管路与光固化槽连通，混料槽连接有送料机构。
进一步的，光固化槽底部为透明结构，光固化成型灯板设置于光固化槽下端。
进一步的，混料槽内设有搅拌叶片，混料槽底部设有搅拌电机，搅拌叶片安装于搅拌电机的搅拌轴上，搅拌电机与混料槽槽低密封连接。
进一步的，送料机构包括设置于混料槽上端的原料槽和填料槽。
进一步的，原料槽和填料槽下端开口处设有计量泵。
进一步的，混料槽一端设有进料口，一端设有出料口；光固化槽一侧设有物料进口，另一侧设有物料出口；混料槽的进料口与光固化槽的物料出口连通，混料槽的出料口与光固化槽的物料进口连通；混料槽的进料口和出料口分别设有第一循环泵和第二循环泵。
进一步的，第一循环泵和第二循环泵采用SZ-12V型微型水泵。
一种基于光固化梯度材料成型装置的光固化梯度材料成型方法，包括以下步骤：
步骤1)、在光固化槽内加入光固化梯度材料成型第一阶段所需密度的光固化成型材料；
步骤2)、光固化梯度材料第一阶段打印成型，完成第一阶段打印成型后减去第一阶段打印成型所用光固化梯度材料量得到剩余光固化梯度材料质量；
步骤3)、根据剩余光固化梯度材料质量，调整剩余光固化梯度材料密度为第二阶段所需光固化梯度材料成型密度，再进行第二阶段光固化梯度材料打印成型；重复步骤2)至步骤3)直至完成光固化梯度材料成型。
进一步的，步骤a)，开始打印前，在混料槽内混合初始浓度的光固化成型材料，然后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中；
步骤b)，进行第一阶段光固化梯度材料模型打印，完成梯度材料的第一阶段成型后，由第一循环泵将剩余的光固化成型材料抽入混料槽中；
步骤c)，根据打印过程第一阶段消耗光固化成型材料质量，可得到剩余物料剩余质量，根据密度梯度材料下一阶段所需光固化成型材料密度，通过原料槽和填料槽调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度，进行下一阶段梯度材料成型；每完成一个阶段梯度材料成型，重复上述步骤b)至步骤c)调整剩余材料的密度，通过光固化成型技术制得沿厚度方向功能不同的密度梯度材料。
进一步的，步骤c)中，通过原料槽和填料槽调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度后，通过第一循环泵和第二循环泵将调整后的光固化成型材料在光固化槽和混料槽内循环多次，最后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种光固化梯度材料成型装置，通过在成形平台下端设置光固化槽，将成形平台通过竖直驱动装置设置于光固化槽上端，光固化槽下端设有光固化成型灯板，光固化槽内用于放置打印所需的光固化成型材料；混料槽连接有送料机构，实现光固化成型材料的密度调整，利用通过循环管路与光固化槽连通的混料槽实现光固化槽内光固化成型材料的流动，实现了梯度材料的制备，本装置结构简单，简化了传统梯度材料的制备工艺，降低了制造成本，并且降低梯度材料成型的所需条件，操作简单。本装置可以实现不同性能要求的密度梯度材料制备，只需在填料槽中添加不同填料即可，加入不同填料以改善不同零件的性能需求。
本发明一种基于光固化梯度材料成型装置的光固化梯度材料成型方法，通过在光固化槽内加入光固化梯度材料成型第一阶段所需密度的光固化成型材料；完成第一阶段打印成型后减去第一阶段打印成型所用光固化梯度材料量得到剩余光固化梯度材料质量；根据剩余光固化梯度材料质量，调整剩余光固化梯度材料密度为第二阶段所需光固化梯度材料成型密度，再进行第二阶段光固化梯度材料打印成型，可实现光固化梯度材料成型过程材料密度的快速改变，成型方法简单，成型效率高。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，1-打印机外壳；2-成型平台；3-光固化槽；4-支架；5-循环管路；6-计量泵；7-第一循环泵；8-支撑架；9-搅拌电机；10-第二循环泵；11-搅拌叶片；12-混料槽；13-原料槽；14-填料槽；15-竖直导向柱；16-驱动块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种光固化梯度材料成型装置，包括打印机构和循环机构；
打印机构包括成形平台2，成形平台2下端设有光固化槽3，成形平台2通过竖直驱动装置设置于光固化槽3上端，光固化槽3下端设有光固化成型灯板；光固化槽3底部为透明结构，光固化成型灯板设置于光固化槽3下端，用于光固化槽3内光固化成型材料成型。
循环机构包括混料槽12，混料槽12通过循环管路5与光固化槽3连通；混料槽12连接有送料机构。
竖直驱动装置包括打印机外壳1以及设置于打印机外壳1内的竖直导向柱15，竖直导向柱15内设有竖直设置的驱动丝杆，竖直导向柱15上设有能够沿驱动丝杆上下移动的驱动块16；光固化槽3内用于放置打印所需的光固化成型材料。
混料槽12内设有搅拌叶片11，混料槽12底部设有搅拌电机9，搅拌叶片11安装于搅拌电机9的搅拌轴上，搅拌电机9与混料槽12槽低密封连接；
送料机构包括设置于混料槽12上端的原料槽13和填料槽14。原料槽13和填料槽14下端开口处设有计量泵6，用于控制原料槽13和填料槽14内物料投递量。
混料槽12一端设有进料口，一端设有出料口；光固化槽3一侧设有物料进口，另一侧设有物料出口；混料槽12的进料口与光固化槽3的物料出口连通，混料槽12的出料口与光固化槽3的物料进口连通；混料槽12的进料口和出料口分别设有第一循环泵7和第二循环泵10；第一循环泵7和第二循环泵10连接于动力源。第一循环泵7和第二循环泵10采用型号为SZ-12V的微型水泵。
打印机构采用ANYCUBIC桌面级高精度光固化PHOTON 3D工业级LCD光敏树脂打印机。
具体的，光固化成型材料采用光固化树脂及辅料混合而成，本申请中填料槽14内设有纳米氧化铝溶液，原料槽13里有光固化树脂，经由下方微型泵控制其流量与开合，在下方混料槽中进行混合，可以有效控制梯度材料的密度。本装置原理简单、操作方便，易于实现，并且相比传统的梯度材料制备方法更加清、环保。
开始打印时，在混料槽内混合初始浓度的光固化成型材料，然后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中，打印模型逐渐光固化成型，完成梯度材料的第一阶段成型后，由第一循环泵将剩余的光固化成型材料抽入混料槽中，根据打印过程第一阶段消耗光固化成型材料质量，可得到剩余物料剩余质量，此时剩余物料浓度为初始浓度，根据密度梯度材料下一阶段所需光固化成型材料密度，通过原料槽13和填料槽14调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度，利用第一循环泵7和第二循环泵10将调整后的光固化成型材料在光固化槽和混料槽内循环多次，最后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中，进行下一阶段梯度材料成型；每完成一个阶段梯度材料成型，重复上述步骤调整剩余材料的密度，通过光固化成型技术制得沿厚度方向功能不同的密度梯度材料。
实施例
开始打印时，取100g光固化成型树脂和10g氧化铝在混料槽内混合得到初始浓度的光固化成型材料，然后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中，打印模型逐渐光固化成型，完成梯度材料的第一阶段成型消耗材料质量为Ag，由第一循环泵将剩余的光固化成型材料抽入混料槽中，根据打印过程第一阶段消耗光固化成型材料质量，可得到剩余物料质量(110-A)g，其中光固化成型树脂为
Figure BDA0002347141190000061
氧化铝为
Figure BDA0002347141190000062
此时剩余物料浓度为初始浓度，根据密度梯度材料下一阶段所需光固化成型材料密度，通过原料槽13和填料槽14调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度，分别加入光固化成型树脂和氧化铝质量为a和b，则得到新的光固化成型材料中光固化成型树脂和氧化铝质量质量比为：
Figure BDA0002347141190000071
利用第一循环泵7和第二循环泵10将调整后的光固化成型材料在光固化槽和混料槽内循环多次，保证新的光固化成型树脂和氧化铝混合均匀，最后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中，进行下一阶段梯度材料成型；每完成一个阶段梯度材料成型，重复上述步骤调整剩余材料的密度，通过光固化成型技术制得沿厚度方向功能不同的密度梯度材料。

Claims (10)

1.一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，包括打印机构和循环机构；
打印机构包括成形平台(2)，成形平台(2)下端设有光固化槽(3)，成形平台(2)通过竖直驱动装置设置于光固化槽(3)上端，光固化槽(3)下端设有光固化成型灯板，光固化槽(3)内用于放置打印所需的光固化成型材料；
循环机构包括混料槽(12)，混料槽(12)通过循环管路(5)与光固化槽(3)连通；混料槽(12)连接有送料机构。
2.根据权利要求1所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，光固化槽(3)底部为透明结构，光固化成型灯板设置于光固化槽(3)下端。
3.根据权利要求1所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，混料槽(12)内设有搅拌叶片(11)，混料槽(12)底部设有搅拌电机(9)，搅拌叶片(11)安装于搅拌电机(9)的搅拌轴上，搅拌电机(9)与混料槽(12)槽低密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，送料机构包括设置于混料槽(12)上端的原料槽(13)和填料槽(14)。
5.根据权利要求4所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，原料槽(13)和填料槽(14)下端开口处设有计量泵(6)。
6.根据权利要求1所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，混料槽(12)一端设有进料口，一端设有出料口；光固化槽(3)一侧设有物料进口，另一侧设有物料出口；混料槽(12)的进料口与光固化槽(3)的物料出口连通，混料槽(12)的出料口与光固化槽(3)的物料进口连通；混料槽(12)的进料口和出料口分别设有第一循环泵(7)和第二循环泵(10)。
7.根据权利要求6所述的一种光固化梯度材料成型装置，其特征在于，第一循环泵(7)和第二循环泵(10)采用SZ-12V型微型水泵。
8.一种基于权利要求1所述光固化梯度材料成型装置的光固化梯度材料成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在光固化槽内加入光固化梯度材料成型第一阶段所需密度的光固化成型材料；
步骤2)、光固化梯度材料第一阶段打印成型，完成第一阶段打印成型后减去第一阶段打印成型所用光固化梯度材料量得到剩余光固化梯度材料质量；
步骤3)、根据剩余光固化梯度材料质量，调整剩余光固化梯度材料密度为第二阶段所需光固化梯度材料成型密度，再进行第二阶段光固化梯度材料打印成型；重复步骤2)至步骤3)直至完成光固化梯度材料成型。
9.根据权利要求1所述的光固化梯度材料成型方法，其特征在于，
步骤a)，开始打印前，在混料槽内混合初始浓度的光固化成型材料，然后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中；
步骤b)，进行第一阶段光固化梯度材料模型打印，完成梯度材料的第一阶段成型后，由第一循环泵将剩余的光固化成型材料抽入混料槽中；
步骤c)，根据打印过程第一阶段消耗光固化成型材料质量，可得到剩余物料剩余质量，根据密度梯度材料下一阶段所需光固化成型材料密度，通过原料槽和填料槽调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度，进行下一阶段梯度材料成型；每完成一个阶段梯度材料成型，重复上述步骤b)至步骤c)调整剩余材料的密度，通过光固化成型技术制得沿厚度方向功能不同的密度梯度材料。
10.根据权利要求9所述的光固化梯度材料成型方法，其特征在于，步骤c)中，通过原料槽和填料槽调整混料槽内剩余光固化成型材料的密度后，通过第一循环泵和第二循环泵将调整后的光固化成型材料在光固化槽和混料槽内循环多次，最后由第二循环泵将初始浓度的光固化成型材料抽入光固化槽中。
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