CN111070665A - 一种亚微米精度的多针头直写式3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,料筒、纳米级定位精度的三轴平台、点胶机和打印平台,所述料筒前端设有打印针头,所述点胶机通过气管与料筒相连,所述纳米级定位精度的三轴平台包括X轴位移台、Y轴位移台和Z轴位移台,X轴位移台和Y轴位移台用于调整打印平台的位置,所述料筒安装在Z轴位移台上,可以随Z轴上下移动;在Z轴位移台的料筒上方设有跟踪亚微米级打印针头出丝和打印过程的成像系统;所述成像系统包括CMOS相机、远心镜头、物镜;与现有技术相比,本发明采用毛细管玻璃微针作为打印针头、纳米级精度的定位平台、多料筒结构、激光校准器和成像系统的结合,可以实现高精度多材料的打印。

Description

一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机
技术领域
本发明属于增材制造技术领域,具体涉及一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机。
背景技术
3D打印技术是一种快速成型的增材制造技术,3D打印技术是将三维模型转换为数字模型,通过计算机软件切片或者规划路径,运用粉末状金属,塑料,光敏材料以及可粘合材料,通过逐点,线和面的方式来构造物体的技术。3d打印与传统的模具生产工艺有很大的不同,3d打印最大的优势在于无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品的研制周期,提高生产率和降低生产成本,此外,3d打印还能够打印出一些传统生产技术无法制造出的复杂的三维结构。经过多年的发展,3d打印已经广泛应用于传统制造业、医疗行业、文物保护行业、建筑设计行业和配件饰品等行业,而且在科研界也受到全世界范围的推崇。
现阶段的3D打印技术主要有以下三种技术类别:(1)直写挤出式3D打印,通过将打印的材料从喷嘴出挤出;(2)光固化技术;(3)选区激光烧结技术。其中,直写式的3D打印技术是当下发展最为迅速且应用最广的打印技术。由于其具有较为简单的技术原理,通过制备不同尺度的喷嘴可以实现精度范围较广的三维加工,以及对于打印材料没有限制等优势,使得直写式的3D打印技术及相关设备在前沿的科学研究领域存在巨大的需求。
尽管目前直写式3D打印设备在市场上占有较大的份额,但是仍存在以下几点不足亟待改进。首先,由于缺乏高精度喷嘴,使得可加工的材料线精度较差,难以实现高精度的制造;其次,打印机没有装配完善的成像系统,无法实现高精度的校准以及观察整个打印过程,从而导致无法及时发现打印过程中出现的问题,打印成功率不高;针对多材料的打印需求,现阶段的直写式3D打印机缺乏不同材料之间切换的校准手段,从而无法准确实现高精度的多材料打印。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,采取如下技术方案:
一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,料筒、纳米级定位精度的三轴平台、点胶机和打印平台,所述料筒前端设有打印针头,所述点胶机通过气管与料筒相连,所述纳米级定位精度的三轴平台包括X轴位移台、Y轴位移台和Z轴位移台,X轴位移台和Y轴位移台用于调整打印平台的位置,所述料筒安装在Z轴位移台上,可以随Z轴上下移动;在Z轴位移台的料筒上方设有跟踪亚微米级打印针头出丝和打印过程的成像系统。
进一步地,纳米级定位精度的三轴平台可以设置两个或两个以上Z轴位移台,每个Z轴位移台上均设有料筒和成像系统,所述料筒和成像系统的相对位置保持固定,多个料筒中装有不同的打印材料,用于多材料的打印,所述打印平台上设有激光校准器,对多个料筒前端的打印针头进行定位与校准,每个成像系统用于跟踪打印针头的出丝和打印过程,实时输送到电脑里。
进一步地,成像系统包括CMOS相机,远心镜头,物镜;CMOS相机一端可通过USB数据线与电脑相连,也可以通过其他数据传输方式与电脑相连,在电脑上可读取打印针头的实时画面信息,CMOS相机的另一端与物镜相连,根据不同放大倍数需求,可更换不同放大倍数的物镜。CMOS相机整体通过相机支架夹紧后,设于三轴微调平台上,然后三轴微调平台与角度调整板和水平位置调整板相连,其中角度调整板和水平位置调整板用于粗调相机位置,在获取到模糊图像后通过三轴微调平台对相机位置进行微调,以得到最佳的观测图像。
进一步地,打印针头可以采用毛细管拉伸机加热融化玻璃毛细管后,制备形成玻璃微针,打印针头口径的精度可以达到亚微米级别,在50nm-1μm之间,
本发明所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,可以实现高精度(1微米以下打印精度)的多材料的3D打印,该打印机具有以下特征:(1)具有纳米级重复定位精度的三轴平台,其中Z轴安装在龙门横梁上,通过50nm精度的光栅尺反馈,配合直线电机、气浮导轨和ACS控制系统实现高精度平台的运动控制;(2)采用自主制备的高精度打印针头,精度可达100nm-1μm;(3)在打印机设计时加入成像系统,将显微镜与3D打印机一体化设计,实现在打印过程中的实时观测,大幅度提高打印成功率。同时将多组镜头与不同材料的料筒同轴安装,实现多材料打印的定位及观测;(4)针对多材料系统,采用计算机IO控制多台点胶机,结合气压控制系统实现不同材料的输送。其中气压控制系统包括压力装置、气体输送管道和点胶机;(5)多材料打印过程中多针头的定位校准系统采用激光传感器对多针头进行定位。尺寸小的针头很难捕捉到精确位置,且在安装过程中会有一定的误差,所以需要利用单独的定位系统进行准确定位,定位系统采用3个激光传感器,当传感器的激光束同时汇集于一点,检测到针头时给出反馈信号,可准确读取到针头坐标,进行系统自动校准。并且定位过程全自动化,经过计算机处理定位系统自动对每个针头进行位置校准。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、采用特制的打印针头、高精度的定位平台和成像系统的结合,可以实现高精度材料的打印;
2、通过激光校准器和不同打印材料多料筒的结构形式与成像系统的结合,实现高精度多材料的打印。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述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为本发明实施例所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机的三维图;
图2为本发明实施例所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机的成像系统的三维图;
图3为本发明实施例所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机的打印针头;
图4位本发明实施例所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机的点胶机与料筒连接结构示意图;
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、激光校准器;2、料筒;3、成像系统;4、第一Z轴位移台;5、第二Z轴位移台;6、X轴位移台;7、Y轴位移台;8、点胶机;9、打印平台;10、气管;11、打印针头;CMOS相机3-1;远心镜头3-2;物镜3-3;相机支架3-4;三轴微调平台3-5;水平位置调整板3-6;角度调整板3-7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,包括激光校准器1、料筒2、成像系统3、第一Z轴位移台4、第二Z轴位移台5、X轴位移台6、Y轴位移台7、点胶机8和打印平台9;其中X轴位移台6、Y轴位移台7、第一Z轴位移台4和第二Z轴位移台5构成纳米级定位精度的三轴平台,第一Z轴位移台4和第二Z轴位移台5安装在龙门横梁上,三轴平台通过50nm精度的光栅尺反馈,配合直线电机、气浮导轨和ACS控制系统实现高精度平台的运动控制,X轴位移台6和Y轴位移台7用于调整打印平台9的位置,两个料筒2分别安装在第一Z轴位移台4和第二Z轴位移台5上,可以随轴上下移动,点胶机8通过气管10与料筒2相连,料筒2前端设有打印针头11,用于材料的挤出打印,成像系统3安装在料筒2的上方,用于观察料筒材料的挤出打印。
如图2所示,成像系统3包括CMOS相机3-1、远心镜头3-2、物镜3-3、相机支架3-4、三轴微调平台3-5、水平位置调整板3-6和角度调整板3-7,CMOS成像系统3-1可通过USB与电脑相连,在电脑上读取画面信息,另一端与远心镜头3-2及物镜3-3相连,根据不同放大倍数需求,可更换不同放大倍数的物镜,CMOS成像系统3-1、远心镜头3-2、物镜3-3构成一个相机整体,其通过相机支架3-4夹紧后与三轴微调平台3-5相连,然后三轴微调平台3-5与角度调整板3-7和水平位置调整板3-6相连,其中角度调整板3-7和水平位置调整板3-6用于粗调相机位置,在获取到模糊图像后通过三轴微调平台3-5对相机整体的位置进行微调,以得到最佳的观测图像。
如图3所示,料筒前端的打印针头11采用毛细管拉伸机加热融化玻璃毛细管后制备的玻璃微针,打印针头的精度可以达到亚微米级别,大于等于50nm。
如图4所示,气路从点胶机8通出,与料筒2连接,并控制气压大小,将料桶中的浆料挤出。
具体打印过程如下:
分别将材料A和材料B置于不同的料筒2中,气路通过点胶机8与料筒2连接,检查气路是否通畅,点胶机8可精确控制合适的气压大小并且使气压稳定在某个值,可由电脑端直接控制点胶机8气压的开关及数值变化,打印开始前,调整气压大小,观察针头出丝情况,直到调整到出丝顺畅的合适的气压,成像系统3通过连接架连接在第一Z轴位移台4和第二Z轴位移台5上,通过三轴微调平台3-5、角度调整板3-7和水平位置调整板3-6调整镜头对焦到打印针头位置,成像系统3与料筒2连接在同一底板上,整体位置不会发生变化,然后将打印的基板放置在打印平台9上,打印平台9随X轴位移台6和Y轴位移台7运动,调整到合适位置后,在电脑上运行自动设置坐标系的指令,料筒2随第一Z轴位移台4和第二Z轴位移台5上下运动,两个料筒2先找到激光校准器1,并在激光校准器1处进行位置校准,计算两个料筒2的坐标差值,将两个料筒2置于同一坐标系内,然后运行预编好的G-code开始打印,X轴位移台6和Y轴位移台7配合第一Z轴位移台4同时运动,第一个料筒2在基板上打印第一层结构,打印完成后,第一个料筒2的气压自动关闭,料筒2随第一Z轴位移台4提起,随后第二个料筒2寻找到准确位置后随第二Z轴位移台5下降到合适高度,平台开始运动的同时,连接料筒2的气压打开,开始打印,打印完第二层结构后,关闭气压并随第二Z轴位移台5提起料筒2,随后重复上面的打印过程,从而实现快速的高精度多材料的打印。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,包括料筒、纳米级定位精度的三轴平台、点胶机和打印平台,所述料筒前端设有打印针头,所述点胶机通过气管与料筒相连,其特征在于,所述纳米级定位精度的三轴平台包括X轴位移台、Y轴位移台和Z轴位移台,X轴位移台和Y轴位移台用于调整打印平台的位置,所述料筒安装在Z轴位移台上,可以随Z轴上下移动;在Z轴位移台的料筒上方设有跟踪亚微米级打印针头出丝和打印过程的成像系统。
2.根据权利要求1所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,其特征在于,所述成像系统包括CMOS相机、远心镜头、物镜,所述CMOS相机一端通过USB数据线与电脑相连,另一端与远心镜头的一端连接,远心镜头的另一端与物镜连接,所述远心镜头与物镜通过相机支架设于三轴微调平台,所述三轴微调平台设有水平位置调整板和角度调整板。
3.根据权利要求1或2所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,其特征在于,所述纳米级定位精度的三轴平台上平行设有两个或两个以上的Z轴位移台,每个Z轴位移台上均设有相对位置固定的料筒和成像系统,所述打印平台上设有激光校准器,所述激光校准器对料筒前端的打印针头进行定位和校准。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机,其特征在于,所述打印针头采用毛细管玻璃微针,打印针头口径大于等于50nm。
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