CN111169017A - 一种光固化3d打印的连续变成分供料出料系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，包括PC机、第一控制器、第二控制器、供料装置、供料管、工作槽、出料管、集料器，工作槽一侧壁设置多个供料口，相对的另一侧壁设置多个出料口，供料装置包括多个进样器，PC机第一控制端与第一控制器连接，第二控制端与第二控制器连接，第一控制器分别与供料装置中的多个进样器电连接，每个进样器分别通过供料管与工作槽的各个供料口连接，工作槽的各个出料口通过出料管与集料器的进料口连接；第二控制器与集料器电连接。本发明在供料过程中通过对供料的成分进行调控，从而使3D打印产品在光固化方向上实现成分的可控变化，可通过成分的变化实现产品功能的多样化和可定制性。
Description
技术领域
本发明属于光固化3D打印成型技术领域，特别是涉及一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统。
背景技术
3D打印是在计算机控制下通过逐层堆砌的方法制造三维物体的技术，被广泛用于快速原型制造和增材制造。术语3D打印最初是指将粘合剂材料逐层沉积到具有喷墨打印机头的粉末床上的过程。当今3D打印涵盖了更多种类的增材制造技术，美国和全球技术标准使用增材制造为官方术语来表示。3D打印包括有许多不同的技术，如立体光固化成型或熔融沉积建模。因此，与传统加工过程的减材制造不同，3D打印或增材制造按照计算机3D数字模型逐层添加材料，例如液体固化或粉末颗粒融合在一起，构建三维对象，产品可以是几乎任何形状或几何形状。3D打印技术有着可以全自动化生产，生产效率高，材料利用率高，精度高等优点，迅速的在全球范围内掀起了研究和应用的热潮。
随着3D打印技术的发展，人们对单次3D打印制备的产品提出了跟高的要求，特别是要求其材料性质不再局限于单一的颜色，强度，功能等。这就要求对3D打印材料本身或供料系统进行改进和设计。目前，在熔丝制造3D打印技术中已经出现了两种解决方案，一种是先制备各种变色丝线，然后可打印出在叠层方向上颜色可变的产品；另一种是采用如三进一出的挤出头，将三种单色的丝线按设定的程序供线，可制备颜色变化更加丰富、更加可控的产品。在铺粉粘合3D打印中，也出现了在打印过程中粘合胶水颜色可调的技术。
然而，在光固化3D打印技术中，由于原材料为具有流动性的液体等困难因素，还没有实现光固化胶水成分在3D打印过程中的可控调节，只能做到单一材料的逐层打印。基于此，我们发明了一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，实现了在光固化方向上成分可控的3D打印产品，从而大大丰富了产品功能，提升了产品可定制性。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供了一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，通过该系统可以获得在光固化方向上成分可控的3D打印产品，实现产品功能的多样化合可定制性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，包括PC机、第一控制器、第二控制器、供料装置、供料管、工作槽、出料管、集料器，其中，工作槽一侧壁设置一个或多个供料口，相对的另一侧壁设置一个或多个出料口，供料装置包括n个进样器，其中，n≥1，PC机第一控制端与第一控制器连接，第二控制端与第二控制器连接，第一控制器与供料装置中的n个进样器电连接，每个进样器分别通过供料管与工作槽的各个供料口连接，工作槽的各个出料口通过出料管与集料器的进料口连接；第二控制器与集料器电连接。
可选的，每个进样器输出端还设置有一个一进多出转接头，进样器输出端与转接头的进料口连接，转接头的多个出料口分别与工作槽的多个供料口连接，且每个转接头连接的多个供料口间隔均匀排布。
可选的，进样器为电机式进样器，包括供料电机、丝杠、滑块和注射器，第一控制器控制供料电机工作，供料电机带动丝杠运动，丝杠推动滑块，滑块推动注射器活塞，使注射器中的材料输出。
可选的，进样器为泵式进样器，包括程控泵和储料罐，储料罐通过管道连接泵的入口，泵的出口通过供料管连接工作槽供料口，程控泵由第一控制器控制工作。
可选的，在供料装置和工作槽之间还设置有一预混装置，n个进样器分别通过供料管与预混装置的进料口连接，预混装置的出料口分别通过供料管、一进多出接头与工作槽的对应供料口连接。
可选的，预混装置为磁力搅拌预混装置，包括预混室、磁力搅拌器和磁子(103)，磁子设置在预混室底部，磁力搅拌器设置在预混室正下方，通过控制磁力搅拌器带动预混室底部的磁子旋转，使得预混室里的材料进行均匀混合。
可选的，预混装置为机械搅拌预混装置，包括预混室和搅拌桨，搅拌桨位于预混室内部，通过控制搅拌桨旋转，使得预混室里的材料进行均匀混合。
可选的，预混装置为被动式流体预混装置，被动式流体预混装置包括预混室和隔板，隔板有多个，以叉指式结构设置在预混室内部，使得预混室内形成曲折通道。
可选的，集料器为泵式集料器，由出料程控泵和收集罐构成，泵的入口通过出料管连接工作槽出料口，收集罐通过管道连接泵的出口，程控泵由第二控制器控制工作。
可选的，集料器为电机式集料器，包括出料电机、丝杠、滑块和抽取式注射器，第二控制器控制出料电机工作，出料电机带动丝杠运动，丝杠推动滑块，滑块拉动注射器活塞，使材料经出料管吸入到抽取式注射器中收集。
泵为齿轮泵、螺杆泵、隔膜泵、活塞泵、蠕动泵或叶片泵。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明可用于现有光固化3D打印设备，除了对光固化工作槽进行加料和出料系统进行重新设计外，不改变原有3D打印的光源系统、打印控制和功能。
(2)该系统同时具有供料口(其数目大于等于1)和出料口(其数目大于等于1)，供料和出料通过程控泵或程控电机来驱动。
(3)多种成分的供料既可以通过不同的供料口直接导入工作槽，也可以在供料口前端加装预混室，通过搅拌或预混室结构设计使不同成分在导入工作槽之前就混合均匀。
(4)所有供料口的供料材料成分-时间关系、供料速率-时间关系通过设定的程序进行控制，出料的速率-时间关系也通过设定的程序进行控制。通过供料和出料速率保证工作槽中光固化液体材料的动态存量满足打印要求。
附图说明
图1是光固化3D打印的连续变成分供料出料系统结构示意图；
图2是带转接头的光固化3D打印的连续变成分供料出料系统结构示意图；
图3是电机式进样器结构示意图；
图4是泵式进样器结构示意图；
图5是带预混装置的光固化3D打印的连续变成分供料出料系统结构示意图；
图6是磁力搅拌预混装置示意图；
图7是机械搅拌预混装置示意图；
图8是被动式流体预混装置示意图；
图9(a)和(b)是通过该光固化3D打印的连续变成分供料出料系统打印获得的不同颜色层次的产品示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，所适用的机器为具有工作槽的光固化3D打印机，耗材为光照下可聚合的液体材料，通常为各种光敏树脂。供料和出料开口于光固化工作槽中，具有一个或多个供料口，一个或多个出料口。通过采用多个液体供料口提高工作槽中光固化材料的均匀性；不同的供料口可以对应不同的供料成分。通过采用多个液体出料口提高工作槽中光固化材料的均匀性。供料和出料通过程控泵或程控电机来驱动。所有供料口的供料速率-时间关系通过设定的程序进行控制。对于电机驱动的进样器供料方式，通过设定的电机转速-时间关系来控制丝杠上滑块的平移速率，从而控制由滑块推动的注射器供料速率-时间关系；对于泵式进样器，通过设定的泵转速-时间关系来控制供料速率-时间关系。可通过在不同的进样器或储料罐中加载不同的材料成分，实现对工作槽中供料材料成分-时间关系的控制；也可对相同进样器或储料罐中的材料成分进行实时更换，实现对工作槽中供料材料成分-时间关系的控制。通过程序设定集料器的泵或电机的转速-时间关系，实现出料的速率-时间关系；供料和出料速率需保证工作槽中光固化液体材料的动态存量满足打印要求。多种成分的供料既可以通过不同的供料口直接导入工作槽，也可以在供料口前端加装预混装置，通过搅拌或预混室结构设计使不同材料在导入工作槽之前就混合均匀。通过以上控制技术实现连续变成分供料出料过程。
如图1所示，一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，包括PC机1、第一控制器2、第二控制器3、供料装置4、供料管5、工作槽6、出料管7、集料器8，其中，工作槽一侧壁并排设有多个供料口61，相对的另一侧壁并排设有多个出料口62，供料装置包括n个(n≥1)个进样器41，PC机第一控制端与第一控制器连接，第二控制端与第二控制器连接，第一控制器与供料装置中的n个进样器电连接，每个进样器分别通过供料管与工作槽的各个供料口连接，工作槽的各个出料口通过出料管与集料器的进料口连接，工作槽与光固化打印机平台相连接；第二控制器与集料器连接；PC机通过指令控制第一控制器带动供料装置，将物料通过供料管导入工作槽内，工作槽内的打印机平台上光固化一层一定厚度的树脂后，平台上升一定高度，物料组成通过第一控制器实现，物料均匀铺展后，打印机平台再次下降并光固化一层树脂，如此反复，直至模型打印完成，工作槽中的物料同时以一定的速度经过出料管，并在第二控制器控制的条件下进入集料器。
如图2所示，在每个进样器输出端还可以设置一个一进多出转接头9，即物料通过一根供料管进入，再同时通过多个出料管将供料管中的物料均匀分流，进样器输出端与转接头的进料口连接，转接头的多个出料口分别与工作槽的多个供料口连接，且每个转接头连接的多个供料口间隔均匀排布，可以实现同一物料同时均匀地注入工作槽，与工作槽内的原物料充分混合。进样器可以为电机式进样器或泵式进样器。
如图3所示，为一种电机式进样器，包括电机401、丝杠402，注射器403和滑块406。第一控制器控制进样器电机以一定的转速旋转，带动丝杠同步转动，丝杠推动滑块，滑块推动注射器活塞，将注射器中的物料以一定的出料速率挤出。电机式集料器采用同样的结构，第二控制器控制集料器电机以一定的转速旋转，带动丝杠同步转动，丝杠推动滑块，滑块拉动注射器活塞，将工作槽中材料经出料管吸入到抽取式注射器中收集。
如图4所示，为一种泵式进样器，包括泵404和储料罐405，第一控制器控制泵式进样器中电机旋转，电机带动挤压装置(蠕动泵)或螺杆(螺杆泵)或隔膜泵将储料罐中的物料以一定速率经供料管中泵入工作槽供料口。泵式集料器采用同样的结构，由第二控制器控制泵式集料器中电机旋转，电机带动挤压装置(蠕动泵)或螺杆(螺杆泵)或隔膜泵将工作槽中的物料以一定速率经出料管泵出至集料器。
如图5所示，在供料装置和工作槽之间还可以设置一预混装置10，预混装置中配备有搅拌装置，将不同进样器中的不同组分的物料在短时间内搅拌混合均匀，每个进样器分别通过供料管与预混装置的进料口连接，预混装置的出料口分别通过供料管与工作槽的各个供料口连接。预混装置可以为磁力搅拌预混装置、机械搅拌预混装置或被动式流体预混装置。
如图6所示，为一种磁力搅拌预混装置，包括预混室101、磁力搅拌器102和磁子103，磁子设置在预混室底部，磁力搅拌器设置在预混室正下方，搅拌器工作时电机出轴上固定的磁铁旋转，通过磁力带动预混室底部的搅拌磁子旋转，使得预混室里的材料均匀混合。
如图7所示，为一种机械搅拌预混装置，包括预混室101和搅拌桨104，搅拌桨位于预混室内部，搅拌器工作时电机出轴上固定的搅拌桨旋转，使得预混室里的材料均匀混合。
如图8所示，为一种被动式流体预混装置，包括预混室101和隔板105，隔板有多个，以叉指式结构设置在预混室内部，使得预混室内形成曲折通道，使多组分的流体材料在多次变向流动中充分混合，以达到均匀混合的目的。
为更好地说明本发明，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施实例1：分别将原色、红、蓝、绿染料染色过的以聚氨酯丙烯酸酯为主体的光敏树脂各200ml，分别装填进4个250mL的注射器中，注射器经包覆遮光材料处理；注射器加装在供料电机上形成电机式进样器。为使工作槽中混料均匀，每个注射器的出口加装一进四出转接头，转接头四个出口通过软管连接到工作槽的四个供料口，并选择连接的供料口的位置使之间隔均匀分布。工作槽的出料口通过管道连接到集料器，集料器由加装在出料电机上的2个500mL抽取式注射器构成。设置好供料电机和出料电机的控制程序。打印开始后，首先通过供料口向工作槽中加入2mm深度的某色树脂，然后启动3D打印光固化程序。供料口进料的总速率为5mL/min，出料总速率为5-x mL/min，其中x mL/min为3D打印该产品的实时光固化速率，其数据根据打印模型计算获得。在打印过程中，由四个供料注射器的供料相对速率变化控制3D打印产品的色彩变化。打印完成后，得到在3D打印层叠方向上颜色按设定变化的产品。
实施实例2：分别将原色、红、蓝、绿染料染色过的以聚氨酯丙烯酸酯为主体的光敏树脂各200ml，分别装填进4个250mL的注射器中，注射器经包覆遮光材料处理。注射器加装在供料电机上形成电机式进样器。为使工作槽中混料均匀，每个注射器的出口接入预混室，预混室的出口通过软管连接到工作槽的供料口，并选择连接的供料口的位置使之间隔均匀分布。工作槽的出料口通过管道连接到集料器，集料器由加装在出料电机上的2个500mL抽取式注射器构成。设置供料电机和出料电机的控制程序。打印开始后，首先通过供料口向工作槽中加入2mm深度的某色树脂，然后启动3D打印光固化程序。进料口进料的总速率为5mL/min，出料总速率为5-x mL/min，其中x mL/min为3D打印该产品的实时光固化速率，其数据根据打印模型计算获得。在打印过程中，由四个供料注射器的供料相对速率变化控制3D打印产品的色彩变化。打印完成后，得到在3D打印层叠方向上颜色按设定变化的产品。
实施实例3：分别将柔性光敏树脂和刚性光敏树脂各500ml，分别装如2个1L的遮光储料罐中，通过供料程控泵从储料罐中抽取光敏树脂至预混室，预混室的出口通过一进多出接头和软管连接到工作槽的供料口，选择连接的供料口的位置使之均匀分布。工作槽的出料口通过软管连接集料器，集料器包括出料程控泵和收集罐，出料程控泵的入口连接工作槽出料口的软管，出料程控泵的出口连接到2L的收集罐。设置好供料和出料程控泵的控制程序。打印开始后，首先通过供料口向工作槽中加入2mm深度的某柔性刚性混合配比的树脂，然后启动3D打印光固化程序。供料口进料的总速率为5mL/min，出料程控泵出料速率为5-x mL/min，其中x mL/min为3D打印该产品的实时光固化速率，其数据根据打印模型计算获得。在打印过程中，由2个供料程控泵的供料相对速率变化控制3D打印产品的柔性-刚性变化。打印完成后，得到在3D打印层叠方向上柔性-刚性按设定变化的产品，合理的设计可综合优化该复合结构的材料的强度、韧性等力学性能。
如图9(a)和(b)所示，为采用该技术打印的两个连续变成分的3D打印成品图。
本发明的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统。该系统属于液态材料的光固化3D打印技术，它在3D打印过程中对光固化工作槽中的液态光固化材料进行实时的供料和出料，在供料过程中通过对供料的成分进行实时调控，从而使3D打印产品每层光固化的成分实现可控变化。该技术突破了光固化3D打印的单个产品或构件在成分上的单一性，由于各种光固化材料、功能性的添加材料种类众多，其组合数目庞大，因此可通过成分的变化实现产品功能的多样化和可定制性，具有重要的实用价值。
Claims (10)
1.一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：包括PC机(1)、第一控制器(2)、第二控制器(3)、供料装置(4)、供料管(5)、工作槽(6)、出料管(7)、集料器(8)，其中，工作槽一侧壁设置一个或多个供料口(61)，相对的另一侧壁设置一个或多个出料口(62)，供料装置包括n个进样器(41)，其中，n≥1，PC机第一控制端与第一控制器连接，第二控制端与第二控制器连接，第一控制器与供料装置中的n个进样器电连接，每个进样器分别通过供料管与工作槽的各个供料口连接，工作槽的各个出料口通过出料管与集料器的进料口连接；第二控制器与集料器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：每个进样器输出端还设置有一个一进多出转接头(9)，进样器输出端与转接头的进料口连接，转接头的多个出料口分别与工作槽的多个供料口连接，且每个转接头连接的多个供料口间隔均匀排布。
3.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：进样器为电机式进样器，包括供料电机(401)、丝杠(402)、滑块(406)和注射器(403)，第一控制器控制供料电机工作，供料电机带动丝杠运动，丝杠推动滑块，滑块推动注射器活塞，使注射器中的材料输出。
4.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：进样器为泵式进样器，包括程控泵(404)和储料罐(405)，储料罐通过管道连接泵的入口，泵的出口通过供料管连接工作槽供料口，程控泵由第一控制器控制工作。
5.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：在供料装置和工作槽之间还设置有一预混装置(10)，n个进样器分别通过供料管与预混装置的进料口连接，预混装置的出料口分别通过供料管、一进多出接头与工作槽的对应供料口连接。
6.根据权利要求5所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：预混装置为磁力搅拌预混装置，包括预混室(101)、磁力搅拌器(102)和磁子(103)，磁子设置在预混室底部，磁力搅拌器设置在预混室正下方，通过控制磁力搅拌器带动预混室底部的磁子旋转，使得预混室里的材料进行均匀混合。
7.根据权利要求5所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：预混装置为机械搅拌预混装置，包括预混室(101)和搅拌桨(104)，搅拌桨位于预混室内部，通过控制搅拌桨旋转，使得预混室里的材料进行均匀混合。
8.根据权利要求5所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：预混装置为被动式流体预混装置，被动式流体预混装置包括预混室(101)和隔板(105)，隔板有多个，以叉指式结构设置在预混室内部，使得预混室内形成曲折通道。
9.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：集料器为泵式集料器，由出料程控泵和收集罐构成，泵的入口通过出料管连接工作槽出料口，收集罐通过管道连接泵的出口，程控泵由第二控制器控制工作。
10.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印的连续变成分供料出料系统，其特征在于：集料器为电机式集料器，包括出料电机、丝杠、滑块和抽取式注射器，第二控制器控制出料电机工作，出料电机带动丝杠运动，丝杠推动滑块，滑块拉动注射器活塞，使材料经出料管吸入到抽取式注射器中收集。
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