CN111186132A - 一种基于光固化技术的多材料3d打印系统及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光固化技术的多材料3D打印系统及打印方法，系统包括待打印塑料薄膜制备装置、传输装置和打印装置，待打印塑料薄膜制备装置能够制备不同打印材料的待打印塑料薄膜，通过传输装置将待打印塑料薄膜传输至打印装置，打印装置利用光固化技术对待打印塑料薄膜按照预设形状进行光照射，固化成实体；同时待打印塑料薄膜制备装置制备下一个待打印塑料薄膜。本发明采用传送带结构方式，以塑料薄膜为载体将光固化材料送至打印侧；且采用了多个供料喷头，能使不同种原材料均匀涂敷在塑料薄膜上；通过可控光源调整照射时间和固化形状，以控制单层的厚度与形状，即对切片后的单层进行打印，层层堆积后，最终实现多材料模型的一体化成型。

Description

一种基于光固化技术的多材料3D打印系统及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术，特别是涉及一种基于光固化技术的多材料3D打印系统及打印方法。
背景技术
增值材料技术，即3D打印技术，是于80年代逐渐兴起的一项新型快速成型技术，它的发展开始撼动传统制造业的地位，并在许多高新科技行业展现独到的优势。
3D打印有多种不同形式，如FDM、DLP、EBF、SLA等，材料也多种多样，如热塑性塑料、各种合金、光敏树脂等，但广义上来说3D打印的过程主要为三部分：三维建模，通过计算机对目标进行模型搭建；切片处理，通过特定的软件对模型进行切片；模型打印，通过3D打印机将切片层层堆积构建成目标模型。比较传统制造方式，3D打印机的生产速度主要取决于模型的大小而非结构，这使得它在复杂小模型的生产上有着绝对的优势，正与当代电子产业集成化、微型化的趋势契合。3D打印无需模具，只要计算机和打印机即可进行生产，极大的节省了工厂的空间，在土地资源逐渐紧张的未来已是必经之路。但从另外一方面来说，3D打印技术还存在着诸多限制因素：首先是材料的局限性，传统的FDM打印方式需要在打印时融化材料，那么材料的熔点、加热时的稳定性等问题无法避免，因此选用合适的材料是技术发展的第一要义。其次，生产成本与打印精度正相关，更高的精度或许是数倍的成本投入，盈利是任何技术推广的最大阻碍。
光固化技术的出现基于光敏树脂的发展，它拥有更高的精度，并且无需加热材料，节省资源。在打印过程中，以光敏树脂为原料，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业；然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体，通过计算机控制紫外激光使其逐层凝固成形。尽管光源技术发展能大幅提高打印精度，但由于利用光的照射成型，光固化过程对于环境的要求较为苛刻。除此以外，树脂材料本身的强度、耐热性有限，无法长期保存，更无法应用于许多工业环境。目前市面上的光固化打印机只能实现单种材料的打印，纵使单材料的复杂结构在医学、服饰设计等领域不受太多限制，但它无法满足更多尖端产业的需求。
发明内容
发明目的：针对传统FDM打印方式精度不高的问题，本发明选用光固化作为打印方式，同时，本发明利用多个喷头，解决光固化3D打印机受限于单种材料的问题。提供一种基于光固化技术的多材料3D打印系统及打印方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，包括待打印塑料薄膜制备装置、传输装置和打印装置，其中，待打印塑料薄膜制备装置能够制备涂敷不同光固化材料的待打印塑料薄膜，并通过传输装置将待打印塑料薄膜传输至打印装置，打印装置利用光固化技术对待打印塑料薄膜按照预设形状进行光照射，使涂敷的光固化材料固化成实体产品；同时待打印塑料薄膜制备装置制备下一个待打印塑料薄膜。
可选的，待打印塑料薄膜制备装置包括物料供应喷头和待制备塑料薄膜，物料供应喷头包括能够喷洒不同光固化材料的多个喷头，位于待制备塑料薄膜正上方，用于将液态的光固化材料均匀的喷洒至塑料薄膜上，形成涂敷光固化材料的塑料薄膜。
可选的，待打印塑料薄膜制备装置还包括刮刀，用于对待制备塑料薄膜上涂敷的光固化材料进行刮平，并使其达到预设厚度，形成待打印塑料薄膜。
可选的，传输装置包括传送带结构、主动轴和副动轴，主动轴和副动轴分别设置在传送带结构两端，传送带结构在主动轴的带动下由主动轴向副动轴方向传动。
可选的，传送带结构为透明材料。
可选的，打印装置包括可控光源和可升降机械臂，可升降机械臂用于抓取打印模型；可控光源用于产生待打印模型形状的光，并垂直照射到待打印塑料薄膜背面。
本发明还提供了一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，包括以下步骤：
(1)对待打印产品进行建模
将待打印产品进行切片处理，分成N层模型，统计每层模型厚度、所需材料和图案；
(2)将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上；
(3)控制第i层模型厚度和平整度；
(4)待打印塑料薄膜上的光固化材料进行固化处理；
(5)可升降机械臂将打印完成的第i层模型抓取提升，等待固化第i+1层模型；依次循环完成N层模型的固化，最后将打印完成的产品从可升降机械臂上取下即可。
进一步的，步骤(2)具体为：将待制备塑料薄膜放入传送带结构的制备区域，根据第i层模型厚度i＝1,…,N，设置物料供应喷头的喷洒时间，根据第i层模型所需材料设置物料供应喷头中的原材料；同时调整物料供应喷头垂直对准待制备塑料薄膜上方，将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上。
进一步的，步骤(3)具体为：根据第i层模型厚度控制刮刀高度，i＝1,…,N，当承载光固化材料的塑料薄膜传输至刮刀下方位置时，刮刀将刮出多余材料，精确控制第i层模型厚度和平整度。
进一步的，步骤(4)具体为：将涂敷有均匀厚度的光固化材料的塑料薄膜通过传送带送至打印区域，调整可升降机械臂，使其垂直下降至紧贴待打印塑料薄膜的光固化材料液面，同时调整可控光源位于打印区域的待打印塑料薄膜的正下方，根据第i层模型图案设置可控光源，使其照射出与第i层模型图案形状相同的光，并照射垂直照射在待打印塑料薄膜的光固化材料液面的背面，完成第i层模型固化；与此同时，制备区域同时开始对第i+1层的待制备塑料薄膜进行光固化材料的涂敷。
有益效果：与现有技术相比，本发明基于光固化原理，利用多个喷头能够实现多材料打印，改变了光固化技术只能实现单材料打印的弊端；同时采用采用传送带式的结构，使得打印兼具高精度与快速成型特点，在一定程度上改善了3D打印较大物件时，耗时较长的缺点。
附图说明
图1是本发明一种基于光固化技术的多材料3D打印系统结构示意图；
图2是待打印塑料薄膜的示意图；
图3是本发明打印方法流程图；
图4是具体实施例中打印完成的电路板模型示意图。
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。在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，采用传送带式的结构，传送带结构一端为制备区域，另一端为打印区域，制备区域和打印区域之间为输送区域；制备区域能利用喷头将光固化材料涂敷在透明塑料薄膜(待制备塑料薄膜)上，喷头以喷洒的方式对塑料薄膜进行涂敷，并且由于采用多个喷头，能够涂敷不同种类的光固化打印材料，通过薄膜传送带输送到打印区域。传送带打印区域能利用光固化技术对塑料薄膜上涂敷的光固化材料进行打印，依据模型特征，并通过切片的单层轮廓数据信息，每张涂敷完成的塑料薄膜(待打印塑料薄膜)只在特定的区域受到光照并固化成实体。同时，在打印区域进行光固化工作时，制备区域同时对新的塑料薄膜进行光固化材料的涂敷，采用两端同时工作的方式提高打印速度。
该系统如图1所示包括物料供应喷头1、待制备塑料薄膜2、传送带结构3、可控光源4、可升降机械臂5、待打印塑料薄膜6、刮刀7、主动轴8和副动轴9；待打印塑料薄膜如图2所示，包括待制备塑料薄膜2和涂敷在待制备塑料薄膜上的光固化材料10，本实施例中光固化材料为光敏树脂层。系统主动轴和副动轴分别设置在传送带结构两端，传送带结构在主动轴的带动下由主动轴向副动轴方向传动；待制备塑料薄膜首先送入靠近主动轴一端的传送带结构的制备区域，等待涂敷光固化材料；物料供应喷头设置在制备区域正上方，用于将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上，形成涂敷光固化材料的塑料薄膜；刮刀垂直设置在传动带结构中部的输送区域，用于将待制备塑料薄膜上涂敷的光固化材料刮平，并使其达到预设厚度，形成待打印塑料薄膜；待打印塑料薄膜由传送带结构输送至靠近副动轴一端的传送带结构的打印区域，等待固化；可升降机械臂设置在打印区域正上方，用于抓取打印模型；可控光源设置在传送带打印区域正下方，用于产生待打印模型形状的光，并垂直照射到待打印塑料薄膜背面。
在制备区域，采用塑料薄膜来承载打印材料，在打印材料制备时，本实施例中，假设待制备塑料薄膜为长方形，且长方形的大小应当与光固化打印侧的可控光源照射最大面积一致或略大一些。首先待制备塑料薄膜放入制备区域，其次利用花洒式的喷头，将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上，通过喷洒时间来控制单层厚度，如果能采用喷头矩阵来喷洒则可以提高精度，当设计的单层厚度足够薄时，可以认为待制备塑料薄膜上的光固化材料厚度是均匀一致的。同时，喷洒形成的厚度应比单层打印厚度略厚一些，以确保单层打印结束塑料薄膜不会附着在打印模型上。另一方面，通过在传送带结构的输送区域正上方垂直设置一个刮刀，用控制刮刀高度的方式来提高涂敷的光固化材料厚度的精度。在涂敷有均匀厚度的光固化材料的长方形塑料薄膜制备完成后(即待打印塑料薄膜制备完成后)，通过传送带送至打印区域；由于本系统的物料供应喷头配套了能够喷洒不同材料的多个喷头，所以可以打印出涂敷不同种光固化材料的塑料薄膜。
在传送带结构的打印区域正下方设置可控光源，打印区域正上方设置可升降机械臂，在打印单层模型时，首先可升降机械臂垂直下降至紧贴待打印塑料薄膜的光固化材料液面，同时待打印塑料薄膜应与可控制光源垂直方向重合，然后通过对可控光源的照射形状、照射时间等因素的控制来控制单层的打印图案与厚度等，单层固化完毕，可升降机械臂将固化好的单层模型抓取提升，等待固化下一层模型。由于每层打印高度略低于塑料薄膜表面本来的树脂层厚度，因此塑料薄膜并不会附着在模型表面。
如图3所示，一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，包括以下步骤：
(1)对待打印产品进行建模和软件切片
将待打印产品进行切片处理，分成N层模型，统计每层模型厚度、所需材料和图案。
(2)将待制备塑料薄膜放入传送带结构的制备区域，根据第i层模型厚度i＝1,…,N，设置物料供应喷头的喷洒时间(喷洒形成的厚度应比单层打印厚度略厚一些，以确保单层打印结束塑料薄膜不会附着在模型上)，根据第i层模型所需材料设置物料供应喷头中的原材料；同时调整物料供应喷头垂直对准待制备塑料薄膜上方，将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上。
(3)根据第i层模型厚度控制刮刀高度，当承载光固化材料的塑料薄膜传输至刮刀下方位置时，刮刀将刮出多余材料，精确控制第i层模型厚度和平整度。
(4)将涂敷有均匀厚度的光固化材料的塑料薄膜(即待打印塑料薄膜)通过传送带送至打印区域，调整可升降机械臂，使其垂直下降至紧贴待打印塑料薄膜的光固化材料液面，同时调整可控光源位于打印区域的待打印塑料薄膜的正下方(即待打印塑料薄膜与可控制光源垂直方向重合)，根据第i层模型图案设置可控光源，使其照射出与第i层模型图案形状相同的光，并照射垂直照射在待打印塑料薄膜的光固化材料液面的背面，完成第i层模型固化；与此同时，制备区域同时开始对第i+1层的待制备塑料薄膜进行光固化材料的涂敷。
(5)可升降机械臂将打印完成的第i层模型抓取提升，等待固化第i+1层模型；依次循环完成N层模型的固化，最后将打印完成的产品从可升降机械臂上取下即可。
本发明以简单的电路作为实例进一步说明：
(1)在软件中对电路进行建模，假设电路在切片软件处理后共计4层，由上至下依次为第一层、第二层、第三层和第四层，每层厚度1mm，最下面2层(即第三层和第四层)为不导电的光固化材料，中间层(即第二层)为导电电路与不导电的光固化材料的复合层，最上面1层(即第一层)为不导电层。
(2)在制备区域由物料供应喷头1喷洒原材料液体，在待制备塑料薄膜上形成略高于1.2mm厚度的不导电光固化材料层，经传送带经过刮刀，使得光固化材料厚度更均匀并趋近于理想的1.2mm厚度。
(3)通过传送带结构将承载光固化材料的塑料薄膜(即待打印塑料薄膜)送至打印区域，并垂直正对于可控光源上方，可升降机械臂开始下降，直至紧贴于液态光固化材料表面。通过可控光源产生的电路板形状光，固化待打印塑料薄膜上承载的光固化材料。与此同时，制备区域同时开始对第二层的待制备塑料薄膜进行光固化材料的涂敷。理想状态下，平衡制备区域的制备时间与打印区域的光固化时间，可大大提高打印效率。
(4)假设第二层导电部分先打印，第二层的待打印塑料薄膜通过传送带结构送至打印区域，将通过光固化，形成有导电光固化材料层构成的电路通道，此时第三片承载不导电材料的待制备塑料薄膜在制备区域生产。
(5)制备区域的导电层的待制备塑料薄膜以同样方式送至打印区域，待该层打印结束后，先前留下的电路通道被覆盖形成完整拉伸平面。最下面两层的打印过程与第一层一致。
(6)最后仅需将打印完成的电路板从可升降机械臂上取下即可，如图4所示。
本发明的一种多材料打印的新型光固化3D打印系统及打印方法，以传统的光固化打印方式作为基础，辅以新的原材料搭载形式，并采用新型的机械结构，最终能够实现智能结构体，如多层电路板、柔性传感器等多材料复杂零件模型的一体化打印成型。本发明采用一种类传送带结构的供料方式：左侧为制备区域，能够涂敷一定厚度光敏树脂至塑料薄膜上，以塑料薄膜为载体将光敏树脂送至打印侧；且由于采用了多个供料喷头，能使不同种原材料均匀涂敷在塑料薄膜上；右侧为打印区域，通过可控光源，以调整照射时间、形状的方式，控制单层的厚度与形状，即对切片后的单层进行打印，层层堆积后，最终实现多材料模型的一体化成型。

Claims (10)

1.一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，包括待打印塑料薄膜制备装置、传输装置和打印装置，其中，待打印塑料薄膜制备装置能够制备涂敷不同光固化材料的待打印塑料薄膜，并通过传输装置将待打印塑料薄膜传输至打印装置，打印装置利用光固化技术对待打印塑料薄膜按照预设形状进行光照射，使涂敷的光固化材料固化成实体产品；同时待打印塑料薄膜制备装置制备下一个待打印塑料薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，待打印塑料薄膜制备装置包括物料供应喷头和待制备塑料薄膜，物料供应喷头包括能够喷洒不同光固化材料的多个喷头，位于待制备塑料薄膜正上方，用于将液态的光固化材料均匀的喷洒至塑料薄膜上，形成涂敷光固化材料的塑料薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，待打印塑料薄膜制备装置还包括刮刀，用于对待制备塑料薄膜上涂敷的光固化材料进行刮平，并使其达到预设厚度，形成待打印塑料薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，传输装置包括传送带结构、主动轴和副动轴，主动轴和副动轴分别设置在传送带结构两端，传送带结构在主动轴的带动下由主动轴向副动轴方向传动。
5.根据权利要求4所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，传送带结构为透明材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印系统，其特征在于，打印装置包括可控光源和可升降机械臂，可升降机械臂用于抓取打印模型；可控光源用于产生待打印模型形状的光，并垂直照射到待打印塑料薄膜背面。
7.一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对待打印产品进行建模
将待打印产品进行切片处理，分成N层模型，统计每层模型厚度、所需材料和图案；
(2)将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上；
(3)控制第i层模型厚度和平整度；
(4)待打印塑料薄膜上的光固化材料进行固化处理；
(5)可升降机械臂将打印完成的第i层模型抓取提升，等待固化第i+1层模型；依次循环完成N层模型的固化，最后将打印完成的产品从可升降机械臂上取下即可。
8.根据权利要求7所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，其特征在于，步骤(2)具体为：将待制备塑料薄膜放入传送带结构的制备区域，根据第i层模型厚度i＝1,…,N，设置物料供应喷头的喷洒时间，根据第i层模型所需材料设置物料供应喷头中的原材料；同时调整物料供应喷头垂直对准待制备塑料薄膜上方，将液态的光固化材料较为均匀的喷洒至待制备塑料薄膜上。
9.根据权利要求7所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，其特征在于，步骤(3)具体为：根据第i层模型厚度控制刮刀高度，i＝1,…,N，当承载光固化材料的塑料薄膜传输至刮刀下方位置时，刮刀将刮出多余材料，精确控制第i层模型厚度和平整度。
10.根据权利要求7所述的一种基于光固化技术的多材料3D打印方法，其特征在于，步骤(4)具体为：将涂敷有均匀厚度的光固化材料的塑料薄膜通过传送带送至打印区域，调整可升降机械臂，使其垂直下降至紧贴待打印塑料薄膜的光固化材料液面，同时调整可控光源位于打印区域的待打印塑料薄膜的正下方，根据第i层模型图案设置可控光源，使其照射出与第i层模型图案形状相同的光，并照射垂直照射在待打印塑料薄膜的光固化材料液面的背面，完成第i层模型固化；与此同时，制备区域同时开始对第i+1层的待制备塑料薄膜进行光固化材料的涂敷。
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