CN111531881A - 一种多方式多材料3d打印设备 - Google Patents

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谢祺晖
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段辉高
单武斌
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Abstract

本发明公开了一种多方式多材料3D打印设备，包括Z轴丝杆滑台、Z轴连接器、料槽、料槽夹、料槽紧固螺丝、支柱、底板、光机、X轴丝杆滑台、Y轴丝杆滑台、XY轴联轴器、挤出机、打印头、成型底板、成型平台、成型平台紧固螺丝、成型平台调平限制器和成型平台联轴器。本发明的设备结构实现两种方式打印中，其中一种材料通过光固化面成型打印；另一种材料通过热熔融挤出打印，其材料价格较低，综合力学性能较好，适合作为工件基体或牺牲材料等。该加工设备的加工尺寸精度高，适合加工内部结构为复杂的三维实体；基体材料成型快，能快速地制作处在研发阶段的新产品样机，缩短产品研发的周期；还具有使用便捷，造价低，扫描面积大等优点。

Description

一种多方式多材料3D打印设备
技术领域
本发明涉及一种用于一种多方式多材料3D打印设备，属于3D打印技术领域，尤其涉及一种多轴3D微纳加工设备。
背景技术
随着3D打印和微纳科技的迅猛发展，为了满足不同领域和行业的需求，近年国内外研究人员已经开发出多种类型微纳尺度3D打印工艺、打印材料和转隔壁，并应用于多种领域和行业。3D打印即快速成型(rapidprototyping，RP)技术一种基于离散堆积思想的增材制造技术,一种“自下而上”的材料累加制造方法.其通过计算机技术，根据零件的三维数字模型把材料逐层连接累加,从而制造出实体零件.将制造过程由复杂的三维加工降低为一系列简单的二维层片的加工,由于二维层片的加工难度与零件实体结构的复杂程度基本无关,因此大大降低了零件实体的加工难度,从而能够以一种统一的、自动的方法来完成形状结构各异的三维实体模型。
光固化快速成型技术是当前应用较广泛的一种3D打印技术。该技术以光敏树脂液体为原材料,树脂的光敏特性使得材料在受到特定波段的光(多为紫外波段)照射后,会发生聚合反应出现固化。光固化快速成型技术具有多种实现方式，具有代表性的有DLP工艺即数字光处理(Digital Light Processing，DLP)技术，SLA工艺即立体光刻成型(StereoLithography Apparatus，SLA)技术等。
熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modelling,FDM)是一种发展较早，技术较为成熟的3D打印方法，该技术以丝状的热塑性材料为原材料，通过喷头加热熔化，并控制喷头在XY方向上移动，熔融状态下的液体材料自喷头挤出并最终凝固于成型表面，形成沉积层面，
当前国内外3D打印设备基本是依靠单种原理与单种类型材料成型，如发明专利CN201811544607.0和CN201610945088.3等采用的单一光敏树脂材料以光固化成型；发明专利201610321716.0将透明料槽一分为二，实现双料液态光敏树脂复合光固化成型。从力学性能、和颜色不同的角度，实现彩色零部件和不同位置不同材料的力学性能及功能特性，并且尽可能的降低在打印过程中材料的相互污染，对于3D打印技术要求进一步提高，从而实现多材料多方式打印意义巨大。
发明内容
本发明的技术目的在于提出了一种多轴3D微纳加工设备，该加工设备的加工尺寸精度高，适合加工内部结构为复杂的三维实体；具有两种三维成型原理，能够在材料相互间低接触、低污染的情况下进行双材料打印；基体材料成型快，能快速地制作处在研发阶段的新产品样机，缩短产品研发的周期；还具有使用便捷，造价低，扫描面积大等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多轴3D微纳加工设备，包括Z轴丝杆滑台(1)、Z轴连接器(2)、料槽(3)、料槽夹(4)、料槽紧固螺丝(5)、支柱(6)、底板(7)、光机(8)、X轴丝杆滑台(9)、Y轴丝杆滑台(10)、XY轴联轴器(11)、挤出机(12)、打印头(13)、成型底板(14)、成型平台(15)、成型平台紧固螺丝(16)、成型平台调平限制器(17)和成型平台联轴器(18)。
Z轴丝杆滑台(1)通过螺丝与Z轴连接器(2)紧固连接，Z轴连接器(2)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接，成型平台调平限制器(17)上开有条形孔，螺丝穿过条形孔与成型平台(15)上的螺孔连接，螺丝未锁紧时，成型平台(15)可调节与料槽(3)底面的相对平行度，调节合适后锁紧螺丝，成型平台(15)即与成型平台调平限制器(17)紧固连接；成型平台调平限制器(17)与成型平台联轴器(18)通过轴配合，并通过成型平台紧固螺丝(16)辅助形成紧固连接；成型平台联轴器(18)通过螺丝与Z轴丝杆滑台(1)紧固连接，成型平台(15)可在Z轴方向上移动。
Z轴丝杆滑台(1)、X轴丝杆滑台(9)和Y轴丝杆滑台(10)是结构相同的丝杆滑台；每个丝杆滑台中，步进电机(1-1)通过螺丝与导轨架(1-7)紧固连接；丝杆(1-4)通过两个轴承(1-3)与导轨架(1-7)形成轴配合。丝杆(1-4)与步进电机(1-1)通过联轴器(1-2)紧固连接。导轨(1-6)与导轨架(1-7)形成过盈配合，与滑块(1-5)形成间隙配合；滑块(1-5)与丝杆(1-4)通过螺纹配合，滑块(1-5)能够沿丝杆滑台的轴向移动。
两根X轴丝杆滑台(9)平行布置，两根X轴丝杆滑台(9)和一根Y轴丝杆滑台(10)分别与XY轴联轴器(11)通过螺丝紧固连接，使两根X轴丝杆滑台(9)相互平行，且与Y轴丝杆滑台(10)轴向垂直；Y轴丝杆滑台(10)能够沿X轴丝杆滑台(9)的轴向移动；X轴丝杆滑台(9)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接。
料槽夹(4)通过螺丝与光机顶板(8-7)形成紧固连接，料槽(3)与料槽夹(4)形成间隙配合；料槽(3)底部为具有铁氟龙涂层的疏水高透明膜，料槽(3)可由间隙中取出，方便操作。料槽夹紧螺丝(5)通过螺纹与料槽夹(4)两侧的螺纹通孔与料槽(3)紧固连接。
进一步地，热熔融挤出打印装置中，挤出机架(12-7)通过螺丝与Y轴丝杆滑台(10)紧固连接，挤出电机(12-9)通过螺丝与挤出机架(12-7)紧固连接，其转轴穿过挤出机架(12-7)上的通孔，与挤出齿轮(12-4)形成过盈配合；送料滚轮(12-3)为一具有凹槽外壳的滚珠轴承，通过螺丝使内圈与挤出机手柄(12-1)形成紧固连接；挤出机手柄轴套(12-2)与挤出机手柄(12-1)形成间隙配合，挤出机轴套(12-2)通过螺丝与挤出机架(12-7)形成紧固连接，使挤出机手柄(12-1)能够绕挤出机轴套(12-2)旋转；挤出机手柄(12-1)开有送料孔，送料导轨(12-12)焊接在送料孔外侧，使丝状材料能顺利进入挤出机；挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)上开有与弹簧(12-6)外径尺寸相匹配的沉孔，使弹簧(12-6)与挤出机手柄(12-1)和挤出机架(12-7)形成过盈配合；固定螺丝(12-8)旋入挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)沉孔中心的螺纹孔，并穿入弹簧(12-6)内侧，固定弹簧(12-8)的配合关系；喉管(13-4)外侧具有螺纹，内侧具有通孔，通孔内壁具有铁氟龙涂层，通过外螺纹分别与挤出机架(12-7)、加热块(13-2)紧固连接；散热管(13-3)内部具有螺纹，通过螺孔配合套于喉管(13-4)外侧；加热块(13-2)侧面开有孔，加热棒(13-5)、热敏电阻(13-6)通过胶接固定在孔中；喷嘴(13-1)具有外螺纹，通过螺纹连接与加热块(13-2)紧固连接，并使喷嘴(13-1)内侧通孔与喉管(13-4)内侧通孔对齐；散热风扇架(12-5)通过螺丝与电机架(12-7)紧固配合，散热风扇(12-10)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过散热风扇架上的孔口对散热管(13-3)进行散热；离心风扇(12-21)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过风道出风对挤出材料进行散热。整个热熔融挤出打印装置能够在Y轴丝杆滑台(10)轴向方向上移动，Y轴丝杆滑台(10)能够在X轴丝杆滑台(9)轴向方向上移动，因此该装置移动至XY平面上两轴丝杆滑台行程范围内的任一点。
热熔融挤出打印装置的工作方式如下：开始工作之前，通过手工方式装填材料；固态丝状材料通过送料导轨(12-12)穿过挤出手柄(12-1)的送料孔，向下按动挤出手柄(12-1)，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互分开，丝状材料通过两轮间的间隙，穿入喉管，并填装至喷嘴位，此时松开挤出手柄(12-1)，挤出机手柄(12-1)在弹簧力的作用下，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互靠近，材料被卡入送料滚轮(12-3)的凹槽，并挤压至挤出齿轮(12-4)表面；开始工作时，加热棒(13-5)对加热块(13-2)进行加热，使得喷嘴(13-1)与部分喉管(13-4)达到一定温度，将其内部的丝状材料融化；而其余部分的喉管(13-4)通过散热管(13-3)与散热风扇(12-10)散热，保持较低温度，其内材料仍保持固态；此时通过控制挤出电机(12-9)旋转，带动挤出齿轮(12-4)，齿轮与丝状材料发生摩擦，沿着喉管推动材料向上运动，由于喉管(13-4)内的材料仅有部分融化，未融化的固态材料推动已融化的液态材料，形成一定压力，使已融化的液态材料从喷嘴(13-1)送出，通过材料自身黏性黏附于成型表面，此时离心风扇(12-21)通过风道对液态材料进行快速冷却，使得其固化与成型表面上。
进一步地，光学成型装置中，散热铝片(8-1)通过螺丝与底板(7)紧固连接，UV灯基板(8-10)通过螺丝与散热铝片(8-1)紧固连接，UV灯珠(8-9)焊接在UV灯基板(8-10)上，聚光铝片(8-2)由四片光结铝片焊接而成，上端折边，具有通孔，通过螺丝与菲涅尔透镜(8-3)紧固连接；菲涅尔透镜(8-3)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与蝇眼透镜(8-4)紧固连接；蝇眼透镜组(8-4)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与灰度控制液晶屏(8-5)紧固连接；灰度控制液晶屏(8-5)由一块拆除背光板5.5寸液晶屏与屏框胶接而成，框上具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)、螺丝与光机顶板(8-7)紧固连接。形状控制液晶屏(8-8)为一块拆除背光板5.5寸液晶屏，胶接在光机顶板(8-7)上；光机顶板(8-7)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接；成型底板(14)通过螺丝、支柱(6)与底板(7)形成紧固连接；通过对支柱(6)长度的控制，使得聚光铝片(8-2)的底面与UV灯基板(8-10)的顶面无受力接触。
光学成型装置的基本工作原理如下：UV灯珠(8-9)通电发出一定波长的紫外光线，通过聚光铝片(8-2)的反射，照射至菲涅尔透镜(8-3)表面；菲涅尔透镜(8-3)将散射光线折射为平行光线，并通过蝇眼透镜组(8-4)进一步滤去散射光线；当液晶屏显示为纯黑色图像时，液晶屏完全不透光，显示为纯白色图像时，液晶屏完全透光，而显示为灰色图像时，光线强度透过液晶屏会发生一定衰减，衰减程度由图像的灰度决定；灰度控制液晶屏(8-5)通过显示预设的具有形状的灰色图像，能调控蝇眼透镜组(8-4)射出的光线，使其根据需要产生可调控的光强衰减；形状控制液晶屏(8-8)显示预设的具有形状的黑白图样，经过衰减后的光线透过形状控制液晶屏(8-8)被部分遮光，形成具有同样形状的光斑，投射至成型面，使材料部分固化。
与现有技术方案相比，本技术方案的优点有以下四点：
1、本发明的设备结构能够实现两种材料的打印，可满足零部件的力学性能、功能要求和颜色不同的需求。
2、本发明的设备结构实现两种方式打印中，其中一种材料通过光固化面成型打印，打印精度高，材料功能可设计，能打印特殊功能材料，且成型速度快，效率较高。另一种材料通过热熔融挤出打印，其材料价格较低，综合力学性能较好，适合作为工件基体或牺牲材料等。
3、本发明的设备结构还改变了现有热熔融挤出打印技术向下挤出的方式，通过向上挤出，以粘度依附成型面，减少重力对挤出材料的不良影响，特别是预防大倾角成型面的翘边现象，提高打印质量。
4、本发明的设备结构通过双液晶屏分开控制形状和灰度，增加了图形边缘的清晰度，同时减少因像素点尺寸产生的边缘锯齿，有效提升了打印质量。
附图说明
图1是本发明装置的结构图。
图2是本发明装置的主视图。
图3是本发明装置的侧视图。
图4是丝杆滑台的结构图。
图5是光学成型装置的结构图。
图6是热熔融挤出打印装置的结构图。
图7是热熔融挤出打印装置的主视图。
图8是热熔融挤出打印装置的侧视图。
图9是光学成型装置的正视图。
图10是光学成型装置的部分结构图。
图11是光学成型装置的部分结构图。
具体实施方式
结合以上附图对本发明作进一步说明。
一种多轴3D微纳加工设备，包括Z轴丝杆滑台(1)、Z轴连接器(2)、料槽(3)、料槽夹(4)、料槽紧固螺丝(5)、支柱(6)、底板(7)、光机(8)、X轴丝杆滑台(9)、Y轴丝杆滑台(10)、XY轴联轴器(11)、挤出机(12)、打印头(13)、成型底板(14)、成型平台(15)、成型平台紧固螺丝(16)、成型平台调平限制器(17)和成型平台联轴器(18)。
如图1所示，Z轴丝杆滑台(1)通过螺丝与Z轴连接器(2)紧固连接，Z轴连接器(2)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接，成型平台调平限制器(17)上开有条形孔，螺丝穿过条形孔与成型平台(15)上的螺孔连接，螺丝未锁紧时，成型平台(15)可调节与料槽(3)底面的相对平行度，调节合适后锁紧螺丝，成型平台(15)即与成型平台调平限制器(17)紧固连接；成型平台调平限制器(17)与成型平台联轴器(18)通过轴配合，并通过成型平台紧固螺丝(16)辅助形成紧固连接；成型平台联轴器(18)通过螺丝与Z轴丝杆滑台(1)紧固连接，成型平台(15)可在Z轴方向上移动。
如图4所示，Z轴丝杆滑台(1)与X轴丝杆滑台(9)、Y轴丝杆滑台(10)结构相同，步进电机(1-1)通过螺丝与导轨架(1-7)紧固连接；丝杆(1-4)通过两个轴承(1-3)与导轨架(1-7)形成轴配合。丝杆(1-4)与步进电机(1-1)通过联轴器(1-2)紧固连接。导轨(1-6)与导轨架(1-7)形成过盈配合，与滑块(1-5)形成间隙配合；滑块(1-5)与丝杆(1-4)通过螺纹配合，滑块(1-5)可沿丝杆滑台的轴向移动。
如图1-3所示，两根X轴丝杆滑台(9)、Y轴丝杆滑台(10)分别与XY轴联轴器(11)通过螺丝紧固连接，使两根X轴丝杆滑台(9)相互平行，且与Y轴丝杆滑台(10)轴向垂直，Y轴丝杆滑台(10)可沿X轴丝杆滑台(9)的轴向移动；X轴丝杆滑台(9)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接。
如图1、5、9、11所示，料槽夹(4)通过螺丝与光机顶板(8-7)形成紧固连接，料槽(3)与料槽夹(4)形成间隙配合；料槽(3)底部为具有铁氟龙涂层的疏水高透明膜，料槽(3)可由间隙中取出，方便操作。料槽夹紧螺丝(5)通过螺纹与料槽夹(4)两侧的螺纹通孔与料槽(3)形成三者的紧固连接。
本设备的热熔融挤出打印装置如图6～图8所示，挤出机架(12-7)通过螺丝与Y轴丝杆滑台(10)紧固连接，挤出电机(12-9)通过螺丝与挤出机架(12-7)紧固连接，其转轴穿过挤出机架(12-7)上的通孔，与挤出齿轮(12-4)形成过盈配合；送料滚轮(12-3)为一具有凹槽外壳的滚珠轴承，通过螺丝使内圈与挤出机手柄(12-1)形成紧固连接；挤出机手柄轴套(12-2)与挤出机手柄(12-1)形成间隙配合，挤出机轴套(12-2)通过螺丝与挤出机架(12-7)形成紧固连接，使挤出机手柄(12-1)可绕挤出机轴套(12-2)旋转；挤出机手柄(12-1)开有送料孔，送料导轨(12-12)焊接在送料孔外侧，使丝状材料能顺利进入挤出机；挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)上开有与弹簧(12-6)外径尺寸相匹配的沉孔，使弹簧(12-6)与两者分别形成过盈配合，固定螺丝(12-8)旋入挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)沉孔中心的螺纹孔，并穿入弹簧(12-6)内侧，进一步固定弹簧(12-8)的配合关系；喉管(13-4)外侧具有螺纹，内侧具有通孔，通孔内壁具有铁氟龙涂层，通过外螺纹分别与挤出机架(12-7)、加热块(13-2)紧固连接；散热管(13-3)内部具有螺纹，通过螺孔配合套于喉管(13-4)外侧；加热块(13-2)侧面开有孔口，加热棒(13-5)、热敏电阻(13-6)通过胶接固定在孔中；喷嘴(13-1)具有外螺纹，通过螺纹连接与加热块(13-2)紧固连接，并使喷嘴(13-1)内侧通孔与喉管(13-4)内侧通孔对齐；散热风扇架(12-5)通过螺丝与电机架(12-7)紧固配合，散热风扇(12-10)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过散热风扇架上的孔口对散热管(13-3)进行散热；离心风扇(12-21)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过风道出风对挤出材料进行散热。整个热熔融挤出打印装置可在Y轴丝杆滑台(10)轴向方向上移动，Y轴丝杆滑台(10)可在X轴丝杆滑台(9)轴向方向上移动，因此该装置可移动至XY平面上两轴丝杆滑台行程范围内的任一点。
热熔融挤出打印装置的基本工作方式如下：开始工作之前，通过手工方式装填材料；固态丝状材料通过送料导轨(12-12)穿过挤出手柄(12-1)的送料孔，向下按动挤出手柄(12-1)，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互分开，丝状材料通过两轮间的间隙，穿入喉管，并填装至喷嘴位，此时松开挤出手柄(12-1)，挤出机手柄(12-1)在弹簧力的作用下，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互靠近，材料被卡入送料滚轮(12-3)的凹槽，并挤压至挤出齿轮(12-4)表面；开始工作时，加热棒(13-5)对加热块(13-2)进行加热，使得喷嘴(13-1)与部分喉管(13-4)达到一定温度，将其内部的丝状材料融化；而其余部分的喉管(13-4)通过散热管(13-3)与散热风扇(12-10)散热，保持较低温度，其内材料仍保持固态；此时通过控制挤出电机(12-9)旋转，带动挤出齿轮(12-4)，齿轮与丝状材料发生摩擦，沿着喉管推动材料向上运动，由于喉管(13-4)内的材料仅有部分融化，未融化的固态材料推动已融化的液态材料，形成一定压力，使已融化的液态材料从喷嘴(13-1)送出，通过材料自身黏性黏附于成型表面，此时离心风扇(12-21)通过风道对液态材料进行快速冷却，使得其固化与成型表面上。
本设备的光学成型装置如图1、图9～图11所示，散热铝片(8-1)通过螺丝与底板(7)紧固连接，UV灯基板(8-10)通过螺丝与散热铝片(8-1)紧固连接，UV灯珠(8-9)焊接在UV灯基板(8-10)上，聚光铝片(8-2)由四片光结铝片焊接而成，上端折边，具有通孔，通过螺丝与菲涅尔透镜(8-3)紧固连接；菲涅尔透镜(8-3)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与蝇眼透镜(8-4)紧固连接；蝇眼透镜组(8-4)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与灰度控制液晶屏(8-5)紧固连接；灰度控制液晶屏(8-5)由一块拆除背光板5.5寸液晶屏与屏框胶接而成，框上具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)、螺丝与光机顶板(8-7)紧固连接。形状控制液晶屏(8-8)为一块拆除背光板5.5寸液晶屏，胶接在光机顶板(8-7)上；光机顶板(8-7)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接；成型底板(14)通过螺丝、支柱(6)与底板(7)形成紧固连接；通过对支柱(6)长度的控制，使得聚光铝片(8-2)的底面与UV灯基板(8-10)的顶面无受力接触。
光学成型装置的基本工作原理如下：UV灯珠(8-9)通电发出一定波长的紫外光线，通过聚光铝片(8-2)的反射，照射至菲涅尔透镜(8-3)表面；菲涅尔透镜(8-3)将散射光线折射为平行光线，并通过蝇眼透镜组(8-4)进一步滤去散射光线；当液晶屏显示为纯黑色图像时，液晶屏完全不透光，显示为纯白色图像时，液晶屏完全透光，而显示为灰色图像时，光线强度透过液晶屏会发生一定衰减，衰减程度由图像的灰度决定；灰度控制液晶屏(8-5)通过显示预设的具有形状的灰色图像，能调控蝇眼透镜组(8-4)射出的光线，使其根据需要产生可调控的光强衰减；形状控制液晶屏(8-8)显示预设的具有形状的黑白图样，经过衰减后的光线透过形状控制液晶屏(8-8)被部分遮光，形成具有同样形状的光斑，投射至成型面，使材料部分固化。
首先根据所设计零件的性能选取合适的液体材料与固体丝状材料，并将选好的液体材料倒入液槽里，将液槽锁紧于液槽夹盘上；热熔融挤出打印装置通过手工方式装填，丝状材料通过送料导轨穿过挤出手柄的送料孔，向下按动挤出手柄，使得送料滚轮与挤出齿轮相互分开，丝状材料通过两轮间的间隙，穿入喉管，并填装至喷嘴位，此时松开挤出手柄，挤出机手柄在弹簧力的作用下，使得送料滚轮与挤出齿轮相互靠近，材料被卡入送料滚轮的凹槽，并挤压至挤出齿轮表面。
将设计好参数并且切片好的三维模型导入到机器中，选取自己需要的模型，按下启动，机器的XYZ轴回到参考坐标原点，机器中的处理器按照设置好的模型加工；热熔融挤出打印装置开始工作时，加热棒对加热块进行加热，使得喷嘴与部分喉管达到一定温度，将其内部的丝状材料融化；而其余部分的喉管通过散热管与散热风扇散热，保持较低温度，其内材料仍保持固态；此时通过控制挤出电机旋转，带动挤出齿轮，齿轮与丝状材料发生摩擦，沿着喉管推动材料向上运动，由于喉管内的材料仅有部分融化，未融化的固态材料推动已融化的液态材料，形成一定压力，使已融化的液态材料从喷嘴送出，通过材料自身黏性黏附于成型表面，此时离心风扇通过风道对液态材料进行快速冷却，使得其固化与成型表面上；打印头在X轴丝杆滑台、Y轴丝杆滑台的共同作用下，在XY平面内运动，使材料沉积为预设的图案。当加工完一层后，打印平台按照参数上升一个层厚，进行下一层的加工。光学成型装置工作时，UV灯珠通电发出一定波长的紫外光线，通过聚光铝片的反射，照射至菲涅尔透镜表面；菲涅尔透镜将散射光线折射为平行光线，并通过蝇眼透镜组进一步滤去散射光线；当液晶屏显示为纯黑色图像时，液晶屏完全不透光，显示为纯白色图像时，液晶屏完全透光，而显示为灰色图像时，光线强度透过液晶屏会发生一定衰减，衰减程度由图像的灰度决定；灰度控制液晶屏通过显示预设的具有形状的灰色图像，能调控蝇眼透镜组射出的光线，使其根据需要产生可调控的光强衰减；形状控制液晶屏显示预设的具有形状的黑白图样，经过衰减后的光线透过形状控制液晶屏被部分遮光，形成具有同样形状的光斑，投射至成型面，使材料部分固化。当加工完一层时，打印平台按照参数自动上升一定距离，实现离型，并随即下降一定距离，并且上升距离较下降距离多一个预设的差值，该差值即为下一层的层厚值。工作台下降完毕后，即可进行下一层的加工。两种工作方式依据所需加工的零件及力学性能要求，根据预设程序间歇交替执行。当最后一层加工完后机器停止工作，此时的零件已完成，零件粘附于成型平台之上，此时工人可以将零件取下，当打印下一个零件时，工人只需要按下启动键。
注释：机器的参考坐标原点是X、Y、Z轴协同，使成型平台与溶液槽底部重合，打印头位于XY轴行程最远端的位置。

Claims (10)

1.一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：Z轴丝杆滑台(1)通过螺丝与Z轴连接器(2)紧固连接，Z轴连接器(2)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接，成型平台调平限制器(17)上开有条形孔，螺丝穿过条形孔与成型平台(15)上的螺孔连接，螺丝未锁紧时，成型平台(15)能够调节与料槽(3)底面的相对平行度；成型平台调平限制器(17)与成型平台联轴器(18)通过轴配合，并通过成型平台紧固螺丝(16)辅助形成紧固连接；成型平台联轴器(18)通过螺丝与Z轴丝杆滑台(1)紧固连接，成型平台(15)能够在Z轴方向上移动；
两根X轴丝杆滑台(9)平行布置，两根X轴丝杆滑台(9)和一根Y轴丝杆滑台(10)分别与XY轴联轴器(11)通过螺丝紧固连接，使两根X轴丝杆滑台(9)相互平行，且与Y轴丝杆滑台(10)轴向垂直；Y轴丝杆滑台(10)能够沿X轴丝杆滑台(9)的轴向移动；X轴丝杆滑台(9)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接；
料槽夹紧螺丝(5)通过螺纹与料槽夹(4)两侧的螺纹通孔与料槽(3)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：料槽夹(4)通过螺丝与光机顶板(8-7)形成紧固连接，料槽(3)与料槽夹(4)形成间隙配合。
3.根据权利要求1所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：料槽(3)底部为具有铁氟龙涂层的疏水高透明膜。
4.根据权利要求1所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：Z轴丝杆滑台(1)、X轴丝杆滑台(9)和Y轴丝杆滑台(10)是结构相同的丝杆滑台；每个丝杆滑台中，步进电机(1-1)通过螺丝与导轨架(1-7)紧固连接；丝杆(1-4)通过两个轴承(1-3)与导轨架(1-7)形成轴配合；丝杆(1-4)与步进电机(1-1)通过联轴器(1-2)紧固连接；导轨(1-6)与导轨架(1-7)形成过盈配合，与滑块(1-5)形成间隙配合；滑块(1-5)与丝杆(1-4)通过螺纹配合，滑块(1-5)能够沿丝杆滑台的轴向移动。
5.根据权利要求1所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：热熔融挤出打印装置中，挤出机架(12-7)通过螺丝与Y轴丝杆滑台(10)紧固连接，挤出电机(12-9)通过螺丝与挤出机架(12-7)紧固连接，其转轴穿过挤出机架(12-7)上的通孔，与挤出齿轮(12-4)形成过盈配合；送料滚轮(12-3)为一具有凹槽外壳的滚珠轴承，通过螺丝使内圈与挤出机手柄(12-1)形成紧固连接；挤出机手柄轴套(12-2)与挤出机手柄(12-1)形成间隙配合，挤出机轴套(12-2)通过螺丝与挤出机架(12-7)形成紧固连接，使挤出机手柄(12-1)能够绕挤出机轴套(12-2)旋转；挤出机手柄(12-1)开有送料孔，送料导轨(12-12)焊接在送料孔外侧，使丝状材料能进入挤出机；挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)上开有与弹簧(12-6)外径尺寸相匹配的沉孔，使弹簧(12-6)与挤出机手柄(12-1)和挤出机架(12-7)形成过盈配合；固定螺丝(12-8)旋入挤出机手柄(12-1)、挤出机架(12-7)沉孔中心的螺纹孔，并穿入弹簧(12-6)内侧，固定弹簧(12-8)的配合关系；喉管(13-4)外侧具有螺纹，内侧具有通孔，通孔内壁具有铁氟龙涂层，通过外螺纹分别与挤出机架(12-7)、加热块(13-2)紧固连接；散热管(13-3)内部具有螺纹，通过螺孔配合套于喉管(13-4)外侧；加热块(13-2)侧面开有孔，加热棒(13-5)、热敏电阻(13-6)通过胶接固定在孔中；喷嘴(13-1)具有外螺纹，通过螺纹连接与加热块(13-2)紧固连接，并使喷嘴(13-1)内侧通孔与喉管(13-4)内侧通孔对齐；散热风扇架(12-5)通过螺丝与电机架(12-7)紧固配合，散热风扇(12-10)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过散热风扇架上的孔口对散热管(13-3)进行散热；离心风扇(12-21)通过螺丝与散热风扇架(12-5)紧固配合，通过风道出风对挤出材料进行散热；整个热熔融挤出打印装置能够在Y轴丝杆滑台(10)轴向方向上移动，Y轴丝杆滑台(10)能够在X轴丝杆滑台(9)轴向方向上移动，因此该装置移动至XY平面上两轴丝杆滑台行程范围内的任一点。
6.根据权利要求5所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：热熔融挤出打印装置的工作方式如下：开始工作之前，通过手工方式装填材料；固态丝状材料通过送料导轨(12-12)穿过挤出手柄(12-1)的送料孔，向下按动挤出手柄(12-1)，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互分开，丝状材料通过两轮间的间隙，穿入喉管，并填装至喷嘴位，此时松开挤出手柄(12-1)，挤出机手柄(12-1)在弹簧力的作用下，使得送料滚轮(12-3)与挤出齿轮(12-4)相互靠近，材料被卡入送料滚轮(12-3)的凹槽，并挤压至挤出齿轮(12-4)表面；开始工作时，加热棒(13-5)对加热块(13-2)进行加热，使得喷嘴(13-1)与部分喉管(13-4)达到一定温度，将其内部的丝状材料融化；而其余部分的喉管(13-4)通过散热管(13-3)与散热风扇(12-10)散热；通过控制挤出电机(12-9)旋转，带动挤出齿轮(12-4)，齿轮与丝状材料发生摩擦，沿着喉管推动材料向上运动，由于喉管(13-4)内的材料有部分融化，未融化的固态材料推动已融化的液态材料，形成一定压力，使已融化的液态材料从喷嘴(13-1)送出，通过材料自身黏性黏附于成型表面，此时离心风扇(12-21)通过风道对液态材料进行快速冷却，使得固化于成型表面上。
7.根据权利要求1所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：光学成型装置中，散热铝片(8-1)通过螺丝与底板(7)紧固连接，UV灯基板(8-10)通过螺丝与散热铝片(8-1)紧固连接，UV灯珠(8-9)焊接在UV灯基板(8-10)上，聚光铝片(8-2)由四片光结铝片焊接而成，上端折边，具有通孔，通过螺丝与菲涅尔透镜(8-3)紧固连接；菲涅尔透镜(8-3)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与蝇眼透镜(8-4)紧固连接；蝇眼透镜组(8-4)由镜片与透镜架胶接而成，透镜架具有螺纹孔，通过单头铜柱(8-6)与灰度控制液晶屏(8-5)紧固连接；灰度控制液晶屏(8-5)通过单头铜柱(8-6)、螺丝与光机顶板(8-7)紧固连接；形状控制液晶屏(8-8)胶接在光机顶板(8-7)上；光机顶板(8-7)通过螺丝与成型底板(14)紧固连接；成型底板(14)通过螺丝、支柱(6)与底板(7)形成紧固连接；通过对支柱(6)长度的控制，使得聚光铝片(8-2)的底面与UV灯基板(8-10)的顶面无受力接触。
8.根据权利要求7所述的一种多方式多材料3D打印设备，其特征在于：光学成型装置的工作原理如下：UV灯珠(8-9)通电发出一定波长的紫外光线，通过聚光铝片(8-2)的反射，照射至菲涅尔透镜(8-3)表面；菲涅尔透镜(8-3)将散射光线折射为平行光线，并通过蝇眼透镜组(8-4)滤去散射光线；当液晶屏显示为纯黑色图像时，液晶屏完全不透光，显示为纯白色图像时，液晶屏完全透光，而显示为灰色图像时，光线强度透过液晶屏会发生衰减，衰减程度由图像的灰度决定；灰度控制液晶屏(8-5)通过显示预设的具有形状的灰色图像，能调控蝇眼透镜组(8-4)射出的光线，使其根据需要产生可调控的光强衰减；形状控制液晶屏(8-8)显示预设的具有形状的黑白图样，经过衰减后的光线透过形状控制液晶屏(8-8)被部分遮光，形成具有同样形状的光斑，投射至成型面，使材料部分固化。
9.利用权利要求1所述打印设备进行的一种多方式多材料3D打印方法，其特征在于：首先根据所设计零件的性能选取合适的液体材料与固体丝状材料，并将选好的液体材料倒入液槽里，将液槽锁紧于液槽夹盘上；热熔融挤出打印装置通过手工方式装填，丝状材料通过送料导轨穿过挤出手柄的送料孔，向下按动挤出手柄，使得送料滚轮与挤出齿轮相互分开，丝状材料通过两轮间的间隙，穿入喉管，并填装至喷嘴位，此时松开挤出手柄，挤出机手柄在弹簧力的作用下，使得送料滚轮与挤出齿轮相互靠近，材料被卡入送料滚轮的凹槽，并挤压至挤出齿轮表面；
将设计好参数并且切片好的三维模型导入到设备中，选取需要的模型，按下启动，设备的XYZ轴回到参考坐标原点，设备中的处理器按照设置好的模型加工；热熔融挤出打印装置开始工作时，加热棒对加热块进行加热，使得喷嘴与部分喉管达到一定温度，将其内部的丝状材料融化；而其余部分的喉管通过散热管与散热风扇散热；通过控制挤出电机旋转，带动挤出齿轮，齿轮与丝状材料发生摩擦，沿着喉管推动材料向上运动，由于喉管内的材料仅有部分融化，未融化的固态材料推动已融化的液态材料，形成压力，使已融化的液态材料从喷嘴送出，通过材料自身黏性黏附于成型表面，此时离心风扇通过风道对液态材料进行快速冷却，使得其固化与成型表面上；打印头在X轴丝杆滑台、Y轴丝杆滑台的共同作用下，在XY平面内运动，使材料沉积为预设的图案；当加工完一层后，打印平台按照参数上升一个层厚，进行下一层加工；光学成型装置工作时，UV灯珠通电发出一定波长的紫外光线，通过聚光铝片的反射，照射至菲涅尔透镜表面；菲涅尔透镜将散射光线折射为平行光线，并通过蝇眼透镜组滤去散射光线；灰度控制液晶屏通过显示预设的具有形状的灰色图像，能调控蝇眼透镜组射出的光线，使其根据需要产生可调控的光强衰减；形状控制液晶屏显示预设的具有形状的黑白图样，经过衰减后的光线透过形状控制液晶屏被部分遮光，形成具有同样形状的光斑，投射至成型面，使材料部分固化；当加工完一层时，打印平台按照参数自动上升一定距离，实现离型，并随即下降一定距离，并且上升距离较下降距离多一个预设的差值，该差值即为下一层的层厚值；工作台下降完毕后，即可进行下一层的加工；两种工作方式依据所需加工的零件及力学性能要求，根据预设程序间歇交替执行；当最后一层加工完后设备停止工作，此时的零件已完成；
零件粘附于成型平台之上，将零件取下，当打印下一个零件时，只需要按下启动键；参考坐标原点是X、Y、Z轴协同，使成型平台与溶液槽底部重合，打印头位于XY轴行程最远端的位置。
10.根据权利要求9所述行的一种多方式多材料3D打印方法，其特征在于：当液晶屏显示为纯黑色图像时，液晶屏完全不透光，显示为纯白色图像时，液晶屏完全透光，而显示为灰色图像时，光线强度透过液晶屏会发生一定衰减，衰减程度由图像的灰度决定。
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