CN111590890A - 三维打印机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维打印机及其工作方法，三维打印机包括打印平台、铺粉机构、红外光源和图像形成控制机构，打印平台用于承载三维物体，铺粉机构用于将打印材料铺设在打印平台上，红外光源向外发出红外光束，图像形成控制机构包括透明膜和反红外材料铺设装置，透明膜上具有透光区和非透光区，透光区的形状与三维物体截面的形状相同，红外光源发出的光束穿过透光区并照射在打印平台的打印材料上，反红外材料铺设装置包括铺粉器，铺粉器包括粉盒和磁辊，粉盒用于盛装反红外材料与电荷剂组成的粉末状混合物，磁辊可转动地支撑在粉盒的两端，磁辊在透明膜上滚动并将混合物铺设到非透光区。该三维打印机能够提高打印速度和打印精度。

Description

三维打印机及其工作方法
技术领域
本发明涉及三维打印领域，具体地说，是涉及一种三维打印机以及该三维打印机的打印方法。
背景技术
三维打印机是一种利用快速成型技术进行打印三维物体的设备，其以数字模型为基础，利用塑料、液体光敏树脂或粉末金属等材料，逐层地打印出三维物体。现有的三维打印的过程首先是通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，再根据分析截面信息得到加工路径，从而指导打印机逐层打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技术有熔融挤压成型(Fused DepositionModeling，FDM)、激光选择性烧结成型(Selective Laser Sintering，SLS)、选择性激光熔化成型(SLM)、光固化成型(Stereo lithography Apparatus，SLA)等。
现有的激光选择性烧结成型等是通过激光使打印材料固化成型，这种激光打印方式通常是逐行打印一层，再打印第二层，打印速度低且打印精度低。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种能够提高打印速度和打印精度的三维打印机。
本发明的另一目的是提供一种上述三维打印机的工作方法。
为实现上述主要目的，本发明提供一种三维打印机，该三维打印机包括打印平台、铺粉机构、红外光源和图像形成控制机构，打印平台用于承载三维物体，铺粉机构用于将打印材料铺设在打印平台上，红外光源向外发出红外光束，图像形成控制机构位于红外光源与打印平台之间并用于控制三维物体截面的形状，图像形成控制机构包括透明膜和反红外材料铺设装置，透明膜上具有透光区和非透光区，透光区的形状与三维物体截面的形状相同，红外光源发出的光束穿过透光区并照射在打印平台的打印材料上，反红外材料铺设装置包括铺粉器，铺粉器包括粉盒和磁辊，粉盒用于盛装反红外材料与电荷剂组成的粉末状混合物，磁辊可转动地支撑在粉盒的两端，磁辊转动使混合物吸附在磁辊表面，磁辊在透明膜上滚动并将混合物铺设到非透光区。
由上述方案可见，红外光源发出的光照射在透明膜上的透光区和非透光区，非透光区由于铺设有反红外材料将照射在非透光区的红外光反射回去，而照射到透光区的红外光束穿过透明膜并照射打印平台上的打印材料，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，通过透明膜可精确控制三维物体截面的形状，从而提高成型的三维物体的精度。另外，红外光照射后，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，因此，一次可直接成型一层，相比与现有技术的三维打印机逐行打印一层，可大大提高三维物体的成型速度，提高三维打印机的工作效率。采用磁辊铺设反红外材料，可以提高反红外材料铺设的均匀性。
一个优选的方案是，图像形成控制机构还包括透明膜输送装置，透明膜输送装置用于输送透明膜。
由此可见，透明膜输送装置在三维打印机打印一层后向前传送干净的透明膜，同时将使用过的透明膜回收或传送到清洁装置位置。
一个优选的方案是，反红外材料铺设装置还包括激光发生器和电荷提供装置，电荷提供装置用于向透明膜提供与电荷剂极性相反的电荷，激光发生器产生的激光束照射到透明膜上的透光区并将透光区的电荷消除。
由此可见，首先，电荷提供装置向透明膜提供电荷，使透明膜带上正或负电荷，接着，激光发生器发射激光束并照射到透明膜上的透光区，透光区的电荷消除，接着，铺粉器与透明膜接触，由于铺粉器上的反红外材料与电荷剂组成的混合物中电荷剂的极性与透明膜上所带的电荷的极性相反，因此反红外材料与电荷剂组成的混合物会转移到透明膜上带电荷的区域，即混合物转移到透明膜上的非透光区，从而反射照射到透明膜的非透光区的红外光束。
进一步的方案是，反红外材料包括丙烯酸、铁红粉、铁黄粉和群青粉。
一个优选的方案是，三维打印机还包括用于预热打印材料的加热装置，加热装置安装在打印平台上。
由此可见，经过加热装置的预热后，可进一步提高三维打印机的打印速度，并且这种加热方式简单快捷。
一个优选的方案是，三维打印机还包括用于预热打印材料的加热装置，加热装置具有加热室，打印平台位于加热室中。
由此可见，这种加热方式可使打印平台上的打印材料受热更均匀。
为实现上述另一目的，本发明提供一种上述三维打印机的工作方法，工作方法包括如下步骤：铺粉机构在打印平台上铺设一层打印材料。加热装置对打印平台上的打印材料进行预热。磁辊在透明膜上的非透光区铺设一层反红外材料。红外光源朝向透明膜发出红外光束，照射在透明膜非透光区的红外光束被反射，照射在透明膜透光区的红外光束穿过透明膜并照射打印平台上的打印材料，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层。
由上述方案可见，红外光源发出的光照射在透明膜上的透光区和非透光区，非透光区由于铺设有反红外材料将照射在非透光区的红外光反射回去，而照射到透光区的红外光束穿过透明膜并照射打印平台上的打印材料，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，通过透明膜可精确控制三维物体截面的形状，从而提高成型的三维物体的精度。另外，红外光照射后，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，因此，一次可直接成型一层，相比与现有技术的三维打印机逐行打印一层，可大大提高三维物体的成型速度，提高三维打印机的工作效率。
附图说明
图1是本发明三维打印机第一实施例的原理图。
图2是本发明三维打印机第一实施例中喷头向透明膜上喷涂反红外材料的状态图。
图3是本发明三维打印机第一实施例中打印材料固化过程的状态图。
图4是本发明三维打印机第二实施例中涂布向透明膜上涂覆反红外材料的状态图。
图5是本发明三维打印机第三实施例中反红外材料铺设装置向透明膜上铺设反红外材料的状态图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
三维打印机及其工作方法第一实施例
参见图1，本实施例的三维打印机包括打印平台11、铺粉机构12、红外光源13、图像形成控制机构14、加热装置(未图示)和控制装置15。打印平台11用于承载三维物体，铺粉机构12用于将打印材料铺设在打印平台11上，红外光源13能够向外发出红外光束131，可选地，红外光源13为IR光发射器。图像形成控制机构14位于红外光源13与打印平台11之间并用于控制三维物体截面的形状。加热装置安装在打印平台11上，用于对打印平台11上的打印材料进行预热。
图像形成控制机构14包括透明膜141、透明膜输送装置142、清洁装置(未图示)和反红外材料铺设装置。透明膜输送装置142用于输送透明膜141，透明膜141上具有透光区1411和非透光区1412，透光区1411的形状与三维物体截面的形状相同，反红外材料铺设装置用于将反红外材料铺设到非透光区1412。清洁装置设置在透明膜141附近，清洁装置用于清理透明膜141上的反红外材料。
反红外材料铺设装置包括喷头1441，喷头1441位于透明膜141上方，喷头1441向非透光区1412喷射液态的反红外材料。反红外材料为由耐水性丙烯酸、碳化锆、聚甲基丙烯酸甲酯、硅丙树脂、纳米硅酸铝、分散剂和硅烷偶联剂等组成的液态混合物。
控制装置15控制铺粉机构12相对于打印平台11移动，并控制铺粉机构12将打印材料逐层铺设在打印平台11上，控制装置15还用于控制透明膜输送装置142向前输送透明膜141，并且控制装置15还用于控制反红外材料铺设装置将反红外材料铺设到透明膜141的非透光区1412，另外控制装置15还用于控制清洁装置清理透明膜141上的反红外材料。
参见图1至图3，三维打印机的工作方法包括如下步骤。
步骤一，控制装置15控制铺粉机构12在打印平台11上铺设一层打印材料。
步骤二，控制装置15控制加热装置预热打印平台11上的打印材料至接近并低于打印材料的熔点的温度，可减少热变形，并有利于与前一层固化层的结合。
步骤三，控制装置15控制喷头1441在透明膜141上的非透光区1412铺设一层反红外材料，同时控制装置15控制喷头1441的喷涂路径和喷涂范围。
步骤四，控制装置15控制红外光源13朝向透明膜141发出红外光束131，其中，照射在透明膜141非透光区1412的红外光束被反射，而照射在透明膜141透光区1411的红外光束穿过透明膜141并照射到打印平台11的打印材料上，被照射到的打印材料在打印平台11上形成固化层16。
步骤五，清洁装置将透明膜141上的反红外材料清洁干净。
步骤六，重复上述步骤直至完成三维物体的打印。
三维打印机及其工作方法第二实施例
作为本发明三维打印机及其工作方法第二实施例的说明，以下仅对与上述三维打印机及其工作方法第一实施例的不同之处予以说明。
参见图4，本实施例中反红外材料铺设装置包括涂布2441，涂布2441位于透明膜241附近，涂布2441将液态的反红外材料涂设在非透光区。此外也可以采用涂刷替代涂布2441。
三维打印机及其工作方法第三实施例
作为本发明三维打印机及其工作方法第三实施例的说明，以下仅对与上述三维打印机及其工作方法第一实施例的不同之处予以说明。
本实施例中反红外材料为粉末状，且反红外材料为由丙烯酸、铁红粉、铁黄粉和群青粉等组成的粉末状混合物。本实施例中透明膜341的材质与处理盒中的感光鼓的材质相同。
参见图5，本实施例的反红外材料铺设装置包括铺粉器、激光发生器3442和电荷提供装置3443。优选地，铺粉器包括粉盒(未图示)和磁辊3445，粉盒用于盛装反红外材料与电荷剂组成的混合物，磁辊3445可转动地支撑在粉盒的两端，磁辊3445转动使反红外材料与电荷剂组成的混合物吸附在磁辊3445表面，磁辊3445在透明膜341上滚动并将该混合物铺设到透明膜341上的非透光区。电荷提供装置3443用于向透明膜341提供与电荷剂极性相反的电荷。激光发生器3442产生的激光束照射到透明膜341上的透光区并将透光区的电荷消除。
本实施例的三维打印机的工作方法与三维打印机第一实施例的工作方法仅步骤三不同。步骤三为向透明膜341上铺设反红外材料的步骤。
本实施例中步骤三包括如下内容：首先，控制装置控制电荷提供装置3443向透明膜341提供电荷，使透明膜341带上正或负电荷。接着，激光发生器3442发射激光束并照射到透明膜341上的透光区，透光区的电荷消除。接着，磁辊3445与透明膜341接触，由于铺粉器上的反红外材料与电荷剂组成的混合物中电荷剂的极性与透明膜341上所带的电荷的极性相反，因此反红外材料与电荷剂组成的混合物会转移到透明膜341上带电荷的区域，即混合物转移到透明膜341上的非透光区，从而反射照射到透明膜341的非透光区的红外光束。
此外，加热装置也可以具有加热室，打印平台位于加热室中，从而对打印平台上的打印材料进行加热。也可以不设置清洁装置，透明膜输送装置包括分别位于透明膜两侧的透明膜输送轮和透明膜回收轮，透明膜输送轮向前输送干净的透明膜，透明膜回收轮回收已使用过的透明膜，在三维物体打印完成后再对透明膜进行清洁。上述改变均能实现本发明的目的。
由上可见，红外光源发出的光照射在透明膜上的透光区和非透光区，非透光区由于铺设有反红外材料将照射在非透光区的红外光反射回去，而照射到透光区的红外光束穿过透明膜并照射打印平台上的打印材料，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，通过透明膜可精确控制三维物体截面的形状，从而提高成型的三维物体的精度。另外，红外光照射后，被照射到的打印材料在打印平台上形成固化层，因此，一次可直接成型一层，相比与现有技术的三维打印机逐行打印一层，可大大提高三维物体的成型速度，提高三维打印机的工作效率。
最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.三维打印机，其特征在于：包括
打印平台，所述打印平台用于承载三维物体；
铺粉机构，所述铺粉机构用于将打印材料铺设在所述打印平台上；
红外光源，所述红外光源向外发出红外光束；
图像形成控制机构，所述图像形成控制机构位于所述红外光源与所述打印平台之间并用于控制三维物体截面的形状，所述图像形成控制机构包括透明膜和反红外材料铺设装置，所述透明膜上具有透光区和非透光区，所述透光区的形状与所述三维物体截面的形状相同，所述红外光源发出的光束穿过所述透光区并照射在所述打印平台的打印材料上；
所述反红外材料铺设装置包括铺粉器，所述铺粉器包括粉盒和磁辊，所述粉盒用于盛装反红外材料与电荷剂组成的粉末状混合物，所述磁辊可转动地支撑在所述粉盒的两端，所述磁辊转动使所述混合物吸附在所述磁辊表面，所述磁辊在所述透明膜上滚动并将所述混合物铺设到所述非透光区。
2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：
所述图像形成控制机构还包括透明膜输送装置，所述透明膜输送装置用于输送所述透明膜。
3.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：
所述反红外材料铺设装置还包括激光发生器和电荷提供装置，所述电荷提供装置用于向所述透明膜提供与所述电荷剂极性相反的电荷，所述激光发生器产生的激光束照射到所述透明膜上的透光区并将所述透光区的电荷消除。
4.根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于：
所述反红外材料包括丙烯酸、铁红粉、铁黄粉和群青粉。
5.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印机，其特征在于：
所述三维打印机还包括用于预热打印材料的加热装置，所述加热装置安装在所述打印平台上。
6.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印机，其特征在于：
所述三维打印机还包括用于预热打印材料的加热装置，所述加热装置具有加热室，所述打印平台位于所述加热室中。
7.三维打印机的工作方法，所述三维打印机为权利要求5或6所述的三维打印机，所述工作方法包括如下步骤：
所述铺粉机构在所述打印平台上铺设一层打印材料；
所述加热装置对所述打印平台上的打印材料进行预热；
所述磁辊在所述透明膜上的非透光区铺设一层反红外材料；
所述红外光源朝向所述透明膜发出红外光束，照射在所述透明膜非透光区的红外光束被反射，照射在所述透明膜透光区的红外光束穿过所述透明膜并照射所述打印平台上的打印材料，被照射到的打印材料在所述打印平台上形成固化层。
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