CN111923402A

CN111923402A - 一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法

Info

Publication number: CN111923402A
Application number: CN202010974622.XA
Authority: CN
Inventors: 陈炫玮; 李剑浩
Original assignee: Foshan University
Current assignee: Foshan University
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2020-11-13

Abstract

本发明提供了一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，包括如下步骤：布置液态凝胶打印环境；根据预设路径将光敏打印材料注入到液态凝胶打印环境中，以勾勒模型形状；对模型形状曝光后获得刚柔耦合部件。本申请通过采用液体凝胶环境来实现无支撑，同时采用光固化的方式实现快速成型的增材制造，在无支撑的打印环境下，不需要额外的喷头喷出支撑材料，进而增加喷头的利用率以及实现刚性材料和柔性材料混合打印的方式。

Description

一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体而言，涉及一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法。

背景技术

目前市面上的主流的3D打印技术，FDM(Fused Deposition Modeling，熔融沉积)、SLA(Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化)及DLP(DigitalLightProcession，数字光处理)等，均是针对单一的刚性或柔性材料打印，单次打印只能打同一种材料，无法实现两种或两种以上不同材料的混合打印，大大限制了研究人员，工程师，设计师的创作空间。目前FDM双喷头打印机可以实现双材料打印，但仅限于在一种作为模型材料，另一种作为支撑材料的使用，无法实现刚性材料和柔性材料混合打印的方式。

发明内容

基于此，为了解决无法实现刚性材料和柔性材料混合打印的问题，本发明提供了一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其具体技术方案如下：

一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，包括如下步骤：

布置液态凝胶打印环境；

根据预设路径将光敏打印材料注入到液态凝胶打印环境中，以勾勒模型形状；

对模型形状曝光后获得刚柔耦合部件。

上述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，通过采用液体凝胶环境来实现无支撑，同时采用光固化的方式实现快速成型的增材制造，在无支撑的打印环境下，不需要额外的喷头喷出支撑材料，进而增加喷头的利用率以及实现刚性材料和柔性材料混合打印的方式。

进一步地，所述光敏打印材料包括至少两种光敏树脂。

进一步地，两种所述光敏树脂分别为柔性光敏树脂和刚性光敏树脂。

进一步地，根据预设路径依次注入各种光敏打印材料，待注入的光敏打印材料的起始点位于已注入的光敏材料的结束点处。

进一步地，各所述光敏树脂的层高与预设路径的层高一致。

进一步地，至少两种所述光敏树脂的照射波长均为395nm～410nm。

进一步地，至少两种所述光敏树脂的固化时间均为16s～21s。

进一步地，至少两种所述光敏树脂之间的固化时间误差不超过±0.5s。

进一步地，至少两种所述光敏树脂的密度相差不大于0.1g/㎝³。

进一步地，所述曝光使用的是紫外光照射。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明实施例之一中一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法的结构示意图；

图2是本发明实施例之一中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统的整体结构示意图；

图3是本发明实施例之一中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统的部分结构立体示意图之一；

图4是本发明实施例之一中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统的部分结构立体示意图之二；

图5是本发明实施例之一中高速摄像机拍摄打印场景图。

附图标记说明：

1、Y轴移动组件；2、X轴移动组件；3、Z轴移动组件；4、第一针筒；5、第一打印喷头；6、第二针筒；7、第二打印喷头；8、箱体。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

目前市面上的针对于塑料的主流3D打印技术主要有FDM、SLA及DLP。其中，SLA和DLP技术虽然具备高精度(±0.02mm)以及高光滑度的表面，但因为其是在树脂环境中通过紫外光定点照射而成型的，所以在打印角度大于等于60°以上的模型结构时必须添加支撑，否则会造成悬空部分下沉的后果，其步骤繁琐，打印效率低下。在打印完成后，需要人工剪断支撑后，然后再利用超声波清洗机去除支撑留下的印子，其去除支撑方面的步骤也十分繁琐，费时费力。

以FDM为基础的3D技术则是采用双喷头打印两种材料，一种是模型材料，另一种则是水溶性支撑材料。其缺陷在于，一是FDM打印精度和表面光滑度低，即使使用水溶性材料作为支撑，支撑去除后表面也十分粗糙；二是打印完后需要将水溶性支撑材料长时间(1-2小时)浸泡到70摄氏度以上水中，才能将支撑去除。三是水溶性支撑材料极易受潮，保存起来很不方便。

如图1所示，本发明一实施例中的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，包括如下步骤：

布置液态凝胶打印环境；

对模型形状曝光后获得刚柔耦合部件。

在其中一个实施例中，所述液体凝胶打印环境由卡波姆940、无水乙醇、氯化钠和蒸馏水混合而成，其具备的特性为：1.与光敏树脂的密度近似，可以使光敏树脂悬浮在里面；2.整体材料呈弱碱性，遇弱酸可溶解；3.反应具备吸热效果，可加快材料冷却。

在其中一个实施例中，所述光敏打印材料包括至少两种光敏树脂。

在其中一个实施例中，两种所述光敏树脂分别为柔性光敏树脂和刚性光敏树脂。具体的，两种所述光敏树脂分别为刚性光敏树脂和柔性硅胶光敏树脂。

在其中一个实施例中，根据预设路径依次注入各种光敏打印材料，待注入的光敏打印材料的起始点位于已注入的光敏材料的结束点处。

在其中一个实施例中，各所述光敏树脂的层高与预设路径的层高一致。

在其中一个实施例中，至少两种所述光敏树脂的照射波长均为395nm～410nm。

在其中一个实施例中，至少两种所述光敏树脂的固化时间均为16s～21s。

在其中一个实施例中，至少两种所述光敏树脂之间的固化时间误差不超过±0.5s。

在其中一个实施例中，至少两种所述光敏树脂的密度相差不大于0.1g/㎝³。该参数是为了防止差异过大影响混合效果。

在其中一个实施例中，所述曝光使用的是紫外光照射。

两种光敏树脂材料因为密度不同又与凝胶密度近似的原因在凝胶中悬浮，在刚柔结合部分存在明显的分界线，最后再通过同波长的紫外光照射相同时间后进行固化，实现刚柔一体化混合增材制造。

如图2-4所示，本发明一实施例还提供一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，包括箱体8、Z轴移动组件3、X轴移动组件2以及Y轴移动组件1，所述Z轴移动组件3固定安装在所述X轴移动组件2上，所述X轴移动组件2固定安装在所述Y轴移动组件1上，所述Y轴移动组件1固定安装在所述箱体8上，所述X轴移动组件2用于驱动所述Z轴移动组件3沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件1用于驱动所述X轴移动组件2沿Y轴方向移动，所述基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统还包括第一针筒4以及第一打印喷头5，所述第一打印喷头5固定安装在所述第一针筒4上并与所述第一针筒4连通，所述箱体8的容腔中存储有凝胶，所述第一针筒4存储有光敏树脂，所述第一针筒4固定安装在所述Z轴移动组件3上，所述Z轴移动组件3用于驱动所述第一针筒4以及所述第一打印喷头5沿Z轴方向移动。其中，光敏树脂的密度与凝胶的密度相等或相近。

由于光敏树脂的密度与凝胶的密度相等或相近，故而将光敏树脂注入到凝胶时，可以处于悬浮状态。通过第一针筒4以及第一打印喷头5将光敏树脂注入到凝胶当中，然后通过算法控制第一打印喷头5的移动路径，可以勾勒出模型形状。此时，在凝胶之中的光敏树脂仍处于液态。再通过紫外光照射凝胶中的光敏树脂，光敏树脂由液态转换成固态，而凝胶仍处在液态中，即可以将模型从凝胶中取出，实现无支撑3D打印，从而简化打印步骤，提高打印效率。

另外，由于当将固化后的模型从凝胶中取出后，箱体8中的凝胶仍可以继续使用，故而本发明还可以提高凝胶的使用效率。

在其中一个实施例中，如图3以及图4所示，所述基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统还包括第二针筒6以及第二打印喷头7，所述第二打印喷头7固定安装在所述第二针筒6上并与所述第二针筒6连通，所述第二针筒6存储有光敏树脂，所述第二针筒6固定安装在所述Z轴移动组件3上，所述第一针筒4存储的光敏树脂为柔性光敏树脂，所述第二针筒6存储的光敏树脂为刚性光敏树脂。

其中，所述柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂具有相同的固化时间以及可被相同波长的紫外光固化。

在传统的3D打印技术中，SLA因其是在单种光敏树脂中进行液面固化，故而只能打印一种类型材料。本发明通过设置第一针筒4、第二针筒6、第一打印喷头5以及第二打印喷头7，并在第一针筒4以及第二针筒6中分别存储柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂，可以实现软硬材料的混合打印。

而FDM打印技术因为不同材料熔融沉积时温度的不同，材料特性不同，故而在多材料混合打印方面，容易开裂。在本发明中，由于柔性光敏材料和刚性光敏材料具有相同的固化时间以及可被相同波长的紫外光固化，柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂可以完美的混合在一起，以打印出所需要模型结构，其打印成品不易开裂。

在其中一个实施例中，所述第一打印喷头5以及第二打印喷头7均为微型打印喷头。采用微型打印喷头，可以提高3D打印精度。

在其中一个实施例中，所述X轴移动组件2、Y轴移动组件1以及Z轴移动组件3均包括一个闭环步进电机，以实现其移动过程。所述X轴移动组件2包括X轴滑轨，所述Y轴移动组件1包括Y轴滑轨，所述X轴滑轨以及所述Y轴滑轨均为上银滑轨。通过上银滑轨以及闭环步进电机，可以提高其打印速度，使得本发明的打印速度达到传动3D打印机打印速度的十倍以上。

在其中一个实施例中，所述打印喷头的移动通过Z轴移动组件3、X轴移动组件2以及Y轴移动组件1实现，所述X轴移动组件2用于驱动所述Z轴移动组件3沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件1用于驱动所述X轴移动组件2沿Y轴方向移动，所述Z轴移动组件3用于驱动所述第一打印喷头5以及所述第二打印喷头7沿Z轴方向移动。

在其中一个实施例中，所述光敏树脂包括柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂，所述柔性光敏树脂存储在第一针筒4中，所述刚性光敏树脂存储在第二针筒6中，所述第一打印喷头5固定安装在所述第一针筒4上并与所述第一针筒4连通，所述第二打印喷头7固定安装在所述第二针筒6上并与所述第二针筒6连通。

在传统的3D打印技术中，SLA打印技术虽然具备20um级精度，但是因其是在单一材料的光敏树脂下打印的，打印出来的模型内部空腔会留下大量难以去除的支撑。而FDM打印技术虽然可以通过水溶性材料解决打印模型内部空腔支撑难以剥离去除的问题，但由于其是熔融挤出的打印方式，打印出来的成品精度最高只能是0.1mm,其精度不够高。

本实施例同时使用柔性光敏树脂和刚性光敏树脂，并通过微型喷头类型的第一打印喷头5以及第二打印喷头7使的柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂在凝胶态中勾勒出模型形状，不仅可以克服SLA打印技术存在的打印出来的模型内部空腔会留下大量难以去除的支撑的问题，还可以实现20um体素精度的无支撑打印，为鞋类、气管类以及软体机器人类打印提供帮助。

本发明一实施例还提供一种基于凝胶态环境的3D打印喷头控制方法，所述基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统包括主控制器、曝光控制器、喷头控制部、移动组件控制部、高速摄像机和进料控制部，

所述主控制器分别控制曝光控制器、喷头控制部、移动组件控制部和进料控制部；

所述高速摄像机对打印部件进行拍摄并反馈给所述主控制器；

所述曝光控制器根据主控制器的命令控制激光振荡器的输出，所述激光振荡器发出激光束并通过光学系统传输至打印部件使其固化；

所述喷头控制部根据主控制器的命令通过压强的方式将光敏打印材料按照打印路径从喷头喷出；

所述移动组件控制部根据主控制器的命令控制所述喷头按照打印路径位移，

所述进料控制部根据主控制器的命令控制所述光敏打印材料的进料；

所述激光振荡器向打印部件发出若干个激光束，所述若干个激光束可以一定的角度射向打印部件；所述主控制器具备存储部和比较部，所述高速摄像机拍摄打印中部件的图像并发送至主控制器，所述主控制器对所述图像进行分析处理，得到打印中部件的面积和容腔的面积，并将所述打印中部件的面积和容腔的面积与预存的打印中部件阈值和容腔阈值进行比较，其中所述容腔指喷头喷出光敏打印材料到凝胶中后凝胶由于排挤而形成的空腔形状，该空腔形状与打印中部件的颜色不一样且泾渭分明，如图5所示，图中A为凝胶环境，B为打印中部件，C为容腔。

所述主控制器根据所述打印中部件的面积与打印中部件阈值的比较结果调整所述喷头控制部和所述进料控制部，直至所述打印中部件的面积小于所述打印中部件阈值，并且，所述主控制器还根据容腔的面积与所述容腔阈值比较结果控制所述移动组件控制部和所述喷头控制部，即当容腔的面积大于或者小于所述容腔阈值时，相应的减小喷头喷出光敏打印材料的量以及回抽部分光敏打印材料与减慢喷头的移动速度或者加大喷头喷出光敏打印材料的量以及加快喷头的移动速度。

在其中一个实施例中，所述容腔阈值包括第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值，所述第三阈值小于所述第四阈值，

所述主控制器将所述容腔的面积与容腔阈值的比较结果发送给所述移动组件控制部和所述喷头控制部，并且，当所述比较结果为所述容腔的面积小于所述第一阈值时，所述喷头控制部控制所述气压为最大档位；

当所述比较结果为所述容腔的面积大于所述第一阈值且小于所述第二阈值时，所述喷头控制部控制所述气压为小于所述最大档位的第三档位；

当所述比较结果为所述容腔的面积大于所述第二阈值且小于所述第三阈值时，所述喷头控制部控制所述气压为小于所述第三档位的第二档位；

当所述比较结果为所述容腔的面积大于所述第三阈值且小于所述第四阈值时，所述喷头控制部控制所述气压为小于所述第二档位的第一档位；

当所述比较结果为所述容腔的面积大于所述第四阈值时，所述喷头控制部控制所述气压为最小档位，并且所述移动组件控制部控制所述喷头移动一个预定的距离。

通过上述控制方法能够精确控制3D打印喷头的喷出量、位移距离，从而有效控制打印精度。

综上所述，由于本发明采用柔性光敏树脂以及刚性光敏树脂，以凝胶态作为3D打印环境，不仅可以克服传统3D打印技术需要支撑的问题，解决软体机器人行业中“刚柔一体化混合躯体、仿生异型软体结构以及多组织复合结构”三大核心零部件的制造生产问题，提高3D打印效率，使得打印速度达到传统3D打印机打印速度的十倍以上，还可以克服鞋底制作过程中无法一体成型、需要胶水粘合以及生产效率低下的问题，以最大程度地实现无人智能生产线。

由于所述X轴移动组件、Y轴移动组件、X轴移动组件、第一打印喷头、第二打印喷头以及箱体等均为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，故而在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

布置液态凝胶打印环境；

对模型形状曝光后获得刚柔耦合部件。

2.如权利要求1所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，所述光敏打印材料包括至少两种光敏树脂。

3.如权利要求2所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，两种所述光敏树脂分别为柔性光敏树脂和刚性光敏树脂。

4.如权利要求2所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，根据预设路径依次注入各种光敏打印材料，待注入的光敏打印材料的起始点位于已注入的光敏材料的结束点处。

5.如权利要求4所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，各所述光敏树脂的层高与预设路径的层高一致。

6.如权利要求2所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，至少两种所述光敏树脂的照射波长均为395nm～410nm。

7.如权利要求2所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，至少两种所述光敏树脂的固化时间均为16s～21s。

8.如权利要求7所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，至少两种所述光敏树脂之间的固化时间误差不超过±0.5s。

9.如权利要求2所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，至少两种所述光敏树脂的密度相差不大于0.1g/㎝³。

10.如权利要求1-5、7-9中任一项所述的一种基于液态凝胶环境的刚柔耦合部件混合增材制造方法，其特征在于，所述曝光使用的是紫外光照射。