CN111923408A - 一种基于凝胶环境的无支撑3d打印系统及方法 - Google Patents

一种基于凝胶环境的无支撑3d打印系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，包括箱体、Z轴移动组件、X轴移动组件、Y轴移动组件、第一针筒以及第一打印喷头，Z轴移动组件固定安装在X轴移动组件上，X轴移动组件固定安装在Y轴移动组件上，Y轴移动组件固定安装在箱体上，第一打印喷头固定安装在第一针筒上并与第一针筒连通，箱体的容腔中存储有凝胶，第一针筒存储有光敏树脂，第一针筒固定安装在Z轴移动组件上，Z轴移动组件用于驱动第一针筒以及第一打印喷头沿Z轴方向移动。本发明可实现无支撑3D打印，其打印效率高。相应地，本发明还提供一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法。

Description

一种基于凝胶环境的无支撑3D打印系统及方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体而言，涉及一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统及方法。
背景技术
目前市面上的针对于塑料的主流3D打印技术主要有FDM(Fused DepositionModeling，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)。
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。
发明内容
基于此，为了解决现有3D打印机技术需要添加支撑，效率低下的问题，本发明提供了一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统及方法，其具体技术方案如下：
一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，包括箱体、Z轴移动组件、X轴移动组件以及Y轴移动组件，所述Z轴移动组件固定安装在所述X轴移动组件上，所述X轴移动组件固定安装在所述Y轴移动组件上，所述Y轴移动组件固定安装在所述箱体上，所述X轴移动组件用于驱动所述Z轴移动组件沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件用于驱动所述X轴移动组件沿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以及第一打印喷头，所述第一打印喷头固定安装在所述第一针筒上并与所述第一针筒连通，所述箱体的容腔中存储有凝胶，所述第一针筒存储有光敏树脂，所述第一针筒固定安装在所述Z轴移动组件上，所述Z轴移动组件用于驱动所述第一针筒以及所述第一打印喷头沿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。通过第一针筒以及第一打印喷头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。
进一步地，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以及第二打印喷头，所述第二打印喷头固定安装在所述第二针筒上并与所述第二针筒连通，所述第二针筒存储有光敏树脂，所述第二针筒固定安装在所述Z轴移动组件上。
进一步地，所述第一针筒存储的光敏树脂为柔性光敏树脂，所述第二针筒存储的光敏树脂为刚性光敏树脂。
进一步地，所述第一打印喷头以及第二打印喷头均为微型打印喷头。
进一步地，所述X轴移动组件包括X轴滑轨，所述Y轴移动组件包括Y轴滑轨，所述X轴滑轨以及所述Y轴滑轨均为上银滑轨。
相应地，本发明还提供一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其包括如下步骤：
根据预设移动路径控制第一打印喷头以及第二打印喷头移动并通过第一打印喷头以及第二打印喷头将光敏树脂注入到凝胶中，以勾勒模型形状；
利用紫外光照射模型形状，直至光敏树脂凝固。
进一步地，所述打印喷头的移动通过Z轴移动组件、X轴移动组件以及Y轴移动组件实现，所述X轴移动组件用于驱动所述Z轴移动组件沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件用于驱动所述X轴移动组件沿Y轴方向移动，所述Z轴移动组件用于驱动所述第一打印喷头以及所述第二打印喷头沿Z轴方向移动。
进一步地，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中，所述刚性光敏树脂存储在第二针筒中，所述第一打印喷头固定安装在所述第一针筒上并与所述第一针筒连通，所述第二打印喷头固定安装在所述第二针筒上并与所述第二针筒连通。
进一步地，所述紫外光的波长范围在395nm-405nm之间。
相应地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法。
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是本发明一实施例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2是本发明一实施例中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统的部分结构关系示意图；
图3是本发明一实施例中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统的整体结构立体示意图；
图4是本发明一实施例中一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法的整体流程示意图。
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、图2以及图3所示，本发明一实施例中的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，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2以及图3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。
相应地，如图4所示，本发明还提供一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其包括如下步骤：
根据预设移动路径控制第一打印喷头5以及第二打印喷头7移动并通过第一打印喷头5以及第二打印喷头7将光敏树脂注入到凝胶中，以勾勒模型形状；
利用紫外光照射模型形状，直至光敏树脂凝固。
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。
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20μm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。
本发明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20μm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。
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。
在其中一个实施例中，所述紫外光的波长范围在395nm-405nm之间。
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。
相应地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法。
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 (10)

1.一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，包括箱体、Z轴移动组件、X轴移动组件以及Y轴移动组件，所述Z轴移动组件固定安装在所述X轴移动组件上，所述X轴移动组件固定安装在所述Y轴移动组件上，所述Y轴移动组件固定安装在所述箱体上，所述X轴移动组件用于驱动所述Z轴移动组件沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件用于驱动所述X轴移动组件沿Y轴方向移动，其特征在于，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以及第一打印喷头，所述第一打印喷头固定安装在所述第一针筒上并与所述第一针筒连通，所述箱体的容腔中存储有凝胶，所述第一针筒存储有光敏树脂，所述第一针筒固定安装在所述Z轴移动组件上，所述Z轴移动组件用于驱动所述第一针筒以及所述第一打印喷头沿Z轴方向移动。
2.如权利要求1所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，其特征在于，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以及第二打印喷头，所述第二打印喷头固定安装在所述第二针筒上并与所述第二针筒连通，所述第二针筒存储有光敏树脂，所述第二针筒固定安装在所述Z轴移动组件上。
3.如权利要求2所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，其特征在于，所述第一针筒存储的光敏树脂为柔性光敏树脂，所述第二针筒存储的光敏树脂为刚性光敏树脂。
4.如权利要求3所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，其特征在于，所述第一打印喷头以及第二打印喷头均为微型打印喷头。
5.如权利要求4所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印系统，其特征在于，所述X轴移动组件包括X轴滑轨，所述Y轴移动组件包括Y轴滑轨，所述X轴滑轨以及所述Y轴滑轨均为上银滑轨。
6.一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据预设移动路径控制第一打印喷头以及第二打印喷头移动并通过第一打印喷头以及第二打印喷头将光敏树脂注入到凝胶中，以勾勒模型形状；
利用紫外光照射模型形状，直至光敏树脂凝固。
7.如权利要求6所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述打印喷头的移动通过Z轴移动组件、X轴移动组件以及Y轴移动组件实现，所述X轴移动组件用于驱动所述Z轴移动组件沿X轴方向移动，所述Y轴移动组件用于驱动所述X轴移动组件沿Y轴方向移动，所述Z轴移动组件用于驱动所述第一打印喷头以及所述第二打印喷头沿Z轴方向移动。
8.如权利要求7所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其特征在于，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中，所述刚性光敏树脂存储在第二针筒中，所述第一打印喷头固定安装在所述第一针筒上并与所述第一针筒连通，所述第二打印喷头固定安装在所述第二针筒上并与所述第二针筒连通。
9.如权利要求8所述的一种基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法，其特征在于，所述紫外光的波长范围在395nm-405nm之间。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6至9中任意一项所述的基于凝胶态环境的无支撑3D打印方法。
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CN112976572A (zh) * 2021-02-05 2021-06-18 华南理工大学 一种基于支撑浴的硅胶3d打印装置及其方法

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