CN111941830A - 一种浸液式3d打印装置及3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浸液式3D打印装置，包括打印主体、液体控制装置，其中：所述打印主体，用于实施3D打印；所述液体控制装置，用于向打印主体中注入液体，使打印物件置于液体中，并控制液体温度。同时本发明还涉及一种液体3D打印方法，包括以下步骤：S200：液体控制装置向箱体中输入液体；S300：打印组件在箱体中实施3D打印，且使挤出的材料置于液体中。与现有技术相比，本发明中的3D打印装置及3D打印方法，提供液体的打印物件成型环境，温度可控，使可供选择的打印材料更多，拓宽了3D打印的应用范围。

Description

一种浸液式3D打印装置及3D打印方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种浸液式3D打印装置，同时本发明还涉及一种液体3D打印方法。
背景技术
随着国家战略智能制造工程、工业4.0等概念的普及，3D打印技术正在变得越来越普及。3D打印技术最早出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，这打印技术称为3D立体打印技术。
具体来看，3D打印(英语：3D Printing)，属于快速成形技术的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“积层造形法”)。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术的普及。
2010年3月，一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计出了一种神奇的3D打印机，这种打印机比常规方法要快四倍，而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一，更重要的是几乎不会产生任何废弃物。这也是3D打印技术的优势之一，能够做到几乎将原料全部利用，不产生废料。但与此同时，我们也看到目前的3D打印设备基本都在空气中直接打印，打印材料从打印头中挤出后，在空气中冷却成型，这使得材料挤出后的冷却环境难以控制，不能很好的适应一些特殊的材料，如：需要在高于室温的环境下成型的材料、需要在低温下成型的材料、需要隔绝空气成型的材料等。
基于以上存在的问题，本申请对现有技术中的3D打印装备进行了设计和研究。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种液体3D打印装置，能够实现材料的定型；本发明的目的之二是提供液体3D打印装置的打印方法，拓展了目前3D打印技术的应用领域；本发明的目的之三是提供液体3D打印特别适合沉浸式的金属3D打印的场景。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。
本发明的目的之一：一种浸液式3D打印装置，包括打印主体、液体控制装置，其中：所述打印主体，用于实施3D打印；所述液体控制装置，用于配合所述打印主体的工作，控制被打印对象在沉浸液中的相对高度。
一种优选的实施方式中，所述液体控制装置，包括容器、泵体、控制器、输液装置；所述泵体用于将容器中的液体输入到实施3D打印的箱体中，和/或将箱体中的液体输入到容器中；所述控制器用于控制泵体进行液体输送，控制器还用于控制温控模块进行液体温度调节；所述输液装置用于输送液体。
本申请中的3D打印装置，改变了目前打印材料在空气中冷却的情况，在打印过程中，打印物件置于液体中，能够提供液体的3D打印环境，如，可以选择高温液体或低温液体或低比热容液体等，能够提供不同的成型环境，大大拓宽了3D打印的应用范围，尤其适用于一些需要在高温或低温环境中成型的3D打印材料。
一种优选的实施方式中，所述容器中设有保温结构，用于保持其中液体的。
一种优选的实施方式中，所述容器中设有温控模块，该温控模块包括加热模块和/或制冷模块；所述容器中还设有温度传感器，该温度传感器与控制器信号连接。加热模块、制冷模块为常规的现有技术中的结构，可以将其中的液体加热或降温到需要的温度；温度传感器，用于感知温度，并反馈给控制器，进行加热、制冷、保温等操作。
一种优选的实施方式中，所述输液装置包括伸入到箱体中的输液管，所述输液管在箱体中的开口位于箱体的底部，使加液体、抽液体时箱体中的液体稳定性高，不会对打印物件造成影响。
一种优选的实施方式中，所述打印主体包括可开启的箱体，所述箱体中设有打印组件和打印平台，所述打印组件和打印平台之间的距离可变。该结构中，箱体用于形成至少周边和底部密封的腔体，用于容纳液体。同时在打印过程中，能够根据打印物件的高度调整打印组件和打印平台之间的距离，使打印物件始终置于液体中。
一种优选的实施方式中，所述打印组件可在水平方向上移动，能够适应3D打印时的路径。
一种优选的实施方式中，所述打印平台可在水平方向上移动，能够适应3D打印时的路径。
一种优选的实施方式中，所述打印组件和打印平台通过横向设置的导杆、可在该导杆上水平移动的驱动体实现水平移动，驱动体可以为丝杠结构、电机、马达、气/液压推杆等。
一种优选的实施方式中，所述打印组件可在竖直方向上移动，用于配合打印物件的高度和/或液面高度调整竖直方向上的位置。
一种优选的实施方式中，所述打印平台可在竖直方向上移动，用于配合打印物件的高度和/或液面高度调整竖直方向上的位置。
一种优选的实施方式中，所述打印组件和打印平台通过竖向设置的导杆、可在该导杆上竖向移动的驱动体实现竖向移动，驱动体可以为丝杠结构、电机、马达、气/液压推杆等。
一种优选的实施方式中，所述打印组件上设有打印喷头，所述打印喷头中内置有打印材料并实施3D打印。
一种优选的实施方式中，所述打印喷头上设有用于放置打印材料的材料仓，其中的打印材料可更换、补充。
一种优选的实施方式中，所述打印组件上设有打印喷头，所述打印喷头中接受条状的打印材料并实施3D打印，该结构与目前大多数的3D打印供料结构相同。
一种优选的实施方式中，所述打印主体的外部设有材料卷，用于提供条状的打印材料。
一种优选的实施方式中，所述箱体中设有温度传感器和/或液位传感器，用于检测箱体中液体的温度、液位高度，必要时可以进行加热、降温、补液体、抽液体等操作。
以上为本申请中的一种液体3D打印装置，提供液体的打印物件成型环境，温度可控，拓宽了3D打印的应用范围。
本发明的目的之二：一种液体3D打印方法，包括以下步骤：S200：液体控制装置向箱体中输入液体；S300：打印组件在箱体中实施3D打印，且使挤出的材料置于液体中。
作为优选，还包括以下步骤：S100：打印装置获得打印材料需要的液体温度t；S110：液体控制装置获得温度为t的液体。该步骤可以根据需要设定相应液体的温度，能够很好的适应不同的打印材料。
作为优选，还包括以下步骤中的一项或多项：S111：液体控制装置通过加热或制冷的方式获得温度为t的液体；S112：液体控制装置从外部获得温度为t的液体；S113：液体控制装置从箱体中抽取液体并将该液体与容器中的液体混合后获得温度为t的液体。用于获得相应温度的液体。
作为优选，还包括以下步骤中的一项或多项：S310：3D打印时，打印平台高度不变，液面随着打印物件的增高而上升，使挤出的材料置于液体中；S320：3D打印时，液面高度不变，打印平台随着打印物件的增高而下降，使挤出的材料置于液体中；S330：3D打印时，液面上升、打印平台下降，使挤出的材料置于液体中。该过程中，用于配合打印物件的高度和/或液面高度调整竖直方向上的位置，使打印物件置于液体中。
作为优选，还包括以下步骤中的一项或多项：S410：打印装置中的液位传感器获得液面高度信息，并反馈给控制器，控制液体的输入；S420：打印装置中的温度传感器获得液体的温度信息，并反馈给控制器，控制液体的温度；S420：打印装置中的液位传感器获得液面高度信息，并反馈给控制器，控制打印平台的升降。
作为优选，还包括以下步骤：S500：打印结束后，将箱体中的液体排出。
作为优选，还包括以下步骤：S510：打印结束后，泵体将箱体中的液体抽至容器中。
以上为本申请中的3D打印方法，该打印方法中通过将打印物件在液体中成型的技术，能够提供特定温度的材料成型环境，拓宽了3D打印范围，使可供选择的打印材料更多。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种浸液式3D打印装置及液体3D打印方法，提供液体的打印物件成型环境，温度可控，使可供选择的打印材料更多，拓宽了3D打印的应用范围，尤其适用金属3D打印后所需立即降温的场景。
附图说明
图1为本发明中实施例一中的3D打印装备的立体图一。
图2为本发明中实施例一中的3D打印装备的立体图二。
图3为本发明中实施例一中的3D打印装备的俯视图。
图4为本发明中实施例一中的3D打印装备的侧视图。
图5为本发明中实施例一中的3D打印装备的打印状态的示意图。
图6为本发明中实施例二中的3D打印装备的立体图一。
图7为本发明中实施例二中的3D打印装备的立体图二。
图8为本发明中实施例二中的3D打印装备的侧视图。
图9为本发明中实施例二中的3D打印装备的打印状态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明中涉及的一种浸液式3D打印装置，包括打印主体、液体控制装置，其中：所述打印主体，用于实施3D打印；所述液体控制装置，用于向打印主体中注入液体，使打印物件置于液体中。
本申请中，所述液体控制装置包括输液装置、伸入到箱体中的输液管，所述输液管在箱体中的开口位于箱体的底部。所述输液装置包括容器、泵体、控制器；所述泵体用于将容器中的液体输入到箱体中，和/或将箱体中的液体输入到容器中。在一些具体的实施方式中，所述容器中设有保温结构，所述容器中设有加热模块和/或制冷模块，所述容器中设有温度传感器；所述箱体中设有温度传感器和/或液位传感器。
具体的，所述打印主体包括可开启的箱体，所述箱体中设有打印组件和打印平台，所述打印组件和打印平台之间的距离可变。所述打印组件和/或所述打印平台可在水平方向上移动，例如，所述打印组件和打印平台通过横向设置的导杆、可在该导杆上水平移动的驱动体实现水平移动。所述打印组件和/或所述打印平台可在竖直方向上移动，例如，所述打印组件和打印平台通过竖向设置的导杆、可在该导杆上竖向移动的驱动体实现竖向移动。
本申请中，所述打印组件上设有打印喷头，可以为现有技术中的常规的打印喷头，所述打印喷头中内置有打印材料并实施3D打印；相应的，所述打印喷头上设有用于放置打印材料的材料仓。或者，所述打印喷头中接受条状的打印材料并实施3D打印，所述打印主体的外部设有材料卷，用于提供条状的打印材料。
以下为具体实施例，对本申请中的3D打印装置做进一步说明。
实施例一
一种浸液式3D打印装置，包括打印主体、液体控制装置，其中：所述打印主体，用于实施3D打印；所述液体控制装置，用于向打印主体中注入液体，使打印物件置于液体中。
本实施例中，如图1～5所示，所述打印主体包括箱体1，该箱体1上设有可开启的门板11，所述门板11关闭后可以保持箱体1侧部和底部的密封性；门板11与箱体1之间的转动连接结构及密封架构为常规技术，如合页、铰接件、密封圈等。优选的，在箱体1或门板11上可以设置透明区域，如玻璃或有机玻璃，便于观察其中打印操作进行的情况。
所述箱体中设有打印组件和打印平台4，打印组件上设有打印喷头53，可以为现有技术中的常规的打印喷头，所述打印喷头53接受条状的打印材料21并实施3D打印，所述打印主体的外部设有材料卷2，用于提供条状的打印材料21。
本实施例中，所述打印平台4可在水平方向上移动：所述箱体1的底部设有若干支撑脚43，相对的支撑架43之间设有下导杆41，所述打印平台4的下部通过下马达机构42装配在下导杆41上，所述下马达机构42可带动打印平台4在下导杆41上水平移动。所述打印组件可在水平方向上移动：所述打印喷头53安装在上马达机构54上，所述上马达机构54可在上导杆52上水平移动，所述上导杆52的两端连接在竖向马达机构51上。该结构中，打印平台4的水平移动方向与打印喷头53的水平移动方向相互垂直，使打印平台4与打印喷头53在相对移动过程中能够实现水平面上的全位置打印。
本实施例中，所述箱体1中设有竖向设置的竖向导杆5，所述竖向马达机构51装配在竖向导杆5上，该竖向马达机构51带动打印组件上下移动，实施3D打印。该结构使打印组件和打印平台4之间的距离可变，能够实施3D打印。
本实施方式中，以上的马达机构为常规的驱动结构，其电连接及开关控制方式为常规技术。除了马达机构外，也可以采用气缸、液压杆、丝杠装置等驱动技术。
本实施例中，所述液体控制装置设于箱体1侧部的平台3上，液体控制装置包括输液装置、伸入到箱体中的输液管34，所述输液管35在箱体1中的开口位于箱体1的底部。所述输液装置包括容器31、泵体33、控制器32；所述泵体33用于将容器31中的液体输入到箱体1中，也可以根据需要将箱体1中的液体输入到容器31中。此外，所述容器31中设有保温结构，为常规技术中的保温层结构，所述容器31中设有加热模块与制冷模块，所述容器中还设有温度传感器；所述箱体中设有温度传感器和/或液位传感器13。
实施例二
一种浸液式3D打印装置，包括打印主体、液体控制装置，其中：所述打印主体，用于实施3D打印；所述液体控制装置，用于向打印主体中注入液体，使打印物件置于液体中。
本实施例中，如图6～9所示，所述打印主体包括箱体1，该箱体1上设有可开启的门板11，所述门板11关闭后可以保持箱体1侧部和底部的密封性；门板11与箱体1之间的转动连接结构及密封架构为常规技术，如合页、铰接件、密封圈等。优选的，在箱体1或门板11上可以设置透明区域，如玻璃或有机玻璃，便于观察其中打印操作进行的情况。
所述箱体中设有打印组件和打印平台4，打印组件上设有打印喷头53，可以为现有技术中的常规的打印喷头，所述打印喷头53接受条状的打印材料21并实施3D打印，所述打印主体的外部设有材料卷2，用于提供条状的打印材料21。
本实施方式中，所述打印组件可在水平方向上移动：所述打印喷头53安装在上马达机构54上，所述上马达机构54可在上导杆52上水平移动，所述上导杆52的两端连接在上挂杆56上，所述上挂杆56的上端连接有挂杆马达机构57，该挂杆马达机构57可在上横杆55上水平移动，所述上横杆55为对称平行设置的两条，上横杆55通过上连接件固定在箱体1的上板上。该结构中，打印喷头53的水平移动方向与上挂杆56的水平移动方向相互垂直，使打印喷头53在移动过程中能够实现水平面上的全位置打印。
本实施例中，所述打印平台4可在竖直方向上移动：所述箱体1的底部设有若干竖直设置的支撑杆7，所述打印平台4通过支撑杆马达机构71装配在支撑杆7上，所述支撑杆马达机构71可带动打印平台4在支撑杆7上上下移动，可以根据打印物件的高度变化进行调整，实施3D打印。
本实施方式中，以上的马达机构为常规的驱动结构，其电连接及开关控制方式为常规技术。除了马达机构外，也可以采用气缸、液压杆、丝杠装置等驱动技术。
本实施例中，所述液体控制装置设于箱体1侧部的平台3上，液体控制装置包括输液装置、伸入到箱体中的输液管34，所述输液管35在箱体1中的开口位于箱体1的底部。所述输液装置包括容器31、泵体33、控制器32；所述泵体33用于将容器31中的液体输入到箱体1中，也可以根据需要将箱体1中的液体输入到容器31中。此外，所述容器31中设有保温结构，为常规技术中的保温层结构，所述容器31中设有加热模块与制冷模块，所述容器中还设有温度传感器；所述箱体中设有温度传感器和/或液位传感器13。
在本申请的另一种实施方式中，打印喷头上设有用于放置打印材料的材料仓，可以补充打印材料或者进行更换。
以上实施例中的3D打印装置，提供液体的打印物件成型环境，温度可控，拓宽了3D打印的应用范围。具体的3D打印方法可以按照以下步骤进行。
一种浸液式3D打印方法，包括以下步骤：S100：打印装置获得打印材料需要的液体温度t；S110：液体控制装置获得温度为t的液体；S200：液体控制装置向箱体中输入液体；S300：打印组件在箱体中实施3D打印，且使挤出的材料置于液体中；S400：箱体中液体状态控制；S500：打印结束后，将箱体中的液体排出。
以上步骤S110中，包括以下可选步骤：S111：液体控制装置通过加热或制冷的方式获得温度为t的液体；S112：液体控制装置从外部获得温度为t的液体；S113：液体控制装置从箱体中抽取液体并将该液体与容器中的液体混合后获得温度为t的液体。以上步骤中，可以依靠温度传感器获得液体的实时温度，并进行调整，保证最合适的温度范围。
以上步骤S300中，包括以下可选步骤：S310：3D打印时，打印平台高度不变，液面随着打印物件的增高而上升，使挤出的材料置于液体中；S320：3D打印时，液面高度不变，打印平台随着打印物件的增高而下降，使挤出的材料置于液体中；S330：3D打印时，液面上升、打印平台下降，使挤出的材料置于液体中。以上步骤可以通过实施方式中的具体水平移动结构、竖直移动结构来实现，可以很好的进行3D物体的打印。
以上步骤S400中，包括以下可选步骤：S410：打印装置中的液位传感器获得液面高度信息，并反馈给控制器，控制液体的输入；S420：打印装置中的温度传感器获得液体的温度信息，并反馈给控制器，控制液体的温度；S420：打印装置中的液位传感器获得液面高度信息，并反馈给控制器，控制打印平台的升降。以上步骤中，可以根据打印物体的实时变化的高度来进行液体温度、液面高度的控制，使被打印物体都在液体中成型。
以上步骤S500中，包括以下可选步骤：S510：打印结束后，泵体将箱体中的液体抽至容器中，可以循环使用。
本申请中涉及到的传感器，如温度传感器、液位传感器等为现有技术中的常规产品，其安装方式、开关控制方式为常规技术。本申请中的马达、泵体、气缸等驱动装置为常规结构，其安装方式、开关控制方式为常规技术，本申请中的控制器为常规的用于控制单元，用于控制驱动装置工作，该控制器可以独立输入指令进行3D打印，也可以连接电脑，由程序自动控制3D打印。本申请中的液体可以为水、油等流体。
以上所述，本发明提供了一种液体3D打印装置及液体3D打印方法，提供液体的打印物件成型环境，温度可控，使可供选择的打印材料更多，拓宽了3D打印的应用范围。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种浸液式3D打印装置，其特征在于，至少包括打印主体和液体控制装置，其中：
所述打印主体，用于实施3D打印；
所述液体控制装置，用于配合所述打印主体的工作，控制被打印对象在沉浸液中的相对高度。
2.根据权利要求1所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述液体控制装置包括容器、泵体、控制器、输液装置和液位传感器；所述泵体用于将容器中的液体输入到实施3D打印的箱体中，和/或将箱体中的液体输入到容器中；所述控制器用于控制泵体进行液体输送；所述输液装置用于输送液体。
3.根据权利要求2所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述容器中还设有保温结构。
4.根据权利要求2所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述容器和/或箱体中设有温度传感器和温控模块，该温控模块包括加热模块和/或制冷模块；所述温度传感器，用于与控制器信号连接，所述控制器用于控制温控模块进行液体温度调节。
5.根据权利要求1所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述打印主体包括可开启的箱体，所述箱体中设有打印组件和打印平台，所述打印组件和打印平台之间的距离可变。
6.根据权利要求5所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述输液装置包括供给到箱体中的输液管，所述输液管在箱体中的开口位于所述箱体的底部。
7.根据权利要求5所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述打印组件可在水平和/或垂直方向上移动；所述打印平台可在水平和/或垂直方向上移动。
8.根据权利要求5或7所述的一种浸液式3D打印装置，其特征在于，所述打印组件和打印平台通过横向设置的导杆、可在该导杆上水平移动的驱动体实现水平移动；所述打印组件和打印平台通过竖向设置的导杆、可在该导杆上竖向移动的驱动体实现竖向移动。
9.一种浸液式3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S200：液体控制装置向箱体中输入一定高度的液体；
S300：打印组件在箱体中实施3D打印，且使挤出的材料置于液面之上或者之下，或者，半沉浸。
10.根据权利要求9所述的一种浸液式3D打印方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S100：打印装置获得打印材料需要的液体温度信息t；
S110：液体控制装置获得温度为t的液体。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113370532A (zh) * 2021-06-04 2021-09-10 天津大学 一种熔融层积成型3d打印的温度控制系统及方法

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