CN111941845B - 料槽系统及颗粒复合材料面曝光3d打印系统及方法 - Google Patents

料槽系统及颗粒复合材料面曝光3d打印系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种料槽系统，包括有料槽，料槽四个侧壁上设有电磁铁，料槽底部设有FEP透明薄膜；沿料槽四个侧壁的底端开有凹槽，凹槽内设置有薄膜上压板及薄膜下压板；FEP透明薄膜的下方设有旋转座底板；旋转座底板中心处开有圆形通孔；FEP透明薄膜与旋转座底板之间还设有压电片旋转座，压电片旋转座包括有环形压电片旋转板，环形压电片旋转板上设有环形凸块，环形凸块的外壁设有齿轮齿；旋转座底板的下方设有步进电机，旋转驱动齿轮与环形凸块的齿轮齿啮合；环形压电片旋转板的上表面设有4个超声压电片。该系统能实现超声场与磁场的复合作用，并作用于料槽内的树脂材料。还公开了一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统及方法。

Description

料槽系统及颗粒复合材料面曝光3D打印系统及方法
技术领域
本发明属于光固化增材制造技术领域，具体涉及一种料槽系统，还涉及一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统及一种采用颗粒复合材料面曝光3D打印系统的3D打印方法。
背景技术
3D打印技术是一种采用材料叠加原理进行零件制造的技术，光固化技术是最早发展的3D打印技术之一。其原理为采用紫外光源选择性的固化液态材料，并利用固化反应使得固化的材料逐层粘接，最终形成完整的零件。传统光固化技术只用紫外激光器或紫外LED作为核心成形器件，采用线扫描或面曝光的方式固化单层，其中线扫描的固化速度较慢，而面曝光技术一次可以固化整层，固化速度快，精度较高。传统光固化技术可以固化普通光固化树脂或均匀掺杂的光固化树脂，但难以控制和改变零件内部微观结构。
树脂基颗粒复合材料具有树脂材料的优点，又能够根据颗粒材料的特性增加其他性能，例如导热性、导电性、磁场响应，还可以提高整体的力学性能。然而现有的面曝光3D打印技术不能够较好控制掺杂颗粒树脂材料内颗粒的分布，设备体积较大、原理复杂，不能够采用复合场作用控制颗粒位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种料槽系统，该料槽系统能够实现超声场与磁场的复合作用，同时作用于料槽内的树脂材料，能够对树脂内的颗粒形成局部聚集作用，并在层内形成特定的聚集模式，形成具有特定内部微观结构颗粒复合材料的零件。
本发明的第二个目的是提供一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统。
本发明的第三个目的是提供一种颗粒复合材料面曝光3D打印方法。
本发明所采用的技术方案是，一种料槽系统，包括有结构为矩形框架的料槽，料槽四个侧壁的外表面上均设置有电磁铁，料槽底部设置有FEP透明薄膜；沿料槽四个侧壁的底端开有凹槽，凹槽内设置有用于固定和张紧FEP透明薄膜的薄膜上压板及薄膜下压板，薄膜上压板及薄膜下压板通过螺钉固定到料槽的凹槽内，FEP透明薄膜的边缘位于薄膜上压板及薄膜下压板之间；FEP透明薄膜的下方设置有形状为矩形的旋转座底板，旋转座底板的边缘与凹槽外侧边缘连接，旋转座底板中心处开有圆形通孔；FEP透明薄膜与旋转座底板之间还设置有压电片旋转座，压电片旋转座包括有环形压电片旋转板，环形压电片旋转板内环边缘处设置有与环形压电片旋转板垂直的环形凸块，环形凸块安装在旋转座底板中心处的圆形通孔内，所述环形凸块的外壁设置有齿轮齿；旋转座底板的下方设置有步进电机，旋转座底板上还开有齿轮安装孔，旋转驱动齿轮安装在步进电机的电机轴上并位于齿轮安装孔内，齿轮安装孔与圆形通孔连通，旋转驱动齿轮与环形凸块的齿轮齿啮合，通过步进电机的电机轴的转动带动压电片旋转座转动；环形压电片旋转板的上表面设置有4个均匀分布的超声压电片，超声压电片上表面与FEP透明薄膜相接触；FEP透明薄膜对应压电片旋转座中心孔的位置处为紫外光固化处；FEP透明薄膜和4个超声压电片能够形成耦合振动。
本发明的特征还在于，
电磁铁在压电片旋转座内部的曝光区域形成的磁场强度范围为1mT-20mT。
超声压电片所产生的超声振动频率范围为20KHz-50KHz。
FEP透明薄膜的厚度为0.1mm-0.15mm。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统，包括上述的料槽系统，还包括在料槽系统下方设置的掩模发生装置，及在料槽系统上方设置的通过滚珠丝杠机构可以沿垂直方向上下移动的工作台，掩模发生装置的平面中心与工作台平面中心都与料槽系统中心对齐。
本发明所采用的第三种技术方案是，一种颗粒复合材料面曝光3D打印方法，采用上述的颗粒复合材料面曝光3D打印系统，其步骤如下：
步骤1、对四氧化三铁颗粒进行预处理：向去离子水中加入一定量的四氧化三铁颗粒及分散剂，搅拌分散后对颗粒粉体进行干燥，最后过筛；
步骤2、依次将一定量的经步骤1预处理后的四氧化三铁颗粒及光引发剂加入到光固化树脂中，进行球磨搅拌得到复合树脂；
步骤3、将步骤2制备得到的复合树脂加入到料槽中；
步骤4、根据要打印模型的几何结构，采用切片算法生成逐层打印的面轮廓掩模；根据要打印模型内部微观结构生成料槽系统的超声-磁场工作参数，然后将工作台下降到距离FEP透明薄膜1个FEP透明薄膜层厚的距离，按照超声-磁场工作参数根据生成的整体打印参数开启料槽系统的超声场和磁场，对复合树脂中的颗粒进行空间定位，定位后开启掩模发生装置进行曝光固化，并上升工作台完成本层分离动作；
步骤5、重复步骤4进行颗粒复合材料的逐层打印。
本发明的特征还在于，
步骤1中，四氧化三铁颗粒的质量为去离子水质量的20-30％；分散剂的质量为去离子水质量的1-2％；过筛后得到的四氧化三铁颗粒的直径为20μm-30μm；干燥时间为12h；分散剂为CC-9。
步骤2中，经步骤1与处理后的四氧化三铁颗粒质量为光固化树脂质量的1-3％，光引发剂的质量为光固化树脂质量的1-3％；球磨搅拌搅拌的时间为2-5h；光固化树脂为聚氨酯丙烯酸树脂或环氧树脂，光引发剂为819光引发剂。
步骤2中，光固化树脂的粘度<0.06Pa.s。
步骤4中，料槽系统的超声-磁场工作参数包括超声振动频率20KHz-50KHz、开启时长10s-60s；磁场强度1mT-20mT、开启时长10s-60s；超声压电片振动形成的振动波方向与电磁铁形成的磁场夹角0-90°。
本发明的有益效果是：
本发明料槽系统在工作时，通过超声压电片和电磁铁的共同作用，可以在曝光区域内形成超声场和磁场。其中超声压电片产生高频振动，配合4个超声压电片开启方式的不同，会带动FEP透明薄膜以及料槽内部的树脂振动，导致树脂内部的压强与剪切力场产生变化，最终将颗粒定位到特定位置。电磁铁形成的磁场也具有调节颗粒位置的作用。压电片旋转座可以带动超声压电片旋转，使得超声场和磁场具有可变的夹角，进一步改变和调节颗粒的空间位置。颗粒在超声场-及磁场共同作用下产生空间局部聚集，并在层内形成特定的聚集模式，在紫外光的照射下颗粒被固化在树脂中，最终成形为颗粒复合材料。
附图说明
图1是本发明料槽系统的顶视图；
图2是图1A-A面的剖视图；
图3是本发明料槽系统的分解视图；
图4是本发明一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统的结构示意图。
图中：1.料槽，2.电磁铁，3.薄膜上压板，4.薄膜下压板，5.FEP透明薄膜，6.超声压电片，7.压电片旋转座，8.旋转驱动齿轮，9.步进电机，10.旋转座底板，11.工作台，12.掩模发生装置，13.滚珠丝杠机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种料槽系统，如图1-3所示，包括有结构为矩形框架的料槽1，料槽1四个侧壁的外表面上均设置有电磁铁2，料槽1底部设置有FEP透明薄膜5；沿所述料槽1四个侧壁的底端开有凹槽，凹槽内设置有用于固定和张紧FEP透明薄膜5的薄膜上压板3及薄膜下压板4，薄膜上压板3及薄膜下压板4通过螺钉固定到料槽1的凹槽内，FEP透明薄膜5的边缘位于薄膜上压板3及薄膜下压板4之间；FEP透明薄膜5的下方设置有形状为矩形的旋转座底板10，旋转座底板10的边缘与凹槽外侧边缘连接，旋转座底板10中心处开有圆形通孔；FEP透明薄膜5与旋转座底板10之间还设置有压电片旋转座7，压电片旋转座7包括有环形压电片旋转板，环形压电片旋转板内环边缘处设置有与环形压电片旋转板垂直的环形凸块，所述环形凸块安装在旋转座底板10中心处的圆形通孔内，环形凸块的外壁设置有齿轮齿；旋转座底板10的下方设置有步进电机9，旋转座底板10上还开有齿轮安装孔，旋转驱动齿轮8安装在步进电机9的电机轴上并位于齿轮安装孔内，齿轮安装孔与圆形通孔连通，旋转驱动齿轮8与环形凸块的齿轮齿啮合，通过步进电机9的电机轴的转动带动压电片旋转座7转动；环形压电片旋转板的上表面设置有4个均匀分布的超声压电片6，超声压电片6上表面与FEP透明薄膜5相接触；FEP透明薄膜5对应压电片旋转座7中心孔的位置处为紫外光固化处；FEP透明薄膜5和4个超声压电片6能够形成耦合振动。
电磁铁2在压电片旋转座7内部的曝光区域形成的磁场强度范围为1mT-20mT。
超声压电片6所产生的超声振动频率范围为20KHz-50KHz。
FEP透明薄膜5的厚度为0.1mm-0.15mm。
本发明还提供一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统，如图4所示，包括有上述的料槽系统，还包括在料槽系统下方设置的掩模发生装置11，及在料槽系统上方设置的通过滚珠丝杠机构13可以沿垂直方向上下移动的工作台12，掩模发生装置11的平面中心与工作台12平面中心都与料槽系统中心对齐，工作台12安装在滚珠丝杠机构13上，掩模发生装置11、滚珠丝杠机构13、料槽系统都固定在机架上，工作台12为铝合金平板结构，掩模发生装置为夏普LCD2560×1440。
本发明还提供一种颗粒复合材料面曝光3D打印方法，采用上述颗粒复合材料面曝光3D打印系统，其步骤如下：
步骤1、对四氧化三铁颗粒进行预处理：向去离子水中加入一定量的四氧化三铁颗粒及分散剂，搅拌分散后对颗粒粉体进行干燥，最后过筛；
步骤2、依次将一定量的经步骤1预处理后的四氧化三铁颗粒及光引发剂加入到光固化树脂中，进行球磨搅拌得到复合树脂；
步骤3、将步骤2制备得到的复合树脂加入到料槽1中；
步骤4、根据要打印模型的几何结构，采用切片算法生成逐层打印的面轮廓掩模；根据要打印模型内部微观结构生成料槽系统的超声-磁场工作参数，然后将工作台11下降到距离FEP透明薄膜51个FEP透明薄膜5层厚的距离，按照超声-磁场工作参数根据生成的整体打印参数开启料槽系统的超声场和磁场，对复合树脂中的颗粒进行空间定位，定位后开启掩模发生装置12进行曝光固化，并上升工作台11完成本层分离动作；
步骤5、重复步骤4进行颗粒复合材料的逐层打印。
步骤1中，四氧化三铁颗粒的质量为去离子水质量的20-30％；分散剂的质量为去离子水质量的1-2％；过筛后得到的四氧化三铁颗粒的直径为20μm-30μm；干燥时间为12h；所述分散剂为CC-9。
步骤2中，经步骤1与处理后的四氧化三铁颗粒质量为光固化树脂质量的1-3％，光引发剂的质量为光固化树脂质量的1-3％；球磨搅拌搅拌的时间为2-5h；所述光固化树脂为聚氨酯丙烯酸树脂或环氧树脂，所述光引发剂为819光引发剂。
步骤2中，所述光固化树脂的粘度<0.06Pa.s。
步骤4中，料槽系统的超声-磁场工作参数包括超声振动频率20KHz-50KHz、开启时长10s-60s；磁场强度1mT-20mT、开启时长10s-60s；超声压电片6振动形成的振动波方向与电磁铁形成的磁场夹角0-90°。

Claims (3)

1.一种料槽系统，其特征在于，包括有结构为矩形框架的料槽(1)，料槽(1)四个侧壁的外表面上均设置有电磁铁(2)，料槽(1)底部设置有FEP透明薄膜(5)；沿所述料槽(1)四个侧壁的底端开有凹槽，凹槽内设置有用于固定和张紧FEP透明薄膜(5)的薄膜上压板(3)及薄膜下压板(4)，薄膜上压板(3)及薄膜下压板(4)通过螺钉固定到料槽(1)的凹槽内，FEP透明薄膜(5)的边缘位于薄膜上压板(3)及薄膜下压板(4)之间；FEP透明薄膜(5)的下方设置有形状为矩形的旋转座底板(10)，旋转座底板(10)的边缘与凹槽外侧边缘连接，旋转座底板(10)中心处开有圆形通孔；FEP透明薄膜(5)与旋转座底板(10)之间还设置有压电片旋转座(7)，压电片旋转座(7)包括有环形压电片旋转板，环形压电片旋转板内环边缘处设置有与环形压电片旋转板垂直的环形凸块，所述环形凸块安装在旋转座底板(10)中心处的圆形通孔内，所述环形凸块的外壁设置有齿轮齿；旋转座底板(10)的下方设置有步进电机(9)，所述旋转座底板(10)上还开有齿轮安装孔，旋转驱动齿轮(8)安装在步进电机(9)的电机轴上并位于齿轮安装孔内，齿轮安装孔与圆形通孔连通，旋转驱动齿轮(8)与环形凸块的齿轮齿啮合，通过步进电机(9)的电机轴的转动带动压电片旋转座(7)转动；环形压电片旋转板的上表面设置有4个均匀分布的超声压电片(6)，超声压电片(6)上表面与FEP透明薄膜(5)相接触；FEP透明薄膜(5)对应压电片旋转座(7)中心孔的位置处为紫外光固化处；FEP透明薄膜(5)和4个超声压电片(6)能够形成耦合振动；
电磁铁(2)在压电片旋转座(7)内部的曝光区域形成的磁场强度范围为1mT-20mT；
超声压电片(6)所产生的超声振动频率范围为20KHz-50KHz；
FEP透明薄膜(5)的厚度为0.1mm-0.15mm。
2.一种颗粒复合材料面曝光3D打印系统，其特征在于，包括有如权利要求1所述的料槽系统，还包括在料槽系统下方设置的掩模发生装置(12 )，及在料槽系统上方设置的通过滚珠丝杠机构(13)可以沿垂直方向上下移动的工作台(11 )，掩模发生装置(12 )的平面中心与工作台(11 )平面中心都与料槽系统中心对齐。
3.一种颗粒复合材料面曝光3D打印方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的颗粒复合材料面曝光3D打印系统，其步骤如下：
步骤1、对四氧化三铁颗粒进行预处理：向去离子水中加入一定量的四氧化三铁颗粒及分散剂，搅拌分散后对颗粒粉体进行干燥，最后过筛；
步骤2、依次将一定量的经步骤1预处理后的四氧化三铁颗粒及光引发剂加入到光固化树脂中，进行球磨搅拌得到复合树脂；
步骤3、将步骤2制备得到的复合树脂加入到料槽(1)中；
步骤4、根据要打印模型的几何结构，采用切片算法生成逐层打印的面轮廓掩模；根据要打印模型内部微观结构生成料槽系统的超声-磁场工作参数，然后将工作台(11)下降到距离FEP透明薄膜(5)1个FEP透明薄膜(5)层厚的距离，按照超声-磁场工作参数根据生成的整体打印参数开启料槽系统的超声场和磁场，对复合树脂中的颗粒进行空间定位，定位后开启掩模发生装置(12)进行曝光固化，并上升工作台(11)完成本层分离动作；
步骤5、重复步骤4进行颗粒复合材料的逐层打印；
步骤1中，四氧化三铁颗粒的质量为去离子水质量的20-30％；分散剂的质量为去离子水质量的1-2％；过筛后得到的四氧化三铁颗粒的直径为20μm-30μm；干燥时间为12h；所述分散剂为CC-9；
步骤2中，经步骤1预 处理后的四氧化三铁颗粒质量为光固化树脂质量的1-3％，光引发剂的质量为光固化树脂质量的1-3％；球磨搅拌搅拌的时间为2-5h；所述光固化树脂为聚氨酯丙烯酸树脂或环氧树脂，所述光引发剂为819光引发剂；
步骤2中，所述光固化树脂的粘度<0.06Pa.s；
步骤4中，料槽系统的超声-磁场工作参数包括超声振动频率20KHz-50KHz、开启时长10s-60s；磁场强度1mT-20mT、开启时长10s-60s；超声压电片(6)振动形成的振动波方向与电磁铁形成的磁场夹角0-90°。
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