CN111976133B - 一种磁场阵列工作台系统及面曝光3d打印设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种磁场阵列工作台系统，包括有工作台上安装板，工作台上安装板的上表面设置有工作台转接头，工作台上安装板下方设置有工作台下安装板，工作台下安装板的下表面设置有工作台底部板；工作台下安装板的上表面设置有安装孔单元，安装孔单元内安装有磁场阵列单元；连接后的工作台上安装板与工作台下安装板之间形成空腔，空腔容纳有磁场阵列单元，空腔内还设置有磁场阵列驱动电路，磁场阵列驱动电路位于磁场阵列单元上方并与磁场阵列单元通过导线连接。该工作台系统解决了现有技术中存在的只有统一磁场，不能改变曝光面内的磁场局部分布的问题。还提供了一种面曝光3D打印设备及一种3D打印数字材料方法。

Description

一种磁场阵列工作台系统及面曝光3D打印设备及方法
技术领域
本发明属于光固化增材制造技术领域，具体涉及一种磁场阵列工作台系统，还涉及一种面曝光3D打印设备及一种采用该面曝光3D打印设备的面曝光3D打印数字材料方法。
背景技术
增材制造技术与传统减材或等材制造原理不同，这种技术(又称为3D打印)采用材料逐点、逐层增加的方法制造零件，可以制造传统方法难以加工的结构复杂、力学性能各向异性、材料组分按设计分布的新型零件。这种力学性能、材料组分按设计分布的材料可以称为数字材料，数字材料能够实现性能的各向异性。
面曝光3D打印属于光固化增材制造技术的一种，该技术使用面光源，通过生成的具有不同形状的掩模曝光实现固化整个层面，具有效率高、精度高、成本低的优点。然而目前面曝光3D打印技术所能应用的材料多为单一成分的树脂材料或可光固化的液体材料，所打印的零件内部材料的性能缺乏可控性。非常缺乏能够进行数字材料打印的面曝光系统和方法。已有的采用外部磁场进行光固化打印的方法多采用整体式的统一磁场，这种方法对整个液体槽内的液体进行磁场控制，不能进行局部控制，且需要较高功率来实现。公开的发明专利申请《一种具有磁场发生器的3D光固化打印系统》(申请号CN201910216512.4，公开号CN 110328846 A，公开日20191015)，公开了一种装置，它的特征是料槽两边布置位置相对的一对磁发生装置，这种特征使得该装置的缺点是在一个打印层内只能实现磁性颗粒的单向排列，不能在层内部实现磁性颗粒分布不同的数字材料设计，而且在不能改变曝光面内的磁场局部分布。
发明专利《一种可编程定向短纤维增强复合材料3D打印装置》(申请号CN201720241120.X，授权公告号CN 206536844 U，授权公告日20171003)公开了一种激光点扫描光固化装置，该装置特征为使用稀土磁铁在液面上方移动，这种特征使得该装置可以实现的磁化纤维的排列方向单一，稀土磁铁磁场不可调，设备结构复杂，成本高昂。
公开的发明专利申请《使用磁场的不连续纤维复合材料的增材制造》(申请号CN201580030302.6，公开号CN 106716574 A，公开日20170524)公开了一种特征为在设备外侧有整体磁场装置的打印方法，这种特征使得该装置具有于磁场距离液体材料远，磁场调控能力弱，且必须配合单层液面的多次打印才能改变单层内的不连续纤维方向的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁场阵列工作台系统，解决了现有技术中存在的只有统一磁场，不能改变曝光面内的磁场局部分布，局部磁场不可调，设备结构复杂，成本高昂，必须配合单层液面的多次打印才能改变单层内磁性颗粒分布的问题。
本发明的第二个目的是提供一种面曝光3D打印设备。
本发明的第三个目的是提供一种面曝光3D打印数字材料方法。
本发明所采用第一种的技术方案是，一种磁场阵列工作台系统，包括有下表面带有凹槽的工作台上安装板，工作台上安装板的上表面设置有工作台转接头，工作台上安装板下方设置有工作台下安装板，工作台下安装板的下表面设置有工作台底部板；工作台下安装板的上表面设置有安装孔单元，安装孔单元内安装有磁场阵列单元；工作台上安装板与工作台下安装板通过卡扣连接，连接后的工作台上安装板与工作台下安装板之间形成空腔，空腔容纳有磁场阵列单元，空腔内还设置有磁场阵列驱动电路，磁场阵列驱动电路位于磁场阵列单元上方并与磁场阵列单元通过导线连接。
本发明的特征还在于，
安装孔单元包括有若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔、若干个与成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔，且若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔与若干个成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔成行交插排布；安装孔单元还包括有若干个成阵列排布的垂直磁场阵列安装孔，每个纵向磁场阵列安装孔的左右两侧均设置一个垂直磁场阵列安装孔；
磁场阵列单元为构成磁铁阵列的若干个电磁铁，若干个所述电磁铁包括有安装在横向磁场阵列安装孔内的电磁铁、安装在纵向磁场阵列安装孔内的电磁铁及安装在垂直磁场阵列安装孔内的电磁铁，磁场阵列驱动电路通过导线与每一个电磁铁均连接。
构成磁铁阵列的所有电磁铁产生的磁场强度范围为1mT-20mT。
工作台底部板为光滑平板，其材质为透明玻璃，其厚度为3mm-5mm。
工作台上安装板的上表面还设置有磁场阵列工作指示LED灯，磁场阵列工作指示LED灯与磁场阵列驱动电路连接。
本发明所采用第二种的技术方案是，一种面曝光3D打印设备，包括有上述的磁场阵列工作台系统及升降单元，磁场阵列工作台系统中的工作台转接头与升降单元连接，升降单元能够使磁场阵列工作台系统在竖直方向上下滑动；磁场阵列工作台系统的下方设置有料槽，料槽下方设置有LCD屏幕，LCD屏幕下方设置有紫外光源，还包括有位于紫外光源一侧且料槽下方的设备整体控制电路，LCD屏幕、升降单元及磁场阵列驱动电路均与设备整体控制电路连接，设备整体控制电路控制LCD屏幕、升降单元及磁场阵列驱动电路。
本发明的特征还在于，
升降单元包括有工作台支架及滑轨，工作台支架的一端与工作台转接头连接，工作台支架的另一端连接有工作台滑台，工作台滑台安装在滑轨的轨道内，滑轨的轨道内还设置有丝杠，丝杠的一端端部穿过滑轨轨道内的工作台滑台，丝杠的另一端连接有设置在滑轨底部的伺服电机；滑轨(20)竖直设置在料槽的一侧。
本发明所采用第三种的技术方案是，一种面曝光3D打印数字材料方法，采用上述的一种面曝光3D打印设备，包括如下步骤：
步骤1、制备磁化颗粒：将微米级片状氧化铝颗粒加入到去离子水中，再加入纳米级磁性颗粒，并持续搅拌，直到纳米级颗粒被吸附到片状氧化铝颗粒表面，最后对磁化颗粒进行清洗干燥，即得到磁化颗粒；
步骤2、将步骤1得到的磁化颗粒及分散剂依次加入到光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂中，搅拌分散；
步骤3、将步骤2中制得的带有磁化颗粒光固化树脂倒入面曝光3D打印设备的料槽(15)中，磁场阵列工作台系统首先下降到第一层位置，根据所涉及的零件外形和逐层的数字材料微观结构进行3D打印。
本发明的特征还在于，
步骤1中，所述磁化颗粒为外层包裹有纳米磁性颗粒的微米级二维片状氧化铝颗粒或短纤维，所述纳米磁性颗粒为纳米四氧化三铁；
微米级二维片状氧化铝颗粒的直径为5μm-10μm，厚度为0.1μm-0.4μm；所述微米级二维片状氧化铝短纤维的长度为5μm-10μm；纳米磁性颗粒的粒径为10nm-15nm。
步骤2中，磁化颗粒的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的5％-15％，分散剂的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的1％-2％；
分散剂为CC-9；
所采用的光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂的粘度为1000mPa.s-2000mPa.s；
步骤3中的3D打印的具体过程为：磁场阵列工作台系统、工作台支架及工作台滑台由丝杠带动，沿滑轨下降到第一层位置，根据数字材料结构由磁场阵列驱动电路控制开启相应的磁场阵列，待磁化颗粒排布完成后，开启料槽底部的LCD屏幕及紫外光源进行改层的外形固化，完成该层打印过程，以此方式打印下一层及整个零件；
骤3中所述零件为厚度小于15mm的薄层零件。
本发明的有益效果是：
本发明工作台系统通过在工作台内部的磁场阵列改变曝光面内的磁场局部分布，解决了局部磁场不可调问题，设备结构简单，成本低，单层液面的一次打印即改变单层内磁性颗粒分布的问题。
本发明方法所述的数字材料微观结构由树脂基体及磁场阵列驱动排布的磁性颗粒组成。在磁场阵列驱动下，零件的每一层都可以由不同的微观结构阵列组成。且横向磁场阵与垂直磁场阵列所形成的微观结构不同。
附图说明
图1是本发明一种磁场阵列工作台系统的分解视图；
图2是本发明一种磁场阵列工作台系统中作台下安装板的视图；
图3是本发明一种面曝光3D打印设备的正视图；
图4是本发明一种面曝光3D打印设备的轴测图；
图5是采用磁场阵列工作台系统横向阵列打印出的复合材料微观结构图；
图6是采用磁场阵列工作台系统垂直阵列打印出的复合材料微观结构图。
图中，1.工作台上安装板，2.磁场阵列驱动电路，3.纵向磁场阵列，4.工作台下安装板，5.工作台转接头，6.驱动电线接口，7.磁场阵列工作指示LED灯，8.工作台支架，9.垂直磁场阵列，10.横向磁场阵列安装孔，11.横向磁场阵列安装孔，12.纵向磁场阵列安装孔，13.垂直磁场阵列安装孔，14.工作台滑台，15.料槽，16.紫外光源，17.丝杠，18.工作台支架，19.料槽惰性膜，20.滑轨，21.LCD屏幕，22.设备整体控制电路。
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。
本发明一种磁场阵列工作台系统，如图1-2所示，包括有下表面带有凹槽的工作台上安装板1，工作台上安装板1的上表面设置有工作台转接头5，工作台上安装板1下方设置有工作台下安装板4，工作台下安装板4的下表面设置有工作台底部板10，工作台底部板10通过粘接方式固定在工作台下安装板4的下表面；工作台下安装板4的上表面设置有安装孔单元，安装孔单元内安装有磁场阵列单元；工作台上安装板1与工作台下安装板4通过卡扣连接，连接后的工作台上安装板1与工作台下安装板4之间形成空腔，空腔容纳有磁场阵列单元，所述空腔内还设置有磁场阵列驱动电路2，磁场阵列驱动电路2位于磁场阵列单元上方并与磁场阵列单元通过导线连接。导线由工作台上安装板1的驱动电线接口6引出并连接到设备整体控制电路中。
安装孔单元包括有若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔11、若干个与成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔12，横向磁场阵列安装孔11与纵向磁场阵列安装孔12在同一个水平面上相互垂直，且若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔11与若干个成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔12成行交插排布(即每两行的纵向磁场阵列安装孔12之间穿插一行横向磁场阵列安装孔11)；所述安装孔单元还包括有若干个成阵列排布的垂直磁场阵列安装孔13，每个纵向磁场阵列安装孔12的左右两侧均设置一个垂直磁场阵列安装孔13；
磁场阵列单元为构成磁铁阵列的若干个电磁铁，若干个所述电磁铁包括有安装在横向磁场阵列安装孔11内的电磁铁、安装在纵向磁场阵列安装孔12内的电磁铁及安装在垂直磁场阵列安装孔13内的电磁铁，磁场阵列驱动电路2通过导线与每一个电磁铁均连接(根据电磁铁的布置位置分为横向磁场阵列8、纵向磁场阵列3、垂直磁场阵列9，对应的安装孔分别为横向磁场阵列安装孔11、纵向磁场阵列安装孔12及垂直磁场阵列安装孔13。)。
构成磁铁阵列的所有电磁铁产生的磁场强度范围为1mT-20mT，并且可以通过磁场阵列驱动电路2调节。
工作台底部板10为光滑平板，其材质为透明玻璃，其厚度为3mm-5mm。
工作台上安装板1的上表面还设置有磁场阵列工作指示LED灯7，磁场阵列工作指示LED灯7与磁场阵列驱动电路2连接，磁场阵列工作指示LED灯7能够指示电磁铁的工作状态。
本发明还提供一种面曝光3D打印设备，如图3-4所示，包括有上述的磁场阵列工作台系统及升降单元，磁场阵列工作台系统中的工作台转接头5与升降单元连接，升降单元能够使磁场阵列工作台系统在竖直方向上下滑动；磁场阵列工作台系统的下方设置有料槽15，料槽15下方设置有LCD屏幕21(LCD屏幕21位于料槽惰性膜19的下方)，LCD屏幕21下方设置有紫外光源16，还包括有位于紫外光源一侧16且料槽15下方的设备整体控制电路22，LCD屏幕21、升降单元及磁场阵列驱动电路2均与设备整体控制电路22连接，设备整体控制电路22控制LCD屏幕21、升降单元及磁场阵列驱动电路2。
升降单元包括有工作台支架18及滑轨20，工作台支架18的一端与工作台转接头5连接，工作台支架18的另一端连接有工作台滑台14，工作台滑台14安装在滑轨20的轨道内，滑轨20的轨道内还设置有丝杠17，丝杠17的一端端部穿过滑轨20轨道内的工作台滑台14，丝杠17的另一端连接有设置在滑轨20底部的伺服电机；滑轨20竖直设置在料槽15的一侧。
本发明还提供一种面曝光3D打印数字材料方法，采用上述的一种面曝光3D打印设备，包括如下步骤：
步骤1、制备磁化颗粒：将微米级片状氧化铝颗粒加入到去离子水中，再加入纳米级磁性颗粒，并持续搅拌，直到纳米级颗粒被吸附到片状氧化铝颗粒表面，最后对磁化颗粒进行清洗干燥，即得到磁化颗粒；
步骤1中，磁化颗粒为外层包裹有纳米磁性颗粒的微米级二维片状氧化铝颗粒或短纤维，所述纳米磁性颗粒为纳米四氧化三铁；
微米级二维片状氧化铝颗粒的直径为5μm-10μm，厚度为0.1μm-0.4μm；所述微米级二维片状氧化铝短纤维的长度为5μm-10μm；所述纳米磁性颗粒的粒径为10nm-15nm。
步骤2、将步骤1得到的磁化颗粒及分散剂依次加入到光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂中，搅拌分散；
步骤2中，磁化颗粒的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的5％-15％，分散剂的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的1％-2％；
分散剂为CC-9；
所采用的光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂的粘度为1000mPa.s-2000mPa.s；
步骤3、将步骤2中制得的带有磁化颗粒光固化树脂倒入面曝光3D打印设备的料槽15中，磁场阵列工作台系统首先下降到第一层位置，根据所涉及的零件外形和逐层的数字材料微观结构进行3D打印。
步骤3中的3D打印的具体过程为：磁场阵列工作台系统、工作台支架18及工作台滑台14由丝杠17带动，沿滑轨20下降到第一层位置，根据数字材料结构由磁场阵列驱动电路2控制开启相应的磁场阵列，待磁化颗粒排布完成后，开启料槽15底部的LCD屏幕21及紫外光源16进行改层的外形固化，完成该层打印过程，以此方式打印下一层及整个零件；
步骤3中所述零件为厚度小于15mm的薄层零件。
如图5及图6所示，本发明所述的数字材料微观结构由树脂基体及磁场阵列驱动排布的磁性颗粒组成。在磁场阵列驱动下，零件的每一层都可以由不同的微观结构阵列组成。且横向磁场阵与垂直磁场阵列所形成的微观结构不同，图5为横向或纵向磁场阵列形成的微观结构，图6为垂直磁场阵列形成的微观结构。

Claims (6)

1.一种磁场阵列工作台系统，其特征在于，包括有下表面带有凹槽的工作台上安装板(1)，工作台上安装板(1)的上表面设置有工作台转接头(5)，工作台上安装板(1)下方设置有工作台下安装板(4)，工作台下安装板(4)的下表面设置有工作台底部板(10)；工作台下安装板(4)的上表面设置有安装孔单元，安装孔单元内安装有磁场阵列单元；工作台上安装板(1)与工作台下安装板(4)通过卡扣连接，连接后的工作台上安装板(1)与工作台下安装板(4)之间形成空腔，所述空腔容纳有磁场阵列单元，所述空腔内还设置有磁场阵列驱动电路(2)，磁场阵列驱动电路(2)位于磁场阵列单元上方并与磁场阵列单元通过导线连接；
所述安装孔单元包括有若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔(11)、若干个与成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔(12)，且若干个成阵列排布的横向磁场阵列安装孔(11)与若干个成阵列排布的纵向磁场阵列安装孔(12)成行交插排布；所述安装孔单元还包括有若干个成阵列排布的垂直磁场阵列安装孔(13)，每个纵向磁场阵列安装孔(12)的左右两侧均设置一个垂直磁场阵列安装孔(13)；
磁场阵列单元为构成磁铁阵列的若干个电磁铁，若干个所述电磁铁包括有安装在横向磁场阵列安装孔(11)内的电磁铁、安装在纵向磁场阵列安装孔(12)内的电磁铁及安装在垂直磁场阵列安装孔(13)内的电磁铁，磁场阵列驱动电路(2)通过导线与每一个电磁铁均连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁场阵列工作台系统，其特征在于，构成磁铁阵列的所有电磁铁产生的磁场强度范围为1mT-20mT。
3.根据权利要求1所述的一种磁场阵列工作台系统，其特征在于，工作台底部板(10)为光滑平板，其材质为透明玻璃，其厚度为3mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的一种磁场阵列工作台系统，其特征在于，工作台上安装板(1)的上表面还设置有磁场阵列工作指示LED灯(7)，磁场阵列工作指示LED灯(7)与磁场阵列驱动电路(2)连接。
5.一种面曝光3D打印设备，其特征在于，包括有上述权利要求1-4任意一项所述的磁场阵列工作台系统及升降单元，所述磁场阵列工作台系统中的工作台转接头(5)与升降单元连接，升降单元能够使磁场阵列工作台系统在竖直方向上下滑动；磁场阵列工作台系统的下方设置有料槽(15)，料槽(15)下方设置有LCD屏幕(21)，LCD屏幕(21)下方设置有紫外光源(16)，还包括有位于紫外光源一侧(16)且料槽(15)下方的设备整体控制电路(22)，LCD屏幕(21)、升降单元及磁场阵列驱动电路(2)均与设备整体控制电路(22)连接，设备整体控制电路(22)控制LCD屏幕(21)、升降单元及磁场阵列驱动电路(2)；
所述升降单元包括有工作台支架(18)及滑轨(20)，所述工作台支架(18)的一端与工作台转接头(5)连接，工作台支架(18)的另一端连接有工作台滑台(14)，工作台滑台(14)安装在滑轨(20)的轨道内，滑轨(20)的轨道内还设置有丝杠(17)，丝杠(17)的一端端部穿过滑轨(20)轨道内的工作台滑台(14)，丝杠(17)的另一端连接有设置在滑轨(20)底部的伺服电机；滑轨(20)竖直设置在料槽(15)的一侧。
6.一种面曝光3D打印数字材料方法，采用如权利要求5所述的一种面曝光3D打印设备，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、制备磁化颗粒：将微米级片状氧化铝颗粒加入到去离子水中，再加入纳米级磁性颗粒，并持续搅拌，直到纳米级颗粒被吸附到片状氧化铝颗粒表面，最后对磁化颗粒进行清洗干燥，即得到磁化颗粒；
步骤2、将步骤1得到的磁化颗粒及分散剂依次加入到光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂中，搅拌分散；
步骤3、将步骤2中制得的带有磁化颗粒光固化树脂倒入面曝光3D打印设备的料槽(15)中，磁场阵列工作台系统首先下降到第一层位置，根据所涉及的零件外形和逐层的数字材料微观结构进行3D打印；
步骤1中，所述磁化颗粒为外层包裹有纳米磁性颗粒的微米级二维片状氧化铝颗粒或短纤维，所述纳米磁性颗粒为纳米四氧化三铁；
所述微米级二维片状氧化铝颗粒的直径为5μm-10μm，厚度为0.1μm-0.4μm；所述微米级二维片状氧化铝短纤维的长度为5μm-10μm；所述纳米磁性颗粒的粒径为10nm-15nm；
步骤2中，磁化颗粒的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的5％-15％，分散剂的质量为光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂质量的1％-2％；
所述分散剂为CC-9；
所采用的光固化环氧树脂或光固化丙烯酸树脂的粘度为1000mPa.s-2000mPa.s；
步骤3中的3D打印的具体过程为：磁场阵列工作台系统、工作台支架(18)及工作台滑台(14)由丝杠(17)带动，沿滑轨(20)下降到第一层位置，根据数字材料结构由磁场阵列驱动电路(2)控制开启相应的磁场阵列，待磁化颗粒排布完成后，开启料槽(15)底部的LCD屏幕(21)及紫外光源(16)进行改层的外形固化，完成该层打印过程，以此方式打印下一层及整个零件；
步 骤3中所述零件为厚度小于15mm的薄层零件。
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