CN112497735A - 基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机，用于打印物件，三维打印机包括外壳、夹持架、光源、透光板、溶液板，外壳内顶部设置夹头朝下的夹持架，夹持架可沿竖直方向移动，外壳内最底部设置光源，光源朝上发射紫外线，溶液板设置于夹持架与光源之间，溶液板内充有一层光敏溶液，溶液板为透明体，溶液板与光源之间设置透光板，透光板上可通过信号控制形成透明区与遮挡区。夹持架还带有以打印机竖直中轴线为轴线的旋转驱动，夹持架的竖直移动与绕竖直轴线的旋转相互间隔运行。通过逐层成型的形式进行打印，每一层的打印通过透光板形成形状相异的透明区，然后紫外线穿过透明区照射到光敏溶液上固化成型。

Description

基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机

技术领域

本发明涉及三维打印机领域，具体是一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机。

背景技术

三维打印机是一种新兴的物件成型机器，将电脑中画好的三维模型导入机器后，可以直接打印成型，对于一些工艺品设计、小器物的结构性能验证等场合具有大大缩短加工时间，缩短设计周期的效果。

现有技术中，三维打印机绝大多数是通过层叠堆积的方式，热固、粘接成型，对于材料挤出口的移动运行精度要求很高，即，模型的成型精度与喷射口的移动精度直接相关，喷射口通过机械驱动，其精度基本只到0.1mm级别，很难在上升。超精细的三维打印机可以提升至0.03mm精度级别，但打印机的售价很高，不利于常规使用，而且，高精度的打印机，维护也较为频繁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机，用于打印物件，三维打印机包括外壳、夹持架、光源、透光板、溶液板，外壳内顶部设置夹头朝下的夹持架，夹持架可沿竖直方向移动，外壳内最底部设置光源，光源朝上发射紫外线，溶液板设置于夹持架与光源之间，溶液板内充有一层光敏溶液，溶液板为透明体，溶液板与光源之间设置透光板，透光板上可通过信号控制形成透明区与遮挡区。

物件是一个连续的整体，所以，每一层是都是上下连续的，每一层轮廓与上下侧轮廓是交叉重叠的，轮廓线的略微差异构成外表面的形状变化，选取物件一个长度方向上的轴线，然后垂直于这一轴线使用若干平面截取物件，一个平面截取了物件的一个层级形状，本发明通过连续的层级形状成型最终打印出物件整体。

层级形状的成型通过光固化原理成型，溶液板内盛装一层光敏树脂溶液，光源向上发射的紫外线需要穿过透光板才能到达溶液板处，溶液板是一个透明体，所示，只要紫外线能够穿过透光板，就能使溶液板内盛装的光敏溶液固化，从而与上一层的物件层级形状相连接，完成这一层级的打印。透光板是一个区域选择性透光部件，可以通过信号控制完成不同区域与形状的实现，而成型时，透光板中央处的透明区域即是待成型层的形状，遮挡区挡掉紫外线，从而使得背后的溶液板内的光敏溶液不固化，保持液体流动态，固化的树脂与上一层粘连在一起，然后，夹持架夹持着物件半成品上移一个层级高度，进行下一层的轮廓成型，只有固化的树脂才被一并提拉上移，而溶液状的树脂依旧沉躺在溶液板内，在下一层轮廓成型时，往溶液板内补充光敏溶液，然后改变透光板的透明区形状，从而构造下一层的轮廓。如此，直至物件的最后一层轮廓被打印出来，完成打印操作。

由于夹持架需要预先夹持住物件的一部分，而初始时，第一层轮廓尚未被打印，所以，需要有一个工艺凸台以便夹持架的夹持，工艺凸台是一个预先制备的树脂体，将其夹持并浸润在光敏溶液内，从而让原模型的第一层具有一个依附处，然后不断上升打印下层的新层，打印完毕后，使用割刀割除掉工艺凸台即可获得原模型。工艺凸台最好是设置在原模型的平面上，否则设置于曲面上时，不方便割除。

根据打印需要的精细程度，选择合适的单层厚度。

进一步的，三维打印机还包括若干喷头，喷头的喷射口位于溶液板上方且倾斜向下朝向打印机的中轴线，喷头带有水平面上的移动驱动。

喷头斜向下朝向每层打印时的轮廓边缘处，每次层级打印完毕后，喷头喷射出相同成分的溶液将粘连在轮廓边缘上的未固化溶液清洗掉，更主要的是，在每层轮廓成型时，轮廓分界线上，可能存在固化与非固化的中间区域，一些部分固化的树脂是成软化状态存在在边线上的，不同于溶液可以从固化体上分离，软化状态的溶液可能是丝絮状粘连在轮廓上的，所以，更需要将这些丝絮状的未固化体冲洗掉。

进一步的，夹持架还带有以打印机竖直中轴线为轴线的旋转驱动，夹持架的竖直移动与绕竖直轴线的旋转相互间隔运行。夹持架在单层形状成型过程的末尾阶段，进行旋转运动，透光板上的图案也进行相同速度的旋转，从而使得轮廓线附近的丝絮状半固化丝线旋转缠绕在轮廓线上，这样成型的轮廓会圆润光滑，不需要再后期轻微打磨。而且，夹持架带上旋转驱动后，在其单层轮廓成型并提升一层后，可以旋转起来，让喷头充分冲刷下圆周轮廓，消除掉未缠绕并完全固化起来的软态树脂。

溶液板包括槽板，槽板为一圆形器皿，槽板开口朝上，槽板的上部圆形槽内设有环形堰堤，堰堤将槽板的圆形槽分隔为内槽和泄放槽，堰堤的高度低于槽板的外沿，泄放槽朝外设置泄放口；喷头也喷射光敏溶液，喷头的头部在槽板平面上的投影位于内槽内。溶液板是存放待成型溶液的板体，需要严格控制单层厚度，但是又需要充分填充每一层，所以，本发明通过过量添加并溢流的方式，喷头是树脂溶液添加口，其冲洗已成型轮廓时的溶液落入内槽中，过量的溶液越过堰堤进行泄放槽并从泄放口排出，泄放口排出的溶液被收集起来，过滤掉杂物然后再次循环补充到喷头的溶液来源处。为了消除溶液的表面张力造成的内槽液面上凸，可以在溶液板侧面设置一个超声波微震器，充分平整内槽内的液面。

进一步的，槽板内外表面涂覆有透明疏水层。由于单层成型时溶液是薄薄一层，所以，为了光敏溶液在槽板内流动顺畅，在槽板表面上涂覆疏水层，防止溶液与槽板的粘连力造成流动受阻，而溶液板需要完全的透明性，所以，疏水层自然也需要是透明的。

作为优化，透光板上表面涂覆有透明疏水层。从溶液板上可能溅落一些光敏溶液到透光板上表面，如果该滴光敏溶液存留在透光板上表面，当其照射到紫外线时，在透光板上表面固化成型，影响透光板透光性能。

进一步的，光源包括板面和激光器，板面安装于外壳内的底部，板面的上表面上设有若干均布的激光器，激光器的背面设有万向旋转驱动，激光器的出光方向范围为一个锥形空间。

竖直向上发射的紫外线，不方便在单层轮廓的边线上构造倾斜的厚度侧面，只能通过减小每一层的厚度来实现精细打印，但是，受到溶液的流动性影响，单层厚度不能无限减小，所以，为了在轮廓上进行倾斜构造，将光源设计为方向可调的射线点源，激光器背后的万向旋转使其可以往一个锥形空间内发射紫外线，若干激光器构成点阵，激光器发射的光线在特定边线处成一角度射入光敏溶液中，从而固化区的边缘上具有一个角度，该角度与原模型在该层、该处的角度相匹配，从而在单层上构造倾斜侧面。轮廓边线的不同位置具有不同的斜度，从而该动作是通过多个激光器并进行多角度发射而营造的。

光源为面平行光源。点光源对于层级的成型具有不同的光照强度，可能影响成型速度，进行导致材料不均匀，对于轮廓上曲面不多，都是规整形状的物件，可以采用面平行光源进行照射，从而在光敏溶液的成型区能够匀速固化。

进一步的，外壳内壁面上涂覆吸光层。外壳内是一个黑箱，最好只存在光源-透光板-溶液板-光敏溶液这一条光路，但是，光源发射的紫外线难免会有一些漫反射使得紫外线到达一些非预期位置，所以，外壳内壁面上涂覆吸光层吸收掉相应的反射紫外线，防止反射紫外线经历多次反射后照射到光敏溶液引起固化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过逐层成型的形式进行打印，每一层的打印通过透光板形成形状相异的透明区，然后紫外线穿过透明区照射到光敏溶液上固化成型，遮挡区的背后的溶液仍然是溶液态保留在溶液板内，被照射的光敏溶液固化并粘连上工艺凸台作为原模型的首层打印层，单层固化完毕后，夹持架上移，进行下一层的轮廓成型，如此周期进行，直至全部层级的轮廓打印完毕，之后从夹持架上取下物件，割除工艺凸台，得到原模型；原材料成本低廉，装置无需复杂的机械手驱动机构，形状的获得全部依靠电信号图案成型，不仅轮廓形状更能获得保证，而且操控的可靠性也大大提高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为一个待打印的模型物件立体示意图；

图2为待打印模型物件的层级轮廓示意图；

图3为本发明的整体结构示意图；

图4为图3中的视图A；

图5为本发明溶液板的结构示意图；

图6为本发明光源为点阵射线光源时的运行示意图。

图中：1-外壳、2-夹持架、3-光源、31-板面、32-激光器、4-透光板、5-溶液板、51-槽板、52-内槽、53-堰堤、54-泄放槽、55-泄放口、6-光敏溶液、7-喷头、9-物件、91-原模型、92-工艺凸台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~3所示，一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机，用于打印物件9，三维打印机包括外壳1、夹持架2、光源3、透光板4、溶液板5，外壳1内顶部设置夹头朝下的夹持架2，夹持架2可沿竖直方向移动，外壳1内最底部设置光源3，光源3朝上发射紫外线，溶液板5设置于夹持架2与光源3之间，溶液板5内充有一层光敏溶液6，溶液板5为透明体，溶液板5与光源3之间设置透光板4，透光板4上可通过信号控制形成透明区与遮挡区。

物件9是一个连续的整体，所以，每一层是都是上下连续的，每一层轮廓与上下侧轮廓是交叉重叠的，轮廓线的略微差异构成外表面的形状变化，如图1所示，选取物件9一个长度方向上的轴线，然后垂直于这一轴线使用若干平面截取物件9，如图2所示，一个平面截取了物件9的一个层级形状，本发明通过连续的层级形状成型最终打印出物件9整体。

层级形状的成型通过光固化原理成型，如图3、4所示，溶液板5内盛装一层光敏树脂溶液，光源3向上发射的紫外线需要穿过透光板4才能到达溶液板5处，溶液板5是一个透明体，所示，只要紫外线能够穿过透光板4，就能使溶液板5内盛装的光敏溶液固化，从而与上一层的物件9层级形状相连接，完成这一层级的打印。透光板4是一个区域选择性透光部件，可以通过信号控制完成不同区域与形状的实现，而成型时，透光板4中央处的透明区域即是待成型层的形状，遮挡区挡掉紫外线，从而使得背后的溶液板5内的光敏溶液不固化，保持液体流动态，固化的树脂与上一层粘连在一起，然后，夹持架2夹持着物件9半成品上移一个层级高度，进行下一层的轮廓成型，只有固化的树脂才被一并提拉上移，而溶液状的树脂依旧沉躺在溶液板5内，在下一层轮廓成型时，往溶液板5内补充光敏溶液，然后改变透光板4的透明区形状，从而构造下一层的轮廓。如此，直至物件9的最后一层轮廓被打印出来，完成打印操作。

透光板4透明区形状的信号来源于电脑，电脑在三维软件内将原模型91分层处理，获得每层的坐标量信号，然后导入透光板4的信号区，类似于液晶面板的图案成型。

如图3所示，由于夹持架2需要预先夹持住物件9的一部分，而初始时，第一层轮廓尚未被打印，所以，需要有一个工艺凸台92以便夹持架2的夹持，工艺凸台92是一个预先制备的树脂体，将其夹持并浸润在光敏溶液内，从而让原模型91的第一层具有一个依附处，然后不断上升打印下层的新层，打印完毕后，使用割刀割除掉工艺凸台92即可获得原模型。工艺凸台92最好是设置在原模型91的平面上，否则设置于曲面上时，不方便割除。

根据打印需要的精细程度，选择合适的单层厚度。

如图3、4所示，三维打印机还包括若干喷头7，喷头7的喷射口位于溶液板5上方且倾斜向下朝向打印机的中轴线，喷头7带有水平面上的移动驱动。

喷头7斜向下朝向每层打印时的轮廓边缘处，每次层级打印完毕后，喷头7喷射出相同成分的溶液将粘连在轮廓边缘上的未固化溶液清洗掉，更主要的是，在每层轮廓成型时，轮廓分界线上，可能存在固化与非固化的中间区域，一些部分固化的树脂是成软化状态存在在边线上的，不同于溶液可以从固化体上分离，软化状态的溶液可能是丝絮状粘连在轮廓上的，所以，更需要将这些丝絮状的未固化体冲洗掉。

如图3所示，夹持架2还带有以打印机竖直中轴线为轴线的旋转驱动，夹持架2的竖直移动与绕竖直轴线的旋转相互间隔运行。夹持架2在单层形状成型过程的末尾阶段，进行旋转运动，透光板4上的图案也进行相同速度的旋转，从而使得轮廓线附近的丝絮状半固化丝线旋转缠绕在轮廓线上，这样成型的轮廓会圆润光滑，不需要再后期轻微打磨。而且，夹持架2带上旋转驱动后，在其单层轮廓成型并提升一层后，可以旋转起来，让喷头7充分冲刷下圆周轮廓，消除掉未缠绕并完全固化起来的软态树脂。

如图5所示，溶液板5包括槽板51，槽板51为一圆形器皿，槽板51开口朝上，槽板51的上部圆形槽内设有环形堰堤53，堰堤53将槽板51的圆形槽分隔为内槽52和泄放槽54，堰堤53的高度低于槽板51的外沿，泄放槽54朝外设置泄放口55；喷头7也喷射光敏溶液6，喷头7的头部在槽板51平面上的投影位于内槽52内。溶液板5是存放待成型溶液的板体，需要严格控制单层厚度，但是又需要充分填充每一层，所以，本发明通过过量添加并溢流的方式，喷头7是树脂溶液添加口，其冲洗已成型轮廓时的溶液落入内槽52中，过量的溶液越过堰堤53进行泄放槽54并从泄放口55排出，泄放口55排出的溶液被收集起来，过滤掉杂物然后再次循环补充到喷头7的溶液来源处。为了消除溶液的表面张力造成的内槽52液面上凸，可以在溶液板5侧面设置一个超声波微震器，充分平整内槽52内的液面。

槽板51内外表面涂覆有透明疏水层。由于单层成型时溶液是薄薄一层，所以，为了光敏溶液在槽板51内流动顺畅，在槽板51表面上涂覆疏水层，防止溶液与槽板51的粘连力造成流动受阻，而溶液板5需要完全的透明性，所以，疏水层自然也需要是透明的。

透光板4上表面涂覆有透明疏水层。从溶液板5上可能溅落一些光敏溶液到透光板4上表面，如果该滴光敏溶液存留在透光板4上表面，当其照射到紫外线时，在透光板4上表面固化成型，影响透光板4透光性能。

如图6所示，光源3包括板面31和激光器32，板面31安装于外壳1内的底部，板面31的上表面上设有若干均布的激光器32，激光器32的背面设有万向旋转驱动，激光器32的出光方向范围为一个锥形空间。

竖直向上发射的紫外线，不方便在单层轮廓的边线上构造倾斜的厚度侧面，只能通过减小每一层的厚度来实现精细打印，但是，受到溶液的流动性影响，单层厚度不能无限减小，所以，为了在轮廓上进行倾斜构造，将光源3设计为方向可调的射线点源，激光器32背后的万向旋转使其可以往一个锥形空间内发射紫外线，若干激光器构成点阵，激光器发射的光线在特定边线处成一角度射入光敏溶液6中，如图6所示，从而固化区的边缘上具有一个角度，该角度与原模型在该层、该处的角度相匹配，从而在单层上构造倾斜侧面。轮廓边线的不同位置具有不同的斜度，从而该动作是通过多个激光器32并进行多角度发射而营造的。

除去点阵射线可调方向的发光体外，还可以将光源3设置为面平行光源。点光源对于层级的成型具有不同的光照强度，可能影响成型速度，进行导致材料不均匀，对于轮廓上曲面不多，都是规整形状的物件9，可以采用面平行光源进行照射，从而在光敏溶液6的成型区能够匀速固化。

外壳1内壁面上涂覆吸光层。外壳1内是一个黑箱，最好只存在光源3-透光板4-溶液板5-光敏溶液6这一条光路，但是，光源3发射的紫外线难免会有一些漫反射使得紫外线到达一些非预期位置，所以，外壳1内壁面上涂覆吸光层吸收掉相应的反射紫外线，防止反射紫外线经历多次反射后照射到光敏溶液引起固化。

本装置的主要运行过程是：将一预先成型的规则的工艺凸台92装夹在夹持架92上，夹持架92下移，工艺凸台92的下表浸入溶液板5内的光敏溶液6中，然后，透光板4通过信号控制，形成具有一定形状的透明区与遮挡区，透光板4下方的光源3发射的紫外线穿过透明区后照射到光敏溶液6，被照射的光敏溶液6固化并粘连上工艺凸台92作为原模型91的首层打印层，单层固化完毕后，关闭光源3，夹持架92上移，溶液板5内重新充满适量溶液，然后，透光板4形成下一层形状的透明区，然后光源3发射紫外线，进行下一层的轮廓成型，如此周期进行，直至全部层级的轮廓打印完毕，之后从夹持架2上取下物件9，割除工艺凸台92，得到原模型91。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种基于层级轮廓耦合的多喷头联动式机械三维打印机，用于打印物件（9），其特征在于：所述三维打印机包括外壳（1）、夹持架（2）、光源（3）、透光板（4）、溶液板（5），所述外壳（1）内顶部设置夹头朝下的夹持架（2），夹持架（2）可沿竖直方向移动，所述外壳（1）内最底部设置光源（3），光源（3）朝上发射紫外线，所述溶液板（5）设置于夹持架（2）与光源（3）之间，溶液板（5）内充有一层光敏溶液（6），溶液板（5）为透明体，所述溶液板（5）与光源（3）之间设置透光板（4），所述透光板（4）上可通过信号控制形成透明区与遮挡区；

所述三维打印机还包括若干喷头（7），所述喷头（7）的喷射口位于溶液板（5）上方且倾斜向下朝向打印机的中轴线，所述喷头（7）带有水平面上的移动驱动；

所述夹持架（2）还带有以打印机竖直中轴线为轴线的旋转驱动，当夹持架（2）旋转时，所述透光板（4）上的图案也进行相同速度的旋转；

所述光源（3）包括板面（31）和激光器（32），所述板面（31）安装于外壳（1）内的底部，板面（31）的上表面上设有若干均布的激光器（32），所述激光器（32）的背面设有万向旋转驱动，激光器（32）的出光方向范围为一个锥形空间；

所述外壳（1）内壁面上涂覆吸光层；

所述溶液板（5）包括槽板（51），所述槽板（51）为一圆形器皿，槽板（51）开口朝上，槽板（51）的上部圆形槽内设有环形堰堤（53），所述堰堤（53）将槽板（51）的圆形槽分隔为内槽（52）和泄放槽（54），所述堰堤（53）的高度低于槽板（51）的外沿，所述泄放槽（54）朝外设置泄放口（55）；所述喷头（7）也喷射光敏溶液（6），喷头（7）的头部在槽板（51）平面上的投影位于内槽（52）内；

溶液板（5）侧面设置有一个超声波微震器。

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