CN112537024A - 用于面投光式光固化3d打印机的电磁控制装置及其应用方法 - Google Patents

用于面投光式光固化3d打印机的电磁控制装置及其应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置及其应用方法，所述3D打印机包括：送料系统和打印系统；其中，所述送料系统将混合有光敏树脂和磁化短切纤维的树脂材料输送至所述打印系统，所述打印系统形成打印层；根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置确定其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；所述打印系统产生光源并对所述打印层的树脂材料进行固化处理。本申请能够增强面投光式3D增材制造成品的层间及层内结构的可设计性。

Description

用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置及其应用方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置及其应用方法。
背景技术
增材制造技术(3D打印)自发展以来便备受关注，它具有成型自由度高、精度高、可设计性强等诸多优点。但与此同时增材制造技术也具有原材料限制大，制造成本高，难于大批量制造等缺点。增材制造技术主要可分为熔融沉积、粉末烧结、光固化等类型。其中光固化是使用光源去照射经过特殊处理的光敏树脂，树脂经过光照之后发生交联反应进而成型。光固化技术进一步又可分为喷墨直写、面投光式光固化、点扫式光固化等类型。
其中，面投光式(或称为面投影式)3D增材制造工艺指的是每次直接成型一个面，并通过面的累积成型的一种光固化打印技术。目前主要的面投光式光固化3D打印技术由于其精度高，成型效率高等优点，在电子器件，生物医学器具，模型模具等方面得到了广泛的应用。但是由于光固化的原材料是液态树脂，故光固化打印依旧存在着诸多局限性，例如结构的可设计性较低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置及其应用方法，以解决现有技术存在的功能梯度材料的结构可设计性低的问题。
根据本发明的一个方面提出一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置，所述3D打印机包括：送料系统和打印系统；其中，所述送料系统将混合有光敏树脂和磁化短切纤维的树脂材料输送至所述打印系统，所述打印系统形成打印层；根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置确定其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；所述打印系统产生光源并对所述打印层的树脂材料进行固化处理。
其中，所述排列角度信息包括一个打印层中的多个打印区域、或不同打印层的材料排列角度信息，所述电磁控制装置根据多个打印区域的打印先后顺序调整其磁场方向，所述数显投光机分别对所述多个打印区域的树脂材料进行固化。
其中，所述3D打印机还包括：可旋转的托架，所述电磁控制固定设置于所述托架上，通过旋转所述托架从而调整所述电磁控制装置的磁场方向。
其中，所述打印系统还包括：树脂液槽，所述托架固定在所述树脂液槽的顶部。
根据本发明的另一方面还提出一种面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置的应用方法，其包括：设置可旋转的电磁控制装置；将光敏树脂和磁化短切纤维混合作为打印原材料；根据所述原材料形成打印层；根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置旋转调整其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；对所述打印层的树脂材料进行照射固化处理。
其中，所述方法还包括：接收打印模型的分层切片图像数据，其中所述分层切片图像数据中包括所述排列角度信息。
其中，所述排列角度信息包括同一打印层中的多个打印区域和不同打印层的材料排列角度信息，所述方法还包括：所述电磁控制装置根据当前打印区域确定其磁场方向，待当前打印区域的树脂材料固化后，所述电磁控制装置根据其他未打印区域所述材料排列角度信息调整其磁场方向。
其中，所述设置电磁控制装置包括：设置可旋转的托架；将所述电磁控制装置固定设置于所述托架上，通过旋转所述托架从而调整所述电磁控制装置的磁场方向。
根据本发明的技术方案，通过在打印机设置可旋转的电磁控制装置，并通过电磁控制装置产生磁场控制树脂材料内添加的增强相排列方向，能够实现特定层和特定固化形状中成品的力学性能各向异性，进而极大的增强面投光式3D增材制造成品的层间及层内结构的可设计性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明另一实施例的面投光式光固化3D打印机及电磁控制装置的局部示意图；
图2A至图2D是根据本发明实施例的单层的打印材料排列的示意图；
图3是根据本发明实施例的多层的打印材料排列的示意图；
图4是根据本申请实施例的面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置的应用方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
根据本申请实施例提供一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置，该3D打印机可包括：送料系统、打印系统以及其他的控制系统。其中，送料系统将混合有光敏树脂和磁化短切纤维的打印原材料输送至打印系统，所述打印系统形成打印层。根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置确定其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；所述打印系统产生光源并对所述打印层的树脂材料进行固化处理。需要说明，本申请所使用的打印原材料是一种复合材料，即混合有磁化短纤维，并将其作为增强相的液态树脂材料，其中的磁化短切纤维可以使用磁化过的镀镍碳、玻璃等短切纤维。制备打印材料时，将光敏树脂和磁化短切纤维按照一定的比例进行混和，可使用超声搅拌机搅拌均匀，再置入真空箱抽真空消除气泡，确保磁化短切纤维和光敏树脂完全混合。其中打印成品是一种具有功能梯度、短纤维作为增强相的复合材料，该复合材料在层间能够体现出不同的物理/化学性能。
图1是根据本发明一个实施例的电磁控制装置的示意图，该面投光式光固化3D打印机至少包括有：送料系统和打印系统，电磁控制装置可设置在打印系统之中或其附近，在打印时，电磁控制装置可对打印系统的打印平台的复合材料施加磁场影响。具体地，电磁控制装置可与打印系统的树脂液槽连接固定。例如，在上成型光固化方案中，打印系统的数显投光机设置在树脂液槽和打印平台上方，则电磁控制装置可设置在打印平台下方；在下成型光固化方案中，打印系统的数显投光机设置在树脂液槽下方，则电磁控制装置可设置在打印平台上方。电磁控制装置设置在打印平台下方或上方，并对打印平台的当前打印层的复合材料施加磁场影响，随后数显投光机(未示出)产生光源并对当前打印层的树脂材料进行固化处理。
在一些实施例中，可在打印平台的附近设置一可旋转的托架，将电磁控制装置固定在旋转的托架上，并将旋转的托架与树脂液槽固定在一起，当托架旋转时，其上的电磁控制装置也一起旋转，从而对打印平台的当前打印层的复合材料施加磁场影响。在另一些实施例中，还可通过其他设备实现电磁控制装置的旋转，此处不再赘述。
在图1所示的实施例中，可在树脂液槽30上方或顶部固定设置可旋转的托架65，托架65可通过一根连接轴固定在树脂液槽30内部，连接轴的底部连接旋转电机，而旋转电机通过电脑编程控制托架65旋转的角度。将电磁控制装置60固定设置于所述托架65上，通过旋转所述托架65从而调整所述电磁控制装置的磁场方向。电磁控制装置60可包括相对设置的两块电磁控制，在一些实施例中，可在托架65上设置电磁控制卡槽将两块电磁控制固定。电磁控制电线的布置可以内埋至托架65内部，或者可对电线进行胶密封保证其不会接触到液态树脂。
继续参考图1，电磁控制装置60设置在打印平台20下方，打印时，根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置60确定其磁场方向，使电磁控制装置60通电并使托架65旋转至特定角度，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下按照材料排列角度信息有序排列。数显投光机(未示出)产生光源并对当前打印层的树脂材料进行固化处理，如数显投光机投出405nm光进行固化。
需要说明的是，在图1只是示出了本申请的一些实施例的示意图，在其他一些实施例中，面投光式光固化3D打印机还可采用其他的类型。例如，3D打印机可不具有绷膜装置，又例如，数显投光机可设置在树脂液槽的下方等等。总之，本申请对于面投光式光固化3D打印机的具体类型不进行限定，只是要求电磁控制装置能够对复合树脂材料施加磁场影响，使得复合树脂材料能够在外加磁场作用下呈特定角度排列。
参考图2A至图2D，其中圆形虚线框内表示的是第一次投光固化的区域形状，外边矩形框除去虚线框的区域表示第二次投光固化的区域形状。图2A表示铺好的一层混有磁化短切纤维增强相的光敏树脂，其中短切纤维随机无序排列。图2B表示磁极转动(θ＝45°)，使图2A中所有的无序纤维增强相沿着磁场线方向规则排序，然后对虚线内部区域进行投光固化，此后虚线框内纤维排列已被固定(树脂已经固化)。图2C表示磁极再次转动(θ＝135°)，使除去虚线框内的其他纤维沿着磁场线，换一种排列角度。图2D表示固化剩余的区域。通过上述的步骤可以实现面内的纤维排列方向的可设计性。
每打印完一层需要判断当前打印层各个区域是否都已经打印完了，如果打印完了，则重复“打印平台下降一个打印层高度——送料——打印”的过程，直至确保所有层数完成之后，完成打印。
参考图3，对于磁化短切纤维增强的层状多级梯度材料，每一层单层都包含了层内的不同排列方向：每层(共包括4层)的中心圆形纤维排列角度自下而上为[45°/-45°/0°/90°]，其他外围部分排列角度为[-45°/45°/90°/0°]。在图3中，梯度材料基于外加磁场，可以实现层内和层间的短纤维有序化，满足结构设计的使用要求。
参考图4，是根据本申请实施例的一种面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置的应用方法的流程图，其包括：
步骤S502，设置可旋转的电磁控制装置。例如，可在打印平台下方、树脂液槽上方或顶部固定可旋转的托架，将所述电磁控制装置固定设置于所述托架上，通过旋转所述托架从而调整所述电磁控制装置的磁场方向。
步骤S504，将光敏树脂和磁化短切纤维混合作为打印原材料；
步骤S506，根据所述原材料形成打印层；
步骤S508，根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置旋转调整其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；
其中，预先接收打印模型的分层切片图像数据，其中所述分层切片图像数据中包括所述排列角度信息。并且，所述排列角度信息可包括多个打印区域的材料排列角度信息，在这种情况下，所述电磁控制装置根据当前打印区域确定其磁场方向，待当前打印区域的树脂材料固化后，所述电磁控制装置根据所述材料排列角度信息调整其磁场方向。
步骤S510，对所述打印层的树脂材料进行照射固化处理。
本发明的方法的操作步骤与装置或系统的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种用于面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置，其特征在于，所述3D打印机包括：送料系统和打印系统；
所述送料系统将混合有光敏树脂和磁化短切纤维的树脂材料输送至所述打印系统，所述打印系统形成打印层；
根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置确定其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；
所述打印系统产生光源并对所述打印层的树脂材料进行固化处理。
2.根据权利要求1所述的电磁控制装置，其特征在于，由电磁铁提供控制磁场；且所述排列角度信息包括同一层的多个不同打印区域、以及不同打印层的材料排列角度信息，所述电磁控制装置根据每一层打印区域的打印先后顺序调整其磁场方向，所述数显投光机分别对所述多个打印区域的树脂材料分别进行固化。
3.根据权利要求1或2所述的电磁控制装置，其特征在于，所述3D打印机还包括：可旋转的托架，所述电磁控制装置固定设置于所述托架上，通过旋转所述托架从而调整所述电磁控制装置的磁场方向。
4.根据权利要求3所述的电磁控制装置，其特征在于，所述打印系统还包括：树脂液槽，所述托架固定在所述树脂液槽的顶部。
5.一种面投光式光固化3D打印机的电磁控制装置的应用方法，所述其特征在于，包括：
设置可旋转的电磁控制装置；
将光敏树脂和磁化短切纤维混合作为打印原材料；
根据所述原材料形成打印层；
根据预先接收到的材料排列角度信息，所述电磁控制装置旋转调整其磁场方向，使得所述打印层内的磁化短切纤维在磁场的作用下有序排列；
对所述打印层的树脂材料进行照射固化处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
接收打印模型的分层切片图像数据，其中所述分层切片图像数据中包括所述排列角度信息。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述排列角度信息包括多个打印区域的材料排列角度信息，所述方法还包括：
所述电磁控制装置根据当前打印区域确定其磁场方向，待当前打印区域的树脂材料固化后，所述电磁控制装置根据所述同一打印层其他区域、或不同打印层的材料排列角度信息调整其磁场方向。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述设置电磁控制装置包括：
设置可旋转的托架；
将所述电磁控制固定设置于所述托架上，通过旋转所述托架从而调整所述电磁控制的磁场方向。
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