CN113442258A - 复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3d打印机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印机技术领域，且公开了复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机及方法，解决了现有技术中功能梯度材料成型精度低、存在层间边界的问题，其包括固定平台，所述固定平台的顶端分别安装有Y轴移动平台和刮平机构，Y轴移动平台位于刮平机构的底端中部，Y轴移动平台的顶端安装有成型平台，固定平台的外侧壁安装有第一龙门式工作架，第一龙门式工作架的横梁上安装有X轴移动平台，X轴移动平台上安装有Z轴移动平台，Z轴移动平台上安装有并联式螺杆阀，并联式螺杆阀的底端安装有扁平铺料头；本发明，通过设置的并联式螺杆阀，能实现指定位置具有特定连续渐变特性零件精细成型，从而实现数字化精确送料和铺料过程。

Description

复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机及方法
技术领域
本发明属于3D打印机技术领域，具体为复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机及方法。
背景技术
功能梯度材料是指其成分组成或微观结构从材料的某一方位到另一方位连续梯度变化，从而使其具有特殊功能和优点的特殊型的高级异质复合材料；功能梯度材料的显著优势在于可以在近净成型过程中针对需要加强性能的特定位置，使其力学性能存在梯度连续渐变，从而满足不同部位对材料使用性能的要求；功能梯度材料已在航空航天、医学、光电、能源、软体机器人等领域得到了广泛应用；功能梯度材料的制造大致分为两类：一是薄板涂覆加工方法，比如化学气相/溶液沉积、等离子喷涂和自蔓延高温合成等，二是块状加工方法，例如粉末冶金、离心铸造、熔融沉积建模、Polyjet打印和基于激光工艺的成型方式等；这些方法都有能实现一定程度的功能梯度制造，但是很难将线上动态浆料配比输出、制造层内连续功能梯度以及高精度的复杂三维功能梯度结构件等功能集成为一体式进行打印成型；直写成型虽然可以层内功能梯度打印，但打印精度要受限于打印喷嘴的尺寸，Polyjet打印方式可以线上动态输出不同材料，但其过分依赖于打印材料属性，可打印材料非常昂贵；基于掩膜图像投影的立体光刻成型技术可实现高精度复杂结构的功能梯度材料加工，但其更换材料和清洗流程大大降低了其打印效率。
基于光固化原理的SLA是目前最成熟的3D打印技术，该打印方式成型精度高(±0.1mm),表面精度高，能够制备具有复杂结构的陶瓷零件；目前利用SLA工艺制造功能梯度材料，可实现沿材料成型方向功能梯度渐变，但在一层内的材料为均匀分布，这限制了利用SLA打印各向异性材料可能性；因此，迫切需要研究既可实现高精度复杂零件成型又能制造各向异性功能梯度材料的打印机和成型方法。
其中在申请号为CN110091413A的专利文件中，公开了一种基于SL技术制备功能梯度材料的3D打印装置，该方法可以实现层间梯度功能打印而不能实现对打印层内材料呈现梯度渐变，并且打印过程中需要频繁更换基体膏料的原料仓来实现梯度打印，很大程度上限制了打印效率；在申请号为CN111545870A的专利文件中提供一种梯度材料的光固化制备装置，实现梯度材料的组分比例可控，但该装置也是只能实现层间梯度功能打印，并且溶液槽的数量限制了可实现的梯度变化的可连续性和渐变范围。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机及方法，有效的解决了现有技术中功能梯度材料成型精度低、存在层间边界的问题，并且可实现层内梯度渐变。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，包括固定平台，所述固定平台的顶端分别安装有Y轴移动平台和刮平机构，Y轴移动平台位于刮平机构的底端中部，Y轴移动平台的顶端安装有成型平台，固定平台的外侧壁安装有第一龙门式工作架，第一龙门式工作架的横梁上安装有X轴移动平台，X轴移动平台上安装有Z轴移动平台，Z轴移动平台上安装有并联式螺杆阀，并联式螺杆阀的底端安装有扁平铺料头。
优选的，所述固定平台的外侧安装有能量源，能量源的一端连接有气泵，气泵的一端连接有空气过滤器，空气过滤器的一端连接有分流器，且空气过滤器与分流器之间还连接有电磁阀，分流器上对称连接有调压阀，调压阀连接于并联式螺杆阀上。
优选的，所述固定平台的另一侧分别安装有激光器、耦合光镜、振镜系统和控制器，其中激光器、耦合光镜、振镜系统均水平设置且位于同一直线上，激光器与控制器连接，固定平台上还安装有刮平机构。
优选的，所述并联式螺杆阀包括三通连接器，三通连接器的底端安装有静态混合管，且静态混合管通过锁紧螺母固定，三通连接器的顶端分别安装有第一螺杆阀和第二螺杆阀，第一螺杆阀的底端一侧连接有第一料筒，第一螺杆阀的顶端安装有第一步进电机，第二螺杆阀的底端一侧连接有第二料筒，第二螺杆阀的顶端安装有第二步进电机。
优选的，所述刮平机构包括第二龙门式工作架，第二龙门式工作架的顶端对称安装有驱动电机，第二龙门式工作架的中部安装有Z＇轴移动模组，且Z＇轴移动模组上安装有刮刀。
优选的，所述刮刀的整体形状为圆勾形结构，刮刀的前刀面安装有挡板，且刮刀的后刀刃涂有疏水试剂。
优选的，所述Y轴移动平台的导轨两端分别安装有第一限位开关和第二限位开关，且成型平台的背面安装有浆料回收盒。
一种如权利要求1-6所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机的方法一种，包括以下步骤：
步骤一：先配料再装料；将光敏预聚物和活性稀释剂定比混合，随后加入光引发剂，在避光条件下利用搅拌机搅拌均匀，搅拌均匀后，在搅拌过程中加入改性粉末，利用该方法继续配比第二种浆料，两种浆料的区别在于改性物质的质量百分比含量存在梯度；随后将两种浆料分别装入第一料筒和第二料筒内；
步骤二：调定调节阀压力为0.5MPa，启动气泵，打开电磁阀，启动并联式螺杆阀的第一步进电机和第二步进电机，通过控制转速，第一螺杆阀和第二螺杆阀挤出定配比的浆料，通过静态混合管混合后从扁平铺料头输出；
步骤三：通过控制X轴移动平台、Y轴移动平台和Z轴移动平台运动，带动浆料配比动态输出，完成在成型平台上的涂覆工作；
步骤四：刮平机构下降到指定层厚位置，成型平台向Y轴正方向移动，移动过程中刮刀对成型平台多余浆料进行去除和刮平工作，直到成型平台触碰到后端的第一限位开关后停止运动，刮刀完成刮平工作后自动上升到下一层成型高度；
步骤五：随后启动激光器，对切片层形状进行扫描固化；
步骤六：成型平台向前运动到起始位置，之后重复步骤-以完成最终成型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)、在工作中，通过设置的并联式螺杆阀，并且能实现指定位置具有特定连续渐变特性零件精细成型，从而实现数字化精确送料和铺料过程，达到线上数字化动态浆料配比输出；
2)、在工作中，本方法通过改进铺料和刮平方式，使立体光刻打印功能梯度材料不仅可以实现层间梯度变化，还可以实现层内连续梯度渐变；
3)、在工作中，通过设置的刮平机构，能够将多余浆料带走，避免多余浆料回收过程中形成过多的污染，避免了刮平过程中相邻两组分之间交叉污染的可能性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的并联式螺杆阀结构示意图；
图3为本发明的刮平机构结构示意图；
图4为本发明的扁平铺料头结构示意图；
图5为本发明的刮刀结构示意图；
图6为本发明的成型平台俯视结构示意图；
图7为本发明的扁平铺料头涂敷轨迹示意图。
图中：1、固定平台；2、Y轴移动平台；3、扁平铺料头；4、激光器；5、耦合透镜；6、刮平机构；601、Z＇轴移动模组；602、刮刀；603、驱动电机；604、第二龙门式工作架；7、振镜系统；8、控制器；9、并联式螺杆阀；901、第一料桶；902、第一螺杆阀；903、第一步进电机；904、第二步进电机；905、第二螺杆阀；906、第二料桶；907、三通连接器；908、锁紧螺母；909、静态混合管；10、Z轴移动平台；11、X轴移动平台；12、调压阀；13、第一龙门式工作架；14、分流器；15、电磁阀；16、空气过滤器；17、气泵；18、能量源；19、成型平台；20、浆料回收盒；21、第一限位开关；22、第二限位开关。
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。
实施例一，由图1-7给出，本发明包括固定平台1，固定平台1的顶端分别安装有Y轴移动平台2和刮平机构6，Y轴移动平台2位于刮平机构6的底端中部，Y轴移动平台2的顶端安装有成型平台19，便于带动成型平台19移动，固定平台1的外侧壁安装有第一龙门式工作架13，第一龙门式工作架13的横梁上安装有X轴移动平台11，X轴移动平台11上安装有Z轴移动平台10，Z轴移动平台10上安装有并联式螺杆阀9，能够带动并联式螺杆阀9进行移动，并联式螺杆阀9的底端安装有扁平铺料头3，便于出料。
本实施例中：固定平台1的外侧安装有能量源18，能量源18的一端连接有气泵17，气泵17的一端连接有空气过滤器16，空气过滤器16的一端连接有分流器14，且空气过滤器16与分流器14之间还连接有电磁阀15，分流器14上对称连接有调压阀12，调压阀12连接于并联式螺杆阀9上，能够对能量源18进行输送。
本实施例中：固定平台1的另一侧分别安装有激光器4、耦合光镜5、振镜系统7和控制器8，其中激光器4、耦合光镜5、振镜系统7均水平设置且位于同一直线上，激光器4与控制器8连接，固定平台1上还安装有刮平机构6，便于通过激光器4进行固化处理。
本实施例中：并联式螺杆阀9包括三通连接器907，三通连接器907的底端安装有静态混合管909，且静态混合管909通过锁紧螺母908固定，三通连接器907的顶端分别安装有第一螺杆阀902和第二螺杆阀905，第一螺杆阀902的底端一侧连接有第一料筒901，第一螺杆阀902的顶端安装有第一步进电机903，第二螺杆阀905的底端一侧连接有第二料筒906，第二螺杆阀905的顶端安装有第二步进电机904，能够完成浆料配比动态输出，实现在线动态调控输出的浆料配比。
本实施例中：刮平机构6包括第二龙门式工作架604，第二龙门式工作架604的顶端对称安装有驱动电机603，第二龙门式工作架604的中部安装有Z＇轴移动模组601，且Z＇轴移动模组601上安装有刮刀602，能够带动刮刀602对多余浆料进行处理。
本实施例中：刮刀602的整体形状为圆勾形结构，刮刀602的前刀面安装有挡板，且刮刀602的后刀刃涂有疏水试剂。
本实施例中：Y轴移动平台2的导轨两端分别安装有第一限位开关21和第二限位开关22，且成型平台19的背面安装有浆料回收盒20，便于对多余的浆料进行回收。
一种如权利要求1-7的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机的方法，包括以下步骤：
步骤一：先配料再装料；将光敏预聚物和活性稀释剂定比混合，随后加入光引发剂，在避光条件下利用搅拌机搅拌均匀，搅拌均匀后，在搅拌过程中加入改性粉末，利用该方法继续配比第二种浆料，两种浆料的区别在于改性物质的质量百分比含量存在梯度；随后将两种浆料分别装入第一料筒901和第二料筒906内；
步骤二：调定调节阀12压力为0.5MPa，启动气泵17，打开电磁阀15，启动并联式螺杆阀9的第一步进电机903和第二步进电机904，通过控制转速，第一螺杆阀902和第二螺杆阀905挤出定配比的浆料，通过静态混合管909混合后从扁平铺料头3输出；
步骤三：通过控制X轴移动平台11、Y轴移动平台2和Z轴移动平台10运动，带动浆料配比动态输出，完成在成型平台19上的涂覆工作；
步骤四：刮平机构6下降到指定层厚位置，成型平台19向Y轴正方向移动，移动过程中刮刀602对成型平台19多余浆料进行去除和刮平工作，直到成型平台19触碰到后端的第一限位开关21后停止运动，刮刀602完成刮平工作后自动上升到下一层成型高度；
步骤五：随后启动激光器4，对切片层形状进行扫描固化；
步骤六：成型平台19向前运动到起始位置，之后重复步骤2-5以完成最终成型。
工作原理：工作时，将两种高梯度差浆料分别装入第一料筒901和第二料筒906内；
调定调压阀12压力为0.5MPa，如果采用两不同材料，可以根据需要分别调节调压阀12的压力；
启动气泵17，打开电磁阀15，同时启动并联式螺杆阀9上的第一步进电机903和第二步进电机904，通过控制电机转速，第一螺杆阀902和第二螺杆阀905挤出定配比的浆料，通过静态混合管909混合后从扁平铺料头3输出；
通过控制三轴位移模组运动，首先通过X轴移动平台11连同Z轴移动平台10带动并联式螺杆阀9移动到成型起点位置，然后Z轴移动平台10带动并联式螺杆阀9向下移动到最佳构造高度位置，铺料工作由并联螺杆阀9和成型平台19(固定在Y轴移动平台上)的协同运动进行，运行轨迹如图7所示，之所以从Y轴反方向进行涂敷是为了避免扁平铺料头3在涂敷末端向上移动会存在拉丝现象，会影响到刮平工作。
在完成一列涂敷后，并联式螺杆阀9的第一步进电机903和第二步进电机904停止工作，Z轴移动平台10向上移动，X轴平台11向右运动，控制器8提前控制并联式螺杆阀9转速，以第二中梯度配比进行第二列涂敷工作，然后重复第一列涂敷运动过程；
完成涂覆工作后，刮刀机构6上的Z＇轴移动模组601带动刮刀602下降到一层层厚的位置，成型平台19跟随Y轴运动平台2向Y轴正向移动，运动过程中，刮刀602对浆料进行刮平工作，并将多余浆料刮到成型平台19末端的浆料回收盒20，直到成型平台19触碰到后端的第二限位开关22后停止运动，刮刀602完成刮平工作后自动上升到下一层成型高度；
随后启动光学固化系统的激光器4，激光通过耦合透镜5和振镜系统7对切片层形状进行扫描固化；
成型平台19在Y轴移动平台2向前运动直到触碰第一限位开关21后到达初始位置，之后重复以上步骤进行第二层梯度打印，直到完成最终成型。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，包括固定平台(1)，其特征在于：所述固定平台(1)的顶端分别安装有Y轴移动平台(2)和刮平机构(6)，Y轴移动平台(2)位于刮平机构(6)的底端中部，Y轴移动平台(2)的顶端安装有成型平台(19)，固定平台(1)的外侧壁安装有第一龙门式工作架(13)，第一龙门式工作架(13)的横梁上安装有X轴移动平台(11)，X轴移动平台(11)上安装有Z轴移动平台(10)，Z轴移动平台(10)上安装有并联式螺杆阀(9)，并联式螺杆阀(9)的底端安装有扁平铺料头(3)。
2.根据权利要求1所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述固定平台(1)的外侧安装有能量源(18)，能量源(18)的一端连接有气泵(17)，气泵(17)的一端连接有空气过滤器(16)，空气过滤器(16)的一端连接有分流器(14)，且空气过滤器(16)与分流器(14)之间还连接有电磁阀(15)，分流器(14)上对称连接有调压阀(12)，调压阀(12)连接于并联式螺杆阀(9)上。
3.根据权利要求1所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述固定平台(1)的另一侧分别安装有激光器(4)、耦合光镜(5)、振镜系统(7)和控制器(8)，其中激光器(4)、耦合光镜(5)、振镜系统(7)均水平设置且位于同一直线上，激光器(4)与控制器(8)连接，固定平台(1)上还安装有刮平机构(6)。
4.根据权利要求1所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述并联式螺杆阀(9)包括三通连接器(907)，三通连接器(907)的底端安装有静态混合管(909)，且静态混合管(909)通过锁紧螺母(908)固定，三通连接器(907)的顶端分别安装有第一螺杆阀(902)和第二螺杆阀(905)，第一螺杆阀(902)的底端一侧连接有第一料筒(901)，第一螺杆阀(902)的顶端安装有第一步进电机(903)，第二螺杆阀(905)的底端一侧连接有第二料筒(906)，第二螺杆阀(905)的顶端安装有第二步进电机(904)。
5.根据权利要求3所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述刮平机构(6)包括第二龙门式工作架(604)，第二龙门式工作架(604)的顶端对称安装有驱动电机(603)，第二龙门式工作架(604)的中部安装有Z＇轴移动模组(601)，且Z＇轴移动模组(601)上安装有刮刀(602)。
6.根据权利要求5所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述刮刀(602)的整体形状为圆勾形结构，刮刀(602)的前刀面安装有挡板，且刮刀(602)的后刀刃涂有疏水试剂。
7.根据权利要求1所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机，其特征在于：所述Y轴移动平台(2)的导轨两端分别安装有第一限位开关(21)和第二限位开关(22)，且成型平台(19)的背面安装有浆料回收盒(20)。
8.一种如权利要求1-7所述的复合陶瓷功能梯度材料数字化制造的3D打印机的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：先配料再装料；将光敏预聚物和活性稀释剂定比混合，随后加入光引发剂，在避光条件下利用搅拌机搅拌均匀，搅拌均匀后，在搅拌过程中加入改性粉末，利用该方法继续配比第二种浆料，两种浆料的区别在于改性物质的质量百分比含量存在梯度；随后将两种浆料分别装入第一料筒(901)和第二料筒(906)内；
步骤二：调定调节阀(12)压力为0.5MPa，启动气泵(17)，打开电磁阀(15)，启动并联式螺杆阀(9)的第一步进电机(903)和第二步进电机(904)，通过控制转速，第一螺杆阀(902)和第二螺杆阀(905)挤出定配比的浆料，通过静态混合管(909)混合后从扁平铺料头(3)输出；
步骤三：通过控制X轴移动平台(11)、Y轴移动平台(2)和Z轴移动平台(10)运动，带动浆料配比动态输出，完成在成型平台(19)上的涂覆工作；
步骤四：刮平机构(6)下降到指定层厚位置，成型平台(19)向Y轴正方向移动，移动过程中刮刀(602)对成型平台(19)多余浆料进行去除和刮平工作，直到成型平台(19)触碰到后端的第一限位开关(21)后停止运动，刮刀(602)完成刮平工作后自动上升到下一层成型高度；
步骤五：随后启动激光器(4)，对切片层形状进行扫描固化；
步骤六：成型平台(19)向前运动到起始位置，之后重复步骤2-5以完成最终成型。
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