CN114633471A - 一种3d打印方法及3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种3D打印方法及适用于该打印方法的3D打印装置，涉及3D打印领域，打印方法包括以下步骤：步骤一，制品壳体制备，配备制备壳体所需的无机非金属膏状材料，并通过挤出方式成型壳体；步骤二，无机非金属颗粒材料填充，制备无机非金属颗粒结构，并将无机非金属颗粒结构填充于壳体内部；步骤三，黏结剂填充，将黏结剂液滴喷洒于无机非金属颗粒结构上方，并在负压作用下将黏结剂液滴吸入无机非金属颗粒结构之间。该3D打印方法采用先打印壳体后在壳体内部填充颗粒结构的方式来制备制品，如此颗粒结构支撑于壳体上，成形时主要依靠壳体完成外形，固化处理时依靠紧密接触的颗粒保持形状稳定性，该3D打印方法能够有效减少制品变形量。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种3D打印方法及3D打印装置。
背景技术
无机非金属材料主要包括陶瓷、石膏、水泥、覆膜砂等材料，具有耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀等特点，常用的成形方法主要有注浆成形、塑性成形、压制成形、缠绕法成形等，在航空航天、生物医疗、机械、电子、建筑和铸造等领域有着广泛的应用。
近年来，3D打印技术的快速发展，为实现复杂形状无机非金属材料制品的制备提供了一种更加灵活的方法。目前常采用的3D打印工艺是将无机非金属材料加工成球状颗粒，并在球状颗粒的外表面包裹黏结剂，通过球状颗粒堆积来得到特定形状的3D打印制品。该3D打印工艺存在的主要缺陷是球状颗粒之间通过黏结剂定型，在打印后处理进行固化时，黏结剂容易软化，导致3D打印制品发生变形和收缩，这极大的影响了制品的尺寸精度和性能质量。因此，如何减少无机非金属材料3D打印制品的变形量成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种能够减少无机非金属材料3D打印制品的变形量的3D打印方法及3D打印装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种3D打印方法，包括以下步骤：步骤一，制品壳体制备，配备制备所述壳体所需的无机非金属膏状材料，并通过挤出方式成型所述壳体；步骤二，无机非金属颗粒材料填充，制备无机非金属颗粒结构，并将所述无机非金属颗粒结构填充于所述壳体内部；步骤三，黏结剂填充，将黏结剂液滴喷洒于所述无机非金属颗粒结构上方，并在负压作用下将所述黏结剂液滴吸入所述无机非金属颗粒结构之间。
优选地，所述壳体通过逐层挤出方式成型，所述步骤一中，每次成型其中一层所述壳体，且在所述步骤三完成后，重复所述步骤一至所述步骤三，直至所述制品打印完成。
优选地，3D打印方法还包括步骤四，根据所述制品性能要求，向所述无机非金属颗粒结构之间注入填充剂。
优选地，3D打印方法还包括步骤五，对成型完成后的所述制品进行固化。
优选地，所述黏结剂液滴由液体黏结剂雾化而成。
优选地，所述无机非金属膏状材料包括相互混合的无机非金属材料粉末、短纤维以及黏结剂。
本发明还提供一种适用于所述的3D打印方法的3D打印装置，包括多轴运动平台、多自由度挤出装置、颗粒填充装置、喷洒装置、基板以及负压发生装置，所述多自由度挤出装置、所述颗粒填充装置以及所述喷洒装置均设置于所述多轴运动平台上，所述壳体成型于所述基板上，所述无机非金属颗粒结构与所述基板的上端面相接触，所述基板上开设有多个气孔，各所述气孔均贯穿所述基板的上端面、并均与所述负压发生装置相连通，所述无机非金属膏状材料设置于所述多自由度挤出装置内，所述无机非金属颗粒结构设置于所述颗粒填充装置内，所述黏结剂设置于所述喷洒装置内，所述喷洒装置用于形成所述黏结剂液滴、并喷洒所述黏结剂液滴。
优选地，3D打印装置还包括抽气罩和抽气管，各所述气孔的第一端和第二端均分别贯穿所述基板的上端面和下端面，所述基板的下端面罩设有所述抽气罩，各所述气孔的第二端均与所述抽气罩相连通，所述抽气罩与所述负压发生装置相连通。
优选地，所述多自由度挤出装置为多自由度3D打印头，所述颗粒填充装置为颗粒填充小车，所述填充小车底端设置有用于供所述无机非金属颗粒结构自所述填充小车内部排出的排出口，所述负压发生装置为抽气泵，所述喷洒装置为雾化器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的3D打印方法包括以下步骤：步骤一，制品壳体制备，配备制备壳体所需的无机非金属膏状材料，并通过挤出方式成型壳体；步骤二，无机非金属颗粒材料填充，制备无机非金属颗粒结构，并将无机非金属颗粒结构填充于壳体内部；步骤三，黏结剂填充，将黏结剂液滴喷洒于无机非金属颗粒结构上方，并在负压作用下将黏结剂液滴吸入无机非金属颗粒结构之间。该3D打印方法采用先打印壳体后在壳体内部填充颗粒结构的方式来制备制品，如此颗粒结构支撑于壳体上，成形时主要依靠壳体完成外形，固化处理时依靠紧密接触的颗粒保持形状稳定性，与现有通过颗粒堆积制备制品，颗粒结构主要依靠黏结剂进行定型的方式相比，采用本发明提供的3D打印方法制备的制品在进行固化处理时制品变形量更少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的3D打印装置的结构示意图。
附图标记说明：100、3D打印装置；1、多轴运动平台；2、多自由度挤出装置；3、颗粒填充装置；4、喷洒装置；5、基板；6、气孔；7、抽气罩；8、抽气管；9、负压发生装置；10、无机非金属颗粒结构；11、黏结剂液滴；12、壳体；13、支腿。
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。
本发明的目的是提供一种能够减少无机非金属材料3D打印制品的变形量的3D打印方法及3D打印装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供的3D打印方法包括以下步骤：步骤一，制品壳体12制备，配备制备壳体12所需的无机非金属膏状材料，并通过挤出方式成型壳体12；步骤二，无机非金属颗粒材料填充，制备无机非金属颗粒结构10，并将无机非金属颗粒结构10填充于壳体12内部；步骤三，黏结剂填充，将黏结剂液滴11喷洒于无机非金属颗粒结构10上方，并在负压作用下将黏结剂液滴11吸入无机非金属颗粒结构10之间。该3D打印方法采用先打印壳体12后在壳体12内部填充颗粒结构的方式来制备制品，如此颗粒结构支撑于壳体12上，成形时主要依靠壳体12完成外形，固化处理时依靠紧密接触的颗粒保持形状稳定性，与现有通过颗粒堆积制备制品，颗粒结构主要依靠黏结剂进行定型的方式相比，采用本发明提供的3D打印方法制备的制品在进行固化处理时制品变形量更少。
于本实施例中，在步骤一之前，进一步还包括设计模型及确定壳体12打印轨迹的步骤，该步骤具体包括：采用NX、Solidworks等三维造型软件绘制制品的三维模型，并根据制品特点和后续3D打印所采用的基于轮廓壳体12成形的工艺要求，得到壳体12打印轨迹。
于本实施例中，壳体12通过逐层挤出方式成型，步骤一中，每次成型其中一层壳体12，且在步骤三完成后，重复步骤一至步骤三，直至制品打印完成。需要说明的是壳体12并不仅限于逐层挤出方式成型，还可以在整体壳体12成型完成后，再进行步骤二和步骤三，当采用该方式时在步骤三完成后不需要再重复步骤一至步骤三。
于本实施例中，3D打印方法还包括步骤四，根据制品性能要求，向无机非金属颗粒结构10之间注入填充剂。填充剂具体选用何种材料，根据制品具体的性能要求而定。
于本实施例中，3D打印方法还包括步骤五，对成型完成后的制品进行固化。
于本实施例中，黏结剂液滴11由液体黏结剂雾化而成。
于本实施例中，无机非金属膏状材料包括相互混合的无机非金属材料粉末、短纤维以及黏结剂。壳体12成形材料中含有短纤维，实现壳体12强度和韧性的有效增强，既保证了壳体12在颗粒填充时的尺寸稳定性，也保证了在后处理时不发生明显的断裂损坏问题。
于本实施例中，无机非金属材料粉末具体可选用Al2O3陶瓷粉，无机非金属颗粒结构10具体可选用Al2O3陶瓷颗粒结构。Al2O3陶瓷颗粒结构采用Al2O3陶瓷粉制成。
于本实施例中，无机非金属颗粒结构10表面光洁。
参考图1所示，本实施例还提供一种适用于3D打印方法的3D打印装置100，其包括多轴运动平台1、多自由度挤出装置2、颗粒填充装置3、喷洒装置4、基板5以及负压发生装置9，多自由度挤出装置2、颗粒填充装置3以及喷洒装置4均设置于多轴运动平台1上，壳体12成型于基板5上，无机非金属颗粒结构10与基板5的上端面相接触，基板5上开设有多个气孔6，各气孔6均贯穿基板5的上端面、并均与负压发生装置9相连通，无机非金属膏状材料设置于多自由度挤出装置2内，无机非金属颗粒结构10设置于颗粒填充装置3内，黏结剂设置于喷洒装置4内，喷洒装置4用于形成黏结剂液滴11、并喷洒黏结剂液滴11。
于本实施例中，基板5的下方设置有用于支撑基板5的支腿13。
于本实施例中，3D打印装置100还包括抽气罩7和抽气管8，各气孔6的第一端和第二端均分别贯穿基板5的上端面和下端面，基板5的下端面罩设有抽气罩7，各气孔6的第二端均与抽气罩7相连通，抽气罩7与负压发生装置9相连通。
于本实施例中，多自由度挤出装置2为多自由度3D打印头，颗粒填充装置3为颗粒填充小车，填充小车底端设置有用于供无机非金属颗粒结构10自填充小车内部排出的排出口，负压发生装置9为抽气泵，喷洒装置4为雾化器。多自由度3D打印头的结构属于现有技术，例如可选用申请号为CN202011089238.8的发明专利所保护的一种可调节打印角度及层高的3D打印头装置充当本发明中的多自由度3D打印头。又或者多自由度3D打印头可包括多自由度机械手和3D打印头，通过将现有的3D打印头设置于多自由度机械手上，以使3D打印头具备多自由度。
于本实施例中，抽气罩7通过抽气管8与负压发生装置9相连通。
于本实施例中，多轴运动平台1的具体结构属于现有技术，例如本实施例中具体选用XYZ运动平台，且进一步地XYZ运动平台包括Y向滑台、两个X向滑台以及两个Z向滑台，两个X向滑台并排设置于基板5上，两个Z向滑台与两个X向滑台一一对应，各Z向滑台均与各自所对应的Z向滑台的滑块相连接，Y向滑台的两端分别与两个Z向滑台的滑块相连接，Y向滑台的滑块上设置有安装架，多自由度挤出装置2、颗粒填充装置3以及喷洒装置4均设置于安装架上。
为了比较不同成形方法制品变形量特点，制备3组立方体样品。
(1)样品1：将Al2O3陶瓷粉、短切碳纤维、柠檬酸钠、丙三醇、聚乙烯醇、蒸馏水进行混合搅拌，配置成膏状材料，并将其制备成立方体实体样品，之后，将其放入加热炉中进行干燥和固化，待固化完成并冷却至室温时，将样品1取出；
(2)样品2：将直径2mm的Al2O3陶瓷颗粒表面覆上热固性酚醛树脂和乌洛托品，将其填充到立方体容器中加热固化，待固化完成并冷却至室温时，将样品2取出；
(3)样品3：将Al2O3陶瓷粉、短切碳纤维、柠檬酸钠、丙三醇、聚乙烯醇、蒸馏水进行混合搅拌，配置成膏状材料，先制备立方体壳体12样品，在壳体中填入直径2mm表面光洁的Al2O3陶瓷颗粒，以低浓度硅溶胶为黏结剂，并通过黏结剂雾化、喷洒及颗粒黏结的方法，将填充颗粒黏结，之后，将其放入加热炉中进行干燥和固化，待固化完成并冷却至室温时，将样品3取出；
(4)比较样品1、样品2、样品3的变形情况，通过比较发现：样品1在干燥固化后表面发生明显缩沉，样品2在干燥固化后顶部发生明显缩陷，样品3颗粒紧密接触未发生明显变形。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制品壳体制备，配备制备所述壳体所需的无机非金属膏状材料，并通过挤出方式成型所述壳体；
步骤二，无机非金属颗粒材料填充，制备无机非金属颗粒结构，并将所述无机非金属颗粒结构填充于所述壳体内部；
步骤三，黏结剂填充，将黏结剂液滴喷洒于所述无机非金属颗粒结构上方，并在负压作用下将所述黏结剂液滴吸入所述无机非金属颗粒结构之间。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述壳体通过逐层挤出方式成型，所述步骤一中，每次成型其中一层所述壳体，且在所述步骤三完成后，重复所述步骤一至所述步骤三，直至所述制品打印完成。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，还包括步骤四，根据所述制品性能要求，向所述无机非金属颗粒结构之间注入填充剂。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，还包括步骤五，对成型完成后的所述制品进行固化。
5.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述黏结剂液滴由液体黏结剂雾化而成。
6.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述无机非金属膏状材料包括相互混合的无机非金属材料粉末、短纤维以及黏结剂。
7.一种适用于权利要求1-6任一项所述的3D打印方法的3D打印装置，其特征在于，包括多轴运动平台、多自由度挤出装置、颗粒填充装置、喷洒装置、基板以及负压发生装置，所述多自由度挤出装置、所述颗粒填充装置以及所述喷洒装置均设置于所述多轴运动平台上，所述壳体成型于所述基板上，所述无机非金属颗粒结构与所述基板的上端面相接触，所述基板上开设有多个气孔，各所述气孔均贯穿所述基板的上端面、并均与所述负压发生装置相连通，所述无机非金属膏状材料设置于所述多自由度挤出装置内，所述无机非金属颗粒结构设置于所述颗粒填充装置内，所述黏结剂设置于所述喷洒装置内，所述喷洒装置用于形成所述黏结剂液滴、并喷洒所述黏结剂液滴。
8.根据权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，还包括抽气罩和抽气管，各所述气孔的第一端和第二端均分别贯穿所述基板的上端面和下端面，所述基板的下端面罩设有所述抽气罩，各所述气孔的第二端均与所述抽气罩相连通，所述抽气罩与所述负压发生装置相连通。
9.根据权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，所述多自由度挤出装置为多自由度3D打印头，所述颗粒填充装置为颗粒填充小车，所述填充小车底端设置有用于供所述无机非金属颗粒结构自所述填充小车内部排出的排出口，所述负压发生装置为抽气泵，所述喷洒装置为雾化器。
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2022
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