CN114953441B - 一种超声3d打印方法和3d打印件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种超声3D打印方法和3D打印件，该方法包括以下步骤，采用CAM数控软件分析处理导入的模型，获取打印参数；超声打印头根据打印参数形成打印路径、打印功率，所述超声打印头在物料上移动并对物料施加机械振动，超声打印头经过的物料加快固化并形成构件；从未成型的物料中取出固化成型的构件，所述构件为3D打印件，该超声3D打印方法能打印出无分层、强度好的3D打印件，具有成本低、易操作、可控性强和打印速度快的优点。

Description

一种超声3D打印方法和3D打印件

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种超声3D打印方法和3D打印件。

背景技术

3D打印技术属于增材制造技术，其主要是将粉末状金属、光敏树脂及塑料等可黏合的材料，通过逐层打印的方式来构造物体。

目前，使用非金属材料的增材制造技术主要包括：立体光刻SLA、数字光处理DLP、选择性激光烧结SLS、熔融沉积制造FDM等。SLA和DLP使用的是光敏树脂，其固化机理是通过光引发剂吸收紫外线发生光解反应，产生自由基或超强质子酸，这两种物质可活化相应的单体和低聚物，发生聚合及交联反应，形成带有光引发剂的聚合物，活性聚合物不断地激活并引发低聚物和活性单体聚合，从而形成高分子固化物。SLS和FDM分别通过激光和加热装置熔融相应材料，待其冷却形成所需结构。

然而，现有的非金属材料的增材制造技术还是通过逐层打印增材的方式来形成构件，这不但速度慢，还容易导致构件内层与层之间分离，无法保证构件的强度，这也限制了3D打印构件的适用范围。此外，立体光刻SLA、数字光处理DLP、选择性激光烧结SLS、熔融沉积制造FDM等均是高价设备，这无疑增加了3D打印的成本，也不利于3D打印广泛使用。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超声3D打印方法，该加工方法能打印出无分层、强度好的3D打印件，具有成本低、易操作、可控性强和打印速度快的优点。

本发明的目的之二在于提供一种3D打印件。

为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：

提供一种超声3D打印方法，包括以下步骤，

采用CAM数控软件分析处理导入的模型，获取打印参数；超声打印头根据打印参数形成打印路径、打印功率，所述超声打印头在物料上移动并对物料施加机械振动，超声打印头经过的物料加快固化并形成构件；从未成型的物料中取出固化成型的构件，所述构件为3D打印件。

在一些实施方式中，所述CAM数控软件是UG软件或Mastercam软件，通过CAM数控软件借助UG软件或Mastercam软件获取导入模型的数控程序。

在一些实施方式中，所述超声打印头连接有多轴机械臂，所述打印参数输送到所述多轴机械臂和超声电源系统，所述超声电源系统连接超声打印头并控制超声打印头的打印功率，所述多种机械臂控制所述超声打印头的打印路径。

在一些实施方式中，所述物料放置在料槽中，所述料槽内放置有打印基板，所述打印基板上开设有滤孔，所述打印基板浸在物料中，所述超声打印头指向所述打印基板并能在所述打印基板上打印，打印完成后，从物料中取出所述打印基板，未成型的物料从滤孔流走，固化成型的构件留在所述打印基板上。

在一些实施方式中，所述料槽连接有储料仓，所述储料仓通过蠕动泵与所述料槽连接，所述蠕动泵根据打印参数控制输送物料的速度。

在一些实施方式中，所述打印参数还包括打印厚度、打印速度。

在一些实施方式中，所述料槽内的物料是丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。

在一些实施方式中，所述超声打印头是尖嘴超声打印头、弧形打印头、平嘴超声打印头。

在一些实施方式中，所述多轴机械臂为五轴机械臂。

本发明一种超声3D打印方法的有益效果：

(1)本发明的超声3D打印方法，其通过打印参数控制超声打印头的打印路线，超声波的高频率机械振动提高了超声打印头所经过的物料固化速度，形成固化物；在物料中直接打印目标构件的轮廓，通过去除多余未成型的物料则能获取所需的3D打印件，超越了传统3D逐层打印的概念。

(2)本发明的超声3D打印方法，克服传统3D打印逐层打印增材的问题，构件内部无层化，提高了3D打印件内部的强度，使得3D打印件消除横向抗剪切性能较差的问题。

(3)本发明的超声3D打印方法，固化成型的3D打印件拿出即为产品，无需复杂的清洁处理；并且，超声波具有细化材料晶粒等作用，使用超声波3D打印的获得零件残余应力低，可避免零件翘曲等现象的发生，以及超声波作用下固化速度快，提高了打印速度。

(4)本发明的超声3D打印方法，超声打印头根据打印参数进行打印，能根据加工偏好性选择或平衡打印精度与打印速度，实现3D打印的可控性。

(5)本发明的超声3D打印方法，在打印过程中可以通过超声波换能器的开启与关闭，对打印区域进行控制，实现指向位置的精确固化。

为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：

提供一种3D打印件，由上述的超声3D打印方法制得。

附图说明

图1是本发明实施例的超声打印头打印壳体瓦片形构件的工作状态结构示意图。

图2是本发明实施例的超声打印头打印具有悬臂梁结构的构件的工作状态图。

图3是本发明实施例的超声3D打印装置的结构示意图。

图4是本发明实施例的超声3D打印装置的另一视觉的结构示意图。

图5是本发明实施例的多轴机械臂的结构示意图。

图6是本发明实施例的超声打印头的结构示意图。

图7是本发明实施例的超声打印头的结构示意图。

图8是本发明实施例的打印基板的结构示意图。

图9是本发明实施例的储料器的结构示意图。

图10是本发明实施例的超声打印头打印多个圆柱零件的工作状态图及其打印路径示意图。

附图标记

料槽1；打印基板2；滤孔3；超声打印头4；多轴机械臂5、传动臂51、底座52；基座6；储料器7；管道8；蠕动泵9；滑动组件10；龙门框架11；丝杆12；导杆13；支架14；连接板15；滚珠螺母16；螺栓螺母17；电机18；气动夹紧装置19；超声换能器20；打印头21；压电陶瓷堆22；接头23；杆套24；导电环25；圆柱零件30；瓦片形构件27；实体28；悬臂梁机构29。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

现有的非金属材料的增材制造技术还是通过逐层打印增材的方式来形成构件，这不但速度慢，并且逐层打印的方式容易导致构件内层间分离，不好保证构件的强度，这也限制了3D打印构件的适用范围。此外，立体光刻SLA、数字光处理DLP、选择性激光烧结SLS、熔融沉积制造FDM等均是高价设备，这无疑增加了3D打印的成本，也不利益3D打印广泛适用。

本实施例公开的超声3D打印方法，包括以下步骤，

采用CAM数控软件分析处理导入的模型，获取打印参数；超声打印头根据打印参数形成打印路径、打印功率，所述超声打印头在物料上移动并对物料施加机械振动，超声打印头经过的物料加快固化并形成构件；从未成型的物料中取出固化成型的构件，所述构件为3D打印件。

本实施例中，所述CAM数控软件是UG软件或Mastercam软件，通过CAM数控软件借助UG软件或Mastercam软件获取导入模型的数控程序。

上述超声3D打印方法，其通过打印参数控制超声打印头的打印路线，超声波产生的高频率机械振动提高了超声打印头所经过的物料固化速度，实现在无形的物料中形成直接构成目标构件的轮廓，通过去除多余且未成型的物料即可获取所需的3D打印件。

本实施例中，图3所示，所述超声打印头4连接有多轴机械臂5，所述打印参数通过控制所述多轴机械臂5来控制所述超声打印头4在物料上移动的路线。优选地，该多轴机械臂5为五轴机械臂，所述五轴机械臂被打印参数控制移动路线，继而控制超声打印头4的移动路径。本领域技术人员还能根据实际需求选择其他驱动装置来驱动超声打印头4，此处不作限制。此外，所述打印参数输送至超声电源系统，所述超声电源系统连接超声打印头并控制超声打印头的打印功率，所述多种机械臂控制所述超声打印头的打印路径。

本实施例中，图3所示，所述物料放置在料槽1中，所述料槽1内放置有打印基板2，所述打印基板2上开设有滤孔3，打印时，所述打印基板2浸在物料中，所述超声打印头4在所述打印基板2上的物料打印，完成后，将所述打印基板2从物料中取出，使未成型的物料从滤孔3中流走，固化成型的构件留在打印基板2上。通过将打印基板2拿出，即可过滤了打印基板2上的未成型的多余物料，这样不但保证了成型构件的完整性，便于后续继续固化成型构件，也便于快速去除多余物料。

本实施例中，图3所示，所述料槽1连接有储料器7，所述储料器7通过蠕动泵与所述料槽1连接，所述蠕动泵根据打印参数向所述料槽1输送物料，保持所述料槽1内的物料量。打印参数通过控制蠕动泵，保持料槽1内的物料量，保证正常打印。

本实施例中，所述打印参数包括打印厚度、打印速度和超声打印头4的打印功率。通过设置打印参数形成所需的构件。确定超声打印头4的条件下，提高超声打印头4的打印功率会使得打印厚度加厚、打印范围加大、打印速率提升。

本实施例中，所述料槽1内的物料是丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷等热固化聚合物。丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷无需添加光引发剂，具有良好的成分稳定性，可降低存放和使用成本，并且超声波能加快固化丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。

本实施例中，所述超声打印头4是尖端超声打印头、弧形打印头、平面超声打印头。超声打印头4具有不同的频率和末端形状，可根据工作要求更换不同的超声打印头4，示例性地，需要高精度时可使用尖端打印头，但会牺牲一定的工作效率；需要高的工作效率时可使用平面或弧形打印头，但会牺牲一定的打印精度。

如图1所示，超声打印头4直接沿着构件轮廓打印，例如需要打印一个薄壳瓦片形构件，只需要沿着瓦片外轮廓进行运动即可，无需层层打印。又例如图2所示，需要在一个实体28上打印一个悬臂梁机构29，只需利用多轴机械臂5控制超声打印头4沿悬臂梁轴向方向移动即可。

实施例2

本实施例公开了超声3D打印装置，图3-图4所示，包括料槽1，所述料槽1内架设有打印基板2，所述打印基板2能浸在所述料槽1的物料中，所述料槽1内上开设有滤孔3，所述料槽1的上方设有超声打印头4，所述超声打印头4连接在多轴机械臂5上，所述超声打印头4指向所述打印基板2，所述多轴机械臂5控制所述超声打印头4的打印路径，所述超声打印头4根据所述打印路径在所述打印基板2上的物料打印出3D打印件。打印过程如图10所示，超声打印头4在打印基板2上按打印路径移动，打印出多个圆柱零件30。

上述超声3D打印装置，其超声打印头4根据多轴机械臂5控制的打印路径在打印基板2的物料上移动，超声打印头4产生的高频率机械振动使得其所经过的物料加快固化，即，利用超声打印加快物料产生化学反应、空化效应及热量累积，实现在物料中打印出3D打印件；超声打印头4没经过的物料固化速度慢，利用固化时间差，将未固化的物料与固化成型的3D打印件分离即可获得3D打印件；由于所述物料仅通过聚合反应和交联形成3D打印件，3D打印件内部之间以及内部与表面之间不存在层叠或分层结构，提高了打印质量，克服了现有增材制造技术逐层打印导致层间分层的问题，有效提高了打印件的成型效果和整体强度，是实现“无层化”3D打印。由于不需要在两个打印层之间进行拉拔、刮平、以及预热等辅助操作，故整体打印时间大大缩短；只需将打印基板2与料槽1内的物料分离即可取出3D打印件，进一步地提高打印速度。本实施例所利用的超声打印头成本低，适合大规模生产应用。此外，超声打印头4根据输入参数更改打印功率，与多种机械臂的运动速度进行配合，可实现精度与速度的加工偏好性选择或平衡，能有效保证3D打印精度。

图3、图9所示，所述料槽1开设在基座6上，所述料槽1连接有储料器7。所述储料器7与所述料槽1通过管道8连接，所述管道8上设置有蠕动泵9。

基座6能将料槽1稳定固定，储料器7中可存放补充材料，通过蠕动泵9实现储料器7与料槽1相互传输，管道8优选为软管。

本实施例中，所述料槽1内的物料是热固化聚合物。根据实际应用，料槽1内的物料还能是其他物料，此处不做限定。

实施例3

为便于理解，以下提供了超声3D打印装置的一个实施例进行说明，在实际应用中，

图3-图4、图8所示，所述基座6的顶面固定有滑动组件10，所述打印基板2挂设在所述滑动组件10上并能沿所述滑动组件10上下移动。

滑动组件10位于基座6上方，因此能吊挂打印基板2，打印基板2沿所述滑动组件10上下移动，实现打印基板2处于料槽1的物料中或从料槽1中离开，当打印完成后，打印基板2从料槽1中离开后，多余的物料从滤孔3回落到料槽1中，成型的3D打印件则停留在打印基板2中，便于获取3D打印件。

本实施例中，有两个所述滑动组件10，两个所述滑动组件10分别位于所述打印基板2的相对两侧，该打印基板2的相对两侧分别通过连接件与所述滑动组件10滑动连接。

位于打印基板2相对两侧上的两个滑动组件10，能避开超声打印头4，并能稳定地移动打印基板2。

本实施例中，所述滑动组件10包括龙门框架11，所述龙门框架11内竖立设置有丝杆12和导杆13，所述连接件包括支架14，所述支架14的一端固定在所述打印基板2边侧，另一端固定有连接板15；所述连接板15上设有滚珠螺母16，所述丝杆12上套有螺栓螺母17，所述丝杆12穿过所述连接板15且所述丝杆12上的螺栓螺母17与所述滚珠螺母16配合，所述导杆13穿过所述连接板15，所述丝杆12的端部连接有电机18。

连接件的支架14连接了打印基板2，支架14通过连接板15将打印基板2连接到丝杆12和导杆13上。龙门架的顶部能限制连接板15滑出，即，限制打印基板2滑出。滚珠螺母16通过螺栓螺母17与连接板15连接，通过将电机18的旋转运动转换成直线运动，驱动连接板15升降从而驱动打印基板2上升或下降。电机18优选为步进电机18，此处不做限制。

连接上还设有杆套24，提高了连接板15的运动稳定性。

实施例4

为便于理解，以下提供了超声3D打印装置的一个实施例进行说明，在实际应用中，图3-图5所示，所述多轴机械臂5为五轴机械臂，所述五轴机械臂包括五个传动臂51和底座52，相邻传动臂51之间连接，连接后的传动臂51通过底座52设置在所述基座6的顶面，位于外端的传动臂51设有气动夹紧装置19，所述气动夹紧装置19可拆卸连接所述超声打印头4。

上述的五轴机械臂中，其中的传动臂51内主要有无刷直流电机18、谐波减速器、编码器及各类固定件或传动件组成；其中，无刷直流电机18可提供稳定连续的力矩；谐波减速器可降低速度提高力矩，便于控制输出臂运动；编码器可分为增量式编码器和绝对值编码器，增量式编码器用于检测直流无刷电机18的转角，进而测量出电机18的转动速度，绝对值编码器用于检测输入轴的转角，通过绝对位置认址技术，测定输入臂的转动位置。在工作时，前一传动臂51的输出端所输出的无刷直流电机18产生力矩，经过谐波减速器后产生较大的力矩控制后一传动臂51转动，以此类推实现多自由度的运动。

实施例5

为便于理解，以下提供了超声3D打印装置的一个实施例进行说明，在实际应用中，图6-图7所示，所述超声打印头4包括超声换能器20和与所述超声换能器连接的打印头21。

根据超声换能器设计原理，打印头21可根据设计参数将频率固定在20-100khz中的一个谐振频率上，频率与振幅的叠加作用可决定固化效率，超声换能器电源外置。

打印头21末端的形状可为尖头、平头、凹头、凸头等，可根据工作要求更换不同的打印头，比如需要高精度时可使用尖头，但会牺牲一定的工作效率；需要高的工作效率时可使用平头。

所述超声换能器包括相互连接的压电陶瓷堆22和接头23，所述接头23可拆卸连接在所述气动夹紧装置19上，所述压电陶瓷堆22连接导电环25。

超声换能器20具有压电陶瓷堆22，电流传导到压电陶瓷堆22处产生压电效应，进而引起打印头振动，通过调节功率，可将超声打印头4单边振幅控制在3-50um的范围内。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声3D打印方法，其特征是：包括以下步骤，

采用CAM数控软件分析处理导入的模型，获取打印参数；超声打印头根据打印参数形成打印路径、打印功率，所述超声打印头在物料上移动并对物料施加机械振动，其中，所述超声打印头连接有多轴机械臂，超声打印头沿着构件轮廓打印，无需层层打印；

超声打印头经过的物料加快固化并形成构件；从未成型的物料中取出固化成型的构件，所述构件为3D打印件；

所述CAM数控软件是UG软件或Mastercam软件；

所述打印参数输送到所述多轴机械臂和超声电源系统，所述超声电源系统连接超声打印头并控制超声打印头的打印功率，所述多种机械臂控制所述超声打印头的打印路径；

所述物料放置在料槽中，所述料槽内放置有打印基板，所述打印基板上开设有滤孔，所述打印基板浸在物料中，所述超声打印头指向所述打印基板并能在所述打印基板上打印，打印完成后，从物料中取出所述打印基板，未成型的物料从滤孔流走，固化成型的构件留在所述打印基板上。

2.根据权利要求1所述的超声3D打印方法，其特征是：所述料槽连接有储料仓，所述储料仓通过蠕动泵与所述料槽连接，所述蠕动泵根据打印参数控制输送物料的速度。

3.根据权利要求1所述的超声3D打印方法，其特征是：所述打印参数还包括打印厚度、打印速度。

4.根据权利要求1所述的超声3D打印方法，其特征是：所述料槽内的物料是丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的超声3D打印方法，其特征是：所述超声打印头是尖嘴超声打印头、弧形打印头、平嘴超声打印头。

6.根据权利要求1所述的超声3D打印方法，其特征是：所述多轴机械臂为五轴机械臂。

7.一种3D打印件，其特征是：由权利要求1-6任一项所述的超声3D打印方法制得。