CN115107272A

CN115107272A - 一种多材质构件体积打印成形方法及系统

Info

Publication number: CN115107272A
Application number: CN202210786170.1A
Authority: CN
Inventors: 韩晓筱; 王怡飞; 陈锋; 朱伟; 李璟; 王凡
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2022-09-27
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: CN115107272B

Abstract

本发明公开了一种多材质构件体积打印成形方法及系统，成形系统包括投影模块、光学调整模块、成形腔模块，监测模块、辅助模块和控制模块。成形方法是利用本发明所述成形系统，通过投影包含打印模型中心切片信息的图案光在预制打印基质中断层重建三维光剂量分布，进而体积性快速聚合打印基体，从而制备出成形件。本发明采用上述一种多材质构件体积打印成形方法及系统，避免了材料逐层叠加式增材制造构件的分层缺陷，解决了传统体积打印工艺中的制件沉降和材料粘度约束问题，拓宽了光学系统设计的自由度，可以实现大尺寸多材质构件的高精高效快速打印成形。

Description

一种多材质构件体积打印成形方法及系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种多材质构件体积打印成形方法及系统。

背景技术

3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，是一种以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及生物材料等，按照一定的工艺制造出实体物品的制造技术。与传统的机械加工方式相比，3D打印技术大大减少了加工工序，缩短了加工周期，可根据实际的需求实现个性化加工。但传统3D打印技术基本上都是依赖挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式，通过重复制造低维单元来实现材料堆积，从而制造三维实体，成形速度慢，成形效率低，难以实现打印制件的流水线式批量化生产；并且由于传统3D打印技术层层累积的材料堆积方法，制件不可避免的带有分层缺陷；此外，传统3D打印技术难以实现对已存在实体表面的材料包覆，难以实现多材质复杂结构制件的制造。

计算轴向光固化式体积打印技术是一种新型的3D打印技术，它能够提供更快的打印速度，并克服基于层的传统光固化3D打印技术的几何和表面的限制。该方法类似于反向执行CT扫描，通过投影包含打印模型中心切片信息的图案光在打印基质中断层重建三维光剂量分布，进而快速聚合打印基体，克服分层效应，实现打印件的快速成形。但这项技术目前存在以下不足：

(1)传统计算轴向光固化式体积打印方法，在打印过程中成形件液固相变造成的密度不均匀现象将导致成形件相对于打印基体的运动，影响计算轴向光固化打印技术的成形效果和成形精度，使得目前该方法只能使用高粘度打印基体，打印简单结构，局限了其应用与推广。

(2)传统计算轴向光固化式体积打印方法，缺乏必要的辅助成形装置和手段，难以实现多材质组分、复杂结构零部件的精确成形。

(3)传统计算轴向光固化式体积打印方法，缺少在线监测模块和闭环控制模块，不能实现成形过程的实时在线监测与闭环反馈调控。

(4)传统计算轴向光固化式体积打印系统，难以实现打印基质的快速循环装填，难以实现胚体、成形件的快速吞吐，不适合打印件的流水线式成规模生产。

(5)传统计算轴向光固化式体积打印系统，依赖光学调整装置一个环节将投影仪投影光线准直为近平行光，光学调整装置所承担光焦度大，鲁棒性差，且设计加工要求较高。

(6)传统计算轴向光固化式体积打印系统，依赖光学调整装置一个环节将投影仪投影光线准直为近平行光，则最终成形区域最大尺寸基本只能与光学调整装置中末端光学元件的通光口径相当，限制了打印装置的打印能力。

(7)传统计算轴向光固化式体积打印系统，需要将柱状透明成形腔浸没在盛有一定折射率匹配液的方槽中，盛有该容器的方槽仅承担防止因成形腔曲率影响造成的柱状透镜效应，设计冗余，且会在成形腔装卸过程中的造成折射率匹配液外泄，污染工作环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种多材质构件体积打印成形方法及系统，避免了材料逐层叠加式增材制造构件的分层缺陷，解决了传统体积打印工艺中的制件沉降和材料粘度约束问题，拓宽了光学系统设计的自由度，可以实现大尺寸多材质构件的高精高效快速打印成形。

为实现上述目的，本发明提供了一种多材质构件体积打印成形方法，包括以下步骤：

S1、建立待打印零件的虚拟模型文件，并针对其几何特征进行结构层划分和中心切片数据处理；

S2、根据待打印零件的材质，将同种或多种光敏基质与添加相均匀混合，制备出多种打印基体，并分别灌注入多个成形腔中待用；

S3、根据待打印零件的结构，在盛有当前待打印结构层对应打印基体的成形腔中选择性地安装空载或负载有胚体的辅助成形辊；

S4、利用多材质构件体积打印成形系统打印零件，开启辅助模块，将成形环境温度、压力、光照条件、气氛环境调整至合适状态；

S5、开启成形腔模块，成形腔将绕其自身轴线原地旋转，开启投影模块，包含当前结构层切片信息的图案光将经光学调整模块和成形腔腔体投射入打印基体中，开启监测模块监测打印件成形情况，并将成形情况反馈，以实时调整投影参数，成形腔内打印基体受辐照量逐渐积累并引发体积式固化成形；

S6、当前结构层打印完成后，若打印件结构层数等于当前结构层，转步骤S8，若打印件结构层数大于当前结构层，以盛有下一结构层对应打印基体的成形腔替换本工序成形腔，保留负载本工序成形件的辅助成形辊，安装至新成形腔中；

S7、重复步骤S4、S5、S6，直至完成零件的打印；

S8、清理回收未固化打印基体，取出打印件，进行后处理，使打印件达到所要求形性指标。

优选的，所述步骤S2中的添加相包括复合材料增强相和功能相，光敏基质包括可被光引发聚合的水凝胶和高分子聚合物。

优选的，所述成形腔为等曲率或变曲率柱状透光容器，成形腔在投影光投影波长段应具有不低于90％的透光率。

优选的，所述投影模块为以紫外光、可见光、激光为光源的投影光的投影装置。

优选的，所述辅助成形辊与所述成形腔之间为刚性或柔性连接，且所述辅助成形辊由若干个承载台和连接件组成，所述连接件与所述承载台连接，相邻两所述承载台之间通过刚性或柔性连接。

优选的，所述监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路。

一种多材质构件体积打印成形系统，包括：

成形腔模块，所述成形腔模块用于承载打印基体并带动其沿一定方向运动；

投影模块，所述投影模块用于投放包含模型切片出后数据信息的图案光，为打印基体的固化成形提供能量和信息；

位于所述投影模块与所述成形腔模块之间的光学调整模块，所述光学调整模块用于调整投影模块所投影图案光的光路、投影幅面大小、几何像差，分辨率光学参数；

辅助模块，所述辅助模块包括温度调节器及感应器、压力调节器及感应器、光强调节器及感应器、氧气含量调节器及感应器，根据成形工艺需要调整成形环境；

监测模块，所述监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路；

控制模块，所述控制模块与所述投影模块、所述成形腔模块、所述光学调整模块、所述监测模块及所述辅助模块相连接。

优选的，所述成形腔模块包括成形腔、与所述成形腔连接的辅助成形辊和与所述成形腔连接的动力模块，所述成形腔内装填有打印基体，所述成形腔上连接有打印基质循环系统。

优选的，所述打印基质循环系统通过回路管道与所述成形腔连接。

优选的，所述光学调整模块由单组或多组光学元件或具备光学特征的部件组成，在投影光投影波长段具有不低于90％的透光率，且所述光学调整模块的光学参数与成形腔、打印基质的光学参数相配合，将投影模块投影光准直为平行光或近平行光，入射进打印基质中。

优选的，若干个多材质构件体积打印成形系统串、并联组成多材质多结构零件打印生产流水线，利用辅助成形辊实现毛坯件、半成品打印件、成品打印件在不同工序间的快速传递。

因此，本发明采用上述一种多材质构件体积打印成形方法及系统，具备以下有益效果：

(1)构造简单，组装方便，使用灵活，通过辅助成形辊负载打印坯体或成形件，避免了成形件重力作用下的轴向沉降，可实现低粘度材料复杂结构零件的高精度成形，可实现对已存在构件表面的准确包覆、套印，并可实现多试件的一次打印成形，提高了成形效率。

(2)依靠光学调整模块及成形腔腔体两个环节将投影模块投影光准直为平行光或近平行光，降低了光学调整模块的设计加工要求。

(3)布置了视觉监测及闭环控制系统，可实现打印过程实时监测和闭环调控。

(4)成形系统的设计中取消了承载折射率匹配溶液的方槽，从而避免了成形腔体装卸时造成的匹配液外漏，精简了成形装置设计，降低了装置搭建成本，并提高了工作环境卫生条件；

(5)利用光学调整模块及成形腔腔体两个环节来准直投影系统出射图案光，投影光线经光学调整装置出射后，仍可呈放射状分布，在同等的光学系统通光口径下，拓宽了打印系统的打印尺寸，增加了光学装置设计的自由度。

(6)可多台串联使用，组成流水线以生产多材质多结构复合材料工件，只需将初始工序的带有本工序打印结构层的成形辊拆下，装入下一工序的成形腔中，便可进行下一结构层的制造，可实现多材质复杂构件的流水线式高效生产。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种多材质构件体积打印成形方法的打印流程图；

图2为本发明打印成形件第一结构层的系统装置结构示意图；

图3为本发明打印成形件第二结构层的系统装置结构示意图；

图4为本发明打印成形件结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种多材质构件体积打印成形方法，包括以下步骤：

S1、建立待打印零件的虚拟模型文件，并针对其几何特征进行结构层划分和中心切片数据处理。

S2、根据待打印零件的材质，将同种或多种光敏基质与添加相均匀混合，制备出多种打印基体，并分别灌注入多个成形腔中待用；添加相包括复合材料增强相和功能相，复合材料增强相包括短切纤维、碳化硅颗粒等常用复合材料增强相，功能相包括各种药物粉末、载药颗粒和光引发剂等功能相。光敏基质包括可被光引发聚合的水凝胶和高分子聚合物等材料，具有一定的透光性。成形腔为等曲率或变曲率柱状透光容器，成形腔在投影光投影波长段应具有不低于90％的透光率，材质为玻璃、塑料、水晶等透光材料。

S3、根据待打印零件的结构，在盛有当前待打印结构层对应打印基体的成形腔中选择性地安装空载或负载有胚体的辅助成形辊。

S4、利用多材质构件体积打印成形系统打印零件，开启辅助模块，将成形环境温度、压力、光照条件、气氛环境调整至合适状态。

S5、开启成形腔模块，成形腔将绕其自身轴线原地旋转，开启投影模块，包含当前结构层切片信息的图案光将经光学调整模块和成形腔腔体投射入打印基体中，开启监测模块监测打印件成形情况，并将成形情况反馈，以实时调整投影参数，成形腔内打印基体受辐照量逐渐积累并引发体积式固化成形。

S6、当前结构层打印完成后，若打印件结构层数等于当前结构层，转步骤S8，若打印件结构层数大于当前结构层，以盛有下一结构层对应打印基体的成形腔替换本工序成形腔，保留负载本工序成形件的辅助成形辊，安装至新成形腔中。

S7、重复步骤S4、S5、S6，直至完成零件的打印。

投影模块为以紫外光、可见光、激光为光源的投影光的投影装置。

辅助成形辊与成形腔之间为刚性或柔性连接，可实现与成形腔之间的同步或异步转动，且所述辅助成形辊由若干个承载台和连接件组成，所述连接件与所述承载台连接，相邻两所述承载台之间通过刚性或柔性连接，材质可为铝、铁等金属材质，也可为聚乳酸、玻璃等非金属材质。

监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路，可实时监测打印件的成形情况，传输数据至上位机进行运算，并进一步控制调整投影模块的投影参数。

一种多材质构件体积打印成形系统，包括：成形腔模块、投影模块1、位于投影模块1与成形腔模块之间的光学调整模块2、辅助模块3、、监测模块、控制模块，成形腔模块用于承载打印基体并带动其沿一定方向运动；成形腔模块包括成形腔4、与成形腔4连接的辅助成形辊5和与成形腔4连接的动力模块6，成形腔4内装填有打印基体7，成形腔4上连接有打印基质循环系统8。打印基质循环系统8通过回路管道与成形腔4连接，可受辅助模块的调控，实现成形腔中打印基质的按需循环供应。

投影模块用于投放包含模型切片出后数据信息的图案光，为打印基体的固化成形提供能量和信息；光学调整模块用于调整投影模块所投影图案光的光路、投影幅面大小、几何像差，分辨率光学参数；辅助模块包括温度调节器及感应器、压力调节器及感应器、光强调节器及感应器、氧气含量调节器及感应器，根据成形工艺需要调整成形环境；控制模块与投影模块、成形腔模块、光学调整模块、监测模块9及辅助模块相连接。

光学调整模块由单组或多组光学元件或具备光学特征的部件组成，其配置参数应充分考虑投影模块和成形腔模块的相对位置及光学关系，依靠光学调整模块及成形腔腔体两个环节将投影模块投影光准直为平行光或近平行光，并使其以垂直于成形腔内表面方向入射进打印基质，在投影光投影波长段应具有不低于90％的透光率，且光学调整模块的光学参数与成形腔、打印基质的光学参数相配合，将投影模块投影光准直为平行光或近平行光，入射进打印基质中，使得投影光在垂直于光线传播方向的过成形腔轴线的平面上几何像差相对最小。

通过将若干台多材质构件体积打印成形系统串、并联使用，组成多材质多结构零件打印生产流水线，利用辅助成形辊可实现毛坯件、半成品打印件、成品打印件在不同工序间的快速传递，提高生产效率。多材质构件体积打印成形方法使用所多材质构件体积打印成形系统进行多材质构件成形。

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例

建立待打印零件的虚拟模型文件，并针对其几何特征进行结构层划分，根据分析，本实施例打印件结构层数为2，分别针对各结构层模型进行中心切片；根据第一结构层11的材质，将同相对应光敏基质a1与添加相a2均匀混合，制备出打印基体，并分别灌注入柱状透明成形腔及打印基体循环系统中待用，如图2所示；根据第二结构层12的材质，将同相对应光敏基质b1与添加相b2均匀混合，制备出打印基体，并分别灌注入柱状透明成形腔及打印基体循环系统中待用，如图3所示。

根据第一结构层11的结构，在成形腔中安装空载的辅助成形辊，一并安装到动力模块中；开启辅助模块将成形环境温度、压力、光照条件、气氛环境调整至合适状态；开启动力模块，成形腔及辅助成形辊将绕其自身轴线原地旋转；开启投影模块，包含当前结构层切片信息的图案光将经光学调整模块和成形腔腔体投射入打印基体中，成形腔内打印基体受辐照量逐渐积累并引发体积式固化成形；开启监测模块监测打印件成形情况，并将成形情况反馈，以实时调整投影参数，并在第一结构层11的几何完全成形后，监测模块发出指令关闭投影,当前第一结构层11打印完成。

打印件结构层数为2，大于当前结构层数，则继续打印。以第一结构层11的成形腔替换成第二结构层12的成形腔安装到动力模块上，保留负载本工序成形件的辅助成形辊，进行必要的后处理后，安装至成形腔中；开启辅助模块重新将成形环境温度、压力、光照条件、气氛环境调整至合适状态；开启动力模块，成形腔及辅助成形辊将绕其自身轴线原地旋转；开启投影模块，包含当前结构层切片信息的图案光将经光学调整模块和成形腔腔体投射入打印基体中，成形腔内打印基体受辐照量逐渐积累并引发体积式固化成形；开启监测模块监测打印件成形情况，并将成形情况反馈，以实时调整投影参数，并在第二结构层12的几何完全成形后，监测模块发出指令关闭投影,当前第二结构层12打印完成。打印件结构层数为2，等于当前结构层数，则停止打印，打印完成，清理回收未固化打印基体，取出打印件，进行后处理，使打印件达到所要求形性指标。

因此，本发明采用上述一种多材质构件体积打印成形方法及系统，避免了材料逐层叠加式增材制造构件的分层缺陷，解决了传统体积打印工艺中的制件沉降和材料粘度约束问题，拓宽了光学系统设计的自由度，可以实现大尺寸多材质构件的高精高效快速打印成形。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S7、重复步骤S4、S5、S6，直至完成零件的打印；

2.根据权利要求1所述的一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于：所述步骤S2中的添加相包括复合材料增强相和功能相，光敏基质包括可被光引发聚合的水凝胶和高分子聚合物。

3.根据权利要求1所述的一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于：所述成形腔为等曲率或变曲率柱状透光容器，成形腔在投影光投影波长段应具有不低于90％的透光率。

4.根据权利要求1所述的一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于：所述投影模块为以紫外光、可见光、激光为光源的投影光的投影装置。

5.根据权利要求1所述的一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于：所述辅助成形辊与所述成形腔之间为刚性或柔性连接，且所述辅助成形辊由若干个承载台和连接件组成，所述连接件与所述承载台连接，相邻两所述承载台之间通过刚性或柔性连接。

6.根据权利要求1所述的一种多材质构件体积打印成形方法，其特征在于：所述监测模块包括上位机、监测相机、辅助光源、滤光片、光学透镜和数据传输线路。

7.一种多材质构件体积打印成形系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的一种多材质构件体积打印成形系统，其特征在于：所述成形腔模块包括成形腔、与所述成形腔连接的辅助成形辊和与所述成形腔连接的动力模块，所述成形腔内装填有打印基体，所述成形腔上连接有打印基质循环系统。

9.根据权利要求8所述的一种多材质构件体积打印成形系统，其特征在于：所述打印基质循环系统通过回路管道与所述成形腔连接。

10.根据权利要求7所述的一种多材质构件体积打印成形系统，其特征在于：所述光学调整模块由单组或多组光学元件或具备光学特征的部件组成，在投影光投影波长段具有不低于90％的透光率，且所述光学调整模块的光学参数与成形腔、打印基质的光学参数相配合，将投影模块投影光准直为平行光或近平行光，入射进打印基质中。

11.根据权利要求10所述的一种多材质构件体积打印成形系统，其特征在于：若干个多材质构件体积打印成形系统串、并联组成多材质多结构零件打印生产流水线，利用辅助成形辊实现毛坯件、半成品打印件、成品打印件在不同工序间的快速传递。