CN115782175A - 一种节材型光固化打印机及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节材型光固化打印机及打印方法，包括机架，所述机架底层安装液槽，液槽内水平放置平台，平台上排布若干孔洞，平台与丝杠升降系统连接，实现平台的上下运动；所述液槽内侧除丝杠升降系统所在侧外的其余三个侧面均通过伸缩装置连接保护板，液槽侧壁与保护板之间放置气囊；所述机架中层两端安装一组导轨，两个导轨之间安装刮刀，刮刀带有可伸缩式刀头，刮刀处于液槽上方，刮刀沿导轨来回移动，将液槽内的液面刮平；所述机架顶层安装激光器。本方案中，当平台下降到最低端时，通过充气将液面抬高，然后继续打印，能够将打印模型周围的液态光敏树脂充分利用，提高液态光敏树脂的一次利用率，也适用于打印高度较大模型。

Description

一种节材型光固化打印机及打印方法

技术领域

本发明涉及光固化3D打印技术，具体涉及一种节材型光固化打印机及打印方法。

背景技术

光固化3D打印，亦称立体光刻(Stereolithography，SLA)，是目前世界上发现最早、研究最深入的一种3D打印技术。SLA的工作原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理而工作的。工业上常用的是下沉式的光固化打印机，在树脂槽的上方安装有光源设备，紫外光束通过快速移动的偏转振镜对平台上的树脂进行固化。反射控制系统控制振镜在X轴和Y轴方向移动，将光源发出的紫外光束引导至相应的区域，受到照射的液态树脂就会由点到线、由线到面固化。平台从树脂槽的顶部开始，逐层固化，经过一层一层地打印，得到最终所需的模型。

目前下沉式的光固化打印机在每次打印完成后，液槽内部都会剩余大量的旧液，一般采取的做法是将这些光敏树脂留在液槽中用于下次的打印，然而在存放的过程中一旦遇到光线的照射极容易发生固化，造成材料失效，进而导致浪费。树脂材料的价格昂贵，对生产成本的控制带来巨大压力。

近年来，上拉式的SLA打印机出现，光源置于树脂槽下方，树脂槽下方透明，从底部逐层打印，虽然大大降低了树脂的浪费，提高了一次利用率，但是容易出现固化树脂粘贴在槽底、打印尺寸受限和在剥离过程中的拉力可能会导致打印失败等问题。且上拉式的SLA打印机常用于桌面级打印，工业上需要兼容非常大的打印尺寸且精度较高的下沉式SLA打印机。

申请号为201510807896.9的专利公开了一种树脂槽组件及具有该组件的激光快速成型设备。其在树脂槽内底部装有活塞传动装置，活塞上方和树脂槽之间的薄膜用于盛放树脂，通过活塞装置可改变树脂槽的容积，因此在打印小型模型时节省树脂材料，并且薄膜便于树脂材料的快速更换。然而该装置还是无法将模型周围的液态树脂利用起来，且在打印高度较大模型时没有明显的优势。

因此开发一款能够提高液态树脂一次利用率，减少浪费，降低成本的光固化打印机是非常有必要的。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种节材型光固化打印机及打印方法，采用该方案时，当平台下降到最低端时，通过充气将液面抬高，然后继续打印，能够将打印模型周围的液态光敏树脂充分利用，提高液态光敏树脂的一次利用率，也适用于打印高度较大模型。

技术方案：本发明包括机架，所述机架底层安装液槽，液槽内水平放置平台，平台上排布若干孔洞，平台与丝杠升降系统连接，实现平台的上下运动；所述液槽内侧除丝杠升降系统所在侧外的其余三个侧面均通过伸缩装置连接保护板，保护板处于平台上方，液槽侧壁与保护板之间放置气囊；所述机架中层两端安装一组导轨，两个导轨之间安装刮刀，刮刀带有可伸缩式刀头，刮刀处于液槽上方，刮刀沿导轨来回移动，将液槽内的液面刮平；所述机架顶层安装激光器。

所述平台固定安装在L型托架的底面上方，L型托架顶部与丝杠升降系统连接，通过丝杠升降系统将带动平台上下移动。

所述气囊靠液槽侧壁的一侧与嵌入液槽侧壁的充气接头连接；所述充气接头的另一端与外部的输气管一端相连，实现向气囊内充气。

所述输气管另一端连接在安装于液槽外侧壁的充气泵上，充气泵通过输气管向液槽中的气囊充气；所述充气泵上设置流量控制表，通过流量控制表控制充入气囊的空气体积。

所述气囊采用高分子聚酞胺织物材料制作，并且内壁涂有一层聚氯丁二烯用以密封气体，气囊外表面具有抗腐蚀性，在充气后具有良好的塑性。

所述刮刀在气囊工作时，液槽内的液面每上升一个层厚高度时，刀头向上缩进一个层厚的高度，之后再刮平液面。

本发明还包括一种节材型光固化打印方法，包括以下步骤：

S1：打印开始前，向液槽中倒入一定量液态光敏树脂；

S2:打印机读入由切片软件处理输出的切片文件，得到模型的扫描路径和切片层厚的数据信息；

S3：平台上升至离液面一个切片层厚处，刮刀工作刮平液面，此时激光器开始工作，打印第一层；

S4：第一层打印完毕，激光器关闭，平台下降一个切片层厚，刮刀继续刮平液面，激光器继续启动打印；

S5：重复步骤S4，直至平台下降到液槽的最底层并完成当前层的打印，保护板伸出，直至保护板与模型之间的间隔达到预设距离；

S6：根据设定好的充气量向三个气囊均匀充入气体，使液面上升一个切片层厚；同时，刮刀调整刀头高度，并刮平液面；激光器继续启动打印，当前层打印完毕后关闭激光；

S7：重复步骤S6直至模型打印完成；

S8:放掉气囊中空气，保护板缩回液槽的侧壁，取出模型。

步骤S1中，向液槽中倒入液态树脂的量根据模型的高度来确定，开始倒入的液态树脂高度量为所打模型高度的3/5，若打印过程中气囊露出液面，则相应补充光敏树脂。

步骤S6中，每次充入三个气囊的空气总体积的计算公式如下：

V＝Δh·S

式中，△h为切片层厚，S表示液槽的底面积。

有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：通过内部的保护板、气囊和带有可伸缩式刀头的刮刀等装置，在平台降至最底端时，保护板负责保护打印模型并为气囊腾出空间，气囊和刮刀配合工作，将打印模型周围原本难以利用的液态树脂抬升利用。大大降低了后续因存储而造成的变质失效，节省了树脂新液，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明正面的结构示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为气囊与输气管处的连接剖视图；

图5为刮刀的结构示意图；

图6为打印过程中液槽的内部状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。

如图1-5所示，本发明的节材型光固化打印机包括机架1、激光器2、刮刀3、可伸缩式刀头31、液槽4、气囊5、保护板6、伸缩杆61、L型托架7、平台8、输气管9、充气接头91、充气泵10、流量控制表101。机架1由铝型材或不锈钢等材料制成，机架1包括底层、中层、顶层；激光器2安装于机架1顶层的横杆上，激光器2属于SLA打印机的常规部件，具体结构可参考现有技术；机架1底层安装液槽4，液槽4内水平放置平台8，平台8上排布若干孔洞，平台8与丝杠升降系统连接，实现平台8的上下运动，具体实现方式如下，平台8固定安装在L型托架7的底面上方，L型托架7底部托住平台8，通过螺栓将二者固定，L型托架7顶部通过螺栓与丝杠升降系统连接。也可以采用其他升降系统，只要能实现平台8的升降运动即可。液槽4内侧除丝杠升降系统及L型托架7所在侧外的其余三个侧面均通过伸缩装置连接保护板6，保护板6处于平台8上方，伸缩装置具体为伸缩杆61，在保护板6底部与液槽4侧壁之间装有两个伸缩杆61，伸缩杆61可伸缩的一端安装在保护板6上，另一端安装在液槽4内侧壁。两个伸缩杆61间隔设置，液槽4侧壁与保护板6之间放置气囊5，气囊5处于两个伸缩杆61之间。伸缩装置不限于本方案的伸缩杆，也可以采用其他伸缩装置，只要能够推送保护杆6来回运动便可。保护板6可根据平台8上打印模型的尺寸，通过伸缩杆61使得保护板6抵近至距离打印模型最大尺寸5mm处，防止气囊5碰到打印模型影响打印。如图2和图4所示，气囊5靠液槽4侧壁的一侧与嵌入液槽4侧壁的充气接头91连接；充气接头91的另一端与外部的输气管9一端相连。输气管9另一端连接充气泵10，充气泵10安装于液槽4外侧面上，充气泵与三个方向的输气管9相连，充气泵10可通过输气管9向液槽中的气囊5充气；充气泵10上设置流量控制表101，通过流量控制表101控制充入气囊5的空气体积。充气接头91嵌在液槽4的侧壁中，作为气囊5与输气管9连接的中间零件，其两端分别与气囊5和输气管9密封连接，使得充气泵10输出的空气可以顺利地通过输气管9充入气囊5中。本实施例中，气囊5采用高分子聚酞胺织物材料制作，并且内壁涂有一层聚氯丁二烯用以密封气体。

如图1和图5所示，机架1中层两端安装一组导轨，两个导轨之间安装刮刀3，刮刀3带有可伸缩式刀头31，刮刀3处于液槽4上方，在气囊5工作抬升液态树脂液面的过程中可根据液面的高度及时调整刀头的高度，刮刀3沿导轨来回移动，确保液槽4内的液面刮平。

本发明还包括一种节材型光固化打印方法，具体包括以下步骤：

S1：打印开始前，向液槽4中倒入一定量液态光敏树脂；具体为，根据打印模型的高度，向液槽4中倒入高度量为模型高度3/5的光敏树脂；

S2:打印机读入由切片软件处理输出的切片文件，得到模型的扫描路径和切片层厚等数据信息；本实施例中，采用magics软件对模型进行切片处理并生成切片文件；

S3：平台8上升至离液面一个切片层厚处，刮刀3工作刮平液面，此时激光器2开始工作，打印第一层；

S4：第一层打印完毕，激光器2关闭，平台8下降一个切片层厚，刮刀3继续刮平液面，激光器2继续启动打印；

S5：重复步骤S4，直至平台8下降到液槽4的最底层并完成当前层的打印，保护板6伸出，直至保护板6与打印模型之间的间隔达到预设距离；本实施例中，保护板6与打印模型之间的间隔设置为5mm。

S6：根据设定好的充气量向三个气囊5均匀充入气体，使液面上升一个切片层厚；同时，刮刀3调整刀头高度，并刮平液面；激光器2继续启动打印，当前层打印完毕后关闭激光；其中，每次充入三个气囊5的空气总体积的计算公式如下：

V＝Δh·S

式中，△h为切片层厚，S表示液槽4的底面积。

S7：重复步骤S6直至模型打印完成；

S8:放掉气囊5中空气，保护板6缩回液槽4的侧壁，取出模型。

采用本发明的技术方案，可以将普通打印机打印模型周围难以利用的液态光敏树脂利用起来，提高光敏树脂的一次利用率，降低了大量残留树脂保存中变质导致的损失，节省了大量光敏树脂新液，有效降低了打印成本。

Claims (9)

1.一种节材型光固化打印机，包括机架(1)，其特征在于：所述机架(1)底层安装液槽(4)，液槽(4)内水平放置平台(8)，平台(8)上排布若干孔洞，平台(8)与丝杠升降系统连接，实现平台(8)的上下运动；

所述液槽(4)内侧除丝杠升降系统所在侧外的其余三个侧面均通过伸缩装置连接保护板(6)，保护板(6)处于平台(8)上方，液槽(4)侧壁与保护板(6)之间放置气囊(5)；

所述机架(1)中层两端安装一组导轨，两个导轨之间安装刮刀(3)，刮刀(3)带有可伸缩式刀头(31)，刮刀(3)处于液槽(4)上方，刮刀(3)沿导轨来回移动，将液槽(4)内的液面刮平；所述机架(1)顶层安装激光器(2)。

2.根据权利要求1所述的节材型光固化打印机，其特征在于：所述平台(8)固定安装在L型托架(7)的底面上方，L型托架(7)顶部与丝杠升降系统连接。

3.根据权利要求1所述的节材型光固化打印机，其特征在于：所述气囊(5)靠液槽(4)侧壁的一侧与嵌入液槽(4)侧壁的充气接头(91)连接；所述充气接头(91)的另一端与外部的输气管(9)一端相连。

4.根据权利要求1所述的节材型光固化打印机，其特征在于：所述输气管(9)另一端连接在安装于液槽(4)外侧壁的充气泵(10)上，充气泵(10)通过输气管(9)向液槽中的气囊(5)充气；所述充气泵(10)上设置流量控制表(101)，通过流量控制表(101)控制充入气囊(5)的空气体积。

5.根据权利要求1所述的节材型光固化打印机，其特征在于：所述气囊(5)采用高分子聚酞胺织物材料制作，并且内壁涂有一层聚氯丁二烯用以密封气体。

6.根据权利要求1所述的节材型光固化打印机，其特征在于：所述刮刀(3)在气囊(5)工作时，液槽(4)内的液面每上升一个层厚高度时，刀头(31)向上缩进一个层厚的高度，之后再刮平液面。

7.一种节材型光固化打印方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1所述的节材型光固化打印机，包括以下步骤：

S1：打印开始前，向液槽(4)中倒入一定量液态光敏树脂；

S2:打印机读入由切片软件处理输出的切片文件，得到模型的扫描路径和切片层厚的数据信息；

S3：平台(8)上升至离液面一个切片层厚处，刮刀(3)工作刮平液面，此时激光器(2)开始工作，打印第一层；

S4：第一层打印完毕，激光器(2)关闭，平台(8)下降一个切片层厚，刮刀(3)继续刮平液面，激光器(2)继续启动打印；

S5：重复步骤S4，直至平台(8)下降到液槽(4)的最底层并完成当前层的打印，保护板(6)伸出，直至保护板(6)与模型之间的间隔达到预设距离；

S6：根据设定好的充气量向三个气囊(5)均匀充入气体，使液面上升一个切片层厚；同时，刮刀(3)调整刀头高度，并刮平液面；激光器(2)继续启动打印，当前层打印完毕后关闭激光；

S7：重复步骤S6直至模型打印完成；

S8:放掉气囊(5)中空气，保护板(6)缩回液槽(4)的侧壁，取出模型。

8.根据权利要求7所述的节材型光固化打印方法，其特征在于：步骤S1中，向液槽(4)中倒入液态树脂的量根据模型的高度来确定，开始倒入的液态树脂高度量为所打模型高度的3/5，若打印过程中气囊(5)露出液面，则相应补充液态光敏树脂。

9.根据权利要求7所述的节材型光固化打印方法，其特征在于，步骤S6中，每次充入三个气囊(5)的空气总体积的计算公式如下：

V＝Δh·S

式中，△h为切片层厚，S表示液槽(4)的底面积。

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