CN115891148A - 一种用于液态热固化材料固化成型的3d打印设备及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备及其打印方法，包括设置在同一直线上的料槽、光学透镜、红外投影装置、打印平台，还包括机架、控制器和升降组件；所述光学透镜固定安装在所述料槽的旁侧，所述料槽内盛装有液态热固化材料，所述液态热固化材料与光学透镜的侧面抵接；所述红外投影装置间隔设置在光学透镜的旁侧；通过红外投影装置与光学透镜的配合，利于红外投影装置将单层模型通过红外光的方式投影到透过光学透镜中，使得液态热固化材料吸收红外光后发生固化交联，实现液态热固化材料的单层并且整层热固化成型；再配合升降组件连续调节打印的高度，成型效率更高，无需对材料进行改性，还能增强材料的固化后的力学性能。

Description

一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备。

背景技术

常用的液态热固化材料包括硅胶、环氧树脂、聚氨酯等，传统液态热固化材料加工通过注塑工艺，即将液态热固化材料注塑到模具中，通过加热模具使液态热固化材料固化成型；这种方式依赖模具精密加工，成本高耗时长。

而常见的液态热固化材料的材料分子无法通过UV光固化聚合，导致传统的3D打印方法无法直接实现液态热固化材料的光固化成型。虽然以前报道的硅胶光固化技术，但是均需要对聚硅氧烷分子进行改性，在分子链引入聚丙烯酸酯等可通过光固化交联的活性基团。并且硅胶的改性工艺复杂，价格昂贵，聚丙烯酸酯的交联密度有限，影响其力学性能，也限制了该新材料的商业化。更重要的是，对于医用级的硅胶，硅胶改性会增加材料毒性，影响其医学应用。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是提供一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，包括设置在同一直线上的料槽、光学透镜、红外投影装置、打印平台，还包括机架、控制器和升降组件；

所述料槽、红外投影装置、控制器和升降组件均固定安装在所述机架上；

所述光学透镜固定安装在所述料槽的旁侧，所述料槽内盛装有液态热固化材料，所述液态热固化材料与光学透镜的侧面抵接；所述打印平台固定安装在所述升降组件的活动端上，通过升降组件将打印平台送入料槽内部并使得打印平台浸泡在液态热固化材料中，所述红外投影装置间隔设置在所述光学透镜的旁侧，使得所述红外投影装置发出的红外光图像投影到光学透镜中；所述光学透镜对红外光具有透过性。

进一步地，所述光学透镜的表面粗糙度小于打印平台的表面粗糙度。

进一步地，所述液态热固化材料为硅胶、环氧树脂、聚氨酯中的一种；所述红外投影装置产生的红外光波长在750-1500nm之间。

进一步地，所述光学透镜设置在所述料槽底部，所述红外投影装置设置在所述光学透镜的底部下方。

进一步地，所述光学透镜设置在所述料槽顶部，所述红外投影装置设置在所述光学透镜的顶部上方。

进一步地，所述红外投影装置的旁侧还设置有补液装置。

进一步地，所述补液装置包括补液罐，所述补液罐为开口向下倒置，并且补液罐的开口位于所述料槽内液态热固化材料的液面下。

进一步地，所述补液装置包括补液罐、抽料组件和液面检测传感器；所述补液罐设置在所述料槽的旁侧并通过所述抽料组件与所述料槽连通；所述液面检测传感器设置在所述料槽的上方。

进一步地，所述机架上还设置有冷却装置；所述冷却装置包括固定安装在料槽旁侧或浸泡在液态热固化材料内的吸热头，固定安装在机架上的冷却头，连通所述吸热头与所述冷却头的第一循环管和第二循环管，串接在所述第一循环管上的水泵，以及设置在所述冷却头侧面的散热器。

本发明还提供了一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备的打印方法，包括以下步骤：

步骤S1：将待打印的3D数字模型进行分层处理，将分层后的数据传输到控制器中；

步骤S2：升降组件控制打印平台靠近光学透镜，并且初始状态下，打印平台与光学透镜之间的间距在0.01-0.2mm之间；

步骤S3：红外投影装置根据控制器中的分层数据将单层的图像以红外光的方式投影到光学透镜上，红外光透过光学透镜后照射到液态热固化材料上，使得液态热固化材料吸收红外光的能量后温度升高并固化，从而使得单层的打印模型整层固化成型，并吸附在打印平台上；

步骤S4：单层打印结束后，升降组件调整打印平台与光学透镜之间的距离，使得液态热固化材料流动到打印模型与光学透镜之间；

步骤S5：重复上述步骤S3-S4，实现液态热固化材料的逐层打印；

步骤S6：最终得到液态热固化材料固化后的3D模型。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备及其打印方法，具备以下有益效果：

1、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，通过红外投影装置与光学透镜的配合，利于红外投影装置将控制器中的分层后的单层模型通过红外光的方式投影到光学透镜中，再利用光学透镜对红外光的高透过性，使得红外光照射到料槽内的液态热固化材料，液态热固化材料在吸收红外光后温度升高并且发生固化交联，从而实现液态热固化材料的单层热固化成型；再配合升降组件连续调节打印的高度，从而实现液态热固化材料的直接热固化成型；

2、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，通过红外投影装置与光学透镜的配合，利用红外投影装置将模型的单层图像整体投影到光学透镜中，使得液态热固化材料实现整面固化，相比现有的先制作模具、注塑成型再热固化成型的方式，成型效率更高。

3、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，采用红外投影装置对液态热固化材料进行热固化的方式，无需对液态热固化材料进行改性，工艺更简单，也不会增加材料的毒性，便于医学应用，还利于液态热固化材料在热固化成型后增加材料的力学性能。

附图说明

图1为实施例1的立体图；

图2为实施例1的剖视图；

图3为冷却装置的结构图；

图4为实施例1的系统连接框图；

图5为实施例2的剖视图；

图6为图5中A处的放大图；

图7为补液装置的结构图；

图8为实施例3的剖视图；

图9为实施例3的系统连接框图；

图10为一种液态热固化材料3D打印设备的打印方法的流程图。

附图标记为：1-料槽，2-光学透镜，3-红外投影装置，4-打印平台，5-机架、6-控制器，7-升降组件，8-冷却装置，81-吸热头，82-冷却头，83-第一循环管，84-第二循环管，85-水泵，9-补液装置，91-补液罐，92-抽料组件，93-液面检测传感器，10-消泡机构，101-刮刀，102-往复组件。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

另，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或固定方式，其连接或固定方式均可为通过现有技术中常用的螺栓固定或钉销固定，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不在详述。

实施例1

一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，如图1-2所示，包括设置在同一直线上的料槽1、光学透镜2、红外投影装置3、打印平台4，还包括机架5、控制器6和升降组件7；

所述料槽1、红外投影装置3、控制器6和升降组件7均固定安装在所述机架5上；

所述光学透镜2固定安装在所述料槽1的旁侧，所述料槽1内盛装有液态热固化材料，所述液态热固化材料与光学透镜2的侧面抵接；所述打印平台4固定安装在所述升降组件7的活动端上，通过升降组件7将打印平台4送入料槽1内部并使得打印平台4浸泡在液态热固化材料中，所述红外投影装置3间隔设置在所述光学透镜2的旁侧，使得所述红外投影装置3发出的红外光图像投影到光学透镜2中。

本发明中的所述光学透镜2对红外光具有透过性，使得红外光穿透光学透镜2后照射到液态热固化材料，从而便于液态热固化材料吸收红外线的能量后产生热量，从而引发高分子聚合反应，使得液态热固化材料固化成型。

本发明中所述的光学透镜2包括光学玻璃材料、硅、锗和合成晶体中的一种；所述光学玻璃材料包括BK7、B270、派热克斯、硼浮法和紫外熔融石英中的一种；所述合成晶体包括ZnSe、ZnS、蓝宝石、KBr、CaF2、BaF2、MgF和LiF中的一种；上述的光学玻璃材料对750-3000nm波段的近红外光具有50％以上的透光率。

所述光学透镜2的表面粗糙度小于打印平台4的表面粗糙度，从而使得热固化材料对光学透镜2吸附力低，对打印平台4吸附力高，随着打印平台4上升，打印好的模型层会吸附于打印平台4上；并且打印的速度会受到液态热固化材料粘度的影响，最佳粘度范围在1-6000mPas。

在本实施例中，所述液态热固化材料可以为硅胶、环氧树脂、聚氨酯中的一种，上述材料在吸收光子能量后产生热量，从而引发高分子聚合反应，完成材料的固化交联；

在本实施例中，所述红外投影装置3产生的红外光波长在750-1500nm之间，从而易于被液态热固化材料吸收。

所述红外投影装置3基于红外光DLP技术，可将红外光投影成2D图像，并且利用高功率(20-200w)红外激光，在上述的750-1500nm区间中的特定波长下，将图像投影至平面，像素分辨率可达1280*800px。

在本实施例中，所述光学透镜2设置在所述料槽1底部，所述红外投影装置3设置在所述光学透镜2的底部下方，从而通过红外投影装置3向上投影红外光图像到光学透镜2，使得模型在料槽1的底部固化，从而在打印过程中，不需要持续增加液态热固化材料。

如图3所示，所述机架5上还设置有冷却装置8，用于抑制过度加热和整体升温效应，通过冷却装置8将液态热固化材料的温度保持5-30度之间；所述冷却装置8包括固定安装在料槽1旁侧或浸泡在液态热固化材料内的吸热头81，固定安装在机架5上的冷却头82，以及连通所述吸热头81与所述冷却头82的第一循环管83和第二循环管84，串接在所述第一循环管83上的水泵85，以及设置在所述冷却头82侧面的散热器86；通过水泵85将吸热头81中吸收热量后的冷却水泵85回到冷却头82中，利用散热器86降低冷却头82中冷却水的温度，再将冷却后的冷却水通入到吸热头81中吸取热量，从而有效降低料槽1内液态热固化材料的温度。

在本实施例中，所述升降组件7为高精度螺杆升降机构。

在本实施例中，如图4所示，所述红外投影装置3、升降组件7、散热器86和水泵85均与所述控制器6电性相连，并且受到控制器6的控制。

实施例2

如图5所示，在本实施例中，所述光学透镜2设置在所述料槽1顶部，所述红外投影装置3设置在所述光学透镜2的顶部上方，从而使得光学透镜2与液态热固化材料的液面抵接，随着打印的进行，液态热固化材料的液面会降低，于是所述红外投影装置3的旁侧还设置有补液装置9。

在本实施例中，如图6所示，为了使得料槽内的液态热固化材料与光学透镜2之间不会存在气泡而导致的液态热固化材料与光学透镜2的底面不完全接触，因此料槽顶部还设置有消泡机构10，用于消除液态热固化材料与光学透镜2之间的气泡；另外，还可以通过抽真空装置对光学透镜与料槽围成的密闭腔体进行抽真空，从而实现真空消泡。

所述消泡机构10包括刮刀101和往复组件102，所述刮刀与所述光学透镜2的底部抵接，所述往复组件102与刮刀的一端固定连接，所述往复组件包括连接杆、丝杠和转动电机；所述转动电机的活动端与所述丝杆固定连接，所述连接杆的一端与丝杆对于配合，另一端与所述刮刀固定连接；从而每层打印前，通过往复组件102带动刮刀移动，使得液态热固化材料与光学透镜2之间的气泡被刮出。

在本实施例中，如图7所示，所述补液装置9包括补液罐91，所述补液罐91为开口向下倒置，并且补液罐91的开口位于所述料槽1内液态热固化材料的液面下，或补液罐91的开口与所述料槽内的液态热固化材料连通，从而当液面低于补液罐91的开口处时，由于重力，会使得补液罐91内的液态热固化材料流入到料槽1内并提高液面高度；当液面高度高于补液罐91的开口位置时，由于大气压强，则使得补液罐91内的液态热固化材料不能流出。

实施例3

如图8所示，在本实施例中，所述补液装置9包括补液罐91、抽料组件92和液面检测传感器93；所述补液罐91设置在所述料槽1的旁侧并通过所述抽料组件92与所述料槽1连通；所述液面检测传感器93设置在所述料槽1的上方；当液面传感器检测到料槽1内的液面降低到一定数值时，通过抽料组件92产生吸力并将补液罐91内的液态热固化材料抽入到料槽1内。

在本实施例中，如图9所示，所述抽液组件92和液面检测传感器93均与所述控制器6电性相连，并且受到控制器6的控制。

另外，本发明还提供一种液态热固化材料3D打印设备的打印方法，如图10所示，包括以下步骤：

步骤S1：将待打印的3D数字模型进行分层处理，将分层后的数据传输到控制器6中；

步骤S2：升降组件7控制打印平台4靠近光学透镜2，并且初始状态下，打印平台4与光学透镜2之间的间距在0.01-0.2mm之间；

步骤S3：红外投影装置3根据控制器6中的分层数据将单层的图像以红外光的方式投影到光学透镜2上，红外光透过光学透镜2后照射到液态热固化材料上，使得液态热固化材料吸收红外光的能量后温度升高并固化，从而使得单层的打印模型整层固化成型，并吸附在打印平台4上；

步骤S4：单层打印结束后，升降组件7调整打印平台4与光学透镜2之间的距离，使得液态热固化材料流动到打印模型与光学透镜2之间；

步骤S5：重复上述步骤S3-S4，实现液态热固化材料的逐层打印；

步骤S6：最终得到液态热固化材料固化后的3D模型。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备及其打印方法，具备以下有益效果：

1、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，通过红外投影装置与光学透镜的配合，利于红外投影装置将控制器中的分层后的单层模型通过红外光的方式投影到光学透镜中，再利用光学透镜对红外光的高透过性，使得红外光照射到料槽内的液态热固化材料，液态热固化材料在吸收红外光后温度升高并且发生固化交联，从而实现液态热固化材料的单层热固化成型；再配合升降组件连续调节打印的高度，从而实现液态热固化材料的直接热固化成型；

2、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，通过红外投影装置与光学透镜的配合，利用红外投影装置将模型的单层图像整体投影到光学透镜中，使得液态热固化材料实现整面固化，相比现有的先制作模具、注塑成型再热固化成型的方式，成型效率更高。

3、该用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，采用红外投影装置对液态热固化材料进行热固化的方式，无需对液态热固化材料进行改性，工艺更简单，也不会增加材料的毒性，便于医学应用，还利于液态热固化材料在热固化成型后增加材料的力学性能。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于，包括设置在同一直线上的料槽、光学透镜、红外投影装置、打印平台，还包括机架、控制器和升降组件；

所述料槽、红外投影装置、控制器和升降组件均固定安装在所述机架上；

所述光学透镜固定安装在所述料槽的旁侧，所述料槽内盛装有液态热固化材料，所述液态热固化材料与光学透镜的侧面抵接；所述打印平台固定安装在所述升降组件的活动端上，通过升降组件将打印平台送入料槽内部并使得打印平台浸泡在液态热固化材料中，所述红外投影装置间隔设置在所述光学透镜的旁侧，使得所述红外投影装置发出的红外光图像投影到光学透镜中；所述光学透镜对红外光具有透过性。

2.如权利要求1所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述光学透镜的表面粗糙度小于打印平台的表面粗糙度。

3.如权利要求2所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述液态热固化材料为硅胶、环氧树脂、聚氨酯中的一种；所述红外投影装置产生的红外光波长在750-1500nm之间。

4.如权利要求3所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述光学透镜设置在所述料槽底部，所述红外投影装置设置在所述光学透镜的底部下方。

5.如权利要求3所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述光学透镜设置在所述料槽顶部，所述红外投影装置设置在所述光学透镜的顶部上方。

6.如权利要求5所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述红外投影装置的旁侧还设置有补液装置。

7.如权利要求6所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述补液装置包括补液罐，所述补液罐为开口向下倒置，并且补液罐的开口位于所述料槽内液态热固化材料的液面下。

8.如权利要求6所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述补液装置包括补液罐、抽料组件和液面检测传感器；所述补液罐设置在所述料槽的旁侧并通过所述抽料组件与所述料槽连通；所述液面检测传感器设置在所述料槽的上方。

9.如权利要求4、7、8任一项所述的一种用于液态热固化材料固化成型的3D打印设备，其特征在于,所述机架上还设置有冷却装置；所述冷却装置包括固定安装在料槽旁侧或浸泡在液态热固化材料内的吸热头，固定安装在机架上的冷却头，连通所述吸热头与所述冷却头的第一循环管和第二循环管，串接在所述第一循环管上的水泵，以及设置在所述冷却头侧面的散热器。

10.一种使用如权利要求1-4任一项所述3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将待打印的3D数字模型进行分层处理，将分层后的数据传输到控制器中；

步骤S2：升降组件控制打印平台靠近光学透镜，并且初始状态下，打印平台与光学透镜之间的间距在0.01-0.2mm之间；

步骤S3：红外投影装置根据控制器中的分层数据将单层的图像以红外光的方式投影到光学透镜上，红外光透过光学透镜后照射到液态热固化材料上，使得液态热固化材料吸收红外光的能量后温度升高并固化，从而使得单层的打印模型整层固化成型，并吸附在打印平台上；

步骤S4：单层打印结束后，升降组件调整打印平台与光学透镜之间的距离，使得液态热固化材料流动到打印模型与光学透镜之间；

步骤S5：重复上述步骤S3-S4，实现液态热固化材料的逐层打印；

步骤S6：最终得到液态热固化材料固化后的3D模型。

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