CN116330648A - 一种可编程磁性光固化3d打印机 - Google Patents

一种可编程磁性光固化3d打印机 Download PDF

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CN116330648A CN202310410939.4A CN202310410939A CN116330648A CN 116330648 A CN116330648 A CN 116330648A CN 202310410939 A CN202310410939 A CN 202310410939A CN 116330648 A CN116330648 A CN 116330648A
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许明辉
杨恒
林鑫
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徐辉
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Abstract

一种可编程磁性光固化3D打印机，属于3D打印技术领域，本发明为解决现有3D磁化打印技术存在的问题。本发明包括协同控制的光固化系统和磁编程系统，两者交替工作，光固化系统根据预先设计3D打印件模型逐层、分区域固化树脂，磁编程系统用于对3D打印件逐层、分区域离散充磁，每层各个区域的磁粉的磁矩朝向按设定排布；光固化系统中，拔模机构和光源分别设置在底部透明的料池的上方和下方；磁编程系统包括磁头和平移机构，磁头产生点磁场，平移机构带动磁头对料池中的每层磁浆进行逐点扫描式充磁，每层扫描区域由预设模型的形状确定。待打印模型的每一层被分为多个待固化区域，每个待固化区域采用网格式划分为多个打印点，对每个打印点逐一进行打印。

Description

一种可编程磁性光固化3D打印机
技术领域
本发明属于3D打印技术领域。
背景技术
磁性颗粒与可固化的液体材料混合均匀后形成磁浆。在外部磁场的作用下，磁浆中的磁性颗粒被磁化并趋于在磁场方向上产生一致性排列，然后使用固化技术，使磁浆固化，最终完成对材料内部磁场的编码。光固化成型技术是一种被广泛使用的3D打印技术，目前可以通过紫外光光刻、电子束曝光、面投影微立体光刻等方式实现光固化材料的固化成型。
将光固化成型技术与磁编程技术结合，可实现物体内部的精准磁化，使物体内部具有预设分布方向的磁性，生产出的物体可在外部磁场的控制下快速完成指定动作或折叠成不同形状，在仿生机器人领域、生物医学领域有应用前景。
现有的光固化磁编程技术通常将磁化过程和光固化过程分开进行，使用永磁体或脉冲磁场进行磁化。该方法不能实现材料磁化和打印的协同控制，并且该方法只能用于打印结构简单、内部磁性连续的物体，不能实现精准、三维、离散的磁编程，不能完成复杂三维结构的磁编程3D打印。虽然使用三维亥姆霍兹线圈可以产生三维、可变磁场，并能协同控制，但是由于亥姆霍兹线圈的特殊结构，只在线圈中心产生小范围均匀磁场，磁场周围有线圈遮挡，对加工工件的尺寸有较大限制，只能加工小尺寸工件。
发明内容
针对现有3D磁化打印技术存在的问题，本发明提供一种可编程磁性光固化3D打印机。
本发明所述一种可编程磁性光固化3D打印机，包括协同控制的光固化系统和磁编程系统，两者交替工作，光固化系统根据预先设计的3D打印件模型逐层、分区域固化树脂，磁编程系统用于对3D打印件逐层、分区域离散充磁，每层各个区域的磁粉的磁矩朝向按设定排布；
光固化系统包括料池1、拔模机构2和光源4，拔模机构2和光源4分别设置在底部透明的料池1的上方和下方；
磁编程系统包括磁头3和平移机构5，磁头3产生点磁场，平移机构5带动磁头3对料池1中的每层磁浆进行逐点扫描式充磁，每层扫描区域由预设模型的形状确定；
待打印模型的每一层被分为多个待固化区域，每个待固化区域采用网格式划分为多个打印点，对每个打印点逐一进行打印，打印固化过程为：
S1、平移机构5带动磁头3移动，对准待固化的打印点；
S2、磁头3通电产生该待固化区域预设方向的磁场，使待固化区域的磁粉的磁矩旋转并对齐外界磁场；
S3、打开光源照射待固化的打印点，使该打印点固化。
优选地，磁头(3)采用磁镊结构，由m个磁极线圈向心环绕构成，m大于或等于3；通过给不同磁极线圈输入特定方向和大小的电流，在P点产生设定大小和方向的期望磁场，对待固化的打印点进行充磁。
优选地，建立坐标系，以充磁中心为坐标原点，充磁中心为待固化的打印点P，m个磁极线圈以z轴为对称轴进行向心环绕布置，根据期望磁场
Figure BDA0004183211670000021
的磁场强度大小和方向确定每个磁极线圈的通入电流；
当m＝4时，
磁镊的四个磁极线圈所通的电流I1～I4分别为：
Figure BDA0004183211670000022
Figure BDA0004183211670000023
Figure BDA0004183211670000024
Figure BDA0004183211670000025
其中，
B是期望磁场
Figure BDA0004183211670000026
的磁场强度；
k1,k2是一个与磁头材料、结构、线圈匝数相关的常量；
φ为期望磁场
Figure BDA0004183211670000027
的磁场强度方向与z轴夹角；
θ为期望磁场
Figure BDA0004183211670000028
在xy平面中投影与x轴夹角；
α为充磁中心和某一磁镊尖端连线与z轴夹角。
优选地，还包括机架10，拔模机构2、料池1和平移机构5从上至下依次安装在机架10上。
优选地，还包括刮板6，所述刮板6设置在料池1中，沿料池1底部往复运动。
优选地，光源4采用激光光源，激光光源固定在磁头3上并跟随磁头3运动。
优选地，光源4采用LED光源组件，所述LED光源组件包括LED光源7、LCD屏幕8和聚光罩9，LED光源7设置在磁头3下方的支撑板上，聚光罩9设置于LED光源7周围用于聚光，LCD屏幕8为透明屏幕，并作为掩膜设置于磁头3上方的料池1底板下表面。
本发明的有益效果：本发明所述一种可编程磁性光固化3D打印机能实现3D打印过程中材料磁化方向随打印快速实时控制，实现精准、三维、离散磁化控制，使物体内部具有预设分布方向的磁性。使用该设备打印出的物体，在外部磁场的作用下能够实现特定的运动和变形，因此该设备可快速、灵活地制造结构复杂、功能多样的磁控软体机器人。
本发明磁化装置可以在小空间范围内产生的预设的磁场，在平移装置的配合下以扫描的方式对各区域进行充磁，可实现大尺寸、形状复杂工件的加工。
附图说明
图1是本发明所述一种可编程磁性光固化3D打印机的结构示意图；
图2是本发明所述一种可编程磁性光固化3D打印机的工作流程图；
图3是3D打印过程的原理分解图，其中图3(a)为待打印工件结构示意图，图3(b)为层B实例，图3(c)为图3(b)的B-B剖面，图3(d)为打印a区域，图3(e)为打印b区域；
图4是磁头磁场方向示意图；
图5是两种光源设计示意图；其中图5(a)为激光光源，图5(b)为LED光源。
1、料池，2、拔模机构，3、磁头，4、光源，5、平移机构，6、刮板，7、LED光源，8、LCD屏幕，9、聚光罩，10、立架。
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种可编程磁性光固化3D打印机，包括协同控制的光固化系统和磁编程系统，两者交替工作，光固化系统根据预先设计的3D打印件模型逐层、分区域固化树脂，磁编程系统用于对3D打印件逐层、分区域离散充磁，每层各个区域的磁粉的磁矩朝向按设定排布，使打印件各个区域的磁粉的磁矩朝向任意设定的方向，同时相邻区域内磁粉磁矩方向可以有较大差异而不必连续。最终得到立体的打印件。
参见图1，光固化系统包括料池1、拔模机构2和光源4，拔模机构2和光源4分别设置在底部透明的料池1的上方和下方；
磁编程系统包括磁头3和平移机构5，磁头3产生点磁场，平移机构5带动磁头3对料池1中的每层磁浆进行逐点扫描式充磁，每层扫描区域由预设模型的形状确定；
待打印模型的每一层被分为多个待固化区域，每个待固化区域采用网格式划分为多个打印点，对每个打印点逐一进行打印，打印固化过程为：
S1、平移机构5带动磁头3移动，对准待固化的打印点；
S2、磁头3通电产生该待固化区域预设方向的磁场，使待固化区域的磁粉的磁矩旋转并对齐外界磁场；
S3、打开光源照射待固化的打印点，使该打印点的磁浆固化。
料池1为便于展示只画出其中一半，底部透明，其中装有光敏树脂和磁性粉末的混合物。拔模机构2将打印完成的部分抬升，使打印原材料充满待打印层。
平移机构5可以使用两个正交的四杆滑台组成，也可以由具有同样功能的机械结构来完成。采用平移装置，可以带动磁头3在任意大的空间范围内移动。
磁头3采用磁镊结构，并使用yoke设计以完善磁路，提高磁场产生效率。磁镊由m个磁极线圈向心环绕构成，m个磁极线圈周向均布，m大于或等于3，可以是3、4、5、6、7、8……极；通过给不同磁极线圈通入特定方向和大小的电流，可以在空间中某一点P产生指定磁场方向的期望磁场，对待固化的打印点进行充磁，这是一种通用的磁场发生装置。下面给出一个m＝4的实施例，可在磁极中心(即待固化区域，见图4中P点)激发产生任意方向三维磁场。
磁头3的主体材质采用低矫顽力、高磁导率的软磁性材料，如铁氧体等制成。使用软磁性材料的目的是放大线圈产生的磁场，同时尽可能降低剩磁带来的磁场方向偏差等负面影响。
建立坐标系，以充磁中心为坐标原点，充磁中心为待固化的打印点P，m个磁极线圈以z轴为对称轴进行向心环绕布置，根据期望磁场
Figure BDA0004183211670000051
的磁场强度大小和方向确定每个磁极线圈的通入电流；
当m＝4时，
磁镊的四个磁极线圈所通的电流I1～I4分别为：
Figure BDA0004183211670000052
Figure BDA0004183211670000053
Figure BDA0004183211670000054
Figure BDA0004183211670000055
其中，
B是期望磁场
Figure BDA0004183211670000056
的磁场强度；
k1,k2是一个与磁头材料、结构、线圈匝数相关的常量，为标定量；
φ为期望磁场
Figure BDA0004183211670000057
的磁场强度方向与z轴夹角；
θ为期望磁场
Figure BDA0004183211670000058
在xy平面中投影与x轴夹角；
α为充磁中心和某一磁镊尖端连线与z轴夹角。
参见图2是本发明固化流程示意图，首先配置打印原料并加入到料池1中，然后逐层固化打印件，每一层的固化是逐点完成的，每一个点都需要经过如下过程：
1.平移机构5带动磁头3移动，对准待固化的点。
2.磁头3通电产生期望磁场，使待固化区域的磁粉的磁矩旋转并对齐外界磁场。
3.使用一定波长的光照射待固化的点，使该点固化。
这里用户给定的设置包括有打印件的形状、打印件不同位置的充磁方向等信息。具体而言，可以参考图3，如果希望固化得到如图3(a)的结构，将其分为多层，从上至下逐层打印，以打印层B为例，层B中的磁粉期望磁矩方向如图3(b)，根据指令，装置会执行程序将待打印的一层分成若干区域，层B分为a区域、b区域……六个区域，同一区域中各打印点的期望磁场的大小和方向相同，每个区域用网格化划分出多个待打印点，打印流程为平移磁头3对准a区域中一个打印点，给四个磁极线圈通入一定大小和方向的电流，产生a区域预设充磁方向的磁场
Figure BDA0004183211670000061
使a区域磁粉磁矩朝向a区域预设的充磁方向，之后光源照射a区域待固化打印点，a区域中其它打印点不接受光照，使该点打印材料固化而其他打印材料不固化，如图3(d)所示。以此类推，在平移机构5的辅助下，以扫描方式固化a区域中所有打印点，完成a区域的磁化打印。
a区域固化之后平移机构5带动磁头对准b区域中一个打印点，开启扫描式磁化打印b区域，具体过程与a区域一致，不同之处在于，b区域的期望磁场为
Figure BDA0004183211670000062
大小和方向与其它区域都可以不同，b区域的磁化打印示意图如图3(e)所示。
以此类推，即可完成层B中如图3(c)的所有区域的固化流程。每打印完一层之后，拔模机构上升一个打印层的高度，继续进行下一层的打印。在完成所有层的打印之后，完成整个打印件的打印。
其中打印材料是一种复合材料，包括光敏树脂和磁性粉末两种物质，为市售商品。光敏树脂可以是各种柔性光固化树脂，如GC3D-EBE、Godart E600等。磁粉可以是任意硬磁性粉末，如铝镍钴粉末、钕铁硼粉末、四氧化三铁粉等。
磁粉混合之后使用超声搅拌机等仪器搅拌均匀，再置入真空箱抽真空消除气泡，确保磁粉和光敏树脂充分混合。混合之后，需要对打印材料进行充磁，即使用一个脉冲强磁场磁化打印材料，这里要求磁场强度足以使磁性粉末磁矩接近饱和。如果磁粉在混合前已经完成充磁操作，则混合后不需要进行重复充磁。
根据预设的充磁图案，磁镊会在充磁中心产生指定方向的磁场，其磁场强度的大小足以使磁粉在磁力矩的作用下旋转，但不会使磁粉自身的磁矩明显下降(即使磁粉退磁、重新磁化)。充磁中心的打印材料中的磁粉只会在磁力矩的作用下旋转，最终磁粉的磁矩会和外界磁场方向(即磁镊产生的磁场的方向)对齐。而已经被紫外光照射的、固化的区域里的磁粉，因为已经被树脂固定，所以其磁矩方向不会发生变化。
为了防止磁粉在打印原料中的沉降，拔模机构2上升的过程，具体可以优化为先提升较高距离，再降低一定距离，最终来到比前一打印层高一个打印层高度的位置，目的是通过拔模机构2的运动搅拌打印原料。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括机架10，拔模机构2、料池1和平移机构5从上至下依次安装在机架10上。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括刮板6，所述刮板6设置在料池1中，沿料池1底部往复运动。
为了保证磁粉在树脂中始终均匀分布，在装置中加入混合机构，如在料池1中加入刮板6。在拔模机构2提升和下降之间，刮板6会在料池1底部水平往复运动以进一步防止磁粉在打印原料中的沉降。
具体实施方式四：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，光固化系统中，光源4可以采用两种方案：
方案一、光源4采用激光光源，激光光源固定在磁头3上并跟随磁头3运动，向上照射待固化的区域(图1中即此方案)，激光光源固定在磁头3正下方和磁头联动，同样以打印图3中层B举例，当磁头3对准a区域一个打印点时激光亦对准该点。激光光源也可以固定在机架(未画出)上，通过反射镜等光学元件引导激光照射待固化区域。
方案二、光源4也可以是点光源，如光源4采用LED光源组件，所述LED光源组件包括LED光源7、LCD屏幕8和聚光罩9，LED光源7设置在磁头3下方的支撑板上，聚光罩9设置于LED光源7周围用于聚光，LCD屏幕8为透明屏幕，设置于磁头3上方的料池1底板下表面。此方案中需要在料池1下加入一块LCD屏幕8(图中只展示局部)用作掩膜，以防非固化区域被照射到而固化。光源的波长需要和光敏树脂相匹配，如在树脂选择Godart E600的情况下，需要选择波长为405纳米的光源。
通过LED光源7配合LCD屏幕8(图中只展示局部)，控制LCD屏幕8使只有待打印点位置允许LED光源7光线通过，此时LED光源7需要固定在磁头3正下方，为了提高光源利用率，可以加入高反射率材料(如铝等金属材料)制成的聚光罩9。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (7)

1.一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，包括协同控制的光固化系统和磁编程系统，两者交替工作，光固化系统根据预先设计的3D打印件模型逐层、分区域固化树脂，磁编程系统用于对3D打印件逐层、分区域离散充磁，每层各个区域的磁粉的磁矩朝向按设定排布；
光固化系统包括料池(1)、拔模机构(2)和光源(4)，拔模机构(2)和光源(4)分别设置在底部透明的料池(1)的上方和下方；
磁编程系统包括磁头(3)和平移机构(5)，磁头(3)产生点磁场，，平移机构(5)带动磁头(3)对料池(1)中的每层磁浆进行逐点扫描式充磁，每层扫描区域由预设模型的形状确定；
待打印模型的每一层被分为多个待固化区域，每个待固化区域采用网格式划分为多个打印点，对每个打印点逐一进行打印，打印固化过程为：
S1、平移机构(5)带动磁头(3)移动，对准待固化的打印点；
S2、磁头(3)通电产生该待固化区域预设方向的磁场，使待固化区域的磁粉的磁矩旋转并对齐外界磁场；
S3、打开光源照射待固化的打印点，使该打印点固化。
2.根据权利要求1所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，磁头(3)采用磁镊结构，由m个磁极线圈向心环绕构成，m大于或等于3；通过给不同磁极线圈输入特定方向和大小的电流，在P点产生设定大小和方向的期望磁场，对待固化的打印点进行充磁。
3.根据权利要求1所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，建立坐标系，以充磁中心为坐标原点，充磁中心为待固化的打印点P，m个磁极线圈以z轴为对称轴进行向心环绕布置，根据期望磁场
Figure FDA0004183211650000011
的磁场强度大小和方向确定每个磁极线圈的通入电流；
当m＝4时，
磁镊的四个磁极线圈所通的电流I1～I4分别为：
Figure FDA0004183211650000012
Figure FDA0004183211650000013
Figure FDA0004183211650000014
Figure FDA0004183211650000015
其中，
B是期望磁场
Figure FDA0004183211650000021
的磁场强度；
k1,k2是一个与磁头材料、结构、线圈匝数相关的常量；
φ为期望磁场
Figure FDA0004183211650000022
的磁场强度方向与z轴夹角；
θ为期望磁场
Figure FDA0004183211650000023
在xy平面中投影与x轴夹角；
α为充磁中心和某一磁镊尖端连线与z轴夹角。
4.根据权利要求1所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，还包括机架(10)，拔模机构(2)、料池(1)和平移机构(5)从上至下依次安装在机架(10)上。
5.根据权利要求4所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，还包括刮板(6)，所述刮板(6)设置在料池(1)中，沿料池(1)底部往复运动。
6.根据权利要求1所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，光源(4)采用激光光源，激光光源固定在磁头(3)上并跟随磁头(3)运动。
7.根据权利要求1所述一种可编程磁性光固化3D打印机，其特征在于，光源(4)采用LED光源组件，所述LED光源组件包括LED光源(7)、LCD屏幕(8)和聚光罩(9)，LED光源(7)设置在磁头(3)下方的支撑板上，聚光罩(9)设置于LED光源(7)周围用于聚光，LCD屏幕(8)为透明屏幕，并作为掩膜设置于磁头(3)上方的料池(1)底板下表面。
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