CN204749277U - 一种3d器件打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种3D器件打印设备，包括打印装置、激光器、激光传递装置、工作台、控制系统；打印装置连接并受控于控制系统在工作台打印出若干层溶胶凝胶/纳米颗粒墨水二维图形；激光器连接受控于控制系统发出激光；激光传递装置连接并受控于控制系统改变所述激光传播方向，采用激光在每一层溶胶凝胶/纳米颗粒墨水二维图形完成后对二维图形进行烧结，形成3D器件。有益效果：1.原材料选择范围广，可以是任意材料，包括金属、非金属、高分子材料以及金属氧化物、非金属氧化物材料等；2.成型件可以为任意形状，成型过程中不易变形；3.溶胶凝胶/纳米颗粒墨水具有大的比表面积，表面能高，熔点低，烧结过程实现致密化，避免缩孔、裂纹等缺陷。

Description

一种3D器件打印设备

技术领域

本实用新型涉及打印技术领域，尤其涉及一种3D器件打印设备。

背景技术

目前3D打印的主要技术包括光固化成型(StereoLithographyAppearance，SLA)、选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)、分层实体加工(LaminatedObjectManufacturing，LOM)、熔融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)、三维印刷(ThreeDimensionPrinting，3DP)等。

光固化成型(StereoLithographyAppearance，SLA)的成型过程是以光敏树脂为原料，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后移动台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。光固化成型的缺点在于：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形；(2)液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂；(3)设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高，并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整和苛刻严格空间环境，其费用也比较高；(4)使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料，而液态树脂有一定的气味和毒性，并且需要避光保护；(5)在很多情况下，经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，为提高模型的使用性能和尺寸稳定性，通常需要二次固化。

选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的CO2激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。但SLS技术只能选用特定成分的熔点较低的金属和陶瓷粉末。尤其是在制备金属器件时，由于温度梯度和热应力较大，最终加工成型后的工件表面比较粗糙，往往存在较多的气孔、缩孔、裂纹等缺陷，增强机械性能的后期处理工艺本身也比较复杂。

分层实体加工(LaminatedObjectManufacturing，LOM)采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等为原材料。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是应用材料局限于纤维纸、塑料膜等片材，前后处理费时费力，且不能制造中空结构件。

熔融沉积成型(FusedDepositionModeling，FDM)的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。材料在打印头内被加热熔化，打印头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。缺点在于：(1)选择的材料局限于低熔点的蜡、ABS、尼龙；(2)成型件的表面有较明显的条纹；(3)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(4)需要设计与制作支撑结构；(5)需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。

三维印刷工艺(ThreeDimensionPrinting，3DP)采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过打印头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。缺点是用粘结剂粘接的零件强度较低，致密性差，还须后处理。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种3D器件打印设备，所述3D器件打印设备包括打印装置、激光器、激光导向装置、工作台、控制系统；所述打印装置连接并受控于所述控制系统，用于在所述工作台上打印出若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形；所述激光器连接并受控于控制系统，用于发出激光；所述激光导向装置连接并受控于所述控制系统，用于改变所述激光传播方向，采用激光在每一层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形完成后对所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形进行烧结。

进一步地，所述控制系统包括计算机与控制台，所述控制台与计算机连接。

进一步地，所述打印装置包括材料供给装置，打印头；所述材料供给装置连接受控于所述计算机，用于储存所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶；所述打印头连接所述材料供给装置并连接受控于所述控制台，随控制台移动，用于在所述工作台上打印若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形。

进一步地，所述激光导向装置包括振镜系统与聚焦镜，所述振镜系统包括X振镜、Y振镜，所述X振镜和所述Y振镜根据控制系统的控制信号调整偏向角度，聚焦镜用于对激光进行聚焦。

进一步地，所述材料供给装置底部设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统连接。

进一步地，所述的溶胶凝胶或纳米颗粒墨水原材料为金属、非金属、高分子材料、金属氧化物以及非金属氧化物材料。

与现有技术相比，本实用新型的优势在于：

（1）原材料选择范围广，可以是任意材料，尤其是现有技术无法适用的氧化物等；（2）成型件可以为任意形状，成型过程中不易变形，也无需复杂的前后处理工序；(3)纳米颗粒墨水/溶胶凝胶具有大的比表面积，表面能高，熔点低，降低了烧结温度，节约了能源，且纳米颗粒墨水/溶胶凝胶颗粒直径小又具有高的界面能，低温烧结过程可以实现致密化，避免缩孔、裂纹等缺陷，成型后成型件表面光滑，质量优异。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以从这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种3D器件打印设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

参考图1所述，所述3D器件打印设备包括打印装置1、激光器2、激光导向装置3、工作台4、控制系统5；所述打印装置1连接并受控于所述控制系统5，用于在所述工作台4上打印出若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形，事先已经将所述3D器件的原材料制备成纳米颗粒墨水/溶胶凝胶。所述激光器2连接并受控于控制系统5，用于发出激光，激光器2的开关时间、功率、频率、占空比等受所述控制系统5控制；所述激光导向装置3连接并受控于所述控制系统5，用于改变所述激光传播方向，采用激光在每一层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形完成后对所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形进行烧结，形成3D器件。

本技术方案的有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优势在于：（1）原材料选择范围广，可以是任意材料，尤其是现有技术无法适用的氧化物等；（2）成型件可以为任意形状，成型过程中不易变形，也无需复杂的前后处理工序；(3)纳米颗粒墨水/溶胶凝胶具有大的比表面积，表面能高，熔点低，降低了烧结温度，节约了能源，且纳米颗粒墨水/溶胶凝胶颗粒直径小又具有高的界面能，低温烧结过程可以实现致密化，避免缩孔、裂纹等缺陷，成型后成型件表面光滑，质量优异。

更佳实施例中，所述控制系统5包括计算机51与控制台52，所述控制台52与计算机51连接。所述计算机51发出控制信号控制所述控制台52在三维空间移动。

更佳实施例中，所述打印装置1包括材料供给装置11，打印头12；所述材料供给装置11连接受控于所述计算机51，所述材料供给装置11的阀门的开口大小及打开时间受计算机51控制。所述材料供给装置11用于储存所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶；所述打印头12连接所述材料供给装置11并连接受控于所述控制台52，所述打印头12随控制台52移动，移动路径即是打印路径，所述打印头12根据打印路径在所述工作台4上打印出若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形。

更佳实施例中，所述激光导向装置3包括振镜系统31与聚焦镜32，所述振镜系统31包括X振镜311、Y振镜312，所述X振镜311和所述Y振镜312根据控制系统5的控制信号调整偏向角度，通过调整偏向角度改变激光的传播方向。聚焦镜32用于对激光进行聚焦。

更佳实施例中，所述材料供给装置11底部设有压力传感器111，所述压力传感器111与所述控制系统5连接。控制系统5根据压力传感器111采集的压力信号可以判断所述材料供给装置11内纳米颗粒墨水/溶胶凝胶的剩余量并显示出来，但剩余量不足时，提醒用户及时添加。

更佳实施例中，所述的溶胶凝胶或纳米颗粒墨水原材料为金属、非金属、高分子材料、金属氧化物以及非金属氧化物材料，但不限于此，可以为任意材料，因为任意的原材料都可以制备成溶胶凝胶/墨水。

本实用新型一种3D器件设备的打印方法，包括以下步骤：

1）将3D器件原材料制备成纳米颗粒墨水/溶胶凝胶；

2）根据3D器件的形状和性能要求，在控制系统5上进行三维建模并将三维图形分割为若干层二维图形，计算出3D器件在每一层二维图形上的形状，设计出打印路径，同时根据所述纳米颗粒黑水/溶胶凝胶的成分和颗粒直径，计算出激光烧结温度和时间；

3）将步骤1）制备的纳米颗粒墨水/溶胶凝胶装入材料供给装置11，打印头12在控制系统5的控制下根据步骤2）获得的打印路径在工作台4上先进行一层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形的打印，打印时激光器2发出激光，所述激光在激光导向装置3的引导下对刚刚打印的区域进行烧结，使纳米颗粒墨水/溶胶凝胶中除了3D器件的原材料以外的物质挥发；烧结完成后控制系统5控制打印头12上移预设距离进行下一层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形的打印，然后再采用激光进行烧结，逐层叠加，最终形成3D器件。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种3D器件打印设备，其特征在于，包括打印装置、激光器、激光导向装置、工作台、控制系统；所述打印装置连接并受控于所述控制系统，用于在所述工作台上打印出若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形；所述激光器连接并受控于控制系统，用于发出激光；所述激光导向装置连接并受控于所述控制系统，用于改变所述激光传播方向，采用激光在每一层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形完成后对所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形进行烧结，形成3D器件。

2.根据权利要求1所述的一种3D器件打印设备，其特征在于，所述控制系统包括计算机与控制台，所述控制台与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的一种3D器件打印设备，其特征在于，所述打印装置包括材料供给装置，打印头；所述材料供给装置连接受控于所述计算机，用于储存所述纳米颗粒墨水/溶胶凝胶；所述打印头连接所述材料供给装置并连接受控于所述控制台，随控制台移动，用于在所述工作台上打印若干层纳米颗粒墨水/溶胶凝胶二维图形。

4.根据权利要求1所述的一种3D器件打印设备，其特征在于，所述激光导向装置包括振镜系统与聚焦镜，所述振镜系统包括X振镜、Y振镜，所述X振镜和所述Y振镜根据控制系统的控制信号调整偏向角度，聚焦镜用于对激光进行聚焦。

5.根据权利要求3所述的一种3D器件打印设备，其特征在于，所述材料供给装置底部设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制系统连接。

6.根据权利要求1所述的一种3D器件打印设备，其特征在于，所述的溶胶凝胶或纳米颗粒墨水原材料为金属、非金属、高分子材料、金属氧化物以及非金属氧化物材料。