CN110238929B - 挤出式光固化增材制造设备及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种挤出式光固化增材制造设备，包括安装在设备框架上的打印平台、胚料成型子系统和设置于胚料成型子系统上方的光固化投影子系统；光固化投影子系统能够将固化光按照成型要求的图形投射到胚料成型子系统的工作成型面；胚料成型子系统包括供料装置、打印挤出装置和机械运动装置；打印挤出装置包括打印挤出嘴，机械运动装置能够带动打印挤出嘴运动；打印挤出嘴的直径为光固化投影子系统的分辨率尺寸的至少两倍。本发明提供的增材制造设备及方法能够使用低精度的挤出喷头提高胚体的成型速度，通过高精度的光固化投影实现高精度的3D打印；所述增材制造方法通过对3D打印结构采取不同的光固化策略，使打印胚体更加稳固可靠，使支撑结构易于被清除。

Description

挤出式光固化增材制造设备及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种挤出式光固化增材制造设备及方法。

背景技术

增材制造技术俗称3D打印技术，近些年被广泛关注。其中，熔丝挤出式(FDM)3D打印技术因为简单易操作成本低等特点得到日益广泛的应用。但是该技术的打印速度和打印精度是不可调和的矛盾。这种挤出形式的3D打印方法演变后可以改装用于挤出打印膏泥成型材料，并被用于陶瓷，金属粉末烧结等领域，但是，挤出打印膏泥同样存在速度慢精度低的问题。

中国发明专利CN106584637B公开了一种基于陶瓷材料的增材制造成形装置，包括：光固化机构、传动机构以及挤出回抽机构，光固化机构设于挤出回抽机构的一端，传动机构设于挤出回抽机构的另一端；另外，光固化机构还包括调光器、紫外线灯固定盘和紫外固化灯，可以均匀连续将陶瓷光固化浆料挤出，光固化同时沉积成形。中国发明专利申请CN108285330A公开一种用于激光沉积成型的3D打印的陶瓷液及其制备和使用方法，涉及3D打印的陶瓷液及其制备和使用方法；试图解决现有的液态陶瓷3D打印方法制备出的陶瓷材料层间界面明显、密度低、强度差的技术问题。中国发明专利申请CN108582416A包括对大中型陶瓷器陶瓷坯体的外表面修平、精雕处理和/或彩绘处理、上釉等后续处理工艺与陶瓷器外轮廓面的制得属于相差特定时空间隔的同时异步处理，并且采用可见光或紫外光激发的光固化来加速硬化处理。以上几种发明中虽然采用光固化的方式来改善膏泥材料的3D打印过程，但是对该类材料的3D打印精度并没有进行改进，也没有对膏泥状材料3D打印支撑的处理提出专门的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高膏泥材料3D打印精度的挤出式光固化增材制造设备及方法。

本发明解决问题的技术方案是：所述增材制造设备，包括安装在设备框架上的打印平台、胚料成型子系统和设置于胚料成型子系统上方的光固化投影子系统；光固化投影子系统能够将固化光按照成型要求的图形投射到胚料成型子系统的工作成型面；胚料成型子系统包括供料装置、打印挤出装置和机械运动装置；打印挤出装置包括打印挤出嘴，机械运动装置能够带动打印挤出嘴运动；打印挤出嘴的直径为光固化投影子系统的分辨率尺寸的至少两倍。

进一步地，打印挤出装置为远程供料装置，其包括依次相连的打印挤出嘴、柔性打印材料导管、挤出泵，挤出泵与供料装置相连。

进一步地，供料装置包括供料助推装置，供料助推装置是泥浆泵、推杆或者压缩空气泵中的一种或几种。

进一步地，打印挤出嘴通过轴承安装在机械运动装置上，打印挤出嘴的出口面中心法线与轴承的旋转轴线重合。

进一步地，胚料成型子系统包括多套供料装置和打印挤出装置，每个打印挤出装置装设的成型材料含有不同的色料。

进一步地，胚料成型子系统包括多套供料装置和打印挤出装置，每个打印挤出装置装设的成型材料含有不同的基材。

进一步地，还包括设置在供料装置或打印挤出装置上的加热装置。

进一步地，打印挤出嘴带有震动装置。

进一步地，打印挤出嘴带有螺杆挤出装置。

一种挤出式光固化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1：为需要打印的实体模型本体设置必要的支撑结构，生成处理后的打印实体模型；对处理后的打印实体模型进行切片分层，得到若干个层叠结构图层；根据光固化投影子系统的分辨率，生成与每个层叠结构图层对应的投影图层，投影图层内包括光固化成型图形；根据每个层叠结构图层，生成对应的挤出路径；挤出路径采用的打印挤出嘴的直径为光固化投影子系统的分辨率尺寸的至少两倍；每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内；

步骤2：根据在步骤1中生成的挤出路径的第一层，使用胚料成型子系统在打印平台上挤出第一层膏泥胚体；

步骤3：根据在步骤1中生成的投影图层的第一层，使用光固化投影子系统将固化光按照光固化成型图形投影在膏泥胚体的第一层，使膏泥胚体的第一层按照光固化成型图形的形状固化，得到第一层膏泥光固化体；

步骤4：根据在步骤1中生成的后续层的所述挤出路径，使用所述胚料成型子系统在前一层膏泥光固化体上挤出后续层的膏泥胚体；

步骤5：根据在步骤1中生成的对应后续层的所述投影图层，使用所述光固化投影子系统将固化光按照后续层的所述光固化成型图形投影在后续层的所述膏泥胚体上，使后续层的所述膏泥胚体按照其所对应的投影图层的光固化成型图形的形状固化，得到后续层的膏泥光固化体；由于每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内，膏泥光固化体的外侧包裹着未光固化的膏泥胚体；同时由于光固化投影子系统投射的固化光能量足够高，使上下相邻两层的膏泥光固化体牢固固化并结合在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，逐层固化后得到被未光固化的膏泥胚体包覆着的全部层叠结构图层的膏泥光固化体；

步骤7：去除未固化的膏泥胚体，得到最终高分辨率的膏泥光固化体。

进一步地，打印挤出装置为远程供料装置，其包括依次相连的打印挤出嘴、柔性打印材料导管、挤出泵，其中的挤出泵与供料装置相连。

进一步地，在步骤3和步骤5时，对于支撑结构投射比实体模型本体多20％以上的光固化能量。

进一步地，在步骤3和步骤5时，对于支撑结构与实体模型本体之间的接触部分投射比实体模型本体少20％以上的光固化能量。

进一步地，在挤出过程中将膏泥成型材料加热到10C到100C。

相对于现有技术，本发明的有益效益是：本发明提供的增材制造设备及方法能够使用低精度(大口径)的挤出喷头提高胚体的成型速度，同时，通过高精度的光固化投影实现高精度的3D打印。另外，通过对3D打印支撑结构采取不同的光固化策略，使其更加稳固可靠并且易于清除。

附图说明

图1为所述增材制造设备的主视图。

图2为所述增材制造设备的立体图。

图3为打印实体模型的水平截面示意图。

图4为打印实体模型的垂直截面图。

图5为所述打印挤出嘴的安装示意图。

附图标记说明：1-设备框架；2-光固化投影子系统；3-供料装置；4-挤出泵；5-柔性打印材料导管；6-打印挤出嘴；7-机械运动装置；8-打印挤出装置；9-打印平台；10-轴承；11-膏泥胚体；12-膏泥光固化体；13-胚料成型子系统；21-实体模型本体；22-支撑结构；23-模型本体与支撑结构的接触部分。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，所述增材制造设备，包括安装在设备框架1上的打印平台9、胚料成型子系统13和设置于胚料成型子系统13上方的光固化投影子系统2；光固化投影子系统2能够将固化光按照成型要求的图形投射到胚料成型子系统的工作成型面，工作成型面就是胚料成型子系统新生成的膏泥胚体层；胚料成型子系统13包括供料装置3、与供料装置3相连接的包括打印挤出嘴6的打印挤出装置8和能够带动打印挤出嘴6运动的机械运动装置7；打印挤出嘴6的直径为光固化投影子系统2的分辨率尺寸的至少两倍，具体地，为实现较好的打印效果，打印挤出嘴6的直径在0.3mm至30mm之间；光固化投影子系统2的投影分辨率在0.01mm至10mm之间；为了满足小型打印系统(打印尺寸最大为200mm×200mm×200mm以下)的打印精度和打印速度要求，打印挤出嘴6的直径被设计为2mm，光固化投影子系统2的分辨率被设计为0.1mm。

本发明所使用的成型材料为光固化膏泥材料，也就是光敏膏泥材料(本发明中光固化材料即为光敏材料)。该膏泥材料可以富含(可达80％以上)预聚物树脂或者固体成分，例如粉末材料(陶瓷粉末、金属粉末、高分子粉末)或者纤维材料(玻璃纤维、碳纤维、石墨烯、化纤、纳米纤维等)，所以粘度较高，具有触变性，挤出后在光固化成型过程中(通常为10秒左右)，不会因流淌产生明显的形变。另外该材料含有光敏成分，通常为光引发剂和具有官能团的树脂单体和预聚物，在固化光的照射下能发生聚合反应产生固态的实体。

胚料成型子系统13通过挤出式3D打印过程将膏泥材料逐层挤出产生与打印挤出嘴6的精度(打印挤出嘴的出口直径)相当的膏泥胚体11，并在该过程中逐层用光固化投影子系统2在对应的膏泥胚体层中固化出达到光固化投影子系统分辨率的膏泥光固化体12，如图3所示，光固化投影子系统2固化出的膏泥光固化体12包含在胚料成型子系统13挤出的膏泥胚体11的外轮廓内。也就是说，先通过低精度(大口径)挤出的方式形成膏泥状成型材料的膏泥胚体11，然后通过高精度地投射固化光对低精度的膏泥胚体11进行固化。固化光是使膏泥胚体11能够在较短的时间内(通常从几秒到几十秒)完成初步固化(即定形)的辐射能量，具体形式为紫外光，可见光，红外线，微波等。投影方式是矢量扫描或者光栅投影。

进一步地，供料装置3包含供料助推装置(图中未示出)，供料助推装置是泥浆泵、推杆或者压缩空气泵中的一种或几种；供料助推装置与挤出泵4的区别在于，挤出过程中出料量的多少由挤出泵4控制，而供料装置3的供料助推装置只提供一定的推力辅助挤出过程。

进一步地，打印挤出装置8为远程供料装置，其包括依次相连的打印挤出嘴6、柔性打印材料导管5、挤出泵4，其中的挤出泵4与供料装置3相连。

进一步地，如图5所示，打印挤出嘴6通过轴承10安装在机械运动装置7上，打印挤出嘴6的出口面中心法线与轴承10的旋转轴线重合。轴承10是深沟球轴承(优选采用双列深沟球轴承)、滑套轴承或者其它类型的轴承。打印挤出嘴6如果直接固定在机械运动装置7上，在运动时不可避免地会使打印挤出嘴6连接的柔性打印材料导管5的发生扭动产生与柔性打印材料导管5同轴的扭力，该扭力一方面增加运动的阻力，另一方面增加柔性打印材料导管5的疲劳从而降低其寿命。因为轴承10与打印挤出嘴6是同心的，其转动不会影响打印挤出嘴6的位置，同时所述扭力能够通过转动释放。

进一步地，胚料成型子系统13包括多套供料装置和打印挤出装置，每个打印挤出装置装设的成型材料含有不同的色料。

进一步地，胚料成型子系统13包括多套供料装置和打印挤出装置，每个打印挤出装置装设的成型材料含有不同的基材。例如，一个打印挤出嘴挤出的膏泥含有50％以上陶瓷粉末；另一个挤出的膏泥含有50％以上的金属粉末，特别是高熔点高硬度难于进行机械加工的金属，例如金属钨或者金属镍的粉末。通过这种方式能够实现异种材料的混合3D打印。

进一步地，还包括设置在供料装置3或打印挤出嘴6上的加热装置(图中未示出)，以便使膏泥成型材料在挤出过程中加热到10C到100C之间。膏泥成型材料粘度大具有触变性，加热能够使其粘度降低，减小挤出时的阻力。加热装置可以有多种安装方式，例如可以用电热丝包裹在打印挤出嘴外部，或者将加热芯插入到供料装置3的膏泥成型材料的通路中，还可以通过诸如热风、红外或者微波等非接触加热手段加热膏泥成型材料。

进一步地，打印挤出嘴6带有震动装置(图中未示出)。

进一步地，打印挤出嘴6带有螺杆挤出装置(图中未示出)。

所述挤出式光固化增材制造方法，包括以下步骤：

步骤1：为需要打印的实体模型本体21设置必要的支撑结构22，生成处理后的打印实体模型；对处理后的打印实体模型进行切片分层，得到若干个层叠结构图层；根据光固化投影子系统2的分辨率，生成与每个层叠结构图层对应的投影图层，投影图层内包括光固化成型图形；根据每个层叠结构图层，生成对应的挤出路径；挤出路径采用的打印挤出嘴6的直径为光固化投影子系统2的分辨率尺寸的至少两倍；每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内；

步骤2：根据在步骤1中生成的挤出路径的第一层，使用胚料成型子系统13将膏泥状成型材料在打印平台9上挤出形成膏泥胚体11的第一层，即第一层膏泥胚体；

步骤3：根据在步骤1中生成的投影图层的第一层，使用光固化投影子系统2将固化光按照光固化成型图形投影在膏泥胚体11的第一层，使膏泥胚体11的第一层按照光固化成型图形的形状固化，得到膏泥光固化体的第一层，即第一层膏泥光固化体；

步骤4：根据在步骤1中生成的后续层的挤出路径，使用胚料成型子系统将膏泥状成型材料在前一层膏泥光固化体上挤出形成后续的膏泥胚体11，即后续层膏泥胚体；

步骤5：根据在步骤1中生成的对应该后续层的投影图层，使用光固化投影子系统2将固化光按照光固化成型图形投影在后续的膏泥胚体11，使后续的膏泥胚体11按照其所对应的投影图层的光固化成型图形形状固化，得到该层的膏泥光固化体，即后续层膏泥光固化体；由于每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内，膏泥光固化体的外侧包裹着未光固化的膏泥胚体；同时由于光固化投影子系统2投射的固化光能量足够高，使上下相邻两层的膏泥光固化体牢固固化并结合在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，逐层固化后得到被未光固化的膏泥胚体包覆着的全部层叠结构图层的膏泥光固化体12；

步骤7：去除未固化的膏泥胚体，得到最终高分辨率的膏泥光固化体12。

进一步地，如图4所示，在步骤3和步骤5时，对于支撑结构22投射比实体模型本体21多20％以上的光固化能量，从而使支撑结构过曝光提高强度。通过调整固化光类型、固化光强度和投射固化光的时间能够调整光固化能量。光固化投影子系统2的光源类型通常是固定的，也就是固化光类型(也就是固化光的波长)是固定的，但是针对特定的需求也可以实现多种光源类型，例如设置有365nm的光源和405nm的光源，工作时根据光敏成分的特性选择更合适的光源。通常来说，能量等于功率与时间的乘积，本发明中的功率也就是固化光的强度，时间就是投射固化光的时间。光固化的深度D＝Dp*ln(E/Ec)。其中，Dp是固化光的在光固化膏泥材料中的穿透深度，定义为固化光在光固化材料中衰减到1/e时的深度，e是自然底数；E就是固化光的能量，如前为固化光强度和投射固化光时间的乘积；Ec是临界能量，是光敏材料开始固化所需要的能量。总之，增加光固化能量能够增加光固化深度，也就是提高了光敏材料固化后的强度。对于实体模型本体21投射过多的光固化能量虽然可以提高强度，但是增加了实体模型本体21的层固化深度，会对层深方向的固化精度有不利的影响；而支撑结构22本身不存在层深方向的固化精度问题，增加对于支撑结构22的光固化能量提高了支撑结构22的强度，从另一个角度来说，可以减小支撑结构22的尺寸，节省膏泥材料，或者提高支撑密度来改善实体模型本体的成型质量。

如前所述，光固化投影子系统2固化出的膏泥光固化体12包含在胚料成型子系统13挤出的膏泥胚体11的外轮廓内。然而，仅对于支撑结构22，支撑膏泥光固化体可以与支撑膏泥胚体完全重叠。这样能够增加支撑膏泥光固化体的面积也就增加了它的强度。实现方式可以通过光固化投影子系统2在支撑膏泥胚体部分投射相同或者更大面积的光固化图形。

进一步地，如图4所示，在步骤3和步骤5时，对于支撑结构22与实体模型本体21之间的模型本体与支撑结构接触部分23投射比实体模型本体21少20％以上的光固化能量，从而便于分离支撑结构22。同理如前所述，减小模型本体与支撑结构接触部分23光固化能量能够降低该部分光敏材料固化后的强度，因为仅是接触部分的有限强度降低，不会影响支撑结构22对实体模型本体21的支撑效果。

进一步地，固化光为波长200nm至420nm的紫外光。

进一步地，所述光固化增材制造方法采用的膏泥材料含有大量(如80％以上)的粉末材料(例如陶瓷粉末)，膏泥光固化体12能够通过排胶烧结等陶瓷生产工艺产生成品的陶瓷件。

进一步地，膏泥材料含有大量(如80％以上)的预聚物树脂，膏泥光固化体12相对含预聚物树脂较低的光固化材料生成的固化体，具有更高的强度和更低的收缩率。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种挤出式光固化增材制造设备，其特征在于：包括安装在设备框架上的打印平台、胚料成型子系统和设置于所述胚料成型子系统上方的投影方式是矢量扫描或者光栅投影的光固化投影子系统；所述光固化投影子系统能够将固化光按照成型要求的图形投射到所述胚料成型子系统的工作成型面，所述工作成型面就是胚料成型子系统新生成的膏泥胚体层；所述胚料成型子系统包括供料装置、打印挤出装置和机械运动装置；所述打印挤出装置包括打印挤出嘴，所述打印挤出嘴带有螺杆挤出装置；所述打印挤出装置为远程供料装置，所述打印挤出装置包括依次相连的打印挤出嘴、柔性打印材料导管、挤出泵，所述挤出泵与所述供料装置相连接；所述机械运动装置能够带动所述打印挤出嘴运动；所述打印挤出嘴的直径为所述光固化投影子系统的分辨率尺寸的至少两倍，即所述光固化投影子系统高精度地投射固化光对低精度的膏泥胚体进行固化；所述光固化投影子系统固化出的膏泥光固化体包含在所述胚料成型子系统挤出的膏泥胚体的外轮廓内；所述膏泥材料含80％以上的粉末材料或者纤维材料；所述膏泥材料含有光引发剂和具有官能团的树脂单体和预聚物；膏泥材料在固化光的照射下能发生聚合反应产生固态的实体。

2.根据权利要求1所述的挤出式光固化增材制造设备，其特征在于：还包括设置在所述供料装置或所述打印挤出装置上的加热装置。

3.根据权利要求1所述的挤出式光固化增材制造设备，其特征在于：所述胚料成型子系统包括多套供料装置和打印挤出装置，每个所述打印挤出装置装设的成型材料含有不同的基材。

4.根据权利要求1所述的挤出式光固化增材制造设备，其特征在于：所述打印挤出嘴带有震动装置。

5.根据权利要求1所述的挤出式光固化增材制造设备，其特征在于：所述打印挤出嘴通过轴承安装在所述机械运动装置上，所述打印挤出嘴的出口面中心法线与所述轴承的旋转轴线重合。

6.一种使用权利要求1所述挤出式光固化增材制造设备的挤出式光固化增材制造方法，包含以下步骤：步骤1：为需要打印的实体模型本体设置必要的支撑结构，生成处理后的打印实体模型；对处理后的打印实体模型进行切片分层，得到若干个层叠结构图层；根据光固化投影子系统的分辨率，生成与每个层叠结构图层对应的投影图层，投影图层内包括光固化成型图形；根据每个层叠结构图层，生成对应的挤出路径；挤出路径采用的打印挤出嘴的直径为光固化投影子系统的分辨率尺寸的至少两倍；每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内；

步骤2：根据在步骤1中生成的所述挤出路径的第一层，使用胚料成型子系统在打印平台上挤出第一层膏泥胚体；

步骤3：根据在步骤1中生成的所述投影图层的第一层，使用所述光固化投影子系统将固化光按照所述光固化成型图形投影在所述第一层膏泥胚体上，使所述第一层膏泥胚体按照所述光固化成型图形的形状固化，得到第一层膏泥光固化体；

步骤4：根据在步骤1中生成的后续层的所述挤出路径，使用所述胚料成型子系统在前一层膏泥光固化体上挤出后续层的膏泥胚体；

步骤5：根据在步骤1中生成的对应后续层的所述投影图层，使用所述光固化投影子系统将固化光按照后续层的所述光固化成型图形投影在后续层的所述膏泥胚体上，使后续层的所述膏泥胚体按照其所对应的投影图层的光固化成型图形的形状固化，得到后续层的膏泥光固化体；由于每一层光固化成型图形包含在其所对应的挤出路径的外轮廓内，膏泥光固化体的外侧包裹着未光固化的膏泥胚体；同时由于光固化投影子系统投射的固化光能量足够高，使上下相邻两层的膏泥光固化体牢固固化并结合在一起；

步骤6：重复步骤4和步骤5若干次，逐层固化后得到被未光固化的膏泥胚体包覆着的全部层叠结构图层的膏泥光固化体；

步骤7：去除未固化的膏泥胚体，得到最终高分辨率的膏泥光固化体。

7.根据权利要求6所述的挤出式光固化增材制造方法，其特征在于：对于所述支撑结构投射比所述实体模型本体多20%以上的光固化能量。

8.根据权利要求6所述的挤出式光固化增材制造方法，其特征在于：对于所述支撑结构与所述实体模型本体之间的接触部分投射比实体模型本体少20%以上的光固化能量。

9.根据权利要求6所述的挤出式光固化增材制造方法，其特征在于：在挤出过程中将膏泥成型材料加热到10℃到100℃。