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CN111873407B - 一种3d打印方法及用于该方法的3d打印组件和3d打印平台 - Google Patents

一种3d打印方法及用于该方法的3d打印组件和3d打印平台 Download PDF

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CN111873407B
CN111873407B CN202010730915.3A CN202010730915A CN111873407B CN 111873407 B CN111873407 B CN 111873407B CN 202010730915 A CN202010730915 A CN 202010730915A CN 111873407 B CN111873407 B CN 111873407B
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Abstract

本发明公开了一种3D打印方法及用于该方法的3D打印组件和3D打印平台，3D打印方法包括：S1、将打印对象的三维模型分层采集形成单层结构的截面图像信息并储存；S2、将液态光固化材料均匀涂布后再进行冷却使其凝固；S3、通过水刀喷头高速喷出液态光固化材料形成水刀，对固态光固化材料切割形成模型表面；S4、依据所述截面图像信息透射紫外线令所述光固化材料固化为不可逆的固态结构；S5、打印平台中的底托板向下移动单位高度；S6、将液态光固化材料均匀涂布再冷却使其凝固成可熔化的固态光固化材料；重复步骤S3至S5，直至打印对象的成品完成。本发明提高了产品表面的加工精度和粗糙度，减少层叠产生的台阶结构对精度的影响。

Description

一种3D打印方法及用于该方法的3D打印组件和3D打印平台
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，涉及一种3D打印方法及用于该方法的3D打印组件和3D打印平台。
背景技术
3D打印技术是正在迅猛发展的新型加工技术，3D打印较为成熟的工艺是采用立体光固化成形法SLA和数字光处理法DPL对光敏性的液态光固化树脂材料进行照射，通过数控装置控制的打印头投射点状紫外线，按设计的分层图样扫描路径照射到光固化材料，使其上特定区域内的一层光固化材料受光照激发发生化学反应产生不可逆的固化效应，得到每一层的固态结构，由上至下或由下至上层层叠加、固化融合形成打印的产品。
上述3D打印技术比较成熟，能形成相对精度较好的产品，但是由于打印技术仍然是基于分层叠加方式结合在一起，分层制造存在“台阶效应”，如果要保证符合要求的精度，就要求每个层次的厚度都很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的台阶，而且增多打印层数会大大增加打印的时间，如果层数不够多，则台阶必较明显，如果需要制造的对象表面是圆弧形或斜面结构，那么就会造成精度上的偏差，表面的粗糙度也常常不符合要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D打印方法，以解决现有技术中对于打印目标的表面为圆弧形或斜面结构，现有技术在保证较好精度的前提下，打印层数很多，耗费打印时间较长，并且在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度的台阶，因此能达到的精度和粗糙度有限的技术问题。
所述的3D打印方法，包括下列步骤：
S1、将打印对象的三维模型分割为N层单层结构，并采集单层结构中模型表面上各点的Z向斜度以及单层结构的截面图像信息并储存；
S2、将液态光固化材料均匀涂布在打印平台上达到单层结构的厚度，再进行冷却使其凝固成可熔化的固态光固化材料；
S3、通过水刀喷头高速喷出液态光固化材料形成水刀，所述水刀依据所述单层打印信息对所述固态光固化材料切割形成模型表面；
S4、依据所述截面图像信息透射紫外线令所述光固化材料固化为不可逆的固态结构；
S5、所述打印平台中承托所述固态结构的底托板向下移动单位高度；
S6、将液态光固化材料均匀涂布在前一层固态结构上达到单层结构的厚度，再冷却其凝固成可熔化的固态光固化材料；
重复步骤S3至S5，直至打印对象的成品完成；
S7、加热打印平台上剩余的可熔化的固态光固化材料进行回收。
优选的，所述步骤S5中，所述底托板下降到一定深度对下部的可熔化的固态光固化材料进行加热，使其熔化为液态光固化材料回收，熔化后的上部剩余的固态光固化材料形成可切割固态层，所述可切割固态层的厚度在所述水刀的可精确控制的切割厚度阈值内。
优选的，所述3D打印头与所述水刀喷头安装在同一打印组件上，所述3D打印头垂直向下透射点状紫外线，所述Z向斜度通过球坐标表示为r，θ，
Figure GDA0003297526640000021
对应球面极坐标的原点O为所述点状紫外线投射在所述单层结构中的区域中心，所述打印组件在打印过程中以所述原点O为中心旋转
Figure GDA0003297526640000022
所述水刀喷头相对Z向的倾斜角度为θ，所述r为固定值等于所述水刀喷头的喷口到所述区域中心的距离，所述水刀喷头仅在所述步骤S3中对打印对象的表面进行切割时打开。
优选的，所述步骤S3中，所述3D打印头沿所述单层结构中模型表面的轮廓间歇移动，所述水刀喷头随3D打印头的移动同步喷射液态光固化材料，所述3D打印头在移动停止后透射点状紫外线，所述3D打印头每次移动的距离不大于所述点状紫外线透射范围的半径，所述步骤S1中采集Z向斜度的点与所述3D打印头每次停留的位置重合。
优选的，所述固态光固化材料为能被所述水刀切削的低硬度固体，光固化效应形成的所述固态结构的硬度大于所述水刀能切削的固体硬度。
本发明还提供了用于上述3D打印方法的一种3D打印组件，包括安装在打印头平移机构活动端的打印头滑台以及用于透射点状紫外线的3D打印头，还包括电动转轴、打印头安装柱、导板、角度调节臂、弧度传感器和水刀喷头，所述水刀喷头通过加压装置连接储存有液态光固化材料的储液槽，所述3D打印头设有紫外线发生器，所述打印头安装柱通过所述电动转轴转动安装在所述打印头滑台下面，所述导板均设有弧形导槽，所述导板竖直设置并与所述打印头安装柱固定连接，所述水刀喷头安装在所述角度调节臂上并朝向所述点状紫外线固化所述固态光固化材料的位置，所述角度调节臂的末端固定有与所述弧形导槽滑动配合的弧面销，所述角度调节臂根部安装在所述打印头安装柱上，所述弧度传感器安装在所述弧形导槽处检测所述弧面销的位置。
优选的，所述点状紫外线在固态光固化材料底部的投影中心上方h/2处为所述弧形导槽的圆心，h为单层结构的厚度，切割后模型表面上下边缘间的垂直距离不大于所述点状紫外线透射范围的直径。
本发明还提供了用于上述3D打印方法的一种3D打印平台，包括平台主体、承托板和承托板升降机构，所述平台主体内设有容纳打印对象的成品的平台内腔，所述承托板通过所述承托板升降机构安装在所述平台内腔中，还包括冷却装置、导热槽和加热装置，所述冷却装置和所述加热装置均安装在所述平台主体内，所述导热槽设于所述平台内腔的侧壁中环绕在所述平台内腔的上部，所述导热槽通过有三通换向阀分别连接到所述冷却装置和所述加热装置，所述加热装置和所述冷却装置均连接到储存导热介质的介质储存箱。
优选的，所述承托板包括网板和实板，所述实板顶面设有与所述网板相配合的网格槽，所述网板安装在所述承托板升降机构的升降端，所述实板通过伸缩机构安装在所述网板的下方，所述网板落入所述网格槽时，所述网板顶面和所述实板顶面形成平整的平面。
优选的，所述网格槽的深度大于所述网板的厚度，所述网格槽底部为斜面或弧面，所述网格槽底部位于所述实板的边缘处低于位于所述实板中心处，所述网格槽在所述实板的边缘处形成排液槽口，所述平台内腔的侧壁内侧设有若干对应各个排液槽口的竖直凹槽，所述竖直凹槽连通所述平台内腔底部的回收口，所述回收口连通固化材料回收槽。
本发明具有如下优点：利用本发明提供的打印方法，由于单层结构的表面部分根据三维模型相应位置的斜面斜度或弧面弧度分析出相近的斜面角度，因此在进行光固化操作前先对表面部分进行水刀切割，由此将单层结构的台阶立面切削为与三维模型表面接近的斜面，因此产生的产品表面精度和粗糙度得到大幅提高。由此甚至可以增大单层结构的厚度，也能满足对产品制造精度和粗糙度的要求，这样由于加工层数降低，能有效减少打印时间。
由于切削只适用于固体结构，因此本发明中通过3D打印平台对切削前的液态光固化材料进行冷却凝固，从而使得水刀切削能够实现，而将液态光固化材料作为水刀材料避免光固化材料中混入杂质，影响固化效果，打印平台通过加热管将下部固态光固化材料熔化，从而避免厚度过大导致水刀切割效果受影响，避免水刀冲击已固化的固化结构导致产品损坏。
由于冷却凝固的固态光固化材料硬度大大小于光激发产生的固体结构，因此如果在切削过程中同步进行边缘部分的光固化，就能有效防止切削后边缘部分由于硬度不足导致变形。3D打印组件的结构让水刀的喷射方向能根据3D打印头的移动而变化，从而保证对各点的切削效果与步骤S1的设计效果相同，最终实现三维模型表面的精确切削和固化成型。
附图说明
图1为本发明中3D打印组件使用中的结构示意图。
图2为图1所示结构中投射点状紫外线部分的局部放大图，图中箭头表示紫外线投射方向。
图3为水刀喷射方向在球坐标系中的示意图，其中箭头表示水刀喷射方向，弧线段表示该单层结构侧表面的采集点上的曲线。
图4为本发明中3D打印平台的结构示意图。
图5为图4所示结构中承托板的局部剖视图。
图6为本发明中3D打印平台管路系统的示意图。
附图中的标记为：1、打印头滑台，2、电动转轴，3、打印头安装柱，4、角度调节臂，5、导板，6、弧形导槽，7、弧面销，8、水刀喷头，9、3D打印头，10、点状紫外线，11、固态光固化材料，12、网板，13、实板，14、伸缩机构，15、竖直凹槽，16、导热槽，17、加热槽，18、冷却装置，19、加热装置，20、承托板升降机构，21、平台主体，22、网格槽，23、三通换向阀，24、介质储存箱，25、隔热板。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1-6所示，本发明提供了一种3D打印方法，包括下列步骤：S1、将打印对象的三维模型分割为N层单层结构，并采集单层结构中模型表面上各点的Z向斜度，将单层结构的截面图像信息结合各点相应的Z向斜度形成N组单层打印信息进行储存。其中Z向斜度对于打印对象的表面为斜面，则二者斜度相等，对于打印对象的表面为弧面，则如附图3所示，其中箭头表示水刀喷射方向，弧线段表示该单层结构侧表面的采集点上的曲线。这样如果需要更高的精度，还可以通过打磨等方式对表面进行进一步处理。
S2、将液态光固化材料均匀涂布在打印平台上达到单层结构的厚度，再进行冷却使其凝固成可熔化的固态光固化材料11。所述固态光固化材料11为能被所述水刀切削的低硬度固体，光固化效应形成的所述固态结构的硬度大于所述水刀能切削的固体硬度。
S3、通过水刀喷头8高速喷出液态光固化材料形成水刀，所述水刀依据所述单层打印信息沿相应单层结构的模型表面的轮廓轨迹对所述固态光固化材料11切割形成模型表面。
所述3D打印头9与所述水刀喷头8安装在同一打印组件上，所述3D打印头9垂直向下透射点状紫外线10，所述Z向斜度通过球坐标表示为r，θ，
Figure GDA0003297526640000051
对应球面极坐标的原点O为所述点状紫外线10投射在所述单层结构中的区域中心，所述打印组件在打印过程中以所述原点O为中心旋转
Figure GDA0003297526640000052
所述水刀喷头8相对Z向的倾斜角度为θ，所述r为固定值等于所述水刀喷头8的喷口到所述区域中心的距离，所述水刀喷头8仅在所述步骤S3中对打印对象的表面进行切割时打开。
所述3D打印头9沿所述单层结构中模型表面的轮廓间歇移动，所述水刀喷头8随3D打印头9的移动同步喷射液态光固化材料，所述3D打印头9在移动停止后透射点状紫外线10，所述3D打印头9每次移动的距离不大于所述点状紫外线10透射范围的半径，所述步骤S1中采集Z向斜度的点与所述3D打印头9每次停留的位置重合。
S4、依据所述截面图像信息透射紫外线令所述光固化材料产生化学变化形成不可逆的固态结构。
S5、所述打印平台中承托所述固态结构的底托板向下移动单位高度，所述单位高度即所述单层结构的厚度。
所述底托板下降到一定深度对下部的可熔化的固态光固化材料11进行加热，使其熔化为液态光固化材料回收，熔化后的上部剩余的固态光固化材料11形成可切割固态层，所述可切割固态层的厚度在所述水刀的可精确控制的切割厚度阈值内。
S6、将液态光固化材料均匀涂布在前一层固态结构上达到单层结构的厚度，填充水刀切割产生的割缝后再冷却其凝固成可熔化的固态光固化材料11。
重复步骤S3至S5，直至打印对象的成品完成。
S7、加热打印平台上剩余的可熔化的固态光固化材料11，使其熔化为液态光固化材料后从打印平台排出回收。
打印对象在截面图像信息中不属于模型表面的部分既可以通过所述3D打印头9，也可以通过DMD驱动模组透射的紫外线进行固化。后者属于面投射成型更快，但适用部件大小有限。此外，虽然固态光固化材料11周侧大小与3D打印平台的平台内腔截面想适配，因此能提供一定的支撑定位效果，但水刀击打在成型的固态结构上还是容易导致未成形部分晃动移位，因此该方法适于加工水刀无法投射到下部成型部分的情况，如果是外表结构容易受到水刀冲击的部分，仍采用现有的光固化方法进行3D打印，需要将这部分的单层结构的厚度减小到满足打印目标的粗糙度要求。
上述方法中使用的3D打印组件，包括安装在打印头平移机构活动端的打印头滑台1以及用于透射点状紫外线10的3D打印头9，还包括电动转轴2、打印头安装柱3、导板5、角度调节臂4、弧度传感器和水刀喷头8，所述水刀喷头8通过加压装置连接储存有液态光固化材料的储液槽，所述3D打印头9设有紫外线发生器，所述打印头安装柱3通过所述电动转轴2转动安装在所述打印头滑台1下面，所述导板5均设有弧形导槽6，所述导板5竖直设置并与所述打印头安装柱3固定连接，所述水刀喷头8安装在所述角度调节臂4上并朝向所述点状紫外线10固化所述固态光固化材料11的位置，所述角度调节臂4的末端固定有与所述弧形导槽6滑动配合的弧面销7，所述角度调节臂4根部安装在所述打印头安装柱3上，所述弧度传感器安装在所述弧形导槽6处检测所述弧面销7的位置。
所述点状紫外线10在固态光固化材料11底部的投影中心上方h/2处为所述弧形导槽6的圆心，h为单层结构的厚度，切割后模型表面上下边缘间的垂直距离不大于所述点状紫外线10透射范围的直径。
上述方法中使用的3D打印平台包括平台主体21、承托板和承托板升降机构20，所述平台主体21内设有容纳打印对象的成品的平台内腔，所述承托板通过所述承托板升降机构20安装在所述平台内腔中，还包括冷却装置18、导热槽16和加热装置19，所述冷却装置18和所述加热装置19均安装在所述平台主体21内，所述导热槽16设于所述平台内腔的侧壁中环绕在所述平台内腔的上部，所述导热槽16通过有三通换向阀23分别连接到所述冷却装置18和所述加热装置19，所述加热装置19和所述冷却装置18均连接到储存导热介质的介质储存箱24。
所述承托板包括网板12和实板13，所述实板13顶面设有与所述网板12相配合的网格槽22，所述网板12安装在所述承托板升降机构20的升降端，所述实板13通过伸缩机构14安装在所述网板12的下方，所述网板12落入所述网格槽22时，所述网板12顶面和所述实板13顶面形成平整的平面。
所述平台内腔的侧壁的下部还环绕设置有加热槽17，所述加热装置19的出液口通过三通换向阀23分别连接所述导热槽16和所述加热槽17，所述加热槽17与所述导热槽16之间设有隔热板25。
所述网格槽22的深度大于所述网板12的厚度，所述网格槽22底部为斜面或弧面，所述网格槽22底部位于所述实板13的边缘处低于位于所述实板13中心处，所述网格槽22在所述实板13的边缘处形成排液槽口，所述平台内腔的侧壁内侧设有若干对应各个排液槽口的竖直凹槽15，所述竖直凹槽15连通所述平台内腔底部的回收口，所述回收口连通固化材料回收槽。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种3D打印方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、将打印对象的三维模型分割为N层单层结构，并采集单层结构中模型表面上各点的Z向斜度以及单层结构的截面图像信息并储存；
S2、将液态光固化材料均匀涂布在打印平台上达到单层结构的厚度，再进行冷却使其凝固成可熔化的固态光固化材料(11)；
S3、通过水刀喷头(8)高速喷出液态光固化材料形成水刀，所述水刀依据所述单层打印信息对所述固态光固化材料(11)切割形成模型表面；
S4、依据所述截面图像信息透射紫外线令所述光固化材料固化为不可逆的固态结构；
S5、所述打印平台中承托所述固态结构的底托板向下移动单位高度；
S6、将液态光固化材料均匀涂布在前一层固态结构上达到单层结构的厚度，再冷却其凝固成可熔化的固态光固化材料(11)；
重复步骤S3至S5，直至打印对象的成品完成；
S7、加热打印平台上剩余的可熔化的固态光固化材料(11)进行回收；
3D打印头(9)与所述水刀喷头(8)安装在同一打印组件上，所述3D打印头(9)垂直向下透射点状紫外线(10)，所述Z向斜度通过球坐标表示为
Figure FDA0003297526630000013
Figure FDA0003297526630000014
对应球面极坐标的原点O为所述点状紫外线(10)投射在所述单层结构中的区域中心，所述打印组件在打印过程中以所述原点O为中心旋转
Figure FDA0003297526630000012
所述水刀喷头(8)相对Z向的倾斜角度为θ，r为固定值等于所述水刀喷头(8)的喷口到所述区域中心的距离，所述水刀喷头(8)仅在所述步骤S3中对打印对象的表面进行切割时打开；
所述固态光固化材料(11)为能被所述水刀切削的低硬度固体，光固化效应形成的所述固态结构的硬度大于所述水刀能切削的固体硬度。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述3D打印头(9)沿所述单层结构中模型表面的轮廓间歇移动，所述水刀喷头(8)随3D打印头(9)的移动同步喷射液态光固化材料，所述3D打印头(9)在移动停止后透射点状紫外线(10)，所述3D打印头(9)每次移动的距离不大于所述点状紫外线(10)透射范围的半径，所述步骤S1中采集Z向斜度的点与所述3D打印头(9)每次停留的位置重合。
3.一种3D打印组件，包括安装在打印头平移机构活动端的打印头滑台(1)以及用于透射点状紫外线(10)的3D打印头(9)，其特征在于：还包括电动转轴(2)、打印头安装柱(3)、导板(5)、角度调节臂(4)、弧度传感器和水刀喷头(8)，所述水刀喷头(8)通过加压装置连接储存有液态光固化材料的储液槽，所述3D打印头(9)设有紫外线发生器，所述打印头安装柱(3)通过所述电动转轴(2)转动安装在所述打印头滑台(1)下面，所述导板(5)均设有弧形导槽(6)，所述导板(5)竖直设置并与所述打印头安装柱(3)固定连接，所述水刀喷头(8)安装在所述角度调节臂(4)上并朝向所述点状紫外线(10)固化固态光固化材料(11)的位置，所述角度调节臂(4)的末端固定有与所述弧形导槽(6)滑动配合的弧面销(7)，所述角度调节臂(4)根部安装在所述打印头安装柱(3)上，所述弧度传感器安装在所述弧形导槽(6)处检测所述弧面销(7)的位置。
4.根据权利要求3所述的一种3D打印组件，其特征在于：所述点状紫外线(10)在固态光固化材料(11)底部的投影中心上方h/2处为所述弧形导槽(6)的圆心，h为单层结构的厚度，切割后模型表面上下边缘间的垂直距离不大于所述点状紫外线(10)透射范围的直径。
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