3d快速成型立體三維打印裝置和工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種新的立體三維打印裝置與工藝。它是將儲存在計算機記憶區(qū)的虛擬物象經(jīng)過計算機切層技術處理，利用三維CAD數(shù)據(jù)，將一層層的材料堆積成實體原型。整個過程共分為以下步驟：(1)成像系統(tǒng)，計算機先運行三維物體的CAD文件，建立物體的圖像，然后將圖像分成所需的層數(shù)，每層由多元數(shù)據(jù)點組成，將數(shù)據(jù)轉換成機器控制語言，來驅動3D打印機；(2)操作成型系統(tǒng)，打印頭噴射按比例調(diào)節(jié)好的液體和固體組分；(3)在打印區(qū)域支撐一個物體支撐平臺，用來接收沉積材料；(4)在材料沉積過程中，在X-Y平面和Z方向移動打印機和支撐平臺，使成型材料形成實體第一層。重復上述過程，多層沉積以形成三維形狀。本發(fā)明制作簡單、效率高、精度高。
【專利說明】3D快速成型立體三維打印裝置和工藝
【技術領域】
[0001]本發(fā)明所涉及的是一種快速成型【技術領域】的新方法及裝置即----3D快速成型立體三維打印裝置和工藝。
技術背景
[0002]3D快速成型立體三維打印裝置和工藝也被稱為快速成型打印機。它是利用普通打印機的原理，將打印機和計算機連接起來，把原料裝入機身，通過計算機的控制，用激光注射器將原料一層一層累積起來，最后將計算機上的藍圖變成實物。目前這種類似的快速成型設備很多，國內(nèi)外同行對比此技術進行了廣泛的研究，如1987年5月12日發(fā)布的美國專利4665492，發(fā)明人提供了一種噴射樹脂液滴的零件制造工藝。該工藝被稱之為彈道粒子成型(BPM)。BPM工藝是將熱塑性樹脂加熱至熔點以上并將液態(tài)樹脂抽至噴嘴，從不同方向噴出小液滴沉積在基層上。雖然精度可以小到13μΜ但效率比較低。1997年9月10日公布的中國專利1158787 “快速成型系統(tǒng)和方法”采用組合的液壓方式和激光切割裝置驅動導向機構，以實現(xiàn)高精度成型，但速度難以提高。2002年9月美國專利6416850采用將粘合劑和填充劑混合構成的多組分顆粒作為成型材料的三維打印方法，他的內(nèi)部結構比較復雜，零件制作繁瑣，材料利用率低。
[0003]總之，迄今為止，該領域的大部分分層制造技術只局限于均一的材料組成零件，而且由于要使用特殊的凝固機理，許多其他的技術只限于制造特殊的聚合物零件。單獨的液滴沉淀或熔融擠出都不能滿足快速成型對速度和精度的要求，液滴噴射精度高但速度低，而熔融擠出相對速度快，單精度低。
[0004]為克服目前現(xiàn)有技術存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種新型3D立體三維打印裝置與工藝，它具有結構簡單，三維零件制作方便，可高效率制造出高精度的物體，而且材料利用率高。
[0005]本發(fā)明是一種新的立體三維打印裝置與工藝。它是將儲存在計算機記憶區(qū)的虛擬物象經(jīng)過計算機切層技術處理，利用三維CAD數(shù)據(jù)，將一層層的材料堆積成實體原型。整個過程共分為以下步驟:(1)操作成型系統(tǒng)，按照預定的噴射比例選擇好液體組分和固體組分；(2)在打印區(qū)域支撐一個物體支撐平臺，用來接收沉積材料；(3)在材料沉積過程中，在X-Y平面和垂直于該平面的Z方向移動打印機和支撐平臺，使成型材料形成實體第一層。重復上述過程，多層沉積以形成三維形狀。
[0006]3D快速成型立體三維打印技術包括材料沉積子系統(tǒng)，實物支撐平臺和與材料沉積子系統(tǒng)相連接的運動裝置為一體；材料沉積子系統(tǒng)主要由液三原色打印頭和粉末鋪成裝置構成。三原色打印噴嘴頭由金屬鋁柱加工而成，直徑約8mm。內(nèi)部有三個孔道R、G、B，直徑與ABS樹脂棒的直徑一致(2mm)，深20mm;打印噴嘴頭底端呈圓臺型。底部圓臺有一個噴嘴頭的輸出口 0UT，直徑為0.3mm，分別與上面的R、G、B孔道相連。噴嘴頭外部有加熱器H，并內(nèi)置熱電阻傳感器S。粉末鋪層裝置包括至少一個輸送固體粉末顆粒的流道，一個噴嘴至少與一個相應的通道和一個出料口相連的流道，還包括用于控制相應流道的閥門。[0007]物體支撐平臺是平的，以收集靠近材料沉積子系統(tǒng)的噴嘴排出的材料，運動裝置與材料沉積子系統(tǒng)和平臺相藕連，使二者在X-Y面及垂直于該面的Z方向做相對運動，沉積液滴和固體粉末，從而形成三維物體。
[0008]運動裝置時根據(jù)計算機的指令進行運動的，計算機先運行三維物體的CAD文件，建立物體的圖像，然后將圖像分成所需的層數(shù)，每層由多元數(shù)據(jù)點組成，將數(shù)據(jù)轉換成機器控制語言，來驅動運動裝置移動。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下特點:
[0010]1、本發(fā)明是一項在計算機控制下逐層制造立體三維物體的方法，能使物體獲得所需的顏色，可使制造物體的精度和效率大大提高，克服二者相克的矛盾。
[0011]2、本發(fā)明允許空間控制兩種或兩種以上不同類型材料組成的物體。
[0012]3、本發(fā)明利用莫爾條紋原理的光柵器件對3D打印機的XYZ三個方向位置檢測和控制，檢測達到5um，從而顯著提高3D打印的精度，。
[0013]4、本發(fā)明采用步進電機采用步距細分驅動技術顯著提高了 3D打印機的控制精度。
[0014]5、利用三原色減色法原理設計的打印噴嘴頭實現(xiàn)了彩色打印是3D打印機的獨特創(chuàng)新。
[0015]6、本發(fā)明對材料的種類限制小，液體組分與固體組分可選范圍大。
[0016]7、本發(fā)明制成的物品可以不是永久性固定的，能在層與層間很好的分離，分離后的物件又可以很容易的重新組成新的完整物件。
[0017]8、本發(fā)明設備體積小、重量輕、價格低、易維護。
[0018]結合附圖進一步闡述本發(fā)明。
[0019]圖1是3D立體三維打印裝置的圖解，包括一個多流道液滴沉積裝置14，一個粉末鋪層裝置15，一個可以動的物體支撐平臺16，以及計算機10，通過計算機10建立物體圖像12，硬件控制器13 (包括信號發(fā)生器，放大器等)并控制其它構件運轉。
[0020]圖2-1是三原色打印噴嘴頭，圖2-2三原色ABS樹脂進料驅動機構。打印噴嘴頭由金屬鋁柱加工而成，直徑約8mm。內(nèi)部有三個孔道R、G、B，直徑與ABS樹脂棒的直徑一致(2mm)，深20mm;打印噴嘴頭底端呈圓臺型。底部圓臺有一個噴嘴頭的輸出口 0UT，直徑為
0.3mm,分別與上面的R、G、B孔道相連。噴嘴頭外部有加熱器H，并內(nèi)置熱電阻傳感器S。
[0021]圖3是多通道粉末傳送系統(tǒng)簡圖，他能按預定的比例提供和噴涂不同粉末混合物。這里只畫了 2條通道，圖中供料室31A、31B用來存放不同的固體粉末，可供選擇的攪拌裝置35A和35B，是用來加快粉末顆粒通過閥門37A或37B，這些閥門通過電子方式連接到計算機10調(diào)節(jié)的機械控制器13上，閥門開啟后粉末通過導管39A和39B進入混合室36，再通過排料口 41進行噴涂。
[0022]圖4是分層制造過程流程圖，表明多步執(zhí)行的分層制造過程。該過程是以表示實體數(shù)據(jù)的數(shù)學模型建立開始的，他是代表一層的一組數(shù)據(jù)來存儲的，這些層累加起來表示整個物體。每一組數(shù)據(jù)對應于單層沉積材料的物理尺寸，一系列這樣的數(shù)據(jù)按一定邏輯順序存儲在計算機中，層層堆積起來就形成實體。
[0023]圖5給出了一個解決非曲線的層間階梯效應的辦法和過程。圖5B是一個三維實體的全視圖。這個實體如按常規(guī)SFF技術一層一層堆積，就很可能出現(xiàn)圖5A所示的“階梯效應”，這樣兩層之間的階梯(周邊區(qū)域)可以用細的液滴來沉積，如圖5C和那樣，這些液滴一層接一層的堆積，厚度可由非常薄到階梯的厚度，這樣能有效的減少或消除階梯作用，提高零件的精確度。
[0024]圖6表示使用壓實器來輔助實現(xiàn)含有大量固體粉末的區(qū)域壓實。圖中的115表示小型滾筒壓實器，117是用滾筒壓實器115已壓好的一層區(qū)域，119是準備要壓實的剩余區(qū)域。如果壓不實，細粉末顆粒間容易殘留空氣。用滾筒壓實有利于進一步減少或消除空氣間隙，加強物件密度，以及使單層達到預定厚度。
[0025]圖7表示莫爾條紋原理的光柵器件結構，光柵是由很多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列構成的光電器件，光柵直線位移傳感器結構如。其中1.光源2.照明系統(tǒng)3.主光柵4.標尺光柵5.光電接收器。
[0026]當主光柵3相對于指示光柵4移過一個光柵柵距W時，由標尺光柵產(chǎn)生的莫爾條紋也移動一個條紋間距B，光電接收器5由四個硅光電池組成，分別輸出相鄰相位差為90°的四路信號，經(jīng)電路放大、整形，輸出計數(shù)脈沖可測量出主光柵移動的位移，采用四細分后，可以高精度地檢測3D打印機工作臺移動的位置。
[0027]關于材料的選擇，液體材料不必為全融態(tài)，可將水溶性材料(如聚環(huán)氧乙烷)與定量水混合，形成可流動的溶液或糊狀物。有些材料(如石膏、淀粉)可以被分散但不是完全溶解于水或其他元素液體中。最好選擇在液體或細粉末中形成可注射的液態(tài)組合物。
[0028]可以從以下材料中選取:
[0029]第一類:陶瓷、金屬、蠟或半結晶聚合物(尼龍、聚丙烯等)。
[0030]第二類:非結晶材料(如硼硅酸玻璃、鈉鈣玻璃)、無定形聚合物(聚苯乙烯、聚碳酸酷等)。
[0031]第三類:可溶性材料(如水溶性聚合物)
[0032]第四類:固體材料(如細陶瓷、金屬或聚合物粉末)可以混合在液體中。
[0033]第五類:快速固化的熱固性樹脂(如雙組分環(huán)氧)。
[0034]第六類:溶膠材料(如含有輕度交聯(lián)網(wǎng)絡的聚合物膠體)。
[0035]最后，作為實施例說明本發(fā)明打印實物的過程:第一，掃描實體，在計算機中建立一個三維實體圖像，這個圖像包括定義實物的多元段，每一段賦予一個顏色代碼；第二，評判表示實物的數(shù)據(jù)文件，找出實物未被支撐的位置，為這一位置定義一個支撐結構，并建立多元段；第三，對應堆積的實物和以一定序列排布的支撐結構的這一組段生成程序信號；第四，為實物提供多種的液體組分，其中一組分用于支撐結構。第五，將這些組分填入液體沉積流道中；第六，在堆積表面相應位置通過噴射液體組分和粉末顆粒；第七，在噴射步驟中，按照預定的運動順序，在X-Y平面及Z方向上，相對移動材料沉積子系統(tǒng)和實物支撐平臺，使得液滴和粉末按照形成的多段序列鋪層，從而形成三維實體。
【權利要求】
1.一種3D快速成型立體三維打印裝置，其特征在于該三維立體打印裝置包括計算機控制系統(tǒng)、材料沉積子系統(tǒng)，實物支撐平臺和與材料沉積子系統(tǒng)相連接的XYZ三個方向位置檢測和控制的運動裝置；運動裝置由步進電機采用步距細分驅動，材料沉積子系統(tǒng)主要由三原色打印噴嘴頭和粉末鋪層裝置構成。
2.根據(jù)權利要求1中所述的3D快速成型立體三維打印裝置，其特征在于計算機控制系統(tǒng)包括計算機、圖像采集器、控制軟件，與3D打印機共同組成一套快速成型打印裝置。
3.根據(jù)權利要求1中所述的3D快速成型立體三維打印裝置，其特征在于三原色打印噴嘴頭由金屬鋁柱加工而成，直徑約8mm。內(nèi)部有三個孔道R、G、B，直徑與ABS樹脂棒的直徑一致(2mm)，深20mm;打印噴嘴頭底端呈圓臺型。底部圓臺有一個噴嘴頭的輸出口 OUT，直徑為0.3_，分別與上面的R、G、B孔道相連。噴嘴頭外部有加熱器H，并內(nèi)置熱電阻傳感器S0
4.根據(jù)權利要求1中所述的3D快速成型立體三維打印裝置，其特征在于粉末鋪層裝置包括至少一個輸送固體粉末顆粒的流道，一個噴嘴至少與一個相應的通道和一個出料口相連的流道，還包括用于控制相應流道的閥門。
5.根據(jù)權利要求1中所述的3D快速成型立體三維打印裝置，其特征在于運動裝置采用步進電機步距細分驅動技術；與材料沉積子系統(tǒng)相連的壓實裝置，所述壓實裝置是刮刀和滾筒。
6.應用權利要求1所述裝置的3D快速成型立體三維打印工藝，由如下步驟組成:(I)成像系統(tǒng)，計算機先運行三維物體的CAD文件，建立物體的圖像，然后將圖像分成所需的層數(shù)，每層由多元數(shù)據(jù)點組成，將數(shù)據(jù)轉換成機器控制語言，來驅動3D打印機；(2)操作成型系統(tǒng)，按照預定的噴射比 例選擇好液體組分和固體組分；(3)在打印區(qū)域支撐一個物體支撐平臺，用來接收沉積材料；(4)啟動材料沉積子系統(tǒng)，由材料沉積子系統(tǒng)的三原色打印頭和粉末鋪層裝置噴射液體和鋪撒粉末，同時利用莫爾條紋原理的光柵器件對3D打印機的XYZ三個方向位置檢測和控制，步進電機相對移動實物支撐平臺，以便實物支撐平臺接受液滴和粉末，在平臺上形成第一層材料固化后，相對移動實物支撐平臺和材料支撐子系統(tǒng)使第二層材料固化并粘在第一層上，如此反復一層一層的堆積，最后形成三維物體。
7.根據(jù)權利要求6所述的3D快速成型立體三維打印工藝，其特征在于按各層設計要求，三原色打印頭和粉末鋪層裝置的流道輸送不同組分的液體和不同組成的固體顆粒，液體中的顆粒直徑要小于15微米，固體顆?？纱笠恍?br> 8.根據(jù)權利要求6所述的3D快速成型立體三維打印工藝，其特征在于當要做一個帶顏色的實體時，在步驟(4)的噴射過程中三原色打印頭分別裝入紅色ABS樹脂、綠色ABS樹脂藍色ABS樹脂、自動混合實體顏色和基本材料來沉積第一層的第一部分，重復上述過程，直到完成第一層；用同樣的步驟完成單色或多色的第二層沉積，繼續(xù)重復這些步驟，形成多層堆積，最后堆積成一個帶顏色的實體。打印頭采用三原色打印噴嘴頭，能夠進入三種顏色的ABS樹脂棒，加熱混色后不僅可以打印單色零件還可打印輸出真彩色零件。
9.根據(jù)權利要求8所述的3D快速成型立體三維打印工藝，其特征在于液滴組份材料為不同的粘合劑，如ABS樹脂、蠟、熱固性聚合物、熱塑性聚合物、金屬合金、玻璃、陶瓷、溶膠混合物中的一種或多種；鋪層固體粉末選用聚合物、金屬、玻璃、陶瓷或其混合物。
10.根據(jù)權利要求6所述的3D快速成型立體三維打印工藝，其特征在于為加速固化，對固體材料分散于液體中的液滴沉積物，在物件堆積區(qū)處于真空或抽真空狀態(tài)以加速汽化或通過冷凍---- 干燥工序去除液滴部分。
【文檔編號】B29C67/00GK103909655SQ201310002882
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年1月6日 優(yōu)先權日:2013年1月6日
【發(fā)明者】陳天睿 申請人:北京國視國電科技有限公司