三维打印机、打印方法及三维物体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种三维打印机，三维打印机的成型方法以及这种方法产生的三维物体。三维打印机包括打印平台、打印头装置。打印平台用于承载三维物体，打印头装置内盛装有纤维增强塑料和热固性树脂，打印头装置可相对于打印平台移动。打印方法为：首先，把纤维增强塑料填充在内层，然后，热固性树脂填充在外层。当打印完成多个成型层之后，即可形成三维物体。上述方案不仅增强了三维物体的强度；而且会提高三维物体的表面光滑度。
【专利说明】
三维打印机、打印方法及三维物体
技术领域
[0001 ]本发明涉及三维打印领域，具体地说，是涉及一种三维打印机，三维打印机的成型方法以及这种方法产生的三维物体。
【背景技术】
[0002]三维打印机是一种利用快速成型技术进行打印三维物体的设备，其以数字模型为基础，利用塑料或粉末金属等材料，逐层地打印出三维物体。三维打印的过程首先是通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，再根据分析截面信息得到加工路径，从而指导打印机逐层打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技术有熔融挤压成型、激光选择性烧结成型、光固化成型等。
[0003]作为三维打印技术的代表，FDM(Fused Deposit1n Modeling,恪融沉积成型)是一种通过熔融材料叠加堆积而形成三维实体模型的工艺，一般采用逐层固化成型方法，使打印后的树脂一层一层地变成固体，从而产生固体成像产品。其中常见的成型材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等，基本上是通过从三维打印机的打印头上端输入线状的成型材料，然后经打印头内高温熔融再从打印头出口挤出约0.1毫米至0.2毫米左右的丝状材料，然后把这种丝状材料按照程序，规律地布置在打印托板上，从而实现三维成型。
[0004]但是这样打印出来的物体会存在一些问题，例如打印出来的三维物体的强度和硬度不够，而且打印出来的三维物体的表面粗糙而不够美观。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的是提供一种三维打印机，三维打印机包括打印平台、打印头装置和加热固化单元。打印平台用于承载三维物体，打印头装置盛装有纤维增强塑料，打印头装置可相对于打印平台移动。打印头装置内还盛装有热固性树脂，加热固化单元用于使打印平台上承载的热固性树脂固化。
[0006]由上述方案可见，在三维打印机的成型过程中，纤维增强塑料主要用于三维物体的内层成型，而热固性树脂则用于三维物体的外层成型。这样的做法一方面可以增强三维物体的强度;另一方面，由于短纤维材料会在纤维增强树脂内形成内部空隙，热固性树脂会逐渐渗透进入空隙内部，这样就会使得三维物体的表面很光滑，同时也会增强三维物体的强度。
[0007]打印头相对于打印平台可以进行三维方向的移动，现有技术中出现了多种类型的打印平台和打印头的相互移动形式。例如，在申请号为C N 2 O I 5 I O O 5 4 4 8 3.8和CN201410609259.6的中国发明专利申请文件中均公开了水平方向二维(X、Y方向)运动的打印头和竖直方向(Z方向)运动的打印平台。而在其它实施例中，也可以保持打印平台在固定位置，打印头在一定空间范围内任意三维方向运动，例如在申请号为CN201310246765.9的中国发明专利申请，或者在申请号为CN201420137806.0的中国实用新型专利申请中公开了一种打印平台始终处于固定位置，而打印头可以相对于打印平台在三维方向移动的方案。
[0008]—个优选的方案是，纤维增强塑料是由短纤维材料和热塑性材料混合后制成的打印材料;短纤维材料为以下物质中的至少一种:碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化纤维;热塑性材料为以下物质中的至少一种:聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
[0009]由上述方案可见，热塑性材料是指具有加热软化、冷却硬化特性的塑料。加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。在现有技术中，适合于用于roM的热塑性材料的种类是非常多的，聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)则是应用最为广泛的两种材料。热塑性材料具体可以是丝料状或者粉末状材料。当热塑性材料是丝状材料时，其可以采用申请号为CN201410073577.5或者CN201510054483.8所公开的打印头，这种打印头在本领域中也被称为齿轮熔融挤压式打印头。当热塑性材料是粉末状材料时，打印头的结构可以采用申请号为CN201510260858.6所公开的结构。显然打印头的结构也可以采用现有技术的其它类型的结构，并且，热塑性材料具体还可以选择其它状态的材料，如还可以为片状，只需要打印头的结构可以把热塑性材料加热熔融之后顺利沉积在打印平台上即可。
[0010]纤维增强塑料是现有技术中的一种复合材料，在多个领域均有广泛应用。例如玻璃纤维增强塑料就是其中一种，玻璃纤维增强塑料的品种也很多，性能也不同，用途十分广泛，它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺，制作而成的一种功能型的材料。本发明所指的纤维增强塑料就是指把适用于现有FDM打印的热塑性材料与纤维材料进行混合后再制作成三维成型材料。这样的方案一方面可以增强热塑性材料的强度，另一方面也可以使得三维成型物体的内部形成间隙或空隙，方便热固性树脂的渗透填充。纤维优选为短纤维材料，短纤维的优选方案虽然为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化纤维，但是显然其也可以是现有技术中其它类型的纤维，只要满足两个条件即可:第一就是能够增强热塑性材料的强度，第二就是能够在三维成型物体的内部形成空隙。
[0011]—个优选的方案是，短纤维材料在纤维增强塑料中所占的重量比例小于10%。热固性树脂为液体热固性树脂。
[0012]由上述方案可见，短纤维材料占纤维增强塑料总重量的比例最好控制在10%重量比例以下，且优选为3%的重量比例，或者2.5%至3.5%的重量比例。
[0013]—个优选的方案是，打印平台设置在加热室和/或密闭室和/或负压室内；打印头装置具有第一打印头和第二打印头，第一打印头内盛装纤维增强塑料，第二打印头内盛装热固性树脂。
[0014]—个优选的方案是，热固性树脂的制备方法包括下面的步骤:首先，把酚醛环氧树月旨、固化剂和甲基纳迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛树脂形成第二混合物;最后，执行加热步骤并调节黏度。
[0015]由上述方案可见，热固性树脂(thermosettingresin)是指树脂加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，再受热也不软化，也不能溶解的一种树脂。虽然，上面给出了一种优选的热固性树脂的制备方法。但是，热固性树脂具体还可以是其它种类的现有热固性树脂。
[0016]进一步优选的方案是，加入的酚醛环氧树脂与固化剂的总重量与甲基纳迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛树脂占第一中间混合物的重量的0.1%;加热步骤的加热温度为 150。。。
[0017]—个优选的方案是，打印平台设置在加热室和/或密闭室和/或负压室内。
[0018]一个优选的方案是，三维物体具有至少一个成型层，成型层具有内层和外层，成型层按照下面的步骤进行成型:第一打印头把纤维增强塑料熔融沉积在内层;第二打印头把液体热固性树脂沉积在外层;加热固化单元使外层内的液体热固性树脂加热后固化。
[0019]三维物体的成型方法，三维物体具有至少一个成型层，成型层具有外层和内层;三维物体的成型方法包括下面的步骤:首先，把纤维增强塑料填充在内层;然后，液体热固性树脂填充在外层。
[0020]三维物体，经过三维打印机打印获得，三维物体包括多个成型层；其中，至少一个成型层包括内层和外层，内层填充为纤维增强塑料，外层填充为热固性树脂。
[0021]进一步优选的方案是，作为内层填充材料的纤维增强塑料具有空隙，热固性树脂的一部分填充到空隙内。
[0022]三维打印机的成型方法，三维打印机包括打印平台、打印头装置，打印平台用于承载三维物体;打印头装置盛装有纤维增强塑料和热固性树脂，打印头装置可相对于打印平台移动;加热固化单元，用于使打印平台上承载的热固性树脂固化;三维物体具有至少一个成型层，成型层具有外层和内层;三维打印机的成型方法包括下面的步骤:首先，把打印头装置内的纤维增强塑料填充在内层;然后，把打印头装置内的热固性树脂填充在外层;接着，加热固化单元使外层内的热固性树脂加热后固化。
[0023]—个优选的方案是，热固性树脂为液体热固性树脂;打印头装置具有第一打印头和第二打印头，第一打印头内盛装纤维增强塑料，第二打印头内盛装热固性树脂。
[0024]—个优选的方案是，热固性树脂的制备方法包括下面的步骤:首先，把酚醛环氧树月旨、固化剂和甲基纳迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛树脂形成第二混合物;最后，执行加热步骤并调节黏度。
[0025]进一步优选的方案是，加入的所述酚醛环氧树脂与固化剂的总重量与甲基纳迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛树脂占第一中间混合物的重量的0.1%;加热步骤的加热温度为150 °C。
【附图说明】
[0026]图1是本发明三维打印机实施例的第一打印头和第二打印头在打印平台上成型过程的示意图。
[0027]图2是本发明三维打印机实施例的三维物体的一个成型层的示意图。
[0028]图3是本发明三维打印机实施例的三维物体的另一个成型层的示意图。
[0029]图4是本发明三维打印机实施例的三维物体的剖面示意图。
[0030]图5是本发明三维打印机实施例的三维打印物体放置在密闭室内进行后处理的示意图。
[0031 ]以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0032]三维打印机实施例: 如图1所示，本实施例的三维打印机包括打印平台50、第一打印头20、第二打印头30和加热固化单元。打印平台50用于承载三维物体10，第一打印头20盛装有纤维增强塑料21，纤维增强塑料21用于形成三维物体10的内部材料，或称为内层材料。第一打印头20可相对于打印平台50移动。第二打印头30盛装有热固性树脂31，热固性树脂31用于形成三维物体10的外部材料，或称为外层材料。第二打印头30可相对于打印平台50移动。加热固化单元用于使打印平台上承载的热固性树脂固化。
[0033]优选地，纤维增强塑料是由短纤维材料和热塑性材料混合后制成的打印材料，短纤维材料在纤维增强塑料中所占的重量比例小于10%，本领域技术人员可以根据具体的需要对两者的比例进行调整，但一般短纤维材料占总重量的比例应该控制在10%重量比例以下，且优选为3%的重量比例，例如为2.5%至3.5%的重量比例。具体地，短纤维材料为以下物质中的至少一种:碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化纤维。热塑性材料为以下物质中的至少一种:聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。由于短纤维的存在，当纤维增强塑料成型之后，其会在三维物体内形成很多小空隙或孔隙。
[0034]优选地，热固性树脂的制备方法包括下面的步骤:首先，把酚醛环氧树脂、固化剂和甲基纳迪克酸酐混合形成第一混合物;然后，再加入酚醛树脂形成第二混合物；最后，执行加热步骤并调节黏度。具体地，加入的酚醛环氧树脂与固化剂的总重量与甲基纳迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛树脂占第一中间混合物的重量的0.1%;加热步骤的加热温度为150°C。在一些变形的实施例中，第一打印头和第二打印头合体形成一个打印头装置，打印头装置形成一个整体之后，其可以相对于打印平台整体性地移动，这样的方式能够减少部件占据的空间。打印头装置的第一打印头和第二打印头也可以分别控制，即分别控制第一打印头和第二打印头相对于打印平台的移动，它们相互之间不干扰。热固性树脂的状态优选为液体或液态，这里的液体应该是一个较为宽泛的理解，因为热固性树脂的状态是根据具体粘度的不同而逐渐发生变化的，并且这种粘度通常是可以调节的。因此，本实施例所指的热固性树脂的液体可以是粘度小、流动性大的状态，也可以是粘度大、流动性小的状
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[0035]上述三维打印机的成型方法主要包括两个步骤。先给出一个需要打印的三维物体10，三维物体10具有多个打印成型层，如图2所示，其中一个成型层具有外层11和内层12。本实施例中，外层11也可以理解为表层，表层也可以理解为用户可以视觉直接观察到的层，或者用户可以用手部感知到的层。但是在一些情况下，如图3所示，表层的一部分是很难观察到的或者很难用手部感知到的，这些凹陷的外层位置也属于表层或外层的含义之内。
[0036]成型层的打印过程如下:首先，把第一打印头20内的纤维增强塑料21填充在内层12。然后，把第二打印头30内的热固性树脂31填充在外层11。接着，加热固化单元使外层内的热固性树脂加热后固化。当完成多个成型层的打印之后，即可形成三维物体10。通过这种方式形成的三维物体10，其具有至少一个成型层，这个成型层具有外层11和内层12，内层12是通过第一打印头20把纤维增强塑料21熔融沉积形成的。外层11是通过第二打印头30把热固性树脂31沉积形成的，至于三维物体10的其它成型层，其成型过程也可以按照本发明的方法进行打印或者采用现有的其它方法进行打印。
[0037]如图4所示，通过上面的三维打印机形成的三维物体10的内层填充材料的纤维增强塑料21具有空隙22，热固性树脂31的一部分会填充到空隙22内、空隙22也可理解为孔隙。
[0038]优选地，如图5所示，打印平台50设置在加热室51内，加热室51还可以为密闭室或负压室，也就是其同时具备加热保温、密闭和提供负压的功能。负压是指室内的气压低于室外的气压，一般情况下是正常大气压的0.7或0.5倍以下，或者为真空状态。当打印平台50设置在密闭室51内后，三维物体就可以处于密闭室51的环境中。在三维物体的整个打印过程中，密闭室可在在真空负压和保温的密闭环境下进行。或者，可以在保温环境下完成打印，然后再处于真空负压和保温的状态。在一些变形的实施例中，在三维打印机的成型方法中，第一打印头和第二打印头合体形成一个打印头装置，打印头装置形成一个整体之后，其可以相对于打印平台整体性地移动。打印头装置可以分别地控制纤维增强塑料和热固性树脂沉积到相应的位置。纤维增强塑料一般是加热熔融后沉积到打印平台上，热固性树脂可以采用喷射、喷涂、涂覆等方式沉积在打印平台上。
[0039]然而，三维物体在成型之后，继续在真空负压和保温情况下进行后处理的步骤能够增强三维物体的强度和表面光滑度。其中，加热保温的温度可设置在150°C。经过负压和保温作用，使三维物体的内层外表面上的液态热固性树脂材料充分渗透进热塑性材料的孔隙内并且在加热后发生固化。从而使三维物体的表面光洁度更高，三维物体的强度更高。
[0040]最后需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，诸如对热固性树脂的加工工艺进行调整，选取其它的适用于三维打印的热塑性材料等设计也在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.三维打印机，包括: 打印平台，用于承载三维物体； 其特征在于，所述三维打印机还包括: 打印头装置，盛装有纤维增强塑料，所述打印头装置可相对于所述打印平台移动，所述打印头装置内还盛装有热固性树脂； 加热固化单元，用于使所述打印平台上承载的热固性树脂固化。2.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于: 所述纤维增强塑料是由短纤维材料和热塑性材料混合后制成的打印材料； 所述短纤维材料为以下物质中的至少一种:碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、碳化纤维；所述热塑性材料为以下物质中的至少一种:聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。3.根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于: 所述短纤维材料在所述纤维增强塑料中所占的重量比例小于10%;所述热固性树脂为液体热固性树脂。4.根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于: 所述打印平台设置在加热室和/或密闭室和/或负压室内； 所述打印头装置具有第一打印头和第二打印头，所述第一打印头内盛装所述纤维增强塑料，所述第二打印头内盛装所述热固性树脂。5.根据权利要求1至4任一项所述的三维打印机，其特征在于: 所述打印平台上承载有三维物体，所述三维物体具有至少一个成型层，所述成型层具有内层和外层，所述成型层按照下面的步骤进行成型: 所述打印头装置把所述纤维增强塑料熔融沉积在所述内层； 所述打印头装置把所述热固性树脂沉积在所述外层； 所述加热固化单元使所述外层内的热固性树脂加热后固化。6.三维打印机的成型方法， 所述三维打印机包括: 打印平台，用于承载三维物体； 其特征在于，所述三维打印机还包括: 打印头装置，盛装有纤维增强塑料和热固性树脂，所述打印头装置可相对于所述打印平台移动； 加热固化单元，用于使所述打印平台上承载的热固性树脂固化； 所述三维物体具有至少一个成型层，所述成型层具有外层和内层； 所述三维打印机的成型方法包括下面的步骤: 首先，把所述打印头装置内的所述纤维增强塑料填充在所述内层； 然后，把所述打印头装置内的所述热固性树脂填充在所述外层； 接着，所述加热固化单元使所述外层内的热固性树脂加热后固化。7.根据权利要求6所述的三维打印机的成型方法，其特征在于: 所述热固性树脂为液体热固性树脂； 所述打印头装置具有第一打印头和第二打印头，所述第一打印头内盛装所述纤维增强塑料，所述第二打印头内盛装所述热固性树脂。8.根据权利要求6所述的三维打印机的成型方法，其特征在于: 所述热固性树脂的制备方法包括下面的步骤: 首先，把酚醛环氧树脂、固化剂和甲基纳迪克酸酐混合形成第一混合物； 然后，再加入酚醛树脂形成第二混合物； 最后，执行加热步骤并调节黏度； 加入的所述酚醛环氧树脂与所述固化剂的总重量与所述甲基纳迪克酸酐的重量比例是 1:1; 加入的所述酚醛树脂占所述第一中间混合物的重量的0.1%; 所述加热步骤的加热温度为150°c。9.三维物体，经过三维打印机打印获得，其特征在于: 所述三维物体包括成型层，所述成型层具有外层和内层； 其中，所述内层填充为纤维增强塑料，所述外层填充为热固性树脂。10.根据权利要求9所述的三维物体，其特征在于: 作为所述内层填充材料的纤维增强塑料具有空隙，所述外层填充的热固性树脂的一部分填充到所述空隙内。
【文档编号】B29C67/00GK105881913SQ201610404194
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张涛, 何永刚
【申请人】珠海天威飞马打印耗材有限公司