专利名称：基于uv光固化工艺的彩色三维物体成型装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种采用UV光固化工艺以逐层打印方式快速制作彩色三维物体的成型装置，具体说是一种基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置。
背景技术：
快速成型技术是从计算机三维实体到物理实体的一种快速制作工具，它适合制作原型件和小批量的功能件，制作的三维物体的材料可以是陶瓷材料、金属材料、纸、光敏树脂等材料。快速成型技术比较常用的工艺有光固化工艺、选择性激光烧结、熔丝沉积制作、叠层实体制作和三维打印等。
以上几种工艺都能制作复杂的三维物体，但除三维打印工艺外，制作的三维实体都是单色的。如有的公司开发了能用于熔丝沉积制作的几种不同颜色的成型材料，但也只能是每个三维物体是单色的，无法制作出彩色的三维物体。这样对于产品的概念设计和外观设计等方面，产品就缺乏了色彩表现力。
三维打印工艺虽能制作彩色的三维物体，但是由于其采用的是用打印头喷射水性粘结剂，与石膏粉或淀粉作用形成强度比较弱的层片，因此制作的物体在未进行后处理之前强度比较弱，容易变形，不易从成型室取出，而且经后处理之后，收缩性较大，表面粗糙度也较大。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能快速制作高精度的彩色三维物体的成型装置--基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置。
本实用新型基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置，由计算机、储料槽1、成型槽2、UV光源3、旋转滑辊4、Y向导轨5、X向导轨6、打印喷头清洗槽7、废液槽8、回收管9、回收槽10、打印喷头盒12、供墨盒14、供墨泵15、供墨管16构成；储料槽1，成型槽2、回收槽10、打印喷头清洗槽7同高度依次并行放置，在四个槽口的上方贴近槽口设置可以水平移动的旋转滑辊4和Y向导轨5，在旋转滑辊4和Y向导轨5上装有可以沿其滑动的打印喷头盒12和UV光源3，打印喷头盒12内装有多个打印头，各个打印头通过供墨管16与供墨盒14相连，供墨盒14通过供墨泵15为各个打印头供墨；打印喷头清洗槽7带有废液槽8；在储料槽1和成型槽2内分别水平设置推料板13、11。
本实用新型制作三维物体的表面光洁度远高于普通三维打印工艺制作的三维物体的精度；制作的三维物体的颜色鲜亮度要高于普通三维打印工艺制作的三维物体的颜色鲜亮度；制作的速度也大大高于普通的光固化工艺、熔丝沉积制作、叠层实体制作等快速成型工艺；本实用专利采用的成型材料成本也大大低于其他几种快速成型工艺使用的成型材料。
图1、为本实用新型基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置的结构示意图。
图2所示的是计算机控制框图。
图3为成型槽运动示意图。
图4为储料槽运动示意图。
图5是打印喷头盒结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。
实施例图1所示的是基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置结构示意图，由计算机、储料槽1、成型槽2、UV光源3、旋转滑辊4、Y向导轨5、X向导轨6、打印喷头清洗槽7、废液槽8、回收管9、回收槽10、打印喷头盒12、供墨盒14、供墨泵15、供墨管16构成；储料槽1，成型槽2、回收槽10、打印喷头清洗槽7同高度依次并行放置，在四个槽口的上方贴近槽口设置可以水平移动的旋转滑辊4和Y向导轨5，在旋转滑辊4和Y向导轨5上装有可以沿其滑动的打印喷头盒12和UV光源3，打印喷头盒12内装有多个打印头，各个打印头通过供墨管16与供墨盒14相连，供墨盒14通过供墨泵15为各个打印头供墨；打印喷头清洗槽7带有废液槽8；在储料槽1和成型槽2内分别水平设置推料板13、11。
旋转滑辊4沿着X向导轨6做X方向运动，旋转滑辊4本身亦做旋转运动，UV光源3和打印喷头盒12沿着X向导轨6和Y向导轨5做平面运动；推料板11、13做垂直方向的上下运动。旋转滑辊4在把成型粉末22在成型槽2上方铺平时，多余的成型粉末22被推入回收槽10中，待累积到一定量时，把回收槽10中的粉末再倒入储料槽1中。每打印一段时间，打印喷头盒12在打印X向导轨6和Y向导轨5的带动下，在打印喷头清洗槽7中进行清洗打印头121、122、123、124，以确保喷头不被堵塞。清洗的废液经回收管9收集到废液槽8中，以便统一做无害化处理。每个打印头的粘结剂是由供墨泵15从供墨盒14中经由供墨管16供应的，供墨管16是有多个细供墨管161、162、163、164组成的，每个细供墨管单独为某一个打印头供墨。
如图2所示，在计算机17中建立三维物体的计算机三维实体模型，对其进行切片分层，得到一系列的二维切片，取出每层的成型信息；计算机17根据每一层的成型信息分别控制各机构做协调运动。具体而言，制作开始时，计算机17通过储料槽控制器20控制储料槽导轨23，使得储料槽1中的推料板13上升一段距离，推出一部分成型粉末22；同时，计算机1 7通过成型槽控制器21控制成型槽导轨24，使得成型槽2中的推料板11下降一段距离；接着计算机17通过滑辊控制器25控制旋转滑辊4把推料板13上升一段距离而推出的成型粉末22铺在成型槽2的上方，在铺粉末22的时候，旋转滑辊4做逆时针运动把粉末22铺平；之后，计算机17通过喷头X-Y位置控制电路19控制打印喷头盒12做X-Y平面运动；与此同时，计算机17通过喷头控制电路18控制打印喷头盒12内的多个喷头喷射出UV固化胶，随即被UV光源控制器28控制的UV光源3固化，形成该层图形；如此反复，一层层的喷射、固化并粘结，从而快速制作出三维物体。制作三维物体前，温度传感器26检测成型槽的温度，如温度符合打印条件，即10～30℃之间，即可开始打印；如温度达不到打印条件，则启动加热器27使成型槽升温或降温，直至温度达到要求。
图3是储料槽结构示意图。每层加工前，旋转滑辊3运动到储料槽1的左边，之后成型槽导轨23在储料槽控制器19的驱动下，带动推料板13向上移动一段距离，旋转滑辊3把新的粉末在成型槽2上方铺平。
图4是成型槽结构示意图。每层加工前，成型槽导轨24在成型槽控制器20的驱动下，带动推料板11向下移动一段距离，成型的三维物体放置在推料板11上，待旋转滑辊3把新的粉末铺平后，已成型的部分被完全掩在粉末中，未被粘结的粉末起着支撑作用。
图5是打印喷头盒结构示意图。图5所示的是打印盒内装4个打印头的情形，实际过程中，可根据成型的具体要求，安装4个、8个、12个、16个甚至更多的打印头。图示中的打印头121由161供墨管供阳红色UV胶，打印头122由162供墨管供青色UV胶，打印头123由163供墨管供黄色UV胶，打印头124由164供墨管供无色UV胶，此4个打印头和4个供墨管可以互换，即121打印头也可以喷射青色UV胶，也可以喷射黄色UV胶，也可以喷射无色UV胶。
制作三维物体的UV液态材料对波长100～800nm的光较为敏感。UV液态材料包括齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂。(1)齐聚物是含有不饱和官能团的低分子聚合物，其非限定性例子为聚氨脂丙烯酸脂、聚脂丙烯酸脂、聚醚丙烯酸脂、环氧丙烯酸脂以及各种改性丙烯酸脂。优选该齐聚物为液体以保持UV液体具有所需的低粘度，且优选其官能度大于一。如果齐聚物为非液体状态的物质，它应该可溶于所述活性物质的液体组分中。(2)活性单体主要是为了改善齐聚物的粘度。双官能度活性单体包含至少一种选自1，4-丁二醇、新戊二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇和二丙烯酸脂的单体。三或更高官能活性单体包含至少一种选自乙氧基化三羟甲基丙烷丙烯酸脂和丙氧基化甘油丙烯酸脂的单体。优选的双官能单体是二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)，优选的三官能单体是三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)。(3)光引发剂吸收能量而激发产生自由基或阳离子。自由基光引发剂为苯偶姻和苯偶酰缩酮的衍生物(如苯偶姻醚、苯偶酰缩酮等)、苯乙酮衍生物(如对苯氧基2α、12羟基环乙基苯乙酮等)、芳香酮类光引发剂(如二苯甲酮、氯化二苯甲酮等)；阳离子光引发剂为酰基磷化氢化合物。(4)着色剂决定了三维结构的色彩和光学特性，优选为热稳定且水不溶性的。(5)助剂包括分散剂、润滑剂、增厚剂、填充剂、促固剂等，它影响到油墨的固化速度及使用的有效期和膜层厚度等。UV液体材料中可含有胶体或纳米颗粒等填料，如硅石、有机物、金属或合金。液体在室温下的粘度是2～1000cps。液体在0～130℃、粘度低于30cps时可喷射。
采用的固化光源可以为中心波长在100～800nm范围的半导体二极管；或为中心波长在100～800nm范围的半导体激光器；或为中心波长在100～800nm范围的固态激光器；或采用的光源为中心波长在100～800nm范围的气体激光器；或采用的光源为中心波长在100～800nm范围的高压或超高压汞灯；或为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的两种或多种光源组合而成的组合型光源；或为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯中的多个不同中心波长的光源组合而成的组合型光源。
填充每层空白区域或非实体区域的支撑材料可以是蒸馏水，可以是含有利于迅速结冰或凝固的水性液体，如盐水；也可以是其他溶剂型液体；或染料型液体；或液体树脂。
制作三维结构的过程中使用的打印喷头为多个，可分别喷射构成三维结构本体的液体材料和构成三维结构每层支撑的支撑材料。喷头的喷嘴的孔径尺寸是1～100μm，和(或)所喷射的液滴的尺寸是1～200pl。
本实用新型是运用如下技术方案来实现彩色三维物体的制作的在制作三维物体的过程中，首先设计三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型信息；计算机控制多个打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动，打印喷头根据该层的色彩信息有选择性地把彩色UV固化胶喷射到铺平的粉末层上，随后立即被UV光源迅速固化，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的彩色层片，未被喷射的粉末作为下一层片的支撑；在第一层的上面再铺设第二层粉末，并使其铺平；计算机控制多个打印喷头按照第二层的成型信息进行喷射UV固化胶，被UV光源迅速固化，形成第二层彩色层片，第二层与第一层粘结成一个整体；依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时粘结上一层，层层粘结叠加，最终制作出在计算机中设计的三维物体；去除多余的、未被粘结的粉末，取出制作的三维物体；制作出的三维物体经后处理工序后，即可使用。
在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制打印喷头喷射不同颜色的UV固化胶，从而喷射出该层的彩色图形。
制作好的三维物体需要用除粉设备去除其表面及内部多余的、未被粘结的粉末。
权利要求1.一种基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置，由计算机、储料槽(1)、成型槽(2)、UV光源(3)、旋转滑辊(4)、Y向导轨(5)、X向导轨(6)、打印喷头清洗槽(7)、废液槽(8)、回收管(9)、回收槽(10)、打印喷头盒(12)、供墨盒(14)、供墨泵(15)、供墨管(16)构成；其特征是储料槽(1)，成型槽(2)、回收槽(10)、打印喷头清洗槽(7)同高度依次并行放置，在四个槽口的上方贴近槽口设置可以水平移动的旋转滑辊(4)和Y向导轨(5)，在旋转滑辊(4)和Y向导轨(5)上装有可以沿其滑动的打印喷头盒(12)和UV光源(3)，打印喷头盒(12)内装有多个打印头，各个打印头通过供墨管(16)与供墨盒(14)相连，供墨盒(14)通过供墨泵(15)为各个打印头供墨；打印喷头清洗槽(7)带有废液槽(8)；在储料槽(1)和成型槽(2)内分别水平设置推料板(13)、(11)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于UV光固化工艺的彩色三维物体成型装置，由计算机、储料槽、成型槽、UV光源、旋转滑辊、Y向导轨、X向导轨、打印喷头清洗槽、废液槽、回收槽、打印喷头盒、供墨盒；储料槽，成型槽、回收槽、打印喷头清洗槽7同高度依次并行放置，在四个槽口的上方贴近槽口设置旋转滑辊4和Y向导轨5，在旋转滑辊4和Y向导轨5上装有打印喷头盒12和UV光源3，供墨盒14通过供墨泵15为各个打印头供墨；在储料槽1和成型槽2内分别水平设置推料板13、11。本实用新型制作三维物体的表面光洁度、颜色鲜亮度远高于普通三维打印工艺制作的三维物体的精度；制作的速度也大大高于现有技术成型工艺。
文档编号B41J2/165GK2900196SQ20062007198
公开日2007年5月16日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者岳东, 杨继全 申请人:南京师范大学