一种制作3D产品的方法及其装置与流程

本发明涉及三维产品的制作方法及其设备技术领域，特指一种制作3D产品的方法及其装置。

背景技术：
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3D打印机在这几年得到飞速的发展，现有3D打印机在工作前首先需要利用计算机进行建模，然后将建成的三维模型进行分层的“切片”处理，然后自下而上逐层“打印”每层切片，从而最终形成与所建模型相同的3D产品。根据这一原理，目前的3D打印技术主要包括以下两种，SLA立体光固化成型方式和热熔材料喷涂打印方式。下面将对这两种3D打印技术进行介绍。

立体光固化成型方式制作3D产品的原理是，首先，通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；其次，激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后，升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型，最后，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

另一种热熔材料喷涂打印纺织的原理与传统的喷墨打印机原理类似，所不同的是，这种3D打印机所使用的“墨水”为一种热熔材料，比如热熔蜡、热熔胶。通过打印机构将熔融的热熔材料喷涂在打印平台上，进行逐层的“打印”，当热熔材料被喷涂出来后，其将迅速的固化。经过不断的逐层“打印”，最终形成所需要的三维物体。这种三维打印技术相对来说制作工艺简单，并且随着三维机械臂的发展，技术已经成熟，但是其制作精度受制于材料等因素的限制，精度难以达到工业级别，并且其只能制作体积较小的产品。

本发明人一直致力于热熔材料喷涂3D打印机的技术开发，并结合上述两种3D打印技术的优点，提出以下技术方案。

技术实现要素：
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本发明所要解决的第一个技术问题就在于克服现有技术的不足，提供一种制作3D产品的方法。本方法是将立体光固化成型方式和热熔材料喷涂打印方式的优点结合，提出一种新的3D产品的制作方法，该方法不仅具较高的精度，并且制作成本较低。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该方法是将被制作的3D产品进行分层切面处理，并逐层制作每层的切面，随着切main的不断叠加形成所要制作的3D产品，其包括以下步骤，第一步，在一个容器中注入适量的UV树脂，在该容器中设置一个可调整水平面的打印平台；第二步，通过设置在容器旁边的注入装置向容器中注入比重大于UV树脂的液体，以将UV树脂漂浮在液体上面，并通过增加液体注入量抬高UV树脂的水平面；第三步，通过设置在容器上方的UV点光源对最上层的UV树脂的指定区域进行初步固化作业，其中所述的点光源被安装在一个可在X/Y/Z方向上移动的3D机械臂上；第一次进行初步固化作业时，最上层的UV树脂没过打印平台，即第一次初步固化的指定区域被固定在打印平台上，该第一次被初步固化的指定区域UV树脂为构成所述3D产品的最下层切面；第四步，通过注入装置再向容器中注入一定剂量的液体，令剩余未固化的UV树脂水平面再次抬高额定高度，并利用点光源对抬高部分的UV树脂指定区域进行第二次初步固化作业，以形成倒数第二层切面，且该倒数第二层切面与最下层切面堆叠固定形成一个整体，重复该步骤，直至完成所有切面的初步固化作业，逐层堆叠形成初坯；第五步，再次通过注入装置向容器中注入一定剂量的液体，直至剩余的UV树脂由容器溢出，然后对处于液体中的初坯进行UV光固化作业，令初坯完全固化，形成所需要的3D产品。

进一步而言，上述技术方案中，所述的第五步中，由容器溢出UV树脂直接通过设置在容器旁侧的收集容器进行回收，以减少材料的浪费。

本发明所要解决的第二个技术问题就在于提供一种制作3D产品的装置。本装置结构简单，并且可制作精度较高、体积较大的3D产品。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用了以下技术方案：该制作3D产品的装置包括：一容器，该容器内设置有一个可调整水平面的平台；一点光源，该点光源通过一个可在X/Y/Z方向上移动的机械臂悬置于平台上方，并产生UV固化的紫外光；一注入装置，该注入装置设置在容器旁侧，其输出口与容器连通，通过注入装置向容器内注入比重大于UV树脂的液体。

进一步而言，上述技术方案中，所述的注入装置具有一个可将外部液体泵入的泵、与容器底部连通的进水管、以及与容器底部连通的出水管。

进一步而言，上述技术方案中，所述的容器内的平台上分布有孔洞。

进一步而言，上述技术方案中，所述容器上端形成有一个出水口，在容器的外侧对应出水口的位置设置有一个收集容器。

进一步而言，上述技术方案中，所述的机械臂采用三角机械臂，其包括：呈正三角分布并竖直设置的三根导杆、于每根导杆上均活动连接一个滑座、每个滑座均与一活动杆上端活动连接，该三根活动杆的下端分别活动连接在一活动座上，三个滑座分别通过牵引线与对应的马达连动，通过马达带动与之连动的滑座沿导杆上下滑动，以带动活动杆运行，从而带动活动座在三根导杆围设的区域内做X/Y/Z方向上的运行。

进一步而言，上述技术方案中，该装置还包括一底座，所述机械臂的三根导杆固定在该底座上，容器置于底座上三根导杆围设的区域内，所述的马达设置在底座内；并且在底座内还设置有一个与注入装置中进水管、出水管连通的液体容器。

进一步而言，上述技术方案中，所述的容器采用透明材料，于所述的三根导杆上分别设置有UV光源，该UV光源的照射方向指向位于中心的容器。

进一步而言，上述技术方案中，所述的点光源为一个可产生紫外光的激光头，其固定活动座上。

本发明采用的这种装置，其结构简单，利用UV树脂的比重较轻的原理，通过水或其他体液抬升该UV树脂，然后利用UV点光源对最上层的UV树脂进行固化，再不断的加入液体，不断的抬升UV树脂，并逐层进行固化。本发明是将立体光固化成型方式和热熔材料喷涂打印方式的优点结合，提出一种新的3D产品的制作方法以及装置，本发明不仅可以制作精度较高的三维产品，并且相对于传统立体光固化成型方式技术，其制作成本更低，可用于工业生产。本专利申请与现有的立体光固化成型方式技术相比，其具有以下优点：

1、目前立体光固化成型方式技术的设备机器需用大量的光敏树脂来覄盖打印件，以完成打印；而本发明专利技术方案只需用少量UV固化胶水(或者较打印件本身体积多一点即可)，同时，本发明专利技术方案是通过盐水作为填充物，利用盐水的充入将UV固化交税的表面抬升。

2、目前立体光固化成型方式技术需要进行后处理之固化过程：须将打印件移离打印机、放入固化箱作最后固化；本发明的技术方案无须将打印件移离打印机、并可直接在透明容器內进行固化，通过在透明容器外增加大面积360度环绕的UV固化光源(High Intensity UV Light Source)进行最终固化。

附图说明：

图1是本发明是实施例一的示意图；

图2是本发明是实施例一内部结构示意图；

图3是本发明是实施例一中容器部分的结构示意图；

图4是本发明是实施例一中平台的俯视示意图；

图5是本发明实施例一工作流程示意图；

图6是本发明实施例一所制作3D产品的示意图；

图7是本发明实施例二的内部结构示意图；

图8是本发明实施例三中底座及容器部分的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

见图1-4所示，这是本发明的具体实施例一，该实施例包括：底座1、容器2、机械臂3、点光源4以及注入装置5。

所述的底座1为本产品的基座，其将提供本产品所需要的支撑以及内置动力源，容器2、机械臂3和注入装置5均安装在底座1上。本装置在作为成品进行销售时，可在底座1上设置一个外壳11，已将上述的部件罩设起来，并且通过外壳11上的操控面板进行操作。

所述的容器2可采用透明的玻璃材料制作的圆形器皿，其底部设置有一个作为打印区域的平台21。该平台21具有三个支撑点212，每个支撑点212均可实现上下调节，从而可以调节平台21的水平度，以确保在工作时，平台21处于水平状态。见图4所示，平台21采用金属材料制作，其上面分布有许多的孔洞211，这些孔洞211的作用是与被固化的3D产品形成稳固的卡嵌连接，以防止所形成的3D产品在液体浮力作用下漂浮起来，无法完成后续的制作。

容器2的旁侧设置有一个注入装置5，该容器2的底部设置有一个与注入装置5连通的入口，通过注入装置5可将相关的液体注入到容器2内。在容器2上端形成有一个出水口22，在容器2的外侧对应出水口22的位置设置有一个收集容器23，通过该收集容器23可将多余的UV树脂收集起来，防止材料的浪费。

所述的注入装置5包括：一个可将外部液体泵入的泵51、与容器2底部入口连通的进水管52、以及与容器2底部连通的出水管53。所述的出水管53上设置有一个电磁阀531。通过注入装置5的泵51将外部的液体注入到容器2内，当需要排放容器2内的液体似乎，开启出水管53上的电磁阀531，容器2内的液体将通过排水管53再次回流到盛装液体的液体容器54。

由于本发明中用于制作3D产品的材料为UV树脂，所以为了令UV树脂可以漂浮在液体上面，所述的液体采用比重大于UV树脂的液体即可，例如水。为了进一步提高水的比重，可采用盐水作为注入装置5注入的液体。

本发明中，在底座1内设置一个可更换的液体容器54，将注入装置5中的进水管52、出水管53均与该液体容器54连通即可。这种设置可以令液体可以循环使用，无需频繁添加。

本发明中所使用的机械臂为三角机械臂(Delta Robot)，这种机械手臂一般具有3-4个自由度，可以实现在X/Y/Z方向上的运行，以及绕Z轴方向的旋转。该三角机械臂作为已经成熟使用的技术被记载于许多的专利文献中，见专利公告号为US 8621953 B2、US 20120103124 A1、US 20120171383 A1、20130049261A1的美国专利文献，其均提出了基于这种机械臂的相关技术方案。本发明所采用的机械臂也是基于这一原理而提出的，这种机械臂相对于一般的水平移动三维机械臂具有速度快，精度高的优点。

具体而言，本实施例一所述的机械臂3包括：正三角分布并竖直设置的三根导杆31、于每根导杆31上均活动连接一个滑座32、每个滑座32均与一活动杆33上端活动连接，该三根活动杆33的下端分别活动链接连接在一活动座34上，三个滑座32分别通过牵引线35与对应的马达30连动，通过马达30带动与之连动的滑座32沿导杆31上下滑动，从而带动三组活动杆33分别产生相应的角度摆动和高度变化，利用该活动杆33的位置变化驱动活动座34在三根导杆31围设的区域内做X/Y/Z方向上的运行。具体而言暗，三个马达30通过钢丝制作的牵引线35带动对应的滑座32沿导杆31上下移动，通过调整每个滑座32的高度，就可通过活动杆33的偏转角度实现活动座34在三维空间中任意一点的停留，即可实现活动座34在X/Y/Z方向上的运行。当然，活动座34的活动范围被限定在三根导杆32所围设的区域范围内。

在活动座34上设置有一个点光源4，该点光源4可以提供UV树脂固化的紫外光线。本发明中的点光源4与现有的激光粉末烧结技术中的激光头作用类似，所不同的是，在激光粉末烧结技术中，激光头作为高温热源的发生器对平铺的粉末层的设定区域进行逐行烧结，从而完成对粉末材料固化。本发明是通过点光源4产生的紫外光线对设定区域范围内的UV树脂进行固化。点光源4所生产紫外光线的直径将对所制作的3D产品精度产生直接影响，为了确保点光源4所产生的固化点足够小，在点光源4中可采用凸透镜，通过凸透镜对发射源产生的紫外光线进行聚集，并且在工作时，确保点光源4与最上层UV树脂的面的距离等于凸透镜的焦距，以令作用在UV树脂面上的固化光点足够小，从而提高所制作3D产生的精度。

本发明中，所述机械臂3的三根导杆31固定在该底座1上，容器2置于底座1上，所述的马达30设置在底座1内。于所述的三根导杆31上分别设置有UV光源9，该UV光源9的照射方向指向位于中心的容器2。

上述的UV光源9可采用沿导杆31设置的条形光源。目前立体光固化成型方式制作3D产品时进行固化作业时，其UV固化过程比较麻烦，并且工序零乱。目前的立体光固化成型完成后，固化形成的物体还是带有黏液的、质地较为柔远的物体，此时并未完全硬化，操作者必须采用有机溶剂(如酒精等)进行清洗，将表面的黏液去除。然后再将整个产品放置在固化位置通过紫外光进行彻底的固化，经过一定时间后，打印的产品才彻底硬化。而本发明采用这种技术方案后，在打印过程中，打印的产品已经经过初步的固化作业，在最后通过光源9进行完全固化作业时，无需移动打印的产品的初坯，当讲容器内的液体全部排除后，直接在容器2内完成最后的固化作业，直至初坯完全硬化，形成最终的3D产品。

见图5、6，所示，利用上述装置制作3D产品时，在制作之前仍按照目前的3D打印技术，通过计算机进行建模，并将被制作的3D产品100进行分层切面处理，并逐层制作每层的切面10。其中切面10的高度H是预设的，H的数值一般为0.1-0.3mm，具体的数值根据所制作的3D产品精度而定，通常切面越多(H数值越小，所制作的3D产品精度越高)，然后自下而上不断将切面进行叠加形成所要制作的3D产品，具体步骤如下：

第一步，计算所要打印产品的体积V，在容器2中注入体积为V0的UV树脂7，其中V0>V,以确保用于制作3D产品的UV树脂7用量足够。通常情况下，当UV树脂7倒入容器2后，其上表面一般没有淹没平台21，需要向容器2中添加作为液体的盐水70来抬升UV树脂7液面。

第二步，通过设置在容器2旁边的注入装置5向容器2中注入盐水70，以将UV树脂7漂浮在盐水70上面，并通过增加盐水70注入量抬高UV树脂7的水平面，根据容器2的容量计算出第一次需要注入的盐水70体积V1，当该体积V1的盐水9加入到容器2中后，UV树脂7在盐水70的浮力作用下抬升，并且令其上表面没过平台21或者与平台21的上表面齐平。

第三步，按照事先在计算机中的模型切面处理，将首先制作3D产品切面中最下层切面101。开启点光源4，其将对最上层的UV树脂7的指定区域进行初步固化作业，其固化的区域与计算机中模型的最下层切面101对应，当第一次进行初步固化作业完成后，容器2中最上层的UV树脂7设定区域内的UV树脂已经被固化，由于该层被固化的树脂正好处于平台21上，平台21上孔洞211中的树脂被固化，与平台21形成一个整体，该第一次被初步固化的指定区域UV树脂为构成所述3D产品100的最下层切面101。当然，也可先在平台21上预固化几层UV树脂作为底面，再进行最下层切面101的预固化。

第四步，通过注入装置5向容器中注入体积为V2的盐水，由于V2盐水的注入，剩余未固化的UV树脂7水平面再次抬高一定高度H。V2可通过计算获得，其计算方式为：容器2的横截面的面积为S，然后将该面积S x高度H就可以得出体积V2。当体积为V2的盐水注入容器2中后，UV树脂7水平面被抬高了高度H，然后利用点光源4对抬高部分的UV树脂7指定区域进行第二次初步固化作业，以形成倒数第二层切面102，且该倒数第二层切面102在固化时将与最下层切面101形成一个整体。

按照预先设定的切面模型，不断重复该步骤，直至完成所有切面的初步固化作业，形成初坯。此时，剩余的UV树脂7仍漂浮于盐水70上面，同时经过点光源4预固化堆叠形成的初坯稳定性并不够，需要进一步进行固化作业。

第五步，再次通过注入装置5向容器中注入一定剂量的盐水70，此时盐水70的注入量并不做限定，一般令剩余的UV树脂7由容器2的出口22溢出到收集容器23中即可，然后取下收集容器23，以免在后续固化作业中将其内收集的剩余UV树脂一同固化。最后，开启三根导杆31上设置有UV光源9，调整相应的光照强度和光照时间，对处于盐水70中的初坯进行UV光固化作业，令初坯完全固化，形成所需要的3D产品100。或者，先将盐水70由出水管23排出，再进行固化作业。如果所制作的3D产品体积较大或者需要一定支撑，建议直接在盐水70中进行固化作业，这样可利用盐水70的浮力对3D产品100形成承载，防止3D产品100初坯由于未完全固化而出现坍塌。

本发明所使用的UV树脂7是一种光敏树脂，其受光线照射后，能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化,进而交联固化的低聚物。本发明所使用UV树脂为不溶于水的溶剂型UV树脂，例如为UV环氧丙烯酸酯，UV聚氨酯丙烯酸酯等。

上述实施例中，机械臂3采用的是三角机械臂，其也可以采用一般的移动式三维机械臂。见图7所示，本实施例2中的机械臂3采用了水平移动平台36与竖直马达37结合的机械臂，水平移动平台36可提供在X/Y水平面上的任意移动，而竖直马达37可提供Z轴方向上的移动，从而实现三维移动。例如见本发明人曾申请的专利号为201320343090.5的一种多功能3D打印机，该打印机中就提供了一种水平移动平台，该水平移动平台可实现在X/Y轴方向上的水平移动。利用该现有技术就可以得到本实施例二中所述的移动式三维机械臂。

当然，在3D打印机行业，有许多三维机械臂设计，本发明可根据需要，选择合适的三维机械臂3。

见图8所示，这是本发明实施例三种底座1及容器2部分的结构示意图，本实施例三与前面两个实施例所不同之处在于，在容器2的旁侧还设置有一个清洁装置8。当打印完成后，容器2的内壁可能残留一些UV树脂，此时应当对该残留的UV树脂进行清洁，以防止其固化在容器内壁。该清洁装置8的原理与注入装置5的原理类似，其在底座1设置一个清洁液容器84，该清洁液容器84中盛装可溶解UV树脂的溶剂。该清洁装置8包括：一个可清洁液容器84内溶剂泵入的泵81、与容器2底部入口连通的进液管82、以及与容器2底部连通的出液管83。所述的出液管83上设置有一个电磁阀831。当打印完成后，并且所使用的盐水70完全排除后，通过清洁装置8的泵81将清洁液容器84内的溶剂泵入到容器2内，经过一定时间后，容器2内壁上残留的UV树脂7全部被溶解后，再开启电磁阀831，将容器2内的溶剂排放到清洁液容器84内，如此就实现了对容器2的清洁。

综上所述，本发明采用的这种装置，其结构简单，其制作3D产品是利用UV树脂的比重较轻的原理，通过水或其他体液抬升该UV树脂，然后利用UV点光源对最上层的UV树脂进行固化，再不断的加入液体，不断的抬升UV树脂，并逐层进行固化。本发明是是将激光粉末烧结方式和热熔材料喷涂打印方式的优点结合，提出一种新的3D产品的制作方法以及装置，本发明不仅可以制作精度较高的三维产品，并且相对于传统的技术粉末烧结方式，其制作成本更低，可用于工业生产。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。