一种可用于成型大型制品的3D打印装置及工艺的制作方法

本发明涉及一种3D打印装置及工艺,尤其是涉及一种可用于成型大型制品的3D打印装置及工艺。

背景技术：

快速成型技术(又称为快速原型制造技术，Rapid Prototyping Manufacturi-ng，简称RPM)，又被称作3D打印。该技术根据物体的三维模型数据，通过成型设备以逐层叠加的方式制造实体。该技术能克服目前传统机械加工无法实现的特殊结构障碍，可以实现任意复杂结构部件的简单化生产。现有的3D打印技术主要分为，熔融沉积成型(FDM)、光固化立体印刷(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、立体平板印刷(SLA)、三维喷印(3DP)和数字光处理(DLP)等等。

目前的熔融沉积成型(FDM)技术主要是螺杆塑化并输送熔体通过三维运动机构在平板上逐层堆积成型，或通过加热喷嘴熔融丝料以同样的原理在底板上逐层堆积成型。螺杆塑化输送式打印机的缺点是打印物料的工艺参数难以调试精确，并且螺杆加热段温度的波动及机筒内流料量的不均匀性都会直接影响打印制品的精度。加热喷嘴熔丝式的3D打印机虽然在一定程度上可以保证打印精度，但打印材料只能是丝料并且体型和功率都很小，所以存在打印材料种类受限制、打印速度过慢以及不能成型大型制品的缺点。

技术实现要素：

针对目前3D打印机的不足之处，本发明提出一种新的3D打印装置及工艺，可用于成型大型制品。该发明由喷射系统、数据转换及控制系统、三维运动系统、成型系统、微波加热系统等组成。该发明分为打印部分和加热部分。打印过程仅为胶水与粒料的粘结，与螺杆塑化输送式打印相比，避免了温度波动及流料不均匀对制品精度的影响。加热部分为微波加热，可使打印制品内外同时加热，形成内部填充均匀的制品。该发明成型速度快、成型过程无需加热，工艺简单，打印材料受限制少、可用于成型大型制品。

实现上述目的的技术方案是，一种可用于成型大型制品的3D打印装置，主要包括喷射系统、数据转换及控制系统、三维运动系统、成型系统和微波加热系统，喷射系统主要由胶水储存盒和喷嘴组成；数据转换及控制系统主要由运动控制卡和数据储存器组成；三维运动系统主要由X向运动机构和Y向运动机构以及Z向储料腔运动机构和Z向成型腔运动机构组成；成型系统主要由储料腔、储料腔活塞、成型腔、成型腔活塞及铺料辊构成；微波加热系统主要由加热腔体和温控器组成。利用储料腔活塞、成型腔活塞在Z向的相反运动和铺料辊的左右运动在成型腔将粒料均匀铺满，随后喷射系统经X和Y向运动机构的带动在粒料层的上方按照三维数字模型的截面轮廓向粒料层喷涂胶水使部分粒料粘结，实现截面轮廓内的粒料与下面已成形的部分实现粘结，当一层截面粘结完成后，Z向运动机构带动储料腔活塞上移一层的厚度，同时成型腔活塞下移一层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层粒料，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型。最后将该实体放入微波加热器内加热形成内部填充均匀的实体。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，喷嘴位于成型腔上面，喷嘴处内部设有气动阀，以控制喷嘴的开关，进而控制胶水的流出；胶水储存盒内通有具有一定压力的气体，使其内部形成一定的背压，以保证胶水能够通过喷嘴顺利流出。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，喷嘴在X向和Y向运动机构的带动下，在成型腔的颗粒物料平面上方做扫描运动，Z方向运动机构带动储料腔活塞和成型腔活塞沿竖直方向精确运动，每层成型的厚度由储料腔上升的高度决定，储料腔活塞上升的高度等于成型腔活塞下降的高度。Z方向运动机构要有较大的驱动力和自锁功能。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，数据储存器将三维数字模型的切片文件储存于设备中；运动控制卡用于控制Z向储料腔运动机构、Z向成型腔运动机构、X向运动机构、Y向运动机构、铺料辊的转动以及胶水的喷涂。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，储料腔与成型腔是两个没有上下表面长方体腔体，分别与储料腔活塞和成型腔活塞配合，形成可以盛放粒料材料的容积空间。回收腔由一个上表面开口的箱体构成，紧贴着成型腔用以回收成型腔多余的颗粒材料，回收腔底部有可开合的抽板，方便将收集的多余粒料取出；储料腔活塞和成型腔活塞分别由Z向储料腔运动机构、Z向成型腔运动机构带动。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，粘结完成的模型在外表面涂覆一层熔点比粒料高的并且有一定弹性的材料涂覆层之后再放入微波加热器的加热腔体内进行加热处理。由于外涂层的熔点较粒料高，所以当粒料熔融的时候，涂覆层层仍为固体状态，可对熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受热坍塌；由于涂层有一定的热塑性，能容许熔融物料有一定的弹性扩张，从而避免了内应力的产生。

涂覆层材料可以是交联料或热固性材料，涂覆层材料固化后再经历热源时不再熔化。涂覆层材料也可以是橡胶，橡胶硫化后再经历热源时也不再熔化。涂覆层材料在制品上的涂覆方法可以是浸渍、挤出、喷涂或吸塑。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，打印出制品的加热采用微波加热，微波加热属于一种内加热，依靠微波段电磁波将能量传播到被加热物体的内部，使物料整体同时升温，直接作用于被加热物体的内部，以避免由于加热不均使制品内部不同时熔融从而导致制品内部不能均匀填充，产生热应力及内部缺陷。不同的料需加热的温度不同，可通过调节温控器上的温度来控制。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置，对加热熔融后内部填充均匀的制品进行冷却，冷却完毕后将涂覆层去掉，并进行表面处理，即得到最终制品。

采用上述一种可用于成型大型制品的3D打印装置的工艺为：第一步，储料腔活塞、成型腔活塞经Z向储料腔运动机构和Z向成型腔运动机构的带动在Z向的相反运动和铺料辊的左右运动使粒料在成型腔顶部将均匀铺满，随后喷射系统经X向运动机构和Y向运动机构的带动在粒料层的上方按照数据储存器中三维数字模型的截面轮廓向粒料层喷涂胶水使部分粒料粘结，实现截面轮廓内的粒料与下面已成形的部分实现粘结，当一层截面粘结完成后，Z向运动机构带动储料腔活塞上移一层的厚度，同时成型腔活塞下移一层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层粒料，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型打印过程；第二步，打印得到的制品在胶水固化后取出，铺料辊将多余的粒料推入回收腔中，在打印得到的制品外表面涂覆一层熔点比粒料高的并且有一定弹性的涂覆层，之后再放入微波加热器的加热腔体内进行加热处理，由于涂覆层的熔点较粒料高，所以当粒料熔融的时候，涂覆层层仍为固体状态，可对熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受热坍塌；由于涂覆层有一定的热塑性，能容许熔融物料有一定的弹性扩张，从而避免了内应力的产生，不同的料需加热的温度不同，可通过调节温控器上的温度来控制；第三步，对内部加热熔融后制品进行冷却，冷却完毕后将涂覆层去掉，并进行表面处理，得到最终制品。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印工艺，粒料的形状可以为短纤维状，粒料在打印得到的制品中交叉，在微波加热后形成网状结构，制品内部粘接强度更高，不是仅仅由胶水粘接。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印工艺，粒料可以为弹性球，胶水填充于弹性球之间，将弹性球粘接在一起，胶水中添加一些对微波敏感的填料，制品在微波加热过程中热源位于胶水中，通过胶水的热量传递使得相接触弹性球外层熔融粘接在一起，冷却后制品由于弹性球的存在而具有弹性，所得制品为弹性制品。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印工艺，为了减少材料的使用，粒料还可以采用中空的微球或发泡的微球，胶水将所含的气体包覆住，在微波加热时气体也不易逸出，所得的制品的发泡倍率可以很大，当制品强度要求不高的情况下，可以优先采用。另外，如果微球的直径约等于打印的层厚，微球的壁厚很薄，节省材料更显著。

本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置及工艺，其有益效果是，该发明分为打印部分和加热部分。打印过程仅为胶水与粒料的粘结，与螺杆塑化输送式打印相比，避免了温度波动及流料不均匀对制品精度的影响。加热部分为微波加热，可使打印制品内外同时加热，形成内部填充均匀的制品。该发明成型速度快、成型过程无需加热，工艺简单，打印材料受限制少、可用于成型大型制品。

附图说明

图1是本发明一种可用于成型大型制品的3D打印装置的结构及工艺过程示意图。

图2是熔融前加涂覆层的3D打印制品图。

图中：1-Z向储料腔运动机构；2-储料腔活塞；3-储料腔；4-铺料辊；5-X向运动机构；6-喷嘴；7-Y向运动机构；8-胶水储存盒；9-成型腔；10-打印制品；11-成型腔活塞；12-回收腔；13-加热腔体；14-温控器；15-最终制品；16-运动控制卡；17-数据储存器；18-Z向成型腔运动机构；19-涂覆层。

具体实施方式

本发明提出了一种用于成型大型制品的3D打印装置及工艺，如图1所示，主要由喷射系统、数据转换及控制系统、三维运动系统、成型系统、微波加热系统等组成。成型系统和微波加热系统分开放置，喷射系统主要由胶水储存盒8、喷嘴6组成；数据转换及控制系统主要由运动控制卡16、数据储存器17组成；三维运动系统主要由X向运动机构5和Y向运动机构7以及Z向储料腔运动机构1和Z向成型腔运动机构18组成；成型系统主要由储料腔3、储料腔活塞2、成型腔9、成型腔活塞11及铺料辊4构成；微波加热系统主要由加热腔体13和温控器14组成。成型系统中的成型腔上方布置喷射系统，三维运动系统控制喷嘴6、储料腔活塞2、成型腔活塞11及铺料辊4的运动，数据转换及控制系统控制三维运动系统。

本发明一种用于成型大型制品的3D打印装置及工艺，其工作过程是：一、打印过程。储料腔3与成型腔9是两个没有上下表面长方体腔体，分别与储料腔活塞2和成型腔活塞11配合，形成可以盛放粒料材料的容积空间。储料腔活塞2、成型腔活塞11经Z向储料腔运动机构1和Z向成型腔运动机构18的带动在Z向的相反运动和铺料辊4的左右运动使粒料在成型腔9顶部将均匀铺满，随后喷射系统经X向运动机构5和Y向运动机构7的带动在粒料层的上方按照数据储存器17中三维数字模型的截面轮廓向粒料层喷涂胶水使部分粒料粘结，实现截面轮廓内的粒料与下面已成形的部分实现粘结，当一层截面粘结完成后，Z向运动机构带动储料腔活塞2上移一层的厚度，同时成型腔活塞11下移一层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层粒料，进行新一层截面的粘结，直至完成整个模型。回收腔12由一个上表面开口的箱体构成，紧贴着成型腔9以回收成型腔9多余的颗粒材料。二、熔融过程。打印制品10在外表面涂覆一层熔点比粒料高的并且有一定弹性的涂覆层19之后再放入微波加热器的加热腔体13内进行加热处理。涂覆后的制品如图2所示，由于涂覆层19的熔点较粒料高，所以当粒料熔融的时候，涂覆层19层仍为固体状态，可对熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受热坍塌；由于涂覆层有一定的热塑性，能容许熔融物料有一定的弹性扩张，从而避免了内应力的产生。不同的料需加热的温度不同，可通过调节温控器14上的温度来控制。三、冷却并进行表面处理。对加热熔融后内部填充均匀的制品进行冷却，冷却完毕后将涂覆层19去掉，并进行表面处理，即得到最终制品15。