一种内外复合结构制品的快速成型装置的制作方法

本发明涉及3D打印快速成型领域，具体涉及一种高分子聚合物材料快速成型装置。

背景技术：

3D打印技术，又称增材制造，该技术以三维计算机模型文件为基础，使用合适的材料，经过分层打印构造三维实体零件，可以实现任意复杂结构部件的简单化生产。目前3D打印成型方式有以下几种，熔融沉积式(FDM即F used Deposition Modeling)、选择性激光烧结(SLS即Selective Laser Sinter ing)和选择性光固化成型(SLA即Stereo Lithography Apparatus)等。

FDM技术以ABS和PLA等热塑性材料为原料，将丝料熔融后通过喷嘴层层堆积，最终打印成制品。与紫外光固化技术相比，其打印成本低，且打印制品强度高，但打印制品表面光洁度较差。SLA技术以光敏树脂为材料，用紫外光对其扫描固化，当一层凝固后，工作台下降一个层厚，进行下一层的扫描固化，逐层成型，最终制得成品。与FDM技术相比，SLA技术成型精度高，具有较高的表面光洁度，但加工成本较高，且强度较低。

技术实现要素：

本发明针对现有技术所存在的不足，提供一种内外复合结构制品的快速成型装置，其利用双喷头机构，一喷头挤出高粘度光敏树脂，另一喷头挤出熔融FDM工艺丝料。利用SLA技术制备光敏树脂材料的制品外壁，利用FDM 技术制备PLA或ABS材料的制品内部填充，紫外光的精确照射成型保证了制品表面的光洁度，制品内部由工程塑料熔融固化而成，满足制品一定的强度要求。本发明增加制品强度和表面光洁度的同时降低加工成本。

本发明的技术方案是：一种内外复合结构制品的快速成型装置，由挤出单元、光固化单元、三维运动机构和清洗机构组成，运动成型单元位于最下端，清洗单元位于运动成型单元左侧上方，挤出单元和光固化单元位于运动成型单元上方，挤出单元和光固化单元位于清洗单元的右侧，其中挤出单元由料卷、挤出齿轮、熔融塑化喷头、光敏树脂喷头和柱塞泵组成；光固化单元由紫外光发射器、扫描振镜系统、F-theta透镜组成，F-theta透镜是一种专用在激光扫描系统中的聚光透镜，这种透镜的输出光线的偏移量是y＝f×tanθ，像高y与入射角度θ的正切成正比，这种透镜也称作场镜；清洗单元由密闭罩、酒精罐、流道、花洒和Z轴运动模组组成；运动成型系统包括表面带有微孔的成型平台、储液槽和三维运动模组。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置，挤出单元由料卷、挤出齿轮、熔融塑化喷头、光敏树脂喷头和柱塞泵组成。熔融塑化喷头、光敏树脂喷头两喷头刚性连接，平台移动到熔融塑化喷头正下方，两齿轮异向旋转与丝料啮合使其进入熔融塑化喷头并与三维运动机构配合按需熔融挤出固化在成型平台上形成制品内部网格填充部分；之后平台移动至光敏树脂喷头正下方，利用柱塞泵将高粘度光敏树脂从树脂喷头中挤出，并与三维运动机构配合在成型平台上提供制品外壁所需耗材，挤出树脂外与内部填充网格有一定重叠量，保证外壳与内部支撑粘合为一体，之后成型平台平移至F-theta透镜正下方等待下一步光固化处理。光敏树脂喷头直径大于熔融塑化喷头直径，光敏树脂喷头挤出树脂的线条宽度大于制品所需外壁厚度，所挤出的光敏树脂量也大于制作制品外壁所需光敏树脂量，为后期紫外激光固化保留加工余量。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置，光固化单元由紫外光发射器、扫描振镜系统、F-theta透镜组成。每次光敏树脂铺设完毕后成型平台移动至扫描振镜系统正下方，紫外光发射器发射紫外光束。扫描振镜系统按需旋转反射使其照向F-theta透镜上，紫外光束在F-theta透镜作用下聚焦为一点照射在制品外部液态光敏树脂上，其紫外光斑直径要求小于熔融塑化喷头直径，以保证提高制品表面光洁度。紫外光斑在扫描振镜系统控制下沿制品设计外壁路径扫描照射，使其外壁边界固化成型，之后平台平移至熔融挤出喷头正下方进行下一步挤出加工。因其挤出树脂多于设计所需量，故在外壁固化完毕后需通过清洗单元进行表面处理。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置，清洗单元由密闭罩、酒精罐、流道、清洗喷头和Z轴运动模组组成。密闭罩为顶面与成型平台形状尺寸相同的无底面正六面壳体。密闭罩安装在Z轴运动模组上，可做竖直方向运动。密闭罩上方安装酒精罐，其中酒精通过密闭罩内流道平均分配给安装在四个侧面内壁上的清洗喷头。制品成型步骤完成后，平台平移至密闭罩正下方。密闭罩在Z轴运动模组带动下向下移动至底部边缘接触成型平台。罩内四只清洗喷头均匀向模型表面喷洒酒精溶液，冲洗制品表面未固化挤出多余的光敏树脂，可冲洗后获得良好光洁度的制品表面。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置，运动成型单元包括表面带有微孔的成型平台、储液槽和三维运动模组。表面带有微孔的成型平台安装在储液槽正上方，其整体安装在三维运动模组之上。成型平台在三维运动模组带动下按指定路线运动，使耗材按需在成型平台上叠加排布成型。在制品清洗过程中，清洗过后多余的光敏树脂和酒精溶液通过成型平台表面的微孔滑落至成型平台下方储液槽中，便于设备维护。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置加工方法是：首先平台移动到熔融塑化喷头正下方，两齿轮异向旋转与丝料啮合使其进入熔融塑化喷头并熔融挤出固化，配合三维运动模组按需运动在成型平台上形成制品内部填充部分，然后平台移动至光敏树脂喷头正下方，利用柱塞泵将高粘度光敏树脂从喷头中挤出并配合三维运动模组按需运动在成型平台上为制品外壁定位提供光固化所需耗材，接下来将成型平台沿导轨移动到F-theta透镜正下面，紫外光发射器发射紫外光束至扫描振镜系统后扫描振镜按需旋转反射使其照向F-theta透镜上，紫外光束在F-theta透镜作用下聚焦为一点照射在制品外壁液态光敏树脂上，紫外光斑在扫描振镜系统控制下沿制品设计外壁路径扫描照射，使其外壁边界固化成型。随后平台下降一个设定层高后返回熔融塑化喷头正下方，继续下一层制品制备，依次循环往复直至制品制备完成。制品打印过程结束后，成型平台平移至密闭罩正下方，清洗机构下降至其底部接触成型平台，利用清洗机构内部多喷头均匀向制品表面喷洒酒精溶液溶解制品表面未固化光敏树脂，清洗过后多余的光敏树脂和酒精溶液通过成型平台表面的微孔滑落至其下方储液槽中。

与现有快速成型设备相比，本发明可同时满足制品较高的表面光洁度和强度，并且制品完成后直接使用，无需后期加工。

附图说明

图1是本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置原理示意图。

图2是本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置的清洗单元示意图。

图3是本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置的挤出单元示意图。

图4是本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置的光固化单元示意图。

图5是本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置的运动成型单元示意图。

图中：1-清洗单元；2-挤出单元；3-光固化单元；4-运动成型单元；1-1-Z 轴运动模组；1-2-清洗喷头；1-3-流道；1-4-酒精罐；1-5-密闭罩；2-1-光敏树脂喷头；2-2-熔融塑化喷头；2-3-挤出齿轮；2-4-料卷；2-5-柱塞泵；3-1-F-theta 透镜；3-2-扫描振镜系统；3-3-紫外光发射器；4-1-表面带有微孔的成型平台； 4-2-储液槽；4-3-三维运动模组。

具体实施方式

本发明提供了一种内外复合结构制品的快速成型装置，该装置由清洗单元1、挤出单元2、光固化单元3、运动成型单元4组成，如图1所示，运动成型单元4位于最下端，清洗单元1位于运动成型单元4左侧上方，挤出单元2和光固化单元3位于运动成型单元4上方，挤出单元2和光固化单元3 位于清洗单元1的右侧，其中清洗单元1包括Z轴运动模组1-1、清洗喷头 1-2、流道1-3、酒精罐1-4和密闭罩1-5，如图2所示；其中挤出单元2包括光敏树脂喷头2-1、熔融塑化喷头2-2、挤出齿轮2-3、丝料耗材2-4、柱塞泵 2-5，如图3所示；其中光固化单元3包括F-theta透镜3-1、扫描振镜系统3-2、紫外光发射器3-3，如图4所示；其中运动成型单元4包括表面带有微孔的成型平台4-1、储液槽4-2、三维运动模组4-3，如图5所示。

本发明一种内外复合结构制品的快速成型装置的工作过程是首先平台 4-1移动到熔融塑化喷头2-2正下方，两齿轮2-3异向旋转与丝料2-4啮合使其进入熔融塑化喷头2-2并熔融挤出固化，配合三维运动模组4-3按需运动在成型平台4-1上形成制品内部填充部分，然后平台4-1移动至光敏树脂喷头2-1正下方，利用柱塞泵2-5将高粘度光敏树脂从喷头中挤出并配合三维运动模组4-3按需运动在成型平台4-1上为制品外壁定位提供光固化所需耗材，接下来将成型平台4-1沿导轨移动到扫描振镜3-2下面，紫外光发射器3-3发射紫外光束至扫描振镜系统3-2后扫描振镜按需旋转反射使其照向F-theta透镜 3-1上，紫外光束在F-theta透镜3-1作用下聚焦为一点照射在制品外壁液态光敏树脂上，紫外光斑在扫描振镜系统3-2控制下沿制品外壁路径移动一圈，使其外壁边界固化成型。随后平台4-1下降一个设定层高后返回熔融塑化喷头 2-2正下方，继续下一层制品制备，依次循环往复直至制品制备完成。制品打印过程结束后，成型平台4-1平移至密闭罩1-5正下方，清洗机构下降至其底部接触成型平台4-1，利用清洗机构内部多喷头1-2均匀向制品表面喷洒酒精溶液溶解制品表面未固化光敏树脂，清洗过后多余的光敏树脂和酒精溶液通过成型平台4-1表面的微孔滑落至其下方储液槽4-2中。