一种3D打印机及其打印工艺的制作方法

一种3d打印机及其打印工艺
技术领域
1.本发明属于3d打印设备技术领域，具体涉及一种3d打印机。


背景技术：

2.多材料功能零件(也称异质材料功能零件)，一般是指由多种材料按一定分布规律组合而成的。该零件由于兼顾控形，控材和控性等优越特性，所以在航空航天，精密电子，可穿戴设备，医学工程甚至量子科学等前沿领域具有广阔应用前景。3d打印技术的加工区域可以深入到零件内部，对于零件内部各个点、线、面上堆积的材料具有精准的控制能力，因而具备多材料功能零件的制造潜力。由于传统3d打印技术仅可以进行单一材料的制造，并且相关的材料、工艺、设备甚至理论亟待被提出从而解决复杂多材料功能零件的3d打印制造。截至目前，科研界和工业界已有相关多材料3d打印技术的成果报道，越来越多的异质功能材料零件被制造，如彩色零件，生物体模型，多功能电路板，微型传感器以及组织器官等。然而随着科学技术的发展，对于多材料功能零件的制造提出了更高的要求。此外，现有多材料3d打印技术和系统存在打印精度不高、打印速度慢、异质材料间存在污染现象、无法实现复杂多材料嵌套拓扑零件的打印等问题，因此一种更具优越性的多材料3d打印方法和系统需要被提出，从而来满足产业界的需求。相比于其他3d打印技术，光固化3d打印技术具有更高的成型精度。目前产业界所实现的多材料光固化3d打印系统大多利用dlp的成型原理，即利用数字投影行模块实现每一层零件的可控形状成型，多层叠加后实现3d零部件的制造。
3.然而尽管dlp工艺原理可以实现多材料零件的制造，但是该3d 打印技术的成型精度多依赖数字投影模块的精度与分辨率。此外，该类设备存在发然严重、使用寿命短、设备冗杂等问题。利用激光诱导实现光固化树脂成型的sla光固化技术不仅具有微米级的制造精度，也在工艺性和稳定性方面具有更高的优越性。因此利用激光实现特殊功能异质材料零件的高精度制造亟待被解决从而提高智能制造技术领域的加工水平。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决技术背景中记载的问题，提供一种3d打印机。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种3d打印机，包括机体外壳和机体上平面；
6.机体上平面上设置有盒组，盒组的上方设置有z轴3d打印平台，盒组的下方设置有安装在机体外壳上的x轴工艺切换平台；
7.x轴工艺切换平台上安装有用于激光扫描区域变化的两轴激光振镜系统；
8.还包括控制系统，用于实现z轴3d打印平台的运动控制、x轴工艺切换平台的运动控制、以及两轴激光振镜系统以及盒组的控制；
9.还包括数字模型处理系统，用于识别模型文件并转换为打印机可以识别的代码文件。
10.在本发明的一种优选实施方式，盒组包括沿机体上平面长度方向依次布置的材料
a料盒5、材料a超声波清洗料盒、热风干燥料盒、材料b超声波清洗料盒和材料b盒。
11.在本发明的一种优选实施方式，材料a料盒5和材料b盒均包括上部开口的第一盒体，第一盒体内侧壁的底部固定有fpc薄膜。
12.在本发明的一种优选实施方式，材料a超声波清洗料盒和材料b 超声波清洗料盒均包括第二盒体，第二盒体的底部安装有超声波发生器。
13.在本发明的一种优选实施方式，热风干燥料盒包括上部开口的第三盒体，第三盒体的两侧壁上均安装有热风风扇。
14.在本发明的一种优选实施方式，z轴3d打印平台包括z轴驱动件和与z轴驱动件同轴固定连接的z轴滚珠丝杠,z轴滚珠丝杠的螺母座上固定有固定块，固定块上固定连接有打印平台，固定块的两侧竖向滑动连接有z轴直线导轨，z轴直线导轨固定安装在z轴模块上，与滚珠丝杠相互平行。
15.在本发明的一种优选实施方式，x轴工艺切换平台包括x轴驱动件和与x轴驱动件同轴固定连接的x轴滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母座上固定有运动托盘板。
16.在本发明的一种优选实施方式，两轴激光振镜系统包括转动连接在运动托盘上的反射镜，反射镜的一侧设置有固定座，固定座上安装有405nm波长可变功率激光器和两个激光振镜以及两个激光振镜的控制电机。
17.在本发明的一种优选实施方式，使用如权利要求8所述的3d打印机，包括如下步骤：
18.步骤1，多材料嵌套零件模型建模
19.分别建立单个异质材料特殊功能零件中的不同材料拓扑结构，并保存为stl格式文件；
20.步骤2，多材料嵌套零件模型的切片
21.将单个异质材料特殊功能零件的不同材料拓扑结构导入商业sla 切片软件中，按照原有拓扑关系将其装配后，分别获得不通过材料拓扑零件的g代码文件；不同的材料将在每一层切片g代码的头部标注“a”、“b”,从而用于区分不同的材料属性；最后，将不同材料的 g代码文件融合为一个文件，并在g代码中加入控制x轴工艺切换程序的g代码；
22.步骤3，异质材料零件激光诱导3d打印
23.调节z轴3d打印平台的平面至材料a料盒5或材料b盒底面的距离，以使紫外激光的焦点对齐于材料a料盒5或材料b盒的底面；其中，材料a料盒5或材料b盒内放置有树脂材料，且每个材料a料盒5或材料b盒内的材料与异质材料特殊功能零件的3d模型设定的材料对应；
24.通过控制z轴3d打印平台将打印平面移动至与材料a料盒或者材料b料盒底面之间的距离大小为切片一层的厚度0.01mm-1mm；
25.405nm半导体激光器所激发的紫外激光在两轴激光振镜的控制下扫描出对应当前切片层的图案，以完成当前层的打印。
26.在本发明的一种优选实施方式，还包括清洗方法：x轴工艺切换平台运动至材料a超声波清洗料盒或者材料b超声波清洗料盒的位置，z轴3d打印平台运动使得打印平台浸没于装有清洗液的材料a 超声波清洗料盒或者材料b超声波清洗料盒中；超声振动开启，清洗时间为1-5分钟后，z轴3d打印平台返回至原有高度；
27.还包括烘干方法：x轴工艺切换平台运动至热风干燥料盒的位置， z轴3d打印平台运动使得打印平台运动至热风干燥料盒的中间位置；热风风扇开启，形成热风对流，使得打印平台表面的残余的清洗液挥发。
28.本发明的原理以及有益效果：(1)本发明采用单个405nm可变功率激光器实现光固化树脂的光诱导成型，通过x轴工艺切换平台实现对于不同功能材料的高精度成型，工艺简单、成型效率高且可以实现任意复杂形状多材料嵌套模型的3d打印制造；由于z轴3d打印平台与双轴激光振镜系统耦合再进行材料切换时耦合运动，因而确保了同一零件中不同材料部分的相对拓扑关系；
29.(2)本发明中，针对于不同的材料，设置了专门的超声波清洗料盒，采用酒精作为清洗液。在进行清洗工艺时，打印平台浸没于清洗料盒中，未固化的树脂在超声波的作用下完全溶解于酒精中，有效避免了不同材料之间的交叉污染。
30.(3)本发明中，清洗后的打印平台将进行烘干工艺。通过热风风扇的干燥，可以有效地将残存于打印平台的酒精会发干净，避免再次打印时酒精混入材料中，破坏材料的原有性能。
31.(4)本发明中，采用405nm可变功率激光器，可以针对不同特性光固化树脂和模型结构特点实现激光器功率的改变，不仅可以有效提高打印效率，也提高了材料的普适性和打印精度。
32.(5)本发明中，提出了“建模-装配-分别切片-组合g代码”的多材料数字模型处理方法，弥补了当前缺少多材料3d切片软件的不足，也增加了本发明的工艺性，从而可以实现任意复杂多材料嵌套零件的制造。
33.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
34.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
35.图1是本发明实施例中3d打印机的一种实施例的结构示意图；
36.图2是本发明实施例中x轴工艺切换运动平台、z轴3d打印平台与双轴激光振镜系统的耦合系统示意图；
37.图3是本发明实施例中多材料零件的建模方法流程示意图；
38.图4是本发明实施例中多材料零件的切片方法流程示意图；
39.图5是本发明实施例中多材料梯度功能零件的3d打印方法的一种实施例的工艺原理示意图；
40.图6是本发明实施例中多材料梯度功能零件的3d打印方法的一种实施例的工艺流程图；
41.图7是本发明实施例中样品示意图。
42.说明书附图中的附图标记包括：机体外壳1、机体上平面2、z 轴3d打印平台3、打印平台3-1、固定块3-2、z轴直线导轨3-3、z 轴滚珠丝杠3-4、z轴电机3-5、x轴工艺切换平台4、x轴直线导轨 4-1、x轴滚珠丝杠4-2、x轴电机4-3、材料a料盒5、材料b料盒6、材料a超声波清
洗料盒7、材料b超声波清洗料盒8、热风干燥料盒 9、两轴激光振镜系统10、405nm波长可变功率激光器10-1、激光振镜电机10-2、反射镜11、控制系统12、显示与人机交互系统12-1、 cad数字模型处理系统13。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
46.本技术提供一种3d打印机，基本附图1至附图7所示，包括机体壳体和设置在机体壳体上的机体上平面2，机体上平面2上螺栓固定连接有盒组，盒组的上方设置有z轴3d打印平台3-1，盒组的下方设置有安装在机体外壳1上的x轴工艺切换平台4，x轴工艺切换平台4上安装有用于激光扫描区域变化的两轴激光振镜系统10。
47.盒组包括沿机体上平面2长度方向布置的材料a料盒5、材料a 超声波清洗料盒7、热风干燥料盒9、材料b超声波清洗料盒8和材料b料盒。本实施例中，材料a料盒5和材料b盒均包括由金属材料制成且上部开口的第一盒体，第一盒体内侧壁的底部螺栓固定连接有 fpc薄膜，材料a超声波清洗料盒7和材料b超声波清洗料盒8均包括由金属材料制成且上部开口的第二盒体，第二盒体的底部螺钉固定安装有超声波发生器。本实施例中，热风干燥料盒9包括有金属材料制成且上部开口的第三盒体，第三盒体沿宽度方向的两侧壁上均安装有热风风扇。
48.本实施例中，z轴3d打印平台3-1包括安装在机体壳体上的z 轴滚珠丝杠3-4和z轴驱动件，z轴驱动件为z轴电机3-5，z轴电机3-5的输出轴与滚珠丝杠同轴固定连接，z轴滚珠丝杠3-4的螺母座上螺栓固定连接有固定块3-2，固定块3-2上通过四个螺栓固定连接有打印平台3-1，固定块3-2的两侧均竖向滑动连接有z轴直线滑轨，z轴直线滑轨与z轴滚珠丝杠3-4固定连接。
49.本实施例中，x轴工艺切换平台4包括x轴驱动件和xz轴滚珠丝杠3-4，x轴驱动件为x轴电机3-5，x轴滚珠丝杠3-4横向布置，x 轴电机3-5与机体外壳1固定连接，x轴电机3-5的输出轴与x轴滚珠丝杠3-4同轴固定连接，x轴滚珠丝杠3-4的螺母座上螺栓固定安装有运动托盘，运动托盘的两侧均水平滑动连接有x轴直线导轨3-3， x直线导轨与机体外壳1固定连接。
50.运动托盘的一侧连接有转动反光镜，反光镜的一侧设置有两轴激光振镜系统10。
两轴激光振镜系统10包括固定座，固定座沿其宽度方向的一侧安装有一个激光振镜电机10-2，另一侧固定安装有405nm 波长可变功率激光器10-1，固定座远离反光镜的另一侧安装有另一个激光振镜电机10-2。
51.本实施例中，还包括控制系统12，控制系统12为现有的计算机等，用于实现z轴3d打印平台3-1的运动控制、x轴工艺切换平台4 的运动控制、两轴激光振镜系统10以及盒组的控制；还包括cad数字模型处理系统13，为现有的cad数字模型处理器，用于识别cad 模型文件并转换为打印机可以识别的g代码文件，控制系统12与cad 数字模型处理系统13电连接。控制系统电连接有显示与人机交互系统12-1，以实现人机交互功能。
52.一种3d打印机的打印工艺，包括如下步骤：
53.步骤1，打印时，首先明确要制作异质多功能材料的材料组成类型及其不同材料拓扑结构之间的配合关系。其次，进行建模，请参看图3、图4。多材料嵌套零件模型建模可以在商业化的建模软件中(ug、 solidworks、proe等)进行；分别建立单个异质材料特殊功能零件中的不同材料拓扑结构，并保存为stl格式文件；然后，将单个异质材料特殊功能零件的不同材料拓扑结构导入商业sla切片软件中，按照原有拓扑关系将其装配后，分别获得不通过材料拓扑零件的g代码文件；不同的材料将在每一层切片g代码的头部标注“a”、“b”,从而用于区分不同的材料属性；最后，将不同材料的g代码文件融合为一个文件，并在g代码中加入控制x轴工艺切换程序的g代码。
54.步骤2，开始打印工艺时，首先需要调节各硬件的位置并明确材料参数，其具体为:
55.请参看图1和图2，通过z轴3d打印平台3调节打印平台3-1 的平面至树脂槽(材料a料盒5或材料b料盒6)底面的距离，以使紫外激光的焦点对齐于树脂槽的底面；其中，树脂槽内放置有树脂材料，且每个树脂槽内的材料与异质材料特殊功能零件的3d模型设定的材料对应。
56.步骤3，通过控制z轴3d打印平台3-1将打印平面移动至与材料 a料盒5或者材料b盒底面之间的距离大小为切片一层的厚度 (0.01mm-1mm)；405nm波长可变功率激光器10-1所激发的紫外激光在激光振镜电机10-2的控制下扫描出对应当前切片层的图案，以完成当前层的打印；其中，若当前层中存在其他材料，或者下一层与当前层的材料不一致，则x轴工艺切换平台4开始运动，经过清洗、烘干后转移至另一种材料a料盒5的下方；
57.步骤4，当需要进行清洗程序时，x轴工艺切换平台4运动至材料a超声波清洗料盒7或者材料b超声波清洗料盒8的位置，z轴3d 打印平台3-1运动使得打印平台3-1浸没于装有酒精(清洗液)的材料 a超声波清洗料盒7或者材料b超声波清洗料盒8中；超声波发生器开启，清洗时间为(1-5分钟)后，z轴3d打印平台返回至原有高度；
58.当需要进行烘干程序时，x轴工艺切换平台4运动至热风干燥料盒9的位置，z轴3d打印平台3-1运动使得打印平台3-1运动至热风干燥料盒9的中间位置；热风风扇开启，形成热风对流，使得打印平台3-1表面的残余的酒精挥发。
59.请参看图5、图6，经过多次上述工艺流程或子工艺流程的循环和组合，可以实现具有特殊功能的异质材料零件的制造，制造完成后，将3d打印平台3-1取下，将工件进行充分的清洗和烘干后，即可完成目标零件的制造，如附图7所示的由本工艺打印的样品示意图。
60.本实施例中，以应用的材料包含了所有颜色不同的以405nm波长紫外光为敏感源的光固化树脂，可以为普通光固化树脂、柔性光固化树脂、弹性光固化树脂、可水洗光固化
树脂、塞尼龙光固化树脂、类 abs光固化树脂、类亚克力光固化树脂、可铸造光固化树脂；同样包含了以上述光固化树脂为基体改性获得的特种浆料，包含了特种导电光固化树脂、特种uv陶瓷浆料、特种介电光固化树脂、特种压电光固化树脂、特种发光光固化树脂等。
61.在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
62.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。