本發(fā)明涉及一種3D打印裝置及工藝,尤其是涉及一種可用于成型大型制品的3D打印裝置及工藝。

背景技術(shù)：

快速成型技術(shù)(又稱為快速原型制造技術(shù)，Rapid Prototyping Manufacturi-ng，簡稱RPM)，又被稱作3D打印。該技術(shù)根據(jù)物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以逐層疊加的方式制造實體。該技術(shù)能克服目前傳統(tǒng)機(jī)械加工無法實現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)障礙，可以實現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的簡單化生產(chǎn)?，F(xiàn)有的3D打印技術(shù)主要分為，熔融沉積成型(FDM)、光固化立體印刷(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、立體平板印刷(SLA)、三維噴印(3DP)和數(shù)字光處理(DLP)等等。

目前的熔融沉積成型(FDM)技術(shù)主要是螺桿塑化并輸送熔體通過三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)在平板上逐層堆積成型，或通過加熱噴嘴熔融絲料以同樣的原理在底板上逐層堆積成型。螺桿塑化輸送式打印機(jī)的缺點(diǎn)是打印物料的工藝參數(shù)難以調(diào)試精確，并且螺桿加熱段溫度的波動及機(jī)筒內(nèi)流料量的不均勻性都會直接影響打印制品的精度。加熱噴嘴熔絲式的3D打印機(jī)雖然在一定程度上可以保證打印精度，但打印材料只能是絲料并且體型和功率都很小，所以存在打印材料種類受限制、打印速度過慢以及不能成型大型制品的缺點(diǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前3D打印機(jī)的不足之處，本發(fā)明提出一種新的3D打印裝置及工藝，可用于成型大型制品。該發(fā)明由噴射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、三維運(yùn)動系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)等組成。該發(fā)明分為打印部分和加熱部分。打印過程僅為膠水與粒料的粘結(jié)，與螺桿塑化輸送式打印相比，避免了溫度波動及流料不均勻?qū)χ破肪鹊挠绊?。加熱部分為微波加熱，可使打印制品?nèi)外同時加熱，形成內(nèi)部填充均勻的制品。該發(fā)明成型速度快、成型過程無需加熱，工藝簡單，打印材料受限制少、可用于成型大型制品。

實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是，一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，主要包括噴射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、三維運(yùn)動系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和微波加熱系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)主要由膠水儲存盒和噴嘴組成；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制卡和數(shù)據(jù)儲存器組成；三維運(yùn)動系統(tǒng)主要由X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)和Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成；成型系統(tǒng)主要由儲料腔、儲料腔活塞、成型腔、成型腔活塞及鋪料輥構(gòu)成；微波加熱系統(tǒng)主要由加熱腔體和溫控器組成。利用儲料腔活塞、成型腔活塞在Z向的相反運(yùn)動和鋪料輥的左右運(yùn)動在成型腔將粒料均勻鋪滿，隨后噴射系統(tǒng)經(jīng)X和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的帶動在粒料層的上方按照三維數(shù)字模型的截面輪廓向粒料層噴涂膠水使部分粒料粘結(jié)，實現(xiàn)截面輪廓內(nèi)的粒料與下面已成形的部分實現(xiàn)粘結(jié)，當(dāng)一層截面粘結(jié)完成后，Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動儲料腔活塞上移一層的厚度，同時成型腔活塞下移一層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層粒料，進(jìn)行新一層截面的粘結(jié)，直至完成整個模型。最后將該實體放入微波加熱器內(nèi)加熱形成內(nèi)部填充均勻的實體。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，噴嘴位于成型腔上面，噴嘴處內(nèi)部設(shè)有氣動閥，以控制噴嘴的開關(guān)，進(jìn)而控制膠水的流出；膠水儲存盒內(nèi)通有具有一定壓力的氣體，使其內(nèi)部形成一定的背壓，以保證膠水能夠通過噴嘴順利流出。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，噴嘴在X向和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的帶動下，在成型腔的顆粒物料平面上方做掃描運(yùn)動，Z方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動儲料腔活塞和成型腔活塞沿豎直方向精確運(yùn)動，每層成型的厚度由儲料腔上升的高度決定，儲料腔活塞上升的高度等于成型腔活塞下降的高度。Z方向運(yùn)動機(jī)構(gòu)要有較大的驅(qū)動力和自鎖功能。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，數(shù)據(jù)儲存器將三維數(shù)字模型的切片文件儲存于設(shè)備中；運(yùn)動控制卡用于控制Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)、Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)、X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)、鋪料輥的轉(zhuǎn)動以及膠水的噴涂。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，儲料腔與成型腔是兩個沒有上下表面長方體腔體，分別與儲料腔活塞和成型腔活塞配合，形成可以盛放粒料材料的容積空間?；厥涨挥梢粋€上表面開口的箱體構(gòu)成，緊貼著成型腔用以回收成型腔多余的顆粒材料，回收腔底部有可開合的抽板，方便將收集的多余粒料取出；儲料腔活塞和成型腔活塞分別由Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)、Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，粘結(jié)完成的模型在外表面涂覆一層熔點(diǎn)比粒料高的并且有一定彈性的材料涂覆層之后再放入微波加熱器的加熱腔體內(nèi)進(jìn)行加熱處理。由于外涂層的熔點(diǎn)較粒料高，所以當(dāng)粒料熔融的時候，涂覆層層仍為固體狀態(tài)，可對熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受熱坍塌；由于涂層有一定的熱塑性，能容許熔融物料有一定的彈性擴(kuò)張，從而避免了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

涂覆層材料可以是交聯(lián)料或熱固性材料，涂覆層材料固化后再經(jīng)歷熱源時不再熔化。涂覆層材料也可以是橡膠，橡膠硫化后再經(jīng)歷熱源時也不再熔化。涂覆層材料在制品上的涂覆方法可以是浸漬、擠出、噴涂或吸塑。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，打印出制品的加熱采用微波加熱，微波加熱屬于一種內(nèi)加熱，依靠微波段電磁波將能量傳播到被加熱物體的內(nèi)部，使物料整體同時升溫，直接作用于被加熱物體的內(nèi)部，以避免由于加熱不均使制品內(nèi)部不同時熔融從而導(dǎo)致制品內(nèi)部不能均勻填充，產(chǎn)生熱應(yīng)力及內(nèi)部缺陷。不同的料需加熱的溫度不同，可通過調(diào)節(jié)溫控器上的溫度來控制。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置，對加熱熔融后內(nèi)部填充均勻的制品進(jìn)行冷卻，冷卻完畢后將涂覆層去掉，并進(jìn)行表面處理，即得到最終制品。

采用上述一種可用于成型大型制品的3D打印裝置的工藝為：第一步，儲料腔活塞、成型腔活塞經(jīng)Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)和Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)的帶動在Z向的相反運(yùn)動和鋪料輥的左右運(yùn)動使粒料在成型腔頂部將均勻鋪滿，隨后噴射系統(tǒng)經(jīng)X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)的帶動在粒料層的上方按照數(shù)據(jù)儲存器中三維數(shù)字模型的截面輪廓向粒料層噴涂膠水使部分粒料粘結(jié)，實現(xiàn)截面輪廓內(nèi)的粒料與下面已成形的部分實現(xiàn)粘結(jié)，當(dāng)一層截面粘結(jié)完成后，Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動儲料腔活塞上移一層的厚度，同時成型腔活塞下移一層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層粒料，進(jìn)行新一層截面的粘結(jié)，直至完成整個模型打印過程；第二步，打印得到的制品在膠水固化后取出，鋪料輥將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層熔點(diǎn)比粒料高的并且有一定彈性的涂覆層，之后再放入微波加熱器的加熱腔體內(nèi)進(jìn)行加熱處理，由于涂覆層的熔點(diǎn)較粒料高，所以當(dāng)粒料熔融的時候，涂覆層層仍為固體狀態(tài)，可對熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受熱坍塌；由于涂覆層有一定的熱塑性，能容許熔融物料有一定的彈性擴(kuò)張，從而避免了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，不同的料需加熱的溫度不同，可通過調(diào)節(jié)溫控器上的溫度來控制；第三步，對內(nèi)部加熱熔融后制品進(jìn)行冷卻，冷卻完畢后將涂覆層去掉，并進(jìn)行表面處理，得到最終制品。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印工藝，粒料的形狀可以為短纖維狀，粒料在打印得到的制品中交叉，在微波加熱后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，制品內(nèi)部粘接強(qiáng)度更高，不是僅僅由膠水粘接。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印工藝，粒料可以為彈性球，膠水填充于彈性球之間，將彈性球粘接在一起，膠水中添加一些對微波敏感的填料，制品在微波加熱過程中熱源位于膠水中，通過膠水的熱量傳遞使得相接觸彈性球外層熔融粘接在一起，冷卻后制品由于彈性球的存在而具有彈性，所得制品為彈性制品。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印工藝，為了減少材料的使用，粒料還可以采用中空的微球或發(fā)泡的微球，膠水將所含的氣體包覆住，在微波加熱時氣體也不易逸出，所得的制品的發(fā)泡倍率可以很大，當(dāng)制品強(qiáng)度要求不高的情況下，可以優(yōu)先采用。另外，如果微球的直徑約等于打印的層厚，微球的壁厚很薄，節(jié)省材料更顯著。

本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置及工藝，其有益效果是，該發(fā)明分為打印部分和加熱部分。打印過程僅為膠水與粒料的粘結(jié)，與螺桿塑化輸送式打印相比，避免了溫度波動及流料不均勻?qū)χ破肪鹊挠绊?。加熱部分為微波加熱，可使打印制品?nèi)外同時加熱，形成內(nèi)部填充均勻的制品。該發(fā)明成型速度快、成型過程無需加熱，工藝簡單，打印材料受限制少、可用于成型大型制品。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種可用于成型大型制品的3D打印裝置的結(jié)構(gòu)及工藝過程示意圖。

圖2是熔融前加涂覆層的3D打印制品圖。

圖中：1-Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)；2-儲料腔活塞；3-儲料腔；4-鋪料輥；5-X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)；6-噴嘴；7-Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)；8-膠水儲存盒；9-成型腔；10-打印制品；11-成型腔活塞；12-回收腔；13-加熱腔體；14-溫控器；15-最終制品；16-運(yùn)動控制卡；17-數(shù)據(jù)儲存器；18-Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)；19-涂覆層。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種用于成型大型制品的3D打印裝置及工藝，如圖1所示，主要由噴射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、三維運(yùn)動系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、微波加熱系統(tǒng)等組成。成型系統(tǒng)和微波加熱系統(tǒng)分開放置，噴射系統(tǒng)主要由膠水儲存盒8、噴嘴6組成；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制卡16、數(shù)據(jù)儲存器17組成；三維運(yùn)動系統(tǒng)主要由X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)5和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)7以及Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)1和Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)18組成；成型系統(tǒng)主要由儲料腔3、儲料腔活塞2、成型腔9、成型腔活塞11及鋪料輥4構(gòu)成；微波加熱系統(tǒng)主要由加熱腔體13和溫控器14組成。成型系統(tǒng)中的成型腔上方布置噴射系統(tǒng)，三維運(yùn)動系統(tǒng)控制噴嘴6、儲料腔活塞2、成型腔活塞11及鋪料輥4的運(yùn)動，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)控制三維運(yùn)動系統(tǒng)。

本發(fā)明一種用于成型大型制品的3D打印裝置及工藝，其工作過程是：一、打印過程。儲料腔3與成型腔9是兩個沒有上下表面長方體腔體，分別與儲料腔活塞2和成型腔活塞11配合，形成可以盛放粒料材料的容積空間。儲料腔活塞2、成型腔活塞11經(jīng)Z向儲料腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)1和Z向成型腔運(yùn)動機(jī)構(gòu)18的帶動在Z向的相反運(yùn)動和鋪料輥4的左右運(yùn)動使粒料在成型腔9頂部將均勻鋪滿，隨后噴射系統(tǒng)經(jīng)X向運(yùn)動機(jī)構(gòu)5和Y向運(yùn)動機(jī)構(gòu)7的帶動在粒料層的上方按照數(shù)據(jù)儲存器17中三維數(shù)字模型的截面輪廓向粒料層噴涂膠水使部分粒料粘結(jié)，實現(xiàn)截面輪廓內(nèi)的粒料與下面已成形的部分實現(xiàn)粘結(jié)，當(dāng)一層截面粘結(jié)完成后，Z向運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動儲料腔活塞2上移一層的厚度，同時成型腔活塞11下移一層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層粒料，進(jìn)行新一層截面的粘結(jié)，直至完成整個模型。回收腔12由一個上表面開口的箱體構(gòu)成，緊貼著成型腔9以回收成型腔9多余的顆粒材料。二、熔融過程。打印制品10在外表面涂覆一層熔點(diǎn)比粒料高的并且有一定彈性的涂覆層19之后再放入微波加熱器的加熱腔體13內(nèi)進(jìn)行加熱處理。涂覆后的制品如圖2所示，由于涂覆層19的熔點(diǎn)較粒料高，所以當(dāng)粒料熔融的時候，涂覆層19層仍為固體狀態(tài)，可對熔融物料形成一定的包裹作用，避免了制品受熱坍塌；由于涂覆層有一定的熱塑性，能容許熔融物料有一定的彈性擴(kuò)張，從而避免了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。不同的料需加熱的溫度不同，可通過調(diào)節(jié)溫控器14上的溫度來控制。三、冷卻并進(jìn)行表面處理。對加熱熔融后內(nèi)部填充均勻的制品進(jìn)行冷卻，冷卻完畢后將涂覆層19去掉，并進(jìn)行表面處理，即得到最終制品15。