本實(shí)用新型涉及三維打印領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種三維打印機(jī)和三維物體。

背景技術(shù)：

三維打印機(jī)是一種利用快速成型技術(shù)進(jìn)行打印三維物體的設(shè)備，其以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用塑料或粉末金屬等材料，逐層地打印出三維物體。三維打印的過程首先是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，再根據(jù)分析截面信息得到加工路徑，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技術(shù)有熔融擠壓成型、激光選擇性燒結(jié)成型、光固化成型等。

作為三維打印技術(shù)的代表，F(xiàn)DM(Fused Deposition Modeling, 熔融沉積成型)是一種通過熔融材料疊加堆積而形成三維實(shí)體模型的工藝，一般采用逐層固化成型方法，使打印后的樹脂一層一層地變成固體，從而產(chǎn)生固體成像產(chǎn)品。其中常見的成型材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等，基本上是通過從三維打印機(jī)的打印頭上端輸入線狀的成型材料，然后經(jīng)打印頭內(nèi)高溫熔融再從打印頭出口擠出約0.1毫米至0.2毫米左右的絲狀材料，然后把這種絲狀材料按照程序，規(guī)律地布置在打印托板上，從而實(shí)現(xiàn)三維成型。

但是這樣打印出來的物體會存在一些問題，例如打印出來的三維物體的強(qiáng)度和硬度不夠，而且打印出來的三維物體的表面粗糙而不夠美觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的主要目的是提供一種三維打印機(jī)，三維打印機(jī)包括打印平臺、打印頭裝置和加熱固化單元。打印平臺用于承載三維物體，打印頭裝置內(nèi)盛裝有纖維增強(qiáng)塑料，打印頭裝置可相對于打印平臺移動。打印頭裝置還盛裝有熱固性樹脂,加熱固化單元用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化。

由上述方案可見，在三維打印機(jī)的成型過程中，纖維增強(qiáng)塑料主要用于三維物體的內(nèi)層成型，而熱固性樹脂則用于三維物體的外層成型。這樣的做法一方面可以增強(qiáng)三維物體的強(qiáng)度；另一方面，由于短纖維材料或纖維材料會在纖維增強(qiáng)樹脂內(nèi)形成內(nèi)部空隙，熱固性樹脂會逐漸滲透進(jìn)入空隙內(nèi)部，這樣就會使得三維物體的表面很光滑，同時也會增強(qiáng)三維物體的強(qiáng)度。

打印頭相對于打印平臺可以進(jìn)行三維方向的移動，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了多種類型的打印平臺和打印頭的相互移動形式。例如，在申請?zhí)枮镃N201510054483.8和CN201410609259.6的中國發(fā)明專利申請文件中均公開了水平方向二維(X、Y方向）運(yùn)動的打印頭和豎直方向（Z方向）運(yùn)動的打印平臺。而在其它實(shí)施例中，也可以保持打印平臺在固定位置，打印頭在一定空間范圍內(nèi)任意三維方向運(yùn)動，例如在申請?zhí)枮镃N201310246765.9的中國發(fā)明專利申請，或者在申請?zhí)枮镃N201420137806.0的中國實(shí)用新型專利申請中公開了一種打印平臺始終處于固定位置，而打印頭可以相對于打印平臺在三維方向移動的方案。

一個優(yōu)選的方案是，纖維增強(qiáng)塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合后制成的打印材料；短纖維材料為以下物質(zhì)中的至少一種：碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維；熱塑性材料為以下物質(zhì)中的至少一種：聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。

由上述方案可見，熱塑性材料是指具有加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料。加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反復(fù)進(jìn)行。在現(xiàn)有技術(shù)中，適合于用于FDM的熱塑性材料的種類是非常多的，聚乳酸（PLA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）則是應(yīng)用最為廣泛的兩種材料。熱塑性材料具體可以是絲料狀或者粉末狀材料。當(dāng)熱塑性材料是絲狀材料時，其可以采用申請?zhí)枮镃N201410073577.5或者CN201510054483.8所公開的打印頭，這種打印頭在本領(lǐng)域中也被稱為齒輪熔融擠壓式打印頭。當(dāng)熱塑性材料是粉末狀材料時，打印頭的結(jié)構(gòu)可以采用申請?zhí)枮镃N201510260858.6所公開的結(jié)構(gòu)。顯然打印頭的結(jié)構(gòu)也可以采用現(xiàn)有技術(shù)的其它類型的結(jié)構(gòu)，并且，熱塑性材料具體還可以選擇其它狀態(tài)的材料，如還可以為片狀，只需要打印頭的結(jié)構(gòu)可以把熱塑性材料加熱熔融之后順利沉積在打印平臺上即可。

纖維增強(qiáng)塑料是現(xiàn)有技術(shù)中的一種復(fù)合材料，在多個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。例如玻璃纖維增強(qiáng)塑料就是其中一種，玻璃纖維增強(qiáng)塑料的品種也很多，性能也不同，用途十分廣泛，它是由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝，制作而成的一種功能型的材料。本實(shí)用新型所指的纖維增強(qiáng)塑料就是指把適用于現(xiàn)有FDM打印的熱塑性材料與纖維材料進(jìn)行混合后再制作成三維成型材料。這樣的方案一方面可以增強(qiáng)熱塑性材料的強(qiáng)度，另一方面也可以使得三維成型物體的內(nèi)部形成間隙或空隙，方便熱固性樹脂的滲透填充。纖維優(yōu)選為短纖維材料，短纖維的優(yōu)選方案雖然為碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維，但是顯然其也可以是現(xiàn)有技術(shù)中其它類型的纖維，只要滿足兩個條件即可：第一就是能夠增強(qiáng)熱塑性材料的強(qiáng)度，第二就是能夠在三維成型物體的內(nèi)部形成空隙。

一個優(yōu)選的方案是，短纖維材料在纖維增強(qiáng)塑料中所占的重量比例小于10%。

由上述方案可見，短纖維材料占纖維增強(qiáng)塑料總重量的比例最好控制在10%重量比例以下，且優(yōu)選為3%的重量比例，或者2.5%至3.5%的重量比例。一個優(yōu)選的方案是，液體熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環(huán)氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。

由上述方案可見，熱固性樹脂(thermosetting resin)是指樹脂加熱后產(chǎn)生化學(xué)變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解的一種樹脂。雖然，上面給出了一種優(yōu)選的熱固性樹脂的制備方法。但是，熱固性樹脂具體還可以是其它種類的現(xiàn)有熱固性樹脂。

進(jìn)一步優(yōu)選的方案是，加入的酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是1:1；加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。

一個優(yōu)選的方案是，打印平臺設(shè)置在加熱室和/或密閉室和/或負(fù)壓室內(nèi)。

一個優(yōu)選的方案是，三維物體具有至少一個成型層，成型層具有內(nèi)層和外層，成型層按照下面的步驟進(jìn)行成型：第一打印頭把纖維增強(qiáng)塑料熔融沉積在內(nèi)層；第二打印頭把液體熱固性樹脂沉積在外層；加熱固化單元使外層內(nèi)的液體熱固性樹脂加熱后固化。

一個優(yōu)選的方案是，加熱室的溫度控制在140℃至160℃的之間。

一個優(yōu)選的方案是，負(fù)壓室為真空室。

一個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂為液體熱固性樹脂。

一個優(yōu)選的方案是，打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，第一打印頭內(nèi)盛裝纖維增強(qiáng)塑料，第二打印頭內(nèi)盛裝熱固性樹脂。

三維物體的成型方法，三維物體具有至少一個成型層，成型層具有外層和內(nèi)層；三維物體的成型方法包括下面的步驟：首先，把纖維增強(qiáng)塑料填充在內(nèi)層；然后，液體熱固性樹脂填充在外層。

三維物體，經(jīng)過三維打印機(jī)打印獲得，三維物體包括多個成型層；其中，至少一個成型層包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層填充為纖維增強(qiáng)塑料，外層填充為熱固性樹脂。

進(jìn)一步優(yōu)選的方案是，作為內(nèi)層填充材料的纖維增強(qiáng)塑料具有空隙，熱固性樹脂的一部分填充到空隙內(nèi)。

三維打印機(jī)的成型方法，三維打印機(jī)包括打印平臺、打印頭裝置，打印平臺用于承載三維物體；打印頭裝置盛裝有纖維增強(qiáng)塑料，打印頭裝置可相對于打印平臺移動，打印頭裝置還盛裝有液體熱固性樹脂；加熱固化單元，用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化；三維物體具有至少一個成型層，成型層具有外層和內(nèi)層；三維打印機(jī)的成型方法包括下面的步驟：首先，把打印頭裝置內(nèi)的纖維增強(qiáng)塑料填充在內(nèi)層；然后，把打印頭裝置內(nèi)的液體熱固性樹脂填充在外層；接著，加熱固化單元使外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。

一個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂為液體熱固性樹脂；打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，第一打印頭內(nèi)盛裝纖維增強(qiáng)塑料，第二打印頭內(nèi)盛裝熱固性樹脂。

一個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環(huán)氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。

進(jìn)一步優(yōu)選的方案是，加入的所述酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是1:1；加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型三維打印機(jī)實(shí)施例的第一打印頭和第二打印頭在打印平臺上成型過程的示意圖。

圖2是本實(shí)用新型三維打印機(jī)實(shí)施例的三維物體的一個成型層的示意圖。

圖3是本實(shí)用新型三維打印機(jī)實(shí)施例的三維物體的另一個成型層的示意圖。

圖4是本實(shí)用新型三維打印機(jī)實(shí)施例的三維物體的剖面示意圖。

圖5是本實(shí)用新型三維打印機(jī)實(shí)施例的三維打印物體放置在密閉室內(nèi)進(jìn)行后處理的示意圖。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

具體實(shí)施方式

三維打印機(jī)實(shí)施例：

如圖1所示，本實(shí)施例的三維打印機(jī)包括打印平臺50、第一打印頭20、第二打印頭30和加熱固化單元。打印平臺50用于承載三維物體10，第一打印頭20盛裝有纖維增強(qiáng)塑料21，纖維增強(qiáng)塑料21用于形成三維物體10的內(nèi)部材料，或稱為內(nèi)層材料。第一打印頭20可相對于打印平臺50移動。第二打印頭30盛裝有熱固性樹脂31，熱固性樹脂31用于形成三維物體10的外部材料，或稱為外層材料。第二打印頭30可相對于打印平臺50移動。加熱固化單元用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化。

優(yōu)選地，纖維增強(qiáng)塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合后制成的打印材料，短纖維材料在纖維增強(qiáng)塑料中所占的重量比例小于10%，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體的需要對兩者的比例進(jìn)行調(diào)整，但一般短纖維材料占總重量的比例應(yīng)該控制在10%重量比例以下，且優(yōu)選為3%的重量比例，例如為2.5%至3.5%的重量比例。具體地，短纖維材料為以下物質(zhì)中的至少一種：碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維。熱塑性材料為以下物質(zhì)中的至少一種：聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。由于短纖維的存在，當(dāng)纖維增強(qiáng)塑料成型之后，其會在三維物體內(nèi)形成很多小空隙或孔隙。

優(yōu)選地，熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環(huán)氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。具體地，加入的酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是1:1；加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。在一些變形的實(shí)施例中，第一打印頭和第二打印頭合體形成一個打印頭裝置，打印頭裝置形成一個整體之后，其可以相對于打印平臺整體性地移動，這樣的方式能夠減少部件占據(jù)的空間。打印頭裝置的第一打印頭和第二打印頭也可以分別控制，即分別控制第一打印頭和第二打印頭相對于打印平臺的移動，它們相互之間不干擾。熱固性樹脂的狀態(tài)優(yōu)選為液體或液態(tài)，這里的液體應(yīng)該是一個較為寬泛的理解，因?yàn)闊峁绦詷渲臓顟B(tài)是根據(jù)具體粘度的不同而逐漸發(fā)生變化的，并且這種粘度通常是可以調(diào)節(jié)的。因此，本實(shí)施例所指的熱固性樹脂的液體可以是粘度小、流動性大的狀態(tài)，也可以是粘度大、流動性小的狀態(tài)。

上述三維打印機(jī)的成型方法主要包括兩個步驟。先給出一個需要打印的三維物體10，三維物體10具有多個打印成型層，如圖2所示，其中一個成型層具有外層11和內(nèi)層12。本實(shí)施例中，外層11也可以理解為表層，表層也可以理解為用戶可以視覺直接觀察到的層，或者用戶可以用手部感知到的層。但是在一些情況下，如圖3所示，表層的一部分是很難觀察到的或者很難用手部感知到的，這些凹陷的外層位置也屬于表層或外層的含義之內(nèi)。

成型層的打印過程如下：首先，把第一打印頭20內(nèi)的纖維增強(qiáng)塑料21填充在內(nèi)層12。然后，把第二打印頭30內(nèi)的熱固性樹脂31填充在外層11。接著，加熱固化單元使外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。當(dāng)完成多個成型層的打印之后，即可形成三維物體10。通過這種方式形成的三維物體10，其具有至少一個成型層，這個成型層具有外層11和內(nèi)層12，內(nèi)層12是通過第一打印頭20把纖維增強(qiáng)塑料21熔融沉積形成的。外層11是通過第二打印頭30把熱固性樹脂31沉積形成的，至于三維物體10的其它成型層，其成型過程也可以按照本實(shí)用新型的方法進(jìn)行打印或者采用現(xiàn)有的其它方法進(jìn)行打印。

如圖4所示，通過上面的三維打印機(jī)形成的三維物體10的內(nèi)層填充材料的纖維增強(qiáng)塑料21具有空隙22，熱固性樹脂31的一部分會填充到空隙22內(nèi)、空隙22也可理解為孔隙。

優(yōu)選地，如圖5所示，打印平臺50設(shè)置在加熱室51內(nèi)，加熱室51還可以為密閉室或負(fù)壓室，也就是其同時具備加熱保溫、密閉和提供負(fù)壓的功能。負(fù)壓是指室內(nèi)的氣壓低于室外的氣壓，一般情況下是正常大氣壓的0.7或0.5倍以下，或者為真空狀態(tài)。當(dāng)打印平臺50設(shè)置在密閉室51內(nèi)后，三維物體就可以處于密閉室51的環(huán)境中。在三維物體的整個打印過程中，密閉室可在在真空負(fù)壓和保溫的密閉環(huán)境下進(jìn)行?；蛘?，可以在保溫環(huán)境下完成打印，然后再處于真空負(fù)壓和保溫的狀態(tài)。在一些變形的實(shí)施例中，在三維打印機(jī)的成型方法中，第一打印頭和第二打印頭合體形成一個打印頭裝置，打印頭裝置形成一個整體之后，其可以相對于打印平臺整體性地移動。打印頭裝置可以分別地控制纖維增強(qiáng)塑料和熱固性樹脂沉積到相應(yīng)的位置。纖維增強(qiáng)塑料一般是加熱熔融后沉積到打印平臺上，熱固性樹脂可以采用噴射、噴涂、涂覆等方式沉積在打印平臺上。

然而，三維物體在成型之后，繼續(xù)在真空負(fù)壓和保溫情況下進(jìn)行后處理的步驟能夠增強(qiáng)三維物體的強(qiáng)度和表面光滑度。其中，加熱保溫的溫度可設(shè)置在150℃。經(jīng)過負(fù)壓和保溫作用，使三維物體的內(nèi)層外表面上的液態(tài)熱固性樹脂材料充分滲透進(jìn)熱塑性材料的孔隙內(nèi)并且在加熱后發(fā)生固化。從而使三維物體的表面光潔度更高，三維物體的強(qiáng)度更高。

最后需要說明的是，本實(shí)用新型不限于上述的實(shí)施方式，諸如對熱固性樹脂的加工工藝進(jìn)行調(diào)整，選取其它的適用于三維打印的熱塑性材料等設(shè)計(jì)也在本實(shí)用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。