发明内容
基于此,有必要提供一种能够使幕帘快速达到稳定状态且不易受空气阻力影响的3D打印设备及方法。
本发明为解决上述技术问题的技术方案是:
一种3D打印方法,包括如下步骤:
使用幕帘涂覆器在成型缸的固化平面上涂覆光敏感型工作液,所述幕帘涂覆器具有出液口,从所述出液口挤出的工作液形成幕帘,随着所述幕帘涂覆器与所述固化平面的相对运动,所述幕帘均匀涂覆在所述固化平面上形成涂覆层,在涂覆过程中,控制所述幕帘的高度小于50mm;
使用光源在所述涂覆层的预设位点进行选择性光照,使预设位点处的所述工作液固化成型;
控制所述固化平面下降一层新近涂覆的涂覆层的高度,在已固化成型的涂覆层上继续涂覆工作液,形成新的涂覆层,并使用所述光源在预设位点照射所述新的涂覆层;
重复上述动作直至完成所需的3D打印。
在其中一个实施例中,所述幕帘涂覆器或所述幕帘的运动速度v满足:
其中,t为所述幕帘的厚度,σ为所述幕帘的表面张力,ρ为所述工作液的密度。
在其中一个实施例中,所述幕帘的厚度根据待形成的涂覆层的厚度设计,所述幕帘的厚度与所述涂覆层的厚度相等。
在其中一个实施例中,所述3D打印方法还包括在涂覆之前使所述幕帘达到稳定状态的步骤,具体是在涂覆之前,在所述出液口出液之后,将所述幕帘涂覆器以非稳定态加速运行预设距离,直至从所述出液口挤出的幕帘达到稳定状态。
本发明还提供了一种3D打印设备,其包括成型缸、光源、储液容器及幕帘涂覆器;所述成型缸的支撑组件为可升降式结构;所述光源及所述幕帘涂覆器位于所述成型缸的上方;所述幕帘涂覆器具有进液口和出液口且内部设有与所述进液口及所述出液口连通的压力均衡槽,所述出液口与所述成型缸的固化平面之间的距离小于50mm;所述储液容器与所述幕帘涂覆器的进液口之间通过输液管道连通。
在其中一个实施例中,所述幕帘涂覆器包括第一涂覆头和第二涂覆头;所述第一涂覆头内设有第一压力槽,所述第二涂覆头内设有第二压力槽,所述第一涂覆头与所述第二涂覆头固定连接且第一压力槽与所述第二压力槽对应配合构成所述压力均衡槽,所述第一涂覆头的底部与所述第二涂覆头的底部之间具有连通所述压力均衡槽的间隙,该间隙形成所述出液口;
所述进液口设在所述第一涂覆头上,且所述进液口的数量至少为一个,若所述进液口有多个,多个所述进液口在所述第一涂覆头上均匀分布,相邻的进液口之间的距离不超过100mm。
在其中一个实施例中,所述第一压力槽及所述第二压力槽均为半圆柱形槽,所述第一压力槽与所述第二压力槽配合构成圆柱形的所述压力均衡槽。
在其中一个实施例中,所述幕帘涂覆器还包括内衬片,所述内衬片设在所述第一涂覆头与所述第二涂覆头之间,用以调节所述第一涂覆头的底部与所述第二涂覆头的底部之间的间隙的宽度。
在其中一个实施例中,所述第一涂覆头、所述内衬片及所述第二涂覆头之间通过多个等距设置的螺丝固定连接,相邻的螺丝之间相距不超过50mm,且所述螺丝所在位置与所述压力均衡槽之间的距离不超过10mm。
在其中一个实施例中,所述压力均衡槽的内径为5~7mm。
在本发明大量的理论和实践过程中,意外的发现,幕帘涂覆过程中并非幕帘越高其状态越稳定,满足条件的短的幕帘,如高度小于50mm的幕帘,其稳定性更优,并且能够节约设备空间,使幕帘涂覆的方法更加经济和实用。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施例的3D打印方法,使用幕帘涂覆的原理,具体包括如下步骤:
步骤一:使用幕帘涂覆器在成型缸的固化平面上涂覆光敏感型工作液,幕帘涂覆器具有出液口,从出液口挤出的工作液形成幕帘,随着幕帘涂覆器与固化平面的相对运动,幕帘均匀涂覆在固化平面上形成涂覆层,在涂覆过程中,控制幕帘的高度小于50mm。
幕帘涂覆器可采用常用的挤出型涂覆器,其具有长条形的出液口。
光敏感型工作液可以是但不限于各种光固化树脂材料等,如采用丙烯酸酯和环氧树脂混合配比得到的常用的树脂材料。
在本实施例中,在步骤一之前还包括使幕帘达到稳定状态的步骤,具体是在形成有效的涂覆层之前,在出液口出液之后,将幕帘涂覆器以非稳定态加速运行预设距离,直至从出液口挤出的幕帘达到稳定状态。
在本实施例中,幕帘涂覆器或幕帘的运动速度v满足:
其中,t为幕帘的厚度,σ为幕帘的表面张力,ρ为工作液的密度,下同。
满足上述关系的运动速度v的推导过程如下:
如图1所示,取下落的幕帘的厚度为t,在某一段的曲率半径为R,在幕帘的运动方向上取一段单元长度ds(其中幕帘的垂直长度为L)。
离心力使幕帘沿着曲率为R的圆弧运动,从而有:
其中,ρ为工作液的密度,即幕帘的密度;
另一方面,表面张力影响幕帘与涂覆层的各个面,从而提供一个总的向心力:
其中σ为幕帘的表面张力;
处于当稳定状态时,Fcf=Fcp,或者
即
当乘积t·v2小于的值时,离心力起主要作用,圆弧半径将断裂;当乘积t·v2大于的值时,圆弧半径R将趋向无穷,幕帘将变的垂直平整,不产生任何弧度。严格来说,包括重力在内的以及其他对幕帘可能的作用力也必须考虑,不过即使在更加严格的推导过程中,只要t·v2的乘积超过某一最小值时,幕帘就可以变的垂直平稳。
理论和实践都表明,幕帘是否“固定”与幕帘的高度无关,而采用短的幕帘可以在设备设计时提供更多的空间,例如使设备整体更加紧凑,空间利用率更高,无需额外设计防护罩来降低空气压力影响等。进一步的试验也表明,当帘的高度为50mm或者以下时,空气阻力的影响作用几乎可以忽略,这种情况在以下具体试验中使涂覆速度(即上述相对运动速度)达到2000mm/s时得到了验证。
可以理解的是,长幕帘更容易受到空气阻力等因素的影响,进而影响幕帘的稳定性,因此Materialize在采用125mm的幕帘高度时,不得不在涂覆装置上安装防护罩以降低影响。而实际过程中短的幕帘受环境影响非常小,受到的空气影响几乎可以忽略,无需为涂覆装置设计防护罩。
从而,根据上述分析可以得到稳定状态的幕帘,其与固化平面的相对运动速度v满足如下关系:
进一步的,幕帘的厚度由涂覆层的厚度决定,幕帘的厚度与涂覆层的厚度相等。
进一步的,通过降低幕帘高度和/或提高幕帘运动加速度,能缩短幕帘达到稳定状态前所运行的初始距离。在采用幕帘涂覆的过程中,能够形成稳定的液态幕帘在涂覆过程中分为初始阶段和稳定阶段,幕帘涂覆器在初始阶段以非稳定态加速运行一段初始距离后,才能达到稳定阶段形成稳定液态幕帘,初始阶段的涂覆因幕帘不连续而舍弃,稳定阶段的幕帘才能实施有效的涂覆。
试验中发现,在具备形成稳定幕帘的相同条件下,幕帘高度越小,初始距离越小,幕帘高度越大,初始距离相应也大,而且提高初始阶段的幕帘加速度也能达到缩短初始距离的目的。这一发现给设备设计提供了积极效果,通过选择一个较小的帘高度,可以将初始距离变小,从而节省光固化设备空间,并使得设备结构更加紧凑、经济。在本实施例的研究中发现,曾经在初始距离值100mm之前帘便达到了稳定状态,此时涂覆器的速度是1500mm/s。
进一步,本实施例通过理论分析和试验研究,幕帘的高度优选不小于2mm。
步骤二:使用光源在涂覆层的预设位点进行选择性光照,使预设位点处的工作液固化成型。
步骤三:控制固化平面下降一层新近涂覆的涂覆层的高度,在已固化成型的涂覆层上继续涂覆工作液,形成新的涂覆层,并使用光源在预设位点照射新的涂覆层。
步骤四:重复上述动作直至完成所需的3D打印。
本实施例所述的幕帘涂覆是指一种处于特定压力下的工作液,在涂覆器(如幕帘涂覆器)上被挤出形成幕帘形状,与被涂覆物体进行相对运动并将其涂覆的方式。幕帘涂覆不仅能避免因涂布器与大量工作液直接相互作从而可能产生的三维物体破坏,而且涂覆速度远远超过使用刮刀的涂覆速率,缩短了材料涂覆的时间,成倍的提高了SLA工艺效率。
在一具体的研究降低幕帘高度的试验中,幕帘涂覆使用的涂覆速度为2000mm/s,根据幕帘涂覆器和幕帘速度满足的关系:
分别设计了100mm、48mm两种高度来验证幕帘的稳定性。试验结果表明,在涂覆速度满足条件的情况下,两种高度均能形成“固定”的幕帘,但100mm高度的幕帘在涂覆过程中因为空气阻力的原因出现了“拉拽”现象,而48mm高度的幕帘在涂覆过程中表现稳定,基本可以忽略空气阻力影响。这一结果表明短的幕帘不仅也能形成稳定的状态,而且能在空气阻力作用下表现更加优秀,在采用帘式涂覆的设备中可以使用较低的涂覆高度实现稳定的涂覆,无需过多考虑空气阻力,节省设备空间。
在另一研究降低涂覆初始距离的试验中,涂覆头或幕帘速度为1.5m/s,根据幕帘涂覆器与幕帘速度满足的关系:
分别设计了100mm、48mm涂覆两种高度来进行试验,并进一步设计涂覆头的不同加速度。试验结果表明,采用48mm的帘在涂覆头使用更高的加速度时,经历100mm左右的初始距离便达到了稳定状态,而100mm的帘历经的初始距离要大很多。这一结果表明短的幕帘能缩短初始距离,给光固化设备节省大量空间,同时还能节省原材料,提高涂覆效率。
本实施例的3D打印方法是一种逐层固化形成三维物体的方法,所述三维物体是通过将光敏感型工作液一层一层固化形成,其中新的层固化是在已经固化的层或者基底上形成,各层之间工作液的涂覆方式一致,均由一个具有出液口的幕帘涂覆器流出,形成液态幕帘状,并通过调节工作液涂覆过程中幕帘涂覆器或幕帘的运动速度,获得稳定的液态幕帘,以及通过调节幕帘高度,特别是在幕帘高度低于50mm的情况下,幕帘能缩短初始距离,快速达到稳定连续的状态。采用本实施例的幕帘式的3D打印方法,能快速稳定的实现三维制造过程中新一层工作液的涂覆,并使现有帘式涂覆方法更加便捷、高效。
本实施例还提供了一种3D打印设备,其包括成型缸、光源、储液容器及幕帘涂覆器。
成型缸的支撑组件为可升降式结构。光源及幕帘涂覆器位于成型缸的固化平面的上方。
请结合图2和图3,幕帘涂覆器100具有进液口102和出液口104且内部设有与进液口102及出液口104连通的压力均衡槽106。出液口104与固化平面之间的距离小于50mm。储液容器与幕帘涂覆器100的进液口102之间通过输液管道连通。
具体的,在本实施例中,幕帘涂覆器100包括第一涂覆头110和第二涂覆头120。第一涂覆头110内设有第一压力槽112。第二涂覆头120内设有第二压力槽122。第一涂覆头110与第二涂覆头120固定连接且第一压力槽112与第二压力槽122对应配合构成压力均衡槽106。第一涂覆头110的底部与第二涂覆头120的底部之间具有连通压力均衡槽的间隙,该间隙形成出液口104。可理解,在其他实施例中,出液口104也可以直接开设在第一涂覆头110的底部或第二涂覆头120的底部。通过在两个涂覆头中均设置压力槽相比只采用单边槽的做法更具优势,这是因为由于两边都设有压力槽,所形成的压力均衡槽的横截面积变得更大,为实现压力均衡所需的槽的直径变的更短,从而可以减小涂覆头的高度。
在本实施例中,第一涂覆头110上设有多个进液口102。多个进液口102在第一涂覆头110上均匀分布,且相邻的进液口之102间的距离不超过100mm。可理解,在其他实施例中,进液口102的数量也可以只有一个。
进一步,在本实施例中,第一压力槽112及第二压力槽122均为半圆柱形槽,第一压力槽112与第二压力槽122配合构成圆柱形的压力均衡槽106。压力均衡槽106的内径优选为5~7mm。为保证圆柱形的压力均衡槽106内工作液达到等压效果,设计多个进液口102向压力均衡槽106内注入工作液,每个进液口102负责一段相等的填充工作液的距离,因此圆柱形的压力均衡槽106的内径也可以相应减小。
此外,在本实施例中,幕帘涂覆器100还包括内衬片130。内衬片130优选采用延展性较好的铜制作成型。内衬片130设在第一涂覆头110与第二涂覆头120之间且与第一涂覆头110及第二涂覆头120的顶部的侧壁及两端的侧壁密封配合。第一涂覆头110与第二涂覆头120通过内衬片130在底部隔开且形成与压力均衡槽106连通的长条形的间隙,该间隙形成出液口104。内衬片130的厚度即出液口104的宽度。可以理解的是,内衬片130的设计是方便出液口104的宽度可调节,在一个宽度固定需求的幕帘涂覆器100内,可以直接设置成所需宽度的缝隙,也可以无需设置内衬片170进行调节。
本实施例的第一涂覆头110、内衬片130及第二涂覆头120之间通过多个等距设置的螺丝140固定连接。相邻的螺丝140之间相距不超过50mm,且螺丝140所在位置与压力均衡槽106之间的距离不超过10mm。这种紧凑型螺丝140连接设计能更加接近出液口104,例如螺丝140与幕帘涂覆器100的底部相距可达15mm,甚至更小,而整个幕帘涂覆器100的横截面甚至可以设计成小至30mm*30mm左右,极大减轻了幕帘涂覆器100的质量,从而在涂覆开始时或者结束时使用更大的加速或者减速,而且轻质的涂覆器能减少在加速或者减速过程中所受的振动或者冲击。此外,采用该幕帘涂覆器100具有良好的延展性,只要在满足上述设计的基础上,通过类似结构设计的延展,可以实现不同长度需求的幕帘涂覆器100制备。
此外,该3D打印设备还包括压力泵、压力传感器、控制器、第一过滤器、阻尼器、回收容器及第二过滤器等部件。其中,压力泵用于将储液容器内的工作液泵入进液口102。压力传感器用于检测输液管道、进液口和/或压力均衡槽106内的工作液的压力,并将该压力数值反馈至控制器,控制器根据该实时反馈的压力数值控制压力泵的工作功率。第一过滤器及阻尼器设在输液管道上。从储液容器中泵出的工作液依次经过第一过滤器过滤后,经阻尼器稳流后进入进液口102。回收容器用于回收多余的工作液。回收容器与储液容器之间连通,并且在之间设有第二过滤器,以对回收的工作液过滤后重复利用。
在本发明大量的理论和实践过程中,意外的发现,幕帘涂覆过程中并非幕帘越高其状态越稳定,满足条件的短的幕帘,如高度小于50mm的幕帘,其稳定性更优,并且能够节约设备空间,使幕帘涂覆的方法更加经济和实用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。