本發(fā)明涉及3d打印，具體涉及一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、dlp3d打印技術(shù)首先利用投影成像技術(shù)，將模型的切片信息投影至打印區(qū)，使之接受uv光源照射的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生固化，同時，成形平臺將樣件向上提拉，使得樣件連續(xù)固化成型，最終打印出三維立體模型。dlp3d打印的模型精度一般優(yōu)于普通3d打印機(jī)的模型精度。

2、dlp3d打印技術(shù)因為具有成型精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，自問世以來，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，到如今已經(jīng)運(yùn)用于多種工況下、多種材料的打印，但隨著研究的深入和研究范圍的擴(kuò)展，dlp技術(shù)也暴露出一些缺陷，特別是在薄壁結(jié)構(gòu)的制備中，具體地，受dlp投影成像系統(tǒng)分辨率的影響，dlp3d打印技術(shù)打印高精度的薄壁結(jié)構(gòu)件較為困難且打印薄壁結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)速度低、生產(chǎn)效率低，相比于工業(yè)生產(chǎn)中的吹塑、吹膜等技術(shù)不具備競爭力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明為大批量、高效率生產(chǎn)薄壁結(jié)構(gòu)件的提出了一種新型dlp3d打印方法：通過降低dlp打印材料——光敏樹脂的表面張力，利用打印裝置中具有相對應(yīng)的法向橫截面形狀的上成形環(huán)和下成形環(huán)之間形成柱形薄膜，經(jīng)紫外光固化，最終形成薄壁結(jié)構(gòu)件。

2、本發(fā)明提出了一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，包括控制系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、光固化系統(tǒng)和液位保持系統(tǒng)；

3、成形系統(tǒng)包括六自由度機(jī)械臂、成形環(huán)架、上成形環(huán)和下成形環(huán)；

4、光固化系統(tǒng)包括uv光源和原料池；

5、液位保持系統(tǒng)包括液位傳感器、進(jìn)料開關(guān)和進(jìn)料管道；

6、所述控制系統(tǒng)用于存儲薄壁結(jié)構(gòu)件的三維模型信息，并從中提取出薄壁結(jié)構(gòu)件的中心軸線信息以及法向截面形狀信息，以此來規(guī)劃六自由度機(jī)械臂末端的運(yùn)動軌跡、上成形環(huán)的形狀和下成形環(huán)的形狀變化；控制系統(tǒng)還用于控制uv光源的開啟和關(guān)閉、接收液位傳感器的信號、向進(jìn)料開關(guān)發(fā)送信號，控制進(jìn)料開關(guān)的狀態(tài)；

7、所述六自由度機(jī)械臂包括底座、轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)臂、大旋轉(zhuǎn)頭和小旋轉(zhuǎn)頭，底座固定，底座與轉(zhuǎn)臺之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅰ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；轉(zhuǎn)臺與大臂之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅱ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；大臂與小臂之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅲ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；小臂與旋轉(zhuǎn)臂之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅳ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；旋轉(zhuǎn)臂與大旋轉(zhuǎn)頭之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅴ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；大旋轉(zhuǎn)頭與小旋轉(zhuǎn)頭之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅵ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度，機(jī)械臂在三維空間中共有六個自由度；

8、所述六自由度機(jī)械臂跟隨控制系統(tǒng)的指令，使得六自由度機(jī)械臂末端攜帶上成形環(huán)在三維空間中按照薄壁結(jié)構(gòu)件的中心軸線來規(guī)劃運(yùn)動軌跡，因此，上成形環(huán)能夠跟隨機(jī)械臂獲得三維空間中的六個自由度，滿足打印在三維空間內(nèi)彎曲扭轉(zhuǎn)的薄壁結(jié)構(gòu)件的要求；

9、所述成形環(huán)架呈傘狀，頂部與六自由度機(jī)械臂末端通過螺紋連接，底部為圓環(huán)形，通過磁力將上成形環(huán)吸附在底部的圓環(huán)上；

10、所述上成形環(huán)是一個由多個結(jié)構(gòu)單元組成的、可通過控制系統(tǒng)改變其橫截面形狀的柔性機(jī)器人，控制系統(tǒng)通過對所要打印的薄壁結(jié)構(gòu)件進(jìn)行法平面切片處理來獲得薄壁結(jié)構(gòu)件的法向截面形狀，將薄壁結(jié)構(gòu)件開端部分的法向截面信息傳遞給上成形環(huán)，控制上成形環(huán)變形成薄壁結(jié)構(gòu)件開端部分的法向截面形狀并保持不變，上成形環(huán)跟隨機(jī)械臂不斷上移，使得樣件連續(xù)固化，最終得到符合需求的薄壁結(jié)構(gòu)件；

11、所述下成形環(huán)也是由多個結(jié)構(gòu)單元組成的、可通過控制系統(tǒng)改變其橫截面形狀的柔性機(jī)器人，未受到上成形環(huán)向下的壓力時，下成形環(huán)浮于液面上，下邊沿浸入液面，浸深為2-3mm，控制系統(tǒng)將薄壁結(jié)構(gòu)件沿著中心軸線的法向截面信息實(shí)時地傳遞給下成形環(huán)，使得下成形環(huán)在打印過程中根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)件的法向截面的變化而不斷變化形狀；

12、所述uv光源沿原料池上邊沿的圓周均勻分布，且所有光源中心點(diǎn)發(fā)出的光線射線都通過該圓周的圓心；uv光源的數(shù)量應(yīng)根據(jù)原料池上邊沿圓周周長及薄壁結(jié)構(gòu)件的徑向尺寸來合理確定，保證原料池中的柱形薄膜的外壁全部暴露在uv光源的照射下；

13、所述原料池為圓柱形，上無封蓋，用于盛放具有較低表面張力系數(shù)、易于成膜的打印材料——經(jīng)超聲處理的液態(tài)光敏樹脂；

14、所述液位保持系統(tǒng)中液位傳感器位于原料池內(nèi)壁的上邊沿處；進(jìn)料開關(guān)位于原料池底部，受液位傳感器控制；進(jìn)料開關(guān)正下方有進(jìn)料通道，進(jìn)料管道的一端連接在原料池底座上的進(jìn)料通道口處，另一端與原料儲備器相連，液位傳感器的液位設(shè)定值為距原料池上邊沿2mm，當(dāng)原料池中原料的液位低于設(shè)定值時，液位傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)開啟原料池底部的進(jìn)料開關(guān)，補(bǔ)充打印材料，直至液位達(dá)到設(shè)定值時，液位傳感器再向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)關(guān)閉原料池底部的進(jìn)料開關(guān)，停止進(jìn)料。

15、本發(fā)明提出了一種基于dlp技術(shù)和表面張力的薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印方法，包括以下步驟：

16、s1、打印材料制備：

17、本方法選用普通液態(tài)光敏樹脂，主要由齊聚物、活性稀釋劑、光引發(fā)劑以及光敏劑組成；

18、前處理：對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行超聲處理，采用的超聲功率為40-45w，處理時間為4-7min，超聲頻率為18-22khz，經(jīng)超聲處理后的液態(tài)光敏樹脂的表面張力由55-60mn/m降低至25-30mn/m，易于成膜；

19、s2、薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印過程：

20、步驟1、建立薄壁結(jié)構(gòu)件的三維模型；

21、步驟2、將三維模型的信息輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)從中提取出薄壁結(jié)構(gòu)件的中心軸線信息以及法向截面形狀信息；

22、步驟3、3d打?。簷C(jī)械臂末端升高到合適位置，調(diào)整機(jī)械臂末端以及上成形環(huán)和下成形環(huán)的位置和形狀，使上成形環(huán)和下成形環(huán)形狀與薄壁結(jié)構(gòu)件開端部分的法向截面相同，中心軸線與機(jī)械臂末端軸線重合，機(jī)械臂垂直下降至上成形環(huán)下邊沿浸入打印材料2-3mm，打開uv光源開始打印，下成形環(huán)根據(jù)控制系統(tǒng)指令變換形狀，機(jī)械臂帶動上成形環(huán)上升，打印材料在上成形環(huán)和下成形環(huán)之間形成橫截面形狀漸變的管狀薄膜，通過機(jī)械臂末端在三維空間內(nèi)的移動及轉(zhuǎn)動形成所需薄壁結(jié)構(gòu)件，樣件底部脫離uv光源照射時，控制系統(tǒng)關(guān)閉uv光源；

23、步驟4、從上成形環(huán)上取下樣件，清洗并裁剪去除樣件末端多余未完全固化的光敏樹脂；

24、步驟5、后處理：采用功率為95-105w的uv光源照射樣件9-11min，使樣件完全固化。

25、而本發(fā)明的有益效果：傳統(tǒng)dlp3d打印技術(shù)在打印高精度薄壁結(jié)構(gòu)件時，存在困難且生產(chǎn)速度與效率低的問題，本發(fā)明通過降低光敏樹脂表面張力，利用特殊設(shè)計的上成形環(huán)和下成形環(huán)形成柱形薄膜并固化的方式，有效解決了這些問題，提升了薄壁結(jié)構(gòu)件的打印效率，使該技術(shù)在薄壁結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域更具競爭力，彌補(bǔ)了dlp技術(shù)在這方面的缺陷。

技術(shù)特征：

1.一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，其特征在于，包括控制系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、光固化系統(tǒng)和液位保持系統(tǒng)：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，其特征在于，所述六自由度機(jī)械臂（21）包括底座（211）、轉(zhuǎn)臺（212）、大臂（213）、小臂（214）、旋轉(zhuǎn)臂（215）、大旋轉(zhuǎn)頭（216）和小旋轉(zhuǎn)頭（217），底座（211）固定，底座（211）與轉(zhuǎn)臺（212）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅰ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；轉(zhuǎn)臺（212）與大臂（213）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅱ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；大臂（213）與小臂（214）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅲ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；小臂（214）與旋轉(zhuǎn)臂（215）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅳ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；旋轉(zhuǎn)臂（215）與大旋轉(zhuǎn)頭（216）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅴ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度；大旋轉(zhuǎn)頭（216）與小旋轉(zhuǎn)頭（217）之間的關(guān)節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副ⅵ，使得機(jī)械臂獲得1個自由度，機(jī)械臂在三維空間中共有六個自由度；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，其特征在于，所述成形環(huán)架（22）呈傘狀，頂部與六自由度機(jī)械臂（21）末端通過螺紋連接，底部為圓環(huán)形，通過磁力將上成形環(huán)（23）吸附在底部的圓環(huán)上；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，其特征在于，所述uv光源（31）沿原料池（32）上邊沿的圓周均勻分布，且所有光源中心點(diǎn)發(fā)出的光線射線都通過該圓周的圓心；uv光源（31）的數(shù)量應(yīng)根據(jù)原料池（32）上邊沿圓周周長及薄壁結(jié)構(gòu)件的徑向尺寸來合理確定，保證原料池（32）中的柱形薄膜的外壁全部暴露在uv光源（31）的照射下；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印裝置，其特征在于，所述液位保持系統(tǒng)中液位傳感器（41）位于原料池（32）內(nèi)壁的上邊沿處；進(jìn)料開關(guān)（42）位于原料池（32）底部，受液位傳感器（41）控制；進(jìn)料開關(guān)（42）正下方有進(jìn)料通道，進(jìn)料管道（43）的一端連接在原料池（32）底座（211）上的進(jìn)料通道口處，另一端與原料儲備器相連；液位傳感器（41）的液位設(shè)定值為距原料池（32）上邊沿2mm，當(dāng)原料池（32）中原料的液位低于設(shè)定值時，液位傳感器（41）向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)開啟原料池（32）底部的進(jìn)料開關(guān)（42），補(bǔ)充打印材料，直至液位達(dá)到設(shè)定值時，液位傳感器（41）再向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)關(guān)閉原料池（32）底部的進(jìn)料開關(guān)（42），停止進(jìn)料。

6.一種基于權(quán)利要求5所述3d打印裝置實(shí)現(xiàn)薄壁結(jié)構(gòu)的高效3d打印方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3D打印方法及裝置，涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，為解決DLP3D打印技術(shù)中高精度的薄壁結(jié)構(gòu)件打印困難且生產(chǎn)效率低的問題，本發(fā)明公開了一種基于表面張力薄壁結(jié)構(gòu)的高效3D打印方法及裝置，上成形環(huán)在三維空間內(nèi)移動及轉(zhuǎn)動，下成形環(huán)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令不斷地變換形狀，打印材料在表面張力的作用下，在上、下成形環(huán)之間形成具有預(yù)定橫截面形狀的薄壁管狀薄膜，完成打印。打印包括以下步驟：制備打印材料、建立薄壁結(jié)構(gòu)件的三維模型、將三維模型的信息輸入控制系統(tǒng)、3D打印、從上成形環(huán)上取下樣件進(jìn)行清洗和裁剪、對樣件進(jìn)行后處理，打印結(jié)束。

技術(shù)研發(fā)人員：周雪莉,常文暢,徐超,張計鋒,任露泉,任雷,韓志武,劉慶萍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15