一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法
阅读：141发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种多材料3D 打印机 及液态物堆积3D打印方法，在 3D打印机 机架 上安装打印头切换机构和打印 头架 ，并设置多个打印头，每个打印头内放置不同的打印材料，同时在打印头架上安装物料后处理装置，对已打印的物料进行再加工。使用本发明所述技术方案可以先使用热塑性材料搭建具有复杂空间结构的容器，在构建容器的同时，将液态物填充在其中，从而精确控制液态物的空间构型。本发明所述的多材料3D打印机及液态物堆积打印方法将单材料3D打印技术拓展到多材料3D打印领域；多材料3D打印机运行可靠、 精度 高；在3D打印的同时可以对材料进行再加工；可以实现低 粘度 液态物的3D打印，具有良好的市场前景。，下面是一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法专利的具体信息内容。
1.一种多材料3D打印机，其特征在于，包括机架、载物台、单轴移动模块、打印头模块，其中，所述单轴移动模块包括X轴单轴移动模块、Y轴单轴移动模块、Z轴单轴移动模块；所述Y轴单轴移动模块安装在所述机架上，所述X轴单轴移动模块横跨安装在所述Y轴单轴移动模块和所述机架上，所述Z轴单轴移动模块垂直安装在所述机架上；所述打印头模块固定设置于所述X轴单轴移动模块上。
2.如权利要求1所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述载物台的一端固定于所述Z轴单轴移动模块上，另一端固定在一花键上，滑动所述花键的导轨两端固定在所述机架上。
3.如权利要求1所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头模块包括打印头切换机构、打印头架和一个或多个打印头。
4.如权利要求3所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头安装在所述打印头架上，所述打印头切换机构被配置为旋转所述打印头架；所述打印头架上设有固定孔或夹具，所述打印头被配置为通过所述固定孔或所述夹具固定。
5.如权利要求3所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头是喷出或挤出打印物料的装置，或者是对物料进行后处理加工的装置。
6.如权利要求5所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述喷出或挤出打印物料的方式为电磁喷出式、压电喷出式、气压喷出式、活塞挤出式或螺旋挤出式中的一种；所述后处理加工的装置为激光器或喷风枪。
7.如权利要求1所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述多材料3D打印机还包括上位控制系统和自动控制模块，所述上位控制系统被配置为以计算机为核心，对模型文件进行预处理，生成待打印模型的机加工代码信息，并通过数据线传输给所述自动控制模块；所述自动控制模块被配置为控制整个多材料3D打印机各机构的运动和数据采集。
8.如权利要求7所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述自动控制模块包括控制器、打印头模块运动控制模块、载物台运动控制模块、打印头切换机构控制模块和打印头控制模块。
9.如权利要求8所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头模块运动控制模块被配置为根据所述上位控制系统生成的待打印模型的机加工代码信息，控制所述打印头模块在X轴和Y轴两个方向的移动位置、移动速度和移动加速度；所述打印头模块运动控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
10.如权利要求8所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述载物台运动控制模块被配置为根据待打印模型所生成的机加工代码信息控制载物台在Z轴方向的移动位置、移动速度和移动加速度；所述载物台运动控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
11.如权利要求8所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头切换机构控制模块被配置为根据待打印模型所需要的打印材料控制打印头切换机构运动，包括旋转打印头架，使所需要的打印头移动到工作位置；所述打印头切换机构控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
12.如权利要求8所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述打印头控制模块被配置为采集传感器数据并控制打印头的执行器在需要的时刻的运动。
13.如权利要求7所述的多材料3D打印机，其特征在于，所述自动控制模块的数据通信方式采用Modbus协议下的RS485通讯总线。
14.一种液态物堆积3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、提供如权利要求1-13任意一种多材料3D打印机；
S101、上位控制系统根据待打印模型的信息和用户的精度要求，首先将模型划分成若干层，然后根据材料和加工需要选择相对应的打印头，并规划此打印头对应的运动路径；
S102、自动控制模块根据上位控制系统生成的数据执行相应的动作，采集3D打印机上安装的传感器的测量数据。
15.如权利要求14所述的液态物堆积打印方法，其特征在于，所述步骤S101进一步包括以下步骤：
S101A、上位控制系统根据打印工艺要求，设计打印头的工作参数、设计打印头的进给率、设计启动打印头切换机构的时间和旋转角度。
16.如权利要求14所述的液态物堆积打印方法，其特征在于，所述步骤S102进一步包括以下步骤：
S102A、根据层片数据控制Z轴单轴移动模块驱动载物台至产品的各层对应位置；根据所需要的打印头数据驱动打印头切换机构旋转打印头架到指定角度，使得所需要的打印头到达工作位置；
S102B、当打印头就位后，根据所规划的运动控制信息控制X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块驱动打印头模块到达指定的位置，同时控制打印头以所设计的方式执行物料喷出/挤出作业或者控制后处理加工装置对已经打印完的材料进行再加工；
S102C、对下一个打印头重复驱动打印头切换机构运动、驱动X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块运动、控制打印头执行物料喷出/挤出或再加工步骤；
S102D、对所有层都重复执行前述步骤。
17.如权利要求14所述的液态物堆积打印方法，其特征在于，所述液态物是指熔融温度在50℃～400℃之间的热塑性材料。
18.如权利要求14所述的液态物堆积打印方法，其特征在于，所述液态物是指液态化合物或液态混合物。
一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法
技术领域
背景技术
[0002] 伴随工业制品精度的提高和个性化的发展，3D打印技术应运而生。相对于传统的模型构造技术而言，3D打印可以通过逐层打印完成立体结构的成型。因为单层的打印类似于二维的打印技术，所以这个技术被称为三维打印。该技术可以用来快速构建个性化的模型，包括精密的模型构建并将其转换成可输出的信号传递给3D打印机。3D打印过程中，通过软件设计确定打印出的性状，通过改变材料来确定结构的组成，通过挤压、激光或高温等物理条件的控制来确定最后的成型。它不仅可以快速打印出复杂的三维结构也可以满足个性化的需求。所以3D打印技术已经应用于众多领域。
[0003] 目前常用的3D打印方法有光固化立体造型技术(stereo-lithography，SLA)、熔融沉积成型技术(fused deposition modeling，FDM)、选区激光烧结技术(selective laser sintering，SLS)、数字光处理技术(digital light processing，DLP)、三维印刷工艺(three dimensional printing，3DP)。无论哪种技术，所依据的原理都是先进行单层的固化、凝结、雕刻或成型，然后再进行另一层的制作，层层之间逐渐组合。
[0004] 经过对现有技术文献的检索发现，中国发明申请号：CN201410669660.9，公开号：CN104667344A，名称：《用于产生组织工程支架的3D打印技术》，该发明申请公开了组织工程支架的3D打印技术，其中有两个实施例，一是使用打印机将支架纤维的第一层打印至基本凝胶基材上，二是在经打印的第一层上设置第一凝胶层。该发明利用了3D打印技术在构造三维支架方面的优势。然而该发明中提出的打印方法近局限于组织工程支架的制备的应用，应用领域过于狭窄。而且，对于液态溶液，其中的处理方式是通过喷嘴喷射进行，所以仅能喷出液滴，如果需要更大剂量的溶液，那么该发明所述技术方案便不适用。
[0005] 另一中国发明申请号：CN201610122318.6，公开号：CN105643939A，名称：《硅胶3D打印机及硅胶产品打印方法》，其公开了一种硅胶的3D打印机和一种硅胶的3D打印方法。该发明主要通过一个带有加热装置的气压挤出筒三维打印硅胶产品，然而该发明对没有明确可供打印的硅胶原料的成分和具体加热温度，硅胶原料限定为一种具有剪切稀化特性的硅胶，因此该方法大大局限了可供3D打印的硅胶种类。事实上，硅橡胶在变成弹性体之前有一个生胶硫化的过程。按照硫化的温度不同，硅橡胶分热硫化型(HTV)和室温硫化型(RTV)。总而言之，生胶成分不同的硅胶，其硫化工艺完全不同，且聚合后的硅橡胶性能差异很大。一般，生胶呈胶状，流动性较好，如果能在3D打印的过程中也能进行较为快速的硫化再加工步骤，那么将大大拓宽可供3D打印的硅胶原料范围。
[0006] 目前无论使用什么原理的3D打印机，在打印一个模型的过程中，只能使用一种原材料进行打印。目前的3D打印机在打印出物料后，无法对物料进行再加工，导致部分种类的材料无法使用3D打印方法加工。低粘度液态物由于其流动性，很难形成稳定的空间结构。如果使用挤出法打印低粘度液态化合物/混合物，就无法精确控制液态物的形状，或者控制了液态物的初始形状，由于流动性最终形状无法保持。
[0007] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种多材料3D打印机及液态物堆积打印方法，具有能够使用多种材料打印，能够使用低粘度液态物，能够对打印的物料进行再加工等特点。
发明内容
[0009] 为实现上述目的，本发明提供了一种多材料3D打印机，包括机架、载物台、单轴移动模块、打印头模块，其中，所述单轴移动模块包括X轴单轴移动模块、Y轴单轴移动模块、Z轴单轴移动模块；所述Y轴单轴移动模块安装在所述机架上，所述X轴单轴移动模块横跨安装在所述Y轴单轴移动模块和所述机架上，所述Z轴单轴移动模块垂直安装在所述机架上；所述打印头模块固定设置于所述X轴单轴移动模块上。
[0011] 进一步地，所述打印头模块包括打印头切换机构、打印头架和一个或多个打印头。
[0012] 进一步地，所述打印头安装在所述打印头架上，所述打印头切换机构被配置为旋转所述打印头架；所述打印头架上设有固定孔或夹具，所述打印头被配置为通过所述固定孔或所述夹具固定。
[0013] 进一步地，所述打印头是喷出或挤出打印物料的装置，或者是对物料进行后处理加工的装置。
[0015] 进一步地，所述多材料3D打印机还包括上位控制系统和自动控制模块，所述上位控制系统被配置为以计算机为核心，对模型文件进行预处理，生成待打印模型的机加工代码信息，并通过数据线传输给所述自动控制模块；所述自动控制模块被配置为控制整个多材料3D打印机各机构的运动和数据采集。
[0016] 进一步地，所述自动控制模块包括控制器、打印头模块运动控制模块、载物台运动控制模块、打印头切换机构控制模块和打印头控制模块。
[0017] 进一步地，所述打印头模块运动控制模块被配置为根据所述上位控制系统生成的待打印模型的机加工代码信息，控制所述打印头模块在X轴和Y轴两个方向的移动位置、移动速度和移动加速度；所述打印头模块运动控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
[0018] 进一步地，所述载物台运动控制模块被配置为根据待打印模型所生成的机加工代码信息控制载物台在Z轴方向的移动位置、移动速度和移动加速度；所述载物台运动控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
[0019] 进一步地，所述打印头切换机构控制模块被配置为根据待打印模型所需要的打印材料控制打印头切换机构运动，包括旋转打印头架，使所需要的打印头移动到工作位置；所述打印头切换机构控制模块还包括位置传感器，所述位置传感器与所述控制器实时通信。
[0020] 进一步地，所述打印头控制模块被配置为采集传感器数据并控制打印头的执行器在需要的时刻的运动。
[0021] 进一步地，所述自动控制模块的数据通信方式采用Modbus协议下的RS485通讯总线。
[0022] 本发明还提供了一种液态物堆积3D打印方法，包括以下步骤：
[0024] S101、上位控制系统根据待打印模型的信息和用户的精度要求，首先将模型划分成若干层，然后根据材料和加工需要选择相对应的打印头，并规划此打印头对应的运动路径；
[0025] S102、自动控制模块根据上位控制系统生成的数据执行相应的动作，采集3D打印机上安装的传感器的测量数据。
[0026] 进一步地，所述步骤S101进一步包括以下步骤：
[0027] S101A、上位控制系统根据打印工艺要求，设计打印头的工作参数、设计打印头的进给率、设计启动打印头切换机构的时间和旋转角度。
[0028] 进一步地，所述步骤S102进一步包括以下步骤：
[0030] S102B、当打印头就位后，根据所规划的运动控制信息控制X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块驱动打印头模块到达指定的位置，同时控制打印头以所设计的方式执行物料喷出/挤出作业或者控制后处理加工装置对已经打印完的材料进行再加工；
[0031] S102C、对下一个打印头重复驱动打印头切换机构运动、驱动X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块运动、控制打印头执行物料喷出/挤出或再加工步骤；
[0032] S102D、对所有层都重复执行前述步骤。
[0033] 进一步地，所述液态物是指熔融温度在50℃～400℃之间的热塑性材料。
[0034] 进一步地，所述液态物是指液态化合物或液态混合物。
[0035] 本发明提供一种多材料3D打印机，实现多材料混合3D打印，从而实现更加自由的打印组合方式，扩充模型的原材料选择范围。本发明的打印机采用的基本打印方法是液态物堆积打印方法。
[0036] 本发明提供的多材料3D打印机，包括机架、载物台、X轴单轴移动模块、Y轴单轴移动模块、Z轴单轴移动模块、打印头切换机构、打印头架、打印头、上位控制系统、自动控制模块。
[0037] 所述Y轴单轴移动模块安装在机架上，可以沿Y轴方向运动，实现3D打印机打印头模块(打印头切换机构、打印头架和打印头的组合)Y轴方向的自由度。所述X轴单轴移动模块横跨安装在Y轴单轴移动模块和机架上，可以沿X轴方向运动，实现3D打印机打印头模块X轴方向的自由度。所述Z轴单轴移动模块安装在机架上，可以沿Z轴方向运动，实现3D打印机载物台Z轴方向的自由度。X轴，Y轴和Z轴三轴构成笛卡尔空间直角坐标系，给予打印头模块三个自由度。
[0038] 所述载物台的一端固定于Z轴单轴移动模块上，另一端固定在一可以上下滑动的花键上，滑动花键的导轨两端固定在机架上。通过对载物台两端的固定，减少了挠度，提高了载物台的稳定性和Z轴移动精度。一般的3D打印机载物台设计方式为一端固定，当载物台自身较重或者打印模型较重时，所引起的挠度较大，造成打印精度和打印稳定性的下降。所述与机架连接的机构均通过凹槽与螺栓固定连接。
[0039] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述打印头模块包括：打印头切换机构、打印头架和打印头。其固定设置于X轴单轴移动模块上。
[0040] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述打印头切换机构由一台步进电机驱动，电机轴通过皮带轮带动打印头架旋转。
[0041] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述打印头架上可以安装多个打印头，使用打印头切换机构旋转打印头架，从而切换工作打印头。打印头架上有固定孔位，可以通过夹具固定打印头。
[0042] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述的不同打印头内可根据打印需要放置不同/相同的打印材料，从而实现多材料的3D打印。针对所打印的材料的特性需要使用基于不同原理或者特殊规格的打印头。
[0043] 优选地，所述的打印头不仅限于是喷出/挤出物料的装置，也可以是一种对物料进行后处理加工的装置。
[0044] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述上位控制系统以计算机为核心，可对模型文件进行预处理，生成待打印模型的机加工代码信息，通过数据线传输给自动控制模块。
[0045] 在本发明所述的多材料3D打印机中，所述自动控制模块用于系统性地控制整个多材料3D打印机各机构的运动和采集数据。根据控制对象进行分类，整个自动控制模块分为五个个子模块：控制器、打印头模块运动控制模块、载物台运动控制模块、打印头切换机构控制模块和打印头控制模块。其中，所述控制器作为整个自动控制模块的核心，对所有数据进行运算处理，并与所有控制对象通讯连接。所述打印头模块运动控制模块根据上位控制系统生成的待打印模型的机加工代码信息，控制打印头模块在X轴和Y轴两个方向的移动位置、移动速度和移动加速度；同时，该控制模块中还包含位置传感器与控制器实时通信从而提高运动控制的精确度。所述载物台运动控制模块根据待打印模型所生成的加工代码信息控制载物台在Z轴方向的移动位置、移动速度和移动加速度；同时，该控制模块中也包含位置传感器与控制器实时通信从而提高运动控制的精确度。所述打印头切换机构控制模块根据待打印模型所需要的打印材料控制打印头切换机构运动，从而旋转打印头架，使所需要的打印头移动到工作位置；同时，该控制模块中也包含位置传感器与控制器实时通信从而提高打印头的位置精确度。所述打印头控制模块用于控制打印头，控制方式取决于打印头的种类，这里的打印头喷出/挤出物料的例子包括但不限于电磁喷出式、压电喷出式、气压喷出式、活塞挤出式、螺旋挤出式；如果需要对物料进行后处理，这里的打印头的例子包括但不仅限于紫外线激光器、红外线激光器、强力喷风枪。无论采取那种方式，所述打印头控制模块采集相关传感器数据(如果有的情况下)并控制打印头的执行器在需要的时刻的运动。
[0046] 优选地，本发明所述的自动控制模块的数据通信方式采用Modbus协议下的RS485通讯总线。
[0047] 本发明还提供了一种液态物堆积打印方法，这里的液态物是指两种打印材料：热塑性材料，熔融温度在45℃～400℃之间；以及，液态化合物/液态混合物(包括：浊液,溶液,胶体)。该打印方法包括以下步骤：
[0048] S101，上位控制系统根据待打印模型的信息和用户的精度要求，首先将模型划分成若干层，然后依据工艺要求设计打印路径：根据材料和加工需要选择相对应的打印头，并规划此打印头对应的运动路径。最后将生成的数据传输给自动控制模块；
[0049] S102，自动控制模块根据上位控制系统生成的数据执行相应的动作。首先，根据层片数据控制Z轴单轴移动模块驱动载物台至产品的各层对应位置；根据所需要的打印头数据驱动打印头切换机构旋转打印头架到指定角度，使得所需要的打印头到达工作位置；当打印头就位后，根据所规划的运动控制信息(位置、速度和加速度)控制X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块驱动打印头模块到达指定的位置，同时控制打印头以所设计的方式执行物料喷出/挤出作业或者控制后处理装置对已经打印完的材料进行再加工；对下一个打印头重复驱动打印头切换机构运动、驱动X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块运动、控制打印头执行物料喷出/挤出或再加工三个步骤，从而完成对该层的打印；对所有层都重复执行前述步骤，从而完成该产品的打印。
[0050] 在本发明所述的液态物堆积打印方法中，在所述步骤S101中，还包括以下步骤：
[0051] 上位控制系统根据打印工艺要求(待打印材料的加工特性)，设计打印头的工作参数；
[0052] 上位控制系统根据打印工艺要求(物料的粗细)，设计打印头的进给率；
[0053] 上位控制系统根据打印工艺要求(何时应当选择何种打印头工作)，设计启动打印头切换机构的时间和旋转角度。
[0054] 在本发明所述的液态物堆积打印方法中，在所述步骤S102中，还包括以下步骤：
[0055] 采集3D打印机上安装的各类传感器的测量数据，包括XYZ三轴的位置传感器、打印头切换机构的位置传感器和打印头上安装的各类传感器。
[0056] 基于本发明所提出的多材料3D打印机和液态物堆积打印方法，可以进行如下打印操作，以突破目前3D打印技术遇到的两大瓶颈：
[0057] 其一，通过先使用热塑性材料打印出具有复杂空间结构的容器，在每一层容器构造完成后，将低粘度液态物填充在其中，之后逐层如此，层层叠加，从而精确控制低粘度液态物的空间构型。
[0058] 其二，通过在打印头架上设置材料后处理打印头，在每一层需要后处理的材料打印完后，将打印头架切换到后处理打印头上，对材料进行进一步加工，从而解决3D材料打印过程中的后处理难题，有效拓宽可打印3D打印材料的种类。
[0059] 本发明所述的多材料3D打印机及液态物堆积打印方法将单材料3D打印技术拓展到多材料3D打印领域；多材料3D打印机运行可靠、精度高；在3D打印的同时可以对材料进行再加工；可以实现低粘度液态物的3D打印。
附图说明
[0061] 图1是本发明的一个较佳实施例的多材料3D打印机立体结构示意图；
[0062] 图2是本发明液态物堆积打印方法的第一实施例中PCL材料的加工示意图；
[0063] 图3是本发明液态物堆积打印方法的第一实施例中水凝胶材料的加工示意图；
[0064] 图4是本发明液态物堆积打印方法的第一实施例中培养混合液的加工示意图；
[0065] 图5是本发明液态物堆积打印方法的第二实施例中硅胶支撑材料的打印示意图；
[0066] 图6是本发明液态物堆积打印方法的第二实施例中硅胶材料的打印示意图；
[0067] 图7是本发明液态物堆积打印方法的第二实施例中紫外线发射器的加工示意图；
[0068] 图8是本发明液态物堆积打印方法的第二实施例中除去支撑材料后的打印成品。
具体实施方式
[0069] 以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如[上][下][前][后][左][右][内][外][侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
[0070] 如图1所示，本发明优选实施例的多材料3D打印机，包括机架109、载物台107、X轴单轴移动模块102、Y轴单轴移动模块103、Z轴单轴移动模块101、打印头切换机构105、打印头切换机构的动力源104、打印头架106、打印头110和111和112、上位控制系统(未示出)、自动控制模块(未示出)。X轴单轴移动模块102、Y轴单轴移动模块103和Z轴单轴移动模块传动部件采用丝纹螺杆，用步进电机驱动，移动精度达到0.1mm，整个设备结构精简可靠，打印精度高。Y轴单轴移动模块103安装在机架109上，实现3D打印机打印头模块(打印头切换机构105、打印头架106和打印头110的组合)Y轴方向的自由度。打印头模块包括固定设置于X轴单轴移动模块102上，打印头切换机构105由一台步进电机104驱动，电机轴通过皮带轮带动打印头106架旋转。X轴单轴移动模块102横跨安装在Y轴单轴移动模块103和机架109上，实现3D打印机打印头模块X轴方向的自由度。所述Z轴单轴移动模块101安装在机架109上，实现3D打印机载物台107在Z轴方向的自由度。X轴，Y轴和Z轴三轴构成笛卡尔空间直角坐标系，给予打印头模块三个自由度。载物台107的一端固定于Z轴单轴移动模块101上，另一端固定在一可以上下滑动的花键108上，滑动花键108的导轨两端固定在机架109上。通过对载物台107两端的固定，减少了挠度，提高了载物台107的稳定性和Z轴移动精度。
[0071] 在本实施例中，打印头架106上安装了三个打印头110、111和112，使用打印头切换机构105旋转打印头架106，从而切换工作打印头。打印头架106上有固定孔位，通过内六角螺丝固定打印头。如图1所示，打印头112是FDM式的打印头，所用打印材料为PCL线材；打印头111是电机驱动的活塞挤出式打印头，所用打印材料是包埋了活细胞的水凝胶；打印头110是气压喷出式的打印头(气压调整模块未示出)，所用打印材料是包含了生化环境调节剂和营养物质的培养基。不同材料和不同原理的打印头共同实现了多材料的3D打印。这三个打印头将采用液态物堆积打印方法打印，也构成了液态物堆积打印方法的第一实施例。
如果打印头112采用FDM式打印头，所用材料改为3DSystems公司的InfinityTMRinse-Away水溶性支撑材料；打印头111采用气压挤出式的打印头，打印材料用含光引发剂的液态硅胶；
打印头110改为紫外线发射器，那么采用液态物堆积打印方法打印就构成了液态物堆积打印方法的第二实施例。
如果打印头112采用FDM式打印头，所用材料改为3DSystems公司的InfinityTMRinse-Away水溶性支撑材料；打印头111采用气压挤出式的打印头，打印材料用含光引发剂的液态硅胶；
打印头110改为紫外线发射器，那么采用液态物堆积打印方法打印就构成了液态物堆积打印方法的第二实施例。
[0072] 上位控制系统(未示出)以计算机为核心，可对模型文件进行预处理，生成待打印模型的机加工代码信息，通过数据线传输给自动控制模块(未示出)。
[0073] 其中，自动控制模块(未示出)可以系统性地控制整个多材料3D打印机各机构的运动和采集数据。根据控制对象进行分类，整个自动控制模块分为五个个子模块：控制器、打印头模块运动控制模块、载物台运动控制模块、打印头切换机构控制模块和打印头控制模块。控制器作为整个自动控制模块的核心，对所有数据进行运算处理，并与所有控制对象通讯连接。打印头模块运动控制模块根据上位控制系统生成的待打印模型的机加工代码信息，控制X轴单轴移动模块102和Y轴单轴移动模块103上的电机，驱动模块中的丝杠运动从而带动打印头模块105、106、110、111、112在X轴和Y轴两个方向的移动位置、移动速度和移动加速度；同时，该控制模块中还会采集X轴单轴移动模块102和Y轴单轴移动模块103上的位置传感器的数据，并与控制器实时通信从而提高运动控制的精确度。载物台运动控制模块根据待打印模型所生成的加工代码信息，控制Z轴单轴移动模块101上的电机，驱动模块中的丝杠运动，从而控制载物台107在Z轴方向的移动位置、移动速度和移动加速度；同时，该控制模块中还会采集Z轴单轴移动模块101上的位置传感器的数据，并与控制器实时通信从而提高运动控制的精确度。打印头切换机构控制模块根据待打印模型所需要的打印材料控制打印头切换机构105的动力源104电机转动，用皮带轮带动一根与打印头架106连接的轴转动，从而旋转打印头架106，使所需要的打印头110或111或112转动到工作位置，这里的轴与固定在支架上的轴承相连接；同时，在打印头架106上装有位置传感器，与控制器实时通信从而采集打印头架106的旋转位置信息，提高打印头的位置精确度。
[0074] 打印头控制模块将根据上位控制系统生成的加工代码信息在需要的时刻进行打印头的运动控制和数据采集。如图1所示，在液态物堆积打印方法的第一实施例中，打印头112是FDM式打印头，打印头控制模块将控制一步进电机运动，将所需打印的热塑性PLC丝材送入高温熔融室，熔融室在电热丝加热下达到高温(60℃)，将丝材从固态变为流动态，经过电机的压力从喷嘴挤出，在这个过程中，打印头控制模块不断采集熔融室内安装的热电阻温度传感器的数据，构成PID闭环控制提高温度控制精度；打印头111是电机驱动的活塞挤出式打印头，打印头控制模块将控制一步进电机运动，推动一个活塞在打印材料容器内移动，从而挤出水凝胶，容器壁上均匀分布电热丝，容器壁四周对称分布四个温度传感器，打印头控制模块不断采集温度传感器数据对电热丝进行通断电控制，从而使得容器保持一定温度，保证凝胶的流动性和温度环境；打印头110是气压喷出式的打印头(气压调整模块未示出)，其上装有一电控式的气压调整装置，气压调整装置的空气出口联通到装有打印材料的容器，打印头控制模块控制容器内的气压大小，实现物料的喷出作业。在液态物堆积打印方法的第二实施例中，打印头112是FDM式打印头，打印头结构、打印原理和控制方式如前所述，这里不再赘述；打印头111是电机驱动的活塞挤出式打印头，打印头结构、打印原理和控制方式如前所述，这里不再赘述；打印头110是一个紫外线发射器，打印头控制模块控制该发射器电源的通断。
[0075] 优选地，自动控制模块的数据通信方式采用Modbus协议下的RS485通讯总线。
[0076] 本发明还提供了一种液态物堆积打印方法，这里的液态物是指两种打印材料：一，热塑性材料，熔融温度在45℃～400℃之间。二，液态化合物/液态混合物(包括：浊液,溶液,胶体)。
[0077] 该打印方法包括以下步骤：
[0078] S101，上位控制系统根据待打印模型的信息和用户的精度要求，首先将模型划分成若干层，然后依据工艺要求设计打印路径：根据材料和加工需要选择相对应的打印头110、111或112，并规划此打印头对应的运动路径。最后将生成的数据传输给自动控制模块；
[0079] S102，自动控制模块根据上位控制系统生成的数据执行相应的动作。首先，根据层片数据控制Z轴单轴移动模块101驱动载物台107至产品的各层对应位置；根据所需要的打印头110、111或112数据驱动打印头切换机构105旋转打印头架106到指定角度，使得所需要的打印头110、111或112到达工作位置；当打印头就位后，根据所规划的运动控制信息(位置、速度和加速度)控制X轴单轴移动模块102和Y轴单轴移动模块103驱动打印头模块到达指定的位置，同时控制打印头以所设计的方式执行物料喷出/挤出作业或者控制后处理装置对已经打印完的材料进行再加工；对下一个打印头重复驱动打印头切换机构运动、驱动X轴单轴移动模块和Y轴单轴移动模块运动、控制打印头执行物料喷出/挤出或再加工三个步骤，从而完成对该层的打印；对所有层都重复执行前述步骤，从而完成该产品的打印。
[0080] 在本发明所述的液态物堆积打印方法中，在所述步骤S101中，还包括以下步骤：
[0081] 上位控制系统根据打印工艺要求(待打印材料的加工特性)，设计打印头110、111或112的工作参数；
[0082] 上位控制系统根据打印工艺要求(物料的粗细)，设计打印头110、111或112的进给率；
[0083] 上位控制系统根据打印工艺要求(何时应当选择何种打印头工作)，设计启动打印头切换机构105的时间和旋转角度。
[0084] 在本发明所述的液态物堆积打印方法中，在所述步骤S102中，还包括以下步骤：
[0085] 采集3D打印机上安装的各类传感器的测量数据，包括XYZ三轴的位置传感器、打印头切换机构的位置传感器和打印头上安装的各类传感器。
[0086] 基于本发明所提出的多材料3D打印机和液态物堆积打印方法，可以进行如下打印操作，以突破目前3D打印技术遇到的两大瓶颈：
[0087] 其一，通过先使用热塑性材料打印出具有复杂空间结构的容器，在每一层容器构造完成后，将低粘度液态物填充在其中，之后逐层如此，层层叠加，从而精确控制低粘度液态物的空间构型。在此提出液态物堆积打印方法的第一实施例加以说明，如图2、图3、图4所示。在该实施例中，使用了PCL、包埋了活细胞的水凝胶、包含了生化环境调节剂和营养物质的培养基三种材料进行打印。先使用FDM式打印头991打印完全由PCL组成的第零层001，构成容器的底部，然后开始逐层打印多材料层第一层、第二层、第三层……直到最后。在每一单层的打印过程中，先用PCL材料打印，将外围封闭，内部再用其他材料填充。以第三层的打印为例，如图2所示，在该层完成PCL材料031的打印后，使用图1中的打印头切换机构105将工作打印头切换到水凝胶打印头992，如图3所示，开始打印水凝胶材料，将水凝胶032填充在PCL控制的空间构造031中。在该层完成水凝胶材料的打印后，使用图1中的打印头切换机构105将工作打印头切换到培养基打印头993，如图4所示，开始在包埋了活细胞的水凝胶中均匀打印包含了生化环境调节剂和营养物质的培养基033。另外，可以在图2中看到，第一层的011、第二层的021和第三层的031用PCL材料打印，将外围封闭，内部用其他打印头打印其他材料。第三层的内部也有PCL填充031，用以作为内部容器控制水凝胶和培养基的空间构型。在图2中还可以看到，之前打印完成的第二层的构造：PLC控制第二层的空间构型021，在空隙中填充水凝胶022，在水凝胶上喷洒培养基023。
[0088] 其二，通过在打印头架上设置材料后处理打印头，在每一层需要后处理的材料打印完后，将打印头架切换到后处理打印头上，对材料进行进一步加工，从而解决3D材料打印过程中的后处理难题，有效拓宽可打印3D打印材料的种类。在此提出液态物堆积打印方法的第二实施例加以说明，如图5、图6、图7、图8所示。在该实施例中，使用了3DSystems公司的InfinityTMRinse-Away水溶性支撑材料、生胶[成分为：甲基乙烯基硅油、硅烷偶联剂、光引发剂二苯甲酮(BP)、MQ硅树脂、交联剂三烯丙基异氰脲酸酯(TAIC)]二种材料进行打印，并使用紫外线发射器进行硅胶的交联加工。先使用FDM式打印头991打印完全由水溶性支撑材料组成的第零层001，构成产品的底部，然后开始打印逐层多材料层第一层、第二层……直到最后。在每一单层的打印过程中，先用水溶性支撑材料打印，用以控制交联前成流动态的生胶的空间构型，然后打印生胶，最后使用紫外光发射器交联固化生胶。以第二层的打印为例，如图5所示，在该层完成水溶性支撑材料021的打印后，使用图1中的打印头切换机构105将工作打印头切换到生胶打印头992，如图6所示，开始打印生胶材料，将生胶032填充在水溶性支撑材料控制的空间构造021中。在该层完成生胶材料的打印后，使用图1中的打印头切换机构105将工作打印头切换到紫外线发射器打印头993，如图7所示，对生胶进行紫外线辐照，从而实现对生胶的交联，实现3D打印过程中的再加工。最后，用水洗去水溶性支撑材料，得到所要的硅胶产品，如图8所示。另外，在图5中可以看到，第一层011和第二层021使用了水溶性支撑材料打印。在图5中还可以看到，之前打印完成的第一层的构造：水溶性支撑材料控制第一层的空间构型011，在空隙中填充生胶012。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种环保型3D打印用粘土材料 | 2020-05-17 | 209 |
| 一种用于3D打印的粘土材料及其制备方法 | 2020-05-15 | 101 |
| 一种多材料3D打印机及液态物堆积3D打印方法 | 2020-05-11 | 564 |
| 一种高精度3D打印和切割联合加工方法 | 2020-05-12 | 1015 |
| 一种3D打印陶瓷材料用粘土基粘结剂及其应用 | 2020-05-21 | 301 |
| 一种3D打印用塑料粘土材料 | 2020-05-14 | 560 |
| 一种具有高熔融指数的石墨烯3D打印材料 | 2020-05-19 | 181 |
| 一种3D打印用材料 | 2020-05-12 | 435 |
| 一种激光烧结3D打印用粘土材料及其制备方法 | 2020-05-15 | 191 |
| 一种新型3D打印用材料 | 2020-05-13 | 983 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈