專利名稱：壓電式三維打印成型系統(tǒng)及其成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維打印成型技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種壓電式噴射三維打印成型系統(tǒng)及其成型方法。
背景技術(shù)：
三維打印快速成型技術(shù)最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanuel Sachs等人研制,是目前快速成型領(lǐng)域最具生命力的技術(shù)之一，有廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)是一種基于“離散/堆積”思想的增長(zhǎng)型制造技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將三維CAD模型沿一個(gè)方向離散成一系列二維截面圖，然后根據(jù)截面圖信息，逐層打印堆積成型。在每一層打印中，利用精密噴頭在預(yù)先鋪好的粉末平面上噴射粘結(jié)溶液，將噴射區(qū)域內(nèi)的粉末粘結(jié)起來(lái)，然后將已打印的粉末平面下降一定高度并在上面鋪上一層粉末，準(zhǔn)備下一截面圖的打印。如此循環(huán)，逐層粘結(jié)堆積，直到整個(gè)CAD模型的所有截面圖全部打印完成，經(jīng)過后處理，除去未粘結(jié)的粉末，就形成了實(shí)體三維模型。它能根據(jù)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，迅速而精確地制造出該產(chǎn)品，而不借助傳統(tǒng)的零件制造過程需要的車、銑、刨、磨、鉗等多種機(jī)加工設(shè)備和模具，成本低，耗時(shí)短。三維打印快速成型技術(shù)在成型精度、設(shè)備價(jià)格、對(duì)環(huán)境污染、成型周期和原料多樣性等方面相對(duì)于其他快速成型方法占據(jù)優(yōu)勢(shì)。與光固化快速成型、分層實(shí)體制造法和選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù)相比，三維打印快速成型技術(shù)具有設(shè)備價(jià)格低、成型精度高、環(huán)境污染小的優(yōu)勢(shì)。與熔融沉積快速成型技術(shù)相比，三維打印快速成型技術(shù)能夠成型材料種類較多，且制件時(shí)間比較短。三維打印快速成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于原型快速制造，模具快速制造，功能部件制造， 醫(yī)學(xué)模型，制藥工程，組織工程等領(lǐng)域。然而，目前在三維打印快速成型領(lǐng)域中，一般都采用熱氣泡式噴嘴噴射成型材料或者粘結(jié)材料，通過加熱產(chǎn)生熱氣泡的方式來(lái)產(chǎn)生微滴。這種方式不可避免地對(duì)噴射的材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，特別是對(duì)三維打印快速成型技術(shù)在生物、制藥等新興領(lǐng)域的應(yīng)用約束較大。三維打印成型系統(tǒng)一般都是將粘結(jié)成分添加到溶液中，受噴射時(shí)的粘度限制，粘結(jié)成分含量往往不足，粘結(jié)強(qiáng)度不夠理想。另外，現(xiàn)有的快速成型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度不夠，而且成型所需的粉末以及粘結(jié)劑價(jià)格昂貴，這些都限制了進(jìn)一步的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種壓電式三維打印成型系統(tǒng)及其相應(yīng)的成型方法，從而能夠在成型時(shí)噴射溶液無(wú)需加熱，可噴射溶液種類多，且設(shè)備費(fèi)用低，成型制件粘結(jié)強(qiáng)度和精度高。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種壓電式三維打印成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括箱體及其支撐框架、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、承載結(jié)構(gòu)、粉腔、三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)、鋪粉機(jī)構(gòu)以及壓電式嗔頭，其中所述X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在支撐框架上，包括步進(jìn)電機(jī)、沿著X軸方向設(shè)置且相互平行的兩個(gè)同步帶，以及橫跨在所述平行同步帶之間并與所述步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接的傳動(dòng)軸，該傳動(dòng)軸的兩端分別安裝有同步帶輪，由此帶動(dòng)與之相連的所述平行同步帶執(zhí)行X軸方向的運(yùn)動(dòng)；所述承載結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別聯(lián)接在所述平行同步帶上，用于承載所述壓電式噴頭和鋪粉機(jī)構(gòu)；所述粉腔設(shè)置在箱體內(nèi)位于所述承載結(jié)構(gòu)之下，包括儲(chǔ)粉腔和成型腔，分別用于存放構(gòu)成三維圖像實(shí)體的粉末材料；所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)用于將需要成型的三維圖像按照一定層高而離散成一系列的連續(xù)二維片狀圖像；所述鋪粉機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述承載結(jié)構(gòu)上隨其X向運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并按照所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)所設(shè)定的層高依次將相應(yīng)高度的粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔；所述壓電式噴頭設(shè)置在所述承載結(jié)構(gòu)上隨其X向運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可沿著垂直于 X軸方向的Y軸方向往復(fù)移動(dòng)，用于向被所述鋪粉機(jī)構(gòu)依次推至成型腔的粉末材料分別噴射作為粘結(jié)劑的溶液，由此執(zhí)行對(duì)粉末材料的粘結(jié)成型。通過本發(fā)明的以上技術(shù)構(gòu)思，由于采用壓電式噴頭作為粘結(jié)劑溶液的噴射機(jī)構(gòu)， 與熱泡式噴頭結(jié)構(gòu)相比，噴射時(shí)無(wú)需加熱溶液，由此可以噴射更多種類的溶液，并可以通過調(diào)整溶液中的粘結(jié)成分來(lái)達(dá)到滿意的粘結(jié)強(qiáng)度；由于將噴頭及鋪粉機(jī)構(gòu)裝載在承載機(jī)構(gòu)上，一方面能夠使得功能組件的結(jié)構(gòu)布置更為緊湊，方便與X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)接和運(yùn)動(dòng)，另一方面還能夠彌補(bǔ)壓電式噴頭的支撐結(jié)構(gòu)剛度不足的缺點(diǎn)，從而保證打印噴射的正常進(jìn)行；另外，由于承載結(jié)構(gòu)Y向的尺寸較大，若采用單側(cè)驅(qū)動(dòng)，容易出現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)側(cè)響應(yīng)慢于驅(qū)動(dòng)側(cè)的現(xiàn)象，相應(yīng)影響打印精度，本發(fā)明中采用雙側(cè)同步帶驅(qū)動(dòng)模式，可以很好地解決上述問題。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述鋪粉機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)和通過聯(lián)軸器與該直流電機(jī)相聯(lián)接的鋪粉輥筒，所述鋪粉輥筒的兩端具有片狀擋粉板，由此在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔。通過將鋪粉機(jī)構(gòu)設(shè)置為配置有片狀擋粉板的輥筒狀結(jié)構(gòu)，并將其與獨(dú)立的直流電機(jī)相聯(lián)接，可以通過輥筒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)將推積的粉末適當(dāng)揚(yáng)起，減少鋪粉阻力，同時(shí)鋪粉輥筒可以平整已經(jīng)鋪過的粉末平面；此外，鋪粉輥筒在隨著承載結(jié)構(gòu)的X向移動(dòng)而移動(dòng)的過程中，片狀擋粉板可以防止粉末在移動(dòng)過程中從兩端落下，以提高粉末移動(dòng)的精度并避免浪費(fèi)。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述壓電式噴頭連接有溶液供應(yīng)裝置，該溶液供應(yīng)裝置用于貯存及向壓電式噴頭補(bǔ)充作為粘結(jié)劑的溶液。通過給壓電式噴頭添加打印溶液供應(yīng)裝置，能夠保證在成型過程中有足夠量的打印溶液，同時(shí)可以針對(duì)不同的三維圖像類型方便地更換或添加其他種類的打印溶液，提高操作便利性和效率。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述粉腔還包括回收腔，該回收腔緊貼著所述成型腔設(shè)置在其一側(cè)，由上表面開口的箱體構(gòu)成且其底部具有可開合的抽板，用于回收成型腔多余的粉末材料。
通過緊貼著成型腔來(lái)設(shè)置箱體結(jié)構(gòu)的回收腔，可以通過簡(jiǎn)單操作即回收粉末材料，此外，由于回收腔的箱體底部具有可開合的抽板，方便將收集的多余粉末取出。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述三維打印系統(tǒng)還包括刮粉裝置，該刮粉裝置安裝在所述回收腔處例如為海綿材料、柔性刮板等，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)至此位置的鋪粉輥筒表面上的粉末執(zhí)行擦除和清潔操作。通過設(shè)置刮粉裝置，可以有效擦除和清潔鋪粉輥筒表面上的殘余粉末，相應(yīng)提高各個(gè)層高的二維圖像的成型精度。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述支撐框架由帶孔角鋼或帶孔槽鋼焊接而成，由此方便地在框架上安裝支撐橫梁結(jié)構(gòu)，并將粉腔、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件通過支撐橫梁結(jié)構(gòu)而得到固定，并可以通過調(diào)節(jié)螺紋連接位置來(lái)調(diào)整各個(gè)部件的位置。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述儲(chǔ)粉腔和成型腔的底壁分別由帶孔壓板構(gòu)成，在該帶孔壓板的下部分別設(shè)置有負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)，該負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)包括由帶凹腔的底板、帶孔蓋板和完成兩者之間密封的第一密封圈共同形成的腔體，與所述帶凹腔的底板相連的抽真空裝置，覆蓋在所述帶孔蓋板上的濾網(wǎng)，以及完成所述濾網(wǎng)、帶孔蓋板和帶孔壓板之間密封的第
二密封圈。通過上述構(gòu)造的負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)，對(duì)于各個(gè)用于存放成型粉末的儲(chǔ)粉腔或成型腔而言，抽真空裝置抽出空氣造成腔體內(nèi)形成負(fù)壓，并通過帶孔蓋板和帶孔壓板的孔以及濾網(wǎng)， 將儲(chǔ)粉腔或成型腔內(nèi)的粉末材料負(fù)壓吸附壓實(shí)，由此能夠增加三維圖像實(shí)體的致密度起到提高打印精度的效果。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述儲(chǔ)粉腔和成型腔分別包括粉腔升降機(jī)構(gòu)，該粉腔升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、與該步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接的蝸輪減速器、以及與所述蝸輪減速器相聯(lián)接的絲桿螺母副構(gòu)成。通過上述構(gòu)造，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪減速器，然后通過絲桿螺母副來(lái)帶動(dòng)成型腔底壁和儲(chǔ)粉腔底壁精密地上下運(yùn)動(dòng)。此外，渦輪減速器可以保證豎直方向的自鎖，而且一定的減速倍數(shù)可以實(shí)現(xiàn)每次運(yùn)動(dòng)足夠小的間距。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述三維打印成型系統(tǒng)還包括有自動(dòng)化控制裝置，該自動(dòng)化控制裝置用于對(duì)整個(gè)三維打印成型系統(tǒng)操作過程中的三維圖像分層離散、三維方向上的運(yùn)動(dòng)控制、抽真空裝置以及溫度控制等統(tǒng)一進(jìn)行控制，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)三維打印過程的無(wú)人值守式工作。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應(yīng)的三維打印方法，該方法包括通過三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)將需要成型的三維圖像以一定的層厚離散成一系列連續(xù)的二維片狀圖像；在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，鋪粉機(jī)構(gòu)按照所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)所設(shè)定的層高依次將相應(yīng)高度的粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔；X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將噴頭帶入成型腔上方的打印區(qū)域，并根據(jù)二維片狀圖像信息帶動(dòng)壓電式噴頭沿X向運(yùn)動(dòng)，所述壓電式噴頭自身沿垂直于X軸方向的Y向運(yùn)動(dòng)并選擇性地噴射作為粘結(jié)劑的溶液，由此按照二維片狀圖像信息將粉末材料粘結(jié)成型；X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及承載結(jié)構(gòu)返回初始位置，準(zhǔn)備下一個(gè)二維片狀圖像的打印，然后重復(fù)進(jìn)行以上步驟如此循環(huán)，直到所有二維片狀圖像都打印完成。
總體來(lái)說，本發(fā)明對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果該系統(tǒng)中通過壓電式噴嘴噴射產(chǎn)生微滴，噴射時(shí)無(wú)需加熱溶液，可以噴射更多種類的溶液，將三維打印成型技術(shù)應(yīng)用在生物、制藥等新興領(lǐng)域；并可以通過調(diào)整溶液中的粘結(jié)成分來(lái)達(dá)到滿意的粘結(jié)強(qiáng)度。將噴頭及鋪粉機(jī)構(gòu)裝載在承載機(jī)構(gòu)上，能夠使得功能組件的結(jié)構(gòu)布置更為緊湊，方便與X向運(yùn)動(dòng)
機(jī)構(gòu)的聯(lián)接；此外，X向運(yùn)動(dòng)采用雙側(cè)驅(qū)動(dòng)模式，運(yùn)動(dòng)精度更高，成型質(zhì)量好。


圖I是按照本發(fā)明的三三維打印成型系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖2是按照本發(fā)明的三三維打印成型系統(tǒng)的立體示意圖3是按照本發(fā)明的三三維打印成型系統(tǒng)中的鋪粉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖4是按照本發(fā)明的三三維打印成型系統(tǒng)中的X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及承載結(jié)構(gòu)的示意圖5是按照本發(fā)明的三三維打印成型系統(tǒng)中的粉腔升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖6是按照本發(fā)明的三維打印成型系統(tǒng)中的負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)
本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請(qǐng)同時(shí)參見圖I至圖2，本發(fā)明的三維打印成型系統(tǒng)包括壓電式噴頭10、粉腔22、 鋪粉機(jī)構(gòu)20、承載結(jié)構(gòu)21、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11、負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)12、粉腔升降機(jī)構(gòu)14、刮粉裝置 19、箱體及其支撐框架23以及自動(dòng)化控制裝置(未圖示)等組件。壓電式噴頭10由壓電式噴墨打印機(jī)改造而成，保留了噴墨打印機(jī)的壓電式噴頭、 噴頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(即Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))及其驅(qū)動(dòng)裝置，并添加打印溶液供應(yīng)裝置9，保證在成型過程中有足夠量的打印溶液。Y向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶，圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向， 光柵檢測(cè)方式，帶動(dòng)壓電式噴頭沿Y向運(yùn)動(dòng)。壓電式噴頭10基于壓電式噴墨打印機(jī)的設(shè)計(jì)， 降低了三維打印成型設(shè)備的費(fèi)用；通過壓電式噴嘴噴射產(chǎn)生微滴，噴射時(shí)無(wú)需加熱溶液，可以噴射更多種類的溶液；此外，通過將粘結(jié)成分混合在粉末中，打印溶液供應(yīng)裝置9中的水基溶液噴射到粉末表面將打印區(qū)域的粉末粘結(jié)成型，可以在粉末中添加充足的粘結(jié)成分， 達(dá)到滿意的粘結(jié)強(qiáng)度。粉腔22包括儲(chǔ)粉腔13和成型腔17。儲(chǔ)粉腔13與成型腔17均是由兩個(gè)沒有上下表面長(zhǎng)方體側(cè)壁和作為底壁的帶孔壓板46(圖6示出)構(gòu)成，形成可以盛放粉末材料的容器。為了便于對(duì)多余的粉末材料進(jìn)行回收，還可以包括回收腔16。該回收腔16由一個(gè)上表面開口的箱體構(gòu)成，緊貼著成型腔17以回收成型腔多余的粉末材料，底部有可開合的抽板，方便將收集的多余粉末取出。承載結(jié)構(gòu)21是一個(gè)箱體結(jié)構(gòu)，用于承載鋪粉機(jī)構(gòu)20、壓電式噴頭10，使其緊湊地布置在一起，方便與X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11相連接并在其帶動(dòng)下沿X向運(yùn)動(dòng)，可以完成鋪粉機(jī)構(gòu) 20的平動(dòng)，也可以與Y向運(yùn)動(dòng)協(xié)同完成壓電式噴頭的X-Y向掃描動(dòng)作。承載結(jié)構(gòu)21同時(shí)彌補(bǔ)改造后的噴墨打印機(jī)剛度不足，保證打印噴射的正常進(jìn)行。刮粉裝置19由一塊安裝在回收腔16上的例如海綿等柔性材料構(gòu)成，當(dāng)鋪粉輥筒29 (圖3示出)運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)并與之產(chǎn)生摩擦，將附著在表面的粉末擦除，保持表面光潔。支撐框架23包采用有孔角鋼或者帶孔槽鋼焊接而成，可以方便地在框架上安裝支撐橫梁24，并將粉腔升降機(jī)構(gòu)14、粉腔22和X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11等模塊通過支撐橫梁24固定，且可以通過調(diào)節(jié)螺紋連接位置調(diào)整各模塊的位置。請(qǐng)參見圖3，示出了鋪粉機(jī)構(gòu)20的一個(gè)實(shí)施例。如圖3所示，帶減速器的直流電機(jī) 25通過聯(lián)軸器27帶動(dòng)鋪粉輥筒29轉(zhuǎn)動(dòng)。鋪粉輥筒29兩端設(shè)置片狀擋粉板28，防止粉末從兩端落下。帶減速器的直流電機(jī)25和鋪粉輥筒29分別通過電機(jī)支座26和兩個(gè)輥筒支座30固定在承載結(jié)構(gòu)21上。在三維打印成型的鋪粉過程中，通過鋪粉輥筒29的平動(dòng)，將粉末材料從儲(chǔ)粉腔13推至成型腔17 ;通過鋪粉輥筒29的轉(zhuǎn)動(dòng)，將堆積的粉末適當(dāng)揚(yáng)起，減小鋪粉阻力；同時(shí)鋪粉輥筒29可以平整已經(jīng)鋪過的粉末平面。請(qǐng)參見圖4,示出了 X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11的一個(gè)實(shí)施例。如圖4所示,步進(jìn)電機(jī)31通過聯(lián)軸器與一根橫跨兩側(cè)沿X向的圓導(dǎo)軌35的傳動(dòng)軸36相聯(lián)，傳動(dòng)軸36兩端分別各安裝一個(gè)同步帶輪32,兩個(gè)同步帶輪各帶動(dòng)一條齒形同步帶34,每條同步帶分別通過連接塊33 與承載結(jié)構(gòu)21的該側(cè)相聯(lián)。如此，形成了從承載結(jié)構(gòu)21兩側(cè)同時(shí)同步驅(qū)動(dòng)的X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。避免了由于單側(cè)驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的非驅(qū)動(dòng)側(cè)響應(yīng)慢于驅(qū)動(dòng)側(cè)對(duì)成型精度的不良影響。雙側(cè)驅(qū)動(dòng)的X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11通過兩側(cè)的圓導(dǎo)軌35導(dǎo)向。請(qǐng)參見圖5,示出了粉腔升降機(jī)構(gòu)14的一個(gè)實(shí)施例。如圖5所示,步進(jìn)電機(jī)37通過聯(lián)軸器38與蝸輪減速器44的蝸桿相連，蝸輪減速器44的蝸輪軸與絲杠螺母副42的螺母剛性連接，如此，將步進(jìn)電機(jī)37的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪減速器44固定在支板39 上，蝸輪軸和螺母在豎直方向上不能運(yùn)動(dòng)，故螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠螺母副42的絲杠在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。絲杠與絲桿兩側(cè)的兩根圓柱軸40通過上連接板45和下連接板41剛性連接， 與圓柱軸40配合的直線軸承43固定在支板39上，通過圓柱軸40和直線軸承43的配合導(dǎo)向，保證絲杠是在豎直方向上移動(dòng)。負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)12固定在上連接板45上，與絲桿一起在豎直方向運(yùn)動(dòng)。支板39固定在支撐橫梁24上，支撐橫梁24固定在支撐框架23上，可通過螺紋連接方便地調(diào)節(jié)位置和高度。請(qǐng)參見圖6，示出了負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)12的一個(gè)實(shí)施例。如圖6所示的結(jié)構(gòu)，帶凹腔的底板50、第一密封圈48和帶孔蓋板51形成一個(gè)腔體，帶凹腔的底板50上有一個(gè)接口 49 連接到抽真空裝置，蓋板51上覆蓋一層濾網(wǎng)52，并由第二密封圈47完成濾網(wǎng)52、帶孔蓋板 51和帶孔壓板46之間的密封。帶孔壓板46用于承載儲(chǔ)粉腔13或成型腔17內(nèi)的粉末材料，抽真空裝置抽出空氣造成腔體內(nèi)形成負(fù)壓，并通過帶孔蓋板51和帶孔壓板46的孔以及濾網(wǎng)，將儲(chǔ)粉腔13或成型腔17內(nèi)的粉末材料負(fù)壓吸附壓實(shí)，提高三維打印成型部件的致密度。此外，本發(fā)明的三維打印成型系統(tǒng)還包括有自動(dòng)化控制裝置，該自動(dòng)化控制裝置以運(yùn)動(dòng)控制卡為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)端控制單元集合了二維片狀圖像生成功能、流程控制、運(yùn)動(dòng)控制、噴墨打印機(jī)控制、鋪粉電機(jī)控制、抽真空裝置與溫度控制等多項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)三維打印過程的無(wú)人值守式工作控制。下面將描述按照本發(fā)明的三維打印成型系統(tǒng)的相應(yīng)成型方法。首先，當(dāng)自動(dòng)化控制裝置開始運(yùn)行時(shí)，將制件的三維圖像以一定的層厚離散成一系列連續(xù)的二維片狀圖像。儲(chǔ)粉腔升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)儲(chǔ)粉腔底壁上升一定高度，X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鋪粉輥筒由儲(chǔ)粉腔向成型腔平動(dòng)，同時(shí)鋪粉輥筒轉(zhuǎn)動(dòng)，將粉末材料從儲(chǔ)粉腔添加到成型腔，并將成型腔內(nèi)的粉末平面壓實(shí)和平整。X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將壓式電噴頭帶入成型腔上方的打印區(qū)域，計(jì)算機(jī)調(diào)用原噴墨打印機(jī)的打印程序，根據(jù)每層二維片狀圖像的信息，控制壓電式噴頭的Y向運(yùn)動(dòng)；同時(shí)檢測(cè)Y向運(yùn)動(dòng)情況，保持X向運(yùn)動(dòng)與Y向運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；同時(shí)原噴墨打印機(jī)的打印程序根據(jù)每層截面的信息，控制噴頭選擇性地噴射作為粘結(jié)劑的溶液。噴射有溶液的區(qū)域，粉末材料粘結(jié)在一起，沒有噴射溶液的粉末在成型中起到支撐作用。一層二維片狀圖像打印完成后，成型腔底壁在成型腔升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下下降一個(gè)層厚的距離。壓電式噴頭和鋪粉輥筒回到初始位置，準(zhǔn)備下一層二維片狀圖像的打印。然后重復(fù)進(jìn)行以上過程，如此循環(huán)，直到所有二維片狀圖像都打印完成，制件的三維打印成型完成。成型制件在粉腔中經(jīng)過初期的固化后，除去未粘結(jié)粉末便可取出。對(duì)制件進(jìn)行相關(guān)后處理，進(jìn)一步提高強(qiáng)度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種壓電式三維打印成型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括箱體及其支撐框架、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)、 承載結(jié)構(gòu)(21)、粉腔(22)、三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)、鋪粉機(jī)構(gòu)(20)以及壓電式噴頭(10)，其中所述X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)安裝在支撐框架上，包括步進(jìn)電機(jī)(31)、沿著X軸方向設(shè)置且相互平行的兩個(gè)同步帶(34)，以及橫跨在所述平行同步帶(34)之間并與所述步進(jìn)電機(jī)(31)相聯(lián)接的傳動(dòng)軸(36)，該傳動(dòng)軸(36)的兩端分別安裝有同步帶輪(32)，由此帶動(dòng)與之相連的所述平行同步帶(34)執(zhí)行X軸方向的運(yùn)動(dòng)；所述承載結(jié)構(gòu)(21)的兩側(cè)分別聯(lián)接在所述平行同步帶(34)上，用于承載所述壓電式噴頭(10)和鋪粉機(jī)構(gòu)(20)；所述粉腔(22)設(shè)置在箱體內(nèi)位于所述承載結(jié)構(gòu)(21)之下，包括儲(chǔ)粉腔(13)和成型腔(17)，分別用于存放構(gòu)成三維圖像實(shí)體的粉末材料；所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)用于將需要成型的三維圖像按照一定層高而離散成一系列的連續(xù)二維片狀圖像；所述鋪粉機(jī)構(gòu)(20)設(shè)置在所述承載結(jié)構(gòu)(21)上隨其X向運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并按照所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)所設(shè)定的層高依次將相應(yīng)高度的粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔(13)推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔(17)；所述壓電式噴頭(10)設(shè)置在所述承載結(jié)構(gòu)(21)上隨其X向運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可沿著垂直于X軸方向的Y軸方向往復(fù)移動(dòng)，用于向被所述鋪粉機(jī)構(gòu)(20)依次推至成型腔(17) 的粉末材料分別噴射作為粘結(jié)劑的溶液，由此執(zhí)行對(duì)粉末材料的粘結(jié)成型。
2.如權(quán)利要求I所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述鋪粉機(jī)構(gòu)(20)包括直流電機(jī)(25)和通過聯(lián)軸器與該直流電機(jī)(25)相聯(lián)接的鋪粉輥筒(29)，所述鋪粉輥筒(29)的兩端具有片狀擋粉板(28)，由此在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔(13)推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔(17)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電式噴頭(10)連接有溶液供應(yīng)裝置(9)，該溶液供應(yīng)裝置(9)用于貯存及向壓電式噴頭(10)補(bǔ)充作為粘結(jié)劑的溶液。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述粉腔(22)還包括回收腔(16)，該回收腔(16)緊貼著所述成型腔(17)設(shè)置在其一側(cè)，由上表面開口的箱體構(gòu)成且其底部具有可開合的抽板，用于回收成型腔(17)多余的粉末材料。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述三維打印系統(tǒng)還包括刮粉裝置(19)，該刮粉裝置(19)由海綿材料構(gòu)成安裝在所述回收腔(16) 處，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)至此位置的鋪粉輥筒表面上的粉末執(zhí)行擦除和清潔操作。
6.如權(quán)利要求I所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述支撐框架由帶孔角鋼或帶孔槽鋼焊接而成。
7.如權(quán)利要求I所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)粉腔(13)和成型腔(17)的底壁分別由帶孔壓板(46)構(gòu)成，在該帶孔壓板(46)的下部分別設(shè)置有負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)，該負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)包括由帶凹腔的底板(50)、帶孔蓋板(51)和完成兩者之間密封的第一密封圈(48)共同形成的腔體，與所述帶凹腔的底板(50)相連的抽真空裝置，覆蓋在所述帶孔蓋板(51)上的濾網(wǎng)(52)，以及完成所述濾網(wǎng)(52)、帶孔蓋板(51)和帶孔壓板(46)之間密封的第二密封圈(47)。
8.如權(quán)利要求I所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)粉腔(13)和成型腔(17)分別包括粉腔升降機(jī)構(gòu)，該粉腔升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)(37)、與該步進(jìn)電機(jī)(37)相聯(lián)接的蝸輪減速器(44)、以及與所述蝸輪減速器(44)相聯(lián)接的絲桿螺母副(42)構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求I所述的壓電式三維打印成型系統(tǒng)，其特征在于，所述三維打印成型系統(tǒng)還包括有自動(dòng)化控制裝置，該自動(dòng)化控制裝置用于對(duì)整個(gè)三維打印成型系統(tǒng)操作過程中的三維圖像分層離散、三維方向上的運(yùn)動(dòng)控制、抽真空裝置以及溫度控制等統(tǒng)一進(jìn)行控制， 由此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)三維打印過程的無(wú)人值守式工作。
10.一種使用如權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)執(zhí)行三維打印成型的方法，該方法包括通過三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)將需要成型的三維圖像以一定的層厚離散成一系列連續(xù)的二維片狀圖像；在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)的帶動(dòng)下，鋪粉機(jī)構(gòu)(20)按照所述三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)所設(shè)定的層高依次將相應(yīng)高度的粉末材料從所述儲(chǔ)粉腔(13)推動(dòng)轉(zhuǎn)移到成型腔(17)；X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)將噴頭(10)帶入成型腔(17)上方的打印區(qū)域，并根據(jù)二維片狀圖像信息帶動(dòng)壓電式噴頭(10)沿X向運(yùn)動(dòng)，所述壓電式噴頭(10)自身沿垂直于X軸方向的Y 向運(yùn)動(dòng)并選擇性地噴射作為粘結(jié)劑的溶液，由此按照二片狀維圖像信息將粉末材料粘結(jié)成型；X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)及承載結(jié)構(gòu)(21)返回初始位置，準(zhǔn)備下一個(gè)二維片狀圖像的打印， 然后重復(fù)進(jìn)行以上步驟如此循環(huán)，直到所有二維片狀圖像都打印完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電式三維打印成型系統(tǒng)及其成型方法，該系統(tǒng)包括箱體及其支撐框架、X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)、聯(lián)接在X向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的承載結(jié)構(gòu)(21)、位于承載結(jié)構(gòu)之下的儲(chǔ)粉腔(13)和成型腔(17)、三維圖像分層離散機(jī)構(gòu)，以及裝載在承載結(jié)構(gòu)(21)上的鋪粉機(jī)構(gòu)(20)和壓電式噴頭(10)。本發(fā)明通過壓電式噴頭噴射無(wú)需加熱溶液，可以噴射更多種類的溶液并應(yīng)用在生物、制藥等新興領(lǐng)域。該系統(tǒng)將粘結(jié)成分混合粉末中，可以添加充足的粘結(jié)成分并達(dá)到滿意的粘結(jié)強(qiáng)度。此外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作，設(shè)備費(fèi)用低，并具備成型精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B41J3/00GK102602146SQ20121005349
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者占志敏, 孫博, 張鴻海, 徐裕力, 曹澍, 朱天柱, 胡燕, 舒霞云 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)