CN110127992A - 一种熔融沉积成型的玻璃3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置及其打印方法，涉及玻璃3D打印。所述装置设有直线电机、铜螺母、打印头组件、基板、中心对正环和固定板；直线电机、铜螺母和中心对正环组成送料部；打印头组件包括陶瓷片、电加热阴极、电加热阳极、绝缘瓷套管、陶瓷坩埚、石墨加热头、弹簧、不锈钢环和不锈钢套筒。将电加热阴级、电加热阳极分别接上直流电源的正负极；打印前，将玻璃棒装夹在送料部，进行基板的预热，开启通电回路以加热石墨加热头，石墨加热头达到熔融温度后，启动送料部和打印程序进行打印。加热效率高，且温度调控容易；打印成本低；打印过程中打印头不易堵塞，打印连续性好，打印的玻璃样件透明度高、表面质量好、外形美观。

Description

一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明涉及玻璃3D打印技术领域，尤其是涉及一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置及其打印方法。

背景技术

3D打印又名增材制造、快速制造等，是一项通过将对象进行微分，并数字建模，将三维物体分解为“二维平面”，然后直接采用材料堆积等形式加工出三维实体的方式。熔融沉积成型是3D打印中最常见的成型方式，它是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在高温下将材料加热到熔融状态，然后逐层堆积，直至打印出完整的空间三维物体。

对于塑料、树脂和金属等材料的3D打印已经较为成熟。相比之下，目前玻璃材料的3D打印还存在许多技术难题：第一，利用玻璃粉激光烧结的打印方式打印出的玻璃样件尺寸较小、颗粒感强以及透明度差，采用激光加热方式作为热源成本昂贵，难以实际应用和商业化；第二，利用熔融沉积成型的打印方式，熔融的玻璃浆由于粘度高，容易造成打印喷头堵塞并且难以清洗；第三，温度难以控制，温度的精确控制是成功打印的关键，温度过高则玻璃浆流动性大从而使打印样件成型效果差，温度过低则无法熔融玻璃难以打印。

中国专利CN201710097044.4公开一种玻璃3D打印方法及装置，该方法包括：将玻璃原料放置于坩埚炉中；通过围绕在该坩埚炉外壁的第一高频线圈对玻璃原料进行加热，融化玻璃原料；根据融化后的玻璃原理形成玻璃制品。

中国专利CN201610510758.9公开一种基于熔融沉积成型的玻璃3D打印喷头组件，包括：冷端引导管，一端与送料装置连接，带有冷却模块；热端引导管，带有第一加热器，一端连接所述冷端引导管；隔热层，安装在冷端引导管和热端引导管之间；喷头，连接所述热端引导管的另一端；还提供了一种基于熔融沉积成型的玻璃3D打印方法；解决玻璃熔融沉积成型过程中由于玻璃棒提前软化导致的供料阻塞的问题，保证了玻璃3D打印的顺利进行，提高了打印件的力学性能和透明度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的所述问题，提供可克服目前玻璃3D打印设备成本较高、打印喷头容易堵塞、打印样件尺寸小及透明度差等问题的一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置。

本发明的另一目的在于提供一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法。

本发明所述熔融沉积成型的玻璃3D打印装置设有直线电机、铜螺母、打印头组件、基板、中心对正环和固定板；所述直线电机、铜螺母和中心对正环组成送料部；送料部和打印头组件设在固定板上，固定板通过螺栓安装在三轴数控滑台上；铜螺母设直线电机上，铜螺母用于固定玻璃棒，并通过控制直线电机的运动即实现平稳送料；所述打印头组件包括陶瓷片、电加热阴极、电加热阳极、绝缘瓷套管、陶瓷坩埚、石墨加热头、弹簧、不锈钢环和不锈钢套筒；所述中心对正环设在不锈钢套筒上方；所述绝缘瓷套管设在不锈钢套筒两侧凸缘处，所述陶瓷片固定在加热电极外端，弹簧设在陶瓷片上，弹簧用于辅助固定加热电极并保证点接触的稳定；所述陶瓷坩埚和不锈钢环设在不锈钢套筒内，用于辅助固定石墨加热头；所述石墨加热头设在电加热阴级与电加热阳极之间；所述基板用于固定打印出的玻璃样件。

所述基板可采用玻璃平板，基板的厚度可为4.0mm。

所述石墨加热头呈圆柱台阶状，内壁孔径最小为6.5mm。

本发明所述熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，包括以下步骤：

1)将电加热阴级、电加热阳极分别接直流电源的正极和负极，电加热阴级、电加热阳极之间设有石墨加热头；电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头的材料均为石墨，电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头与直流电源共同构成一通电回路；

2)打印前，将玻璃棒装夹在送料部，进行基板的预热，开启通电回路以加热石墨加热头；

3)石墨加热头达到熔融温度后，启动送料部和打印程序开始打印。

在步骤2)中，所述玻璃棒为空心玻璃棒，主要成分为二氧化硅，软化点为650℃；玻璃棒的直径可为3～5mm间，使打印过程中熔融玻璃浆不会与石墨加热头内壁发生刮擦。

在步骤2)中，所述加热采用点接触加热，开启通电回路后，施加以7～8V的小电压和70～80A的大电流让石墨加热头达到1000℃以上的高温；。

在步骤3)中，所述熔融温度可为920～1000℃，此温度区间下熔融玻璃浆流动性好，适于成型。

为了高效加热，石墨加热头与陶瓷片、电加热阴极、电加热阳极、绝缘瓷套管、陶瓷坩埚、弹簧、不锈钢环和不锈钢套筒共同组成打印头。

本发明的有益效果是：

1)利用点接触的加热方式加热效率高，容易达到打印玻璃所需要的温度，且温度调控容易；同时该加热方法所需材料价格低廉，降低了打印的成本；

2)打印过程中打印头不容易堵塞，不用频繁清洗；打印连续性好，提高了用户的打印体验；

3)通过本发明的打印方法打印的玻璃样件透明度高、表面质量好、外形美观。

附图说明

图1是本发明所述熔融沉积成型的玻璃3D打印装置的结构示意图。

图2是本发明熔融沉积成型的玻璃3D打印装置的打印头组件的剖视结构示意图。

附图中各标记为：1-直线电机；2-铜螺母；3-打印头；4-打印样件；5-基板；6-中心对正环；7-玻璃棒；8-固定板；200-陶瓷片；201-电加热阴极；202-绝缘瓷套管；203-陶瓷坩埚；204-石墨加热头；205-弹簧；206-电加热阳极；207-不锈钢环；208-不锈钢套筒。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述熔融沉积成型的玻璃3D打印装置实施例如图1所示，包括固定板8，所述固定板8上装有送料部、打印头组件3，固定板8通过螺栓被安装在三轴数控滑台上；所述送料部包括直线电机1、铜螺母2以及中心对正环6；如图2所示，所述打印头组件3包括陶瓷片200、电加热阴极201、电加热阳极206、绝缘瓷套管202、陶瓷坩埚203、石墨加热头204、弹簧205、不锈钢环207、不锈钢套筒208。

为了送料合理，将玻璃棒7固定在铜螺母2上，将铜螺母2安装直线电机1上，通过控制直线电机1的运动即可实现平稳送料。

为了送料合理，所述石墨加热头204内壁小孔径为6.5mm，玻璃棒7直径为3.0mm，为了保证送料过程中玻璃棒7不触碰石墨加热头204内壁，所述中心对正环6安装在不锈钢套筒208上方，以此保证玻璃棒7在送料过程中不会晃动，使其始终处于石墨加热头204的中心处。

为了设计合理，所述不锈钢套筒208两侧凸缘处装有绝缘瓷套管202，加热电极外端固定有陶瓷片200，所述陶瓷片200上装有弹簧205，以此辅助固定加热电极并保证点接触的稳定。

为了设计合理，所述不锈钢套筒208内装有陶瓷坩埚203和不锈钢环207，以此来辅助固定石墨加热头204，并起到隔热保温作用，降低热损失。

为了设计合理，所述玻璃棒7通过送料部输送到打印头组件3处熔融沉积后，打印成玻璃样件4并被固定到基板5上。

所述熔融沉积成型的玻璃3D打印装置设有直线电机1、铜螺母2、打印头组件3、基板5、中心对正环6和固定板8；所述直线电机1、铜螺母2和中心对正环6组成送料部；送料部和打印头组件3设在固定板8上，固定板8通过螺栓安装在三轴数控滑台上；铜螺母2设直线电机1上，铜螺母2用于固定玻璃棒7，并通过控制直线电机1的运动即实现平稳送料；所述打印头组件3包括陶瓷片200、电加热阴极201、电加热阳极206、绝缘瓷套管202、陶瓷坩埚203、石墨加热头204、弹簧205、不锈钢环207和不锈钢套筒208；所述中心对正环6设在不锈钢套筒208上方；所述绝缘瓷套管202设在不锈钢套筒208两侧凸缘处，所述陶瓷片200固定在加热电极外端，弹簧205设在陶瓷片200上，弹簧205用于辅助固定加热电极并保证点接触的稳定；所述陶瓷坩埚203和不锈钢环207设在不锈钢套筒208内，用于辅助固定石墨加热头204；所述石墨加热头204设在电加热阴级201与电加热阳极206之间；所述基板5用于固定打印出的玻璃样件4。

熔融沉积成型的玻璃3D打印方法具体实施过程如下：

1)将电加热阴级201、电加热阳极206分别接直流电源的正极和负极，电加热阴级201、电加热阳极206之间设有石墨加热头204；电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头的材料均为石墨，电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头与直流电源共同构成一通电回路；

2)打印前，安装好各个零部件，将玻璃棒7装夹在送料部，进行基板5的预热，将打印头组件3接通直流电源以加热石墨加热头；所述玻璃棒为空心玻璃棒，主要成分为二氧化硅，软化点为650℃；玻璃棒的直径可为3mm，使打印过程中熔融玻璃浆不会与石墨加热头内壁发生刮擦；所述基板可采用玻璃平板，基板的厚度可为4.0mm；所述送料部包括直线电机、铜螺母和中心对正环。所述加热采用点接触加热，开启通电回路后，施加以7～8V的小电压和70～80A的大电流即可让石墨加热头达到1000℃以上的高温；所述石墨加热头呈圆柱台阶状，内壁孔径最小为6.5mm。

3)石墨加热头达到熔融温度后，启动送料部和打印程序开始打印。所述熔融温度可为950℃，此温度区间下熔融玻璃浆流动性好，适于成型。等待加热的时间短，不超过2min，提高了打印效率。

根据本发明的装置和方法，打印过程流畅，无需担心打印时玻璃浆料会堵塞打印头从而造成打印中断，大大增加设备的实用性。打印出的样件外形精美、透明度好，同时表面质量高，无刮痕、无颗粒感。

Claims (9)

1.一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置，其特征在于设有直线电机、铜螺母、打印头组件、基板、中心对正环和固定板；所述直线电机、铜螺母和中心对正环组成送料部；送料部和打印头组件设在固定板上，固定板通过螺栓安装在三轴数控滑台上；铜螺母设直线电机上，铜螺母用于固定玻璃棒，并通过控制直线电机的运动即实现平稳送料；所述打印头组件包括陶瓷片、电加热阴极、电加热阳极、绝缘瓷套管、陶瓷坩埚、石墨加热头、弹簧、不锈钢环和不锈钢套筒；所述中心对正环设在不锈钢套筒上方；所述绝缘瓷套管设在不锈钢套筒两侧凸缘处，所述陶瓷片固定在加热电极外端，弹簧设在陶瓷片上，弹簧用于辅助固定加热电极并保证点接触的稳定；所述陶瓷坩埚和不锈钢环设在不锈钢套筒内，用于辅助固定石墨加热头；所述石墨加热头设在电加热阴级与电加热阳极之间；所述基板用于固定打印出的玻璃样件。

2.如权利要求1所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置，其特征在于所述基板采用玻璃平板。

3.如权利要求1所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置，其特征在于所述基板的厚度为4.0mm。

4.如权利要求1所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印装置，其特征在于所述石墨加热头呈圆柱台阶状，内壁孔径最小为6.5mm。

5.一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将电加热阴级、电加热阳极分别接直流电源的正极和负极，电加热阴级、电加热阳极之间设有石墨加热头；电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头的材料均为石墨，电加热阴级、电加热阳极、石墨加热头与直流电源共同构成一通电回路；

2)打印前，将玻璃棒装夹在送料部，进行基板的预热，开启通电回路以加热石墨加热头；

3)石墨加热头达到熔融温度后，启动送料部和打印程序开始打印。

6.如权利要求5所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，其特征在于在步骤2)中，所述加热采用点接触加热，开启通电回路后，施加以7～8V的小电压和70～80A的大电流让石墨加热头达到1000℃以上的高温。

7.如权利要求5所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，其特征在于在步骤2)中，所述玻璃棒为空心玻璃棒，主要成分为二氧化硅，软化点为650℃。

8.如权利要求5所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，其特征在于在步骤2)中，所述玻璃棒的直径为3～5mm。

9.如权利要求5所述一种熔融沉积成型的玻璃3D打印方法，其特征在于在步骤3)中，所述熔融温度为920～1000℃。