CN110216870A - 一种轴心旋转连续式喷墨3d打印设备、***、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备、***、方法及应用。所述设备包括：承载基台；固定轴，设置在承载基台上；至少两个旋转臂，连接在所述固定轴上；所述至少两个旋转臂包括第一旋转臂集合；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上设置有喷墨喷头；在所述喷墨喷头面向承载基台的一面的设置有多个喷孔，用于喷涂墨水；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂内设置有墨路***，所述墨路***的末端连接所述喷孔；所述旋转臂可相对于承载基台旋转，其每旋转一圈，所述旋转臂远离承载基台一预设距离。

Description

一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备、***、方法及应用

技术领域

本发明实施例涉及3D打印技术领域，具体涉及一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备、***、方法及应用。

背景技术

3D(3 Dimensions，三维)打印是工业制造升级、数字化、智能制造、个性化按需定制多方合力的产物，以3D打印为代表的数字化、智能化制造以及新型材料的应用将重塑制造业和服务业的关系。

3D打印主流技术主要有打印丝材为代表的熔融沉积技术(FDM)、立体光固化成型技术(SLA)、层层铺粉打印胶黏剂的3DP技术、选择性激光烧结(SLS)、基于光敏墨水聚合物喷墨打印技术(PolyJet)等。其中基于光敏墨水的喷墨打印技术由于采用喷头具有高通量阵列喷嘴、数字化非接触沉积、且喷头可扩展可拼接、可以实现体相全彩打印制造而成为3D打印制造的重要技术解决方案。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备、***、方法及应用，能够显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型时间。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

本发明的实施方式第一方面，提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备，包括：

承载基台；

固定轴，设置在承载基台上；

至少两个旋转臂，连接在所述固定轴上；所述至少两个旋转臂包括第一旋转臂集合；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上设置有喷墨喷头；

在所述喷墨喷头面向承载基台的一面的设置有多个喷孔，用于喷涂墨水；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂内设置有墨路***，所述墨路***的末端连接所述喷孔；

所述旋转臂可相对于承载基台旋转，其每旋转一圈，所述旋转臂远离承载基台一预设距离。

在一个示例中，所述多个喷孔排列一排或多排阵列；其中，对于所述一排或多排中的任一排的喷孔，其以固定轴为中心的径向排列，且喷孔间距相等。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂可同步升降；在所述设备的使用状态下，所述旋转臂每旋转一圈，会相对升一格，以远离所述承载基台；

所述旋转臂的旋转速度由所述喷墨喷头的最高点火频率和打印的分辨率确定。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂在旋转电机的带动下进行旋转；或者通过电机带动两个齿轮加回转支撑进行旋转；

所述至少两个旋转臂通过滚珠丝杠或者同步轮同步带或者直线电机进行同步升降。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂还包括第二旋转臂集合；

所述第二旋转臂集合中各旋转臂上设置有以下任一种模块：

印前处理模块、印后处理模块、铺粉模块；

其中，所述印后处理模块为以下任一种：

固化灯、电子束处理模块；

所述固化灯为UV固化灯或红外固化灯。

在一个示例中，所述第二旋转臂集合中各旋转臂上的模块通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上；

所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上的喷墨喷头通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂以所述固定轴为中心对称设置；或者，所述至少两个旋转臂中两两旋转臂之间的臂间距相等。

本发明实施例方式第二方面提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印***，包括第一方面所述的设备、控制器；其中，所述控制器根据3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据，控制所述设备进行3D打印。

本发明实施例方式第三方面提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印方法，应用于第二方面所述的***；所述方法包括：

获取待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据；

根据待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据控制所述设备打印所述待打印对象；其中，所述至少两个旋转臂相对承载基台进行旋转，在旋转过程中，所述喷墨喷头进行墨滴喷射；所述旋转臂每打印一层，所述旋转臂远离承载基台一预设距离，以维持所述喷墨喷头与墨滴落点位置的固定间距。

本发明实施例方式第四方面提供了如第三方面所述的轴心旋转连续式喷墨3D打印方法在3D打印中的用途。

本发明的方案可以省却传统二维喷墨打印的方案的反复启动、制动、和停止时间，形成连续的打印制造方案，可以显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型之间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为径向排列的喷孔示意图；

图2为双旋转臂喷墨打印单色三维结构示意图；

图3为四旋转臂喷墨打印异性电路板示意图；

图4为喷墨打印导电墨水示意图；

图5为喷墨打印UV绝缘墨水示意图；

图6为六旋转臂喷墨打印彩色医疗器官三维结构示意图。

在图中，1.固定轴，11.轴中心线，2.旋转臂，21.喷墨喷头，211.喷孔，212.导电墨水喷头，2121.导电墨水墨滴，213.绝缘墨水喷头，2131.绝缘墨水墨滴，2132.第一绝缘墨水喷头，2133.第二绝缘墨水喷头，2134.第三绝缘墨水喷头，2135.第四绝缘墨水喷头，2136.第五绝缘墨水喷头，22.固化灯，221.红外固化灯，222.UV固化灯，23.径线，3.承载基台，4.异性电路板，5.彩色医疗器官三维结构。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前基于3D喷墨打印制造技术采用了传统二维喷墨打印的方案，基于相互垂直的两个运动方向，比如一个方向(X)喷头扫描，一个方向(Y)承印基台步进，两向运动完成材料在二维平面的沉积，然后通过喷头与承印基台上下相对微动方式，完成逐层沉积成型。这种方案在执行过程中，X方向和Y方向都需要反复的经过启动、制动和停止过程，不能形成连续的打印制造方式，降低了3D喷墨打印制造的速度。

在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：采用轴心旋转连续式喷墨3D打印制造方案(Axial Rotary Continuous jet，缩写为ARCjet)，即以固定住为圆心，等间距阵列喷嘴沿径向排列，在喷头模块不间断、恒速旋转的过程中，墨滴落点分布按照图像的像素分布和算法进行数字化沉积，继而形成3D结构材料，该方案可以省去上述扫描方式中间反复启动、制动、和停止时间，形成连续的打印制造方案，可以显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型之间。

接下来，在各实施例中，对本发明的方案进行举例介绍。

实施例1

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。参考图1和图2，该设备包括：

承载基台3；

固定轴1，设置在承载基台3上；

至少两个旋转臂2，连接在所述固定轴1上；所述至少两个旋转臂3包括第一旋转臂集合；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上设置有喷墨喷头21；

在所述喷墨喷头21面向承载基台3的一面的设置有多个喷孔211，用于喷涂墨水；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂内设置有墨路***，所述墨路***的末端连接所述喷孔211；

所述旋转臂2可相对于承载基台3旋转，其每旋转一圈，所述旋转臂2远离承载基台3一预设距离。

喷墨喷头21以固定轴1为圆心，启动后相对承载基台3进入设定的恒定旋转速度，在旋转的过程中进行墨滴喷射，墨滴按照导入图形和算法进行落点分布，每打印一层，承载基台3与喷墨喷头21进行上下相对微动，以保证喷头与墨滴落点位置的固定间距，通过喷头恒速旋转逐层累积形成3D结构物体；该设备包括机架(承载基台3、中心轴1和旋转臂2，其中，旋转臂2为可升降承重旋转臂)、置于旋转臂的喷墨喷头21、置于旋转臂的印后处理模块和软件***(三维图像切片数据处理软件、每层切片图像光栅处理软件和上位机控制软件)。

承载基板3的中心部分为圆孔，圆孔直径与固定轴1直径相匹配，以嵌进固定轴1，承载基板3位于底部，喷墨喷头21下方，直接承接喷射墨滴，层层打印固化后形成3D结构；承载基板3也可以作为粉体承载基板，上方通过选择性喷射粘结剂，通过反复铺粉、喷射粘结剂实现3D结构固化成型。

在一个示例中，所述多个喷孔211排列一排或多排阵列；其中，对于所述一排或多排中的任一排的喷孔，其以固定轴1为中心的径向(径线23所在的方向)排列，且喷孔间距相等。轴中心线11为固定轴1的中心线。

喷墨喷头21主要由一个喷头单元或多个喷头单元的物理空间的组合、供墨单元和喷头驱动板卡构成。一个喷头单元具有单排或多排连续阵列喷孔211(连续阵列喷孔指中心在一条直线上的喷孔，且喷孔间距相等)，每排连续阵列喷孔都以固定轴为圆心，沿着径向排列。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂2可同步升降；在所述设备的使用状态下，所述旋转臂2每旋转一圈，会相对升一格，以远离所述承载基台3；所述旋转臂2的旋转速度由所述喷墨喷头21的最高点火频率f和打印的分辨率r确定。所述旋转臂2的最高旋转速度v≤(0.0254×f/r)m/s。比如，若f＝30kHz，r＝360分辨率，v≤2.12m/s。

在该示例的一个示例中，所述至少两个旋转臂2在旋转电机的带动下进行旋转；或者通过电机带动两个齿轮加回转支撑进行旋转；所述至少两个旋转臂2通过滚珠丝杠或者同步轮同步带或者直线电机进行同步升降。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂2还包括第二旋转臂集合；

所述第二旋转臂集合中各旋转臂2上设置有以下任一种模块：

印前处理模块、印后处理模块、铺粉模块；

其中，所述印后处理模块为以下任一种：

固化灯22、电子束处理模块。

所述固化灯22为UV(Ultraviolet ray，紫外线)固化灯或红外固化灯。

不同的旋转臂2可以安装不同的模块单元，用于承担不同的功能，包括但不限于安装喷墨喷头21、印前处理模块，印后处理模块、铺粉模块中的任意数量的组合，所述的印后处理模块包括但不限于是紫外固定灯、红外固定灯、电子束处理模块中的任意数量的组合。

在该示例的一个例子中，所述第二旋转臂集合中各旋转臂上的模块通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上的喷墨喷头通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上。

在一个示例中，所述至少两个旋转臂2以所述固定轴1为中心对称设置；或者，所述至少两个旋转臂2中两两旋转臂之间的臂间距相等。

所述至少两个旋转臂2可同步升降，用于安装更多的功能模块，所述至少两个旋转臂2优选对称结构或臂间距相等结构，以保证旋转臂2高速旋转过程中重力平衡。

可根据3D喷墨打印制造的需要更改或增减旋转臂上的功能模块：如打印单色UV墨水制造3D结构，可以选择喷头模块和UV灯模块；打印彩色UV墨水制造3D结构，可以旋转RGB三喷头或CMYK四喷头模块和UV灯模块；3D喷墨打印制造金属模具，可以选择铺粉模块、粘结剂喷头模块和红外固定灯；3D喷墨打印制造电路板，可以选择导电墨水喷头模块、UV绝缘墨水喷头模块、UV固定灯、近红外固定灯。

本实施例提供的轴心旋转连续式喷墨3D打印设备可以但不限于用于聚合物、金属、陶瓷等材料的3D结构制造以及在医疗、电子、展示、模具、汽车、航空航天等领域应用。

本实施例的方案可以省却传统二维喷墨打印的方案的反复启动、制动、和停止时间，形成连续的打印制造方案，可以显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型之间。

实施例2

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印***，包括实施例1所述的设备、控制器；其中，所述控制器根据3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据，控制所述设备进行3D打印。

具体可参考实施例1的介绍，在此不再赘述。

本实施例提供的轴心旋转连续式喷墨3D打印***可以但不限于用于聚合物、金属、陶瓷等材料的3D结构制造以及在医疗、电子、展示、模具、汽车、航空航天等领域应用。

本实施例的方案可以省却传统二维喷墨打印的方案的反复启动、制动、和停止时间，形成连续的打印制造方案，可以显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型之间。

实施例3

本实施例还提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印方法，应用于实施例2的***；所述方法包括：获取待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据；根据待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据控制所述设备打印所述待打印对象；其中，所述至少两个旋转臂相对承载基台进行旋转，在旋转过程中，所述喷墨喷头进行墨滴喷射；所述旋转臂每打印一层，所述旋转臂远离承载基台一预设距离，以维持所述喷墨喷头与墨滴落点位置的固定间距。

具体可参考实施例1的介绍，在此不再赘述。

本实施例提供的轴心旋转连续式喷墨3D打印方法可以但不限于用于聚合物、金属、陶瓷等材料的3D结构制造以及在医疗、电子、展示、模具、汽车、航空航天等领域应用。

本实施例的方案可以省却传统二维喷墨打印的方案的反复启动、制动、和停止时间，形成连续的打印制造方案，可以显著提升喷墨3D打印制造的效率，节约成型之间。

实施例4

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用打印单色UV墨水来制造3D结构。

参考图2，本实施例中，轴心旋转连续式喷墨3D打印设备包括承载基台3、固体轴1、两个旋转臂2，这两个旋转臂对称设置分别搭载喷墨喷头21和固定灯22。固定灯22具体可以为UV灯。

喷墨喷头21以固定轴1为圆心，打印的分辨率r＝600，喷头的最高点火频率f＝20kHz，喷头模块的旋转速度v＝0.6m/s。在旋转的过程中进行墨滴喷射，墨滴按照导入图形和算法进行落点分布，每打印一层，承载基台与喷头进行上下相对微动，以保证喷头与墨滴落点位置的固定间距，通过喷头恒速旋转逐层累积形成3D结构物体。

承载基板3的中心部分为圆孔，圆孔直径与固定轴1直径相匹配，以嵌进固定轴1，承载基板3位于底部，喷墨喷头21下方，直接承接喷射墨滴，层层打印固化后形成3D结构。

实施例5

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用打印彩色UV墨水来制造3D结构，将实施例4中对称双旋转臂模式替换为对称四旋转臂模式，即本实施例中，旋转臂为4个，且以固定轴为对称中心，对称设置。这四个旋转臂分别搭载RGB三喷头模块(红色UV墨水喷头模块、绿色UV墨水喷头模块、蓝色UV墨水喷头模块)和UV灯模块。

实施例6

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用打印彩色UV墨水来制造3D结构，将实施例4中的对称双旋臂模式替换为等臂间距五旋臂模式，即本实施例中，旋转臂为5个，两两旋转臂之间的距离相等。这五个旋转臂分别搭载CMYK四喷头模块(青色UV墨水喷头模块、品色UV墨水喷头模块、黄色墨水喷头模块、黑色墨水喷头模块)和UV灯模块。

实施例7

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用3D喷墨打印制造金属模具，将实施例4中对称双旋臂模式替换为等臂间距三旋臂模式，即本实施例中，旋转臂为3个，两两旋转臂之间的距离相等。这3个旋转臂分别搭载铺粉模块、粘结剂喷头模块和红外灯模块；承载基板作为粉体承载基板，上方通过选择性喷射粘结剂，反复铺粉、喷射粘结剂实现3D结构固化成型。

实施例8

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用3D喷墨打印制造电路板。参考图3，将实施例4中对称双旋臂模式替换为对称四旋臂模式，即本实施例中，旋转臂为4个，且以固定轴为对称中心，对称设置。这四旋转臂分别搭载导电墨水喷头212、绝缘墨水喷头213、UV固化灯、红外固化灯221，以打印的异性电路板4。

参考图4，在打印过程中，导电墨水喷头212可以喷涂导电墨水墨滴2121，以形成异性电路板4的导电部。

参考图5，在打印过程中，导电墨水喷头213可以喷涂绝缘墨水墨滴2131，以形成异性电路板4的绝缘部。

绝缘墨水具体可以为市售的UV绝缘墨水。导电墨水可以为市售的纳米金属导电墨水。

实施例9

本实施例提供了一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备。可以采用3D喷墨打印彩色医疗器官三维结构。

参考图6，将实施例4中对称双旋臂模式替换为对称六旋臂模式，即本实施例中，旋转臂为6个，且以固定轴为对称中心，对称设置。这六旋转臂分别搭第一绝缘墨水喷头2132，第二绝缘墨水喷头2133，第三绝缘墨水喷头2134，第四绝缘墨水喷头2135，第五绝缘墨水喷头2136，UV固化灯222。

其中，第一绝缘墨水喷头2132用于喷涂青色UV墨水，第二绝缘墨水喷头2133用于喷涂品色UV墨水，第三绝缘墨水喷头2134用于喷涂黄色墨水，第四绝缘墨水喷头2135用于喷涂黑色墨水喷头模块，第五绝缘墨水喷头2136用于UV光油，UV固化灯灯用于固化，以制备彩色医疗器官三维结构5。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴心旋转连续式喷墨3D打印设备，其特征在于，包括：

承载基台；

固定轴，设置在承载基台上；

至少两个旋转臂，连接在所述固定轴上；所述至少两个旋转臂包括第一旋转臂集合；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上设置有喷墨喷头；

在所述喷墨喷头面向承载基台的一面的设置有多个喷孔，用于喷涂墨水；所述第一旋转臂集合中的各旋转臂内设置有墨路***，所述墨路***的末端连接所述喷孔；

所述旋转臂可相对于承载基台旋转，其每旋转一圈，所述旋转臂远离承载基台一预设距离。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个喷孔排列一排或多排阵列；其中，对于所述一排或多排中的任一排的喷孔，其以固定轴为中心的径向排列，且喷孔间距相等。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个旋转臂可同步升降；在所述设备的使用状态下，所述旋转臂每旋转一圈，会相对升一格，以远离所述承载基台；

所述旋转臂的旋转速度由所述喷墨喷头的最高点火频率和打印的分辨率确定。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少两个旋转臂在旋转电机的带动下进行旋转；或者通过电机带动两个齿轮加回转支撑进行旋转；

所述至少两个旋转臂通过滚珠丝杠或者同步轮同步带或者直线电机进行同步升降。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个旋转臂还包括第二旋转臂集合；

所述第二旋转臂集合中各旋转臂上设置有以下任一种模块：

印前处理模块、印后处理模块、铺粉模块；

其中，所述印后处理模块为以下任一种：

固化灯、电子束处理模块；

所述固化灯为UV固化灯或红外固化灯。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述第二旋转臂集合中各旋转臂上的模块通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上；

所述第一旋转臂集合中的各旋转臂上的喷墨喷头通过可拆卸连接方式设置在各自对应的旋转臂上。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个旋转臂以所述固定轴为中心对称设置；或者，所述至少两个旋转臂中两两旋转臂之间的臂间距相等。

8.一种轴心旋转连续式喷墨3D打印***，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的设备、控制器；其中，所述控制器根据3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据，控制所述设备进行3D打印。

9.一种轴心旋转连续式喷墨3D打印方法，其特征在于，应用于权利要求8所述的***；所述方法包括：

获取待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据；

根据待打印对象的3D图像切片数据和3D图像切片的光栅数据控制所述设备打印所述待打印对象；其中，所述至少两个旋转臂相对承载基台进行旋转，在旋转过程中，所述喷墨喷头进行墨滴喷射；所述旋转臂每打印一层，所述旋转臂远离承载基台一预设距离，以维持所述喷墨喷头与墨滴落点位置的固定间距。

10.如权利要求9所述的轴心旋转连续式喷墨3D打印方法在3D打印中的用途。