CN110963676A - 一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印装置及方法，属于工业设计和玻璃材质3D制造领域。所述方法包括：使用超声振荡器将原料均匀混合；低粘度原料采用管状405nm波长紫外LED灯进行半固化；通过气压控制高粘度原料的挤出速度，并采用圆环形405nm波长紫外LED灯进行二次固化；固化好的成型体继续进行干燥、脱脂和烧结，得到成型玻璃体。所述设备包括：打印设备，用于原料制备和成型；烧结设备，用于玻璃体的烧结成型。本发明公开的3D打印装置和方法，提供了一种复杂形状玻璃体的快速制造技术和可执行设备。
Description
技术领域
本发明涉及光固化立体成型领域，特别涉及一种挤丝光固化成型的玻璃3D打印以及烧结的方法和装置。
背景技术
玻璃材料作为现代信息显示、新能源、航空航天等诸多领域的重要组成部分，这些领域对玻璃的性能、成分和制造技术的要求越来越高，因此现代玻璃材料的研究需要多学科、多技术的高度配合。传统的玻璃生产工艺是将硅酸盐等原料经过高温加热，形成均匀无气泡的玻璃液，再经过人工成形或机械成形，最后退火处理得到玻璃制品。由于人工操作的不准确性，以及对工人专业要求比较高，玻璃成品率较低；机械生产的质量和效率虽然能得到保证，但成本大，无法满足小批量定制产品。近年来，3D打印技术以高材料利用率、装置便捷、高灵活性、高效率、低成本等优点，逐渐从研究领域走向工业生产甚至日常生活。
目前3D打印的主要是金属、树脂、塑料和陶瓷等可粘合的材料，玻璃材料由于其熔点高，液态玻璃固化成型需要保温、退火等步骤，需精确控制温度避免炸裂，因而加工难度大。传统的3D打印机，如熔融沉积成型（FDM）利用玻璃熔丝逐层累积打印玻璃体，需要不停加热保证玻璃呈熔融状态，玻璃熔丝不能中断因而打印玻璃体形状有限，同时，打印的玻璃体精度不高，表面凹凸不平；选择性激光烧结/熔化（SLS/SLM）采用激光将玻璃粉末逐层烧结或熔化成型，打印的玻璃体疏松多孔、不透明，层间应力分布不均匀；光固化立体成型（如SLA/DLP）打印速度慢，打印效果受树脂中二氧化硅粉末浓度影响，浓度高则树脂流动性差，无法准确成型，浓度低则烧结前后的玻璃体收缩率高。因此，3D打印技术应用在玻璃器件的制造上存在一定局限性。
发明内容
本发明针对现有3D打印机在玻璃材料制造上的不足，提出一种挤丝光固化式玻璃3D打印方法和设备，同时本发明还包括玻璃烧结装置，打印好的玻璃体直接移送到旁边进行干燥、烧结，实现玻璃制品的批次制造。
本发明所提供的技术方案如下：
一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将光敏树脂与二氧化硅粉末混合，得到均匀混合物；
（2）通过流量控制器将混合物从储液池中匀速输送到存储模块，同时，在输送途中施加紫外光使混合物半固化；
（3）将存储模块中的半固化混合物挤压到打印喷头，通过喷头上的紫外光灯实现二次固化；
（4）打印好的成型体移送到旁边的箱体进行干燥、脱脂和烧结，最终得到玻璃成品。
一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印设备，所述设备包括：
（1）打印设备，用于原料的制备和打印成型；
（2）烧结设备，用于打印体的干燥、脱脂和烧结。
与市面上现有3D打印设备相比，本发明所达到的有益效果是：
相较传统FDM打印机，不使用熔融液态玻璃而使用光敏树脂和二氧化硅粉末混合物挤出，利用紫外光两次固化，避免了成型过程中温度控制的难题，同时，采用气压控制挤出速度和挤出量，可有效提高打印精度；相较SLS和SLM打印机，不需要高能激光作为光源，设备成本低；相较SLA和DLP打印机，打印速度显著提高。成型设备和烧结设备一体化，减少了玻璃体制造整体运作时间，实现批量生产。
附图说明
图1是本发明的整体主视图；
图2是图1中A-A剖视图；
图3是图1中B-B剖视图；
图4是图1中管状紫外光灯剖面图；
图5是图2中圆环状紫外光灯正视图；
图中：机体1、流量控制器2、管状紫外光灯3、超声振荡储液池4、气压泵5、储液罐6、止逆阀7、盒盖8、喷头9、圆环形紫外光灯10、坩埚基板11、滑动模块一12、横向滑动杆13、绝热舱门14、马弗炉15、滑动模块二16、纵向滑动杆17、滑动模块三18、升降台19、绝热板20、导管21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，所述机体1为一个封闭的机箱，为保证打印过程中无外界光源干扰，同时避免烧结时环境湿度及灰尘影响，所述机体1由绝热舱门14分为打印舱和烧结舱，所述机体1的打印舱顶部安装有超声振荡储液池4和气压泵5，所述超声振荡储液池4顶部有盒盖8，底部开有小孔并通过导管21连接流量控制器2，所述流量控制器2与储液罐6之间的导管21外部套有管状紫外光灯3，所述储液罐6的进料口处安装有止逆阀7，所述升降台19顶部设置有绝热板20，所述绝热板20上设置有坩埚基板11，所述机体1的烧结舱顶部安装马弗炉15。
如图2所示，所述喷头9安装有两个滑动模块三18并装载于两根纵向滑动杆17上，所述纵向滑动杆17两端各安装一个滑动模块二16并装载于横向滑动杆13上，所述圆环状紫外光灯10安装在喷头9靠近喷嘴的位置。
如图3所示，所述升降台19底部安装两个滑动模块一12并装载于横向滑动杆13上。
如图4所示，所述管状紫外光灯外侧由黑色不透光材料包裹，内侧为均匀分布的LED紫外灯珠。
如图5所示，所述圆环状紫外光灯内圈空洞用于安装喷头，外圈由均匀分布的LED紫外灯珠组成。
接下来结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
使用时，将光敏树脂和二氧化硅粉末在超声振荡储液池4中均匀混合，制备得到的混合物流经流量控制器2，控制液态混合物的流速使其匀速经过管状紫外光灯3，在紫外光照射下液态混合物粘度提高呈半固体状态，随后流入储液罐6，在气压泵的增压下储液罐6中的混合物被挤入喷头9，混合物通过喷头9以细丝状被挤出，按照预定的轨迹进行分层打印，同时喷头9上的圆环状紫外光灯10照射挤到坩埚基板11上混合物，使其快速固化，完成一层打印后升降台19下降一定高度进行下一层打印，打印完成后，成型平台被移到机体1的烧结舱，关闭绝热舱门14，打印体在烧结舱内干燥，然后在马弗炉15中热处理进行脱脂，去除树脂后升高温度进行烧结，最后保温、退火得到玻璃体。
所述超声振荡储液池4是为了将光敏树脂和二氧化硅粉末充分均匀混合，同时保证粉末不沉积在池底，所用光敏树脂为低粘度100mPa∙s，二氧化硅粉末为平均直径20nm的纳米粉末，也是为了二氧化硅粉末能均匀分散在液态树脂里面。
所述流量控制器2用于监测和控制液态混合物流速，使液态混合物经过管状紫外光灯3时半固化，同时也控制着流入储液罐6中混合物的粘度，根据从喷头9挤出混合物的状态和打印效果可以实时调节粘度，所述管状紫外光灯3和圆环状紫外光灯10所用光波长为405nm，适用于市面上通用光敏树脂的固化波长。
所述气压泵5将储液罐6中的半固体混合物挤到喷头9，内部气体为氮气，防止光敏树脂氧化影响后续固化效果，所述储液罐6的进料口添加止逆阀7，以免混合物倒流导致流量控制器2的流速控制失效，严重时混合物会完全固化而堵塞导管。
所述坩埚基板11作为成型平台，是为了让打印好的物体在不取下的情况下直接进行后续热处理，同时，坩埚基板11与升降台19之间放置一层绝热板20，避免高温环境下损坏升降台19。
所述滑动模块一12、滑动模块二16、滑动模块三18和升降台19均由电机控制，工作过程中，将被打印物体的三维数据输入计算机，计算机对生成的三维图形进行切片，根据使用者的要求形成若干截面图形，由截面图形的水平形貌和截面厚度，计算机规划出打印路径和成型平台下降高度及时间，通过电机控制滑动模块二16和滑动模块三18使喷头9沿预定路径移动，挤出的丝状混合物填充图形，同时，光敏树脂吸收紫外光迅速固化，完成一层图形打印后，升降台19下降一个截面厚度的高度，喷头9再次按路径移动进行下一层图形的打印，如此重复以上操作，最终完成整个三维物体的打印，随后电机控制滑动模块一12将打印好的物体送入烧结舱内。
所述绝热舱门14将打印舱与烧结舱隔绝开来，使两个舱体在各自适宜的温度下工作，同时，独立的舱体易于控制湿度、防尘埃，热处理产生的刺激性气体便于处理，打印体被送到烧结舱后，调整升降台19高度，将打印体置于马弗炉15中进行干燥去除残余溶剂，随后升温去除固化的光敏树脂，最后高温烧结形成致密透明的玻璃体。
本发明打印速度快、成型精度高，打印出的物体表面光洁，作为玻璃材料的制造技术，相比传统玻璃加工工艺更简便、形状可定制、自动化机械控制，使用者设计好模型便可操作制作出成品。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）将光敏树脂与二氧化硅粉末混合，得到均匀混合物；
（2）通过流量控制器将混合物从储液池中匀速输送到储液罐，同时，在输送途中施加紫外光使混合物半固化；
（3）将储液罐中的半固化混合物挤压到打印喷头，通过喷头上的紫外光灯实现二次固化；
（4）打印好的成型体移送到旁边的箱体进行干燥、脱脂和烧结，最终得到玻璃成品。
2.根据权利要求1所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，所述超声振荡储液池使光敏树脂与二氧化硅粉末充分混合，且二氧化硅粉末不沉淀，所用光敏树脂为100mPa∙s的低粘度树脂，二氧化硅粉末为平均直径20nm的纳米粉末。
3.根据权利要求1所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，通过流量控制器监测和控制液体流速和流量，从而控制储液罐中混合物的粘度。
4.根据权利要求1所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，使用管状紫外光灯，紫外光源为405nm波长LED光源，管状紫外光灯的开关与流量控制器的通、断同步。
5.根据权利要求1所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，使用405nm波长的圆环状紫外LED灯，光源的开关与喷头的动、静同步。
6.根据权利要求1所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印方法，其特征在于，通过压力泵调节储液罐中气压，从而控制喷头处混合物的挤出量和挤出速度，更换喷嘴口径，改变挤出细丝的直径，调节打印精度。
7.一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印设备，其特征在于，所述设备包括：
（1）打印设备，用于原料的制备和打印成型；
（2）烧结设备，用于打印体的干燥、脱脂和烧结。
8.根据权利要求7所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印设备，其特征在于，打印材料由低粘度的光敏树脂和纳米二氧化硅粉末混合，经紫外光半固化而成，使用氮气将储液罐中的半固化混合物挤到喷头处；使用滑动模块和滑动杆作为运动***；管状紫外光灯保证了喷头处挤出丝状物的稳定性；圆环状紫外光灯保证固化效率。
9.根据权利要求7所述的一种挤丝光固化与烧结成型的玻璃3D打印设备，其特征在于，打印设备与烧结设备一体化，提高生产效率。
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