CN111531878A - 一种3dp打印机一机多耗材打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3DP打印机一机多耗材打印方法，属于3DP打印技术领域，解决多材料、多功能、梯度材料、复合材料、彩色制件等多种耗材在同一3DP打印机上打印的技术问题。解决方案为：喷头在计算机控制下，按下一建筑截面的成型数据有选择的喷射粘结剂建造截面，铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集，如此周而复始的送粉，铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成型过程中起支撑作用，且成型结束后比较容易去除。利用本发明提供的粘结剂，采用本发明提供的3DP打印机一机多耗材打印方法，可以实现石粉、砂型、PMMA蜡粉等耗材的打印，不同耗材选用不同墨水进行打印粘接成型，成型速度快，精度高。

Description

一种3DP打印机一机多耗材打印方法
技术领域
本发明属于3DP打印技术领域，具体涉及一种3DP打印机一机多耗材打印方法。
背景技术
使用打印机就像打印一封信:轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。
3D打印技术是一种非传统加工工艺，也称为增材制造、快速成型等，是近年来全球制造领域新兴起的一项集光、机、电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术。与传统切削加工的“去除法”不同，而是一种以数字模型文件为基础，通过将粉末、液体片状等离散材料逐层堆积，“自然生长”成三维实体的成型制造技术。
粉末床工艺是3D打印的一种主要工艺，其原理是将粉末材料在可以升降的缸内铺设薄薄一层，之后在特定区域选择性的运用激光烧结或者喷射粘结剂，使其固化，之后在铺设下一层粉末，再固化，如此循环层层累积成三维实体。
粉末床3D打印技术的成型方法主要包括选择性激光烧结(SLS)和三维打印(3DP)两种技术。
选择性激光烧结(SLS)又可称为选区激光烧结，是利用激光有选择地逐层烧结粉末，逐层的叠加从而生成预定形状的三维实体零件的一种快速成型制造方法。其特点是生产周期短，开发成本低；可以成型几乎任意形状的零件；可成型的材料范围宽，包括塑料、陶瓷、金属及其复合材料中任何加热后能够粘结的粉末材料；成型件应用面广泛。
三维打印(3DP)，是利用喷头喷射液体粘结剂，粘结铺设在粉床上的粉末逐层叠加而成三维实体。该技术通过在粉末床上喷射彩色粘接剂的方法实现彩色技术，由于彩色粘接剂特性与彩色墨水类似，通过混合渐变可实现真彩色制件打印。其具有成型材料范围广、制造速度快、可实现全彩色制造的特点。
随着3D打印技术的不断发展，近年来粉末床3D打印技术也得到了快速提升，但是目前多数都停留在单材均质加工方面，而实际上大多数零件或产品均由多种材料构成，因此实现多材料、多功能、梯度材料、复合材料、彩色制件的粉末床3D打印技术成为快速成型制造领域的迫切需要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种3DP打印机一机多耗材打印方法，解决多材料、多功能、梯度材料、复合材料、彩色制件等多种耗材在同一3DP打印机上打印的技术问题。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采用绘图软件建立用颜色区分材料的多材质物体三维模型，并对物体三维模型进行切片处理，将物体三维模型划分为由下至上依次叠放的若干层切片，将切片处理后的数据输入3DP打印机；
S2:根据步骤S1中各种材料的设计用量，分别称取对应材料的粉末并干燥，然后装入相应的送粉盒中；
S3:对3DP打印机进行安全调试，设备调试好后，等待打印；
S4:根据步骤S1切片处理后的切片信息，工作台下降第一个切片厚度，并且工作台运动至3DP打印机床身最左侧，铺粉装置和送粉装置位于3DP打印机床身最左侧并位于工作台的上方，工作台、铺粉装置和送粉装置处于起始位置；
S5:在3DP打印机机床控制***控制下，铺粉装置和送粉装置由左向右运动，铺粉装置和送粉装置运动至3DP打印机床身的中部处于铺粉状态，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送装置上送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制***，当工作台上方的成型腔与铺粉顺序排在第一位的A送粉盒位置相对应时，控制***控制A送粉盒上的步进电机带动其花键轴旋转，A送粉盒送出相应材质的粉末，铺粉装置开始铺粉，直至整个成型腔通过A送粉盒，A送粉盒的步进电机停止工作，结束A送粉盒相应位置的铺粉；
S6:当铺粉装置运动至3DP打印机床身最右端时，回收粉装置启动，使A送粉盒相对应的回收粉盒A停留在工作台的下粉口处，铺粉装置在成型腔内均匀的刮平第一层切片厚度的粉末，多余的粉末由下粉口落入回收粉盒A中，完成第一层切片铺粉；
S7:第一层切片在工作台上铺粉结束后，3DP打印机机床控制***控制铺粉装置回到起始位置后，喷头由工作台的最右侧运动至第一层切片的上方，在第一层切片的上表面上喷涂粘结剂，直至喷完第一层切片后回到工作台的最右侧，所述粘结剂的原料组成及其质量百分数含量为：氢氧化铝4.5％-9.5％、碳酸镁1％-4％、硼酸2.5％-6.5％、浓度为85％的工业磷酸30％-70％、尿素0.5％-1.5％、木糖醇1％-3％、D-山梨醇1％-3％、柠檬酸0.5％-1.5％、三聚磷酸铝1.5％-6.5％、三聚磷酸二氢铝1.5％-6.5％、去离子水7％-37％，原料的质量百分比之和为100％；
S8:重复步骤S1-S7，直至打印出设计的三维物体为止。
进一步地，所述碳酸镁作为改性剂与磷酸盐反应，形成非水溶立体网状结构的MgHPO4˙xH2O，水分子不易侵入其中，改善了型砂的抗吸湿性。
进一步地，所述B3+作为改性剂加入酸式磷酸铝水溶液中，与磷酸反应生成磷酸硼，并且与多羟基的Al(OH)3反应生成氢氧化铝络合硼酸盐，形成的磷酸硼和氢氧化铝络合硼酸盐都能增强粘结剂的粘结强度，同时也使得酸式磷酸铝水溶液的稳定性增强。
所述Mg2+、B3+离子半径小，且化合价高，对临近的-O-H键产生强烈的影响，削弱-O-H键与H2O分子作用，使得抗吸湿性提高。
所述三聚磷酸铝、三聚磷酸氢二铝作为改性剂增加了磷酸盐粘结剂体系中磷酸氢二铝的含量，磷酸氢二铝作为一种后期和固化剂起反应的主要化学成分，其含量的上升，能够提高粘结剂的固化速度和粘结强度；
所述柠檬酸、尿素作为改性剂，降低复合磷酸盐无机粘结剂的中和度，使得粘结剂体系的稳定性增强；同时，柠檬酸和尿素的加入改善磷酸盐粘结剂砂的溃散性；
所述木糖醇、D-山梨醇作为改性剂改善磷酸盐粘结剂体系的抗吸湿性能，同时木糖醇和D-山梨醇也能改善磷酸盐粘结剂的溃散性。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
本发明提供的一种3DP打印机一机多耗材打印方法，喷头在计算机控制下，按下一建筑截面的成型数据有选择的喷射粘结剂建造截面，铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集，如此周而复始的送粉，铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成型过程中起支撑作用，且成型结束后比较容易去除。
利用本发明提供的粘结剂，采用本发明提供的3DP打印机一机多耗材打印方法，可以实现石粉、砂型、PMMA蜡粉等耗材的打印，不同耗材选用不同墨水进行打印粘接成型。与现有技术相比，成型速度快，大大提高了成品率，精度高，特别适合制作精度要求高结构复杂的原型；操作方便，大大降低了生产成本，可以大规模推广应用。
附图说明
图1为具体实施方式中使用的3DP打印机的主视结构示意图；
图2为具体实施方式中使用的3DP打印机的俯视结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
实施例一
如图1和图2所示的一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采用绘图软件建立用颜色区分材料的多材质物体三维模型，并对物体三维模型进行切片处理，将物体三维模型划分为由下至上依次叠放的若干层切片，将切片处理后的数据输入3DP打印机；
S2:根据步骤S1中各种材料的设计用量，分别称取对应材料的粉末并干燥，然后装入相应的送粉盒中；
S3:对3DP打印机进行安全调试，设备调试好后，等待打印；
S4:根据步骤S1切片处理后的切片信息，工作台下降第一个切片厚度，并且工作台运动至3DP打印机床身最左侧，铺粉装置2和送粉装置3位于3DP打印机床身最左侧并位于工作台的上方，工作台、铺粉装置2和送粉装置3处于起始位置；
S5:在3DP打印机机床控制***控制下，铺粉装置2和送粉装置3由左向右运动，铺粉装置2和送粉装置3运动至3DP打印机床身的中部处于铺粉状态，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送装置上送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制***，当工作台上方的成型腔与铺粉顺序排在第一位的A送粉盒31位置相对应时，控制***控制A送粉盒31上的步进电机带动其花键轴旋转，A送粉盒31送出相应材质的粉末，铺粉装置2开始铺粉，直至整个成型腔通过A送粉盒31，A送粉盒31的步进电机停止工作，结束A送粉盒31相应位置的铺粉；
S6:当铺粉装置运动至3DP打印机床身最右端时，回收粉装置5启动，使A送粉盒31相对应的回收粉盒A停留在工作台的下粉口4处，铺粉装置2在成型腔内均匀的刮平第一层切片厚度的粉末，多余的粉末由下粉口4落入回收粉盒A中，完成第一层切片铺粉；
S7:第一层切片在工作台上铺粉结束后，3DP打印机机床控制***控制铺粉装置2回到起始位置后，喷头由工作台的最右侧运动至第一层切片的上方，在第一层切片的上表面上喷涂粘结剂，直至喷完第一层切片后回到工作台的最右侧，所述粘结剂的原料组成及其质量百分数含量为：氢氧化铝6.5％、碳酸镁3％、硼酸3％、浓度为85％的工业磷酸50％、尿素1％、木糖醇2％、D-山梨醇2％、柠檬酸1％、三聚磷酸铝2.5％、三聚磷酸二氢铝4％、去离子水25％；
S8:重复步骤S1-S7，直至打印出设计的三维物体为止。
实施例二
一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采用绘图软件建立用颜色区分材料的多材质物体三维模型，并对物体三维模型进行切片处理，将物体三维模型划分为由下至上依次叠放的若干层切片，将切片处理后的数据输入3DP打印机；
S2:根据步骤S1中各种材料的设计用量，分别称取对应材料的粉末并干燥，然后装入相应的送粉盒中；
S3:对3DP打印机进行安全调试，设备调试好后，等待打印；
S4:根据步骤S1切片处理后的切片信息，工作台下降第一个切片厚度，并且工作台运动至3DP打印机床身最左侧，铺粉装置2和送粉装置3位于3DP打印机床身最左侧并位于工作台的上方，工作台、铺粉装置2和送粉装置3处于起始位置；
S5:在3DP打印机机床控制***控制下，铺粉装置2和送粉装置3由左向右运动，铺粉装置2和送粉装置3运动至3DP打印机床身的中部处于铺粉状态，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送装置上送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制***，当工作台上方的成型腔与铺粉顺序排在第一位的A送粉盒31位置相对应时，控制***控制A送粉盒31上的步进电机带动其花键轴旋转，A送粉盒31送出相应材质的粉末，铺粉装置2开始铺粉，直至整个成型腔通过A送粉盒31，A送粉盒31的步进电机停止工作，结束A送粉盒31相应位置的铺粉；
S6:当铺粉装置运动至3DP打印机床身最右端时，回收粉装置5启动，使A送粉盒31相对应的回收粉盒A停留在工作台的下粉口4处，铺粉装置2在成型腔内均匀的刮平第一层切片厚度的粉末，多余的粉末由下粉口4落入回收粉盒A中，完成第一层切片铺粉；
S7:第一层切片在工作台上铺粉结束后，3DP打印机机床控制***控制铺粉装置2回到起始位置后，喷头由工作台的最右侧运动至第一层切片的上方，在第一层切片的上表面上喷涂粘结剂，直至喷完第一层切片后回到工作台的最右侧，所述粘结剂的原料组成及其质量百分数含量为：氢氧化铝7％、碳酸镁3％、硼酸4.5％、85％工业磷酸47％、尿素1％、木糖醇1.5％、D-山梨醇1.5％、柠檬酸1％、三聚磷酸铝3％、三聚磷酸二氢铝3％、去离子水27.5％；
S8:重复步骤S1-S7，直至打印出设计的三维物体为止。
实施例三
一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采用绘图软件建立用颜色区分材料的多材质物体三维模型，并对物体三维模型进行切片处理，将物体三维模型划分为由下至上依次叠放的若干层切片，将切片处理后的数据输入3DP打印机；
S2:根据步骤S1中各种材料的设计用量，分别称取对应材料的粉末并干燥，然后装入相应的送粉盒中；
S3:对3DP打印机进行安全调试，设备调试好后，等待打印；
S4:根据步骤S1切片处理后的切片信息，工作台下降第一个切片厚度，并且工作台运动至3DP打印机床身最左侧，铺粉装置2和送粉装置3位于3DP打印机床身最左侧并位于工作台的上方，工作台、铺粉装置2和送粉装置3处于起始位置；
S5:在3DP打印机机床控制***控制下，铺粉装置2和送粉装置3由左向右运动，铺粉装置2和送粉装置3运动至3DP打印机床身的中部处于铺粉状态，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送装置上送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制***，当工作台上方的成型腔与铺粉顺序排在第一位的A送粉盒31位置相对应时，控制***控制A送粉盒31上的步进电机带动其花键轴旋转，A送粉盒31送出相应材质的粉末，铺粉装置2开始铺粉，直至整个成型腔通过A送粉盒31，A送粉盒31的步进电机停止工作，结束A送粉盒31相应位置的铺粉；
S6:当铺粉装置运动至3DP打印机床身最右端时，回收粉装置5启动，使A送粉盒31相对应的回收粉盒A停留在工作台的下粉口4处，铺粉装置2在成型腔内均匀的刮平第一层切片厚度的粉末，多余的粉末由下粉口4落入回收粉盒A中，完成第一层切片铺粉；
S7:第一层切片在工作台上铺粉结束后，3DP打印机机床控制***控制铺粉装置2回到起始位置后，喷头由工作台的最右侧运动至第一层切片的上方，在第一层切片的上表面上喷涂粘结剂，直至喷完第一层切片后回到工作台的最右侧，所述粘结剂的原料组成及其质量百分数含量为：氢氧化铝9％、碳酸镁4％、硼酸6％、85％工业磷酸45％、尿素1.5％、木糖醇2％、D-山梨醇2％、柠檬酸1.5％、三聚磷酸铝6％、三聚磷酸二氢铝6％、去离子水17％；
S8:重复步骤S1-S7，直至打印出设计的三维物体为止。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采用绘图软件建立用颜色区分材料的多材质物体三维模型，并对物体三维模型进行切片处理，将物体三维模型划分为由下至上依次叠放的若干层切片，将切片处理后的数据输入3DP打印机；
S2:根据步骤S1中各种材料的设计用量，分别称取对应材料的粉末并干燥，然后装入相应的送粉盒中；
S3:对3DP打印机进行安全调试，设备调试好后，等待打印；
S4:根据步骤S1切片处理后的切片信息，工作台(1)下降第一个切片厚度，并且工作台(1)运动至3DP打印机床身最左侧，铺粉装置(2)和送粉装置(3)位于3DP打印机床身最左侧并位于工作台(1)的上方，工作台(1)、铺粉装置(2)和送粉装置(3)处于起始位置；
S5:在3DP打印机机床控制***控制下，铺粉装置(2)和送粉装置(3)由左向右运动，铺粉装置(2)和送粉装置(3)运动至3DP打印机床身的中部处于铺粉状态，同时根据第一层切片信息，3D打印机判断送装置上送粉盒的铺粉顺序，并将信息传输给机床控制***，当工作台(1)上方的成型腔与铺粉顺序排在第一位的A送粉盒(31)位置相对应时，控制***控制A送粉盒(31)上的步进电机带动其花键轴旋转，A送粉盒(31)送出相应材质的粉末，铺粉装置(2)开始铺粉，直至整个成型腔通过A送粉盒(31)，A送粉盒(31)的步进电机停止工作，结束A送粉盒(31)相应位置的铺粉；
S6:当铺粉装置(2)运动至3DP打印机床身最右端时，回收粉装置(5)启动，使A送粉盒(31)相对应的回收粉盒A停留在工作台(1)的下粉口(4)处，铺粉装置(2)在成型腔内均匀的刮平第一层切片厚度的粉末，多余的粉末由下粉口(4)落入回收粉盒A中，完成第一层切片铺粉；
S7:第一层切片在工作台(1)上铺粉结束后，3DP打印机机床控制***控制铺粉装置(2)回到起始位置后，喷头由工作台(1)的最右侧运动至第一层切片的上方，在第一层切片的上表面上喷涂粘结剂，直至喷完第一层切片后回到工作台(1)的最右侧，所述粘结剂的原料组成及其质量百分数含量为：氢氧化铝4.5％-9.5％、碳酸镁1％-4％、硼酸2.5％-6.5％、浓度为85％的工业磷酸30％-70％、尿素0.5％-1.5％、木糖醇1％-3％、D-山梨醇1％-3％、柠檬酸0.5％-1.5％、三聚磷酸铝1.5％-6.5％、三聚磷酸二氢铝1.5％-6.5％、去离子水7％-37％，原料的质量百分比之和为100％；
S8:重复步骤S1-S7，直至打印出设计的三维物体为止。
2.根据权利要求1所述的一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于：所述碳酸镁作为改性剂与磷酸盐反应，形成非水溶立体网状结构的MgHPO4˙xH2O。
3.根据权利要求1所述的一种3DP打印机一机多耗材打印方法，其特征在于：所述B3+作为改性剂加入酸式磷酸铝水溶液中，与磷酸反应生成磷酸硼，并且与多羟基的Al(OH)3反应生成氢氧化铝络合硼酸盐。
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