專利名稱：基于磁流變材料的3d打印快速成型裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進制造領(lǐng)域，特別涉及一種基于磁流變材料的3D打印快速成型方法及裝置，具體涉及一種利用磁場作用下的磁流變效應(yīng)，通過噴射磁流變液到存在磁場的沉積基板上迅速固化，逐層成型，最終形成3D打印的三維模型的方法和裝置。
背景技術(shù)：
3D打印技術(shù)是一系列快速原型成型技術(shù)的統(tǒng)稱，其基本原理是疊層制造，由快速原型機在X-Y平面內(nèi)通過掃描形式形成工件的截面形狀，而在Z坐標(biāo)間斷地做層面厚度的位移，最終形成三維實體?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)(Rapid Prototyping and Manufacturing,RP&M)是指在計算機管理與控制下，根據(jù)零件的CAD模型，采用材料精確堆積(由點堆積成面，由面堆積成三維實體)的方法制造原型或零件的技術(shù)，是一種基于離散、堆積成形原理的新制造方法。目前已出現(xiàn)的RP&M技術(shù)主要有熔融沉積成形(FDM)、選擇性激光燒結(jié)成形(SLS)、光固化成形(SLA)，分層實體制造成形(L0M)。3D打印材料有塑料、光敏樹脂、金屬、石蠟粉末、陶瓷粉末、尼龍粉末、ABS粉末、覆膜紙等，骨骼、電流變液等原料的研究也在進行中。隨著第三次工業(yè)革命的到來，3 D打印快速成型技術(shù)在個性化設(shè)計和先進制造領(lǐng)域的重要性越來越突出，其優(yōu)點體現(xiàn)在以下三個方面:1) 一定程度上實現(xiàn)了設(shè)計、制造一體化；2)高度柔性使得復(fù)雜模型制造更加快捷有效；3)大大縮短了研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。但從目前來看3D打印技術(shù)還面臨著一系列的問題，如制造速度慢、產(chǎn)品的材料品種較少，性能不佳、機器和材料的成本高、操作的可訪問性差和安全性欠佳、顏色調(diào)配、成型精度和質(zhì)量問題等。采用FDM熔融層積成型技術(shù)(US6253116B1)的設(shè)備是整體成本最低且占用空間最小的，因此目前市面上面向普通消費者銷售的3D打印機都是基于FDM熔融層積成型技術(shù)的。然而，這種快速成型工藝存在以下不足:a)需要復(fù)雜的溫控系統(tǒng)。噴頭溫控裝置確保噴頭內(nèi)熔融材料的溫度不能太低，否則凝固造成堵塞；但溫度也不能太高，否則熔融材料噴射到工作臺上后冷卻的速度跟不上造成溢流。b)通過溫度實現(xiàn)液相固相的轉(zhuǎn)換所需的能耗高，同時容易發(fā)生相變縮孔，變形等問題。c)在快速成型制作過程中，加工材料因受熱或者內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會向空氣中散發(fā)刺激難聞甚至有毒的氣體，造成環(huán)境污染甚至對操作人員的身體健康產(chǎn)生影響。d)因受快速成型工藝的限制，快速成型的材料種類有限，制作成本高等缺點。而中國專利(CN 102615830)“一種基于電流變液的快速成型方法及裝置”提出的以電流變液在電場中迅速成型，則需要上千伏的高壓電場，對操作人員帶來危險。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于磁流變材料的3D打印快速成型方法和裝置，即利用磁流變材料在磁場作用下的磁流變效應(yīng)，通過噴射磁流變材料到存在磁場的工作臺上迅速固化，逐層成型，而最終形成3D打印的三位實體模型。本發(fā)明的目的之一是提出一種基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置；本發(fā)明的目的之二是提出一種基于磁流變材料的3D打印快速成型方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，包括沉積工作臺、磁極、儲液罐、墨盒、驅(qū)動泵、噴頭、連接管道、計算機、伺服機構(gòu)；
所述沉積工作臺，用于作為三維實體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺；
所述磁極布置于沉積工作臺的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場；所述儲液罐、驅(qū)動泵、噴頭通過連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲液罐，用于存儲磁流變材料，所述驅(qū)動泵，用于為輸送儲液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺上的磁極提供的磁場區(qū)域內(nèi)；
所述伺服機構(gòu)，用于控制噴頭的三維運動狀態(tài)；
所述計算機，用于控制驅(qū)動泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機構(gòu)運動狀態(tài)。進一步，所述計算機包括驅(qū)動泵控制單元、墨盒控制單元和伺服機構(gòu)控制單元；所述驅(qū)動泵控制單元，用于控制驅(qū)動泵的流量；所述墨盒控制單元，用于控制彩色墨盒的配色顏料、染料多少；所述伺服機構(gòu)控制單元，用于通過伺服機構(gòu)控制噴頭的三維運動。進一步，所述沉積工作臺為可三維調(diào)節(jié)的升降工作臺。進一步,所述磁極為能產(chǎn)生100Gs_8000Gs磁場的永磁體或電磁鐵。進一步，所述噴頭口直徑為0.1-10毫米。 進一步，所述噴頭為彩色噴頭，所述墨盒為彩色墨盒，所述儲液罐為彩色儲液罐。進一步，所述磁流變材料為磁流變液、磁流體、磁流變脂、磁流變泡沫或磁流變彈性體；或所述磁流變液為水基磁流變液、礦物油基磁流變液、合成油基磁流變液、離子液體基磁流變液、脂基磁流變液、聚合物磁流變液，有機復(fù)合磁流變液或無機復(fù)合磁流變液；或所述磁流體為由納米級磁性顆粒通過表面活性劑高度分散懸浮在載液中形成的穩(wěn)定膠體體系；或所述磁流變脂為由微米級磁性顆粒、增稠劑、基液、填料和添加劑構(gòu)成的膠體分散體系；或所述磁流變泡沫為將磁流變液吸附在具有吸附力的基體上的多孔材料；所述磁流變彈性體為由高分子聚合物和磁性顆粒組成的材料。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印快速成型方法，包括以下步驟:
51:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運動命令、驅(qū)動泵流量控制指令；
52:將所述三維模型進行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息；
S3:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息來控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進行運動，同時定量控制驅(qū)動泵噴射磁流變材料到沉積工作臺上磁極固化磁場區(qū)域內(nèi)，進行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。進一步，所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來調(diào)節(jié)驅(qū)動泵的流量形成的，所述噴頭三維運動軌跡是利用填充軌跡運動信息驅(qū)使伺服機構(gòu)來調(diào)節(jié)噴頭進行三維運動的。進一步，還包括調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場強度大小，所述磁極固化磁場的磁場強度大小根據(jù)實際情況確定。本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明采用基于磁流變材料在磁場下固化來達到3D快速成型，依據(jù)磁流變效應(yīng)原理，以磁流變材料為3D打印原料，通過噴射磁流變材料到有磁場的工作臺上，使得磁流變材料在磁場作用下迅速固化成型，從而在工作臺上逐層沉積以構(gòu)建三維實體模型。具有如下優(yōu)點:
成本極低:本發(fā)明依據(jù)磁流變材料的磁流變效應(yīng)，用磁場代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熔融噴射快速成型的3D打印方法中的溫控模塊，也不同于電流變液效應(yīng)所需的高壓電場，不需要昂貴的激光光學(xué)設(shè)備，溫控系統(tǒng)，光敏材料等，系統(tǒng)更加簡單，成本大幅度降低；
耗能極低:磁流變液耗能低，且無激光，高溫，冷凍等環(huán)境要求，能耗大幅度降低；樣品在撤去磁場后即可以回收利用，節(jié)省材料又環(huán)保；材料及操作不污染環(huán)境；可以制作透明及各種彩色晶體模型。本發(fā)明涉及的技術(shù)具有耗能低、成本低、工藝簡潔、可彩色化、成型精度高、可實現(xiàn)微型化等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于假肢模型、工業(yè)設(shè)計、機械制造、三維場景展示(如3D電影道具)、娛樂(游戲模具)、藝術(shù)(古瓷器等修復(fù))等領(lǐng)域。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
附圖1為基于磁流變材料的3D打印快速成型的噴頭裝置示意 附圖2為基于磁流變材料的3D打印快速成型的裝置示意 附圖3為基于磁流變液材料3D打印快速成型方法的模型構(gòu)建流程圖。圖中，沉積工作臺-1、磁極_2、實體模型-3、儲液罐-4、墨盒-5、驅(qū)動泵-6、計算機_7、伺服機構(gòu)_8、噴頭-9、連接管道-10。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。附圖1為基于磁流變材料的3D打印快速成型的噴頭裝置示意圖，附圖2為基于磁流變材料的3D打印快速成型的裝置示意圖，附圖3為基于磁流變液材料3D打印快速成型方法的模型構(gòu)建流程圖，如圖所示:本發(fā)明提供的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，包括沉積工作臺1、磁極2、儲液罐4、墨盒5、驅(qū)動泵6、噴頭9、連接管道10、計算機7、伺服機構(gòu)8 ；
所述沉積工作臺，用于作為三維實體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺；
所述磁極布置于沉積工作臺的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場；所述儲液罐、驅(qū)動泵、噴頭通過連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲液罐，用于存儲磁流變材料，所述驅(qū)動泵，用于為輸送儲液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺上的磁極提供的磁場區(qū)域內(nèi)，在磁場作用下磁流變材料固化形成實體模型3 ；
所述伺服機構(gòu)，用于控制噴頭的三維運動狀態(tài)；
所述計算機，用于控制驅(qū)動泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機構(gòu)運動狀態(tài)。所述計算機包括驅(qū)動泵控制單元、墨盒控制單元和伺服機構(gòu)控制單元；所述驅(qū)動泵控制單元，用于控制驅(qū)動泵的流量；所述墨盒控制單元，用于控制彩色墨盒的配色顏料、染料多少；所述伺服機構(gòu)控制單元，用于通過伺服機構(gòu)控制噴頭的三維運動。該計算機設(shè)置三條控制線路，第一條線路控制驅(qū)動泵流量，第二線路控制彩色墨盒的配制與流量，第三條線路通過伺服機構(gòu)控制噴頭的三維運動。所述計算機處理三維數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令，一方面調(diào)節(jié)驅(qū)動泵的流量，另一方面控制伺服機構(gòu)使得噴頭進行三維運動，再一方面調(diào)配彩色墨盒的流量和色彩配制，使磁流變材料噴射速度與噴頭三維運動速度相配合，染料調(diào)配與磁流變材料相配合，保證系統(tǒng)正確有效運行。所述計算機可以進行三維模型構(gòu)建，模型分析和模型界面提取，并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運動命令、驅(qū)動泵流量控制指令及發(fā)送錯誤報警信息等。所述沉積工作臺為可三維調(diào)節(jié)的升降工作臺。所述磁極為能產(chǎn)生100Gs-8000Gs磁場的永磁體或電磁鐵。所述永磁鐵產(chǎn)生的磁場大小為100Gs-8000Gs。本實例中選擇2000Gs。所述噴頭口直徑為0.1-10毫米。本實例中選擇10毫米。所述噴頭為彩色噴頭，所述墨盒為彩色墨盒，所述儲液罐為彩色儲液罐。本實施例通過彩色噴頭、彩色墨盒、彩色儲液罐，每種顏色采用不同的驅(qū)動泵及連接管路，實現(xiàn)多驅(qū)動泵輸送，多噴頭同時造型，提高成型速度；也可以采用多流通管道輸送不同顏色的液態(tài)，進行彩色造型設(shè)計。所述驅(qū)動泵可以選擇葉片式泵、容積式泵、壓電泵、電濕潤泵或蠕動泵等；由于蠕動泵容易控制流量，泵體不與磁流變液接觸，可以同時驅(qū)動多條流通管道等優(yōu)點，本實施例優(yōu)先選擇螺動泵。 所述磁流變材料為磁流變液、磁流體、磁流變脂、磁流變泡沫或磁流變彈性體；或所述磁流變液為水基磁流變液、礦物油基磁流變液、合成油基磁流變液、離子液體基磁流變液、脂基磁流變液、聚合物磁流變液，有機復(fù)合磁流變液或無機復(fù)合磁流變液；或所述磁流體為由納米級磁性顆粒通過表面活性劑高度分散懸浮在載液中形成的穩(wěn)定膠體體系；或所述磁流變脂為由微米級磁性顆粒、增稠劑、基液、填料和添加劑構(gòu)成的膠體分散體系；或所述磁流變泡沫為將磁流變液吸附在具有吸附力的基體上的多孔材料；所述磁流變彈性體為由高分子聚合物和磁性顆粒組成的材料。本實例中選擇硅油基磁流變液。本發(fā)明還提供了一種基于磁流變材料的3D打印快速成型方法，包括以下步驟:
S1:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運動命令、驅(qū)
動泵流量控制指令；
S2:將所述三維模型進行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息；
S3:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息來控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進行運動，同時定量控制驅(qū)動泵噴射磁流變材料到沉積工作臺上磁極固化磁場區(qū)域內(nèi)，進行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。最后成型完成的三維模型樣品可以通過維持磁場保持其外形，也可以使用低溫環(huán)境將整個三維模型樣品冷凍固化，脫離磁場后保持原形。所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來調(diào)節(jié)驅(qū)動泵的流量形成的，所述噴頭三維運動軌跡是利用填充軌跡運動信息驅(qū)使伺服機構(gòu)來調(diào)節(jié)噴頭進行三維運動的。
由于永磁鐵磁極產(chǎn)生的磁場是磁流變材料迅速固化的關(guān)鍵條件，因此還需要調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場強度大小，所述磁極固化磁場的磁場強度大小根據(jù)實際情況確定。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:包括沉積工作臺、磁極、儲液罐、墨盒、驅(qū)動泵、噴頭、連接管道、計算機和伺服機構(gòu)； 所述沉積工作臺，用于作為三維實體的磁流變材料逐層沉積成型的平臺； 所述磁極布置于沉積工作臺的造型區(qū)域兩側(cè)，用于提供磁流變材料固化所需的磁場； 所述儲液罐、驅(qū)動泵、噴頭通過連接管道相連通，形成磁流變材料的輸送管道；所述儲液罐，用于存儲磁流變材料，所述驅(qū)動泵，用于為輸送儲液罐中的磁流變材料提供驅(qū)動力，所述噴頭設(shè)置于沉積工作臺上的磁極提供的磁場區(qū)域內(nèi)； 所述伺服機構(gòu)，用于控制噴頭的三維運動狀態(tài)； 所述計算機，用于控制驅(qū)動泵的流量、墨盒顏料流量和伺服機構(gòu)運動狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述計算機包括驅(qū)動泵控制單元、墨盒控制單元和伺服機構(gòu)控制單元；所述驅(qū)動泵控制單元，用于控制驅(qū)動泵的流量；所述墨盒控制單元，用于控制彩色墨盒的配色顏料、染料多少；所述伺服機構(gòu)控制單元，用于通過伺服機構(gòu)控制噴頭的三維運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述沉積工作臺為可三維調(diào)節(jié)的升降工作臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述磁極為能產(chǎn)生100Gs-8000Gs磁場的永 磁體或電磁鐵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述噴頭口直徑為0.1-10毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述噴頭為彩色噴頭，所述墨盒為彩色墨盒，所述儲液罐為彩色儲液罐。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置，其特征在于:所述磁流變材料為磁流變液、磁流體、磁流變脂、磁流變泡沫或磁流變彈性體；或所述磁流變液為水基磁流變液、礦物油基磁流變液、合成油基磁流變液、離子液體基磁流變液、脂基磁流變液、聚合物磁流變液，有機復(fù)合磁流變液或無機復(fù)合磁流變液；或所述磁流體為由納米級磁性顆粒通過表面活性劑高度分散懸浮在載液中形成的穩(wěn)定膠體體系；或所述磁流變脂為由微米級磁性顆粒、增稠劑、基液、填料和添加劑構(gòu)成的膠體分散體系；或所述磁流變泡沫為將磁流變液吸附在具有吸附力的基體上的多孔材料；所述磁流變彈性體為由高分子聚合物和磁性顆粒組成的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型裝置進行快速成型的方法，其特征在于:包括以下步驟: 51:構(gòu)建三維待沉積模型并根據(jù)待沉積模型的三維信息生成伺服結(jié)構(gòu)的運動命令、驅(qū)動泵流量控制指令； 52:將所述三維模型進行Z層離散化分層處理和XY層面信息處理，生成模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息； S3:根據(jù)模型截面數(shù)據(jù)信息和填充軌跡運動信息來控制噴頭沿界面輪廓和填充軌跡進行運動，同時定量控制驅(qū)動泵噴射磁流變材料到沉積工作臺上磁極固化磁場區(qū)域內(nèi)，進行逐層堆疊建模；并使得磁流變材料固化成型形成三維模型樣品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型方法，其特征在于:所述噴頭流量是根據(jù)截面數(shù)據(jù)信息來調(diào)節(jié)驅(qū)動泵的流量形成的，所述噴頭三維運動軌跡是利用填充軌跡運動信息驅(qū)使伺服機構(gòu)來調(diào)節(jié)噴頭進行三維運動的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于磁流變材料的3D打印快速成型方法，其特征在于:還包括調(diào)節(jié)磁流變材料固化磁場強度大小，所述磁極固化磁場的磁場強度大小根據(jù)實際情況確 定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于磁流變材料的3D打印快速成型方法和裝置。根據(jù)磁流變效應(yīng)原理，以磁流變材料為3D打印原料，通過噴射磁流變材料到有磁場的工作臺上并迅速固化成型，然后逐層沉積以構(gòu)建三維實體模型。計算機設(shè)置三條控制線路，一條線路控制驅(qū)動泵的流量也是噴頭處的流量，另一條線路通過伺服機構(gòu)控制噴頭三維運動，再一條線路控制彩色墨盒調(diào)配。利用電磁鐵產(chǎn)生的磁場使磁流變材料固化成型。本發(fā)明根據(jù)磁流變材料的磁流變效應(yīng)，用磁場代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熔融噴射快速成型的3D打印方法中的溫控模塊，也不同于電流變液效應(yīng)所需的高壓電場，此發(fā)明裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，能耗低，成本低，可實現(xiàn)微型化等優(yōu)點?？蓱?yīng)用于工藝設(shè)計、藝術(shù)娛樂、假體模型等領(lǐng)域。
文檔編號B29C67/00GK103213281SQ201310120868
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者何國田, 谷明信, 王仲勛, 陳希, 朱曉強, 林遠長, 徐澤宇, 趙健, 劉永福 申請人:重慶綠色智能技術(shù)研究院