三維打印機、打印方法及三維物體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三維打印機，三維打印機的成型方法以及這種方法產(chǎn)生的三維物體。三維打印機包括打印平臺、打印頭裝置。打印平臺用于承載三維物體，打印頭裝置內(nèi)盛裝有纖維增強塑料和熱固性樹脂，打印頭裝置可相對于打印平臺移動。打印方法為：首先，把纖維增強塑料填充在內(nèi)層，然后，熱固性樹脂填充在外層。當打印完成多個成型層之后，即可形成三維物體。上述方案不僅增強了三維物體的強度；而且會提高三維物體的表面光滑度。
【專利說明】
三維打印機、打印方法及三維物體
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及三維打印領域，具體地說，是涉及一種三維打印機，三維打印機的成型方法以及這種方法產(chǎn)生的三維物體。
【背景技術】
[0002]三維打印機是一種利用快速成型技術進行打印三維物體的設備，其以數(shù)字模型為基礎，利用塑料或粉末金屬等材料，逐層地打印出三維物體。三維打印的過程首先是通過計算機輔助設計(CAD)或計算機動畫建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，再根據(jù)分析截面信息得到加工路徑，從而指導打印機逐層打印。按照工作原理的不同，其所利用的快速成型技術有熔融擠壓成型、激光選擇性燒結成型、光固化成型等。
[0003]作為三維打印技術的代表，F(xiàn)DM(Fused Deposit1n Modeling,恪融沉積成型)是一種通過熔融材料疊加堆積而形成三維實體模型的工藝，一般采用逐層固化成型方法，使打印后的樹脂一層一層地變成固體，從而產(chǎn)生固體成像產(chǎn)品。其中常見的成型材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等，基本上是通過從三維打印機的打印頭上端輸入線狀的成型材料，然后經(jīng)打印頭內(nèi)高溫熔融再從打印頭出口擠出約0.1毫米至0.2毫米左右的絲狀材料，然后把這種絲狀材料按照程序，規(guī)律地布置在打印托板上，從而實現(xiàn)三維成型。
[0004]但是這樣打印出來的物體會存在一些問題，例如打印出來的三維物體的強度和硬度不夠，而且打印出來的三維物體的表面粗糙而不夠美觀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是提供一種三維打印機，三維打印機包括打印平臺、打印頭裝置和加熱固化單元。打印平臺用于承載三維物體，打印頭裝置盛裝有纖維增強塑料，打印頭裝置可相對于打印平臺移動。打印頭裝置內(nèi)還盛裝有熱固性樹脂，加熱固化單元用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化。
[0006]由上述方案可見，在三維打印機的成型過程中，纖維增強塑料主要用于三維物體的內(nèi)層成型，而熱固性樹脂則用于三維物體的外層成型。這樣的做法一方面可以增強三維物體的強度;另一方面，由于短纖維材料會在纖維增強樹脂內(nèi)形成內(nèi)部空隙，熱固性樹脂會逐漸滲透進入空隙內(nèi)部，這樣就會使得三維物體的表面很光滑，同時也會增強三維物體的強度。
[0007]打印頭相對于打印平臺可以進行三維方向的移動，現(xiàn)有技術中出現(xiàn)了多種類型的打印平臺和打印頭的相互移動形式。例如，在申請?zhí)枮镃 N 2 O I 5 I O O 5 4 4 8 3.8和CN201410609259.6的中國發(fā)明專利申請文件中均公開了水平方向二維(X、Y方向)運動的打印頭和豎直方向(Z方向)運動的打印平臺。而在其它實施例中，也可以保持打印平臺在固定位置，打印頭在一定空間范圍內(nèi)任意三維方向運動，例如在申請?zhí)枮镃N201310246765.9的中國發(fā)明專利申請，或者在申請?zhí)枮镃N201420137806.0的中國實用新型專利申請中公開了一種打印平臺始終處于固定位置，而打印頭可以相對于打印平臺在三維方向移動的方案。
[0008]—個優(yōu)選的方案是，纖維增強塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合后制成的打印材料;短纖維材料為以下物質中的至少一種:碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維;熱塑性材料為以下物質中的至少一種:聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
[0009]由上述方案可見，熱塑性材料是指具有加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料。加熱時變軟以至流動，冷卻變硬，這種過程是可逆的，可以反復進行。在現(xiàn)有技術中，適合于用于roM的熱塑性材料的種類是非常多的，聚乳酸(PLA)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)則是應用最為廣泛的兩種材料。熱塑性材料具體可以是絲料狀或者粉末狀材料。當熱塑性材料是絲狀材料時，其可以采用申請?zhí)枮镃N201410073577.5或者CN201510054483.8所公開的打印頭，這種打印頭在本領域中也被稱為齒輪熔融擠壓式打印頭。當熱塑性材料是粉末狀材料時，打印頭的結構可以采用申請?zhí)枮镃N201510260858.6所公開的結構。顯然打印頭的結構也可以采用現(xiàn)有技術的其它類型的結構，并且，熱塑性材料具體還可以選擇其它狀態(tài)的材料，如還可以為片狀，只需要打印頭的結構可以把熱塑性材料加熱熔融之后順利沉積在打印平臺上即可。
[0010]纖維增強塑料是現(xiàn)有技術中的一種復合材料，在多個領域均有廣泛應用。例如玻璃纖維增強塑料就是其中一種，玻璃纖維增強塑料的品種也很多，性能也不同，用途十分廣泛，它是由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復合工藝，制作而成的一種功能型的材料。本發(fā)明所指的纖維增強塑料就是指把適用于現(xiàn)有FDM打印的熱塑性材料與纖維材料進行混合后再制作成三維成型材料。這樣的方案一方面可以增強熱塑性材料的強度，另一方面也可以使得三維成型物體的內(nèi)部形成間隙或空隙，方便熱固性樹脂的滲透填充。纖維優(yōu)選為短纖維材料，短纖維的優(yōu)選方案雖然為碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維，但是顯然其也可以是現(xiàn)有技術中其它類型的纖維，只要滿足兩個條件即可:第一就是能夠增強熱塑性材料的強度，第二就是能夠在三維成型物體的內(nèi)部形成空隙。
[0011]—個優(yōu)選的方案是，短纖維材料在纖維增強塑料中所占的重量比例小于10%。熱固性樹脂為液體熱固性樹脂。
[0012]由上述方案可見，短纖維材料占纖維增強塑料總重量的比例最好控制在10%重量比例以下，且優(yōu)選為3%的重量比例，或者2.5%至3.5%的重量比例。
[0013]—個優(yōu)選的方案是，打印平臺設置在加熱室和/或密閉室和/或負壓室內(nèi)；打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，第一打印頭內(nèi)盛裝纖維增強塑料，第二打印頭內(nèi)盛裝熱固性樹脂。
[0014]—個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟:首先，把酚醛環(huán)氧樹月旨、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物;最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。
[0015]由上述方案可見，熱固性樹脂(thermosettingresin)是指樹脂加熱后產(chǎn)生化學變化，逐漸硬化成型，再受熱也不軟化，也不能溶解的一種樹脂。雖然，上面給出了一種優(yōu)選的熱固性樹脂的制備方法。但是，熱固性樹脂具體還可以是其它種類的現(xiàn)有熱固性樹脂。
[0016]進一步優(yōu)選的方案是，加入的酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%;加熱步驟的加熱溫度為 150。。。
[0017]—個優(yōu)選的方案是，打印平臺設置在加熱室和/或密閉室和/或負壓室內(nèi)。
[0018]一個優(yōu)選的方案是，三維物體具有至少一個成型層，成型層具有內(nèi)層和外層，成型層按照下面的步驟進行成型:第一打印頭把纖維增強塑料熔融沉積在內(nèi)層;第二打印頭把液體熱固性樹脂沉積在外層;加熱固化單元使外層內(nèi)的液體熱固性樹脂加熱后固化。
[0019]三維物體的成型方法，三維物體具有至少一個成型層，成型層具有外層和內(nèi)層;三維物體的成型方法包括下面的步驟:首先，把纖維增強塑料填充在內(nèi)層;然后，液體熱固性樹脂填充在外層。
[0020]三維物體，經(jīng)過三維打印機打印獲得，三維物體包括多個成型層；其中，至少一個成型層包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層填充為纖維增強塑料，外層填充為熱固性樹脂。
[0021]進一步優(yōu)選的方案是，作為內(nèi)層填充材料的纖維增強塑料具有空隙，熱固性樹脂的一部分填充到空隙內(nèi)。
[0022]三維打印機的成型方法，三維打印機包括打印平臺、打印頭裝置，打印平臺用于承載三維物體;打印頭裝置盛裝有纖維增強塑料和熱固性樹脂，打印頭裝置可相對于打印平臺移動;加熱固化單元，用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化;三維物體具有至少一個成型層，成型層具有外層和內(nèi)層;三維打印機的成型方法包括下面的步驟:首先，把打印頭裝置內(nèi)的纖維增強塑料填充在內(nèi)層;然后，把打印頭裝置內(nèi)的熱固性樹脂填充在外層;接著，加熱固化單元使外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。
[0023]—個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂為液體熱固性樹脂;打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，第一打印頭內(nèi)盛裝纖維增強塑料，第二打印頭內(nèi)盛裝熱固性樹脂。
[0024]—個優(yōu)選的方案是，熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟:首先，把酚醛環(huán)氧樹月旨、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物;最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。
[0025]進一步優(yōu)選的方案是，加入的所述酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%;加熱步驟的加熱溫度為150 °C。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明三維打印機實施例的第一打印頭和第二打印頭在打印平臺上成型過程的示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明三維打印機實施例的三維物體的一個成型層的示意圖。
[0028]圖3是本發(fā)明三維打印機實施例的三維物體的另一個成型層的示意圖。
[0029]圖4是本發(fā)明三維打印機實施例的三維物體的剖面示意圖。
[0030]圖5是本發(fā)明三維打印機實施例的三維打印物體放置在密閉室內(nèi)進行后處理的示意圖。
[0031 ]以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
【具體實施方式】
[0032]三維打印機實施例: 如圖1所示，本實施例的三維打印機包括打印平臺50、第一打印頭20、第二打印頭30和加熱固化單元。打印平臺50用于承載三維物體10，第一打印頭20盛裝有纖維增強塑料21，纖維增強塑料21用于形成三維物體10的內(nèi)部材料，或稱為內(nèi)層材料。第一打印頭20可相對于打印平臺50移動。第二打印頭30盛裝有熱固性樹脂31，熱固性樹脂31用于形成三維物體10的外部材料，或稱為外層材料。第二打印頭30可相對于打印平臺50移動。加熱固化單元用于使打印平臺上承載的熱固性樹脂固化。
[0033]優(yōu)選地，纖維增強塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合后制成的打印材料，短纖維材料在纖維增強塑料中所占的重量比例小于10%，本領域技術人員可以根據(jù)具體的需要對兩者的比例進行調(diào)整，但一般短纖維材料占總重量的比例應該控制在10%重量比例以下，且優(yōu)選為3%的重量比例，例如為2.5%至3.5%的重量比例。具體地，短纖維材料為以下物質中的至少一種:碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維。熱塑性材料為以下物質中的至少一種:聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。由于短纖維的存在，當纖維增強塑料成型之后，其會在三維物體內(nèi)形成很多小空隙或孔隙。
[0034]優(yōu)選地，熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟:首先，把酚醛環(huán)氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物;然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度。具體地，加入的酚醛環(huán)氧樹脂與固化劑的總重量與甲基納迪克酸酐的重量比例是I: I;加入的酚醛樹脂占第一中間混合物的重量的0.1%;加熱步驟的加熱溫度為150°C。在一些變形的實施例中，第一打印頭和第二打印頭合體形成一個打印頭裝置，打印頭裝置形成一個整體之后，其可以相對于打印平臺整體性地移動，這樣的方式能夠減少部件占據(jù)的空間。打印頭裝置的第一打印頭和第二打印頭也可以分別控制，即分別控制第一打印頭和第二打印頭相對于打印平臺的移動，它們相互之間不干擾。熱固性樹脂的狀態(tài)優(yōu)選為液體或液態(tài)，這里的液體應該是一個較為寬泛的理解，因為熱固性樹脂的狀態(tài)是根據(jù)具體粘度的不同而逐漸發(fā)生變化的，并且這種粘度通常是可以調(diào)節(jié)的。因此，本實施例所指的熱固性樹脂的液體可以是粘度小、流動性大的狀態(tài)，也可以是粘度大、流動性小的狀
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[0035]上述三維打印機的成型方法主要包括兩個步驟。先給出一個需要打印的三維物體10，三維物體10具有多個打印成型層，如圖2所示，其中一個成型層具有外層11和內(nèi)層12。本實施例中，外層11也可以理解為表層，表層也可以理解為用戶可以視覺直接觀察到的層，或者用戶可以用手部感知到的層。但是在一些情況下，如圖3所示，表層的一部分是很難觀察到的或者很難用手部感知到的，這些凹陷的外層位置也屬于表層或外層的含義之內(nèi)。
[0036]成型層的打印過程如下:首先，把第一打印頭20內(nèi)的纖維增強塑料21填充在內(nèi)層12。然后，把第二打印頭30內(nèi)的熱固性樹脂31填充在外層11。接著，加熱固化單元使外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。當完成多個成型層的打印之后，即可形成三維物體10。通過這種方式形成的三維物體10，其具有至少一個成型層，這個成型層具有外層11和內(nèi)層12，內(nèi)層12是通過第一打印頭20把纖維增強塑料21熔融沉積形成的。外層11是通過第二打印頭30把熱固性樹脂31沉積形成的，至于三維物體10的其它成型層，其成型過程也可以按照本發(fā)明的方法進行打印或者采用現(xiàn)有的其它方法進行打印。
[0037]如圖4所示，通過上面的三維打印機形成的三維物體10的內(nèi)層填充材料的纖維增強塑料21具有空隙22，熱固性樹脂31的一部分會填充到空隙22內(nèi)、空隙22也可理解為孔隙。
[0038]優(yōu)選地，如圖5所示，打印平臺50設置在加熱室51內(nèi)，加熱室51還可以為密閉室或負壓室，也就是其同時具備加熱保溫、密閉和提供負壓的功能。負壓是指室內(nèi)的氣壓低于室外的氣壓，一般情況下是正常大氣壓的0.7或0.5倍以下，或者為真空狀態(tài)。當打印平臺50設置在密閉室51內(nèi)后，三維物體就可以處于密閉室51的環(huán)境中。在三維物體的整個打印過程中，密閉室可在在真空負壓和保溫的密閉環(huán)境下進行?；蛘?，可以在保溫環(huán)境下完成打印，然后再處于真空負壓和保溫的狀態(tài)。在一些變形的實施例中，在三維打印機的成型方法中，第一打印頭和第二打印頭合體形成一個打印頭裝置，打印頭裝置形成一個整體之后，其可以相對于打印平臺整體性地移動。打印頭裝置可以分別地控制纖維增強塑料和熱固性樹脂沉積到相應的位置。纖維增強塑料一般是加熱熔融后沉積到打印平臺上，熱固性樹脂可以采用噴射、噴涂、涂覆等方式沉積在打印平臺上。
[0039]然而，三維物體在成型之后，繼續(xù)在真空負壓和保溫情況下進行后處理的步驟能夠增強三維物體的強度和表面光滑度。其中，加熱保溫的溫度可設置在150°C。經(jīng)過負壓和保溫作用，使三維物體的內(nèi)層外表面上的液態(tài)熱固性樹脂材料充分滲透進熱塑性材料的孔隙內(nèi)并且在加熱后發(fā)生固化。從而使三維物體的表面光潔度更高，三維物體的強度更高。
[0040]最后需要說明的是，本發(fā)明不限于上述的實施方式，諸如對熱固性樹脂的加工工藝進行調(diào)整，選取其它的適用于三維打印的熱塑性材料等設計也在本發(fā)明的權利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.三維打印機，包括: 打印平臺，用于承載三維物體； 其特征在于，所述三維打印機還包括: 打印頭裝置，盛裝有纖維增強塑料，所述打印頭裝置可相對于所述打印平臺移動，所述打印頭裝置內(nèi)還盛裝有熱固性樹脂； 加熱固化單元，用于使所述打印平臺上承載的熱固性樹脂固化。2.根據(jù)權利要求1所述的三維打印機，其特征在于: 所述纖維增強塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合后制成的打印材料； 所述短纖維材料為以下物質中的至少一種:碳纖維、玻璃纖維、硼纖維、碳化纖維；所述熱塑性材料為以下物質中的至少一種:聚乳酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。3.根據(jù)權利要求2所述的三維打印機，其特征在于: 所述短纖維材料在所述纖維增強塑料中所占的重量比例小于10%;所述熱固性樹脂為液體熱固性樹脂。4.根據(jù)權利要求1所述的三維打印機，其特征在于: 所述打印平臺設置在加熱室和/或密閉室和/或負壓室內(nèi)； 所述打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，所述第一打印頭內(nèi)盛裝所述纖維增強塑料，所述第二打印頭內(nèi)盛裝所述熱固性樹脂。5.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的三維打印機，其特征在于: 所述打印平臺上承載有三維物體，所述三維物體具有至少一個成型層，所述成型層具有內(nèi)層和外層，所述成型層按照下面的步驟進行成型: 所述打印頭裝置把所述纖維增強塑料熔融沉積在所述內(nèi)層； 所述打印頭裝置把所述熱固性樹脂沉積在所述外層； 所述加熱固化單元使所述外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。6.三維打印機的成型方法， 所述三維打印機包括: 打印平臺，用于承載三維物體； 其特征在于，所述三維打印機還包括: 打印頭裝置，盛裝有纖維增強塑料和熱固性樹脂，所述打印頭裝置可相對于所述打印平臺移動； 加熱固化單元，用于使所述打印平臺上承載的熱固性樹脂固化； 所述三維物體具有至少一個成型層，所述成型層具有外層和內(nèi)層； 所述三維打印機的成型方法包括下面的步驟: 首先，把所述打印頭裝置內(nèi)的所述纖維增強塑料填充在所述內(nèi)層； 然后，把所述打印頭裝置內(nèi)的所述熱固性樹脂填充在所述外層； 接著，所述加熱固化單元使所述外層內(nèi)的熱固性樹脂加熱后固化。7.根據(jù)權利要求6所述的三維打印機的成型方法，其特征在于: 所述熱固性樹脂為液體熱固性樹脂； 所述打印頭裝置具有第一打印頭和第二打印頭，所述第一打印頭內(nèi)盛裝所述纖維增強塑料，所述第二打印頭內(nèi)盛裝所述熱固性樹脂。8.根據(jù)權利要求6所述的三維打印機的成型方法，其特征在于: 所述熱固性樹脂的制備方法包括下面的步驟: 首先，把酚醛環(huán)氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物； 然后，再加入酚醛樹脂形成第二混合物； 最后，執(zhí)行加熱步驟并調(diào)節(jié)黏度； 加入的所述酚醛環(huán)氧樹脂與所述固化劑的總重量與所述甲基納迪克酸酐的重量比例是 1:1; 加入的所述酚醛樹脂占所述第一中間混合物的重量的0.1%; 所述加熱步驟的加熱溫度為150°c。9.三維物體，經(jīng)過三維打印機打印獲得，其特征在于: 所述三維物體包括成型層，所述成型層具有外層和內(nèi)層； 其中，所述內(nèi)層填充為纖維增強塑料，所述外層填充為熱固性樹脂。10.根據(jù)權利要求9所述的三維物體，其特征在于: 作為所述內(nèi)層填充材料的纖維增強塑料具有空隙，所述外層填充的熱固性樹脂的一部分填充到所述空隙內(nèi)。
【文檔編號】B29C67/00GK105881913SQ201610404194
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張濤, 何永剛
【申請人】珠海天威飛馬打印耗材有限公司