三維印表機及三維物體的製作方法

2023-05-18 05:50:36 3

本實用新型涉及三維列印領域，具體地說，是涉及一種三維印表機和三維物體。

背景技術：

三維印表機是一種利用快速成型技術進行列印三維物體的設備，其以數字模型為基礎，利用塑料或粉末金屬等材料，逐層地列印出三維物體。三維列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體建模，再將建成的三維模型「分區」成逐層的截面，再根據分析截面信息得到加工路徑，從而指導印表機逐層列印。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、雷射選擇性燒結成型、光固化成型等。

作為三維列印技術的代表，FDM(Fused Deposition Modeling, 熔融沉積成型)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，一般採用逐層固化成型方法，使列印後的樹脂一層一層地變成固體，從而產生固體成像產品。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印表機的列印頭上端輸入線狀的成型材料，然後經列印頭內高溫熔融再從列印頭出口擠出約0.1毫米至0.2毫米左右的絲狀材料，然後把這種絲狀材料按照程序，規律地布置在列印託板上，從而實現三維成型。

但是這樣列印出來的物體會存在一些問題，例如列印出來的三維物體的強度和硬度不夠，而且列印出來的三維物體的表面粗糙而不夠美觀。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的是提供一種三維印表機，三維印表機包括列印平臺、列印頭裝置和加熱固化單元。列印平臺用於承載三維物體，列印頭裝置內盛裝有纖維增強塑料，列印頭裝置可相對於列印平臺移動。列印頭裝置還盛裝有熱固性樹脂,加熱固化單元用於使列印平臺上承載的熱固性樹脂固化。

由上述方案可見，在三維印表機的成型過程中，纖維增強塑料主要用於三維物體的內層成型，而熱固性樹脂則用於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，由於短纖維材料或纖維材料會在纖維增強樹脂內形成內部空隙，熱固性樹脂會逐漸滲透進入空隙內部，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。

列印頭相對於列印平臺可以進行三維方向的移動，現有技術中出現了多種類型的列印平臺和列印頭的相互移動形式。例如，在申請號為CN201510054483.8和CN201410609259.6的中國發明專利申請文件中均公開了水平方向二維(X、Y方向）運動的列印頭和豎直方向（Z方向）運動的列印平臺。而在其它實施例中，也可以保持列印平臺在固定位置，列印頭在一定空間範圍內任意三維方向運動，例如在申請號為CN201310246765.9的中國發明專利申請，或者在申請號為CN201420137806.0的中國實用新型專利申請中公開了一種列印平臺始終處於固定位置，而列印頭可以相對於列印平臺在三維方向移動的方案。

一個優選的方案是，纖維增強塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合後製成的列印材料；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。

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，可以反覆進行。在現有技術中，適合於用於FDM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，其可以採用申請號為CN201410073577.5或者CN201510054483.8所公開的列印頭，這種列印頭在本領域中也被稱為齒輪熔融擠壓式列印頭。當熱塑性材料是粉末狀材料時，列印頭的結構可以採用申請號為CN201510260858.6所公開的結構。顯然列印頭的結構也可以採用現有技術的其它類型的結構，並且，熱塑性材料具體還可以選擇其它狀態的材料，如還可以為片狀，只需要列印頭的結構可以把熱塑性材料加熱熔融之後順利沉積在列印平臺上即可。

纖維增強塑料是現有技術中的一種複合材料，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複合工藝，製作而成的一種功能型的材料。本實用新型所指的纖維增強塑料就是指把適用於現有FDM列印的熱塑性材料與纖維材料進行混合後再製作成三維成型材料。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部形成間隙或空隙，方便熱固性樹脂的滲透填充。纖維優選為短纖維材料，短纖維的優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部形成空隙。

一個優選的方案是，短纖維材料在纖維增強塑料中所佔的重量比例小於10%。

由上述方案可見，短纖維材料佔纖維增強塑料總重量的比例最好控制在10%重量比例以下，且優選為3%的重量比例，或者2.5%至3.5%的重量比例。一個優選的方案是，液體熱固性樹脂的製備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然後，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最後，執行加熱步驟並調節黏度。

由上述方案可見，熱固性樹脂(thermosetting resin)是指樹脂加熱後產生化學變化，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，上面給出了一種優選的熱固性樹脂的製備方法。但是，熱固性樹脂具體還可以是其它種類的現有熱固性樹脂。

進一步優選的方案是，加入的酚醛環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1:1；加入的酚醛樹脂佔第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。

一個優選的方案是，列印平臺設置在加熱室和/或密閉室和/或負壓室內。

一個優選的方案是，三維物體具有至少一個成型層，成型層具有內層和外層，成型層按照下面的步驟進行成型：第一列印頭把纖維增強塑料熔融沉積在內層；第二列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的液體熱固性樹脂加熱後固化。

一個優選的方案是，加熱室的溫度控制在140℃至160℃的之間。

一個優選的方案是，負壓室為真空室。

一個優選的方案是，熱固性樹脂為液體熱固性樹脂。

一個優選的方案是，列印頭裝置具有第一列印頭和第二列印頭，第一列印頭內盛裝纖維增強塑料，第二列印頭內盛裝熱固性樹脂。

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層；然後，液體熱固性樹脂填充在外層。

三維物體，經過三維印表機列印獲得，三維物體包括多個成型層；其中，至少一個成型層包括內層和外層，內層填充為纖維增強塑料，外層填充為熱固性樹脂。

進一步優選的方案是，作為內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。

三維印表機的成型方法，三維印表機包括列印平臺、列印頭裝置，列印平臺用於承載三維物體；列印頭裝置盛裝有纖維增強塑料，列印頭裝置可相對於列印平臺移動，列印頭裝置還盛裝有液體熱固性樹脂；加熱固化單元，用於使列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層；三維印表機的成型方法包括下面的步驟：首先，把列印頭裝置內的纖維增強塑料填充在內層；然後，把列印頭裝置內的液體熱固性樹脂填充在外層；接著，加熱固化單元使外層內的熱固性樹脂加熱後固化。

一個優選的方案是，熱固性樹脂為液體熱固性樹脂；列印頭裝置具有第一列印頭和第二列印頭，第一列印頭內盛裝纖維增強塑料，第二列印頭內盛裝熱固性樹脂。

一個優選的方案是，熱固性樹脂的製備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然後，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最後，執行加熱步驟並調節黏度。

進一步優選的方案是，加入的所述酚醛環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1:1；加入的酚醛樹脂佔第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。

附圖說明

圖1是本實用新型三維印表機實施例的第一列印頭和第二列印頭在列印平臺上成型過程的示意圖。

圖2是本實用新型三維印表機實施例的三維物體的一個成型層的示意圖。

圖3是本實用新型三維印表機實施例的三維物體的另一個成型層的示意圖。

圖4是本實用新型三維印表機實施例的三維物體的剖面示意圖。

圖5是本實用新型三維印表機實施例的三維列印物體放置在密閉室內進行後處理的示意圖。

以下結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明。

具體實施方式

三維印表機實施例：

如圖1所示，本實施例的三維印表機包括列印平臺50、第一列印頭20、第二列印頭30和加熱固化單元。列印平臺50用於承載三維物體10，第一列印頭20盛裝有纖維增強塑料21，纖維增強塑料21用於形成三維物體10的內部材料，或稱為內層材料。第一列印頭20可相對於列印平臺50移動。第二列印頭30盛裝有熱固性樹脂31，熱固性樹脂31用於形成三維物體10的外部材料，或稱為外層材料。第二列印頭30可相對於列印平臺50移動。加熱固化單元用於使列印平臺上承載的熱固性樹脂固化。

優選地，纖維增強塑料是由短纖維材料和熱塑性材料混合後製成的列印材料，短纖維材料在纖維增強塑料中所佔的重量比例小於10%，本領域技術人員可以根據具體的需要對兩者的比例進行調整，但一般短纖維材料佔總重量的比例應該控制在10%重量比例以下，且優選為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。由於短纖維的存在，當纖維增強塑料成型之後，其會在三維物體內形成很多小空隙或孔隙。

優選地，熱固性樹脂的製備方法包括下面的步驟：首先，把酚醛環氧樹脂、固化劑和甲基納迪克酸酐混合形成第一混合物；然後，再加入酚醛樹脂形成第二混合物；最後，執行加熱步驟並調節黏度。具體地，加入的酚醛環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1:1；加入的酚醛樹脂佔第一中間混合物的重量的0.1%；加熱步驟的加熱溫度為150℃。在一些變形的實施例中，第一列印頭和第二列印頭合體形成一個列印頭裝置，列印頭裝置形成一個整體之後，其可以相對於列印平臺整體性地移動，這樣的方式能夠減少部件佔據的空間。列印頭裝置的第一列印頭和第二列印頭也可以分別控制，即分別控制第一列印頭和第二列印頭相對於列印平臺的移動，它們相互之間不幹擾。熱固性樹脂的狀態優選為液體或液態，這裡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是根據具體粘度的不同而逐漸發生變化的，並且這種粘度通常是可以調節的。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，也可以是粘度大、流動性小的狀態。

上述三維印表機的成型方法主要包括兩個步驟。先給出一個需要列印的三維物體10，三維物體10具有多個列印成型層，如圖2所示，其中一個成型層具有外層11和內層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於表層或外層的含義之內。

成型層的列印過程如下：首先，把第一列印頭20內的纖維增強塑料21填充在內層12。然後，把第二列印頭30內的熱固性樹脂31填充在外層11。接著，加熱固化單元使外層內的熱固性樹脂加熱後固化。當完成多個成型層的列印之後，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和內層12，內層12是通過第一列印頭20把纖維增強塑料21熔融沉積形成的。外層11是通過第二列印頭30把熱固性樹脂31沉積形成的，至於三維物體10的其它成型層，其成型過程也可以按照本實用新型的方法進行列印或者採用現有的其它方法進行列印。

如圖4所示，通過上面的三維印表機形成的三維物體10的內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、空隙22也可理解為孔隙。

優選地，如圖5所示，列印平臺50設置在加熱室51內，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。負壓是指室內的氣壓低於室外的氣壓，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。當列印平臺50設置在密閉室51內後，三維物體就可以處於密閉室51的環境中。在三維物體的整個列印過程中，密閉室可在在真空負壓和保溫的密閉環境下進行。或者，可以在保溫環境下完成列印，然後再處於真空負壓和保溫的狀態。在一些變形的實施例中，在三維印表機的成型方法中，第一列印頭和第二列印頭合體形成一個列印頭裝置，列印頭裝置形成一個整體之後，其可以相對於列印平臺整體性地移動。列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後沉積到列印平臺上，熱固性樹脂可以採用噴射、噴塗、塗覆等方式沉積在列印平臺上。

然而，三維物體在成型之後，繼續在真空負壓和保溫情況下進行後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℃。經過負壓和保溫作用，使三維物體的內層外表面上的液態熱固性樹脂材料充分滲透進熱塑性材料的孔隙內並且在加熱後發生固化。從而使三維物體的表面光潔度更高，三維物體的強度更高。

最後需要說明的是，本實用新型不限於上述的實施方式，諸如對熱固性樹脂的加工工藝進行調整，選取其它的適用於三維列印的熱塑性材料等設計也在本實用新型的權利要求保護範圍之內。