梯度材料光固化3D打印设备及打印方法技术

本发明专利技术提供了梯度材料光固化3D打印设备及打印方法；梯度材料光固化3D打印设备包括打印承载机构、供料机构、刮刀机构和UV光机；梯度材料光固化3D打印方法，包括对模型预处理、铺料、按需曝光；模型预处理包括生成边框模型、切片文件、打印参数设定和对三维模型添加材料梯度属性；通过协调控制供料喷嘴在第一水平方向和第二水平方向上的运动、挤料，在铺料时同步进行混料，实现按需梯度铺料；通过打印平台逐层下降、刮刀刮平液面控制层厚；通过切片文件设定控制UV光机按需曝光。本申请可在供料的同时抚刮平打印液面、无流平等待时间；浆料直接铺设在打印平台上结合按需铺料、少量浆料即可进行打印；浆料粘度适应范围广；可进行梯度材料光固化打印。料光固化打印。料光固化打印。

【技术实现步骤摘要】
梯度材料光固化3D打印设备及打印方法


[0001]本专利技术涉及增材制造领域，具体涉及一种梯度材料光固化3D打印设备及打印方法。

技术介绍

[0002]光固化3D打印技术是目前最成熟、应用最广泛的增材制造技术之一。与其他3D打印技术相比，它具有精度高、表面质量好、成型件可作为功能件直接应用、可成型复杂精细零件等优点。与其他3D打印技术类似地，光固化3D打印也是利用材料的逐层累加成型原理，通过软件切片将一个三维模型划分为若干个平面片层，再使用一定波长的紫外光束对光敏树脂选择性固化成型；通过逐层固化累加，最终得到目标零件。
[0003]其中，下沉式光固化打印机由于不需考虑离型问题及打印件的重力作用的影响，具有材料适应性广、模型结构性能好、不容易变形，得到广泛的应用。常用的下沉式光固化打印原理一般是上一层固化后，打印平台浸入光固化的打印浆料中进行补料，抬升到一定高度，然后再通过液位校准控制打印平台的上下微调、待液面平整后(通常需等待打印浆料充分流平)进行紫外曝光。打印过程中层厚的控制主要依赖于液面的流平及打印机的液位动态校准。
[0004]由于打印浆料通常具有一定的粘度及表面张力，当采用粘度高的打印浆料进行打印时，需要较长的流平等待时间(如流平等待时间不够长时，打印件边沿会出现一定程度的边沿变形现象，导致形貌失真)，如果液面流平能力不佳，则等待时间会非常长甚至导致打印失败。
[0005]同时，下沉式光固化打印通常需要在料缸中预先加入大量的光敏浆料才能进行打印，尤其是打印较高的零件时需要大量的浆料。对于贵重浆料的打印，成本及其高昂；对于不适于长期储存的浆料，材料耗费极大。因此，不适于新材料尤其是贵重的功能性材料的打印。
[0006]此外，常规的下沉式光固化打印机无法进行梯度材料的打印成形，限制了该技术的应用和发展。功能梯度材料(Functionally Graded Materials,简称FGM)是采用先进的材料复合、成型技术,使材料的组成、结构沿一定的方向呈梯度变化的一种新型的非均质复合材料。梯度功能材料具有逐渐变化的物理性质能够同时响应多种刺激,使其在传感器、能源存储和发电、药物、智能结构与太空
等方面有着广泛的应用。因此，有必要进一步开拓梯度材料光固化打印技术的研究及应用。
[0007]上述问题是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供一种能够实现梯度材料打印的下沉式的梯度材料光固化3D打印设备及打印方法，在供料的同时抚刮平打印液面、无需流平等待时间、打印速度快；浆料直接铺设在打印平台上结合按需铺料、少量浆料即可进行打印；挤出铺料结合刮刀刮平、浆料粘度
适应范围广；供料灵活、可进行梯度材料的光固化打印。
[0009]根据第一方面，本申请提供了一种梯度材料光固化3D打印设备，采用光固化3D打印装置进行打印，所述光固化3D打印装置包括：
[0010]可升降的打印平台，所述打印平台用于承载打印件及打印浆料；
[0011]供料机构，所述供料机构包括混料组件和至少两个供料组件，所述供料组件与所述混料组件连通，所述混料组件具有供料喷嘴，以挤出混合后的打印浆料；
[0012]刮刀机构，其设置于所述打印平台的上方，所述刮刀机构包括刮刀，所述供料喷嘴位于所述刮刀在第一水平方向的一侧，所述刮刀能沿第一水平方向运动，所供料喷嘴并能随所述刮刀沿所述第一水方向运动，且所述供料喷嘴能独立的沿第二水平方向运动以挤出打印浆料，所述第一水平方向垂直于所述第二水平方向；
[0013]UV光机，设置于所述打印平台的上方，并被配置为向所述打印平台所在的方向投影与三维模型的切片图案对应的UV光，以对位于所述打印平台最上层的打印浆料进行按需曝光及固化；
[0014]所述光固化3D打印方法，包括以下步骤：
[0015]模型预处理：对打印模型的各个区域添加材料梯度属性，所述材料梯度属性与打印浆料混合比例对应，根据打印模型的尺寸，生成水平方向上围合于所述打印模型外侧、垂直方向上与所述打印模型最高点等高的边框模型；将所述边框模型与所述打印模型合并成一个所述三维模型，对所述三维模型进行切片处理，得到多个切片文件，基于所述切片文件确认所述打印平台上的待打印层的位置，并基于切片文件各区域的材料梯度属性对切片文件进行灰度处理，对经过灰度处理的切片文件设置打印参数；
[0016]打印准备：调节打印平台位置，使打印平台表面位于所述UV光机的焦点；调节刮刀高度，使所述刮刀底部与打印平台的顶部持平；
[0017]单层打印：打印平台下降一个所述待打印层的高度，基于对应所述切片文件的打印参数，使所述供料喷嘴沿所述第二水平方向运动并挤出打印浆料，同时，使所述刮刀在所述第一水平方向上朝向设置有所述供料喷嘴的一侧移动，以使所述刮刀在所述第一水平方向上由初始位置运动至终止位置；通过协调控制所述供料喷嘴在第一水平方向和第二水平方向上的运动，以在所述待打印层内按需铺料；在铺料时，基于材料梯度属性控制打印浆料按所需比例在混料组件内混合，并挤出打印浆料；并通过沿第一水平方向运动的所述刮刀控制待打印层的层厚并将余料刮除；固化打印浆料，基于所述待打印层各区域的打印浆料混合比例，通过所述UV光机对刮刀刮平后的浆料按需曝光，使浆料固化，而后使所述刮刀机构复位；
[0018]重复单层打印步骤，直至完成打印。
[0019]在一种可选的实施例中，基于切片文件各区域的材料梯度属性对切片文件进行灰度处理的步骤包括：基于所述切片文件各区域的材料梯度属性，为所述切片文件的各个区域赋予对应的灰度值。
[0020]在一种可选的实施例中，所述按需曝光的步骤包括：基于所述切片文件各个区域的灰度值，通过UV光机分别照射待打印层的各个区域，并基于照射区域对应的灰度值和打印参数，调节UV光机的曝光强度和曝光时间，使所述打印浆料固化，得到固化层，固化层包括与所述打印模型及所述边框模型的切片图案对应的固化图案。
[0021]在一种可选的实施例中，基于材料梯度属性，控制打印浆料按所需比例在混料组件内混合的步骤包括：
[0022]当所述供料喷嘴经过所述待打印层时，基于所述供料喷嘴所在区域对应的材料梯度属性，确认所需打印浆料的混合比例，控制供料组件按混合比例将对应的打印浆料送入所述混料组件，由所述混料组件对打印浆料进行混合。
[0023]在一种可选的实施例中，所述切片文件中，所述边框模型的切片图案围绕于打印模型的切片图案的外围；和/或，所述边框模型的切片图案为方形或圆形。
[0024]在一种可选的实施例中，所述边框模型的厚度基于打印浆料的粘度及打印生坯的强度确定，所述边框模型厚度为0.5至5mm。
[0025]在一种可选的实施例中，所述打印参数包括与各所述待打印层对应打印图案、层厚、各区域的打印浆料混合比例、曝光强度和曝光时间中的一项或多项。
[0026]在一种可选的实施例中，所述通过协调控制所述供料喷嘴在第一水平方向和第二水平方向上的运动，以在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度材料光固化3D打印方法，其特征在于，采用光固化3D打印装置进行打印，所述光固化3D打印装置包括：可升降的打印平台，所述打印平台用于承载打印件及打印浆料；供料机构，所述供料机构包括混料组件和至少两个供料组件，所述供料组件与所述混料组件连通，所述混料组件具有供料喷嘴，以挤出混合后的打印浆料；刮刀机构，其设置于所述打印平台的上方，所述刮刀机构包括刮刀，所述供料喷嘴位于所述刮刀在第一水平方向的一侧，所述刮刀能沿第一水平方向运动，所供料喷嘴并能随所述刮刀沿所述第一水方向运动，且所述供料喷嘴能独立的沿第二水平方向运动以挤出打印浆料，所述第一水平方向垂直于所述第二水平方向；UV光机，设置于所述打印平台的上方，并被配置为向所述打印平台所在的方向投影与三维模型的切片图案对应的UV光，以对位于所述打印平台最上层的打印浆料进行按需曝光及固化；所述光固化3D打印方法，包括以下步骤：模型预处理：对打印模型的各个区域添加材料梯度属性，所述材料梯度属性与打印浆料混合比例对应，根据打印模型的尺寸，生成水平方向上围合于所述打印模型外侧、垂直方向上与所述打印模型最高点等高的边框模型；将所述边框模型与所述打印模型合并成一个三维模型，对三维模型进行切片处理，得到多个切片文件，基于所述切片文件确认所述打印平台上的待打印层的位置，并基于切片文件各区域的材料梯度属性对切片文件进行灰度处理，对经过灰度处理的切片文件设置打印参数；打印准备：调节打印平台位置，使打印平台表面位于所述UV光机的焦点；调节刮刀高度，使所述刮刀底部与打印平台的顶部持平；单层打印：打印平台下降一个所述待打印层的高度，基于对应所述切片文件的打印参数，使所述供料喷嘴沿所述第二水平方向运动并挤出打印浆料，同时，使所述刮刀在所述第一水平方向上朝向设置有所述供料喷嘴的一侧移动，以使所述刮刀在所述第一水平方向上由初始位置运动至终止位置；通过协调控制所述供料喷嘴在第一水平方向和第二水平方向上的运动，以在所述待打印层内按需铺料；在铺料时，基于材料梯度属性控制打印浆料按所需比例在混料组件内混合，并挤出打印浆料；并通过沿第一水平方向运动的所述刮刀，以控制待打印层的层厚并将余料刮除；固化打印浆料，基于所述待打印层各区域的打印浆料混合比例，通过所述UV光机对刮刀刮平后的浆料按需曝光，使浆料固化，而后使所述刮刀机构复位；重复单层打印步骤，直至完成打印。2.如权利要求9所述的光固化3D打印方法，其特征在于，基于切片文件各区域的材料梯度属性对切片文件进行灰度处理的步骤包括：基于所述切片文件各区域的材料梯度属性，为所述切片文件的各个区域赋予对应的灰度值。3.如权利要求2所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述按需曝光的步骤包括：基于所述切片文件各个区域的灰度值，通过UV光机分别照射待打印层的各个区域，并基于照射区域对应的灰度值和打印参数，调节UV光机的曝光强度和曝光时间，使所述打印浆料固化，得到固化层，固化层包括与所述打印模型及所述边框模型的切片图案对应的固化图案。4.如权利要求2所述的光固化3D打印方法，其特征在于，基于灰度处理后的切片文件，
控制打印浆料按所需比例在混料组件内混合的步骤包括：当所述供料喷嘴经过所述待打印层时，基于所述供料喷嘴所在区域对应的材料梯度属性，确认所需打印浆料的混合比例，控制供料组件按混合比例将对应的打印浆料送入所述混料组件，由所述混料组件对打印浆料进行混合。5.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述切片文件中，所述边框模型的切片图案围绕于打印模型的切片图案的外围；和/或，所述边框模型的切片图案为方形或圆形。6.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述边框模型的厚度基于打印浆料的粘度及打印生坯的强度确定，所述边框模型厚度为0.5至5mm。7.如权利要求1所述的光固化3D打印...

【专利技术属性】
技术研发人员：白家鸣，袁金斯，胡博文，蔡鹏，王海江，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：