一种3D打印机以及3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印机以及3D打印方法。

背景技术

随着3D打印技术的成熟，3D打印机在各领域的应用逐渐扩大，由于上拉式3D打印机的小体积和低价格，更是得到了快速推广，3D打印产品是由多个堆叠在一起的成型层所形成，在上拉式3D打印机中，需要设置离型膜，以使在打印过程中，每个成型层能够顺利地与离型膜的表面进行脱离，并向上提升一个打印高度，使打印能够持续进行。

当完成一个成型层的打印后，成型层会同时附着于打印平台的底面以及离型膜的表面，当打印平台向上提升时，首先需要使成型层向上提升以完成与离型膜的分离，再使未固化的光敏树脂填充到成型层与离型膜之间，但是由于离型膜与料槽之间会形成密封区域，导致在成型层与离型膜的分离过程中，需要克服离型膜与料槽底面之间所产生的低压区，使得成型层与离型膜不易分离，导致离型膜的使用寿命较低，而且对产品的打印质量造成影响。

发明内容

为使成型层与离型膜易于分离，本发明首先提出了一种3D打印机，其包括工作台和安装在工作台上的料槽和打印平台，该料槽包括一槽壁和密封地安装在该槽壁底部的透光板，在该料槽内安装有一离型膜，该离型膜位于料槽上下方向的中间部，该离型膜将料槽的内腔沿上下方向分割为气仓和料仓，料仓位于气仓的上侧，在该气仓内填充有气体，在料仓内盛装有光敏树脂，在槽壁上安装有连通气仓的下排气管和下进气管，下充气装置连接在下进气管上，并在下进气管上安装有下进气阀，在下排气管上安装有下排气阀；打印平台用于伸入到料槽内并在打印平台上形成多个成型层；

下充气装置用于将气体充入到气仓内，下排气管用于将气仓内的气体排出；通过下排气管将气仓内的气体排出，以降低气仓内气体对离型膜的支撑力，能够使成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离；下充气装置能够将气体充入到气仓内，使离型膜恢复原状。

本申请中，利用离型膜将料槽的内腔分割为气仓和料仓，由于离型膜仅依靠气仓内气体的压力来维持其形状，能够通过调节气仓内的压力来调节离型膜的形状，当完成一个成型层的固化后，即可降低气仓的压力，离型膜在光敏树脂的压力下向下凹陷，由于离型膜的中心部被粘结在成型层上，从而使得成型层与料槽之间的离型膜向下凹陷，使离型膜的竖向截面大致呈W形，在光敏树脂的压力下，离型膜会沿成型层的边缘开始与成型层分离，并在离型膜与成型层的下表面之间形成一个分离角，在光敏树脂的压力下，该分离角沿成型层的四周逐渐向成型层的中心位置延伸，直到离型膜与成型层完全分离，在形成分离角后，周围的光敏树脂会补充到分离角内，加速分离角朝成型层的中心位置延伸。利用本申请，能够有效地克服离型膜与料槽底面之间所产生的低压区，使离型膜与成型层之间的分离变得易于进行，降低对离型膜的损伤，有利于提高离型膜的使用寿命，并提高产品的打印质量。

进一步，在料槽内可拆卸地安装有一密封板，该密封板位于离型膜的上方，在离型膜与密封板之间形成料仓，密封板与光敏树脂之间具有距离，在光敏树脂与密封板之间形成一空腔，在密封板上安装有连通料仓的上排气管和上进气管，上充气装置连接在上进气管上，并在上进气管上安装有上进气阀，在上排气管上安装有上排气阀；上充气装置能够将气体充入空腔内，以增大料仓内的压力，使得成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离；上排气管用于将空腔内的气体排出，降低料仓的压力，使离型膜恢复原状。利用增加料仓的压力，以快速提高离型膜上下两侧的压力差，提高离型膜与成型层的分离效率。

进一步，还包括一压圈，该压圈经升降机构安装在工作台，沿竖直方向观察，该压圈环绕该打印平台，在升降机构的带动下，该压圈能够向下抵压在离型膜上，使成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离。利用压圈，使得离型膜的最低点由大致位于成型层与槽壁之间的中间部朝成型层的方向靠近，能够有效地扩大离型膜与成型层之间的分离角，使得离型膜更易于与成型层分离。沿竖直方向观察，压圈的内周面的形状与打印平台下端的外缘的形状相同，且压圈与打印平台下端的外缘之间的净距离为3-10mm，在避免压圈与打印平台产生干涉的情况下，使压圈能够更接近于打印平台的下端的外缘，以便于离型膜与成型层之间更易于形成较大的分离角。

进一步，为避免对离型膜造成损伤，该压圈的下表面成圆弧状。

具体地，当离型膜向下突出时，其突出的距离为0-15mm。在上述突出距离下，已能保证离型膜与成型层顺利地进行分离，更大的突出距离，可能会对离型膜造成塑性变形，使得离型膜无法恢复原状。

其次，本申请还提出了一种3D打印方法，运用于一3D打印机，该3D打印机包括工作台和安装在工作台上的料槽和打印平台，该料槽包括一槽壁和密封地安装在该槽壁底部的透光板，在该料槽内安装有一离型膜，该离型膜位于料槽上下方向的中间部，该离型膜将料槽的内腔沿上下方向分割为气仓和料仓，在该气仓内填充有气体，在料仓盛装有光敏树脂，在该料槽的下方设置有一照射单元；该3D打印方法包括：

(1)获得一产品的一个成型层的打印数据；

(2)使离型膜的上下两侧的压力相同，以使离型膜水平设置，将打印平台浸入到光敏树脂中并位于该成型层的打印高度；

(3)使照射单元朝该料仓的内部发射光线，以使该成型层固化并附着于该打印平台；

(4)降低气仓的压力，使成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离；同步向上提升打印平台，使离型膜与成型层完全分离；

(5)升高气仓的压力，使离型膜的上下两侧的压力相同，恢复离型膜的水平设置；

(6)重复步骤(1)-(5)，直到完成该产品的打印。

本申请中，利用离型膜将料槽的内腔分割为气仓和料仓，由于离型膜仅依靠气仓内气体的压力来维持其形状，在进行打印过程，能够通过调节气仓内的压力来调节离型膜的形状，当完成一个成型层的固化后，即可降低气仓的压力，离型膜在光敏树脂的压力下向下凹陷，由于离型膜的中心部被粘结在成型层上，从而使得成型层与料槽之间的离型膜向下凹陷，使离型膜的竖向截面大致呈W形，在光敏树脂的压力下，离型膜会沿成型层的边缘开始与成型层分离，并在离型膜与成型层的下表面之间形成一个分离角，在光敏树脂的压力下，该分离角沿成型层的四周逐渐向成型层的中心位置延伸，直到离型膜与成型层完全分离，在形成分离角后，周围的光敏树脂会补充到分离角内，加速分离角朝成型层的中心位置延伸。利用本申请，能够有效地克服离型膜与料槽底面之间所产生的低压区，使离型膜与成型层之间的分离变得易于进行，降低对离型膜的损伤，有利于提高离型膜的使用寿命，并提高产品的打印质量。

进一步，在料槽内安装有一密封板，该密封板位于离型膜的上方，在离型膜与密封板之间形成料仓，密封板与光敏树脂之间具有距离，在光敏树脂与密封板之间形成一空腔；步骤(4)中，在降低气仓的压力时，同步向空腔内充入气体，升高料仓的压力；步骤(5)中，在升高气仓的压力时，同步将空腔内的气体向外排出，降低料仓的压力。

利用增加料仓的压力，以快速提高离型膜上下两侧的压力差，提高离型膜与成型层的分离效率。

进一步，该3D打印机还包括一压圈，该压圈经升降机构安装在工作台，沿竖直方向观察，该压圈环绕该打印平台；骤(4)中，在降低气仓的压力时，同时将压圈向下移动，使压圈抵压在离型膜上，压圈推动离型膜向下突出；步骤(5)中，在升高气仓的压力时，同时将压圈向上移动，使压圈离开离型膜。利用压圈，使得离型膜的最低点由大致位于成型层与槽壁之间的中间部朝成型层的方向靠近，能够有效地扩大离型膜与成型层之间的分离角，使得离型膜更易于与成型层分离。沿竖直方向观察，压圈的内周面的形状与打印平台下端的外缘的形状相同，且压圈与打印平台下端的外缘之间的净距离为3-10mm，在避免压圈与打印平台产生干涉的情况下，使压圈能够更接近于打印平台的下端的外缘，以便于离型膜与成型层之间更易于形成较大的分离角。

具体地，当离型膜向下突出时，其突出的距离为0-15mm。在上述突出距离下，已能保证离型膜与成型层顺利地进行分离，更大的突出距离，可能会对离型膜造成塑性变形，使得离型膜无法恢复原状。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图。

图2是料槽的第一种结构示意图。

图3是图2中A部分的放大图。

图4是在图2所示料槽内形成一成型层后的状态图。

图5是图2所示料槽内的成型层与离型膜分离时的状态图。

图6是图2所示料槽内的成型层与离型膜完成分离后的状态图。

图7是图2所示料槽内的离型膜恢复原状后的状态图。

图8是料槽的第二种结构示意图。

图9是在图8所示料槽内形成一成型层后的状态图。

图10是图8所示料槽内的成型层与离型膜分离时的状态图。

图11是图8所示料槽内的成型层与离型膜完成分离后的状态图。

图12是图8所示料槽内的离型膜恢复原状后的状态图。

图13是本发明的另一个实施例的结构示意图。

图14是料槽的第三种结构示意图。

图15是在图14所示料槽内形成一成型层后的状态图。

图16是图14所示料槽内的成型层与离型膜分离时的状态图。

图17是图14所示料槽内的成型层与离型膜完成分离后的状态图。

图18是图14所示料槽内的离型膜恢复原状后的状态图。

具体实施方式

实施例1

请参阅图1，一种3D打印机，其包括工作台80，该工作台80呈空心状，工作台80包括成环状的立壁81、安装在立壁顶部的顶板82以及安装在立壁底部的底板83，在顶板82上安装有一传动机构，该传动机构包括固定于工作台一侧的立杆84，在该立杆84上转动地安装有一沿竖直方向延伸的滚珠丝杆85，并在立杆的下端安装有伺服电机86，该伺服电机用于驱动滚珠丝杆85进行转动，连接臂31的一端经滚珠螺母啮合在滚珠丝杆上，连接臂31的另一端为自由端，在该自由端上可拆卸地安装有打印平台33。在伺服电机的驱动下，连接臂31能够沿滚珠丝杆85在竖直方向上往复移动，并带动打印平台33沿竖直方向往复移动。打印平台的下表面形成为产品的打印工作面。该传动机构采用现有成熟技术，不再赘述。

第一料槽110固定在顶板的上表面上，照射单元91设置在工作台内并位于第一料槽的下方，照射单元提供成形光束用于将第一料槽内光敏树脂固化，照射单元91可以为数字光源处理(DLP)投影装置或其它种类的投影装置(如LCOS,LCD)，但不以此为限。

以下对第一料槽110的具体结构进行说明，请参阅图2和图3，第一料槽具体包括槽壁11和密封地安装在该槽壁11底部的透光板13，该透光板为一玻璃板，可以理解，在其他实施例中，透光板还可以为塑料板或压克力板等能够提供足够支撑力的其他板材。在槽壁11底部的外侧连接有法兰16，螺栓经该法兰16将料槽固定在工作台上。

在该第一料槽内安装有一离型膜14，离型膜为软性材质制成的可挠性薄膜，本实施例中，该离型膜具体为聚四氟乙烯离型膜。该离型膜位于料槽上下方向的中间部，离型膜14将第一料槽110的内腔沿上下方向分割为气仓102和料仓101，其中料仓101位于离型膜的上侧，气仓102位于离型膜的下侧，即料仓101位于气仓102的上侧，在料仓内盛装有光敏树脂。为便于安装离型膜14，本实施例中，在槽壁11的内周面上设置有一朝向上方的台阶面111，该台阶面111由槽壁的内周面沿水平方向向外凹陷后形成，在该台阶面上具有一环形槽112，第一螺钉113穿过一环形金属垫片114和离型膜后旋拧在槽壁内，将离型膜固定在槽壁上，其中环形金属垫片114位于离型膜的上侧，且环形金属垫片正对环形槽112，环形筒12内衬在槽壁内且抵压在台阶面111上，并在环形筒与台阶面之间垫设有密封圈115，第二螺钉116沿水平方向由内向外穿过环形筒后旋拧在槽壁上，从而将环形筒固定在槽壁上，在附图中，仅示例性地显示了一个第二螺钉。当气仓和料槽均连通大气时，离型膜上下两侧的压力相同，离型膜处于沿水平方向延伸的平整状态。

在该气仓内填充有气体，本实施例中，直接采用空气，本申请中，气仓内的气体并无特殊要求，无色透光即可满足要求，可以理解，在其他实施例中，还可以采用氮气等惰性气体，该料仓用于盛装光敏树脂。打印平台能够伸入到第一料槽内并在打印平台上形成多个成型层。

在槽壁上安装有连通气仓102的下排气管26和下进气管21，下排气管26和下进气管21均连接在一根下总气管20上，该下总气管20固定在槽壁上并连通气仓102。下充气装置22连接到下进气管上，并在下进气管上安装有下进气阀23，下进气阀23位于朝向料槽的一侧，本实施例中，下充气装置具体为一高压气罐，在高压气罐内具有压缩空气，可以理解，在其他实施例中，还可以直接将空压机、高压风机等装置作为下充气装置22。并在下排气管26上安装有下排气阀27。

下充气装置用于将气体充入到气仓内，下排气管用于将气仓内的气体排出；通过下排气管将气仓内的气体排出，以降低气仓内气体对离型膜的支撑力，能够使成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离；下充气装置能够将气体充入到气仓内，使离型膜恢复原状。

为了监控离型膜上下两侧的压力差，在料槽的外侧安装有一压差计60，压差计60的两个检测端分别称为第一检测端61和第二检测端62，其中第一检测端61位于料仓的底部，第二检测端62位于气仓内，利用压差计来检测离型膜上下两侧的压力，以便于使离型膜快速恢复原状。

以下对采用本实施例对产品进行3D打印时的3D打印方法进行说明，该3D打印方法包括：

(1)获得一产品的一个成型层41的打印数据；

(2)关闭下排气阀27，并开启下进气阀23，通过下充气装置向气仓内充入气体，使离型膜的上下两侧的压力相同，使离型膜水平设置，关闭下进气阀23，将打印平台浸入到光敏树脂中并位于该成型层41的打印高度；

(3)请参阅图4，使照射单元朝该料仓的内部发射光线，以使该成型层41固化并附着于该打印平台；

(4)请参阅图5，开启下排气阀27，将气仓内的气体向外排出，降低气仓的压力，在光敏树脂的压力下，成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离，在离型膜与成型层之间产生一个分离角α，同步向上提升打印平台，使分离角α逐渐朝成型层的中心区域延伸，请参阅图6，直到使离型膜与成型层完全分离；

本实施例中，当离型膜向下突出时，其突出的距离由0mm逐渐延长到15mm。

(5)请参阅图7，关闭下排气阀27，并开启下进气阀23，使高压气罐内的压缩空气进入到气仓内，升高气仓的压力，观察压差计60，使离型膜的上下两侧的压力相同，恢复离型膜的水平设置，然后关闭下进气阀23；

(6)重复步骤(1)-(5)，直到完成该产品的打印。

实施例2

本实施例是在实施例1基础上的改进，其改进具体是对料槽的改进，请参阅图8，本实施例中，将料槽称为第二料槽120，图8中与图2中相同的附图标记表示相同的技术特征。

在第二料槽内安装有一密封板15，在密封板的上侧便于设置有端板151，第三螺钉152穿过端板后旋拧在环形筒12上，将密封板可拆卸地安装在料槽内，该密封板15位于离型膜14的上方，在离型膜与密封板之间形成料仓，密封板与光敏树脂之间具有距离，在光敏树脂与密封板之间形成一空腔，在密封板上安装有连通料仓的上排气管56和上进气管51，上排气管56和上进气管51均连接在一根上总气管50上，上总气管50固定在密封板15上并连通空腔。为保持密封，在密封板与环形筒之间垫设有垫圈，在附图中，该垫圈未显示。

上充气装置52连接在上进气管51上，并在上进气管51上安装有上进气阀53，上进气阀位于朝向料槽的一侧，在上排气管56上安装有上排气阀57，本实施例中，上充气装置具体为一高压气罐，在高压气罐内具有压缩空气，可以理解，在其他实施例中，还可以直接将空压机、高压风机等装置作为上充气装置52。

上充气装置能够将气体充入空腔内，以增大料仓内的压力，使得成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离；上排气管用于将空腔内的气体排出，降低料仓的压力，使离型膜恢复原状。

以下对采用本实施例对产品进行3D打印时的3D打印方法进行说明，该3D打印方法包括：

(1)获得一产品的一个成型层的打印数据；

(2)关闭上进气阀53，保持上排气阀57处于开启状态；关闭下排气阀27，开启下进气阀23，通过下充气装置向气仓内充入气体，使离型膜的上下两侧的压力相同，使离型膜水平设置，关闭下进气阀23，将打印平台浸入到光敏树脂中并位于该成型层的打印高度；

(3)请参阅图9，使照射单元朝该料仓的内部发射光线，以使该成型层固化并附着于该打印平台；

(4)请参阅图10，开启下排气阀27，将气仓内的气体向外排出，降低气仓的压力，在光敏树脂的压力下，成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离，在离型膜与成型层之间产生一个分离角α，同步向上提升打印平台，使分离角α逐渐朝成型层的中心区域延伸，请参阅图11，直到使离型膜与成型层完全分离；

在开启下排气阀27的同时，关闭上排气阀57，并开启上进气阀53，经上充气装置向空腔内充入气体，同步升高料仓的压力；

本实施例中，当离型膜向下突出时，其突出的距离由0mm逐渐延长到15mm。

(5)请参阅图12，关闭上进气阀53，开启上排气阀57，将空腔内的气体向外排出，降低料仓内的压力；同步关闭下排气阀27，并开启下进气阀23，使下充气装置22向气仓内通入气体，提高气仓的压力，观察压差计60，使离型膜的上下两侧的压力相同，恢复离型膜的水平设置，然后关闭下进气阀23，并保持上排气阀57处于开启状态；

(6)重复步骤(1)-(5)，直到完成该产品的打印。

实施例3

本实施例是在实施例1基础上的改进，请参阅图13和图14，本实施例中，将料槽称为第三料槽130，第三料槽与第一料槽的结构完全相同，图13中与图1中相同的附图标记表示相同的技术特征，且图14中与图2中相同的附图标记表示相同的技术特征。

本实施例中，在工作台上安装有一压圈72，在连接臂31上安装有一电动缸76，该电动缸76的缸筒77固定安装在连接臂的顶部，电动缸的活塞杆78沿竖直方向向上伸出，压圈72经吊杆71连接到活塞杆78的顶部，在活塞杆的带动下，压圈能够在竖直方向进行往复移动，该电动缸形成为升降机构，即在本实施中，升降机构将连接臂间接安装在工作台上，可以理解，在其他实施例中，还可以将活塞缸直接安装在工作台上。

沿竖直方向观察，该压圈环绕该打印平台，在升降机构的带动下，该压圈能够向下抵压在离型膜上，使成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离。

为避免对离型膜造成损伤，该压圈的下表面成圆弧状。

以下对采用本实施例对产品进行3D打印时的3D打印方法进行说明，该3D打印方法包括：

(1)获得一产品的一个成型层的打印数据；

(2)关闭下排气阀27，并开启下进气阀23，通过下充气装置向气仓内充入气体，使离型膜的上下两侧的压力相同，使离型膜水平设置，关闭下进气阀23，将打印平台浸入到光敏树脂中并位于该成型层的打印高度；

(3)请参阅图15，使照射单元朝该料仓的内部发射光线，以使该成型层固化并附着于该打印平台；

(4)请参阅图16，开启下排气阀27，将气仓内的气体向外排出，降低气仓的压力，在光敏树脂的压力下，成型层与槽壁之间的离型膜向下突出，并使离型膜沿成型层的边缘朝成型层的中心部逐渐分离，在离型膜与成型层之间产生一个分离角α，同步向上提升打印平台，使分离角α逐渐朝成型层的中心区域延伸，请参阅图17，直到使离型膜与成型层完全分离；在开启下排气阀27、降低气仓的压力时，同时将压圈向下移动，使压圈抵压在离型膜上，压圈推动离型膜向下突出；使得离型膜的最低点由大致位于成型层与槽壁之间的中间部朝成型层的方向靠近，能够有效地扩大离型膜与成型层之间的分离角α，使得离型膜更易于与成型层分离；

本实施例中，当离型膜向下突出时，其突出的距离由0mm逐渐延长到15mm。

(5)请参阅图18，关闭下排气阀27，并开启下进气阀23，使高压气罐内的压缩空气进入到气仓内，升高气仓的压力，观察压差计60，使离型膜的上下两侧的压力相同，恢复离型膜的水平设置，然后关闭下进气阀23；在升高气仓的压力时，同时将压圈向上移动，使压圈离开离型膜。

(6)重复步骤(1)-(5)，直到完成该产品的打印。