一种双组份混合硅胶3D打印机及其打印方法与流程

本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种双组份混合硅胶3D打印机及其打印方法。

背景技术：

3D打印技术是近年来快速发展的一种加工制造技术，通过增材制造的方式实现零件的快速制造，具有加工周期短、材料利用率高、可加工具有复杂结构的零件等特点。常见的3D打印技术主要有熔融沉积技术、光固化成型技术、选择性激光烧结技术等，但均无法实现硅胶材料的3D打印。

在中国专利CN201610122318.6的硅胶3D打印机及硅胶产品打印方法中，公开了一种硅胶3D打印机及打印方法，以解决现有技术中无法打印出具有柔和和弹性特性的硅胶产品的技术问题。其技术特点主要有两点：一是打印喷头是通过气动模块控制硅胶的挤出、且对喷头针管有预加热；二是硅胶的固化方式，即通过在打印区域四周设置圆筒状加热器，针对每一层的打印硅胶实时加热固化。

该专利主要存在以下三点问题：首先，该专利所针对的硅胶材料为单一组份的硅胶材料，无法实现双组份混合型硅胶材料的3D打印；其次，该专利的加热方式属于辐射式加热，虽然加热筒及其加热元件能够按照软件设定要求分别针对各层硅胶进行加热，但无法保证硅胶模型的轮廓与内部填充结构受热固化一致；此外，由于喷头及硅胶输送管道一直处于热辐射场中，喷头中的硅胶有可能提前受热固化，从而堵塞喷头。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种加热固化均匀、适用面广的双组份混合硅胶3D打印机及其打印方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双组份混合硅胶3D打印机，包括运动模块，至少一个打印单元和软件控制系统，所述运动模块包括机架，安装在所述机架上沿坐标系方向设置的X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块和安装在所述Z轴电动模块上的底板模块，所述打印单元包括加热模块以及顺次连接的一对压力桶、点胶阀、静态混合管、打印喷头，所述打印喷头通过固定板固定在Y轴电动模块上，经所述固定板定位的所述加热模块沿Z轴方向套设在所述打印喷头下端，所述软件控制系统对所述X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块、点胶阀、底板模块和加热模块进行通信控制。

优选的，所述X轴电动模块、Y轴电动模块、Z轴电动模块分别包括在X轴马达、Y轴马达、Z轴马达驱动下沿着X轴、Y轴、Z轴方向滑动的X滑块、Y滑块、Z滑块，所述打印单元的打印喷头和加热模块通过固定板固定在所述Y轴电动模块的Y滑块上。

优选的，所述一对压力桶通过软管与所述点胶阀的进料口相连，所述点胶阀与所述静态混合管相连，所述静态混合管通过软管与打印喷头相连，所述静态混合管是螺旋式混料管，所述打印喷头被固定在固定板上，所述固定板上固定有隔热板，所述加热模块是内置温度传感元件的同心圆环状陶瓷加热片，所述同心圆环状陶瓷加热片的底面与所述打印喷头的喷口处在同一Y轴平面上，所述同心圆环状陶瓷加热片通过耐高温粘合剂固定在隔热板上。

优选的，所述X轴电动模块包括X轴马达、连接块、联轴器、螺杆、光轴滑杆及X滑块，所述连接块被固定在所述机架上，所述X轴马达被固定于所述连接块上，并通过所述联轴器与所述螺杆连接，所述光轴滑杆被固定在所述连接块上，所述X滑块通过所述螺杆上的传动螺纹沿着所述光轴滑杆向X轴方向运动。

优选的，所述底板模块包括打印底板和粘贴在所述打印底板底面的电热偶，所述打印底板通过弹簧和螺钉固定在Z轴电动模块上，通过所述弹簧压缩量的改变来调节所述打印底板与所述打印喷头沿Y轴方向的相对位置。

优选的，所述电热偶的预热温度是50-80℃。

优选的，所述软件控制系统通过加热模块的通信接口实时监控固化成型温度，所述软件控制系统通过所述点胶阀的通信端口控制点胶阀的进气口的气压。

优选的，所述点胶阀的进气口的压缩气体气压是0.4-0.9MPa。

优选的，所述打印喷头的内径是0.1-2mm，挤出速度是0.01-1mL/s。

优选的，所述同心圆环状陶瓷加热片的加热温度是100-400℃。

优选的，所述打印喷头在所述软件控制系统对所述X轴电动模块和所述Y轴电动模块的联动控制下的移动速度是1-50mm/s。

本发明解决其技术问题所采用的另一个技术方案是：

一种双组份混合硅胶3D打印机的打印方法，包括下列步骤：

A、软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息将该硅胶产品划分成若干层；

B、当打印第N层时，所述软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息控制Z轴电动模块的Z轴马达旋转带动Z滑块和固定在所述Z滑块上的底板模块运动到第N层高度，控制至少一个打印单元中任一个所述打印单元的点胶阀在特定压力下将硅胶的两种组份从与所述两种组分相对应一对压力桶经所述点胶阀挤入静态混合管中均匀混合，通过所述软件控制系统对X轴电动模块和Y轴电动模块的联动控制将打印喷头移动至特定位置挤出硅胶到底板模块的打印底板上，所述底板模块的电热偶被受控预热，通过所述软件控制系统控制加热模块加热，烘烤打印出的硅胶使之迅速固化成型完成第N层的打印，随后转入第N+1层重复上述操作直至完成该硅胶产品。

优选的，在步骤B中，所述点胶阀的特定压力是0.4-0.9MPa，所述打印喷头的内径是0.1-2mm，挤出速度是0.01-1mL/s，所述电热偶的预热温度是50-80℃，所述加热模块的加热温度是100-400℃，所述打印喷头在所述软件控制系统对所述X轴电动模块和所述Y轴电动模块的联动控制下的移动速度是1-50mm/s。

同现有技术相比，本发明的优点与进步如下：

1.本发明提供双组份混合硅胶3D打印机由于采用硅胶静态混合器，可以根据硅胶产品的需求通过软件控制系统选择性的控制任一个打印喷头的工作实现双组份混合硅胶的3D打印。

2.本发明提供双组份混合硅胶3D打印机采用的同心圆环陶瓷加热片对所打印的硅胶均可实现迅速均匀的加热固化，从而提高了硅胶成型质量。

3.本发明提供双组份混合硅胶3D打印机采用的同心圆环陶瓷加热片的底面与打印喷头的喷口处在同一水平面上可以最大限度地通过硅胶贴合面发热迅速固化硅胶，限定了发热区域，对喷头及其输送管道影响较小，可有效防止喷头堵塞。

附图说明

图1是双组份混合硅胶3D打印机的结构示意图；

图2是打印喷头和加热模块的局部放大图；

图3是X轴电动模块的局部放大图；

图4是底板模块的局部放大图；

图5是点胶阀的局部放大图；

其中，1是机架，2是X轴电动模块，3是Y轴电动模块，4是Z轴电动模块，5是静态混合管，6是一对压力桶，7是点胶阀，8是底板模块，9是打印喷头，10是加热模块，11是隔热板，12是固定板，13是光轴滑杆，14是螺杆，15是联轴器，16是连接块，17是X轴马达，18是X滑块，19是螺钉，20是打印底板，21是弹簧，22是电热偶，23是进料口，24是进气口，25是通信端口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种双组份混合硅胶3D打印机包括：机架1、X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4、静态混合管5、点胶阀7、一对压力桶6、打印喷头9、加热模块10、隔热板11、喷头固定装置12、打印底板模块8及软件控制系统；所述软件控制系统可对所述X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4、点胶阀7、底板模块8和加热模块10进行通信控制。其中X轴电动模块2、Y轴电动模块3、Z轴电动模块4的构成部件和各个部件间的位置连接关系类似，以X轴电动模块2为例，如图3所示，它包括X轴马达17、连接块16、联轴器15、螺杆14、光轴滑杆13及X滑块18，所述连接块16通过螺钉固定在机架1上，所述X轴马达17通过螺钉固定于连接块16上，通过联轴器15将X轴马达17与螺杆14连接，光轴滑杆13通过螺纹固定在连接块16上，X滑块18可通过螺杆14上的传动螺纹沿着光轴滑杆13向X轴方向运动。

Y轴电动模块3由Y轴马达、Y轴连接块、Y轴螺杆、Y轴联轴器、Y轴光轴滑杆及Y滑块组成，所述Y轴连接块通过螺钉固定在机架1上，所述Y轴马达通过螺钉固定于Y轴连接块上，通过Y轴联轴器将Y轴马达与Y轴螺杆连接，Y轴光轴滑杆通过螺纹固定在Y轴连接块上，Y滑块可通过Y轴螺杆上的传动螺纹沿着Y轴光轴滑杆向Y轴方向运动。

Z轴电动模块4由Z轴马达、Z轴连接块、Z轴螺杆、Z轴联轴器、Z轴光轴滑杆及Z滑块组成，所述Z轴连接块通过螺钉固定在机架1上，所述Z轴马达通过螺钉固定于Z轴连接块上，通过Z轴联轴器将Z轴马达与Z轴螺杆连接，Z轴光轴滑杆通过螺纹固定在Z轴连接块上，Z滑块可通过Z轴螺杆上的传动螺纹沿着Z轴光轴滑杆向Z轴方向运动。

打印喷头9通过螺纹夹紧方式固定在固定板12上，固定板12通过螺纹连接固定于Y轴电动模块3的Y滑块上。静态混合管5与打印喷头9通过软管相连，点胶阀7与静态混合管5通过卡口配合相连，一对压力桶6通过软管与点胶阀7相连，如图2所示，加热模块10是内置温度传感元件的同心圆环状陶瓷加热片，通过耐高温粘合剂固定于隔热板11上，隔热板11通过螺纹连接固定于固定板12底板上，打印喷头9的喷口与同心圆环状陶瓷加热片处在同一Y轴水平面上。

如图4所示，所述底板模块8由打印底板20和电热偶22组成，通过螺钉19及弹簧21同轴组合的形式固定于Z轴电动模块4的Z滑块上，通过拧紧或拧松各个螺钉以改变弹簧的压缩量，从而调整打印底板20的水平位置，电热偶22通过粘贴的方式粘贴至打印底板20底部，其预热温度为50℃至80℃。

本发明打印硅胶模型采用逐层打印的方式进行，各层工作方式相似，软件控制系统根据待打印硅胶产品的模型数据信息将该硅胶产品划分成若干层，具体以第N层打印为例：软件控制系统根据由计算机辅助设计与制造软件获得的第N层结构高度，控制Z轴电动模块4的Z轴马达旋转，带动Z滑块及其上的打印底板20运动至相应高度，如图5所示，通过点胶阀7的通信端口25控制进气口24调节压缩空气的气压(0.4Mpa至0.9MPa)，将硅胶的两种组份从一对压力桶6中通过进料口23分别挤入点胶阀7中，并输出到静态混合管5中进行均匀混合，进而从内径为0.1mm至2mm范围内的打印喷头9中挤出，挤出速度范围为0.01mL/s至1mL/s；与此同时，软件控制系统通过检测并调整同心圆环状陶瓷加热片升温，范围为100℃至400℃；根据第N层结构的填充扫描路径，软件控制系统控制X轴电动模块2与Y轴电动模块3联动完成打印喷头9的移动，移动速度范围为1mm/s至50mm/s；打印出的硅胶随着打印喷头9的运动沉积至打印底板20上，底板模块8的电热偶22可受控预热，预热温度是50-80℃，随后受到同心圆环状陶瓷加热片的烘烤迅速固化成型，直至完成第N层硅胶结构的打印；随后转入第N+1层结构打印，直至硅胶模型打印完成。

根据待打印硅胶产品的需要，可以增设多个打印单元，即打印喷头9数量可增加至2个或2个以上，再增加相应数量的点胶阀7、静态混合管5、一对压力桶6、以及相应数量的固定板12，并在相应的固定板12上并排地增加所述打印喷头9及加热模块10；各打印喷头9分别与相对应的点胶阀7、静态混合管5、一对压力桶6相连；各点胶阀7的通信端口25与软件控制系统相连，控制各打印喷头9的硅胶挤出速度。具体以第N层打印为例：软件控制系统根据由计算机辅助设计与制造软件获得的第N层结构高度，控制Z轴电动模块4的Z轴马达旋转，带动Z滑块及其上的打印底板20运动至相应高度，控制第i个打印喷头对应的点胶阀7的气体气压(0.4Mpa至0.9MPa)将对应的两种组份从对应的一对压力桶6中挤入对应的静态混合管5中进行均匀混合、进而从内径为0.1mm至2mm范围内的第i个打印喷头9中挤出，挤出速度范围为0.01mL/s至1mL/s；与此同时，软件控制系统通过检测并调整第i个打印喷头9对应的加热模块10升温，范围为100℃至400℃；根据第N层结构的第i个打印喷头的填充扫描路径，软件控制系统控制X轴电动模块2与Y轴电动模块3联动完成第i个打印喷头9的移动，移动速度范围为1mm/s至50mm/s；打印出的硅胶随着第i个打印喷头9的运动沉积至打印底板20上，底板模块8的电热偶22可受控预热，预热温度是50-80℃，随后受到对应的加热模块10的烘烤迅速固化成型；完成第i个打印喷头9的硅胶打印任务后，软件控制系统以类似的控制方式完成第i+1个打印喷头9的硅胶打印任务直至完成第N层硅胶结构的打印；随后转入第N+1层结构打印，直至硅胶模型打印完成。

最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。