3D陶瓷打印机及使用该3D陶瓷打印机的方法与流程

本发明涉及3d陶瓷打印机及使用该3d陶瓷打印机的3d打印方法。更具体地，本发明涉及在透明膜上载置并硬化打印材料的3d陶瓷打印机及使用该3d陶瓷打印机的3d打印方法。

背景技术：

通常，3d打印机被理解为通过如下步骤实现打印材料的3d形状的装置：像2d打印机那样平坦地对材料进行打印，并且使2d打印好的材料层叠。

3d打印机已经用于通过在未来制品实际面市之前，利用碎屑和易成型材料制得该制品的副本来提前发现该制品中的任何问题。近些年，因为3d打印机能够基于数字化图形信息短时间地制备出3d形状，所以3d打印机在各种领域中均是期望的。特别地，3d打印机已经用于制备精密部件和高强度陶瓷制品。

为了利用3d打印机制备精密部件和高强度陶瓷制品，主要使用诸如dlp和sla等的光硬化系统(见图1)。然而，dlp和sla的特征均为如下步骤：将具有分散在光硬化剂中的陶瓷粉末的浆料或糊料装载到打印床(printingbed)或罐(tank)；在每次装载了浆料或糊料之后使z轴台向下或向上运行；以及通过对浆料或糊料照射光来使浆料或糊料硬化。根据以上方法，随着无机材料的充填率上升，打印浆料或糊料的流动性会降低，这表明难以均匀地制备平坦的层。所以，必须用刮板刮擦打印机表面，或者必须转动容纳浆料或糊料的器皿。

这两种情况均使用了容纳浆料或糊料的打印罐，因此无机材料的充填率的提高会伴随着如下问题的产生。

首先，难以制备具有均匀厚度和光滑表面的打印层坯体。

第二，难以精确地调节打印层坯体的各层的厚度。

第三，因由颗粒导致的光散射而难以实现光硬化，这使得照射时间较长，由此打印层坯体的各层的厚度的调节变得困难。

第四，因为光散射，根据延长的照射时间或增大的照射剂量，存在在不期望的部位中局部硬化的可能，这会致使硬化溶液变性，其结果是最终打印制品有问题。

第五，打印速度会因所有如下步骤均消耗时间而变慢：成型打印层；分离成型台；重新提供浆料和糊料；以及矫直表面。

第六，因为当使用打印浆料或糊料床时仅能够使用一种材料，所以不能成型不同材料的组合。

韩国专利公开no.10-2014-0146689描述了为各种3d打印处理设计和配置的使用紫外线发光二极管的硬化装置的发展。然而，该发展未提供用于如下3d打印的任何方法：在该3d打印中，通过将用于层叠的适当厚度的浆料或糊料均匀且连续地提供到膜上，以便逐层地提供成型各层所必须的坯体层。

韩国专利公开no.10-2014-0140782描述了3d打印机和用于3d打印的方法，其中，能够通过使用透镜来调节光的面积，并且能够通过将反射部或打印部移动到制备台来打印大面积的3d形状。然而，该发明与通过如下实现的用于3d打印的方法相去甚远：该用于3d打印的方法中，通过将用于层叠的适当厚度的浆料或糊料均匀且连续地提供到膜上，以便逐层地提供成型各层所必须的坯体。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国专利公开no.10-2014-0146689

(专利文献2)韩国专利公开no.10-2014-0140782

技术实现要素：

技术问题

为了克服传统技术的问题，本发明的目的是提供3d打印机及使用该3d打印机的用于3d打印的方法，其能够均匀且连续地提供用于层叠的适当厚度的浆料或糊料，其中，为了打印材料的层叠，使用不阻碍用于光加工(photo-fabrication)的光传递且能够在成型之后容易分离的透明膜，使得每次均能够提供成型所必须的坯体。

问题的解决方案

为了实现以上目的，本发明提供一种3d打印机，其包括：膜供给部，其提供透明膜；材料供给部，其将打印材料提供到所述透明膜上；光硬化部(photo-hardeningpart)，其使被提供到所述透明膜上的所述打印材料按照所设计的形式硬化；以及膜收集部，其在已经通过所述光硬化部使所述打印材料硬化之后收集所述透明膜和残留的打印材料。

在本文中，所述膜供给部包括：至少一个卷取元件，其用于卷取所述透明膜；马达，其用于驱动所述卷取元件；以及高度调节元件，其用于调节所述卷取元件的高度。

另外，还可以包括至少一个刮板，以用于调节被提供到所述透明膜上的所述打印材料的厚度。

本发明的3d打印机还能够包括一对切割器，用于调节被提供到透明膜的打印材料的宽度和位置。

在本文中，所述膜供给部包括如下的至少一者：装配有混合螺杆的注射器、装配有混合搅拌器的挤出容器、以及用于在卷取于所述膜供给部的所述透明膜的转动期间将打印材料分配到所述透明膜的表面上的浆料进料板。

注射器式的所述材料供给部包括：筒体，其收纳打印材料；混合螺杆，其装配在所述筒体的内部；挤出注射器，其用于将所述打印材料挤出到所述透明膜上；以及油压马达，其用于调节所述挤出注射器的上下移动。

挤出容器式的所述材料供给部包括：箱体，其收纳打印材料；搅拌器，其装配在所述箱体的内部，用于搅拌所述打印材料；出口，其用于将所述打印材料排出到所述透明膜上；以及压力调节马达，其用于调节挤出压力。

还可以包括温度调节板，以用于在所述透明膜被提供到所述光硬化部之前有规律地(regularly)维持所述透明膜上的所述打印材料的温度。

所述光硬化部包括：光照射单元；第一成型台，被提供了打印材料的所述透明膜载置于所述第一成型台；以及第二成型台，在所述第二成型台处，使所述打印材料被压紧在所述透明膜上。

本发明的3d陶瓷打印机还可以额外包括陶瓷成型板，所述陶瓷成型板具有深度为20μm～200μm的凹凸图案，所述陶瓷成型板可以容易安装到所述第二成型台的底面并容易与所述第二成型台的底面分离。

所述第一成型台包括降压孔，用于紧密且平坦地维持所述透明膜。

所述第一成型台还可以包括倾斜面或倾斜槽，用于使已硬化的打印材料容易与所述透明膜分离。

所述膜收集部包括用于卷取透明膜的至少一个收集卷取元件和用于驱动所述收集卷取元件的马达。

本发明的3d打印方法包括如下步骤：提供透明膜；将打印材料提供到所述透明膜上；调节被提供的打印材料的厚度；使厚度已经被调节了的打印材料硬化成期望形状；以及使已硬化的所述打印材料与所述透明膜分离。

将所述打印材料提供到所述透明膜上的步骤还可以提供至少两种打印材料。

在调节被提供的所述打印材料的厚度的步骤之后还可以额外包括调节所述打印材料的温度的步骤。

在使已硬化的所述打印材料与所述透明膜分离的步骤之后还可以额外包括收集透明膜和残留的打印材料的步骤。

[有益效果]

根据本发明的3d陶瓷打印机及使用该3d陶瓷打印机的用于3d打印的方法，能够使用包括具有高无机材料充填率的材料在内的各种材料；能够进行层叠厚度的精细调节；能够以均匀的厚度逐层地形成塑造品(sculpture)；并且由此能够降低最终打印制品(3d打印结构)的不良率。

另外，在利用成型台上的光照的成型过程中，归功于通过材料供给部连续地提供打印材料，能够显著地缩短成型时间。

另外，借助于每次按需地提供材料，能够解决使用传统材料罐的方法的诸如由光的不期望的强度或散射导致的低精度、周围浆料的硬化和变性等的问题。

根据本发明的方法，还能够每次在新的膜上提供打印材料，使得能够利用通过多个提供装置提供的两种或更多种材料构造提供各种性能的结构。

当在成型之后为了提供装载有新的材料的膜而必须使膜移动时，能够重新获得并再循环在呈角度的刮板与膜接触之后仍然残留的浆料。通过使用膜收集卷取件，能够重新获得并收集使用过的膜。

根据本发明，陶瓷成型板的底部形成有凸出的不平整图案，使得第一台上的打印结构的结合力优异，由此能够防止结构与第二台分离。此时，在打印完成时，打印结构令人满意地具有容易与第二台分离的程度的图案深度。陶瓷成型台易于安装到第二台并易于与第二台分离，这表明容易清洁或维修。

通过使用沿着刮板装配在打印机中的切割器来调节被提供到透明膜上的打印材料的宽度，本发明的3d陶瓷打印机能够使浆料的浪费最小化。

附图说明

参照附图最佳地理解本发明的优选实施方式的应用，在附图中：

图1是示出传统3d打印机的用于提供材料的方法的图。

图2是示出根据本发明的示例的3d打印机的图。

图3是示出根据本发明的另一示例的另一3d打印机的图。

图4是示出根据本发明的另一示例的还一3d打印机的图。

图5是示出根据本发明的示例的材料供给部的图。

图6是示出根据本发明的示例的切割器和刮板的组的图。

图7是示出根据本发明的示例的成型板的图。

图8是示出根据本发明的示例的3d打印的方法的流程图。

具体实施方式

以下，参照本文所附的图更详细地说明本发明的示例。在这些图中，即使出现在不同的图中，也对相同的组成部件赋予相同的附图标记。在本发明的解释中，可以省略关于与本发明相关联的、本领域技术人员可清楚地理解但可能使本发明的要点不分明的构成或功能的描述。

图2是示出根据本发明的示例的3d打印机的图，图3是示出根据本发明的另一示例的另一3d打印机的图。图4是示出根据本发明的另一示例的还一3d打印机的图，图5是示出根据本发明的示例的材料供给部的图。

如图2所示，根据本发明的实施例的3d打印机包括膜供给单元10、材料供给部20、光硬化部30和膜收集部40。

膜供给部10(11～15)包括用于卷取透明膜p的至少一个卷取元件11、12、13和14以及用于驱动卷取元件的马达(未示出)。膜供给部还包括用于精确地调节辊元件的高度的高度调节元件15。

卷取元件11、12、13和14起到维持透明膜平坦且均匀以及将透明膜提供到材料供给部20的作用。此时，高度调节元件15调节所提供的透明膜所在的高度(z轴)。

以上透明膜p优选具有低的表面能，使得其能够接受(embrace)对膜具有弱的结合力的打印材料并允许膜在成型之后容易分离。该透明膜的示例为聚乙烯、铁氟龙、硅树脂和醋酸纤维素，但不始终限于此。

材料供给部20(20a、20b、20c)(见图5)将打印材料提供到通过膜供给部10提供的透明膜p上。此时，优选的打印材料为陶瓷，但不总是限于此。

如图2和图5所示，作为注射器式材料供给部20a的材料供给部20装配有：筒体21，在筒体21处，包括诸如浆料或糊料等的打印材料；混合螺杆22，其布置在筒体中，用于消除产生在打印材料内部的空气，并且用于防止与外部空气的接触；挤出注射器23，其用于将打印材料挤出到透明膜上；以及油压马达24，其用于调节挤出注射器的上下移动。此时，可以存在一个或多个注射器式材料供给部20a，这能够通过用连续的驱动系统提供打印材料来显著地缩短成型时间。

在本发明的另一优选实施方式中，如图3和图5所示，作为挤出容器式材料供给部20b的材料供给部20包括：箱体25，在箱体25处装载有诸如浆料或糊料等的打印材料；搅拌器26，其用于搅拌装配在箱体内部的打印材料；出口28，其用于将打印材料排出到透明膜上；以及压力调节马达27，其用于调节挤出压力。

另外，如图4和图5所示，本发明的另一示例中的材料供给部20能够形成为浆料供给板式材料供给部20c，其包括靠近卷取元件的转动面安装的浆料供给板29，用于在卷取元件转动的同时将打印材料均匀地分配到表面上。

图2所示的注射器式材料供给部适于将打印材料呈线状地提供到透明膜上，而图3所示的挤出容器式材料供给部适于以对作为面的区域进行充填的方式提供打印材料。图4所示的浆料供给板式材料供给部适于以对作为面的区域进行充填的方式提供打印材料。浆料供给板式材料供给部无需额外的搅拌装置，这有利于使打印机结构更简单。

材料供给部20在打印材料的量、浓度和粘度已被调节的情况下将打印材料提供到透明膜上。在通过材料供给部20提供打印材料的同时，通过第一移动台50将透明膜移动到第一成型台32。

在本发明的优选实施方式中，材料供给部20可以在供打印材料喷出的出口中包括网式过滤器。网式过滤器优选由不与硬化溶液反应的材料制成，并且优选允许10μm以下的颗粒穿过。材料供给部20能够防止颗粒的如下聚集：当使打印材料再循环时成型溶液被反复地重复使用之际，能够因成型溶液的聚合而形成的聚集。

同时，材料供给部20能够包括至少一个刮板b1和b2，用于调节所提供的打印材料的厚度。图2所示的第一刮板b1能够使提供到透明膜上的打印材料平坦，第二刮板b2能够更精确地调节如上平坦处理过的打印材料的厚度。还能够包括高度调节元件b3，用于调节这些刮板b1和b2的高度。

在使透明膜从第一移动台50向第一成型台32移动的同时，通过高度调节元件b3调节第一刮板b1和第二刮板b2的高度，其结果是调节了透明膜的厚度。图示的两个刮板仅是示例，并且不意味着本发明的打印机仅装配有两个刮板。

第一移动台50装配有温度调节板51，用于在将被提供了打印材料的透明膜设置到光硬化部30之前稳定地维持透明膜上的打印材料的温度。

光硬化部30包括光照射单元31、第一成型台32和第二成型台33。

第一成型台32上布有透明膜，该透明膜被提供了温度已经被温度调节板50有规律地维持的打印材料。

光照射单元31向布在第一成型台32上的透明膜照射光。所以，第一成型台优选由透明材料制成，以便使光照射单元31中的光到达透明膜。

第二成型台33通过台驱动部34下降、靠近布于第一成型台32的透明膜上的打印材料。此时，基于立体光刻原理逐层地控制时长、光波长和光强度，并且最后使打印材料按照预定程序硬化。

第一成型台32在其角部安装有降压孔35，降压孔35有助于透明膜平坦且紧密地与第一成型台32接触。

同时，第一成型台32可以在一侧包括倾斜面36，用于使通过第二成型台33硬化的打印材料容易与透明膜分离。

第一成型台32的形成有倾斜面36的那侧与第二移动台60连接，并且通过膜收集部40收集已经移动经过了第二移动台60的透明膜。

膜收集部40包括用于卷取打印完的透明膜的至少一个收集卷取元件41以及用于驱动收集卷取元件41的马达(未示出)。膜收集部40还能够包括用于赋予透明膜特定压力的配重件42。

同时，第二移动台60的端部可以形成有打印材料收集容器61。另外，能够包括容器高度调节元件62，用于调节打印材料收集容器的高度。

通过打印材料收集容器61收集残留在透明膜上的未硬化的打印材料。打印材料收集容器61装配有高度可调的刃板(chiselboard)，通过使刃板与透明膜紧密地接触来由膜收集部40收集残留在膜上的打印材料。

图6是示出根据本发明的示例的切割器71a和71b与刮板b1和b2的组的图。如图6所示，刮板b1和b2以及切割器71a和71b的套件能够装配在第一移动台50的组装线中。

打印材料能够根据打印目标以遍及将向移动台移动的透明膜的整个区域的方式喷出，但如果目标的尺寸没这么大，则还能够仅在透明膜的一部分或特定区域上进行处理。也就是，能够调节分配打印材料的部位或宽度，借此，通过将材料仅喷出到目标区域而非将材料喷出到各处会显著地减少打印材料浪费，并且还能够使材料再循环。

图6还示出了额外装配的一组切割器71a和71b的示例，切割器71a和71b用于调节将喷出到透明膜的打印材料的宽度。如图6所示，这些切割器71a和71b包括在由预置在箱体70内的刮板b1和b2、刮板高度调节元件b3以及切割器71a和71b构成的套件中。如图6所示，材料供给部20(20a、20b和20c)能够将打印材料从箱体70的顶部喷出穿过一对切割器71a和71b。材料供给部20(20a、20b和20c)被设计成与箱体70的内部结构匹配，以防止诸如浆料等的打印材料泄漏。

一组切割器71a和71b隔着一定距离呈两条平行线地配置于第一移动台50，该组切割器71a和71b以能够朝向透明膜的宽度方向滑动的方式包括在箱体70中。材料供给部20将打印材料喷出到位于第一切割器71a与第二切割器71b之间的空间中。因此，与切割器71a和71b的间隔相对应地调节了打印材料的宽度。同样地，切割器71a和71b朝向透明膜的宽度方向滑动，以调节打印材料的定位。

图7是示出根据本发明的示例的成型板335的图。成型板335用于防止可能在第一成型台21上的膜和成形于第二成型台的3d陶瓷结构反复地安装/分离的过程中发生的陶瓷结构与第二成型台33分离，并且用于防止在打印处理期间的杂质。

成型板335安装在第二成型台33的下方，并且以具有深度为20μm～200μm的凹凸图案3351的不平整陶瓷材料设置而成，其能够安装到第二成型台的底部并能够从第二成型台的底部取下。成型板335被设计成为了维护和维修而容易安装到第二成型台33并容易与第二成型台33分离。在本发明的优选实施方式中，第二成型台33的下表面制成有雕刻槽331，而在成型板的上侧制成有与雕刻槽331对应的凸出的突起部333。

根据本发明的示例，使用陶瓷材料作为用于本发明的3d陶瓷打印机的打印材料。当使用陶瓷作为原料时，制品比利用一般光固化树脂制备的制品重。所以，由相同陶瓷材料制成的成型板335有利于防止与杂质的混合，并且有利于塑造品的安全附接。此时，成型板335的下表面形成有凹凸图案3351，从而归因于变宽的面积而提高了粘合性。凹凸图案3351的形状能够设置为直线、格子和波纹。槽之间的距离优选为1mm～5mm。如果凹凸图案3351中的槽的深度过深，则无法使所附接的打印制品分离。因此，槽的深度优选为20μm～200μm。

接下来，参照图8描述本发明的用于3d打印的方法。

总体上，膜供给部10提供透明膜p，打印材料位于所提供的透明膜上。使打印材料在第一成型台32和第二成型台33中按照预定程序硬化。将使用过的膜和残留的打印材料收集在膜收集部40中。在处理期间，通过第一移动台50和第二移动台60使透明膜移动，对此，使用配重件42对透明膜施加力。以下更详细地描述该程序。

首先，提供透明膜(s10)。

通过操作被装配成驱动卷取元件11～14的马达来向第一移动台50提供卷取于卷取元件的透明膜。更具体地，这些卷取元件11～14被设计成维持所卷取的透明膜平坦且均匀并向材料供给部20提供膜。此时，能够通过使用高度调节元件15调节所提供的透明膜的高度和方向(z轴)。

接下来，将打印材料提供到透明膜(s20)。

通过使用多种类型的材料供给部20中的至少一种将打印材料投射或分配到被提供在第一移动台50中的透明膜上。此时，在提供打印材料的步骤中，能够调节打印材料的量、供给速度、浓度和粘度，使得打印材料供给时间与稍后将描述的光硬化的步骤(s40)所消耗的时间相同，借此，能够同时完成打印材料供给处理和打印材料硬化处理，结果将有效地缩短最终打印制品的整个制备时间。

接下来，调节被提供到透明膜上的打印材料的厚度(s30)。

通过调节那些刮板b1和b2中的至少一者的高度，能够按照期望地调节打印材料的厚度。如果使用多个刮板，则能够不同地调节各刮板的高度，以在各步骤中获得更精确的厚度控制。

更具体地，主要通过第一刮板b1使被提供到透明膜上的打印材料平坦化，通过使用第二刮板b2精确地调节已平坦化的打印材料的厚度。

能够根据材料供给部20的类型来控制刮板的高度。对于在厚度调节同时或之前和之后进行的硬化，能够使打印材料厚度的调节最优化，并且也能够使打印材料的温度最优化。

然后，将打印材料硬化成预定形状(s40)。

将装载有厚度已被调节的打印材料的透明膜移动到第一成型台32。使第二成型台33下降到第一成型台32上以与打印材料接触。基于立体光刻原理调节时间、光波长和光强度。使材料按照预定程序逐层硬化。此时，透明膜通过形成于第一成型台32的降压孔35而与第一成型台32紧密且平坦地接触。

硬化了的打印材料附接于第二成型台33从而形成层。将第一成型台32上新成层的打印材料添加到已硬化的层从而形成另一层。

接下来，使已硬化的打印材料与透明膜分离(s50)。

在硬化完成时，通过移动台50和60使透明膜移动，随后使已硬化的打印材料与透明膜分离。为了使分离顺利，通过降压孔35使压力降低来拉透明膜。或者，允许透明膜沿着形成在第一成型台32的一侧的倾斜面或倾斜槽(36)滑动，以便使已硬化的打印材料容易分离。

接下来，收集残留的打印材料和透明膜(s60)。

通过收集卷取元件41来收集使用过的透明膜，并将残留在透明膜上而未硬化的打印材料收集在打印材料收集容器61中。

重复步骤s10～s60，借此，逐层地堆叠已硬化的打印材料，其结果是按照预定程序制得了3d打印制品。能够使已收集的残留打印材料和透明膜再循环。

根据本发明的3d陶瓷打印机和用于3d打印的方法，因为打印是在具有特定尺寸的透明膜单元处进行的，所以不限制用于打印的材料，并且能够在一个装置中处理各种材料。还能够非常精确地控制层叠的厚度，从而能够以均匀的厚度逐层地形成塑造品，这表明将降低最终打印制品(3d打印结构)的不良率。

根据本发明，能够使打印材料与透明膜紧密地接触，并且能够基于立体光刻原理调节诸如打印时间、光波长和光强度等的条件，以使打印材料以均匀的厚度逐层地硬化。因此，能够防止不期望的但由较长的照射时间或较高的照射剂量诱发的局部硬化或硬化溶液变性，而使打印制品的品质仍然良好且规则。在通过对成型台进行光照射的成型过程中，材料供给部以连续驱动的方式作业以提供打印材料，这表明能够显著地缩短成型时间。

另外，根据本发明，因为仅为各层提供所必须的材料量，所以能够解决在使用材料罐的传统方法中察觉到的诸如由光强度不足或散射导致的低精度、附近浆料硬化以及变性等的问题。

每次都将打印材料提供到新的膜上，使得能够利用多个供给容器通过使用两种或更多种材料来制备具有复杂结构的结构。

同时，能够在使膜移动以便在新的膜上载置不同的材料之前，通过使用以特定角度与膜接触的刮板收集在成型之后留下的残留浆料，并且使残留浆料再循环。能够通过使用膜收集卷取件收集或重新获得使用过的膜。

本领域技术人员将会明白，在为了实施本发明的相同目的而改变或设计其它实施方式的基础上，可以容易地利用前述说明中公开的概念和具体实施方式。本领域技术人员还将会明白，这些等同的实施方式并不脱离本发明的如记载在权利要求书中的主旨和范围。