一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3D打印技术的制作方法

本专利涉及一种复合3d打印技术，特别涉及熔融沉积技术与光固化技术的复合3d打印技术，属于增材制造技术领域。

背景技术：

由于熔融沉积设备价格低廉、材料环保，熔融沉积技术目前已成为应用最广泛的快速成型技术之一。熔融沉积技术已被广泛应用于汽车制造、机械加工、精密铸造、航天航空、医疗、工艺品制作以及儿童玩具等行业，并取得了显著的经济效益。但采用该技术制作的产品机械性能差、表面精度低，限制了该技术进一步的发展及应用。光固化技术作为另一种成熟的增材制造技术，具有成形速度快，产品精度高等特点，被广泛应用于原产品开发、模具制造等行业。

熔融沉积产品强度低，除了原材料本身的原因外，主要受该技术本身的限制。由于熔融沉积技术固有的缺陷，导致产品内部孔隙率较高，且相邻丝材间粘结强度不足，致使采用该技术打印的产品强度不足；产品表面精度低主要是由该技术在熔融沉积成型过程中产生的台阶面所致。当前解决熔融沉积产品强度低、表面精度差等问题的主要方法是优化成型参数和向原材料中添加纤维等增强相。但该方法并未从本质上解决由熔融沉积技术固有的缺陷引起的产品强度低及表面精度差等问题，而国内外也少见可以将熔融沉积技术与光固化技术进行复合的复合3d打印技术。

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混合3d打印技术，将熔融沉积技术与光固化技术合二为一。分别利用两种技术的优点，既可以提高熔融沉积产品内部的致密度，降低孔隙率，提高相邻层间的粘结强度，进而提高产品的抗拉强度；又可以提高产品的表面精度，从而推动熔融沉积技术与光固化技术的进一步发展与应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3d打印技术。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：该复合3d打印技术依托于一种全新的复合3d打印机实现，该打印机包含一加热块，加热块内置加热元件与温度传感器。加热元器件将加热块加热至熔融沉积原材料融化所需的温度，并由温度传感器控制。

步骤2：加热块中间开设原材料进出通道，原材料经置于加热块上方的气动接头和散热管进入加热块，由加热块融化后经喷嘴挤出并固化到工作平台上。

步骤3：加热块外连接支架，支架连接光轴，光轴由步进电机控制，可实现喷头x、y方向的平面运动。

步骤4：工作平台内置在装有光敏树脂的液槽内，由丝杠控制上下运动，工作平台初始位置与液槽内的光敏树脂液面齐平。

步骤5：当由喷嘴挤出的原材料在工作平台上完成一个层厚的打印后，工作平台在步进电机的控制下下降一个层厚的高度并浸入到光敏树脂中。

步骤6：此时固定在加热块支架上的激光发生器产生激光，并对浸入到光敏树脂内部的熔融沉积部件表面进行扫描固化。

步骤7：完成扫描固化后，熔融沉积喷头在已经堆积的实体上进行下一层的打印。不断重复上述过程，直至整个零件打印完成。

本发明的效果和益处是：

(1)成形精度高。该复合3d打印机技术利用光固化技术打印产品的外表面，由于光固化技术本身具有成形精度高的特点，因此可明显提高熔融沉积产品的表面精度。

(2)产品性能好。该复合打印技术采用边堆积边扫描的成形方法，一方面可提高熔融沉积产品内部的致密度，降低孔隙率，另一方面可提高相邻层间的粘结强度从而提高熔融沉积产品整体的机械性能，促进熔融沉积技术与光固化技术的更广泛的应用。

(3)选材范围广。成形材料不仅可选用石蜡、abs、pla、pp、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑料等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等线材，还可用高分子材料与短纤维及连续纤维的混合物，选材限制小，适用材料种类多。

附图说明

图1(a)与图1(b)是本发明一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3d打印技术的示意图。

图中，1.丝杠，2.液槽，3.紧固螺钉，4.x方向激光发生器，4-1x方向激光发生器，5.加热元件，6.加热块，7.喉管，8.原材料，9.气动接头，10.散热管，11.温度传感器，12.y方向激光发生器，12-1.y方向激光发生器，13.连接架，13-1.固定架，14.激光器固定架，15.螺栓，16.加热块支架，17.光轴，18.喷嘴，19.工作平台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明为一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3d打印技术，该技术的示意图如图1所示，包括加热块6，加热块内置有加热元件5与温度传感器11，加热元件5通过紧固螺钉3固定在加热块6中，温度传感器通过过盈配合与加热块6固定；加热块6内开设原材料通道，由顶部贯穿至底部，顶部通道口与喉管7通过螺纹连接，喉管7另一端通过螺纹与散热管10连接，散热管则与气动接头9通过螺纹连接。加热块6通过加热块支架16由螺栓固定在连接架13上，连接架13与固定架13-1为一体，光轴17穿过固定架13-1并带动喷嘴实现x方向运动，光轴另一端由步进电机带动实现y方向的运动。激光器固定支架14通过螺栓15与固定架13固定，x方向的激光发生器4和4-1与y方向的激光发生器12和12-1分别固定在激光器支架14的x、y方向上。喷嘴18通过螺纹固定在加热块6内设通道的底部。

工作时，材料8经气动接头9、散热管10、喉管7进入加热块6的内设通道内，经加热块6上加热元件5加热融化后由喷嘴18挤出并固化到工作平台19上。工作平台内置在装满光敏树脂的液槽2内，并由丝杠1控制上下运动，工作平台19与液槽2内的光敏树脂液面齐平。当喷嘴18经加热块6、连接架13、固定架13-1、光轴17带动在工作平台19上完成x、y平面内的打印时，工作平台19在丝杠1的带动下下降一个层厚的高度，处于工作平台19上刚堆积完成的部分则刚好浸于液槽2中的光敏树脂中，且堆积部分的上表面正好与液槽2中的光敏树脂液面齐平。此时x方向的激光发生器4和4-1以及y方向的激光发生器12和12-1同时工作，对浸于光敏树脂中的固体表面进行扫描固化。扫描固化完成后，喷嘴18在堆积完成固体的上表面继续进行下一层的打印。不断重复上述过程，直至整个产品打印完成。

技术特征：

1.一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3d打印技术，其特征步骤如下：

步骤1：该复合3d打印技术依托于一种全新的复合3d打印机实现，该打印机包含一加热块，加热块内置加热元件与温度传感器。加热元器件将加热块加热至熔融沉积原材料融化所需的温度，并由温度传感器控制。

步骤2：加热块中间开设原材料进出通道，原材料经置于加热块上方的气动接头和散热管进入加热块，由加热块融化后经喷嘴挤出并固化到工作平台上。

步骤3：加热块外连接支架，支架连接光轴，光轴由步进电机控制，可实现喷头x、y方向的平面运动。

步骤4：工作平台内置在装有光敏树脂的液槽内，由丝杠控制上下运动，工作平台初始位置与液槽内的光敏树脂液面齐平。

步骤5：当由喷嘴挤出的原材料在工作平台上完成一个层厚的打印后，工作平台在步进电机的控制下下降一个层厚的高度并浸入到光敏树脂中。

步骤6：此时固定在加热块支架上的激光发生器产生激光，并对浸入到光敏树脂内部的熔融沉积部件表面进行扫描固化。

步骤7：完成扫描固化后，熔融沉积喷头在已经堆积的实体上进行下一层的打印。不断重复上述过程，直至整个零件打印完成。

2.根据权利要求1所描述的一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3d打印技术，其特征在于：

(1)将光固化技术的核心部件激光发生器固定在熔融沉积打印机的喷头上，实现两种打印技术交替、复合工作。

(2)熔融沉积打印过程所需的工作平台内嵌在光固化打印过程所需的树脂液槽内，且工作平台表面与液槽内的光敏树脂液面一直保持齐平。

(3)将熔融沉积技术与光固化技术复合，在同一台打印机上实现两种技术的复合打印。

(4)该复合打印技术所需的熔融沉积原材料不仅包含石蜡、abs、pla、pp、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑料等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等线材，还包含高分子材料与短纤维及连续纤维的混合物。

技术总结
一种基于熔融沉积与光固化技术的复合3D打印技术，属于增材制造技术领域。该复合3D打印技术依托于一种全新的复合3D打印机实现，打印机喷头集成了熔融沉积技术所需的部件及光固化技术的核心部件激光发生器。工作时，原材料经熔融沉积喷嘴挤出并固化到工作平台上；工作平台安装在装有光敏树脂的液槽内，且工作平台与树脂液面一直保持齐平；由喷嘴挤出的原材料在工作平台上完成一个层厚的打印后，工作平台在步进电机的控制下下降一个层厚的高度并浸入到光敏树脂中；此时固定在加热块支架上的激光发生器产生激光，并对浸入到光敏树脂内部的熔融沉积部件表面进行扫描固化；完成扫描固化后，熔融沉积喷头在已经堆积的实体上进行下一层的打印；不断重复上述过程，直至整个零件打印完成。本发明打印的产品具有表面精度高、产品机械性能好的特性，且本发明选材范围广，可促进熔融沉积产品的广泛应用，并推动熔融沉积技术与光固化技术的进一步发展。

技术研发人员：李红宾;杨化林;王廷利;王宪伦
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2020.07.22
技术公布日：2020.10.27