打印固化装置和直写式3D打印机的制作方法

打印固化装置和直写式3d打印机
技术领域
1.本实用新型涉及打印装备技术领域，特别涉及一种打印固化装置和直写式3d打印机。


背景技术：

2.直写式打印装备由于其技术成熟，可灵活搭载的多种喷头，已经成为3d打印中应用极广的一种技术。为了打印(成型)方便，打印用的耗材往往都具有一定的流动性，而一旦离开喷嘴完成打印，则希望能迅速固化保持一定强度以便于后续的打印。
3.相关技术中，实现打印耗材固化的方式一般有以下两种方式。一种方式是打印完一层后需要停顿下来等uv光源对整个打印面进行曝光；然后继续进行下一层打印，之后再停止打印去进行uv光照射固化一整层；反复重复这个步骤，层层打印成3d结构。采用此种在打印完一层后再整体照射uv光的固化方式，先打印出的耗材由于仍然具有流动性，会在重力作用下平铺、流淌，如果该层打印耗时很久，那么先打印出部分会比最后打印出的位置出现凹陷，从而影响打印精度。另一种方式是将uv光源布置成环形，即围绕喷嘴或出料的针头，360度环绕安装多个led灯珠来发射uv光，一边打印一边用uv光去照射刚打印过的位置，达到即时固化的效果。采用此种环形灯照射的固化方式不太适合光敏度很高的耗材，耗材刚离开喷嘴或针头，还没有来得及完全落到指定位置上就已经被uv光照射，导致耗材在针头或喷嘴附近固化，长期运行容易堵塞。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的是提出一种打印固化装置，旨在能够大幅度减少耗材从打印到固化的间隔时间，同时能够避免耗材堵塞喷嘴。
5.为实现上述目的，本实用新型提出的打印固化装置，用于与直写式3d打印机的机台连接，以执行打印和固化作业；所述打印固化装置包括：
6.基座；
7.打印组件，安装于所述基座，所述打印组件包括用于向成型平面打印耗材的喷嘴；
8.驱动组件，安装于所述基座；以及
9.固化组件，与所述驱动组件连接，所述固化组件包括用于向所述成型平面投射固化能量的能量源；在所述打印组件按照预设打印路径移动以执行打印作业的过程中，所述驱动组件能够驱动所述能量源绕所述喷嘴的周向转动调节，以使所述能量源的能量投射区域始终位于所述喷嘴的打印区域后方预设距离处，使所述能量源沿着所述预设打印路径移动以执行固化作业。
10.在其中一个实施例中，所述能量源采用uv光源，以对沉积于所述预设打印路径上的耗材进行光照固化。
11.在其中一个实施例中，所述打印组件还包括料筒、筒盖和进气管，所述料筒安装于所述基座，所述料筒的两端分别设有进料口和出料口，所述喷嘴与所述出料口对接并连通，
所述筒盖盖合于所述进料口，所述进气管设于所述筒盖远离所述料筒的一侧，所述筒盖设有将所述进气管与所述料筒连通的通孔。
12.在其中一个实施例中，所述基座包括基板和设于所述基板一侧的固定筒，所述基板设有安装口，所述固定筒与所述料筒同轴延伸设置，所述固定筒包括相对的第一端口和第二端口，所述第一端口与所述安装口对接并连通，所述料筒自所述安装口插置于所述固定筒内，所述喷嘴自所述第二端口穿出。
13.在其中一个实施例中，所述驱动组件包括驱动电机、传动件和转动盘，所述驱动电机固定于所述基板，所述转动盘可转动地套设于固定筒的外围，所述驱动电机经由所述传动件与所述转动盘连接，以驱动所述转动盘绕所述固定筒旋转，所述固化组件与所述转动盘连接。
14.在其中一个实施例中，所述传动件包括与所述驱动电机的输出轴连接的联轴器，以及与所述联轴器连接的传动齿轮，所述转动盘包括环设于所述固定筒外周的传动齿环，所述传动齿环与所述传动齿轮相啮合。
15.在其中一个实施例中，所述固定筒沿轴向依次套设有套筒、第一轴承和第二轴承，所述套筒夹置于所述基板和所述第一轴承之间，所述转动盘的内圈夹置于所述第一轴承和所述第二轴承之间。
16.在其中一个实施例中，所述固化组件还包括第一支架和第二支架，所述第一支架与所述转动盘连接，所述第一支架设有供紧固件穿设以与所述第二支架连接的连接孔，所述连接孔呈长条孔设置，所述第二支架设有供所述能量源安装的卡槽，所述能量源可沿所述卡槽的深度方向进行位置调节。
17.在其中一个实施例中，所述打印固化装置还包括外壳，所述外壳罩设于所述基座、所述驱动组件、所述固化组件和所述打印组件的外围，所述外壳还设有供所述喷嘴和所述能量源外露的敞口，所述外壳的外侧设有用于与所述机台连接的安装件。
18.本实用新型还提出一种直写式3d打印机，包括机台和与所述机台连接的如上所述的打印固化装置。
19.本实用新型的技术方案通过直写式3d打印机的机台带动打印固化装置移动以执行打印和固化作业。在打印组件按照预设打印路径移动以执行打印作业的过程中，驱动组件能够驱动能量源绕喷嘴的周向转动调节，以使能量源的能量投射区域始终位于喷嘴的打印区域后方预设距离处，使能量源沿着预设打印路径移动以执行固化作业。如此，打印组件按照任何预设打印路径在成型平面上进行打印作业时，能量源均能够紧随其后进行固化能量投射，从而能够大幅度减少从打印到固化的间隔时间。并且由于能量源只对打印后的位置进行固化能量投射，不会直接照射喷嘴或者喷嘴上的针头，从而能够防止不必要的固化导致喷嘴堵塞。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
21.图1为本实用新型打印固化装置一实施例的结构示意图；
22.图2为图1中打印固化装置的剖面结构示意图；
23.图3为图1中打印固化装置省去外壳后的结构示意图；
24.图4为图3中打印固化装置的剖面结构示意图；
25.图5为图1中打印固化装置的分解结构示意图；
26.图6为本实用新型打印固化装置的工作原理示意图；
27.图7为一实施例的打印固化装置进行打印固化的简要示意图；
28.图8为另一实施例的打印固化装置进行打印固化的简要示意图。
29.附图标号说明：
30.标号名称标号名称100打印固化装置31驱动电机10基座32传动件11基板33转动盘12固定筒331传动齿环13套筒34连接架14第一轴承40固化组件15第二轴承41能量源20打印组件42第一支架21喷嘴43第二支架22料筒431卡槽23筒盖50外壳24进气管60安装件30驱动组件
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31.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“a和/或b”为例，包括a方案、或b方案、或a和b同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结
合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
35.本实用新型提出一种打印固化装置100。
36.请参照图1、图2和图5，在本实用新型一实施例中，该打印固化装置100用于与直写式3d打印机的机台连接，以执行打印和固化作业；打印固化装置100包括基座10、打印组件20、驱动组件30和固化组件40。打印组件20安装于基座10，打印组件20包括用于向成型平面打印耗材的喷嘴21；驱动组件30安装于基座10；固化组件40与驱动组件30连接，固化组件40包括用于向成型平面投射固化能量的能量源41；在打印组件20按照预设打印路径移动以执行打印作业的过程中，驱动组件30能够驱动能量源41绕喷嘴21的周向转动调节，以使能量源41的能量投射区域始终位于喷嘴21的打印区域后方预设距离处，使能量源41沿着预设打印路径移动以执行固化作业。
37.具体地，该打印固化装置100用于与直写式3d打印机的机台连接，机台具体可采用xyz三轴可控制移动的机台，结合控制系统的控制软件可驱动打印固化装置100整体在x轴、y轴和z轴方向进行移动，从而实现点、线、面、体的多维度打印。打印固化装置100包括基座10，基座10用于作为打印组件20和驱动组件30的安装载体。打印组件20包括用于向成型平面打印耗材的喷嘴21，固化组件40包括用于向成型平面投射固化能量的能量源41，通过能量源41投射的固化能量可对耗材进行固化。在实际应用中，根据打印所用耗材的类型不同，可选择不同的能量源41以实现固化。例如，当打印所用的耗材采用光敏型耗材时，能量源41可采用光源(例如uv光源)，通过uv光源照射打印区域以对耗材进行固化。当打印所用的耗材采用热固型耗材时，能量源41可采用热源(例如热风枪)，通过热风枪吹扫打印区域以对耗材进行固化；当打印所用的耗材为需要采用射线进行固化的材料时，能量源41可采用能够发射相应射线的射线源；当打印所用的耗材为需要采用冷风制冷后固化的材料时，能量源41可采用冷风枪；当打印所用的耗材为需要采用磁场进行固化的材料时，能量源41可采用能够产生相应磁场的磁场源。本实施例中主要以耗材为光敏型耗材，能量源41为uv光源为例。
38.直写式3d打印机在工作时，通过机台带动打印固化装置100进行移动，通过打印组件20向成型平面打印耗材。其中，打印组件20包括带有喷嘴21的喷阀，通过喷阀的喷嘴21可向成型平面挤出或者喷射具有一定流动性的耗材，喷阀包括但不限于采用螺杆阀、气动阀、压电阀等等。以光敏型耗材为例，光敏型的打印耗材在未被打印到指定位置时保持液体状态，打印后通过uv光照射固化。喷嘴21的打印区域与能量源41的能量投射区域不相同。其中，喷嘴21的打印区域是指在某一时刻喷嘴21挤出或者喷射的耗材在成型平面上所覆盖的区域；能量源41的能量投射区域是指在同一时刻能量源41将固化能量投射到同一成型平面上所覆盖的区域，例如，如图6所示，当能量源41为uv光源时，能量投射区域即为uv光源投射至成型平面上所形成的光斑区域。打印区域和能量投射区域均大体呈圆形区域，打印区域的中心和能量投射区域的中心之间的间距为l。无论喷嘴21沿着任何打印路径进行打印时，能量源41必须落后其l的距离重复该打印路径，最终达到完全覆盖其打印的线条。例如，如图6所示，只打印一个点时，先发送打印信号，喷嘴21移动到指定位置后停止，接着喷嘴21向成型平面挤出或者喷射一个打印点(该打印点所覆盖区域即为打印区域)，此时能量源41在成型平面上的能量投射区域与喷嘴21的打印区域并不相同。当喷嘴21完成打印后，必须再
向前移动距离l，使能量源41的能量投射区域覆盖到刚刚完成的打印点，通过能量源41投射的固化能量对打印点处的耗材进行固化。为了保证固化效果，可选地，能量源41的能量投射区域的面积大于喷嘴21的打印区域的面积，从而能够保证固化能量可充分作用于耗材，以对该位置的耗材进行快速固化。如图7和图8所示，当打印路径为一条线时，例如可以是直线也可以是曲线，此时通过控制系统将驱动组件30与打印过程进行同步控制，通过驱动组件30驱动固化组件40旋转，进而使得能量源41能够绕喷嘴21的周向转动调节至合适位置，以使能量源41的能量投射区域始终位于喷嘴21的打印区域后方预设距离处，使能量源41进入实时尾随模式，使得喷嘴21运行的任意路径都会被随后的能量源41所投射的固化能量所覆盖，以对预设打印路径上的耗材进行固化。
39.本实用新型的技术方案通过直写式3d打印机的机台带动打印固化装置100移动以执行打印和固化作业。在打印组件20按照预设打印路径移动以执行打印作业的过程中，驱动组件30能够驱动能量源41绕喷嘴21的周向转动调节，以使能量源41的能量投射区域始终位于喷嘴21的打印区域后方预设距离处，使能量源41沿着预设打印路径移动以执行固化作业。如此，打印组件20按照任何预设打印路径在成型平面上进行打印作业时，能量源41均能够紧随其后进行固化能量投射，从而能够大幅度减少从打印到固化的间隔时间。并且由于能量源41只对打印后的位置进行固化能量投射，不会直接照射喷嘴21或者喷嘴21上的针头，从而能够防止不必要的固化导致喷嘴21堵塞。
40.在其中一个实施例中，能量源41采用uv光源，以对沉积于预设打印路径上的耗材进行光照固化。其中，uv光源可选用405nm或355nm的led灯，可根据匹配固化打印的耗材进行选择。
41.请参照图2和图5，在其中一个实施例中，打印组件20还包括料筒22、筒盖23和进气管24，料筒22安装于基座10，料筒22的两端分别设有进料口和出料口，喷嘴21与出料口对接并连通，筒盖23盖合于进料口，进气管24设于筒盖23远离料筒22的一侧，筒盖23设有将进气管24与料筒22连通的通孔。
42.在本实施例中，料筒22呈沿竖向延伸设置的中空状筒体，通过料筒22可存储一定量的打印耗材。料筒22的上端设有进料口，料筒22的下端设有出料口，出料口的面积一般小于进料口的面积，喷嘴21设于出料口处并向下延伸设置。进料口处盖设有筒盖23，通过筒盖23与料筒22围合形成封闭的储料腔，筒盖23上还设有与储料腔连通的进气管24，通过进气管24可向料筒22内供气，以便于打印耗材的进料。当需要向料筒22内加注打印耗材时，只需要将筒盖23打开，从进料口处向料筒22内加注打印耗材即可，操作简单方便。
43.为了便于料筒22的安装，如图2所示，在其中一个实施例中，基座10包括基板11和设于基板11一侧的固定筒12，基板11设有安装口，固定筒12与料筒22同轴延伸设置，固定筒12包括相对的第一端口和第二端口，第一端口与安装口对接并连通，料筒22自安装口插置于固定筒12内，喷嘴21自第二端口穿出。具体地，在本实施例中，基板11呈水平设置，固定筒12自基板11的底面向下延伸设置，固定筒12的形状与料筒22的形状相适配，固定筒12的第二端口的面积小于第一端口的面积。在装配时，将料筒22自上而下经由安装口插入至固定筒12内，料筒22底部的喷嘴21自固定筒12的第二端口处穿出，通过固定筒12可对料筒22进行限位，装配简单方便。
44.可选地，料筒22于进料口的周缘设有向外延伸的翻边，翻边与基板11抵接配合。当
料筒22与固定筒12装配到位后，通过进料口周缘处的翻边与基板11抵接配合，以对料筒22沿轴向的安装位置进一步进行限制，确保安装精度和安装稳定性。
45.请参照图3和图4，在其中一个实施例中，驱动组件30包括驱动电机31、传动件32和转动盘33，驱动电机31固定于基板11，转动盘33可转动地套设于固定筒12的外围，驱动电机31经由传动件32与转动盘33连接，以驱动转动盘33绕固定筒12旋转，固化组件40与转动盘33连接。
46.在本实施例中，转动盘33呈环形设置并套设于固定筒12的外围，驱动电机31可通过连接架34与基板11的底面固定连接，驱动电机31经由传动件32与转动盘33传动连接，固化组件40与转动盘33连接，固化组件40的能量源41与打印组件20的喷嘴21相邻设置。需要说明的是，虽然能量源41与喷嘴21相邻设置，但能量源41所投射的固化能量并不会直接照射喷嘴21，可以避免耗材在喷嘴21处固化而堵塞喷嘴21。驱动电机31经由传动件32带动转动盘33绕固定筒12的周向进行360
°
旋转，进而能够使能量源41绕喷嘴21的周向进行360
°
旋转，以将能量源41旋转到指定角度。如此，使得驱动电机31可在外部信号的控制下总是把能量源41转动到喷嘴21的打印位置之后，重复喷嘴21的打印路径，从而实现打印之后能量源41紧随其后进行固化的效果。其中，驱动电机31包括但不限于采用步进电机、伺服电机等。传动件32与转动盘33之间的传动结构包括但不限于采用齿轮传动，同步带轮传动，凸轮传动等等。
47.在其中一个实施例中，传动件32包括与驱动电机31的输出轴连接的联轴器，以及与联轴器连接的传动齿轮，转动盘33包括环设于固定筒12外周的传动齿环331，传动齿环331与传动齿轮相啮合。具体地，转动盘33包括均呈环型设置的环本体和传动齿环331，传动齿环331设于环本体的顶面并靠近环本体的内周缘处，传动齿环331的外周面沿周向设有一圈齿牙，传动齿环331通过齿牙与传动齿轮啮合。驱动电机31的输出轴经由联轴器带动传动齿轮转动，进而通过传动齿轮带动传动齿环331转动，从而实现转动盘33的旋转。在本实施例中，传动件32与转动盘33通过齿轮结构实现动力传递，结构简单，传动可靠。为了进一步保证传动可靠性，可选地，环本体与传动齿环331一体成型设置。
48.如图4和图5所示，在其中一个实施例中，固定筒12沿轴向依次套设有套筒13、第一轴承14和第二轴承15，套筒13夹置于基板11和第一轴承14之间，转动盘33的内圈夹置于第一轴承14和第二轴承15之间。通过第一轴承14和第二轴承15的配合可将转动盘33可转动地安装于固定筒12的外周，通过套筒13可对轴承进行支撑。
49.为了便于对能量源41的位置进行调节，如图4所示，在其中一个实施例中，固化组件40还包括第一支架42和第二支架43，第一支架42与转动盘33连接，第一支架42设有供紧固件穿设以与第二支架43连接的连接孔，连接孔呈长条孔设置，第二支架43设有供能量源41安装的卡槽431，能量源41可沿卡槽431的深度方向进行位置调节。
50.具体地，第一支架42可采用钣金折弯成型，第一支架42可包括与转动盘33的底面连接的第一板体，自第一板体的一侧向下延伸的第二板体，以及自第二板体远离第一板体的一侧向下延伸并朝向喷嘴21倾斜设置的第三板体，第二支架43与第一支架42的第三板体连接固定，能量源41与第二支架43连接固定，以使得能量源41整体朝向喷嘴21倾斜设置，使得能量源41与喷嘴21之间的距离相对较小。第一支架42设有连接孔，连接孔可设置为圆孔或者长条孔，可选地，连接孔设置为长条孔，以使得第二支架43相对第一支架42的连接位置
可以进行微调，进而实现能量源41的位置微调。例如，长条孔可沿左右方向延伸设置，以使得第二支架43可相对第一支架42在左右方向进行位置调节。第二支架43设有斜向下开口卡槽431，能量源41可沿卡槽431的深度方向进行位置调节，从而使得能量源41能够进行上下调节。如此，使得能量源41在上下左右方向均可进行位置微调。通过对能量源41的位置进行调节，从而能够调整能量源41的能量投射区域和喷嘴21的打印区域之间的距离，通过调整该距离可以微调耗材从打印到固化的等待时间。
51.在上述实施例的基础上，如图1和图5所示，在一实施例中，打印固化装置100还包括外壳50，外壳50罩设于基座10、驱动组件30、固化组件40和打印组件20的外围，外壳50还设有供喷嘴21和能量源41外露的敞口，外壳50的外侧设有用于与机台连接的安装件60。在本实施例中，通过设置外壳50可对内部的各功能组件起到固定和安全防护作用，并且通过外壳50外侧的安装件60便于将整个固化打印装置安装到机台上。可选地，外壳50采用具有第一强度的钣金件制成。
52.本实用新型还提出一种直写式3d打印机，该直写式3d打印机包括机台和与机台连接的打印固化装置100，该打印固化装置100的具体结构参照上述实施例，由于本直写式3d打印机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
53.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。