实现快速打印的3D分块打印方法和3D分块打印系统技术方案

实现快速打印的3D分块打印方法和3D分块打印系统，将含有磁性纳米颗粒的复合树脂加入到树脂盒内，开启树脂盒周围的三个同步固化光源，三个同步固化光源发射的激光经激光扩束器扩大后，再经液晶屏调整所为需要的形状，照射到树脂盒内，通过控制固化光源产生的单色准直光束控制树脂盒内待打印区域的固化成型，实现固化光源发送的光束在树脂盒内所有点的精确控温，使只有光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。本发明专利技术可以将任意大尺寸物件的打印时间缩短到极短时间复合树脂所需固化时间内，即使打印物件尺寸翻倍，所需打印时间也不会增加。由于打印区域同步成型，不会出现传统打印技术中层间结合力弱的问题，并提高了打印效率。

3D printing method for fast printing and 3D block printing system

The 3D block printing method and the 3D block printing system can be used for fast printing. The composite resin containing magnetic nanoparticles is added into the resin box, three synchronous curing light sources around the resin box are opened, and the laser beams emitted by the three synchronous curing light are expanded by the laser beam expander, and then the desired shape is adjusted through the LCD screen. In the resin box, by controlling the monochromatic collimating beam produced by the curing light source, the curing forming of the area in the resin box is controlled to realize the precise temperature control of the beam sent by the curing light in the resin box, so that only the resin of the beam gathering part is solidified and the 3D block is printed. The invention can shorten the printing time of any large size object to the curing time required for the composite resin in a very short time, and even if the size of the print object is doubled, the required printing time will not be increased. Due to the synchronous forming of printing area, there will be no problem of weak combination between layers in traditional printing technology, and the printing efficiency will be improved.

【技术实现步骤摘要】
实现快速打印的3D分块打印方法和3D分块打印系统
本专利技术涉及一种3D实物打印成型技术，具体涉及一种实现快速打印的3D分块打印方法和3D分块打印系统。
技术介绍
3D打印作为目前热门的成型加工技术，有着十分广泛的应用领域，3D打印技术是一种快速成型技术，它以数字模型文件为基础，利用粉末状金属、塑料树脂等材料，采用粘结剂粘合、光固化等方法，通过逐层打印的方式来构造物体。其中，常用的几种打印方法有：通过打印头向铺设的粉末材料层喷射粘合剂粘合成型；对光固化树脂采用UV光照射的光固化成型；对金属粉末的激光烧结；对热塑性粉末的激光烧结或热烧结等。这些方法通常都需要采用打印头逐层打印实现。首先通过计算机建模软件建模，再将生成的三维模型切片，生成逐层的截面信息，打印机读取文件中的截面信息，用液体状、粉末状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，各层截面间以各种方式粘合起来，形成一个实体。但由于上述3D打印技术都是由喷头逐点送料逐点打印或者逐层送料逐层打印，打印速度受到送料装置机械运动速度的限制和逐点或逐层打印时材料的成型时间的限制。在打印制品尺寸增加时，打印所需时间按照次方甚至三次方关系增加(例如利用FDM打印制品尺寸增加为原来的两倍时，在相同的密度下，打印时间会增加为原来的八倍)。为加快打印速度，对喷射方式的打印，考虑增加墨滴体积和打印层厚，结果是造成打印物体的精度和分辨率下降；而受墨滴发射频率的限制，难以提高扫描速度。还可以考虑拼接多个打印头来增加单次扫描的打印宽度，但仍然受打印区域宽度的限制。此外，还有多个打印头通过旋转底座同时进行多层的打印的设计。对于光固化成型可以考虑增加光强来打印厚度，结果也会造成打印物体的精度和分辨率下降。上述这些设计本质上都是通过加大送料量或加快送料速度来提高打印速度。当生产中打印模型增大时，所需的时间仍会成倍增长。另外，上述方式只能分层打印，导致采用上述成型方式时，层间结合力受到影响。因此，有必要对打印方法进行改进，改变现有技术中逐层成型的方式，以提高大型物件的打印速度并解决层间结合力问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种实现快速打印的3D分块打印方法和3D分块打印系统，从原理上改变现有成型方法，以提高打印的速度以及消除传统成型过程中层间结合力弱的问题。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种实现快速打印的3D分块打印系统，包括正方体状且用于盛装待打印的复合树脂的树脂盒，树脂盒的前壁、上壁以及一个侧壁上均设置有一个固化装置，固化装置外侧设置有能够产生单色准直光束，为待打印复合树脂的固化提供能量的固化光源，固化装置用于将固化光源同步发射的光束同步扩宽后调控为所需的准直光束，并在待打印区域发生光束汇聚；通过控制准直光束在树脂盒内所有点的控温，从而使光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。固化装置包括激光扩束器和液晶屏，固化光源和树脂盒之间依次设置激光扩束器和液晶屏；固化光源采用单色二极管激光器。树脂盒的边长L与复合树脂对固化光源发射的光的衰减深度具有如下关系：一种实现快速打印的3D分块打印方法，将含有磁性纳米颗粒的复合树脂加入到树脂盒内，开启树脂盒周围的三个同步固化光源，三个同步固化光源发射的激光经激光扩束器扩大后，再经液晶屏调整所为需要的形状，照射到树脂盒内，通过控制固化光源产生的单色准直光束控制树脂盒内待打印区域的固化成型，实现固化光源发送的光束在树脂盒内所有点的精确控温，从而使只有光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。本专利技术进一步的改进在于，含有磁性纳米颗粒的复合树脂通过以下过程制得：将磁性纳米颗粒加入到热固性树脂中，混合均匀，得到复合树脂。本专利技术进一步的改进在于，磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米棒、纳米球、金纳米棒或纳米球。本专利技术进一步的改进在于，磁性纳米颗粒的粒径为1-100nm。本专利技术进一步的改进在于，热固性树脂中纳米颗粒的浓度为100-1023个/mL。本专利技术进一步的改进在于，含有磁性纳米颗粒的复合树脂固化过程如下：复合树脂的热固化温度为Tg，所需固化时间为tg，复合树脂初始温度为T0，当复合树脂的任何一个点被一个光束照射到时，由于光热效应会使得该点处温度升高T1，此处温度升高至T0+T1；当复合树脂的任何一个点被两个光束照射到时，由于光热效应会使得该点温度升高2×T1，此处温度升高至T0+2×T1；当复合树脂的任何一个点被三个光束同时照射到时，由于光热效应会使得该点温度升高3×T1，此处温度升高至T0+3×T1；当在规定时间tg内满，足T0+3×T1>Tg>T0+2×T1时，则被三束光同时照射到的复合树脂发生固化。本专利技术进一步的改进在于，单双二极管激光器的激光发射方式为脉冲发射。本专利技术与现有技术相比，具有如下的有益效果：本专利技术通过在正方体状树脂盒的前壁、上壁以及一个侧壁上均设置有一个固化装置，固化装置外侧设置有能够产生单色准直光束，为待打印复合树脂的固化提供能量的固化光源，固化装置用于将固化光源同步发射的光束同步扩宽后调控为所需的准直光束，并在待打印区域发生光束汇聚；通过控制准直光束在树脂盒内所有点的控温，从而使光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。本专利技术结构简单，能够克服现有技术中逐点或逐层打印速度慢的问题。本专利技术通过三个同步固化光源发出的光束经激光扩束器扩大后，再经液晶屏调整所为需要的形状，照射到树脂盒内，可以实现任意复杂的图形，再由三束激光束相交可以打印任意复杂的图形。只要是在打印容器的尺寸允许范围内，无论多大，多复杂的器件都可在复合树脂所需固化时间内打印出来。本专利技术可以将任意大尺寸物件的打印时间缩短到极短时间复合树脂所需固化时间tg内，即使打印物件尺寸翻倍，所需打印时间也不会增加。此外，由于打印区域同步成型，不会出现传统打印技术中层间结合力弱的问题，并提高了打印效率。进一步的，在纳米结构的微粒收到特定光辐照时会产生光热耦合现象，这种由光热耦合的吸收效应，将吸收的热量集中于纳米尺度的颗粒中，使其成为绝好的纳米点热源，具有转化效率高、可灵活操控、高度局域化等特点，可为3D打印提供足够的固化能量，并且实现极高的分辨率和精度控制。附图说明图1为金属纳米颗粒的微观尺度光热耦合效果图。其中，图(a)为金属球温度分布图，图(b)为金属纳米棒的温度分布图，图(c)为金属纳米立方体的温度分布图，图(d)为金属纳米三棱柱的温度分布图。图2为本专利技术提出的打印系统的俯视图。图3为本专利技术提出的打印系统的正视图。图4为本专利技术提出的打印系统的侧视图。图5为本专利技术提出的打印系统效果图。图6为本专利技术提出的打印系统打印圆管时射出光束效果图。图7为本专利技术提出的打印系统打印圆管时光束汇聚区域效果图。图8为本专利技术提出的打印系统打印类螺母形状时射出光束效果图。图9为本专利技术提出的打印系统打印类螺母形状时光束汇聚区域效果图。图10为本专利技术提出的打印系统打印三圆柱相交形状时射出光束效果图。图11为本专利技术提出的打印系统打印三圆柱相交形状时光束汇聚区域效果图。图12为本专利技术提出的打印系统打印某复杂形状时射出光束效果图。图13为本专利技术提出的打印系统打印上述复杂形状时光束汇聚区域效果图。图14为本专利技术提出的打印系统打印针头形状时射出光束效果图。图15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现快速打印的3D分块打印系统，其特征在于，包括正方体状且用于盛装待打印的复合树脂的树脂盒，树脂盒的前壁、上壁以及一个侧壁上均设置有一个固化装置，固化装置外侧设置有能够产生单色准直光束，为待打印复合树脂的固化提供能量的固化光源，固化装置用于将固化光源同步发射的光束同步扩宽后调控为所需的准直光束，并在待打印区域发生光束汇聚；通过控制准直光束在树脂盒内所有点的控温，从而使光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。

【技术特征摘要】
1.一种实现快速打印的3D分块打印系统，其特征在于，包括正方体状且用于盛装待打印的复合树脂的树脂盒，树脂盒的前壁、上壁以及一个侧壁上均设置有一个固化装置，固化装置外侧设置有能够产生单色准直光束，为待打印复合树脂的固化提供能量的固化光源，固化装置用于将固化光源同步发射的光束同步扩宽后调控为所需的准直光束，并在待打印区域发生光束汇聚；通过控制准直光束在树脂盒内所有点的控温，从而使光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。2.根据权利要求1所述的一种实现快速打印的3D分块打印系统，其特征在于，固化装置包括激光扩束器和液晶屏，固化光源和树脂盒之间依次设置激光扩束器和液晶屏；固化光源采用单色二极管激光器。3.根据权利要求1所述的一种实现快速打印的3D分块打印系统，其特征在于，树脂盒的边长L与复合树脂对固化光源发射的光的衰减深度具有如下关系：4.一种基于权利要求2所述系统的实现快速打印的3D分块打印方法，其特征在于，将含有磁性纳米颗粒的复合树脂加入到树脂盒内，开启树脂盒周围的三个同步固化光源，三个同步固化光源发射的激光经激光扩束器扩大后，再经液晶屏调整所为需要的形状，照射到树脂盒内，通过控制固化光源产生的单色准直光束控制树脂盒内待打印区域的固化成型，实现固化光源发送的光束在树脂盒内所有点的精确控温，从而使只有光束汇聚部分的树脂发生固化，实现3D分块打印。5.根据权利要求4所述的实现快速打印的3D分块打印方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鼎臣，宋晓平，卢学刚，韩昶，员安然，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61