三維快速成型設備和成型方法與流程

本發明涉及三維快速成型設備和成型方法，具體地說，是涉及一種把電子成像原理應用到增材制造方法的三維快速成型設備和成型方法。

背景技術：
三維（3D）快速成型，也被稱為增材制造，基本原理是通過打印或鋪設連續的材料層來產生三維物體。三維快速成型備或三維打印機通過轉換物體的三維計算機模型并產生一系列截面切片來工作，然后，打印每個切片，一個在另一個的頂部上，從而產生最終的三維物體。三維快速成型的方法主要包括的類型為：立體平板印刷或光固化（Stereolithography,SLA)、分層實體制造（Laminatedobjectmanufacturing,LOM)、選擇性激光燒結（Selectivelasersintering,SLS)、熔融沉積成型（Fuseddepositionmodeling,FDM)。三維成型過程中一些懸空的地方需要用支撐材料作為懸空部分的支撐，例如可以選用噴射后可固化的材料如蠟等，這種方案會導致三維快速成型設備需要準備不同的材料，過程復雜，且成型后分離的過程非常復雜。另外，當采用FDM方案進行支撐材料打印時，由于三維物體及其支撐結構均采用打印頭進行打印，由于受限于打印噴嘴的尺寸，打印出的三維物體及支撐結構的精度不高，支撐結構與成型結構的接觸面之間容易發生粘連作用，當去除支撐結構后也容易造成成型物體的接觸面發生損壞。電子照相成像技術是通過顯影組件把顯影劑在介質如紙上成像，顯影組件主要部件包括感光鼓、充電棍、激光掃描器、顯影棍和廢粉刮片、充電輥，另外還可以包括粉倉和廢粉倉。電子照相成像技術的部件的結構和它們之間的工作原理可參考申請號為CN201110220048.X、CN201410222958.5、CN201310137076.4、CN201010237520.6、CN201410182632.4、CN201110248333.2、CN200910266892.9的中國發明專利申請以及專利號為CN200720059274.3、CN200820046406.3的中國實用新型專利。鑒于電子照相成像技術的發展已經相對成熟，并且其在平面介質上的成像效果非常優異，因此現有技術中逐漸出現了一些方案而把這項技術應用到三維快速成型中。例如，申請號為CN201410568730.1的中國發明專利申請就公開了一種顯影劑、三維打印機和三維打印方法。在申請號為CN201320350051.8的中國實用新型專利中公布了一種三維打印快速成型設備，即三維打印機，其具有第一感光鼓、第二感光鼓、承印臺、轉印帶及光源，承印臺位于轉印帶沿鉛垂方向的下方。該三維快速成型設備利用現有激光打印機中的電子照相成像技術，在第一感光鼓土生成第一顯影劑圖像，第一顯影劑圖像由轉印帶轉印至承印臺上并經光照而固化成固體層;在第二感光鼓土生成第二顯影劑圖像，第二顯影劑圖像由轉印帶轉印至承印臺上位于固體層之外的區域。重復上述步驟，逐層打印出的固體層組成三維物體，第二顯影劑圖像組成粉末堆積體，形成三維物體的支撐結構。由于采用可光照固化的顯影劑為成型材料，不可光照固化的顯影劑為支撐材料，并采用電子照相成像技術，使打印出每層三維物體與支撐結構的厚度很薄，提高三維打印的精度。但是，上述方案由于采用了UV光固化顯影劑經固化后形成多個薄層，這樣就難以保證形成的每個薄層的表面為光滑平面，從而無法為后續打印的薄層提供良好的參考基準面，另外打印平臺的溫度為室溫溫度，當對薄層的上面進行固化加熱時，第一薄層的下表面，即第一薄層與打印平臺的接觸面的溫度較低，這樣就容易造成翹曲或收縮效應，從而造成打印精度降低。

技術實現要素：
本發明的第一目的是提供一種三維快速成型設備。本發明的第二目的是提供一種三維快速成型方法。本發明提供的三維快速成型設備包括第一顯影組件，第一顯影組件包括第一顯影劑，第一顯影劑為UV光固化顯影劑；第二顯影組件包括第二顯影劑；環形轉印帶用于承接第一顯影劑和第二顯影劑；電荷生成裝置用于向環形轉印帶產生電荷；打印平臺用于承接環形轉印帶上的第一顯影劑和第二顯影劑，從而形成薄層；UV光固化光源用于照射薄層，使得第一顯影劑固化；加熱裝置對打印平臺進行預熱；加熱壓平裝置對薄層進行加熱和壓平處理。由上述方案可見，通過UV光固化的第一顯影劑作為成型材料，而選取普通碳粉的第二顯影劑作為支撐材料，這樣就提高了三維打印物體的精度，并且在三維物體成型后支撐材料非常容易去除，不會對三維物體的成型結構的表面造成損傷；通常，UV光固化過程需要消耗較高的能量，并且相應延長了固化時間，而加熱裝置的預熱作用以及加熱壓平過程使得第一顯影劑的溫度快速達到一定溫度，加熱裝置的產生的加熱方式比UV光更加容易，因此這種方案能夠降低能量消耗，并且縮短UV光固化的時間；通過對每一薄層的壓平處理，能夠使得薄層在接受下一薄層的顯影劑時提供了一個良好的平面支撐，并且避免了翹曲效應的產生；對打印平臺的預熱處理，降低了第一薄層的顯影劑由于受熱不均勻造成的翹曲和收縮效應。一個優選的方案是，第二顯影劑的軟化溫度高于第一顯影劑的軟化溫度；加熱壓平裝置的加熱溫度高于第一顯影劑的軟化溫度但低于第二顯影劑的軟化溫度。由上述方案可見，把第一顯影劑的溫度加熱至軟化點以上，這樣在UV光固化過程中能夠降低能量消耗，縮短固化時間，并且保持第二顯影劑不發生軟化，這樣的方案還能夠避免第二顯影劑的顆粒之間發生粘連作用，而粘連作用會使得支撐材料與成型材料的分離變得困難。一個優選的方案是，加熱裝置設置在打印平臺上，加熱裝置為加熱板，加熱板具有多個獨立工作的加熱區域。由上述方案可見，針對不同的打印材料，加熱板可以在打印平臺的不同區域提供不同的加熱溫度，例如，對支撐材料和成型材料的區域設定不同的加熱溫度，從而降低能量消耗。一個優選的方案是，電荷生成裝置包括第一電荷生成器和第二電荷生成器；第一電荷生成器用于控制第一顯影劑的移動，第二電荷生成器用于控制第二顯影劑的移動。由上述方案可見，通過電荷吸引或排斥的原理實現顯影劑在不同部件之間的位置轉移，方便可靠，簡單易行。一個優選的方案是，第一顯影劑的顏色為紅色或黃色或藍色或黑色或紫色或綠色。由上述方案可見，形成各種顏色的三維物體，成型精度高。一個優選的方案是，加熱裝置的加熱溫度設定在50℃至90℃。三維快速成型方法，包括以下步驟，獲得三維物體切片分層后的每一層的成型數據；通過顯影使得第一顯影劑形成第一薄層；對第一薄層用UV光照射，使得第一顯影劑固化；然后再通過顯影形成后續薄層，對后續薄層用UV光照射，從而使得后續薄層上的第一顯影劑發生固化；在UV光照射之前，對第一薄層進行預熱；在UV光照射之前，對第一薄層和后續薄層進行加熱和壓平處理。由上述方案可見，通常，UV光固化過程需要消耗較高的能量，并且相應延長了固化時間，而加熱裝置的預熱作用以及加熱壓平過程使得第一顯影劑的溫度快速達到一定溫度，加熱裝置的產生的加熱方式比UV光更加容易，可見這種方案能夠降低能量消耗，并且縮短UV光固化的時間。一個優選的方案是，第一薄層還包括由顯影產生的第二顯影劑，在UV光照射下，第二顯影劑不發生變化。一個優選的方案是，后續薄層還包括由顯影產生的第二顯影劑，在UV光照射下，第二顯影劑不發生固化。由上述方案可見，第二顯影劑可以作為立體模型的支撐材料，這樣就提高了三維打印物體的精度，并且在三維物體成型后支撐結構非常容易去除，不會對成型結構的表面造成損傷。進一步優選的方案是，所述第二顯影劑的軟化溫度高于所述第一顯影劑的軟化溫度。一個優選的方案是，通過異性電荷相互吸引或通過同性電荷相互排斥而控制第一顯影劑和第二顯影劑的轉移。附圖說明圖1是本發明三維快速成型設備的第一實施例結構圖。圖2是本發明三維快速成型設備的第一實施例加熱壓平裝置在打印平臺上作用的狀態圖。圖3是本發明三維快速成型設備的第一實施例加熱壓平裝置在打印平臺上作用的狀態圖。圖4是本發明三維快速成型設備的第一實施例成型方法的流程圖。圖5是本發明三維快速成型設備的實施例形成第一薄層的截面示意圖。圖6是本發明三維快速成型設備的實施例形成另一種第一薄層的截面示意圖。圖7是本發明三維快速成型設備的實施例打印一種工字形三維物體的示意圖。圖8是圖7中工字形三維物體的支撐材料和成型材料的堆積示意圖。圖9是圖7中工字形三維物體的支撐材料和成型材料的另一種堆積方式的示意圖。以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。具體實施方式第一實施例：如圖1所示，本實施例的三維快速成型設備包括第一顯影組件10，第二顯影組件20、環形轉印帶30、UV光固化光源40、加熱壓平裝置50、加熱裝置60以及打印平臺70。第一顯影組件10包括容納第一顯影劑11的粉倉12、顯影輥13、充電輥14、感光鼓15、清潔刮刀16和廢粉倉17。第一顯影劑11為UV光固化顯影劑，第一顯影劑11在UV光的照射下其顆粒的之間發生粘連作用而形成一個整體結構。第二顯影組件20也包括容納第二顯影劑21粉倉，其它部件與第一顯影組件10相同，第二顯影劑21為普通的顯影碳粉，其在UV光的照射下不發生變化，即第二顯影劑21的顆粒之間不會發生粘連作用。其中，第二顯影劑21的軟化溫度高于第一顯影劑11的軟化溫度。第一顯影組件10和第二顯影組件20設置在同一水平位置，它們的下方位置設置有環形轉印帶30，環形轉印帶30在電機的帶動下能夠環形地轉動，這種轉動可以是順時針或者逆時針方向轉動。環形轉印帶30用于承接第一顯影劑11和第二顯影劑21。環形轉印帶30的第一位置設置了第一電荷生成器32，在第二位置設置第二電荷生成器34。第一電荷生成器32能夠產生正電荷或負電荷，第二電荷生成器34也能夠產生正電荷或負電荷，且第一電荷生成器32與第二電荷生成器34能夠分別獨立工作。在環形轉印帶30的下方位置設置有打印平臺70，打印平臺70用于承接環形轉印帶30上的第一顯影劑11和第二顯影劑21。在三維打印設備的控制單元的作用下，打印平臺70能夠相對于環形轉印帶30發生豎直方向的相對運動。打印預備階段，打印平臺70與環形轉印帶30之間具有一定間隔距離，這個間隔距離應該至少大于第一顯影劑11和第二顯影劑21形成的一個薄層的厚度，每當完成一個薄層的打印后，打印平臺70相對于環形轉印帶30遠離一個薄層的厚度，直到完成整個三維物體的打印，間隔距離優選為薄層厚度的1.2倍至1.5倍。在打印平臺70上設置了一個加熱裝置60，加熱裝置60對打印平臺70進行預熱。加熱裝置60可以是加熱板結構，加熱板具有多個獨立工作的加熱區域。在打印平臺上可以增加支撐腔73，作為支撐材料的第二顯影劑21在打印平臺70的端部與支撐腔73的內表面接觸，支撐腔73能夠對支撐材料起到支撐作用。UV光固化光源40用于照射薄層，使得第一顯影劑11發生固化。加熱壓平裝置50對每一個薄層進行加熱和壓平處理，加熱壓平裝置50為一個圓柱體，圓柱體既有加熱功能也具有壓平第一薄層的作用。加熱和壓平的方案一方面能夠避免三維物體的翹曲效應，另一方面還可以為下一薄層顯影劑的堆積提供良好的平面基礎。UV光固化光源40與加熱壓平裝置50形成一個整體結構，在控制單元的控制下其能夠沿水平方向相對于打印平臺70運動。如圖2所示，當打印平臺70上形成第一薄層71后，加熱裝置60已經對第一薄層71進行了預熱過程，然后加熱壓平裝置50在第一薄層71上進行按壓和加熱，其可以采用兩種方式，第一種方式是加熱壓平裝置50緩慢前行，當第一顯影劑11達到軟化溫度以上時，再進行UV光固化。第二種方式是加熱壓平裝置50在第一薄層71上反復加熱、按壓、固化，也就是加熱壓平裝置50在打印平臺70的兩個端部之間多次運動，直到完成第一薄層71的固化，這種方案能夠使得薄層的平面更趨平整。如圖3所示，當多個薄層堆積到一定厚度后，打印平臺70上的加熱裝置60就失去了對薄層72的加熱效果，加熱壓平裝置50對薄層72仍然進行加熱和壓平處理。進行三維成型操作時，如圖4所示，首先，執行步驟S1,得到需要打印的三維物體的每一層的成型數據，成型數據的獲得可以通過計算機對三維物體進行建模、分層切片而得到成型數據，也可以通過外部插入設備如存儲卡而直接把三維物體的成型數據導入到三維快速成型設備中，或者通過無線傳輸方式獲得成型數據。然后，執行步驟S2,得到第一薄層,即通過第一顯影組件10把粉倉12內的第一顯影劑11依次通過顯影輥13、感光鼓15而轉移到環形轉印帶30上。通過第一電荷生成器32產生與第一顯影劑11相異的電性的電荷，從而使得第一顯影劑11緊密地吸附在環形轉印帶30的外表面。通過第二顯影組件20把第二顯影劑21轉移到環形轉印帶30上，通過第二電荷生成器34產生與第二顯影劑21電性相異的電荷，從而使得第二顯影劑21緊密地吸附在環形轉印帶30的外表面。第一顯影劑11和第二顯影劑21由感光鼓轉移到環形轉印帶30上后，形成三維物體的第一薄層。當環形轉印帶30發生轉動后，第一薄層運動到打印平臺70的上方，此時第一電荷生成器32產生與第一顯影劑11相同的電性，根據排斥原理而使得第一顯影劑11由環形轉印帶30轉移到打印平臺70上，第二電荷生成器34產生與第二顯影劑21相同的電性，從而使得第二顯影劑21也轉移到打印平臺70上。由此，第一薄層由環形轉印帶30轉移到打印平臺70上。通過加熱裝置60對打印平臺70進行預熱，預熱可以在第一薄層轉移到打印平臺70之前或者之后。接著，執行步驟S3，對第一薄層進行加熱、壓平和UV光照射，使得第一顯影劑11發生固化。然后，執行步驟S4,再通過顯影原理形成下一薄層，下一薄層包括了第一顯影劑11，并且可以選擇性地包括第二顯影劑21，因為第二顯影劑21為支撐材料，如果三維物體在某些薄層不需要支撐材料，就不需要進行第二顯影劑21的堆積。接著，執行步驟S5,對步驟S4形成的薄層用UV光照射，從而使得薄層上的第一顯影劑11發生固化。然后，對成型過程進行判斷，如果三維物體的成型未完成，則返回步驟S4而進行下一薄層的成型，如果判斷結果顯示三維物體成型完畢，則完成打印過程。在完成打印過程后，操作人員可以手動取下三維物體，由于支撐材料仍然為粉末狀態，因此支撐材料非常容易與三維物體分離，支撐材料容易回收，從而降低成本、保護環境。最后需要說明的是，本發明不限于上述的實施方式，在其它實施例中，在三維成型物體的其中一個薄層中，如圖5所示，薄層80的截面可以為矩形,而如圖6所示，截面90可以為圓形。第一顯影劑形成的區域可以是三角形等規則圖案81，也可以是不規則圖案91。如圖7所示，當打印工字形三維物體92時，在進行底部區域93的打印時，第一薄層只需要堆積第一顯影劑作為成型材料，而不需要堆積作為支撐材料的第二顯影劑。當打印過程進入中部區域94時，每一薄層中既要堆積作為成型材料的第一顯影劑，也需要堆積作為支撐材料的第二顯影劑。如圖8所示，支撐材料95的截面可以形成矩形結構，如圖9所示，支撐材料96的截面也可以形成梯形結構，梯形結構的支撐材料能夠防止三維物體在成型過程中發生坍塌，從而避免三維物體失去支撐效果造成打印失敗。第一顯影劑的顏色可以為紅色或黃色或藍色或黑色或紫色或綠色。得到第一顯影劑的方法可以通過在普通顯影劑的制造過程中摻入光引發劑和光敏劑，光引發劑可以是安息香以及其衍生物，光敏劑可以是二苯甲酮、硫雜蒽醌。三維快速成型設備還可以安裝有位置感應裝置，位置感應裝置能夠感應到每一個薄層的位置是否在預設的位置，然后把感應到的信號傳輸到三維快速成型設備的控制單元，當其中的一個薄層在打印平臺上的位置發生偏差之后，就需要相應調節薄層轉移到打印平臺上的位置，從而提高三維物體的成型精度。上述這些設計也在本發明的權利要求保護范圍之內。