光固化快速原型制造用树脂涂层装置及快速原型制造方法

技术领域

    本发明涉及光固化快速原型制造用树脂涂层装置及快速原型制造方法，属于快速原型制造技术领域。

背景技术

快速原型制造技术是一种基于离散堆积原理的累加式成型技术。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品模型或样品。

光固化快速原型制造工艺以光敏树脂为原料，将计算机上设计的零件三维模型，表面三角化处理，存储成STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成扫描凝固路径，通过计算机控制紫外激光使其逐层凝固成型。当一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再涂覆上一层新的液态光敏树脂，刮刀将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行新一层的涂层的扫描凝固工作，如此重复，直至整个制件制造完毕。

目前的树脂涂层方法有两种，一种为负压吸附式涂层方法。该方法进行涂层的过程为：当一层二维轮廓固化完毕后，工作台下降一个层厚的距离，再采用负压吸附式涂层机构，实现在已固化层上表面涂覆新液态光敏树脂。该方法由于刮刀刀口与树脂液面之间有一定间隙，工件下沉时由于树脂粘滞不易流动而引起的凹陷或是刮刀快速运行等原因极容易使刮刀空腔失去负压而影响工件已固化层上表面新液态光敏树脂涂覆的均匀性，最终影响工件质量导致制件失败。特别是制作截面面积较大的工件时，因为负压吸附式涂层机构中的树脂量以及装置移动时在已固化层上表面涂覆的树脂量很难准确控制，容易使已固化层表面缺少树脂或难以保证其层厚精度致使涂层过程失败。另一种为浸没式涂层方法。该方法存在工作平台运动过程耗时较多，辅助工作时间较长，致使制作效率低等不足。

为解决上述不足，在中国专利号为2004100732595、公开日为2005年4月6日，名称为“一种用于光固化快速成型工艺的树脂涂层装置”设计出了活塞式工作台的树脂涂层制作。该装置包括储存槽以及与储存槽相连通的通过计算机进行控制的蠕动泵，蠕动泵通过管路与分点布置的喷头相连通，在分点布置的喷头正下方还设有缸体以及与缸体紧密配合的通过计算机控制的活塞，活塞的上表面与缸体的内圆柱面形成的空间作为容纳树脂的树脂槽，在活塞的上端与缸体的开口在同一水平面的位置还设有刮板以及与刮板相连接的换能器和由计算机控制的超声波发生器。在制作过程中，当一层树脂固化完成后，在计算机的控制下，活塞下移一层厚的距离，蠕动泵在计算机的控制下从储存槽中抽取定量的树脂并经喷头喷到树脂槽内，树脂喷好后，计算机控制超声波发生器通过换能器将振动传输给刮板，刮板沿水平方向进行刮平动作，完成树脂层的均匀涂覆工作，制件全部制作完成后，活塞上升到缸体的最顶端将制作顶出。

通过该专利文献中的树脂涂层装置进行涂层时存在以下不足：因喷头是固定不动的，必须使喷头上的喷孔的分布区域同活塞的大小相当才能避免树脂的局部过量堆积、使得树脂能够被刮板刮平，从而导致喷头的体积庞大、喷头会干涉制件从缸内取出，不适合于横截面较大的制件的制作；刮板的刮平动作是在完成对整个树脂槽的树脂填充后才进行的，因此在刮平前树脂裸露在光线下的时间较长，受光线中紫外光的影响，会产生固化而导致流动性变差，不利于刮平作业的进行，为此该专利文献中通过设计超声波装置和能量转换器来使刮板在振动中进行刮平动作，以克服树脂流动性差的问题，这样不但使得装置的结构复杂，而且刮板以振动的状态进行刮平动作，树脂层的表面会存在波纹即树脂表面的平整度差，不利于涂层层厚的降低；不能够对缸内没有固化的多余树脂进行回收利用；储液槽为开口设计，其内的树脂长期裸露在外，会导致树脂的流动性下降，不利于涂层厚度的降低；喷头喷树脂的过程同刮板的刮平过程分开进行，生产效率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的活塞式树脂涂层装置的上述不足，提供一种能以简单的结构高效地完成大面积薄层树脂涂层均匀平整地涂设的、树脂利用率高的光固化快速原型制造用树脂涂层装置及快速高质量省材地制造横截面较大的制件的快速原型制造方法。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：一种光固化快速原型制造用树脂涂层装置，包括主缸、与主缸内壁紧密配合的活塞式工作台、储存槽、泵以及控制泵和活塞式工作台的计算机，活塞式工作台的上表面和主缸的内表面之间形成容纳腔，其特征在于，还包括移动式喷涂装置，所述移动式喷涂装置包括设有喷口的喷头、刮刀以及通过所述计算机控制的驱动喷头与刮刀同步移动的驱动机构，所述喷头和刮刀位于活塞式工作台的上方，所述泵用于将储存槽内的树脂经所述喷头喷到所述容纳腔内。通过将喷头设计为可在活塞式工作台的上方移动的结构形式且喷头和刮板在同一个驱动结构的驱动下在活塞式工作台的上方移动，使得喷头在喷出树脂填充到容纳腔的同时刮刀能够即时将树脂的上表面刮平，从而避免了树脂层长期裸露在空气中受紫外线影响产生固化而导致的流动性下降的问题；因喷头为可移动的，因此不需要将喷头上的喷孔的分布区域设计为同活塞式工作台的大小相匹配，而只需要将喷头设计为垂直于移动方向的条形结构且喷孔沿喷头的长度方向分布即可，起到降低喷头的体积的作用、提高了结构的紧凑性，取出制件的过程中，通过驱动制作使喷头移离活塞式工作台的正上方，避免同取出制件的过程相干涉。

作为优选，喷头上的喷口为若干沿垂直于喷头移动方向分布的孔或沿垂直于喷头移动方向延伸的缝隙。能进一步降低经喷头喷到容纳腔内的树脂局部过度堆积，便于将树脂表面刮平，能实现更薄的树脂层的制作。

作为优选，所述刮刀有两片，两片刮刀沿喷头的移动方向分布在喷头上的喷口的两侧。喷头和刮刀的该结构关系使得喷头无论朝向那个方向移动都可以进行喷树脂的动作且刮刀能及时将树脂刮平，制作涂层时没有方向性限制，进一步制作涂层时的工作效率。

作为优选，所述喷头设有进口和配送腔，所述进口的内端位于配送腔的中部以下，喷口的出口端位于喷头的下表面上，喷口的进口端位于配送腔的上部。使用过程中储存槽内的树脂经进口进入配送腔、再经配送腔流向喷口、左后喷在容纳腔内。能够防止进入喷头的树脂直接从正对进口的喷口喷出，树脂从各个喷口喷出时的流速的一致性好，防止容纳腔内的树脂产生局部堆积、提高喷涂效果。

作为优选，所述喷头包括可拆卸连接在一起的两个半部，所述配送腔和喷口设置在两个半部的连接面上。制作喷头、清洁喷头内部空间和喷口时方便。

作为优选，所述容纳腔各处的宽度尺寸相等，所述驱动机构包括沿容纳腔的宽度方向跨接在主缸两侧之间的安装座和驱动安装座沿垂直于容纳腔的宽度方向移动的驱动马达，所述喷头和刮刀连接在所述安装座上。工作过程中，驱动马达通过驱动件驱动安装座在容纳腔上方作往复运动，安装座带动喷头和刮板一起移动。喷头从容纳腔的一侧移动到另一侧的过程中即能完成一个树脂层的喷涂刮平动作，再从另一侧回移到一侧时又能完成下一层树脂层的喷涂刮平动作，填充出树脂层时的效率高。由于树脂层的表面不是通过分段刮平的，因此不会产生接缝痕迹，树脂层的表面平整度好。

本发明还包括回收槽，所述主缸的上端设有溢流口，回收槽通过所述溢流口同容纳腔相连通，所述刮刀同所述溢流口位于同一水平面上。每制作一个涂层所喷出的树脂量为刚好使树脂填充在容纳腔内时液面同溢流口平齐。在制件完成后，喷头和刮板移动到避开主缸的正上方，活塞式工作台上升到比溢流口略高将制件顶出，使得没有固化的树脂在重力作用下经溢流口流到回收槽内，回收槽内的树脂回收到储存槽中进行回收利用。树脂的利用率高，能降低生产成本。

作为优选，所述回收槽为沿主缸的周向延伸的设置在主缸外表面上的环形槽。主缸如果因意外而满出时，树脂能够被回收槽接住、不会产生树脂报废、污染设备和场地，使用时的安全性好且结构紧凑。

作为优选，所述泵为压力泵，所述储存槽为密封槽，所述泵设置在回收槽和储存槽之间。储存槽设计为密封槽，树脂不易受潮和固化，能长期保持较好的流动性，便于树脂的铺平。泵设计为压力泵再配合密封的储存槽，一个泵即能同时完成将储存槽内的树脂输送到容纳腔内和将回收槽内的树脂回收到储存槽内的作用。结构紧凑，部件数量少。

一种快速原型制造方法，其特征在于，第一步、制作首层树脂涂覆层，首层树脂涂覆层的具体制作过程为：驱动机构在计算机的控制下使喷头和刮板移动到容纳腔的初始侧、活塞式工作台在计算机的控制下下降一个层厚距离，驱动机构使喷头和刮板从容纳腔的初始侧移动到初始侧的对侧、泵在计算机的控制下将储存槽中的树脂经喷头定量输送到容纳腔中，喷头喷洒树脂的过程中刮刀同步将容纳腔内的树脂刮平，对容纳腔内的树脂进行光固化；第二步、制作下一层树脂涂覆层，下一层树脂涂覆层的具体制作过程为：活塞式工作台在计算机的控制下下降一个层厚的距离，驱动机构在计算机的控制下使喷头和刮板作同制作上一层时的移动方向反向的移动、泵在计算机的控制下将储存槽中的树脂经喷头定量输送到容纳腔中，喷头喷洒树脂的过程中刮刀同步将容纳腔内的树脂刮平，对容纳腔内的树脂进行光固化；重复第二步直至整个制件制造完毕；第三步、活塞式工作台在计算机的控制下上升到同溢流口平齐或高于溢流口，主缸内没有固化的树脂从溢流口流到回收槽内并被压力泵回收到储存槽中。

本发明具有下述优点，将喷头设计为同刮板同步进行移动的方式，使得填充涂层和刮平树脂上表面的动作能够同时进行，树脂裸露的时间短，树脂流动性下降小，能实现涂层的精密刮平，涂层厚度可达到0.015毫米；结构紧凑简单、喷头不会干涉制件的取出、制作涂层时的效率高，便于进行大面积涂层的制作；设计回收槽及相关结构，能方便地对没有固定的树脂进行回收；泵设计为一个压力泵且储存槽设计为密封槽，能以最简的部件实现将储存从储存槽中输送到容纳腔内和将主缸内没有固化的树脂回收都储存槽中。

附图说明

图1为本发明实施例一的立体结构示意图。

图2为图1中的喷头的横截面示意图。

图3为本发明实施例二的俯视示意图。

图4为实施例二的喷头的仰视示意图。

图中：主缸1，活塞式工作台2，储存槽3，泵4，计算机5，移动式喷涂装置6，喷头61，左半边611，右半部612，进口613，配送腔614，喷口615，刮刀62，驱动机构63，安装座631，驱动马达632，滑轨633，链条634，容纳腔7，回收槽8，溢流口9。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一，参见图1，一种光固化快速原型制造用树脂涂层装置，包括主缸1、与主缸1内壁紧密配合的活塞式工作台2、储存槽3、泵4、计算机5和移动式喷涂装置6。

主缸1为矩形缸。活塞式工作台2的上表面和主缸1的内表面之间形成容纳腔7。主缸1的外表面上设有回收槽8。回收槽8为沿主缸的周向延伸的环形槽。容纳腔7和回收槽8通过设置在主缸1的上端的溢流口9相连通。

储存槽3为密封槽。泵4为压力泵。泵4的进口端通过管道同回收槽8相连通。泵4的出口通过管道同储存槽3相对接。

移动式喷涂装置6包括喷头61、刮刀62和驱动机构63。喷头61和刮刀62位于活塞式工作台2的上方。刮刀62同溢流口9位于同一水平面上。

驱动机构63包括安装座631和驱动马达632。在主缸1的前后两侧上各设有一条沿左右方向延伸的滑轨633。安装座631的前后两端滑动连接在两条滑轨633上。

驱动马达632通过两条链条634驱动安装座631在滑轨633上滑动。两条链条634位于安装座631的两端上。该种驱动方式使得安装座移动时的平稳性好且不会产生偏斜。

喷头61和刮刀62连接在安装座631上。插槽槽3通过软管同喷头61相连通。

活塞式工作台2、泵4和驱动马达632都通过计算机5进行控制。

参见图2，喷头61由可拆卸连接在一起的两个半部即左半边611和右半部612构成。喷头61设有进口613、配送腔614和喷口615。配送腔614和喷口615设置在左半边611和右半部612的连接面上。喷口615为沿前后方向即喷头61的长度反向延伸的缝隙。进口613的内端位于配送腔614的中部以下。喷口615的出口端位于喷头61的下表面上，喷口615的进口端位于配送腔614的上部。使用过程中，树脂是经进口进入喷头的。

刮刀62有两片，两片刮刀62分别同左半边611和右半部612为一体机构。两片刮刀62沿左右方向分布在喷口615的左右两侧。

参见图1和图2，通过本光固化快速原型制造用树脂涂层装置进行快速原型制造的方法为：第一步、制作首层树脂涂覆层，首层树脂涂覆层的具体制作过程为：驱动机构63在计算机5的控制下使喷头61和刮板62移动到容纳腔7的左侧当然设计为移动到右侧也行、活塞式工作台2在计算机5的控制下下降一个层厚距离，驱动机构63使喷头61和刮板62从容纳腔的左侧移动右侧、泵4在计算机5的控制下将储存槽3中的树脂经喷头61定量输送到容纳腔7中，喷头61喷洒树脂的过程中刮刀62同步将容纳腔7内的树脂刮平，然后对容纳腔7内的树脂进行光固化，光固化机构为现有机构，在图中没有画出；第二步、制作下一层树脂涂覆层，下一层树脂涂覆层的具体制作过程为：活塞式工作台2在计算机5的控制下下降一个层厚的距离，驱动机构63在计算机5的控制下使喷头61和刮板62从右向左移动、泵4在计算机5的控制下将储存槽3中的树脂经喷头61定量输送到容纳腔7中，喷头61喷洒树脂的过程中刮刀62同步将容纳腔内的树脂刮平，然后对容纳腔7内的树脂进行光固化；重复下一层树脂涂覆层的制作过程直至整个制件制造完毕；第三步、活塞式工作台2在计算机5的控制下上升到同溢流口9平齐，主缸1内没有固化的树脂从溢流口9流到回收槽8内并被泵4回收到储存槽3中。在制作相邻的树脂涂覆层的过程中，喷头和刮板的移动方向是相反的，在制作制件的整个工作过程中，喷头和刮板是作往复运动的且每作一次单程移动即完成一层涂层的上树脂和树脂刮平动作。

实施例二，参见图3，同实施例一的不同之处为，主缸1为扇环形。主缸1同活塞式工作台2所围成的容纳腔7为扇环形。回收槽8为设置在主缸1的外表面上的扇环形槽。使用过程中驱动电机632驱动安装座631作往复摆动、安装座631驱动喷头61沿容纳腔7的周向移动。

参见图4并结合图3，喷口615为若干沿容纳腔的径向分布的孔。喷口615开口面积从靠近驱动马达632的一端向远离驱动马达632的一端依次增大。使得虽然喷头61的内端（靠近驱动马达的端）和外端的线速度不同，同样能够使喷出的树脂不会产生局部堆积的现象。