技术领域
[0001] 本发明涉及一种增材制造装置，尤其涉及一种3D打印装置及一种3D打印方法。
相关背景技术
[0002] 根据不同的成型原理，3D打印装置有多种，而在目前的太空环境如需要进行3D打印，通常是采用熔融沉积成型技术，当空间站内的仪器的零件损坏、又不能及时补充时，可以通过3D打印临时补充使用，采用熔融沉积成型技术相对简单、成本低，但是打印精度较低，操作繁琐，误差大，很难满足在太空中要求简单快捷的打印和高精确的要求。而光固化3D打印具有高精度、表面质量好的优点，但目前在太空中实现光固化3D打印难度较大，太空环境为微重力环境，使用者行动不方便，快速组装和操作光固化打印机的难度较大，整个装置在组装后存在较大装配误差，导致装置内光固化平台的位置偏移较大，影响3D打印成型质量，因此，亟需一种可以方便对光固化平台的位置进行调整的3D打印装置。
具体实施方式
[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038] 在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0039] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0040] 参照图1与图2，一种3D打印装置，包括光源机构、料箱、打印平台300与调位机构，其中，光源机构的顶侧设置有打印屏幕110，光源机构用于对树脂等3D打印材料进行固化，可以选用紫外线光源；料箱连接于所述光源机构顶侧，所述料箱与所述光源机构顶侧之间形成有料腔，所述料箱的外侧设置有连通于所述料腔的料孔211与气孔212；打印平台300位于所述料腔内；调位机构设置于所述料箱顶侧，所述调位机构具有可在所述料腔内上下活动的活动端，所述调位机构的数量有多个，多个所述活动端分别通过球铰连接于所述打印平台300，在实际应用中，调位机构的数量可以有四个，四个调位机构的活动端分别连接于打印平台300四个靠近边角的位置上，通过使用四个调位机构的活动端可分别或同时对打印平台300上下移动。
[0041] 由上述可知，工作前，通过多个调位机构的活动端分别带动多个打印平台300的不同位置上下移动，从而对打印平台300的位置姿态进行调整，使得打印平台300平行于打印屏幕110，并通过多个调位机构对打印平台300提供沿靠近或远离打印屏幕110的驱动力，工作时，从料孔211向料箱内注入树脂，并在气孔212处排出料腔内的空气，由光源机构从打印屏幕110处照射出需要成型的图案，对位于打印屏幕110与打印平台300之间的树脂进行光固化，随着将打印平台300逐渐远离打印屏幕110，逐渐在打印屏幕110与打印平台300之间成型出产品，如此提供一个相对密闭的料腔，可方便应用于不同的环境中，例如太空，并且可直接对组装完成后的打印平台300进行调平，不需要再对整个装置拆装调整，提高了3D打印的质量与效率。
[0042] 调位机构可以是电机410通过齿轮带动齿条上下移动的形式，此时齿条的底端为活动端，而为了更好地提高对齿条位置锁定的效果，在本实施例中，所述调位机构包括电机410、传动轮420与调节螺杆430，所述电机410连接于所述料箱的顶侧，所述传动轮420沿上下方向的轴线转动连接于所述料箱的顶侧，所述电机410传动连接于所述传动轮420，电机
410与传动轮420传动连接的方式有多种，例如电机410的输出端连接有第一齿轮，而传动轮
420上亦同轴地设置有第二齿轮，通过第一齿轮与第二齿轮的相互啮合，即可实现电机410带动传动轮420转动，又或者电机410的输出端与传动轮420之间通过蜗轮蜗杆相互传动连接，所述调节螺杆430沿上下方向滑动连接于所述料箱顶侧，所述调节螺杆430穿过所述传动轮420并与所述传动轮420螺纹连接，所述调节螺杆430的底端为所述活动端。电机410对传动轮420提供旋转的驱动力，当需要对调节螺杆430底端连接的打印平台300所在位置向上调节时，将电机410正转，由于调节螺杆430与传动轮420螺纹连接，并且调节螺杆430与料箱之间具有滑动连接限定，当传动轮420被带动传动时，可带动调节螺杆430向上移动，从而对打印平台300的位置姿态进行调整或带动打印平台300整体上移；同样的，当需要对调节螺杆430底端连接的打印平台300所在位置向下调节时，将电机410反转，可通过传动轮420带动调节螺杆430向下移动，从而对打印平台300的位置姿态进行调整或带动打印平台300整体下移。
[0043] 为了更好地控制打印平台300位置调整的准确性，在本实施例中，所述电机410传动连接有扭矩传感器440。当打印平台300相对打印屏幕110发生偏移时，将打印平台300下移到位后，存在打印平台300的某个位置与打印屏幕110相互碰撞的情况，此时打印平台300受到阻碍，阻碍的压力通过调节螺杆430、传动轮420传导至电机410，使得电机410的扭矩发生变化，此时可通过扭矩传感器440进行检测，从而方便对所在位置的电机410活动进行控制，当打印平台300贴近打印屏幕110后，多个位置的扭矩传感器440测得的扭矩值相同或在允许误差值内，即可判断打印平台300位置调整完成，如此可方便地对打印平台300的位置姿态进行调整。
[0044] 在实际应用中，根据扭矩传感器440反馈的数据，可以由人工控制调节，又或者由3D打印装置自身的控制器对扭矩传感器440的数据分析，然后反馈控制每个调位机构内电机410的运动，从而使得各个扭矩传感器440所得的数据趋于相同。
[0045] 光源机构主要用于从打印屏幕110向上发出光线，实现对树脂的固化，在本实施例中，所述光源机构包括底壳120、聚光罩130与光源，所述聚光罩130连接于所述底壳120内，所述聚光罩130围设形成有开口向上的聚光槽，所述光源位于所述聚光槽内，所述打印屏幕110连接所述聚光罩130顶侧，所述料箱连接于所述底壳120顶侧，所述料箱与所述底壳120顶侧之间形成所述料腔。底壳120连接于料箱底侧，在整体组装时，将料箱与底壳120相互连接，工作时，光源出光，利用聚光罩130将光线聚拢后向上发出，经过打印屏幕110投射出所需要的图案，从而在打印平台300底侧或固化后的树脂上继续对树脂固化成型。
[0046] 为了降低树脂对打印屏幕110造成的影响，在本实施例中，所述打印屏幕110顶侧设置有离型膜140，在实际应用中，离型膜140固定于一个外框上，外框上设置有可拆卸连接的压边，通过压边将离型膜140压紧于外框上，可方便地实现对离型膜140的更换，而外框安装于底壳120与料箱之间，即可实现对离型膜140在打印屏幕110上的固定。离型膜140本身为透明的软性薄膜材料，将其设置于打印屏幕110顶侧，可以防止打印屏幕110直接接触树脂，从而有效降低打印屏幕110受到腐蚀或损坏的情况，并且利用离型膜140可以辅助将打印完成的物体从打印屏幕110上剥离，减少了打印过程中的停顿时间，从而减少了打印过程中停顿的时间，提高了整体的打印效率。
[0047] 在一些实施例中，所述料箱与所述底壳120为可拆卸连接，两者可拆卸连接的方式有多种，例如，将料箱与底壳120卡扣连接，又或者是在料箱外侧与底壳120外侧之间设置有多个搭扣相互连接。可对料箱与底壳120进行拆装，方便对料箱内部或打印屏幕110等结构元件进行维护。
[0048] 料箱可以是一个一体式结构，而为了方便对内部清理，在本实施例中，所述料箱包括外围板210与顶盖220，所述顶盖220可拆卸地连接于所述外围板210顶侧，所述调位机构设置于所述顶盖220顶侧，所述顶盖220、所述外围板210与所述光源机构顶侧之间形成所述料腔。料箱包括有主要用于围成料腔内壁的外围板210，外围板210的顶侧与顶盖220可拆卸连接，可方便打开料腔上方的开口对内部进行维护，又或者是方便对调位机构拆出维护，提高使用的使用性。
[0049] 在太空中，由于工作环境温差较大，而光固化树脂的最佳工作温度通常在20℃到30℃之间，温度过低可能会增加树脂的粘度，导致打印过程中的流动性变差，而温度过高则可能导致过早固化或材料性能下降，因此在本实施例中，所述外围板210内嵌入有半导体制冷片，所述半导体制冷片用于对所述料腔加热或降温，半导体制冷片可以在外围板210的每一侧分别嵌入有多个，以提高控温效果。当料腔温度高于设定温度，控制半导体制冷片靠近料腔的一面进行制冷，可以通过增加电流增加制冷功率；当温度低于设定温度，控制反转电流方向，半导体制冷片靠近料腔的一面进行制热，如此有利于确保树脂始终在最佳工作温度范围内，从而优化树脂的流动性和固化特性，减少打印过程中可能出现的缺陷，提高产品的精度和表面质量。在实际应用中，还可以根据需要配备散热器和风扇辅助半导体制冷片工作。维持稳定的温度可以防止光固化树脂在温度波动下发生不必要的化学变化或劣化，使得产品的机械性能(如强度和韧性)更加一致，通过精确的温度控制，减少了打印过程中因温度不稳定导致的打印失败和缺陷，从而减少了材料浪费和时间损失。有助于降低生产成本，提高材料的利用率。
[0050] 进一步的，所述顶盖220与所述外围板210之间设置有密封圈230。密封圈230可加强顶盖220与外围板210之间连接位置的密封性，从而更好地使得料腔内部形成密封空间，适用不同的使用环境。在实际应用中，底壳120顶侧与料箱底侧之间亦可同样设置有密封圈230，从而加强底壳120与料箱之间的连接密封性。
[0051] 为了提高向料箱内注入树脂等液体的效率，在本实施例中所述料孔211在所述料箱的底部环绕布置有多个。当将树脂等物料输入料腔时，可从不同的料孔211向内输入，如此可提高树脂等物料在料腔内分布的均匀性，并提高树脂填充入料腔的效率。在实际应用中，可在料孔211处设置有进料开关阀，通过进料开关阀提高向料腔内注料的便捷性。
[0052] 当向料腔内注入树脂时，需要排出料箱的空气，为了保证排气效率，在本实施例中，所述气孔212在所述料箱的顶部环绕布置有多个，所述料箱内壁位于多个所述气孔212的位置设置有气液分离器，气液分离器主要用于避免液体从气孔212直接排出，可将液体与气体相互分离，其结构形式有多种，例如，气液分离器可以选用气液分离膜。当将树脂等物料输入料腔时，可从不同的气孔212向外排气，更好地满足物料快速加入料腔的需求，并且在气孔212位置设置有气液分离器，可将注入的树脂等液体进行分隔，避免从气孔212处排出。在太空微重力环境中，如树脂容易漂浮和移动。通过在打印开始前抽出料箱内的空气，使料箱内充满液态树脂，有利于避免树脂在微重力环境下漂浮，树脂被完全填满料箱后，即使失重状态下，树脂也不会因空气存在而漂浮不定，更好地确保打印的稳定性和材料的可控性，有利于避免在打印过程中形成气泡或空腔，保证打印过程的顺畅和模型的完整性。这种方式有效防止了因空气混入而引起的打印缺陷，在实际应用中，可在气孔212处设置有出气开关阀，通过出气开关阀实现自动打开或关闭气孔212，另外，还可通过料孔211向料腔内补充树脂，以弥补树脂固化时导致料腔内部的压力缺失。
[0053] 在对产品打印完成后，可以从料孔211抽出料箱内的树脂，并从气孔212注入空气，可以将料箱内多余的树脂快速排出。如此可以避免在树脂排出过程中形成负压，导致排出不畅，通过注入空气补充压力，可以有效推动液态树脂的排出。这一过程有利于保证打印结束后料箱内部没有残留树脂，减少了清理和维护的工作量，在下次打印时没有旧树脂的污染，提高了打印质量和效率。
[0054] 一种3D打印方法，使用上述的3D打印装置，包括但不限于以下步骤：
[0055] 步骤S100，多个所述调位机构的所述活动端同时带动所述打印平台300下移，直至所述打印平台300接触所述打印屏幕110时停止；
[0056] 步骤S200，获取多个所述电机410的第一扭矩变化值与第一预设扭矩阈值；
[0057] 步骤S300，判断所述第一扭矩变化值是否超过所述第一预设扭矩阈值，当所述第一扭矩变化值超过所述第一预设扭矩阈值时，进入步骤S400，控制调整对应所述活动端的高度，并使得对应所述电机410的第一扭矩变化值在所述第一预设扭矩阈值内；
[0058] 步骤S500，向所述料腔内注入树脂，并从所述料腔内抽气；
[0059] 步骤S610，控制打印平台300上升，从所述打印屏幕110出光对树脂固化成型。
[0060] 在使用此3D打印装置进行打印时，当打印平台300相对打印屏幕110发生偏移，将打印平台300下移到位后，存在打印平台300的某个位置与打印屏幕110相互碰撞的情况，此时打印平台300受到阻碍，阻碍的压力通过调节螺杆430、传动轮420传导至电机410，使得电机410的扭矩发生变化，此时可通过扭矩传感器440进行检测，当获取得到的第一扭矩变化值超过第一预设扭矩阈值时，则判断该位置存在偏移较大的情况，此时可通过活动端对该位置的高度进行调整，使得第一扭矩变化值调整至第一预设扭矩阈值内，实现对打印平台300的位置姿态进行调整，使得打印平台300平行于打印屏幕110，接着向料腔内注入树脂，并对料腔抽气，保证料腔内部气压正常，由光源机构从打印屏幕110处照射出需要成型的图案，对位于打印屏幕110与打印平台300之间的树脂进行光固化，随着将打印平台300逐渐远离打印屏幕110，逐渐在打印屏幕110与打印平台300之间成型出产品，如此可直接对组装完成后的打印平台300进行调平，不需要再对整个装置拆装调整，提高了3D打印的质量与效率。
[0061] 所述3D打印方法还包括但不限于以下步骤：
[0062] 步骤S620，判断所有产品是否打印完成；
[0063] 当所有产品未打印完成时，进入步骤S630，控制打印平台300上升；
[0064] 步骤S640，检测树脂体积损失量，并向所述料腔内注入树脂；
[0065] 步骤S650，控制所述打印平台300下移至上一工位，重复进行所述从所述打印屏幕110出光对树脂固化成型。
[0066] 通过将树脂光固化成型的方式，需要将产品逐渐成型，当所有产品未打印完成时，需要将打印平台300继续上升，从而使树脂回流，为下一层固化补充树脂，由于液态树脂固化后整体的体积会变小，容易在料腔内形成空腔，造成打印缺失，因此，检测树脂体积损失量，并根据树脂体积损失量向料腔内注入树脂，从而保持成型质量，再次控制打印平台300下移至上一工位处，亦即检测未完成产品时打印平台300所在的位置，然后重复进行从打印屏幕110处照射出需要成型的图案，对位于打印屏幕110与打印平台300之间的树脂进行光固化，如此有效减少产品内气孔的产品，提高产品成型质量，尤其应用于太空环境中进行3D打印。
[0067] 所述3D打印方法还包括但不限于以下步骤：
[0068] 步骤S661，获取多个所述电机410的第二预设扭矩阈值，并保持获取多个所述电机410的第二扭矩变化值与扭矩变化速率；
[0069] 步骤S662，判断所述第二扭矩变化值是否超过所述第二预设扭矩阈值，当所述第二扭矩变化值超过所述第二预设扭矩阈值时，步骤S663，控制对应所述电机410加速、减速或停止，并使得对应所述电机410的第二扭矩变化值在所述第二预设扭矩阈值内。
[0070] 扭矩传感器可以实时监控电机410的扭矩变化，如果在打印过程中某个步进电机的扭矩异常(如突然增大或减小)，这可能表明打印平台的某个部分遇到了阻力或障碍，或者某个电机410正在过载，这种情况可能会导致打印平台300的不稳定或不平衡运动，进而影响打印精度和模型表面的光滑度，通过保持监控第二扭矩变化值，可以及早发现电机410的潜在故障，并采取措施，例如暂停打印、维修设备或调整打印参数，从而减少因为设备故障而导致的打印失败或质量问题，在实际应用中，第二预设扭矩阈值可以与第一预设扭矩阈值为相同的范围值，又或者是设定比第一预设扭矩阈值较大的范围值，以提高打印平台300在工作过程中的运动误差。
[0071] 当第二扭矩变化值大于第二预设扭矩阈值时，可能出现打印平台300不平、异物堵塞或电机410卡顿阻塞的情况，当打印平台300某个角度倾斜，导致电机410需要更多的力来维持打印平台300水平；在异物堵塞中，打印平台300的打印路径上有异物(如固化的树脂颗粒)阻碍打印平台300的移动或打印头的运动；在电机410卡顿阻塞的情况中，电机410内部或电机410轴可能有物理障碍或磨损，导致电机410旋转时需要更多的力。当第二扭矩变化值小于第二预设扭矩阈值时，可能出现打印平台300失去接触、树脂层未完全固化、电机410故障等情况，当意外原因导致固化的光敏树脂与打印平台失去接触，电机410的扭短减少；在树脂层未完全固化的情况中，树脂未完全固化时，阻力小，导致电机410扭矩低于预期；在电机410故障的情况中，电机410可能因内部故障而失去正常的力传递，导致扭矩不足。
[0072] 若扭矩变化速率出现异常，可能出现机械振动、材料出现问题、电机或控制系统故障等情况。无论在第二扭矩变化值出现异常或扭矩变化速度出现异常时，均可对电机410的运行状态进行调整，通过将控制电机410加速、减速或者停止，使得打印平台300的姿态得到调整，从而最终使得电机410的第二扭矩变化值在第二预设扭矩阈值内。当无法完成对电机410的调整时，可以直接对整机停止，由人工进行调整。
[0073] 另外，还可在3D打印装置内配置有通讯模块，通过通讯模块可以允许地面控制中心的技术人员远程监控和操作3D打印系统，从而在不需要航天员干预的情况下进行故障排除和设备维护。这大大减少了操作人员的负担，提高了设备运行的可靠性和效率。其次，联网操作可以实现实时传输打印过程中的各种监控数据(如扭矩变化、温度、树脂消耗量等)到地面控制中心。通过分析这些数据，技术人员可以迅速识别和解决可能影响打印质量的问题，从而进一步优化打印参数，提高打印精度和模型表面质量。然后，通过联网，3D打印系统的软件可以远程更新，及时修复软件漏洞或添加新功能。这种灵活性对于应对太空中可能遇到的各种复杂情况至关重要，能够延长设备的使用寿命，提升整体性能。最后，联网功能使得操作流程更加简单，航天员可以通过地面指挥中心的远程操作进行打印设置和管理，减少了复杂的手动操作步骤，节省时间。
[0074] 所述3D打印方法还包括但不限于以下步骤：
[0075] 当所有产品打印完成时，进入步骤S670，控制打印平台300上升；
[0076] 步骤S680，从所述料腔内抽出树脂，并向所述料腔内充气。
[0077] 当判断产品打印完成后，控制打印平台300上升，此时通过对料腔内进行抽树脂、充气的操作，对料腔内的树脂回收，并方便取出成型后的产品。
[0078] 以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
