[0001] 本发明属于材料3D打印设备领域，更具体地，涉及一种可用于微重力环境的全封闭式光固化树脂3D打印设备及打印方法。

[0002] 为了实现深空探索、建立地外基地等目标，急需开发应用于空间站或地外基地等微重力空间环境中的空间制造技术，其目的主要是为了尽量减少通过运载火箭和飞船运送所需物品，降低运输周期和运输成本，实现地外空间站自我维持和宇航员的长期驻留。

[0003] 3D打印技术依据零件的数字化信息，采用逐层堆积的形式直接成形零件。与传统减材制造或等材制造技术相比，减少了材料的浪费和对模具的需求，同时对需求的响应更加快速，适合小批量定制化产品的快速制造，是用于空间制造的最佳选项之一。

[0004] 现阶段可用于微重力环境的3D打印技术主要以用于塑料和复合材料的熔融沉积(FDM)技术，以及用于金属的送丝式熔融沉积、金属液滴喷射等技术。其中，针对塑料和复合材料的FDM技术受低重力影响，打印零件存在不易致密等问题，另外FDM打印精度一般，也限制了其空间应用。为了克服微重力环境造成的问题，现阶段的解决方案主要可以分为以下几类：1)利用丝材进行打印，2)利用压力喷射液滴或利用电场控制液滴运行方向进行打印，3)使打印设备旋转产生离心力模拟重力。如专利CN105034376A公开了一种丝材的3D打印方法，解决了微重力情况下3D打印材料难以挤出和难以成形的问题，但材料挤出技术精度低的问题未得到解决。专利CN113274856B公开了一种应用电场控制液滴进行直写打印的方法，解决了液滴在微重力飞行过程中容易受外力干扰产生飞溅的问题，但必须首先使液滴带电荷，因此过程相对复杂。光固化3D打印精度高，可用于成形塑料、陶瓷等多种材料，专利CN111941834A公开了一种通过旋转浆料平台产生离心力模拟重力，从而实现浆料的平铺和打印，但是该设计中需要与打印平台一同旋转的设备较多，在狭小空间内使用时存在一定的安全隐患。另外，该设计未考虑打印及后处理过程中液体可能在微重力环境中飞出污染环境的问题。

[0044] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0045] 如图1所示，本发明提供了一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统，包括打印模块1、液体存储模块2和电控模块3；每个模块均可单独更换，提高了设备的稳定性和可维护性；且打印模块1和液体存储模块2共同设置同一个底板上，在底板的下方设置电控模块3；每个模块均可单独拆卸，电路和气液管路通过快接头相连，保证模块损坏且无法修复时可单独更换。

[0046] 具体的，如图2所示，打印模块1包含封闭式外壳111，打印舱门112，透氧离型膜底板113、打印平台131、阵列孔板12、气泵161、手动排液管接口15、搅拌器14；

[0047] 其中，封闭式外壳111，打印舱门112，透氧离型膜底板113、三者构成了封闭的打印舱；在打印舱内设置一个可以上下移动的打印平台131；打印时舱内注满光固化树脂，打印平台131在光固化树脂内上下移动；打印舱底部为透氧薄膜构成的透氧离型膜底板113；打印舱包含一个具有密封结构的打印舱门112，打印和清洗步骤完成后将零件从打印舱门112取出；打印舱内还包含一个与液体泵模块相连的阵列孔板12，用于打印舱内液体的排出和注入，其中阵列孔板12位于打印舱的一个侧壁内侧，当然不难理解的，阵列孔板12还可以设置两个、三个，位于其他内壁的内侧；

[0048] 与打印舱相连的气泵161通过往打印舱充气或吸气辅助打印舱注入或排出液体，气泵161还用于循环打印舱内空气，对清洗完成后的零件进行风干，具体的气泵161通过气管162、微型气液分离器163与打印舱相连。

[0049] 打印舱还包括可插入排液管的手动排液管接口15，用于在必要时利用与液体泵相连的排液管手动排出打印舱内残存的液体；手动排液管接口15设置在与阵列孔板12相对的封闭式外壳111的内壁上；

[0050] 在打印舱的顶部还设置一个搅拌器14，用于对清洗液进行搅拌；在打印舱外侧设置有电磁阀17，共有三个电磁阀17分别与三个液泵相连，液泵模块包括三个液泵，每个液泵与打印舱之间都有一个电磁阀、一个液泵对应一个液囊。往打印舱注入和排出液体时液泵都要工作。液泵模块位于底板18下部，用于将三个液囊内的液体泵入或排出打印舱。

[0051] 如图3所示，液体存储模块包含三个工位，分别用于存储光固化树脂、清洗液和废液。每个工位包含一个用于存储液体的风琴式可压缩液囊，和用于挤压和提拉液囊的平板升降机构，具体的，包括光固化树脂液囊、清洗液液囊、废液液囊；具体的，包括顶板21，底板18，顶板21通过四根连接柱与底板18相连，且顶板和底板之间设置有竖直设置的三组直线驱动装置，每组直线驱动装置包括丝杠221、导轨223，滑块222和丝杠电机224，丝杠221上设置有滑块222，滑块222沿着导轨223移动，每个滑块与各自对应的平板升降机构相连；工位底板和平板升降机构利用卡扣与各自对应的液囊固定，工位底板还有用于液体管道通过的孔位。液囊置于工位底板和平板升降机构之间，液囊一端装有快接头，与液体管道进行快速连接，另一端与平板升降机构相连，平板升降机构下降时挤压液囊排出液体，上升时提拉液囊，使液囊内产生负压注入液体。用于存储液体的风琴式可压缩液囊为标准设计，用于存储光固化树脂和清洗液的液囊排空后，可用于存储废液，提高了液囊使用率，避免出现载荷浪费；具体的，所述的光固化树脂液囊通过光固化树脂液管与第一液泵相连，所述的阵列孔板入口通过第一液泵电磁阀与第一液泵相连；所述的废液液囊通过排液管、第二液泵、第二液泵电磁阀与打印舱相连通，所述的清洗液液囊通过清洗管、第三液泵、第三液泵电磁阀与打印舱相连通。

[0052] 上述的第一液泵、第二液泵以及第三液泵未在图中进行分别标注，统一标注为液泵模块272；第一液泵电磁阀、第二液泵电磁阀以及第三液泵电磁阀未在图中进行分别标注，统一标注为电磁阀17；光固化树脂液管、排液管、清洗管未在图中进行分别标注，统一标注为液管271；

[0053] 具体的，工作方法如下：

[0054] 打印前，光固化树脂存储位的平板升降机构23下降，挤压存储光固化树脂的液囊24，液泵模块272中的第一液泵(正转)启动，第一液泵电磁阀打开，使光固化树脂通过阵列孔板12进入并充满整个打印舱。紧贴打印舱壁设置的排液用阵列孔板12具有多列联通的排液微孔，从打印舱顶部至底部完全覆盖，保证在微重力环境下能够高效的排出和注入液体。
气泵161和气管162设置在远离液泵的一端，往打印舱内注入液体时，气管162入口的气泵电磁阀164打开，气泵161按需启动从打印舱往外抽气，辅助注入液体，同时气管162装备有微型气液分离器163，确保液体不会进入气泵。不需要气泵工作时，气泵电磁阀164关闭。打印舱内充满液体后，第一液泵关闭，第一液泵电磁阀关闭，打印平台131下降至打印位置开始打印。

[0055] 打印完成后，光固化树脂存储位的平板升降机构23上升，提拉光固化树脂液囊24，液泵模块272的第一液泵再次启动(反转)，第一液泵电磁阀打开，回收打印舱内的光固化树脂。此时气泵电磁阀打开，气泵按需启动往打印舱内注入气体，辅助排出液体。在特殊情况下，与液泵相连的手动排液管可从手动排液管接口15进入打印舱，手动排出多余的光固化树脂。

[0056] 光固化树脂排空后，第一液泵关闭，第一液泵电磁阀关闭，清洗液存储位的平板升降机构25下降，挤压存储清洗液的液囊26，同时第三液泵电磁阀打开，第三液泵启动，将清洗液泵入打印舱，气泵继续保持工作，按需从打印舱往外抽气，辅助注入液体。清洗液注入完成后，气泵电磁阀关闭，气泵关闭，第三液泵关闭，第三液泵电磁阀关闭，同时搅拌器14启动，搅拌清洗液以实现高效清洗。清洗完成后，清洗液存储位的平板升降机构25上升，提拉清洗液液囊26，同时第三液泵电磁阀打开，第三液泵反转启动，将清洗液排出。此时气泵电磁阀再次打开，气泵往打印舱内注入空气，辅助清洗液的排出。

[0057] 第三液泵电磁阀关闭，第三液泵关闭，气泵161继续工作，使打印舱内气流循环，风干清洗后的零件。零件风干完成后，气泵电磁阀关闭，气泵关闭，打开舱门112，将打印平台取出，摘除打印的零件。至此打印流程完毕。

[0058] 当清洗液使用到一定次数后需要废弃时，废液存储位的废液液囊的平板升降机构28上升，提拉废液液囊29，同时液泵模块272的第二液泵启动，第二液泵电磁阀打开，将废液排出。废液排出完成后，第二液泵电磁阀关闭，第二液泵关闭。

[0059] 具体的，如图4所示，丝杠滑轨模组132需要被柔性护罩133完全包裹，顶部和底部与打印模块封闭式外壳11之间密封连接，柔性护罩133与打印平台131的接触位置密封连接；上述打印平台131的升降运动通过直线驱动装置实现，直线驱动装置包括打印平台丝杠1321、打印平台滑块1322、打印平台滑轨1323、护罩133、打印平台电机134；所述的打印平台电机134驱动打印平台丝杠1321转动，打印平台丝杠1321上设置打印平台滑块1322，打印平台滑块1322连接打印平台131，且在打印平台丝杠1321的两侧还设置有打印平台滑轨1323，打印平台滑块1322沿着打印平台滑轨1323移动，其在整个装置外面还设置有护罩133。进一步的，护罩133为柔性结构，随打印平台131的升降进行变形，保证带动打印平台的丝杠滑轨模组在打印舱内充满液体时不受光固化树脂的影响。

[0060] 具体的，如图5所示，多孔阵列板15为中空结构，其底部设置有光固化树脂入口，在靠近打印舱内部的整个面上设置有若干小孔，且其顶部和底部的小孔的密度大于中间位置的小孔的密度，进一步加大液体排出的流量，确保打印舱两端的边角位置不会有液体残留，保证打印舱内液体的充分排出；

[0061] 进一步的，多孔阵列板的内外表面针对所使用的光固化树脂做低润湿性处理，保证在排液时液体不会粘粘在阵列孔板上，以保证液体的充分排出。

[0062] 进一步的，多孔阵列板15略低于打印舱壁的高度，且覆盖其所对应的打印舱壁的整个面；小孔151被脊板152分割成多个区域。

[0063] 进一步的，如图6所示，为打印机电控模块的结构示意图，其包括DLP模块31，中央控制系统32，框架结构33；在所述的框架结构33内设置DLP模块31和中央控制系统32。电控模块与其他各个模块中的运动机构、气体泵、液体泵和传感器等通过电连接实现中央控制系统的集成控制，并通过控制DLP模块实现对3D打印过程的程序控制。

[0064] 最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

[0065] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。