多光源连续生产的DLP型3D打印机研制.pdf

:./.多光源连续生产的 型 打印机研制荣左超于清晓李常品(上海联泰科技股份有限公司上海)摘 要:针对当前 技术成型幅面较小导致的其在生产型 打印设备中难以使用的问题提出一种多光源连续生产的 型 打印机设计方案 利用多个 光机扩大成型幅面设计出一种具有多沟槽的托板及梳状铲刀以此实现成型后的零件自动从托板上取下并放到接料槽中并配合集中供液系统实现打印机内树脂的自动补充 借助计算机网络技术每次打印完后通知云端服务器服务器自动下发下一个生产任务给打印机解决了 型 打印机幅面过小及无法连续生产的难题对 打印技术从原型制造到小批量生产的升级有着积极的意义关键词:数字光处理 打印自动取件自动补液多光源中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:()引 言 打印是一项迅速发展的新兴快速制造技术经过多年的发展它从早期的仅能进行原型制作发展到现在开始应用于小批量生产并且已经广泛应用于工业、医疗、陶瓷、微电子等领域 相比(立体光固化)、(熔融沉积成形法)、(选区激光烧结成型)、(选择性激光熔化)等其他技术基于(数字光处理)的光固化 打印具有表面质量高、尺寸精度高、成型速度快的优势使其在精密制作及快速成型场合下备受青睐 目前市面上研制出的 型 打印机有顶投影和底投影两种工作原理这些打印机普遍采用单光源方案成型幅面较小因而 型的 打印产能明显低于同为光固化的 型 打印机部分学者提出了利用移动光源的方案来实现成型幅面的扩大但会导致成型时间的延长 此外目前的光固化 打印在成型过程中不需要人工干预但其打印完成后必须要人工将成型零件从托板上取下并需不定期补充光固化树脂这不但延长了设备的空闲等待时间限制了设备的利用率而且还不利于未来的无人工厂目标的实现为了使 技术能够应用于批量生产场景并减少对取件过程和设备维护时对人工的依赖提出了一种多光源连续生产的 型 打印机的设计方案 笔者重点对打印机的总体方案、自动取件和自动补液方案进行了详细的分析与阐述最终研制出的样机实现了大幅面连续生产的 打印功能 打印机总体方案.结构方案 打印机的结构如图 所示 为了实现大幅面打印使用 个 光机作为光固化成型过程中的光源光机安装在机架的顶部和常规的顶投影光固化打印机类似 打印机具有刮刀及其运动机构在刮刀电机的带动下实现对成型液面的涂覆操作机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:作者简介:荣左超()男安徽铜陵人博士工程师主要从事 打印、机器人研究方面的科研工作具有树脂槽和液位调节机构树脂槽用于盛放光固化树脂液位调节机构带动树脂槽在 方向上移动实现打印过程中树脂的液面始终处于成型基准面上 为了实现连续生产功能打印机还具有将成型的零件从打印机上自动取下的自动取件功能和实现树脂槽内树脂添加的自动补液功能图 打印机的结构示意图 为了更加清晰地展示打印机如何实现连续生产功能将图 中的部分零件隐藏仅展示与连续生产相关的零部件如图 所示图 连续生产的结构部分示意图 由图 可知打印机的树脂槽连接有一根供液管道由供液阀门控制是否向树脂槽补充树脂树脂槽的上方有一个用于检测树脂槽内树脂的液面高度的液位传感器 轴电机通过托臂带动托板上下运动铲刀在铲刀电机的带动下将固化并粘接在托板上的零件从托板上翘起并推到导料槽中零件进一步从导料槽滑入接料槽中挡板用于防止零件从托板上跌入树脂槽中接料槽支架(图 中被隐藏)上装有一个接料槽开关用于标识当前接料槽支架上是否放有接料槽由于托板的表面结构较多对于图、中的托板表面线条做了简化处理以更加清晰显示部件的相互关系.总体工作流程打印机的总体工作流程如图 所示 打印机从控制程序的操作界面或云端服务器接收到打印指令后关闭补液电磁阀并停止自动补液以避免对后续调整液位的干扰 驱动 轴电机、刮刀电机、铲刀电机回到各自的零位开关处控制程序不停地读取液位传感器的数值并控制液位电机运动直到树脂槽内树脂的液位处于打印位置 然后进行逐层曝光打印在所有层都打印完成后同时进行自动取件和自动补液操作并在自动取件完成后打印机通知云端服务器如果云端服务器还有待打印的任务则将该任务发送给打印机进行新一次的打印作业图 打印总体工作流程方案 自动取件方案.结构方案自动取件主要涉及部件有托板、铲刀及其运动机构、导料槽和接料槽 成型的零件粘接在托板上托板的局部形式如图 所示 托板上具有很多的沟槽用于和铲刀相配合使得铲刀能够从零件底部逐步将零件从托板上翘起分离 托板上还具有很多的导流槽以便于成型过程中树脂的流动铲刀沿着托板向打印机内(轴方向)运动并利用刀面将零件从托板上翘起 铲刀的运动机构和打印机的刮刀运动机构类似这里不做描述 铲刀的形式如图 所示 图 托板示意图图 铲刀示意图 由图 可知刀面有一个模仿手工铲件的坡度使得刀面与零件的接触面逐步加大零件逐步与托板分离这个过程中零件受到的力是逐步施加而且较小的保证零件不会由于受到过大的分离力而损坏 在铲件过程中梳状刀齿处于托板的沟槽内以保证刀面能够从零件底部接触零件 铲刀沿着托板向打印机外设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用(背离 轴方向)运动并利用刀背将零件从托板上推入导料槽托板上的成型零件表面和底部会存在一些未固化的树脂使得被铲下的一部分零件依靠树脂的粘性附着在铲刀的刀面上只需要很小的力就能将零件从铲刀上推下 因此在打印机内侧装有一个挡板将挡板的下侧设为弹性材料以保证铲刀从挡板下通过时将零件挡在托板上.自动取件流程接料槽的容量有限在盛放一定量的零件后需要将其内的零件清空以便于后续的生产 在控制程序内设置一个更换接料槽的规则比如在执行 次铲件后或打印总体积为 的零件后需要执行一次更换接料槽操作 当接料槽被人工或(自动导向车)移走时接料槽开关会变成断开状态反之当接料槽被重新放到接料槽架上后接料槽开关会变成闭合状态 因此在实际操作中接料槽开关的一次从闭合到断开再到闭合可以视为接料槽中零件被清空一次 板会不停地检查接料槽开关的状态如果发生变化则会向打印机的控制程序发送一条报文控制程序在收到报文后的处理流程如图 所示 控制程序判断接料槽开关是否处于闭合状态如果不是闭合状态则将接料槽状态置为不在位如果是闭合状态则将接料槽剩余空间置为初始值即上文提到的总铲件次数 或可盛放零件的总体积 并将接料槽状态置为在位图 接料槽状态处理 自动取件流程如图 所示 在开始准备铲件后读取接料槽开关的状态信息判断接料槽是否在位如果不在位则提示并等待用户将接料槽归位如果在位则进一步判断接料槽的剩余空间是否可以盛放此次打印出的零件如果接料槽剩余空间不够则提示并等待用户清理并归位接料槽如果接料槽剩余空间足够则托板上升到一个固定高度此时铲刀的梳状刀齿能正好在托板的沟槽内运动且铲刀与托板不发生干涉铲刀沿着托板的沟槽内运动并逐步将粘接在托板上的零件翘起铲刀在运动过程中有一部分零件附着在铲刀上随着铲刀运动当铲刀运动到挡板处时挡板会将零件从铲刀上挡下使其落到托板上当铲刀运动到位于打印机内侧的限位开关时托板下降一定高度使得铲刀的下表面略高于托板的上表面保证铲刀的刀背部与零件有较大的接触面积此时托板的上表面仍略高于导料槽上表面以保证后续零件能进入导料槽 铲刀向外运动铲刀的刀背会推动零件一起运动零件从托板上被推入导料槽最终会沿着导料槽的滑道落入到接料槽中控制程序更新接料槽的剩余空间例如将可取件次数减 或将可盛放零件的总体积减去此次打印零件的体积图 自动取件流程 自动补液方案自动补液的原理如图 所示图 自动补液原理图 在生产现场比较高的位置处有一个集中供液槽里面盛放有大量的光固化树脂其通过管道和每一台机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发打印机的供液阀门连接当需要补液时控制程序打开阀门补液完成后关闭阀门 自动补液流程如图 所示 在准备开始补液后控制程序读取一次液位传感器的数值判断当前液位是否低于第一阈值若否则无需补液若是则不停地读取液位传感器的数值判断当前液位是否高于第二阈值若否则打开补液电磁阀树脂从集中供液槽流入到树脂槽中若是则关闭补液电磁阀自动补液完毕图 自动补液流程 实验验证.实验平台开发出的实验样机如图 所示每个 光机的成像分辨率为 、成型幅面为 因此打印机的成型幅面为 使用该样机打印牙模成型后的牙模零件在托板上的实物图如图 所示 图 实验样机 图 成型的牙模 每个 光机可以打印 个牙模打印机一次可以打印 个牙模一次成型的时长为 具有较高的生产效率 打印完成后打印机打开供液阀门实现自动补液在自动取件完成后云端服务器发送下一次打印任务实现连续生产.自动取件打印完成后进行自动取件操作如图 所示第一排牙膜被翘起后虽然由于树脂的粘性附着在铲刀上但在铲刀运动到下一排牙模时正在被翘起的牙模会将这些附着在铲刀上的牙模从铲刀上推下 当铲刀运动挡板位置时附着在铲刀上的牙模会被挡板推到托板上铲刀将牙模推入导料槽的状态如图 所示可以看出所有牙膜被整齐地推入导料槽具备了自动取件功能图 牙模被推下铲刀 图 牙模被推入导料槽 结 语针对 成型幅面较小难以用于批量生产的问题使用 个 光机同时出光成型的方案提高成型幅面 所开发的自动取件方案和自动补液方案提高 打印设备的自动化水平可实现连续打印生产有利于无人工厂的实现 研制出一台多光源的连续生产型 打印机成型幅面为 可以一次打印 个牙模成型牙模表面光洁满足实际工厂批量、连续生产的要求参考文献:樊 佳.基于 打印技术的创意灯罩设计.机械研究与应用():.赵延国柳传鑫许淙博等.打印技术及设备发展现状.机械研究与应用():.():.():./:/.():.徐 旸楼 钦王进卿.基于面成型光固化 打印成型精度研究进展.塑料工业():.():.张 蓉王宜怀彭 涛等.大幅面 型 打印机错位均摊接缝消除方法研究.自动化学报():.沙洲职业工学院.一种可自动调平的 打印刮刀装置:中国.陈艳芳.光固化快速成型机液位控制机构优化设计.机械管理开发():.王军伟刘 轶闫德刚等.砂型 打印机负压自动调节系统设计.铸造设备与工艺():.李 强张 帅.基于云制造的 打印机应用模式研究.制造技术与机床():.设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用