一种树脂基复合材料大面积光固化3d打印机
阅读说明：本技术 一种树脂基复合材料大面积光固化3d打印机 (Resin-based composite material large-area photocuring 3D printer ) 是由 王权岱 叶思彤 高卫成 赵仁峰 杨明顺 高达敬 李言 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机,包括支撑架、Delta并联机构、树脂槽、补料系统、投影仪系统；Delta并联机构通过伺服电机固定在支撑架上,控制打印平台在X、Y、Z三个方向运动,实现了大幅面3D打印；所述树脂槽固定于支撑架上；所述补料系统通过控制刮板运动实现所消耗树脂的补充以及树脂槽内树脂的刮平；投影仪系统通过投影仪座将DLP投影仪固定至支撑架上,实现DLP投影仪的定位,采用一个投影仪实现了大幅面打印,成本低；通过刮板运动解决了树脂级复合材料涂层流平问题。(A large-area photocuring 3D printer made of resin-based composite materials comprises a support frame, a Delta parallel mechanism, a resin tank, a feeding system and a projector system; the Delta parallel mechanism is fixed on the support frame through a servo motor, and controls the printing platform to move in X, Y, Z three directions, so that large-format 3D printing is realized; the resin groove is fixed on the support frame; the material supplementing system realizes the supplement of the consumed resin and the scraping of the resin in the resin tank by controlling the movement of the scraper; the projector system fixes the DLP projector on the support frame through the projector seat to realize the positioning of the DLP projector, and adopts one projector to realize large-format printing, so that the cost is low; the problem of leveling of the resin-grade composite coating is solved through the movement of the scraper.)
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机。
背景技术
碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)具有重量轻、强度高、刚度高、耐腐蚀、抗疲劳等显著优点，但是复合材料的钻孔、铣削加工中存在易出现材料离层、毛边缺陷、刀具磨损严重、残余应力大等问题。目前制造技术朝着材料-结构-功能一体化设计制造转变，3D打印分层制造的工艺本质特征有利于复合材料特定功能零部件的直接成型。
3D打印具有成型速度快、打印精度高、可用于生产复杂零件等突出优点。目前，已经在食品医疗、航空航天、建筑机械等领域得到了广泛应用。然而，光固化3D打印机的打印尺寸受DLP投影仪投影尺寸的限制，难以打印较大尺寸的产品，在一定程度上限制了3D打印技术的发展。Delta并联机器人具有运动平稳性好、结构简单、运动精度高等特点。将Delta并联机构与3D打印技术相融合，控制打印平台在X、Y、Z三方向上移动解决了传统的3D打印技术因受限于掩膜图像的投影面积难以打印较大尺寸模型的问题。
此外，纤维增强复合材料中纤维的混入增大了复合材料的粘度，流动性变差，需要解决纤维增强复合树脂材料涂层快速流平问题。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机，应用模块化结构设计，可实现产品结构明确，层次分明，售后修复更换方便；通过Delta并联机构控制打印平台移动，可实现大尺寸产品的生产；通过补料系统，可实现消耗树脂的自动补充；通过刮板，解决复合材料流动性较差，流平困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机，包括有支撑架，支撑架上固定有Delta并联机构、树脂槽、补料系统、投影仪系统；
所述的支撑架主要包括3个平台，由上至下分别为上顶面、中间平台以及下底面；其中，上顶面与中间平台通过4个相同的截面为三角形的板一连接，板一与上顶面连接的一端通过螺栓固定，板一与中间平台连接的一端通过焊接固定；下底面与中间平台之间同样通过4个相同的截面为三角形的板二连接，板二的两端分别下底面和中间平台焊接相连。
所述的Delta并联机构包括3个伺服电机、3个相同的主动臂、3个相同的从动臂和一个动平台；其中，3个伺服电机通过螺栓固定在支撑架的上顶面上，构成Delta并联机构中的静平台；3个主动臂分别通过旋转副与伺服电机和从动臂相连；3个从动臂均由2个从动臂短臂和2个从动臂长臂构成，通过四个球面副组成一个平行四边形结构，平行四边形的短边分别与主动臂、动平台通过旋转副相连。
所述的补料系统包括Z向进给机构和Y向运输机构；
所述的Z向进给机构包括存储单元、升降台、滚珠丝杠副、联轴器一、步进电机和电机座；滚珠丝杠副一包括丝杠一和螺母一；升降台通过螺钉与滚珠丝杠副一中的螺母一相固定；滚珠丝杠副一中的丝杠一通过联轴器一与步进电机相连；步进电机通过电机座固定到支撑架的下底面上；
所述的Y向运输机构包括刮板一、2个滚珠丝杠副二、2个丝杠座一、2个丝杠座二、2个联轴器二以及2个电机；滚珠丝杠副二包括丝杠二和螺母二；丝杠座一、丝杠座与电机通过螺钉均固定在支撑架的中间平台上，丝杠二两端固定在丝杠座一和丝杠座二上，刮板二两端分别与两个滚珠丝杠副二中的螺母二固定。
所述的Delta并联机构中的静平台半径、动平台半径、主动臂臂长、从动臂臂长均为定值。
所述的补料系统控制刮板对树脂槽中的树脂刮平。
所述的树脂槽底部设有凸台，凸台以外部分涂有遮光材料，固化过程仅在凸台处进行。
所述的投影系统包括DLP投影仪，DLP投影仪放入投影仪套22中，通过弹簧螺栓与固定架相连，固定架下端通过螺钉固定到支撑架的下底面上。
所述的固定架上有多组连接投影仪套的孔，用于对DLP投影仪的高度进行调节。
所述的投影仪套与固定架通过弹簧螺栓固定，可对DLP投影仪进行微调，使得DLP投影仪的中心、树脂槽中的凸台的中心在同一条垂直线中。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机。具备以下有益效果：
1)各个模块相对独立，便于产品售后修复、更换；
2)Delta并联机构的静平台半径、动平台半径、主动臂长度、从动臂长度均为定值，便于求其运动学正解、运动学反解；
3)打印机采用补料系统自动补充所消耗树脂，减少了人工成本；
4)补料系统采用刮板运输，避免复合材料因粘度大难以自然填充，流平困难的问题；
5)DLP投影仪固定架上设有多组孔，可实现DLP投影仪距离的调节；
6)通过在树脂槽中设有凸台，打印时仅打印凸台上的投影，可减少打印过程中的剥离力。
附图说明
图1为本发明一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机的总体结构组成示意图。
图2为本发明一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机的结构组成主视示意图。
图3为本发明的Delta并联机构结构图。
图4为本发明的树脂槽结构图。
图中：1-上顶面，2-板一，3-中间平台，4-板二，5-下底面，6-支撑架，7-投影仪系统，8-Z向进给机构，9-Y向运输机构，10-补料系统，11-Delta并联机构，21-固定架，22-投影仪套，23-DLP投影仪，24-树脂槽，25-丝杠座二，26-丝杠二，27-螺母二，28-刮板二，29-丝杠座一，210-联轴器，211-电机，212-存储单元，213-升降台，214-螺母一，215-丝杠一，216-联轴器一，217-步进电机，218-电机座，219-滚珠丝杠副二，220-滚珠丝杠副一，31-伺服电机，32-主动臂，33-从动臂短臂，34-从动臂长臂，35-打印平台固定板，36-打印平台，37-从动臂，38-动平台，39-凸台。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方法对本发明进行详细说明。
一种树脂基复合材料大面积光固化3D打印机，其特征在于，包括有支撑架6，支撑架上固定有De lta并联机构11、树脂槽24、补料系统10、投影仪系统7；
所述的支撑架6主要包括3个平台，由上至下分别为上顶面1、中间平台3以及下底面5；其中，上顶面1与中间平台3通过4个相同的截面为三角形的板一2连接，板一2与上顶面1连接的一端通过螺栓固定，板一2与中间平台3连接的一端通过焊接固定；下底面5与中间平台3之间同样通过4个相同的截面为三角形的板二4连接，板二4的两端分别下底面5和中间平台3焊接相连。
所述的Delta并联机构11包括3个伺服电机31、3个相同的主动臂32、3个相同的从动臂37和一个动平台38；其中，3个伺服电机通过螺栓固定在支撑架6的上顶面1上，构成Delta并联机构11中的静平台；3个主动臂32分别通过旋转副与伺服电机31和从动臂37相连；3个从动臂37均由2个从动臂短臂33和2个从动臂长臂34构成，通过四个球面副组成一个平行四边形结构，平行四边形的短边分别与主动臂32、动平台38通过旋转副相连。
所述的补料系统10包括Z向进给机构8和Y向运输机构9；
所述的Z向进给机构8包括存储单元212、升降台213、滚珠丝杠副220、联轴器一216、步进电机217和电机座218；滚珠丝杠副一220包括丝杠一215和螺母一214；升降台213通过螺钉与滚珠丝杠副一220中的螺母一214相固定；滚珠丝杠副一220中的丝杠一215通过联轴器一216与步进电机217相连；步进电机217通过电机座218固定到支撑架6的下底面5上；这样便可以实现对DLP投影仪23的定位。其特征在于：固定架21上有多组可用于连接弹簧螺栓的孔，其目的在于方便调节DLP投影仪23距树脂槽24的距离。
所述的Y向运输机构9包括刮板一27、2个滚珠丝杠副二219、2个丝杠座一29、2个丝杠座二25、2个联轴器二210以及2个电机211；滚珠丝杠副二219包括丝杠二26和螺母二27；丝杠座一29、丝杠座25与电机211通过螺钉均固定在支撑架6的中间平台3上，丝杠二26两端固定在丝杠座一29和丝杠座二25上，刮板二28两端分别与两个滚珠丝杠副二219中的螺母二27固定。
通过Delta并联机构11可在同一个X-Y截面中固化多个投影，实现大幅面3D打印。
所述的Delta并联机构11中的静平台半径、动平台半径、主动臂32臂长、从动臂37臂长均为定值，便于求其运动学正解和运动学反解，控制动平台38的运动轨迹。
通过补料系统10可实现消耗树脂的补充，无需人工填料。
所述的补料系统10控制刮板28对树脂槽24中的树脂刮平，解决了因复合材料粘度大，自然填充流平困难的问题。
所述的树脂槽24底部设有凸台39，凸台39以外部分涂有遮光材料，固化过程仅在凸台39处进行，避免了包括多个幅面的整个固化层剥离时过大的剥离力引起的打印失败问题。
所述的投影系统7包括DLP投影仪23，DLP投影仪23放入投影仪套22中，通过弹簧螺栓与固定架21相连，固定架31下端通过螺钉固定到支撑架6的下底面5上，实现对DLP投影仪23的定位。
所述的固定架21上有多组连接投影仪套22的孔，用于对DLP投影仪23的高度进行调节。
所述的投影仪套22与固定架21通过弹簧螺栓固定，可对DLP投影仪23进行微调，使得DLP投影仪23的中心、树脂槽24中的凸台39的中心在同一条垂直线中。
Delta并联机构11固定在上顶面1上，树脂槽24固定于中间平台3；Z向进给机构8和Y向运输机构9，分别固定与下底面5和中间平台3，投影仪系统7固定于下底面5中，位于树脂槽24正下方。
所述打印机支撑板由上至下分别为上顶面、中间平台以及下底面，中间平台中设有凹槽。
所述动平台包括打印平台固定板和打印平台；
所述的动平台38由打印平台固定板35和打印平台36通过螺钉固定而成。
所述的树脂槽24固定于支撑架的中间平台3中，树脂槽底部设有凸台39，打印机仅打印投影在凸台39上的掩膜图像，其目的在于减少大幅面打印时所产生的巨大剥离力。
本发明的工作原理是：
打印之前，对DLP投影仪23进行调平，确保DLP投影仪23的中心、树脂槽24中的凸台39的中心在同一条垂直线中；并将所需打印的三维模型进行切片处理生成二维掩模图像，并将二维掩模图像进一步切割成若干个面积不大于树脂槽24中凸台39的面积的单元图像(本实例中以四个单元图像为例进行说明)。进行打印时，打开DLP投影仪23使得单元图像投影至凸台39底部,通过Delta并联机构11中的伺服电机31控制主动臂32摆动，进一步控制从动臂37转动，调整打印平台36到合适的位置；Delta并联机构11中的伺服电机31控制主动臂32摆动，进一步控制从动臂37转动，控制打印平台36下降到距离树脂槽24中凸台39一个打印层厚的距离，开始第一个单位图像的固化。固化结束后，通过Delta并联机构11中的伺服电机31控制主动臂32摆动，进一步控制从动臂37转动，从而控制打印平台36移动至第二个单位图像的位置，开始第二个单位图像固化，重复循环，直至该层的四个单位图像均打印完成。Delta并联机构11中的伺服电机31控制主动臂32摆动，进一步控制从动臂37转动，控制打印平台36上移一个打印层厚，开始第二层掩模图像打印。重复循环，到第五层掩模图像打印完全后，Delta并联机构11中的伺服电机31控制主动臂32摆动，进一步控制从动臂37转动，控制打印平台36上移一定高度。补料系统10开始运作，Z向进给机构8中的步进电机217通过联轴器216带动滚珠丝杠副一220中的丝杠一215旋转，进而带动滚珠丝杠副一220中的螺母一214上移，使得升降台213上移，将存储单元212中的树脂推入支撑架6中间平台3的凹槽中，随后Y向运输机构9开始运作，通过电机211带动联轴器210转动，带动滚珠丝杠副二219中的丝杠二26转动，从而使得滚珠丝杠副二219中的螺母二27右移，使得与螺母二27所固定的刮板二28右移，将从Z向进给机构8中溢出的树脂运送至树脂槽24中，实现了消耗树脂的补充。树脂补充完成后，电机211反转，带动刮板二28回到初始位置，打印平台继续重复运行，直至整个模型打印完成。
上面结合了实施例对本发明做了详细说明，但是本发明并不仅限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
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