一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置及打印方法
技术领域
1.本发明涉及磁控打印技术领域，特别是涉及一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置及打印方法。
背景技术：
2.基于电磁线圈磁化的磁性结构制造的方法，是通过改变相互垂直的三组线圈产生的磁场大小合成空间任意方向磁场对磁性微粒进行定向排布，并对光敏树脂进行局部曝光固化，层层堆积的磁控光固化3d打印方法。打印装置由用于产生磁场的三组线圈以及用于层层堆积打印的可升降打印平台以及用于曝光的光源组成，打印时打印平台降下，线圈通过电流产生磁场，光源投射图案进行固化，层层堆积出磁性结构；现有基于电磁线圈磁化的磁性结构制造，需要专门的定制电磁线圈和大功率电源，甚至需要配置水冷系统给发热的线圈降温。
3.基于单个磁铁磁化的平面磁性结构制造的方法，是通过旋转打印区域下方磁铁对磁性微粒进行定向排布并对光敏树脂进行局部曝光固化。打印装置由用于产生磁场的单个永久磁铁以及控制磁铁互相垂直两个方向旋转的电机组成，两个旋转的方向构成一个极坐标系，打印时旋转磁铁产生指定方向磁场，光源投影图案局部曝光，重复此过程完成磁性平面结构制造；现有基于单个磁铁磁化的平面磁性结构制造的方法，只能制造平面磁性结构，打印自由度受到限制。
技术实现要素：
4.本发明的目的是提供一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置及打印方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低设备成本，且能够实现立体磁性结构的制造，突破了打印自由度的限制。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供了一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置，包括光学结构、z轴移动结构、打印平台、打印液槽结构和磁化结构，所述打印液槽结构用于盛放打印油墨，所述打印平台设置在所述打印液槽结构上方，所述z轴移动结构能够带动所述打印平台运动，且所述打印平台能够伸入所述打印液槽结构中，所述磁化结构包括两个磁铁、两个第一驱动结构和第二驱动结构，两个所述磁铁分别位于所述打印液槽结构的两侧，各所述第一驱动结构驱动一所述磁铁围绕第一轴线转动，所述第二驱动结构驱动两个所述磁铁围绕第二轴线转动，所述第一轴线与所述第二轴线垂直，两个所述磁铁用于对打印油墨进行磁化，所述光学结构的光线能够照射到所述打印液槽结构的打印油墨上，所述光学结构用于对打印油墨进行光固化。
7.优选地，所述光学结构包括光源和反射三棱镜，所述反射三棱镜位于所述打印液槽结构的下方，所述光源发射的光线照射在所述反射三棱镜上，通过所述反射三棱镜反射至所述打印液槽结构的打印油墨上，对打印油墨进行光固化。
8.优选地，所述打印液槽结构包括液槽本体、离型膜、玻璃片和液槽夹具，所述液槽本体和所述液槽夹具均为中空结构，所述打印平台能够伸入所述液槽本体中，所述离型膜位于所述液槽本体的下端和所述液槽夹具之间，所述玻璃片位于所述离型膜的下方，且位于所述液槽夹具的台阶上，所述液槽本体的下端和所述液槽夹具能够拆卸地连接。
9.优选地，所述磁化结构还包括转动平台，所述转动平台设置有第一通孔，两个所述磁铁和两个所述第一驱动结构均设置在所述转动平台上，两个所述磁铁分别设置在所述第一通孔的两侧，所述磁铁与所述转动平台转动连接，各所述磁铁的一端与一所述第一驱动结构的动力输出端传动连接。
10.优选地，所述第二驱动结构的动力输出端设置有主动齿轮，所述转动平台上设置有与所述转动平台同轴设置的从动齿轮，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合。
11.优选地，所述转动平台上设置有两条平行设置的导轨，两个所述磁铁与一条所述导轨滑动连接，两个所述第一驱动结构与另一条所述导轨滑动连接。
12.优选地，所述z轴移动结构包括第三驱动结构、丝杆和滑块，所述第三驱动结构的动力输出端与所述丝杆传动连接，所述滑块与所述丝杆螺纹连接，所述打印平台与所述滑块连接。
13.优选地，还包括单片机、第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器，所述单片机分别与所述第一驱动器、所述第二驱动器和所述第三驱动器电连接，所述第一驱动器与所述第一驱动结构电连接，所述第二驱动器与两个所述第二驱动结构电连接，所述第三驱动器与所述z轴移动结构电连接。
14.优选地，还包括光电限位器和光电触发器，所述光电限位器与所述光电触发器对应设置，所述光电触发器和所述光电限位器用于检测所述打印平台的初始位置，所述光电限位器和所述光电触发器分别与所述单片机电连接。
15.本发明还提供了一种采用所述基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置的打印方法，包括以下步骤：
16.步骤一、打印油墨的制备：
17.步骤二、将制备的打印油墨置于打印液槽结构中；
18.步骤三、通过代码编程打印逻辑传输给单片机，并通过solidworks对打印图样建模，用自定义的cad脚本和切片软件转换为一组切面图片，将转换好的切面图片传输给控制系统以配合光学结构输出曝光图案；
19.步骤四、设置打印层厚、曝光时间、磁化时间、每层曝光图案数、对应曝光区域的磁化方向，输入开始打印的指令；
20.步骤五、打印平台下降至距离打印液槽结构底部一个打印层厚的距离；
21.步骤六、控制第一驱动结构和第二驱动结构带动磁铁旋转到指定角度，光源投影曝光图案完成局部区域固化，第一驱动结构和第二驱动结构带动磁铁旋转到另一角度，光源投影曝光图案完成同层其它局部区域固化，直至同层所有区域均固化完成，打印平台上升一个打印层厚的距离，开始固化下一层；
22.步骤七、重复步骤六，层层堆积制造出三维磁性结构。
23.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
24.本发明利用磁铁产生的磁场对打印油墨中的磁性微粒进行定向排布，并对光敏树
脂液体进行局部曝光固化，层层堆积，进行磁控光固化打印，打印出的结构能够根据外界刺激(如外加磁场)实现形状变化或者动态性能改变。本发明能够实现立体磁性结构的制造，突破了打印自由度的限制；与现有技术相比，本发明的设备成本极大降低。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明的基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置示意图；
27.图2为本发明的磁化结构示意图；
28.图3为本发明的打印液槽结构示意图；
29.图4为本发明的磁化方向示意图；
30.图5为本发明的磁铁与磁化方向示意图；
31.图6为本发明的磁铁在α平面磁化示意图；
32.图7为本发明的磁铁在β平面磁化示意图；
33.图8为本发明的磁铁旋转产生不同的磁场方向过程图；
34.图9a为图8中初始位置磁场方向0,0示意图；
35.图9b为9a的磁场方向对应的磁铁位置示意图；
36.图10a为图8中初始位置磁场方向α,0示意图；
37.图10b为10a的磁场方向对应的磁铁位置示意图；
38.图11a为图8中初始位置磁场方向α,β示意图；
39.图11b为11a的磁场方向对应的磁铁位置示意图；
40.图12为本发明的控制系统控制过程示意图；
41.图13为本发明的打印方法示意图；
42.图14为本发明的打印过程中的控制过程示意图；
43.其中：100、单片机；101、电机驱动器；102、直流电源；103、光源；104、z轴移动结构；105：光电触发器；106：打印平台；107：光电限位器；108：打印液槽结构；109：第一驱动结构；110：磁铁；111：主动齿轮；112：第二驱动结构；113：反射三棱镜；200、转动平台；201、轴承；202、从动齿轮；203、导轨；204、第一通孔；300、光敏树脂；301、磁性微粒；303、打印区域；400-液槽本体；401-离型膜；402-玻璃片；403-液槽夹具。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明的目的是提供一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置及打印方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低设备成本，且能够实现立体磁性结构的制造，突破了打
印自由度的限制。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
47.实施例一
48.如图1至图12所示：本发明提供了一种基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置，包括支架、光学结构、z轴移动结构104、打印平台106、打印液槽结构108和磁化结构，z轴移动结构104、打印液槽结构108和磁化结构均位于支架上，打印液槽结构108用于盛放打印油墨，打印油墨由磁化至饱和的铷铁硼粉末与光敏树脂300按照一定比例均匀混合，打印平台106设置在打印液槽结构108上方，z轴移动结构104能够带动打印平台106运动，且打印平台106能够伸入打印液槽结构108中，磁化结构包括两个磁铁110、两个第一驱动结构109和第二驱动结构112，第一驱动结构109和第二驱动结构112均为电机，两个磁铁110分别位于打印液槽结构108的两侧，两个磁铁110平行设置，一个磁铁110的n极与另一个磁铁110的s极相对，各第一驱动结构109驱动一磁铁110围绕第一轴线转动，第二驱动结构112驱动两个磁铁110围绕第二轴线转动，第一轴线与第二轴线垂直，两个磁铁110用于对打印油墨进行磁化，光学结构的光线能够照射到打印液槽结构108的打印油墨上，光学结构用于对打印油墨进行光固化。
49.具体地，本发明中，光学结构包括光源103和反射三棱镜113，反射三棱镜113位于打印液槽结构108的下方，光源103优选为北京闻亭泰科技术发展有限公司生产的pro6600系列产品，光源103用于投影光学图案对打印油墨局部固化，光源103发射的光线照射在反射三棱镜113上，反射三棱镜113用于改变光路，通过反射三棱镜113反射至打印液槽结构108的打印油墨上，对打印油墨进行光固化。
50.本发明中，打印液槽结构108包括液槽本体400、离型膜401、玻璃片402和液槽夹具403，液槽本体400和液槽夹具403均为中空结构，打印平台106为圆形玻璃片，打印平台106的尺寸小于液槽本体400的内部尺寸，使得打印平台106能够伸入液槽本体400中，离型膜401位于液槽本体400的下端和液槽夹具403之间，安装时需将离型膜401绷紧，离型膜401优选杜邦fep膜，玻璃片402位于离型膜401的下方，且位于液槽夹具403的台阶上，刚性的玻璃片402在透过光线的同时能够防止离型膜401由于承受重量而弯曲影响打印精度，液槽本体400的上端与支架通过螺栓实现可拆卸连接，液槽本体400的下端和液槽夹具403通过螺栓实现可拆卸连接。
51.本发明中，磁化结构还包括转动平台200，转动平台200与支架通过轴承201转动连接，转动平台200设置有第一通孔204，第一通孔204与反射三棱镜113、打印液槽结构108对应，第一通孔204用于光线通过，两个第一驱动结构109均通过电机支架设置在转动平台200上，两个磁铁110分别设置在第一通孔204的两侧，各磁铁110的一端与一第一驱动结构109的动力输出端传动连接，各磁铁110的另一端与转动平台200通过磁铁支架转动连接，各磁铁110的两端分别设置有磁铁限位结构。
52.本发明中，第一轴线为第一驱动结构109的动力输出端的轴线；第二轴线为转动平台200的轴线。
53.本发明中，转动平台200上设置有两条平行设置的导轨203，两个磁铁110与一条导轨203滑动连接，两个第一驱动结构109与另一条导轨203滑动连接，通过调节两个磁铁110
和两个第一驱动结构109在导轨203上的位置，实现两个磁铁110之间距离的调整，通过调整两个磁铁110之间的距离可以控制打印区域303磁场的强度。
54.本发明中，第二驱动结构112的动力输出端设置有主动齿轮111，转动平台200上设置有与转动平台200同轴设置的从动齿轮202，从动齿轮202的中心开设有与第一通孔204对应的第二通孔，从动齿轮202与主动齿轮111啮合，第二驱动结构112、从动齿轮202与主动齿轮111均位于转动平台200的下方。
55.本发明中，第一驱动结构109和第二驱动结构112用于产生空间任意方向的磁化磁场。本发明采用两个磁铁110在打印过程中用于磁化排布磁性微粒301的磁场，两块同样大小的磁铁110，保持中心距离不变，在竖直平面，即图4中的xz平面(α平面)上，两块磁铁110绕各自的水平中心轴同步旋转产生一个磁场方向和z轴的夹角称为α角；在水平平面，也就是xy平面(β平面)上，两块磁铁110保持相对位置不变绕z轴旋转产生一个磁场方向和y轴的夹角称为β角；通过两个夹角能够产生空间任意方向的磁场，从而够满足对磁性结构三个维度的磁化需求。
56.具体过程为：如图9a所示，初始位置磁场角度竖直向上，α角和β角都为零。首先两个磁铁110在α角所在平面，图示为yz平面上绕各自水平中心轴同步旋转一定角度到达中间位置，得到一个磁场和z轴的夹角α；接着两个磁铁110保持相对位置在β角所在平面，也就是xy平面上绕z轴整体旋转一定角度到达最终位置，得到一个磁场在水平平面的投影和y轴的夹角β。通过这两个角度组合成空间任意方向磁场。
57.本发明中，z轴移动结构104包括第三驱动结构、丝杆和滑块，第三驱动结构为电机，第三驱动结构的动力输出端与丝杆传动连接，滑块与丝杆螺纹连接，打印平台106通过平台支架与滑块连接。第三驱动结构驱动丝杆转动，通过滑块带动打印平台106上下移动，打印平台106用于沉积打印油墨和控制沉积层厚以及层层堆积移动。
58.本发明还包括控制系统，控制系统包括直流电源102、单片机100、电机驱动器101、可充电锂电池和电池供电电路板等电子元器件，单片机100用于编程代码与输出信号指令，三个电机驱动器101分别为第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器，单片机100分别与第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器电连接，第一驱动器与第一驱动结构109电连接，第二驱动器与两个第二驱动结构112电连接，第三驱动器与z轴移动结构104的第三驱动结构电连接，直流电源102用于给第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器供电，可充电锂电池和电池供电电路板用于给单片机100和光电限位器107等电子元器件供电。
59.本发明中，支架上设置有光电限位器107，滑块或打印平台106上设置有光电触发器105，光电限位器107与光电触发器105对应设置，光电触发器105和光电限位器107用于检测打印平台106的初始位置，光电限位器107和光电触发器105分别与单片机100电连接。光电限位器107跟随z轴移动结构104的滑块向下运动时，在距离光电限位器107指定距离处，光电限位器107接收到自身发射出去的经过光电触发器105反弹的光线，输出电平从低电平变化为高电平，单片机100检测到电平的变化控制z轴移动结构104停止运动，记录此时的位置作为打印开始的位置。
60.本发明中，控制系统的控制流程如图12所示，上位机发送数据给arduino开发板并接收开发板的请求指令，开发板通过一驱动器、第二驱动器和第三驱动器分别控制第一驱动结构109、第二驱动结构112和第三驱动结构，通过ttl转232模块控制光源103投影图案曝
光打印区域303。
61.本发明是在磁性微粒-光敏树脂材料体系下，利用磁铁110产生的磁场对磁性微粒301进行定向排布，并对光敏树脂进行局部曝光固化，层层堆积，进行磁控光固化打印，打印出的结构能够根据外界刺激(如外加磁场)实现形状变化或者动态性能改变。本发明能够实现立体磁性结构的制造，突破了打印自由度的限制。本发明通过两块磁铁110和四个电机实现磁化，与现有技术相比，设备成本极大降低。
62.实施例二
63.如图13所示，本实施例提供了一种采用实施例一的基于永磁体的磁编程光固化4d打印装置的打印方法，包括以下步骤：
64.步骤一、打印油墨的制备：
65.取若干质量铷铁硼粉末，将其磁化至饱和后按照一定比例与光敏树脂300均匀混合，铷铁硼粉末与光敏树脂的质量比优选为1：1；
66.步骤二、将制备的打印油墨置于打印液槽结构108中；
67.步骤三、通过代码编程打印逻辑传输给单片机100，并通过solidworks对打印图样建模，用自定义的cad脚本和切片软件转换为一组切面图片，将转换好的切面图片传输给控制系统以配合光学结构输出曝光图案；
68.步骤四、设置打印层厚、曝光时间、磁化时间、每层曝光图案数、对应曝光区域的磁化方向，输入开始打印的指令；
69.步骤五、打印平台106沿着z轴下降至距离打印液槽结构108底部一个打印层厚的距离；
70.步骤六、控制第一驱动结构109和第二驱动结构112带动磁铁110旋转到指定角度，光源103投影曝光图案完成局部区域固化，第一驱动结构109和第二驱动结构112带动磁铁110旋转到另一角度，光源103投影曝光图案完成同层其它局部区域固化，直至同层所有区域均固化完成，打印平台106上升一个打印层厚的距离，开始固化下一层；
71.步骤七、重复步骤六，层层堆积制造出三维磁性结构。
72.如图14所示，打印程序上位机部分使用visualstudio编写windows窗体应用程序。其中串口选择部分用于自动识别串口号和选择波特率，数据发送和接收部分用于向开发板发送数据参数并接受开发板信息返回以及请求指令，图案部分可以打开文件夹对话框用于选择切片图案。
73.打印程序下位机部分使用vscodeplatformio插件基于arduino开发框架编写，在程序中将对应不同硬件控制的程序函数编写到工程中不同的程序文件中。通过名为motor的cpp文件控制电机的转动方向和转动距离等，通过名为light的cpp文件控制光源103的点亮熄灭和亮度，通过名为paramater的cpp文件接收上位机传输的打印参数数据，通过名为picture的cpp文件向上位机传送数据信息以及发送请求调用图案的指令。图案则通过与上位机通过hdmi连接的作为独立显示器的光源103投影至打印区域303。
74.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。