CN104890245A - 一种光敏树脂池及利用其的光固化3d打印机和打印方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光敏树脂池，包括：池体；位于所述池体内的底壁上方的氧分子半透膜，所述氧分子半透膜与所述池体底壁的面积相符以在二者之间形成腔体；设置于所述池体的侧壁或所述底壁上的与所述腔体连通的进气口和出气口。另外，本发明还提供了采用上述光敏树脂池的3D打印机及打印方法。本发明提供的光敏树脂池以及3D打印机的结构简单，打印质量可靠，使用寿命更长。本发明提供的方法对充气单元和抽气单元的启动时间、充气量和抽气量做出相应的调试，就能够保证在半透膜的上表面形成氧分子层的同时，半透膜不会隆起，不仅能够使得打印物体不易粘连在半透膜之上，易于分离，而且能够防止打印物体与半透膜的接触面不发生扭曲、变形。

Description

一种光敏树脂池及利用其的光固化3D打印机和打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印机领域，特别涉及一种光敏树脂池以及采用该光敏树脂池的3D打印机，还涉及一种3D打印方法。

背景技术

目前，现有的光固化3D打印机具有用于承载光敏树脂的树脂池，其整体由亚克力板拼接而成。在光固化过程中，为了使固化于载物台的固化实体与光敏树脂池不发生粘连，在光敏树脂池的内部底面涂覆一层硅胶。

工作时，载物台平面与硅胶层表面保持一定距离(即每次光敏树脂固化的层厚)，载物台与硅胶层之间的间隙充满光敏树脂，此间隙中的光敏树脂受到透过光敏树脂池底面的激光束照射而固化成型，形成一层固化实体。

光敏树脂吸收光束能量激发固化反应会放出大量的热，导致光束照射部位温度升高。涂覆在光敏树脂池内部底面的硅胶耐高温性能较差，经过较长时间照射后，硅胶层易因过热老化，其透明度降低，进而影响固化实体的成型质量。当硅胶层性能下降到无法保证固化实体与光敏树脂池分离时，即认为硅胶池已损坏，需要更换新的树脂池。

因此，提供一种新的、更为可靠的防止固化的光敏树脂与树脂池底部粘连系统的3D打印机成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种光敏树脂池，包括：池体；位于所述池体内的底壁上方的氧分子半透膜，所述氧分子半透膜与所述池体底壁的面积相符以在二者之间形成腔体；设置于所述池体的侧壁或所述底壁上的与所述腔体连通的进气口和出气口。

在本发明的一些实施方式中，所述池体内的底壁为LCD显示单元。本发明提供的光敏树脂池不仅适用于SLA和DLP型的光固化3D打印机，而且适用于LCD型光固化3D打印机，其具有良好的通用性能。

本发明还提供了一种包括上述光敏树脂池的光固化3D打印机。

在本发明的一些实施方式中，所述光固化3D打印机还包括用于光照固化所述光敏树脂池中的液态光敏树脂的光源；用于承载固化后的树脂物品的承载单元；与所述光敏树脂池的进气口连通的充气单元。

在光敏树脂池的进气口处设置能够向其内部充入含有氧分子的气体的充气单元，以使氧分子能够透过半透膜，并在半透膜的表面形成氧分子层，多余的气体可以经由光敏树脂池的出气口缓慢的排出。充气单元单位时间内的充气量不宜过大，气体能够在半透膜和池体底壁之间形成的腔体内停留一段时间，使得氧分子有充足的时间透过半透膜。

在本发明的一些实施方式中，所述的光固化3D打印机还包括与所述光敏树脂池的出气口连通的抽气单元。

向半透膜与光敏树脂池的底壁之间的腔体内充入气体，待氧分子透过半透膜之后，可以关闭充气单元，并且利用抽气单元抽出腔体内的剩余气体，腔体之内形成负压，半透膜紧密的贴合在池体底壁上。这样设置的原因是，当向腔体内充入气体时，半透膜有可能会微微的向上隆起，那么位于半透膜之上的液态光敏树脂就会不均匀，采用光源照射液态光敏树脂时，固化于承载单元的树脂的下表面会形成于半透膜隆起的弧度形状相应的凹陷，这将使的光固化物体扭曲、变形，极大的影响其固化精度。利用抽气单元抽出多余的气体，能够有效的克服这一缺陷。

在本发明的一些实施方式中，所述充气单元包括充气管道和充气本体，所述充气管道的一端用于与所述进气口连接，另一端用于与所述充气本体连接；

所述抽气单元包括抽气管道和抽气本体，所述抽气管道的一端用于所述出气口连接，另一端用于与所述抽气本体连接。

在本发明的一些实施方式中，为了使光固化3D打印机的结构更为简单、紧凑，所述充气本体和/或所述抽气本体布置成位于所述光敏树脂池下方。

另外，本发明提供了一种利用上述的光固化3D打印机的打印方法，包括步骤：

a.利用所述充气单元通过所述进气口向所述腔体内输送含有氧分子的气体；

b.待所述氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，开启光源照射池体，使液态光敏树脂固化于承载单元；

其中，在执行步骤a和/或b时，通过所述排气口排出腔体内的气体。

在本发明的一些实施方式中，所述打印方法包括步骤：

a.利用所述充气单元通过所述进气口向所述腔体内输送含有氧分子的气体；

b.待所述含有氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，利用所述抽气单元通过所述排出口排出所述腔体内的气体；

c.开启光源照射池体，使液态光敏树脂固化于承载单元。

在本发明的一些实施方式中，在所述步骤b中，所述抽气单元将除充分透过所述半透膜的氧分子外的所有剩余气体从所述腔体内排尽，以使所述半透膜贴附于所述池体内的底壁上。

利用本发明提供的打印方法时，可以仅向池体的进气口充入含有氧分子的气体，另氧分子通过半透膜之后，多余的气体由出气口缓慢的排出。这时的充气量不宜过大，应当使气体在腔体内具有一定的停留时间，同时避免半透膜向上隆起的过于严重。还可以由进气口充入气体的同时，由抽气口缓慢的从腔体内抽出气体，抽气量不宜过大，以使得腔体内的空气缓慢地流动，氧分子有充足的时间透过半透膜形成氧分子层，同时半透膜基本保持平坦，不会严重的向上隆起。更为优选的，可以停止由进气口向腔体内部充入气体，与此同时由抽气口排出剩余的气体，使得半透膜紧密的贴合于池体底壁。在打印过程中，保持抽气口持续的排出气体，腔体内则持续的处于负压状态。当打印进行了一段时间或者液态光敏树脂在承载单元之上形成了固定层数的薄层，可以通过进气口向腔体内再次输送气体，氧分子透过半透膜补充被消耗的氧分子层。

本发明提供的光敏树脂池以及3D打印机的结构简单，并不需要对其它部件做出过多的改造。通过在光敏树脂池的底壁上设置半透膜以形成腔体，并且设置进气口和出气口向腔体的内部输送含有氧分子的气体，即可提高打印质量。采用上述光敏树脂池的3D打印机设置充气单元和抽气单元，并且按照本发明提供的方法对充气单元和抽气单元的启动时间、充气量和抽气量做出相应的调试，就能够保证在半透膜的上表面形成氧分子层的同时，半透膜不会隆起，不仅能够使得打印物体不易粘连在半透膜之上，易于分离，而且能够防止打印物体与半透膜的接触面不发生扭曲、变形。相较于现有的3D打印设备更为可靠，使用寿命更长。

附图说明

图1为本发明一实施方式的光固化3D打印机结构示意图；

图2为图1中A部分的局部放大示意图；

图3为本发明一实施方式的打印方法流程图；

图4为本发明另一实施方式的光固化3D打印机结构示意图；

图5为图2中B部分的局部放大示意图；

图6为本发明另一实施方式的打印方法流程图；

图7为本发明的打印方法主要步骤流程图。

具体实施方式

实施例1

参照图1和图2，本实施例中提供的的光固化3D打印机具有框架1，以及设置于框架1内部并将内部空间分割成上部空间1-1和下部空间1-2的中层板2。中层板2之上设置有用于容纳液态光敏树脂的光敏树脂池3。沿着框架1的右侧设置的导轨立柱4，导轨立柱4由下部空间1-2穿过中层板2一直延伸至上部空间1-1。承载平台5与导轨立柱4相关联，并且能够在上部空间1-1相对于光敏树脂池3的位置竖直运动。承载平台5与导轨立柱4的配合可以采用丝杠与丝杠螺母座的方式，每当导轨立柱4在电机的带动下转动，承载平台5即可产生竖直运动。上述运动配合可以由控制单元控制，具体而言，控制单元可以采用外接计算机或3D打印机自身具有的控制程序和控制面板。

下部空间1-2的最底部固定设置有用于发射光束的光源6以及反射镜7，反射镜7反射光源6发射的光束以使其照射液态光敏树脂池3的底部。为了能够使光束透过光敏树脂池3，其底部采用能够透过光束的透明材质。应当能够理解，中层板2应当采用与光敏树脂池3相同的透明材料，或者具有能够供所述光束通过的区域，例如，中层板2与光敏树脂池3相对应的一部分为镂空。控制单元可以控制光源6的开启和关闭。

按照上述设置，光源6发射的光线能够经由中层板2以及光敏树脂池3的底部，照射液态光敏树脂，使之固化于承载平台5。

先将所需打印的物体12的形状虚拟化，录入控制单元。之后控制单元根据设定的薄层厚度将虚拟化的所需打印的物体12的形状分割为多个薄层，因此，每一个薄层具有一横截面形状。光源6发射的光束使液态光敏树脂按照薄层的横截面形状以及厚度固化。每当固化完一个薄层，关闭光源6，之后承载平台5向上移动一个薄层厚度的距离，那么新的液态光敏树脂会填充于所形成薄层和光敏树脂池3的底部之间的空隙。再次开启光源6，开始形成下一个薄层。所形成的薄层之间相互叠加，即之后形成的薄层固化于上一个薄层的下表面，最终形成完整的所需打印的物体12。

本实施方式提供的光敏树脂池3池体底壁内表面还设置有高分子半透膜8，所述高分子半透膜8针对氧分子具有选择透过性，即仅允许氧分子透过而不允许其它气体分子透过，所采用的高分子半透膜8的为FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)膜。高分子半透膜8与光敏树脂池3的底部形成有腔体9。在光敏树脂池3池体的底壁设置有进气口和出气口。当然，进气口和出气口也可以设置在池体的周壁上。高分子半透膜8的面积需要略大于池体底壁，以使其能够四周上翻或下翻，形成与周壁的粘结部分，将整个高分子半透膜8粘结于周壁之上。也可以在周壁上设置夹持槽，使高分子半透膜8被预紧的夹持展平于底壁上方。还可以将光敏树脂池3的底壁和周壁设计为分体结构，利用周壁将高分子半透膜8伸展于底壁上(但是要保证能够在二者之间形成腔体)，然后利用螺丝使周壁和底壁固定。

下部空间1-2中还设置有与进气口通过充气管路10-1连接的充气泵10以及与出气口通过抽气管路连通的抽气泵11。充气泵10和抽气泵11同样由控制单元控制工作。在本实施例中，它们分别位于光敏树脂池3的下部，反射镜7的两侧，其不影响光束的传播。因此，充气泵10通过充气管路10-1与腔体9连通，抽气泵11通过抽气管路11-1也与腔体9连通。抽气泵10用于向腔体9内输送含有氧分子的混合气体，其中的氧分子通过高分子半透膜8并在其表面形成了氧分子层。氧分子层能够有效的避免液态光敏树脂固化成型为薄层时，薄层的下表面与光敏树脂池3的底壁或高分子半透膜8粘连。应当可以理解，如果发生所固化的薄层与光敏树脂池3的底部粘连，那么承载平台5在向上移动时，已固化薄层会受到牵拉，导致薄层的下表面凹凸不平。

在向腔体9通入气体后，高分子半透膜8会略微的向上鼓起，那么其会使所固化的薄层的下表面也形成与之形状相应的弧形，当多个薄层相互累积时，这一弧形将变得十分明显，导致打印的物体12下部变形、扭曲。为了解决这一问题，可以在打印过程中关闭充气泵10并且开启抽气泵11。具体而言，充气泵10向腔体9内输送混合气体后，其中的氧分子透过高分子半透膜8并在其表面形成氧分子层，此时间隙内剩余的气体都是无需利用的，通过抽气泵11可以将腔体9内的多余气体抽出，使得腔体9处于负压状态。因此，高分子半透膜8会紧贴光敏树脂池3的底部。这样设置，不仅能够在高分子半透膜8的表面形成氧分子层，而且避免了高分子半透膜8向上凸起影响固化成型精度。当然，也可以通过调节充气泵10的充气量和抽气泵11的抽气量，以保证单位时间内进入和流出腔体9内的空气基本平衡，从而高分子半透膜8基本保持平坦。

参照附图7，利用本实施方式提供的光固化3D打印机打印物品时，主要包括步骤：

a.利用所述充气单元通过所述进气口向所述腔体内输送含有氧分子的气体；

b.待所述氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，开启光源照射池体，使液态光敏树脂固化于承载单元；

其中，在执行步骤a和/或b时，通过所述排气口排出腔体内的气体。

进一步地，步骤b可以为待所述含有氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，利用所述抽气单元通过所述排出口排出所述腔体内的气体。

所述步骤b中，所述抽气单元将除充分透过所述半透膜的氧分子外的所有剩余气体从所述腔体内排尽，以使所述半透膜贴附于所述池体内的底壁上。

参照附图3，光固化3D打印机打印时的详细步骤包括：

预设步骤，将待打印物体12的虚拟形状储存至控制单元，控制单元根据预设的薄层厚度将其虚拟形状分割为具有唯一横截面形状和固定厚度的多个薄层；

充气步骤，控制单元控制充气泵10向腔体9内输送含有氧分子的混合气体；

开启抽气步骤，关闭充气泵10，待氧分子透过高分子半透膜8之后，控制单元控制抽气泵11开启，抽气泵11由腔体9向外部抽出多余气体；

照射固化步骤，控制单元控制光源6开启，光束照射光敏树脂池中的液态光敏树脂，使之在承载平台5上形成待打印物体的第一薄层；

承载单元移动步骤，控制单元控制光源6关闭，并控制承载平台5先向上移动一定的距离，停留一段时间后，承载平台5向下移动，使第一薄层与光敏树脂池3的底部距离为一个薄层的厚度。

由于液态光敏树脂具有一定的粘稠度，因此，承载平台5移动的距离应当大于一个薄层的厚度，可以为2～5mm，之后在这一高度停留5～15秒，以使液态光敏树脂由薄层表面分离。

再次照射固化步骤，开启光源6敏树脂池中的液态光敏树脂，使第二薄层固化于第一薄层下部。

重复上述步骤，可以使薄层相互叠加，最终形成完整的打印物体。

需要注意的是，在执行照射固化步骤至再次照射固化步骤过程中，抽气泵11可以一直处于开启状态。另外，可以在打印一定数量的薄层后(例如100层)，再重复一次充气步骤，向腔室9内补充氧分子(此时抽气泵关闭)，而不必每形成一个薄层都补充一次。这样能够在不影响打印质量的前提下显著的加快打印速度。

本实施例的高分子半透膜8、充气泵10、抽气泵11、充气管路10-1和抽气管路11-1组成的气体交换系统特别适用于现有的基于SLA和DLP技术的3D打印机。

实施例2

参照图4和图5，实施例2与实施例1的相同部分不再赘述，其不同之处在于液态光敏树脂池3的底部内表面覆设有LCD液晶显示单元13，而高分子半透8膜则覆设于LCD液晶显示单元13之上。上述的腔体9形成于高分子半透膜8和LCD液晶显示单元13之间。相同的，充气泵10和抽气泵11分别通过充气管路10-1和抽气管路11-1与腔体9连通。LCD液晶显示单元的开启、关闭以及图案切换均由控制单元控制。

LCD液晶显示单元13能够根据控制单元的指令显示待打印物体12任一横截面的图案，即所打印薄层的形状。这一图案通过不透光的阴影区域和透光的透明区域组成。当光源6发射的光束经由反射镜7照射到LCD液晶显示单元的下表面时，光束能够通过透明区域照射液态光敏树脂池3中的液态光敏树脂，使其按照特定的图案固化成型于承载平台5之上。

参照附图6，工作时，可以按照下列步骤进行打印：

预设步骤，将待打印物体12的虚拟形状储存至控制单元，并且将其虚拟形状分割为具有唯一横截面形状和固定厚度的多个薄层；

充气步骤，控制单元控制充气泵10向腔体9内输送含有氧分子的混合气体；

开启抽气步骤，关闭充气泵10，待氧分子透过高分子半透膜8之后，控制单元控制抽气泵11开启，抽气泵11由腔体9向外部抽出剩余气体；

显示步骤，控制单元控制LCD液晶显示单元13显示薄层的横截面图案；

照射固化步骤，控制单元控制光源6发射光束照射光敏树脂池中的液态光敏树脂，使液态光敏树脂在承载平台5上形成与LCD液晶显示单元所显示的横截面图案形状相应的第一薄层；

承载单元移动步骤，控制单元控制光源6关闭，并控制承载平台5向上移动一定的距离，停留一段时间后，控制单元控制承载平台5向下移动，使第一薄层与光敏树脂池3的底部距离为一个薄层的厚度；

由于液态光敏树脂具有一定的粘稠度，因此，承载平台5移动的距离应当大于一个薄层的厚度，可以为2～5mm，之后在这一高度停留5～15秒，以使液态光敏树脂由薄层表面分离。

显示切换步骤，控制单元控制LCD液晶显示单元13切换显示下一薄层的横截面图案；

再次照射步骤，开启光源6敏树脂池中的液态光敏树脂，使第二薄层固化于第一薄层下部。

重复上述步骤，可以使薄层相互叠加，最终形成完整打印物体。

需要注意的是，在执行显示步骤至再次照射步骤的过程中，抽气泵11一直处于开启状态。另外，可以在打印一定数量的薄层后(例如100层)，可以再重复一次充气步骤，向腔体9内补充氧分子(此时抽气泵关闭)，而不必每形成一个薄层都补充一次。这样能够在不影响打印质量的前提下显著的加快打印速度。

本实施例的高分子半透膜8、充气泵10、抽气泵11、充气管路10-1和抽气管路11-1组成的气体交换系统特别适用于现有的基于LCD技术的3D打印机。

以上对本发明的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明范围(由所附的权利要求书限定)的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或详细说明中的实施范例。

Claims (10)

1.一种光敏树脂池，包括：

池体；

位于所述池体内的底壁上方的氧分子半透膜，所述氧分子半透膜与所述池体底壁的面积相符以在二者之间形成腔体；

设置于所述池体的侧壁或所述底壁上的与所述腔体连通的进气口和出气口。

2.根据权利要求1所述的液态光敏树脂池，其特征在于，所述池体内的底壁为LCD显示单元。

3.一种光固化3D打印机，包括：

如权利要求1或2所述的光敏树脂池。

4.根据权利要求3所述的光固化3D打印机，其特征在于，还包括

用于光照固化所述光敏树脂池中的液态光敏树脂的光源；

用于承载固化后的树脂物品的承载单元；

与所述光敏树脂池的进气口连通的充气单元。

5.根据权利要求4所述的光固化3D打印机，其特征在于，还包括与所述光敏树脂池的出气口连通的抽气单元。

6.根据权利要求5所述的光固化3D打印机，其特征在于，

所述充气单元包括充气管道和充气本体，所述充气管道的一端用于与所述进气口连接，另一端用于与所述充气本体连接；

所述抽气单元包括抽气管道和抽气本体，所述抽气管道的一端用于所述出气口连接，另一端用于与所述抽气本体连接。

7.根据权利要求6所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述充气本体和/或所述抽气本体布置成位于所述光敏树脂池下方。

8.一种利用如权利要求4所述的光固化3D打印机的打印方法，包括步骤：

a.利用所述充气单元通过所述进气口向所述腔体内输送含有氧分子的气体；

b.待所述氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，开启光源照射池体，使液态光敏树脂固化于承载单元；

其中，在执行步骤a和/或b时，通过所述排气口排出腔体内的气体。

9.一种利用如权利要求5-7中任一项所述的光固化3D打印机的打印方法，包括步骤：

a.利用所述充气单元通过所述进气口向所述腔体内输送含有氧分子的气体；

b.待所述含有氧分子的气体中的氧分子充分透过所述半透膜，利用所述抽气单元通过所述排出口排出所述腔体内的气体；

c.开启光源照射池体，使液态光敏树脂固化于承载单元。

10.根据权利要求9所述的打印方法，在所述步骤b中，所述抽气单元将除充分透过所述半透膜的氧分子外的所有剩余气体从所述腔体内排尽，以使所述半透膜贴附于所述池体内的底壁上。