CN105014974A - 一种高速光固化3d打印装置和打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光固化3D打印装置和方法，其中装置包括装有液态光敏树脂的液池、打印平台以及照射光源，所述液池底部设有与所述打印平台和照射光源对应的透明板，所述透明板朝向打印平台的一侧覆设有透明的抗粘涂层；还包括：设置在液池侧壁的液体出口和液体入口；将液体出口和液体入口相连的管路；设置在所述管路上用于驱动液态光敏树脂在液体出口、液体入口和管路间循环流动的驱动单元。本发明通过在固化窗口上涂覆透明抗粘涂层，避免过快的激光照射导致的固化光敏树脂粘附在玻璃板上附着的问题。在打印区域两侧装有促进液态光敏树脂流动的管道，提升打印区域附近光敏树脂的流动性，加速光敏树脂的补充，实现SLA的快速打印。

Description

一种高速光固化3D打印装置和打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是涉及一种高速光固化3D打印装置和打印方法。

背景技术

快速成型(RP)技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。

SLA(Stereo Lithography Appearance，立体光固化成型法)是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。

DLP(Digital Light Procession)全称叫“数字光投影”技术，基于DLP的打印工艺与SLA光固化成型方法类似，都是采用液态光敏树脂为原料。不同之处在于，DLP采用数字投影仪作为光源，而SLA为激光头。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，产生的许多帧图像通过数字投影仪照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化。当一层加工完毕后，就生成了打印件的一个截面，然后打印平台移动一定距离，等待固化层上覆盖另一层液态树脂，在进行第二层照射，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。

目前的DLP打印技术主要存在两个问题。一、在底部数字投影仪的照射下，表面液态光敏树脂的固化可以很快。但是过快的固化速度会使固化了的树脂粘在下方的透光玻璃窗口上，将打印平台与下面的玻璃窗口粘合，导致打印失败。为解决该问题，申请号为CN201510045357.6的专利文献公开了一种基于DMD的光固化成型方法，其采用工作的左电机带动树脂槽的左端由上往下移动的同时，右电机还同时带动树脂槽的右端由上往下移动，且左电机带动树脂槽的左端移动行程与右电机带动树脂槽的右端移动行程不同，从而使刚被固化的树脂薄层与树脂槽内的液态树脂相剥离，使得刚被固化的树脂薄层很好地与树脂槽内的液态树脂相剥离，相对减少液态树脂对刚被固化的树脂薄层的损害，从而提高了固化模型的精度。但是该方法操作复杂，同时在剥离过程中，容易损坏已经固化的树脂薄层。二、由于液态光敏树脂具有一定粘稠度，在DLP打印平台完成一层的固化并抬升后，光敏树脂不会迅速填补打印区域的空缺，而是缓慢流入打印区域。在光敏树脂填满打印区域之前，是无法进行照射固化的。需要等待光敏树脂将打印区域完全填充后，再开始新一层的固化。目前DLP打印通常采用的方法是降低打印速度，在树脂完全固化之前停止照射并上升打印平台，使液体树脂重新充满缝隙，然后开始照射固化，并重复这个过程。正是这两个原因，限制了光固化方式的3D打印速度。所以在提高光固化3D打印速度方面，不仅要解决光敏树脂固化时附着在底板上的问题，还要增加底部液态光敏树脂的流动性，使光敏树脂能够在打印平台抬升后快速补充空缺区域，以便开始下一层的照射固化。

发明内容

为解决光敏树脂附着和液体的问题，本发明提供了一种基于透明抗粘层的高速光固化3D打印装置，避免激光束照射下液态光敏树脂在透明玻璃板上的粘附，并加速液态树脂在打印完成区域的补充，提高打印速度。

本发明同时也提供了一种利用上述高速光固化3D打印装置进行3D打印的方法，打印效率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高速光固化3D打印装置，包括装有液态光敏树脂的液池、打印平台以及照射光源，所述液池底部设有与所述打印平台和照射光源对应的透明板，所述透明板朝向打印平台的一侧覆设有透明的抗粘涂层；

还包括：

设置在液池侧壁的液体出口和液体入口；

将液体出口和液体入口相连的管路；

设置在所述管路上用于驱动液态光敏树脂在液体出口、液体入口和管路间循环流动的驱动单元。

本发明在底部透光玻璃窗口上涂覆有透明抗粘层，透明抗粘涂层的表面能低于光敏树脂，抑制光敏树脂在底板上的附着。在数字投影仪激光束的照射下，液态树脂快速固化而不会附着于底面涂层。解决了光敏树脂因过渡附着造成破坏的技术问题。

本发明在液池底部打印区域两侧分别有树脂循环管路的液体入口和液体出口，在泵的驱动下，液态光敏树脂从一侧流出并从另一侧流入，保持底部液态树脂的流动状态，提高液态光敏树脂的流动性。当打印平台完成一侧打印向上抬升后，流动的液态光敏树脂可以迅速填补因打印件抬升产生的空缺区域。完美解决了液态光敏树脂流动性差的技术问题。

本发明的照射光源可选用数字投影仪或者激光产生装置，用于对固化提供光源。

作为优选，所述打印平台与透明板之间形成打印区域，所述液体出口和液体入口设置在液池底部，直线对称的设置在所述打印区域两侧。采用该技术方案，保证在打印区域所在的平面，液态光敏树脂的流动性更好，填补效率更高。

作为优选，所述液体出口和液体入口处分别设有出口管和入口管，出口管和入口管端部均为相互对正的扁嘴形结构。采用扁嘴形结构，可以在打印区域所在的平面形成涵盖范围大且稳定的液体流动，提高打印效率的同时，保证了打印质量。

作为优选，所述透明抗粘涂层采用纳米防水镀膜。作为进一步，所述抗粘涂层为特氟龙薄层或台湾摩奇纳米喷雾式镀膜层或聚二甲基硅氧烷薄膜。

作为优选，还包括控制器，所述控制器在打印平台上打印区域的液态光敏树脂固化完成后，关闭所述照射光源，同时驱动打印平台上移设定距离，开启所述驱动单元，液态光敏树脂填补完成后再关闭驱动单元，同时打开照射光源，进行下一循环的固化流程。本发明中，照射光源的投影数据由控制器同步提供，与打印层结构信息一一匹配。所述的控制器一般可采用计算机。

作为优选，所述驱动单元可采用液体泵。

本发明还提供了一种利用上述任一技术方案所述的高速光固化3D打印装置进行打印的方法，包括：

(1)利用照射光源对位于液池内打印平台进行照射；照射光源的投影数据一般由计算机提供；

(2)待打印平台上打印区域固化后，向上移动打印平台设定距离，固化层与所述抗粘涂层分离；打印平台移动的距离，由计算机预先设定，与三维层结构切片数据一致；

(3)开启驱动单元，驱动液池内液体从液体出口向液体入口流动，充满打印平台与透明板之间的打印区域；

(4)关闭驱动单元，同时开启照射光源，返回步骤(1)，循环下一层的打印，最终得到3D打印产品。

本发明具有的有益的效果是：

本发明的创新之处在于采用低表面能的透明抗粘涂层涂覆于底部玻璃表面，解决由于过快的激光照射导致的固化光敏树脂粘附在玻璃板上的问题。液态光敏树脂固化时的附着问题。同时采用液态树脂循环管路，使底部的液态光敏树脂处于流动状态，提升光敏树脂的补充效率。

由于解决了光敏树脂固化附着和流动性差的问题，采用此方法的SLA打印，打印平台可以在打印过程中较为连续的抬升，提高打印速度。

附图说明

图1是本发明的高速光固化3D打印装置的结构俯视示意图。

图2是本发明的高速光固化3D打印装置的结构主视示意图。

图3到图4是本发明高速光固化3D打印装置的工作流程图。

图5为现有的高速光固化3D打印装置打印过程中树脂流动填补打印区域的细节图；

图6是本发明高速光固化3D打印装置打印过程中树脂流动填补打印区域的细节图；

上述附图中：1-电机，2-泵，3-管道，4-液池，5-液体出口，6-液体入口，7-抗粘涂层，8-玻璃板，9-打印平台，10-液态光敏树脂，11-数字投影仪，12-打印件，13-打印平台抬升造成的树脂空缺区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的明高速光固化3D打印装置的结构如下：液池4内装有液态光敏树脂10，在液池4的底部设有透光玻璃板8，玻璃板8的上侧涂覆有抗粘涂层7，在距打印平台9两侧的一定距离处分别安装有管道液体出口5和管道液体入口6，管道液体出口5和管道液体入口6穿过液池4的侧壁并在外侧由管道3相连接。管道3上连接有驱动液体流动的泵2，将管道中的液态光敏树脂10从泵入口的一侧泵至泵出口的另一侧，电机1与泵2连接，对泵2提供动力。液池4底部的液态光敏树脂10在泵2的作用下，在液池4内由管道液体出口5不断流动至管道液体入口6，流动的液态光敏树脂10将快速补充因打印平台9抬升造成的空缺区域。

管道液体出口5和管道液体入口6设置在液池4底部抗粘涂层7上，分别位于打印区域两侧，管道液体出口5和管道液体入口6相向对正，同时对准打印区域，以便于在打印平台9抬升后，在管道液体出口5和管道液体入口6之间形成液体流，实现对因打印平台9抬升造成的空缺区域快速补充液态光敏树脂10。

管道液体出口5和管道液体入口6处均设有扁嘴形结构的出口管和入口管，扁嘴形结构水平方向上(同时垂直于液体流向和打印平台9运行方向)的宽度两个扁嘴形结构相互对正，在因打印平台9抬升造成的空缺区域形成稳定的液体流，保证打印质量。

优选地，所述透明抗粘涂层7采用纳米防水镀膜，比如使用镀膜技术在窗口材料(透明玻璃板朝向液池4内的一侧)上镀上抗粘层，一种可选的抗粘层材料是高透明特氟龙薄膜(例如特氟龙ETFE)或者也可选择台湾摩奇纳米喷雾式镀膜或聚二甲基硅氧烷薄膜。

本发明利用流体流动代替空缺区域自身的填补，直接通过液体流动填补打印平台下方的打印区域；而空缺区域随流体流动而向管道液体入口6方向转移，同时缓慢完成自身的填补。采用本发明的方法和装置，保证等待填补的时间直接取决于流体流动的时间，不再受空缺区域填补时间的限制。

参考图3、图4和图6本发明的工作过程如下：

1)在数字投影仪11的照射下，液态光敏树脂发生固化，由于在透光玻璃板8上涂覆有抗粘涂层7，固化的光敏树脂不会在涂层上附着，固化后关闭数字投影仪11。

2)打印平台9提升，由于固化的光敏树脂只在靠打印平台9的这一侧附着，故可以轻松脱离抗粘涂层7，并在此处产生一个短暂真空状态，形成真空区域。

3)处于运动状态的电机1带动泵2运动，将在管道液体入口6处吸入液态光敏树脂，并于管道液体出口5处排出，造成液池4内底部液态光敏树脂10从管道液体出口5至管道液体入口6的流动。流动的液态光敏树脂10很快流动至2)中真空空缺区域所在的位置，代替该真空空缺区域，填补完成后，开启数字投影仪11，开始下一个高度层的液态光敏树脂10的固化。而原先的真空区域未填充的部分随着液体流动向管道液体入口6移动，同时缓慢的完成自身的填补，不会影响打印的速度。重复以上步骤直至模型打印完成。

采用现有的打印装置打印时，其液态光敏树脂流动如图5，打印件12跟随打印平台9抬升后，静态的液态光敏树脂10在压强作用下向空缺区域13流动补充，由于光敏树脂的粘稠性，这一过程非常缓慢，制约打印速度的提升。

本发明让原本是静态的液态树脂在靠近打印区域的地方流动起来，这样应该可以加速填补平台上升造成的空缺，减少等待的时间来达到加速打印的目的。使用本发明的促进流动装置的树脂流动如图6，液态光敏树脂10从管道液体出口5处不断排出，底层打印区域附近的液态光敏树脂10一直处于流动状态。流动的液态光敏树脂10可以很快地填补空缺区域13，减少等待时间，加快打印速度。

Claims (9)

1.一种高速光固化3D打印装置，包括装有液态光敏树脂的液池、打印平台以及照射光源，所述液池底部设有与所述打印平台和照射光源对应的透明板，其特征在于：

所述透明板朝向打印平台的一侧覆设有透明的抗粘涂层；

还包括设置在液池侧壁的液体出口和液体入口；

将液体出口和液体入口相连的管路；

设置在所述管路上用于驱动液态光敏树脂在液体出口、液体入口和管路间循环流动的驱动单元。

2.根据权利要求1所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述打印平台与透明板之间形成打印区域，所述液体出口和液体入口设置在液池底部，直线对称的设置在所述打印区域两侧。

3.根据权利要求2所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述液体出口和液体入口处分别设有出口管和入口管，出口管和入口管端部均为相互对正的扁嘴形结构。

4.根据权利要求1所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述抗粘涂层为纳米防水镀膜。

5.根据权利要求4所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述纳米防水镀膜包括高透明特氟龙薄膜、摩奇纳米喷雾式镀膜或聚二甲基硅氧烷薄膜。

6.根据权利要求1所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述打印平台与透明板之间形成打印区域；还包括控制器，所述控制器在打印平台上打印区域的液态光敏树脂固化完成后，关闭所述照射光源，同时驱动打印平台上移设定距离，开启所述驱动单元，当打印区域的液态光敏树脂填补完成后再关闭驱动单元，同时打开照射光源，进行下一循环的固化流程。

7.根据权利要求1所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述驱动单元为泵。

8.根据权利要求1所述的高速光固化3D打印装置，其特征在于：所述透明板为玻璃板。

9.一种利用权利要求1-8任一权项所述高速光固化3D打印装置进行打印的方法，其特征在于，包括：

(1)利用照射光源对位于液池内打印平台进行照射；

(2)待打印平台上打印区域固化后，向上移动打印平台设定距离，固化层与所述抗粘涂层分离；

(3)开启驱动单元，驱动液池内液体从液体出口向液体入口流动，充满打印平台与透明板之间的打印区域；

(4)关闭驱动单元，同时开启照射光源，返回步骤(1)，循环下一层的打印，最终得到3D打印产品。