CN105922587A - 一种连续光固化三维打印设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续光固化三维打印设备及其使用方法；一种连续光固化三维打印设备，包括成型平台、树脂槽、透光底板、供料系统、控制系统及至少一个投影系统；所述投影系统包括光源系统、汇合光路、数字成像单元及投影光路；所述光源系统包括至少两个独立的发光单元，每个所述发光单元的发射功率可以单独控制，且任意两个所述发光单元的发射光谱不重叠；所述透光底板位于所述树脂槽底部，为刚性平板结构，且所用材料的杨氏模量大于10GPa；所述树脂槽用于盛放含有光引发剂和光抑制剂的液态光敏树脂，其侧壁由金属、无机非金属或高分子材料构成。本发明使得三维光固化过程可高速连续进行，且速度和精度不受透光底板性能的局限。

Description

一种连续光固化三维打印设备及其使用方法

技术领域

本发明属于三维打印快速成型领域，尤其涉及一种高速连续式光固化三维打印设备。

背景技术

三维打印技术是通过自动化数控逐层累积材料实现三维模型的成型。相对于传统的加工技术而言，三维打印技术不需要另行制作模具，直接加工出成品，并且可快速得到传统加工技术难以制造的复杂零件。因此，三维打印技术能够缩短产品研发周期，降低企业的研发成本，提供更有效的技术解决方案，满足日益增长的个性化需求。

立体光固化技术是以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光对二维平面内需要固化的区域逐点扫描，形成一个二维轮廓。通过逐层堆积这样的二维轮廓，从而得到最终所需的三维模型。随着数字投影技术的发展，以数字投影系统作为激发光源取代激光扫描系统为光固化三维打印技术提供了更经济和高效的解决方案。

数字投影光固化三维打印技术可以分为两大类，即顶投影逐层成型和底投影逐层成型。顶投影逐层成型技术中，数字投影由上至下投影至液态光敏树脂表面，新固化的光敏树脂层位于已成型部分的顶部。通过从顶部不断堆积新的固化层，从而实现三维固体的成型。每次光照固化形成一层新的固态薄层后，载有已成型部分的成型平台会下降，使得已成型部分低于液面一个设定的高度，或者新的液态光敏树脂加入到树脂槽，使得液面高于已成型部分一个设定的高度。这两种情况下，都需要暂停数字投影，等待液态光敏树脂在重力或机械刮平装置的作用下重新覆盖于已成型部分顶部，为下一层光固化做好准备。这一过程会中断投影光固化，并占用相对较长的时间，导致光固化三维打印的速度严重下降。此外，顶投影逐层成型技术中，已成型部分始终浸泡在液态树脂中。当需要成型较高的物体时，则需要一个高度大于成型物体的树脂槽，并且需要用大量的光敏树脂填充该树脂槽，打印完成后还需回收未固化的树脂，导致运行成本高且操作复杂。

底投影逐层成型技术中，树脂槽的底部采用透光底板，数字投影由下至上穿过透光底板投影至液态光敏树脂与透光底板的界面区域，使得已成型部分与透光底板之间的液态光敏树脂薄层发生光固化。通过从底部不断堆积新的固化层，从而实现三维固体的成型。采用该方法时，已成型部分无需浸泡在液态树脂中，因此即使需要成型较高的物体时，也只需要一个较浅的树脂槽即可，相对于顶投影逐层成型技术具有明显优势。但另一方面，每次光照固化形成一层新的固态薄层后，载有已成型部分的成型平台需要上升一个设定的距离，使得已成型部分与透光底板完全分离并重新保持一个层厚的距离，其间由液态光敏树脂填充，为下一层光固化做好准备。由于光固化后已固化的光敏树脂与透光底板已经粘合在一起，将二者分离需要格外的注意。这一分离过程会中断投影光固化，并占用相对较长的时间，导致光固化三维打印的速度严重下降，因此相对于顶投影逐层成型技术并没有明显改进。

公布号为CN105122136A的专利文献中公布了一种光固化三维打印机，其采用半渗透性元件作为透光底板。当数字投影由下至上穿过透光底板投影至液态光敏树脂与透光底板的界面区域时，通过半渗透性元件进入到透光底板与液态光敏树脂界面区的聚合抑制剂可阻止该区域树脂的固化，形成聚合抑制区。光引发聚合反应只能在聚合抑制区以外的区域发生，聚合抑制区内的光敏树脂则始终保持液态。当载有已成型部分的成型平台上升时，聚合抑制区内的液态光敏树脂构成流体通道，使得周边的光敏树脂在环境压力驱动下连续的流入到已成型部分与透光底板的间隙中。这一过程中，投影光固化可以连续进行，从而避免了传统底投影逐层成型技术中分离过程所造成的投影中断，从而显著提高了光固化三维打印的速度。

采用半渗透性元件作为透光底板的光固化三维打印机，虽然实现了连续光固化成型，但其中的半渗透性元件同时扮演了聚合抑制剂通道、投影光路、机械支撑结构、化学容器等多种角色，受到诸如分子渗透性、光学透射率、机械强度、表面硬度、化学稳定性等多项指标的综合约束，因此难以找到各项指标均十分优异的材料用作半渗透性元件，导致最终机器的性能受到局限。为了满足渗透性的要求，目前常用含氟聚合物作为半渗透性元件，但该材料的弹性模量较低，打印过程中受到应力容易弯曲，导致聚合抑制区变形，并影响光路和成像质量，这一问题在大幅面构件的成型过程中尤为明显。此外，为了保证聚合抑制剂能顺利通过半渗透性元件，难以在半渗透性元件表面添加致密的功能性涂层以进行改性和增强，也难以通过热对流或热传导对半渗透性元件进行温度控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不依赖半渗透性元件即可实现高速连续光固化三维打印的连续光固化三维打印设备，以及该设备的使用方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种连续光固化三维打印设备，包括成型平台、树脂槽、透光底板、供料系统、控制系统及至少一个投影系统；所述投影系统包括光源系统、汇合光路、数字成像单元及投影光路；所述光源系统包括至少两个独立的发光单元，每个所述发光单元的发射功率可以单独控制，其中第i个所述发光单元发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为任意两个所述发光单元的发射光谱不重叠，第i个和第j个所述发光单元的发射波长范围满足数学关系或所述透光底板位于所述树脂槽底部，为刚性平板结构，且所用材料的杨氏模量大于10GPa；所述树脂槽用于盛放含有光引发剂和光抑制剂的液态光敏树脂，其侧壁由金属、无机非金属或高分子材料构成。作为优选，所述光源系统每个发光单元的峰值波长在150纳米至1000纳米之间，光谱宽度小于100纳米。

作为优选，所述光源系统中，至少有一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活所述液态光敏树脂中的光引发剂，生成引发所述液态光敏树脂聚合固化的自由基、分子或离子。

作为优选，所述光源系统中，至少有一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活所述液态光敏树脂中的光抑制剂，生成抑制所述光引发剂活性的自由基、分子或离子。

作为优选，所述透光底板的长度为20-1000mm,宽度为20-1000mm，厚度为0.1-200mm。

作为优选，所述透光底板对所述光源系统所有发光单元发射光谱范围内的波长的透过率大于50％。

作为优选，所述透光底板与所述液态光敏树脂相邻的一侧有硅基或氟基防粘涂层，其表面粗糙度小于10微米。

作为优选，所述透光底板与投影系统相邻的一侧有与所述光源系统发射光谱匹配的光学增透膜。

作为优选，所述透光底板与所述投影系统之间有透光平板，所述透光底板与所述透光平板形成夹层，所述夹层内填充流动性透光介质，所述透光介质在泵的驱动下在所述夹层和恒温装置间循环，用以保持所述透光底板的温度在一定范围内。

作为优选，所述汇合光路将所述光学系统所有发光单元发出的光汇合并转化为一束均匀的照明光线，通过所述数字成像单元及所述投影光路形成数字影像光线，所述数字影像光线穿过所述透光底板，使所述树脂槽中特定区域的液态光敏树脂固化。

作为优选，所述数字成像单元为数字微镜器件DMD，硅基液晶LCOS，高温多晶硅HTPS中的一种。

作为优选，所述投影光路的放大倍率为1-100倍。

作为优选，所述成型平台位于所述透光底板上方，并可沿所述透光底板的法线方向上下移动，固化成型后的三维构件位于所述成型平台与所述透光底板之间，并附着于所述成型平台上。

作为优选，所述供料系统通过液位传感器和电磁阀维持所述树脂槽中所述液态光敏树脂的液面高度。

作为优选，所述控制系统与所述成型平台、所述光源系统及所述数字成像单元相连，控制所述成型平台的升降及所述光源系统各发光单元的发射功率，并向所述数字成像单元发送数字影像信号。

作为优选，所述连续光固化三维打印设备的使用方法，包括以下步骤：

(1)启动所述连续光固化三维打印设备，向所述供料系统添加含有光抑制剂和光引发剂的液态光敏树脂，由所述供料系统保持所述树脂槽中所述液态光敏树脂的液面高度；

(2)通过外部设备向所述控制系统传送物体三维模型数据及与所述液态光敏树脂匹配的工艺参数；

(3)由所述控制系统控制所述成型平台降至距所述透光底板0.005-2mm的初始位置；

(4)由所述控制系统根据所述工艺参数调节所述光源系统各发光单元的发射功率，使得由所述光源系统发出的光线穿过所述透光底板后，在所述透光底板与所述液态光敏树脂的界面形成一个厚度为0.001-1mm的聚合抑制层，在所述液态光敏树脂内紧邻所述聚合抑制层的区域形成一个厚度为0.001-1mm的聚合引发层；

(5)由所述控制系统控制所述成型平台由所述初始位置开始以1-100mm/min的速度匀速连续上升，同时由所述控制系统控制所述数字成像单元以10-2000fps的帧速匀速生成数字投影光线，所述数字投影光线穿过所述透光底板，引发所述液态光敏树脂在所述聚合引发层内发生连续聚合，从而得到三维固体。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果或优点：

1.在光源系统中增加抑制光发光单元，通过选择性激发光敏树脂中的光抑制剂，在透光底板与液态光敏树脂的界面处抑制聚合的发生，形成聚合抑制区，从而实现连续光固化三维打印。

2.通过调节不同发光单元的发射功率，可以实时动态调节聚合抑制区的厚度，可满足不同打印速度和打印尺寸的需求。

3.抑制剂无需通过透光基底加入，因此对其渗透性无任何要求。透光基底仅需满足光学透射率、机械强度、表面硬度、化学稳定性的要求，选材范围广，性能指标较半渗透性元件可大幅提升。

4.透光基底表面还可根据特殊需要进行各种涂层处理以进一步增强性能，使得本专利发明的连续式三维打印设备在打印尺寸、打印速度和打印精度方面更具优势。

附图说明

图1为本发明一种连续光固化三维打印设备的结构示意图；

图2为本发明设备的一种光源系统结构示意图；

图3为本发明设备的一种光源系统发射光谱示意图；

图4为本发明设备的一种光源系统结构示意图；

图5为本发明设备的一种光源系统发射光谱示意图；

图6为引发光单独作用机理示意图；

图7为抑制光单独作用机理示意图；

图8为引发光和抑制光同时作用机理示意图；

图9为本发明设备连续成型模式原理示意图；

图10为本发明设备连续成型模式下，成型平台位移和数字投影光强度随时间的函数；

图11为本发明设备准连续成型模式下，成型平台位移和数字投影光强度随时间的函数；

图12为本发明设备连续成型模式流体受力示意图；

图13为本发明设备连续成型模式透光底板受力示意图；

图14为本发明设备动态调节发光单元发射功率以调整光抑制层厚度示意图；

图15为本发明设备采用多投影系统连续成型大尺寸构件示意图；

图16为本发明设备采用高压系统连续光固化高粘度树脂示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式，对本发明作进一步详细描述。

图1展示了一种连续光固化三维打印设备，由成型平台101、树脂槽103、透光底板105、供料系统107、控制系统106及至少一个投影系统108构成。透光底板105位于树脂槽103底部，树脂槽103中装有液态光敏树脂104，树脂的液面高度由供料系统107维持。成型平台101固定于支架110上，并可沿透光底板105的法线方向上下运动。控制系统106控制投影系统108产生数字投影，并控制成型平台101同步上升。数字投影经反射元件109反射后，穿过位于树脂槽103底部的透光底板105，使得透光底板105附近的光敏树脂薄层固化成与数字投影一致的图案。固化成型后的三维构件102附着在成型平台101上，并随着成型平台101移动。

图2展示了一种连续光固化三维打印设备的光源系统，由两个独立的发光单元2010、2020，准直元件2011、2021，分光元件211，匀光元件221及控制系统222构成。发光单元2010、2020发出的光分别经准直元件2011、2021准直后，通过分光片211合成为一束光，并由匀光元件221转化为一束均匀的照明光线，用作数字投影系统的光源。发光单元2010、2020的发射功率相互独立，由控制系统222分别控制。发光单元2010发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为发光单元2020发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为如图3所示，发光单元2010的发射光谱2012与发射单元2020的发射光谱2022完全不重叠，即波长范围满足数学关系或其中一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活光引发剂，生成引发光固化三维打印材料聚合的自由基、分子或离子；其中一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活光抑制剂，生成抑制光引发剂活性的自由基、分子或离子。

图4展示了一种连续光固化三维打印设备的光源系统，由三个独立的发光单元4010、4020、4030，准直元件4011、4021、4031，分光元件411、412，匀光元件421及控制系统422构成。发光单元4010、4020、4030发出的光分别经准直元件4011、4021、4031准直后，通过分光片411、412合成为一束光，并由匀光元件421转化为一束均匀的照明光线，用作数字投影系统的光源。发光单元4010、4020、4030的发射功率相互独立，由控制系统422分别控制。发光单元4010发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为发光单元4020发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为发光单元4030发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为如图5所示，发光单元4010的发射光谱4012、发射单元4020的发射光谱4022、发射单元4030的发射光谱4032中的任意两个都完全不重叠，即波长范围满足数学关系或(1≤i≤3,1≤j≤3,i≠j)。其中一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活光引发剂，生成引发光固化三维打印材料聚合的自由基、分子或离子；其中一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活光抑制剂，生成抑制光引发剂活性的自由基、分子或离子。

连续光固化三维打印设备的光源系统可以包含更多相互独立且功率可调的发光单元，采用图2或图4的方式合成为一束光，并通过匀光元件转化为一束均匀的照明光线，且任意两个所述发光单元的发射光谱不重叠，可选择性激发不同的光抑制剂或光引发剂。光源系统的任意一个发光单元的峰值波长在150纳米至1000纳米之间，光谱宽度小于100纳米；优选的，每个发光单元的峰值波长在250纳米至800纳米之间，光谱宽度小于50纳米；更优选的，每个发光单元的峰值波长在300纳米至600纳米之间，光谱宽度小于20纳米；进一步优选的，每个发光单元的峰值波长在350纳米至500纳米之间，光谱宽度小于10纳米。

实施例1

请参阅图6，其中透光底板602与成型平台605之间有液态光敏树脂薄层604，光敏树脂包含如下成分：100重量份丙烯酸月桂酯，100重量份三丙二醇二丙烯酸酯，3重量份樟脑醌，2重量份N,N-二甲基氨基苯甲酸乙酯，6重量份二硫化四乙基秋兰姆。波长为470±5纳米的引发光601穿过透光底板602照射到光敏树脂薄层604上。由于光吸收效应，引发光在树脂中的光强为曲线603。引发光波长范围内，光引发剂樟脑醌的吸光度远高于光抑制剂二硫化四乙基秋兰姆的吸光度，光照后，樟脑醌通过助引发剂N,N-二甲基氨基苯甲酸乙酯生成活性自由基，而二硫化四乙基秋兰姆则无法被激活，从而无法抑制系统内的自由基聚合过程。照射10s后关闭光源，发现透光底板602与成型平台605之间的光敏树脂薄层606完全固化。

实施例2

请参阅图7，其中透光底板702与成型平台705之间有液态光敏树脂薄层704，光敏树脂成分与实施例1相同。波长为365±5纳米的抑制光701穿过透光底板702照射到光敏树脂薄层704上。由于光吸收效应，抑制光在树脂中的光强为曲线703。抑制光波长范围内，光抑制剂二硫化四乙基秋兰姆的吸光度远高于光引发剂樟脑醌的吸光度，光照后，二硫化四乙基秋兰姆生成低活性的二硫代氨基甲羧基自由基，自身引发自由基聚合的速率很低，而樟脑醌则无法被激活，从而无法引发系统内的自由基聚合过程。照射10s后关闭光源，发现透光底板702与成型平台705之间的光敏树脂薄层706仍为液态。

实施例3

请参阅图8，其中透光底板803与成型平台808之间有液态光敏树脂薄层807，光敏树脂成分与实施例1相同。波长为470±5纳米的引发光801与波长为365±5纳米的抑制光802同时穿过透光底板803照射到光敏树脂薄层807上。由于光吸收效应，引发光在树脂中的光强为曲线804，抑制光在树脂中的光强为曲线805，引发光与抑制光的强度之差为曲线806。本实施例中，光引发剂樟脑醌与光抑制剂二硫化四乙基秋兰姆同时被激活。靠近成型平台808的区域，由于引发光强于抑制光，低活性的二硫代氨基甲羧基自由基浓度小于樟脑醌通过助引发剂N,N-二甲基氨基苯甲酸乙酯生成的高活性自由基浓度，低活性自由基无法完全捕获所有的高活性自由基，因此自由基聚合可正常进行。靠近透光底板803的区域，由于抑制光强于引发光，低活性的二硫代氨基甲羧基自由基浓度大于樟脑醌通过助引发剂N,N-二甲基氨基苯甲酸乙酯生成的高活性自由基浓度，低活性自由基可迅速捕获绝大部分高活性自由基，从而抑制了自由基聚合。照射10s后关闭光源，发现靠近成型平台808的区域，光敏树脂发生固化；靠近透光底板803的区域，光敏树脂仍为液态，因此可以轻易将透光底板803与成型平台808分离。

实施例4

请参阅图9，其中引发光901与抑制光902同时穿过透光底板903照射到已固化成型的三维构件907与透光底板903之间的液态光敏树脂层。与实施例3中类似，靠近透光底板903的区域，由于抑制光强于引发光，光敏树脂保持液态，形成厚度为0.001-1mm的聚合抑制层904；靠近已固化成型的三维构件907的区域，由于引发光强于抑制光，光敏树脂发生固化，形成厚度为0.001-1mm的聚合引发层905。已固化成型的三维构件907附着于成型平台908上，并随着成型平台908上升。液态光敏树脂906在压力差驱动下将沿着液态聚合抑制层904流入并填补三维构件907上升过程中留下的空隙。本实施例中，在整个光固化三维成型阶段内，投影系统连续投射数字影像，光聚合反应在聚合引发层905内连续发生，液态光敏树脂906连续流入聚合引发层905以提供新的反应原料，无任何额外动作打断整个光固化过程，因此成型速度较传统工艺显著提升。

图10展示了实施例4中，采用连续成型模式时，成型平台位移和数字投影光强度随时间的函数。其中横坐标为时间，1001为数字投影光强度曲线，1002为成型平台位移曲线。在连续成型模式中，成型平台匀速上升，而数字投影光强度保持恒定。图11展示了实施例4中，采用准连续成型模式时，成型平台位移和数字投影光强度随时间的函数。其中横坐标为时间，1101为数字投影光强度曲线，1102为成型平台位移曲线。在准连续成型模式中，成型台阶式上升，而数字投影只在平台阶段开启，上升阶段则关闭。准连续模式中，由于固化成型的光敏树脂与透光底板间有液态光敏树脂隔开，因此上升过程可以非常迅速，上升阶段的时间占比非常小，整体成型速度可接近连续模式。

图12展示了实施例4中，成型平台在上升过程中树脂槽内的二维流体模型分析。由分析可知，成型平台的最大上升速度u_max有如下关系：

$u_{max}\∝\frac{P_{\mathrm{\∞}}{h}^3}{{\mathrm{\μl}}^2},$

其中P_∞为环境压力，h为流体通道宽度，μ为流体粘度，l为构件的特征尺寸。透光底板单位长度的最大应力F_max有如下关系：

F_max∝P_∞l。

图13展示了实施例4中，成型平台在上升过程中透光底板的二维受力分析。由分析可知，透光底板的最大挠度w_max有如下关系：

$w_{max}\∝\frac{F_{max}{L}^3}{EI}$

其中L为透光底板的特征尺寸，E为透光底板的杨氏模量，I为透光底板的截面惯性矩。当其他几何参数相同时，透光底板在应力作用下的挠度与其所用材料的杨氏模量成反比。采用聚四氟乙烯做透光底板时，由于其杨氏模量仅为1GPa左右，成型构件快速上升时所造成的应力将导致透光底板发生严重弯曲，使得成型构件与透光底板间的液态通道由h缩减至h′，甚至完全塌陷，同时透光底板的变形还会干扰投影系统成像，从而严重影响打印速度和打印质量。实施例4中，采用杨氏模量为80GPa左右的石英玻璃作为透光底板后，同样应力所造成的透光底板的偏移仅为聚四氟乙烯的1/80,其影响基本可以忽略。

实施例5

请参阅图14，该实施例展示了动态调节发光单元发射功率以调整光抑制层厚度。在光源模式1中，引发光在光敏树脂中的光强为曲线1401，抑制光在光敏树脂中的光强为曲线1402，1401与1402的交点至y轴间的区域为聚合抑制层，其厚度即为流体通道宽度。当切换到光源模式2后，抑制光发光单元的强度调整为原来的2.5倍，抑制光在光敏树脂中的光强变为曲线1403，1401与1403的交点至y轴间的区域为聚合抑制层，此时流体通道宽度显著变宽。由于成型平台的最大上升速度u_max与流体通道宽度h的三次方成正比，因此由光源模式1切换至光源模式2后，u_max可提升至原来的12倍。本实施例证明了通过独立调节光源系统发光单元的发射功率，可大幅调整三维构件光固化成型的速度，该方法的意义在于：当打印成型速度受到其他不利条件的限制时(如构件尺寸过大，光敏树脂粘度过大)，仍可以通过调节光源来保证足够的成型速度。

实施例6

请参阅图15，其中由控制系统1503控制两个投影系统1501和1502分别投影数字影像，二者的数字影像拼接后，得到一幅整体的数字影像，用于大尺寸构件的连续快速成型。根据成型构件的截面尺寸，可以使用2,4,6,8,12,16个或更多的投影系统拼接产生足够面积的数字投影。需要强调的是，在同样应力的作用下，透光底板的挠度与透光底板特征尺寸L的三次方成正比。这也意味杨氏模量较低的有机材质透光底板将会产生更为显著的变形和偏移，从而迫使整个系统大幅牺牲成型速度，甚至无法正常工作。而本实施例透光底板所采用的石英玻璃、蓝宝石等材质具有较高的杨氏模量，因此偏移仍可保持在允许范围内，从而不影响设备的正常工作。此外，实施例5中所采用的光源调整方法也可用来维持较高的打印成型速度。

实施例7

请参阅图16，其中成型平台、树脂槽、透光底板等主要部件被置于一个压力容器1601中，控制系统1604控制压力泵1602工作，将压力容器1601内部的压力维持在指定值。投影系统1603在控制系统1604的控制下，通过光学窗口将数字投影透射到透光底板。由于成型平台的最大上升速度u_max与环境压力P_∞成正比，因此当P_∞由0.1MPa提升至1.0MPa时，成型速度将提升10倍，可用来克服高粘度流体带来的不利影响。一个典型应用是，以固含量为50％-65％的陶瓷粉末/光敏树脂高粘度混合浆料为原料，通过光固化连续成型制造三维陶瓷胚体。由前述分析可知，透光底板的挠度与环境压力P_∞成正比，因此杨氏模量较低的有机材质透光底板将会产生更为显著的变形和偏移，从而迫使整个系统大幅牺牲成型速度，甚至无法正常工作。本实施例中，透光底板采用杨氏模量为380GPa的蓝宝石，因此同样条件下偏移仅为聚四氟乙烯的1/380。即使环境压力P_∞提升至1.0MPa，其偏移也只有聚四氟乙烯透光底板0.1MPa条件下的1/38，影响基本可以忽略。相对于有机材料，蓝宝石表面硬度极高，直接与固液混合浆料接触不会被划伤磨损，也不会因此影响光学投影质量。本实施例的透光底板与投影系统相邻的一侧表面还镀有光学增透膜，用于增强投影光强度并消除散射光和反射光的干扰。此外，实施例5中所采用的光源调整方法也可用来维持较高的打印成型速度。

实施例8

所用光敏树脂成分与实施例1相同，采用如下步骤操作如图1所示的连续光固化三维打印设备：

(1)启动连续光固化三维打印设备，向供料系统添加含有光抑制剂和光引发剂的液态光敏树脂，由供料系统保持树脂槽中液态光敏树脂的液面高度于20mm；

(2)通过一台个人电脑向控制系统传送物体三维模型数据及与液态光敏树脂匹配的工艺参数；

(3)由控制系统控制成型平台降至距透光底板0.1mm的初始位置；

(4)由控制系统根据工艺参数调节光源系统各发光单元的发射功率，使得由光源系统发出的光线穿过透光底板后，在透光底板与液态光敏树脂的界面形成一个厚度为0.1mm的聚合抑制层，在液态光敏树脂内紧邻聚合抑制层的区域形成一个厚度为0.1mm的聚合引发层；

(5)由控制系统控制成型平台由初始位置开始以10mm/min的速度匀速连续上升，同时由控制系统控制数字成像单元以100fps的帧速匀速生成数字投影光线，数字投影光线穿过透光底板，引发液态光敏树脂在聚合引发层内发生连续聚合，从而得到三维固体。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种连续光固化三维打印设备，包括成型平台、树脂槽、透光底板、供料系统、控制系统及至少一个投影系统；所述投影系统包括光源系统、汇合光路、数字成像单元及投影光路；所述光源系统包括至少两个独立的发光单元，每个所述发光单元的发射功率可以单独控制，其中第i个所述发光单元发射光谱的最小波长为峰值波长为最大波长为任意两个所述发光单元的发射光谱不重叠，第i个和第j个所述发光单元的发射波长范围满足数学关系或所述透光底板位于所述树脂槽底部，为刚性平板结构，且所用材料的杨氏模量大于10GPa；所述树脂槽用于盛放含有光引发剂和光抑制剂的液态光敏树脂，其侧壁由金属、无机非金属或高分子材料构成。

2.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述光源系统每个发光单元的峰值波长在150纳米至1000纳米之间，光谱宽度小于100纳米。

3.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述光源系统中，至少有一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活所述液态光敏树脂中的光引发剂，生成引发所述液态光敏树脂聚合固化的自由基、分子或离子。

4.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述光源系统中，至少有一个发光单元的发射光谱内的波长可诱导激活所述液态光敏树脂中的光抑制剂，生成抑制所述光引发剂活性的自由基、分子或离子。

5.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述透光底板的长度为20-1000mm,宽度为20-1000mm，厚度为0.1-200mm。

6.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述透光底板对所述光源系统所有发光单元发射光谱范围内的波长的透过率大于50％。

7.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述透光底板与所述液态光敏树脂相邻的一侧有硅基或氟基防粘涂层，其表面粗糙度小于10微米。

8.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述透光底板与所述投影系统相邻的一侧有与所述光源系统发射光谱匹配的光学增透膜。

9.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述透光底板与所述投影系统之间有透光平板，所述透光底板与所述透光平板形成夹层，所述夹层内填充流动性透光介质，所述透光介质在泵的驱动下在所述夹层和恒温装置间循环，用以保持所述透光底板的温度在一定范围内。

10.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述汇合光路将所述光学系统所有发光单元发出的光汇合并转化为一束均匀的照明光线，通过所述数字成像单元及所述投影光路形成数字影像光线，所述数字影像光线穿过所述透光底板，使所述树脂槽中特定区域的液态光敏树脂固化。

11.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述数字成像单元为数字微镜器件DMD，硅基液晶LCOS，高温多晶硅HTPS中的一种。

12.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述投影光路的放大倍率为1-100倍。

13.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述成型平台位于所述透光底板上方，并可沿所述透光底板的法线方向上下移动，固化成型后的三维构件位于所述成型平台与所述透光底板之间，并附着于所述成型平台上。

14.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述供料系统通过液位传感器和电磁阀维持所述树脂槽中所述液态光敏树脂的液面高度。

15.根据权利要求1所述的连续光固化三维打印设备，其特征在于，所述控制系统与所述成型平台、所述光源系统及所述数字成像单元相连，控制所述成型平台的升降及所述光源系统各发光单元的发射功率，并向所述数字成像单元发送数字影像信号。

16.一种权利要求1所述的连续光固化三维打印设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)启动所述连续光固化三维打印设备，向所述供料系统添加所述含有光引发剂和光抑制剂的液态光敏树脂，由所述供料系统保持所述树脂槽中所述液态光敏树脂的液面高度；

(2)通过外部设备向所述控制系统传送物体三维模型数据及与所述液态光敏树脂匹配的工艺参数；

(3)由所述控制系统控制所述成型平台降至距所述透光底板0.005-2mm的初始位置；

(4)由所述控制系统根据所述工艺参数调节所述光源系统各发光单元的发射功率，使得由所述光源系统发出的光线穿过所述透光底板后，在所述透光底板与所述液态光敏树脂的界面形成一个厚度为0.001-1mm的聚合抑制层，在所述液态光敏树脂内紧邻所述聚合抑制层的区域形成一个厚度为0.001-1mm的聚合引发层；

(5)由所述控制系统控制所述成型平台由所述初始位置开始以1-100mm/min的速度匀速连续上升，同时由所述控制系统控制所述数字成像单元以10-2000fps的帧速匀速生成数字投影光线，所述数字投影光线穿过所述透光底板，引发所述液态光敏树脂在所述聚合引发层内发生连续聚合，从而得到三维固体。