CN106335184A - 一种基于3d打印个体性近视矫正树脂镜片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，首先根据近视患者的近视检查参数进行三维模型个性化设计，然后采用WaterShedRXC 11122透明树脂材料，同时设置打印参数，并使用光固化成型工艺进行3D打印，最后对打印后的成型镜片进行抛光、打磨、除毛刺等后续处理，本发明所打印出的透明镜片不仅可以实现近视患者的个体性高适配，还可以降低高度近视患者的光学矫正负担，同时本发明也为透明树脂在曲面镜片成型的应用提供一种途径和方法。

Description

一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法。
背景技术
3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志，凭借其个性化制造以及增材制造的特点已经应用到很多领域，其中树脂材料的增材制造是3D打印的主要方向之一，但是针对透明树脂材料还是一个亟待解决的技术难题。据调查发现，现有传统工艺生产制造的光学矫正镜片适配性较低，导致配镜者矫正不彻底；另外，由于没有针对高近视度数患者矫正镜片的模具，全手工配镜的成本高昂，本发明欲通过3D打印技术实现个体性近视矫正树脂镜片的成型制造，以真正实现个体性高适配性光学矫正，同时减轻高近视度数患者的配镜成本，提供便民的光学矫正服务。
据《国民视觉健康》最新研究显示，2012年中国5岁以上总人口中，屈光不正的患病人数在5亿左右，其中超过90％以上的屈光不正是近视，约4.5亿。另外，2013年世界卫生组织更新研究报告称，目前约14亿人罹患近视，到2020年预计增长至25亿。报告认为在全世界近视人群中，未被矫正的近视者多达6亿，在中国41％的5至15岁未成年人存在近视、远视、散光等屈光不正问题，而未得到有效矫正的比例高达85％。现有的近视屈光不正矫正手段主要有激光切割手术、药物治疗以及光学矫正，且以光学矫正为主，因此如何进行有效的光学矫正是一个有待解决的问题。
传统的眼镜片生产工艺主要通过模具浇注成型，虽然可以实现自动化的生产制造，但是存在模具设计的镜片度数不连续性，一般每隔25度进行设计，这样对于近视患者的镜片适配会出现偏差，虽然确保在可接受的误差范围之内，但是长时间的佩戴对于近视患者的视功能具有损害作用，因此如何实现针对近视患者个体性的高适配矫正镜片制造是一个极具意义的研究。
对于光学镜片的生产制造，现代工业生产采取大规模批量制造，需要提前制造好模具，然后注液冷却成型，出模的镜片还需要经过抛光、加膜、加硬等后续处理，制造时间周期比较长，占用了大量的劳动力。而且对于高度数镜片的生产，由于需要个性化适配，生产成本会相对更高。对个体性强、结构复杂的设计和生产显得捉襟见肘。
同时作为第三次工业革命重要标志的3D打印技术凭借其个体性制造强的特点，经过三十多年的发展，研发的打印材料性能不断增强，材料种类和打印工艺技术也在逐渐完善，在康复医疗领域的应用研究正在迅猛发展。结合增材制造工艺的优势实现光学眼镜片的快速制造和个性化的模型设计，相比传统制造工艺通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型，然后切削以最终完成产品的设计而言，3D打印技术将大大降低了眼镜片制造的复杂程度，将大大缩短生产周期和减少劳动量，节约生产材料和生产成本。而且针对高度数屈光不正患者的光学矫正，由于该类型镜片市场需求量小，模具制造费用造成的生产成本过高，可以借助3D打印技术降低生产成本，实现个性化低成本制造，因此3D打印光学矫正镜片将会造福我国包括青少年近视高危群体在内的近4亿近视眼患者。
目前较为成熟的3D打印工艺有光固化立体成型(SLA)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结技术(SLS)、选区激光熔化技术(SLM)、熔融沉淀造型技术(FDM)、三维打印技术(3DP)、面曝光技术(SGC)以及聚合物喷射技术(Polyjet)，其生产代表商为3D Systems、Stratasys、Helisys、EOS、Kira等。在国内也有一些高校和企业投身研究，西安交通大学卢秉恒院士及其研究团队致力于光固化快速成型制造系统的研究，设计出具有国际首创的紫外光快速成型机及具有国际先进水平的机光电一体化快速制造设备和专用材料，形成了一套国内领先的产品快速开发系统；华中科技大学史玉升研究团队开发出了世界上最大成型空间的快速制造装备；北京航空航天大学的王华明研究团队在钛合金结构件激光快速成型，成套工艺设备及工程化方面有重要进展；西北工业大学黄卫东团队则致力于金属激光立体成型的材料、工艺和装备的研发。
在光学镜片的3D打印制造方面，荷兰LUXeXceL公司开发了用于研制表面光滑的光学镜片的“光学元件打印(Printoptical)技术，其目标是实现制造的镜片镜架融为一体，全彩色结构而不需抛光、打磨、着色等后期处理，但还停留在研究阶段。华盛顿大学也研究出3D量子团LED打印机和带有内置显示屏的隐形眼镜片，但还不适于透明光学树脂镜片的制造。
针对3D打印的巨大潜在市场，现在各大企业和研究单位正在开始积极地进行应用领域的研究，在光学树脂的增材制造领域，全球最大SL材料研发公司DSM Somos开发的WaterShedRXC 11122透明树脂可适于3D打印；Stratasys公司也研发出适于3D打印的透明树脂材料，可用于光学透镜的制造，因此本发明尝试通过光固化成型工艺探索透明树脂材料的曲面成型。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，用此方法打印出来的树脂镜片能够实现近视患者的个体性高适配光学矫正。
为了达到上述目的，本发明其特征在于：
步骤一，根据近视患者的视觉检查参数和所选材料的折射率按照光学设计要求进行三维模型的设计，并在Zemax光学设计软件进行仿真优化；
步骤二，选取性能参数均满足光学质量要求的透明树脂材料；
步骤三，根据树脂材料的成型要求，确定3D打印的工艺；
步骤四，根据树脂材料的材料性能参数以及打印机的特点设置合适的打印参数，通过3D打印出成型镜片；
步骤五，成型镜片的后续处理：对成型镜片的表面进行抛光、打磨、除毛刺处理，从而完成成品。
所述步骤一中，对近视患者在验光师的指导下进行眼视光检查，然后针对不同近视患者的视光检查结果和树脂材料的折射率转换为光学镜片的设计参数，基于Proe进行参数化设计，实现个体性设计。
所述步骤二中，依据镜片的质量和透光率要求，采用DSM Somos开发的WaterShedRXC11122透明树脂材料，它可以在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态。同时该树脂材料是一种低粘度光敏聚合物，是基于DSM Somos Oxetane Advantage配方制成，具有很强的防水性，并且其几乎是无色透明的。
所述步骤三中，根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料的性能参数和成型要求，采用光固化成型工艺，其紫外光波长是450nm，通过计算机控制激光器逐点扫描透明树脂，使被扫描的透明树脂发生光聚合反应固化，形成一定厚度的固化薄层，并与前一层粘结，一层扫描结束后，再进行下一层的涂层、扫描、固化，重复工作，逐层堆积；该成型工艺系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成，且原型打印尺寸精度可达到±0.1mm,因此打印完成的眼镜片表面光滑细腻；
所述步骤四中，根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料与打印模型的成型要求以及打印机的特点进行参数设置，同时为了减小由于分层打印精度造成的台阶效应，采用垂直打印的方式，实现曲面光滑打印成型。
所述步骤五中，通过打磨机对成型镜片进行打磨，然后再进行抛光、除毛刺，使透光率、硬度满足光学质量要求。
与现有技术相比，本发明能够根据每个近视患者的近视情况实现个体性镜片设计，相对于传统镜片制造中每隔25度进行生产中存在的配镜误差进行了有效光学矫正；市场上针对高度数屈光不正患者的光学矫正，由于该类型镜片市场需求量小，模具制造费用造成的生产成本过高，本发明借助3D打印技术降低生产成本，实现个性化低成本制造；采用3D打印光固化技术，该成型工艺系统非常稳定，而且成型过程中可以完全自动化，原型打印尺寸精度可达到±0.1mm，因此打印完成的眼镜片表面光滑细腻，实现了镜片的个性化制造和高适配性；另外，所选用镜片的打印材料为WaterShedRXC 11122透明树脂材料，该树脂材料是一种低粘度光敏聚合物，是基于DSM Somos Oxetane Advantage配方制成，具有很强的防水性，并且其几乎是无色透明的，且该树脂材料的物理特性(透明度、耐久性以及高尺寸稳定性)与光学特性均满足眼镜片成型的要求。本发明的增材制造工艺无需开模具，极大地方便了产品的设计和创新，对于复杂结构镜片和高度数矫正镜片的生产制造，大大降低了生产成本，有利于提升产品的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据近视患者的视觉检查参数和所选材料的折射率按照光学设计要求进行三维模型的设计，实现个体性光学矫正，并在Zemax光学设计软件进行仿真优化；
步骤二，选取折射率等参数满足光学性能的透明树脂材料，并能实现3D打印；
步骤三，根据树脂材料的性能参数和成型要求，确定3D打印的工艺；
步骤四，根据树脂材料的材料性能参数、打印模型以及打印机的特点的要求，设置合适的打印参数，通过3D打印出成型镜片；
步骤五，成型镜片的后续处理：对成型镜片的表面进行抛光、打磨、除毛刺处理，从而完成成品。
步骤一中，针对不同近视患者的视光检查结果转换为光学镜片的设计参数，基于Proe进行参数化设计，可以实现对近视患者的个体性光学矫正。
步骤二中，透明树脂材料采用DSM Somos开发的WaterShedRXC 11122透明树脂材料：主成分是丙烯基二甘醇碳酸酯，属于热固性材料，其成型工艺原理是基于液态光敏树脂的光聚合，其液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态；该树脂材料是一种低粘度光敏聚合物，是基于DSMSomos Oxetane Advantage配方制成，因此制作的部件具有很强的防水性，并且是无色的。
步骤三中，3D打印工艺的确定是指根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料的成型要求，采用光固化成型工艺：采用计算机控制波长为450nm的激光逐点扫描透明树脂，使被扫描的透明树脂发生光聚合反应固化，形成一定厚度的固化薄层，并与前一层粘结，一层扫描结束后，再进行下一层的涂层、扫描、固化，重复工作，逐层堆积。
步骤四中，3D打印参数是根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料与打印模型的成型要求以及打印机的特点设置，同时为了减小由于分层打印精度造成的台阶效应，采用垂直打印的方式，实现曲面的光滑打印成型。
步骤五中，通过打磨机对成型镜片进行打磨，然后再进行抛光、除毛刺，使透光率、硬度满足光学质量要求。
本发明的近视矫正镜片模型，需对近视患者进行验光检查，然后根据验光结果得出光学矫正参数，再根据树脂材料的折射率计算出镜片模型的设计参数，同时并在Zemax光学设计软件进行仿真优化，该模型的设计满足光学设计的要求。寻找适于3D打印的透明树脂材料时，首先要确保其粘度、硬度、韧性，透光度等须满足光学镜片的质量要求，然后针对符合条件的材料设计相应的预实验，结果发现DSM Somos开发的WaterShedRXC 11122透明树脂可以作为打印的原材料，WaterShedRXC 11122透明树脂材料的成型工艺原理是基于液态光敏树脂的光聚合，其液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态；该树脂材料是一种低粘度光敏聚合物，是基于DSM Somos Oxetane Advantage配方制成，因此制作的光学镜片具有很强的防水性，并且其几乎是无色的。
确定3D打印工艺及打印参数设置时，首先根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料的成型要求和模型成型要求，而且光固化成型工艺适于打印树脂材料，打印精度高，因此采用光固化成型工艺，其激光波长是450nm，并根据材料使用说明以及打印机的特点设置相应的打印参数；同时为了减小由于分层打印精度造成的台阶效应，采用垂直打印的方式。
成型镜片后处理主要是指打磨抛光，直接成型的镜片表面较粗糙，须经打磨机进行表面打磨，然后再进行抛光，使其透光率、硬度等满足光学质量要求。但同时须保证镜片的设计参数不能偏离太多，矫正参数须控制在一定的误差范围之内。

Claims (6)

1.一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据近视患者的视觉检查参数和所选材料的折射率按照光学设计要求进行三维模型的设计，实现个体性光学矫正，并在Zemax光学设计软件进行仿真优化；
步骤二，选取折射率等参数满足光学性能的透明树脂材料，并能实现3D打印；
步骤三，根据树脂材料的性能参数和成型要求，确定3D打印的工艺；
步骤四，根据树脂材料的材料性能参数、打印模型的要求以及打印机的特点，设置合适的打印参数，通过3D打印出成型镜片；
步骤五，成型镜片的后续处理：对成型镜片的表面进行抛光、打磨、除毛刺处理，从而完成成品。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，所述步骤一中，针对不同近视患者的视光检查结果转换为光学镜片的设计参数，基于Proe进行参数化设计，可以实现对近视患者的个体性光学矫正。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，所述步骤二中，透明树脂材料采用DSM Somos开发的WaterShedRXC 11122透明树脂材料：主成分是丙烯基二甘醇碳酸酯，属于热固性材料，其成型工艺原理是基于液态光敏树脂的光聚合，其液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态；该树脂材料是一种低粘度光敏聚合物，是基于DSMSomos Oxetane Advantage配方制成，因此制作的部件无色并具有防水性。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，所述步骤三中，3D打印工艺的确定是指根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料的成型要求，采用光固化成型工艺：采用计算机控制波长为450nm的激光逐点扫描透明树脂，使被扫描的透明树脂发生光聚合反应固化，形成一定厚度的固化薄层，并与前一层粘结，一层扫描结束后，再进行下一层的涂层、扫描、固化，重复工作，逐层堆积。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，所述步骤四中，3D打印参数是根据WaterShedRXC 11122透明树脂材料与成型模型的成型要求以及打印机的特点设置，同时为了减小由于分层打印精度造成的台阶效应，采用垂直打印的方式，实现曲面的光滑打印成型。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印个体性近视矫正树脂镜片的方法，其特征在于，所述步骤五中，通过打磨机对成型镜片进行打磨，然后再进行抛光、除毛刺，使透光率、硬度满足光学质量要求。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170118

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