CN106393671A - 光固化材料及三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光固化材料及三维打印方法，其包括高分子树脂以及掺杂于高分子树脂中的荧光粉体。高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化。荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出荧光光束。荧光光束的波长位于固化波段内。其可以更有效率的固化为一三维物体。

Description

光固化材料及三维打印方法

技术领域

本发明是有关于一种成型材料以及成型方法，且特别是有关于一种光固化材料及三维打印方法。

背景技术

随着科技发展，三维打印(3D printing)技术及增材制造(AdditiveManufacturing，简称为：AM)技术已经成为最主要发展的技术之一。上述这些技术属于快速成型技术的一种，它可以直接通过使用者设计好的数字模型档案来直接制造出所需的成品，且成品几乎是任意形状的三维实体。在过去的模具制造、工业设计等领域，三维打印技术常常被用于制造模型，现在则逐渐被应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程、汽车、航空、牙科和医疗产业、教育、土木工程以及其他领域中。

现有的三维打印技术根据各式的机型及材料有多种不同的成型机制，例如是液态树脂、浆料等材料，皆可通过逐层堆叠累积的方式来构造出所需形状的三维实体，其中光固化成型(Stereolithography,简称为：SLA)和数字化光处理(Digital Light Processing,简称为：DLP)因为具有较高的制作精度及较佳的表面品质，都常被广泛应用在上述各种领域中。

上述这些三维打印技术大都是通过光束照射并固化高分子材料来形成三维物体，固化上述高分子材料所需的时间完全取决于高分子材料的特性及照光的强度。然而，当照射的光束强度过强时，高分子材料的温度也会随之增高，进而增加三维物体在成型过程中发生翘曲的风险。另一方面，三维物体在初步成型后要继续照射光束来后端固化(post cure)，因此降低了三维物体的制作效率。

发明内容

本发明提供一种光固化材料，其可以更有效率的固化为一三维物体。

本发明提供一种三维打印方法，其可以更有效率的形成一三维物体。

本发明的实施例的光固化材料包括高分子树脂以及掺杂于高分子树脂中的荧光粉体。高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化。荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出荧光光束。荧光光束的波长位于固化波段内。

本发明的实施例的三维打印方法包括提供上述的光固化材料以及以成型光束照射至少部分光固化材料来形成三维物体。光固化材料包括高分子树脂以及掺杂于高分子树脂中的荧光粉体。高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化。荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出波长位于固化波段内的荧光光束。成型光束包括波长位于固化波段内的光束以及波长位于激发波段内的光束。

本发明的实施例的三维打印方法包括提供上述的光固化材料，所述光固化材料包括高分子树脂以及掺杂于所述高分子树脂中的荧光粉体，所述高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化，所述荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出波长位于固化波段内的荧光光束；以波长位于固化波段内的光束照射至少部分光固化材料，进而形成第一三维物体；移除未固化的部分光固化材料；以波长位于激发波段内的光束照射第一三维物体，并激发第一三维物体中的荧光粉体，进而使第一三维物体固化为第二三维物体。

在本发明的一实施例中，上述的荧光粉体的粒径落在1微米(micrometer,μm)至20微米的范围内。

在本发明的一实施例中，上述的荧光粉体在光固化材料的重量百分比不超过百分之十。

在本发明的一实施例中，上述的荧光粉体的材质包括Y₂SiO₅:Ce、(Zn,Cd)S:Cu、CaWO₄。

在本发明的一实施例中，上述的三维打印方法在形成三维物体后还包括移除未固化的部分光固化材料，再以成型光束照射三维物体。

在本发明的一实施例中，所述以成型光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成三维物体，包括：以激光光源发出成型光束，并通过光学反射元件将成型光束反射至部分光固化材料，进而逐层固化并堆叠出三维物体。

在本发明的一实施例中，所述以波长位于固化波段内的光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成第一三维物体，以发光光源发出波长位于固化波段内的光束；以及通过光阀将光束反射至部分光固化材料，进而逐层固化并堆叠出三维物体。

在本发明的一实施例中，所述以波长位于激发波段内的光束照射所述第一三维物体,还包括以波长位于固化波段内的光束照射第一三维物体。

基于上述，本发明的实施例的光固化材料具有掺杂于高分子树脂中的荧光粉体，且荧光粉体被激发后所发出的光束可以固化高分子树脂，因此可以让光固化材料在本发明的实施例的三维打印方法中更有效率的形成三维物体。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的一种三维打印装置的示意图及局部放大示意图；

图2A是依照本发明的第一实施例的三维打印方法的流程示意图；

图2B是依照本发明的第二实施例的三维打印方法的流程示意图；

图3是依照本发明的第三实施例的三维打印装置的示意图；

图4A是依照本发明的第三实施例的三维打印方法的流程示意图；

图4B是依照本发明的第四实施例的三维打印方法的流程示意图。

附图标记说明：

B1、B2：区域；

d1：方向；

L、L1～L3：光束；

S11～S47：步骤；

100、100A：三维打印装置；

110：激光光源；

110A：发光光源；

120：光学反射元件；

120A：光阀；

130：储存槽；

140：载台；

200：光固化材料；

210：高分子树脂；

220：荧光粉体；

230：三维物体；

240：第一三维物体。

具体实施方式

图1是依照本发明的第一实施例的一种三维打印装置的示意图及局部放大示意图。请参照图1，本发明的第一实施例的三维打印装置100适于对光固化材料200加工，且光固化材料200包括高分子树脂210以及掺杂于高分子树脂210中的荧光粉体220。高分子树脂210适于被波长位于固化波段内的光束固化，其中上述的固化波段例如是可见光的波段或是紫外光的波段。换句话说，本实施例的高分子树脂210在特定波长范围内的光的照射下会改变本身的材料性质，而原本例如是液状的高分子树脂210在被上述的光照射后会变成固态。上述的特定波长范围例如是可见光的波长范围及紫外光的波长范围，本发明不限于此。

本实施例的荧光粉体220适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出荧光光束，且荧光光束的波长位于上述的固化波段内。换句话说，本实施例的荧光粉体220在被激发后，其所发出的荧光光束可以让高分子树脂210的材料性质改变，进而使光固化材料200固化。

本实施例的光固化材料200的高分子树脂210具有光固化性质，其不但可以通过外界光束的照射来固化，还可以通过荧光粉体220所发出的荧光来固化。因此，光固化材料200可以有效率地形成三维物体，同时也可以提升三维物体在后端固化时的效率。

具体来说，请参照图1，本实施例的三维打印装置100包括激光光源110、光学反射元件120、储存槽130以及载台140。激光光源110用以发出成型光束L，光学反射元件120可以反射成型光束L来照射储存槽130中的部分光固化材料200，且光学反射元件120可以调整成型光束L照射光固化材料200的位置来提供扫描及成型的效果。载台140适于沿着方向d1移动，且载台140适于自储存槽130中的光固化材料200中拉出，进而让光固化材料200可以逐层固化并堆积成三维物体。

图2A是依照本发明的第一实施例的三维打印方法的流程示意图。请参照图1及图2A，本实施例的三维打印方法在步骤S11中提供光固化材料200至例如是储存槽130中，例如是液状的光固化材料200在储存槽130中形成光固化材料层，以方便三维打印装置100作后续加工。

本实施例的三维打印方法在提供光固化材料200后，在步骤S12中以成型光束L照射至少部分光固化材料200。本实施例的储存槽130例如是以适于让成型光束L通过的材质所形成，因此成型光束L可以照射光固化材料200中的局部区域来让所述局部区域中的光固化材料200固化形成三维物体(步骤S13)。

具体来说，光固化材料200在区域B1中形成一成型材料层，而成型光束L是由激光光源110所发出的具有高指向性的激光光束。因此，光学反射元件120可以适当的将成型光束L反射至光固化材料200的局部区域，再通过光学反射元件120来依序调整成型光束L在光固化材料200的照射位置。

本实施例的光固化材料200在被成型光束L照射后接着形成三维物体230(步骤S13)。由于光固化材料200包括高分子树脂210及荧光粉体220，且成型光束L包括波长位于固化波段内的光束L1以及波长位于激发波段内的光束L2，因此被成型光束L照射的部分光固化材料200的高分子树脂210不但会被波长位于固化波段内的光束L1照射，荧光粉体220在被波长位于激发波段内的光束L2激发后所发出的荧光光束L3也会照射到四周的高分子树脂210。因此，本实施例的三维打印方法可以有效率的形成三维物体230。

具体来说，本实施例的三维打印方法可以应用在例如是光固化成型(SLA)的三维打印技术中，且上述的激光光源110例如是紫外光激光光源，因此激光光源110所发出的成型光束L的波长较短、能量较高，可以在固化高分子树脂210的同时激发荧光粉体220。

图2B是依照本发明的第二实施例的三维打印方法的流程示意图。本发明的第二实施例的三维打印方法适于应用在上述的三维打印装置100，请参照图1及图2B，本发明的第二实施例在提供光固化材料200到储存槽130(步骤S21)后利用激光光源110发出成型光束L(步骤S22)，接着利用光学反射元件120反射成型光束L来照射部分光固化材料200(步骤S23)，进而形成三维物体230(步骤S24)。

本实施例的三维打印方法在三维物体230形成后移除未固化的光固化材料200(步骤S25)。上述未固化的光固化材料200的移除例如是通过将形成的三维物体230自储存槽130中的光固化材料200拉出，进而取得三维打印装置100所逐层固化并堆积而成的三维物体230。

接着，本实施例的三维打印方法继续以成型光束L照射三维物体230，使三维物体230可以进一步固化。由于三维物体230是由光固化材料200所形成，因此三维物体230中的荧光粉体220也会在被光束L2激发后发出荧光光束L3来照射四周的高分子树脂210。所以，本实施例的三维打印方法还可以进一步提升三维物体230在后端固化的效率。

图3是依照本发明的第三实施例的三维打印装置的示意图。请参照图3，本发明的第三实施例的三维打印装置100A包括发光光源110A、光阀120A、透镜150A、储存槽130、载台140，其中储存槽130和载台140与上述的储存槽130及载台140大致相同。发光光源110A、光阀120A和透镜150A适于提供波长位于固化波段的光束至储存槽130中的光固化材料200。

图4A是依照本发明的第三实施例的三维打印方法的流程示意图。请参照图3及图4A，本实施例的三维打印方法在步骤S31中提供光固化材料200至例如是储存槽130中，例如是液状的光固化材料200在储存槽130中的区域B2形成成型材料层，以方便三维打印装置100A做后续加工。

本实施例的三维打印方法在提供光固化材料200后，在步骤S32中以波长位于固化波段内的光束L1照射至少部分光固化材料200。本实施例的光束L1在经由光阀120A反射后经透镜150A投射至区域B2，且光阀120A适于让光束L1在反射后具有不同的亮暗分布，因此光束L1可以照射区域B1中的部分光固化材料200，进而形成第一三维物体240(步骤S33)。

上述第一三维物体240的形成是通过光固化材料200中的高分子树脂210的固化，且本实施例的三维打印方法在第一三维物体240形成后移除未固化的部分光固化材料200(步骤S34)，进而再以波长位于激发波段的光束来照射第一三维物体240(步骤S35)。由于第一三维物体240是由光固化材料200所形成，其中具有荧光粉体220。因此，第一三维物体240在被波长位于激发波段的光束照射时，上述的光束可以激发第一三维物体240中的荧光粉体220，荧光粉体220发出的荧光光束可以让第一三维物体240进一步固化，进而形成第二三维物体(步骤S36)。

由于本实施例的三维打印方法先在步骤S33通过光束L1照射光固化材料200来形成第一三维物体240，接着再由波长位于激发波段的光束照射第一三维物体240来形成第二三维物体，且荧光粉体220在被激发后是从第一三维物体240中发出荧光光束，因此可以有效率且良好地固化并形成第二三维物体，进一步提升后端固化的效率。

图4B是依照本发明的第四实施例的三维打印方法的流程示意图。本发明的第四实施例的三维打印方法适于应用在上述的三维打印装置100A，请参照图3及图4B，本发明的第四实施例在提供光固化材料200到储存槽130(步骤S41)后利用发光光源110A发出位于固化波段内的光束L1(步骤S42)，接着利用例如是数字微反射镜元件(Digital Micro-mirror Device,简称为：DMD)的光阀120A反射成型光束L1，并通过透镜150A来投射光束L1至光固化材料200(步骤S43)，进而形成第一三维物体240(步骤S44)。

接着，本实施例的三维打印方法在移除未固化的部分光固化材料200(步骤S45)后，同时以波长位于激发波段内的光束及波长位于固化波段内的光束照射第一三维物体240(步骤S46)。第一三维物体240在上述这些光束的照射下进一步固化，进而形成第二三维物体(步骤S47)。

详细来说，本实施例的三维打印方法同时通过外界光束及荧光粉体所发出的荧光光束来固化高分子树脂，因此第二三维物体的形成效率可以大幅提升。另一方面，本实施例的三维打印方法可以应用在例如是数字化光处理(DLP)的三维打印技术中，且上述的发光光源110A例如是可见光光源。

另一方面，在本发明的上述实施例中，荧光粉体220的粒径落在1微米至20微米的范围内，因此荧光粉体220可以良好地掺杂于高分子树脂210中，以避免荧光粉体220的粒径过大而造成沉积现象的发生。

上述的荧光粉体220在光固化材料200的重量百分比不超过百分之十，因此荧光粉体220不会影响到光固化材料200固化后的材料性质。

本发明上述的荧光粉体的材质例如包括Y₂SiO₅:Ce、(Zn,Cd)S:Cu、CaWO₄，其适于发出波长接近350纳米(nanometer,简称为：nm)至450纳米的荧光光束，但本发明不限于此。

综上所述，本发明的实施例的光固化材料具有掺杂于高分子树脂中的荧光粉体，高分子树脂不但可以通过外来光束的照射而固化，还可以在荧光粉体所激发出的光束的照射下固化，因此本发明的实施例的三维打印方法可以让光固化材料更有效率得形成三维物体。另一方面，本发明的实施例的三维打印方法将光固化材料形成三维物体后，三维物体在特定波长的光束的照射下可以通过其中荧光粉体的激发来提高进一步固化的效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光固化材料，其特征在于，包括：

高分子树脂，适于被波长位于固化波段内的光束固化；以及

荧光粉体，掺杂于所述高分子树脂中，所述荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出荧光光束，所述荧光光束的波长位于所述固化波段内。

2.根据权利要求1所述的光固化材料，其特征在于，所述荧光粉体的粒径落在1微米至20微米的范围内。

3.根据权利要求1所述的光固化材料，其特征在于，所述荧光粉体在所述光固化材料的重量百分比不超过百分之十。

4.根据权利要求1所述的光固化材料，其中所述荧光粉体的材质包括Y₂SiO₅:Ce、(Zn,Cd)S:Cu、CaWO₄。

5.一种三维打印方法，其特征在于，包括：

提供光固化材料，所述光固化材料包括高分子树脂以及掺杂于所述高分子树脂中的荧光粉体，所述高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化，所述荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出波长位于所述固化波段内的荧光光束；以及

以成型光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成三维物体，其中所述成型光束包括波长位于所述固化波段内的光束以及波长位于所述激发波段内的光束。

6.根据权利要求5所述的三维打印方法，在形成所述三维物体后还包括：

移除未固化的部分所述光固化材料；以及

以所述成型光束照射所述三维物体。

7.根据权利要求5所述的三维打印方法，所述以成型光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成三维物体，包括：

以激光光源发出所述成型光束；以及

通过光学反射元件将所述成型光束反射至部分所述光固化材料，进而逐层固化并堆叠出所述三维物体。

8.一种三维打印方法，其特征在于，包括：

提供光固化材料，所述光固化材料包括高分子树脂以及掺杂于所述高分子树脂中的荧光粉体，所述高分子树脂适于被波长位于固化波段内的光束固化，所述荧光粉体适于吸收波长位于激发波段内的光束，进而发出波长位于固化波段内的荧光光束；

以波长位于固化波段内的光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成第一三维物体；

移除未固化的部分所述光固化材料；以及

以波长位于激发波段内的光束照射所述第一三维物体，并激发所述第一三维物体中的所述荧光粉体，进而使所述第一三维物体进一步固化为第二三维物体。

9.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于，所述以波长位于固化波段内的光束照射至少部分所述光固化材料，进而形成第一三维物体，包括：

以发光光源发出波长位于所述固化波段内的光束；以及

通过光阀将所述光束反射至部分光固化材料，进而逐层固化并堆叠出所述三维物体。

10.根据权利要求8所述的三维打印方法，其特征在于，所述以波长位于激发波段内的光束照射所述第一三维物体，还包括：

以波长位于固化波段内的光束照射所述第一三维物体。