CN107498855B - 一种光固化3d打印机以及3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种光固化3D打印机，包括：用于容纳液态光敏树脂的储存单元和布置于所述储存单元下方的光源；以及，光源以中心波长为大于405nm至小于420nm的光线照射配置成显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案的储存单元的底部；存储单元中盛放的光敏树脂在所述光线照射下发生固化，所述光敏树脂中含有光聚合引发剂的敏感波长包含大于405nm至小于420nm。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机领域，特别涉及采用LCD显示单元的光固化3D打印机。
背景技术
在3D打印技术中，较为常见的是光固化快速成型技术，其利用液体状态的光敏树脂(UV)在光照下发生聚合反应，以光源按照待固化实体的截面形状进行照射，使液态光敏树脂逐层固化成型后累积叠加，最终形成固化实体。
目前，基于上述原理的光固化快速成型装置主要包括选择性激光固化装置(SLA，又称立体光固化成型装置)和掩膜光固化装置(DLP)。
选择性激光固化装置采用405nm波长的特定强度的激光聚焦至液态光敏树脂表面，使其按照由点到线、由线到面的顺序固化，从而完成一个待打印物体的横截面薄层。随后，再按照这种方式固化另一横截面薄层，使先后固化的横截面薄层相互叠加，最终完成一个待打印的三维物体。这种基于SLA技术的3D打印装置由于采用上述固化程序，因此在打印大型三维物体或打印多个三维物体时，速度缓慢，效率低。
掩膜光固化装置采用DLP投影仪在液态光敏树脂上投射待打印物体某一横截面的二维图形，使液态光敏树脂按照该图形固化出相应形状的薄层。之后，固化的薄层一层层地粘附累加，从而形成固化的打印物体。掩膜光固化装置能够快速打印较大三维物体，并具有较高的分辨率。但是，由于需要采用DLP设备，因此其价格昂贵，非一般消费者能够购买使用。
另外，无论是选择性激光固化装置还是掩膜光固化装置，都具有复杂的光路，导致其在打印时具有较长的延时，从而降低了固化效率。
在先技术CN103722745A中记载了一种采用LCD液晶显示单元进行3D打印的技术，该文件中提出采用LCD液晶显示单元打印时，光源照射光的波长的范围为300nm～700nm。
发明内容
本发明提供一种具有高打印性能的光固化3D打印机。
一种光固化3D打印机，包括：用于容纳液态光敏树脂的储存单元和布置于所述储存单元下方的光源，光线波长为大于405nm至小于420nm，所述储存单元的底部配置成显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案。
优选的，所述光源发射的光线波长为410nm至416nm。
优选的，所述光源发射的光线中心波长为415nm。
上述实施例中，所述储存单元包括池和LCD显示单元，其中所述池的底壁是至少透明的，所述LCD显示单元覆设于所述池的底壁下方或上方。
上述实施例基础上，所述储存单元包括侧壁，所述侧壁与LCD显示单元密封连接形成用于容纳液态光敏树脂的存储单元。
一种光固化3D打印机，包括：用于容纳液态光敏树脂的储存单元和布置于所述储存单元下方的光源，其中，所述储存单元的底部配置成显示以遮挡波长为大于405nm至小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm至小于420nm光线的透光区域组成的图案。
上述实施例中，所述光源发射的光线中心波长为大于405nm至小于420nm；或者，所述光源发射的光线波长包含大于405nm至小于420nm。
一种3D打印方法，包括：以储存单元容纳液态光敏树脂；以LCD显示单元显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案；以波长为大于405nm至小于420nm的光源照射所述LCD显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述LCD显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与所述待打印物体的横截面图案相应的形状。
优选的，上述实施例中所述光源发射的光线中心波长为415nm。
一种3D打印方法，包括：以储存单元容纳液态光敏树脂；以显示单元显示以遮挡波长为大于405nm至小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm至小于420nm光线的透光区域组成的图案；以光源照射所述显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与所述待打印物体的横截面图案相应的形状。
一种用于光固化3D打印的光敏树脂复合材料，其所含有的光聚合引发剂成分的敏感波长包含大于405nm至小于420nm。
优选的，所述所含有的光聚合引发剂成分的敏感波长为415nm。
附图说明
图1为光固化3D打印机结构示意图；
图2为LCD显示单元的结构示意图；
图3为光线波长对光固化3D打印速度影响及LCD寿命影响实验数据图。
具体实施方式
参照图1所示，说明本发明所指光固化3D打印机的工作原理。如图所示，包括：
树脂池1，用于盛放液态光敏树脂；为了使承载于光敏树脂池中的液态光敏树脂能够固化，光敏树脂池的底壁11采用能够透过上述光源组件的光线的透明材料；
光源组件2，位于树脂池下部，与光敏树脂池的位置相应；
控制单元(图中未示出)，可以为外接的计算机，也可以由3D打印机自身具有的芯片以及控制面板组成，用于控制LCD显示单元所显示的打印图案；
LCD显示单元5，覆设在光敏树脂池1底壁的外表面上，在控制单元的控制下，显示打印图案，以使光线先通过LCD显示单元打印图案区域之后透过光敏树脂池1的底壁，最终使容纳于光敏树脂池1中的液态光敏树脂固化于承载平台3之上。
承载平台3，用于承载打印物体，位于光敏树脂池1的上部，能够沿3D打印机一侧的导向立柱(图中未示出)竖直运动。
如图1所示的结构，LCD显示单元5覆设在树脂池底1底壁11的外侧，在其他的实现方式中，LCD显示单元5可以设置于光敏树脂池1的底壁11内侧，以使光线先通过光敏树脂池1的底壁11，之后透过LCD显示单元5，最终使容纳于光敏树脂池1中的液态光敏树脂固化于承载平台之上。
在另一实现方式中，光敏树脂池1的透明底壁还可以由LCD显示单元5代替，即LCD显示单元5直接作为树脂池的底壁，树脂池由侧壁与LCD显示单元密封连接形成用于容纳液态光敏树脂的空间。
应当说明，以上参照图1对光固化3D打印的基本组成进行说明，目的是帮助理解本发明对3D打印技术的改进及所带来的效果，并非是对3D打印机的结构尤其是打印机中所利用的各部件(例如光源组件的结构和组成、承载平台的外形或结构等)的具体结构进行限定。参照本文的说明，本领域技术人员可以理解，本文记载的光线选择的技术方案适用于多种光固化3D打印设备，并带来相应的效果。
参照附图2，通常的LCD具有由下至上逐层设置的下偏光片5-1、TFT基板5-2、液晶层5-3、彩色滤光片5-4以及上偏光片5-5。光线经过下偏光片5-1被转化为偏振光，上偏光片5-5的偏振化方向与偏振光的偏振面正交。
光源组件2发射的光线经由下偏光片5-1后转化为偏振光。当液晶层5-3通电时，光线透过液晶层5-3时偏振化方向发生转变，因此有一定比例的光线可以透过彩色滤光片5-4达到上偏光片5-5，之后由上偏光片5-5射出，最终照射承载于光敏树脂池1内的液态光敏树脂，使其固化于承载平台3表面。通过调整施加于液晶层5-3上的电压大小，可以调整出光比例。当液晶层5-3未通电时，偏振光的偏振化方向不改变，由于上偏光片5-5的偏振化方向与偏振光的偏振面正交，因此光线无法透过上偏光片5-5。即，在LCD显示单元5未通电时，即使采用光源组件2照射LCD显示单元5，光线也不会透过以使光敏树脂池1中的液态光敏树脂固化。
控制单元内预设有待打印物体的所有横截面的图案，打印开始时，控制单元可以将打印物体的某一横截面图案传送至LCD显示单元5，使LCD显示单元5上能够呈现与这一图案相应的透光区域。透光区域可以使光源组件2发射的光线透过，透光区域之外的部分均为阻止光源发射的光线透过的阴影区域。因此，光线透过LCD显示单元5后，即可使液态光敏树脂固化为与打印物体的某一横截面图案形状相同的薄层。光源组件2在开启一段时间后关闭，此时，控制单元控制LCD显示单元5切换显示打印物体的下一横截面图案。同时，承载平台3向上移动一小段距离以使新的液态光敏树脂流入。光源组件2再次开启，打印物体的下一横截面固化完成并且累积在之前所形成的薄层下部。反复上述过程，最终能够形成一个完整的打印物体。
在选择光源的波长时，由于光线有着波长越短能量越高的特点，考虑到LCD液晶显示单元的结构特点，采用400nm以下的光源照射LCD显示单元时，会使能量在显示单元内的内部积累，并且很难被释放，这将会导致LCD显示单元的使用寿命极大地缩短，甚至直接造成LCD显示单元损坏。举例来说，目前有测试采用波长为365nm的光源连续照射LCD显示单元，LCD显示单元会在几个小时之内因能量累积而损坏。以本发明提供的波长为大于405～小于420nm光源连续照射LCD显示单元时，使用寿命长达3000小时以上，在正常使用期限内基本没有明显变化，确保整机的工作寿命。
另外，液态光敏树脂中添加的光聚合引发剂，其能够吸收辐射能，经激发发生化学变化，产生具有引发聚合能力的活性中间体。
光聚合引发剂对光敏树脂的固化速率起着决定性作用，未添加光聚合引发剂的液态光敏树脂无论采用何种波长的光去照射，都不会固化。光聚合引发剂的吸收峰值均处于紫外光波段，但随着光线波长的增大，其吸收值会出现起伏变化。在385～425nm波长光源的测试实验中，研究人员发现随着光线波长的逐渐提高，引发剂的反应速度先是提高，然后又有所降低，位于低波长段和高波长段的光线对引发剂的引发速度不如中波长段的光线好。
通过进一步的研究，在光源发射的光线波长范围为大于405nm至小于420nm时，例如在光源波长为406nm，407nm、410nm、413nm、414nm、415nm、416nm、417nm、418nm或者419nm时，光聚合引发剂具有较好的引发效果，从而使得光敏树脂能够快速的固化。尤其是在光源波长为410nm至418nm时，且当光聚合引发剂敏感波长为410nm至418nm时，光敏树脂具有较佳的光固化速度。
此外，研究人员惊奇的发现波长为415nm时，光聚合引发剂敏感波长为415nm时，光敏树脂固化速度达到或接近最佳。也就是说，使用能发出415nm波长光线的光源，打印速度能达到最快；同等重要的是，在415nm的波长时，光线对LCD的使用寿命没有明显影响，使得LCD性能在正常使用期限内基本没有明显变化。
图3为光线波长对光固化3D打印速度影响及LCD寿命影响实验数据图，可见，波长为415nm时，光聚合引发剂的引发效果接近或达到最佳，同等重要的是，在LCD寿命变化的曲线上，415nm时的LCD寿命较高。大于405nm至小于420nm的其他值分布在415nm两侧，随图3所示曲线的变化分别获得不同的打印速度性能和LCD寿命指标。
虽然在高于415nm时，LCD寿命会继续增加，但寿命增长幅度较小，且光聚合引发剂的引发效果快速下降。因此，综合光聚合引发剂引发效果以及LCD寿命，415nm为本发明LCD光固化3D打印设备光源以及所采用的光敏树脂中光聚合引发剂波长的最佳实施例。以打印成型厚度为0.1mm进行打印实验，当光源波长为415nm时，打印速度达到了每约2s一层，并且屏幕的寿命达到实际使用场景对屏幕寿命的需要。
应当说明的是，以上实施例中光线中心波长为大于405nm至小于420nm，而在实际应用中，由于光源器件等原因，光源的发射光的频率不可避免的还包括大于405nm至小于420nm波长范围之外的光线，本发明并非要求光源光线的波长只能在所述大于405nm至小于420nm范围内，当包含该波长范围外的光线时，光能利用将不充分，无法获得较佳的光固化速度，或者会影响LCD显示屏的寿命。因此，基于本发明发明人的研究，凡是利用上述范围内的波长对光聚合引发剂进行引发从而实现树脂固化的实践均应属于本发明的保护范围内。
例如，当光源采用波长为415nm的光线对光聚合引发剂进行引发时，由于器件等因素的影响，还包括波长小于415nm或者大于415nm的波段的光线，若光源质量较佳，则在中心波长为415nm两侧的光线能量迅速下降，即使如此，光源的光线也可能包括小于等于405nm或者大于等于420nm波长的光线，但显然，由于大于405nm至小于420mn的光线，尤其是415nm的光线对引发剂的作用以及对延长LCD寿命的较佳效果，因此，其依然主要利用本发明所保护的光线波长取值范围实现光敏树脂的固化，因此不能因为光源的发射光包含本发明所述光线波长范围外的光线而否认其对本发明实施例的实施。
在本发明的又一光固化3D打印机实施例中，3D打印机包括用于容纳液态光敏树脂的树脂池和布置于所述树脂池下方的光源，其中，所述储存单元的底部配置成显示以遮挡波长为大于405nm至小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm至小于420nm光线的透光区域组成的图案。
本实施例与上述实施例不同之处在于，树脂池底部可配置为可透过波长为大于405nm至小于420nm的光线，以及能够遮挡波长为大于405nm至小于420nm的光线。
通过这样的设置，从而允许光源的发射光还可以包括大于405nm至小于420nm波长范围外的光线。当然基于能量利用效率的考虑，当光源光线的波长更加集中在大于405nm至小于420nm的范围内时，尤其是集中在415nm的波长时，光线中对聚合引发剂有效的波长的能量将更多，从而可以提高光敏树脂的固化速度。
显然在本实施例中，树脂池底部或下方所配置的显示单元(例如LCD或其他显示设备)具有能够遮挡大于405nm至小于420nm波长范围光线的能力，而并非要求该显示单元仅仅具有遮挡大于405nm至小于420nm波长范围。显然，只要显示单元能够透过或者遮挡波长为大于405nm至小于420nm的光线即可实现本发明。当显示单元能够遮挡或透过大于405nm至小于420nm波长范围内光线的同时，也具有透过或遮挡该范围外的光线的能力时，由于其依然利用了大于405nm至小于420nm波长光线对光敏树脂固化的方法，依然属于本发明保护的范围。
本发明实施例还提供一种3D打印方法，包括，以储存单元容纳液态光敏树脂；以LCD显示单元显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案；以波长为大于405nm至小于420nm的光源照射所述LCD显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述LCD显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与所述待打印物体的横截面图案相应的形状。进一步，该方法中光源发射光线为414nm至416nm波长范围的光线，尤其是发射的光线的波长集中在415nm。
本发明实施例提供的又一3D打印方法，包括，以储存单元容纳液态光敏树脂；以显示单元显示以遮挡波长为大于405nm至小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm至小于420nm光线的透光区域组成的图案；
以光源照射所述显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与所述待打印物体的横截面图案相应的形状。
本发明实施例还提供一种用于光固化3D打印的光敏树脂复合材料，其所含有的光聚合引发剂成分的敏感波长包含大于405nm至小于420nm。
优选的，所述所含有的光聚合引发剂成分的敏感波长为415nm。
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)
1.一种光固化3D打印机，其特征在于，包括：用于容纳液态光敏树脂的储存单元和布置于所述储存单元下方的光源；以及，
光源以中心波长为大于405nm且小于420nm的光线照射配置成显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案的储存单元的底部；
储存单元中盛放的光敏树脂在所述光线照射下发生固化，所述光敏树脂中含有光聚合引发剂的敏感波长包含大于405nm且小于420nm。
2.根据权利要求1所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述光源发射的光线的中心波长为415nm，所述光聚合引发剂的敏感波长为415nm。
3.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述储存单元包括池和LCD显示单元，其中所述池的底壁是透明的，所述LCD显示单元覆设于所述池的底壁下方或上方。
4.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述储存单元包括侧壁，所述侧壁与LCD显示单元密封连接形成用于容纳液态光敏树脂的储存单元。
5.一种光固化3D打印机，其特征在于，包括：用于容纳液态光敏树脂的储存单元和布置于所述储存单元下方的光源；
所述储存单元的底部配置成显示以遮挡波长为大于405nm且小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm且小于420nm光线的透光区域组成的图案。
6.根据权利要求5所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述光源发射的光线中心波长为大于405nm且小于420nm；或者，所述光源发射的光线波长包含大于405nm且小于420nm。
7.根据权利要求5所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述光源发射中心波长为415nm的光线；
所述储存单元中包含敏感波长为415nm光聚合引发剂的光敏树脂在所述光线照射下发生固化。
8.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
以储存单元容纳液态光敏树脂，其中所含有的光聚合引发剂的敏感波长包含大于405nm且小于420nm；
以LCD显示单元显示以遮挡光线的遮光区域和透过光线的透光区域组成的图案；
光源以中心波长为大于405nm且小于420nm的光线照射所述LCD显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述LCD显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与待打印物体的横截面图案相应的形状。
9.根据权利要求8所述的3D打印方法，其特征在于：
所述光源发射的光线中心波长为415nm，所述光敏树脂中包含敏感波长为415nm的光聚合引发剂。
10.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
以储存单元容纳液态光敏树脂，其中所含有的光聚合引发剂的敏感波长包含大于405nm且小于420nm；
以显示单元显示以遮挡波长为大于405nm且小于420nm光线的遮光区域和透过波长为大于405nm且小于420nm光线的透光区域组成的图案；
以光源照射所述显示单元，所述光线透过所述储存单元和所述显示单元照射容纳于所述储存单元内的液态光敏树脂，以使其固化成与待打印物体的横截面图案相应的形状。
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