CN108099182A - 光敏树脂的3d打印工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光敏树脂的3D打印工艺，包括如下步骤:首先利用程序对数字模型进行切片处理,设计扫描路径,从而精确控制激光扫描器和升降台的运动；而后,利用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,令液态光敏树脂的特定区域固化,从而形成模型的一层截面；随后控制升降台下降微小的距离,让固化层上覆盖一层新的液态树脂,并同时进行第二层扫描,此时,第二固化层将牢固地粘结在前一固化层上,以此步骤反复进行,从底部逐层生成物体。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及光敏树脂的3D打印工艺。
背景技术
3D打印技术亦称为增材制造或增量制造(Additive manufacturing),指基于三维数学模型数据,通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来生成三维实体的技术。与传统的材料加工技术相比,3D打印技术有许多突出的优势,具体表现在:(1)可以实现数字化制造,3D打印借助建模软件将产品结构数字化,然后驱动机器设备加工制造成器件,由于数字化文件可借助网络进行传递,从而可以实现异地分散化制造的生产模式；(2)3D打印技术可以使三维结构的物体先分解成二维层状结构,逐层累加形成三维物品,因此,原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构,从根本上解决了传统制造受制于模具的缺陷；(3)3D打印可以利用“从下而上”的堆积方式,对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势；(4)3D打印技术有利于小规模生产和个性化订制,属于脑力密集型行业,对生产场地要求低,环保且低能耗；(5)3D打印能够实现“设计即生产”,可以更快捷回应市场需求。因此,近年来3D打印技术获得了迅猛发展,已经在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到广泛应用,同时吸引了国内外工业界、投资界、学术界、新闻媒体和社会公众的热切关注。我国政府部门也开始关注并制订3D打印技术的发展规划,如工信部、发改委、财政部于2015年2月印发《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》,对3D打印的发展做出了政策上的推动。可见,3D打印技术必将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。
3D打印技术内容涵盖广阔,涉及的技术包括CAD建模、3D测量、接口和切片软件、数控程序、打印工艺、机械设计、3D打印材料等。其中,现阶段制约3D打印技术发展的因素主要有两个:打印工艺(技术方法)和打印材料。同时,打印工艺和打印材料之间存在密不可分的关系,特定的打印工艺只能适合于打印特定的打印材料,而特定的打印材料则需要利用特定的打印工艺才能成功实现3D成型。
以塑料为代表的高分子聚合物具有在相对较低温度下的热塑性,良好的热流动性与快速冷却粘接性,或在一定条件(如光)的引发下快速固化的能力,因此在3D打印领域得到快速的应用和发展。同时,高分子材料的粘结特性允许其能够与较难以成型的陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成全新的复合材料,从而大大扩展3D打印的应用范围。因此,高分子材料成为目前3D打印领域基本的和发展最为成熟的打印材料。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种光敏树脂的3D打印工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
光敏树脂的3D打印工艺，具体包括如下步骤:首先利用程序对数字模型进行切片处理,设计扫描路径,从而精确控制激光扫描器和升降台的运动；而后,利用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,令液态光敏树脂的特定区域固化,从而形成模型的一层截面；随后控制升降台下降微小的距离,让固化层上覆盖一层新的液态树脂,并同时进行第二层扫描,此时,第二固化层将牢固地粘结在前一固化层上,以此步骤反复进行,从底部逐层生成物体。
作为最早出现的快速成型制造工艺,SLA经过了长期的商业化检验,在工艺本身和材料开发上都具有较高的成熟度。其原材料的利用率将近100％,尺寸精度很高,表面质量优良,可以制作结构十分复杂的模型,是目前高端3D打印设备与工艺品3D打印的主流技术。
聚合物喷射(PolyJet)也是以光敏树脂为打印材料的打印工艺,成型原理与FDM有点类似,不过喷头喷出的不是热塑性的丝状耗材,而是液态的光敏高分子,同时需要一个UV紫外灯作为固化源。一般地,当光敏聚合材料被喷射到工作台上后,UV紫外灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光对光敏聚合物进行固化。当完成一层的喷射打印和固化后,设备内置的工作台会精准地下降一个成型层厚,喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化,如此循环直到打印完成。如果需要支撑材料,产品成型的过程中可以使用两种不同类型的光敏树脂,一种是用来生成实际模型的材料,另一种是胶状水溶性的树脂,用来作为支撑。这种支撑材料可以精确地添加到复杂成型结构模型所需的位置,同时当打印成型过程结束后,只需使用水枪就可以十分容易地把这种支撑材料去除,而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型产品。
与SLA技术类似,使用PolyJet技术成型的产品精度非常高,且支撑材料容易清除,表面质量优异,可以制备非常复杂的模型,同时与SLA相比,其设备的成本和操作难度均相对较低,更有利于高质量3D打印产品的普及。然而,由于需要使用光敏聚合物,PolyJet技术仍然面临和SLA技术类似的问题,如耗材成本较高,产品的力学强度、耐热和耐候性都相对较差等。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明工艺本身和材料开发上都具有较高的成熟度。其原材料的利用率将近100％,尺寸精度很高,表面质量优良.
附图说明
图1为SLA工艺原理示意图；
图2为PolyJet工艺原理示意图。
具体实施方式
为让本领域的技术人员更加清晰直观的了解本发明，下面将结合附图，对本发明作进一步的说明。
光敏树脂是一种在原料状态下为稳定液态的打印材料,这些树脂通常包括聚合物单体、预聚体和紫外光引发剂等组分,在打印过程中,紫外激光的照射能令其瞬间固化。因此,这类打印耗材有很好的表干性能,成型后表面平滑光洁,产品分辨率高,细节展示出色,质量甚至超过注塑产品。这些突出的优势令光敏树脂成为高端、艺术类3D打印制品的首选材料。然而,目前的光敏树脂成本依旧偏高,且机械强度、耐热和耐候性大多低于FDM用的工程塑料耗材,在一定程度影响了材料的应用范围。当前已经报道的3D打印用光敏树脂种类繁多,研发也较为活跃,但能够进入实用商业化的较为有限,主要种类有环氧丙烯酸酯类、不饱和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯等,这些树脂均有各自不同的优势和不足,其中,环氧丙烯酸酯具有固化后硬度高、体积收缩率小、化学稳定性好等优点,但黏度偏大,不利于成型加工；而不饱和聚酯粘度适宜且容易成型,但固化后硬度和强度较差,容易收缩；聚氨酯丙烯酸酯具有较好的韧性、耐磨性和光学性能,但其聚合活性和色度控制较为困难。因此,商业化的光敏树脂往往为多种光敏聚合物的组合,以达到取长补短的效果。例如,黄笔武等采用脂环族缩水甘油酯、双酚A型环氧树脂、环氧丙烯酸酯、脂环族环氧树脂、1,4-环己基二甲醇二乙烯基醚、聚丙二醇二缩水甘油醚二丙烯酸酯与适当引发剂共混,制备了黏度适中,光敏性较好,固化物体积收缩率小,且具有较好力学性能和热性能的新型光敏树脂。
与需要制备成线材或粉材的工程塑料或生物塑料相比,液态的光敏树脂在设计和制备上有较大的灵活性,可以根据实际需求进行共混、掺杂或分子裁剪,从而大幅提升打印材料的性能或获得具有特殊性能的3D打印材料。杨桂生等以尼龙微球改性光敏树脂,获得了成型速度快、力学强度高、尺寸稳定性好的3D打印材料。江阳等将丙烯酸通过环氧化、双乙烯酮酯化等步骤合成得到除醛功能分子,并以此分子合成一种可清除甲醛的3D打印光敏树脂。
光敏树脂打印主要工艺
适合于液态光敏树脂的打印工艺主要有立体平板印刷(SLA)和聚合物喷射(PolyJet)等。
立体平板印刷(Stereo lithograhpy apparatus,SLA)也称光固化快速成型、立体光刻,是最早实用化的3D打印工艺,于1986年由Charles Hull首先推行,并以此技术建立世界上第一家3D打印设备制造商3DSystems公司,被誉为3D打印技术发展的里程碑。
光敏树脂的3D打印工艺，该工艺使用液态的光敏树脂为打印耗材,原理为采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化。具体包括如下步骤:首先利用程序对数字模型进行切片处理,设计扫描路径,从而精确控制激光扫描器和升降台的运动；而后,利用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,令液态光敏树脂的特定区域固化,从而形成模型的一层截面；随后控制升降台下降微小的距离,让固化层上覆盖一层新的液态树脂,并同时进行第二层扫描,此时,第二固化层将牢固地粘结在前一固化层上,以此步骤反复进行,从底部逐层生成物体(见图1)。
作为最早出现的快速成型制造工艺,SLA经过了长期的商业化检验,在工艺本身和材料开发上都具有较高的成熟度。其原材料的利用率将近100％,尺寸精度很高,表面质量优良,可以制作结构十分复杂的模型,是目前高端3D打印设备与工艺品3D打印的主流技术。
聚合物喷射(PolyJet)也是以光敏树脂为打印材料的打印工艺,成型原理与FDM有点类似,不过喷头喷出的不是热塑性的丝状耗材,而是液态的光敏高分子,同时需要一个UV紫外灯作为固化源。一般地,当光敏聚合材料被喷射到工作台上后,UV紫外灯将沿着喷头工作的方向发射出紫外光对光敏聚合物进行固化。当完成一层的喷射打印和固化后,设备内置的工作台会精准地下降一个成型层厚,喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化,如此循环直到打印完成(见图2)。如果需要支撑材料,产品成型的过程中可以使用两种不同类型的光敏树脂,一种是用来生成实际模型的材料,另一种是胶状水溶性的树脂,用来作为支撑。这种支撑材料可以精确地添加到复杂成型结构模型所需的位置,同时当打印成型过程结束后,只需使用水枪就可以十分容易地把这种支撑材料去除,而最后留下的是拥有整洁光滑表面的成型产品。
与SLA技术类似,使用PolyJet技术成型的产品精度非常高,且支撑材料容易清除,表面质量优异,可以制备非常复杂的模型,同时与SLA相比,其设备的成本和操作难度均相对较低,更有利于高质量3D打印产品的普及。然而,由于需要使用光敏聚合物,PolyJet技术仍然面临和SLA技术类似的问题,如耗材成本较高,产品的力学强度、耐热和耐候性都相对较差等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.光敏树脂的3D打印工艺，其特征在于，包括如下步骤:首先利用程序对数字模型进行切片处理,设计扫描路径,从而精确控制激光扫描器和升降台的运动；而后,利用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,令液态光敏树脂的特定区域固化,从而形成模型的一层截面；随后控制升降台下降微小的距离,让固化层上覆盖一层新的液态树脂,并同时进行第二层扫描,此时,第二固化层将牢固地粘结在前一固化层上,以此步骤反复进行,从底部逐层生成物体。
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