CN109094019A - 一种基于气体薄膜的连续3d打印设备及打印方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于气体薄膜的连续3D打印设备及打印方法，包括光源、成型窗口、半封闭料槽、打印平台和打印平台升降装置；成型窗口设置在半封闭料槽开口处，且将半封闭料槽开口完全盖住；光源设置在成型窗口上方；成型窗口下方的半封闭料槽内部设置有打印平台，打印平台连接有打印平台升降装置；光源能够照射在打印平台上；成型窗口上设置有进出气口；打印平台与成型窗口之间形成气体薄膜。本发明利用在液态光敏树脂液面上施加气体，在气体压力的作用下，使得成型窗口与光敏树脂之间形成气体薄膜，该气体薄膜能有效地将分隔光敏树脂与成型窗口，使得在打印过程中固化成形件不能粘结到与成型窗口，从而可以保证打印过程的可以连续进行。

Description

一种基于气体薄膜的连续3D打印设备及打印方法
技术领域
本发明属于3D打印设备技术领域，特别涉及一种基于气体薄膜的连续3D打印设备及打印方法。
背景技术
光固化3D打印是最早发展起来的增材制造技术，经过多年的研究发展，光固化3D技术已经从传统的激光逐行扫描成型方式发展到连续液面快速成型方式。连续液面快速成型技术是基于自由基液态光敏树脂的“氧阻聚”原理，使得成形件与成型窗口之间形成一层液态光敏树脂，减小剥离力，使其连续成型，将光固化效率从最初的5-20mm/h提高至650mm/h。但是该成型方式仍存在一些问题。第一，由于只有自由基液态光敏树脂才具有“氧阻聚”效应，因此，基于“氧阻聚”原理的连续液面快速成型方法所用的光敏树脂只限于自由基光敏树脂；第二，由于“氧阻聚”的存在，使得固化成型件的固化度较低，其成形件力学性能较差；第三，当透氧膜透氧性较低时，氧气在一定时间内透过氧气量较少，不足以形成足够厚度的固化盲区，从而会使得零件粘结在透氧膜上，使得打印过程无法进行。因此，连续液面快速成型技术需要高透氧薄膜，但是其价格非常昂贵，设备要求和成本都比较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气体薄膜的连续3D打印设备及打印方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，包括光源、成型窗口、半封闭料槽、打印平台和打印平台升降装置；成型窗口设置在半封闭料槽开口处，且将半封闭料槽开口完全盖住；光源设置在成型窗口上方；成型窗口下方的半封闭料槽内部设置有打印平台，打印平台连接有打印平台升降装置；光源能够照射在打印平台上；成型窗口上设置有进出气口；打印平台与成型窗口之间形成气体薄膜。
进一步的，成型窗口包括成型窗架和成型窗盖；成型窗架盖在半封闭料槽开口处，成型窗架上设置有开口，开口处设置有成型窗盖，成型窗盖为透明盖，光源设置在成型窗盖正上方；成型窗盖侧面的成型窗架上设置有进出气口；打印平台与成型窗架之间留有空隙。
进一步的，打印平台升降装置包括直线导轨、滑块、伺服电机和连接曲杆；直线导轨竖直设置在半封闭料槽侧面，滑块和伺服电机设置在直线导轨上，伺服电机能够带动滑块沿直线导轨上下移动；连接曲杆的一端与滑块固定连接，另一端与打印平台固定连接，当滑块上下移动时带动打印平台上下移动。
进一步的，半封闭料槽的侧面设置有光敏树脂进出口，半封闭料槽内充满光敏树脂。
进一步的，进出气口连接有外接气源。
进一步的，光源还可以为激光光源，激光光源包括激光器和扫描振镜，扫描振镜设置在成型窗盖正上方，激光光源朝向扫描振镜设置。
进一步的，一种基于气体薄膜的连续3D打印设备的打印方法，根据上述所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，包括以下步骤：
1)导入打印零件的三维模型，进行数据处理，设置打印参数包括所需光源发光波长、功率大小，打印平台下降速度，以及注入气体温度和压力。
2)将光敏树脂注入半封闭料槽，至第一次指定位置后停止光敏树脂的注入，开始从成型窗口进气口注入气体；成型窗口与光敏树脂间形成厚度均匀的气体薄膜；此时，再次向半封闭光敏树脂槽注入光敏树脂，与此同时，气体也开始再次注入，控制气体和光敏树脂的注入过程，维持形成的气体薄膜稳定，当注入光敏树脂位置到达最终指定位置时，停止注入光敏树脂；调整气体压力，保证气体薄膜位置与光源焦距位置处于同一水平面上。
3)开始打印，将打印平台调整到与气体薄膜处于同一水平面上，开启光源，按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，光源根据打印截面图形发出相应光线，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型；随着打印平台的下降，光敏树脂会补充到固化区域，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕；
当光源为激光光源，开启光源，激光器按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，扫描振镜控制激光按照三维模型界面要求沿着扫描路径进行扫描，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型；随着打印平台的下降，光敏树脂会补充到固化区域，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕；
4)关闭光源，将半封闭料槽中的光敏树脂排出后关闭气体的注入；取出成形件，完成整个打印过程。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用在液态光敏树脂液面上施加气体，在气体压力的作用下，使得成型窗口与光敏树脂之间形成一层均匀的的具有一定压力的气体薄膜，该气体薄膜能有效地将分隔光敏树脂与成型窗口，使得在打印过程中固化成形件不能粘结到与成型窗口，从而可以保证打印过程的可以连续进行。
本发明适用于不同基体的光敏树脂，打破了基于氧阻聚效应的连续面曝光成型技术只适用于自由基液态光敏树脂的限制，而且该技术从原理上避免了氧气存在于自由基体系光敏树脂中导致的固化程度降低、成型件存在表面缺陷的问题。
本发明没有透氧膜，也就避免了氧气在一定时间内透过氧气量较少，不足以形成足够厚度的固化盲区，从而会使得零件粘结在透氧膜上，使得打印过程无法进行的问题。
附图说明
图1是本发明提供的基于气体薄膜控制的连续面成型设备结构示意图。
图2时本发明提供的基于气体薄膜控制的连续面成型工作原理示意图
图3是本发明成型窗口爆炸视图。
图4为本发明成型窗口刨面图。
图5为本发明提供的激光光源3D打印原理示意图
其中：1、光源；2、光敏树脂；3、半封闭料槽；4、气体薄膜；5、滑块；6、直线导轨；7、光敏树脂进出口；8、进出气口；9、打印平台；10、成型窗盖；11、成型窗架；12、连接曲杆；13、扫描振镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，包括光源1、成型窗口、半封闭料槽3、打印平台9和打印平台升降装置；成型窗口设置在半封闭料槽3开口处，且将半封闭料槽3开口完全盖住；光源1设置在成型窗口上方；成型窗口下方的半封闭料槽3内部设置有打印平台9，打印平台9连接有打印平台升降装置；光源1能够照射在打印平台9上；成型窗口上设置有进出气口8；打印平台9与成型窗口之间形成气体薄膜4。
成型窗口包括成型窗架11和成型窗盖10；成型窗架11盖在半封闭料槽3开口处，成型窗架11上设置有开口，开口处设置有成型窗盖10，成型窗盖10为透明盖，光源1设置在成型窗盖10正上方；成型窗盖10侧面的成型窗架11上设置有进出气口8；打印平台9与成型窗架11之间留有空隙。
打印平台升降装置包括直线导轨6、滑块5、伺服电机和连接曲杆12；直线导轨6竖直设置在半封闭料槽3侧面，滑块5和伺服电机设置在直线导轨6上，伺服电机能够带动滑块5沿直线导轨上下移动；连接曲杆12的一端与滑块5固定连接，另一端与打印平台9固定连接，当滑块5上下移动时带动打印平台9上下移动。
半封闭料槽3的侧面设置有光敏树脂进出口7，半封闭料槽3内充满光敏树脂2。
进出气口8连接有外接气源。
光源1还可以为激光光源，激光光源包括激光器和扫描振镜13，扫描振镜13设置在成型窗盖10正上方，激光光源朝向扫描振镜13设置。
一种基于气体薄膜的连续3D打印设备的打印方法，根据上述所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，包括以下步骤：
1)导入打印零件的三维模型，进行数据处理，设置打印参数包括所需光源发光波长、功率大小，打印平台下降速度，以及注入气体温度和压力。
2)将光敏树脂注入半封闭料槽，至第一次指定位置后停止光敏树脂的注入，开始从成型窗口进气口注入气体；成型窗口与光敏树脂间形成厚度均匀的气体薄膜；此时，再次向半封闭光敏树脂槽注入光敏树脂，与此同时，气体也开始再次注入，控制气体和光敏树脂的注入过程，维持形成的气体薄膜稳定，当注入光敏树脂位置到达最终指定位置时，停止注入光敏树脂；调整气体压力，保证气体薄膜位置与光源焦距位置处于同一水平面上。
3)开始打印，将打印平台调整到与气体薄膜处于同一水平面上，开启光源，按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，光源根据打印截面图形发出相应光线，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型。固化成型的成形件粘结在打印平台上并随着打印平台向下移动，随着打印平台的下降，此时，气体区域变大，当压强一定时，体积变大，压力就会减小，此时，光敏树脂液面压力大于气体压力，因此光敏树脂会迅速补充到固化区域，此时，气体区域体积再次减小，压力恢复到和光敏树脂液面相等，气体和光敏树脂液面之间形成的薄膜由于受力平衡，因此又处于一个平稳状态，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕。
当光源为激光光源，开始打印，将打印平台调整到与气体薄膜处于同一水平面上，开启光源，激光器按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，扫描振镜控制激光按照三维模型界面要求沿着扫描路径进行扫描，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型。固化成型的成形件粘结在打印平台上并随着打印平台向下移动，随着打印平台的下降，此时，气体区域变大，当压强一定时，体积变大，压力就会减小，此时，光敏树脂液面压力大于气体压力，因此光敏树脂会迅速补充到固化区域，此时，气体区域体积再次减小，压力恢复到和光敏树脂液面相等，气体和光敏树脂液面之间形成的薄膜由于受力平衡，因此又处于一个平稳状态，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕。
4)关闭光源，将半封闭料槽中的光敏树脂排出后关闭气体的注入；取出成形件，完成整个打印过程。
本发明的原理是利用在液态光敏树脂液面上施加气体，在气体压力的作用下，使得成型窗口与光敏树脂之间形成一层均匀的的具有一定压力的气体薄膜，该气体薄膜能有效地将分隔光敏树脂与成型窗口，使得在打印过程中固化成形件不能粘结到与成型窗口，从而可以保证打印过程的可以连续进行。在打印时，光敏树脂在聚焦位置发生聚合反应从而固化，成形件粘结到成型平台上并随着成型平台下降，当下降一个层厚的距离时，此时，气体区域变大，当压强一定时，体积变大，压力就会减小，此时，光敏树脂液面压力大于气体压力，因此在压力差的作用下光敏树脂会迅速补充到固化区域，此时，由于气体区域体积减小，压力恢复到和光敏树脂液面压力相等，气体和光敏树脂液面之间形成的薄膜由于受力平衡，因此又处于一个平稳状态。

Claims (7)

1.一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，包括光源(1)、成型窗口、半封闭料槽(3)、打印平台(9)和打印平台升降装置；成型窗口设置在半封闭料槽(3)开口处，且将半封闭料槽(3)开口完全盖住；光源(1)设置在成型窗口上方；成型窗口下方的半封闭料槽(3)内部设置有打印平台(9)，打印平台(9)连接有打印平台升降装置；光源(1)能够照射在打印平台(9)上；成型窗口上设置有进出气口(8)；打印平台(9)与成型窗口之间形成气体薄膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，成型窗口包括成型窗架(11)和成型窗盖(10)；成型窗架(11)盖在半封闭料槽(3)开口处，成型窗架(11)上设置有开口，开口处设置有成型窗盖(10)，成型窗盖(10)为透明盖，光源(1)设置在成型窗盖(10)正上方；成型窗盖(10)侧面的成型窗架(11)上设置有进出气口(8)；打印平台(9)与成型窗架(11)之间留有空隙。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，打印平台升降装置包括直线导轨(6)、滑块(5)、伺服电机和连接曲杆(12)；直线导轨(6)竖直设置在半封闭料槽(3)侧面，滑块(5)和伺服电机设置在直线导轨(6)上，伺服电机能够带动滑块(5)沿直线导轨上下移动；连接曲杆(12)的一端与滑块(5)固定连接，另一端与打印平台(9)固定连接，当滑块(5)上下移动时带动打印平台(9)上下移动。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，半封闭料槽(3)的侧面设置有光敏树脂进出口(7)，半封闭料槽(3)内充满光敏树脂(2)。
5.根据权利要求1所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，进出气口(8)连接有外接气源。
6.根据权利要求2所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，其特征在于，光源(1)还可以为激光光源，激光光源包括激光器和扫描振镜(13)，扫描振镜(13)设置在成型窗盖(10)正上方，激光光源朝向扫描振镜(13)设置。
7.一种基于气体薄膜的连续3D打印设备的打印方法，其特征在于，根据权利要求1至6所述的一种基于气体薄膜的连续3D打印设备，包括以下步骤：
1)导入打印零件的三维模型，进行数据处理，设置打印参数包括所需光源发光波长、功率大小，打印平台下降速度，以及注入气体温度和压力；
2)将光敏树脂注入半封闭料槽，至第一次指定位置后停止光敏树脂的注入，开始从成型窗口进气口注入气体；成型窗口与光敏树脂间形成厚度均匀的气体薄膜；此时，再次向半封闭光敏树脂槽注入光敏树脂，与此同时，气体也开始再次注入，控制气体和光敏树脂的注入过程，维持形成的气体薄膜稳定，当注入光敏树脂位置到达最终指定位置时，停止注入光敏树脂；调整气体压力，保证气体薄膜位置与光源焦距位置处于同一水平面上；
3)开始打印，将打印平台调整到与气体薄膜处于同一水平面上，开启光源，按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，光源根据打印截面图形发出相应光线，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型；随着打印平台的下降，光敏树脂会补充到固化区域，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕；
当光源为激光光源，开启光源，激光器按照步骤1的设定发出满足步骤1要求的光线，扫描振镜控制激光按照三维模型界面要求沿着扫描路径进行扫描，光线通过从成型窗口中间投影至打印平台，使得位于光源焦距位置的光敏树脂进行固化成型；随着打印平台的下降，光敏树脂会补充到固化区域，此时未固化的光敏树脂完成下一步的固化成型，直至整个零件打印过程结束完毕；
4)关闭光源，将半封闭料槽中的光敏树脂排出后关闭气体的注入；取出成形件，完成整个打印过程。
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