CN109130173A - 一种三维成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维成型方法，在树脂槽内的光敏树脂由面曝光成像装置照射，在下沉式成型平台上光固化成型；光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少光敏树脂中的溶解氧含量。该方法省去了成型固体‑空气界面到液态光敏树脂‑空气界面的转化过程，大幅提升三维成型的效率，同时避免了复杂的装置结构。

Description

一种三维成型方法
技术领域
本发明涉及快速成型技术，具体涉及一种三维成型方法。
背景技术
光固化3D打印使用液态光敏树脂作为打印材料，以特定波长的光进行固化，整个过程无机械力和加热过程，具有最高的成型精度。光固化3D打印主要包括两类技术：立体光刻快速成型技术(Stereolithography,SLA)和数字光处理技术(Digital LightProcessing,DLP)。其中，DLP光固化3D打印通过面曝光成型，具有更高的打印速度。但是，每一层曝光后还需要等待树脂回填补充的时间(树脂补充时间通常比曝光时间还要长)，所以即使是DLP式的光固化打印技术，其绝对速度还是不够高，通常是2-4cm/h。
美国Carbon公司开发了连续液面成型技术(CLIP)，利用光敏树脂氧阻聚的特性，在树脂槽和固化层之间形成未固化的死区，从而大大降低甚至消除了树脂补充时间，使打印速度提升至300cm/h。CLIP技术采用的是下部曝光-平台上拉的机构设置，可成型零件不能太重，因为零件仅靠树脂固化后的粘结力倒挂在托盘下方。同时，CLIP技术需对氧气进行精确的调控，需要增加复杂的机构。
也有部分面成型的光固化3D打印机，比如上海普利生公司的设备，采用上部曝光-平台下沉的机构。此种方式有利于大尺寸零件的成型。下沉式的三维成型技术采用的是上部曝光的方式，投影机等成像机构投影特定的图像在液态光敏树脂-空气界面，液态光敏树脂在紫外/可见光照射下发生自由基聚合反应而固化成型，形成一个成型固体-空气界面。当成型平台下降时，周围的液态光敏树脂流动到已成型固体表面，重新形成一个新的液态光敏树脂-空气界面，已待下一切片层的曝光。液态树脂的补充，使成型固体-空气界面转化成液态光敏树脂-空气界面。这一个过程涉及到液体在固-气界面的流平、润湿、铺展，通常需要使用刮刀等部件进行强制流平。这个强制流平的时间通常比成像机构曝光的时间还要长。这种阶段式的曝光-下降-流平-曝光的三维成型方式的速度慢、效率低。
此外，CN 105437547 A也有公开上部曝光-平台下沉的机构，利用在树脂液面上施加氧气，氧分子可在树脂中形成氧分子浓度平衡点的原理，通过将光源投射或聚焦于该平衡点及以下区域，引发光敏树脂固化，粘有已固化制件的打印台在电机的带动下连续向下运动，同时光敏树脂向该平衡点所在固化区域补充，而光源在程序的控制下将变化的光投射到该平衡点上进行连续固化，从而完成3D打印。该装置存在的缺陷主要是在3D打印过程中需要不断地施加氧气，树脂槽需要形成封闭的空间，维持氧分子浓度平衡点，导致装置结构变得复杂，不易控制和实现。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三维成型方法，省去了成型固体-空气界面到液态光敏树脂-空气界面的转化过程，大幅提升三维成型的效率，同时避免了复杂的装置结构。
本发明所提供的技术方案为：
一种三维成型方法，在树脂槽内的光敏树脂由面曝光成像装置照射，在下沉式成型平台上光固化成型；所述光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少所述光敏树脂中的溶解氧含量。
本发明在进行光固化成型之前对光敏树脂进行前处理，目的是控制液态光敏树脂中的溶解氧含量，增大液态光敏树脂与空气界面之间形成的氧气浓度差。面曝光成像装置在照射树脂槽内的光敏树脂时，一方面在下沉式成型平台上会形成固化层；另一方面，靠近空气界面的液体光敏树脂会发生“氧阻聚效应”，形成未固化液体层，从而在整个三维成型过程中始终存在一个稳定的液态光敏树脂-空气界面，省去了成型固体-空气界面到液态光敏树脂-空气界面的转化过程，使低效的曝光-下降-流平-曝光方式转变为曝光-下降-曝光，大幅提升三维成型的效率。如果不对光敏树脂进行预处理，那么当表面形成未固化液体层的时候，内部的光敏树脂(由于树脂中存在的溶解氧)也不能固化成型。
本发明所述三维成型方法，包括如下步骤：
1)光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少所述光敏树脂中的溶解氧含量；
2)在树脂槽内的光敏树脂由上部的面曝光成像装置照射；光敏树脂在下沉式成型平台上光固化成型为固化层，所述固化层与光敏树脂液面上的空气之间形成未固化液体层；
3)下沉式成型平台带动已成型的固化层下降；
4)重复步骤2)和步骤3)，完成三维成型。
本发明所述下沉式成型平台可以采用均匀速度连续下降，或者采用照射-下降-照射的方式间歇下降。
本发明所述面曝光成像装置包括LCD投影、DLP投影、SXRD投影或LCOS投影。
作为优选，所述未固化液体层的厚度为10-200微米。进一步优选为，所述未固化液体层的厚度为10-100微米。
作为优选，所述步骤2)光敏树脂光固化成型时控制温度为30-50℃，进一步优选为35-45℃。通过控制光敏树脂光固化成型的温度，能够维持光敏树脂中的溶解氧含量，始终与空气界面之间形成氧气浓度差。
作为一种优选，所述预处理是指对所述光敏树脂采用无氧气体进行鼓泡处理。所述无氧气体是指不含氧气的混合气体，或者惰性气体。
作为一种优选，本发明所述预处理是指对所述光敏树脂采用升温处理。
作为一种优选，本发明所述预处理是指对所述光敏树脂采用无氧气体进行鼓泡处理以及升温处理。
作为优选，所述无氧气体包括氮气、氩气、氦气中的一种或几种。使用氮气、氩气、氦气等鼓泡可以降低光敏树脂的溶解氧含量。
作为优选，所述升温处理的温度为50-100℃。进一步优选为50-70℃。
作为优选，所述光敏树脂控制其粘度不大于500mpa.s。
本发明所述光敏树脂包括丙烯酸酯和光引发剂，丙烯酸酯并不特指丙烯酸酯，也包括甲基丙烯酸酯。作为优选，所述丙烯酸酯可以选自丙烯酰吗啉、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯、三环葵烷二甲醇二丙烯酸酯中的一种或几种；作为优选，所述光引发剂可以选自Irgacure 819或TPO。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过对液体光敏树脂的溶解氧含量进行控制，使得光敏树脂在固化过程中表面形成稳定的未固化液体层，从而在整个成型过程中都会存在一个稳定的液态光敏树脂-空气界面，从而大大提升了光敏树脂的流平和补充的效率，省去了常规下沉式三维成型技术中使用刮刀系统去强制光敏树脂流平、补充的步骤。
(2)本发明方法主要是对液体光敏树脂进行了预处理，不需要对装置结构进行改进，避免了复杂的机械结构。
附图说明
图1为本发明所使用的三维成型装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细地说明。
本发明三维成型方法所采用的三维成型装置，包括树脂槽、成型平台以及成像装置，可以采用现有技术中的下沉式三维成型装置。
作为本发明的一个实例，如图1所示，三维成型装置包括树脂槽4、成型平台2以及成像装置1。
其中，成型平台2设置在树脂槽4内，可以通过升降机构实现上升与下降，成型平台2可以采用均匀速度连续下降，也可以采用间歇下降。树脂槽4用于容纳经过预处理的液体光敏树脂。成像装置1位于成型平台2上部，采用面曝光成像装置，由液体光敏树脂的上部向下照射紫外线或可见光，可以采用LCD投影、DLP投影、SXRD投影或LCOS投影。
树脂槽4内的光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少光敏树脂中的溶解氧含量，光敏树脂包括丙烯酸酯和光引发剂，粘度需控制在500mpa.s以下。丙烯酸酯可以选自丙烯酰吗啉、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、己二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯、三环葵烷二甲醇二丙烯酸酯中的一种或几种。光引发剂可以选自Irgacure 819或TPO。
作为本发明的一个实例，采用如图1所示的装置，三维成型方法包括如下步骤：
1)将丙烯酸酯和光引发剂按比例混合，得到液态树脂3，粘度需控制在500mpa.s以下。对液态树脂3进行预处理，减少液态树脂3中的溶解氧含量。预处理可以采用对液态树脂3进行无氧气体鼓泡处理，或者对液态树脂3采用升温处理，当然也可以同时采用上述的两种方法。
2)将液态树脂3加入到树脂槽4内，液面高过成型平台2，上部的成像装置1照射紫外线或可见光，液态树脂3在成型平台2上光固化成型为固化层7，固化层7与空气-液态树脂界面5之间形成未固化液体层6。
3)成型平台2下降，带动固化层7下降，即为前次成型物体8。
4)成像装置1继续照射紫外线或可见光，在前次成型物体8上会继续光固化成型为固化层7，固化层7与空气-液态树脂界面5之间一直会维持10-100微米厚度的未固化液体层6。
5)步骤4)重复连续进行，完成三维成型。
以下对本发明进行具体说明。
实施例1
丙烯酸吗啉 60g
己二醇二丙烯酸酯 40g
Irgacure 819 3g
甲基硅油 3g
前处理方法：60度烘箱加热30分钟，打印过程中保持树脂温度40度，打印速度为30cm/h(切片厚度为100微米)。
对比例1
丙烯酸吗啉 60g
己二醇二丙烯酸酯 40g
Irgacure 819 3g
由于未对光敏树脂进行预处理，需要进行强制流平，打印速度为2cm/h(切片厚度为100微米)。
实施例2
聚乙二醇(700)二丙烯酸酯 30g
己二醇二丙烯酸酯 70g
Irgacure 819 3g
前处理方法：氮气(2-3个泡/分钟)鼓泡5分钟，打印过程中保持树脂温度40，打印速度为40cm/h(切片厚度为100微米)。
对比例2
聚乙二醇(700)二丙烯酸酯 30g
己二醇二丙烯酸酯 70g
Irgacure 819 3g
由于未对光敏树脂进行预处理，需要进行强制流平，打印速度为2cm/h(切片厚度为100微米)。
实施例3
丙烯酸吗啉 60g
己二醇二丙烯酸酯 40g
Irgacure 819 3g
聚乙二醇 3g
前处理方法：氮气(2-3个泡/分钟)鼓泡10分钟，打印速度为30cm/h(切片厚度为100微米)。
对比例3
丙烯酸吗啉 60g
己二醇二丙烯酸酯 40g
Irgacure 819 3g
聚乙二醇 3g
由于未对光敏树脂进行预处理，需要进行强制流平，打印速度为2cm/h(切片厚度为100微米)。
实施例4
乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯 80g
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 20g
Irgacure 819 3g
甲基硅油 3g
前处理方法：氮气(2-3个泡/分钟)鼓泡10分钟，打印速度为20cm/h(切片厚度为100微米)。
对比例4
乙氧化双酚A二甲基丙烯酸酯 80g
三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 20g
Irgacure 819 3g
甲基硅油 3g
由于未对光敏树脂进行预处理，需要进行强制流平，打印速度为2cm/h(切片厚度为100微米)。

Claims (10)

1.一种三维成型方法，其特征在于，在树脂槽内的光敏树脂由面曝光成像装置照射，在下沉式成型平台上光固化成型；所述光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少所述光敏树脂中的溶解氧含量。
2.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)光敏树脂在进行光固化成型前进行预处理，减少所述光敏树脂中的溶解氧含量；
2)在树脂槽内的光敏树脂由上部的面曝光成像装置照射；光敏树脂在下沉式成型平台上光固化成型为固化层，所述固化层与光敏树脂液面上的空气之间形成未固化液体层；
3)下沉式成型平台带动已成型的固化层下降；
4)重复步骤2)和步骤3)，完成三维成型。
3.根据权利要求2所述三维成型方法，其特征在于，所述未固化液体层的厚度为10-200微米。
4.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，所述预处理是指对所述光敏树脂采用无氧气体进行鼓泡处理。
5.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，所述预处理是指对所述光敏树脂采用升温处理。
6.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，所述预处理是指对所述光敏树脂采用无氧气体进行鼓泡处理以及升温处理。
7.根据权利要求4或6所述三维成型方法，其特征在于，所述无氧气体包括氮气、氩气、氦气中的一种或几种。
8.根据权利要求5或6所述三维成型方法，其特征在于，所述升温处理的温度为50-100℃。
9.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，所述光敏树脂控制其粘度不大于500mpa.s。
10.根据权利要求1所述三维成型方法，其特征在于，所述光敏树脂包括丙烯酸酯和光引发剂。
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