CN109228316B - 一种快速3d打印系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部。本发明的有益效果：打印的过程中在二氧化钛窗口与光敏树脂接触的界面处形成了一个不固化层，可有效避免传统3D打印的固化体机械剥离和光敏树脂再填充过程，实现连续打印，从而打印速度比传统光敏树脂3D打印快，是传统3D打印速度的20～100倍；同时，与CLIP技术相比，打印过程中，二氧化钛窗口厚度为1 mm～90 mm厚，打印过程中在拔模力作用下不易发生破裂和变形，因此打印的制品精度更高，打印速度媲美最新的CLIP技术可达到600 mm/h。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速3D打印系统，属于打印技术领域。
背景技术
一般3D打印，是通过逐层增加材料来制造三维制品的技术，该技术是综合了诸多领域的前沿技术，并被誉为“第三次工业革命”的核心技术。其中光固化3D打印快速成形工艺，具有能耗小、成本低、成形精度高等特点。目前，传统的光固化3D打印技术，都是通过逐层叠加最终得到3D实体，这种方法使得打印的制品的精度受到分层厚度的制约；另外，传统的SLA和DLP光敏树脂3D打印技术，由于光敏树脂流平时间长（从上向下打印）或需要机械将固化层从树脂槽内底板剥离和树脂再填充（从下向上打印），导致打印周期长。
最近，美国的约瑟夫·德西蒙尼（Joseph M. DeSimone）与他的同事亚历克斯·叶尔莫什金（Alex Ermoshkin）以及爱德华·萨穆尔斯基（Edward T. Samulski）合作发明了一种“连续液面生长”(Continuous Liquid Interface Production,简称CLIP)的技术，该技术的光敏树脂料槽下面的膜可以让氧气通过，而光敏树脂分子不能通过，氧气通过料槽下面的膜进入光敏树脂，打印过程中利用氧气的氧阻聚效应，从而创造了一种非层层打印的3D打印过程。但是，该控制方法需要用到可以让氧气通过的膜，该膜厚度约0.1 mm，容易耗损破裂，同时，在打印过程中，该透氧膜在拔模力的作用下发生弯曲变形，变形量和变形形状无法控制，因而打印精度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种快速3D打印系统。
本发明的技术方案如下：
一种快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口、不固化层、光敏树脂、料槽、光学设备、载物台、电机和固化制品，所述的二氧化钛窗口位于料槽的底部；所述的光敏树脂设在料槽的内部；
所述的不固化层形成过程如下：光学设备在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口，二氧化钛窗口吸收了部分的光后，在与光敏树脂接触的界面上产生含氧自由基，该含氧自由基与光敏树脂受到光照产生的聚合反应活性中心发生作用，从而使反应活性中心淬灭，阻止固化反应的进行，同时含氧自由基也具有降解作用，最终使得其与固化制品之间的形成一个不固化层，而离二氧化钛窗口较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品，最终表现为：与二氧化钛窗口接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口与固化制品之间形成一个不固化层。
不固化层可有效避免固化制品与二氧化钛窗口粘连，因此，在打印过程中，可避免固化制品的剥离于二氧化钛窗口和光敏树脂的再填充步骤，从而节约打印时间，最终实现连续快速打印，打印速度可达到600 mm/h。
优选地,
在快速3D打印系统中，所述的二氧化钛窗口可以是单晶二氧化钛玻璃或是在石英玻璃表面镀了二氧化钛的单层或多层复合结构，镀层厚度为5nm～3.5mm；二氧化钛窗口所采用的二氧化钛可以是锐钛矿晶体结构、改性的二氧化钛，具有良好的产生含氧自由基等光催化效果。
在快速3D打印系统中，所述的二氧化钛窗口厚度为1 mm～90 mm。
优选地，
所述的镀层厚度为30 nm～1 mm。所述的二氧化钛窗口(1)厚度为5mm～20 mm。
在快速3D打印系统中，光学设备所采用的光源可以是一种波长连续的光源，也可以是两种波长不连续的光源。当采用不连续的光源时，一种光源波长小于400 nm，主要用于激发二氧化钛窗口产生含氧自由基，通过控制光强从而控制含氧自由基的产生量，抑制固化反应进行；另外一种光源波长大于400 nm，主要负责激发光敏树脂中的光引发剂，使光敏树脂固化，通过调节两种光源的强弱从而实现不固化层的厚度调控。
在快速3D打印系统中，在间断打印的模式下，即固化制品的剥离后光敏树脂再填充，也可有效降低固化制品的剥离力，从而提高打印的成功率，同时由于剥离力相比传统3D打印的小，可加快剥离速度，从而节约打印时间，提高打印速度。
在快速3D打印系统中，在连续打印的模式下，光学设备在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像；该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像。
本发明解决的技术问题如下：
1.与传统光敏树脂3D打印相比，传统打印为间断打印需要固化层的剥离和光敏树脂的再填充，打印时间长；而我们的不固化层可有效避免固化制品与二氧化钛窗口粘连，因此，在打印过程中，可避免固化制品的剥离于二氧化钛窗口和光敏树脂的再填充步骤，从而节约打印时间，最终实现连续快速打印，解决了传统3D打印间断打印、速度慢的问题。
2.与CLIP技术相比，CLIP技术控制方法需要用到可以让氧气通过的膜（透氧膜），该膜厚度约0.1 mm，容易耗损破裂，同时，在打印过程中，该透氧膜在拔模力的作用下发生弯曲变形，变形量和变形形状无法控制，因而打印精度较低。而我们的二氧化钛窗口厚度可达到几个毫米厚，打印过程中在拔模力作用下不易发生破裂和变形，因此打印的制品精度更高，解决了CLIP技术打印速度快而精度低的问题。
本发明具有如下有益效果：
打印的过程中在二氧化钛窗口与光敏树脂接触的界面处形成了一个不固化层，可有效避免传统3D打印的固化体机械剥离和光敏树脂再填充过程，实现连续打印，从而打印速度比传统光敏树脂3D打印快，是传统3D打印速度的20～100倍；
与CLIP技术相比，打印过程中，二氧化钛窗口厚度为1 mm～90 mm厚，打印过程中在拔模力作用下不易发生破裂和变形，因此打印的制品精度更高，打印速度媲美最新的CLIP技术可达到600 mm/h；
当本发明采用两种光源时，通过调节两种光源的强弱从而实现不固化层(2)的厚度调控，从而实现连续打印过程中的拔模力大小的控制，使得打印过程更加可控。
综上所述，本发明实现了打印速度快和打印精度同时提高。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明具体实施方式中快速3D打印系统打印的示意图。
其中，1为二氧化钛窗口，2为不固化层，3为光敏树脂，4为料槽5为光学设备，6为载物台，7为电机，8为固化制品。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)。
在连续打印模式下，光学设备(5)在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像，该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像，配合电机(7)连续运转带动载物台(6)连续向上运动，同时光敏树脂(3)不断向固化区域补充，从而实现连续打印，最终得到完整的固化制品(8)；在间断打印的模式下，即固化制品(8)粘在载物台上(6)向上运动一个层厚后，光敏树脂(3)再填充，之后光学设备(5)投射出对应层的图形使得光敏树脂(3)继续固化，如此反复，最终得到完整的固化制品(8)。
二氧化钛窗口(1)是单晶二氧化钛玻璃，厚度1 mm；所述的二氧化钛窗口(1)所采用的二氧化钛是锐钛矿晶体结构。
光学设备(5)所采用的光源是一种波长连续的光源，其波长300 nm～800 nm。
打印速度可达450 mm/h，打印精度可达0.01 mm。
实施例2
如图1所示，本实施例的快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)。
在连续打印模式下，光学设备(5)在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像，该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像，配合电机(7)连续运转带动载物台(6)连续向上运动，同时光敏树脂(3)不断向固化区域补充，从而实现连续打印，最终得到完整的固化制品(8)；在间断打印的模式下，即固化制品(8)粘在载物台上(6)向上运动一个层厚后，光敏树脂(3)再填充，之后光学设备(5)投射出对应层的图形使得光敏树脂(3)继续固化，如此反复，最终得到完整的固化制品(8)。
二氧化钛窗口(1)是在玻璃表面镀了二氧化钛的单层结构，镀层厚度5 nm；所述的二氧化钛窗口(1)所采用的二氧化钛是锐钛矿晶体结构。
二氧化钛窗口(1)厚度为6 mm；
光学设备(5)所采用的光源是一种波长连续的光源，其波长300 nm～800 nm。
打印速度可达400 mm/h，打印精度可达0.01 mm。
实施例3
如图1所示，本实施例的快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)。
在连续打印模式下，光学设备(5)在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像，该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像，配合电机(7)连续运转带动载物台(6)连续向上运动，同时光敏树脂(3)不断向固化区域补充，从而实现连续打印，最终得到完整的固化制品(8)；在间断打印的模式下，即固化制品(8)粘在载物台上(6)向上运动一个层厚后，光敏树脂(3)再填充，之后光学设备(5)投射出对应层的图形使得光敏树脂(3)继续固化，如此反复，最终得到完整的固化制品(8)。
二氧化钛窗口(1)是在玻璃表面镀了二氧化钛的单层结构，镀层厚度35 nm；所述的二氧化钛窗口(1)所采用的二氧化钛是金属离子Fe3+掺杂改性的二氧化钛。
二氧化钛窗口(1)厚度为90 mm；
光学设备(5)所采用的光源是一种波长连续的光源，其波长300 nm～800 nm。
打印速度可达450 mm/h，打印精度可达0.01 mm。
实施例4
如图1所示，本实施例的快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)。
在连续打印模式下，光学设备(5)在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像，该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像，配合电机(7)连续运转带动载物台(6)连续向上运动，同时光敏树脂(3)不断向固化区域补充，从而实现连续打印，最终得到完整的固化制品(8)；在间断打印的模式下，即固化制品(8)粘在载物台上(6)向上运动一个层厚后，光敏树脂(3)再填充，之后光学设备(5)投射出对应层的图形使得光敏树脂(3)继续固化，如此反复，最终得到完整的固化制品(8)。
二氧化钛窗口(1)是在石英玻璃表面镀了二氧化钛的3层复合结构，由真空镀膜得到，其结构为：石英玻璃/二氧化锡/二氧化钛，石英玻璃厚度10 mm，二氧化锡厚度100 nm，二氧化钛厚度30 nm。
二氧化钛窗口(1)厚度为1 mm；
光学设备(5)所采用的光源是两种波长不连续的光源。其中一种光源波长为365nm；另外一种光源波长为405 nm。
打印速度可达500 mm/h，打印精度可达0.01 mm。
实施例5
如图1所示，本实施例的快速3D打印系统，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)。
在连续打印模式下，光学设备(5)在程序的控制下投射的图像为连续动画播放的图像，该程序所输出的数字模型的截面图像为连续变化的视频图像，配合电机(7)连续运转带动载物台(6)连续向上运动，同时光敏树脂(3)不断向固化区域补充，从而实现连续打印，最终得到完整的固化制品(8)；在间断打印的模式下，即固化制品(8)粘在载物台上(6)向上运动一个层厚后，光敏树脂(3)再填充，之后光学设备(5)投射出对应层的图形使得光敏树脂(3)继续固化，如此反复，最终得到完整的固化制品(8)。
二氧化钛窗口(1)是在玻璃表面镀了二氧化钛的单层结构，镀层厚度3.5 mm；所述的二氧化钛窗口(1)所采用的二氧化钛是锐钛矿晶体结构。
二氧化钛窗口(1)厚度为20 mm；
光学设备(5)所采用的光源是两种波长不连续的光源。其中一种光源波长为365nm；另外一种光源波长大于405 nm。
打印速度可达600 mm/h，打印精度可达0.01 mm。
对比实施例1
与专利201510244937.8（一种快速液体界面3D打印系统相比），本发明克服了其在连续高速打印实心制品过程中液-夜界面易发生变形而导致打印精度降低的问题，打印精度由0.2 mm提升至0.01 mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种快速3D打印系统，其特征在于，包含二氧化钛窗口(1)、不固化层(2)、光敏树脂(3)、料槽(4)、光学设备(5)、载物台(6)、电机(7)和固化制品(8)，所述的二氧化钛窗口(1)位于料槽(4)的底部；所述的光敏树脂(3)设在料槽(4)的内部；
所述的不固化层(2)形成过程如下：光学设备(5)在程序的控制下将光投射到二氧化钛窗口(1)，二氧化钛窗口(1)吸收部分的光产生含氧自由基与光敏树脂(3)发生反应，使其与固化制品（8）之间形成不固化层(2)，而距离二氧化钛窗口(1)较远的光敏树脂受到光的照射发生固化形成固化制品（8），最终表现为：与二氧化钛窗口(1)接触的光敏树脂不固化，即在二氧化钛窗口(1)与固化制品(8)之间形成一个不固化层(2)；
所述的二氧化钛窗口(1)是单晶二氧化钛玻璃或是在石英玻璃表面镀了二氧化钛的单层或多层复合结构；所述的二氧化钛窗口(1)所采用的二氧化钛是锐钛矿晶体结构或改性的二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的快速3D打印系统，其特征在于，所述的二氧化钛窗口(1)厚度为1 mm～90 mm。
3.根据权利要求1所述的快速3D打印系统，其特征在于，所述的光学设备(5)所采用的光源是一种波长连续的光源，或者两种波长不连续的光源。
4.根据权利要求3所述的快速3D打印系统，其特征在于，所述的光学设备(5)所采用的光源是两种波长不连续的光源，其中一种光源波长小于400 nm；另外一种光源波长大于400nm。
5.根据权利要求1所述的快速3D打印系统，其特征在于，所述的镀层厚度为5 nm～3.5mm。
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