CN109366971A - 一种无支撑增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无支撑彩色增材制造方法，该方法采用彩色光敏树脂作为增材制造原料，使用计算机控制并负载不同颜色光敏树脂的多个喷头协同挤出原料，借助计算机辅助软件对制备材料构建模型，并控制喷头在调配好有机凝胶中按照三维模型进行挤出制造，挤出制造的结构在有机凝胶中维持模型形态，再使用固化光源对有机凝胶中的光敏树脂进行照射，光敏树脂发生固化，将包覆的有机凝胶去除，最终得到产品。本发明通过彩色光敏树脂、多喷头挤出及计算机辅助，实现彩色增材制造技术并一次制造完成，通过在有机凝胶中进行挤出制造，在无需使用附加支撑的前提下完成立体空间增材制造的过程，提高了增材制造的效率，同时节约了增材制造过程的耗材与成本。

Description

一种无支撑增材制造方法

技术领域

本发明属于液态树脂光固化立体成型技术领域，尤其涉及一种无支撑彩色增材制造方法。

背景技术

增材制造技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。其中立体光固化成型技术具有增材制造精度高，增材制造效率高等特点受到广泛使用。随着对材料空间结构要求的复杂化，现有的增材制造技术对空间结构构造方面出现了很多弊端，由于增材制造过程是基于堆积原理进行的，因此在一些空间结构堆积过程中需要构件支撑，否则其空间结构在后期的定型过程中会出现变形的现象，而支撑本身也存在一定的局限性。一方面，支撑结构需要一定条件，在制造模型的过程中需要解决到支撑机构如何构建的问题，因此会增加构建过程的难度，并且一些空间结构的构建也会因此受到局限。另一方面，支撑过程中支撑结构数量不宜过多与过复杂，否则在后期去除支架时会影响到最终成品的质量，大量的支撑结构也会增加增材制造的成本与周期。此外，材料对多彩化(彩色打印)的需求也日益见长，而在增材制造过程中能够完成多彩化也是增材制造的一个趋势。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种无支撑彩色增材制造方法，该方法具有增材制造过程无需支撑，制造效率高，易于操作，成本低的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无支撑彩色增材制造方法，包括如下步骤：

S1：3D打印机的准备

将光敏树脂加入3D打印机中，所述3D打印机的打印喷头的数量至少为两个，且每个打印喷头中装载的光敏树脂的色调不同；

S2：打印及光固化

通过3D打印机的打印喷头将光敏树脂注入到有机凝胶中，注入的光敏树脂按照产品的三维数字模型在有机凝胶内部层层堆积形成挤出模型；对挤出模型进行光固化，得到固化模型；

S3：后处理

将固化模型外部包裹的有机凝胶去除得到最终产品；

其中，有机凝胶的粘度为100-500000Pa·s。

进一步的，步骤S3中所述三维数字模型为成型物体三维模型切片模型，多个打印喷头按照切片模型中每一层的结构信息与色调的设计完成协同喷出与堆积。

进一步的，所述3D打印机还包括收容池，所述收容池中装有所述的有机凝胶。

本发明采用彩色光敏树脂作为增材制造原料，使用计算机控制并负载不同颜色光敏树脂的多组喷头协同挤出原料，借助计算机辅助软件对制备材料构建模型，并控制喷头在调配好有机凝胶中按照计算机软件制定的模型进行挤出制造，挤出打制造的结构在有机凝胶中维持模型形态，再使用固化光源对有机凝胶中的光敏树脂进行照射，光敏树脂发生固化，将包覆的有机凝胶使用物理或化学手段进行分离，最终得到增材制造成品。

本发明中有机凝胶具有剪切变稀的特性，即高分子在流动时各液层间总存在一定的速度梯度，细而长的大分子若同时穿过几个流速不等的液层时，同一个大分子的各个部分就要以不同速度前进，这种情况显然是不能持久的。因此，在流动时，每个长链分子总是力图使自己全部进入同一流速的流层。不同流速液层的平行分布就导致了大分子在流动方向上的取向。这种现象犹如河流中随同流水一起流动的绳子(细而长)一样，它们总是自然地顺着水流方向纵向排列的，聚合物在流动过程中随剪切速率或剪切应力的增加，由于分子的取向使黏度降低。因此，有机凝胶自身粘度可以使得挤出制造的结构稳定悬空维持在其中，同时由于喷头在有机凝胶中的运动又表现出剪切变稀的特性，从而使得多组喷头在有机凝胶中在运动时不会破坏有机凝胶的整体结构。有机凝胶具有一定粘度，能够使得挤出模型稳定维持在其中，同时，有机凝胶又具有一定流动性及高的透光性，能够使喷头在有机凝胶中运作时流动填充，因而喷头的运作在不破坏有机凝胶分布结构的前提下能够自由移动。固化过程中，有机凝胶对光固化光源具有较高的透过性，保证光敏树脂能够充分固化成型，同时完成成型步骤后有机凝胶最终能够使用物理或化学手段分离，并且分离过程不会对成型体造成损伤。物理分离过程可以采用人工剥离随后清洗。有机凝胶的熔点比光敏树脂低很多，因此可以采用加热手段将有机凝胶去除，有机凝胶的熔点比光敏树脂低很多。化学手段可采用有机溶剂将有机凝胶溶解为液态随后排出。

本发明关键在于采用了具有特点粘度的有机凝胶，光敏树脂在该有机凝胶中打印成型过程中，通过有机凝胶自身的粘度和剪切变稀的特性可以使得堆叠的每一层光敏树脂保持与切片模型的形状一致，最终使得挤出模型悬空维持在其内并与三维数字模型形状一致，因而本发明在完成三维结构增材制造的过程中，不需要添加任何支撑体，具有制造效率高，易于操作，成本低的优点。

本发明通过彩色光敏树脂、多喷头挤出及计算机辅助，实现彩色增材制造技术并一次制造完成，通过在有机凝胶中进行挤出制造，在无需使用附加支撑的前提下完成立体空间增材制造的过程，提高了增材制造的效率，同时节约了增材制造过程的耗材与成本。

附图说明

图1某一层切片模型示意图；

图2肝脏组织构造过程及喷头作用示意图；

图3肝脏血管构造过程及喷头作用示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种无支撑彩色增材制造方法，包括如下步骤：

S1：3D打印机的准备

将光敏树脂加入3D打印机中,3D打印机的打印喷头的数量至少为两个，且每个打印喷头中装载的光敏树脂的色调不同。

具体的，3D打印机还包括收容池，收容池中装有有机凝胶，每个打印喷头的直径优选为0.1-100um。

S2：打印及光固化

通过3D打印机的打印喷头将光敏树脂注入到有机凝胶中，通过计算机对控制注射角度、位置及速度等的调控，使得注入的光敏树脂按照产品的三维数字模型在有机凝胶内部层层堆积形成挤出模型；因机凝胶特殊的性质，使得挤出模型的形状在无支撑结构的前提下能够保持与三维数字模型一致，对挤出模型进行光固化，得到固化模型。

其中，三维数字模型为成型物体三维模型切片模型，多个打印喷头按照切片模型中每一层的结构信息与色调的设计完成协同喷出与堆积。至于具体的打印及控制过程均为现有技术，不是本发明的关键改进点，在此不再赘述。

S3：后处理

将固化模型外部包裹的石蜡有机凝胶去除得到最终产品；

其中，有机凝胶的粘度为100-500000Pa·s。

具体的，有机凝胶采用石蜡有机凝胶，由SEP共聚物加入液态石蜡中混合搅拌制得，其中，石蜡有机凝胶中SEP共聚物的含量为3.5-6.5wt％。优选的，石蜡有机凝胶中SEP共聚物的含量为5wt％。

石蜡有机凝胶的去除可以采用物理分离或化学分离，其中，物理分离过程可以采用人工剥离随后清洗，石蜡凝胶的熔点比光敏树脂低很多，因此可以采用加热手段将石蜡凝胶去除，石蜡凝胶的熔点比光敏树脂低很多。化学手段可采用有机溶剂将石蜡凝胶溶解为液态随后排出。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

参见图1-图3，本实施例以透明肝脏立体结构模具为制造对象，使用无支撑彩色增材制造的方法实现了该模具的制造，其中采用的剪切变稀特性的有机凝胶为石蜡有机凝胶。首先通过计算机协助控制，将多组喷头移动置有机凝胶内的起始位置，之后将肝脏原型数据导入切片软件中，软件通过计算分析得到肝脏原型的切片模型，肝脏模具某一层切片模型截面如图1所示，包括肝脏组织部分1和血管部分2。使用计算机软件使多组喷头对模具进行增材制造，肝脏组织部分1和血管部分2分别使用两种色调的光敏树脂进行构造，如图2与图3所示，喷头A与喷头B分别承载两种色调光敏树脂，从液态石蜡有机凝胶3中的底部开始，分别对肝脏模具的肝脏组织部分1与血管部分2进行构造。在构造肝脏组织区域时喷头A开启，喷头B关闭，喷头行进至血管区域时喷头A关闭，喷头B开启，两组喷头按照设计好的模型协调运作，并进行逐层累积，最终完成整个模具体。最后将喷头移出石蜡有机凝胶3，并使用树脂对应的固化波长光源对模具体进行照射，使模具体光敏树脂固化，待固化完成后，使用物理或化学手段将外包裹的石蜡有机凝胶3分离，从而一次性完成肝脏模具的彩色增材制造过程。由于肝脏组织与血管的交织分布为复杂三维结构，并且为了模型的精确性不宜在内部搭构支撑去完成，而本发明能够在无支撑的条件下完成整个增材制造的过程，并且很大程度上提高了增材制造的效率。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种无支撑彩色增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：3D打印机的准备

将光敏树脂加入3D打印机中，所述3D打印机的打印喷头的数量至少为两个，且每个打印喷头中装载的光敏树脂的色调不同；

S2：打印及光固化

通过3D打印机的打印喷头将光敏树脂注入到有机凝胶中，注入的光敏树脂按照产品的三维数字模型在有机凝胶内部层层堆积形成挤出模型；对挤出模型进行光固化，得到固化模型；

S3：后处理

将固化模型外部包裹的有机凝胶去除得到最终产品；

其中，有机凝胶的粘度为100-500000Pa·s。

2.根据权利要求1所述的无支撑彩色增材制造方法，其特征在于：步骤S3中所述三维数字模型为成型物体三维模型切片模型，多个打印喷头按照切片模型中每一层的结构信息与色调的设计完成协同喷出与堆积。

3.根据权利要求1所述的无支撑彩色增材制造方法，其特征在于：所述3D打印机还包括收容池，所述收容池中装有所述的有机凝胶。