CN109849336A - 一种光固化3d打印装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光固化3D打印装置与方法，装置包括：树脂槽、打印平台和光源系统，其特征在于，所述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。该装置能显著降低离型时的拉拔力，进而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

Description

一种光固化3D打印装置与方法

技术领域

本发明涉及快速成型技术，具体涉及一种光固化3D打印装置与方法。

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的工艺过程是设计出三维实体模型并进行切片处理，产生的图像通过数字投影仪投射到液态光敏树脂表面，使特定区域内的树脂固化。然后打印平台往上移动一定距离，待已固化层表面完全补充上液态树脂后，进行下一次投影，使后续固化层粘结在前一固化层上，这样层层叠加最终形成三维模型。

DLP型的打印设备目前多采用硅胶或者聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)薄膜作为树脂槽中的上表面(也就是通常说的离型膜)与液态光敏树脂直接接触。以广泛使用的FEP膜为例，光敏树脂固化过程中与FEP膜之间会产生较大的粘结力，导致打印平台上升时模型与FEP膜产生较大的拉拔力。这个拉拔力会形成两个问题。第一，打印平台如果只是抬升分层厚度(比如50微米)，模型并不能与FEP膜分离。所以通常是抬升几个厘米的高度，再下降至分层厚度所需高度，这一过程大大降低了打印效率。第二，如果固化层的面积过大，随之产生的拉拔力也就越大，很有可能在打印平台上升的过程中导致模型损坏。

为了减小拉拔力，现有技术中对打印装置也进行了不同的改进。例如，CN105946237 A公开一种用于三维光弹性模型的紫外面曝光快速成型装置，包括计算机控制系统、打印平台、DLP投影系统、供料系统、树脂液槽以及用于驱动树脂液槽的树脂液槽平向往复运动系统，在树脂液槽底部透明玻璃的上表面涂覆有PDMS薄膜。PDMS薄膜还是会与模型存在较大的拉拔力，而且增加了树脂液槽平向往复运动系统，导致装置的结构变得复杂。CN 106466918 A公开一种降低光照式拘束液面成型拉拔力的三维打印装置，包括：树脂槽、成型机构和动态光罩产生器。树脂槽具有透光性的底板，底板包括一弹性层及设置于该弹性层上的离形薄膜。由于离形薄膜的材质为铁氟龙，还是存在与模型存在较大的拉拔力。无效有效地解决打印平台上升时模型与离形薄膜产生的拉拔力。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光固化3D打印装置，能显著降低离型时的拉拔力，进而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

本发明所提供的技术方案为：

一种光固化3D打印装置，包括：树脂槽、打印平台和光源系统，所述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。

本发明在树脂槽的底面上引入了透明的水凝胶层。水凝胶是一种亲水性高分子网络形成的软物质，具有非常高的含水量，其表面始终存在一层稳定的水膜。光敏树脂通常具有疏水性，不会扩散、渗透进入水凝胶层中。光敏树脂固化时形成的是固体树脂，固体树脂与液体水膜就形成了固-液界面，界面处的粘结力远远低于常规树脂槽使用硅胶或FEP膜时的固-固界面的情况，导致离型时的拉拔力大大地降低。

本发明中硬质透明板主要起支撑作用，硬质透明板需要满足的条件是高透明度、强度及稳定性。硬质透明板可以选自高硼玻璃、石英玻璃等高透明度无机玻璃，也可以选自高透明度有机塑料如亚克力、聚碳酸酯、聚氯乙烯等。作为优选，所述硬质透明板为高硼玻璃、石英玻璃或亚克力。

本发明中硬质透明板的厚度为0.5～10mm，优选为1～5mm。

本发明中为了增强水凝胶层与硬质透明板之间的复合强度，也可以对硬质透明板进行预处理。高硼玻璃或者石英玻璃的预处理方法包括使用H₂SO₄-H₂O₂浸泡、等离子处理等使玻璃表面形成羟基、羧基等。有机玻璃一般使用等离子处理。作为优选，所述硬质透明板采用H₂SO₄-H₂O₂浸泡或等离子处理。进一步优选，还可以在羟基、羧基的基础上进一步进行接枝反应，提高与水凝胶层之间的复合强度。

本发明中水凝胶层主要起离型作用，所述透明的水凝胶层在硬质透明板上原位合成。具体操作时，选择合适的原料、催化剂与水混合，置于硬质透明板上至一定的厚度，根据不同的原料，在特定的条件下反应得到水凝胶层。

作为优选，所述透明的水凝胶层通过化学交联或者物理交联在硬质透明板上原位合成。

作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过化学交联合成的，由亲水性单体与交联剂反应通过自由基聚合反应而成。其中，亲水性单体可以选自丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸纳、甲基丙烯酸磺酸钠中的一种或几种。交联剂可以选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种。聚乙二醇二丙烯酸酯既是水凝胶合成单体，又可作为交联剂使用。

作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过化学交联合成的，由不同亲水性原料之间通过非自由基聚合反应而成。例如，壳聚糖与戊二醛可以通过氨基-醛基缩合反应形成交联水凝胶。

作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过物理交联合成的。物理水凝胶是指通过静电力、氢键、疏水相互作用等分子间作用力交联而成的水凝胶。典型物理水凝胶包括明胶、嵌段式聚醚Pluronic水凝胶、卡波树脂Carbopol水凝胶等。

本发明中所述透明的水凝胶层的厚度为0.5-5mm。

本发明中所述硬质透明板与透明的水凝胶层的整体透光率不小于80％。通过调整两者的材料与厚度来达到调整整体透光率。作为优选，不小于90％。

本发明中所述光源系统的光照方式采用激光、DLP投影、LCD投影、SXRD投影或LCOS投影。

本发明中所述光源系统的光源为紫外光或可见光。例如采用385nm、405nm的UV光或者大于420nm的可见光。

本发明中所述光固化3D打印装置还包括：计算机控制系统。所述计算机控制系统用于控制打印平台的升降，升降的速度以及升降的高度等；此外，还用于控制光源系统。

本发明还提供一种采用如上述的装置进行光固化3D打印的方法，包括：

1)光源系统对树脂槽内的光敏树脂进行照射，使得光敏树脂在打印平台上的照射区域内固化，形成一层固化模型；

2)打印平台向上抬升，固化模型与透明的水凝胶层分离；

3)重复进行步骤1)和2)，完成打印。

作为优选，所述进行光固化3D打印的方法，包括：

1)光源系统对树脂槽内的光敏树脂进行照射，使得光敏树脂在打印平台上的照射区域内固化，形成一层固化模型；

2)打印平台向上抬升分层厚度的距离，固化模型与透明的水凝胶层分离；

3)重复进行步骤1)和2)，完成打印。

作为优选，所述分层厚度可以为20～200微米，进一步优选为50微米或100微米。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明在树脂槽的底面上引入了透明的水凝胶层，光敏树脂固化后与水凝胶的粘结力非常小，使得离型时的拉拔力降低，可以有效提高打印速度和打印成功率。

(2)本发明中所提供的装置结构简单、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中光固化3D打印装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中光固化3D打印装置的打印中间状态一；

图3为本发明实施例中光固化3D打印装置的打印中间状态二；

图4为本发明实施例中光固化3D打印装置的打印最终状态。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实际应用并不仅限于图示的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他替换实施例，都应被认为属于本发明保护的范围。

如图1所述，光固化3D打印装置包括：树脂槽、打印平台1和光源系统5。

树脂槽由底面与侧壁组成，用于盛装光敏树脂6。树脂槽的底面为硬质透明板3，厚度为0.5～10mm，优选为1～5mm。硬质透明板3可以为高硼玻璃、石英玻璃或亚克力等。为了增强水凝胶层2与硬质透明板3之间的复合强度，可以对硬质透明板3进行预处理。当硬质透明板3为高硼玻璃或者石英玻璃时，采用H₂SO₄-H₂O₂浸泡或者等离子处理，使玻璃表面形成羟基、羧基等。当硬质透明板3为有机玻璃时，一般使用等离子处理。

打印平台1位于树脂槽上部，打印平台1可以沿着竖直方向升降，进入或离开树脂槽。打印开始时，打印平台1与树脂槽内的光敏树脂6的液面相抵。

光源系统5的光源设置在硬质透明板3下部。光源系统5的光照方式可以采用激光、DLP投影、LCD投影、SXRD投影或LCOS投影。光源系统5的光源可以为紫外光或可见光。例如采用385nm、405nm的UV光或者大于420nm的可见光。

光固化3D打印装置还包括计算机控制系统。计算机控制系统用于控制打印平台1的升降，升降的速度以及升降的高度等；此外，还用于控制光源系统5。

硬质透明板3与透明的水凝胶层2的整体透光率不小于80％，通过调整两者的材料与厚度来达到调整整体透光率。

硬质透明板3上设有透明的水凝胶层2，厚度为0.5-5mm，透明的水凝胶层2通过化学交联或者物理交联在硬质透明板3上原位合成。

作为具体的实施例，水凝胶层2是通过化学交联合成的，由亲水性单体与交联剂反应通过自由基聚合反应而成。其中，亲水性单体可以选自丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸纳、甲基丙烯酸磺酸钠中的一种或几种。交联剂可以选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种。聚乙二醇二丙烯酸酯既是水凝胶合成单体，又可作为交联剂使用。

作为具体的实施例，水凝胶层2是通过化学交联合成的，由不同亲水性原料之间通过非自由基聚合反应而成。例如，壳聚糖与戊二醛可以通过氨基-醛基缩合反应形成交联水凝胶。

作为具体的实施例，水凝胶层2是通过物理交联合成的。物理水凝胶是指通过静电力、氢键、疏水相互作用等分子间作用力交联而成的水凝胶。典型物理水凝胶包括明胶、嵌段式聚醚Pluronic水凝胶、卡波树脂Carbopol水凝胶等。

下面通过具体的实施例介绍水凝胶层的制备：

实施例1

丙烯酰胺 1g

N,N-亚甲基双丙烯酰胺 0.01g

水 10g

过硫酸铵(引发剂) 0.01g

N,N,N,N-四甲基乙二胺(助引发剂) 0.001g

将上述配比混合溶液浇注于3mm厚石英玻璃板上，常温下1h即可形成水凝胶层，水凝胶层的厚度为2mm。

实施例2

聚乙二醇(700)二丙烯酸酯 1g

丙烯酸纳 0.02g

水 10g

过硫酸铵(引发剂) 0.01g

N,N,N,N-四甲基乙二胺(助引发剂) 0.001g

将上述配比混合溶液浇注于H₂SO₄-H₂O₂处理过的3mm石英玻璃板上，常温下1h即可形成水凝胶层，水凝胶层的厚度为1mm。

实施例3

聚乙二醇(700)二丙烯酸酯 1g

丙烯酸纳 0.02g

水 10g

过硫酸铵(引发剂) 0.01g

N,N,N,N-四甲基乙二胺(助引发剂) 0.001g

将上述配比混合溶液浇注于等离子处理过的3mm亚克力板上，常温下1h即可形成水凝胶层，水凝胶层的厚度为3mm。

实施例4

卡波树脂2020 1g

水 20g

氢氧化钠 0.01g

将上述配比混合溶液搅拌下浇注于等离子处理过的3mm亚克力板上，静置即可形成水凝胶层，水凝胶层的厚度为3mm。

以下介绍一种采用光固化3D打印装置的打印方法，包括：

(1)如图1所示，树脂槽内硬质透明板3上已制备了透明的水凝胶层2，加入光敏树脂6，将打印平台1与树脂槽内的光敏树脂6的液面相抵。

在具体的实施例中，光敏树脂可以使用欧特克的开源树脂配方PR48(极性树脂第48号)。

PR48的配方如下：光引发剂：2,4,6-三甲基苯甲酰二苯基氧化膦(TPO)，0.40％；紫外线阻断剂：2,2’-(2,5-thiophenediyl)bis(5-tert-butylbenzoxazole)(OB+)，0.16％；活性稀释剂：Genomer 1122，19.89％；低聚物：Ebecryl 8210，39.78％；Sartomer SR 49439.77％。

(2)光源系统5对树脂槽内的光敏树脂6进行照射，单层曝光时间为3秒，使得光敏树脂6在打印平台1上的照射区域内固化，如图2所示，形成一层固化模型4。

(3)打印平台1向上抬升分层厚度的距离，分层厚度可以为50微米或100微米，如图3所示，打印平台1带着固化模型4与透明的水凝胶层2分离。单层曝光后无需等待时间打印平台1立即直接上升50微米或100微米，打印平台1上升到位后，无需等待时间立即下曝光下一层。

(4)重复进行步骤(1)～(3)，即可完成打印，如图4所示，得到一个特定形状的固化模型4。

以上仅为本发明的实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种光固化3D打印装置，包括：树脂槽、打印平台和光源系统，其特征在于，所述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。

2.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述硬质透明板为高硼玻璃、石英玻璃或亚克力。

3.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述硬质透明板采用H₂SO₄-H₂O₂浸泡或等离子处理。

4.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层在硬质透明板上原位合成。

5.根据权利要求4所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层通过化学交联或者物理交联在硬质透明板上原位合成。

6.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层的厚度为0.5-5mm。

7.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述硬质透明板与透明的水凝胶层的整体透光率不小于80％。

8.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述光源系统的光照方式采用激光、DLP投影、LCD投影、SXRD投影或LCOS投影。

9.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述光源系统的光源为紫外光或可见光。

10.一种采用如权利要求1～9任一所述的装置进行光固化3D打印的方法，其特征在于，包括：

1)光源系统对树脂槽内的光敏树脂进行照射，使得光敏树脂在打印平台上的照射区域内固化，形成一层固化模型；

2)打印平台向上抬升，固化模型与透明的水凝胶层分离；

3)重复进行步骤1)和2)，完成打印。