CN110435137A - 一种高频剪切光固化三维成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频剪切光固化三维成形装置及方法，该装置包括刚性框架，刚性框架内设有液槽，液槽的开口与刚性框架的顶板嵌合，刚性框架的顶板上设有Z向直线模组，Z向直线模组的移动平台与成形基板连接，可驱动成形基板在液槽内竖直移动并定位，刚性框架底部设有可将光学图案投射到液槽透明底部的成像元件，刚性框架底部设有弹性导轨，弹性导轨的移动平台与液槽底部连接，刚性框架内侧面有高频振子，高频振子与液槽底部侧边连接。本发明结构简单、成本低、能有效解决固化物与液槽底平面粘结问题。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印领域，尤其是一种高频剪切光固化三维成形装置及方法。
背景技术
光固化三维成形技术是快速直接制作高分子零件，或通过熔模浇铸法间接制作金属零件的重要手段之一，与熔融挤出成型(FDM)、激光选择性烧结(SLS)等技术相比，光固化三维成形不仅具有成形表面光滑、成形速度快，而且设备结构简单、造价低，在增材制造领域具有重要地位。在各种结构形态的光固化三维成形设备中，下液面光固化设备是应用最广泛类型之一，即光学图案穿透光敏树脂液槽透明底，对下液面曝光生成单层固化物，并通过成形基板上移、逐层累积固化直至形成完整三维形体。由于固化物生成发生在光敏树脂液槽底部，成形零件是从液槽底逐层向上生长的，只要液槽中光敏树脂未耗尽，即便成型零件露出光敏树脂上液面，下液面光固化也可继续进行，因此具有成形零件高度不受液槽深度限制的突出优势，同时光敏树脂上液面波动亦不影响在液槽底所生成固化物的平整度。
另一方面，对液槽底平面光敏树脂进行曝光固化时，所生成单层固化物自然与液槽底平面及成形基板或已固化物粘连，从而形成两个固体-固体粘结界面，其中单层固化物与成形基板或与已固化物间的固体-固体粘结界面，是单层固化物逐层累积形成三维成形体并确保成形体结构强度的必要条件；而单层固化物与液槽底平面的固体-固体粘结界面，则是阻碍光敏树脂流动填充至固化物与液槽底平面之间，以继续进行下一层光固化必须加以破除的因素。如何将单层固化物从液槽底剥离而不损伤其自身，及其与已固化物或成形基板的结合强度，一直是下液面光固化设备面临的主要难题，这在成形微细、复杂截面零件时尤为突出。现有下液面光固化设备将固化物从液槽底剥离的方式可分为三类：刚性强行剥离、柔性膜剥离及免剥离。刚性强行剥离是指靠机械拉力将固化物从液槽刚性底平面上强行拉开，剥离速度快、但剥离力与剥离损伤也最大；柔性膜剥离是指液槽底部采用柔性薄膜，机械力将固化物从液槽底平面拉开时，柔性膜发生弹性变形，使得剥离区域从固化物外缘逐步扩散至完整截面，剥离力相对刚性强行剥离有所减小、剥离损伤有所降低，但剥离速度大幅下降，是应用最普遍的剥离方式；免剥离是指在液槽底平面表层增加一层特殊疏液结构或涂层，阻止光固化反应过程液槽底与固化物粘结，进而无需在固化反应后将固化物从液槽底平面机械剥离，这使得光固化三维成形效率显著提升，但尚存在可匹配光敏树脂种类少，液槽底平面成本高、使用寿命短等局限。目前，在光固化三维成形领域，针对进一步提升下液面光固化设备成形精度与效率的需求，还缺少一种结构简单、成本低、能有效解决固化物与液槽底平面粘结问题的光固化三维成形方法。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、成本低、能有效解决固化物与液槽底平面粘结问题的高频剪切光固化三维成形装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高频剪切光固化三维成形装置，包括刚性框架，刚性框架内设有液槽，液槽的开口与刚性框架的顶板嵌合，刚性框架的顶板上设有Z向直线模组，Z向直线模组的移动平台与成形基板连接，可驱动成形基板在液槽内竖直移动并定位，刚性框架底部设有可将光学图案投射到液槽透明底部的成像元件，刚性框架底部设有弹性导轨，弹性导轨的移动平台与液槽底部连接，刚性框架内侧面有高频振子，高频振子与液槽底部侧边连接。
作为优选，液槽上方为刚性液槽框，底部为刚性透明底，刚性液槽框和刚性透明底之间通过柔性连接段连接，刚性液槽框的上开口与顶板嵌合，刚性透明底与弹性导轨连接，刚性透明底的侧面与高频振子的作动杆连接。
作为优选，光固化控制器分别与高频振子、成像元件、Z向直线模组连接。
一种高频剪切光固化三维成形方法，包括以下步骤：当前层光固化开始时，Z向直线模组驱动成形基板竖直移动，使成形基板下表的已固化物与刚性透明底缝隙处的光敏高分子物料液层厚度为单层固化厚度；高频振子驱动刚性透明底在左侧极限位置、右侧极限位置之间做持续高频往复运动，使得刚性透明底与光敏高分子物料的下液面之间维持高频剪切运动；成像元件发出光学图案并穿透刚性透明底，对光敏高分子物料液层曝光，所得单层固化物在生成过程中亦与刚性透明底保持高频剪切运动，使得单层固化物无法粘附在刚性透明底上，而只附着在与其相对静止的已固化物下表面；曝光完成后，成像元件关闭光学图案投射，当前层光固化结束。
更为具体的说：
开始光固化前，光固化控制器发出光源关闭信号至成像元件，控制成像元件保持光学图像关闭状态；向液槽中注入光敏液态高分子物料，光固化控制器发出运动信号至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板没入液槽的光敏液态高分子物料中，直至成形基板下表面与液槽刚性透明底之间的缝隙为单层固化厚度；光固化控制器发出振动信号至高频振子，控制高频振子驱动液槽刚性透明底进行小幅横向高频往复运动，并在光固化三维成形结束前维持液槽刚性透明底的小幅横向高频往复运动。
进行首层光固化时，光固化控制器发出首层切片图案数据至成像元件，控制成像元件打开光源以将光学图案投射到液槽的刚性透明底上，光学图案进一步穿透刚性透明底后作用到与成形基板下表面夹缝间的光敏液态高分子物料上，引发光学图案明亮区域发生光固化反应；光固化反应期间，由于固化物是渐进生成的，因此固化物与静止的成形基板间具备良好的粘结条件，而液槽刚性透明底的横向高频往复运动与固化物之间形成高频剪切运动，破坏了固化物与液槽刚性透明底的粘结条件，可避免固化物粘附至液槽刚性透明底；设定曝光时间后，光固化控制器发出光源关闭信号至成像元件，以控制成像元件关闭光学图案投射，所生成首层固化物仅粘附在成形基板下表面。
进行后续层光固化前，光固化控制器先发出位移信号至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板向上移动单层固化厚度，使得上一层固化物的下表面与液槽刚性透明底之间的缝隙为单层固化厚度，在上一层固化物向上移动所产生负压的抽吸作用下，液槽中的光敏液态高分子物料流动填充到该缝隙中；光固化控制器发出当前层切片图案数据至成像元件，控制成像元件打开光源以将光学图案投射到液槽的刚性透明底上，引发光学图案明亮区域的光敏液态高分子物料发生光固化反应；光固化控制器维持设定曝光时间后，控制成像元件关闭光学图案投射以终止当前层曝光过程，所生成当前层固化物仅粘附在上一层固化物下表面。上述单层光固化过程逐层实施，每一次曝光生成的单层固化物与上一层固化物逐层累加，直至形成完整的光固化三维成形体。
本发明的液槽包括刚性液槽框、柔性连接段、刚性透明底。刚性液槽框是液槽主体，提供容纳光敏液态高分子物料的空间，刚性液槽框上开口嵌合在刚性框架顶板上；刚性透明底将液槽底部封闭，以在其上表面形成平整的光敏液态高分子物料下液面，并为下液面光固化提供透光通道；柔性连接段将刚性液槽框与刚性透明底连接，既构成完整的开口液槽结构，也避免刚性透明底与刚性液槽框之间的硬连接。
本发明液槽的刚性透明底采用弹性导轨支撑在刚性框架底部，刚性透明底的侧面采用高频振子驱动，以在刚性透明底与下液面间产生高频剪切运动；本发明的刚性透明底做高频剪切运动时，其支撑机构即弹性导轨在运动方向上无摩擦力，运动能量损失小，运动幅度与频率稳定度高。本发明液槽的刚性透明底做高频剪切运动时，其通过柔性连接段向刚性液槽框传递的能量少，刚性液槽框内壁对光敏液态高分子物料的高频正面冲击小；本发明刚性透明底与液槽下液面的光敏液态高分子物料只发生高频剪切运动，无高频正面冲击，不会在下液面产生超声空泡，进而降低固化物致密度，或损伤刚性透明底表面、降低其透光性能。
本发明通过液槽刚性透明底与光敏液态高分子物料下液面间的高频剪切运动，在光固化过程中打破固化物与液槽底平面的稳定粘结条件，使得固化物只粘附在成形基板或上一层固化物下表面，而无需从液槽底平面上剥离；本发明成形基板上移时，液槽刚性透明底无明显变形，其与成形基板或其下表面附着的固化物间的缝隙平整均匀、负压大，光敏液态高分子物料向缝隙内流动填充的速度快。本发明的高频剪切光固化三维成形方法，光固化成形效率高、固化物平整无剥离损伤，易于在高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的总体结构透视图及其局部放大图；
图3为本发明的液槽刚性透明底支撑及驱动结构示意图；
图4为本发明单层光固化的抬高成形基板示意图；
图5是本发明的单层光固化的高频剪切示意图
图6是本发明的控制信号连接图。
附图标记说明：刚性框架1，液槽2，刚性液槽框201，柔性连接段202，刚性透明底203，光敏高分子物料3，顶板4，弹性导轨5，高频振子6，作动杆601，成像元件7，Z向直线模组8，成形基板9，三维成形体10，已固化物11，光敏高分子物料液层12，左侧极限位置13，右侧极限位置14，下液面15，单层固化物16，光固化控制器20。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：
一种高频剪切光固化三维成形装置，如图1、2，刚性框架1内有液槽2，液槽2内有光敏高分子物料3，液槽2开口嵌合在刚性框架1的顶板4上；刚性框架2底部有弹性导轨5，弹性导轨5的移动平台与液槽2底部连接；刚性框架2内侧面有高频振子6，高频振子6的作动杆与液槽2底部侧边连接；刚性框架2底部有成像元件7，成像元件7可将光学图案投射到液槽2底部，光学图案穿透液槽2底部后对液槽2下液面的光敏高分子物料3曝光；Z向直线模组8竖直固定在刚性框架1的顶板4上，Z向直线模组8的移动平台与成形基板9连接；Z向直线模组8可驱动成形基板9竖直移动并定位，以在光固化开始时将成形基板9贴近液槽2底部，在光固化过程中将成形基板9逐层上移，并在光固化结束后将成形基板9下表面的三维成形体10提升出液槽2。
如图3，液槽2自上而下依次为刚性液槽框201、柔性连接段202、刚性透明底203，刚性液槽框201的上开口嵌合在刚性框架1的顶板4上，柔性连接段202将刚性液槽框201的下开口与刚性透明底203连接以构成完整的开口液槽2；刚性透明底203以弹性导轨5竖直支撑在刚性框架1底部，刚性透明底203的侧面与高频振子6的作动杆601连接；高频振子6的基座固定在刚性框架1的内侧面，高频振子6可驱动刚性透明底203在弹性导轨5的导向方向做横向高频往复运动；
如图6，光固化控制器20与高频振子6连接，光固化控制器20与成像元件7连接，光控制器20与Z向直线模组8连接；光固化控制器20发出电信号至高频振子6，控制高频振子6驱动液槽2的刚性透明底203做横向高频往复运动；光固化控制器20发出电信号至成像元件7，控制成像元件7在光固化过程中将光学图案投射到液槽2的刚性透明底203上，进而对液槽2下液面的光敏高分子物料3进行曝光；光固化控制器20发出电信号至Z向直线模组8，以控制Z向直线模组8驱动成形基板9做竖直定位运动，以调节成形基板9或其下表面附着的已固化物11与液槽2刚性透明底203之间的缝隙距离，从而得到厚度可控的单层固化物16。
一种高频剪切光固化三维成形方法，如图4，当前层光固化开始时，Z向直线模组8驱动成形基板9竖直移动，使成形基板9下表的已固化物11与刚性透明底203缝隙处的光敏高分子物料液层12，厚度为单层固化厚度；如图5，高频振子6驱动刚性透明底203在左侧极限位置13、右侧极限位置14之间做持续高频往复运动，使得刚性透明底203与光敏高分子物料3下液面15之间维持高频剪切运动；成像元件7发出光学图案并穿透刚性透明底203，对光敏高分子物料液层12曝光，所得单层固化物16在生成过程中亦与刚性透明底203保持高频剪切运动，使得单层固化物16无法粘附在刚性透明底203上，而只附着在与其相对静止的已固化物11下表面；曝光完成后，成像元件7关闭光学图案投射，当前层光固化结束。
本发明的高频剪切光固化三维成形方法，采用机械剪切运动避免液槽下液面生成的单层固化物与液槽底平面发生粘连，进而取消单层固化物从液槽底平面剥离的工艺过程，以消除剥离用时，不仅光固化三维成形效率高，而且单层固化物平整、无剥离损伤；本发明无需对液槽底平面做疏液表面处理，亦不依赖特殊的光敏液态高分子物料配方，不仅液槽使用寿命长、光固化耗材成本低，而且液槽清洗维护及光固化耗材更换便捷。
本发明的高频振子可采用压电振子、电磁振子、气动振子等不同激励能量类型的高频振动元件；本发明液槽的刚性透明底除以本实施例的弹性导轨支撑，亦可采用其它低摩擦导向元件，如磁悬浮导轨、气浮导轨、液体静压导轨等。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种高频剪切光固化三维成形装置，包括刚性框架(1)，刚性框架(1)内设有液槽(2)，液槽(2)的开口与刚性框架(1)的顶板(4)嵌合，刚性框架(1)的顶板(4)上设有Z向直线模组(8)，Z向直线模组(8)的移动平台与成形基板(9)连接，可驱动成形基板(9)在液槽(2)内竖直移动并定位，刚性框架(2)底部设有可将光学图案投射到液槽(2)透明底部的成像元件(7)，其特征是：刚性框架(2)底部设有弹性导轨(5)，弹性导轨(5)的移动平台与液槽(2)底部连接，刚性框架(2)内侧面有高频振子(6)，高频振子(6)与液槽(2)底部侧边连接。
2.根据权利要求1所述的高频剪切光固化三维成形装置，其特征是：液槽(2)上方为刚性液槽框(201)，底部为刚性透明底(203)，刚性液槽框(201)和刚性透明底(203)之间通过柔性连接段(202)连接，刚性液槽框(201)的上开口与顶板(4)嵌合，刚性透明底(203)与弹性导轨(5)连接，刚性透明底(203)的侧面与高频振子(6)的作动杆(601)连接。
3.根据权利要求1或2所述的高频剪切光固化三维成形装置，其特征是：光固化控制器(20)分别与高频振子(6)、成像元件(7)、Z向直线模组(8)连接。
4.根据权利要求1或2所述的高频剪切光固化三维成形装置，其特征是：所述弹性导轨(5)可采用磁悬浮导轨、气浮导轨、液体静压导轨进行替换。
5.一种利用权利要求2所述装置的高频剪切光固化三维成形方法，包括以下步骤：当前层光固化开始时，Z向直线模组(8)驱动成形基板(9)竖直移动，使成形基板(9)下表的已固化物(11)与刚性透明底(203)缝隙处的光敏高分子物料液层(12)厚度为单层固化厚度；高频振子(6)驱动刚性透明底(203)在左侧极限位置(13)、右侧极限位置(14)之间做持续高频往复运动，使得刚性透明底(203)与光敏高分子物料(3)的下液面(15)之间维持高频剪切运动；成像元件(7)发出光学图案并穿透刚性透明底(203)，对光敏高分子物料液层(12)曝光，所得单层固化物(16)在生成过程中亦与刚性透明底(203)保持高频剪切运动，使得单层固化物(16)无法粘附在刚性透明底(203)上，而只附着在与其相对静止的已固化物(11)下表面；曝光完成后，成像元件(7)关闭光学图案投射，当前层光固化结束。
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