CN110466150A - 一种电子束热固化树脂3d打印及其应用 - Google Patents

一种电子束热固化树脂3d打印及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用电子束加热热固化树脂材料实现3D打印的方法，树脂为常规热固化树脂，热源为专门应用于热固化树脂快速固化的精细微纳米阵列电子束源；对于铺满基片的树脂，采用单一微细电子束快速扫描，或者大面积电子束源、开关或其它机械方式控制电子束的加热区域，实现树脂的热固化并进入下一层的树脂涂布、平铺铺满及选择性热固化，实现3D打印过程。当前的热固化3D打印技术，无法满足高精度3D打印的需求；而实现高精度3D打印的光固化3D打印技术，无论光固化树脂、还是光学系统，都特别昂贵，难以实现广泛推广应用。本发明首次实现了热固化树脂的精细3D打印、以及将电子束技术应用于树脂材料的3D打印工艺中。

Description

一种电子束热固化树脂3D打印及其应用
技术领域
本发明属于真3D打印增材制造领域，具体涉及一种采用电子束加热固化树脂实现3D打印精细微纳米结构产品的3D打印设备的设计、制造及其工艺、产品的开发及应用。
背景技术
3D打印技术日益受到更大的关注，并在诸多领域得到初步应用，原因在于，第一，3D打印技术是计算机图像处理、立体成像及分解、先进材料、精密机械等多种新技术的融合，本身有强大的技术诱惑力；第二，3D打印属于增材制造，产品制造过程中，不存在材料的舍弃、无用消耗，满足了当前节能、环保、高效发展的趋势需求；第三，尤其重要的是，3D打印技术在工业新品开发过程中，不再需要昂贵的模具设计加工、不再需要长时间的等候才能实验验证，大幅度降低了新品开发周期；第四，对于浇铸成型来说，3D打印能够快速提供高精度成型树脂砂型。
目前开发、应用最多的是树脂材料的3D打印，对于热固性树脂、或者热熔树脂材料来说，因为其成本低廉，已经在模型、玩具、装饰等领域得到规模化应用，成为3D技术产业化应用的主力军；但是，无论是液态树脂热固化成型，还是固态树脂熔融成型，因为热源技术等方面的原因，常规热固化3D打印技术，无法实现高精度、微纳米分辨率的高端产品加工。当前，光敏树脂能够实现较高精度的3D打印，但是，一方面，光敏树脂价格昂贵，另一方面，即是采用非常昂贵的精密光源，其打印精度也最多到微米级，无法实现纳米精度的3D打印。
电子束技术应用于3D打印时，由于常规的电子枪具有非常高的能量密度，一般仅应用于金属、难熔材料的3D打印，无法应用于树脂材料的热固化成型。另一方面，考虑到衍射效应，与光固化技术中应用的光的分辨率相比，电子束可以具有原子级的分辨率。
发挥电子束分辨率高的优点，发挥热固化树脂价格低廉的优势，克服常规电子束无法应用于树脂热固化的不足，将会推动3D打印技术取得更快速、广泛、高效应用。
发明内容
使用价格低廉的热固化树脂，制备微纳米精细结构的3D打印产品，以及，将在3D打印领域主要应用其高能量密度能力的电子枪技术，应用其极高分辨能力的性能，实现极低能量密度输出，是本发明的核心，本发明旨在提供一种电子束热固化树脂材料实现3D打印的设计、制造及其应用方法。
本发明的技术特征，与光固化3D打印系统类似，不同的地方在于：1、采用热固化树脂替代光固化树脂，2、采用高能量低密度的电子束替代光；光固化3D打印系统中，光的输出有两种形式，一是一束微细光束，通过扫描光固化树脂实现3D打印；二是输出平面图形光斑，直接得到一层所需要的图形结构，然后累加。与此类似，电子束的输出也有两种方式，一是一束微细电子束，然后通过扫描方式实现3D打印；二是直接输出大幅面的均匀电子束斑，通过在电子束斑前面增加一个机械结构，可以形成令所需要的图形特征的电子束通过，得到大幅面一层固化组成。
具体发明内容为，本发明的电子束热固化树脂材料3D打印系统的特征：树脂为常规热固化树脂，热源为专门应用于热固化树脂快速固化的精细微纳米阵列电子束源；对于铺满基片的树脂，采用单一微细电子束快速扫描，或者以大面积电子束源为热源、通过开关或其它机械方式控制电子束的加热区域，实现树脂的热固化并进入下一层的树脂涂布、平铺铺满及选择性热固化，实现3D打印过程。
优选地，其中的热固化3D打印原材料，泛指一切受热固化的树脂材料；
优选地，其中的热固化源，特指满足树脂固化的低能、高分辨能力的电子束源；
优选地，所采用的电子束源，既能够输出单通道微细电子束，也能够输出超大面积电子束；所谓的单通道微细电子束，指的是输出的电子束斑点直径最小可小于1nm，一般在1nm-0.1mm之间；所谓超大面积电子束，指的是电子束照射面积最小超过1平方毫米，最大可超过1平方米，可根据使用需求采用任意面积，形成任意曲面；
优选地，可采用低能电子束源，与常规的电子束源或电子枪不同，其输出的单位面积上的能量密度非常低，范围在0.01W-10kW/m2，满足树脂热固化的需求。
优选地，3D打印实现精密立体结构的方式为，3D打印过程中，对于微细电子束，是通过驱动电子束源运动来实现精细的树脂固化、产品制造；对于大面积电子束源，是在电子束源与树脂基板之间，存在一个屏蔽机构，通过驱动屏蔽机构的运动，实现树脂的精细固化，以及快速的大面积制品的制造；而其中待固化树脂的存在方式为，基板位于液态树脂槽内，通过升降机构实现树脂在基板上的均匀涂布；或者采用其它已有的树脂在基板上的均匀涂布方法；
优选地，整个电子束热固化树脂3D打印系统，位于真空环境中，工艺过程中，可通入Ar、N2或其它保护性或反应性气体。电子束热固化树脂3D打印所得到的产品微结构精度及分辨率，可小于100nm，远优于当前一切3D打印技术所得到的产品。
所有采用本专利所论述的采用电子束加热固化树脂的方法，制造生产3D打印产品的技术、装置、以及其它所有相关装备、系统，均为本专利的专利权属。
有益效果
注塑成型是当今最大的行业之一，对于成熟产品，注塑具有高速、高效、高品质的优势，但是，对于要开发新品，因为需要制造加工模具，成本会非常高昂。3D打印在开发新的塑料制品方面，具有常规开模无法比拟的优势，当前树脂塑料材料3D打印技术方面无法克服的问题是，利用热塑、热固化成型技术进行3D打印，其结构精细度、微观分辨率无法满足高级产品需求；对于光固化树脂材料3D打印来说，其成型面积过小，光固化树脂材料又太贵，而且也不是产品原材料，会存在诸多疑问，其当前最高分辨率也仅仅到微米级，不能满足某些需要到纳米精度的产品开发的需求。本电子束热固化树脂3D打印技术的开发，将为塑料新品开发提供巨大的帮助。另一方面，常规的电子枪技术，只能应用于如难熔金属、陶瓷材料等需要高能量密度的场合，本发明首先实现了电子束低能量密度技术的开发与应用。
附图说明
图1是本发明的一种单束微细电子束加热固化热固性树脂3D打印设备的示意图，图中，1为实现电子束热固性树脂3D打印的真空空间，2为电子束源，3为热固性树脂及其液槽，4为成型中的3D打印产品及相应基座，5为实现树脂液体在打印产品表面均匀铺张一层采用的刮板，6为基座升降机构，当完成一层3D打印时，将整个基座向下调节，通过树脂液体自动流动及刮板作用，完成下一层树脂液体在3D产品上的铺张。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
利用自主研发制造的单一束斑的高能量、低密度电子束源，电子束源发射的电子能量可达30keV，功率从0-100W可调节，电子束源直接输出的束斑直径最小可低于10微米，通过在束斑前面加一个电子束衍射孔，最下输出的电子束束斑直径可小于1纳米。
该电子束源发射的电子束，由于具有低密度、高能量特征，所以既可以实现对树脂的高穿透力和更小加热区域；也可以确保树脂是被固化而不是被气化分解。
单一微细束斑的电子束源只有一个家用手电筒一般大小，可以方便的固定并驱动，将该电子束源固定在多轴机械工作台上面，束斑方向向下，所需打印的3D产品，通过计算机分解并输出，驱动工作台带动电子束源运动，固化树脂获得所需的产品结构。
如果是大面积电子束源，此时该电子束源输出的电子束面积超过所打印产品的截面面积，工作过程中，电子束源不动，在电子束源的前方，设置一个多通道工作台，计算机输出的图形信号，驱动多通道工作台上面的微孔，或者可以透过电子束，或者不透过，实现更快速的3D打印。
电子束源的前方(下方)，是热固性树脂的液槽，3D打印产品的基座，位于液槽内，3D打印过程中，通过调节基座的高低，以及刮板作用，确保每完成一层打印，产品表面的液面高度满足每一层3D打印厚度的需求，比如，可以在10微米到1000微米之间调节。
整个打印系统是安装在真空室内部的，打印过程是在一定的真空度下完成的，首先是为了保证电子束源的工作，其次，真空环境，对提高树脂固化精度、消除固化市可能的气泡、不致密等缺陷有非常大的帮助，是热固化树脂实现高精度、微纳米精细结构3D打印的有利因素。
实施例一：
一台具有完整结构的电子束热固化树脂3D打印系统，电子束源的束斑直径50微米，功率100W，电子束能量30keV；电子束源固定在一个5轴工作台上，工作过程中，电子束可以前后、左右位移及倾斜操作；5轴工作台与计算机系统连接，打印产品通过计算机图形处理，输出每一层打印所需要的图形，控制电子束源的位移及倾斜，实现电子束对不同位置的树脂的固化。
树脂液槽位于电子束源下方，树脂液槽为不锈钢立方体结构，尺寸为100mmX100mmX100mm，产品打印工作台在树脂液槽内，面积尺寸为50mmX50mm，通过升降机构驱动产品工作台位移，位移精度为50微米，最大升降尺寸为50mm。
整个系统位于一个空间为300X300X300mm3的不锈钢真空室内，利用机械、分子真空泵进行抽真空，极限真空度为2X10-4Pa。具体设备结构示意图如图1所示。
对于1个10mmX10mmX10mm的立体网格结构产品，网格特征为：边长100微米的微型立方体循环组成，每个微型立方体中，边长由实心长方体构成，长边为100微米、底面为正方形，50微米X50微米。
利用醇酸树脂作为原材料，倒入液槽内，液面高度为30mm；初始产品工作台高度与液面高度相同，打印过程中，每打印一层，工作台下降50微米；打印过程为：抽真空到10-3Pa，通入氩气作为工作气体到1X10-1Pa，启动计算机3D打印程序，控制产品工作台高度及电子束源位移，启动电子束源工作，电子束束斑为50微米、功率10W，精确控制扫描与位移时间，最后得到所需要的产品。
以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。本发明所论述的采用电子束加热固化树脂的方法，制造生产3D打印产品的技术、装置、以及其它所有相关装备、系统，均为本专利的专利权属，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：树脂为常规热固化树脂，热源为专门应用于热固化树脂快速固化的精细微纳米阵列的高能量低密度电子束；对于铺满基片的树脂，采用单一微细电子束快速扫描，或者以大面积电子束为热源、通过开关或其它机械方式控制电子束的加热区域，实现树脂的热固化并进入下一层的树脂涂布、平铺铺满及选择性热固化，实现3D打印过程。
2.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：3D打印原材料为热固化树脂。
3.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：树脂热固化时，热源为电子束。
4.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：所采用的高能量低密度电子束，既能够输出单通道微细电子束，也能够输出是超大面积电子束；所谓的单通道微细电子束，指的是输出的电子束斑点直径最小能够小于1nm，一般在1nm-0.1mm之间；所谓超大面积电子束，指的是电子束照射面积最小超过1平方毫米，最大能够超过1平方米，并且能够根据使用需求采用任意面积，形成任意曲面。
5.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：所采用的高能量低密度电子束，与常规的电子束或电子枪不同，其输出的单位面积上的能量密度非常低，范围在0.01W-10kW/m2，单个电子能量可达30keV，满足树脂热固化的需求。
6.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：3D打印过程中，对于微细电子束，是通过驱动高能量低密度电子束源运动来实现精细的树脂固化、产品制造；对于大面积电子束，是在电子束与树脂基板之间，存在一个屏蔽机构，根据计算机输出的图形信号驱动屏蔽机构的运动，实现树脂的精细固化，以及快速的大面积制品的制造。
7.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：基板位于液态树脂槽内，通过升降机构实现树脂在基板上的均匀涂布；或者采用其它已有的树脂在基板上的均匀涂布方法。
8.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：整个电子束热固化树脂3D打印系统，位于真空环境中；工艺过程中，通入Ar、N2或其它保护性或反应性气体。
9.如权利1所述电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法，其特征在于：高能量低密度电子束热固化树脂3D打印所得到的产品微结构精度及分辨率，能够小于100nm。
10.一种采用如权利要求1所述的电子束辅助热固化树脂材料3D打印方法的装置。
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