CN110901048A - 印刷转移式光固化三维彩色打印技术及装置 - Google Patents
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Abstract
印刷转移式光固化三维彩色打印技术及装置，属机械—光电技术领域。必要构造包括：电子控制系统、机械运动系统、支持壳体、多喷嘴喷墨打印头，包含用于生成成型物件的成型物料喷嘴及用于生成支撑的支撑材料喷嘴或仅仅使用成型物料喷嘴，每类喷嘴的喷孔数量不少于1个、成型物件升降台；用了印刷切层过程、切层对位过程及转移固化过程；完成了一个切层的建造过程；周而复始重复上述过程，印刷切层过程‑‑‑切层对位过程‑‑‑‑转移固化过程；透明基板的非喷涂印刷切层的背面对当前印刷切层进行光固化照射，成型物件就会被一次次的加高生长在升降台上，最终完成了整个物件的打印，最终生成单色或彩色的高精度三维打印品。
Description
[所属领域]
本发明属机械—光电技术领域。确切的讲是借助于多喷嘴打印是一种新的快速成型工艺(MJP:Multi jet modeling(pringting)：多喷嘴喷射工艺)，通过3DP(threedemension printing)方式喷堆固化及包裹该彩色壳层的全彩3D打印法及装置。
[背景技术]
多喷嘴打印(MJP:Multi jet modeling(pringting))是一种新的快速成型工艺，它能够提供光滑、高分辨率和具有复杂几何形状的塑料件。整个过程只需要UV灯和光敏材料。该技术最早起源于：三维印刷(3DP)工艺的3D打印技术。是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP(Three-Dimensional Printing)专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。之后美国的3DSystems品牌，将上述“非成形材料微滴喷射”改变为：“光敏树脂类的成形材料微滴喷射，结合光固化进行逐层类似印刷成型”,因而生成另一类彩色打印技术及商业机型：如3DSystems品牌的型号:ProJet3600机型。
3D打印的总体历史发展概况：
1986年美国博士Charles W Hull在其一篇论文中提出使用激光照射光敏树脂表面，并固化制作三维物体的概念。之后，Charles WHull申请相关专利。harles Hull开发了第一台商业3D印刷机。1986年便出现SLA的雏形，SLA是最早提出并实现商业应用的成型技术。1988年，3D打印行业巨头3DSystems公司根据SLA成型技术原理制作世界上第一台SLA
3D打印机——SLA250，并将其商业化。自此，基于SLA成型技术的机型如雨后春笋，相继出现。
2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印飞机。
2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
2012年Formlabs团队在众筹平台推出了一款基于SLA成型技术的3D打印机——Form 1，并在该平台发起众筹以筹集资金。
2013年10月，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。2013年11月，美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪。[2]2017年1月16日，科技公司Bellus 3D可完整拍下高分辨率的人脸3D照片，这些照片进行3D打印出的面具与真正的人脸。
2017年4月7日，德国运动品牌阿迪达斯(adidas)推出了全球首款鞋底3D打印制成的运动鞋，计划2018年开始批量生产，以应对快速变化的时尚潮流，生产更多定制产品。时至今日，研究和生产SLA技术的组织、企业、团队已然众多。国内相关机构有华中科技大学、西安交通大学、珠海西通、智垒等；国外有3DSystems公司、EOS公司、Z Corporation、CMET公司、D-MEC公司、Teijinseiki公司、Formlabs公司等。
3D制造技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
表性的公司及产品：3D Systems公司在SLA技术研究领域起步最早，相应生产的机型也众多，如：Projet1500、Objet3600以及在欧洲模展上推出的ProX 800等。国内有西通光固化3D打印机、铭展MBot Form1 3D打印机、ATSmake 3D打印机等。3D打印机，已成功打印一辆F1赛车日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。
3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、聚乳酸、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。
原理性技术概况：
基础打印过程：英国工程师“打印”出无人飞机三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。
切片处理：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
完成打印：三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够(在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样)，要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。
有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西(如可溶的东西)作为支撑物。
以下着重对于本发明密切相关的3DSystems品牌的型号:ProJet 3600机型的工作原理作详细阐述：
基本构造包括以下组件：
机械系统：保持及调整升降台高度的机械装置；包括电机、Z轴导轨、丝杠及传感器等部件。
控制系统：采用电子技术，保持整个系统运行及控制。
结构壳体：使用钣金、塑料等材料，将各个组件固定安装在壳体内部。
ProJet 3600机型是(MJP:Multi jet modeling(pringting))，该机型采用的方法与基于“激光振镜扫描固化”及基于“LCD、DLP光固化”的SLA SLA(Stereo lithographyAppearance即立体光固化成型法)技术原理的3D打印机的原理不同，无需沉寖成型物件的储液槽及铺粉，而是工作时打印机采用了3DP技术路线层层堆叠出三维物件，成型物料及支撑材料都是由喷嘴直接喷出；喷嘴将一层极薄的液态光敏树脂喷涂在升降台上，此涂层然后被置于紫外线下进行固化处理。之后升降台下降一段极小的等于一个切层的高度，以供下一层的堆叠操作，周而复始。安装在打印头上的嘴分为2类：成型物料喷嘴及支撑材料喷嘴，其中支撑材料喷嘴所喷射的支撑材料，最终使用溶剂从成型物件上被去除。
每一层的喷涂，打印头的2维的平面运动，是由独立的正交的X导轨Y来实现，2根导轨水平正交放置，也可以是通过1个固定垂直轴的连杆驱动1个垂直动轴的双轴铰链构造，获得打印头的平面位移。一般打印头同步驱动2中喷嘴，喷嘴距打印切片的成型表面的距离在1毫米之内。
由于多喷嘴喷射已经是按物件切片的选择性的喷射，因而固化光源的照射位置无需选择，用大面积的紫外光普照在整个切片的面上，使得喷有待固化的材料部位被固化了；这样就无需激光扫描或DLP/LCD等区域选择性的光阀光源。结构被简化。最后，这种工艺打印完成之后，然后再进行对物体的清理。这样就可以实现一个完成清洁的物体，将原型从树脂中取出后，进行最终固化，当然还需要二次加工，通常我们先将支撑点，也就是打印的物体附加的结构进行分离或者用工具、溶剂去除，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
[发明内容]
本发明目的：
克服30多年来，无铺粉方式的光固化--3DP打印技术无法生成完美彩色打印物件的缺陷及形体方面的缺陷(过分依赖支撑、扩散混色困难等)；对于非转移扩散方式的直接混色堆积模式，将限制堆积所需要单色墨料的粘度下限，导致墨料过于粘稠，而无法保障墨料之间为产生丰富颜色的均匀混合所需的流动特性！
本发明特点：
结合单色喷墨混合的平面喷绘技术，在结合所创造的切片转移方式，利用“透明基板”将对当前切层的生成产生强有力的有效支撑，对色墨水的自身强度、牢固度等特性的要求也大大的放宽了。
技术关键为：
本发明技术的创新部分为：印刷切层过程、切层对位过程及转移固化过程。
本全彩打印方法需要以下必要组件，分别是：多喷嘴喷墨打印头，包含1-2类喷嘴：用于生成成型物件的成型物料喷嘴及用于生成支撑的支撑材料喷嘴(支撑物料的墨水在行业内被普遍采用，可以通过水或有机溶剂溶解掉)，每类喷嘴的喷孔数量不少于1个；或仅仅使用成型物料喷嘴，也单一使用成型物料来构建支撑部分，但去除支撑会带来些麻烦。必要组件还包括：升降台、透明基板、电子控制系统、支持壳体及驱动多喷嘴喷墨打印头运动的驱动装置，具体连接关系为：通过机械系统保持升降台与透明基板之间的改变距离的相对运动、通过机械系统保持多喷嘴喷墨打印头与透明基板之间产生可控的2维相对运动，多喷嘴打印头与色墨储墨盒、支撑储料盒之间是通过输液管(9)相连，它们之间是分体化安装，或是一体化安装的紧凑结构。
印刷转移式光固化三维彩色打印的基本工作过程如下：
概述：先是打印机各个组件进行初始化复位：升降台(用于承载打印物件的平台)升起不接触透明基板(用于承载喷涂印刷切片的平台)，电子控制系统及机械构造驱动多喷嘴喷墨打印头运动并在透明基板上喷涂印刷预先编辑好的物件内容的切片；电子控制系统及机械构造又驱动升降台并与透明基板接近，并最终保持一个切层的距离完成切层对位过程；接下来从透明基板的非印刷面透射固化光，对当前印刷切层进行光固化照射，固化完成后该切层干枯并转移到粘结成型物件切面上来，使得打印物件增高一个切层的高度；周而复始重复上述过程：印刷切层过程---切层对位过程----转移固化过程；成型物件就会被一次次的加高生长在升降台上，最终在升降台上完成了整个物件的打印。
3个过程核心技术的详述：
印刷切层过程：
与传统的3DP光固化的3D打印技术不同，不是在已经成型物件的表面逐层累加铺设新的切层，而是在先形成物件的切片(切层)；即电子控制系统及驱动多喷嘴喷墨打印头运动并在透明基板上喷涂印刷预先编辑好的物件的切片内容；该切片内容包括成型物料及支撑材料内容，透明基板的表面具有对墨料不沾的特性，给后续的固化转移创造条件。该切片内容包括成型物料及支撑材料内容或仅仅成型物料内容、或仅仅支撑材料内容。
由于透明基板是连续的整体平面构造，任何复杂的图形都易于生成一层薄薄的油膜。原则上透明基板承载切片的表面，可以朝上或朝下，完全视喷墨打印嘴的朝向而定。
切层对位过程：
驱动升降台并与透明基板接近，并保持一个切层的距离，同时使得固化在升降台上的已成型物件的轮廓刚好对准升降台上的切片，已成型物件的轮廓也就刚好接触到升降台上的切片，由于光敏墨水的液体粘性及表面张力的作用，切片将与已成型物件亲和在一起(附着在表面上)。直到成型物件(12)的固化截面与透明基板(15)之间的距离上等于印刷切层(8)的厚度时，成型物件(12)的固化截面将与印刷切层(8)接触，切层对位过程完成。
转移固化过程：
接下来从透明基板的非喷涂印刷切层的背面，对当前印刷切层进行光固化照射(一般是紫外光固化)，照射后切层墨水被固化并被牢牢的粘接到(转移)到成型物件的当前切面上来了，成型物件被加高了一个切层的高度，完成了一个切层的建造过程。
进一步：为了配合已成型物件与透明基板接触时的窝住空气，有2种方法可以选择，首先是使得支持壳体内部为真空环境，其次是在成型物件内部设计有空隙孔洞，以便就近排出成型物件与透明基板接触过程中的可能窝住的空气。
进一步：固化光也有2种方案：一种是均匀背光的固化方式；另一种是选择性背光的固化方式，使用激光振镜来扫描切片的有效部位或者使用LCD、DLP、LCOS等投影光阀器件来选择性的投影到切片的有效部位，完成对切层墨液的固化过程。(该做法的优点在于：选择背光的固化方式可以不去照射切层以外的部位，这样就减低了对印刷切层过程的喷墨精度及厚度的要求，任何由于喷墨厚度过量的边界溢出，都不会被固化，而在后续清理表面时被刮刀挂掉)。
进一步：对透明基板的表面清理，可以是对上次固化切层构建时的微量墨料残留不进行清理，或者采用刮刀在每一次固化的间隔中进行一次清理。
本发明的有益效果：
印刷转移式光固化技术的提出，将使任何复杂的切层都能轻而一举被表达在透明基板上，而避免了直接在成型物件截面铺设对彩色墨料的高粘度要求，低的墨料粘度更有利于混色，色彩表达更完美。
[附图说明]
图1在透明基板上生成彩色切片示意图
图2印刷转移式光固化三维彩色打印技术示意图
标号说明：
(1)多喷嘴打印头(可以是一体化的，无需分离的输墨管及储墨盒)
(2)丝杠
(3)导向柱体
(4)Z轴电机
(6)色墨储墨盒
(7)支撑储墨盒
(8)印刷切层
(9)输液管
(10)升降台
(11)升降运动方向
(12)成型物件
(13)运动转动轴
(14)固定转动轴
(15)透明基板
(16)升降台支架
(17)UV固化光
(18)结构壳体
(20)紫外线固化灯
(21)箭头
(22)固定柱
(23)喷墨印刷组件
[最佳实施例]
以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示：
是喷墨印刷组件如何喷涂印刷切层(8)的过程：
色墨储墨盒(6)、支撑储墨盒(7)经由输液管(9)通往多喷嘴打印头(1)，分别由打印头的支撑材料喷嘴、彩色墨料喷嘴喷涂打印印刷切层(8)。
多喷嘴打印头(1)的水平面位移是通过，固定转动固定转动轴(14)与运动转动轴(13)协调生成；各转轴是由常规电机驱动(未画出)。
箭头(21)所指的是下移(避开遮挡)后的透明基板(15)，可以清晰的看见印刷切层(8)，由喷墨头喷射出UV墨水(紫外光固化)，墨层的厚度可以选择，厚度为几微米---几十微米不等。
由于透明基板(15)是连续的整体平面构造，任何复杂的图形都易于生成一层薄薄的墨水油膜。
如图2所示：
升降台支架(16)承载着Z轴电机(4)、丝杠(2)、导向柱体(3)，约束着升降台(10)垂直移动。其它基本构造为：Z轴电机(4)带动丝杠(2)在导向柱体(3)的约束下使得升降台(10)产生垂直位移，如升降运动方向(11)所示；在完成印刷切层过程时期的喷涂印刷切层(8)时，升降台(10)被上升足够的高度，使得喷墨印刷组件(23)的2维运动的喷嘴运行在升降台(10)与透明基板(15)之间；固定柱(22)用来固定透明基板(15)，保持其静止。
图2所示的是当印刷切层过程完成后，喷墨印刷组件(23)被收回，各个喷嘴被运行出升降台(10)与透明基板(15)之间的区域，为后续的切层对位过程及转移固化过程做准备。
在随后的切层对位过程中，升降台(10)(的表面易于亲和墨料，这样在打印打底固化时就容易粘合切片)倒立状承载着成型物件(12)进行下降，直到成型物件(12)的固化截面与透明基板(15)之间的距离上等于印刷切层(8)的厚度时，成型物件(12)的固化截面将与印刷切层(8)接触，切层对位过程完成。
接着就是转移固化过程：紫外线固化灯(20)发出UV固化光(17)从下方向上透过透明基板(15)照射切层，进行光固化。
可以选择设置刮刀对透明基板的表面清理，在每一次固化的间隔中进行一次清理，去除残留的墨料。
结构壳体(18)及其它组件：如机械系统、控制系统等属于公知技术，不再复述。
Claims (5)
1.印刷转移式光固化三维彩色打印技术，所需要的必要构造包括：电子控制系统、机械运动系统、支持壳体、多喷嘴喷墨打印头：包含成型物料喷嘴及支撑材料喷嘴或仅仅使用成型物料喷嘴，每类喷嘴的喷孔数量不少于1个、成型物件升降台、透明基板、固化光源；关键部件的连接关系为：通过机械系统保持升降台与透明基板之间的改变距离的相对运动、通过机械系统保持多喷嘴喷墨打印头与透明基板之间产生可控的相对运动，多喷嘴打印头与色墨储墨盒与支撑储料盒之间是通过输液管相连或是一体化的紧凑结构；其特征就在于：本发明的三维彩色打印技术采用了印刷切层过程、切层对位过程及转移固化过程作为工作流程，详述为：印刷切层过程包括：电子控制系统及驱动多喷嘴喷墨打印头运动并在透明基板上喷涂印刷预先编辑好的物件内容的切片，该切片内容包括成型物料及支撑材料内容或仅仅成型物料内容、或仅仅支撑材料内容，透明基板的表面具有对墨料不沾的特性；切层对位过程包括：驱动升降台并与透明基板接近，并保持一个切层的距离，同时使得固化在升降台上的已成型物件的轮廓刚好对准升降台上的切片，已成型物件的轮廓也就刚好接触到升降台上的切片，直到成型物件(12)的固化截面与透明基板(15)之间的距离上等于印刷切层(8)的厚度时，成型物件(12)的固化截面将与印刷切层(8)接触，切层对位过程完成；转移固化过程包括：透明基板的非喷涂印刷切层的背面对当前印刷切层进行光固化照射，照射后切层墨水被固化并被牢牢的粘接转移到成型物件的当前切面上来了，成型物件被加高了一个切层的高度，完成了一个切层的建造过程；周而复始重复上述过程，最终完成了整个物件的打印。
2.印刷转移式光固化三维彩色打印装置，支持该3D打印装置的必要构造包括：电子控制系统、机械运动系统、支持壳体、多喷嘴喷墨打印头，包含用于生成成型物件的成型物料喷嘴及用于生成支撑的支撑材料喷嘴或仅仅使用成型物料喷嘴，每类喷嘴的喷孔数量不少于1个、成型物件升降台；关键部件的连接关系为：通过机械系统保持升降台与透明基板之间的改变距离的相对运动、通过机械系统保持多喷嘴喷墨打印头与透明基板之间产生可控的2维相对运动，多喷嘴打印头与色墨储墨盒与支撑储料盒之间是通过输液管相连或是一体化安装的紧凑结构；其特征就在于：在印刷转移式光固化三维彩色打印装置中采用了用于切片转移的透明基板及依次采用了印刷切层过程、切层对位过程及转移固化过程。
3.根据权利要求1及2印刷转移式光固化三维彩色打印技术、装置中所述的支持壳体，其特征就在于：支持壳体内部为真空环境或开放的与大气相通的环境。
4.根据权利要求1及2印刷转移式光固化三维彩色打印技术、装置中所述的转移固化过程，其特征就在于：固化光是采用均匀背光灯照射的固化方式、或着使用激光振镜来扫描切片的有效部位、或者使用LCD、DLP、LCOS等投影光阀器件来选择性的投影到切片的有效部位，完成对切层墨液的固化过程。
5.根据权利要求1及2印刷转移式光固化三维彩色打印技术、装置中所述的透明基板，其特征就在于：对透明基板的表面清理，可以是对上次固化切层构建时的微量墨料残留不进行清理，或者采用刮刀在每一次固化的间隔中进行一次清理。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US11833820B2 (en) | 2020-11-12 | 2023-12-05 | Laser Engineering & Development Itd. | Printer nozzle structure |
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