CN111168995B - 一种膜涂层多材料光固化3d打印设备及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及提供了一种膜涂层多材料光固化3D打印设备及其使用方法，膜涂层立体光刻membrane‑coating stereolithography（MCSL），用于快速3D多材料微制造。这项新技术利用了弹性和透氧聚合物膜，例如PFA膜或PDMS，它不仅消除了传统PμSL中的自由、开放表面，从而大大提高了制造速度，而且提供了一种在打印的过程中可以快速切换材料的方法，即采用先进的涂布刮刀。通过利用专门的流体控制，即使封装了自由颗粒，也能实现任意复杂的多材料结构。为采用3D打印的方式进行多材料、高精度、大幅面样件的制备提供了方便。这种优势的结合为材料科学、细胞生物学和组织工程等新兴研究领域提供了强大而有前景的工具。

Description

一种膜涂层多材料光固化3D打印设备及其使用方法
技术领域
本申请属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种膜涂层多材料光固化3D打印设备及其使用方法。
背景技术
美国专利US 4575330 展示了一个系统，即通过紫外光固化液体光敏树脂材料，使其按顺序形成固体层，每一层都是3D模型对应位置的的横截面，逐层固化直到形成三维物体此过程也这个系统称为立体光刻。
立体光刻最初被认为是一种快速原型技术。快速原型涉及一些列的技术，常常借助CAD并以最快速的方式来创建真实大小的产品零件模型。自开发以来，立体光刻极大地帮助工程师可视化复杂的三维零件几何形状，检测原型原理图中的误差，测试关键组件，验证理论设计等，快速且成本相对较低。在这一领域寻求改进的努力一直在持续，例如，微机电系统（MEMS）领域的工作促进了微立体光刻（stereolithography，SL）的出现，它采用传统立体光刻的基本原理，但空间分辨率要高得多。
在单光子聚合和双光子聚合技术的帮助下，对上述光子的分辨率进一步增强，达到200nm以下。然而，在SL中逐点扫描树脂表面使固化由点成线、由线成面会显著拖累制造速度，并使激光驱动系统复杂化，从而导致一种新的并行技术被发明，即投影微立体光刻（PSL）。PSL技术的核心是高分辨率空间光调制器，可以是液晶显示器（LCD）面板或数字光处理（DLP）面板。尽管PSL的制造速度比传统SL更快，但PSL仍需要数十小时才能制造分辨率低于10μm的厘米级样品。此外，PSL在多材料制造方面没有显著优势，因为在PSL工艺过程中切换材料会大大降低速度。
基于流动光刻的技术被开发出来，它提供了快速制造聚合物 2D 微颗粒的方法，即通过在通有聚合物溶液的聚二甲基硅氧烷（PDMS）通道设置掩膜图像来快速制造聚合物2D 微颗粒，从而允许使用多种制造材料进行多材料打印。通过在通道中引入导轨，这些微颗粒可以组装成更复杂的 2D 结构。然而，这些技术基本上是二维制造方法。
因此，另一种方法被开发了出来，即利用PDMS膜变形来创建多层微结构，“Three-dimensional fabrication of heterogeneous microstructures using soft membranedeformation and optofluidicmaskless lithography”（软膜变形光刻三维非均匀微结构），Seung Ah Lee, Su Eun Chung, Wook Park, Sung Hoon Lee and Sunghoon Kwon,Lab Chip, 2009, 9, 1670–1675。由于膜变形有限，成型结构通常小于5层。又或者例如，虽然使用多个喷嘴直接书写3D打印方法可以实现多材料制造，但是一系列的特性限制了其速度，且受限于喷嘴流体特性其分辨率只能约为 100 微米。
现有的光固化3D打印技术要么制造幅面大但精度低，要么制造精度高但幅面小，要么支持多种材料但是制造幅面小，要么制造幅面大但是只支持一种材料，等等，总之，受限于辐射源投射精度及幅面、多材料供料并提供材料分层的技术和各材料分层残留液体清洗技术的限制，无法同时具备制造幅面大、制造精度高、支持多材料的功能，导致无法进行多材料、高精度、大幅面样件的制备，然而同时具备这些特性的样件在从生物工程到不均匀工程材料等新兴研究领域具有巨大需求空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中多材料3D 打印系统的不足，从而提供一种膜涂层多材料光固化3D打印设备及其使用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种膜涂层多材料光固化3D打印设备，包括：
光学系统，用于提供固化打印液的辐射图案并监控投影精度；
打印平台，用于产生并承载待打印物体；
离型膜，用于和所述打印平台相配合以定型待打印物体的一个层厚；
涂布刮刀，用于把不同种类的打印液均匀地涂布到离型膜和待打印物体之间，所述涂布刮刀具有能够排出打印液的孔或缝隙；所述涂布刮刀设置有向上和/或向下的风刀，以便吹掉所述离型膜或/和打印物体上残留的打印液；
液体储存和输送组件，包括打印液的储存设备和输送设备，与所述涂布刮刀连接，用于向所述涂布刮刀输送不同种类的液体；
位移驱动机构，用于控制所述打印平台、离型膜、涂布刮刀之间的相对位置；
至少有2个涂布刮刀，每个涂布刮刀容纳多种树脂，当使用多种工作树脂时，每种树脂储存在单独的储液罐中，并从储液罐送到涂布刮刀，所述涂布刮刀包括一个管，该管带有开口，沿着膜或打印平台跨度方向挤出树脂，开口为涂布阵列孔或涂布狭缝，若开口为阵列孔的方式涂布，一半孔与管平面形成65°角，另一半与管平面垂直，并且它们交替布置；若开口为狭缝的方式涂布，狭缝横跨膜的曝光区域，狭缝宽度为50μm到200μm，所述涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述位移驱动机构还能够控制所述打印平台、离型膜、涂布刮刀之间的相对角度。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述位移驱动机构包括：
打印平台升降驱动机构，用于驱动所述打印平台升降；
膜对焦驱动机构，用于驱动所述离型膜移动以靠近或远离所述光学系统；
涂布位移驱动机构，用于驱动所述涂布刮刀沿所述打印平台所在平面或所述离型膜所在平面移动；
打印平台偏转驱动机构，用于驱动所述打印平台旋转以改变与所述离型膜的相对夹角。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述涂布刮刀设置有至少两个，或一个所述涂布刮刀与至少两种打印液的储存设备连接。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述离型膜连接有绷膜机构，所述绷膜机构用于固定并绷紧所述离型膜。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，还包括蓄液槽，所述蓄液槽为上端开口的容器，用于存放打印液或者其他填充液体，所述蓄液槽的上端和/或下端具有能够排出液体的排液口。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述液体储存和输送组件还包括清洗液的储存设备和输送设备。
优选地，本发明的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述液体储存和输送组件还包括：阀门、温控模块、液位传感器，所述阀门安装在每个输送设备的输送管道上，用于控制对应的储存设备是否向所述涂布刮刀输送液体，所述温控模块用于对液体加热以降低粘度，所述液位传感器实时测量打印液或者清洗液的量。
一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，包括以下步骤：
S1，离型膜所在平面对焦：调节离型膜移动，通过光学系统中的CCD观测投影图案清晰度，直到光学系统焦面与离型膜所在平面重合；
设置打印参数；
S2，涂布：根据设置的参数，并根据3D模型切片图片，控制涂布刮刀移动到打印平台和离型膜之间，逐层在打印平台上涂布对应一层的打印液，涂布对应一层的打印液完成后，涂布刮刀从打印平台和离型膜之间退出；
S3，打印：控制打印平台与离型膜以倾斜的角度靠近，并转动以逐渐与所述离型膜平行，直到新涂布的一层打印液的厚度被定型为设定的层厚后停止；光学系统投影对应一层的投影图案，进行曝光而将新涂布的一层打印液固化；控制打印平台倾斜并下降，使固化后的打印液与离型膜分离，直到打印平台与离型膜之间有足够涂布刮刀活动的间隙；
S4，控制涂布刮刀移动到打印平台与离型膜之间，控制风刀去除离型膜和已打印物体上的残留打印液；
重复S2-S4直到物体打印完成；
所述涂布刮刀至少有2个，每个涂布刮刀容纳多种树脂，当使用多种工作树脂时，每种树脂储存在单独的储液罐中，并从储液罐送到涂布刮刀，所述涂布刮刀包括一个管，该管带有开口，沿着膜或打印平台跨度方向挤出树脂，开口为涂布阵列孔或涂布狭缝，若开口为阵列孔的方式涂布，一半孔与管平面形成65°角，另一半与管平面垂直，并且它们交替布置；若开口为狭缝的方式涂布，狭缝横跨膜的曝光区域，狭缝宽度为50μm到200μm；所述涂布刮刀（4）设置有向上和/或向下的风刀，吹掉所述离型膜（3）和/或打印物体上残留的打印液，所述涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。
优选地，本发明的一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，步骤S1中，设置打印参数包括以下步骤：根据打印液的粘度，设置好输送的温度；根据每种打印液固化特性，分别设置每张切片图片的曝光强度和曝光时间；根据切片层厚及离型距离，设置好打印平台每次的下降位移和上升位移；根据倾斜离型效果和倾斜排气泡效果，设置打印平台旋转角度参数。
本发明的有益效果是：能够有效避免多材料的3D打印中打印材料混料的情况，进而实现幅面大、精度高的多材料的3D打印。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例1-4的膜涂层多材料光固化3D打印设备结构示意图；
图2是本申请实施例3的涂布刮刀结构示意图；
图3是本申请实施例4的涂布刮刀结构示意图；
图4是本申请实施例1中步骤S2-S4的示意图；
图5是本申请实施例中蓄液槽的结构示意图；
图6是本申请实施例中一种打印平台结构示意图；
图7是本申请实施例中一种绷膜机构示意图；
图8申请实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备三维结构示意图。
图中的附图标记为：
1 光学系统；2 打印平台；3 离型膜；4 涂布刮刀；7 蓄液槽；8 控制系统；11 投影镜头；41 上风刀；42 下风刀；43 狭缝；44 进液口；45 阵列孔；46 绷膜机构；51 涂布位移驱动机构；52 膜对焦驱动机构；53 打印平台升降驱动机构；54 打印平台偏转驱动机构；61储存设备；62 输送设备；63 阀门；64 输送管道；71 排液口；72 废液罐。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。实施例1
本实施例提供一种膜涂层多材料光固化3D打印设备，如图1、8所示，包括：
光学系统1，用于提供固化打印液的辐射图案并监控投影精度；
打印平台2，用于产生并承载待打印物体；
离型膜3，用于和所述打印平台2相配合以定型待打印物体的一个层厚；
涂布刮刀4，用于把不同种类的打印液均匀地涂布到离型膜3和待打印物体之间，所述涂布刮刀4具有能够排出打印液的孔或缝隙；所述涂布刮刀4设置有向上和/或向下的风刀，以便吹掉所述离型膜3或打印物体上残留的打印液；
液体储存和输送组件，包括打印液的储存设备61和输送设备62，与所述涂布刮刀4连接，用于向所述涂布刮刀4输送不同种类的液体；
位移驱动机构，用于控制所述打印平台2、离型膜3、涂布刮刀4之间的相对位置。
在一个具体的实施例中，光学系统1包括具有微显示器（微显示器包括液晶显示面板或数字光处理面板。）的光引擎（反射式液晶显示器（LCOS）或 DLP 面板），和用于图像传输和监控系统的光学元件，下方设有投影镜头11。打印液，即能够进行三维打印成型的液体，本实施例中采用树脂，常温下为液体，当有辐射照射时，被照射区域被固化。树脂可以是被紫外光固化，该树脂材料可以是粒子悬浮液。打印平台2，一端连接于位移驱动机构上，确保其与膜和辐射源焦面的相对位置关系，另一端有伸出的平面部分，用于生长打印物体，其面积大小略大于打印成型范围；在竖直方向上具有一定高度，以确保可成型的高度；在一个具体实施例中，其结构如图6所示。离型膜3，离型膜3的材料相对于固化树脂的辐射透明，具有很好的离型性（离型性，即膜不得与工作树脂发生反应，最好膜是"不粘"的，以便树脂在固化过程中很容易与膜分离），当位于辐射源与树脂之间时，不影响辐射对树脂的固化性能。涂布刮刀：可以根据需要，涂布刮刀通过与膜或者打印平台相互移动，把不同种类的液态树脂均匀地涂布到膜和待打印物体之间，使其形成一个没有混料的、没有气泡的精确打印层厚。优选的，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备通常至少有 2 个涂布刮刀，每个涂布刮刀可以容纳多种树脂，通常是两种树脂。当使用多种工作树脂时，每种树脂可方便地储存在单独的储液罐中，并从储液罐送到涂布刮刀。打印液的储存设备和输送设备：有可以储存多种树脂的储液罐，且可以控制树脂的温度；且具有动力源及阀门以方便液体树脂在涂布刮刀中的切换；且具有自动清洗系统，以防止设备使用后，树脂长时间存在于管道和涂布刮刀中造成堵塞；且可以实时监测树脂或清洗液的量。进一步地，所述动力源通常为压缩空气。一种实施例中，涂布刮刀带有风刀结构，该压缩空气可以作为风刀的动力源。所述储液罐数量根据所有涂布刮刀需要提供的打印液的种类来定，一个涂布刮刀可以对应多种材料。进一步地，该打印液输送系统中设置有自动清洗系统，各树脂输送管道通过阀门控制，既可以与树脂储液罐连接进行输送树脂，也可以与清洗液储液罐连接进行管道清洗。进一步地，所述阀门通常为化工气控阀门。进一步地，所述清洗液可以是酒精、异丙醇等与光固化树脂互溶的液体。进一步地，所述储液罐装有液位传感器，实时监测液罐内的树脂和清洗液的量并给出反馈信号。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述位移驱动机构还能够控制所述打印平台2、离型膜3、涂布刮刀4之间的相对角度。具体的，所述位移驱动机构包括：
打印平台升降驱动机构53，用于驱动所述打印平台2升降；
膜对焦驱动机构52，用于驱动所述离型膜3移动以靠近或远离所述光学系统1；
涂布位移驱动机构51，用于驱动所述涂布刮刀4沿所述打印平台2所在平面或所述离型膜3所在平面移动；
打印平台偏转驱动机构54，用于驱动所述打印平台2旋转以改变与所述离型膜3的相对夹角。
以上所述的各个驱动机构，具体为各种驱动件（包括但不限于气缸、油缸、电机、直线模组）和机械传动部件（包括但不限于连杆、齿轮、传送带）。优选的，所选驱动件且具有高的重复精度，其重复精度不大于光学系统1提供的图片的像素的十分之一。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述涂布刮刀4设置有至少两个，或一个所述涂布刮刀4与至少两种打印液的储存设备连接。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述离型膜3连接有绷膜机构46，所述绷膜机构46用于固定并绷紧所述离型膜3。具体的，包含离型膜3的夹紧组件和绷紧组件，用于固定并绷紧膜，与打印平台位移台配合来定义3D打印的层厚，并提供树脂因辐射而固化的曝光反应区域。并且整个组件可以固定于某一位移机构，以确保膜和打印平台、光学系统焦面、涂布刮刀的位置关系，精确定义打印层厚。在一个实施例中，该打印设备的设计使膜和蓄液槽7在涂布刮刀静止时可移动，则膜组件固定在蓄液槽7部件上，蓄液槽7固定于树脂涂布位移台和膜对焦位移台上。或一个实施例中，当膜和树脂容器静止时，涂布刮刀可以移动，则膜组件固定在蓄液槽7部件上，蓄液槽7固定在膜对焦位移台上，涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。或另一个实施例中，只有膜在操作过程中移动，则膜组件固定在树脂涂布位移台部件上，蓄液槽7和涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，还包括蓄液槽7，所述蓄液槽7为上端开口的容器，用于存放打印液或者其他填充液体，如图5所示，所述蓄液槽7的上端和/或下端具有能够排出液体的排液口71。蓄液槽7，可以用于收集涂布刮刀排出的未固化液态树脂，以确保打印过程中，涂布层无气泡，保证打印成功率；蓄液槽7底部留有排液口71，排液口71通过管道与废液罐72连接。或在一种实施例中，采用液体填充的方式防止打印混料和涂布层排气泡，在蓄液槽7设置上部排液口71，防止蓄液槽7内因涂布刮刀持续输送液态树脂导致树脂溢出，排液口71通过管道与废液罐72连接，其高度与膜面平齐。在一个实施例中，采用高密度惰性液体填充蓄液槽7以排出膜下气泡，涂布刮刀只设置开口朝离型膜方向的涂布阵列孔（如图2）或者涂布狭缝。工作时，蓄液槽7内填充有与工作树脂不相容且密度比工作树脂大的树脂或者其他液体，比如液态金属，并确保其与离型膜的水平间距在100μm到1000μm之间。涂布刮刀在离型膜下涂布较厚的新鲜树脂层，填满膜与填充液体之间的间隙，同时排除可能的气泡，而打印物体在上升过程中表面残留的前一种树脂被填充液体和新鲜树脂冲洗掉，达到防止打印混料和涂布层气泡的效果。优选的，所述蓄液槽7上端设置有溢流口，防止因树脂持续注入，导致树脂到处溢出，溢流口高度与膜面平齐，溢流口也与废液罐72连接。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述液体储存和输送组件还包括清洗液的储存设备和输送设备。在一个具体的实施例中，如图1所示，储存设备61的左侧是4个存有树脂的储液罐，右侧是清洗液的储液罐，存有树脂的储液罐分别通过4根输送管道64连接到对应的涂布刮刀4上，清洗液的储液罐也分别通过4根输送管道64连接到对应的涂布刮刀4，每根输送管道64都带有阀门63，保证涂布刮刀4的每个用于排出树脂的出口都能被清洗干净，输送设备62与每个储液罐连接，可以采用气泵作为压力源，实现液体的输送。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，所述液体储存和输送组件还包括：阀门63、温控模块、液位传感器，所述阀门63安装在每个输送设备62的输送管道64上，用于控制对应的储存设备61是否向所述涂布刮刀4输送液体，所述温控模块用于对液体加热以降低粘度，所述液位传感器实时测量打印液或者清洗液的量。
优选地，本实施例的膜涂层多材料光固化3D打印设备，提供一种控制系统8：包含工业控制计算机，控制辐射源（光学系统）、各个驱动机构欧、涂布刮刀之间的动作流程；
本实施例提供一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1，离型膜所在平面对焦：调节离型膜3移动，通过光学系统1中的CCD观测投影图案清晰度，直到光学系统焦面与离型膜3所在平面重合；
设置打印参数；
S2，涂布：根据设置的参数，并根据3D模型切片图片，控制涂布刮刀4移动到打印平台2和离型膜3之间，逐层在打印平台2上涂布对应一层的打印液，涂布对应一层的打印液完成后，涂布刮刀4从打印平台2和离型膜3之间退出；
S3，打印：如图4所示，控制打印平台2与离型膜3以倾斜的角度靠近，并转动以逐渐与所述离型膜3平行，直到新涂布的一层打印液的厚度被定型为设定的层厚后停止；光学系统投影对应一层的投影图案，进行曝光而将新涂布的一层打印液固化；控制打印平台倾斜并下降，使固化后的打印液与离型膜分离，直到打印平台与离型膜之间有足够涂布刮刀4活动的间隙；
S4，控制涂布刮刀4移动到打印平台与离型膜之间，控制风刀去除离型膜和已打印物体上的残留打印液；
重复S2-S4直到物体打印完成。
优选地，本实施例的一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，步骤S1中，设置打印参数包括以下步骤：根据打印液的粘度，设置好输送的温度；根据每种打印液固化特性，分别设置每张切片图片的曝光强度和曝光时间；根据切片层厚及离型距离，设置好打印平台每次的下降位移和上升位移；根据倾斜离型效果和倾斜排气泡效果，设置打印平台旋转角度参数。
实施例2
本实施例提供一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，具体为一种从流体介质中产生三维物体的方法：
作为一个示例性实施例，该系统可采用：
1.在本示例性实施例中，选择405nm波段紫外光可固化的光敏树脂，该树脂材料可以是粒子悬浮液；
2.在本示例性实施例中，具有波长为 405 nm 的均匀照明场的光源，具有原生分辨率 1920X1080 的 DLP 面板，DLP 面板的每个像素尺寸约为 7.6 μm X 7.6μm ，使用光学元件，包括用于微显示器、用于CCD相机监控的分光器和把微显示图像投影到透明膜的涂层一面的投影镜头。在本示例性实施例中，这里的投影镜头的放大倍率约为6.6，每个像素的图像为50μm X50μm ，一个全尺寸曝光覆盖面积为96mm X 54mm。
3.在本示例性实施例中，使用PFA膜。例如，使用100微米厚的PFA膜获得良好效果，在装配过程中拉伸约15%，具有良好的平面度和机械性能。
4.在本示例性实施例中，使用狭缝式的、带风刀的涂布刮刀，采用倾斜平台的方式排气泡。选择2个刮刀，可以支持4种材料进行打印。
5.在本示例性实施例中，膜组件的曝光区域支持96mmx54mm幅面打印。
6.在本示例性实施例中，蓄液槽7使用底部带有泄露口的蓄液槽7。且蓄液槽7高度支持50mm的打印高度。
7.在本示例性实施例中，打印平台支持96mmx54mm幅面50mm高度的打印范围。
8.在本示例性实施例中，需要打印平台位移台、膜对焦位移台、树脂涂布位移台、打印平台偏转位移台，用于控制打印平台、膜、涂布刮刀的相对位置或角度，以保证96mm*54mm*50mm的打印范围。
打印开始前准备，确保压缩气体压力值正常，储液罐内分别加入不同树脂，检测各部件都在安全位置，调节好风刀空气压力，把待打印物体3D模型的切片文件导入到计算机，通常打印物体不同材料的部分对应不同的切片文件夹，以方便材料与打印区域一一对应，这些在打印物体建模和模型切片的时候就需要定义好。
包括以下步骤：
步骤1，打印平台对焦：调节打印平台升降驱动机构，通过光学系统中的CCD观测投影图案清晰度，直到光学系统焦面与打印平台面重合，调节打印平台旋转台，使投影焦面在打印平台面各处都与焦面重合，记下此刻打印平台位置Z焦面和偏转角度α，该位置下降一个层厚后为打印曝光时打印平台的初始位置；
步骤2，膜面对焦：调节膜对接位移台，通过光学系统中的CCD观测投影图案清晰度，直到光学系统焦面与膜面重合，记下此时膜位置Z膜面，该位置在整个打印过程中不变；
步骤3，调节涂布刮刀高度：使涂布刮刀上端风刀与膜间距约100到500微米；
步骤4，调节打印平台涂布树脂的涂布位置：调节打印平台升降驱动机构，使打印平台上表面距离涂布刮刀下端风刀（下端风刀与涂布狭缝高度一致）间距约100到500微米；记下此时打印平台位置Z涂布，该位置为涂布位置；
步骤5，设置打印参数：根据树脂的粘度，设置好输送的温度；根据每种树脂固化特性，分别设置每张切片图片的曝光强度和曝光时间；根据切片层厚及离型距离，设置好打印平台的下降位移和上升位移；根据倾斜离型效果和倾斜排气泡效果，设置打印平台旋转位移台旋转角度参数；
步骤6，首层打印：确保打印平台上表面位于涂布位置Z涂布，系统根据设置的参数，根据3D模型切片图片，涂布刮刀向打印平台涂布第一层对应的树脂，即涂布刮刀从一端开始移动，同时控制对应树脂的阀门开启，而控制风刀对应的阀门关闭，涂布刮刀开始慢慢移动并均匀的向打印平台上涂布树脂，直到涂布刮刀移动到设定位置后停止，同时关闭控制对应树脂的阀门。打印平台升降驱动机构和打印平台旋转台根据设定参数，向上运动并使打印平台以倾斜的方式与膜靠近，直到它们之间的距离为一个精确打印层厚后停止。光学系统投影对应的投影图案，根据设定的曝光强度和曝光时间进行曝光。打印平台升降驱动机构和打印平台旋转台配合作用，使打印平台倾斜并下降，使固化后的树脂与膜分离，直到打印平台运动到设定位置和旋转角度。然后，控制风刀对应的阀门开启，而控制对应树脂的阀门关闭，同时涂布刮刀移动向初始移动，使风刀去除膜和打印物体上的残留树脂，防止下一个固化打印混料。
步骤7，第二层打印：系统根据设置的参数，移动打印平台，使首层固化层的上表面位于涂布位置，根据3D模型切片图片，涂布刮刀在已成型的在打印物体上涂布第二层对应的树脂，即涂布刮刀从一端开始移动，同时控制对应树脂的阀门开启，而控制风刀对应的阀门关闭，涂布刮刀开始慢慢移动并均匀的向打印平台上涂布树脂，直到涂布刮刀移动到设定位置后停止，同时关闭控制对应树脂的阀门。打印平台升降驱动机构和打印平台旋转台根据设定参数，向上运动并使打印平台以倾斜的方式与膜靠近，直到使首层固化层的上表面和膜之间的距离为一个精确打印层厚后停止。光学系统投影对应的投影图案，根据设定的曝光强度和曝光时间进行曝光。打印平台升降驱动机构和打印平台旋转台配合作用，使打印平台倾斜并下降，使固化后的树脂与膜分离，直到打印平台运动到设定位置和旋转角度。然后，控制风刀对应的阀门开启，而控制对应树脂的阀门关闭，同时涂布刮刀移动向初始移动，使风刀去除膜和打印物体上的残留树脂，防止下一个固化打印混料。
步骤8，打印结束：如首层和第二层打印，每层打印都按照树脂涂布、形成打印层厚、曝光、吹掉残留树脂的流程进行。系统按设定的参数，逐层打印设计好的多材料物体，直至多材料物体打印完成。另外，如果连续几层打印都是同一种材料，也可以设置涂布刮刀移回初始位置时关闭风刀。打印结束后取出打印物体并进行相关后处理，启动清洗树脂输送管道和蓄液槽7程序，进行自动清洗；
打印结束后，各部件恢复到安全位置，关闭计算机，关闭动力源，处理废液。
通过辐射固化树脂来生产三维物体的过程，根据需求，不同树脂的树脂在膜、涂布刮刀、辐射源系统、位移台、树脂储存和输送系统、控制系统的相互作用下，在打印平台或打印物体之间，形成无混料、无气泡的精确打印层厚，被辐射源系统投影出来的图案固化。如此，根据材料种类设定，逐层涂布，逐层固化，最终得到设计好的三维物体结构。
实施例3
本实施例提供一种涂布刮刀4，可以均匀涂布树脂到膜上或涂布树脂到待打印物体上，本实施例的涂布刮刀如图2所示，它包括一个管，该管带有开口，用于保证沿着膜或打印平台的跨度方向可以挤出树脂。当离型膜3或者打印平台2被拉过涂布刮刀4时，开口可确保树脂被均匀的涂布。在一个具体实施例中，采用开口为阵列孔45的方式涂布，一半的孔与管平面形成65°角，而另一半与管平面垂直，并且它们交替布置。
实施例4
本实施例提供一种涂布刮刀4，通过进液口44连接打印液的输送设备，可以均匀涂布树脂到膜上或涂布树脂到待打印物体上，本实施例的涂布刮刀如图3所示，它包括一个管，该管带有开口，用于保证沿着膜或打印平台的跨度方向可以挤出树脂。本实施例中，采用开口为狭缝43的方式涂布，狭缝43横跨膜的曝光区域，狭缝43宽度选择50μm到200μm。
进一步地，可以使用涂布刮刀把光固化树脂涂布在待打印物体上，然后控制其与离型膜3之间的距离，确保在离型膜3和待打印物体之间形成一个没有混料的、没有气泡的精确打印层厚。在一个实施例中，如图3，涂布刮刀4设置有开口朝待打印物体的方向的狭缝43，并且涂布刮刀设置有朝上的上风刀41和朝下的下风刀42。该风刀结构与压力源相连接，所述压力源通常为压缩空气源，压缩空气源通过连接管与涂布刮刀上的上风刀41、下风刀42连接。朝上设置的风刀结构用于吹掉残留在离型膜3上的液态树脂，朝下设置的风刀结构用于吹掉残留在打印物体表面上的液态树脂，以防止待打印层厚中残留有前一种树脂导致打印混料。膜下设置有蓄液槽7，蓄液槽7底部设置有与废液罐72连接的排液口71，确保吹掉的残留液体不聚集在蓄液槽7，以免影响正常打印。使用涂布刮刀把树脂涂布在待打印物体上，还需要采用倾斜打印平台2的方式进行排气泡，打印平台2需要一个额外的旋转机构，确保可以带动打印平台2进行偏转。当一层曝光结束后，打印平台下降的同时，打印平台进行偏转，以方便离型；当一层曝光开始前，涂布刮刀在打印物体表面涂布树脂后，打印平台上升到快贴近膜的位置时，打印平台开始旋转动作使打印平台慢慢恢复到与膜平行的状态，并得到精确打印层厚，使打印物体待打印面从一边以变化的倾角逐渐贴合到平台上，以消除气泡。
另一种方式，使用涂布刮刀4把光固化树脂均匀地涂布在离型膜3上，蓄液槽7填充与工作树脂不混容液体，控制打印平台其与膜之间的距离，在膜和待打印物体之间形成一个没有混料的、没有气泡的精确打印层厚。在一个实施例中，采用高密度惰性液体填充蓄液槽7以排出膜下气泡，涂布刮刀只设置开口朝膜方向的涂布阵列孔（如图2）或者涂布狭缝。工作时，蓄液槽7内填充有与工作树脂不相容且密度比工作树脂大的树脂或者其他液体，比如液态金属，并确保其与膜的水平间距在100μm到1000μm之间。涂布刮刀在膜下涂布较厚的新鲜树脂层，填满膜与填充液体之间的间隙，同时排除可能的气泡，而打印物体在上升过程中表面残留的前一种树脂被填充液体和新鲜树脂冲洗掉，达到防止打印混料和涂布层气泡的效果
实施例5
本实施例提供一种辐射源系统，可以在曝光区域以图片化的方式提供可以固化树脂的辐射图案，辐射图案可以随着过程进行而快速变化。进一步地，提供图像的方式之一是采用LCOS，也称为反射式液晶显示器，在图像亮度和对比度方面，通常被认为比传统标准LCD 更有效。在电压的作用下，LCOS的每个像素都可以调节反射光束的极性。因此，在反射光束的路径中带有偏振时，透射光量由每个 LCOS 像素的电压控制。提供图形的另一种方式是采用DLP。DLP 是德州仪器（TI）于1987年首次开发的一种替代性显示技术。DLP 芯片中的每个像素不是调制反射光束的极性，而是一个单独的微镜，通过改变每个微镜的角度来倾斜反射光的方向，角度可倾斜至±10°。明亮的像素引导光线穿过镜头；但是，深色像素会引导光线远离镜头。图像的灰度是通过在不同频率的明暗状态之间切换镜面角度来控制的。DLP 面板在紫外线兼容性和更高的对比度方面优于 LCOS 面板。进一步地，光源应具有均匀的照明场，其波长与微显示器的工作波长和树脂的光吸收波段正好兼容。优选地，本文描述的大部分工作都使用了波长为 405nm 的光源，但可以使用其他波长。优选地，在本发明的许多实施例中，使用具有原生分辨率 1920X1080 的DLP面板，DLP面板的每个像素的面积约为 7.6μm X 7.6μm。这些实施例中使用的光学器件包括用于微显示器的OEM光引擎、用于CCD相机监控的分光器、投影镜头和其他附件。投影透镜用于将微显示图像投影到透明膜的树脂涂层面上，进行光聚合反应。进一步地，投影镜头的放大倍率可以选择大于0的任意数值。优选地，本实施例将投影镜头的放大倍率选择为 6.6，则每个像素的图像为 50μmX50μm。因此，对于一个全尺寸曝光，它覆盖的面积为96mm X 54mm。CCD 摄像机用于监控工作过程，有助于对膜和打印平台进行自动对焦。
实施例6
本实施例中提供一种离型膜3，使用PDMS膜。例如，使用150微米厚的PDMS膜获得良好效果，在装配过程中拉伸约10%，具有良好的平面度和机械性能。在另一个实施例中，使用PFA膜。例如，使用100微米厚的PFA膜获得良好效果，在装配过程中拉伸约15%，具有良好的平面度和机械性能。在另一个实施例中，使用聚二甲基硅氧烷膜。
综上所述的实施例中，控制系统可以控制光学（辐射源）系统、各位移机构、树脂温度、树脂种类的切换、涂布刮刀的涂布流量之间的动作流程。控制系统的软件为现有技术，不涉及软件代码的改进。
本发明提供了一种新技术，膜涂层立体光刻membrane-coatingstereolithography（MCSL），用于快速 3D 多材料微制造。这项新技术利用了弹性和透氧聚合物膜，例如PFA膜或PDMS，它不仅消除了传统PμSL中的自由、开放表面，从而大大提高了制造速度，而且提供了一种在打印的过程中可以快速切换材料的方法，即采用先进的涂布刮刀。通过利用专门的流体控制，即使封装了自由颗粒，也能实现任意复杂的多材料结构。为采用3D打印的方式进行多材料、高精度、大幅面样件的制备提供了方便。这种优势的结合为材料科学、细胞生物学和组织工程等新兴研究领域提供了强大而有前景的工具。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，包括：
光学系统（1），用于提供固化打印液的辐射图案并监控投影精度；
打印平台（2），用于产生并承载待打印物体；
离型膜（3），用于和所述打印平台（2）相配合以定型待打印物体的一个层厚；
涂布刮刀（4），用于把不同种类的打印液均匀地涂布到离型膜（3）和待打印物体之间，所述涂布刮刀（4）具有能够排出打印液的孔或缝隙；所述涂布刮刀（4）设置有向上和/或向下的风刀，以便吹掉所述离型膜（3）和/或打印物体上残留的打印液；
液体储存和输送组件，包括打印液的储存设备和输送设备，与所述涂布刮刀（4）连接，用于向所述涂布刮刀（4）输送不同种类的液体；
位移驱动机构，用于控制所述打印平台（2）、离型膜（3）、涂布刮刀（4）之间的相对位置；
至少有2个涂布刮刀，每个涂布刮刀容纳多种树脂，当使用多种工作树脂时，每种树脂储存在单独的储液罐中，并从储液罐送到涂布刮刀，所述涂布刮刀包括一个管，该管带有开口，沿着膜或打印平台跨度方向挤出树脂，开口为涂布阵列孔或涂布狭缝，若开口为阵列孔的方式涂布，一半孔与管平面形成65°角，另一半与管平面垂直，并且它们交替布置；若开口为狭缝的方式涂布，狭缝横跨膜的曝光区域，狭缝宽度为50μm到200μm，所述涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。
2.根据权利要求1所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述位移驱动机构还能够控制所述打印平台（2）、离型膜（3）、涂布刮刀（4）之间的相对角度。
3.根据权利要求2所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述位移驱动机构包括：
打印平台升降驱动机构（53），用于驱动所述打印平台（2）升降；
膜对焦驱动机构（52），用于驱动所述离型膜（3）移动以靠近或远离所述光学系统（1）；
涂布位移驱动机构（51），用于驱动所述涂布刮刀（4）沿所述打印平台（2）所在平面或所述离型膜（3）所在平面移动；
打印平台偏转驱动机构（54），用于驱动所述打印平台（2）旋转以改变与所述离型膜（3）的相对夹角。
4.根据权利要求1所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述涂布刮刀（4）设置有至少两个，或一个所述涂布刮刀（4）与至少两种打印液的储存设备（61）连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述离型膜（3）连接有绷膜机构（46），所述绷膜机构（46）用于固定并绷紧所述离型膜（3）。
6.根据权利要求1-4任一项所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，还包括蓄液槽（7），所述蓄液槽（7）为上端开口的容器，用于存放打印液或者其他填充液体，所述蓄液槽（7）的上端和/或下端具有能够排出液体的排液口（71）。
7.根据权利要求1-4任一项所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述液体储存和输送组件还包括清洗液的储存设备和输送设备。
8.根据权利要求7所述的膜涂层多材料光固化3D打印设备，其特征在于，所述液体储存和输送组件还包括：阀门（63）、温控模块、液位传感器，所述阀门安装在每个输送设备的输送管道上，用于控制对应的储存设备是否向所述涂布刮刀（4）输送液体，所述温控模块用于对液体加热以降低粘度，所述液位传感器实时测量打印液或者清洗液的量。
9.一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，离型膜所在平面对焦：调节离型膜（3）移动，通过光学系统（1）中的CCD观测投影图案清晰度，直到光学系统焦面与离型膜（3）所在平面重合；
设置打印参数；
S2，涂布：根据设置的参数，并根据3D模型切片图片，控制涂布刮刀（4）移动到打印平台（2）和离型膜（3）之间，逐层在打印平台（2）上涂布对应一层的打印液，涂布对应一层的打印液完成后，涂布刮刀（4）从打印平台（2）和离型膜（3）之间退出；
S3，打印：控制打印平台（2）与离型膜（3）以倾斜的角度靠近，并转动以逐渐与所述离型膜（3）平行，直到新涂布的一层打印液的厚度被定型为设定的层厚后停止；光学系统投影对应一层的投影图案，进行曝光而将新涂布的一层打印液固化；控制打印平台倾斜并下降，使固化后的打印液与离型膜分离，直到打印平台与离型膜之间有足够涂布刮刀（4）活动的间隙；
S4，控制涂布刮刀（4）移动到打印平台与离型膜之间，控制风刀去除离型膜和已打印物体上的残留打印液；
重复S2-S4直到物体打印完成；
所述涂布刮刀至少有2个，每个涂布刮刀容纳多种树脂，当使用多种工作树脂时，每种树脂储存在单独的储液罐中，并从储液罐送到涂布刮刀，所述涂布刮刀包括一个管，该管带有开口，沿着膜或打印平台跨度方向挤出树脂，开口为涂布阵列孔或涂布狭缝，若开口为阵列孔的方式涂布，一半孔与管平面形成65°角，另一半与管平面垂直，并且它们交替布置；若开口为狭缝的方式涂布，狭缝横跨膜的曝光区域，狭缝宽度为50μm到200μm；所述涂布刮刀（4）设置有向上和/或向下的风刀，吹掉所述离型膜（3）和/或打印物体上残留的打印液，所述涂布刮刀固定在树脂涂布位移台上。
10.根据权利要求9所述的一种膜涂层多材料光固化3D打印方法，其特征在于，步骤S1中，设置打印参数包括以下步骤：根据打印液的粘度，设置好输送的温度；根据每种打印液固化特性，分别设置每张切片图片的曝光强度和曝光时间；根据切片层厚及离型距离，设置好打印平台每次的下降位移和上升位移；根据倾斜离型效果和倾斜排气泡效果，设置打印平台旋转角度参数。
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