CN111409260B - 三维物体及其打印方法、打印装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种三维物体及其打印方法、打印装置，其中，方法包括：根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印；固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果，其中，所述层打印结果的支撑结构区具有孔洞。本申请提供的三维物体，浸泡在水、水性溶液、或碱性溶液等液体中时液体通过孔洞进入到支撑结构的内部，从而加快支撑结构的溶解或溶胀速率，提高支撑结构的去除效率，降低处理成本。

Description

三维物体及其打印方法、打印装置
技术领域
本发明涉及3D物体成型技术领域，尤其涉及三维物体及其打印方法、打印装置。
背景技术
三维成型技术又称为快速成型技术，或快速原型制造技术，或加式制造技术，其基本原理都是基于切片软件对3D模型进行切片，数据处理器将模型的切片数据转换成层打印数据，控制器根据层打印数据控制打印装置进行逐层打印，并叠加形成三维物体。
在打印具有悬空结构的物体时，悬空结构下方的悬空部分需要打印支撑结构，以致目标物体能被形成；在目标物体形成之后，支撑结构需要从目标物体上移除且不影响目标物体的表面精度；因此，支撑结构既需要具有足够的机械强度能支撑目标物体，同时还要便于从目标物体上移除。
现有支撑材料的种类根据支撑结构的移除方式可分为：机械力移除的支撑材料、水溶性支撑材料、水溶胀支撑材料和碱溶性支撑材料等；其中，机械力移除的支撑材料在支撑结构移除过程中，由于机械力的撞击作用可能损坏目标物体，且细小孔洞结构中的支撑结构难以去除；其中，水溶性支撑材料和水溶胀支撑材料分别在水中的溶解和溶胀速率慢，尤其在支撑结构体积大时支撑结构的去除速率慢；其中，碱溶性支撑材料在支撑结构去除过程中，随着时间的延长，碱溶性支撑材料很快达到饱和，支撑结构的去除速率减慢，因此需要经常更换碱溶液。可见，现有的支撑结构的去除效率低，处理成本高。
发明内容
本发明实施例提供一种三维物体及其打印方法、打印装置，能够提高支撑结构的去除效率，降低处理成本。
第一方面，本发明实施例提供一种三维物体的打印方法，所述方法包括：
根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印；固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果，其中，所述层打印结果的支撑结构区具有孔洞。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述支撑材料包括热膨胀微球。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述热膨胀微球包括壳体及收容于所述壳体内的工作介质，所述壳体具有弹性，所述工作介质在受热后体积膨胀。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述壳体的材质为热塑性弹性体。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述工作介质受热后由固态或液态转化为气态。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，在所述根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印之前，所述方法还包括：对所述支撑材料进行加热，或对所述实体材料和所述支撑材料进行加热。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述加热的温度等于或高于所述工作介质由固态或液态转化为气态的温度，且低于所述壳体膨胀至最大体积时的温度。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述热膨胀微球占所述支撑材料总重量的 1％～6％。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述热膨胀微球的直径为100nm～50μm。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述热膨胀微球分散在所述支撑材料中。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述支撑材料为光固化材料、相变蜡材料或水凝胶材料中的至少一种。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述光固化材料包括热膨胀微球、光固化主体材料、不可固化的水混溶性材料、光引发剂和助剂。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述光固化主体材料为(甲基)丙烯酸酯类化合物和/或(甲基)丙烯酰胺类化合物，所述水混溶性材料为多元醇，所述助剂包括表面活性剂、阻聚剂、分散剂和着色剂中至少一种。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，在所述根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印之前，所述方法还包括：将待打印物体的数字模型进行切片处理，得到多个切片层及切片层图像数据；根据所述切片层图像数据生成切片层打印数据，所述切片层打印数据包括在所述支撑结构区内的每个体素是否需要进行喷墨打印的数据。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，所述利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印，包括：利用至少一种支撑材料在支撑结构区内的每个体素进行喷墨打印，其中，至少部分体素喷射所述支撑材料。
结合第一方面，在一种可行的实施方式中，在所述固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果之后，所述方法还包括：
基于待打印三维物体的打印数据进行逐层打印并将所述层打印结果叠加，形成三维物体，其中，所述三维物体包括实体结构及支撑结构；通过溶解或溶胀的方式移除所述支撑结构，得到所述三维物体的实体结构。
第二方面，本发明实施例还提供一种三维物体的打印装置，所述打印装置包括：
喷射机构，用于将打印材料喷射至支撑平台上，以形成材料层，其中，所述打印材料包括实体材料和/或支撑材料；
固化机构，用于对所述材料层进行固化处理，形成层打印结果；
控制器，用于使用上述的三维物体的打印方法控制所述喷射机构及所述固化机构进行逐层打印并将所述层打印结果叠加，形成三维物体，其中，所述三维物体包括实体结构及具有孔洞的支撑结构。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述打印装置还包括：
校平机构，用于对未固化处理的所述材料层进行校平；
升降机构，用于驱动所述支撑平台下降指定层厚的距离，或驱动所述喷射机构上升指定层厚的距离。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述打印装置还包括：
加热机构，用于加热所述支撑材料，或加热所述支撑材料和所述实体材料。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述打印装置还包括：
冷却机构，用于冷却所述三维物体，以加快所述三维物体的支撑结构形成所述孔洞。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述实体材料和所述支撑材料中的至少一种为光固化材料，所述固化机构为光固化机构。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述光固化机构为紫外光灯、电磁辐射仪、红外辐射仪、可见光灯、氙灯、汞灯中至少一种。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述实体材料和所述支撑材料中的至少一种为相变蜡材料或水凝胶材料，所述固化机构为冷却装置。
结合第二方面，在一种可行的实施方式中，所述冷却装置为风扇或制冷器。
第三方面，本发明实施例还提供一种三维物体，所述三维物体根据上述的三维物体的打印方法打印形成，所述三维物体包括实体结构及支撑结构，所述支撑结构具有多个孔洞。
本申请提供的三维物体及其打印方法，在固化过程中支撑结构区形成孔洞，使得支撑结构浸泡在水、水性溶液、或碱性溶液等液体中时液体通过形成的孔洞进入到支撑结构的内部，从而加快支撑结构的溶解或溶胀速率，加快支撑结构的去除速率，提高三维物体的后处理效率，降低三维物体的后处理成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种三维物体打印装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种三维物体打印装置的部分结构正投影示意图；
图3为本申请实施例提供的三维物体喷墨打印方法流程图；
图4为本申请实施例提供的三维物体的一切片层剖面示意图；
图5为本申请实施例提供的三维物体的一切片层图像的位图表示示意图；
图6为本申请实施例中热膨胀微球在受热前后的状态变化示意图；
图7为本申请实施例中形成的支撑结构的一横截面示意图；
图8为本申请实施例提供的另一种三维物体喷墨打印方法流程图。
具体实施例
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要说明的是，附图中标示的X-Y-Z坐标系中，支撑平台相对打印头非旋转打印方式中， X轴与打印方向平行，Y轴垂直于打印方向，且与切片层平行，即X-Y平面与切片层平行， Z轴与切片层的叠加方向平行，垂直于X-Y平面。
请参阅附图1，图1为本申请实施例提供的一种三维物体打印装置的结构示意图，图2 为本申请实施例提供的另一种三维物体打印装置的部分结构正投影示意图。
如图1所示，打印装置包括支撑平台1、喷射机构2、固化机构3、校平机构4、移动机构5、升降机构6及控制器7。在本实施例中，打印装置为喷射式三维打印机。
喷射机构2，用于将预设的打印材料喷射至支撑平台1上，以形成材料层。其中，打印材料包括实体材料和/或支撑材料。本申请中喷射机构2具有多个单通道打印头，或具有至少一个多通道打印头，或单通道打印头和多通道打印头组合使用。
固化机构3，用于对材料层进行固化处理，以形成层打印结果。本申请中的固化机构3 的选择根据喷墨打印的实体材料和支撑材料的种类进行选择。
在一种实施方式中，实体材料和支撑材料中至少一种为光固化材料(例如，光敏树脂) 时，固化机构3为光固化机构，具体地，光固化机构可以是紫外光灯、电磁辐射仪、红外辐射仪、可见光灯、氙灯、汞灯等。需要说明的是，紫外光固化技术是指在特殊配方的体系(称为光固化体系)中加入光引发剂，经过吸收紫外光固化机构中产生的高强度紫外光后，产生活性自由基或阳离子，从而引发聚合、交联和接枝反应，使实体材料和/或支撑材料在一定时间内由液态转化为固态的技术。
在其他实施方式中，实体材料和所述支撑材料中的至少一种为相变蜡材料或水凝胶材料，固化机构3为冷却装置，具体可以是风扇、制冷器等。
校平机构4，用于对未固化处理的材料层进行校平，提高三维物体的成型精度。在本实施例中，校平机构4为校平棍。
移动机构5包括导轨及安装于导轨上的字车(图未示)，喷射机构2、固化机构3及校平机构4安装于字车上，且能够沿导轨在X方向移动。
升降机构6用于改变支撑平台1与喷射机构2之间的相对距离。具体的，在喷墨打印过程中所述升降机构可以用来驱动打印头在Z方向进行移动从而来改变支撑平台1和打印头2 之间的Z向相对距离，或者，在喷墨打印过程中所述升降机构可以用来驱动支撑平台1在-Z 方向进行移动从而来改变支撑平台1和打印头2之间的Z向相对距离，即，升降机构6用于驱动支撑平台1下降指定层厚的距离，或驱动喷射机构2上升指定层厚的距离。
控制器7，用于控制支撑平台1、喷射机构2、校平机构4、移动机构5及升降机构6。
本申请实施例中以升降机构6驱动支撑平台1为例来对三维物体打印过程进行描述。如图1所示，升降机构6支撑所述支撑平台1，控制器7与升降机构6信号连接，具体地，在喷墨打印过程中控制器7控制所述升降机构6驱动所述支撑平台1下降指定层厚的距离。
本申请实施例中打印装置的支撑平台1和打印头2在水平方向保持相对运动，具体如图 1所示，打印头2相对支撑平台1在水平方向做线性运动，如支撑平台1在水平方向固定，打印头2在X方向做扫描运动执行喷墨打印，在Y方向进行步进不执行喷墨打印；或者如图 2本申请另一种三维物体打印装置的部分结构正投影示意图所示，打印头2相对支撑平台1 在水平方向做圆周运动，具体的，打印头2在径向方向沿着导轨做往复移动，支撑平台1做匀速圆周运动。
在图2所示的另一种三维物体打印装置的部分结构正投影示意图中，移动机构5包括导轨及安装于导轨上的字车(图未示)，喷射机构2安装于字车上，且能够沿导轨在径向方向移动，固化机构3固定安装在导轨上，校平机构4可旋转的安装在导轨上，固化机构3与打印头2在径向方向相对设置，校平机构4设置在位于打印头2和固化机构3之间的另一径向方向。在一种实施方式中，校平机构4为校平棍。为了提高校平棍4的校平精度，图1中所示的校平棍4为圆柱体形，图2中所示的校平棍4为圆台形或圆锥形，且靠近支撑平台1圆心越近其外周直径越小。
进一步地，打印装置还包括材料储存容器8，通过导管9与喷射机构2连接，用于给打印头提供实体材料和支撑材料。
打印装置还包括加热机构11，加热机构11用于给材料储存容器8中的实体材料和/或支撑材料进行加热；加热机构11可以置于材料储存容器8的内部，用于直接给所述实体材料和 /或支撑材料加热，例如具有蛇形加热管的加热罐。加热机构11还可以置于材料储存容器8 的外侧，通过给材料储存容器8加热，加热后的材料储存容器8将热量传递给内部储存的实体材料和/或支撑材料，从而实现对实体材料和/或支撑材料加热的目的。加热机构11还可以设置于导管9上，或者与导管9设计为一体，通过导管9对经导管输送的打印材料进行加热。
在本申请的一个具体实施例中，进一步地，打印装置还包括冷却机构12，如图1中所示的冷却机构12，用于冷却打印形成的三维物体，例如通过冷却机构12降低成型室13中的环境温度，加快支撑结构的冷却速率；所述冷却机构12的种类选自上述冷却装置中的至少一种，例如风扇、空调、制冷器等。
本申请的打印装置还包括数据处理装置10，用于将待打印物体的数字模型进行切片处理，得到多个切片层及切片层图像数据；根据所述切片层图像数据生成切片层打印数据，并将打印数据传送给控制器7。数据处理装置10例如切片软件，在切片过程中，切片软件对三维物体的数字模型在Z方向进行切片分层，得到多个切片层及层图像数据。
可以理解地，在打印过程中，控制器7基于打印数据控制移动机构5在水平方向上移动喷射机构2，并控制喷射机构2喷射打印材料到支撑平台1上形成材料层，并控制校平机构4 对还未固化的材料层进行校平，以保证材料层的尺寸精度，控制固化机构3对材料层进行固化以形成层打印结果。控制器7控制升降机构6在竖直方向上移动，并控制所述喷射机构2、校平机构4及固化机构3重复上述步骤进行逐层打印并将所述层打印结果叠加，形成三维物体。
本申请中待打印三维物体的形状不做限制，本申请具体实施例中以打印图1中所示的三维物体20为例来对本申请的三维物体打印方法进行清楚的描述。三维物体20包括实体结构 21和支撑结构22，其中实体结构21是目标需求物体，目标需求物体可以是单一实体材料的物体，也可以是包括多种不同种类实体材料的物体，具体实体材料的种类由实体结构自身性质决定。其中，支撑结构22在目标需求物体打印过程中起到支撑和/或包裹目标需求物体的作用，提高目标需求物体的打印精度，在目标需求物体打印完成后支撑结构22需要从目标需求物体周围移除。
图3为本申请实施例提供的三维物体的打印方法的流程示意图，如图3所示，方法包括：
步骤S01，根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印；
步骤S02，固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果，其中，所述层打印结果的支撑结构区具有孔洞。
在本方案中，在固化过程中支撑结构区形成孔洞，使得支撑结构浸泡在水、水性溶液、或碱性溶液等液体中时液体通过形成的孔洞进入到支撑结构的内部，从而加快支撑结构的溶解或溶胀速率，加快支撑结构的去除速率，提高三维物体的后处理效率，降低三维物体的后处理成本。
进一步地，在步骤S01之前，所述方法还包括：
将待打印物体的数字模型进行切片处理，得到多个切片层及切片层图像数据；
根据所述切片层图像数据生成切片层打印数据，所述切片层打印数据包括在所述支撑结构区内的每个体素是否需要进行喷墨打印的数据。
如图1所示，本申请中的三维物体20包括实体结构21和支撑结构22。图4为本申请实施例提供的三维物体的一切片层剖面示意图；图5为本申请实施例提供的三维物体的一切片层图像的位图表示示意图；如图4和图5所示，三维物体20的一切片层包括层实体结构LM20和层支撑结构LZ20。
切片层的位图图像是点阵图像，包括需要进行喷墨打印的像素点(三维成型中也叫体素)，如图5中所示，每个小方格表示一个体素，TZ20表示支撑结构区需要进行喷墨打印的体素， TM20表示实体结构区需要进行喷墨打印的体素。
在步骤S01中，所述利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印包括：
利用至少一种支撑材料在支撑结构区内的每个体素进行喷墨打印，其中，至少部分体素喷射所述支撑材料。
可以理解地，本申请中支撑结构区的每个体素中需要进行喷墨打印，且至少部分体素中喷射支撑材料，例如，根据支撑结构的支撑强度需求，可以在支撑结构区的每个体素中同时喷射支撑材料墨滴和实体材料墨滴，或者，在支撑结构区的部分体素中喷射支撑材料、部分体素中喷射实体材料，或者，在支撑结构区的每个体素中喷射支撑材料。为了简单清楚的描述本申请发明内容，本实施例中以支撑结构区的每个体素中喷射支撑材料为例来进行说明。
本实施例中固化过程可以发生在当前切片层喷墨打印完成后，或者打印头在进行喷墨打印过程中。本实施例中实体材料和支撑材料分别可以选自光敏树脂材料、相变蜡材料或水凝胶材料中的至少一种，具体种类不做限制，并且，实体结构在支撑结构移除时不会溶解在支撑结构的溶解液中。
本申请中支撑材料包括热膨胀微球，且热膨胀微球分散在支撑材料中。图6为本申请实施例提供的热膨胀微球在受热前后的状态变化示意图，所述热膨胀微球30包括壳体31及收容于所述壳体31内的工作介质32，所述壳体31具有弹性，所述工作介质32在受热后体积膨胀。
在本实施例中，工作介质32在室温下呈固态或液态。具体地，工作介质32在受热后由固态或液态转化为气态，导致壳体内部压力增大使壳体膨胀如图6 中 a所示。并且，工作介质32 还能在降温后由气态转化为固态或液体，从而使的壳体内部的压力减少，壳体收缩如图6 中 b所示。
工作介质32例如可以是固态二氧化碳等易升华的物质，或异丁烷、异戊烷等低沸点的液烃等。壳体可以是具有弹性的热塑性弹性体，如聚氨酯类热塑性弹性体(Thermoplastic polyurethanes，TPU)，聚烯烃类热塑性弹性体(Trimethylbenzoyldiphenyl Phosphine Oxide， TPO)，热塑性硫化橡胶(ThermoplasticVulcanizate，TPV)，聚酰胺类热塑性弹性体(Polyamide Thermoplastic Elastomer，PATE)等。
在一种实施例中，热膨胀微球的直径优选选自100nm-50μm。
本实施例中以支撑材料选自光敏树脂材料为例，使用紫外光灯对支撑结构区进行固化，由于紫外光灯的照射支撑材料在进行光固化过程中吸收热量，热膨胀微球受热膨胀，膨胀后的热膨胀微球在墨滴中占据的体积变大，光固化过程结束后热膨胀微球所在的支撑结构的温度降低，热膨胀微球体积缩小，在支撑结构中的热膨胀微球的外周区域形成孔洞。具体如图 7本申请实施例中形成的支撑结构的一横截面示意图所示，在支撑结构22中形成孔洞221。孔洞的直径约在20um～150um。
本实施例中形成的支撑结构中含有孔洞221，在三维物体20打印完成后，浸泡在水、水性溶液、或碱性溶液等液体中时液体通过形成的孔洞221进入到支撑结构的内部，从而加快支撑结构的溶解或溶胀速率，加快支撑结构的去除速率，提高三维物体的后处理效率，降低三维物体的后处理成本。
如图8为本申请具体实施例提供的另一种三维物体喷墨打印方法流程图所示，在上述实施例的基础上，本实施例中三维物体喷墨打印方法在上述步骤S01之前，还包括步骤S0：
S0、对支撑材料进行加热，或对实体材料和支撑材料进行加热。
本实施例中在支撑材料和/或实体材料进行喷墨打印之前先对支撑材料和/或实体材料进行加热，其加热方式可以通过加热机构来对置于材料储存容器8中的所述实体材料和/或支撑材料进行加热，也可以通过导管上设置的加热机构对经导管输送的打印材料进行加热。从而降低材料的粘度，从而降低材料传输动力，提高打印头喷墨流畅性。加热温度不高于打印头的耐热温度。本实施例中以支撑材料为光敏树脂材料为例，加热温度等于或高于所述工作介质由固态或液态转化为气态的温度，且低于所述壳体膨胀至最大体积时的温度。
进一步地，在步骤S02之后，所述方法还包括：
步骤S03，基于待打印三维物体的打印数据进行逐层打印并将所述层打印结果叠加，形成三维物体，其中，所述三维物体包括实体结构及支撑结构；
步骤S04，通过溶解或溶胀的方式移除所述支撑结构，得到所述三维物体的实体结构。
在一种实施方式中，支撑材料可以是光固化材料，打印装置中的固化机构为光固化机构。在步骤S03之后，并在步骤S04之前，所述方法还包括：
步骤S031，冷却所述三维物体，以加快所述三维物体的支撑结构形成孔洞。
在另一种实施方式中，支撑材料还可以是相变蜡材料或水凝胶材料，加热温度等于或高于所述工作介质由固态或液态转化为气态的温度，且低于所述壳体膨胀至最大体积时的温度。本实施例中可以利用风扇或制冷器对三维物体进行冷却，加快支撑结构的固化速率，在冷却固化过程中分散在支撑材料中的热膨胀微球体积缩小，在支撑结构中形成孔洞。本实施例中在支撑材料在喷射至支撑平台上进行初次固化成形后，再利用风扇或制冷器进行二次降温处理，加快支撑结构的固化速率，提高形成的孔洞的孔径。
本申请实施例还提供一种支撑材料，支撑材料包括热膨胀微球、光固化主体材料、不可固化的水混溶性材料、光引发剂和助剂。其中，热膨胀微球分散在支撑材料中。
具体地，光固化主体材料为(甲基)丙烯酸酯类化合物和/或(甲基)丙烯酰胺类化合物。
在本申请的一个具体实施例中，所述(甲基)丙烯酸酯类化合物为单官能度(甲基)丙烯酸酯类化合物和/或多官能度(甲基)丙烯酸酯类化合物。
更进一步的，所述单官能度(甲基)丙烯酸酯类化合物选自甲基丙烯酸缩水甘油酯(分子量142)，3-(丙烯酰氧基)-2-羟基丙基甲基丙烯酸酯(分子量214)，2-(甲基丙烯酰氧基)乙基3-羟基丁酸酯(分子量216)，丙烯酸羟乙酯(分子量116)，4-羟基丁基丙烯酸酯(分子量 144)，聚乙二醇(200)单丙烯酸酯(分子量450)，聚乙二醇(400)单丙烯酸酯(分子量912)，甲氧基聚乙二醇(400)单丙烯酸酯(分子量842)和甲氧基聚乙二醇(550)单丙烯酸酯(分子量620)中的一种或多种。
更进一步的，所述多官能度(甲基)丙烯酸酯类化合物选自季戊四醇四丙烯酸酯(分子量352)，季戊四醇三丙烯酸酯(分子量298)，聚乙二醇(200)二丙烯酸酯(分子量336)，聚乙二醇(400)二丙烯酸酯(分子量508)和聚乙二醇(600)二丙烯酸酯(分子量708)中的一种或多种。
进一步的，所述(甲基)丙烯酰胺类化合物选自丙烯酰吗啉(分子量141)，二甲基丙烯酰胺(分子量99)，二乙基丙烯酰胺(分子量127)，二甲氨基丙基丙烯酰胺(分子量156) 和羟乙基丙烯酰胺(分子量115)中的一种或多种。
在本申请的一个具体实施例中，基于所述支撑材料的总重量，所述光固化主体材料中分子量大于或等于300的化合物占比15～30重量份，以及光固化主体材料中分子量大于50且小于277的化合物的占比3～6重量份。需要说明的是，化合物可以是(甲基)丙烯酸酯类化合物和/或(甲基)丙烯酰胺类化合物。在本申请的方案中，通过控制上述光固化主体材料中不同分子量范围的化合物的比例，使得所述支撑材料的光固化产物在碱性或水或水性溶液中的溶解性更好。
进一步的，基于所述支撑材料的总重量，所述光固化主体材料中多官能度(甲基)丙烯酸酯类化合物占0～4重量份。
在本申请的另一个具体实施例中，所述光固化主体材料选自分子量大于或等于300的(甲基)丙烯酸酯类化合物、(甲基)丙烯酰胺类化合物中的至少一种，同时选自分子量大于50 且小于277的(甲基)丙烯酸酯类化合物、(甲基)丙烯酰胺类化合物中的至少一种。
在本申请支撑材料中，所述不可固化的水混溶性材料为多元醇。
在所述支撑材料的光固化反应过程中，该不可固化的水混溶性材料被渗透到光固化反应形成的网状结构中，使得由所述支撑材料经光固化形成的产物在水或碱性溶液中的溶解速率进一步提高。“水混溶性材料”本身为液态，并且其至少部分可溶于水或分散于水，进一步例如与水接触(例如混合)时至少50％的分子可溶解于水中。
进一步的，所述多元醇可以是选自多元醇3165、多元醇3610、EO/THF共聚物、聚丙二醇、聚丙三醇、1,2-丙二醇、三丙二醇单甲醚、二丙二醇单甲醚、三乙二醇二甲醚、聚乙二醇单甲醚(400)、聚乙二醇(400)和聚乙二醇(200)中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述光引发剂为自由基光引发剂。
进一步的，所述自由基光引发剂可以是选自安息香乙醚、安息香α，α-二甲基苯偶酰缩酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、2-羟基-2甲基-苯基丙酮-1、1-羟基-环己基苯甲酮、2-异丙基硫杂蒽酮、2-羟基-2-甲基-对羟乙基醚基苯基丙酮-1、2-甲基-1-[4-甲硫基苯基]-2-吗琳基-1-丙酮、 [2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮-1]、苯甲酰甲酸酯、2,4,6-三甲基苯基酰基-乙氧基 -苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯基酰基-二苯基氧化膦、双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦和 4-对甲苯巯基二苯甲酮中的一种或多种。
进一步的，所述助剂选自表面活性剂、阻聚剂、分散剂和着色剂中至少一种。
本申请支撑材料中添加的表面活性剂在水或水性溶液中具有一定的溶解性，其主要作用是调整组合物的表面张力使其能够正常打印，同时提高组合物的流动性以及对基材的润湿性能。添加阻聚剂主要作用是阻止组合物中的自由基发生聚合反应，提高组合物的贮存稳定性，阻聚剂优选既能提高存储稳定性，又对组合物发生光固化反应没有影响的产品。添加分散剂主要作用是阻止热膨胀微球沉降，使其能均匀稳定的分散在支撑材料组合物中。
更进一步的，所述表面活性剂选自聚醚改性硅氧烷和非硅类聚醚中的至少一种。所述聚醚改性硅氧烷例如可以是市面上销售的各种聚醚改性硅氧烷类表面活性剂，例如可以是BYK 公司的商品名为BYK345、BYK346、BYK333等中的至少一种，可以是迪高公司的商品名为 TEGO wet 270、TEGO Glide 450等中的至少一种，可以是AFCONA公司的商品名为AFCONA-3580、AFCONA-3585、AFCONA-3587、AFCONA-3588等中的至少一种。所述非硅类聚醚可以是市面上销售的各种非硅类聚醚表面活性剂，例如可以是BYK公司的商品名为BYK800D等中的至少一种，可以是迪高公司的商品名为TEGO WET 500、TEGO Airex 920、 TEGOAirex 921等中的至少一种，可以是AFCONA公司的商品名为AFCONA-3500、 AFCONA-3590等中的至少一种。
更进一步的，所述阻聚剂可以是瑞昂的商品名为GENORAD*16、GENORAD*18、GENORAD*20、GENORAD*22等中的至少一种，可以是巴斯夫的商品名为Tinuvin234、Tinuvin770、Irganox245、氰特S100、氰特130等中的至少一种，可以是汽巴的商品名为Irgastab UV10、Irgastab UV 22D等中的至少一种，可以是美国阿玛瑞科的MEHQ等中的至少一种，可以是上海波尔化学试剂有限公司的510阻聚剂等。
更进一步地，所述分散剂可以是迪高公司的商品名为TEGO Dispers 685，TEGO-715W 等中的至少一种；可以是BYK公司的商品名为BYK-DISPERSANT-2013*，DISPERBYK-2030， BYKJET-9150等中的至少一种；可以是埃夫卡公司的商品名为EFKA-4009，EFKA4585等中的至少一种。
着色剂选自自分散型纳米级颜料色浆，具体为自分散型纳米级无机颜料色浆或自分散型纳米级有机颜料色浆，其中自分散型纳米级无机颜料色浆可以是白色颜料色浆具体有二氧化钛、氧化锌、锌钡白、铅白等，可以是黑色颜料色浆具体有炭黑、石墨、氧化铁黑、苯胺黑，炭黑等；自分散型纳米级有机颜料色浆可以是彩色颜料色浆具体有金光红(PR21)、立索尔大红(PR49：1)、颜料红G(PR37)、颜料红171(PR171)、耐晒黄G(PY1)、汉沙黄R(PY10)、永固黄GR(PY13)、颜料黄129(PY129)、颜料黄150(PY150)、颜料黄185(PY185)、酞菁蓝(PB15)、靛蒽酮(PB60)等。
更进一步地，本申请的支撑材料中，以各组分总重量100％计，包括：热膨胀微球1-6％重量份，光固化主体材料18～40％，不可固化的水混溶性材料48～78％，光引发剂1～5％，助剂0.4～5％。
本申请中列举的支撑材料以及对比例的实例如下表1所示：
Figure BDA0002425710590000121
Figure BDA0002425710590000131
本申请实施例还提供一种三维物体，根据上述的三维物体的打印方法打印形成，所述三维物体包括实体结构及支撑结构，所述支撑结构具有多个孔洞。
将本实施例打印的三维物体浸泡在水、水性溶液、或碱性溶液等液体中时液体通过形成的孔洞进入到支撑结构的内部，从而加快支撑结构的溶解或溶胀速率，加快支撑结构的去除速率，提高三维物体的后处理效率，降低三维物体的后处理成本。
使用赛纳J501打印机及本申请中列举的支撑材料和对比例中的支撑材料，根据本申请实施例中的三维物体打印方法打印得到20mm*20mm*20mm测试块，打印完成后放置于室温下自然冷却，之后将测试块置于碱性溶液中进行溶解，碱性溶液是2％NaOH水溶液，记录溶解时间，测试结果如表2所示。
表2.测试块的溶解测试结果
Figure BDA0002425710590000132
通过上述实验可知，成型材料组合物在具有相同组分的前提下(如实施例1和对比例1 的比较，实施例2和对比例2的比较)，添加热膨胀微球与不添加热膨胀微球的组合物相比，添加热膨胀微球的支撑材料打印形成了具有孔洞的支撑结构，在浸泡在碱性溶液中，溶解速率快于没有孔洞的支撑结构。
在另一种实施方式中，支撑材料包括热膨胀微球、相变蜡和助剂，在此不再举例说明。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (13)

1.一种三维物体的打印方法，其特征在于，所述方法包括：
根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区内的每个体素进行喷墨打印，其中，至少部分体素喷射所述支撑材料，所述支撑材料包括热膨胀微球，所述热膨胀微球分散在所述支撑材料中；
固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果，其中，所述层打印结果的支撑结构区具有孔洞。
2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述热膨胀微球包括壳体及收容于所述壳体内的工作介质，所述壳体具有弹性，所述工作介质在受热后体积膨胀。
3.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，所述壳体的材质为热塑性弹性体。
4.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，所述工作介质受热后由固态或液态转化为气态。
5.根据权利要求2所述的打印方法，其特征在于，在所述根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印之前，所述方法还包括：
对所述支撑材料进行加热，或对所述实体材料和所述支撑材料进行加热。
6.根据权利要求5所述的打印方法，其特征在于，所述加热的温度等于或高于所述工作介质由固态或液态转化为气态的温度，且低于所述壳体膨胀至最大体积时的温度。
7.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述热膨胀微球占所述支撑材料总重量的1%~6%。
8.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述热膨胀微球的直径为100nm~50μm。
9.根据权利要求1~8任一项所述的打印方法，其特征在于，所述支撑材料为光固化材料、相变蜡材料或水凝胶材料中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的打印方法，其特征在于，所述光固化材料包括热膨胀微球、光固化主体材料、不可固化的水混溶性材料、光引发剂和助剂。
11.根据权利要求10所述的打印方法，其特征在于，所述光固化主体材料为（甲基）丙烯酸酯类化合物和/或（甲基）丙烯酰胺类化合物，所述水混溶性材料为多元醇，所述助剂包括表面活性剂、阻聚剂、分散剂和着色剂中至少一种。
12.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，在所述根据切片层打印数据利用至少一种实体材料在实体结构区进行打印，并利用至少一种支撑材料在支撑结构区进行打印之前，所述方法还包括：
将待打印物体的数字模型进行切片处理，得到多个切片层及切片层图像数据；
根据所述切片层图像数据生成切片层打印数据，所述切片层打印数据包括在所述支撑结构区内的每个体素是否需要进行喷墨打印的数据。
13.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，在所述固化至少部分所述实体结构区的实体材料和所述支撑结构区的支撑材料，形成层打印结果之后，所述方法还包括：
基于待打印三维物体的打印数据进行逐层打印并将所述层打印结果叠加，形成三维物体，其中，所述三维物体包括实体结构及支撑结构；
通过溶解或溶胀的方式移除所述支撑结构，得到所述三维物体的实体结构。
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