CN112339265A - 一种用于光敏树脂的3d打印机系统及利用其的3d打印方法 - Google Patents

一种用于光敏树脂的3d打印机系统及利用其的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光敏树脂的3D打印机系统及利用其的3D打印方法，所述3D打印机系统包括：点光源发射装置；光路装置，其位于所述点光源发射装置的光路下游；透明材料制作的光敏树脂料槽，其位于所述光路装置的光路下游；点光源位移装置，其机械设置于所述点光源发射装置；光路位移装置，其机械设置于所述光路装置；光敏树脂料槽位移装置，其机械设置于所述光敏树脂料槽，所述光路装置包括一个半透镜，两个反射镜，所述半透镜位于所述两个反射镜之间，三者平行设置并相对于所述水平面成45度角。本发明实现了立体光固化，消除了现有技术中必须移动打印中的产品、而导致光敏树脂溶液被扰动、使得其上下层之间的纵向分辨率远低于横向分辨率的不足。

Description

一种用于光敏树脂的3D打印机系统及利用其的3D打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种用于光敏树脂的3D打印机系统及利用其的3D打印方法。
背景技术
利用光敏树脂作为原材料，通过光固化的方法进行3D打印，是诸多3D打印技术中最被关注的方法之一。光敏树脂光固化3D打印，不需要原材料加热、不需要粉体原材料，在室温下就实现3D打印成型，没有高温导致的热环境危险及其导致的其它污染，也没有粉体原材料所需要的封闭空间、粉体过程中产生的粉尘污染等问题，尤其是，因为可以将光斑压缩到一个波长内，原理上，光敏树脂3D打印可以实现亚微米级精度的3D打印，兼以室温、常压下可以完成这一温和的制备环境，是任何其它3D打印方法难以比拟的，在新材料设计、制造，在超材料、微结构、微功能器件等领域具有无限应用前景。
当前的光敏树脂光固化3D打印方法，有面投影3D打印(如DLP)，可以一次实现整个一个面的打印，实现了远超其它方法的打印速度，但是需要复杂的光学系统，以及光学系统带来的图像、进而成型畸变等问题；更广泛应用的是光斑点扫描3D打印系统，其打印过程与已有打印方法兼容，这样装置的制造、打印软件与工艺的开发等，相对更快捷容易，尤其是，点扫描所采用的光敏树脂原材料，与面投影3D打印所使用的光敏树脂原材料相比，价格低得多，这样用户的认可接受度高得多。
但是无论点扫描还是面投影3D打印，其打印过程中，固化点总是位于光敏树脂溶液的表面，或者是沉降法的上表面、或者是提拉法的下表面，表面液态光敏树脂被固化后，移动固化成型的产品，使得固化产品的表面再次被液态光敏树脂覆盖，继而开始下一层的光固化过程；在这一过程中，因为必然存在液态光敏树脂的流动位移，以及巨大的表面张力等，覆盖的光敏树脂溶液厚度，一般至少在50微米以上，这样，纵向的光敏树脂3D打印，其分辨率将不超过50微米，严重制约了光敏树脂3D打印技术固有的高分辨率，(如前所述，横向的光敏树脂3D打印分辨率，最高可达亚微米级)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于光敏树脂的3D打印机系统及利用其的3D打印方法，从而消除了现有技术中必须移动打印中的产品、而导致光敏树脂溶液被扰动、使得其上下层之间的纵向分辨率远低于横向分辨率的不足。
为解决上述问题，本发明提供了一种用于光敏树脂的3D打印机系统，所述3D打印机系统包括：
点光源发射装置；
光路装置，其位于所述点光源发射装置的光路下游；
透明材料制作的光敏树脂料槽，其位于所述光路装置的光路下游；
点光源位移装置，其机械设置于所述点光源发射装置；
光路位移装置，其机械设置于所述光路装置；
光敏树脂料槽位移装置，其机械设置于所述光敏树脂料槽，其中，
所述光路装置包括一个半透镜，两个反射镜，所述半透镜位于所述两个反射镜之间，三者平行设置并相对于所述水平面成45度角；所述半透镜具有50％的反射率和50％的透射率，所述半透镜将所述点光源发射装置发射出的激光均分成两束互相垂直的、光强度相等的激光，随后所述两个反射镜分别将所述两束互相垂直的、光强度相等的激光反射至所述光敏树脂料槽，汇聚至同一个光固化点。
优选地，所述点光源发射装置是激光平行光管，用于输出平行光。
优选地，所述点光源发射装置还包括聚光透镜，其设置于所述激光平行光管的光路下游，用于将所述点光源发射装置发射出的激光汇聚。
优选地，所述点光源发射装置还包括输出光强度调节镜，其设置于所述激光平行光管和所述聚光透镜之间，用于调节所述点光源发射装置发射出的激光强度。
优选地，所述两个反射镜具有相同的反射率。
优选地，所述反射率是100％。
优选地，通过控制所述点光源位移装置，所述光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移。
优选地，所述透明材料的折射系数和所述光敏树脂的折射系数相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用本发明的第一方面所述的系统进行3D打印的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
a、检查3D打印机系统各组成部分正常，光敏树脂料槽中的光敏树脂完成注入并已经处于静止状态；
d、启动3D打印软件，所述3D打印机系统开始以激光光斑的形式输出打印点，所述激光光斑通过光路装置中的半透镜输出为两路激光，所述两路激光分别由两个反射镜反射后，在光敏树脂料槽汇聚，形成一个光固化点；
e、完成一个光固化点后，根据3D打印软件指令，改变激光的光路，启动点光源位移装置，光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移，将光固化点移动到下一个指定位置并完成相应的光固化，依次反复，在完全静止的光敏树脂料槽内形成最终的3D打印产品；
d、3D打印完成后，关闭所述3D打印机系统，从所述光敏树脂料槽中取出所述的3D打印产品，完成3D打印。
本发明相对现有技术的有益效果在于：利用本发明实现了不需要打印基板，在光敏树脂料槽内任意一点进行光固化，获得立体光固化的3D打印产品；消除了现有技术中必须移动打印中的产品、而导致光敏树脂溶液被扰动、使得其上下层之间的纵向分辨率远低于横向分辨率的不足，使得3D打印产品的精度可以保持在光斑尺度(如2微米)之内。
附图说明
图1是本发明的用于光敏树脂的3D打印机系统的结构示意图。
附图标号：
1.点光源发射装置；2.输出光强度调节镜；3.聚光透镜；4.半透镜；5.反射镜；6.反射镜；7.光敏树脂料槽。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和此外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
如图1所示，显示了本发明的用于光敏树脂的3D打印机系统的结构示意图。所述3D打印机系统包括：
点光源发射装置；
光路装置，其位于所述点光源发射装置的光路下游；
透明材料制作的光敏树脂料槽7，其位于所述光路装置的光路下游；
点光源位移装置(图中未示出)，其机械设置于所述点光源发射装置；
光路位移装置(图中未示出)，其机械设置于所述光路装置；
光敏树脂料槽位移装置(图中未示出)，其机械设置于所述光敏树脂料槽7，其中，
所述光路装置包括一个半透镜4，两个反射镜5和6，所述半透镜4位于所述两个反射镜5和6之间，三者平行设置并相对于所述水平面成45度角；所述半透镜4具有50％的反射率和50％的透射率，所述半透镜4将所述点光源发射装置发射出的激光均分成两束互相垂直的、光强度相等的激光A和B，随后所述两个反射镜5和6分别将所述两束互相垂直的、光强度相等的激光A和B反射至所述光敏树脂料槽7，汇聚至同一个光固化点。
优选地，所述点光源发射装置是激光平行光管1，用于输出平行光。
优选地，所述点光源发射装置还包括聚光透镜3，其设置于所述激光平行光管1的光路下游，用于将所述点光源发射装置发射出的激光汇聚。
优选地，所述点光源发射装置还包括输出光强度调节镜2，其设置于所述激光平行光管1和所述聚光透镜3之间，用于调节所述点光源发射装置发射出的激光强度。
光路过程为：a、点光源发射装置发出的激光，经过输出光强度调节镜2，光的强度达到合适的大小，b、经过聚光透镜3，光斑达到合适的大小，c、经过半透镜4，激光分为两路A和B，一路反射到下一级的反射镜6，一路透射后入射到下一级的反射镜5，反射光和透射光的强度相等，d、反射镜5和反射镜6反射的激光A’和B’在光敏树脂料槽7汇聚，构成光固化点，e、所谓合适的光的强度，意指单独任意一束光的能量，都不足以产生光固化，只有两束共同作用于一点时，才能产生光固化。
优选地，所述两个反射镜5和6具有相同的反射率。
优选地，所述反射率是100％。
优选地，通过控制所述点光源位移装置，所述光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移。即，光斑位移方式为：a、点光源发射装置和光路装置位移，光敏树脂料槽不位移；b、点光源发射装置和光路装置不位移，光敏树脂料槽位移(光敏树脂静止)；c、光路装置中的半透镜4、反射镜5和6均为大平面尺寸，其不同点发出的光斑，可覆盖整个光敏树脂料槽7，这样的话，可以是点光源发射装置位移，而光路装置不位移。光斑是非连续输出，只有位移到打印点时，才会输出一个光斑。
优选地，所述点光源发射装置发射出的激光具有波长阈值和光通量阈值，所述波长阈值是480nm，所述光通量阈值是220Lm。所述点光源发射装置发射出的激光具有波长阈值和光通量阈值，所述波长阈值是480nm，所述光通量阈值是220Lm，当所述激光的波长大于所述波长阈值时，无论激光的光通量多大，不会导致所述光敏树脂固化；以及，当所述激光的波长小于所述波长阈值时，无论激光的光通量多大，也不会导致所述光敏树脂固化。
光敏树脂光固化存在波长阈值，波长大于阈值时，无论多强的光通量，也无法产生光固化；光敏树脂光固化存在光照强度阈值，光照强度小于阈值的光通量，无法产生光固化；导致光敏树脂光固化的光通量(光照强度)，必须是同时作用于光敏树脂，不具有加和性，即，光照强度小于阈值的光，多次作用于光敏树脂时，不会产生光固化。
优选地，所述透明材料的折射系数和所述光敏树脂的折射系数相同。
根据本发明的另一方面，提供了一种利用本发明的第一方面所述的系统进行3D打印的方法，其中，所述方法包括如下步骤：
a、检查3D打印机系统各组成部分正常，光敏树脂料槽7中的光敏树脂完成注入并已经处于静止状态；
f、启动3D打印软件，所述3D打印机系统开始以激光光斑的形式输出打印点，所述激光光斑通过光路装置中的半透镜4输出为两路激光A和B，所述两路激光A和B分别由两个反射镜5和6反射后，在光敏树脂料槽7汇聚，形成一个光固化点；
g、完成一个光固化点后，根据3D打印软件指令，改变激光的光路，启动点光源位移装置，光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移，将光固化点移动到下一个指定位置并完成相应的光固化，依次反复，在完全静止的光敏树脂料槽7内形成最终的3D打印产品；
d、3D打印完成后，关闭所述3D打印机系统，从所述光敏树脂料槽7中取出所述的3D打印产品，完成3D打印。
本发明相对现有技术的有益效果在于：利用本发明实现了不需要打印基板，在光敏树脂料槽内任意一点进行光固化，获得立体光固化的3D打印产品；消除了现有技术中必须移动打印中的产品、而导致光敏树脂溶液被扰动、在光敏树脂静态状态下，在光敏树脂料槽7内立体空间形成光敏树脂光固化3D打印成型产品，大幅度的提高了打印产品的精度，使得其上下层之间的纵向分辨率远低于横向分辨率的不足，使得3D打印产品的精度可以保持在光斑尺度(如2微米)之内。
实施例一：
激光平行光管1、输出光强度调节镜2与聚光透镜3一体化加工，形成点光源发射装置，固定在运动机构上，运动机构位移时，输出的光斑位置改变；半透镜4、反射镜5和6，为长宽3cm幅面的光学平面，组成光路装置，光敏树脂料槽7的尺寸为30x30x30cm3的立方体密闭容器，容器器壁为经过光学涂层处理的透明材料，具有与光敏树脂同样的折射系数；光路装置和光敏树脂料槽7均保持固定位置不动。
光敏树脂料槽7注满光敏树脂，该光敏树脂的特性为：产生固化的波长阈值为480nm，即大于480纳米的光无法实现光固化；在满足波长阈值的条件下，还存在光通量阈值为：产生固化的光通量为220Lm(光斑尺度内)，低于150Lm时，无法产生任何光固化。
点光源发射装置输出的光斑尺寸为3微米，光波波长为450nm，光通量为450Lm，经过光路装置，形成两束光通量均为225Lm的光斑，汇聚在光敏树脂料槽7内固定的点，该点的光敏树脂产生光固化；移动点光源发射装置，在光敏树脂料槽7内的下一个点产生光固化，在3D打印软件的指令下，顺序在光敏树脂料槽7内立体空间一个一个点产生光固化，最终形成光固化3D打印产品。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于光敏树脂的3D打印机系统，所述3D打印机系统包括：
点光源发射装置；
光路装置，其位于所述点光源发射装置的光路下游；
透明材料制作的光敏树脂料槽，其位于所述光路装置的光路下游；
点光源位移装置，其机械设置于所述点光源发射装置；
光路位移装置，其机械设置于所述光路装置；
光敏树脂料槽位移装置，其机械设置于所述光敏树脂料槽，其特征在于，
所述光路装置包括一个半透镜，两个反射镜，所述半透镜位于所述两个反射镜之间，三者平行设置并相对于所述水平面成45度角；所述半透镜具有50％的反射率和50％的透射率，所述半透镜将所述点光源发射装置发射出的激光均分成两束互相垂直的、光强度相等的激光，随后所述两个反射镜分别将所述两束互相垂直的、光强度相等的激光反射至所述光敏树脂料槽，汇聚至同一个光固化点。
2.根据权利要求1所述的3D打印机系统，其特征在于，所述点光源发射装置是激光平行光管，用于输出平行光。
3.根据权利要求2所述的3D打印机系统，其特征在于，所述点光源发射装置还包括聚光透镜，其设置于所述激光平行光管的光路下游，用于将所述点光源发射装置发射出的激光汇聚。
4.根据权利要求3所述的3D打印机系统，其特征在于，所述点光源发射装置还包括输出光强度调节镜，其设置于所述激光平行光管和所述聚光透镜之间，用于调节所述点光源发射装置发射出的激光强度。
5.根据权利要求1所述的3D打印机系统，其特征在于，所述两个反射镜具有相同的反射率。
6.根据权利要求5所述的3D打印机系统，其特征在于，所述反射率是100％。
7.根据权利要求1所述的3D打印机系统，其特征在于，通过控制所述点光源位移装置，所述光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移。
8.根据权利要求1所述的3D打印机系统，其特征在于，所述透明材料的折射系数和所述光敏树脂的折射系数相同。
9.一种利用权利要求1至8中任一项所述的3D打印机系统进行3D打印的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a、检查3D打印机系统各组成部分正常，光敏树脂料槽中的光敏树脂完成注入并已经处于静止状态；
b、启动3D打印软件，所述3D打印机系统开始以激光光斑的形式输出打印点，所述激光光斑通过光路装置中的半透镜输出为两路激光，所述两路激光分别由两个反射镜反射后，在光敏树脂料槽汇聚，形成一个光固化点；
c、完成一个光固化点后，根据3D打印软件指令，改变激光的光路，启动点光源位移装置，光路位移装置，或光敏树脂料槽位移装置中的至少一种位移装置实现激光光斑的位移，将光固化点移动到下一个指定位置并完成相应的光固化，依次反复，在完全静止的光敏树脂料槽内形成最终的3D打印产品；
d、3D打印完成后，关闭所述3D打印机系统，从所述光敏树脂料槽中取出所述的3D打印产品，完成3D打印。
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