CN113147025A - 基于光固化树脂的工业化增材制造方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光固化树脂的工业化增材制造方法和装置。工业化增材制造方法打印头部分或全部沉浸在位置固定的树脂池液面下方，并在驱动系统的带动下，打印头做平移和/或旋转和/或升降运动，而在树脂池中曝光打印工件。本发明一改传统打印头不动而树脂池内工件运动的制造方式，而是采用工件不动，打印头根据三维模型的方式进行增材制造，这样工件是在树脂池内直接进行的，不再受到工件承托平台的限制，从而提高了增材制造的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种基于光固化树脂的工业化增材制造方法和装置。
背景技术
增材制造（AdditiveManufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
在3D打印技术面世的这几十年中，陆陆续续有不同的3D打印技术被研究出来。目前来看，3D打印技术中的SLA和DLP，被认为模型复杂性和精度方面达到较高标准的3D打印技术。其中，SLA，通常指的是立体光刻技术。DLP，通常指的是数字光处理技术。这两种3D打印技术的原理是相似的，都是通过紫外光照射光敏树脂固化成型。
但是，现有增材制造技术仍然停留在小批量或实验室水平，究其原因，就是在于其生产效率和产品量级的问题。为了解决上述问题，人们进行了一系列的研究，其中代表如下：
在2016.10.26公开的专利——一种用于光固化3D打印机的树脂池以及3D打印机201610461679.3，包括：用于容纳液态光敏树脂的池体，所述池体的至少一个侧壁为光透射壁；设置于所述池体上的横向导向元件；设置于所述池体内部的能够沿着所述导向元件横向运动的承载元件，其中，所述承载元件的承载面朝向所述光透射壁。另外，本申请还提供了采用该树脂池的光固化3D打印机。本发明提供的树脂池和3D打印机能够使得打印物体横向地成形于承载元件上且一直浸泡在液态光敏树脂中，该液态光敏树脂提供的浮力基本可以抵消打印物体的重力。因此，不必增加承载元件和传动单元的结构强度，并且能够将打印物体的尺寸由14英寸增大至20～120英寸。
在2019.5.17公开的专利——一种基于Micro LED的扫描式3D打印方法201711103976.1，。该方法包括：1 )通过计算机及控制软件控制运动部件的运动及MicroLED光源系统；2 )成型过程中，Micro LED光源系统部分浸入或全部浸入可紫外固化的树脂液中；3 )介质腔充入具有抑制反应的液体或气体抑制剂；4 )Micro LED依据电脑控制形成分切图案，对树脂层进行扫描式曝光；5 )成型层曝光结束后，Z轴方向移动成型平台或光源系统，进行下一层扫描曝光。该方法可快速、稳定的实现大幅面样件的3D打印。
在2020.11.3公开的专利——3D打印方法及3D打印系统，包括：生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列；将图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头一端透氧的膜或硬窗和树脂的交界面上；图像采集单元采集分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印；曝光打印，一层打印完毕后，调整回位，调整打印头与样品之间的上下距离为打印下一层的厚度，样品与打印头的透明窗之间的缝隙充满打印下一层所需的树脂，依次重复曝光打印，直至打印完毕，模型在树脂槽中被复制出来；上述3D打印方法及系统，采用打印头的下端的硬边缘作为涂层刮刀，拼接移动和涂层步骤同时进行，节约了时间，提高了效率。
上述新型增材制造技术中，均需依靠可伸缩的平台作为工件的载体，而在工业化应用过程中，往往需要在工件平台上承载较大体积或较大数量的工件，而可伸缩平台的承载重量和尺寸是有限的，从而导致现有的光固化增材制造技术会仍然停留在小批量制造或实验室阶段，无法满足工业生产的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产效率高的基于光固化树脂的工业化增材制造方法，其技术方案如下：
基于光固化树脂的工业化增材制造方法，打印头部分或全部沉浸在位置固定的树脂池液面下方，并在驱动系统的带动下，打印头做平移和/或旋转和/或升降运动，而在树脂池中曝光打印工件。
优选地，在打印头曝光时，向打印头内注入气体抑制剂，所述打印头的镜头下方设有封闭的介质腔，介质腔下方开口并封堵固定有可渗透膜，可渗透膜下方涂覆有PTEF材质的疏离层，疏离层的上表面预设有沿打印头移动方向和/或旋向延伸的沟槽，并且该沟槽内充满气体抑制剂；以及
在打印头运动时，减少或停止气体抑制剂的注入，使得光固化树脂从沟槽中流过。
本发明的另一目的是提供一种专用于上述工业化增材制造方法的基于光固化树脂的工业化增材制造装置，其技术方案如下：
基于光固化树脂的工业化增材制造装置，包括位置固定的树脂池，还包括用于部分或全部沉浸在树脂池的液面下方的打印头，打印头的镜头上涂覆有PTEF材质的疏离层，打印头上还连接有用于驱动其在树脂池内平移和/或旋转和/或升降运动的驱动系统。
优选地，镜头和疏离层之间设有封闭的介质腔，介质腔下方开口并封堵固定有可渗透膜，疏离层位于可渗透膜下方，疏离层的上表面预设有沿打印头移动方向和/或旋向延伸的沟槽。
优选地，沟槽前后方向延伸，沟槽的前段设有先变窄后边宽的变径段。
优选地，各沟槽的变径段相通而形成位于疏离层靠近前侧位置处的汇流喉部。
本发明的有益效果：
本发明一改传统打印头不动而树脂池内工件运动的制造方式，而是采用工件不动，打印头根据三维模型的方式进行增材制造，这样工件是在树脂池内直接进行的，不再受到工件承托平台的限制，从而提高了增材制造的工作效率。
附图说明
图1是本发明增材制造方法中打印头平面移动时的示意图；
图2是本发明增材制造方法中打印头转层移动时的示意图；
图3是本发明增材制造装置中打印头的示意图；
图4是本发明增材制造装置中打印头上沟槽示意图；
图5是本发明增材制造装置中发光体布局示意图。
具体实施方式
参见图1至图2，示出了本实施例中基于光固化树脂的工业化增材制造方法包括如下步骤：
S1，切片
生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列，图像序列中的每张图像表示3D数字模型的一层，相邻两层切片的打印起点位置相互交叉，以在切片模型中确定之字形的模型打印路线。
S2，投影
将切片模型的图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头的一端的透明窗和树脂的交界面上，并且通过在透明视窗上设置PTEF材质的疏离层，使得液体状态的光固化树脂和固化层不会和打印头之间产生黏连。
如图3至图5所示，本实施例采用的工业化增材制造装置包括位置固定的树脂池1、树脂池1内充满的光固化树脂2、用于部分或全部沉浸在树脂池1的液面下方的打印头3以及驱动打印头3主动进行平移和升降动作的驱动系统。其中，
打印头3为与树脂池1的长边或宽边等长的窄长灯带。打印头3包括镜头31及其下方固定的介质腔32，介质腔32为上下开口的套筒形，其上端开口与镜头31相通，下端开口封堵固定有可渗透膜33，可渗透膜33的下方涂覆有PTEF材质的疏离层34，疏离层34的上表面预设有沿打印头3移动方向延伸的沟槽341，沟槽341前后方向延伸，沟槽341的前段设有先变窄后边宽的变径段，各沟槽341的变径段相通而形成位于疏离层34靠近前侧位置处的汇流喉部342。
其中可渗透膜33是指对氧气、含氧气体、氨气等抑制剂具有渗透作用的组件，例如有机薄膜、多孔无机薄膜及其组合部件，其中。有机薄膜是指聚硅氧烷薄膜、氟化聚合物薄膜等，但不限于上述薄膜。多空无机薄膜是指多孔玻璃、多空金属薄板等，但不限于上述部件。
作为优选地，在整个打印头3的外表上可全部涂覆PTEF材料，乃至于在驱动系统可伸入树脂液面以下的部分全部涂覆PTEF材料，以使得该打印头3在液态的光固化树脂2内运动时，具有良好的疏离性。更甚者，可在PTEF材料层和打印头3之间设置沟槽341形式的中空夹层以及、位于PTEF材料层上的筛孔结构，其中中空夹层可与介质腔32相通，以通过向中空夹层中通入气体抑制剂的方式，保证打印头3的疏离性。
驱动系统的作用是驱动打印头3水平移动和垂直升降，所以能够实现该功能的装置均可支持该打印头3的工作。而在本实施例中，驱动系统采用如下结构：
平移驱动机构，包括位于树脂池1左右两侧的轨道，轨道的延伸方向与打印头3的长度方向空间垂直相错。两轨道之间连接有位于打印头3上方的支架，支架和轨道之间设置有受伺服电机或步进电机驱动的行走机构，该行走机构的选型可采用齿轮齿条、丝杠丝母等形式。
升降驱动机构，包括安装在所述支架上的电动推杆，电动推杆的推杆采用中空结构，其中空腔内穿过导电引线，以实现打印头3和市电之间的接通。同时，电动推杆也是在伺服电机或步进电机的驱动下，可带动打印头3在光固化树脂2中进行升降。
镜头31的上方设置有发光LED等待，该LED的灯珠311呈行错列分布。
S3，图像检测
图像采集单元采集通过分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印。
S4，曝光打印
带有光源的微显示器件用光照射投影图像，曝光产生固化层，代表投影图像在3D数字模型中相应的一层。当一次曝光结束，打印头3移至新区域，打印头3的锥端的硬边缘被用作树脂层刮刀，涂层厚度由打印头3的端部与样品顶层之间的间隙确定，由于打印头3位于树脂自由面下方1到5毫米，其后方的树脂流动并覆盖先前的裸露区域。
向打印头3内注入气体抑制剂，所述打印头3的镜头31下方设有封闭的介质腔32，介质腔32下方开口并封堵固定有可渗透膜33，可渗透膜33下方涂覆有PTEF材质的疏离层34，疏离层34的上表面预设有沿打印头3移动方向和/或旋向延伸的沟槽341，并且该沟槽341内充满气体抑制剂。
S5，继续曝光打印
一层打印完毕后，减少或停止气体抑制剂的注入，使得光固化树脂2从沟槽341中流过。之后，控制打印头3移动离开打印区域，打印头3上移至上层打印区域，重新开始上一层打印，并调整打印头3与样品之间的上下距离为打印上一层的厚度，样品与打印头3之间的缝隙充满打印上一层所需的树脂，依次重复曝光打印，打印头3刮擦、涂覆逐步曝光新一层，打印上一层，直至打印完毕，模型在树脂池1中被复制出来。
在其他实施例中，在需要打印圆柱状或锥状工件时，打印头3可通过旋转方式进行曝光打印，其旋转的方式可通过在伺服电机或步进电机的驱动下进行。
以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于光固化树脂的工业化增材制造方法，其特征在于，打印头部分或全部沉浸在位置固定的树脂池液面下方，并在驱动系统的带动下，打印头做平移和/或旋转和/或升降运动，而在树脂池中曝光打印工件。
2.根据权利要求1所述的工业化增材制造方法，其特征在于，在打印头曝光时，向打印头内注入气体抑制剂，所述打印头的镜头下方设有封闭的介质腔，介质腔下方开口并封堵固定有可渗透膜，可渗透膜下方涂覆有PTEF材质的疏离层，疏离层的上表面预设有沿打印头移动方向和/或旋向延伸的沟槽，并且该沟槽内充满气体抑制剂；以及
在打印头运动时，减少或停止气体抑制剂的注入，使得光固化树脂从沟槽中流过。
3.基于光固化树脂的工业化增材制造装置，包括位置固定的树脂池，其特征在于，还包括用于部分或全部沉浸在树脂池的液面下方的打印头，打印头的镜头上涂覆有PTEF材质的疏离层，打印头上还连接有用于驱动其在树脂池内平移和/或旋转和/或升降运动的驱动系统。
4.根据权利要求3所述的基于光固化树脂的工业化增材制造装置，其特征在于，镜头和疏离层之间设有封闭的介质腔，介质腔下方开口并封堵固定有可渗透膜，疏离层位于可渗透膜下方，疏离层的上表面预设有沿打印头移动方向和/或旋向延伸的沟槽。
5.根据权利要求4所述的基于光固化树脂的工业化增材制造装置，其特征在于，沟槽前后方向延伸，沟槽的前段设有先变窄后边宽的变径段。
6.根据权利要求5所述的基于光固化树脂的工业化增材制造装置，其特征在于，各沟槽的变径段相通而形成位于疏离层靠近前侧位置处的汇流喉部。
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