CN113619112A - 光固化3d打印装置和光固化3d打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光固化3D打印装置，包括：光敏树脂槽，用于容纳液态的光敏树脂；光源，位于所述光敏树脂槽的下方，用于朝向所述光敏树脂槽的底部提供预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽以使得液态的所述光敏树脂固化；打印板，在固化时浸没于液态的所述光敏树脂内；提拉结构，用于控制所述打印板在竖直方向移动，以在所述打印板上逐层粘接固化的光敏树脂，以形成三维实体。本发明还涉及一种光固化3D打印方法。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印技术领域，尤其涉及一种光固化3D打印装置和光固化3D打印方法。
背景技术
SLA立体光固化成型法是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。
这种成型方法可以实现大尺寸打印，目前是市场上主流的打印方式。此技术的缺点是激光器和振镜成本较高，同时单条激光移动扫描在打印速度上不占优势。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种光固化3D打印装置和光固化3D打印方法，解决光固化3D打印成本高、效率低的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：一种光固化3D打印装置，包括：
光敏树脂槽，用于容纳液态的光敏树脂；
光源，位于所述光敏树脂槽的下方，用于朝向所述光敏树脂槽的底部提供预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽以使得液态的所述光敏树脂固化；
打印板，在固化时浸没于液态的所述光敏树脂内；
提拉结构，用于控制所述打印板在竖直方向移动，以在所述打印板上逐层粘接固化的光敏树脂，以形成三维实体。
可选的，所述光源包括微型LED阵列模组，所述微型LED阵列模组包括：
衬底基板；
阵列排布于所述衬底基板上的多个LED灯；
驱动电路，用于独立控制所述多个LED灯按照预设规则点亮或关闭，以形成所述预设图形。
可选的，所述微型LED阵列模组和所述光敏树脂槽之间设置有准直透镜结构。
可选的，所述微型LED阵列模组为能够发出可见光的可见光LED阵列模组，所述光源还包括上转换结构，所述上转换结构设置于所述LED阵列模组和所述光敏树脂槽之间，用于将所述可见光转换为紫外光。
可选的，所述上转换结构包括相对设置的第一基板和第二基板，以及通过封框胶密封于所述第一基板和所述第二基板之间的上转换溶液。
可选的，所述上转换结构划分为与所述多个LED灯一一对应的多个上转换单元，每个所述上转换单元位于相应的所述LED灯的出光面。
可选的，所述可见光LED阵列模组发出的可见光的波长为400nm-800nm，所述上转换结构转换发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
可选的，所述上转换结构的材料为基于三重态-三重态湮灭的上转换发光材料。
可选的，所述上转换发光材料包括光敏剂、能量受体和高分子聚合物；
其中，所述光敏剂包括二(香豆素6)乙酰丙酮合铱，所述能量受体包括1，4-双((三异丙基甲硅烷基)乙炔基)萘，所述高分子聚合物包括苯，四氯化碳，二硫化碳，环己烷，己烷，二氯乙烷，甲苯，邻二氯苯，二氧六环或四氢呋喃。
可选的，所述微型LED阵列模组为发出紫外光的紫外微型LED阵列模组。
可选的，所述紫外LED阵列模组发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
本发明实施例还提供一种光固化3D打印方法，应用于上述的光固化3D打印装置，包括以下步骤：
将打印板浸没于液态的光敏树脂内；
所述光源提供具有预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽以将液态的光敏树脂进行固化，形成粘接于打印板上的树脂层；
通过提拉结构将打印板提升预设高度，所述预设高度与所述树脂层的厚度相同；
重复上述步骤，逐层形成粘接于所述打印板上的树脂层，以生成三维物体。
本发明的有益效果是：本实施例的光固化3D打印装置，通过预设图形的固化光实现液态光敏树脂的固化，相比于SLA三维打印中采用的单条激光扫描的方式，效率高，成本低。
附图说明
图1表示本发明实施例中光固化3D打印装置结构示意图一；
图2表示本发明实施例中光固化3D打印装置结构示意图二；
图3表示本发明实施例中光源的结构示意图一；
图4表示本发明实施例中光源的结构示意图二；
图5表示本发明实施例中光源的结构示意图三；
图6表示本发明实施例中光固化3D打印方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
目前3D打印方法一般有以下几种：SLA立体光固化成型法、数字光处理(DigitalLight Processing，缩写：DLP)技术和LCD 3D打印技术。其中，SLA立体光固化成型法成本较高，同时单条激光移动扫描在打印速度上不占优势。DLP三维打印可以实现整面固化成型，但是受到DLP投影芯片分辨率限制不能实现大面积打印，打印面积小于300*300mm。LCD 3D打印技术采用液晶屏作为紫外光掩膜，进行固化成型。可以实现整面固化成型，但是液晶屏幕中的液晶材料及其封装材料在强紫外光照射下容易分解失效，造成液晶光掩膜只能作为耗材使用。另外液晶屏作为光掩模难以避免漏光问题，造成光面树脂非必要位置固化。
参考图1-图5，针对上述问题，本实施例提供一种光固化3D打印装置，包括：
光敏树脂槽1，用于容纳液态的光敏树脂100；
光源，位于所述光敏树脂槽1的下方，用于朝向所述光敏树脂槽1的底部提供预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽1以使得液态的所述光敏树脂固化；
打印板2，在固化时浸没于液态的所述光敏树脂100内；
提拉结构，用于控制所述打印板2在竖直方向移动，以在所述打印板2上逐层粘接固化的光敏树脂，以形成三维实体。
本实施例中，通过光源提供具有预设图形的固化光，以使得液态的光敏树脂100固化，并通过所述提拉结构的配合，在所述打印板2上逐层粘接固化的光敏树脂，以形成三维实体。相比SLA立体光固化成型法中采用单条激光扫描的方式提升打印速度，提高了效率，相比DLP打印方式可以实现大面积的打印，并不受限，且相对于LCD 3D打印方式，可以避免紫外光不耐受和漏光问题。
本实施例的一些实施方式中，所述光敏树脂槽1采用透明材质制成，以使得光敏树脂槽1可以透过所述固化光。
本实施例的一些实施方式中，所述光固化3D打印装置还包括承载台5，所述光敏树脂槽1设置于所述承载台5上，所述光源位于所述承载台5远离所述光敏树脂槽1的一侧，所述承载台5上开设有开口，所述开口上设置有用于承载所述光敏树脂槽1的透明盖板，以透过所述固化光。
本实施例的一些实施方式中，在固化时，所述打印板2的初始位置与所述光敏树脂槽1的内底部之间的距离即为初次固化形成的粘接于所述打印板2上的固态的光敏树脂的厚度，在后续固化过程中，所述提拉结构控制所述打印板2按照预设高度沿着竖直方向多次提拉，以在所述打印板2上逐层粘结固态的光敏树脂，每次所述提拉结构控制所述打印板2向上提拉的高度与当前所需固化形成的固态的光敏树脂的厚度相同。
需要说明的是，所述提拉结构控制所述打印板2多次上升的过程中，所述打印板2上升的所述预设高度根据实际需要设定，任意两次上升的高度可以相同，也可以不同。
参考图4和图5，本实施例的一些实施方式中，所述光源包括微型LED阵列模组31，所述微型LED阵列模组31包括：
衬底基板311；
阵列排布于所述衬底基板上的多个LED灯312；
驱动电路，用于独立控制所述多个LED灯312按照预设规则点亮或关闭，以形成所述预设图形。
通过所述驱动电路的驱动，可以独立控制所述多个LED灯312按照预设规则点亮或关闭，可以点亮一个或多个LED灯312，对每个LED灯312单独进行控制，可以灵活的形成各种所需图形，通过具有所述预设图形的固化光的照射，使得液态的光敏树脂100固化成预设形状。
本实施例中，所述驱动电路还用于控制所述多个LED灯312的亮度，以提高固化效率。
参考图2，本实施例的一些实施方式中，所述微型LED阵列模组31和所述光敏树脂槽1之间设置有准直透镜34结构。
所述准直透镜34结构的设置使得所述光源出射的光准直出射，以便于照射于所述光敏树脂槽1的光线形成大小合适的光斑。
参考图2，本实施例的一些实施方式中，所述准直透镜34和所述微型LED阵列模组31之间还设置有聚光透镜33，所述聚光透镜33的设置使得所述微型LED阵列模组31出射的光进行收敛，保证所述微型LED阵列模组31的光全部进入所述准直透镜34，提高光效。
本实施例的一些实施方式中，所述微型LED阵列模组31为能够发出可见光的可见光LED阵列模组，所述光源还包括上转化结构32，所述上转化结构32设置于所述LED阵列模组和所述光敏树脂槽1之间，用于将所述可见光转换为紫外光。
本实施例中，为了提供固化效率，所述光面树脂选取可被特定波长的紫外光照射后可固化的材料，本实施例的一些实施方式中，所述可见光LED阵列模组发出的可见光的波长为400nm-800nm，所述上转化结构32转换发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
参考图4，本实施例的一些实施方式中，所述上转化结构32包括相对设置的第一基板321和第二基板322，以及通过封框胶324密封于所述第一基板321和所述第二基板322之间的上转换溶液323。
所述上转换溶液323填充封装过程是在无氧条件下进行的。所述封装胶根据所述上转换溶液323包含的有机溶剂类型选择不与有机溶剂相容或产生化学反应的胶材。
需要说明的是，所述封装胶不能有空隙，避免空气通过，保证密封环境。
参考图5，本实施例的一些实施方式中，所述上转化结构32划分为与所述多个LED灯312一一对应的多个上转换单元320，每个所述上转换单元320位于相应的所述LED灯312的出光面。
参考图4，在一些实施方式中，所述上转化结构32可以为一体结构，整体覆盖于所述微型LED阵列模组31的出光侧，降低工艺难度。参考图5，在一些实施方式中，所述上转化结构划分为与所述多个LED灯312一一对应的多个上转换单元320，直接形成于相应的所述LED灯312的出光面，节省材料，降低成本。
本实施例的一些实施方式中，所述上转化结构32的材料为基于三重态-三重态湮灭的上转换发光材料。
本实施例的一些实施方式中，所述上转换发光材料包括光敏剂、能量受体和高分子聚合物；
其中，所述光敏剂包括二(香豆素6)乙酰丙酮合铱，分子式如下：
所述能量受体包括1，4-双((三异丙基甲硅烷基)乙炔基)萘，分子式如下：
所述光敏剂和能量受体两种化学试剂通过三重态-三重态湮灭的光子上转换过程将可见光上转换为紫外光。
所述高分子聚合物包括苯，四氯化碳，二硫化碳，环己烷，己烷，二氯乙烷，甲苯，邻二氯苯，二氧六环或四氢呋喃。
本实施例的一些实施方式中，所述微型LED阵列模组31为发出紫外光的紫外微型LED阵列模组31。
本实施例的一些实施方式中，所述紫外LED阵列模组发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
本实施例的一些实施方式中，所述提拉结构包括竖直设置的支撑杆41，所述支撑杆41沿其延伸方向设置有滑轨，所述提拉结构还包括用于与所述打印板2连接的传动结构42，所述传动结构42通过滑块可移动的设置于所述滑轨上。
所述打印板2包括板状结构，所述板状结构具有用于粘接固态的光敏树脂的粘结面，所述板状结构上与所述粘接面相对设置的一面上设置有用于与所述传动结构42固定连接的第一连接部。
所述传动结构42呈L形，包括用于与滑轨滑动连接的滑动部和与所述连接部连接的第二连接部，所述第二连接部和所述滑动部形成的台阶部上设置有加强件43，以增强所述传动结构42的稳定性。
需要说明的是，所述滑轨的具体形式可以有多种，例如可以包括丝杠，但并不以此为限。
本发明实施例还提供一种光固化3D打印方法，应用于上述的光固化3D打印装置，包括以下步骤：
将打印板2浸没于液态的光敏树脂100内；
所述光源提供具有预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽1以将液态的光敏树脂100进行固化，形成粘接于打印板2上的树脂层；
通过提拉结构将打印板2提升预设高度，所述预设高度与所述树脂层的厚度相同；
重复上述步骤，逐层形成粘接于所述打印板2上的树脂层，以生成三维物体。
具体的，参考图6，光固化3D打印包括以下步骤：
步骤1：在光敏树脂槽1内盛放预设量的液态光敏树脂；
步骤2：将打印板2浸没于液态的所述光敏树脂内，其中，所述打印板2与所述光敏树脂槽1的内底部之间的距离为粘接于所述打印板2上的第一层固态的光敏树脂的厚度；
步骤:3：将光源设置于所述光敏树脂槽1的下方；
步骤4：按照预设规则控制微型LED阵列模组31中位于预设位置的多个LED的点亮，以使得所述光源出射的固化光具有预设图形；
步骤5：所述光源朝向所述光敏树脂槽1出射固化光，固化光穿过所述光敏树脂槽1照射液态的光敏树脂100，以形成粘接于所述打印板2上的固态的光敏树脂；
步骤6：控制所述打印板2上升预设高度，该预设高度为下一次所需形成的固态的光敏树脂的厚度；
步骤7：重复上述步骤5和步骤6，逐层形成粘接于所述打印板2或上一层固态的光敏树脂上的固态的光敏树脂，生成三维物体。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种光固化3D打印装置，其特征在于，包括：
光敏树脂槽，用于容纳液态的光敏树脂；
光源，位于所述光敏树脂槽的下方，用于朝向所述光敏树脂槽的底部提供预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽以使得液态的所述光敏树脂固化；
打印板，在固化时浸没于液态的所述光敏树脂内；
提拉结构，用于控制所述打印板在竖直方向移动，以在所述打印板上逐层粘接固化的光敏树脂，以形成三维实体。
2.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述光源包括微型LED阵列模组，所述微型LED阵列模组包括：
衬底基板；
阵列排布于所述衬底基板上的多个LED灯；
驱动电路，用于独立控制所述多个LED灯按照预设规则点亮或关闭，以形成所述预设图形。
3.根据权利要求2所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述微型LED阵列模组和所述光敏树脂槽之间设置有准直透镜结构。
4.根据权利要求2所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述微型LED阵列模组为能够发出可见光的可见光LED阵列模组，所述光源还包括上转换结构，所述上转换结构设置于所述LED阵列模组和所述光敏树脂槽之间，用于将所述可见光转换为紫外光。
5.根据权利要求4所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述上转换结构包括相对设置的第一基板和第二基板，以及通过封框胶密封于所述第一基板和所述第二基板之间的上转换溶液。
6.根据权利要求5所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述上转换结构划分为与所述多个LED灯一一对应的多个上转换单元，每个所述上转换单元位于相应的所述LED灯的出光面。
7.根据权利要求4所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述可见光LED阵列模组发出的可见光的波长为400nm-800nm，所述上转换结构转换发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
8.根据权利要求4所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述上转换结构的材料为基于三重态-三重态湮灭的上转换发光材料。
9.根据权利要求8所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述上转换发光材料包括光敏剂、能量受体和高分子聚合物；
其中，所述光敏剂包括二(香豆素6)乙酰丙酮合铱，所述能量受体包括1，4-双((三异丙基甲硅烷基)乙炔基)萘，所述高分子聚合物包括苯，四氯化碳，二硫化碳，环己烷，己烷，二氯乙烷，甲苯，邻二氯苯，二氧六环或四氢呋喃。
10.根据权利要求2所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述微型LED阵列模组为发出紫外光的紫外微型LED阵列模组。
11.根据权利要求10所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述紫外LED阵列模组发出的紫外光的波长为200nm-420nm。
12.一种光固化3D打印方法，其特征在于，应用于权利要求1-11任一项所述的光固化3D打印装置，包括以下步骤：
将打印板浸没于液态的光敏树脂内；
所述光源提供具有预设图形的固化光，该固化光穿过所述光敏树脂槽以将液态的光敏树脂进行固化，形成粘接于打印板上的树脂层；
通过提拉结构将打印板提升预设高度，所述预设高度与所述树脂层的厚度相同；
重复上述步骤，逐层形成粘接于所述打印板上的树脂层，以生成三维物体。
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