CN113927897A - 一种高利用率的多材料树脂3d打印系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种高利用率的多材料树脂3D打印系统和方法，包括以下步骤：使用第一打印头将第一树脂在样本平台上打印，并通过第一槽收集第一打印头喷出的多余的第一树脂，并将多余的第一树脂收集入第一储存容器内；将样本平台向第二打印头移动，并在样本平台移动路径上使用第一抽吸嘴抽走样本平台上具有滴落风险的第一树脂；将第一抽吸嘴抽取的第一树脂通入第一储存容器内。本发明的有益效果是：能够在多材料打印时增加对各种材料的回收利用率，并能够避免多材料打印时储存容器材料混合的风险。

Description

一种高利用率的多材料树脂3D打印系统和方法

技术领域

本发明涉及增材制造，更具体地，涉及同时使用多种打印材料在较大面积上进行高分辨率3D打印的系统和方法。

背景技术

立体光刻最初被构想为一种快速原型制作技术，用于以快速（比以前更快）的方式，直接从计算机辅助设计（CAD）中创建生产组件的真实比例模型。从其概念阶段起，并且通过其在美国专利第4,575,330号中的公开内容，立体光刻技术已经在实现复杂三维部件几何形状的可视化、检测原型示意图中的错误、测试关键组件、以及以相对较低的成本和改进的时间范围验证理论设计上，为工程师和设计人员带来了极大的便利。

在过去的几十年间，随着微机电系统（MEMS）领域的不断改进，出现了一种微立体光刻技术（μSL），该技术延续了传统立体光刻的基本原理，但具有更高的空间分辨率。例如，参见Ikuta等人，“采用立体光刻和金属成型的真实三维微细加工（Real threedimensional micro fabrication using stereo lithography and metal molding）”，《1993年第六届微机电系统研讨会MEMS论文集》（Proceedings of MEMS’93, 6th IEEEWorkshop on Micro Electro Mechanical Systems），圣地亚哥，加里福尼亚洲，1993年1月25日-28日，第42-47页。

随着单光子聚合技术和双光子聚合技术的发展，μSL的分辨率得到改进，可实现小于200nm的打印功能。例如，参见maroon等人，“采用单光子吸收聚合的三维微细加工（Three-dimensional microfabrication by use of single-photonabsorbedpolymerization）”，《应用物理学快报》（Applied Physics Letters），76(19):2656-2658，2000年；Maruo等人，“双光子吸收近红外光致聚合用于三维微细加工（Two photon-absorbed near-infrared photopolymerization for three-dimensionalmicrofabrication）”，《微机电系统杂志》（Journal of MicroelectromechanicalSystems），7(4):411-415，1998年；和Kawata等人，“功能微器件的更精细特征——可使用双光子吸收以更高分辨率创建微机械（Finer features for functional microdevices –micromachines can be created with higher resolution using twophotonabsorption）”，《自然》（Nature），412(6848):697-698，2001年。

随着投影微立体光刻（PμSL）的发展，μSL的速度得到了大幅提升。例如，参见Bertsch等人，“微立体光刻采用液晶显示器作为动态掩膜发生器（Microstereolithography using liquid crystal display as dynamic mask-generator”，《微系统技术》（Microsystem Technologies），3(2):42-47，1997年；和Beluze等人，“微立体光刻：搭建复杂3D对象的新流程（Microstereolithography: A New Processto Build Complex 3D Objections）”，《MEM/MOEM设计、测试和微细加工专题论文集》（Symposium on Design, Test and Microfabrication of MEMs/MOEMs），《SPIE会议记录》（Proceedings of SPIE），3680(2):808-817，1999年。这项技术的核心是高分辨率空间光调制器，其可以是液晶显示（LCD）面板，也可以是数字光处理（DLP）面板，每一种都可以从微显示行业获得。

DLP芯片的显示尺寸目前被限制为大约13×13mm。因此，当投影的像素尺寸与物理像素尺寸（例如，5×5μm至8×8μm）相同时，单次曝光面积被限制为13×13mm。要使用单次曝光打印更大的面积，必须增大投影的像素的尺寸。然而，这会降低打印分辨率，并可能因此不符合需要。

在一些情况下，需要从多种材料例如具有不同光学、机械、电学或化学特性的材料打印单个模型。PμSL打印材料包括光固化树脂和复合材料。术语“树脂”、“材料”和“打印材料”在本文中可以互换使用。

通过PμSL进行的多材料打印可能存在问题，这是因为在PμSL过程间，切换材料可能会显著增加延迟。为了克服其中一些延迟，开发了像先涂覆后喷射再清洁以及先打印后冲洗等方法。例如，分别参见Kowsari等人，“基于数字光处理的三维打印的高效高分辨率多材料制造（High-efficiency high-resolution multimaterial fabrication fordigital light processing-based three-dimensional printing）”，《3D打印和增材制造》（3D Printing and Additive Manufacturing），5(3):185-193，2018年；以及Han等人，“使用动态流体控制型投影微立体光刻技术的快速多材料3D打印（Rapid multi-material3D printing with projection micro-stereolithography using dynamic fluidiccontrol）”，《增材制造》（Additive Manufacturing），27(11):606-615, 2019年。然而，气泡和树脂用量过多的问题阻碍了这些方法的广泛采用。

在PμSL打印期间，在树脂槽（或容器）和样本载台之间限定出树脂层。“样本”可以指逐层打印的3D模型，而“样本载台”（sample stage）可以指样本的最近打印的一层。在PμSL种树脂层的限定方法一般有三种。第一种方法使用自由表面，其中层厚由树脂的自由表面和样本载台之间的距离限定。然而，使用这种方法可能需要半小时以上来限定出粘度50cP的10μm厚的树脂层。这是因为树脂的粘滞运动比较缓慢。在PμSL中限定出树脂层的第二种和第三种方法分别使用透明膜或硬窗口。然而，使用这些方法，目前还没有好的办法在5×5cm（或更大）的面积上限定出10μm厚（或更薄）的树脂层。因此，虽然这些方法可以比自由表面方法更快地实现树脂层的限定，但二者都尤其缓慢。此外，在硬窗口法PμSL打印过程中，当样本接近窗口以在曝光前（或在曝光后从窗口分离的过程中）定义薄层树脂时，所产生的流体动力的强度可能足以损坏样本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中上述问题或其他问题，从而提供一种高利用率的多材料树脂3D打印系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高利用率的多材料树脂3D打印系统，包括：

图像投影系统，用于投射用于3D打印成像的图像并与打印头配合进行树脂固化；

第一槽，用于收集第一打印头喷出的多余的第一树脂；

第一打印头，设置在所述第一槽内，用于喷涂第一树脂；

第一储存容器，与所述第一槽连接，用于容纳从所述第一槽中流出的第一树脂；

第二槽，用于收集第二树脂；

第二打印头，设置在所述第二槽内，用于喷涂第二树脂；

第二储存容器，与所述第二槽连接，用于容纳从所述第二槽中流出的第二树脂；

样本平台，能够在驱动机构的带动下在所述第一打印头和所述第二打印头的打印区域内移动，以使打印件在所述样本平台上产生；所述样本平台通过第一路径往返于所述第一打印头和所述第二打印头的打印区域之间；

第一抽吸嘴，设置在第一路径上，位于所述第一槽和第二槽之间且靠近所述第一槽一侧并与所述第一槽连通，用于抽走所述样本平台上具有滴落风险的第一树脂；

第二抽吸嘴，设置在第一路径上，所述第一槽和第二槽之间且靠近所述第二槽一侧并与所述第二槽连通，用于抽走所述样本平台上具有滴落风险的第二树脂。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，还包括：

第一树脂泵，用于将所述第一储存容器内的第一树脂泵送到所述第一打印头；

第二树脂泵，用于将所述第二储存容器内的第二树脂泵送到所述第二打印头。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，所述第一抽吸嘴的两侧分别设有第一高叶片、第一矮叶片，所述第一高叶片的高度大于所述第一矮叶片，所述第一高叶片相对靠近于所述第一槽一侧设置，所述第一矮叶片相对靠近于所述第二槽一侧设置；

所述第二抽吸嘴的两侧分别设有第二高叶片、第二矮叶片，所述第二高叶片的高度大于所述第二矮叶片，所述第二高叶片相对靠近于所述第二槽一侧设置，所述第二矮叶片相对靠近于所述第一槽一侧设置。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，所述第一抽吸嘴和第二抽吸嘴连接至相应的抽吸容器，抽吸容器经由歧管连接至真空室，每个抽吸容器都能够经由相应的阀门连接到相应的储存容器。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，所述第一打印头、第二打印头是锥台状，在锥台处具有扁平的尖端，所述尖端包括透明的透气窗口，通过所述透气窗口能够传送光学图像，所述透气窗口具有横向尺寸以容纳DLP模块投影的整个光学图像。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，所述第一打印头、第二打印头都外接环形嘴，所述环形嘴流体联接至相应的液体泵，所述液体泵能够将树脂从储存容器泵送到打印头的尖端；环形嘴是锥台状，其外壁以与水平面成一定角度向上或向内延伸，并且环形嘴具有环形开口，所述环形开口邻近并外接打印头的尖端。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印系统，所述图像投影系统包括：

计算机；

DLP模块，与所述计算机通信连接，用于打印图像的投影；

第一镜头，用于接受所述DLP模块的投影并向第一打印头聚焦光学图像；

第二镜头，用于接受所述DLP模块的投影并向第二打印头聚焦光学图像；

分束器，设置与所述DLP模块的投影光路上，用于将投影的一份图像转换为两份图像分别投射向第一镜头和第二镜头；

反射镜，用于将所述分束器分出的其中一份图像反射向所述第二镜头；

电荷耦合器件，用于监测第一镜头和第二镜头聚焦的所述数字图像。

一种高利用率的多材料树脂3D打印方法，包括以下步骤：

使用第一打印头将第一树脂在样本平台上打印，并通过第一槽收集第一打印头喷出的多余的第一树脂，并将多余的第一树脂收集入第一储存容器内；

将样本平台向第二打印头移动，并在样本平台移动路径上使用第一抽吸嘴抽走所述样本平台上具有滴落风险的第一树脂；

将第一抽吸嘴抽取的第一树脂通入第一储存容器内。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印方法，还包括步骤：将第一储存容器内收集的第一树脂通过第一树脂泵泵送到所述第一打印头。

优选地，本发明的高利用率的多材料树脂3D打印方法，还包括步骤：

通过将对应于超大尺寸层的光学图像分成多个数字子图像，进行多次曝光打印；

打印超大尺寸层时一次打印一个分部，其中每个分部对应于其中一个子图像，邻近分部的相邻边缘打印成彼此重合；

在分布在最大尺寸层的X和Y方向上的多个点处进行偏移测量，将测量值拟合到二阶或更高阶多项式，基于该多项式补偿所观察到的XY载台的非线性偏移。

本发明的有益效果是：

能够在多材料打印时增加对各种材料的回收利用率，并能够避免多材料打印时储存容器材料混合的风险。

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示出了高利用率的多材料PμSL系统的示意图；

图2示出了PμSL系统的打印头的示意图；

图3示出了在拼接打印（stitch printing）过程中曝光的对准；

图4分别示出了单次曝光、拼接曝光和阵列曝光打印模式；

图5示出了树脂槽之间的真空吸嘴的示意图；

图6示出了在材料切换过程中高利用率的多材料PμSL系统在各个阶段的示意图。

图中的附图标记为：

5 打印装置

10 样本

20 样本平台

30 槽

30a 第一槽

30b 第二槽

40 储存容器

40a 第一储存容器

40b 第二储存容器

50 树脂

50a 第一树脂

50b 第二树脂

60 打印头

60a 第一打印头

60b 第二打印头

70 尖端

80 透气窗口

90 环形嘴

100 树脂池

100a 第一树脂池

100b 第二树脂池

110 液体泵

120a 第一抽吸嘴

120b 第二抽吸嘴

130a 第一抽吸容器

130b 第二抽吸容器

140a 第一阀门

140b 第二阀门

150a 第一镜头

150b 第二镜头

160a 第一快门

160b 第二快门

170 真空室

180 歧管

190 计算机

200 模块

210 分束器

220 反射镜

230 XYZ载台总成

240 电荷耦合器件

250a 第一高叶片

250b 第二高叶片

260a 第一矮叶片

260b 第二矮叶片。

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

图1示出了用于在样本平台20的下侧打印3D样本10的多材料树脂打印装置5的实施例。样本平台20可以联接到精密XYZ载台总成230，该精密XYZ载台总成可以相对于第一打印头60a和第二打印头60b中的任意一个，在X和Y方向上横向移动样本平台20，并在Z方向上竖直移动样本平台20。在一些实施例中，可以通过将XYZ载台总成230的每个载台联接到打印装置5的各个部件，如打印头60（第一打印头60a、第二打印头60b），实现打印头60和样本平台20之间的相对运动。

每个打印头60可以设置在相应的槽30中，并且部分或完全浸没在相应的树脂50（第一树脂50a、第二树脂50b）中和/或由相应的树脂50涂覆。每个槽30位于相应的储存容器40上方并与其流体联接，使得可以将槽30中的液态树脂50排入到储存容器40（第一储存容器40a、第二储存容器40b）中。槽30可以在打印过程中液态树脂50从样本10滴落时，收集液态树脂50。

多材料打印过程可以通过经由计算机190生成（或以其他方式获得）数字3D模型开始。3D模型可以是多个模型的集合，每个模型代表不同的材料。3D模型可以被切成或分成大约5-20μm厚的层。每层可以由一个或多个2D数字图像表示，其中任何给定的数字图像对应于单种材料。换言之，如果给定的层包括两种材料，那么该层将至少具有两个数字图像。

通过将一系列光学图像投影并聚焦到选择的一个打印头60上，可以按层打印样本10，每次一层。要打印给定层，计算机190可以将数字图像发送至DLP模块200（DLP模块包括数字光处理器和光源），可以在其中将数字图像转换成光学图像。DLP模块200可以朝向选择的一个打印头60投影光学图像，例如朝向用于打印第一树脂50a的第一打印头60a或朝向用于打印第二树脂50b的第二打印头60b投影光学头像。每个打印头可以通过打开（或关闭）相应的快门（第一快门160a或第二快门160b）进行选择（或取消选择）。镜头（第一镜头150a或第二镜头150b）可以设置在每个相应的快门和相应的打印头之间，用于聚焦光学图像。

在一些实施例中，DLP模块200投影的光学图像可以通过分束器210分出两份图像，该分束器对朝向第一快门160a部分的光学图像以反射的方式传送图像，对朝向反射镜220部分以折射的方式传送图像，以使图像进一步由反射镜220投向第二快门160b。在一些实施例中，电荷耦合器件240（CCD）可以设置成与第一镜头150a的光学轴对准，以监测光学图像到第一打印头60a的投影。电荷耦合器件240可以设置在分束器210与第一快门160a相对的一侧。

如图2所示，第一打印头60a、第二打印头60b可以是锥台状，在锥台处具有扁平的尖端70。尖端70可以包括透明的透气窗口80，通过该窗口可以传送光学图像。透气窗口80可以具有横向尺寸，以便容纳DLP模块200投影的整个光学图像。例如，使用具有1920×1080分辨率和10×10μm像素的DLP芯片的DLP模块200可以投影具有22mm对角线尺寸（通过勾股定理）的光学图像。因此，可以选择直径为25mm的圆形透气窗口80。

透气窗口80可以被称为薄膜或膜，并且可以由任何合适的材料构造或涂敷而成，优选具有优异光学透明度的材料，如杜邦聚四氟乙烯AF2400或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。透气性有助于防止透气窗口80粘贴到树脂50上，树脂50会在光聚合过程中因曝光于光学图像而发生固化。因为氧气会抑制光交联，所以透氧性是特别有利的。透气窗口80可以具有130μm的厚度。

每个打印头（第一打印头60a、第二打印头60b）都可以外接环形嘴90，例如，具有环形（或多边环形）开口的喷嘴，该环形嘴流体联接至相应的液体泵110，该液体泵能够将树脂50（第一树脂50a、第二树脂50b）从储存容器40（第一储存容器40a、第二储存容器40b）泵送到打印头的尖端70。环形嘴90可以是锥台状（或截头锥体状），其外壁以与水平面成大约50度的角度向上或向内延伸，并且环形嘴90可以具有环形开口，该环形开口以大约500μm的间隙邻近并外接打印头的尖端70。树脂可以由液体泵110泵入并穿过环形嘴90。当树脂离开环形嘴90的环形开口时，由于环形嘴90的外壁存在向内的角度，树脂可以流向透气窗口80的中心，从而形成覆盖透气窗口80的顶表面的树脂池100（第一树脂池100a、第二树脂池100b）。树脂池的厚度可以通过调节液体泵110的流速进行控制。在一些实施例中，优选1-3mm的厚度。液体泵可以是任何合适的类型，例如非接触式蠕动泵或隔膜泵，并且该液体泵可以以大约5-10ml/s的流速进行泵送。在打印过程中，树脂池100的多余树脂50可以从尖端70流出到相应的槽30和储存容器40中。术语“锥台状”和“截头锥体状”在本文中可以互换使用，并且术语“环形”和“多边环形”在本文中可以互换使用。

聚焦在打印头上的光学图像在透气窗口80处或其附近，并因此在涂覆透气窗口80的顶表面的树脂池100处或其附近，形成聚焦图像。光学图像的明亮区域导致树脂池100中的树脂50发生固化或聚合，而光学图像的黑暗区域不会造成固化和聚合。

由于当前可用的LCD和DLP芯片受尺寸限制，单次曝光无法大到足以打印样本10的整个层（的给定材料）。例如，具有1920×1080分辨率和10×10μm像素的DLP芯片产生19.2×10.8mm的光学图像。如果样本10的横截面大于19.2×10.8mm，那么对应的层必须通过多次曝光进行打印，即以多个部分进行打印。

在一些实施例中，可以通过将对应于超大尺寸层的光学图像分成多个数字子图像，实现多次曝光打印。每个子图像对应于在所需像素尺寸下不大于DLP或LCD芯片的最大投影图像的光学图像。例如，使用具有1902×1080像素分辨率的DLP芯片的打印装置5可能需要打印具有3800×2000像素分辨率的超大尺寸层。在这种情况下，计算机190可以为该层生成（或以其他方式获得）四个数字子图像，每个数字子图像都具有1900×1000的像素分辨率。然后，打印装置5打印超大尺寸层时可以一次打印一个分部，其中每个分部对应于其中一个子图像。

邻近分部的相邻边缘可以打印成彼此重合5-20μm，如图3B-3C所示，以便提高所得层在分部边界处的机械强度。通过XYZ载台总成230的XY载台，可以准确地控制分部边界处的精确位置和重合量。然而，打印装置5中其他位置未对准可能造成分部边界出现重合误差。如图1所示，一个打印头60至少有两个参考系。第一参考系对应于DLP模块200与打印头60之间的对准，而第二参考系对应于打印头60和样本平台20之间的对准。如果这两个参考系彼此未对准，那么可能发生像图3D-3E中所示的那些一样的分部边界重合误差。具体地，图3D表示Y方向上的未对准，而图3E表示X方向上的未对准。

PμSL打印的典型误差要求可以是10μm。然而，XY载台发生大于该量的偏移误差的情况并不少见，并且进一步地，偏移相对于行进距离可以是非线性的。因此，为了抵消多次曝光打印过程中的未对准误差，可以在分布在最大尺寸层的X和Y方向上的多个点处进行偏移测量。在一些实施例中，可以在最大尺寸的方形层中测量五个或更多个均匀分布的点。可以将测量值拟合到二阶（或更高阶）多项式，该多项式可以用于补偿所观察到的XY载台的非线性偏移。

图4A-4C示出了由XYZ载台总成230的XY载台实现的三种打印模式。在每副图中，最大层尺寸由虚线外矩形表示，而光学图像曝光尺寸由虚线内矩形表示（每层九次曝光）。图4A示出了“单次曝光”打印，其中所打印的面积适配在单次曝光范围内。在这种模式下，只要仅使用一种树脂50，就无需移动XYZ载台总成230的XY载台。图4B示出了“拼接曝光”打印，其中大图像被分成子图像，每个子图像独立打印。在一些实施例中，如前所述，每次曝光可以和邻近曝光重合5-20μm（图4B中未示出重合部分）。图4C示出了“阵列曝光”打印，其中相同的小图像被独立打印多次。对于小批量生产，阵列曝光打印可以比单次曝光打印更快。阵列曝光打印可以和拼接曝光打印相结合，例如，当需要打印多个相同的样本并且每个样本至少有一层不能用单次曝光打印时，可以将二者相结合。

对于X和Y方向上的阵列曝光打印和拼接曝光打印，可能有利的是，将每个打印头60下方的槽30的横向尺寸设置成至少比打印层的最大尺寸大四倍，例如，至少比样本平台20大四倍。这防止了残余树脂50从样本10和/或样本平台20滴落到槽30的外部。换言之，槽30在X方向上的长度至少应是样本平台20的两倍，并且在Y方向上的长度至少应是样本平台20的两倍。在一些实施例中，打印头60可以移动而样本10保持静止，而在其他实施例中，样本10和打印头都可以移动。

当打印装置5完成第一层的打印时，XYZ载台总成230的Z载台可以将样本平台20（和样本10）竖直向上移动至少一层的厚度，以便限定出下一层的液态树脂50进行打印。然而，可能有利的是，在沿垂直方向移动样本10之前，在X和Y方向上将样本10从打印头60移开。这是因为，横向移动样本时在打印头60和样本10之间产生的剪切流体力，通常远远小于竖直移动样本10时在打印头60和样本10之间产生的正常流体力。例如，可以通过以下等式描述因分离被PμSL打印中常用的树脂润湿的两个表面而产生的真空压力（单位面积法向力）：σ=-pI+2μɛ，其中σ是流体应力张量，p是压力，I是等同张量，μ是流体粘度，并且ɛ是速度梯度张量（或流体应变张量）。树脂粘度μ=50cP且ɛ=10 mm/s所产生的真空压力级大约为1E5Pa。相比之下，相同的两个润湿表面以20μm的间隙相互滑过所产生的剪切压力为1E2 Pa，这比正常真空压力低大约三个数量级。因此，将样本10从打印头60横向而非竖直分离有助于防止损坏样本10的精细3D打印特征或防止其变形。如上所述，槽30在X方向上的长度至少应为样本平台20的两倍，并且在Y方向上的长度至少应为样本平台20的两倍（对于两个维度的阵列或拼接打印），以防残余树脂50从样本10或样本平台20滴落到槽30的外部。

如果打印装置5需要在多材料打印过程中在树脂50之间切换，那么XYZ载台总成230的XY载台可以在打印头60之间移动样本10（在样本平台20的下侧）。然而，样本10的下侧可能涂有残余的第一树脂50a，该第一树脂可能会滴落到仅用于第二树脂50b的第二槽30b中。为了防止这种交叉污染，可以将样本10移过（滑过）第一抽吸嘴120a，以便去除任何残余第一树脂50a。类似地，为了防止在相反方向上的交叉污染，例如当从第二树脂50b切换到第一树脂50a时，可以将样本10移过第二抽吸嘴120b，以便去除任何残余的第二树脂50b。实际上，打印装置可以针对每种不同的树脂50对应设置一个抽吸嘴。

图5示出了设置在第一槽30a和第二槽30b之间的第一抽吸嘴120a和第二抽吸嘴120b，其中第一抽吸嘴120a可以更靠近第一槽30a，并且第二抽吸嘴120b可以更靠近第二槽30b。在一些实施例中，每个抽吸嘴的外壁可以和相应的槽30接触或可以共用该外壁。每个抽吸嘴可以联接至相应的抽吸容器（第一抽吸容器130a、第二抽吸容器130b），抽吸容器继而可以经由歧管180联接至真空室170（或包括真空泵的任何其他真空源）。每个抽吸容器都可以经由相应的阀门（第一阀门140a、第二阀门140b）连接到相应的储存容器40。

考虑打印装置5从第一树脂50a切换到第二树脂50b的情况。当将样本10从第一槽30a移开时，该样本会遇到第一抽吸嘴120a。此时，第一阀门140a关闭，并且歧管180已将真空室170的真空仅转向到第一抽吸容器130a。如此，空气（或气体）被抽吸到第一抽吸嘴120a的面朝上的开口，如图5中虚线箭头所示的。这种快速吸气会从样本10中抽吸残余的第一树脂50a。当样本10继续朝向第二槽30b移动时，第一树脂50a不会被第二抽吸嘴120b吸入，这是因为第二抽吸容器130b中不是真空（因为歧管180已将真空仅转向到第一抽吸容器130a）。样本10可以继续移动，直到其到达第二打印头60b为止。此时，歧管180可以将真空从第一抽吸容器130a移开，并且可以打开第一阀门140a，使任何获取的残余第一树脂50a再次循环到第一储存容器40a中。现在考虑当打印装置5从第二树脂50b切换回到第一树脂50a时的情况。当样本10遇到第二抽吸嘴120b时，第二阀门140b关闭，并且真空已被歧管180仅转向到第二抽吸容器130b。第二抽吸嘴120b因此从样本10抽吸残余第二树脂50b，而第一抽吸嘴120a并未如此。

每个抽吸嘴的侧壁（或外缘）可以具有不同的高度。第一抽吸嘴120a更靠近第一槽30a的壁可以设置相对较高的第一高叶片250a，而远离第一槽30a的壁可以设置相对较低的第一矮叶片260a。当样本10移过第一抽吸嘴120a时，第一矮叶片260a一侧的气流比第一高叶片250a一侧的更大。因此，主要的空气流集中在从第二槽30b吹向第一槽30a的方向上，例如，启用第一抽吸嘴120a时，样本10往第二槽30b方向的运动，这种设置有助于防止第一树脂50a溅入或以其他方式进入第二抽吸嘴120b并因此污染第二树脂50b。在一些实施例中，两个抽吸嘴之间的间隙对外部空气开放，以便空气供应不受阻碍，如果在样本10经过抽吸嘴的过程中样本10横跨抽吸嘴，这种设置的必要性就更能体现。

在一些实施例中，高叶片（第一高叶片250a、第二高叶片250b）和矮叶片（第一矮叶片260a、第二矮叶片260b）之间的高度差可能大约为1mm。在一些实施例中，每个抽吸嘴可以具有大约为0.5-1.0mm的开口，从而在受到大约0.2-1.0atm的真空室170的压力差驱动时，使空气（或气体）流速大约为1-10m/s。在一些实施例中，样本10可以以大约5mm/s或更小的速度并且以大约0.5-1.0mm的竖直距离横向移过（滑过）样本10。空气（或气体）流速越高并且样本10移动越慢，可能导致每单位时间从样本10中抽吸出的残余树脂越多，对于粘度大于大约500cp的树脂50尤为如此。

图6A-6C示出了用于打印装置5的示例性多材料打印系列。图6A显示穿过打开的第一快门160a，再穿过第一镜头150a，之后将光学图像投影到与样本10相邻的第一打印头60a。多余的第一树脂50a可以通过第一槽30a收集。图6B显示样本10从第一打印头60a移开，准备使用第二树脂50b进行打印。样本10横向移过第一抽吸嘴120a，该抽吸嘴从样本10抽吸残余第一树脂50a。图6C显示穿过打开的第二快门160b，再穿过第二镜头150b，之后将光学图像投影到与样本10相邻的第二打印头60b。多余的第二树脂50b可以通过第二槽30b收集。

数个实施例提供了在具有限定的打印层厚度的较大面积上快速且精确地进行PμSL打印。例如，打印面积可以为10×10cm并且打印厚度可以为10μm。无论其是否在一次还是多次曝光中打印的，样本是逐层打印的，其中给定层的打印可以被称为扫描。在一些实施例中，可以具有两个或更多个打印头，每个打印头浸入相应的打印材料（例如，相应的树脂）中并被其覆盖。树脂涂覆的打印头可以依次交替使用，用于打印多材料样本。

打印头可以是锥台形的，并且包括位于其窄端的光学透明的扁平尖端。该尖端可以包括透气材料，包含透氧材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯AF（来自杜邦）。该尖端可以和DLP芯片的曝光面积一样大，也可以占其一小部分。

对于每种不同的打印材料（例如，对于每种不同的树脂），可以具有至少一个打印头。每个打印头可以设置在其指定树脂的槽内，在该树脂的自由表面下方大约1-3mm处。在扫描过程中，镜头先将图像投影到选定的一个打印头上。在一些实施例中，镜头设置在打印头下方。镜头将图像向上聚焦到打印头的透明扁平尖端，对设置在尖端和样本底部之间的树脂进行光学曝光。所曝光的树脂固化，在样本下侧形成新增固化材料层的至少一部分。在一些实施例中，整个尖端包括透明窗口，而在其他实施例中，仅尖端的一部分包括透明窗口。

在一些实施例中，可以具有多个镜头，例如针对多个打印头中的每一个具有一个镜头。在这些实施例中，通过每个镜头投影的图像可以通过快门选通，以防图像在给定曝光过程中到达任何未选择的打印头。快门可以在光学上位于镜头前方，或者可以在光学上位于镜头之后，即，快门可以分别设置在镜头的输入端和输出端。

在一些实施例中，每个打印头都被环形喷嘴包围。该喷嘴连接到液体泵，液体泵将树脂从容器泵送至打印头的尖端。来自喷嘴的树脂流动将树脂的自由表面推进大约1-3mm，以在尖端上方形成树脂池。这种喷泉式设计使尖端和/或树脂池能够升高到槽内树脂的自由表面上方（或者相反地，槽内树脂的自由表面可以低于尖端或树脂池）。槽中树脂液位较低（自有表面更低）意味着在打印过程中槽中可能存在较少的树脂，这可以减少树脂的浪费。要清楚，喷泉式设计能够在样本的整个底表面不与槽内树脂的自由表面接触的情况下，实现样本的后续层的打印。

在一些实施例中，可以在两个树脂槽之间设置两个平行的抽吸嘴，其中第一抽吸嘴更靠近第一树脂的第一槽，而第二抽吸嘴更靠近第二树脂的第二槽。在压力差大约为0.2-1.0atm的真空的驱动下，每个抽吸嘴可以具有大约1-10m/s的气流速度。当样本从第一树脂的第一槽平移到第二树脂的第二槽时，样本湿润的底表面移动经过（滑过）抽吸嘴大约0.5-1.0mm，导致任何残余的首先未固化的（液态）第一树脂被第一抽吸嘴吸入和收集。所收集的第一树脂可以被泵送回指定的打印头，用于打印样本的后续层。当样本沿相反的方向平移，样本湿润的底表面再次滑过抽吸嘴，并且任何残余的未固化的（液态）第二树脂被第二抽吸嘴吸入和收集。使用三种或更多种树脂的实施例可以包括三个或更多个以相同方式收集残余树脂的抽吸嘴。

尽管已在附图中示出本发明的若干实施例，但本发明并不限于此，本发明的范围应与本领域所允许的广泛范围一致，本说明书的范围也应如此理解。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是具体实施例的示例性说明。

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)

1.一种高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，包括：

图像投影系统，用于投射用于3D打印成像的图像并与打印头配合进行树脂固化；

第一槽（30a），用于收集第一打印头（60a）喷出的多余的第一树脂；

第一打印头（60a），设置在所述第一槽（30a）内，用于喷涂第一树脂；

第一储存容器（40a），与所述第一槽（30a）连接，用于容纳从所述第一槽（30a）中流出的第一树脂；

第二槽（30b），用于收集第二树脂；

第二打印头（60b），设置在所述第二槽（30b）内，用于喷涂第二树脂；

第二储存容器（40b），与所述第二槽（30b）连接，用于容纳从所述第二槽（30b）中流出的第二树脂；

样本平台（20），能够在驱动机构的带动下在所述第一打印头（60a）和所述第二打印头（60b）的打印区域内移动，以使打印件在所述样本平台（20）上产生；所述样本平台（20）通过第一路径往返于所述第一打印头（60a）和所述第二打印头（60b）的打印区域之间；

第一抽吸嘴（120a），设置在第一路径上，位于所述第一槽（30a）和第二槽（30b）之间且靠近所述第一槽（30a）一侧并与所述第一槽（30a）连通，用于抽走所述样本平台（20）上具有滴落风险的第一树脂；

第二抽吸嘴（120b），设置在第一路径上，所述第一槽（30a）和第二槽（30b）之间且靠近所述第二槽（30b）一侧并与所述第二槽（30b）连通，用于抽走所述样本平台（20）上具有滴落风险的第二树脂。

2.根据权利要求1所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，还包括：

第一树脂泵，用于将所述第一储存容器（40a）内的第一树脂泵送到所述第一打印头（60a）；

第二树脂泵，用于将所述第二储存容器（40b）内的第二树脂泵送到所述第二打印头（60b）。

3.根据权利要求2所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，所述第一抽吸嘴（120a）的两侧分别设有第一高叶片（250a）、第一矮叶片（260a），所述第一高叶片（250a）的高度大于所述第一矮叶片（260a），所述第一高叶片（250a）相对靠近于所述第一槽（30a）一侧设置，所述第一矮叶片（260a）相对靠近于所述第二槽（30b）一侧设置；

所述第二抽吸嘴（120b）的两侧分别设有第二高叶片（250b）、第二矮叶片（260b），所述第二高叶片（250b）的高度大于所述第二矮叶片（260b），所述第二高叶片（250b）相对靠近于所述第二槽（30b）一侧设置，所述第二矮叶片（260b）相对靠近于所述第一槽（30a）一侧设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，所述第一抽吸嘴（120a）和第二抽吸嘴（120b）连接至相应的抽吸容器，抽吸容器经由歧管（180）连接至真空室（170），每个抽吸容器都能够经由相应的阀门连接到相应的储存容器。

5.根据权利要求1-3任一项所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，所述第一打印头（60a）、第二打印头（60b）是锥台状，在锥台处具有扁平的尖端（70），所述尖端（70）包括透明的透气窗口（80），通过所述透气窗口（80）能够传送光学图像，所述透气窗口（80）具有横向尺寸以容纳DLP模块（200）投影的整个光学图像。

6.根据权利要求5所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，所述第一打印头（60a）、第二打印头（60b）都外接环形嘴（90），所述环形嘴（90）流体联接至相应的液体泵（110），所述液体泵能够将树脂（50）从储存容器（40）泵送到打印头的尖端（70）；环形嘴（90）是锥台状，其外壁以与水平面成一定角度向上或向内延伸，并且环形嘴（90）具有环形开口，所述环形开口邻近并外接打印头的尖端（70）。

7.根据权利要求1-3任一项所述的高利用率的多材料树脂3D打印系统，其特征在于，所述图像投影系统包括：

计算机（190）；

DLP模块（200），与所述计算机（190）通信连接，用于打印图像的投影；

第一镜头（150a），用于接受所述DLP模块（200）的投影并向第一打印头（60a）聚焦光学图像；

第二镜头（150b），用于接受所述DLP模块（200）的投影并向第二打印头（60b）聚焦光学图像；

分束器（210），设置与所述DLP模块（200）的投影光路上，用于将投影的一份图像转换为两份图像分别投射向第一镜头（150a）和第二镜头（150b）；

反射镜（220），用于将所述分束器（210）分出的其中一份图像反射向所述第二镜头（150b）；

电荷耦合器件（240），用于监测第一镜头（150a）和第二镜头（150b）聚焦的所述数字图像。

8.一种高利用率的多材料树脂3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用第一打印头（60a）将第一树脂在样本平台（20）上打印，并通过第一槽（30a）收集第一打印头（60a）喷出的多余的第一树脂，并将多余的第一树脂收集入第一储存容器（40a）内；

将样本平台（20）向第二打印头（60b）移动，并在样本平台（20）移动路径上使用第一抽吸嘴（120a）抽走所述样本平台（20）上具有滴落风险的第一树脂；

将第一抽吸嘴（120a）抽取的第一树脂通入第一储存容器（40a）内。

9.根据权利要求8所述的高利用率的多材料树脂3D打印方法，其特征在于，还包括步骤：将第一储存容器（40a）内收集的第一树脂通过第一树脂泵泵送到所述第一打印头（60a）。

10.根据权利要求8所述的高利用率的多材料树脂3D打印方法，其特征在于，还包括步骤：

通过将对应于超大尺寸层的光学图像分成多个数字子图像，进行多次曝光打印；

打印超大尺寸层时一次打印一个分部，其中每个分部对应于其中一个子图像，邻近分部的相邻边缘打印成彼此重合；

在分布在最大尺寸层的X和Y方向上的多个点处进行偏移测量，将测量值拟合到二阶或更高阶多项式，基于该多项式补偿所观察到的XY载台的非线性偏移。

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