CN115972569A - 一种快速大体积固化的连续3d打印装置和技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速大体积固化的连续3D打印装置和技术，包括紫外光幕整形系统、反射式掩模投影系统、方形透明树脂槽和升降基板，所述紫外光幕整形系统设置于方形透明树脂槽两侧，所述反射式掩模投影系统设置于方形透明树脂槽下方，所述升降基板设置于方形透明树脂槽上方；所述紫外光幕整形系统在方形透明树脂槽底部上表面形成具有抑制固化效果的阻聚层，所述反射式掩模投影系统实现对阻聚层上方液态光敏树脂的掩模固化，所述抬升基板对固化树脂层进行持续向上抬升，实现连续3D打印。本发明无需分离过程，可连续高速打印，精度高、稳定性好，可打印大体积工件，机械性能各向同性。

Description

一种快速大体积固化的连续3D打印装置和技术

技术领域

本发明涉及光固化立体成型领域，特别涉及一种快速大体积固化的连续3D打印的设备和方法。

技术背景

光固化3D打印技术是一种通过光辐射使液态光敏树脂逐层固化实现三维立体成形的增材制造技术，自1986年第一台商用光固化3D打印机问世以来，就因为其可以实现任意结构制造特性而备受关注，现已在艺术设计、珠宝首饰、牙科、医疗器件等领域广泛应用，并且在航空航天、生物医学、通讯电子、光学加工等重要战略性领域也有着巨大应用潜力。

光固化3D打印技术最开始采用激光束扫描固化的形式，这种方法虽然精度高、打印横截面积大，但打印速度慢，难以满足大体积、大批量产品制造的要求。基于数字光投影(Digital Light Processing,DLP)和液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)进行面曝光的固化方式大大提高了打印的速度，并且随着投影技术和材料技术的发展，其成形精度也在不断提高，因而逐渐成为了目前市场上的主流光固化3D打印技术。按成形方向的不同可将其分为自上而下和自下而上两大类型：自上而下曝光3D打印系统中，截面图案经掩模后投影，使基板上方一层的液态光敏树脂固化，然后基板下降一定高度，用刮板使液态光敏树脂充分填充到固化层上方，再进行新一轮的固化，如此重复完成整个零件制造；自下而上曝光的3D打印系统中，基板与离型膜之间预留的液态光敏树脂层被下方掩模投影的光所固化，固化层黏附在上方的基板表面，随后基板上升一定高度，周围的液态光敏树脂回流填充后基板再下降，固化层与离型膜之间产生新一层液态光敏树脂，再进行新一轮的固化，重复操作直至完成整个零件。前者的优点就是零件的截面面积可以很大，但缺点就是零件高度受树脂槽深度限制，同时，光致聚合反应发生在空气中，由于氧气的阻聚效果，使用自由基光敏树脂的固化效果不理想。后者的优点就是零件高度不受限制，可选树脂种类更多，稳定性更好，零件表面树脂残留更少，而缺点也很明显，受树脂黏度的限制，零件横截面积不能太大，否则树脂回流填充不充分会导致打印失败，固化层与离型膜的分离过程不仅降低了打印效率，而且克服两者之间的粘附力时也可能导致零件失真或成型失败。当然，出于对材料和设备成本的考虑，自下而上的光固化3D打印机的市场占有率仍很高。

为克服自下而上曝光的3D打印机在成形稳定性和打印速度方面的缺点，研究人员进行了大量研究。在提高成形稳定性上，有人提出在树脂槽底部涂覆粘附性更小的膜层，但效果不明显，于是有研究者采用双通道分离的方式，即树脂槽左半部分涂覆一定厚度不粘膜，右半部无膜层，光敏树脂在左侧固化后平移到右侧，再垂直抬升基板使固化层移出液面，随后基板平移回左侧再下降，该方法可有效减小垂直牵引时的分离力，提高稳定性，但设备较复杂。还有研究者采用倾斜分离的方式，即基板在垂直抬升时将树脂槽一端向下倾斜，将垂直牵引分离变为倾斜剥离的过程，该方法同样可以较小分离力，但对于较复杂的结构容易造成失真。还有研究者采用振动分离、旋转分离等方式来减小分离力，均取得了不错的效果。以上这些方法仅针对成形稳定性，对于打印速度上的提升没有影响，这主要是受限于固化层与约束面的分离过程。

为突破分离过程的限制，有学者提出了连续液面成型(Continuous LiquidInterface Production,CLIP)技术，将离型膜换成透氧膜，利用氧气分子的阻聚效果使固化层与透氧膜之间形成一层不固化的“死区”，从而省去了分离的过程，实现连续打印。由于阻聚区厚度仅几十微米，不仅限制了光敏树脂的回填效率，使其打印零件的横截面积和打印速度都有一定限制，而且固化区的热量堆积问题很容易导致打印失败，于是有学者就提出移动液体界面成型(High-area Rapid Printing,HARP)技术，即透氧膜换成更稳定的透明玻璃，通过高密度的、不与树脂相溶的氟化油将固化层与玻璃隔开，循环流动的油层不仅带走热量，也增加了树脂的回流速度。但是，流动地、高密度的油不仅降低了成形精度，也减少了固化区的光能量。有学者就提出一种双波长光引发-抑制3D打印技术，利用458nm蓝光引发聚合和365nm紫光抑制聚合的效果，两种波长的光同时同向照射，由于树脂对两种光的吸收效果不同，靠近隔离玻璃区域的树脂被抑制，靠近基板的树脂被固化，通过调节蓝光的灰度值，便实现了基板上树脂的不同固化高度，该方法将阻聚层的形成方式变为光抑制效果，摆脱了对自由基光敏树脂的依赖。有学者就提出一种交叉式双波长3D打印技术，将激光的腰斑附近处理成一块双曲面型的“光幕”，光幕上的树脂被预固化后，再由紫外光图案照射，移动光幕同时变换图案便可实现快速成型。这种方法采用的是高黏度树脂水平成型的方式，两级曝光使树脂固化速度非常快，并且在树脂槽和激光能量允许的条件下，其固化深度和高度是不受限制的，但固化宽度很小，受激光腰斑深度的影响。

由此可见，连续光固化3D打印技术不仅可以省去分离过程，提高成形稳定性，其打印速度的上限也被进一步提高，对于光固化3D打印技术的进一步发展具有巨大推动作用。

发明内容

本发明针对现有商用光固化3D打印机在打印速度和成形稳定性上的不足之处，结合众多学者提出的方法，提出一种连续光固化3D打印的设备和方法，实现大体积三维模型的快速制造。

本发明所提供的技术方案如下：

一种快速大体积固化的连续3D打印设备，包括紫外光幕整形系统、反射式掩模投影系统、方形透明树脂槽和升降基板。所述紫外光幕整形系统分别设置于方形透明树脂槽两侧，所述反射式掩模投影系统设置于方形透明树脂槽下方，所述升降基板设置于方形透明树脂槽上方。

在本发明一个较佳实施例中，所述紫外光幕整形系统采用波长355nm的固体激光器，还设置有鲍威尔棱镜、柱面透镜、分束镜和反射镜。

在本发明一个较佳实施例中，所述反射式掩模投影系统采用波长470nm的蓝光LED光源，还设置有准直透镜、复眼透镜、会聚透镜、数字微镜器件(DMD)和投影物镜。

在本发明一个较佳实施例中，所述方形透明树脂槽采用1mm厚度石英玻璃，树脂槽尺寸为25mm×25mm×25mm。

一种快速大体积固化的连续3D打印方法，包括以下步骤：

a、设计三维模型，并采用切片软件对模型进行等厚切片处理，得到若干包含横截图案的二维图像文件；

b、设置DMD的掩模曝光时间和每张图像切换的间隔时间，根据每张横截图案的曝光时间和层厚自动设置基板抬升的速度；

c、开启运动控制设备，基板调整至零点位置，即与透明树脂槽底部间隔1mm的距离；

d、激光器启动，紫外激光束经过鲍威尔棱镜后形成发散的线激光束，再经过柱面透镜后平行出射，随后经过分束镜产生两束能量相同的线激光束，两束线激光束分别经过两个反射镜后在透明树脂槽中重合，在树脂槽底部形成约1mm厚度的光幕，光幕所在的区域树脂被抑制固化而形成阻聚区；

e、LED光源启动，发散的蓝光经过准直透镜后照射到复眼透镜上，经过微透镜阵列匀光后再由会聚透镜将光束会聚到DMD上，横截图像在DMD上掩模后被蓝光反射成像，再经过投影物镜照射到透明树脂槽底，使上方的液态光敏树脂固化，固化层粘附在基板表面；

f、基板开始匀速向上抬升，同时DMD依次掩模出横截图案，直至最后一层图案被投影完成；

g、LED光源关闭，激光器关闭，基板继续抬升到固化的三维物体完全离开树脂槽，设备关闭。

本发明相较于目前主流的商用光固化3D打印设备，所达到的有益效果有：本发明是连续3D打印，无需固化层与离型膜的分离过程，基板不间断抬升，不需要频繁的抬升再调整定位，打印效率更高；通过紫外激光束对光致聚合反应的抑制效果形成毫米量级的阻聚层，提高了树脂回流的速度，进而提高了该设备3D打印的速度上限；在保证树脂充分回流的情况下，所打印三维模型的体积可以更大；较大厚度的阻聚层可以提供一定的散热效果，避免光致聚合反应产生的热量在固化区堆积，保证了成形的稳定性；所用树脂的黏度可以更大，进一步扩展了光固化3D打印的材料使用范围；所用紫外光幕整形系统和反射式掩模投影系统均进行了匀光设计，提高了固化层的垂直固化稳定性和横向固化精度。

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的附图作简单介绍，其中：

图1是本发明的一种快速大体积固化的连续3D打印设备整体结构的立体主视图；

图2是图1中紫外光幕整形系统的光束调制原理俯视图；

图3是图1中反射式掩模投影系统的光线传递效果前视图；

图中标记如下：激光器1、鲍威尔棱镜2、柱面透镜3、分束镜4、反射镜5、反射镜6、LED光源7、准直透镜8、复眼透镜9、会聚透镜10、DMD11、投影物镜12、方形透明树脂槽13、升降基板14、紫外激光束15、线激光束16、蓝光束17、液态光敏树脂18、固化树脂19。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述。

所图1、图2和图3所示，是本发明实施例中一种快速大体积固化的连续3D打印设备，包括紫外光幕整形系统、反射式掩模投影系统、方形透明树脂槽13和升降基板14。所述方形透明树脂槽13固定于平台之上，且底部与两侧无遮挡，所述激光整形系统位于方形透明树脂槽13同一高度，包括激光器1、鲍威尔棱镜2、柱面透镜3、分束镜4、反射镜5和反射镜6，所述反射式掩模投影系统位于方形透明树脂槽13下方，包括LED光源7、准直透镜8、复眼透镜9、会聚透镜10、DMD11和投影物镜12。

上述中，所述紫外光幕整形系统所产生的两束线激光束16垂直于方形透明树脂槽13两侧入射，在方形透明树脂槽13底部的上表面重合。

上述中，所述反射式掩模投影系统的清晰成像面位于线激光束16的上表面，且与升降基板14处于零点位置时重合。

上述中，所述升降基板14位于方形透明树脂槽13上方，仅支持垂直方向上的连续或间断性移动，固化树脂19粘附于升降基板14的下表面，所述方形透明树脂槽13中装有液态光敏树脂18。

本实施例中，所述激光器1出射光斑直径为1mm、波长为355nm的紫外激光束15，所述鲍威尔棱镜2出射线激光束16的发散角为30°，所述柱面透镜3的焦距为50mm，所述分束镜4的分光比为50/50，所述反射镜5和反射镜6都是针对355nm波长的紫外反射镜。

本实施例中，所述反射式掩模投影系统所用光源是波长为470nm的蓝光LED光源7，所述准直透镜8焦距为30mm，所述复眼透镜9为一体式双面矩形微透镜阵列，所述会聚透镜10为焦距94mm的双凸透镜，所述投影物镜12的放大率1～2倍可调。

本实施例中，所述方形透明树脂槽13所用材料为厚度1mm的石英玻璃片，容积尺寸为25mm×25mm×25mm。

本实施例中，所述升降基板14由步进电机控制运动，升降基板14底部为磨砂金属板，以增加固化层和基板的粘附力。

本实施例中，所述液态光敏树脂18采用三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(trimethylolpropane triacrylate，TMPTA)作为预聚物、樟脑醌(camphorquinone，CQ)和4-二甲氨基苯甲酸乙酯(ethyl 4-(dimethylamino)benzoate，EDAB)作为引发剂和共引发剂、亚硝酸丁酯(butyl nitrite，BN)作为抑制剂，按一定比例配制而成，具有双波长光引发—抑制效果。

本发明还提供了实施例的详细打印方法，包括以下具体步骤：

a、设计三维模型，并采用切片软件对模型进行等厚切片处理，得到若干包含横截图案的二维图像文件；

b、根据切片厚度，设置DMD11的掩模曝光时间和每张图像切换的间隔时间，同时设置升降基板14的抬升速度；

c、开启设备，升降基板14调整至零点位置，与方形透明树脂槽13底部间隔1毫米的距离；

d、激光器1启动，紫外激光束15经过鲍威尔棱镜2后形成均匀发散的线激光束16，再经过柱面透镜3会聚后平行出射，随后经过分束镜4产生两束能量相同的线激光束16，两束线激光束16分别经过反射镜5和反射镜6后在方形透明树脂槽13中重合，并形成约1mm厚度的光幕，光幕上表面与升降基板14重合，光幕下表面与方形透明树脂槽13底部的上表面重合，光幕所在的区域即是阻聚层；

e、LED光源7启动，发散的蓝光束17经过准直透镜8后照射到复眼透镜9上，由微透镜阵列匀光后出射，再由会聚透镜10将蓝光束17会聚到DMD11上，经过DMD11掩模后反射，再经过投影物镜12成像到方形透明树脂槽13底部，使液态光敏树脂18的固化反应开始；

f、升降基板14开始匀速向上抬升，升降基板14与阻聚层之间的液态光敏树脂18开始固化，同时DMD11依次变换掩模图案，直至最后一层图案被投影完成；

g、LED光源7关闭，激光器1关闭，升降基板14继续抬升到固化的三维物体完全离开方形透明树脂槽13后停止运动；

h、从升降基板14上取下打印好的固化树脂19，关闭设备。

上述实施例中，仅用波长355nm的紫外光进行聚合反应抑制、波长470nm的蓝光引发聚合反应，并不用于限定本发明，可根据添加的抑制剂和引发剂的不同来调整光源的波长。

上述实施例中，仅用光斑直径1mm的激光，所产生的阻聚层厚度也为1mm，并不用于限定本发明，可根据光敏树脂的黏度和打印速度的要求，调整阻聚层的厚度，实现更稳定、更快的打印效果。

与目前主流的商用光固化3D打印设备相比，本发明的打印速度上限和垂直打印精度更高，无需重复的分离过程，可连续打印，保证了成形的稳定性且成形体机械性能各向同性，同时，阻聚层的厚度提升到毫米量级，确保连续打印时即使是高黏度树脂也能充分回流填充，在提高打印速度时还可以保证物体有更大的固化体积。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例中所记载的技术方案进行修改或部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速大体积固化的连续3D打印设备，其特征在于，包括紫外光幕整形系统、反射式掩模投影系统、方形透明树脂槽和升降基板；所述紫外光幕整形系统设置于方形透明树脂槽两侧，所述反射式掩模投影系统设置于方形透明树脂槽下方，所述升降基板设置于方形透明树脂槽上方。

2.根据权利要求1所述的快速大体积固化的连续3D打印设备，其特征在于，所述方形透明树脂槽固定于平台之上，且两侧和底部无遮挡，以保证光线的垂直入射。

3.根据权利要求1所述的快速大体积固化的连续3D打印设备，其特征在于，所述紫外光幕整形系统由激光器、鲍威尔棱镜、柱面透镜、分束镜和两块反射镜组成，与方形透明树脂槽位于同一高度，激光束经整形后分两束光从方形透明树脂槽两侧同时垂直入射，且线激光束下表面与方形透明树脂槽底部的上表面接触。

4.根据权利要求1至3所述的快速大体积固化的连续3D打印方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、设计三维模型，并采用切片软件对模型进行等厚切片处理，得到若干包含横截图案的二维图像文件；

b、设置DMD的掩模曝光时间和每张图像切换的间隔时间，根据每张横截图案的曝光时间和层厚自动设置基板抬升的速度；

c、开启设备，升降基板调整至零点位置，与透明树脂槽底部间隔1mm的距离；

d、激光器启动，激光束经过鲍威尔棱镜后形成发散的线激光束，再经过柱面透镜后平行出射，随后经过分束镜产生两束能量相同的线激光束，两束线激光束分别经过反射镜后在方形透明树脂槽底部的上表面处中重合，形成约1mm厚度的光幕，光幕所在的区域即是阻聚层；

e、LED光源启动，发散的蓝光经过准直透镜后照射到复眼透镜上，经过微透镜阵列匀光后再由会聚透镜将光束会聚到DMD上，横截图像在DMD上掩模后被蓝光反射成像，再经过投影物镜照射到透明树脂槽底，使上方的液态光敏树脂固化，固化层粘附在基板表面；

f、升降基板开始匀速向上抬升，同时DMD依次掩模出横截图案，直至最后一层图案被投影完成；

g、LED光源关闭，激光器关闭，升降基板继续抬升到固化的三维物体完全离开树脂槽，设备关闭。

5.根据权利要求4所述的快速大体积固化的连续3D方法，其特征在于，所述升降基板的抬升速度是与切片厚度、曝光时间和图像切换间隔时间相匹配的。

6.根据权利要求4所述的快速大体积固化的连续3D方法，其特征在于，所述升降基板的零点位置与方形透明树脂槽底部有一定的间隔，间隔宽度等于与激光束光斑直径。

7.根据权利要求4所述的快速大体积固化的连续3D方法，其特征在于，所述激光束经鲍威尔棱镜和柱面透镜整形后出射平行的线激光束，且线激光束宽度约等于方形透明树脂槽侧面宽度。

8.根据权利要求4所述的大快速大体积固化的连续3D方法，其特征在于，所述光幕是由分光后的能量相同的两束线激光束再重合后形成的。

9.根据权利要求4所述的快速大体积固化的连续3D方法，其特征在于，所述反射式掩模投影系统的照明结构经过复眼透镜匀光处理，并且复眼透镜根据DMD芯片结构设计。

Images