CN117207518A - 光固化3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光固化3D打印方法，包括S1、对待加工零件采用激光逐层按路径扫描，完成零件固化；S2、根据所述零件表面的结构形成尺寸，选取尺寸和形状相匹配的模具插入所述结构中；S3、使用紫外线照射零件，使树脂硬化后，取出所述模具。利用光敏树脂在激光扫描后固化但硬度较低的特性，通过预置模具的方法去除零件微小结构中残留树脂并修正尺寸，可以获得与理论尺寸一致的结构，提高光固化3D打印微小结构的精度和效率，推动光固化3D打印技术的应用和发展，使得通过光固化3D打印方式生产航空气动试验件等高尺寸精度、表面具有微小结构的产品成为可能。

Description

光固化3D打印方法

技术领域

本发明涉及一种光固化3D打印方法。

背景技术

光固化3D打印技术使用特定波长和强度的激光聚焦到光敏树脂材料表面，使之由点到线、由线到面、顺序凝固，完成一个层面的打印，再逐层固化，堆积于基板上，最终成形目标三维实体。光固化3D打印技术最大的特点是制造过程无需专用的模具，增加了制造工艺的生产效率和柔性，又极大地节省了工装和生产成本，降低了制造周期，主要应用于树脂模具、模型以及航空航天模拟试验件的制造和生产中。

使用光固化技术打印零件时，由于逐层扫描的工作方式导致打印表面出现层与层之间的台阶，以及少量残留光敏树脂附着表面，会使得零件表面精度和平整度下降，在零件打印完后需要清洗打磨保证表面质量。但是在打印微小结构时，内表面难以清洗打磨，受零件收缩、层间台阶和残留光敏树脂等因素影响导致尺寸精度下降，而且尺寸越小质量越差，当尺寸过小时残留光敏树脂甚至会完全堵塞。

现阶段为了提升光固化3D打印微小结构尺寸精度，需要通过软件给零件模型中的尺寸增加一个补偿量，使得结构打印后收缩与期望值相近，但是无法消除台阶效应和残留的光敏树脂。如果采用后续机加的方式保证尺寸，需考虑零件结构位置干涉，还会增加制造工序和成本，降低了制造效率，无法发挥光固化3D打印设计自由度高、低成本、高效率的特点，制约了光固化3D打印技术的应用和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中微小结构中残留光敏树脂导致尺寸精度下降的问题，提供一种光固化3D打印方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种光固化3D打印方法，包括：

S1、对待加工零件采用激光逐层按路径扫描，完成零件固化；

S2、根据所述零件表面的结构形成尺寸，选取尺寸和形状相匹配的模具插入所述结构中；

S3、使用紫外线照射零件，使树脂硬化。

本技术方案中，利用光敏树脂在激光扫描后固化但硬度较低的特性，通过预置模具的方法去除零件微小结构中残留树脂并修正尺寸，可以获得与理论尺寸一致的结构，提高光固化3D打印微小结构的精度和效率，推动光固化3D打印技术的应用和发展，使得通过光固化3D打印方式生产航空气动试验件等高尺寸精度、表面具有微小结构的产品成为可能。

较佳地，在步骤S1和步骤S2之间包括以下步骤：

S11、对所述零件进行清洗，并去除支撑。

本技术方案中，清洗零件避免残留的光敏树脂会影响模具的插入，造成表面的不平整。在零件初步固化后去除支撑，可以避免加入的支撑对插入模具造成阻碍和干扰。

较佳地，在步骤S3之后，包括：

S4、取出所述模具。

本技术方案中，避免金属模具干扰零件的正常使用，使得金属零件可以复用。

较佳地，在步骤S4之后，包括：

S5、对所述零件进行清洗。

本技术方案中，避免残留的光敏树脂造成干扰。

较佳地，对所述零件进行清洗的清洗方式为采用酒精进行清洗。

本技术方案中，酒精作为常用有机溶剂，清理树脂简便易行。

较佳地，在步骤S1之前包括：

S01、对所述零件的模型进行切片分层和扫描路径规划。

本技术方案中，提高打印精度。

较佳地，所述模具为高硬度金属。

本技术方案中，使用高硬度金属便于进行对零件进行定型，便于金属模具复用。

较佳地，所述结构的形状为台阶状圆孔，所述模具的形状为圆棒状。

本技术方案中，圆棒状金属模具与台阶状圆孔相互配合，通过模具获得与理论尺寸一致的光滑气膜孔。

较佳地，所述结构为微小结构。

较佳地，所述结构为内凹结构。

本发明的积极进步效果在于：

利用光敏树脂在激光扫描后固化但硬度较低的特性，通过预置模具的方法去除零件微小结构中残留树脂并修正尺寸，可以获得与理论尺寸一致的结构，提高光固化3D打印微小结构的精度和效率，推动光固化3D打印技术的应用和发展，使得通过光固化3D打印方式生产航空气动试验件等高尺寸精度、表面具有微小结构的产品成为可能。

附图说明

图1为本发明光固化3D打印方法实施例一的流程图。

图2为本发明光固化3D打印方法实施例一的具体流程图。

图3为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印过程示意图。

图4a为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印小孔的步骤S11示意图；

图4b为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印小孔的步骤S2示意图；

图4c为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印小孔的步骤S3示意图；

图4d为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印小孔的步骤S4示意图。

图5a为本发明光固化3D打印方法实施例二的打印带倒角小孔的步骤S11示意图；

图5b为本发明光固化3D打印方法实施例二的打印带倒角小孔的步骤S2示意图；

图5c为本发明光固化3D打印方法实施例二的打印带倒角小孔的步骤S3示意图；

图5d为本发明光固化3D打印方法实施例二的打印带倒角小孔的步骤S4示意图。

图6a为常规3D打印方法打印0.2mm圆孔的效果图；

图6b为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印0.2mm圆孔的效果图。

图7a为常规3D打印方法打印0.3mm圆孔的效果图；

图7b为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印0.3mm圆孔的效果图。

图8a为常规3D打印方法打印0.5mm圆孔的效果图。

图8b为本发明光固化3D打印方法实施例一的打印0.5mm圆孔的效果图。

附图标记说明：

基板1

成形缸2

涂铺装置3

打印用光敏树脂原材料4

试验件5

激光器6

激光束7

基板支架8

固化后零件9

光敏树脂11

金属模具12

紫外光13

硬化后零件14

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1和图2所示，本发明公开了一种光固化3D打印方法，并具体公开了如下步骤：

S1、对待加工零件采用激光逐层按路径扫描，完成零件固化；

S2、根据零件表面的结构形成尺寸，选取尺寸和形状相配的模具插入结构中；

S3、使用紫外线照射零件，使树脂硬化。

利用光敏树脂在激光扫描后固化但硬度较低的特性，通过预置模具的方法去除零件微小结构中残留树脂并修正尺寸，可以获得与理论尺寸一致的结构，提高光固化3D打印微小结构的精度和效率，推动光固化3D打印技术的应用和发展。

结构的形状为台阶状圆孔，模具的形状为圆棒状。圆棒状金属模具和台阶状可以相互配合，通过模具获得与理论尺寸一致的光滑气模孔。本发明提供的打印方法更加适用于微小且内凹的结构，在这种内凹结构中，零件内部容易残留树脂，无法获得与理论尺寸一致的结构。同时，对于微小的结构(通常在0.5mm以内)，由于光敏树脂的表面张力等材料特性，难以通过常规的3D打印工艺形成符合涉及要求的结构，因此，需要通过本发明提供的打印方法进行修正。

具体，本发明在实施完成步骤S3之后，可继续实施步骤S4：将模具从上述结构中取出。

在完成硬化之后将模具取出，可以避免模具干扰零件的正常使用，同时，材质为金属的模具可以复用，节约成本。

在步骤S4之后，包括步骤S5：对零件进行清洗。

在步骤S11和步骤S5中的清洗过程中，对零件进行清洗的清洗方式为采用酒精进行清洗。酒精作为常用有机溶剂，清理树脂简便易行。

在步骤S1之前包括步骤S01、对零件的模型进行切片分层和扫描路径规划，提高打印精度。

本光固化3D打印方法中，使用的模具为高硬度金属。使用高硬度金属便于对零件进行定型，便于金属模具复用。另外，在本实施例中，对于外形相对规则的结构(圆柱形孔洞、正方形孔洞等)，对应的模具可直接采用塞规来实现，因此，可通过采购方式获得模具，无需开模或机加工，有效降低成本。

如图1、图3、图4a、图4b、图4c、图4d所示，使用该方法制备某航空发动机叶片模拟试验件，叶片外壁分布大量圆形气模孔，壁厚为0.6mm-1.2mm，孔径为0.2mm-0.5mm，首先对零件模型进行切片分层，对每层模型打印路径进行规划，每层打印高度为0.1mm，使用激光器6扫描光敏树脂固化成零件后，使用酒精清洗零件表面残留的光敏树脂并去除支撑，获得圆孔呈台阶状，内部残留光敏树脂。将长度5mm，直径0.2mm-0.5mm的圆棒状金属模具放入对应孔径的气膜孔中，金属模具使用高强度金属中的钨合金、钼合金，金属模具也可以使用其他高强度金属。金属模具表面光滑。将带有金属模具的零件放入后固化箱后照射紫外线值得树脂硬化后，去除金属模具，获得理论尺寸一致的光滑气模孔。该方法与原有方法效果对比如图6a、图6b、图7a、图7b、图8a、图8b所示。其中，在图6a为采用常规打印方法(现有技术)打印出的0.2mm圆孔的效果，图6b为采用本发明提供的打印方法所打印出的0.2mm圆孔的效果。通过比较图6a和图6b可以看出，采用本发明提供的打印方法所打印出的0.2mm圆孔形状更完整，直径尺寸更接近于0.2mm，可有效满足制备航空发动机叶片模拟试验件的高精度需求。

同样的，图7a、图7b、是对于直径尺寸为0.3mm的圆孔；图8a、图8b是对于直径尺寸为0.5mm的圆孔。采用常规打印方法和本发明提供的打印方法所硬化之后的产品实际情况比较，可以明显看出，本发明提供的打印方法对于各种小尺寸的内凹结构的成型显著效果，尤其是0.2mm这样尺寸相对更小的微小结构，本发明提供的打印方法的成型效果十分显著。

如图1和图2所示，本发明所采用的3D打印方式的零件固化方式，将基板1固定在基板支架8上，可以带动基板1上下移动。打印用光敏树脂原材料4储存于成形缸2中，基板1上均布密集圆孔，打印过程底部生长于成形缸2，用于扫描光敏树脂的激光束7按照程序设定形状和路径逐层对打印用光敏树脂原材料4的上表面进行照射，上表面原材料经照射固化后，带动打印过程中试验件5下沉一个层厚，涂铺装置3扎起打印用光敏树脂原材料4和打印过程中试验件5的上表面沿水平方向进行往复运动，完成涂铺动作后，系统按照程序设定开始下一层打印，零件全部固化形成固化后零件9。

之后，具体如图4a、图4b、图4c、图4d所示，图4a、图4b、图4c、图4d分别对应于零件在固化后的实施的四步操作。具体的，对于固化后零件9上所形成的斜孔10，其内壁形成台阶状并残留少许残留在小孔内的光敏树脂11。将表面光滑的圆棒状金属模具12沿孔径方向放入固化后斜孔10中，使用紫外线照射使得固化后零件9硬化变为硬化后零件14，将表面光滑的圆棒状金属模具12取出后，获得与理论尺寸一致的处理后斜孔15。

另外，虽然图4a、图4b、图4c、图4d展示了对应于内凹的通孔结构的3D打印方法，但是，本发明所提供的光固化3D打印方法也同样适用于盲孔结构，尤其是内凹的、尺寸微小的盲孔结构。通过将模具塞入盲孔内，使得残余在盲孔内壁面上的光敏树脂能够被推入并集中于盲孔底部，使得在完成硬化之后同样可以获得外形尺寸符合要求的内壁面结构。

实施例2

采用与实施例1相同的方法制备航空发动机叶片模拟试验件，与实施例1不同之处在于圆形气膜孔带有倒角。固化后获得圆孔呈台阶状，孔被光敏树脂完全堵塞，如图3、图5a、图5b、图5c、图5d所示，使用加工带倒角的圆棒状金属模具进行制备，获得带倒角的光滑圆孔。

具体如图5a、图5b、图5c、图5d所示，固化后零件9上带斜角的斜孔16的形成台阶状并在通孔底部位置处残留少许光敏树脂11。将表面光滑的带倒角圆棒状金属模具17沿孔径方向放入固化后斜孔16中，使用紫外线照射使得固化后零件9硬化变为硬化后零件14，将表面光滑的带倒角圆棒状金属模具17取出后，获得与理论尺寸一致的处理后的带倒角斜孔18。

实施例3

采用与实施例1相同的方法制备航空发动机叶片模拟试验件，与实施例1不同之处在于零件上气孔为簸箕形小孔，使用与小孔相同的尺寸的簸箕形金属模具进行制备，获得簸箕形光滑圆孔。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光固化3D打印方法，其特征在于，包括：

S1、对待加工零件采用激光逐层按路径扫描，完成零件固化；

S2、根据所述零件表面的结构形成尺寸，选取尺寸和形状相匹配的模具插入所述结构中；

S3、使用紫外线照射零件，使树脂硬化。

2.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，在步骤S1和步骤S2之间包括以下步骤：

S11、对所述零件进行清洗，并去除支撑。

3.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，在步骤S3之后，包括：

S4、取出所述模具。

4.如权利要求3所述的光固化3D打印方法，其特征在于，在步骤S4之后，包括：

S5、对所述零件进行清洗。

5.如权利要求2或4所述的光固化3D打印方法，其特征在于，对所述零件进行清洗的清洗方式为采用酒精进行清洗。

6.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，在步骤S1之前包括：

S01、对所述零件的模具进行切片分层和扫描路径规划。

7.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述模具为高硬度金属。

8.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述结构的形状为台阶状圆孔，所述模具的形状为圆棒状。

9.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述结构为微小结构。

10.如权利要求1所述的光固化3D打印方法，其特征在于，所述结构为内凹结构。