CN208730374U - 无分层连续式3d打印系统和光学透镜元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及3D打印领域，特别涉及无分层连续式3D打印系统和打印方法及光学透镜元件。该打印系统透光透氧膜材料的集液袋内装载液态光敏树脂；压力架在打印时压住集液袋，所压之处为平面；压力架可上下移动以改变对集液袋的挤压深度；压力架设置有供紫外光穿过的通孔。本实用新型紫外光照射到集液袋中，紧贴集液袋的外层液态光敏树脂原液因氧气阻聚不固化，而其下处于无氧状态光敏树脂原液被紫外光照射固化，压制在集液袋上的压力架连续上行，集液袋的液态光敏树脂补给到已固化的光敏树脂上面，在紫外光照射下继续固化，压力架连续上行，光敏树脂连续固化，连续快速生产所需的3D产品。逾越了逐层制造技术瓶颈，实现3D打印物件连续式一体化铸造。

Description

无分层连续式3D打印系统和光学透镜元件

技术领域

本实用新型涉及3D打印领域，特别是涉及无分层连续式3D打印系统和光学透镜元件。

背景技术

3D打印技术，属于快速成形技术，以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。

3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。采用该技术可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度(即Z方向)以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi(像素每英寸)或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex系列还有3D Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用3D打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

目前3D打印技术主要包括熔融挤压技术(FDM)、立体光固化技术(SLA)、还是数字光投影技术(DLP)。熔融挤压按技术，即熔融沉积成型，利用高温将材料融化成液态，通过打印头挤出后固化，最后在立体空间上排列形成立体实物。立体光固化技术，采用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。数字光投影技术，应用高辨别率的数字光处置器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层进行光固化。

这些3D打印技术总起来看都是基于多个断层相叠加的增材制造，但是逐层制造的基本原理也为3D打印技术带来了无法弥补的弊端，所制造的物体不仅缺乏光滑表面外观，而且其打印速度也大受影响。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供无分层连续式3D打印系统和光学透镜元件，解决现有技术无法连续3D打印的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种无分层连续式3D打印系统，其包括：紫外光源、透光透氧膜材质的集液袋、压力架；其中，

所述集液袋内装载液态光敏树脂；所述紫外光源和所述压力架均处于所述集液袋的上方；所述压力架在打印时压住所述集液袋，所压之处为平面；所述压力架可上下移动以改变对所述集液袋的挤压深度；

所述压力架设置有供所述紫外光源的紫外光穿过的通孔。

在一些实施例中，优选为，所述透光透氧膜包括：聚乙烯膜、聚丙烯、聚偏二氯乙烯膜、聚二甲基硅氧烷膜中的任一种或多种。

在一些实施例中，优选为，所述压力架配有驱动结构，所述压力架在所述驱动结构的作用下上下运动；和/或，所述集液袋自然放置时，其高度大于3D打印物体的高度。

在一些实施例中，优选为，所述的无分层连续式3D打印系统还包括：固定架，所述驱动结构包括电机，所述电机安装在所述固定架；所述固定架设置导向孔，安装在所述压力架上的导向杆穿过所述导向孔；所述紫外光源也安装于所述固定架上。

在一些实施例中，优选为，所述紫外光源包括：数字化光处理投影仪和菲涅尔透镜，所述数字化光处理投影仪用于发出近紫外光波段的光；所述菲涅尔透镜，用于将所述数字化光处理投影仪发出的光变成平行光，照射到所述集液袋。

本实用新型还提供了一种无分层连续式3D打印系统连续打印的光学透镜元件。光学透镜元件包括：光学透镜、透氧性硬性角膜塑形镜、导光纤维、眼镜镜片和/或人工角膜。

(三)有益效果

本实用新型提供的技术方案中提出了无分层连续式3D打印技术，紫外光照射到透光透氧膜材料的集液袋中，紧贴集液袋的外层液态光敏树脂原液因氧气阻聚不固化，而其下处于无氧状态光敏树脂原液被紫外光照射固化，压制在集液袋上的压力架连续上行，集液袋的形状发生变化，集液袋中的液态光敏树脂补给到已固化的光敏树脂上面，在紫外光照射下继续固化，由此，随着压力架连续上行，光敏树脂连续固化，连续快速生产所需的3D产品。逾越了逐层制造的技术瓶颈，真正实现了3D打印物件的连续式一体化铸造。这不仅使得3D打印物件不再受打印机的机械结构精度影响，在较低成本情况下即获得完全光滑的表面外观结构，而且因去除了常规逐层制造所采用的往复式机械运动，其打印速度大幅度提高。此外，因其采用了连续式一体化打印工艺，从传统的各层之间的简单叠加，转变成无分层的整体铸造，尽最大可能地保障了3D打印物件的内部材料结构强度。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例中的无分层连续式3D打印系统的示意图。

注：1压力架；2集液槽；3导向杆；4导向孔；5电机；6固定架；7数字化光处理投影仪；8菲涅尔透镜；9固定座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，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。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。

为了解决现有无法连续3D打印的问题，本实用新型给出无分层连续式3D打印系统、无分层连续式3D打印系统的打印方法、利用无分层连续式3D打印系统连续打印光学透镜元件的方法和光学透镜元件。

下面将通过基础设计、扩展设计及替换设计对产品、方法等进行详细描述。

本实用新型提供一种无分层连续式3D打印系统，如图1所示，其包括：紫外光源、透光透氧膜材质的集液袋2、压力架；其中，集液袋2内装载液态光敏树脂；紫外光源和压力架均处于集液袋2的上方；压力架在打印时压住集液袋2，所压之处为平面；压力架可上下移动以改变对集液袋2的挤压深度；压力架设置有供紫外光源的紫外光穿过的通孔。

紫外光源包括数字化光处理投影仪7和菲涅尔透镜8，数字化光处理投影仪7发出近紫外光波段的光(后文简称为紫外光)，照射到菲涅尔透镜8上，菲涅尔透镜8将数字化光处理投影仪7发出的散射光转变成平行光，照射到集液袋2。

压力架为平板，中部开有恰好平行光通过的通孔，压力架压在集液袋2上，能为3D打印提供平面的打印平台，可以理解为打印平面。压力架可以上下移动，压力架移动过程中集液袋2的形状变化，液态光敏树脂产生流动，方便补给到已固化光敏树脂的上面，新补给的液态光敏树脂在紫外光照射下继续固化。这种固化原理借助了透光透氧膜材料的集液袋方便氧气、紫外光穿过，紧贴集液袋的外层液态光敏树脂原液内有氧气，因氧气阻聚不固化，而其下处于无氧状态光敏树脂原液被紫外光照射固化。再往下，因为有紫外线阻断剂的存在又无法发生固化。

依靠压力架和集液袋2之间的位置关系和作用力关系，在打印过程中压力架连续上移促使光敏树脂连续运动、固化，从而快速生产得到所需的3D产品。

集液槽采用透光透氧膜制成，透光透氧膜包括：聚乙烯膜、聚丙烯、聚偏二氯乙烯膜、聚二甲基硅氧烷膜中的任一种或多种。透光透氧膜在阻隔液体的同时，可以保障氧气的透过。在透氧膜内侧(液体侧)形成薄层的氧气富集区。在紫外线照射下，该氧气富集区内光敏树脂因氧气的存在而不能固化，而氧气富集区以外的光敏树脂在无氧状态下可以固化。随着打印平台的运动，不断有新的液态光敏树脂从氧气富集区流入，填充到空缺空间内，受紫外线照射固化，使得打印产品连续形成。

压力架需要连续上移(比如打印中)下移(比如打印后或打印前)，因此压力架配有驱动结构，压力架在驱动结构的作用下上下运动。该驱动结构受控制器控制，控制器根据打印进度确定压力架上升速度、上升高度等。

集液袋2与压力架的作用力关系有效补给了液态光敏树脂，集液袋2自然放置时，其高度大于3D打印物体的高度，以方便受挤压时能促进液态光敏树脂流动。

另外，本技术还设置了固定架61，以支撑、固定整个打印系统。其中驱动结构包括电机5，电机5安装在固定架61；固定架61设置导向孔4，安装在压力架上的导向杆3穿过导向孔4；紫外光源也安装于固定架61上。固定架61的下部可以设置固定座，以方便集液袋2放置其上。通过固定架61促使整个3D打印系统更稳定、结构更紧凑。

接下来提供无分层连续式3D打印系统的打印方法，其包括：

步骤a，将透光透氧材质的集液袋置于压力架下方，向下移动压力架并使压力架下压集液袋至预设位置；

本步骤是为了在打印前对打印系统进行装配和准备工作。

在该步骤之前还包括：准备打印原液，并将打印原液置于集液袋中。

压力架下降到预设位置可由控制器进行分析控制。

步骤b，紫外光源按照数字化数据向集液袋发射紫外光，紫外光穿过压力架的通孔；集液袋内部分光敏树脂在紫外光作用下固化；

集液袋内表面为有氧区，不发生固化，集液袋底部的光敏树脂内有紫外线阻断剂也不会固化，在二者之间的光敏树脂固化。

步骤c，压力架连续上行，集液袋形状随之变化，部分液态光敏树脂连续流入已固化光敏树脂上面，新流入的液态光敏树脂在紫外光照射下固化，直至3D打印结束。

下面给出一个更为具体的实施步骤：

步骤110，向集液袋中装载打印原液；

步骤111，将待打印产品的水平剖面图数据发送到数字化光处理投影仪；

步骤112，数字化光处理投影仪按照接收的数据发射紫外光；

步骤113，菲涅尔透镜将散射的紫外光转变成平行的紫外光；

步骤114，将透光透氧材质的集液袋置于压力架下方，向下移动压力架并使压力架下压集液袋至预设位置；

步骤115，紫外光源按照数字化数据向集液袋发射紫外光，紫外光穿过压力架的通孔；集液袋内部分光敏树脂在紫外光作用下固化；

步骤116，压力架连续上行，集液袋形状随之变化，部分液态光敏树脂连续流入已固化光敏树脂上面，新流入的液态光敏树脂在紫外光照射下固化，直至3D打印结束。

接下来给出一种利用无分层连续式3D打印系统连续打印光学透镜元件的方法，其包括：

向集液袋中装入光敏树脂原液和光学透镜元件原液；

执行上述打印方法，得到光学透镜元件。

其中光敏树脂原液包括：按质量百分数计，0.4％光引发剂(2,4,6—三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮等，一种或多种混合)、0.16％紫外线阻断剂(2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、2-(2’-羟基-3’，5’-二叔苯基)-5-氯化苯并三唑、2,2’-(2,5-二苯基硫代)双[5-(1,1-二甲基乙基)]苯并恶唑等，一种或多种混合)和19.89％活性稀释剂正丁基氨基甲酸丙烯酰氧基乙基酯Genomer 1122。此处我们可以制备多种光学透镜元件，下面针对不同光学透镜元件，提供不同光学透镜元件原液：

实施例1，人工晶状体、可植入式隐形眼镜等眼内可植入式光学透镜元件——丙烯酸羟乙酯(HEMA)材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，丙烯酸羟乙酯(HEMA)49.78％+调节材料性状的辅助反应单体(乙烯基吡咯烷酮NVP、甲基丙烯酸甲酯MMA等)19.77％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA10％

实施例2，人工晶状体、可植入式隐形眼镜等眼内可植入式光学透镜元件——疏水性丙烯酸酯材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，丙烯酸苯乙酯(PEA)35％+甲基丙烯酸苯乙酯(PEMA)35％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例3，透氧性硬性角膜塑形镜(Rigid Gas Permeable,RGP)——硅氧烷甲基丙烯酸酯/氟硅丙烯酸酯材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，硅氧烷甲基丙烯酸酯/氟硅丙烯酸酯低聚物70％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例4，眼镜镜片、人工角膜——聚氨酯材料光学透镜元件:

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，甲苯二异氰酸酯(TDI)20％+聚碳酸酯二醇(PCDL)20％+聚乙二醇(PEG)15％+丙烯酸羟乙酯15％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例5，导光纤维——环氧树脂材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，双酚A型环氧树脂70％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％。

接下来给出一种无分层连续式3D打印系统连续打印光学透镜元件的方法打印的光学透镜元件。

实施例1，人工晶状体、可植入式隐形眼镜等眼内可植入式光学透镜元件——丙烯酸羟乙酯(HEMA)材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，丙烯酸羟乙酯(HEMA)49.78％+调节材料性状的辅助反应单体(乙烯基吡咯烷酮NVP、甲基丙烯酸甲酯MMA等)19.77％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA10％

实施例2，人工晶状体、可植入式隐形眼镜等眼内可植入式光学透镜元件——疏水性丙烯酸酯材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，丙烯酸苯乙酯(PEA)35％+甲基丙烯酸苯乙酯(PEMA)35％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例3，透氧性硬性角膜塑形镜(Rigid Gas Permeable,RGP)——硅氧烷甲基丙烯酸酯/氟硅丙烯酸酯材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，硅氧烷甲基丙烯酸酯/氟硅丙烯酸酯低聚物70％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例4，眼镜镜片、人工角膜——聚氨酯材料光学透镜元件:

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，甲苯二异氰酸酯(TDI)20％+聚碳酸酯二醇(PCDL)20％+聚乙二醇(PEG)15％+丙烯酸羟乙酯15％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％

实施例5，导光纤维——环氧树脂材料光学透镜元件：

光学透镜元件原液包括：按质量百分比计，双酚A型环氧树脂70％+交联剂三乙二醇二甲基丙烯酸TEGDMA 10％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无分层连续式3D打印系统，其特征在于，包括：紫外光源、透光透氧膜材质的集液袋、压力架；其中，

所述集液袋内装载液态光敏树脂；所述紫外光源和所述压力架均处于所述集液袋的上方；所述压力架在打印时压住所述集液袋；所述压力架可上下移动以改变对所述集液袋的挤压深度；

所述压力架设置有供所述紫外光源的紫外光穿过的通孔。

2.如权利要求1所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，所述透光透氧膜包括：聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏二氯乙烯膜、聚二甲基硅氧烷膜中的任一种或多种。

3.如权利要求1所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，所述压力架配有驱动结构，所述压力架在所述驱动结构的作用下上下运动。

4.如权利要求1所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，所述集液袋自然放置时，其高度大于3D打印物体的高度。

5.如权利要求3所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，还包括：固定架，所述驱动结构包括电机，所述电机安装在所述固定架；所述固定架设置导向孔，安装在所述压力架上的导向杆穿过所述导向孔。

6.如权利要求5所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，所述紫外光源也安装于所述固定架上。

7.如权利要求4所述的无分层连续式3D打印系统，其特征在于，所述紫外光源包括：数字化光处理投影仪和菲涅尔透镜，所述数字化光处理投影仪用于发出近紫外光波段的光；所述菲涅尔透镜，用于将所述数字化光处理投影仪发出的光变成平行光，照射到所述集液袋。

8.一种权利要求1-7任一项中无分层连续式3D打印系统连续打印的光学透镜元件，其特征在于，所述光学透镜元件包括：光学透镜、透氧性硬性角膜塑形镜、导光纤维、眼镜镜片和/或人工角膜。