一种连续下沉式高效3D打印方法及设备

摘要

一种连续下沉式高效3D打印方法及设备，本发明利用在树脂液面上施加氧气，氧分子可在树脂中形成氧分子浓度平衡点的原理，通过将光源投射或聚焦于该平衡点及以下区域，引发光敏树脂固化，粘有已固化制件的打印台在电机的带动下连续向下运动，同时光敏树脂向该平衡点所在固化区域补充，而光源在程序的控制下将变化的光投射到该平衡点上进行连续固化，从而完成3D打印。在打印过程中，可以通过调节施加氧气的输入参数控制渗入树脂中氧分子浓度梯度。本发明可以大幅度提高传统3D打印成型速度，适用于大型3D打印制件，且机理简单、操作方便，打印出制品精度高，性能优良。

权利要求

1.一种连续下沉式高效3D打印方法，其特征在于，该方法基于连续下沉式高效3D打印设备进行，其中连续下沉式高效3D打印设备包括封闭料槽(2)和设置在封闭料槽(2)上方的光源(3)，封闭料槽(2)的顶部为透明材质，封闭料槽(2)内竖直地设置有滑轨(11)，滑轨(11)上设有打印台(4)和用于控制打印台(4)沿滑轨(11)上下移动的伺服电机，封闭料槽(2)的上部设有用于向封闭料槽(2)内输送氧气并调节氧气的温度和压力的氧气输入及控制装置(1)，封闭料槽(2)的下部设有用于向封闭料槽(2)内输送液态自由基引发光敏树脂(7)的光敏树脂入料口(12)；

该方法具体包括以下步骤：

1)获得打印成型参数：将设计好的样品三维CAD模型载入3D打印软件中，输入打印要求，由3D打印软件得出连续下沉式高效3D打印设备的打印成型参数；其中打印要求包括液态自由基引发光敏树脂(7)中的引发剂浓度、打印类型和打印精度；打印成型参数包括打印台(4)的下降速度、光源(3)的发光波长和发射功率、以及注入的氧气温度和封闭料槽(2)中的氧气压强；

2)注入氧气：向封闭料槽(2)中加入液态自由基引发光敏树脂(7)，对整个封闭料槽(2)进行除气处理，然后通过氧气输入及控制装置(1)向封闭料槽(2)中注入氧气，使其达到步骤1)中的要求；

3)进行连续下沉式打印：将打印台(4)移动到封闭料槽(2)上部的光敏树脂固化位置，打开光源(3)，使其发出满足步骤1)要求的光线，光线从封闭料槽(2)的顶部射入，使得位于光敏树脂固化位置处的液态自由基引发光敏树脂(7)进行固化成型，固化成型形成的打印半成品粘在打印台(4)上并随着打印台(4)连续向下移动，同时未固化的液态自由基引发光敏树脂(7)不断向光敏树脂固化位置处进行补充并完成下一步的固化成型，直至整个样品成型完毕。

2.根据权利要求1所述的连续下沉式高效3D打印方法，其特征在于：所述步骤2)中注入的氧气温度为-30～100℃，封闭料槽(2)中的氧气压强为0～5bar。

3.根据权利要求1所述的连续下沉式高效3D打印方法，其特征在于：所述步骤3)中打印台的下降距离的最小调节精度为10μm。

4.根据权利要求1所述的连续下沉式高效3D打印方法，其特征在于：所述的光源(3)为面光源(3-1)或激光光源(3-2)。

5.根据权利要求1所述的连续下沉式高效3D打印方法，其特征在于：所述的封闭料槽(2)的上方设有用于将光源(3)发出的光线射入封闭料槽(2)中的反射镜(5)。

说明书

一种连续下沉式高效3D打印方法及设备

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印机及其打印方法技术领域，具体涉及一种连续下沉式高效3D打印方法及设备。

背景技术

[0002] 现有的光固化3D打印技术，主要是基于叠层制造的原理。计算机通过对三维模型进行分层，获得每一层固化的几何参数，再通过逐层打印的方式来构造物体。这种逐层的打印方法受制于打印精度，需要减少单层厚度来保证打印精度，通常需要大量的时间来完成打印项目。

[0003] 为了解决这一问题，美国北卡罗来纳大学的DeSimone团队开发出了一种改进的3D打印技术，称为“连续液体界面制造技术”(CLIP)，这种技术采用聚四氟乙烯作为透光底板，通过氧阻聚的原理，实现一种快速连续的3D打印过程。但是，该方法较复杂，需要定期更换聚四氟乙烯薄膜。同时，对于上拉式打印设备，由于重力和树脂阻力的作用，打印台与打印制品之间需要较大的结合强度，因此对于大型件的打印难度很大。此外，打印光需要透过聚四氟乙烯薄膜，这也会影响光的传输效率与传播路径。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种连续下沉式高效3D打印方法及设备，该方法能够克服现有技术的不足，并具有成型速度较快、成型精度较高的优点。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种连续下沉式高效3D打印设备，包括封闭料槽和设置在封闭料槽上方的光源，其中封闭料槽的顶部为透明材质，封闭料槽内竖直地设置有滑轨，滑轨上设有打印台和用于控制打印台沿滑轨上下移动的伺服电机，封闭料槽的上部设有用于向封闭料槽内输送氧气并调节氧气的温度和压力的氧气输入及控制装置，封闭料槽的下部设有用于向封闭料槽内输送液态自由基引发光敏树脂的光敏树脂入料口。

[0007] 所述的光源为面光源或激光光源。

[0008] 所述的封闭料槽的上方设有用于将光源发出的光线射入封闭料槽中的反射镜。

[0009] 基于所述的连续下沉式高效3D打印设备的连续下沉式高效3D打印方法，包括以下步骤：

[0010] 1)获得打印成型参数：将设计好的样品三维CAD模型载入3D打印软件中，输入打印要求，由3D打印软件得出连续下沉式高效3D打印设备的打印成型参数；其中打印要求包括液态自由基引发光敏树脂中的引发剂浓度、打印类型和打印精度；打印成型参数包括打印台的下降速度、光源的发光波长和发射功率、以及注入的氧气温度和封闭料槽中的氧气压强；

[0011] 2)注入氧气：向封闭料槽中加入液态自由基引发光敏树脂，对整个封闭料槽进行除气处理，然后通过氧气输入及控制装置向封闭料槽中注入氧气，使其达到步骤1)中的要求；

[0012] 3)进行连续下沉式打印：将打印台移动到封闭料槽上部的光敏树脂固化位置，打开光源，使其发出满足步骤1)要求的光线，光线从封闭料槽的顶部射入，使得位于光敏树脂固化位置处的液态自由基引发光敏树脂进行固化成型，固化成型形成的打印半成品粘在打印台上并随着打印台连续向下移动，同时未固化的液态自由基引发光敏树脂不断向光敏树脂固化位置处进行补充并完成下一步的固化成型，直至整个样品成型完毕。

[0013] 所述步骤2)中注入的氧气温度为-30～100℃，封闭料槽中的氧气压强为0～5bar。

[0014] 所述步骤3)中打印台的下降距离的最小调节精度为10μm。

[0015] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0016] 本发明利用在液态自由基引发光敏树脂液面上施加氧气，氧分子可在树脂表面形成氧分子浓度平衡点(即固化反应中液相引发剂分子对氧分子的消耗与气相氧气对氧分子的补充达到平衡)的原理，提出了连续下沉式高效3D打印方法。该方法采用氧气作为光源传播介质，避免了打印光源的影响，而下沉式打印可以满足大型、复杂结构制件的3D打印，同时该方法避免了传统3D打印的机械剥离过程，能够实现快速连续的3D打印，且该方法原理简单，操作方便，易于实现。此外，该方法可用于大型、复杂结构的3D打印制件成型，成型速度快，成型精度高。

[0017] 本发明提供的连续下沉式高效3D打印设备，包括用于盛放液态自由基引发光敏树脂的封闭料槽，封闭料槽中设有能够连续下降的打印台，氧气通过氧气输入及控制装置通入封闭料槽中，并能够调控输入的氧气温度及压力，而且光源位于封闭料槽上方，其发出的光线能够通过顶部透明的封闭料槽照射到液态自由基引发光敏树脂中，因此能够保证液态自由基引发光敏树脂与氧气发生固化反应，且得到的打印半成品能够随着打印台连续下降，从而实现样品的连续下沉式3D打印。该设备具有结构简单，操作方便，成型速度快，成型精度高等优点，可用于大型、复杂结构的3D打印制件成型。

附图说明

[0018] 图1为本发明提供的连续下沉式高效3D打印设备的结构示意图；

[0019] 图2为本发明提供的连续下沉式高效3D打印方法的面光源投射3D打印原理示意图；

[0020] 图3为本发明提供的连续下沉式高效3D打印方法的激光光源投射3D打印原理示意图；

[0021] 其中，1为氧气输入及控制装置，2为封闭料槽，3为光源，3-1为面光源，3-2为激光光源，4为打印台，5为反射镜，6为氧气，7为液态自由基引发光敏树脂，8为打印制品，9为氧分子浓度梯度，10为氧分子浓度平衡点，11为滑轨，12为光敏树脂入料口。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。

[0023] 本发明针对传统光固化SLA 3D打印方法制造效率低、台阶效应导致成型精度差的问题，利用在液态自由基引发光敏树脂7液面上施加氧气6，氧分子可在树脂表面形成氧分子浓度平衡点10(即固化反应中液相引发剂分子对氧分子的消耗与气相氧气对氧分子的补充达到平衡)的原理，提供了一种连续下沉式高效3D打印方法与设备。该方法无需四氟乙烯薄膜，而且光穿过树脂表面的氧气层时无光散射。本发明通过将光源3投射或聚焦于氧分子浓度平衡点10及以下区域，引发液态自由基引发光敏树脂7固化，粘有已固化制件的打印台4在伺服电机的带动下连续向下运动，同时未固化的液态自由基引发光敏树脂7向氧分子浓度平衡点10所在的固化区域补充，而光源3在程序的控制下将变化的紫外光投射到氧分子浓度平衡点10上进行连续固化。在打印过程中，可以通过调节施加氧气的输入参数(氧气气压、温度、浓度)控制渗入液态自由基引发光敏树脂7表面的氧分子浓度梯度9。本发明可以大幅度提高传统3D打印成型速度，适用于大型3D打印制件，且机理简单、操作方便，打印出制品精度高，性能优良。

[0024] 参见图1至图3，本发明提供的连续下沉式高效3D打印设备，包括顶部由透明玻璃制成的封闭料槽2，封闭料槽2的上方设有光源3和用于将光源3发出的光线通过透明玻璃射入封闭料槽2中的反射镜5，其中光源3可以为由蓝紫光激光器及激光扫描振镜构成的激光光源3-2，也可以为由多个发光单元组成的面光源3-1。封闭料槽2内竖直地设置有滑轨11，滑轨11上设有打印台4和用于控制打印台4沿滑轨11上下移动的伺服电机，打印台4由伺服电机调节其升降速度与距离，所调节距离的最小精度为10μm。封闭料槽2的下部设有用于向封闭料槽2内输送液态自由基引发光敏树脂7的光敏树脂入料口12，封闭料槽2的上部设有用于向封闭料槽2内输送氧气并调节氧气的温度和压力的氧气输入及控制装置1，其中氧气输入及控制装置1具有控温系统，可调节氧气的温度为-30℃至100℃，其外部与氧气压缩机相连，用于将压缩氧气输入到封闭料槽中，封闭料槽中的氧气压力为0～5bar。

[0025] 参见图1至图3，本发明提供的基于上述连续下沉式高效3D打印设备的连续下沉式高效3D打印方法，具体包括以下步骤：

[0026] 1)将设计好的样品三维CAD模型载入3D打印软件中，输入液态自由基引发光敏树脂7中的引发剂浓度、打印类型选择和打印精度等打印要求，3D打印软件经过计算对打印设备输出打印台4的下降速度、光源3的发光波长与发射功率、注入的氧气温度与封闭料槽2中的氧气压强等打印参数。

[0027] 2)向封闭料槽2中加入液态自由基引发光敏树脂7，对整个封闭料槽2进行除气处理，除气完成后向封闭料槽2中加入如步骤1)所述具有设定温度的氧气，使整个封闭料槽达到设定的环境压强。通过对氧气温度与环境压强的设定，可以在氧气6与液态自由基引发光敏树脂7之间的界面处形成由大到小的氧分子浓度梯度9，在该氧分子浓度梯度9中，存在打印过程中氧分子浓度平衡点10，即固化反应中液相引发剂分子对氧分子的消耗会与气相氧气对氧分子的补充达到平衡。在该氧分子浓度平衡点10以上，具有阻聚效果的氧分子起到主要作用，液态自由基引发光敏树脂将处于未固化的液态，而在氧分子浓度平衡点10以下，引发剂可以消耗掉氧分子，实现固化反应。因此氧分子浓度平衡点10所在的位置即为光敏树脂固化位置。

[0028] 3)当光源3为面光源3-1时，将光通过反射镜5投射于氧分子浓度平衡点10(光敏树脂固化位置)上，使得打印台4与氧分子浓度平衡点10之间的液态自由基引发光敏树脂7进行固化形成打印半成品，打印半成品粘在打印台4上，与打印台4一起随着伺服电机的带动连续向下移动，同时未固化的液态自由基引发光敏树脂7向固化区域进行补充，同时，在3D打印软件的控制下改变面光源3-1的投射形状并重新投射到氧分子浓度平衡点10上，使得液态自由基引发光敏树脂7完成下一步的固化成型，直到整个样品成型完毕，得到打印制品8。

[0029] 当光源3为激光光源3-2时，激光束通过反射镜5聚焦于氧分子浓度平衡点10(光敏树脂固化位置)上，激光扫描振镜在3D打印软件的控制下按照打印截面轮廓要求沿着扫描路径进行扫描，激光束焦点经过打印台4与氧分子浓度平衡点10之间的液态自由基引发光敏树脂7将进行固化，直至扫描整个打印截面。待该层打印截面打印完毕，粘有打印半成品的打印台4随着伺服电机向下移动一个打印截面的距离，打印台4与氧分子浓度平衡点10之间将会补充未固化的液态自由基引发光敏树脂7，从而完成下一截面打印，直至完成整个样品的打印，得到打印制品8。

[0030] 本发明的理论依据为：

[0031] 根据亨利定律(C＝Hp*)，溶解于树脂的氧分子浓度(C)与气相的分压(p*)以及受温度影响的溶解度系数(H)成比例关系。依据于此，可以计算出在压力与温度控制下，氧分子浓度的梯度分布。同时依据于氧分子对引发剂的消耗关系(如下式所示)，推导出氧分子浓度平衡点10的位置。

[0032]

[0033] 再根据公式(1)与(2)，对打印成型参数进行求解。

[0034]

[0035]

[0036] 公式(1)表示的是完全固化深度(thickness)的计算公式； 为在单位面积与单位时间内入射的光子数量；αPI为光引发剂的吸收系数；Dc0为树脂固化剂用量，t为时间，为打印精度。

[0037] 公式(2)表示的是打印的固化速度(speed)与打印精度 以及打印体系参数之间的关系，其中固化速度与打印精度成反比，与打印体系参数成正比。

[0038] 下面给出本发明的两个具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。

[0039] 实施例1

[0040] 如图2所示，该连续下沉式高效3D打印设备中的光源3为由多个发光单元组成的面光源3-1，其打印方法如下。

[0041] 1)将设计好的样品三维CAD模型载入3D打印软件当中，输入液态自由基引发光敏树脂7中的引发剂浓度为2wt％的T2O，打印类型选择为面光源投射，打印精度为100μm，3D打印软件经过计算对打印设备输出打印台4的下降速度、光源3的发光波长与发射功率、注入氧气温度与环境压强等打印参数。

[0042] 2)向封闭料槽2中加入液态自由基引发光敏树脂7，对整个封闭料槽2进行除气处理，除气完成后向封闭料槽2中加入如步骤1)所述具有设定温度的氧气，使整个封闭料槽达到设定的环境压强。通过对氧气温度与环境压强的设定，可以在氧气6与液态自由基引发光敏树脂7之间的界面处形成由大到小的氧分子浓度梯度9，在该氧分子浓度梯度9中，存在打印过程中氧分子浓度平衡点10，即固化反应中液相引发剂分子对氧分子的消耗会与气相氧气对氧分子的补充达到平衡。在该氧分子浓度平衡点10以上，具有阻聚效果的氧分子起到主要作用，液态自由基引发光敏树脂将处于未固化的液态，而在氧分子浓度平衡点10以下，引发剂可以消耗掉氧分子，实现固化反应。

[0043] 3)面光源发出的光通过反射镜5投射于氧分子浓度平衡点10(光敏树脂固化位置)上，使得打印台4与氧分子浓度平衡点10之间的液态自由基引发光敏树脂7进行固化形成打印半成品，打印半成品粘在打印台4上，与打印台4一起随着伺服电机的带动连续向下移动，同时未固化的液态自由基引发光敏树脂7向固化区域进行补充，同时，在3D打印软件的控制下改变面光源3-1的投射形状并重新投射到氧分子浓度平衡点10上，使得液态自由基引发光敏树脂7完成下一步的固化成型，直到整个样品成型完毕，得到打印制品8。

[0044] 实施例2

[0045] 如图3所示，该连续下沉式高效3D打印设备中的光源3为由蓝紫光激光器及激光扫描振镜构成的激光光源3-2，其打印方法如下。

[0046] 1)将设计好的样品三维CAD模型载入3D打印软件当中，输入液态自由基引发光敏树脂7中的引发剂浓度为2wt％的T2O，打印类型选择为SLA激光打印，打印精度为50μm，3D打印软件经过计算对打印设备输出打印台4的下降速度、光源3的发光波长与发射功率、注入氧气温度与环境压强等打印参数。

[0047] 2)向封闭料槽2中加入液态自由基引发光敏树脂7，对整个封闭料槽2进行除气处理，除气完成后向封闭料槽2中加入如步骤1)所述具有设定温度的氧气，使整个封闭料槽达到设定的环境压强。通过对氧气温度与环境压强的设定，可以在氧气6与液态自由基引发光敏树脂7之间的界面处形成由大到小的氧分子浓度梯度9，在该氧分子浓度梯度9中，存在打印过程中氧分子浓度平衡点10，即固化反应中液相引发剂分子对氧分子的消耗会与气相氧气对氧分子的补充达到平衡。在该氧分子浓度平衡点10以上，具有阻聚效果的氧分子起到主要作用，液态自由基引发光敏树脂将处于未固化的液态，而在氧分子浓度平衡点10以下，引发剂可以消耗掉氧分子，实现固化反应。

[0048] 3)激光光源发出的激光束通过反射镜聚焦于氧分子浓度平衡点10(光敏树脂固化位置)上，激光扫描振镜在3D打印软件的控制下按照打印截面轮廓要求沿着扫描路径进行扫描，激光束焦点经过打印台4与氧分子浓度平衡点10之间的液态自由基引发光敏树脂7将进行固化，直至扫描整个打印截面。待该层打印截面打印完毕，粘有打印半成品的打印台4随着伺服电机向下移动一个打印截面的距离，打印台4与氧分子浓度平衡点10之间将会补充未固化的液态自由基引发光敏树脂7，从而完成下一截面打印，直至完成整个样品的打印，得到打印制品8。

[0049] 上述结合附图进行说明的具体内容只是示意性的，并非构成对本发明保护范围的限制，所属领域的研究人员在本发明提供的连续下沉式高效3D打印方法及设备的基础上，不需付出创造性劳动而做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。