一種連續(xù)下沉式高效3d打印方法及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于3D打印機(jī)及其打印方法技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種連續(xù)下沉式高效3D打 印方法及設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的光固化3D打印技術(shù)，主要是基于疊層制造的原理。計算機(jī)通過對=維模型 進(jìn)行分層，獲得每一層固化的幾何參數(shù)，再通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。運(yùn)種逐層的打 印方法受制于打印精度，需要減少單層厚度來保證打印精度，通常需要大量的時間來完成 打印項目。
[0003]為了解決運(yùn)一問題，美國北卡羅來納大學(xué)的DeSimone團(tuán)隊開發(fā)出了一種改進(jìn)的3D 打印技術(shù)，稱為"連續(xù)液體界面制造技術(shù)"（化IP)，運(yùn)種技術(shù)采用聚四氣乙締作為透光底板， 通過氧阻聚的原理，實現(xiàn)一種快速連續(xù)的3D打印過程。但是，該方法較復(fù)雜，需要定期更換 聚四氣乙締薄膜。同時，對于上拉式打印設(shè)備，由于重力和樹脂阻力的作用，打印臺與打印 制品之間需要較大的結(jié)合強(qiáng)度，因此對于大型件的打印難度很大。此外，打印光需要透過聚 四氣乙締薄膜，運(yùn)也會影響光的傳輸效率與傳播路徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種連續(xù)下沉式高效3D打印方法及設(shè)備，該方法能夠克服 現(xiàn)有技術(shù)的不足，并具有成型速度較快、成型精度較高的優(yōu)點(diǎn)。
[000引為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0006] -種連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備，包括封閉料槽和設(shè)置在封閉料槽上方的光源， 其中封閉料槽的頂部為透明材質(zhì)，封閉料槽內(nèi)豎直地設(shè)置有滑軌，滑軌上設(shè)有打印臺和用 于控制打印臺沿滑軌上下移動的伺服電機(jī)，封閉料槽的上部設(shè)有用于向封閉料槽內(nèi)輸送氧 氣并調(diào)節(jié)氧氣的溫度和壓力的氧氣輸入及控制裝置，封閉料槽的下部設(shè)有用于向封閉料槽 內(nèi)輸送液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂的光敏樹脂入料口。
[0007]所述的光源為面光源或激光光源。
[0008]所述的封閉料槽的上方設(shè)有用于將光源發(fā)出的光線射入封閉料槽中的反射鏡。
[0009]基于所述的連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備的連續(xù)下沉式高效3D打印方法，包括W下 步驟：
[0010] 1)獲得打印成型參數(shù):將設(shè)計好的樣品S維CAD模型載入3D打印軟件中，輸入打印 要求，由3D打印軟件得出連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備的打印成型參數(shù);其中打印要求包括 液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂中的引發(fā)劑濃度、打印類型和打印精度;打印成型參數(shù)包括打印 臺的下降速度、光源的發(fā)光波長和發(fā)射功率、W及注入的氧氣溫度和封閉料槽中的氧氣壓 強(qiáng)；
[0011] 2)注入氧氣：向封閉料槽中加入液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂，對整個封閉料槽進(jìn)行 除氣處理，然后通過氧氣輸入及控制裝置向封閉料槽中注入氧氣，使其達(dá)到步驟1)中的要 求；
[0012] 3)進(jìn)行連續(xù)下沉式打印：將打印臺移動到封閉料槽上部的光敏樹脂固化位置，打 開光源，使其發(fā)出滿足步驟1)要求的光線，光線從封閉料槽的頂部射入，使得位于光敏樹脂 固化位置處的液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂進(jìn)行固化成型，固化成型形成的打印半成品粘在打 印臺上并隨著打印臺連續(xù)向下移動，同時未固化的液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂不斷向光敏樹 脂固化位置處進(jìn)行補(bǔ)充并完成下一步的固化成型，直至整個樣品成型完畢。
[0013] 所述步驟2)中注入的氧氣溫度為-30~100°C，封閉料槽中的氧氣壓強(qiáng)為0~化ar。
[0014]所述步驟3)中打印臺的下降距離的最小調(diào)節(jié)精度為10皿。
[0015]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0016]本發(fā)明利用在液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂液面上施加氧氣，氧分子可在樹脂表面形 成氧分子濃度平衡點(diǎn)（即固化反應(yīng)中液相引發(fā)劑分子對氧分子的消耗與氣相氧氣對氧分子 的補(bǔ)充達(dá)到平衡)的原理，提出了連續(xù)下沉式高效3D打印方法。該方法采用氧氣作為光源傳 播介質(zhì)，避免了打印光源的影響，而下沉式打印可W滿足大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的3D打印，同 時該方法避免了傳統(tǒng)3D打印的機(jī)械剝離過程，能夠?qū)崿F(xiàn)快速連續(xù)的3D打印，且該方法原理 簡單，操作方便，易于實現(xiàn)。此外，該方法可用于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印制件成型，成型速 度快，成型精度高。
[0017]本發(fā)明提供的連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備，包括用于盛放液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹 脂的封閉料槽，封閉料槽中設(shè)有能夠連續(xù)下降的打印臺，氧氣通過氧氣輸入及控制裝置通 入封閉料槽中，并能夠調(diào)控輸入的氧氣溫度及壓力，而且光源位于封閉料槽上方，其發(fā)出的 光線能夠通過頂部透明的封閉料槽照射到液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂中，因此能夠保證液態(tài) 自由基引發(fā)光敏樹脂與氧氣發(fā)生固化反應(yīng)，且得到的打印半成品能夠隨著打印臺連續(xù)下 降，從而實現(xiàn)樣品的連續(xù)下沉式3D打印。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成型速度快，成型 精度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3的T印制件成型。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的連續(xù)下沉式高效3的T印設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明提供的連續(xù)下沉式高效3D打印方法的面光源投射3D打印原理示意 圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明提供的連續(xù)下沉式高效3D打印方法的激光光源投射3D打印原理示意 圖；
[0021 ]其中，1為氧氣輸入及控制裝置，2為封閉料槽，3為光源，3-1為面光源，3-2為激光 光源，4為打印臺，5為反射鏡，6為氧氣，7為液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂，8為打印制品，9為氧 分子濃度梯度，10為氧分子濃度平衡點(diǎn)，11為滑軌，12為光敏樹脂入料口。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。
[0023]本發(fā)明針對傳統(tǒng)光固化SLA3D打印方法制造效率低、臺階效應(yīng)導(dǎo)致成型精度差的 問題，利用在液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7液面上施加氧氣6,氧分子可在樹脂表面形成氧分 子濃度平衡點(diǎn)1〇(即固化反應(yīng)中液相引發(fā)劑分子對氧分子的消耗與氣相氧氣對氧分子的補(bǔ) 充達(dá)到平衡)的原理，提供了一種連續(xù)下沉式高效3D打印方法與設(shè)備。該方法無需四氣乙締 薄膜，而且光穿過樹脂表面的氧氣層時無光散射。本發(fā)明通過將光源3投射或聚焦于氧分子 濃度平衡點(diǎn)10及W下區(qū)域，引發(fā)液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7固化，粘有已固化制件的打印臺 4在伺服電機(jī)的帶動下連續(xù)向下運(yùn)動，同時未固化的液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7向氧分子濃 度平衡點(diǎn)10所在的固化區(qū)域補(bǔ)充，而光源3在程序的控制下將變化的紫外光投射到氧分子 濃度平衡點(diǎn)10上進(jìn)行連續(xù)固化。在打印過程中，可W通過調(diào)節(jié)施加氧氣的輸入?yún)?shù)(氧氣氣 壓、溫度、濃度)控制滲入液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7表面的氧分子濃度梯度9。本發(fā)明可W 大幅度提高傳統(tǒng)3D打印成型速度，適用于大型3D打印制件，且機(jī)理簡單、操作方便，打印出 制品精度局，性能優(yōu)良。
[0024]參見圖1至圖3,本發(fā)明提供的連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備，包括頂部由透明玻璃 制成的封閉料槽2,封閉料槽2的上方設(shè)有光源3和用于將光源3發(fā)出的光線通過透明玻璃射 入封閉料槽2中的反射鏡5,其中光源3可W為由藍(lán)紫光激光器及激光掃描振鏡構(gòu)成的激光 光源3-2,也可W為由多個發(fā)光單元組成的面光源3-1。封閉料槽2內(nèi)豎直地設(shè)置有滑軌11， 滑軌11上設(shè)有打印臺4和用于控制打印臺4沿滑軌11上下移動的伺服電機(jī)，打印臺4由伺服 電機(jī)調(diào)節(jié)其升降速度與距離，所調(diào)節(jié)距離的最小精度為10皿。封閉料槽2的下部設(shè)有用于向 封閉料槽2內(nèi)輸送液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7的光敏樹脂入料口 12,封閉料槽2的上部設(shè)有 用于向封閉料槽2內(nèi)輸送氧氣并調(diào)節(jié)氧氣的溫度和壓力的氧氣輸入及控制裝置1，其中氧氣 輸入及控制裝置1具有控溫系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)氧氣的溫度為-30°C至100°C，其外部與氧氣壓縮機(jī) 相連，用于將壓縮氧氣輸入到封閉料槽中，封閉料槽中的氧氣壓力為0~化ar。
[0025] 參見圖1至圖3,本發(fā)明提供的基于上述連續(xù)下沉式高效3D打印設(shè)備的連續(xù)下沉式 高效3的T印方法，具體包括W下步驟：
[0026] 1)將設(shè)計好的樣品S維CAD模型載入3D打印軟件中，輸入液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹 月旨7中的引發(fā)劑濃度、打印類型選擇和打印精度等打印要求，3D打印軟件經(jīng)過計算對打印設(shè) 備輸出打印臺4的下降速度、光源3的發(fā)光波長與發(fā)射功率、注入的氧氣溫度與封閉料槽2中 的氧氣壓強(qiáng)等打印參數(shù)。
[0027] 2)向封閉料槽2中加入液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7,對整個封閉料槽2進(jìn)行除氣處 理，除氣完成后向封閉料槽2中加入如步驟1)所述具有設(shè)定溫度的氧氣，使整個封閉料槽達(dá) 到設(shè)定的環(huán)境壓強(qiáng)。通過對氧氣溫度與環(huán)境壓強(qiáng)的設(shè)定，可W在氧氣6與液態(tài)自由基引發(fā)光 敏樹脂7之間的界面處形成由大到小的氧分子濃度梯度9,在該氧分子濃度梯度9中，存在打 印過程中氧分子濃度平衡點(diǎn)10,即固化反應(yīng)中液相引發(fā)劑分子對氧分子的消耗會與氣相氧 氣對氧分子的補(bǔ)充達(dá)到平衡。在該氧分子濃度平衡點(diǎn)IOW上，具有阻聚效果的氧分子起到 主要作用，液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂將處于未固化的液態(tài)，而在氧分子濃度平衡點(diǎn)IOW下， 引發(fā)劑可W消耗掉氧分子，實現(xiàn)固化反應(yīng)。因此氧分子濃度平衡點(diǎn)10所在的位置即為光敏 樹脂固化位置。
[0028] 3)當(dāng)光源3為面光源3-1時，將光通過反射鏡5投射于氧分子濃度平衡點(diǎn)10(光敏樹 脂固化位置)上，使得打印臺4與氧分子濃度平衡點(diǎn)10之間的液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7進(jìn) 行固化形成打印半成品，打印半成品粘在打印臺4上，與打印臺4一起隨著伺服電機(jī)的帶動 連續(xù)向下移動，同時未固化的液態(tài)自由基引發(fā)光敏樹脂7向固化區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，同時，在3D 打印軟件的控制下改變面光源3-1的投射形狀并重新投射到