[發(fā)明專利]一種三維成型裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610090876.9
• 申請日: 2016-02-18
• 公開（公告）號: CN105619819B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡進;陳林森;浦東林;魏國軍;朱鵬飛;成堂東
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司;蘇州大學(xué)
• 主分類號: B29C64/135
• 分類號: B29C64/135;B29C64/268;B29C64/245;B33Y30/00
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 常亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光固化成型技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維物體的成型裝置及方法。

背景技術(shù)

分層疊加是目前三維成型技術(shù)的主要實現(xiàn)方式，其原理簡單、結(jié)構(gòu)可靠、數(shù)據(jù)處理方法成熟，因而獲得了廣泛應(yīng)用。其層與層之間的疊加，基于不同的物理、化學(xué)材料及方法，例如，膠水粘接、熱熔層壓、激光燒結(jié)和光聚合等。其中光聚合方法是基于光化學(xué)反應(yīng)原理，無機械力和加熱過程，具有最高的成型精度。

光聚合的典型材料為光敏固化樹脂，其聚合前為短分子鏈的液態(tài)懸混物，當(dāng)被特定波長(典型波長為紫外波段)的電磁輻射照射時，光敏樹脂中添加的引發(fā)劑吸收輻射并釋放催化劑，使得樹脂分子通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成長分子鏈固體聚合物，從而實現(xiàn)三維成型。

光敏樹脂在固化前呈液態(tài)，利用液體的可流動和自流平特性，其典型成型過程為采用上部曝光方式。曝光光學(xué)頭位于樹脂液面上方，零件托架浸沒在樹脂液中。每層成型時，樹脂液表面和已成型零件的頂面之間的液層被曝光固化，然后，零件托架下沉，已成型零件的頂面被樹脂覆蓋并流平，隨后進行新一層的固化。具體結(jié)構(gòu)和方案可見于德國Envisiontec公司的專利200710130353.3和美國3D systems公司的美國專利US 5,630,981。

上述方法的主要限制有兩點，一是對樹脂的消耗較大，因其可成型零件的高度取決于樹脂液的深度，這要求液槽中存儲大量的樹脂，這些未使用的樹脂容易發(fā)生提前感光固化，同時接觸空氣易導(dǎo)致變質(zhì)，造成不必要的材料損耗。二是成型速度較慢，因光敏樹脂往往具有較大的粘度，其自流平的速度慢，流平后的表面精度難以控制。為此許多后續(xù)專利采用刮平和液位控制的方法，包括美國專利，US 5,651,934和中國專利CN 204020012U、CN 201420472035.0及CN 201520169421等。這些方法通常采用機械機構(gòu)實現(xiàn)，由于樹脂液具有較大的粘度，這類方法的速度受到很大的阻滯。此外，這些運動機構(gòu)容易導(dǎo)致樹脂液面的波動，影響曝光成型的精度。

為了克服上述問題，美國3D systems公司的專利US 5,630,981還提出了另一種基于下部曝光方式的成型方法。其采用透明液槽(例如石英玻璃)，零件托架面朝下伸入樹脂液中。每層成型時，光源穿過液槽底板，對液槽底板與已成型零件的底面之間的液層進行曝光固化，然后新固化層上表面附著在零件托架上并隨之向上提升，同時新固化層下表面與液槽底部分離并形成空隙，樹脂液流入并填充此空隙區(qū)域，隨后進行新一層的固化。

采用下部曝光方式的成型方法克服了前述兩點限制，具有以下優(yōu)點：一、樹脂的消耗量大大減少，樹脂只需覆蓋和充填液槽底部的薄層區(qū)域，需要時可以隨時補充；二、成型速度大幅增加，待固化的液層的表面受到液槽底部的限制，具有良好的平面度和穩(wěn)定性。每層固化后樹脂液的補充，并非基于液體在重力作用下的自流平，而是基于真空抽運，填充速度和可靠性大幅增加。

但是，該下部曝光方式仍有缺陷，主要限制有以下兩點：一、可成型零件不能太重，因零件被倒掛在支架下方，其保持力僅為樹脂固化后的粘接附著力。雖然可以利用樹脂液的浮力加以解決，但是這又將導(dǎo)致材料的不必要消耗；二、固化層的下表面與液槽底板之間難以實現(xiàn)快速和可靠的剝離，剝離動作的阻力由4個方面組成：重力、材料界面的附著力、液體的阻尼和真空負壓，這些阻力不但限制了剝離動作的速度，還有可能使已成型零件被撕裂或者與支架脫離。其中重力可借助樹脂液的浮力緩解，材料界面的附著力可通過涂布分離型涂層加以緩解(例如硅油和特氟龍)，但是由于紫外光的照射和反復(fù)的接觸和剝離，這些涂層的使用壽命有限，往往幾周后就必須進行更換，而液體的阻尼和真空負壓隨著剝離速度的增加迅速增大，難以克服。

論文《Rapid Manufacturing in Minutes：The Development of a Mask Projection Stereolithography Process for High-Speed Fabrication》指出，以德國Envisiontec公司為代表的很多3D打印設(shè)備公司還提出一種傾斜式的剝離機構(gòu)，使得剝離動作從結(jié)合面的邊緣開始并且逐漸擴展。通過此剝離機構(gòu)可大幅減輕材料界面的附著力、液體的阻尼和真空負壓的影響，但是難以做到完全克服，其商用機型每次的典型剝離和樹脂液填充時間在3秒以上，因此，剝離和填充動作的工作效率成為整個成型系統(tǒng)的瓶頸。

另外，在上述成型方法中，分層和固化都是浸沒在樹脂液中完成的。加工封閉型腔類型的零件時，容易使得不需要的樹脂液被封閉或者殘留在零件內(nèi)部，影響零件最終的成型精度。