[發(fā)明專利]一種光固化3D打印裝置及打印方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110269078.3
• 申請(qǐng)日: 2021-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN113059797A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧亞輝;孫卓;吳晶軍;趙騫;謝濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/129
• 分類號(hào): B29C64/129;B29C64/255;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本發(fā)明涉及一種光固化3D打印裝置與方法，裝置包括：樹脂槽、打印平臺(tái)和光源系統(tǒng)，述樹脂槽的底面為硬質(zhì)透明板，所述硬質(zhì)透明板上設(shè)有透明的水凝膠層，所述透明的水凝膠層的表面具有微納結(jié)構(gòu)；所述打印平臺(tái)位于樹脂槽上部；所述光源系統(tǒng)的光源設(shè)置在硬質(zhì)透明板下部。該光固化3D打印裝置能顯著降低離型時(shí)的離型力，進(jìn)而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及快速成型技術(shù)，具體涉及一種光固化3D打印裝置及打印方法。

背景技術(shù)

光固化3D打印使用液態(tài)光敏樹脂作為打印材料，以特定波長的光進(jìn)行固化，具有最高的成型精度。光固化3D打印主要包括兩類技術(shù)：立體光刻快速成型技術(shù)(Stereolithography,SLA)和數(shù)字光處理技術(shù)(Digital Light Processing,DLP)。其中，DLP的工藝過程是設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型并進(jìn)行切片處理，產(chǎn)生的圖像通過數(shù)字投影儀投射到液態(tài)光敏樹脂表面，使特定區(qū)域內(nèi)的樹脂固化。然后打印平臺(tái)往上移動(dòng)一定距離，待已固化層表面完全補(bǔ)充上液態(tài)樹脂后，進(jìn)行下一次投影，使后續(xù)固化層粘結(jié)在前一固化層上，這樣層層疊加最終形成三維模型。

DLP型的打印設(shè)備目前多采用硅膠或者聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)薄膜作為樹脂槽中的上表面(也就是通常說的離型膜)與液態(tài)光敏樹脂直接接觸。目前最常使用的離型材料是FEP膜，光敏樹脂固化過程中與FEP膜之間會(huì)產(chǎn)生較大的粘結(jié)力，導(dǎo)致打印平臺(tái)上升時(shí)模型與FEP膜產(chǎn)生較大的拉拔力(也叫離型力)。離型力過大會(huì)導(dǎo)致打印模型變形、斷裂、掉板等問題，影響打印效率和成功率，是制約DLP光固化打印技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

為了減小離型力，美國Carbon公司開發(fā)了連續(xù)液面成型技術(shù)(CLIP)，利用光敏樹脂氧阻聚的特性，在樹脂槽和固化層之間形成未固化的死區(qū)，大大降低了離型力，使打印速度提升至300cm/h。CLIP技術(shù)需對(duì)氧氣進(jìn)行精確的調(diào)控，需要增加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。

理論上，可以從三個(gè)方面來降低打印時(shí)候的離型力。1，降低模型和離型材料之間的粘結(jié)力；2，降低模型和離型材料之間的接觸面積；3，采用可變形離型材料，使離型力逐步釋放。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光固化3D打印裝置，能顯著降低離型時(shí)的離型力，進(jìn)而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：

一種光固化3D打印裝置，包括：樹脂槽、打印平臺(tái)和光源系統(tǒng)，所述樹脂槽的底面為硬質(zhì)透明板，所述硬質(zhì)透明板上設(shè)有透明的水凝膠層，所述透明的水凝膠層的表面具有微納結(jié)構(gòu)；所述打印平臺(tái)位于樹脂槽上部；所述光源系統(tǒng)的光源設(shè)置在硬質(zhì)透明板下部。

本發(fā)明在樹脂槽的底面上引入了具有微納結(jié)構(gòu)的透明的水凝膠層。水凝膠是一種親水性高分子網(wǎng)絡(luò)形成的軟物質(zhì)，具有非常高的含水量，其表面始終存在一層穩(wěn)定的水膜。光敏樹脂通常具有疏水性，不會(huì)擴(kuò)散、滲透進(jìn)入水凝膠層中。光敏樹脂固化時(shí)形成的是固體樹脂，固體樹脂與液體水膜就形成了固-液界面，界面處的粘結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)樹脂槽使用硅膠或FEP膜時(shí)的固-固界面的情況，導(dǎo)致離型時(shí)的離型力大大地降低。而且，本發(fā)明中在水凝膠表面引入微納結(jié)構(gòu)，使水凝膠與打印模型之間的接觸面積大大降低，進(jìn)一步降低了離型力。另外，水凝膠的模量(幾十kPa)非常低，大大低于硅膠(幾個(gè)MPa)或者FEP(幾百M(fèi)Pa)的模量，所以在離型的時(shí)候水凝膠會(huì)產(chǎn)生更大的形變，使前述粘結(jié)力逐步釋放，降低整體的離型力。

本發(fā)明中硬質(zhì)透明板主要起支撐作用，硬質(zhì)透明板需要滿足的條件是高透明度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性。硬質(zhì)透明板可以選自高硼玻璃、石英玻璃等高透明度無機(jī)玻璃，也可以選自高透明度有機(jī)塑料如亞克力、聚碳酸酯、聚氯乙烯等。作為優(yōu)選，所述硬質(zhì)透明板為高硼玻璃、石英玻璃或亞克力。

本發(fā)明中硬質(zhì)透明板的厚度為0.5～10mm，優(yōu)選為1～5mm。