专利名称：制作三维物体和支撑的打印成型方法
技术领域：
本发明涉及三维物体和支撑的物体成型方法，具体说是一种采用逐层打印成型方式制作三维物体和支撑的方法。
背景技术：
快速成型技术是从计算机三维实体到物理实体的一种快速制作工具，它适合制作原型件和小批量的功能件，制作的零件的材料可以是陶瓷材料、金属材料、纸、光敏树脂等材料。快速成型技术比较常用的工艺有光固化工艺、选择性激光烧结、熔丝沉积制造、叠层实体制造和三维打印等。
以上几种工艺都能制作复杂的三维结构，但存在以下缺陷1)精度较低。如采用激光固化光敏树脂的光固化工艺制作的三维结构的精度在0.1mm左右，选择性激光烧结工艺、熔丝沉积制造工艺及叠层实体制造工艺制作的三维结构精度都低于0.1mm，采用粉末作为成型材料的三维打印工艺制作的三维结构的精度也都低于0.1mm。2)成型速度慢。光固化工艺大多采用激光束固化光敏树脂来形成固化线条，再形成固化层片；选择性激光烧结工艺是采用激光束熔化金属粉末或其它合金粉末形成烧结线条，再形成烧结层片；熔丝沉积制造工艺是采用低熔点材料在升温、熔化后经喷嘴喷射形成凝固的线条，再形成凝固的层片。以上三种工艺都是由点堆积成线，再由线堆积成面，最后由多个面堆积成三维结构，因此，成型时间都较长。叠层实体制造工艺是由激光器切割出每层的轮廓，再把每层的非实体区域切碎，因此，加工薄壁件时的时间较长，材料利用率低。采用粉末作为成型材料的三维打印工艺，虽然比起其它四种工艺的成型速度快，但每层加工前的供粉、铺粉等辅助过程需要一定的时间，加工的三维结构一般都有几千个层片，辅助过程的时间累积起来也比较多。3)只能制作单色的、或多色但不透明的三维结构。除三维打印工艺之外，其他四种成型工艺都只能制作单色的三维结构，无法制作出彩色的三维物体，这样对于产品的概念设计和外观设计等方面，产品就缺乏了色彩表现力；目前的三维打印工艺，因大多采用石膏粉、淀粉、陶瓷粉等不透明的颗粒材料，制作的三维物体虽是彩色的，但无法制作彩色的透明的三维物体，而且目前的三维打印工艺制作的三维物体的精度都比较低，需要大量的后处理工序才能获得高质量的表面质量。4)制作的原型件后处理工序复杂，且制作成本高。光固化工艺、熔丝沉积制造工艺在制作大部分三维物体时，都需要加支撑，支撑的添加比较难以去除，而且支撑材料也占用了相当多的成本，造成材料的浪费；叠层实体制造工艺用激光高温切割纸或陶瓷基薄层材料，表面质量较差，且把非实体部分全部切碎，造成更多的材料浪费；采用粉末为原料的三维打印工艺和选择性激光烧结工艺制作的原型件，在制作完毕后，从成型室取出时，需要比较繁杂的后处理工序才能获得高质量的表面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够快速、可靠、安全、环保、低成本的制作高精度的、复杂的、全彩色的、透明或半透明的三维物体的成型方法——制作三维物体和支撑的打印成型方法。
本发明制作三维物体和支撑的打印成型方法是运用如下技术方案来实现发明目的的a.建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的成型信息；将成型室的温度保持在-35～0℃，保证支撑材料在此温度范围内迅速凝固，然后依次进行b、c、d步骤；b.计算机控制打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息喷射UV液态材料，随后用固化光源将UV液态材料固化，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；在未被喷射的区域用另一打印喷头喷射支撑材料填充，支撑材料在被喷射出后，迅速凝固为固态，作为下一层片的支撑；所述支撑材料为蒸馏水或含有利于迅速结冰或凝固的水性液体，如盐水；也可以是溶剂型液体、染料型液体或液体树脂。
c.在第一层的上面，计算机控制打印喷头再按照第二层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息喷射UV液体材料，用固化光源将UV液态材料固化，形成与第二层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；同时，第二层与第一层粘结成一个整体；在未被喷射的区域用另一打印喷头喷射支撑材料填充，支撑材料在被喷射出后，迅速凝固为固态，作为下一层片的支撑；d.依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时与上一层粘结成一个整体，这样，层层粘结叠加，最终制造出三维物体及其支撑；e.把三维物体及其支撑放在温度高于支撑材料融点温度的环境中，使得每层填充的凝固的支撑材料融化，即获得与计算机实体模型相对应的三维物体。
制作三维物体的UV液态材料对波长100～800nm的光较为敏感。UV液态材料包括齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂。(1)齐聚物是含有不饱和官能团的低分子聚合物，其非限定性例子为聚氨脂丙烯酸脂、聚脂丙烯酸脂、聚醚丙烯酸脂、环氧丙烯酸脂以及各种改性丙烯酸脂。优选该齐聚物为液体以保持UV液体具有所需的低粘度，且优选其官能度大于一。如果齐聚物为非液体状态的物质，它应该可溶于所述活性物质的液体组分中。(2)活性单体主要是为了改善齐聚物的粘度。双官能度活性单体包含至少一种选自1，4-丁二醇、新戊二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇和二丙烯酸脂的单体。三或更高官能活性单体包含至少一种选自乙氧基化三羟甲基丙烷丙烯酸脂和丙氧基化甘油丙烯酸脂的单体。优选的双官能单体是二缩三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)，优选的三官能单体是三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)。(3)光引发剂吸收能量而激发产生自由基或阳离子。自由基光引发剂为苯偶姻和苯偶酰缩酮的衍生物(如苯偶姻醚、苯偶酰缩酮等)、苯乙酮衍生物(如对苯氧基2α、12羟基环乙基苯乙酮等)、芳香酮类光引发剂(如二苯甲酮、氯化二苯甲酮等)；阳离子光引发剂为酰基磷化氢化合物。(4)着色剂决定了三维结构的色彩和光学特性，优选为热稳定且水不溶性的。(5)助剂包括分散剂、润滑剂、增厚剂、填充剂、促固剂等，它影响到油墨的固化速度及使用的有效期和膜层厚度等。UV液体材料中可含有胶体或纳米颗粒等填料，如硅石、有机物、金属或合金。液体在室温下的粘度是2～1000cps。液体在0～130℃、粘度低于30cps时可喷射。
采用的固化光源可以为中心波长在100～800nm范围的半导体二极管；或为中心波长在100～800nm范围的半导体激光器；或为中心波长在100～800nm范围的固态激光器；或采用的光源为中心波长在100～800nm范围的气体激光器；或采用的光源为中心波长在100～800nm范围的高压或超高压汞灯；或为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的两种或多种光源组合而成的组合型光源；或为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯中的多个不同中心波长的光源组合而成的组合型光源。
填充每层空白区域或非实体区域的支撑材料可以是蒸馏水，可以是含有利于迅速结冰或凝固的水性液体，如盐水；也可以是其他溶剂型液体；或染料型液体；或液体树脂。
制作三维结构的过程中使用的打印喷头为多个，可分别喷射构成三维结构本体的液体材料和构成三维结构每层支撑的支撑材料。喷头的喷嘴的孔径尺寸是1～100μm，和(或)所喷射的液滴的尺寸是1～200pl。
构成三维结构的层片的厚度最大可达300μm，最小可为1μm。
本发明制作三维结构的速度和精度大大高于普通的光固化工艺、熔丝沉积制造、叠层实体制造等快速成型工艺；本发明采用的液体材料和支撑材料成本也大大低于其他几种快速成型工艺使用的成型材料。因此，本发明可以快速、可靠、安全、环保、低成本地制作形状极其复杂的、全彩色的、透明或半透明、高精度三维结构。由于使用的成型材料均是无毒的，且加工过程中，无任何粉尘和排放污染物，因此，非常适合办公环境中使用本发明制作三维结构。
图1所示的是用本发明方法制作三维结构的成型流程图；图2所示的是用本发明方法制作三维结构的设备框架示意图。
图中打印喷头托架1，打印喷头2，打印喷头托架X向导轨3，打印喷头托架Y向导轨4，打印喷头清洗槽5，成型基板6，成型实体区域7，成型支撑区域8，Z向工作台9，光固化光源10，计算机11，打印喷头控制电路12，打印喷头X-Y位置控制电路13，升降台控制电路14，光固化光源控制电路15。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明实施例1、如图1、图2所示，采用逐层打印成型方式制作三维物体及其支撑的方法，其具体过程如下由具有高速运算能力的计算机设计出所需加工的三维物体的三维CAD模型，对该三维CAD模型进行实体切片分层，形成一系列二维切片。每个切片的厚度可以相同，也可以不相同，每个切片的厚度在1μm～300μm。在成型室温度保持在-15±1℃的环境下，计算机11根据每一层的成型信息分别控制各机构做协调运动。具体而言，制作开始时，计算机11把第一层加工信息发给打印喷头控制电路12，打印喷头控制电路12驱动打印喷头2中的某个或某几个喷头按该层的形状将UV液态材料喷射到成型室内的工作平台上(打印喷头2位于恒温室，恒温室工作时的温度保持在0℃～130℃。)，随后被光固化光源10迅速固化，形成实体区域7，在打印喷头2中的某个或某几个喷头喷射UV液态材料的同时，打印喷头2中的另一喷头喷射蒸馏水填充该层未被喷射UV液态材料的区域，随后被迅速凝固成冰，形成支撑区域8。接着，计算机把下一层的成型信息发给打印喷头控制电路12喷射出UV液态材料和蒸馏水，在光固化光源照射后形成新的实体区域，蒸馏水凝固成冰形成支撑区域。如此反复，一层层的打印并粘结，从而快速制作出三维物体。将制作出的三维物体放入高于0℃(最佳为60℃)的温控室中，让冰迅速融化，即可获得质量较好的零件。
图2所示的是逐层制作三维物体和支撑的装置结构框架示意图。应用本发明制作三维物体的成型装置(除计算机外)的结构包括打印喷头托架1，打印喷头2，打印喷头托架X向导轨3，打印喷头托架Y向导轨4，打印喷头清洗槽5，成型基板6，Z向工作台9，光固化光源10，打印喷头控制电路12，打印喷头X-Y位置控制电路13，升降台控制电路14，UV光源控制电路15等。打印喷头托架1沿着X方向做双向直线运动；打印喷头在X-Y平面内沿着打印喷头托架X向导轨3、打印喷头托架Y向导轨做平面运动；Z向工作台9做垂直方向的上下运动。每打印一段时间，打印喷头2在打印喷头托架1的带动下，在打印喷头清洗槽5中进行清洗，以确保喷头不被堵塞。
实施例2，与实施例1基本相同，所不同的是，所用支撑材料为盐水，成型室温度保持在-15℃，将制作出的三维物体放入高于40℃(最佳为60℃)的温控室中融化支撑材料。
实施例3，与实施例1基本相同，所不同的是，所用支撑材料为环己酮溶剂型液体，将制作出的三维物体放入高于45℃(最佳为70℃)的温控室中融化支撑材料。
实施例4，与实施例1基本相同，所不同的是，所用支撑材料为偶氮染料型液体将制作出的三维物体放入高于40℃(最佳为60℃)的温控室中融化支撑材料。
实施例5，与实施例1基本相同，所不同的是，所用支撑材料为环氧丙烯酸脂，将制作出的三维物体放入高于50℃(最佳为70℃)的温控室中融化支撑材料。
权利要求
1.一种制作三维物体和支撑的打印成型方法，其步骤为a.建立三维物体的计算机实体模型，对其进行切片分层，得到每层的成型信息；将成型室的温度保持在-35～0℃，保证支撑材料在此温度范围内迅速凝固，然后依次进行b、c、d步骤；b.计算机控制打印喷头按照第一层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息喷射UV液态材料，随后用紫外灯将UV液态材料固化，形成与第一层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；在未被喷射的区域用另一打印喷头喷射支撑材料填充，支撑材料在被喷射出后，迅速凝固为固态，作为下一层片的支撑；所述支撑材料为蒸馏水或含有利于迅速结冰或凝固的水性液体；也可以是溶剂型液体、染料型液体或液体树脂；c.在第一层的上面，计算机控制打印喷头再按照第二层的成型信息做设定的打印运动并按照成型信息喷射UV液体材料，用紫外灯将UV液态材料固化，形成与第二层成型信息形状一样的、有一定强度的层片；同时，第二层与第一层粘结成一个整体；在未被喷射的区域用另一打印喷头喷射支撑材料填充，支撑材料在被喷射出后，迅速凝固为固态，作为下一层片的支撑；d.依次按照每层的成型信息制作出每一层，同时与上一层粘结成一个整体，这样，层层粘结叠加，最终制造出三维物体及其支撑；e.将三维物体及其支撑放在温度高于支撑材料融点温度的环境中，使得每层填充的凝固的支撑材料融化，即获得与计算机实体模型相对应的三维物体。
2.根据权利要求1所述的制作三维物体和支撑的打印成型方法，其特征在于所述的UV液态材料为a.该种液体对波长100～800nm的光较为敏感，液体包含齐聚物、活性单体、光引发剂、着色剂及其它助剂；b.液体可含有胶体或纳米颗粒填料，如硅石、有机物、金属或合金；c.液体在室温下的粘度是2～1000cps；d.液体在0～130℃的温度范围内能喷射，在此温度范围内，液体的粘度低于30cps。
3.根据权利要求1、2中所述的制作三维物体和支撑的打印成型方法，其特征在于喷射UV液态材料的打印喷头安装在一温控箱或起温控功能的箱体中，工作时的温度保持在0℃～130℃。
4.根据权利要求1、2中所述的制作三维物体和支撑的打印成型方法，其特征在于喷射支撑材料的打印喷头安装在一温控箱或起温控功能的箱体中，工作时的温度保持在0℃～90℃。
5.根据权利要求1、2、5中所述的制作三维物体和支撑的打印成型方法，其特征在于所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的半导体二极管；或所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的半导体激光器；或所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的固态激光器；或所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的气体激光器；或采用的光源为中心波长在100～800nm范围的高压或超高压汞灯；或所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯的两种或多种光源组合而成的组合型光源；或所述的固化光源为中心波长在100～800nm范围的由半导体二极管、半导体激光器、固态激光器、气体激光器、高压或超高压汞灯中的几种光源的多个不同中心波长的光源组合而成的组合型光源。
全文摘要
本发明公开了一种制作三维物体和支撑的打印成型方法，其步骤为建立计算机实体模型，进行切片分层；打印喷头按照每层的成型信息做设定的打印运动并喷射UV液态材料，随后将其固化，形成层片；在未被喷射的区域喷射支撑材料填充，将其凝固为固态，作为下一层的支撑；层层粘结叠加，形成三维物体和支撑；支撑材料可为蒸馏水、水性液体、溶剂型液体、染料型液体等的一种，在低温凝固后构成每一层的支撑，在三维物体制作完毕后，升温即融化消失或溶解，即获得三维物体。本发明可以快速、可靠、安全、环保、低成本地制作形状极其复杂的三维物体，也可用制作全彩色三维物体。该方法所用成型材料无毒，因此可以在办公环境中使用本发明制作三维物体。
文档编号B44C3/04GK1814431SQ200610038580
公开日2006年8月9日 申请日期2006年3月3日 优先权日2006年3月3日
发明者岳东, 杨继全 申请人:南京师范大学