一种点阵技术3D打印方法及应用其的设备与流程

本发明属于3D打印技术领域，涉及一种点阵技术3D打印方法及应用其的设备。

背景技术：

常规的添加剂三维打印技术是建立在一个缓慢的层层打印的过程。以分步或层层的方式进行构造三维物体。具体地讲就是先打印一层，烘干或光固化后，补充树脂再打印一层，重复上述操作。新层的形成可以在旧层表面顶上，也可以在底面。这个传统3D打印的缺点包括速度慢，精细度低，有缺陷，机械强度低等等。

最近两个公司/实验室，Orange Maker Inc. 和Carbon3D Inc. 发展了一个全新的3D打印技术-- 连续液体界面合成法（clip）。此法的原理是投影机将连续的从下面将紫外线射到对象的横截面。以紫外光固化液态树脂池底部上方一层液体。同时，连续升降成形物体。如专利WO2014126837中公开的3D打印技术。但上述专利使用了紫外光来固化树脂，其一个主要的缺点是光反应聚合的反应有限，还有更多反应不能用紫外光引发，比如一些非自由基缩聚反应，分子催化反应，酶催化反应，热聚反应，冷聚反应，阳离子聚合反应，阴离子聚合反应，金属还原合成，自组装，半导体材料合成，无机材料合成等等，或纯粹物理相变固化。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种点阵技术3D打印方法及应用其的设备。

本发明提供了如下的技术方案：

一种点阵技术3D打印方法，所述方法为连续液体界面合成法，所述方法通过点阵形式引发固化液发生固化反应进行打印。

在上述方案中优选的是，所述方法通过点阵形式引发局部固化液发生固化反应进行打印。

在上述任一方案中优选的是，所述方法利用点阵反应装置。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵反应装置包括点阵板，所述点阵板上设置点阵反应引发点。

在上述任一方案中优选的是，通过电子控制装置引发所述点阵反应引发点处的固化液发生固化反应。

在上述任一方案中优选的是，所述电子控制装置控制所述点阵反应引发点处的反应条件引发固化反应。

在上述任一方案中优选的是，控制反应条件的方式包括电流、加热或降温。

在上述任一方案中优选的是，每个所述点阵反应引发点由单独的所述电子控制装置控制。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵反应引发点具有形状。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵反应引发点的形状包括规则形状和不规则形状，所述规则形状包括实点，空点，圆形，三角形，方形、线、长方形、环形、其他规则形状中的一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，所述电子控制装置由计算机软件控制。

在上述任一方案中优选的是，通过所述计算机软件控制所述点阵板上的至少一个所述点阵反应引发点处的固化液发生固化反应。

在上述任一方案中优选的是，所述方法为逐层固化，每层固化出来的图案由选取的所述点阵反应引发点处的固化液发生固化形成。

在上述任一方案中优选的是，形成每层图案的所述点阵反应引发点位置相同或不同。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵板上的所述点阵反应引发点的密度为纳米级、微米级、毫米级、厘米级或米级；和/或所述点阵板上的所述点阵反应引发点的尺寸为纳米级、微米级、毫米级、厘米级或米级。

点阵可以通过各种办法制造。一般来说，点阵密度越大，生成的3D物件越精细。因此点阵的制造技术集中微米和纳米技术上，但也包括其他制造毫米厘米尺寸，以及更大尺寸以用于身材大的物体（比如汽车，楼房等等）。微米，纳米点阵的制造办法包括MEMS办法（芯片生产技术），2D打印技术，自组装，模板办法等。

在上述任一方案中优选的是，用于固化反应的固化液包括待固化材料，所述待固化材料是指能够发生固化反应的材料。

在上述任一方案中优选的是，所述待固化材料包括有机材料，无机材料，金属材料，金属离子材料，半导体材料，复合材料等等，但不限于上述材料。

在上述任一方案中优选的是，所述有机材料包括软材料和硬材料。

在上述任一方案中优选的是，所述软材料包括硅胶。

在上述任一方案中优选的是，所述硬材料包括聚氯乙烯（PVC）。

在上述任一方案中优选的是，所述待固化材料包括单体化合物、初聚物溶液、溶液，所述单体化合物选自但不限于丙烯酸类，甲基丙烯酸类，丙烯酰胺，苯乙烯类，烯烃，卤代烯烃，环烯烃，马来酸酐，烯烃，炔烃，羰基化合物，可聚合的低聚物，带官能团的聚乙二醇（PEG）中的一种或几种；所述初聚物溶液包括小分子量的所述上述单体化合物初步聚合的产物；所述溶液包括无机盐溶液、有机离子溶液、无机离子溶液、无机氧化物溶液、金属离子溶液中的一种或几种。

在上述任一方案中优选的是，所述初聚物溶液的分子量为几十至几千道尔顿，和/或所述初聚物溶液的单体聚合程度为1%-99%。

本发明可引发更多反应的发生，因此，可选择的材料的扩展很多。

在上述任一方案中优选的是，所述固化液还包括引发剂。

在上述任一方案中优选的是，所述引发剂包括自由基引发剂、阳离子引发剂、阴离子引发剂、电镀还原剂电子，催化剂。

在上述任一方案中优选的是，所述固化反应包括聚合反应。

本发明的所述点阵形式引发固化液发生固化反应进行打印成像的作用原理可以通过以下例子解释，例如：一个3×3的点阵共9个点，初始时由电子控制装置控制其中选定的4个点处加热，固化液被加热后固化形成固体产生图案，已生成的图案向上拉起一定距离后，由电子控制装置继续控制另外选定的7个点处加热，固化液被加热后固化再形成固体，在已形成图案的界面产生图案……依次这样操作，就形成了3D物体。

本发明的另一个目的是提供应用所述点阵技术3D打印方法的设备，包括支架、固化液池，还包括点阵反应装置。

在上述方案中优选的是，所述支架设置在所述固化液池的上方并伸入所述固化液池内，所述支架的底部设置打印平台，所述点阵反应装置设置在所述固化液池的底部。

在上述任一方案中优选的是，在所述点阵反应装置上方设有多孔膜。所述多孔膜可控制气体通过。如所述多孔膜引入氧气作抑制剂。

在上述任一方案中优选的是，所述多孔膜为氧气可透过膜。

氧气可抑制一定厚度固化液的固化，防止在底部发生固化，因为不是光聚合，多孔膜对透明度没有要求，因而扩大选择度。

在上述任一方案中优选的是，所述多孔膜为透气或半透气膜。

在上述任一方案中优选的是，所述多孔膜为透气含氟聚合物膜、透气性有机聚合物膜或无机多孔膜。

在上述任一方案中优选的是，所述透气性有机聚合物膜包括聚二甲基硅氧烷膜。

在上述任一方案中优选的是，所述无机多孔膜包括多孔玻璃。

在上述任一方案中优选的是，所述多孔膜厚度为10微米～100毫米。

在上述任一方案中优选的是，所述多孔膜的上方为抑制层。

在上述任一方案中优选的是，所述抑制层的上方为生成层。

在上述任一方案中优选的是，所述抑制层的厚度为0.01微米～1毫米。

所述抑制层的厚度可通过多种条件控制，如氧气的通入量、多孔膜的孔径大小或外加抑制剂的通入量等。

在上述任一方案中优选的是，所述生成层的厚度为0.01微米～1毫米。

所述抑制层的厚度可通过多种条件控制，如固化液的通入量、支架的上升速度等。

所述多孔膜厚度、所述抑制层的厚度和所述生成层的厚度可使固化速度不同。

所述抑制层的厚度和所述生成层的厚度均可由上方气体压力，气体中氧气含量，液体成分等等来控制。

在上述任一方案中优选的是，所述支架与上升驱动机构连接，所述打印平台在所述上升驱动机构的作用下上升，所述上升驱动机构包括驱动器以及控制所述驱动器的控制器。

支架在固化层上层，随着支架向上移动，所述打印平台向上移动，所述三维物体随支架上升而上升。

在上述任一方案中优选的是，所述打印平台的上升速度为0.01-1000 微米/秒。由于固化材料不同，所以上升速度不同，但材料允许的条件下，速度越快越好。

在上述任一方案中优选的是，所述打印平台的上升时速度，相当于通过所述生成层时间至少为0.1秒。

在上述任一方案中优选的是，所述固化液池与固化液注入通道连通，固化液由固化液源通过所述固化液注入通道进入生成层。

在上述任一方案中优选的是，所述固化液池最下面、点阵板上为多孔膜，氧气作为抑制剂由多孔膜进入抑制层。在上述任一方案中优选的是，所述固化液池与抑制剂注入通道连通，抑制剂由抑制剂源通过所述抑制剂注入通道进入抑制层。

除了氧气外，还可加入其它的抑制剂，用于在固化液池的最底部形成抑制层，防止在最底部发生固化，影响打印。

在上述任一方案中优选的是，所述抑制剂可以在固化液池的底部引进，也可以在侧壁或顶部引进。

抑制剂可由不同的位置引入，只要能够在固化液池的最底部形成抑制层即可。

在上述任一方案中优选的是，所述设备还包括与所述固化液源和/或抑制剂源相关联的压力源。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵反应装置包括点阵板，所述点阵板上设置点阵反应引发点。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵板为导热或导电材质。

在上述任一方案中优选的是，所述点阵板材质为金属材质、导热或导电非金属材质。

本发明可以克服使用紫外光引发反应的局限性，以点阵引发的形式取代了紫外光引发反应，可使连续液体液面合成法能够选择的材料更多，能够打印的物件更多。本发明可使3D打印的速度更快，打印更精细。

附图说明

图1是本发明中应用所述点阵技术3D打印方法的设备的一优选实施例的结构示意图；

图2是点阵反应装置的结构示意图；

图3是实施例4打印物体的照片；

图4是实施例5打印物体的照片；

图5是实施例6打印物体的照片。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的技术特征，下面结合具体实施例对本发明进行详细地阐述。实施例只对本发明具有示例性的作用，而不具有任何限制性的作用，本领域的技术人员在本发明的基础上作出的任何非实质性的修改，都应属于本发明的保护范围。

实施例 1：

一种点阵技术3D打印方法，所述方法为连续液体界面合成法，所述方法通过点阵形式引发固化液发生固化反应进行打印。

实施例 2：

与实施例1的不同之处仅在于：所述方法通过点阵形式引发局部固化液发生固化反应进行打印。

更进一步地，所述方法利用点阵反应装置。

更进一步地，所述点阵反应装置包括点阵板，所述点阵板上设置点阵反应引发点。

更进一步地，通过电子控制装置引发所述点阵反应引发点处的固化液发生固化反应。

更进一步地，所述电子控制装置控制所述点阵反应引发点处的反应条件引发固化反应。

更进一步地，控制反应条件的方式包括电流、加热或降温。

更进一步地，所述点阵反应引发点具有形状。

更进一步地，每个所述点阵反应引发点由单独的所述电子控制装置控制。

更进一步地，所述点阵反应引发点的形状包括规则形状和不规则形状，所述规则形状包括实点，空点，圆形，三角形，方形、线、长方形、环形中的一种或几种。

更进一步地，所述电子控制装置由计算机软件控制。

更进一步地，通过所述计算机软件控制所述点阵板上的至少一个所述点阵反应引发点处的固化液发生固化反应。

更进一步地，所述方法为逐层固化，每层固化出来的图案由选取的所述点阵反应引发点处的固化液发生固化形成。

更进一步地，形成每层图案的所述点阵反应引发点位置相同或不同。

更进一步地，所述点阵板上的所述点阵反应引发点的密度为纳米级、微米级、毫米级、厘米级或米级；和/或所述点阵板上的所述点阵反应引发点的尺寸为纳米级、微米级、毫米级、厘米级或米级。

点阵可以通过各种办法制造。一般来说，点阵密度越大，生成的3D物件越精细。因此点阵的制造技术集中微米和纳米技术上，但也包括其他制造毫米厘米尺寸，以及更大尺寸以用于身材大的物体（比如汽车，楼房等等）。微米，纳米点阵的制造办法包括MEMS办法（芯片生产技术），2D打印技术，自组装，模板办法等。

更进一步地，用于固化反应的固化液包括待固化材料，

更进一步地，所述待固化材料包括有机材料，无机材料，金属材料，金属离子材料，半导体材料，复合材料。

更进一步地，所述有机材料包括软材料和硬材料。

更进一步地，所述软材料包括硅胶。

更进一步地，所述硬材料包括聚氯乙烯PVC。

更进一步地，所述待固化材料包括单体化合物、初聚物溶液、溶液，所述单体化合物选自丙烯酸类，甲基丙烯酸类，丙烯酰胺，苯乙烯类，烯烃，卤代烯烃，环烯烃，马来酸酐，烯烃，炔烃，羰基化合物，可聚合的低聚物，带官能团的PEG中的一种或几种；所述初聚物溶液包括小分子量的所述上述单体化合物初步聚合的产物；所述溶液包括无机盐溶液、有机离子溶液、无机离子溶液、无机氧化物溶液、金属离子溶液中的一种或几种。

更进一步地，所述初聚物溶液的分子量为几十至几千道尔顿，和/或所述初聚物溶液的单体聚合程度为1%-99%。

本发明可引发更多反应的发生，因此，可选择的材料的扩展很多。

更进一步地，所述固化液还包括引发剂。

更进一步地，所述引发剂包括自由基引发剂、阳离子引发剂、阴离子引发剂、电镀还原剂电子，催化剂。

更进一步地，所述固化反应包括聚合反应。

实施例3：

如图1和2所示，一种应用所述点阵技术3D打印方法的设备，包括支架1、固化液池2，还包括点阵反应装置3。

更进一步地，所述点阵反应装置包括点阵板6，所述点阵板上设置点阵反应引发点7。

更进一步地，通过电子控制装置引发所述点阵反应引发点7处的固化液发生固化反应。

更进一步地，所述电子控制装置控制所述点阵反应引发点7处的反应条件引发固化反应。

更进一步地，控制反应条件的方式包括电流、加热或降温。

更进一步地，每个所述点阵反应引发点7由单独的所述电子控制装置控制。

更进一步地，所述点阵反应引发点7具有形状。

更进一步地，所述点阵反应引发点7的形状包括规则形状和不规则形状，所述规则形状包括实点，空点，圆形，三角形，方形、线、长方形、环形中的一种或几种。

更进一步地，所述电子控制装置由计算机软件控制。

更进一步地，通过所述计算机软件控制所述点阵板6上的至少一个所述点阵反应引发点7处的固化液发生固化反应。

进一步地，所述支架1设置在所述固化液池2的上方并伸入所述固化液池2内，所述支架1的底部设置打印平台，所述点阵反应装置3设置在所述固化液池2的底部。

更进一步地，在所述点阵反应装置3上方设有多孔膜。

更进一步地，所述多孔膜为氧气可透过膜。

氧气可抑制一定厚度固化液的固化，防止在底部发生固化，因为不是光聚合，多孔膜对透明度没有要求，因而扩大选择度。

更进一步地，所述多孔膜为透气或半透气膜。

更进一步地，所述多孔膜为透气含氟聚合物膜、透气性有机聚合物膜或无机多孔膜。

更进一步地，所述透气性有机聚合物膜包括聚二甲基硅氧烷膜。

更进一步地，所述无机多孔膜包括多孔玻璃。

更进一步地，所述多孔膜厚度为10微米～100毫米。

更进一步地，所述多孔膜的上方为抑制层5。

更进一步地，所述抑制层5的上方为生成层4。

更进一步地，所述抑制层5的厚度为0.01微米～1毫米。

更进一步地，所述生成层4的厚度为0.01微米～1毫米。

更进一步地，所述支架1与上升驱动机构连接，所述打印平台在所述上升驱动机构的作用下上升，所述上升驱动机构包括驱动器以及控制所述驱动器的控制器。

支架1在生成层4上层，随着支架1向上移动，所述打印平台向上移动，所述三维物体随支架1上升而上升。

更进一步地，所述打印平台的上升速度为0.01-1000 微米/秒。

更进一步地，所述打印平台的上升时速度，相当于通过所述生成层4时间至少为0.1秒。

更进一步地，所述固化液池2与固化液注入通道连通，固化液由固化液源通过所述固化液注入通道进入生成层4。

更进一步地，所述固化液池2与抑制剂注入通道连通，抑制剂由抑制剂源通过所述抑制剂注入通道进入抑制层5。

更进一步地，所述抑制剂可以在固化液池的底部引进，也可以在侧壁或顶部引进。如气体可在顶部引入。

更进一步地，所述设备还包括与所述固化液源和/或抑制剂源相关联的压力源。

更进一步地，所述点阵板为导热或导电材质。

更进一步地，所述点阵板材质为金属材质、导热或导电非金属材质。

本设备的所述固化液池2内注满所述固化液，所述点阵反应装置3设置在所述固化液池2的底部；在所述点阵反应装置3的所述点阵板上设置所述多孔膜；所述多孔膜为氧气可透，在所述多孔膜上层形成抑制层5，可抑制点阵反应装置3上层固化液被固化；也可将抑制剂注入所述抑制层5，来抑制点阵反应装置3上层固化液被固化；所述打印平台在打印初始时处于生成层4内，随着打印开始，由计算机软件控制的所述电子控制装置进而控制所述点阵反应引发点处的反应条件，因此生成层4该处的固化液发生聚合固化反应，在打印平台产生2D图案；然后，所述支架1的上升，所述电子控制装置继续控制所述点阵反应引发点处的反应条件在打印平台已图案的界面处继续打印下一层2D图案，随着所述支架1的逐渐上升，3D物体逐渐打印出来。

实施例4：

通过点阵技术3D打印方法打印柱状结构。

本实施例中使用的材料为聚赖氨酸 - 聚（乙烯乙二醇）-tyramine（PPT）跟双氧水和辣根过氧化物酶的混合物。

条件：以过氧化酶为催化剂，氧气为抑制剂，多孔膜采用特氟龙Teflon AF 2400，生成层厚度为1mm， 抑制层厚度为1mm，多孔膜厚度为200μm，支架上升速度为1mm/min，在点阵底下直接用加热炉加热（也可使用电控制加热），加热到80℃。

池子注入液体，点阵开始加热，1分钟后支架开始上升，点阵持续加热。池子中持续注入液体，保持一定液体厚度。

通过加热点阵上的点阵反应引发点，支架上升打印出柱状结构（见图3）。

实施例5：

通过点阵技术3D打印方法打印支柱结构。

本实施例中使用的材料为酸铜，硫酸，氯化铜，聚乙二醇和双（3-磺丙基）二硫化物的混合物。

条件：以电流引发反应，氧气为抑制剂，多孔膜采用特氟龙Teflon AF 2400，生成层厚度为1mm， 抑制层厚度为1mm，多孔膜厚度为200μm，支架上升速度为1mm/min，在点阵反应引发点处发生电还原反应。

池子注入液体，点阵开始加反应，1分钟后支架开始上升，点阵持续反应。池子中持续注入液体，保持一定液体厚度。

通过给予点阵上的点阵反应引发点直流电，支架上升，电解生成成致密的铜打印出柱子（见图4）。

实施例6：

通过点阵技术3D打印方法打印网状结构。

本实施例中使用的材料为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和邻苯二甲酸丁苄酯混合物，通过加热点阵上的点阵反应引发点，支架上升打印出网状结构（见图5）。

条件：以过氧化酶为催化剂，氧气为抑制剂，生成层厚度为1mm， 抑制层厚度为1mm，多孔膜厚度为200μm，支架上升速度为1mm/min，在点阵底下直接用加热炉加热（也可使用电控制加热），加热到80℃。

池子注入液体，点阵开始加热，1分钟后支架开始上升，点阵持续加热。池子中持续注入液体，保持一定液体厚度。