基于FED原理的三维打印装置及其打印方法与流程

本发明涉及三维打印快速成型领域，尤其涉及一种基于fed原理的电子束固化三维打印装置及其打印方法。

背景技术：

三维打印作为快速成形技术的一种，在模具制造、工业设计等领域被广泛的用于制造模型，且现正逐渐用于一些产品的直接制造。三维打印技术越来越普及，对打印技术的要求也越来越高。

sla光固化是最早实用化的快速成形技术，其采用的是点成型或线成型的方式，通过使用激光束按照一定的运动路径逐点扫描工作面的方式来固化光敏树脂，光敏树脂是从点开始固化然后到线再固化成一整面，或者从线开始固化然后再固化成一整面，一整面的薄层固态光敏树脂通过叠加的方式得到所需要的实体模型制件。其具有成型精度高、机械运动部件少的优势，但其存在成型面积较小、设备造价昂贵、打印速度慢等缺陷。

dlp成型与lcd成型都是面成型方式，lcd成型是用液晶屏在工作面上选择性显示紫外图像来对液态光敏树脂进行固化，而dlp成型则是直接通过投影紫外图像到工作面的方式来固化光敏树脂，固化出来的固态光敏树脂薄层通过叠加从而得到需要的实体模型制件。

中国专利“zl201320332935.0”公开了一种基于dlp投影光固化三维打印机，其利用dlp投影系统进行光固化，由于dlp投影受dmd分辨率的限制，且dlp投影的光学镜头存在光学畸变，导致固化效率低，精度差等缺陷。

fed(fieldemissiondisplay)，即场致发射显示器，是利用微尖发射电子枪阵列场致发射的电子束轰击荧光粉而发光的显示器。每一个像素对应一个微尖发射电子枪，可寻址、单独驱动发射电子束。传统光固化三维打印技术采用紫外光作为辐射固化能量源。而本发明则是采用电子束作为辐射固化能量源。电子束辐射是由一批经过加速的电子流所组成的，在高能电子束的作用下，固化树脂产生自由基或离子基，自由基或离子基再与其他物质交联成网状聚合物，与紫外光相比，粒子能量远远高于紫外光，能够使空气电离，且电子束固化一般不需光引发剂，能够直接引发化学反应，对物质的穿透力也比紫外光大。相比于市场上其他平板显示，如lcd平板显示、oled平板显示、pdp平板显示，fed平板显示具有亮度高、分辨率高、响应快、抗干扰能力强等优势，具有巨大的市场潜力。

将fed应用于快速成型领域也同样极具优势。相比于传统的sla、dlp、lcd光固化三维打印技术，利用微尖发射电子枪阵列场致发射电子束直接固化树脂，响应快，固化速度快，一定程度上提高了生产效率；由于微尖发射电子枪尺寸小，在同等大小的显示面下能显示更多的像素，应用于电子束固化三维打印能固化出更高精度的三维打印制品；由于其体积小的特点，应用于光固化三维打印能满足三维打印设备小型化市场需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种基于fed原理的电子束固化三维打印装置及其打印方法，以解决上面现有技术中提到的，传统三维打印装置所存在的打印速度慢、精度低、功耗大、设备大等问题。

为实现本发明目的所采用的技术方案一为：

一种基于fed原理的三维打印装置，包括：计算机系统、控制器、场致发射器、料槽、成型台和升降装置；所述计算机系统，用于对三维模型进行图像处理，将三维模型分割成一系列具有厚度的截面图形，并能对控制器进行控制；所述控制器，一方面对场致发射器进行控制，另一方面控制升降装置；所述料槽，盛放固化树脂，可通过进胶口与出胶口补充和回收固化树脂；所述成型台，位于料槽内，浸入固化树脂中；所述升降装置，使成型台进行升降运动；所述场致发射器包括依次设置的下盖板、金属电极、微尖发射电子枪阵列、栅极、隔离柱、透明电极和上盖板；所述金属电极固定在下盖板上，所述微尖发射电子枪阵列设置在金属电极上，微尖发射电子枪阵列包括以阵列状排列的若干微尖发射电子枪，电子枪的尖端穿过栅极朝向上盖板方向；通过隔离柱将透明电极和电子枪的尖端之间隔出一电子加速空腔，透明电极的一面朝向电子加速空腔，另一面固定于上盖板；所述微尖发射阵列发射出的电子束经过电子加速空腔后击穿过上盖板；所述料槽的一个内壁形成为所述上盖板，电子束穿过上盖板后射入料槽内；所述成型台的台面朝向上盖板，成型台台面与上盖板之间形成三维打印区域。

优选的，所述控制器依据所述截面图形通过寻址选择性的发射电子束，使微尖发射电子枪阵列发出对应的电子束图像，对应的电子束图像固化出对应图像的树脂薄层。

优选的，所述上盖板形成为所述料槽的底面、顶面或侧面。

优选的，所述升降装置控制成型台在垂直于所述上盖板表面的方向上做升降运动。

优选的，所述电子加速空腔为真空环境。

优选的，所述固化树脂为可被电子束固化的环氧树脂，或含有环氧树脂的复合材料。

优选的，所述固化树脂为电子束光刻胶。

优选的，所述隔离柱材料为热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷或石英玻璃。

为实现本发明目的所采用的技术方案二为：一种根据权利要求1所述基于fed原理的三维打印装置的打印方法，其特征在于，打印开始之前，在料槽中注入光固化树脂；成型台移动到与上盖板相距单位距离的位置；打印开始，控制器控制场致发射器选择性地驱动微尖发射电子枪阵列发射出与所述截面图形相应的电子束图像透过上盖板到达成型台之间的三维打印区域中，在此区域中的液态固化树脂开始按照电子束图案的形状固化，最终形成一层与三维模型截面图形完全一样的固体，同时这层固体将粘在成型台底面，没有接触到电子束的地方仍为液体；完成一层固化固体后，场致发射器停止发射电子束，成型台通过升降装置朝远离上盖板的方向移动单位距离，这时场致发射器开始发射下一帧电子束截面图案，在成型固体与上盖板之间的液态胶便又会固化一层单位厚度的固体，两层固体粘结成一体，就像这样一层一层的固化下去，将成型成一定结构的固体黏在成型台12上，最后将成型固体从成型台取下，完成整个三维打印过程；其中若料槽中固化树脂不足时，可从入胶口中注入固化树脂，在打印结束时，则可通过出胶口回收固化树脂。

本发明的工作原理：传统光固化三维打印技术采用紫外光作为辐射固化能量源。而本发明则是采用电子束作为辐射固化能量源。电子束辐射是由一批经过加速的电子流所组成的，在高能电子束的作用下，固化树脂产生自由基或离子基，自由基或离子基再与其他物质交联成网状聚合物，与紫外光相比，粒子能量远远高于紫外光，能够使空气电离，且电子束固化一般不需光引发剂，能够直接引发化学反应，对物质的穿透力也比紫外光大。

场致发射显示是在强电场的作用下阴极表面势垒降低、变薄，电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空，电子加速后轰击在荧光粉上实现显示。本发明基于fed原理的三维打印是通过利用控制器控制场致发射器中的驱动电路，让微尖阵列中的某些特定微尖电子枪发射出电子，电子在电场中加速轰击到工作面上，形成特定的电子束轰击群。在特定电子束群的轰击下，固化树脂产生自由基或离子基，自由基或离子基再与其他物质交联成网状聚合物形成特定图像的树脂固化薄层，薄层再通过叠加得到所需要打印的制件模型。

有益效果：本发明所述利用微尖发射电子枪阵列场致发射电子束直接固化树脂的三维打印装置，相较传统光固化三维打印装置响应更快，固化速度更快，一定程度上提高了生产效率；由于微尖发射电子枪尺寸小，在同等大小的显示面下能显示更多的像素，应用于电子束固化的三维打印装置能相较传统光固化三维打印装置固化出更高精度的三维打印制品；体积小，本发明三维打印装置能满足三维打印设备小型化市场需求。

如上所述，本发明的基于fed原理的三维打印机，采用场致发射电子束来进行电子束固化，相比于采用点、线固化成型的sla三维光固化，场致发射三维电子束固化成型采用的是面发射源，具有更高的成型速度优势；相比于lcd三维光固化，能在保证大尺寸打印的情况下，轻松打印更高精度的固化树脂制品；相比于dlp三维光固化，自发射的电子束固化大大降低了能量的损耗，一定程度上提高了生产效率，且节省了放置复杂光路所需要的空间，有利于小型化设备生产。

附图说明

图1为本发明实施方案一上升式fed电子束固化三维打印装置的结构示意图；

图2为本发明实施方案二下沉式fed电子束固化三维打印装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施方案一上升式fed电子束固化三维打印装置包括：计算机系统1；控制器2；下盖板3；金属电极4；微尖发射电子枪阵列5；栅极6；隔离柱7；透明电极8；上盖板9；料槽10；固化树脂11；成型台12；升降装置13。

其中，计算机系统1，对三维模型进行图像处理，将三维模型分割成一系列具有厚度的截面图形，然后通过数据线将处理过的数据依次传输到控制器2与场致发射器中。

在本发明实施方式中主要采用下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9来作为场致发射器实现电子束图像的发射。

如图1所示，金属电极4为阴极位于下盖板3的上方，金属电极4的上方依次为微尖发射电子枪阵列5、栅极6、阳极透明电极8、上盖板9。所述控制器2在处理计算机系统1得出的一帧帧图像数据后，通过场致发射器中的驱动电路，在阴极金属电极4和栅极6之间施加电压差，电子在电场的作用下从微尖发射电子枪阵列5释放出，而在阳极透明电极8上施加的电压可使电子在真空中加速，最终穿过上盖板9，轰击料槽10中的底层固化树脂11。通过寻址选择性的发射电子束，使场致发射器发出对应的电子束图像，对应的电子束图像能固化出对应图像的树脂薄层。

所述隔离柱7很薄，尺寸均匀；具有一定的刚度、强度；具有一定的电阻率，同时又不能产生过大的漏电流；放气量小。隔离柱材料为热压氮化硅、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、石英玻璃等。

所述料槽10位于上盖板9的上方，用于盛放各种固化树脂11，料槽10中设有进胶口与出胶口，在料槽固化树脂11不足时能从进胶口中及时补充固化树脂11，在打印结束时也可以通过出胶口回收固化树脂11。成型台12利用升降装置13能够在料槽10上方作垂直运动。上盖板9顶部与成型台12之间为三维打印机的成型工作区。

打印开始之前，在料槽10中注入光固化树脂11。成型台12下降到与上盖板9顶部相距单位高度的位置。

打印开始，控制器2控制场致发射器(下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9)选择性驱动发射的电子束图像透过上盖板9到达成型台12下方的空间中，在此空间中的液态固化树脂11开始按照电子束图案的形状固化，最终形成一层与三维模型截面图案完全一样的固体，同时这层固体将粘在成型台12底面，没有接触到电子束的地方仍为液体。

完成一层固化后场致发射器(下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9)停止发射电子束，成型台12通过升降装置13升高单位高度，这时场致发射器开始发射下一帧电子束截面图案，在成型固体下方的液态胶便又会固化一层单位厚度的固体，两层固体粘结成一体，就像这样一层一层的固化下去，将成型成一定结构的固体黏在成型台12下方，最后只要将成型固体从成型台12下取出，便完成了整个三维打印过程。其中若料槽10中固化树脂11不足时，可从入胶口中注入固化树脂11，在打印结束时，则可通过出胶口回收固化树脂11。

本发明实施方案二下沉式fed电子束固化三维打印装置包括：计算机系统1；控制器2；下盖板3；金属电极4；微尖发射电子枪阵列5；栅极6；隔离柱7；透明电极8；上盖板9；料槽10；固化树脂11；成型台12；升降装置13。

如图2所示，其区别于实施方式一，所述场致发射器(下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9)位于整个装置的上方，所述料槽10与成型台12位于整个装置的下方。成型台12利用升降装置13能够在供料装置料槽中作垂直运动。上盖板9底面与成型台12之间为三维打印机的成型工作区。

打印开始之前，在料槽10中注满固化树脂11。成型台12上升到与上盖板9底面相距单位高度的位置。

打印开始，控制器2控制场致发射器(下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9)选择性驱动发射的电子束图像透过上盖板9到达成型台12上方的空间中，在此空间中的液态固化树脂11开始按照电子束图案的形状固化，最终形成一层与三维模型截面图案完全一样的固体，同时这层固体将粘在成型台12顶面，没有接触到电子束的地方仍为液体。

完成一层固化后场致发射器(下盖板3、金属电极4、微尖发射电子枪阵列5、栅极6、隔离柱7、透明电极8、上盖板9)停止发射电子束，成型台12通过升降装置13下降单位高度，这时场致发射器开始发射下一帧电子束截面图案，在成型固体上方的液态胶便又会固化一层单位厚度的固体，两层固体粘结成一体，就像这样一层一层的固化下去，将成型成一定结构的固体黏在成型台12上方，最后只要将成型固体从成型台12下取出，便完成了整个三维打印过程。其中若料槽10中固化树脂11不足时，可从入胶口中注入固化树脂11，在打印结束时，则可通过出胶口回收固化树脂11。

综上所述，而本实施例采用电子束作为辐射固化能量源。电子束辐射是由一批经过加速的电子流所组成的，在高能电子束的作用下，固化树脂产生自由基或离子基，自由基或离子基再与其他物质交联成网状聚合物，与紫外光相比，粒子能量远远高于紫外光，能够使空气电离，且电子束固化一般不需光引发剂，能够直接引发化学反应，对物质的穿透力也比紫外光大。

场致发射显示是在强电场的作用下阴极表面势垒降低、变薄，电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空，电子加速后轰击在荧光粉上实现显示。本实施例基于fed原理的三维打印是通过利用控制器控制场致发射器中的驱动电路，让微尖阵列中的某些特定微尖电子枪发射出电子，电子在电场中加速轰击到工作面上，形成特定的电子束轰击群。在特定电子束群的轰击下，固化树脂产生自由基或离子基，自由基或离子基再与其他物质交联成网状聚合物形成特定图像的树脂固化薄层，薄层再通过叠加得到所需要打印的制件模型。

本实施例所述利用微尖发射电子枪阵列场致发射电子束直接固化树脂的三维打印装置，相较传统光固化三维打印装置响应更快，固化速度更快，一定程度上提高了生产效率；由于微尖发射电子枪尺寸小，在同等大小的显示面下能显示更多的像素，应用于电子束固化的三维打印装置能相较传统光固化三维打印装置固化出更高精度的三维打印制品；体积小，本实施例三维打印装置能满足三维打印设备小型化市场需求。本实施例的基于fed原理的三维打印机，采用场致发射电子束来进行电子束固化，相比于采用点、线固化成型的sla三维光固化，场致发射三维电子束固化成型采用的是面发射源，具有更高的成型速度优势；相比于lcd三维光固化，能在保证大尺寸打印的情况下，轻松打印更高精度的固化树脂制品；相比于dlp三维光固化，自发射的电子束固化大大降低了能量的损耗，一定程度上提高了生产效率，且节省了放置复杂光路所需要的空间，有利于小型化设备生产。本实施例通过采用fed场致发射器来作为电子束固化源，实现了固化树脂的三维快速成型，有效地提高了分辨率和打印精度，降低了功耗，提高了生产率，具有一定的产业利用价值。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。