一种3D打印设备和方法与流程

本发明涉及3d打印领域，尤其涉及一种3d打印设备和方法。

背景技术：

3d打印(三维制造)是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印、层层累积的方式来构造三维物体的技术。特别地，采用可见光或紫外光照射光敏树脂逐层固化来构造三维物体，通常称之为立体光固化技术(sla)。已知有两种技术来实现sla：一种为新增加层在构造中物体的上表面，称之为“自上而下”制造技术；另一种为新增加层在构造中物体的下表面，称之为“自下而上”的制造技术。

对于“自上而下”技术，中国专利申请号为201410795471.6、发明名称为《一种具有刮平功能的激光3d打印机及其光固化打印方法》，其中公开了如下内容：在光固化3d打印过程开始时，照射源自上而下照射，新增加层在构造中物体的上表面形成，每形成一层，构造中的物体下降一层并潜入打印原液的液面以下，即打印单元在照射单元每扫描固化一个层面后，所述的刮平单元就对所述层面上端进行一次刮平处理，然后所述的打印单元再整体下降一个层面高度，并进行下一层面的打印，直到打印完成。即，刮平单元对构造平面进行一次刮平动作和一次抹平动作，打印原液重新涂覆一层在构建中物体的上表面，然后再进行新的光照射固化步骤。这种“自上而下”三维制造技术的缺点是构建中物体需要潜入打印原液中，并在每层形成之后需要停止光照射，启动复杂的机械运动装置进行液面刮平，以重新形成水平的打印原液覆盖层，使设备复杂化且耗费三维制造时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种3d打印设备和方法，利用照射源自上而下的照射方式并采用对照射源透明的元件完全或部分覆盖可聚合液体以保持稳定的覆盖表面，从而无需刮平即可进行新的照射固化步骤，用以克服传统“自上而下”三维制造技术中液面波动、机械复杂、速度低、不能连续打印等缺陷。

本发明通过如下技术方案实现：

本发明提出的一种3d打印设备，该设备包括照射源、工作台和液体槽，工作台用于承载构建的三维物体；液体槽用于盛装构建三维物体的可聚合液体，该设备还包括覆盖板，该覆盖板位于液体槽中，或者位于液体槽的顶部；照射源从覆盖板上方照射，该覆盖板为对照射源透明的元件；覆盖板的下表面为覆盖表面，在打印过程中覆盖表面保持与可聚合液体接触。

进一步地，在打印过程中，覆盖表面固定不动或基本不动。

进一步地，在所述覆盖板位于液体槽的顶部时，覆盖板与液体槽组成密闭容器或具有开口的容器；在该覆盖板位于液体槽中时，覆盖板固定在3d打印设备的主体结构上或液体槽上，液体槽为密闭容器或具有开口的容器。

进一步地，所述覆盖板为半渗透性元件，聚合抑制剂能够透过所述半渗透性元件渗透至所述覆盖表面，从而在所述覆盖表面形成抑制固化层，所述聚合抑制剂用于抑制所述可聚合液体的固化，以保证在打印过程中固化区域与所述覆盖表面之间无损伤地分离。

进一步地，所述半渗透性元件为半渗透性聚合物、多孔玻璃、核孔膜元件、微孔石英晶体元件、微孔云母元件，或它们的组合。

进一步地，所述半渗透性元件具有不小于10巴的氧渗透率。

进一步地，所述抑制固化层应具有不少于5μm的厚度。

进一步地，抑制固化层还应维持一定的时间，该时间至少不少于固化过程所持续的时间。

进一步地，在所述半渗透性元件外侧或内部设置刚性的支撑元件，用于增加半渗透性元件的刚性。

进一步地，聚合抑制剂自然透过或加压透过所述半渗透性元件。

进一步地，覆盖板的覆盖表面采用对固化的可聚合液体不具粘性或粘性较小的材料或元件，使得在打印过程中固化区域与覆盖表面能够无损分离。

进一步地，所述不具粘性或粘性较小的材料或元件选自特氟龙材料或元件、硅胶材料或元件、聚二甲基硅氧烷材料或元件、聚全氟乙丙烯材料或元件，或它们的组合。

进一步地，所述可聚合液体包含自由基可聚合树脂，其所对应的固化抑制剂为空气、纯氧或富氧气体。

进一步地，在所述覆盖板与液体槽组成密闭容器时，所述设备还包括液泵、压力探测器和控制单元，压力探测器用于检测密闭容器内的压力变化，控制单元根据压力探测器检测到的压力变化，驱动液泵抽运可聚合液体，以维持密闭容器内的压力。

进一步地，该设备还包括电机和控制单元，电机在控制单元的控制下驱动工作台上下移动。

进一步地，在液体槽的安装部位设置密封圈。

本发明还提出了一种3d打印方法，该方法包含以下步骤：

(a)提供工作台和覆盖板，其中覆盖板为具有覆盖表面的对照射源透明的元件，工作台与覆盖表面之间限定了三维物体的构建区域，照射源能量能够透过覆盖板照射到构建区域；

(b)在所述构建区域填充可聚合液体，且保持可聚合液体与所述覆盖表面接触；

(c)照射源能量透过所述覆盖板照射所述构建区域以形成固化区域；

(d)保持所述覆盖表面固定不动，将所述工作台向下移动，固化区域与所述覆盖表面分离，在所述固化区域和所述覆盖表面之间形成后续的构建区域；可聚合液体填充所述后续构建区域，并保持可聚合液体与覆盖表面和固化区域接触；

(e)重复步骤(c)、(d)，直至层层沉积形成三维物体；

其中步骤(c)、(d)同时进行，或步骤(c)、(d)按顺序进行。

进一步地，所述步骤(d)中固化区域与所述覆盖表面分离为无损分离。

进一步地，所述3d打印方法采用如前所述的3d打印设备。

根据本发明，用于本发明的抑制剂或聚合抑制剂可为液体或气体形式。在一些实施方案中，优选气体抑制剂。具体的抑制剂取决于聚合的单体和聚合反应。对于自由基聚合单体，抑制剂可方便地为氧，其可提供为气体形式，例如空气、富氧气体(任选地，但是在一些实施方案中优选地包含其它惰性气体以减少它们的可燃性)，或在一些实施方案中为纯氧气。在备选实施方案中，例如其中通过光致产酸剂引发剂聚合单体，抑制剂可为碱，例如氨、微量胺(例如甲胺、乙胺、二和三烷基胺例如二甲胺、二乙胺、三甲胺、三乙胺等)或二氧化碳，包括它们的混合物或组合。

本发明的有益效果：

1.本发明采用对照射源“透明”的覆盖板覆盖可聚合液体，由于打印过程中可聚合液体完全或部分接触覆盖板上的覆盖表面，在这个覆盖表面上通过照射源照射，一层层来构造三维物体；在打印过程中工作台下移时，可聚合液体自动填充在构建区域，从而保持与覆盖表面的接触，进而在可聚合液体与覆盖表面的接触处保持覆盖表面这个面型，这样就无需刮平即可进行新一层的照射固化，克服了传统“自上而下”三维制造技术中液面波动、机械复杂、速度低、不能连续打印等缺陷。

2.本发明进一步通过采用对聚合抑制剂具有渗透性的覆盖板从而在覆盖表面与可聚合液 体之间形成抑制固化层，或者覆盖表面为对固化的可聚合液体不具粘性或粘性较小的材料或元件，通过这些手段实现固化区域与覆盖表面之间轻松或无损伤地脱离，用以克服制造过程中固化表面变形的问题。

附图说明

图1是本发明的方法示意图。

图2是本发明的覆盖板的一种实施例的示意图。

图3是本发明的覆盖板的另一种实施例的示意图。

图4是本发明的设备的第一实施例的示意图。

图5是本发明的设备的第二实施例的示意图。

图6是本发明的设备的第三实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提供了一种3d打印的方法，如图1所示。该方法针对可聚合液体，通过照射源例如可见光或紫外光照射，引发可聚合液体固化来制造三维物体。该方法是采用照射源“自上而下”方式实施的，包含以下步骤：

(a)提供工作台和覆盖板，其中覆盖板为具有覆盖表面的对照射源透明的元件，工作台与覆盖表面之间限定了三维物体的构建区域，照射源能量可透过覆盖板照射所述构建区域；这里的“对照射源透明”指的是允许照射源的能量透过，当照射源为光源时，覆盖板为光学透明元件；照射源优选地为数字光处理系统(dlp)、数字微镜元件(dmd)或激光器和扫描振镜的组合；

(b)在所述构建区域填充液态的可聚合液体，且保持可聚合液体与所述覆盖表面接触；

(c)照射源能量透过所述覆盖板照射所述构建区域以形成固化区域；

(d)保持所述覆盖表面固定不动或基本不动，将所述工作台向下移动，将所述固化区域与所述覆盖表面分离，在所述固化区域和所述覆盖表面之间形成后续的构建区域；可聚合液体填充所述后续构建区域，并保持可聚合液体与覆盖表面和固化区域接触；

(e)重复步骤(c)、(d)，以在所述后续构建区域形成新的固化区域，沉积并粘附于先前的固化区域之上，构建中的三维物体高度逐渐增长，直至形成所述三维物体。

所述工作台可以连续不间断地向下移动，对应的照射步骤是连续不间断的，其中步骤(c)、(d)需同时进行。

所述工作台也可以不连续地向下移动，对应照射步骤是不连续的，每向下移动一层，等待一定的时间，待可聚合液体完全填满所述后续构建区域并稳定后，再实施下一步固化步骤。也即步骤(c)、(d)按顺序进行，且每步之间具有一定时间间隔。

进一步地，为保证固化区域与覆盖表面之间能够轻松或无损伤地分离，可以采用聚合抑制剂来抑制与所述覆盖表面接触的可聚合液体的固化，如图2所示。其中所述覆盖板为半渗透性元件，聚合抑制剂可以透过所述半渗透性元件渗透至所述覆盖表面，所述聚合抑制剂抑制所述可聚合液体的固化，在所述覆盖表面下方形成由可聚合液体组成的抑制固化层，以保证所述固化区域与所述覆盖表面之间轻松或无损伤地分离，抑制固化层与固化区域如图2所示。

为达到上述目的，半渗透性元件要求具有对照射源透明以及可渗透抑制剂的特性。因此半渗透性元件可由核孔膜元件、微孔石英晶体元件、微孔云母元件、或它们的组合组成，或具有不小于10巴(1巴＝10^-10cm³·cm/(cm²·s·cmhg))的氧渗透率。其中核孔膜具有均匀的孔径、透气率高，是组成半渗透性元件的优选材料。由于某些半渗透性元件具有柔性的特点，因此可以在所述半渗透性元件外侧或内部设置刚性的支撑元件，用于增加半渗透性元件的刚性，例如支撑元件对半渗透性与案件进行拉伸、压平、固定来增加半渗透性元件的刚性；该支撑元件可以完全或部分包覆该半渗透性元件，当支撑元件位于照射源的照射路径上时，该支撑元件允许该照射源的能量透过；当支撑元件位于聚合抑制剂的渗透路径上时，该支撑元件允许聚合抑制剂透过。其中所述核孔膜可采用以下材料(包括但不限于)，通过核径迹刻蚀制作而成：聚碳酸酯(pc)，聚对苯二甲酸乙二酯(pet)，聚酰亚胺(pi)，聚乙烯(pe)或聚丙烯(pp)；核孔膜元件典型地具有孔密度为10⁷-10¹¹/cm²，和/或孔径为0.01μm-5um；气体渗透率不小于100巴。优选地，所述半渗透性元件具有10⁸-10¹⁰/cm²的孔密度，和/或具有0.02μm-0.2μm大小的孔径。所述微孔石英晶体元件、微孔云母元件可采用核径迹刻蚀、光刻、或离子刻蚀的方式获得，由于晶体各向异性的特点，可在特定方向获得均匀的柱状孔。

为保证固化区域与覆盖表面之间轻松或无损伤地分离，所述抑制固化层应具有不少于5μm的厚度；抑制固化层还应维持一定的时间，至少不少于固化过程所持续的时间。

可聚合液体可包括单体，特别是自由基可聚合单体(在这样情况下，对应的固化抑制剂为空气、纯氧、或富氧混合气体，富氧一般认为氧含量大于21％)，和适合的引发剂例如自由基 引发剂，和它们的组合。具体的可聚合液体包括：(甲基)丙烯酸类、丙烯酰胺、苯乙烯类、烯烃、卤代烯烃、环状烯烃、马来酸酐、官能化低聚物、多官能固化位点单体、官能化peg等，包括它们的组合。液体树脂、单体和引发剂的实例包括但不限于液体树脂、单体和引发剂的实例包括但不限于：us8,232,043；us8,119,214；us7,935,476；us7,767,728；us7,649,029；wo2012129968a1；cn102715751a；jp2012210408a中公开的内容，其全文引入本文作为参考。

如果可聚合液体包含自由基可聚合树脂，其所对应的固化抑制剂为氧。针对自由基可聚合树脂所采用的固化抑制剂例如为空气、纯氧、富氧气体。还可以加大固化抑制剂的压力来提高固化抑制剂的渗透率。

另外，为保证固化区域与覆盖表面之间能够轻松或无损伤地分离，还可以在所述覆盖板的覆盖表面上采用针对固化的可聚合液体不具粘性或粘性较小的元件或材料，如图3所示，以此在三维物体构建过程中，在工作台下拉时，所述固化区域与覆盖表面轻松分离，使用这种不具粘性的元件可以不再需要额外的固化抑制剂，使用粘性较小的元件可以使用固化抑制剂，也可以不使用固化抑制剂。这些不具粘性或粘性较小的元件例如为特氟龙元件、硅胶元件、聚二甲基硅氧烷元件、聚全氟乙丙烯元件、或它们的组合。所述不具粘性或粘性较小的元件具有0.01mm至100mm的厚度，例如为1mm至10mm的厚度。

本发明还提出了一种采用可聚合液体制造三维物体的设备，图4示出了该设备的第一实施例,设备包含以下主要部件:主体结构1、照射源2、覆盖板3、三维物体4、工作台5、液体槽6、控制单元7。

主体结构1，构成设备的基本框架结构，用于其他部件的固定与连接。

照射源2，透过覆盖板照射构建区域引发所述可聚合液体固化，照射源2优选地为数字光处理系统(dlp)、数字微镜元件(dmd)或激光器和扫描振镜的组合。

具有覆盖表面的覆盖板3，覆盖板3在固化反应实施过程中为固定不动或基本不动的对照射源透明的元件，引发可聚合液体固化的能量可透过覆盖板照射到覆盖表面。其中，覆盖表面完全或几乎完全接触可聚合液体。

覆盖板3可以作为液体槽6的顶部或顶部的一部分，也可以大于液体槽6的上方开口部分，覆盖板3与液体槽6可以构成密闭容器，也可以构成具有开口的容器。在本实施例中，覆盖板3作为液体槽6的顶部，与液体槽6构成一个密闭容器，由于覆盖板3在固化过程中固定不动，因此构成的密闭容器体积不变。覆盖板3的下表面为覆盖表面，在密闭容器内部 充满可聚合液体时，覆盖表面与可聚合液体接触。

工作台5，工作台5用于承载构建的三维物体，与电动平台相连，电动平台中的电机在控制单元7的控制下驱动工作台5上下移动。工作台5与覆盖表面之间限制了三维物体的构建区域，工作台上表面到覆盖表面的距离就是构建三维物体各层的高度。当实施固化反应时，工作台5向下移动，其下移的速度和/或周期根据具体情况通过控制单元7调整。

液体槽6，用于容纳可聚合液体，在固化反应实施时，可聚合液体需装入液体槽6，直至可聚合液体充满整个由覆盖板3和液体槽6组成的密闭容器，且可聚合液体完全或几乎完全接触覆盖表面，并保证密闭容器中不会有气泡和空隙。在固化实施过程中，工作台5远离覆盖表面时留下的空隙，可聚合液体会流动填入，从而保持与覆盖表面的接触，进而在可聚合液体与覆盖表面的接触处保持覆盖表面这个面型，同时也不会引入气泡或空隙。

控制单元7，用以驱动工作台5运动、控制照射源2照射的强度和形状。

另外，覆盖板3与液体槽6也可以构成具有开口的容器，这样方便从开口实时补充可聚合液体，由于覆盖板3在固化过程中固定不动，因此构成的容器体积不变。其他内容与对图4的描述一致，不再赘述。

进一步地，为保证固化区域与覆盖表面之间能够无损伤地分离，覆盖板为半渗透性元件，其上表面与聚合抑制剂流体接触，聚合抑制剂可以透过所述半渗透性元件渗透至所述覆盖表面，所述聚合抑制剂抑制所述可聚合液体的固化，在所述覆盖表面下方形成由所述可聚合液体组成的抑制固化层，以保证所述固化区域与所述覆盖表面之间轻松或无损伤地分离，如图2所示，此时覆盖表面部分接触可聚合液体。为了提高聚合抑制剂流体的渗透率，可以利用压缩气瓶或气泵向提供该聚合抑制剂的容器加压，从而提高流体的渗透效果。

或者，为保证固化区域与覆盖表面之间能够无损伤地分离，覆盖板的覆盖表面也可采用对固化的可聚合液体不具粘性或粘性较小的材料或元件，使得固化区域与覆盖表面可以无损伤地分离，如图3所示；使用这种不具粘性的材料或元件可以不再需要额外的固化抑制剂，使用粘性较小的材料或元件可以使用固化抑制剂增强效果，也可以不使用固化抑制剂。

图5示出了该设备的第二实施例。本实施例与第一实施例中的设备的不同之处在于，本实施例的所述设备还包括液泵8和压力探测器9，压力探测器9用于检测密闭容器内的压力变化，控制单元7根据压力探测器9检测到的压力变化，驱动液泵8抽运可聚合液体，以维持密闭容器内的压力。当压力探测器9检测到的压力变化大于设定阈值时，控制单元7驱动液泵8抽走密闭容器内的部分可聚合液体；当压力探测器9检测到的压力变化小于设定阈值 时，驱动液泵8向密闭容器内送入部分可聚合液体。本实施例的设备可以有效解决在固化过程中可聚合液体体积变化较明显的问题。

为了提高容器的密封性，可在各部件(例如工作台5、液泵8、覆盖板3)与液体槽6的安装部位设置密封圈10，图5中仅示出了在工作台5与液体槽6的安装处设置密封圈的情形。

其他内容与第一实施例相同，在此不再赘述。

图6示出了该设备的第三实施例,所述设备包含以下主要部件：主体结构1、照射源2、覆盖板31、三维物体4、工作台5、液体槽6、以及控制单元7。

主体结构1，构成设备的基本框架结构，用于其他部件的固定与连接。

照射源2，用以透过覆盖板照射构建区域引发所述可聚合液体固化，照射源2优选地为数字光处理系统(dlp)、数字微镜元件(dmd)或激光器和扫描振镜的组合。

具有覆盖表面的覆盖板31，覆盖板31在固化反应实施过程中为固定不动或者基本不动的对照射源透明的元件，引发可聚合液体固化的能量可透过覆盖板照射到覆盖表面。

在本实施例中，覆盖板31固定在主体结构上，并位于液体槽6内。当然，覆盖板也可以固定在液体槽6上。液体槽6中装入足量可聚合液体，使覆盖表面在可聚合液体液面以下，这样可聚合液体对覆盖表面就会产生一定的压力，以此增加可聚合液体的流动速度，在工作台5下降过程中能够迅速充满后续的构建区域。

工作台5，工作台5用于承载构建的三维物体，与一个可上下移动的电动平台相连，在控制单元7的驱动下上下移动。工作台5与覆盖表面之间限制了三维物体的构建区域，工作台上表面到覆盖表面的距离就是构建三维物体的高度。当实施固化反应时，工作台5向下移动，其下移的速度和/或周期根据具体情况通过控制单元7调整。

液体槽6，用于容纳可聚合液体，在固化反应实施前，可聚合液体需装入液体槽6，直至液面不低于所述的覆盖表面。在固化实施过程中，可聚合液体会填充构建区域。本实施例中液体槽6可为开口结构，当固化过程中可聚合液体体积变化较明显时，可补充液体。

控制单元7，用以控制工作台5运动和照射源2辐射的强度和形状。

为了提高液体槽6的密封性，可在各部件(例如工作台5)与液体槽6的安装部位设置密封圈。

另外，为保证固化区域与覆盖表面之间能够无损伤地分离，可以采用第一实施例的方式，在此不再赘述。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。