一种用于高速连续光固化3D打印的成型窗口的制作方法

本发明涉及增材制造和3D打印技术领域，具体涉及一种用于高速连续光固化3D打印的成型窗口。

背景技术：

光固化成形是发展最早、现阶段最成熟、应用最广泛的一种增材制造(3D打印)技术，经过近30年的发展，已经从最初的立体光固化成型(Stereolithography,SL)，发展出许多新的工艺，诸如微立体光刻(Microstereolithography)、面投影微立体光刻技术(Integral SL,Projection Microstereolithography)、数字光处理(Digital Light Processing，DLP)3D打印、连续液面生长(Continuous Liquid Interface Production，CLIP)、双光子聚合激光直写3D打印等。

传统的立体光固化成型是利用激光振镜或者掩模版技术控制光照区域，使树脂在可控的光照区域内逐层固化，通过逐层固化叠加后生成三维实体模型。但这种逐点扫描光固化方式具有以下不足：成形效率低(约8～12x 10⁴mm³/h)；固化时存在较大的收缩，工件产生翘曲变形。在逐点扫描光固化技术发展趋于成熟的背景下，基于面层成形的光固化成形技术应运而生，主流的面成形光固化技术主要有：基于数字光处理(DLP)的面阵曝光固化技术和连续数字光处理3D打印(连续光固化3D打印)。连续光固化3D打印是近年出现的一种非常重要增材制造新技术，尤其是连续液面生长CLIP技术是2015年由美国Carbon3D公司所开发的一种颠覆性的3D打印新技术，CLIP的基本原理：它利用氧气阻聚的效应，氧气透过窗口与树脂底部液面接触，形成非常薄的一层不能被紫外固化的区域，称为“死区”(Dead Zone)，而紫外线仍然可以透射通过死区，在上方继续产生聚合作用，同时避免了固化的树脂与底部窗口的粘连。紫外线连续照射树脂，打印平台也是连续上升，实现连续打印。CLIP技术将光固化打印过程从叠层打印变为连续打印，这带来三个方面的独特和显著的优势：(1)高效，比传统的3D打印机要快25-100倍，理论上有提高到1000倍的潜力；(2)高精，高精度和高表面质量，避免了传统3D打印的台阶效应，分层厚度上可以无限细腻，实现无分层打印；(3)高性能，传统的3D打印零件因为层状结构，其力学特性在各个方向上不同，特别是在堆叠的方向上，抗剪切性能很差，而CLIP打印的零部件的力学特性在各个方向保持一致，提高了性能和扩大了应用范围。

基于CLIP的连续光固化3D打印设备与传统光固化设备最大的不同在于盛放液态光敏树脂的成型窗口。传统面曝光3D打印机以涂覆离型膜的高透光玻璃为盛放树脂装置的底部窗口，而在CLIP技术中采用了具有透氧和透紫外光性能的特氟龙材料(Teflon AF)为底部窗口。氧气透过窗口浸入液态光敏树脂，由于氧阻聚效应的存在，窗口表面会形成一定厚度(几十微米)的不固化区域，从而使树脂固化发生在打印窗口之上，打印零件不会与槽底窗口粘连，从而实现高速连续打印。但是CLIP工艺的成型窗口面临一些不足和局限性：

(1)所使用的透氧和透紫外光特氟龙材料的价格非常昂贵，而且需要特别的制造工艺。

(2)光敏树脂发生交联固化反应时，会释放出大量的热，导致光束照射区域温度升高，氧和透紫外光的特氟龙材料经过长时间照射后，容易因过热老化，其透明度降低，影响光效和成形件质量。

(3)CLIP高速连续固化释放出的大量热源，现有的方案还无法及时有效的排出释放这些热，因而CLIP工艺目前成形工件被限定在较小的尺寸物体打印(小尺寸零件产生的热相对较少，热交换移除相对容易)。

(4)对于光敏树脂的高速打印，当分离速度达到一定量时，最大的制约就是树脂的回流速度了，尤其当树脂的粘度比较高的时候，更难以处理。

因此，对于大尺寸物体的打印，CLIP等工艺还面临无法实现底部死区液面和固化液面消耗树脂材料的快速的补给难题。因此，现有的连续光固化工艺(如CLIP)只适用于小尺寸物体的打印，打印的典型零件形状也大多限定在一些镂空结构，难以实现大尺寸和实体零件的高效制；并且打印速度和质量的进一步提高受到限制。迫切需要开发新的成型窗口，进一步提高和改进高速连续光固化3D打印技术。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高速连续光固化3D打印的成型窗口，采用复合富氧膜作为打印窗口，并结合供氧冷却模块，实现对死区含氧量精准有效控制，并能将固化过程释放热量的快速排出和释放，实现对大尺寸、任意形状成形件低成本、高效连续打印。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于高速连续光固化3D打印的成型窗口，应用于光固化3D打印机，包括：窗口盒和供氧冷却模块，所述光固化3D打印机通过中间隔板分为上腔室和下腔室，所述窗口盒和供氧冷却模块设置于光固化3D打印机机箱的上腔室，所述窗口盒和供氧冷却模块组合固定安装在中间隔板上；

所述供氧冷却模块，包括供氧冷却室，所述供氧冷却室的两端分别与冷却进气管路和冷却出气管路连接，所述冷却进气管路与供氧冷却单元连接；供氧冷却室安装在窗口盒打印窗口的正下方，并与打印窗口形成封闭腔室；冷却空气或者设定浓度的低温氧气经冷却进气管路进入封闭腔室，再经冷却出气管路排出；

打印时，通过供氧冷却模块通过控制窗口盒底部树脂死区的含氧量和将连续打印过程中释放的热量及时排出来提高打印速度。

所述窗口盒与原料供给单元连接。

所述窗口盒采用分离式结构，包括：储液槽、密封垫圈、复合富氧膜和压板；所述供氧冷却室、压板、复合富氧膜、密封垫圈和储液槽上均开有通孔，压板和储液槽的孔为螺纹孔，供氧冷却室的一侧设有凸台，压板的一侧有与供氧冷却室上凸台对应的凹槽；所述供氧冷却室的凸台与压板的凹槽卡紧，并通过螺栓紧固连接。所述压板与储液槽通过螺栓连接压紧，所述压板与储液槽两者之间夹有复合富氧膜和密封垫圈，并且密封垫圈位于复合富氧膜上方。供氧冷却室底部设有透明石英板，透明石英板的面积大于成像面积。

所述储液槽用于盛放液态光敏树脂，所述密封垫圈用于防止储液态光敏树脂泄漏，所述压板用于将储液槽与复合富氧膜固定。

所述窗口盒的打印窗口采用复合富氧膜，复合富氧膜包括：多孔支撑层和富氧层，所述多孔支撑层位于富氧层的下方。

所述多孔支撑层是具有指状或者海绵状孔结构的膜，选用的材料包括聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF、聚丙烯腈PAN、聚砜PS、聚碳酸酯PC、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚醚酰亚胺PEI，多孔支撑层的孔径50nm-2000nm，孔隙率60％-90％，多孔支撑层的厚度范围为10-1000微米。

所述富氧层是具有高氧气透过系数的致密膜，选用的材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS、聚全氟乙丙烯FEP或聚三甲基硅-1-丙炔PTMSP，富氧层的厚度范围为1-100微米。

复合富氧膜具有透氧和透紫外光的特性，氧气透过系数在10barrer以上，365-405nm紫外光透过率不低于80％。而且具有优良的机械性能。

所述打印窗口面积大于成像面积。

所述打印平台面积小于打印窗口，所述打印平台面积等于或大于成像面积。打印平台位于窗口盒正上方，并与打印窗口保持平行。

所述供氧冷却室的底板采用透明石英玻璃，365-405nm紫外光透过率不低于90％，底板面积大于成像面积。

所述窗口盒的正上方设有打印平台，所述打印平台安装在Z向工作台上。

所述窗口盒的正下方设有成像装置，所述成像模块设置在下腔室。

所述上腔室设有加压进气管路，加压进气管路的出口设置在上腔室内，加压进气管路的入口与无油空压机连接。

所述上腔室具有气密性，通过无油空压机增加上腔室的气体压强，打印时，高压气体向光敏树脂液面施压，加快光敏树脂向窗口盒底部树脂死区和固化区域的流动，实现树脂快速回流和补给。

所述成像模块包括：紫外LED灯，所述紫外LED灯与动态掩膜生成单元连接。

所述紫外LED灯为紫外LED模组，光照强度可调，并配有散热板及风扇进行散热。紫外LED灯的功率范围为10-200W，波长范围365-405nm，其发出的光线经光路准直后照射到动态掩膜生成单元上。

所述动态掩膜生成单元采用数字微镜器件DMD、液晶显示器LCD或者空间光调制器SLM。不同类型动态掩膜生成单元需要配置相对应的光路准直，准直光路的作用是将产生的紫外光按照所需角度均匀的照射到动态掩膜生成单元上；动态掩膜生成单元位于打印窗口下方，生成图像垂直投影到窗口盒的打印窗口上。

所述打印平台通过连接支架固定在Z向工作台上；Z向工作台固定在在机箱上腔室后板上。

Z向工作台为高精密位移工作台，包括：精密电动平移台、高精度直线滑台或压电位移台。

所述Z向工作台在打印过程中的移动速度范围为10mm/h-1000mm/h，在非打印过程中的移动范围为100mm/min-1000mm/min。

所述原料供给单元包括：原材料储料筒，供料连接管和计量泵。所述原材料储料筒通过供料连接管与窗口盒连接，所述计量泵分别与原材料储料筒和供料连接管相连。

所述供氧冷却室通过顶起复合富氧膜(打印窗口)，使复合富氧膜处于紧绷状态。

采用所述成型窗口的光固化3D打印装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤(1)：打印初始设置，预处理：开启原料供给单元，向窗口盒中的储液槽注入液态光敏树脂；Z向工作台带动打印平台向下运动到初始工作位置，打印平台浸入到液态光敏树脂，且打印平台与窗口盒中的复合富氧膜保持设定距离；开启供氧冷却单元和无油空压机；

步骤(2)：连续打印成形件：Z向工作台以设定速度连续提升，同时成像模块连续播放层面图像信息；紫外LED灯产生的紫外光选择性照射到液态光敏树脂上，打印平台不断的将固化的树脂拉起，窗口盒底部树脂死区源源不断的向上补充固化所需液态光敏树脂，使得打印过程连续化；

步骤(3)：后处理：完成零件打印后，关闭成像模块、供氧冷却单元和无油空压机。Z向工作台带动打印平台和打印零件返回原位；取下打印平台和打印零件；最后，将打印零件从打印平台上取下。

所述步骤(1)的打印平台与窗口盒中的复合富氧膜保持设定距离为10-50微米。

所述步骤(2)连续打印过程中，供氧冷却单元和无油空压机一直处于开启状态，并且原料供给单元向储液槽不断补充添加液态光敏树脂。

所述步骤(2)连续打印过程中，供氧冷却模块工作，供氧冷却单元将冷却空气或者设定浓度的低温氧气经冷却进气管路输送到供氧冷却室与窗口盒的复合富氧膜组成的封闭空间内，源源不断的补充固化消耗的氧气，并经冷却出气管路将光敏树脂交联固化产生的热量及时排出，为复合富氧膜补充氧气实现对死区含氧量的精确调控，同时带走固化产生的热量，保持死区设定的温度，防止复合富氧膜的老化。

所述步骤(2)通过液面辅助施压模块使上腔室气体增压，高压气体迫使树脂向死区内流动，加快固化所需树脂的补充速度。

大尺寸构件打印时，固化中心位置距死区边界入口较远，在高压气体的压力作用下，树脂快速向固化中心位置流动，实现树脂及时补充，实现大面积的连续打印。

所述步骤(2)通过复合富氧膜与供氧冷却模块共同作用，精准调控死区的含氧量和死区的厚度。

本发明的有益效果为：

(1)实现了大尺寸、任意形状物体/零件的打印。通过引入复合富氧膜、供氧冷却模块，实现对打印死区含氧量和死区厚度的精确调控，有效解决大尺寸构件打印过程中释放出热量的快速排除的难题。设计与复合富氧膜对应的窗口盒结构，通过固定复合富氧膜，并与供氧冷却模块组合使用，发挥两者的优势，保证了打印过程的稳定性。因此，本发明综合利用复合富氧膜、供氧冷却模块、窗口盒三者的共同作用，实现大尺寸、任意形状零件的低成本、高效连续打印。

(2)生产成本低。采用一种低成本的复合富氧膜，降低了生产成本。提高连续光固化工艺的性能，而且能够精准调控死区的含氧量和死区的厚度。

(3)打印效率高。通过供氧冷却模块，将连续打印过程中产生的大量热及时排出，提高连续打印速度；通过复合富氧膜和供氧冷却模块对于死区含氧量的精确调控，提高了打印速度。通过供氧冷却模块，一方面精准调控死区的含氧量，提高生产率、扩大工艺使用范围(可用的打印材料)；另一方面，能够将光敏树脂材料交联固化释放出的热快速的排出和释放，提高打印效率，同时延长复合富氧膜使用寿命，尤其是增大了打印件的尺寸(现有的CLIP等连续光固化工艺，光固化过程中产生的热不能有效及时的排除，制约了生产率，影响了制件的精度，尤其是无实现大尺寸零件打印)。

(4)打印精度高，避免热应力等缺陷。通过供氧冷却模块，保持死区和固化区域的温度在最优范围内，产生的热量及时排出。有效避免打印过程由于温度导致的层间热应力问题，提高打印精度和质量。

(5)成型窗口通用性好。不仅可以应用于高速连续光固化3D打印装置，实现大尺寸、任意形状制件的低成本、高效连续打印，还可以用于传统投影光固化3D打印装置，有效降低固化树脂与打印窗口之间的剥离力，提高了打印件的表面光洁度和成型质量。

(6)打印材料适用性广，扩大了工艺适用范围。针对不同打印材料的要求。通过结合复合富氧膜和供氧冷却模块，实现对死区含氧量的精确调控，适用不同的打印材料，扩大了本工艺的适用范围。

(7)延长富氧膜使用寿命。通过供氧冷却模块在为复合富氧膜补充氧气的同时带走固化产生的大量热量，防止复合富氧膜的老化。

本发明公开一种高速连续光固化3D打印用成型窗口，能够实现大尺寸、任意形状制件的低成本、高效连续打印，具有适用材料广泛，打印件的精度和质量高，一致性好，工艺稳定可靠等优势。它具有广泛的工业应用价值，即可用于桌面级3D打印机，又能用于工业级3D打印。

附图说明

图1是本发明实施例1高速连续光固化3D打印用成型窗口的结构原理示意图；

图2是本发明实施例1高速连续光固化3D打印用成型窗口的爆炸图示意图；

图3是本发明实施例1复合富氧膜的结构原理示意图；

图4是本发明实施例2高速连续光固化3D打印用成型窗口的结构原理示意图；

其中，1冷却进气管路，2冷却出气管路，3供氧冷却室，301透明石英板，4压板，5复合富氧膜，6密封垫圈，7储液槽，8多孔支撑层，9富氧层，10机箱上腔室，11加压进气管路。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

图1是本发明实施例1高速连续光固化3D打印用成型窗口的结构原理示意图，图2是本发明实施例1高速连续光固化3D打印用成型窗口的爆炸图示意图。实施例1成型窗口包括：冷却进气管路1、冷却出气管路2、供氧冷却室3、透明石英板301、压板4、复合富氧膜5、密封垫圈6、储液槽7。所述供氧冷却室3、压板4、复合富氧膜5、密封垫圈6、储液槽7上开有上下贯通的孔，其中供氧冷却室3、压板4、储液槽7上孔为螺纹孔，供氧冷却室3的一侧开有凸台，压板4的一侧有与供氧冷却室3上凸台对应的凹槽。所述供氧冷却室3一侧凸台与压板4一侧凹槽卡紧，并通过螺栓连接紧固。所述压板4与储液槽7通过螺栓连接压紧，两者之间夹有复合富氧膜5和密封垫圈6，并且密封垫圈6位于复合富氧膜5上方。所述供氧冷却室3一端与冷却进气管路1相连接，另一端与冷却出气管路2相连接，供氧冷却室3底部设有透明石英板301。

所述冷却进气管路1、冷却出气管路2、供氧冷却室3组成供氧冷却模块。将冷却空气(或者一定浓度的低温氧气)经冷却进气管路1输送到供氧冷却室3与复合富氧膜5组成的封闭腔室内，源源不断的补充固化消耗的氧气，并经冷却出气管路2将光敏树脂交联固化产生的热量及时排出。供氧冷却模块一方面实现对死区含氧量的精确调控，另一方面将连续打印过程中产生的大量热及时排除，保持死区设定的温度。

所述压板4、复合富氧膜5、密封垫圈6、储液槽7组成窗口盒。所述压板4与储液槽7通过螺栓连接压紧，两者之间夹有复合富氧膜5和密封垫圈6，并且密封垫圈6位于复合富氧膜5上方。

所述供氧冷却室3通过顶起复合富氧膜5使其处于紧绷状态。窗口盒各组件组合完毕后，复合富氧膜5较为松弛，供氧冷却室3适当顶起复合富氧膜5使其紧绷。

图3是本发明实施例1复合富氧膜5的结构原理示意图，它包括多孔支撑层8和富氧层9两部分。富氧层9位于多孔支撑层8上方，两者面积相等，并且紧密连接。

所述多孔支撑层8材料选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。孔径为1微米，孔隙率为80％，365-405nm紫外光透过率为90％，拉伸强度为15MPa，厚度为100微米。所述多孔支撑层8孔径均一，孔分布均匀。

所述富氧层9材料选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)，通过自动涂膜机均匀的涂布在支撑层表面并固化成型。PDMS富氧层的厚度为50微米，PDMS富氧层固化后与PET多孔支撑层8紧密连接。

所述复合富氧膜5对于波长为395-405nm的紫外光透过率不低于80％，氧气透过系数在100barrer以上，拉伸强度在10MPa以上。

实施例2

实施例2高速连续光固化3D打印用成型窗口结构原理示意图如图4所示，在实施例1成型窗口的基础上增加液面辅助施压模块，包括机箱上腔室10和加压进气管路11。以固定窗口盒的中间隔板为界将打印装置分为上下两个腔室，机箱上腔室10气密性良好，无油空压机经加压进气管路11增加上腔室的气体压强。打印时，高压气体向光敏树脂液面施压，加快树脂向“死区”和固化区域的流动，实现树脂快速回流和补给。

实施例3

作为另一种实施方式，所述冷却出气管路2与真空泵相连，通过真空泵抽气促进供氧冷却室3与复合富氧膜5组成封闭腔室内气体流动，提高冷却效率。

实施例4

作为另一种实施方式，所述冷却出气管路2设置为出口压力可调。当供氧冷却室3与复合富氧膜5组成的封闭腔室内气压达到一定阈值时，才可以经冷却出气管路2排出，通过加大封闭腔室内气压，提高氧气透过复合富氧膜的能力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。