一种光固化硅胶3D打印装置及其打印方法与流程

本发明涉及3d打印领域，具体涉及一种光固化硅胶3d打印装置及其打印方法。

背景技术：

近年来，3d打印技术在学术与商业领域均受到了极大的关注，与其相关的成型技术及打印材料得到了迅猛发展。目前，常见的打印技术主要包括熔融沉积成型、光固化成型、激光热成型等；可打印的材料包括：金属、光敏树脂、热塑性塑料等。然而，硅胶作为一种在日常生活及工业应用等领域中常见的材料，却很少有相关技术可实现该材料的3d打印成型。目前，常见的硅胶以硫化硅胶为主，其成型机理通常为以硅氧烷为基体、在交联剂和催化剂的作用下交联成弹性体。此外，也可以在聚有机硅氧烷分子链上引入可光固化基团，从而在紫外光照射下进行固化成型。这类硅胶具有固化速度快、效率高、室温下固化等优点，在市场上已有相关产品。

在中国专利cn201610122318.6中公开了一种热固化成型的硅胶3d打印方法，其技术方案主要为通过实时加热固化从喷头中挤出的硅胶、最终逐层堆积成三维结构。根据实际使用经验及硅胶生产商提供的产品信息，高性能硅胶的硅胶原液粘度通常较大，其粘度值一般超过10000cps，容易堵塞毛细喷头，而通过内径较大的喷头挤出的硅胶液滴由于硅胶液滴的自由流淌以及较大的喷头内径等原因，造成打印单元线宽粗大，无法获得具有较高精度的打印结构。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度、表面质量佳的光固化硅胶3d打印装置及其打印方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光固化硅胶3d打印装置，包括：运动模块，打印单元，紫外光源和软件控制系统，所述运动模块包括沿坐标系方向设置的x轴电动模块，y轴电动模块和z轴电动模块，所述打印单元包括打印底板、支撑材料喷头、硅胶喷头和气源，所述打印底板与所述y轴电动模块固定连接，所述支撑材料喷头和所述硅胶喷头与所述x轴电动模块固定连接，在所述支撑材料喷头和所述硅胶喷头上均设置有进气口和进料口，所述进气口与所述气源连通，所述支撑材料喷头的喷嘴和所述硅胶喷头的喷嘴在同一水平线上，所述紫外光源设置在所述打印底板的上方，所述软件控制系统对所述x轴电动模块、y轴电动模块、z轴电动模块、支撑材料喷头、硅胶喷头和紫外光源进行通信控制。

优选的，所述z轴电动模块是一对平行的电动模块，所述x轴电动模块被固定安装在所述z轴电动模块上，所述y轴电动模块和所述z轴电动模块被固定安装在机架上。

优选的，所述硅胶喷头上的进料口与硅胶料桶连通，所述硅胶料桶里的硅胶原液是紫外光固化成型有机硅材料，粘度范围是200cps～100000cps。

优选的，所述支撑材料喷头上的进料口与支撑材料料桶连通，所述支撑材料料桶里的支撑材料是可溶性的紫外光固化材料，粘度范围是1cps～1000cps，优选为100cps～530cps。

优选的，所述硅胶喷头的喷嘴内径是0.1mm～1mm，最小点胶液滴的直径是0.2mm～1.5mm，点胶频率是60～400次/分钟，所述硅胶喷头的打印速度是1mm/s～50mm/s。

优选的，所述支撑材料喷头的喷嘴内径是0.05mm～0.1mm，最小点胶液滴的直径是0.1mm～0.2mm，点胶频率是60～600次/分钟，所述支撑材料喷头的打印速度是1mm/s～50mm/s。

优选的，所述气源的压力是0.2mpa～2mpa，优选为0.6～1.5mpa。

本发明解决其技术问题所采用的另一个技术方案是：

一种光固化硅胶3d打印装置的打印方法，包括下列步骤：

a、软件控制系统根据待打印的三维模型的数据信息将所述三维模型划分成若干层；

b、所述三维模型包括硅胶结构和支撑结构，所述支撑结构由外层边界和内层边界之间的封闭区域所限定，所述外层边界是所述三维模型以z轴方向投影的最大轮廓为基准线向外法线方向延伸1～3mm围成的封闭曲线，所述内层边界是所述三维模型在当前层投影的外轮廓围成的封闭曲线，所述硅胶结构是所述三维模型在当前层投影的图形结构；

c、当打印第n层时，所述软件控制系统根据待打印的三维模型的数据信息控制一对平行的z轴电动模块使得支撑材料喷头和硅胶喷头运动到第n层高度，先控制所述支撑材料喷头进行所述支撑结构的打印，利用紫外光源固化所述支撑结构，再控制所述硅胶喷头进行所述硅胶结构的打印，利用所述紫外光源固化所述硅胶结构；

d、重复步骤c转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；

e、对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，获得所需要的硅胶结构。

优选的，在步骤c中，所述第n层的层厚是0.1mm～0.5mm，所述硅胶喷头的喷嘴内径是0.1mm～1mm，最小点胶液滴的直径是0.2mm～1.5mm，点胶频率是60～400次/分钟；所述支撑材料喷头的喷嘴内径是0.05mm～0.1mm，最小点胶液滴的直径是0.1mm～0.2mm，点胶频率是60～600次/分钟，所述支撑材料喷头和硅胶喷头的打印速度是1mm/s～50mm/s。

优选的，在步骤c中，经所述硅胶喷头的喷嘴出来的硅胶原液是紫外光固化成型有机硅材料，粘度范围是200cps～100000cps，经所述支撑材料喷头的喷嘴出来的支撑材料是可溶性的紫外光固化材料，粘度范围是1cps～1000cps，优选为100cps～530cps。

优选的，在步骤e中，所述去除处理是将所述三维模型置于sup706溶解液或5％naoh溶液中进行超声清洗或者加热溶解所述支撑结构。

同现有技术相比，本发明的优点与进步如下：

1.本发明提供光固化硅胶3d打印装置的支撑材料喷头和硅胶喷头采用不同的喷嘴内径，而且支撑材料和硅胶原液采用不同粘度的材料，通过低粘度高精度的支撑材料为硅胶结构的边界轮廓、固化支撑材料后再扫描填充高粘度硅胶，实现高粘度硅胶结构的高精度3d打印。

2.本发明提供光固化硅胶3d打印装置的支撑材料是可溶性的，在打印完成后对支撑材料结构的去除处理方便、能够大幅度改善所需硅胶打印结构的表面质量。

附图说明

图1是光固化硅胶3d打印装置的结构示意图；

图2a是支撑材料喷头的喷嘴部分的局部放大图；

图2b是硅胶喷头的喷嘴部分的局部放大图；

图3是硅胶三维模型结构；

图4a是打印硅胶三维模型底部第n层的支撑结构沿z轴方向的剖面图；

图4b是打印完硅胶三维模型底部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印沿z轴方向的剖面图；

图4c是打印硅胶三维模型底部第n层的支撑结构的俯视图；

图4d是打印完硅胶三维模型底部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印的俯视图；

图5a是打印硅胶三维模型中部第n层的支撑结构沿z轴方向的剖面图；

图5b是打印完硅胶三维模型中部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印沿z轴方向的剖面图；

图5c是打印硅胶三维模型中部第n层的支撑结构的俯视图；

图5d是打印完硅胶三维模型中部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印的俯视图；

图6a是打印硅胶三维模型顶部第n层的支撑结构沿z轴方向的剖面图；

图6b是打印完硅胶三维模型顶部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印沿z轴方向的剖面图；

图6c是打印硅胶三维模型顶部第n层的支撑结构的俯视图；

图6d是打印完硅胶三维模型顶部第n层支撑结构后进行硅胶结构打印的俯视图；

其中，1是y轴电动模块，2是打印底板，3是支撑材料喷头，4是x轴电动模块，5是z轴电动模块，6是支撑材料料桶，7是气源，8是紫外光源，9是硅胶料桶，10是软件控制系统，11是硅胶喷头，12是外层边界，13是内层边界。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种光固化硅胶3d打印装置，包括运动模块，打印单元，紫外光源8和软件控制系统10，所述运动模块包括沿坐标系方向设置的x轴电动模块4，y轴电动模块1和一对平行的z轴电动模块5，所述x轴电动模块4固定安装在一对平行的所述z轴电动模块5上，所述y轴电动模块1和一对平行的所述z轴电动模块5固定安装在机架上，所述打印单元包括打印底板2、支撑材料喷头3、硅胶喷头11、气源7、支撑材料料桶6和硅胶料桶9，所述打印底板2与所述y轴电动模块1固定连接，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11与所述x轴电动模块4固定连接，上述各个部件的固定连接可以采用螺纹连接或等同的固定连接方式。所述支撑材料喷头3的进气口与所述气源7连通，所述支撑材料喷头3的进料口与所述支撑材料料桶6连通，所述硅胶喷头11的进气口与所述气源7连通，所述硅胶喷头11的进料口与所述硅胶料桶9连通，所述支撑材料喷头3的喷嘴和所述硅胶喷头11的喷嘴在同一水平线上，所述紫外光源8设置在所述打印底板2的上方，所述软件控制系统10对所述x轴电动模块4、y轴电动模块1、z轴电动模块5、支撑材料喷头3、硅胶喷头11和紫外光源8进行通信控制。在优选的实施方式中，所述紫外光源8设置在所述打印底板2沿z轴的正上方

所述软件控制系统10通过与x轴电动模块4、y轴电动模块1和z轴电动模块5的各个电机建立通信连接，实现xyz三轴联动，从而有效控制运动模块里xyz三轴的相对运动；所述软件控制系统10通过与支撑材料喷头3和硅胶喷头11建立通信连接，实现对硅胶原液和支撑材料的挤出控制；所述软件控制系统10通过与紫外光源8建立通信连接，实现紫外光源8的开启与关闭，从而有效控制每层结构打印完之后的支撑结构和硅胶结构的光固化成型。

所述硅胶料桶9里的硅胶原液是紫外光固化成型有机硅材料，粘度范围是200cps～100000cps。所述支撑材料料桶6里的支撑材料是可溶性的紫外光固化材料，粘度范围是1cps～1000cps，优选为100cps～530cps。如图2a所示，所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.05mm～0.1mm，最小点胶液滴的直径是0.1mm～0.2mm，点胶频率是60～600次/分钟，所述支撑材料喷头3的打印速度是1mm/s～50mm/s。如图2b所示，所述硅胶喷头11的喷嘴内径是0.1mm～1mm，最小点胶液滴的直径是0.2mm～1.5mm，点胶频率是60～400次/分钟，所述硅胶喷头11的打印速度是1mm/s～50mm/s。所述气源7的压力是0.2mpa～2mpa，优选为0.6mpa～1.5mpa。由于本发明支撑材料的粘度较低，可通过微小内径的毛细喷嘴打印出具有较小线宽的打印单元，固化后可获得具有高精度轮廓的结构；而具有较大粘度的硅胶材料则可通过大内径喷嘴打印填充到支撑材料所围成的具有高精度外轮廓边界的区域内，固化后获得所需硅胶结构。

本发明打印硅胶三维模型采用逐层打印的方式进行，各层工作方式相似，软件控制系统10根据待打印的三维模型的数据信息将所述三维模型划分成若干层，具体以第n层打印为例：以如图3所示的一种硅胶三维结构模型为例，所述三维模型包括硅胶结构和支撑结构，所述支撑结构由外层边界12和内层边界13之间的封闭区域所限定，如图4c，5c和6c所示，所述外层边界12是所述三维模型以z轴方向投影的最大轮廓为基准线向外法线方向延伸1～3mm围成的封闭曲线，如图4d，5d和6d所示，所述内层边界13是所述三维模型在当前层投影的外轮廓围成的封闭曲线，所述硅胶结构是所述三维模型在当前层投影的图形结构。

所述软件控制系统10根据由计算机辅助设计与制造软件获得的第n层结构高度，控制一对平行的z轴电动模块5上升一个层厚的高度，第n层的层厚是0.1mm～0.5mm，x轴电动模块4固定安装在一对z轴电动模块5上，使得x轴电动模块4上固定连接的支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，先控制所述支撑材料喷头3进行所述支撑结构的打印，利用紫外光源8固化所述支撑结构，再控制所述硅胶喷头11进行所述硅胶结构的打印，利用所述紫外光源8固化所述硅胶结构；所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是1mm/s～50mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，获得所需要的硅胶结构。

实施例1：

所使用的硅胶原液是uv固化硅胶uv1v350，粘度是100000cps；所使用的支撑材料是sup705可溶性紫外光固化材料，其粘度为100cps，光固化成型后可通过在强碱溶液中超声清洗去除；所述硅胶喷头11的喷嘴内径是0.5mm，最小点胶液滴的直径是1mm，点胶频率是100次/分钟；所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.1mm，最小点胶液滴的直径是0.2mm，点胶频率是300次/分钟；所使用的气源7的压力是2mpa。

打印第n层时，所述软件控制系统10控制系统控制一对z轴电动模块5抬升一个层厚的高度，使支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，第n层的层厚是0.2mm。所述软件控制系统10首先控制运动模块和支撑材料喷头3完成支撑结构的打印，并控制紫外光源8固化所述支撑结构，所述支撑结构即如图4a、4c、5a、5c、6a和6c中所示的左斜线结构，所述支撑结构的线宽精度是0.2mm；所述软件控制系统10再控制运动模块和硅胶喷头11完成硅胶结构的打印，并控制紫外光源8固化所述硅胶结构，所述硅胶结构即如图4b、4d、5b、5d、6b和6d中所示的网格线结构，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是打印速度为5mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，即将所述三维模型浸入5％naoh溶液中进行12小时的超声清洗去除所述支撑结构，从而获得所需要的硅胶结构。

实施例2：

所使用的硅胶原液是道3-6371uv凝胶，粘度是200cps；所使用的支撑材料是其粘度为340cps，光固化成型后可通过浸入60摄氏度以上热水中12小时去除；所述硅胶喷头11的喷嘴内径是0.1mm，最小点胶液滴的直径是0.2mm，点胶频率是400次/分钟；所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.05mm，最小点胶液滴的直径是0.1mm，点胶频率是600次/分钟；所使用的气源7的压力是0.2mpa。

打印第n层时，所述软件控制系统10控制系统控制一对z轴电动模块5抬升一个层厚的高度，使支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，第n层的层厚是0.1mm。所述软件控制系统10首先控制运动模块和支撑材料喷头3完成支撑结构的打印，并控制紫外光源8固化所述支撑结构，所述支撑结构即如图4a、4c、5a、5c、6a和6c中所示的左斜线结构，所述支撑结构的线宽精度是0.1mm；所述软件控制系统10再控制运动模块和硅胶喷头11完成硅胶结构的打印，并控制紫外光源8固化所述硅胶结构，所述硅胶结构即如图4b、4d、5b、5d、6b和6d中所示的网格线结构，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是打印速度为50mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，即将所述三维模型浸入60摄氏度以上热水中12小时去除所述支撑结构，从而获得所需要的硅胶结构。

实施例3：

所使用的硅胶原液是贝特利uv点胶bt-887，粘度是10000cps；所使用的支撑材料是sup706可溶性紫外光固化材料，其粘度为530cps，光固化成型后可通过sup706溶解液溶液中超声清洗4小时后去除；所述硅胶喷头11的喷嘴内径是1mm，最小点胶液滴的直径是1.5mm，点胶频率是60次/分钟；所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.08mm，最小点胶液滴的直径是0.15mm，点胶频率是60次/分钟；所使用的气源7的压力是0.9mpa。

打印第n层时，所述软件控制系统10控制系统控制一对z轴电动模块5抬升一个层厚的高度，使支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，第n层的层厚是0.5mm。所述软件控制系统10首先控制运动模块和支撑材料喷头3完成支撑结构的打印，并控制紫外光源8固化所述支撑结构，所述支撑结构即如图4a、4c、5a、5c、6a和6c中所示的左斜线结构，所述支撑结构的线宽精度是0.5mm；所述软件控制系统10再控制运动模块和硅胶喷头11完成硅胶结构的打印，并控制紫外光源8固化所述硅胶结构，所述硅胶结构即如图4b、4d、5b、5d、6b和6d中所示的网格线结构，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是打印速度为1mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，即将所述三维模型浸入sup706溶解液溶液中进行4小时的超声清洗去除所述支撑结构，从而获得所需要的硅胶结构。

实施例4：

所使用的硅胶原液是瓦克uv系列粘度是50000cps；所使用的支撑材料是sup707，其粘度为1000cps，光固化成型后可通过70度以上热水浸泡2小时后冲洗去除；所述硅胶喷头11的喷嘴内径是0.6mm，最小点胶液滴的直径是1.0mm，点胶频率是200次/分钟；所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.08mm，最小点胶液滴的直径是0.13mm，点胶频率是400次/分钟；所使用的气源7的压力是1.5mpa。

打印第n层时，所述软件控制系统10控制系统控制一对z轴电动模块5抬升一个层厚的高度，使支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，第n层的层厚是0.3mm。所述软件控制系统10首先控制运动模块和支撑材料喷头3完成支撑结构的打印，并控制紫外光源8固化所述支撑结构，所述支撑结构的线宽精度是0.3mm；所述软件控制系统10再控制运动模块和硅胶喷头11完成硅胶结构的打印，并控制紫外光源8固化所述硅胶结构，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是打印速度为10mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，即将所述三维模型浸入70度以上热水浸泡2小时后冲洗去除所述支撑结构，从而获得所需要的硅胶结构。

实施例5：

所使用的硅胶原液是道3-6371uv凝胶，粘度是3000cps；所使用的支撑材料是sup706可溶性紫外光固化材料，其粘度为1cps，光固化成型后可通过sup706溶解液溶液中超声清洗5小时后去除；所述硅胶喷头11的喷嘴内径是0.8mm，最小点胶液滴的直径是1.2mm，点胶频率是150次/分钟；所述支撑材料喷头3的喷嘴内径是0.06mm，最小点胶液滴的直径是0.1mm，点胶频率是500次/分钟；所使用的气源7的压力是0.6mpa。

打印第n层时，所述软件控制系统10控制系统控制一对z轴电动模块5抬升一个层厚的高度，使支撑材料喷头3和硅胶喷头11运动到第n层高度，第n层的层厚是0.4mm。所述软件控制系统10首先控制运动模块和支撑材料喷头3完成支撑结构的打印，并控制紫外光源8固化所述支撑结构，所述支撑结构的线宽精度是0.5mm；所述软件控制系统10再控制运动模块和硅胶喷头11完成硅胶结构的打印，并控制紫外光源8固化所述硅胶结构，所述支撑材料喷头3和所述硅胶喷头11的打印速度是打印速度为30mm/s。再重复上述步骤转入第n+1层结构的打印，直至完成所述三维模型的打印；最后对所述三维模型的所述支撑结构进行去除处理，即将所述三维模型浸入sup706溶解液溶液中超声清洗5小时后去除所述支撑结构，从而获得所需要的硅胶结构。

最后应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。