本发明涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种免支撑3d打印方法。
背景技术：
传统光敏3d打印材料是具有良好流动度的液态光敏物质，在光照后由液态转为固态。光敏3d打印机采用将3d模型以一定层厚逐层切片逐层曝光的方式完成打印。打印过程中，传统光敏3d打印材料曝光后产生光交联反应并由液态转变为固态，这一过程是不可逆的，完成一层打印后，即继续下一层打印，下一层与上一层粘结，最终实现整个模型打印。打印过程中，遇到首次出现的悬空点，需要使用支撑固定该点，逐层打印直至该处与主体部分粘结。
目前市场上主流的光敏3d打印机包括sla，dlp，喷墨式等类型，从打印方式又区分为上升式和下降式。除了喷墨式3d打印机，大部分的3d打印机都需要预先将悬空点添加支撑，才能完成打印。喷墨方式通过喷射可以水溶的光敏聚合物曝光后形成固态支撑层，打印完毕再清理支撑部分，这种支撑层为一次性产品，无法回收，粘度要求高，价格昂贵。
另一方面，其余3d打印机在3d模型打印前都需要预先将悬空点添加支撑，才能完成打印。支撑需要算法自动支持或者依靠经验添加。由于一些模型的特殊性，支撑很难添加，或者添加后难以拆除，即支撑的优劣将严重影响最终的打印效果。支撑过少会导致模型部分缺失或变形，支撑过度不仅浪费材料，还会对于后期支撑的拆除造成不便，因此支撑的添加已经成为3d打印行业公认的技术难点，限制了整个行业发展。
因此，提供一种免支撑3d打印方法成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种免支撑3d打印方法。所述免支撑3d打印方法是通过利用光敏材料在不同剪切力、光照、温度、电场和/或磁场下的不同流变性能显示的不同形态来实现的。
根据一个优选实施方式，所述方法至少包括如下步骤：
将光敏材料展开形成厚度均一的材料膜层，
使用光源对所述材料膜层按照切片图案曝光并完成3d模型的第一层打印，
将所述材料膜层未曝光的部分作为所述3d模型第二层打印的起始层并按照与第一层相同的打印方法完成所述3d模型的第二层打印，
将所述材料膜层在打印第二层时未曝光的部分作为所述3d模型第三层打印的起始层并按照与第二层相同的打印方法完成所述3d模型的第三层打印，如此循环，直至3d模型打印完成。
根据一个优选实施方式，打印起始阶段，所述光敏材料在受到剪切力、无光照、高温、无电场和无磁场中至少一种的作用时形成流动态，使得能够将所述光敏材料展开形成厚度均一的材料膜层。
根据一个优选实施方式，所述3d模型的每一层打印过程中，所述材料膜层曝光的部分由流动态变为固态。
根据一个优选实施方式，所述3d模型的每一层打印过程中，所述材料膜层未曝光的部分保持流动态。
根据一个优选实施方式，所述3d模型的每一层打印完成后，所述材料膜层未曝光的部分后续受到的剪切力减小、受到光照、受到的温度降低、受到电场和受到磁场中至少一种的作用，使得所述材料膜层未曝光的部分由流动态逐渐转变为凝胶态。
根据一个优选实施方式，转变为凝胶态的所述材料膜层作为所述3d模型下一层打印的起始层并按照与前一层相同的打印方法完成所述3d模型的下一层打印，如此循环，直至打印完成。
根据一个优选实施方式，打印完成的所述3d模型包裹于转变为凝胶态的所述材料膜层中。
根据一个优选实施方式，所述方法还包括如下步骤：在所述3d模型打印完成后，向转变为凝胶态的所述材料膜层施加剪切力、取消光照、升高温度、取消电场和/或取消磁场的作用并使所述材料膜层由凝胶态恢复为流动态，以将打印完成的所述3d模型取出。
根据一个优选实施方式，由凝胶态恢复为流动态的所述材料膜层能够重复用于3d模型的打印。
根据一个优选实施方式，所述光敏材料为假塑性光敏材料中的一种或多种。
本发明提供的免支撑3d打印方法至少具有如下优势：
(1)本发明的免支撑3d打印方法利用光敏材料在不同剪切力、光照、温度、电场和/或磁场下的不同流变性能显示的不同形态来实现，具体的，使用的光敏材料在供料时以液态存在，方便均匀铺展实现打印，打印完成后，改变向光敏材料施加的剪切力、光照、温度、电场和磁场中至少一种的作用，未曝光的光敏材料随即转变为凝胶态，这种凝胶态可以作为支撑材料存在，本发明的3d打印方法使用光敏材料自身的凝胶态作为支撑，免除支撑的添加，极大地减少了打印难度，提高了成功率；另一方面，本发明的3d打印方法由于没有添加支撑，因此也无需拆除支撑，使得打印件更加美观。
(2)本发明的免支撑3d打印方法优选使用具有在特定条件下可以改变流变性能的材料作为光敏材料，该种光敏材料可回收使用，解决了现有喷墨式3d打印造成的材料浪费问题，具有价格低廉、无明确的粘度要求的优势，是一种极具市场推广潜力的新型3d打印方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的免支撑3d打印方法的一个优选实施方式的示意图。
图中1-刮板；2-激光；3-3d模型；4-流动态光敏材料；5-凝胶态光敏材料。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
针对现有3d打印技术存在的缺陷，本发明提供了一种免支撑3d打印方法。所述免支撑3d打印方法是通过利用光敏材料在不同剪切力、光照、温度、电场和/或磁场下的不同流变性能显示的不同形态来实现的。优选的，本发明选用的光敏材料在不同剪切力、光照、温度、电场和/或磁场下至少能够形成流动态、固态或类似半固体的凝胶态。更优选的，本发明选用的光敏材料可以是单独在不同剪切力、光照、温度、电场或磁场下形成流动态、固态或类似半固体的凝胶态。本发明选用的光敏材料也可以是在不同剪切力、光照、温度、电场和磁场中至少一种的作用下形成流动态、固态或类似半固体的凝胶态。
本发明的光敏材料在初始状态下为流动态，方便均匀铺展实现打印；打印完成后，由于光敏材料具有在特定条件下可以改变流变性能的特点，改变向光敏材料施加的剪切力、光照、温度、电场和/或磁场，使未曝光的光敏材料的流变性能改变，即使光敏材料由流动态转变为凝胶态。这种凝胶态可以作为支撑材料存在，本发明的3d打印方法使用光敏材料自身的凝胶态作为支撑，免除支撑的添加，极大地减少了打印难度，提高了成功率；另一方面，本发明的3d打印方法由于没有添加支撑，因此也无需拆除支撑，使得打印件更加美观。
根据一个优选实施方式，本发明的免支撑3d打印方法主要利用光敏材料的触变性特征实现免支撑的3d打印，其具体是利用光敏材料在低剪切力或者无剪切力状态下具有类似半固体的凝胶态来实现免支撑的3d打印方法。本发明的免支撑3d打印方法与现有的免支撑3d打印方案相比，其使用光敏材料自身凝胶态作为支撑的方案具有可重复利用光敏材料、无需支撑、价格低廉、无明确的粘度要求等优势。
本发明涉及的利用剪切力控制流变性能不同以实现无支撑的方法可以衍生到剪切力之外的其它作用方式，例如光照、温度、电场和/或磁场。以温度为例，光敏材料在不同温度下显示不同的流变性能，高温变稀低温变硬，高温对光敏材料的作用类似于高剪切力对光敏材料的作用，低温对光敏材料的作用类似于低剪切力对光敏材料的作用。该方式也可以实现一定程度上利用光敏材料的流变性能变化从而实现无支撑。光照、电场和/或磁场对光敏材料的作用方式与剪切力和温度对光敏材料的作用方式相反。即光敏材料在无光照、无电场和无磁场的作用下为流动态，在有光照、有电场和有磁场的作用下为凝固态。
具体的，剪切力对光敏材料的作用是利用助剂触变原理。光敏材料在受到高剪切力时，通过触变助剂，如气相二氧化硅、氢化蓖麻油等助剂实现光敏材料的空间弱化学键网络结构，无剪切力或较低剪切力时会变成果冻状的凝固态，增大剪切力又会变成低粘度的流动态。剪切力对光敏材料的作用具有可逆性。
根据一个优选实施方式，本发明使用一种触变助剂实现光敏材料的强触变特征。市售很多种类的触变助剂或树脂单体可以实现类似的触变特征。例如气相二氧化硅、有机膨润土、氢化蓖麻油以及聚酰胺等或含有以上并不仅限于以上物质的单体或者树脂。该类物质不仅具有良好的触变性，而且还具有很高的性价比。本发明旨在保护光敏材料自身形成凝胶态/类固态材料起到类似支撑作用的光敏3d打印方案。
具体的，光照对光敏材料的作用是利用光的弱交联原理。即利用光敏材料本身低官能团降低反应密度，使树脂通过自由基反应弱交联形成很容易破坏的凝固态结构。优选的，本发明对光敏材料施加的光照为紫外光照。优选的，本发明的树脂为光交联型树脂中的一种或多种。如聚乙烯醇肉桂酸酷类、肉桂酸与环氧树脂的结合物和环化橡胶等。
具体的，电流对光敏材料的作用是通过施加电场，使光敏材料在一定的电场作用下，由流动态变成高流变性的凝固态，电场消失后光敏材料本身恢复到流动态。即电流对光敏材料的作用具有可逆性。优选的，本发明的光敏材料为电流变体中的一种或多种。本发明的电流变体一般由连续相，悬浮颗粒和添加剂组成。连续相一般是硅油、矿物油和丙烯酸单体等液体，这些液体通常应具备高沸点、低粘度、电阻大、介电常数高等特点。悬浮颗粒一般利用吸附水的淀粉或二氧化硅颗粒等，添加剂一般有水和表面活性剂等。
具体的，磁场对光敏材料的作用是通过施加磁场，使光敏材料在一定的磁场作用下，由流动态变成高流变性的凝固态，磁场消失后光敏材料本身恢复到流动态。即磁场对光敏材料的作用具有可逆性。优选的，本发明的光敏材料为磁流变体中的一种或多种。本发明的磁流变体是将微米尺度的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在磁场环境下固化，从而基体内的颗粒形成高流变性的半固态结构。
具体的，温度对光敏材料的作用是利用光敏树脂在高温下具有良好的流动性能，在低温或常温下具有非常高的粘度，类似于半固体的状态。优选的，本发明所述的高温为30～60℃，低温为-20～20℃。更优选的，本发明的高温和低温也可以是根据具体的树脂而有差异。本发明的树脂例如可以是环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂中的一种或多种。
图1示出了本发明的免支撑3d打印方法的一个优选实施方式的示意图。如图1所示，图中1是刮板，2是激光；3是3d模型；4是流动态光敏材料；5是凝胶态光敏材料。下面结合图1来具体描述本发明的免支撑3d打印方法。
根据一个优选实施方式，本发明的免支撑3d打印方法至少包括如下步骤：
s1：将光敏材料展开形成厚度均一的材料膜层。
s2：使用光源对材料膜层按照切片图案曝光并完成3d模型的第一层打印。
s3：将材料膜层未曝光的部分作为3d模型第二层打印的起始层并按照与第一层相同的打印方法完成3d模型的第二层打印。
s4：将材料膜层在打印第二层时未曝光的部分作为3d模型第三层打印的起始层并按照与第二层相同的打印方法完成3d模型的第三层打印，如此循环，直至3d模型打印完成。
本发明的免支撑3d打印方法通过使用具有极强假塑性的光敏材料进行3d打印，在供料时光敏材料以液态存在，方便均匀铺展实现打印，打印完成后，由于光敏材料具有极强的假塑性，未曝光的光敏材料未受到剪切力或受到的剪切力减小、受到光照、受到的温度降低、受到电场和/或受到磁场中至少一种的作用时，材料膜层未曝光的部分随即由流动态逐渐转变为凝胶态。这种凝胶态可以作为支撑材料存在，本发明的3d打印方法使用光敏材料自身的凝胶态作为支撑，免除支撑的添加，极大地减少了打印难度，提高了成功率；另一方面，本发明的3d打印方法由于没有添加支撑，因此也无需拆除支撑，使得打印件更加美观。
根据一个优选实施方式，打印起始阶段，光敏材料受到剪切力、无光照、高温、无电场和无磁场中至少一种的作用时形成流动态，使得能够将光敏材料展开形成厚度均一的材料膜层，如图1所示。本发明的免支撑3d打印方法，打印过程中利用高剪切力、无光照、高温、无电场和/或无磁场状态下光敏材料具有良好流动性的特点，将光敏材料均匀铺展，形成厚度均一的材料膜层。
根据一个优选实施方式，3d模型的每一层打印过程中，材料膜层曝光的部分由流动态变为凝胶态或固态。使用光源对该材料膜层按照切片图案进行曝光，曝光部分(图案部分)光敏材料由液态变成固态，以便形成3d打印模型的各层结构。
根据一个优选实施方式，3d模型的每一层打印过程中，材料膜层未曝光的部分保持流动态。本发明使用的光敏材料，未曝光的部分，仍然保持流动态。
根据一个优选实施方式，3d模型的每一层打印完成后，材料膜层未曝光的部分后续受到的剪切力减小或者未受到剪切力、受到光照、受到的温度降低、受到电场和受到磁场中至少一种的作用时，使得材料膜层未曝光的部分由流动态逐渐转变为凝胶态。由于无后续剪切力或者受到的剪切力减小、受到光照、受到的温度降低、受到电场和/或受到磁场的作用，未曝光部分会逐渐由具有良好流动性的流动态转变为完全无流动性的凝胶态，如图1所示。
根据一个优选实施方式，转变为凝胶态的材料膜层作为3d模型下一层打印的起始层并按照与前一层相同的打印方法完成3d模型的下一层打印，如此循环，直至打印完成。凝胶态部分在低/无剪切力、光照、低温、电场和/或磁场下具有一定强度，其将作为下一层起始层，起到与支撑相同的作用，直至打印完成。
根据一个优选实施方式，打印完成的3d模型包裹于转变为凝胶态的材料膜层中，如图1所示。凝胶态是在特定条件下树脂改变流变性能的一种状态，树脂流变性能改变的这一过程是可逆的，3d模型打印完毕，给予呈凝胶态的材料膜层一定的剪切力、取消光照、升高温度、取消电场和/或取消磁场的作用，凝胶态随即恢复为具有良好流动性的流动态，3d模型可以方便取出。液态光敏材料收集后，依然可以重复利用于下一次3d模型打印中。
s5：在3d模型打印完成后，向转变为凝胶态的材料膜层施加一定的剪切力、取消光照、升高温度、取消电场和/或取消磁场的作用并使材料膜层由凝胶态恢复为流动态，以将打印完成的3d模型取出。
根据一个优选实施方式，由凝胶态恢复为流动态的材料膜层能够重复用于3d模型的打印。本发明的免支撑3d打印方法使用的具有在特定条件下可以改变流变性能的光敏材料可回收使用，解决了现有喷墨式3d打印造成的材料浪费问题，具有价格低廉、无明确的粘度要求的优势，是一种极具市场推广潜力的新型3d打印方式。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。