本发明涉及一种基于辐射交联的体素成型增材制造装置及成型方法，用于辐射交联固化高分子材料或固化高分子材料及填料复合材料。
背景技术
辐射固化技术从上世纪60年代开始逐步实用化材，辐射固化是利用光的辐射能量引发含活性官能团的高分子材料发生聚合反应。通过不同波长的光波引发高分子材料发生光化学反应进而固化的都属于辐射固化技术，x射线和γ射线是具有很高的能量及透射能力的光波，在辐射固化和探伤领域有非常广泛的应用。
光固化技术作为增材制造技术中的重要分类，目前主要应用的是uv固化技术，但uv固化技术由于光子能量偏低，在固化深度方面制约严重，以波长365nm的uv光固化为例，uv固化的清漆深度约为色漆的两倍。光源透射深度对密度小于3g/cm3的轻质陶瓷颗粒形成的光固化浆料而言明显要深于密度大的陶瓷光固化浆料，相同条件下二氧化硅陶瓷浆料固化深度为氧化锆陶瓷浆料的四倍以上。在碳纤维复合材料以及玻璃纤维复合固化材料等不透明材料的固化方面，uv固化则无法实现。
技术实现要素：
为增加增材制造光固化领域的固化深度，同时实现光固化材料和填料组成的复合材料等低透明度或不透明的材料固化，利用x射线或γ射线相较于紫外光具有更高的能量及透射能力，本发明提出了一种基于辐射交联的体素成型增材制造装置及成型方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
基于辐射交联的体素成型增材制造装置，包括：
射线源，用于产生和发射稳定、单能且散射较小的射线；
脉冲电路及调节器，用于调节射线实际照射范围与照射剂量；
机械系统，用于执行控制代码以及完成各部分装置协调运动；
主控电脑，用于运行成型工艺软件，并生成电信号控制脉冲电路及调节器以及运动控制代码控制机械系统运动；
成型容器，用于盛放光固化液体或其与填料的复合浆料。
本发明进一步的改进在于，射线源能够产生和发射的射线波长小于10nm，属于γ射线或x射线，且射线能量范围在100kev以上；
脉冲电路及调节器用于控制射线源产生和发射的射线强度及时长，改变射线辐照区域形状。
本发明进一步的改进在于，射线源能够产生和发射的射线能量在1mev～15mev。
本发明进一步的改进在于，机械系统包括机架、电机、导轨和滑环；机械系统各组成结构需要实现螺旋进给运动，其相对位置包括：机架用于将承载成型容器的导轨与滑环定子部分连接为一个整体，实现通过电机驱动实现导轨与滑环相对直线运动，滑环转子则承载射线源进行圆周运动。
本发明进一步的改进在于，待固化光固化液体中的高分子材料为含丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、乙烯基、烯丙基官能团的可发生光固化聚合的树脂，复合填料包括玻璃纤维、碳纤维和陶瓷颗粒；
对于欲固化区域或位置的光固化材料，其单位体积接受的总的辐射量应该大于材料发生固化交联的辐射阈值，且同时不固化区域接受的总辐射量之和小于固化阈值。
基于辐射交联的体素成型增材制造成型方法，包括以下步骤：
s1：输入原始模型文件；
s2：重建三维图像以及优化处理并显示；
s3：测试待固化材料相关的成型参数，并设定设备的基础参数；
s4：确定工艺参数；
s5：成型工艺控制软件对机械及电路控制进行指令代码生成；
s6：设备归零、射线源启动进行模型的增材制造；
s7：模型的后处理工作。
本发明进一步的改进在于，步骤s1中模型文件除二维切片文件格式和三维模型格式外，还能够读取ct数据，逆用.dicom格式文件求得对应的特定灰阶范围的模型用于增材制造。
本发明进一步的改进在于，步骤s3中材料成型参数包括单位体积待固化材料的射线吸收剂量、模型体积、折射率、固化前后相对密度差，设备基础参数包括射线源产生射线能量范围、成型容器长宽高、机械滑环运动速度范围。
本发明进一步的改进在于，步骤s4中工艺参数包括：射线源射线能量范围大于100kev、待固化材料折射率范围在1.3～2.0、单位体积固化照射时长范围在0.1s～20s、固化前后相对密度差范围在-20％～10％。
本发明进一步的改进在于，步骤s6包括承载成型容器的导轨归零、滑环归零、射线源预热启动、射线源关闭、调节器调节成型范围、射线源启动、滑环旋转同时调节器随动且承载成型容器导轨随动、关闭射线源、导轨停止、滑环停止、调节器关闭操作。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明所述的增材制造装备和方法，利用x射线或γ射线相较于紫外光具有更高的能量及透射能力，能够增加增材制造光固化领域的固化深度，同时实现光固化材料和填料组成的复合材料等低透明度或不透明的材料固化，为复杂形状的高性能复合材料制备提供了一种解决方案。
2、本发明所述的增材制造装备和方法属于体素成型范畴，通过射线能量叠加超过材料固化阈值实现具有较大厚度方向上的一次成型，可以很好地解决目前光固化成型过程中需要层层叠加而往复运动耗时过长、斜面角度大于四十五度需要支撑等劣势，理论上可以实现增材制造的无支撑一体化成型。
附图说明
图1为本发明基于辐射交联的体素成型增材制造装置的结构示意图。
图2为本发明基于辐射交联的体素成型增材制造成型方法的流程图。
图3为本发明中辐射交联体素成型原理示意图。
附图标记。1：成型容器；2.滑环；3.射线源；4.机架；5.调节器；6.脉冲电路；7.显示器构件；8.控制系统。
s1：源文件读取；s2：模型重建及处理；s3：装置及材料基本参数写入；s4：工艺参数确定；s5：成型控制指令生成；s6：模型增材制造；s7：模型后处理。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步的说明。
图1示出了本发明所提出了一种基于辐射交联的体素成型增材制造装置的一种示例，在该装置中，通过显示器构件7对模型文件进行显示可以通过控制系统8输入模型处理命令，同时，控制系统8可以控制脉冲电路6完成对射线源1的产生电压及辐照时间的控制。射线源3与滑环2组成旋转部件，在成型过程中，机架4与旋转部件同时旋转并发射出射线，经由调节器5，对成型容器1中的待固化浆料进行固化，同时成型容器1在控制系统8的控制下垂直于旋转平面进行平动，完成增材制造工艺过程。其中，没有详细示出电机如何驱动成型容器1进行平动的机械结构，没有详细示出射线源3的内部过滤器、前准直器、参考探测器等结构。
由于γ射线能量较高且设备较为昂贵，射线源3优选为x射线产生电压6mev，并能产生能量15mev的x射线管，能够产生和发射稳定、单能且散射较小的x射线。对透射率低的高密度光固化材料而言，高能x射线管则能保证x射线有足够的透射量以保证成型范围。
脉冲电路及调节器，用于调节射线实际照射剂量。由于射线源产生的射线能量不同，待固化材料吸收辐照能量剂量也不同，通过脉冲电路匹配射线能量(kev)和待固化材料的射线吸收剂量与质量之积(gy×kg)匹配，并通过调节器，如超快速气动式二元多叶光栅，调制射线强度，同时照射多靶区实现射线实际照射剂量的调节。调节器5优选为超快速气动式二元多叶光栅，普通多叶光栅系统也可满足要求。
控制系统8中应当存有当前待固化材料的成型参数，对不同待固化材料应当有对应的成型参数库可供选择。此外，控制系统能够实现脉冲输出与电机驱动等基础功能。
图2示出了本发明所提出的一种基于辐射交联的增材制造方法步骤图解。首先，通过方法步骤s1输入模型文件。接着，在方法步骤s2中重建三维图像或直接对三维模型处理，亦或是对特定灰阶的ct数据进行提取，并处理孤立点等使得模型能够进行正常打印。
按照方法步骤s3测试待固化材料相关的成型参数，并设定设备的基础参数，对两者进行匹配，进一步确定工艺参数。之后，按照方法步骤s5通过成型工艺控制软件对机械及电路控制进行指令生成。之后就可以进行设备归零、射线源启动等模型增材制造s6的基础操作，在模型制作完成后进行s7步骤的模型的后处理工作，如光固化陶瓷材料需要进行脱脂烧结、复合材料需要进行表面打磨等后处理操作。
以下对本发明作进一步的详细说明：
目前人工射线源种类繁多，本发明所述射线源为x射线源或γ射线源，现以常用的x射线源为例进行说明，x射线源目前分为x光管、微焦斑x射线源、一体式x射线源等，本发明受医用ct机启发，通过一个能够按滑环360°运动的x射线源对待固化材料进行照射，利用x射线穿透能力强的、固化层厚的特点进行增材制造。
x射线波长在0.001～10nm，由于波长越短的x光其穿透能力越强，能够进行光固化加工的范围越大，因此优选x射线源发出的x射线波长在0.001～0.1nm。由于本发明旨在解决低透明度材料和不透明材料光固化增材制造工艺问题，对于透射深度影响最大的为高固相含量的高密度陶瓷光固化浆料，如氧化铝氧化锆等，短波的硬x射线能更好的增加固化深度。
由于不同x射线源的产生电压不同，为实现成型容器内固化剂量满足固化材料所需剂量分布，同时保证加工速率，x射线产生电压为20kv～6mv，产生的x射线能量大于150kev，针对低透明度及不透光材料，优选能量范围为3mev～15mev。
同医用ct机类似，x射线管发射的x射线也需要滤过器、前准直器、参考探测器来保证x射线管发出的x射线能够稳定、单能且散射较小。在本发明中，上述结构件或起到相同作用的设备都集成在x射线源内保证产生和发射的x射线符合增材制造工艺的要求。
基于x射线的增材制造装置中的脉冲电路及调节器，用于调节x射线实际照射剂量。通过参考探测器进行参考矫正后，确定发射的x射线能量。之后通过匹配x射线能量(kev)和待固化材料x射线吸收剂量与质量之积(gy×kg)，对待固化材料进行固化。
待固化材料吸收辐照能量剂量也不同，由于光固化反应发生需要一定时间来保证反应官能团断开与重新组合，因此，根据待固化材料本身性质通过试验得出其所需辐照能量，在保证反应时间的前提下选择合适的x射线产生电压，并通过脉冲电路实现该电压的调节。
为实现待固化材料的体素成型，需要x射线源进行螺旋照射，保证成型容器内特定空间位置特定的位置x射线剂量，类似于ct治疗中的靶区，通过调节器，如二元多叶光栅的开关时间可以调制子野强度，实现增材制造体素成型。
本发明提出的脉冲电路和调节器部分类似于螺旋式断层治疗机，反向利用ct原理，运用高能x射线进行材料固化，原则上可以在成型容器内实现任何要求的剂量分布。但不同于断层式治疗机的部分是x射线不需要后探测器、板探测器等设备，因为根据材料固化需要剂量及材料吸收剂量可以计算出x射线的对应要求。剂量确定是前期材料制备的准备工作部分。
基于x射线的增材制造装置中的显示器构件可用于显示需要成型的物体形貌以及x射线的辐射区域，x射线辐射区域在显示器内可以形成坐标系，保证
显示器构件能够显示成型参数及装置运动参数的相关值，包括但不限于：高分子x射线吸收剂量、x射线产生电压、x射线照射时间、x射线能量、脉冲占空比、参考探测器探测值、x射线源实时位置坐标、成型容器实时坐标位置、机架滑环运动速度、成型容器运动速度、成型容器成型范围、待固化模型在成型范围内的模型显示等。
显示器构件与控制系统能够进行信息交互并通过显示器构件能够控制装置运动，例如，用触摸屏进行机器急停、x射线源启动及停止、成型容器归零位、更改成型参数及装置运动参数等人机交互工作。
基于x射线的增材制造装置中的控制系统可用于匹配不同辐照交联成型材料的x射线辐照成型参数以及x射线源的空间位置运动。控制系统包括主控电脑、电路系统、电子枪控制板，以及电机、滑环、机架等机械电子部件构成。
主控电脑能够实现增材制造模型的读写，特别的，能够实现由医用ct机扫描得到的dicom文件的读取与重建，并能够通过软件提取相应灰度范围的模型。可以通过现有模型处理软件，如mimics等实现，也可以通过自行编写软件集成该功能，如利用matlab或python中的dicom读取和相关函数库进行实现。
控制系统通过编写相应软件，能够实现基础的计算功能及输入输出功能，能够在成型参数输入后经计算自动转换成电机的控制信号。
控制系能够控制电机保证x射线源沿机架在滑环上沿圆周运动，同时，控制电机驱动成型容器沿与圆周成特定角度的直线运动，并在不同位置辐射出相应的x射线剂量，实现成型空间范围内任意位置的任意剂量x射线辐照。
本发明中的成型容器用于盛放待固化高分子材料或待固化高分子材料及填料的复合材料。待固化高分子材料一般为含丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、乙烯基、烯丙基等官能团的可发生光固化聚合的树脂，复合填料包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、陶瓷颗粒等。
高分子材料或复合材料以固化前后密度变化小为宜，若变化较大，则以流体的黏度较大为宜，保证体素成型过程中特定悬空结构在打印过程几乎不发生位移，进而保证成型结构的完整性。
本发明所用的成型容器应为具有很高的x射线透过率并具有一定强度用于承载待固化材料的薄壁容器，容器制作材料包括但不限于：碳纤维材料、聚合物泡沫材料，透明pmma、透明pc等地原子序数元素组成的轻质材料。
基于辐射交联的体素成型增材制造成型方法，包括以下步骤：
1)通过模型文件输入需要成型的物体，并在显示器构件上显示；
2)根据待固化材料的x射线吸收剂量和质量确定x射线源产生的x射线能量与x射线照射时间。
3)根据成型物体形貌确定x射线源在滑环上的位置以及成型台运动参数保证成型。
本发明中通过模型文件输入需要成型的物体，其模型文件包括但不限于：常见二维切片文件格式，如二维层片格式slc、cli、hpgl等；三维数据格式，如stl、iges、step等；还有新兴起的amf、3mf等增材制造工艺专用格式；特别的，可以读取ct数据，逆用dicom格式文件求得对应的特定灰阶范围的模型用于增材制造。
本发明的新型增材制造方法不仅可以用于普通uv难以实现的材料的固化，也可以通过医用ct数据放大一定比例后直接进行诸如生物陶瓷浆料的增材制造，素胚制造后烧结即可用作人体植入物，同时，采用普通光固化树脂材料也可实现手术模型制作等功能。利用类似于螺旋式断层治疗机的数据处理模式，也可以通过普通医用ct数据在控制电脑上进行软件处理，得到成型物体形貌。
本发明的成型方法中核心工艺是根据待固化材料的x射线吸收剂量，确定x射线源产生的x射线能量，同时，由于模型的固化成型体积不同，需要的x射线剂量也不同，需要针对固化体积以及x射线在该种材料中的投射特性进行匹配计算，确定x射线照射时长。
待固化材料的x射线吸收剂量可以通过探测器进行确定，通过探测器测试出x射线通过单位厚度的待固化材料前后的电信号，转化成与x射线量成正比的电信号。通过该测试得到待固化材料对x射线单位时间内的衰减规律，可以计算出材料固化所需的x射线吸收剂量等只与待固化材料本身相关的成型参数。
将待固化材料的成型参数，包括但不限于如酸值、碘值、环氧值、od值、吸收剂量、黏度、固化膨胀系数、折射率、固化前后相对密度差等参数输入至成型工艺控制软件。通过对不同固化材料的基础性能测试，得到x射线辐照固化材料参数库。用于匹配x射线管产生电压和x射线照射时长。
本发明所述方法中根据成型物体形貌确定x射线源在滑环上的位置以及成型台运动参数保证成型的完整性。
x射线源可以在滑环上从360°对成型容器内待固化高分子或复合物进行照射，成型容器能够在电机的驱动下，沿垂直于x射线源的运动平面内进行往复直线运动。