一种基于双光源引发的快速多材料光固化3D打印装置及方法与流程

本发明涉及3d打印装置及方法，更具体的说是一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置及方法。

背景技术：

光固化3d打印技术受限于单一打印材料性能，难以在实际应用中充分发挥其高精度、高效率、复杂三维结构快速成型等优势。因此需要对多材料光固化3d打印技术进行深入研究，以拓展其应用范围。目前，多材料光固化3d打印技术包括多材料多工位打印和多材料单工位打印，其中多材料多工位打印处于绝对主流地位，包括多材料池工位旋转切换和平移切换，以实现单个零件打印过程中多种材料同时打印；而多材料单工位打印仅有一个材料池，在单个零件打印过程中利用液泵抽出和泵入多种材料，实现多材料打印。虽然现有多材料光固化打印技术已经较为成熟，但这些技术方法存在原理上的不足，主要表现在：多材料多工位打印以及基于液泵的多材料单工位打印方法效率极低，丧失了光固化3d打印技术高效率的优势；多材料多工位打印需要反复切换工位，多种材料工位切换过程中需要加入清洗工位和干燥工位，会引入固有的机械运动误差，一定程度上丧失了光固化3d打印技术高精度的优势；现有技术中的多材料光固化3d打印效率极低、精度损失大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置及方法，可以解决现有技术中的多材料光固化3d打印效率极低、精度损失大的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，包括光源系统、投影系统、料池装置、基底装置、通气装置和隔震台，所述光源系统设置在隔震台上，投影系统包括光机和外光路部分，光机和外光路部分均固定连接在隔震台上，光机的入光口设置在光源系统光路输出端，料池装置包括气室、透氧膜和料池，气室固定连接在料池的下方，气室的两侧分别开有进气口和出气口，透氧膜夹持在气室和料池之间密封固定，基底装置设置在料池的上方，通气装置和气室连接。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述光源系统包括控制器、发光头和分光镜，控制器、发光头和分光镜均固定连接在隔震台上，发光头设置有两个，两个发光头成90°相对摆放，两个发光头均通过导线连接在控制器上，控制器连接控制开关，分光镜设置在两个发光头前方相对交点处，与两个发光头成45°摆放。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述两个发光头分别为低波段发光头和高波段发光头，低波段发光头和高波段发光头成90°相对且摆放高度一致，分光镜与低波段发光头和高波段发光头成45°摆放且中心高度一致，低波段发光头和高波段发光头分别位于分光镜的两侧。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述外光路部分包括透镜、光阑和反射镜，透镜、光阑和反射镜均固定连接在隔震台上，光机入光口设置在低波段发光头正对方向上，透镜设置在与光机出光口正对方向上，光阑设置在与透镜正对方向上，反射镜成45°设置在与光阑正对方向上，所述光机、透镜、光阑和反射镜相对距离根据光机投影尺寸、透镜焦距和光阑数值孔径参数计算获得，且中心高度一致。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述料池装置还包括旋转倾斜台、料池转接板、支架连接块和齿条支撑棒，料池固定连接在旋转倾斜台上，转倾斜台固定连接在料池转接板上，料池转接板固定连接在支架连接块上，支架连接块连接在齿条支撑棒上，齿条支撑棒固定连接在隔震台上。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述基底装置包括打印基底、旋转倾斜台、基底转接板、z向位移台、位移台转接板和直角固定块，打印基底固定连接在旋转倾斜台上，旋转倾斜台固定连接在基底转接板上，基底转接板固定连接在z向位移台上，z向位移台固定连接在位移台转接板上，位移台转接板固定连接在直角固定块上，直角固定块固定连接在隔震台上。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述通气装置包括氧气瓶、氮气瓶、三通电控气阀和气管，氮气瓶的一端密封连接在气室的进气口，另一端密封连接在三通电控气阀输出口，氮气瓶和氧气瓶出气口通过气管密封连接在三通电控气阀的两个输入口；所述三通电控气阀上设置有氧气进气管、氮气进气管和出气管，氧气进气管的一端与氧气瓶出气口密封连接，氧气进气管的另一端与三通电控气阀一个输入口密封连接，氮气进气管的一端与氮气瓶出气口密封连接，氮气进气管的另一端与三通电控气阀另一个输入口密封连接，出气管的一端与三通电控气阀输出口密封连接，出气管的另一端与气室进气口密封连接，三通电控气阀控制两个输入口的开关切换。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述气室包括气室主体和石英玻璃片，石英玻璃片粘接在气室主体上外圈密封，且和下方反射镜中心正对，料池包括料池主体和密封圈，密封圈安装在料池主体的卡槽内，透氧膜遮盖在密封圈上，气室固定连接在料池主体上。

一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印方法，所述该方法包括以下步骤：

步骤一：建立目标多材料打印零件的三维模型，进行分层切片处理，得到两种材料的分层切片图像文件；

步骤二：将两种感光波段高低不同的光敏树脂材料通过磁力搅拌器混合均匀，装入所述料池；所述两种感光波段高低不同的光敏树脂材料，感光波段处于200nm-700nm，分别对应所述两个发光头发光波段，且相互没有重合；

步骤三：按照目标多材料打印零件要求控制所述两种材料的分层切片图像次序投影曝光；所述低波段光敏树脂打印时，所述控制器控制所述低波段发光头开启，所述高波段发光头关闭；所述高波段光敏树脂打印时，所述控制器控制所述低波段发光头关闭，所述高波段发光头开启。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，所述两种光敏树脂材料分别为自由基型光敏树脂材料和阳离子型光敏树脂材料。

本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置及方法的有益效果为：

本发明一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置及方法，可以有效解决现有技术中的多材料光固化3d打印效率极低、精度损失大的问题；本发明提供了一种高精度、高效率、可灵活更换光源的多材料光固化3d打印装置和方法，适用于研究两种光敏树脂材料同时精确3d打印成型，极大地提高多材料光固化3d打印的效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

在本发明的描述中,需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置整体的结构示意图；

图2是本发明光源系统的结构示意图；

图3是本发明料池装置的结构示意图；

图4是本发明通气装置的结构示意图；

图5是本发明双光源引发多材料光固化3d打印过程的原理示意图；

图6是本发明两种材料同时快速打印的原理示意图。

图中：隔震台1；控制器2；发光头3；低波段发光头3-1；高波段发光头3-2；分光镜4；光机5；透镜6；光阑7；反射镜8；气室9；气室主体9-1；石英玻璃片9-2；透氧膜10；料池11；料池主体11-1；密封圈11-2；打印基底12；旋转倾斜台13；基底转接板14；z向位移台15；位移台转接板16；直角固定块17；氧气瓶18；氮气瓶19；三通电控气阀20；气管21；氧气进气管21-1；氮气进气管21-2；出气管21-3；旋转倾斜台22；料池转接板23；支架连接块24；齿条支撑棒25；打印的自由基型光敏树脂26；打印的阳离子型光敏树脂27；氧阻聚区域28；自由基型光敏树脂氧阻聚区域28-1；自由基型光敏树脂及阳离子型光敏树脂氧阻聚区域28-2；气室内腔29；阳离子型光敏树脂投影区域30；自由基型光敏树脂投影区域31。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式一：

下面结合图1-6说明本实施方式，一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印装置，包括光源系统、投影系统、料池装置、基底装置、通气装置和隔震台1，所述光源系统设置在隔震台1上，投影系统包括光机5和外光路部分，光机5和外光路部分均固定连接在隔震台1上，光机5的入光口设置在光源系统光路输出端，料池装置包括气室9、透氧膜10和料池11，气室9固定连接在料池11的下方，气室9的两侧分别开有进气口和出气口，透氧膜10夹持在气室9和料池11之间密封固定，基底装置设置在料池11的上方，通气装置和气室9连接；可以有效解决现有技术中的多材料光固化3d打印效率极低、精度损失大的问题；本发明提供了一种高精度、高效率、可灵活更换光源的多材料光固化3d打印装置和方法，适用于研究两种光敏树脂材料同时精确3d打印成型，极大地提高多材料光固化3d打印的效率。

具体实施方式二：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述光源系统包括控制器2、发光头3和分光镜4，控制器2、发光头3和分光镜4均固定连接在隔震台1上，发光头3设置有两个，两个发光头3成90°相对摆放，两个发光头3均通过导线连接在控制器2上，控制器2连接控制开关，分光镜4设置在两个发光头3前方相对交点处，与两个发光头3成45°摆放。

具体实施方式三：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述两个发光头3分别为低波段发光头3-1和高波段发光头3-2，低波段发光头3-1和高波段发光头3-2成90°相对且摆放高度一致，分光镜4与低波段发光头3-1和高波段发光头3-2成45°摆放且中心高度一致，低波段发光头3-1和高波段发光头3-2分别位于分光镜4的两侧，使得低波段发光头3-1输出光经过分光镜4透射后的光路，与高波段发光头3-2输出光经过分光镜4发射后的光路重合，重合光路正对射入光机5入光口。

具体实施方式四：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述外光路部分包括透镜6、光阑7和反射镜8，透镜6、光阑7和反射镜8均固定连接在隔震台1上，光机5入光口设置在低波段发光头3-1正对方向上，透镜6设置在与光机5出光口正对方向上，光阑7设置在与透镜6正对方向上，反射镜8成45°设置在与光阑7正对方向上，所述光机5、透镜6、光阑7和反射镜8相对距离根据光机5投影尺寸、透镜6焦距和光阑7数值孔径参数计算获得，且中心高度一致。

具体实施方式五：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述料池装置还包括旋转倾斜台22、料池转接板23、支架连接块24和齿条支撑棒25，料池11固定连接在旋转倾斜台22上，便于调平，转倾斜台22固定连接在料池转接板23上，料池转接板23固定连接在支架连接块24上，支架连接块24连接在齿条支撑棒25上，便于高度调节，齿条支撑棒25固定连接在隔震台1上，所述料池11通过螺纹连接固定在旋转倾斜台22上，采用三点调平方式保证料池11底面处于水平。

具体实施方式六：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述基底装置包括打印基底12、旋转倾斜台13、基底转接板14、z向位移台15、位移台转接板16和直角固定块17，打印基底12固定连接在旋转倾斜台13上，便于调平，旋转倾斜台13固定连接在基底转接板14上，基底转接板14固定连接在z向位移台15上，z向位移台15固定连接在位移台转接板16上，便于高度调节，位移台转接板16固定连接在直角固定块17上，直角固定块17固定连接在隔震台1上，所述打印基底12通过螺纹连接固定在旋转倾斜台13上，采用三点调平方式保证打印基底12底面处于水平。

具体实施方式七：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述通气装置包括氧气瓶18、氮气瓶19、三通电控气阀20和气管21，氮气瓶19的一端密封连接在气室9的进气口，另一端密封连接在三通电控气阀20输出口，氮气瓶19和氧气瓶18出气口通过气管21密封连接在三通电控气阀20的两个输入口；所述三通电控气阀20上设置有氧气进气管21-1、氮气进气管21-2和出气管21-3，氧气进气管21-1的一端与氧气瓶18出气口密封连接，氧气进气管21-1的另一端与三通电控气阀20一个输入口密封连接，氮气进气管21-2的一端与氮气瓶19出气口密封连接，氮气进气管21-2的另一端与三通电控气阀20另一个输入口密封连接，出气管21-3的一端与三通电控气阀20输出口密封连接，出气管21-3的另一端与气室9进气口密封连接，三通电控气阀20控制两个输入口的开关切换。

具体实施方式八：

下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一至七作进一步说明，所述气室9包括气室主体9-1和石英玻璃片9-2，石英玻璃片9-2粘接在气室主体9-1上外圈密封，且和下方反射镜8中心正对，料池11包括料池主体11-1和密封圈11-2，密封圈11-2安装在料池主体11-1的卡槽内，透氧膜10遮盖在密封圈11-2上，气室9固定连接在料池主体11-1上，通过对角旋紧螺钉压缩密封圈11-2，进而展平透氧膜10，同时保证密封性。

一种基于双光源引发的快速多材料光固化3d打印方法，所述该方法包括以下步骤：

步骤一：建立目标多材料打印零件的三维模型，进行分层切片处理，得到两种材料的分层切片图像文件；

步骤二：将两种感光波段高低不同的光敏树脂材料通过磁力搅拌器混合均匀，装入所述料池11；所述两种感光波段高低不同的光敏树脂材料，感光波段处于200nm-700nm，分别对应所述两个发光头3发光波段，且相互没有重合；

步骤三：如图5所示，按照目标多材料打印零件要求控制所述两种材料的分层切片图像次序投影曝光；所述低波段光敏树脂打印时，所述控制器2控制所述低波段发光头3-1开启，所述高波段发光头3-2关闭；所述高波段光敏树脂打印时，所述控制器2控制所述低波段发光头3-1关闭，所述高波段发光头3-2开启；

所述两种光敏树脂材料分别为自由基型光敏树脂材料和阳离子型光敏树脂材料；

所述自由基型光敏树脂材料引发过程不会影响阳离子型光敏树脂材料；所述阳离子型光敏树脂材料引发过程可能同时引发自由基型光敏树脂材料反应；

所述自由基型光敏树脂材料聚合会受到较高程度的氧气抑制作用，产生氧阻聚效应；所述阳离子型光敏树脂材料聚合会产生较低程度的氧阻聚效应；

所述阳离子型光敏树脂材料打印时，所述三通电控气阀20控制所述氮气进气管21-2连接输入端关闭，所述氧气进气管21-1连接输入端打开，在一定深度条件下所述自由基型光敏树脂材料受氧阻聚效应抑制无法打印，所述阳离子型光敏树脂材料受氧阻聚影响较小可以打印，保证所述阳离子光敏树脂材料独立反应；所述自由基型光敏树脂材料打印时，所述三通电控气阀20控制所述氮气进气管21-2连接输入端先开启，所述氧气进气管21-1连接输入端关闭，降低所述气室9内氧气浓度，再关闭所述氮气进气管21-2连接输入端，开启所述氧气进气管21-1连接输入端，控制所述氧阻聚效应作用深度，保证所述自由基型光敏树脂材料在同一深度上独立打印，实现精确的多材料打印；所述氧阻聚效应作用区域起到固化死区的效果，可以实现连续液面快速打印；

进一步，如图6所示，针对光纤等内外双层材料结构3d打印，所述控制器2控制所述低波段发光头3-1和所述高波段发光头3-2同时开启，进行内层材料和外层材料同时投影打印；所述三通电控气阀20控制所述氮气进气管21-2连接输入端关闭，所述氧气进气管21-1连接输入端打开，产生一定的氧阻聚效应，生成一定深度的固化死区，实现所述连续液面快速成型；所述阳离子型光敏树脂材料氧阻聚区域深度较小，从较低深度开始打印；所述自由基型光敏树脂材料氧阻聚区域深度较大，从较高深度开始打印；所述两种光敏树脂材料在不同深度层同时独立打印，实现一次投影两种材料同时快速打印；所述控制器2控制发光头3发光强度，调节投影打印的深度；所述三通电控气阀20控制通入氧气的浓度，调节氧阻聚区域的深度。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。