[发明专利]一种光固化3D打印装置及打印方法

说明书

本发明涉及一种光固化3D打印装置与方法，装置包括：树脂槽、打印平台和光源系统，述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层，所述透明的水凝胶层的表面具有微纳结构；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。该光固化3D打印装置能显著降低离型时的离型力，进而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

技术领域

本发明涉及快速成型技术，具体涉及一种光固化3D打印装置及打印方法。

背景技术

光固化3D打印使用液态光敏树脂作为打印材料，以特定波长的光进行固化，具有最高的成型精度。光固化3D打印主要包括两类技术：立体光刻快速成型技术(Stereolithography,SLA)和数字光处理技术(Digital Light Processing,DLP)。其中，DLP的工艺过程是设计出三维实体模型并进行切片处理，产生的图像通过数字投影仪投射到液态光敏树脂表面，使特定区域内的树脂固化。然后打印平台往上移动一定距离，待已固化层表面完全补充上液态树脂后，进行下一次投影，使后续固化层粘结在前一固化层上，这样层层叠加最终形成三维模型。

DLP型的打印设备目前多采用硅胶或者聚四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)薄膜作为树脂槽中的上表面(也就是通常说的离型膜)与液态光敏树脂直接接触。目前最常使用的离型材料是FEP膜，光敏树脂固化过程中与FEP膜之间会产生较大的粘结力，导致打印平台上升时模型与FEP膜产生较大的拉拔力(也叫离型力)。离型力过大会导致打印模型变形、断裂、掉板等问题，影响打印效率和成功率，是制约DLP光固化打印技术大规模应用的关键因素。

为了减小离型力，美国Carbon公司开发了连续液面成型技术(CLIP)，利用光敏树脂氧阻聚的特性，在树脂槽和固化层之间形成未固化的死区，大大降低了离型力，使打印速度提升至300cm/h。CLIP技术需对氧气进行精确的调控，需要增加复杂的机构。

理论上，可以从三个方面来降低打印时候的离型力。1，降低模型和离型材料之间的粘结力；2，降低模型和离型材料之间的接触面积；3，采用可变形离型材料，使离型力逐步释放。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光固化3D打印装置，能显著降低离型时的离型力，进而提高打印速度，提高大截面模型打印的成功率。

本发明所提供的技术方案为：

一种光固化3D打印装置，包括：树脂槽、打印平台和光源系统，所述树脂槽的底面为硬质透明板，所述硬质透明板上设有透明的水凝胶层，所述透明的水凝胶层的表面具有微纳结构；所述打印平台位于树脂槽上部；所述光源系统的光源设置在硬质透明板下部。

本发明在树脂槽的底面上引入了具有微纳结构的透明的水凝胶层。水凝胶是一种亲水性高分子网络形成的软物质，具有非常高的含水量，其表面始终存在一层稳定的水膜。光敏树脂通常具有疏水性，不会扩散、渗透进入水凝胶层中。光敏树脂固化时形成的是固体树脂，固体树脂与液体水膜就形成了固-液界面，界面处的粘结力远远低于常规树脂槽使用硅胶或FEP膜时的固-固界面的情况，导致离型时的离型力大大地降低。而且，本发明中在水凝胶表面引入微纳结构，使水凝胶与打印模型之间的接触面积大大降低，进一步降低了离型力。另外，水凝胶的模量(几十kPa)非常低，大大低于硅胶(几个MPa)或者FEP(几百MPa)的模量，所以在离型的时候水凝胶会产生更大的形变，使前述粘结力逐步释放，降低整体的离型力。

本发明中硬质透明板主要起支撑作用，硬质透明板需要满足的条件是高透明度、强度及稳定性。硬质透明板可以选自高硼玻璃、石英玻璃等高透明度无机玻璃，也可以选自高透明度有机塑料如亚克力、聚碳酸酯、聚氯乙烯等。作为优选，所述硬质透明板为高硼玻璃、石英玻璃或亚克力。

本发明中硬质透明板的厚度为0.5～10mm，优选为1～5mm。