CN109228303A - 一种利用多波长光进行3d打印的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多波长光进行3D打印的方法，其中采用多种组份的混合可聚合液体为材料，材料收到辐射后的固化过程中，不同组份能够吸收不同波长的辐射发生聚合反应，固化成型，共同组成3D打印件，由于提供聚合能量的辐射源范围更广，故相对应的可聚合液体的组份选择性更广，材料固化后的性能更加多样化，而且由于采用多辐射源，每个辐射源的所供能量降低，即在3D打印中对单个光源的能量要求低，所以降低了设备的制造成本，而且提高了单个光源的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及技术领域为三维成型领域，特别涉及一种利用多波长光进行3D打印的方法。
背景技术
光固化三维制造的技术原理是先将三维模型通过一个方向进行分层，从而获取每层的轮廓信息或者图像信息，然后通过光源来实现每层的数据信息，将聚合物单体与预聚体组成光引发剂(光敏剂)，经过UV光照射后，引起聚合反应，完成每一层的固化，重复迭代，最后形成一个三维实体模型。由于三维制造的生产周期短、生产成本低，而且无需考虑产品市场的大小，即具备不同产品的三维模型使用同样的设备与耗材即可生产不同的产品，故三维制造特别受定制化、高端化市场的青睐。
由于3D打印中光敏材料作为原材料，其制造过程中(呈液态)的性能影响打印效果，以及光固化后(呈固态)的性能体现了产品的机械性能，其光敏材料需要通过光辐射提供其聚合所需的能量，所以光机的光照效果也是光固化3D打印的关键。现有技术中，光敏材料聚合所需的光的波长与其自身材料特性以及光引发剂有关，而由于市面上DLP光机波长的限制，目前的光敏材料均通过单一的380-410nm波长的光进行固化，而光机单光源长时间工作，需要输出大量的能量，对光机的损耗大，光机的成为光固化3D打印设备的一个消耗件，增加了打印成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用多种不同波长的光，同时进行3D打印的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种利用多波长光进行3D打印的方法，包括，
步骤(a)：提供用于支撑三维物的载体、具有光固化成型面的光学透明构件以及辐射源，所述载体和所述光固化成型面之间为三维物制造区域，对预打印的3D模型进行切片，将切片数据输入辐射源；
步骤(b)：将可聚合液体填充三维物制造区域，所述可聚合液体包括至少两个组份，每个组份分别在不同波长的辐射下发生聚合反应；
步骤(c)：所述辐射源对三维物制造区域进行多种波长的辐射，该辐射的范围与切片相同，所述可聚合液体中的各个组份分别在不同波长辐射作用下发生聚合反应，在载体上形成固化的3D打印中间件；
步骤(d)：所述载体带动固化的3D打印中间件远离光固化成型面，使3D打印中间件具有生长的空间；
步骤(e)：重复步骤(c)与步骤(d)构建3D打印中间件，直至3D打印中间件满足预期的。
与现有技术相比，采用上述方法进行3D打印具有一下优点：在可聚合液体固化过程中，不同组份能够吸收不同波长的辐射发生聚合反应，固化成型，共同组成3D打印件，由于提供聚合能量的辐射源范围更广，故相对应的可聚合液体的组份选择性更广，材料固化后的性能更加多样化，而且由于采用多辐射源，每个辐射源的所供能量降低，即在3D打印中对单个光源的能量要求低，所以降低了设备的制造成本，而且提高了单个光源的使用寿命。
进一步地，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围之间具有重叠。
进一步地，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围均相同。
进一步地，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围均不互相重叠。
进一步地，所述辐射源为组合式辐射源。
进一步地，所述组合式辐射源为多个光源的组合，多个光源分别能够发出不同波长的光。
进一步地，所述辐射为紫外光、可见光或是红外光激光。
附图说明
图1是本发明中光固化3D打印设备在使用过程中的结构示意图；
图2是本发明一种利用多波长光进行3D打印的方法的流程框架图；
图3是本发明实施例1使用状态中辐射源在光固化成型面上辐射范围的示意图；
图4是本发明实施例2使用状态中辐射源在光固化成型面上辐射范围的示意图；
图5是本发明实施例3使用状态中辐射源在光固化成型面上辐射范围的示意图。
其中：1、载体；2、光学透明构件；3、辐射源；4、可聚合液体；5、3D打印件；6光固化成型面；7、辐射范围。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对发明作进一步详细地说明。
要理解的是，当一个元件被提到在另一元件“上”、“附着到”另一元件上、“连接到”另一元件上、与另一元件“结合”、“接触”另一元件等时，其可以直接在另一元件上、附着到另一元件上、连接到另一元件上、与另一元件结合和/或接触另一元件或也可存在中间元件。相反，当一个元件被提到“直接在另一元件上”、“直接附着到”另一元件上、“直接连接到”另一元件上、与另一元件“直接结合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域技术人员还会理解，提到与另一构件“相邻”布置的一个结构或构件可具有叠加在该相邻构件上或位于该相邻构件下的部分。
空间相关术语，如“下方”、“低于”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可为易于描述而使用以描述如附图中所示的元件或构件与另外的一个或多个元件或构件的关系。要理解的是，空间相关术语除附图中描绘的取向外还意在包括器件在使用或运行中的不同取向。例如，如果倒转附图中的器件，被描述为在其它元件或构件“下方”或“下面”的元件则将取向在其它元件或构件“上方”。因此，示例性术语“下方”可包括上方和下方的取向两者。器件可以以其它方式取向(旋转90度或其它取向)并相应地解释本文所用的空间相关描述词。类似地，除非明确地另行指示，术语“向上”、“向下”、“垂直”、“水平”等在本文中仅用于解释说明。
如图1所示，光固化3D打印设备主要是由是载体1、光学透明构件2、辐射源3组成，其中光学透明构件2具有光固化成型面6，载体1和光固化成型面6之间为三维物制造区域，可聚合液体4填充三维物制造区域，辐射源3向三维制造区域提供辐射能量，接收到辐射的部分可聚合液体4发生聚合反应，然后在载体1的表面上形成固化的3D打印件5，所述载体1连有机械驱动装置，载体1向远离光固化成型面6的方向运动并带动3D打印件5(可聚合液体4光固化后)使得光固化成型面6与3D打印件5之间具有新的成型空间，可聚合液体4回流到光固化成型面6后，再继续收到辐射进行固化，这样逐层制造，直至3D打印完成。
将上述的光固化3D打印设备用于本发明所述的利用多波长光进行3D打印，应用流程分为三大类，包括打印准备、打印过程以及打印后处理，具体的步骤流程可参考图2，包括：
打印准备
步骤101，首先将预打印的3D模型导入切片软件，并将切片数据输入辐射源，具体的切片的方式可以是同层高的切片，即每层的打印时间相同，也可以是根据3D模型的结构特点进行变层高切片，即每层的打印时间不同，同层高的切片方式适用于结构较为规则的3D模型，变层高的切片方式适用于结构不规则的3D模型，其中的辐射源每次发出辐射范围7与每层切片的图案相对应，具体的可以通过DLP技术或是透明的LED显示屏实现，即辐射源为光机，该光机具有DLP芯片，DLP芯片导入了切片数据，光通过该DLP芯片后能够就切片数据的图案投影出来，或是辐射源3与光学透明构件2之间设置透明的LED显示屏，LED显示屏导入了切片数据并将切片数据的阴刻图案(即显示切片图案中的空白部分)显示出来，辐射源3是光机的话，光机的光照通过LED显示屏后进过部分遮掩，能够将切片图案投影出来，其中为了满足辐射源3能够辐射多种不同波长的光，辐射源3为多个光源的组合，每个光源分别能够发出不同波长的光，具体的辐射为可以是紫外光、可见光或是红外光激光，优选的是紫外光。
步骤102，配置可聚合液体4，然后将可聚合液体4填充至固化区域，其中可聚合液体4中包括多个组份，每个组份中均包括单体和/或预聚物与不同的光引发剂，不同的光引发剂能够使得单体和/或预聚物在收到不同波长的辐射能量后各自发生聚合反应；
打印过程
步骤103，辐射源3向三维制造区域提供辐射能量，每次的辐射范围7与每层切片图案相对应，受到辐射的可聚合液体4发生聚合反应，并在载体1的表面上形成一定厚度的固化的3D打印件5，然后载体1带动3D打印件5远离光固化成型面6，使3D打印件5具有新的生长的空间，其中每次不变范围的辐射形成的3D打印件5的厚度与辐射时间有关，辐射的时间时间越长，即固化的3D打印件5越厚；
步骤104，重复步骤103，使得可聚合液体4逐层固化累积成型，3D打印件5符合预期打印即可完成打印；
打印后处理
步骤105，对完成的3D打印件5进行后处理，一般的后处理包括一下步骤：(1)清洗3D打印件5表面的残料，(2)去除3D打印件5上在打印过程中用于支撑的附加结构，(3)进行加热、补充辐射的后固化处理，(4)对3D打印件5的表面进一步打磨。
上述的光固化3D打印步骤中，步骤102中配置多个组份的可聚合液体4，其中各个组分中包含的光引发剂是实现不同组份收到不同波长辐射后发生聚合反应的主要因素，例如常见的UV光引发剂：2，4，6，-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化磷(TPO)的有效吸收峰值为350-400nm，一直吸收致420nm左右；2-羟基-甲基苯基丙烷-1-酮(光引发剂-1173)的吸收波长为244nm、278nm、322nm；光引发剂-4265的吸收波长为239nm、275nm、379nm；2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯(光引发剂-TPO-L)的吸收波长为273nm、370nm；异丙基硫杂蒽酮(2、4异构混合；光引发剂-1105)的吸收波长为258nm、382nm，用于可见光的光引发剂由于其使用条件以及保持条件比较苛刻，所以市面上设计的用于可见光的光引发剂较少，实际上双2,6-二氟-3-吡咯苯基二茂钛、苯偶酰缩酮类物质、硫杂茵酮类物质均可以实现，但一般得加入助引发剂，市面上可以够买到UV-LED可见光光引发剂JDADE 276(由青岛杰得佳新材料科技有限公司销售)最大的可吸收波长为430nm，以及双[2,6-二氟-3-(1H-吡咯基-1)苯基]钛茂(可见光光引发剂784)的吸收波长为400-480nm(由常熟恒荣商贸有限公司销售)，故本发明中描述的辐射源发出的可以是紫外光、可见光或是红外光激光等不同波长作为可聚合液体4中不同组分发生聚合反应的能量传递是可以实现的。
以及可聚合液体4中的单体和/或预聚物可以是为自由基可聚合物质或是环氧基可聚合物质，具体的，自由基可聚合物质的官能团包括甲基丙烯酸酯、α-烯烃、N-乙烯基、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、苯乙烯类、环氧化物、硫醇，1,3-二烯、乙烯基卤化物、丙烯腈、乙烯基酯、马来酰亚胺、乙烯基醚，或上述一种或多种官能团的衍生物；环氧基可聚合物质的官能团包括环氧乙烷环、环氧丙烷环、环氧环己烷基，或上述一种或多种官能团的衍生物，对于单体和/或预聚物的种类以及具体配比，以及光引发剂的种类与配比，本实施方式中并不进行限制。
在可聚合液体4固化过程中，不同组份能够吸收不同波长的辐射发生聚合反应，固化成型，共同组成3D打印件，由于提供聚合能量的辐射源范围更广，故相对应的可聚合液体的组份选择性更广，材料固化后的性能更加多样化，而且由于采用多辐射源，每个辐射源的所供能量降低，即在3D打印中对单个光源的能量要求低，所以降低了设备的制造成本，而且提高了单个光源的使用寿命。
实施例1
使用光固化3D打印设备按照上述的步骤进行多波长3D打印，其中辐射源3为光机，光机的光源包括灯泡一与灯泡二，灯泡一提供波长为200-300nm的光照，灯泡二提供波长为350-450nm的光照；可聚合液体4包括两个混合的组份，分别能够在200-300nm、350-450nm波长光照射下进行聚合固化。
光机在3D打印过程中发出的不同波长的光投射到光固化成型面6上互相不重叠，灯泡一发出光的投影为投影一，灯泡二发出光的投影为投影二，如图3所示，光固化成型面6上投射有辐射源的辐射范围7，其中投影一与投影二不重叠，即可聚合液体4的两个组份分别固化形成独立的结构体，结构体之间的材料成分不混合，这样的多波长3D打印模式适用于支撑部分与预打印结构体(实际需求部分)分别用不同材料组成的情况，由于支撑部分与预打印结构体的材料特性不同，便于3D打印件5在后处理中去除支撑部分的操作。
实施例2
使用光固化3D打印设备按照上述的步骤进行多波长3D打印，其中辐射源3为光机，光机的光源包括灯泡一与灯泡二，灯泡一提供波长为200-300nm的光照，灯泡二提供波长为350-450nm的光照；可聚合液体4包括两个混合的组份，分别能够在200-300nm、350-450nm波长光照射下进行聚合固化。
光机在3D打印过程中发出的不同波长的光投射到光固化成型面6上部分重叠，灯泡一发出光的投影为投影一，灯泡二发出光的投影为投影二，如图4所示，光固化成型面6上投射有辐射源的辐射范围7，其中投影一与投影二部分重叠，即在投影一与投影二部分重叠的范围内可聚合液体4的两个组份均聚合固化，即该部分的固化层由两种材料组成，由于材料的特性，两种材料混合固化后，能够更加3D打印件5的局部机械性能，满足更多的3D打印产品的成型需求。
实施例3
使用光固化3D打印设备按照上述的步骤进行多波长3D打印，其中辐射源3为光机，光机的光源包括灯泡一与灯泡二，灯泡一提供波长为200-300nm的光照，灯泡二提供波长为350-450nm的光照；可聚合液体4包括两个混合的组份，分别能够在200-300nm、350-450nm波长光照射下进行聚合固化。
光机在3D打印过程中发出的不同波长的光投射到光固化成型面6上完全重叠，灯泡一发出光的投影为投影一，灯泡二发出光的投影为投影二，如图5所示，光固化成型面6上投射有辐射源的辐射范围7，其中投影一与投影二完全重叠，即3D打印件由两种材料组成，由于材料的特性，两种材料混合固化后，能够更加3D打印件5的机械性能，满足更多的3D打印产品的成型需求，而且光机由两个灯泡组成，每个灯泡的所供能量降低，即在3D打印中对单个光源的能量要求低，所以降低了设备的制造成本，而且提高了单个光源的使用寿命。
以上所述，仅是本发明较佳可行的实施示例，不能因此即局限本发明的权利范围，特别是对于光源组的单个光源的个数、光源提供光的波长以及光引发剂的使用的更改，均应该认为是本发明所记载的技术方案，对熟悉本领域的技术人员来说，凡运用本发明的技术方案和技术构思做出的其他各种相应的改变都应属于在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，包括：
(a)提供用于支撑三维物的载体、具有光固化成型面的光学透明构件以及辐射源，所述载体和所述光固化成型面之间为三维物制造区域，对预打印的3D模型进行切片，将切片数据输入辐射源；
(b)将可聚合液体填充三维物制造区域，所述可聚合液体包括至少两个组份，每个组份分别在不同波长的辐射下发生聚合反应；
(c)所述辐射源对三维物制造区域进行多种波长的辐射，该辐射的范围与切片相同，所述可聚合液体中的各个组份分别在不同波长辐射作用下发生聚合反应，在载体上形成固化的3D打印中间件；
(d)所述载体带动固化的3D打印中间件远离光固化成型面，使3D打印中间件具有生长的空间；
(e)重复步骤(c)与步骤(d)构建3D打印中间件，直至3D打印中间件满足预期的。
2.根据权利要求1所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围之间具有重叠。
3.根据权利要求2所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围均相同。
4.根据权利要求1所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述步骤(c)中不同波长的辐射范围均不互相重叠。
5.根据权利要求1所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述辐射源为组合式辐射源。
6.根据权利要求5所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述组合式辐射源为多个光源的组合，多个光源分别能够发出不同波长的光。
7.根据权利要求1所述的一种利用多波长光进行3D打印的方法，其特征在于，所述辐射为紫外光、可见光或是红外光激光。
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