一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，包括：機箱本體，機箱本體由中間隔板分為上腔室和下腔室；下腔室設有成像模塊，上腔室設有窗口盒和供氧冷卻模塊，窗口盒和供氧冷卻模塊組合固定安裝在中間隔板上，供氧冷卻模塊設置在所述窗口盒的正下方，所述成像模塊設置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方設有打印平臺，所述打印平臺安裝在Z向工作臺上；所述窗口盒與原料供給單元連接；本實用新型專利技術結合了窗口盒的復合富氧膜、供氧冷卻、液面輔助施壓三者的優(yōu)勢，實現(xiàn)了大尺寸、任意形狀制件的低成本、高效連續(xù)打印，適用材料廣泛，打印件的精度和質量高，一致性好，工藝穩(wěn)定可靠。為高速連續(xù)光固化3D打印提供一種工業(yè)級解決方案。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本技術涉及增材制造和3D打印
，具體涉及一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置。
技術介紹
光固化成形是發(fā)展最早、現(xiàn)階段最成熟、應用最廣泛的一種增材制造(3D打印)技術，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的立體光固化成型(Stereolithography,SL)，發(fā)展出許多新的工藝，諸如微立體光刻(Microstereolithography)、面投影微立體光刻技術(IntegralSL,ProjectionMicrostereolithography)、數(shù)字光處理(DigitalLightProcessing，DLP)3D打印、連續(xù)液面生長(ContinuousLiquidInterfaceProduction，CLIP)、雙光子聚合激光直寫3D打印等。傳統(tǒng)的立體光固化成型是利用激光振鏡或者掩模版技術控制光照區(qū)域，使樹脂在可控的光照區(qū)域內逐層固化，通過逐層固化疊加后生成三維實體模型。但這種逐點掃描光固化方式具有以下不足：成形效率低(約8～12x104mm3/h)；固化時存在較大的收縮，工件產(chǎn)生翹曲變形。在逐點掃描光固化技術發(fā)展趨于成熟的背景下，基于面層成形的光固化成形技術應運而生，主流的面成形光固化技術主要有：基于數(shù)字光處理(DLP)的面陣曝光固化技術和連續(xù)數(shù)字光處理3D打印(連續(xù)光固化3D打印)。連續(xù)光固化3D打印是近年出現(xiàn)的一種非常重要增材制造新技術，尤其是連續(xù)液面生長CLIP技術是2015年由美國Carbon3D公司所開發(fā)的一種顛覆性的3D打印新技術，CLIP的基本原理：利用氧氣阻聚的效應，氧氣透過窗口與樹脂底部液面接觸，形成一層薄的不能被紫外固化的區(qū)域，稱為“死區(qū)”(DeadZone)，而紫外線仍然可以透射通過死區(qū)，在上方繼續(xù)產(chǎn)生聚合作用，同時避免了固化的樹脂與底部窗口的粘連。紫外線連續(xù)照射樹脂，打印平臺也是連續(xù)上升，實現(xiàn)連續(xù)打印。CLIP技術將光固化打印過程從疊層打印變?yōu)檫B續(xù)打印，這帶來三個方面的獨特和顯著的優(yōu)勢：(1)高效，比傳統(tǒng)的3D打印機要快25-100倍，理論上有提高到1000倍的潛力；(2)高精，高精度和高表面質量，避免了傳統(tǒng)3D打印的臺階效應，分層厚度上可以無限細膩，實現(xiàn)無分層打印；(3)高性能，傳統(tǒng)的3D打印零件因為層狀結構，其力學特性在各個方向上不同，特別是在堆疊的方向上，抗剪切性能很差，而CLIP打印的零部件的力學特性在各個方向保持一致，提高了性能和擴大了應用范圍。基于CLIP的3D打印設備與傳統(tǒng)光固化設備最大的不同在于盛放液態(tài)光敏樹脂的打印窗口(儲液槽)。傳統(tǒng)面曝光3D打印機以涂覆離型膜的高透光玻璃為盛放樹脂裝置的底部窗口，而在CLIP技術中采用了具有透氧和透紫外光性能的特氟龍材料(TeflonAF)為底部窗口。氧氣透過窗口浸入液態(tài)光敏樹脂，由于氧阻聚效應的存在，窗口表面會形成一定厚度(幾十微米)的不固化區(qū)域，從而使樹脂固化發(fā)生在打印窗口之上，打印零件不會與槽底窗口粘連，從而實現(xiàn)高速連續(xù)打印。但是CLIP工藝面臨一些不足和局限性：(1)所使用的透氧和透紫外光特氟龍材料的價格非常昂貴，而且需要特別的制造工藝。(2)光敏樹脂發(fā)生交聯(lián)固化反應時，會釋放出大量的熱，導致光束照射區(qū)域溫度升高，氧和透紫外光的特氟龍材料經(jīng)過長時間照射后，容易因過熱老化，其透明度降低，影響光效和成形件質量。(3)CLIP高速連續(xù)固化釋放出的大量熱源，現(xiàn)有的方案還無法及時有效的排出和釋放這些熱，因而CLIP工藝目前成形工件被限定在較小的尺寸物體打印(小尺寸零件產(chǎn)生的熱相對較少，熱交換排出釋放相對容易)。(4)對于光敏樹脂的高速打印，當分離速度達到一定量時，最大的制約就是樹脂的回流速度了，尤其當樹脂的粘度比較高的時候，更難以處理。因此，對于大尺寸物體的打印，CLIP等工藝還面臨無法實現(xiàn)底部死區(qū)液面和固化液面消耗樹脂材料的快速的補給難題。因此，現(xiàn)有的連續(xù)光固化工藝(如CLIP)只適用于小尺寸物體的打印，打印的典型零件形狀也大多限定在一些鏤空結構，難以實現(xiàn)大尺寸和實體零件的高效制；并且打印速度和質量的進一步提高受到限制。迫切需要開發(fā)新的工藝和技術。
技術實現(xiàn)思路
本技術的目的就是為了解決上述問題，提供一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，它采用一種新的打印窗口，并結合了窗口盒的復合富氧膜、供氧冷卻模塊、液面輔助施壓模塊三者的優(yōu)勢，實現(xiàn)對死區(qū)含氧量精準有效控制(死區(qū)氧含量，死區(qū)和固化液面快速補給，固化過程釋放熱量的快速排出)，實現(xiàn)對大尺寸、任意形狀成形件低成本、高效連續(xù)打印。為了實現(xiàn)上述目的，本技術采用如下技術方案：一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，包括：機箱本體，所述機箱本體由中間隔板分為上腔室和下腔室；所述下腔室設有成像模塊，所述上腔室設有窗口盒和供氧冷卻模塊，所述窗口盒和供氧冷卻模塊組合固定安裝在中間隔板上，所述供氧冷卻模塊設置在所述窗口盒的正下方，所述成像模塊設置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方設有打印平臺，所述打印平臺安裝在Z向工作臺上；所述窗口盒與原料供給單元連接；所述供氧冷卻模塊，包括供氧冷卻室，所述供氧冷卻室的兩端分別與冷卻進氣管路和冷卻出氣管路連接，所述冷卻進氣管路與供氧冷卻單元連接；供氧冷卻室安裝在窗口盒打印窗口的正下方，并與打印窗口形成封閉腔室；打印時，通過供氧冷卻模塊通過控制窗口盒底部樹脂死區(qū)的含氧量和將連續(xù)打印過程中釋放的熱量及時排出來提高打印速度。一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，還包括：液面輔助施壓模塊，所述液面輔助施壓模塊包括設置在下腔室中的無油空壓機，所述無油空壓機與加壓進氣管路的入口連接，所述加壓進氣管路的出口設置在上腔室中，所述上腔室具有氣密性。通過樹脂液面輔助施壓模塊增加上腔室的氣體壓強，打印時，高壓氣體向光敏樹脂液面施壓，加快光敏樹脂向窗口盒底部樹脂死區(qū)和固化區(qū)域的流動，實現(xiàn)樹脂快速回流和補給。所述窗口盒采用分離式結構，包括：儲液槽、密封墊圈、復合富氧膜和壓板；所述供氧冷卻室、壓板、復合富氧膜、密封墊圈和儲液槽上均開有通孔，供氧冷卻室、壓板和儲液槽的孔為螺紋孔，供氧冷卻室的一側設有凸臺，壓板的一側有與供氧冷卻室上凸臺對應的凹槽；所述供氧冷卻室的凸臺與壓板的凹槽卡緊，并通過螺栓緊固連接。所述壓板與儲液槽通過螺栓連接壓緊，所述壓板與儲液槽兩者之間夾有復合富氧膜和密封墊圈，并且密封墊圈位于復合富氧膜上方。供氧冷卻室底部設有透明石英板，透明石英板的面積大于成像面積。所述儲液槽用于盛放液態(tài)光敏樹脂，所述密封墊圈用于防止儲液態(tài)光敏樹脂泄漏，所述壓板用于將儲液槽與復合富氧膜固定。窗口盒的打印窗口采用復合富氧膜，復合富氧膜包括：多孔支撐層和富氧層組成，多孔支撐層位于富氧層的下方。所述多孔支撐層是具有指狀或者海綿狀孔結構的膜，選用的材料包括聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF、聚丙烯腈PAN、聚砜PS、聚碳酸酯PC、聚對苯二甲酸乙二醇酯PET或聚醚酰亞胺PEI，多孔支撐層的孔徑50nm-2000nm，孔隙率60％-90％，多孔支撐層的厚度范圍為10-1000微米。所述富氧層是具有高氧氣透過系數(shù)的致密膜，選用的材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS、聚全氟乙丙烯FEP或聚三甲基硅-1-丙炔PTMSP，富氧層的厚度范圍為1-100微米。復合富氧膜具有透氧和透紫外光的特性，氧氣本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，其特征是，包括：機箱本體，所述機箱本體由中間隔板分為上腔室和下腔室；所述下腔室設有成像模塊，所述上腔室設有窗口盒和供氧冷卻模塊，所述窗口盒和供氧冷卻模塊組合固定安裝在中間隔板上，所述供氧冷卻模塊設置在所述窗口盒的正下方，所述成像模塊設置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方設有打印平臺，所述打印平臺安裝在Z向工作臺上；所述窗口盒與原料供給單元連接；所述供氧冷卻模塊，包括供氧冷卻室，所述供氧冷卻室的兩端分別與冷卻進氣管路和冷卻出氣管路連接，所述冷卻進氣管路與供氧冷卻單元連接；供氧冷卻室安裝在窗口盒打印窗口的正下方，并與打印窗口形成封閉腔室；打印時，通過供氧冷卻模塊通過控制窗口盒底部樹脂死區(qū)的含氧量和將連續(xù)打印過程中釋放的熱量及時排出來提高打印速度。

【技術特征摘要】
1.一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，其特征是，包括：機箱本體，所述機箱本體由中間隔板分為上腔室和下腔室；所述下腔室設有成像模塊，所述上腔室設有窗口盒和供氧冷卻模塊，所述窗口盒和供氧冷卻模塊組合固定安裝在中間隔板上，所述供氧冷卻模塊設置在所述窗口盒的正下方，所述成像模塊設置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方設有打印平臺，所述打印平臺安裝在Z向工作臺上；所述窗口盒與原料供給單元連接；所述供氧冷卻模塊，包括供氧冷卻室，所述供氧冷卻室的兩端分別與冷卻進氣管路和冷卻出氣管路連接，所述冷卻進氣管路與供氧冷卻單元連接；供氧冷卻室安裝在窗口盒打印窗口的正下方，并與打印窗口形成封閉腔室；打印時，通過供氧冷卻模塊通過控制窗口盒底部樹脂死區(qū)的含氧量和將連續(xù)打印過程中釋放的熱量及時排出來提高打印速度。2.如權利要求1所述的一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，其特征是，還包括：液面輔助施壓模塊，所述液面輔助施壓模塊包括設置在下腔室中的無油空壓機，所述無油空壓機與加壓進氣管路的入口連接，所述加壓進氣管路的出口設置在上腔室中，所述上腔室具有氣密性；通過樹脂液面輔助施壓模塊增加上腔室的氣體壓強，打印時，高壓氣體向光敏樹脂液面施壓，加快光敏樹脂向窗口盒底部樹脂死區(qū)和固化區(qū)域的流動，實現(xiàn)樹脂快速回流和補給。3.如權利要求1或2所述的一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，其特征是，所述窗口盒采用分離式結構，包括：儲液槽、密封墊圈、復合富氧膜和壓板；所述供氧冷卻室、壓板、復合富氧膜、密封墊圈和儲液槽上均開有通孔，供氧冷卻室、壓板和儲液槽的孔為螺紋孔，供氧冷卻室的一側設有凸臺，壓板的一側有與供氧冷卻室上凸臺對應的凹槽；所述供氧冷卻室的凸臺與壓板的凹槽卡緊，并通過螺栓緊固連接；所述壓板與儲液槽通過螺栓連接壓緊，所述壓板與儲液槽兩者之間夾有復合富氧膜和密封墊圈，并且密封墊圈位于復合富氧膜上方。4.如權利要求1所述的一種高速連續(xù)光固化3D打印裝置，其特征是，窗口盒的打印窗口采用復合富氧膜，復合富氧膜包括：多孔支撐層和富氧層，多孔支...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：蘭紅波，錢壘，段玉崗，李滌塵，
申請(專利權)人：青島理工大學，
類型：新型
國別省市：山東;37