一种高速连续光固化3D打印装置及其工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速连续光固化3D打印装置及其工作方法，包括：机箱本体，机箱本体由中间隔板分为上腔室和下腔室；下腔室设有成像模块，上腔室设有窗口盒和供氧冷却模块，窗口盒和供氧冷却模块组合固定安装在中间隔板上，供氧冷却模块设置在所述窗口盒的正下方，所述成像模块设置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方设有打印平台，所述打印平台安装在Z向工作台上；所述窗口盒与原料供给单元连接；本发明专利技术结合了窗口盒的复合富氧膜、供氧冷却、液面辅助施压三者的优势，实现了大尺寸、任意形状制件的低成本、高效连续打印，适用材料广泛，打印件的精度和质量高，一致性好，工艺稳定可靠。为高速连续光固化3D打印提供一种工业级解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及增材制造和3D打印
，具体涉及一种高速连续光固化3D打印装置及其工作方法。
技术介绍
光固化成形是发展最早、现阶段最成熟、应用最广泛的一种增材制造(3D打印)技术，经过近30年的发展，已经从最初的立体光固化成型(Stereolithography,SL)，发展出许多新的工艺，诸如微立体光刻(Microstereolithography)、面投影微立体光刻技术(IntegralSL,ProjectionMicrostereolithography)、数字光处理(DigitalLightProcessing，DLP)3D打印、连续液面生长(ContinuousLiquidInterfaceProduction，CLIP)、双光子聚合激光直写3D打印等。传统的立体光固化成型是利用激光振镜或者掩模版技术控制光照区域，使树脂在可控的光照区域内逐层固化，通过逐层固化叠加后生成三维实体模型。但这种逐点扫描光固化方式具有以下不足：成形效率低(约8～12x104mm3/h)；固化时存在较大的收缩，工件产生翘曲变形。在逐点扫描光固化技术发展趋于成熟的背景下，基于面层成形的光固化成形技术应运而生，主流的面成形光固化技术主要有：基于数字光处理(DLP)的面阵曝光固化技术和连续数字光处理3D打印(连续光固化3D打印)。连续光固化3D打印是近年出现的一种非常重要增材制造新技术，尤其是连续液面生长CLIP技术是2015年由美国Carbon3D公司所开发的一种颠覆性的3D打印新技术，CLIP的基本原理：利用氧气阻聚的效应，氧气透过窗口与树脂底部液面接触，形成一层薄的不能被紫外固化的区域，称为“死区”(DeadZone)，而紫外线仍然可以透射通过死区，在上方继续产生聚合作用，同时避免了固化的树脂与底部窗口的粘连。紫外线连续照射树脂，打印平台也是连续上升，实现连续打印。CLIP技术将光固化打印过程从叠层打印变为连续打印，这带来三个方面的独特和显著的优势：(1)高效，比传统的3D打印机要快25-100倍，理论上有提高到1000倍的潜力；(2)高精，高精度和高表面质量，避免了传统3D打印的台阶效应，分层厚度上可以无限细腻，实现无分层打印；(3)高性能，传统的3D打印零件因为层状结构，其力学特性在各个方向上不同，特别是在堆叠的方向上，抗剪切性能很差，而CLIP打印的零部件的力学特性在各个方向保持一致，提高了性能和扩大了应用范围。基于CLIP的3D打印设备与传统光固化设备最大的不同在于盛放液态光敏树脂的打印窗口(储液槽)。传统面曝光3D打印机以涂覆离型膜的高透光玻璃为盛放树脂装置的底部窗口，而在CLIP技术中采用了具有透氧和透紫外光性能的特氟龙材料(TeflonAF)为底部窗口。氧气透过窗口浸入液态光敏树脂，由于氧阻聚效应的存在，窗口表面会形成一定厚度(几十微米)的不固化区域，从而使树脂固化发生在打印窗口之上，打印零件不会与槽底窗口粘连，从而实现高速连续打印。但是CLIP工艺面临一些不足和局限性：(1)所使用的透氧和透紫外光特氟龙材料的价格非常昂贵，而且需要特别的制造工艺。(2)光敏树脂发生交联固化反应时，会释放出大量的热，导致光束照射区域温度升高，氧和透紫外光的特氟龙材料经过长时间照射后，容易因过热老化，其透明度降低，影响光效和成形件质量。(3)CLIP高速连续固化释放出的大量热源，现有的方案还无法及时有效的排出和释放这些热，因而CLIP工艺目前成形工件被限定在较小的尺寸物体打印(小尺寸零件产生的热相对较少，热交换排出释放相对容易)。(4)对于光敏树脂的高速打印，当分离速度达到一定量时，最大的制约就是树脂的回流速度了，尤其当树脂的粘度比较高的时候，更难以处理。因此，对于大尺寸物体的打印，CLIP等工艺还面临无法实现底部死区液面和固化液面消耗树脂材料的快速的补给难题。因此，现有的连续光固化工艺(如CLIP)只适用于小尺寸物体的打印，打印的典型零件形状也大多限定在一些镂空结构，难以实现大尺寸和实体零件的高效制；并且打印速度和质量的进一步提高受到限制。迫切需要开发新的工艺和技术。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种高速连续光固化3D打印装置及其工作方法，它采用一种新的打印窗口，并结合了窗口盒的复合富氧膜、供氧冷却模块、液面辅助施压模块三者的优势，实现对死区含氧量精准有效控制(死区氧含量，死区和固化液面快速补给，固化过程释放热量的快速排出)，实现对大尺寸、任意形状成形件低成本、高效连续打印。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高速连续光固化3D打印装置，包括：机箱本体，所述机箱本体由中间隔板分为上腔室和下腔室；所述下腔室设有成像模块，所述上腔室设有窗口盒和供氧冷却模块，所述窗口盒和供氧冷却模块组合固定安装在中间隔板上，所述供氧冷却模块设置在所述窗口盒的正下方，所述成像模块设置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方设有打印平台，所述打印平台安装在Z向工作台上；所述窗口盒与原料供给单元连接；所述供氧冷却模块，包括供氧冷却室，所述供氧冷却室的两端分别与冷却进气管路和冷却出气管路连接，所述冷却进气管路与供氧冷却单元连接；供氧冷却室安装在窗口盒打印窗口的正下方，并与打印窗口形成封闭腔室；打印时，通过供氧冷却模块通过控制窗口盒底部树脂死区的含氧量和将连续打印过程中释放的热量及时排出来提高打印速度。一种高速连续光固化3D打印装置，还包括：液面辅助施压模块，所述液面辅助施压模块包括设置在下腔室中的无油空压机，所述无油空压机与加压进气管路的入口连接，所述加压进气管路的出口设置在上腔室中，所述上腔室具有气密性。通过树脂液面辅助施压模块增加上腔室的气体压强，打印时，高压气体向光敏树脂液面施压，加快光敏树脂向窗口盒底部树脂死区和固化区域的流动，实现树脂快速回流和补给。所述窗口盒采用分离式结构，包括：储液槽、密封垫圈、复合富氧膜和压板；所述供氧冷却室、压板、复合富氧膜、密封垫圈和储液槽上均开有通孔，供氧冷却室、压板和储液槽的孔为螺纹孔，供氧冷却室的一侧设有凸台，压板的一侧有与供氧冷却室上凸台对应的凹槽；所述供氧冷却室的凸台与压板的凹槽卡紧，并通过螺栓紧固连接。所述压板与储液槽通过螺栓连接压紧，所述压板与储液槽两者之间夹有复合富氧膜和密封垫圈，并且密封垫圈位于复合富氧膜上方。供氧冷却室底部设有透明石英板，透明石英板的面积大于成像面积。所述储液槽用于盛放液态光敏树脂，所述密封垫圈用于防止储液态光敏树脂泄漏，所述压板用于将储液槽与复合富氧膜固定。窗口盒的打印窗口采用复合富氧膜，复合富氧膜包括：多孔支撑层和富氧层组成，多孔支撑层位于富氧层的下方。所述多孔支撑层是具有指状或者海绵状孔结构的膜，选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、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET或聚醚酰亚胺PEI，多孔支撑层的孔径50nm-2000nm，孔隙率60％-90％，多孔支撑层的厚度范围为10-1000微米。所述富氧层是具有高氧气透过系数的致密膜，选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，富氧层的厚度范围为1-100微米。复合富氧膜具有透氧和透紫外光的特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，包括：机箱本体，所述机箱本体由中间隔板分为上腔室和下腔室；所述下腔室设有成像模块，所述上腔室设有窗口盒和供氧冷却模块，所述窗口盒和供氧冷却模块组合固定安装在中间隔板上，所述供氧冷却模块设置在所述窗口盒的正下方，所述成像模块设置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方设有打印平台，所述打印平台安装在Z向工作台上；所述窗口盒与原料供给单元连接；所述供氧冷却模块，包括供氧冷却室，所述供氧冷却室的两端分别与冷却进气管路和冷却出气管路连接，所述冷却进气管路与供氧冷却单元连接；供氧冷却室安装在窗口盒打印窗口的正下方，并与打印窗口形成封闭腔室；打印时，通过供氧冷却模块通过控制窗口盒底部树脂死区的含氧量和将连续打印过程中释放的热量及时排出来提高打印速度。

【技术特征摘要】
1.一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，包括：机箱本体，所述机箱本体由中间隔板分为上腔室和下腔室；所述下腔室设有成像模块，所述上腔室设有窗口盒和供氧冷却模块，所述窗口盒和供氧冷却模块组合固定安装在中间隔板上，所述供氧冷却模块设置在所述窗口盒的正下方，所述成像模块设置在所述窗口盒的正下方；所述窗口盒正上方设有打印平台，所述打印平台安装在Z向工作台上；所述窗口盒与原料供给单元连接；所述供氧冷却模块，包括供氧冷却室，所述供氧冷却室的两端分别与冷却进气管路和冷却出气管路连接，所述冷却进气管路与供氧冷却单元连接；供氧冷却室安装在窗口盒打印窗口的正下方，并与打印窗口形成封闭腔室；打印时，通过供氧冷却模块通过控制窗口盒底部树脂死区的含氧量和将连续打印过程中释放的热量及时排出来提高打印速度。2.如权利要求1所述的一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，还包括：液面辅助施压模块，所述液面辅助施压模块包括设置在下腔室中的无油空压机，所述无油空压机与加压进气管路的入口连接，所述加压进气管路的出口设置在上腔室中，所述上腔室具有气密性；通过树脂液面辅助施压模块增加上腔室的气体压强，打印时，高压气体向光敏树脂液面施压，加快光敏树脂向窗口盒底部树脂死区和固化区域的流动，实现树脂快速回流和补给。3.如权利要求1或2所述的一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，所述窗口盒采用分离式结构，包括：储液槽、密封垫圈、复合富氧膜和压板；所述供氧冷却室、压板、复合富氧膜、密封垫圈和储液槽上均开有通孔，供氧冷却室、压板和储液槽的孔为螺纹孔，供氧冷却室的一侧设有凸台，压板的一侧有与供氧冷却室上凸台对应的凹槽；所述供氧冷却室的凸台与压板的凹槽卡紧，并通过螺栓紧固连接；所述压板与储液槽通过螺栓连接压紧，所述压板与储液槽两者之间夹有复合富氧膜和密封垫圈，并且密封垫圈位于复合富氧膜上方。4.如权利要求1所述的一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，窗口盒的打印窗口采用复合富氧膜，复合富氧膜包括：多孔支撑层和富氧层，多孔支撑层位于富氧层的下方。5.如权利要求4所述的一种高速连续光固化3D打印装置，其特征是，所述多孔支撑层是具有指状或者海绵状孔结构的膜，选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、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，钱垒，段玉岗，李涤尘，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37