牺牲材料在微结构3D光固化打印中的应用制造技术

本发明专利技术提供牺牲材料在微结构3D光固化打印中的应用，包括如下几个步骤：步骤A:多材料微立体光刻系统中的投影镜头将DLP上的图像投影到膜和树脂接触面，树脂单体发生光化学反应而交联成固体；步骤B:系统设置有两把并列的刮刀，走在前的刮刀刮除旧的树脂，走在后的刮刀向后涂抹树脂；步骤C：系统换液涂膜；步骤D：对不同材料重复以上步骤，逐层完成3D样品的打印。本发明专利技术的有益效果是：利用多材料打印系统提供了如何在微尺度打印悬挂和活动部件，从而实现了微尺度的全3D打印。同时也提出了一种可供3D打印中用做牺牲机构的光敏树脂的配方，在此基础上还优化了牺牲树脂在支撑结构中的应用。

Application of sacrificial materials in 3D photo-curable printing of microstructures

The present invention provides the application of sacrificial materials in 3D photo-curable printing of microstructures, including the following steps: step A: the projection lens in the multi-material micro-stereolithography system projects the image on DLP onto the interface of film and resin, and the resin monomer reacts photochemistically and crosslinks into solid; step B: the system is equipped with two parallel scrapers to scrape out the old resin, and move on. After the scraper is coated with resin backward; Step C: the system changes the liquid film; Step D: Repeat the above steps for different materials, and finish the printing of 3D samples layer by layer. The beneficial effect of the invention is that the multi-material printing system provides how to print suspension and movable parts at micro-scale, thereby realizing full-3D printing at micro-scale. At the same time, a formulation of photosensitive resin for sacrificial mechanism in 3D printing was proposed. On this basis, the application of sacrificial resin in support structure was optimized.

【技术实现步骤摘要】
牺牲材料在微结构3D光固化打印中的应用
本专利技术涉及一种3D打印领域，尤其涉及一种牺牲材料在微结构3D光固化打印中的应用。
技术介绍
随着3D打印技术的发展，其应用范围也在不断的扩大，从结构工程，材料工程，到生物和医疗工程;从宏光尺度（厘米量级以上）到微观尺度（毫米以下）。但传统3D打印的技术的缺陷也开始呈现，比如多材料，高精度（小于50微米），悬挂结构和活动结构等。在宏光尺度，为了打印悬挂结构和活动结构，现有的办法是同时打印支撑结构，后期再人工机械去除支撑结构。这些支撑结构往往是一些细小柱状群。对于微观尺度，人工机械去除支撑结构已经变为不现实，甚至不可能，因为在微观结构中，机械去除过程中首先对工具的要求极其苛刻和昂贵，其次是极易损坏需要的结构。为此，Cabrera最早在1998年提出在投影微立体光刻中用牺牲层材料制作悬挂结构，但是前期的工作由于光刻技术的限制，都是通过手工低效的切换树脂来实现，制作一些扁平的结构；后来虽然在2009年夏春光和方绚来提出在投影立体光刻技术中采用低灰度曝光同一种树脂来实现牺牲结构的制作，但这种方法对于不同的树脂会有不同的效果，对不同的树脂甚至要求不同的腐蚀溶液。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种牺牲材料在微结构3D光固化打印中的应用。具体来说，本专利技术提供一种多材料微立体光刻系统，包括依次设置的光机、膜、刮刀结构、树脂投递、成型容器和控制计算机；所述光机包括微显示芯片，所述微显示芯片采用反射液晶屏LCOS或者DLP。光机里最重要的部件是微显示芯片，它可以是反射液晶屏LCOS或者是德州仪器的数字光解调器（DLP）,LCOS被认为比传统的透射液晶屏有更好的图像的亮度和对比度.它的每个像素会根据施加的电压调节反射光的偏振态。因此在光路中加入一块偏正片就可让相应的偏正像素的反射光通过从而形成图像。德州仪器在1987年专利技术了DLP技术，跟液晶屏改变反射光的偏振态的原理不同,DLP每个像素是一个微小的反光镜。它通过偏转微镜面来控制反射光的去向。每个镜片可偏转±10o.亮的像素就是反射光进入了镜头，相反的就是暗的像素。图像的灰度则是由镜片偏转的频率来控制。DLP芯片比液晶芯片具有更好的紫外线相容性和更高的对比度.在这项专利技术中我们使用DLP芯片的解析度是1920X1080，每个微镜片尺寸是7.6umX7.6um.光源波长是405纳米.光学部分包括光机的光学部件，一个分光镜和打印面监测用的摄像头。一个投影镜头将DLP上的图像投影到膜和树脂接触面，在那里树脂单体发生光化学反应而交联成固体。本专利技术提供一种采用牺牲材料在微结构3D光固化打印中的打印方法，包括如下几个步骤：步骤A:材料微立体光刻系统中的投影镜头将DLP上的图像投影到膜和树脂接触面，树脂单体发生光化学反应而交联成固体；步骤B:系统设置有两把并列的刮刀，走在前的刮刀刮除旧的树脂，走在后的刮刀向后涂抹树脂；步骤C：系统换液涂膜；步骤D：对不同材料重复以上步骤，逐层完成3D样品的打印。优选的，所述步骤C包括以下几个步骤：步骤C1：匀速移动刮刀到膜的一侧，同时刮刀向运动的反方向吐出新树脂，涂抹膜表面；步骤C2：刮刀和膜脱离，并且样品台上升到指定位置之后，在膜上投射图像。优选的，所述膜的材料采用PDMS或者PFA，厚度采用25微米至100微米。优选的，所述步骤C1的步骤为：打印层间切换树脂，第二树脂打印在第一树脂上，刮刀在膜上涂完第二树脂后，样品被移动到距离膜相应的层厚，再对第二树脂层曝光。优选的，所述步骤C1的步骤为：层内切换树脂，第二树脂打印在第一树脂层中，刮刀在膜上涂完第二树脂后，样品会回到和膜相切的位置，将第二树脂挤入同一层需要填充第二树脂的空间然后对第二树脂根据当层图片曝光，需要时可以在曝光之前重复步骤：涂第二树脂，并挤压第一树脂多次，从而避免第二树脂与第一树脂的混合。优选的，所述第一树脂为目标材料树脂，所述第二树脂为可牺牲光敏材料树脂。其中，目标材料树脂可以是：丙烯酸酯、丙烯酰胺和硅烷丙烯酸酯、双官能团或者多官能团的烷基丙烯酸酯、烷氧基丙烯酸酯或者乙二醇类丙烯酸酯的一种或几种。优选的，所述可牺牲光敏材料的制备方法为：DMMA（N,N-二甲基丙烯酰胺，CAS:2680-03-7)单体及其混合溶液和Igacure819光引发剂按100：2-100：6的重量比例混合体，配制在室温中，同时可采用机械搅拌（>800转/分钟）、超声振动等方式加速光引发剂的溶解。本专利技术还提供一种3D打印中的活动结构的牺牲材料的释放方法，包括以下步骤：将需要进行牺牲材料释放的器件放入pH=3.0的缓冲溶液或者水中浸泡，溶解速度大于150微米/小时。释放溶液也可以是水。本专利技术的有益效果是：利用多材料打印系统提供了如何在微尺度打印悬挂和活动部件，从而实现了微尺度的全3D打印。同时也提出了一种可供3D打印中用做牺牲机构的光敏树脂的配方，在此基础上还优化了牺牲树脂在支撑结构中的应用。附图说明图1是本专利技术膜涂层多材料面微立体投影光刻系统。图2是本专利技术系统双刮刀涂层结构一种实施例图3是本专利技术系统换液涂膜流程示意图。图4是本专利技术两种层间切换树脂示意图。图5是本专利技术3D打印中的悬挂结构和活动结果样例，箭头代表打印方向。图6是本专利技术投影微立体光刻打印中牺牲材料的应用，箭头代表打印方向。图7是本专利技术MCSL中牺牲材料对支撑结构设计的优化图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明：实施例1如图1所示，多材料微立体光刻系统包括：光机10、电子（射）束分裂器20，洗涤剂31、树脂投递30、投影透镜40、刮刀50、膜60和容器70。实施例2一种采用牺牲材料在微结构3D光固化打印中的打印方法，包括如下几个步骤：一个投影镜头将DLP上的图像投影到膜和树脂接触的下表面，在那里树脂单体发生光化学反应而交联成固体。这里的膜的材料可以是PDMS，PFA或者其他透明的薄膜，厚度从25微米到100微米。该系统有两把并列的刮刀（图2），为刮除树脂，刮刀顶膜0.5毫米深。每把刮刀连着两种树脂。工作时走在前的刮刀刮除旧的树脂，走在后的刮刀向后涂抹树脂，如图（3）。在MCSL中，树脂的切换分两种情况(图4)，一是打印层间切换树脂，一种树脂打印在另一种树脂上，刮刀在膜上涂完新树脂后，样品被移动到距离膜相应的层厚，在对新的树脂层曝光；二是层内切换树脂，一种树脂打印在另一种树脂层中，这种情况下，刮刀在膜上涂完新的树脂后，样品会回到和膜相切的位置，将新树脂挤入同一层需要填充新树脂的空间然后对新的树脂根据当层图片曝光。图3，系统换液涂膜过程：1,双刮刀顶膜0.5毫米；2，匀速移动刮刀到膜的另一侧，同时刮刀向运动的反方向吐出新树脂，涂抹膜表面；3，刮刀和膜脱离，并且样品台上升到指定位置之后，在膜上投射图像。对不同材料重复以上步骤，逐层完成3D样品的打印。这里的悬挂结构是相对于三维打印方向，如图5.,箭头代表打印方向。悬挂结构在连接结构前打印，因此如果没有支撑结构那么在打印时它就是漂浮的，位置不定，而造成最终无法成型；活动结构又不能与相邻结构有任何粘连，因此也必须要有支撑结构才能最终成型。如前所述，在微观尺度中传统的细丝支撑结构已经不再适用。申请人提出一种新的方法，如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多材料微立体光刻系统，包括依次设置的光机、光路、膜、刮刀、树脂投递、成型容器和控制计算机；所述光机包括微显示芯片，所述微显示芯片采用反射液晶屏LCOS 或者DLP。

【技术特征摘要】
1.一种多材料微立体光刻系统，包括依次设置的光机、光路、膜、刮刀、树脂投递、成型容器和控制计算机；所述光机包括微显示芯片，所述微显示芯片采用反射液晶屏LCOS或者DLP。2.一种采用牺牲材料在微结构3D光固化打印中的打印方法，包括如下几个步骤：步骤A:如权利要求1所述的多材料微立体光刻系统中的投影镜头将DLP上的图像投影到膜和树脂接触面，树脂单体发生光化学反应而交联成固体；步骤B:系统设置有两把并列的刮刀，走在前的刮刀刮除旧的树脂，走在后的刮刀向后涂抹树脂；步骤C：系统换液涂膜；步骤D：对不同材料重复以上步骤，逐层完成3D样品的打印。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括以下几个步骤：步骤C1：匀速移动刮刀到膜的一侧，同时刮刀向运动的反方向吐出新树脂，涂抹膜表面；步骤C2：刮刀和膜脱离，并且样品台上升到指定位置之后，在膜上投射图像。4.如权利要求2所述的打印方法，其特征在于，所述膜的材料采用PDMS，PFA或者其他透明的薄膜，厚度采用25微米至100微米。5.如权利要求3所述的打印方法，其特征在于，所述步骤C1的步骤为：打印层间切换树脂，第二树脂打印在第一树脂上，刮刀在膜上涂完...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏春光，黄立，赵卓，贺晓宁，方绚莱，
申请(专利权)人：无锡摩方精密科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32