本发明专利技术涉及一种光固化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。
【技术实现步骤摘要】
一种光固化3D打印装置及打印方法
本专利技术涉及快速成型技术，具体涉及一种光固化3D打印装置及打印方法。
技术介绍
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(DigitalLightProcessing,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术中硬质透明板的厚度为0.5～10mm，优选为1～5mm。本专利技术中为了增强水凝胶层与硬质透明板之间的复合强度，也可以对硬质透明板进行预处理。高硼玻璃或者石英玻璃的预处理方法包括使用H2SO4-H2O2浸泡、等离子处理等使玻璃表面形成羟基、羧基等。有机玻璃一般使用等离子处理。作为优选，所述硬质透明板采用H2SO4-H2O2浸泡或等离子处理。进一步优选，还可以在羟基、羧基的基础上进一步进行接枝反应，提高与水凝胶层之间的复合强度。本专利技术中水凝胶层主要起离型作用，所述透明的水凝胶层在硬质透明板上原位合成。具体操作时，选择合适的原料、催化剂与水混合，置于硬质透明板上至一定的厚度，根据不同的原料，在特定的温度下反应得到水凝胶层。为了得到具有微纳结构的透明的水凝胶层，在水凝胶的原位合成中，需在水凝胶前驱液上表面覆盖具有特定微纳结构的硅片模板，凝胶合成完后去掉模板。微纳结构的特征尺寸小于100微米。微纳结构可以选择间隔沟壑状或者凸起点阵状。作为优选，所述透明的水凝胶层通过化学交联或者物理交联在硬质透明板上原位合成。作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过化学交联合成的，由亲水性单体与交联剂反应通过自由基聚合反应而成。其中，亲水性单体可以选自丙烯酰胺、羟乙基丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸纳、甲基丙烯酸磺酸钠中的一种或几种。交联剂可以选自N,N-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯中的一种或几种。聚乙二醇二丙烯酸酯既是水凝胶合成单体，又可作为交联剂使用。作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过化学交联合成的，由不同亲水性原料之间通过非自由基聚合反应而成。例如，壳聚糖与戊二醛可以通过氨基-醛基缩合反应形成交联水凝胶。作为其中一种优选，所述水凝胶层是通过物理交联合成的。物理水凝胶是指通过静电力、氢键、疏水相互作用等分子间作用力交联而成的水凝胶。典型物理水凝胶包括明胶、嵌段式聚醚Pluronic水凝胶、卡波树脂Carbopol水凝胶等。本专利技术中所述透明的水凝胶层的厚度为0.5-5mm。本专利技术中所述硬质透明板与透明的水凝胶层的整体透光率不小于80％。通过调整两者的材料与厚度来达到调整整体透光率。作为优选，不小于90％。本专利技术中所述光源系统的光照方式采用激光、DLP投影、LCD投影、SXRD投影或LCOS投影。本专利技术中所述光源系统的光源为紫外光或可见光。例如采用385nm、405nm的UV光或者大于420nm的可见光。本专利技术中所述光固化3D打印装置还包括：计算机控制系统。所述计算机控制系统用于控制打印平台的升降，升降的速度以及升降的高度等；此外，还用于控制光源系统。本专利技术还提供一种采用如上述的装置进行光固化3D打印的方法，包括：1)光源系统对树脂槽内的光敏树脂进行照射，使得光敏树脂在打印平台上的照射区域内固化，形成一层固化模型；2)打印平台向上抬升分层厚度的距离，固化模型与具有微纳结构的透明的水凝胶层分离；3)重复进行步骤1)和2)，完成打印。同现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：(1)本专利技术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，使得离型时的离型力降低，可以有效提高打印速度和打印成功率。(2)本专利技术中所提供的装置结构简单、成本低。附图说明图1为实施例1中微纳结构的示意图；图2为实施例1中微纳结构的示意图；图3为本专利技术实施例中光固化3D打印装置的结构示意图；图4为本专利技术实施例中光固化3D打印装置的打印中间状态一；图5为本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光固化3D打印装置，包括：树脂槽、打印平台和光源系统，其特征在于，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。/n
【技术特征摘要】
1.一种光固化3D打印装置，包括：树脂槽、打印平台和光源系统，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层在硬质透明板上原位合成：合成时上表面覆盖具有微纳结构的模板，水凝胶合成完后去掉模板，得到具有微纳结构的透明的水凝胶层。
3.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层的厚度为0.5-5mm，微纳结构的特征尺寸小于100微米。
4.根据权利要求3所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述微纳结构为间隔沟壑状或凸起点阵状。
5.根据权利要求2所述的光固化3D打印装置，其特征在于，所述透明的水凝胶层通过化学交联或者物理交联在硬质透明板上原位合成。
【专利技术属性】
技术研发人员：卢亚辉，孙卓，吴晶军，赵骞，谢涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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