阅读说明：本技术 一种基于密闭腔室的连续液面3d打印系统及成型方法 (Continuous liquid level 3D printing system based on closed chamber and forming method ) 是由 林文雄 黄海洲 黄见洪 葛燕 李锦辉 阮开明 吴鸿春 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于密闭腔室的高速连续3D打印系统和打印方法,包括：具有密闭腔室主体的腔室,下端设有带储气腔的打印窗口且通过管路连通蠕动泵和树脂槽；树脂补充转置,用于向腔室注入树脂；驱动腔室内部打印头和传动杆运动的步进电机及打印光源；打印窗口与储气腔之间铺设有透明透氧聚合物薄膜,用于承载密闭腔室内树脂,为氧气提供输运通道以维持氧阻聚层。本发明利用液体不可压缩原理,将树脂充满密闭腔室,通过精确控制储气仓中气体压力,使聚合物基打印窗口承载密闭腔室内树脂,并在高速连续打印过程中维持平衡,解决了打印窗口在大尺寸物体打印过程中变形问题,同时实现周围树脂对打印区域的快速填充,确保高速打印过程顺利进行。(The invention discloses a high-speed continuous 3D printing system and a printing method based on a closed chamber, which comprises the following steps: the printing device comprises a chamber with a closed chamber body, wherein the lower end of the chamber is provided with a printing window with a gas storage cavity and is communicated with a peristaltic pump and a resin tank through a pipeline; the resin supplementing device is used for injecting resin into the cavity; the stepping motor and the printing light source drive the printing head and the transmission rod in the cavity to move; a transparent oxygen-permeable polymer film is laid between the printing window and the gas storage cavity and is used for bearing resin in the closed cavity and providing a transport channel for oxygen so as to maintain the oxygen inhibition layer. The invention utilizes the principle that liquid is incompressible to fill the resin in the closed cavity, and the gas pressure in the gas storage bin is accurately controlled to enable the polymer-based printing window to bear the resin in the closed cavity and maintain balance in the high-speed continuous printing process, thereby solving the deformation problem of the printing window in the printing process of large-size objects, simultaneously realizing the quick filling of the surrounding resin in the printing area and ensuring the smooth high-speed printing process.)

一种基于密闭腔室的连续液面3D打印系统及成型方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体而言，涉及一种基于密闭腔室的高速连续液面3D打印系统及成型方法。

背景技术

相对于传统的逐层打印方式，如FDM和DLP，连续液面3D打印技术CLIP可实现复杂物体的分钟级打印，在成型速度上实现了质的飞跃。然而，为维持打印过程中的氧阻聚层，现有CLIP打印机制的打印窗口是一层既透光又透氧的聚合物薄膜，容易在上方树脂的压迫下发生凹陷，导致打印面随之发生弯曲，进而影响成型精度。由于打印窗口要承载更多树脂，该情况在大尺寸物体的快速打印过程中更加明显。

另一方面，大尺寸物体的快速成型将迅速消耗氧阻聚层上方打印区内的树脂，并因周围树脂来不及填补而在打印区域产生真空。真空负压将在吸引周围树脂进行填充的同时，造成打印物体与窗口薄膜的相互吸引而导致打印窗口的二次形变，严重影响了大尺寸物体的表面质量和成型精度，甚至会因为树脂填充速度过慢而引起打印失败。

发明内容

本发明旨在提供一种基于密闭腔室的连续液面3D打印系统及方法，其利用液体的不可压缩原理，可以在维持打印幅面平整性的同时确保周围树脂的迅速填充，使大尺寸物体的连续成型过程得以顺利进行。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于密闭腔室的高速连续3D打印系统，包括：腔室，其具有整个密闭的密闭腔室主体，所述密闭腔室主体下端设置带储气仓的打印窗口，腔室通过管路连通蠕动泵和树脂槽；树脂补充转置，在工控机的控制下向腔室注入树脂；步进电机，与工控机连接并在其控制下驱动腔室内部的打印头和传动杆在竖直方向上运动；打印光源，在工控机控制下对打印物体进行打印；打印窗口内配置有承载腔室内树脂的透明透氧聚合物薄膜，透明透氧聚合物薄膜为氧气输送装置输送到储气仓内的氧气提供输运通道以维持氧阻聚层。

根据本发明，腔室包括：密闭腔室主体，其内部设置有打印头，前端设置有观察窗，外部通过观察窗和打印窗口进行封闭；平行设置的两个传动杆，穿过密闭腔室主体的内部，且两端均延伸至密闭腔室主体的外部；以及金属连接块，分别设置在两个传动杆的上下两端。优选地，密闭腔室主体上用于穿插传动杆的上下四个孔位上设置有密封圈以对其进行密封。

根据本发明，打印窗口包括打印窗口主体以及依次设置在其下方的透明透氧薄膜和具有金属支撑件固定的玻璃窗口；储气仓位于透明透氧薄膜和玻璃窗口之间。优选地，储气仓通过可控制仓内气体压力的电子气压阀与氧气输送装置连接。

根据本发明，传动杆为连接打印头的一对耐腐蚀光滑金属圆柱。优选地，传动杆通过金属连接块在步进电机的驱动下在竖直方向上按给定速度同步向下或向上伸出密闭腔室主体。

根据本发明，密闭腔室主体的上表面设置有第一和第二通孔，分别用于注入外部树脂和排气。优选地，打印头为尺寸小于打印窗口的玻璃窗口的平行金属板。优选地，腔室的观察窗为可拆卸透明亚克力板，其通过橡胶圈固定在腔室上，构成密闭腔室主体的侧面。

根据本发明，树脂补充装置加载在腔室的侧面。优选地，树脂补充装置为带有活塞的玻璃管，活塞在微型电机的驱动下按照设计速率从玻璃管内挤出树脂，对密闭腔室主体内部的树脂进行动态补偿。

根据本发明，蠕动泵通过软管连通腔室和外部用于盛放树脂源的树脂槽，并按照设定速率对密闭腔室主体内部补充树脂。

根据本发明，打印光源为输出波长在350～450nm之间的LED面光源。优选地，打印光源通过数字光处理器将打印物体的2D截面经由储气仓和玻璃窗口投影到打印头下方的打印平面上。优选地，腔室和步进电机连接并固定在带有打印光源的打印支架上。

根据本发明的另一方面，提供了一种基于密闭腔室的高速连续3D打印方法，包括以下步骤：S1、加载观察窗、带有储气仓的打印窗口以及树脂补充转置，对密闭腔室主体进行密封，通过工控机控制步进电机使腔室内部的打印头回到零点准备打印。S2、控制蠕动泵以从树脂槽经第一通孔向密闭腔室主体内部浇注树脂，同时控制与储气仓外部连接的电子气压阀增加储气仓内的氧气压力，使气压增加的速率R_P(Pa/s)与软管中树脂的流量L(L/s)满足

R_P＝ρgL/A₁；

其中，g为重力加速度，ρ为树脂密度，A1为除去传动杆横截面积后所述密闭腔室的横截面积。S3、在密闭腔室主体注满树脂后，关闭蠕动泵并固定电子气压阀的气压值，驱动树脂补充装置的微型电机，排去树脂补充装置内部的少量气体，封闭密闭腔室主体上方的第二通气孔，使密闭腔室主体与树脂补充装置的树脂空间所形成的连通体充分注满树脂。S4、启动打印程序，打印头在步进电机的驱动下下降到打印窗口上方，并开始按设定的打印速度v匀速上升。优选打印头下降到距离打印窗口上方20～200μm位置。S5、在打印头开始上升时，启动打印光源，开始按设定曝光强度将3D物体的2D切片逐帧投影到打印区域；在第i帧图片的投影周期内，树脂补充装置的活塞在微型电机的驱动下向前推进距离d_i，d_i与3D物体的切片厚度h，及第i帧图片的投影面积A_2i满足下列关系

d_i＝αhA_2i/A₃

α为树脂固化后的体积收缩率α＝1-VS/VR，VR和Vs分别为固化前树脂的体积和完全固化后固体的体积，A3为树脂补充装置内部活塞的横截面积。S6、待打印完成，撤去储气仓内气体，导走密闭腔室主体内的树脂，得到完整的打印物体。

根据本发明，步骤S2中，控制蠕动泵以速率50～200rpm向密闭腔室主体内部注入树脂。优选地，启动打印程序之前，通过电子气压阀将储气仓内的气压增加ΔP，增加的气压为自由空间CLIP实验所设置的氧气压力。

本发明的有益效果：

本发明针对现有的CLIP技术在大尺寸物体高速连续打印过程中存在的窗口畸变和填充速度不足这两个关键问题，利用液体的不可压缩原理，将树脂密封并完全充满密闭腔室，通过精确控制腔室下方储气仓中的气体压力，使打印窗口与储气仓之间的透明透氧聚合物薄膜得以承载密闭腔室内部的树脂，并在大尺寸物体的高速连续打印过程中维持平衡。具体地说，就是利用液体不可压缩原理，可以防止透明透氧聚合物薄膜在打印过程中由于聚合物薄膜下方氧气压力而鼓起，或者由于聚合物薄膜上方树脂的压力而下凹，或者打印件的拉拽而引起复杂形变，维持打印过程中打印面的平整，有效解决了打印窗口在大尺寸物体打印过程中的变形问题。本发明还通过同步补充树脂来确保打印过程中密闭腔室内树脂与成型物体的总体积不因固化收缩而发生改变，进而能够利用液体的不可压缩特性来实现周围树脂对打印区域的快速填充，确保大尺寸物体的高速打印过程得以顺利进行，保证了打印件的表面质量。

附图说明

图1为本发明实施例中连续光固化3D打印机的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中密闭腔室的结构示意图；

图3为本发明实施例中打印窗口的结构分解示意图；

图4为本发明实施例中树脂补充装置的结构示意图；

图5为采用现有技术中的传统打印方式打印出的平面测试件的照片；

图6为采用本发明的打印系统和成型方法打印出的平面测试件的照片。

附图标记：1.腔室；2.打印窗口；3.蠕动泵；4.树脂补充转置；5.步进电机；6.打印光源；7.工控机；8.树脂槽；9.氧气输送装置；100.密闭腔室主体；101.打印头；102.观察窗；103a、103b传动杆；104a、104b.金属连接块；105a、105b第一和第二通孔；201.打印窗口主体；202.储气仓；203.透明透氧薄膜；204.玻璃窗口；205.金属支撑件；206.电子气压阀；400.玻璃管；401.树脂空间；402.活塞；403.微型电机。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。但不应将这些实施例解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

参照图1至图6，本发明提供了一种基于密闭腔室的高速连续3D打印系统，包括腔室1、蠕动泵3、树脂补充装置4、步进电机5、打印光源6和工控机7。工控机7与步进电机5、树脂补充装置4内的微型电机、储气仓外部的电子气压阀206、蠕动泵3以及打印光源6连接，通过计算机软件对上述装置或零件进行控制。树脂补充装置4可以加载在腔室1的侧面，密闭腔室1和步进电机5连接并固定在带有打印光源6的打印支架上。

如图1所示，腔室1具有整个密闭的密闭腔室主体100，腔室1通过管路连通蠕动泵3和树脂槽8。密闭腔室主体100的下端设置有带储气仓202的打印窗口2，也就是说，带有储气仓202的打印窗口2构成密闭腔室主体100的下表面。

如图3所示，打印窗口2包括打印窗口主体201以及依次设置在其下方的透明透氧薄膜203和具有金属支撑件205固定的玻璃窗口204。储气仓202位于透明透氧薄膜203和玻璃窗口204之间。储气仓202的下表面设置有金属支撑件205固定的玻璃窗口204。密闭腔室主体100的底面是由透气薄膜隔着的氧气舱，需要连接氧气输送装置9如氧气瓶和电子气压阀206进行充气。

透明透氧聚合物薄膜配置为承载腔室内树脂且为储气仓202内氧气提供输运通道以维持氧阻聚层。氧气通过聚合物薄膜后会扩散进树脂，其中聚合物薄膜与树脂交界处的氧气浓度最高，使该区域的树脂始终无法固化，称为氧阻聚层。优选地，透明透氧聚合物薄膜可以是聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，聚碳酸酯PC，聚酰胺PA，或乙烯-乙酸乙烯共聚物EVA等，可以在重离子轰击下形成孔迹，并可以通过化学腐蚀的方法使孔迹成为通孔的高分子聚合物薄膜。

优选地，步进电机5与工控机7连接并在其控制下驱动腔室1内部的打印头101和传动杆103a，103b在竖直方向上运动。打印光源6在工控机7控制下对打印物体进行打印。

如图2所示，腔室1包括密闭腔室主体100、两个传动杆103a、103b以及设置在两个传动杆103a、103b两端的金属连接块104a、104b。两个传动杆103a、103b平行设置，均穿过密闭腔室主体100的内部且两端均延伸至密闭腔室主体100的外部。密闭腔室主体100内部设置有打印头101。优选地，打印头101的主体部分为比打印窗口2的玻璃窗口204尺寸略小的平行金属板，在打印过程中用于粘接打印物体，打印头101上方与固定在传动杆103a、103b上的接杆连接，并在打印头101的上表面设置有可以对打印头101的水平及俯仰进行调节的三个旋钮，以保证打印头101的下表面与玻璃窗口204平行。

在本发明的一个优选实施例中，密闭腔室主体100前端还设置有观察窗102，外部通过观察窗102和打印窗口2进行封闭。腔室1的观察窗102为可拆卸透明亚克力板，通过橡胶圈固定在其上构成密闭腔室的侧面。

如图2所示，传动杆103a，103b通过金属连接块104a、104b在步进电机5的驱动下在竖直方向上按给定速度同步向下或向上伸出密闭腔室主体100。优选地，传动杆103a，103b为连接打印头101的一对耐腐蚀光滑金属圆柱。

如图2所示，密闭腔室主体100的上表面预留有两个通孔105a、105b，分别用于连接两个气动接头，一个用于注入外部树脂，一个在打印过程中保持密封，在打印结束后排空腔室内树脂时打开，起到排气作用。

在本发明的一个具体实施例中，为保证传动杆103a、103b伸出密闭腔室主体100的气密性，在密闭腔室主体100上用于穿插传动杆103a、103b的上下四个孔位位置处设置有密封圈对其密封，保证打印系统在打印过程中整个密闭腔室主体100的密封性。

蠕动泵3通过软管连通腔室1和外部用于盛放树脂源的树脂槽8。打印之前，进行准备工作，此时蠕动泵3按照设定速率对密闭腔室主体100内部注入树脂。准备工作完成后，开始打印。打印过程中密闭腔室主体100内的树脂不断消耗，树脂补充转置4在工控机7的控制下向密闭腔室主体100内连续地补充树脂。通过同步补充树脂以确保打印过程中密闭腔室主体100内树脂与成型物体的总体积不因固化收缩而发生改变，进而能够利用液体的不可压缩特性来实现周围树脂对打印区域的快速填充，确保大尺寸物体的高速打印过程得以顺利进行并保证了打印件的表面质量。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，树脂补充装置4为带有活塞402的玻璃管400。活塞402在微型电机403的驱动下按照设计速率从玻璃管400内挤出树脂，对腔室1内部的树脂进行动态补偿。

优选地，打印光源6为输出波长在350～450nm之间的LED面光源。打印光源6可以通过数字光处理器将打印物体的2D截面经由储气仓和打印窗口2投影到打印头101下方的打印平面上。

本发明还提供了一种基于密闭腔室的高速连续3D打印方法，包括以下步骤：打印前预备工作，先加载观察窗102、带有储气仓202的打印窗口2以及树脂补充转置4，使密闭腔室主体100除上表面外的其他侧面得到高度密封。将蠕动泵3、树脂补充转置4的微型电机403、电子气压阀206、步进电机5以及打印光源6与工控机7进行连接。

通过工控机7上的软件控制步进电机7使密闭腔室1内部的打印头101回到零点，控制蠕动泵3以一定速率(如50～200rpm)从树脂槽8经第一通孔105a向密闭腔室主体100内部浇注树脂，同时控制储气仓202外部的电子气压阀206缓慢地增加储气仓202内的氧气压力，使气压增加的速率R_P(Pa/s)与软管中树脂的流量L(L/s)满足

R_P＝ρgL/A₁

其中，g为重力加速度，ρ为树脂密度，A1为除去传动杆103a、103b横截面积后密闭腔室主体100的横截面积。

在密闭腔室主体100注满树脂后，关闭蠕动泵3并固定电子气压阀206的气压值，驱动树脂补充装置4的微型电机403，排去补充装置4内部的少量气体，封闭密闭腔室主体100上方的第二通气孔105b，使密闭腔室主体100与树脂补充装置4的树脂空间401所形成的连通体充分注满树脂。

启动打印程序之前，通过电子气压阀206将储气仓内的气压增加ΔP，增加的气压为自由空间CLIP实验所设置的氧气压力，在10kPa～200kPa之间。当液体充满密闭腔室时，下面的氧气气压维持在一定值，液体重力引起的压力和氧气压力保持平衡，此时氧阻聚层保持平整，封住密闭腔室主体100。树脂体积不变，此时再将储气仓内的气压增加ΔP，由于压力差的存在，氧气更容易扩散进氧阻聚层中，使该层中的树脂在连续打印过程中始终无法固化，并向阻聚层上方的光固化反应补充树脂，高速连续打印过程可以顺利进行。因此，向储气仓内增加氧气的目的是使得打印过程中氧气的扩散速度加快，维持氧阻聚层。

在本发明的其他实施例中，可以将基于树脂薄膜的打印窗口2替换为以熔石英玻璃为衬底的PDMS层或者其他材料，此时，无需储气仓及树脂加注过程中的动态加压控制，即不需要通过电子气压阀206将储气仓202内的气压增加ΔP的步骤。这是由于以熔石英玻璃为衬底的PDMS层是固态，其含有一定的氧气，不需要扩散氧气。

启动打印程序，打印头101在步进电机5的驱动下下降到距离打印窗口2上方约20～200μm的位置并开始按设定的打印速度v匀速上升。在打印头101开始上升时，光源6启动，开始按设定的曝光强度将3D物体的2D切片逐帧投影到打印区域。在第i帧图片的投影周期内，树脂补充装置4的活塞402在微型电机403的驱动下向前推进距离d_i，d_i与3D物体的切片厚度h，及第i帧图片的投影面积A_2i满足下列关系

d_i＝αhA_2i/A₃

其中，α为树脂固化后的体积收缩率α＝1-V_S/V_R，V_R和Vs分别为固化前树脂的体积和完全固化后固体的体积，A₃为树脂补充装置4内部活塞402的横截面积。由此，完成整个物体的打印过程，撤去储气仓内的气体，导走密封腔1的树脂便可得到完整的打印物体。本发明中的高速连续3D打印中高速是指速度在500mm/h以上，即10cm高的物体可以在12分钟内得到成型。

采用本发明的3D打印系统和成型方法，打印出来的物体不会因为打印窗口的形变严重影响大尺寸物体的表面质量和成型精度。图5为采用目前传统方法打印出来的大尺寸物体，可以看出由于打印窗口的变形，整个打印件出现明显的变形，这种变形无法通过外加支撑进行校正。图6为采用本发明打印系统和方法打印出的大尺寸物体，可以看出物体变形得到明显改善，成形件表面十分平坦。