阅读说明：本技术 一种光固化三维打印预览方法 (Photocuring three-dimensional printing preview method ) 是由 管清宝 游正伟 高奕 赵阳 徐磊 严旎娜 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光固化三维打印预览方法,包括以下步骤：通过测量不同固化条件下的光敏树脂体系的吸光度与时间的关系,得到不同固化条件下,光敏树脂体系转化率与时间的关系曲线；基于光固化动力学方程,使用迭代求解法对实验曲线进行拟合,得到光敏树脂体系的光固化动力学常数；使用定步长欧拉方法解所述光固化反应动力学微分方程组,得到光敏树脂体系在光固化反应过程中各组分含量的空间分布与时间关系曲线；进行模拟打印,并结合所述各组分含量的空间分布与时间关系曲线得到打印完成后三维打印产品中每层结构内各组分含量的空间分布,完成光固化三维打印预览。本发明弥补了三维打印控制软件在预览功能方面的空白。(The invention relates to a photocuring three-dimensional printing preview method, which comprises the following steps: obtaining a relation curve of the conversion rate of the photosensitive resin system and the time under different curing conditions by measuring the relation between the absorbance of the photosensitive resin system and the time under different curing conditions; fitting the experimental curve by using an iterative solution method based on a photocuring kinetic equation to obtain a photocuring kinetic constant of the photosensitive resin system; solving the photocuring reaction kinetic differential equation set by using a fixed-step Euler method to obtain a spatial distribution and time relation curve of each component content of the photosensitive resin system in the photocuring reaction process; and performing simulated printing, and combining the spatial distribution of the content of each component with the time relation curve to obtain the spatial distribution of the content of each component in each layer of structure in the three-dimensional printed product after printing is finished, so as to finish the photocuring three-dimensional printing preview. The invention makes up the blank of the three-dimensional printing control software in the aspect of the preview function.)

一种光固化三维打印预览方法

技术领域

本发明涉及光固化三维打印模拟技术领域，特别是涉及一种光固化三维打印预览方法。

背景技术

三维打印技术(Three Dimensional Printing,3DP)是依托电子信息、机械加工、传感器和新材料开发等多个领域发展起来的新型快速成型技术，具有传统车钳刨铣等强迫成形技术无法比拟的设计制造一体化、生产周期短和成本低等优点，被称为“具有工业革命意义的制造技术”，目前已经广泛运用于组织工程、工业制造、能源材料、航空航天等领域。相比其他3DP技术，光固化三维打印成型精度高、成本低、功能光敏树脂设计多样化等优点使其成为目前最热门的3DP技术之一。

光固化三维打印使用紫外光对薄层液态光敏树脂照射堆叠成型，含有光引发的热固性液态树脂在紫外光照射下发生层层间的交联反应，因此，影响反应动力学的打印设置，如切片层厚、每层打印时间和紫外灯源光强都将影响成品打印效果与质量，调试过程较二维打印印刷更为费时费力，易造成材料的浪费。相比较于内置打印预览功能的二维打印编辑软件如OFFICE系列等，3DP特别是涉及交联反应的光固化三维打印控制软件除切片功能外，更需要引入打印预览功能帮助用户进行打印设置指导甚至根据导入图形进行打印设置方案自动设计和比对。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化三维打印预览方法，通过结合3DP层层堆叠机理和光固化交联动力学原理模拟打印制件在打印设置下的树脂层转化率以表征预览效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光固化三维打印预览方法，包括以下步骤：

(1)通过测量不同固化条件下的光敏树脂体系的吸光度与时间的关系，得到不同固化条件下，光敏树脂体系转化率与时间的关系曲线；

(2)基于光固化动力学方程，使用迭代求解法对实验曲线进行拟合，得到光敏树脂体系的光固化动力学常数，并建立光固化反应动力学微分方程组；

(3)使用定步长欧拉方法解所述光固化反应动力学微分方程组，得到光敏树脂体系在光固化反应过程中各组分含量的空间分布与时间关系曲线；

(4)利用紫外光谱测得在光敏树脂体系光固化反应前后，入射光透过率与固化产品厚度的关系曲线；

(5)根据三维打印产品的结构、光源强度、层厚和单层打印时间，进行模拟打印，并结合所述光敏树脂体系在光固化反应过程中各组分含量的空间分布与时间关系曲线，得到打印完成后三维打印产品中每层结构内各组分含量的空间分布，完成光固化三维打印预览。

所述步骤(1)具体为：使用原位傅里叶变换红外光谱仪测量3～7组光敏树脂在不同固化条件下官能团吸光度随时间变化情况，并通过内标法将其转化为转换率随时间变化曲线，其中，不同固化条件包括不同紫外光源强度和不同光引发剂含量。

所述步骤(2)中得到的的光固化动力学常数包括链引发常数、链增长常数和终止常数。

所述步骤(2)中的光固化反应动力学微分方程组由包括引发剂分解、链引发、链增长、链终止在内的各反应速率方程联立得到。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过结合红外光谱和紫外光谱表征光敏树脂层叠固化特性的方法，可以得到未知或任意配方光敏树脂体系动力学参数输入值，使模拟结果更符合实际。本发明结合引入氧阻聚的经典自由基聚合动力学模型与光衰减原理，提出的一种可实现光固化三维打印预览效果模拟的方法，弥补了三维打印控制软件在预览功能方面的空白。

附图说明

图1是本发明实施例提供的原位光固化傅立叶变换红外光谱仪光路系统以及液体树脂样品安装图；

图2是本发明实施例提供的单体红外光谱吸收特征峰-单体浓度曲线图；

图3是本发明实施例提供的由红外光谱数据与模拟计算数据得到的不同固化参数单体转化曲线图；

图4是本发明实施例提供的光敏树脂动力学常数计算结果图；

图5是本发明实施例提供的光固化三维打印模拟固化层厚计算结果图；

图6是本发明实施例提供的光固化三维打印模拟不同曝光时间固化效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种光固化三维打印预览方法，该方法是以自由基交联反应模型为基础，介于三维打印过程通常在空气气氛中进行，氧气捕捉反应过程中产生的活性自由基，故在经典链引发、链增长和链终止机理中引入氧阻聚模型；使用定步长欧拉法求解动力学微分方程组，导出各变量随时间变化数值，从而实现模拟三维打印预览效果，具体包括以下步骤：

(1)通过测量不同固化条件下的光敏树脂体系的吸光度与时间的关系，得到不同固化条件下，光敏树脂体系转化率与时间的关系曲线；具体为：使用原位傅里叶变换红外光谱仪测量3-7组光敏树脂在不同固化条件(不同紫外光源强度和不同光引发剂含量等)下官能团吸光度随时间变化情况，并通过内标法将其转化为转换率随时间变化曲线。

(2)根据不同固化条件下，光敏树脂体系转化率与时间的关系曲线，基于光固化动力学方程，使用迭代求解法对实验曲线进行拟合，计算得到光敏树脂体系的光固化动力学常数。对于同一个固化体系，根据输入的几组不同设置下转换率随时间变化曲线，可以计算出符合各实验曲线的动力学常数(链引发常数、链增长常数、终止常数)。在计算时涉及的光敏树脂自由基光聚合反应各项参数可以根据实验测定结果以及光固化打印实际需求进行设置，具体包括计算步长、网格大小、区域大小等计算参数；光源光强、层厚、单层曝光时间等固化参数；树脂单体和引发剂密度、摩尔吸光系数、温度、初始摩尔浓度等物理性质。

(3)使用定步长欧拉方法解光固化反应动力学微分方程组，得到光敏树脂体系在光固化反应过程中各组分含量的空间分布与时间关系曲线；

(4)利用紫外光谱测得在光敏树脂体系光固化反应前后，入射光透过率与固化产品厚度的关系曲线；

(5)根据三维打印产品的结构、光源强度、层厚、单层打印时间，模拟打印；并结合光敏树脂体系在光固化反应过程中各组分含量的空间分布与时间关系曲线，得到打印完成后，三维打印产品中，每层结构内，各组分含量的空间分布，完成光固化三维打印预览。

本发明在模拟逐层固化叠加过程中，通过红外光谱采集官能团吸光度随时间变化情况，并通过内标法将其转化为转换率随时间变化曲线，再得到动力学常数，从而得到反应过程中各组分含量的空间分布，可以通过数据或者由渐变色表示数值，根据所选截面显示任意组分的空间含量图的方式体现。

下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。

步骤一，采集光敏树脂固化红外光谱

配制分别含有1％、2％、3％的2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦的环氧丙烯酸树脂，分成三组进行实验，对于每一组树脂，采用原位光固化傅里叶变换红外光谱仪，通过光路系统实现紫外光固化原位红外光谱检测：通过光纤将紫外光投射至样品表面，并由紫外光功率计测量光源能量密度实现闭环控制。液体树脂置于两片溴化钾盐窗之间，其厚度为1mm，并由环形构件环绕，固定厚度并防止液态单体漏出。红外光源透过待测样品后进入检测器，并由计算机每隔一段时间测量样品红外光谱。原位光固化傅立叶变换红外光谱仪光路系统以及液体树脂样品安装如图1所示。从图1中可以看出，光纤安装的位置将固化光源发出的光投射并覆盖溴化钾盐窗表面，且覆盖紫外检测器区域。同时，红外光束通过安装的反射镜，穿过样片并进入红外检测器。

步骤二，计算光敏树脂动力学参数

根据单体红外光谱数据，选取特征峰，根据吸收峰相对于初始状态降低量计算单体转化曲线，根据不同引发剂浓度的实验结果，得到不同固化参数单体转化曲线。设置计算参数，包括计算步长、网格大小、区域大小等计算参数；光源光强、层厚、单层曝光时间等固化参数；树脂单体和引发剂密度、摩尔吸光系数、温度、初始摩尔浓度等物理性质以及链引发常数、链增长常数、终止常数等各反应动力学常数估计值。计算程序根据输入参数，自动计算反应动力学常数实验值。单体红外光谱吸收特征峰-单体浓度曲线如图2所示，从图2中可以看出，红外光谱吸收特征峰强度与单体浓度成线性关系。由红外光谱数据与模拟计算数据得到的不同固化参数单体转化曲线如图3所示，从图3中可以看出，红外光谱数据与模拟计算数据具有较高的匹配度。光敏树脂动力学常数计算结果如图4所示，从图4中可以看出，动力学常数的变化引起模拟计算转化率曲线的变化，通过对动力学常数的多次迭代，使得转化率曲线与实验曲线逐渐接近，最终与实验结果吻合时的动力学常数即为实验数据的动力学常数。光固化计算参数值参见表1。

步骤三，计算光固化三维打印固化过程

输入三维模型文件，设置计算参数以及固化参数，程序根据设置对固化过程进行模拟计算，最终输出包括单体转化率、光强、引发剂浓度在内的各项参数时间、空间分布数据，并根据计算数据生成三维打印成型效果预览图。不同添加剂浓度下三维打印层固化厚度对比参见图5，图5展示了光固化三维打印模拟固化单体转化率在最后时刻的空间分布，从中可以看出，光固化三维打印树脂的吸光度越高，固化深度越小，层厚越小。不同单层曝光时间三维打印成型效果对比参见图6，从中可以看出，曝光时间对光固化成型质量有较大的影响，三维打印预览优化后光固化成型质量有较大的提高。