阅读说明：本技术 一种高速树脂涂层3d打印系统 (High-speed resin coating 3D printing system ) 是由 夏春光 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开本种高速树脂涂层3D打印系统,包括曝光光学系统、薄膜、激光位移计、滚刀、气泡刮刀、树脂槽、样品台；所述的样品台与升降装置连接,样品台位于树脂槽内,薄膜覆盖在树脂槽内的树脂上；树脂槽安装在三维的运动控制轴上；曝光光学系统位于树脂槽上方,曝光光学系统的投影镜头朝向薄膜,投影镜头外套有电磁线圈；投影镜头一侧设有激光位移计；薄膜上方还设有滚刀,下方设有气泡刮刀。本发明不仅提供了高速,大幅面的加工能力,还引入了磁场在打印过程中控制磁性树脂的磁化方向,提高了目前基于树脂的3D打印速度,还允许使用高粘度或者高含量的固液混合树脂。(The invention discloses a high-speed resin coating 3D printing system, which comprises an exposure optical system, a film, a laser displacement meter, a hob, a bubble scraper, a resin groove and a sample platform, wherein the exposure optical system is used for carrying out exposure; the sample table is connected with the lifting device, the sample table is positioned in the resin groove, and the film covers the resin in the resin groove; the resin tank is arranged on the three-dimensional motion control shaft; the exposure optical system is positioned above the resin tank, a projection lens of the exposure optical system faces the film, and an electromagnetic coil is sleeved outside the projection lens; a laser displacement meter is arranged on one side of the projection lens; a hob cutter is arranged above the film, and a bubble scraper is arranged below the film. The invention not only provides high-speed and large-breadth processing capability, but also introduces a magnetic field to control the magnetization direction of the magnetic resin in the printing process, improves the 3D printing speed based on the resin at present, and also allows the use of high-viscosity or high-content solid-liquid mixed resin.)

一种高速树脂涂层3D打印系统

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种高速树脂涂层3D打印系统。

背景技术

立体光刻(打印)最早是以一种快速成型技术出现。快速成型技术或者3D打印技术指的是一系列从计算机模型上直接生成全尺度样件的技术，他们比传统的机械切削加工要快很多。自从Chuck Hull在1986年发明立体光刻以来，它已经在诸多领域经济快速的发挥它的作用，比如复杂部件的可视化，初始设计的错误检测，验证重要初始部件的设计功能，检验理论设计等。在过去的几十年中随着人们在微机电系统（MEMS）的投入，促成了微尺度立体光刻出现，它继承了传统立体光刻的基本原理，但是可达到微米尺度的精度。基于单光子和双光子的树脂固化技术甚至可以达到200纳米的精度。但是这些技术都是基于激光斑在树脂液面或里面串联顺序扫描，很大程度上影响了打印速度和成本经济性。这也促成了投影式微立体光刻技术的出现。这项技术的核心来自于微显示器件的出现比如微液晶显示器（LCD）和德州仪器的数字光处理器（DLP），3D打印机将微显示器上的图片通过光机成像并投影到感光的树脂液面上而固化，并通过多层的叠加复制电脑产生的模型设计。在这些以液态感光树脂作为工作介质的3D打印技术中，对每一树脂层的定义方式有三种：自由液面，透明薄膜窗口，和透明硬质窗口。自由液面依赖树脂的表面张力和重力来定义树脂层，速度最慢，但对光学精度影响最小；薄膜窗口利用薄膜的伸张力来驱动树脂的运动，力的大小可有薄膜的力学性能和拉伸状态决定；硬质窗口实际上是一张力学性能很强的膜，由于它可产生很大的压力，因此打印速度最快。在高精度的3D打印中，每层的厚度小于30微米。对于粘度只有10cP的树脂，在10毫米X10毫米的自由液面上定义一层10微米厚的树脂层需要等待超过半小时，显然在实际应用中是不可接受的慢；同样的条件下，50微米厚的薄膜一般也要等2~3分钟；虽然硬质窗体无需等待，但因为样品在相对于硬窗体的运动中可以产生足以破坏样品的固液作用力，从而严重限制了样品的运动速度。在同样的作用力下，液体的流动速度随着液体粘度的提高而线性的降低，因此对于自身粘度高于几百上千cP的树脂，或者添加了高组分颗粒而高粘度的树脂，在高精度的样品加工中，现有的3D打印技术显然是不可取的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种高速树脂涂层3D打印系统，基于薄膜的新涂层技术，该技术不仅解决了现有的自由液面和透明薄膜窗口在处理高粘度树脂中时间长，打印慢的缺点，还同时解决了在使用透明硬质窗口时固液作用力大而破坏样品的问题。而且该项技术发明进一步提高了现有透明薄膜技术对低粘度树脂的打印速度。

具体技术方案为：

一种高速树脂涂层3D打印系统，包括曝光光学系统、薄膜、激光位移计、滚刀、气泡刮刀、树脂槽、样品台；

所述的样品台与升降装置连接，样品台位于树脂槽内，薄膜覆盖在树脂槽内的树脂上；树脂槽安装在三维的运动控制轴上；曝光光学系统位于树脂槽上方，曝光光学系统的投影镜头朝向薄膜，投影镜头外套有电磁线圈；从而控制每次曝光时的磁场方向和大小；投影镜头一侧设有激光位移计；薄膜上方还设有滚刀，下方设有气泡刮刀。

所述的滚刀包括圆筒，还包括两条平行的轨道，导轨纵向的沿着树脂槽设置，圆筒的中心轴的两端安装在轨道上，并沿着轨道移动，至少一个轨道上设有中心轴驱动装置，驱动所述的滚刀在薄膜上表面来回滚动。

或者，所述的滚刀包括多个轴承同轴心线组成，每个轴承独立的转动。

进一步的，所述的树脂槽内还包括膜夹具和加热单元，所述的加热单元用于控制树脂的温度。

所述的刮刀包括刀刃，刀刃的横截面呈光滑圆柱面，粗糙度小于0.4微米，半径1.5毫米，长度覆盖最大的打印幅面；所述的刀刃通过弹簧安装在刮刀体上。

本发明提供的一种高速树脂涂层3D打印系统，由于滚刀系统的引入，该发明不仅提供了高速，大幅面的加工能力，还引入了磁场在打印过程中控制磁性树脂的磁化方向。因此该发明不但极大提高了目前基于树脂的3D打印速度，还允许使用高粘度或者高含量的固液混合树脂。该技术将在微机电（MEMS）领域，生物医疗领域，工业接插件领域和其他需要微加工领域的发展提供了一种先进精准的切入手段。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明的线性移动式的滚刀结构示意图。

图3是本发明的转动形式的滚刀结构示意图。

图4是本发明的气泡刮刀的结构示意图。

图5是本发明的图4的A-A剖面图。

图6是本发明的打印步骤示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1所示的一种高速树脂涂层3D打印系统，包括曝光光学系统1、薄膜5、激光位移计3、滚刀4、气泡刮刀8、树脂槽6、样品台7；

所述的样品台7与升降装置连接，样品台7位于树脂槽6内，薄膜5覆盖在树脂槽6内的树脂上；树脂槽6安装在三维的运动控制轴上；曝光光学系统1位于树脂槽6上方，曝光光学系统1的投影镜头朝向薄膜5，投影镜头外套有电磁线圈2；投影镜头一侧设有激光位移计3；薄膜5上方还设有滚刀4，下方设有气泡刮刀8。

如图2所示，所述的滚刀4包括圆筒，还包括两条平行的轨道，导轨纵向的沿着树脂槽6设置，圆筒的中心轴的两端安装在轨道上，并沿着轨道移动，至少一个轨道上设有中心轴驱动装置，驱动所述的滚刀在薄膜上表面来回滚动。

如图3所示，所述的滚刀4包括多个轴承41同轴心线组成，每个轴承41独立的转动。

所述的树脂槽6内还包括膜夹具和加热单元，所述的加热单元用于控制树脂的温度。

如图4和图5所示，所述的气泡刮刀8包括刀刃81，刀刃81的横截面呈光滑圆柱面，粗糙度小于0.4微米，半径1.5毫米，长度覆盖最大的打印幅面；所述的刀刃81通过弹簧82安装在刮刀体83上。

该装置对每层图像的固化，可以象SLA一样用激光点扫描也可以是面投影形式用反射液晶屏LCOS或德州仪器的DLP。对于添加了颗粒的树脂，由于激光的功率相对高而使得3D成型更容易。在薄膜5的上方可加上电磁线圈2从而在加工的薄膜5底面产生特定方向的磁场，根据电磁线圈2的不同设计，该磁场可以是垂直于薄膜5也可以和薄膜5形成一定的角度。产生的磁场可用于控制每一层树脂中磁性颗粒的磁化方向,甚至可以用多次曝光来控制同一层中不同区域的磁性颗粒的磁化方向。

薄膜5的使用主要是为了：（1）利用薄膜5的变形来降低样品在树脂中上下移动时所承受的力，从而保证细微结构的完整；（2）利用薄膜5的强伸张力来驱动树脂沿着膜面的运动而定义每一层树脂的厚度，减少打印的时间；（3）薄膜5介于滚刀4和树脂之间，防止树脂直接接触滚刀4而造成打印失败。在使用中薄膜5被预先撑开20-30%。这里的薄膜5的材料可以是聚二甲基矽氧烷（PDMS），PFA或者其他透明的塑料，厚度从25微米到100微米；而小于100微米厚的玻璃/石英材质的膜，其表面涂有几微米厚的PFA，Teflon或者其他不粘涂料,也是可以在这项发明中使用的。同时激光位移计3是为了测量薄膜5在样品台7移动之后，树脂是否停止流动且薄膜5已经回到设定的位置而复平。该发明使用了Keyence公司的激光位移计，其精度达到了1微米。但对不同的精度要求，其他类型的位移计也是可行的，比如超声位移计。该激光位移计3平行于投影镜头的光轴，因此垂直于位移计探头的面就关联垂直于光轴。该位移计还可以通过在同个面上但不在一条线的三点确定这个平面相对位移计的垂直。

滚刀4是一根带精密轴承的并且精确控制尺寸（尺寸误差小于10微米）的圆柱，如图2所示，材料可以是金属，塑料，或者陶瓷，但滚刀4和膜接触的表面的粗糙度要低，比如RA0.4微米或更低。滚刀4的中心轴与两头平行的轨道相连，这两条轨道可以同时是同步的驱动轨道；也可以一条驱动，而另一条是被动的Gantry系统。滚刀4在薄膜5上表面（干燥表面）来回滚动，在滚动的过程中将薄膜5压平，同时轴承的转动减少了滚刀4和薄膜5之间的摩檫力，延长膜的使用寿命。这里滚刀4的运动可以是垂直于滚轴方向的在薄膜5表面的线性运动；滚刀4也可以是绕着轴心线上一点在薄膜5面上的转动，如图3，为防止转动时滚刀4的内外的线性速度差而造成对膜的拉扯破坏，需要有差速原理释放膜的变形。如图3中所示，滚刀4由多个轴承41并列而成，每个轴承41是可以独立的转动，从而使得不同位置的轴承41可以有不同的线性速度运转，防止滚刀4与薄膜5之间的滑动摩擦。

树脂槽6包括膜夹具和底下的树脂容器，树脂容器可以带有加热单元来控制树脂的温度。

激光位移计3用于监测滚刀工作区域内膜上表面一点高度和膜平静时的高度的差别，当此差别小于设定数值比如10微米时，就认为膜已经复平，可以停止滚刀的运动。

树脂制备时和打印时气体不可避免的会溶入，这些气体在打印过程中由于树脂和薄膜5的运动以及光固化过程中产生的热的相互作用下会产生细微的气泡，这些细微的气泡会渐渐相互结合而形成毫米级的气泡。而这些气泡却被薄膜5裹在树脂和薄膜5的交界处，会因此造成最终打印样品的缺陷，因此在这项发明中的设备构架是从重力方向的上方投影到下方的薄膜5上，这样就使得气泡由于浮力的作用汇聚于薄膜5的下方，并在薄膜5下方引入了专门设计的气泡刮刀8。气泡刮刀8的刀刃81是钝的，呈光滑圆柱面，粗糙度小于0.4微米，半径1.5毫米，长度覆盖最大的打印幅面。并且该刀刃81是有弹簧82支撑于刮刀体83上，使得在刮动时刀刃81跟薄膜5或者硬窗口是弹性接触，而不造成表面的破坏。同时薄膜5的支撑形状被设计成两端翘起20度左右，如图2和图3，这样气泡被气泡刮刀8推到翘起位置时，由于浮力的作用使得它们呆在翘起区域而不会被气泡刮刀8带回打印区域。

该发明设备总共有6根运动轴，如图1所示，两轴控制树脂槽6和样品台7在XY平面同时移动，控制样品台7高度的Z1轴，控制树脂槽6和薄膜5高度的Z2轴，控制气泡刮刀8的轴和控制滚刀4的轴。除了控制气泡刮刀8的轴和控制滚刀4的轴的运动精度（0.1毫米），根据设备的光学精度设计，其它的轴运动控制的精度都要远高于光学精度，比如对于 10 微米的光学精度，本实施例选择 1 微米的轴控制精度；2 微米的光学精度，本实施例选择 0.5微米的轴控制精度。

如图6所示，该发明的打印从在计算机上建立几何模型开始，在建立模型时如果有悬空的结构时需要加上细小的支撑结构，通常是细柱。三维的几何模型会被进一步在一个方向上被切成二维的图片，一般是黑白，可以有灰度。每一张图片代表着三维模型中的一薄层。模型的切片方向将是打印机的打印方向。产生的一系列图片会依次被打印机读取并投影到薄膜5和树脂的交界面。在一定的时间内有光的地方会产生一定厚度的固化层，它代表了投影图片所代表的模型中对应的一层。当上一层完成曝光打印后，样品台7和样品会下降1-4毫米或更多而脱离薄膜5，下降距离由具体的薄膜5的尺寸和固化树脂与薄膜5的粘合力决定。样品台7回位时，少回正好下一层的厚度。但由于样品大或者树脂的粘度高，在样品台回位后，在样品台和薄膜5之间的树脂流动性很差，从而造成薄膜5突起。如果靠薄膜5自身的张力，需要等待很长的时间才能使得在样品中间的树脂流向四周，进而让薄膜5恢复平面。正因为有等待薄膜5复平的时间，使得打印的速度受到极大的限制。为此在此项发明中，引入了滚刀4，滚刀4与平静时的薄膜5上表面是相切的，在样品台7回位时，滚刀4同时在薄膜5的上表面来回滚动（cm/s量级的速度）或者转动，从而快速驱使凸起的薄膜5复平。因为在滚刀4滚动时，薄膜5凸起部分下面的树脂会受到滚刀4的挤压而向外周快速流动。滚刀4滚动的次数由薄膜5的位移计的反馈决定，当位移计的读数说明薄膜5已经在允许的误差范围内复平时，滚刀4将停止在投影区域之外。滚刀4扫描的区域大小可以根据打印样品大小进行相应的调节，小样品的扫描区域可以相应的缩小，但必须覆盖样品，且边缘要有一定的余量。当薄膜5复平后样品和薄膜5间的缝隙就充满了打印下一层所需的树脂层（图5）。这时要将滚刀4移出曝光的区域,同时根据样品设计的需要给投影镜头电磁线圈2通电流从而产生一定强度和方向的磁场，然后曝光，依次重复曝光，随着样品台7的逐层下降，模型在树脂槽6中被复制出来。