一种连续微纳高速增材制造光固化设备的制作方法

1.本发明涉及3d打印技术领域，尤其涉及一种连续微纳高速增材制造光固化设备。


背景技术：

2.光固化成型技术是目前加工精度最高的一种3d打印技术，具有成型速度快，成型精度高等特点。当前光固化成型技术主要有以下几类：光固化快速成形(stereo lithography appearance,sla)、数字光处理技术(digital light processing,dlp)和连续液面成型技术(continuous liquid interface production,clip)。其中，连续液面成型技术是近年来兴起的一种基于光固化的面成形的新型技术。区别于其他的光固化成型技术，连续液面成型技术的打印过程是一个“连续性”的打印过程。
3.连续液面成型技术利用丙烯酸酯类树脂的氧阻聚效应。在紫外光条件下光引发剂产生自由基，o2分子的两个自旋方向相同的未成对电子与紫外光条件下激发的自由基反应消耗自由基，参与聚合反应的自由基的含量减少光固化受阻甚至光敏树脂没有固化，聚合反应过程受阻。其基本原理是：成型室基底采用具有一定氧气渗透率的透明材料，透过的氧气阻止基底表面厌氧树脂的固化，从而在打印过程中固化层与基底之间始终存在一层未固化的液态薄层——“阻聚区”，从而使打印固化层由克服固相界面作用力从基底分离的过程转变为固化层与液态树脂界面的直接分离。由于分离所需要的力成数量级减小，因而可实现直接连续打印，从而显著提高了打印速度。尽管连续液面成型技术在成型速度上具有显著地优势，但其投影幅面精度最小尺寸仅能达到50um左右，尚不能满足某些特殊打印部件的精度要求。
4.因此，现有技术还有待于进一步的提升。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续微纳高速增材制造光固化设备，用于解决现有连续液面成型打印时投影幅面尺寸精度不够高的问题。
6.本发明实施例提供一种连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，包括：
7.打印装置，包括支撑架，与所述支撑架固定连接的移动机构，与所述移动机构固定连接的打印平台以及与所述打印平台适配的料槽机构；所述料槽机构固定在所述打印平台的下方，所述料槽机构内部设置有透氧膜；
8.掩膜图像生成装置，用于将若干层待打印的成型工件掩膜图像逐层投影至所述透氧膜的表面,使每一层所述成型工件掩膜图像所对应的成型工件固化；以及
9.控制装置，包括控制主板，所述控制主板分别与所述移动机构和所述掩膜图像生成装置电连接。
10.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述打印平台包括：多孔打印头，与所述多孔打印头固定连接的打印头支架，所述打印头支架与所述移动机构固定连接。
11.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述料槽机构还包括：气室槽组件，与所述气室槽组件固定连接的料槽组件；所述料槽组件包括外壳体和设置在所述外壳体内的料槽内衬；所述透氧膜固定在所述料槽内衬的朝向所述气室槽组件的一端；所述外壳体与所述料槽内衬分别设有相贯通的用于容纳所述多孔打印头的容纳空间。
12.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述移动机构包括：与所述支撑架固定连接的滚珠丝杆，用于驱动所述滚珠丝杆的动力机构。
13.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述连续微纳高速增材制造光固化设备还包括：限位开关，用于对所述打印头支架在所述支撑架上的运动进行限制，所述限位开关固定在所述支撑架上；所述限位开关与所述控制主板电连接。
14.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述限位开关包括：第一限位开关、第二限位开关，所述第一限位开关与所述第二限位开关间隔固定在所述支撑架上。
15.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述气室槽组件包括：气室槽，第一紧固件以及透光件；所述气室槽的中部开有方形孔，所述透光件固定在所述方形孔的口部；所述气室槽上还开有用于为所述气室槽通气体的孔。
16.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述控制主板的型号为stm32f103。
17.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述控制主板包括：四个用于与所述掩膜图像生成装置通信连接的数据接口以及四个用于与所述移动机构通信连接的数据接口。
18.可选地，所述的连续微纳高速增材制造光固化设备，其中，所述连续微纳高速增材制造光固化设备还包括：密封件，所述密封件固定在所述气室槽组件与所述料槽组件之间。
19.有益效果：本发明实施例提供一种连续微纳高速增材制造光固化设备，通过控制装置对打印装置中的移动机构进行控制，进而实现对打印平台在打印过程中的运动进行精确的控制。通过控制装置对掩膜图像生成装置进行控制，能够实现投影幅面尺寸精度最高可以达到2um
‑
10um之间，从而满足诸如空间结构更为复杂、且精度更高的微型功能结构一体化部件的需求。
附图说明
20.图1本发明实施例提供的一种连续微纳高速增材制造光固化设备立体图；
21.图2本发明实施例提供的一种连续微纳高速增材制造光固化设备爆炸图；
22.图3本发明实施例提供的料槽机构立体图；
23.图4本发明实施例提供的料槽机构剖视图；
24.图5本发明实施例提供的打印装置立体图；
25.图6本发明实施例提供的多孔打印头立体图；
26.图7本发明实施例提供的料槽内衬立体图。
27.图中标号对应部件名称如下：
28.基座10，打印装置20，掩膜图像生成装置30，控制装置40，料槽机构50，工作台面60，支撑架21，移动机构22，打印平台23，竖直支撑件210，水平设置的支撑件211，支撑件
212，滚珠丝杆220，滑块230，打印头支架231，打印头托块232，多孔打印头234，限位开关235，限位开关236，固定连接部2340，方形本体2341，方形通孔2342，控制主板400，气室槽组件500，容纳空间501，固定连接部502，第一紧固件510，料槽内衬520，外壳体530，透氧膜540，气室槽550，第二紧固件560，橡胶垫511，方形孔551，透光件552，供气孔553，出气孔554。
具体实施方式
29.本发明提供一种连续微纳高速增材制造光固化设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
31.如图1所示，本发明实施例提供一种连续微纳高速增材制造光固化设备，包括：用于打印的打印装置20，用于在打印过程中生成打印模型的灰度掩膜图像以及通过光投影打印模型的掩膜图像生成装置30，对所述打印装置20和掩膜图像生成装置30进行控制的控制装置40。
32.具体来说，连续微纳高速增材制造光固化设备还包括基座10，所述打印装置20、掩膜图像生成装置30以及控制装置40分别固定在所述基座10上，所述基座10可以是由欧标的铝型材构成。
33.如图2所示，在本实施例中，所述打印装置20包括：支撑架21，固定在所述支撑架21上的移动机构22，与所述移动机构22固定连接的打印平台23，由所述移动机构22带动所述打印平台23沿z轴方向运动。所述支撑架21固定在所述基座10上。其中，所述支撑架21包括相对设置的两个竖直支撑件210、两个竖直支撑件的一端分别固定在基座10上，另一端固定有水平设置的支撑件211，在所述支撑件211的上表面上固定有支撑件212，所述支撑件212的横截面成c字形，所述移动机构22固定在所述支撑件212的内部。
34.在本实施例中，所述移动机构22包括：滚珠丝杆220以及设置在所述滚珠丝杆220的下端，用于驱动所述滚珠丝杠220的动力机构(未示出)，所述动力机构为步进电机。
35.在本实施例中，结合图5，所述打印平台23包括滑块230，打印头支架231，打印头托块232以及多孔打印头234。所述滑块230与所述滚珠丝杆220相连接，所述打印头支架231的一端通过螺栓固定在所述滑块230上，所述打印头托块232固定在打印头支架231的另一端，且所述多孔打印头固定在所述打印头托块232上。因此，可以通过滚珠丝杆220的运动带动整个打印平台沿z轴方向运动。通过采用滚珠丝杆可以实现精确运动控制，具有移动精度高、运动平稳，反应灵敏等特点。
36.示例性地，结合图6，所述多孔打印头234包括固定连接部2340，与固定连接部2340固定连接的中空的方形本体2341，所述方形本体2341靠近打印端的两侧壁上开有方形通孔2342，所述打印端为一个方形平面，在平面上均匀分布有若干通孔。成型工件固化第一层至最后一层都将粘接在多通孔打印头234的表面上，通过z轴运动模块带动打印平台23沿z轴方向运动，将粘接在多通孔打印头234表面上的成型工件拉出。
37.在本实施例中，所述连续微纳高速增材制造光固化设备还包括限位开关235和限位开关236，两个限位开关间隔设置在所述支撑件212的一侧。容易理解的是，所述滑块230被限制在两个限位开关之间的区域内。
38.在本实施例中，所述连续微纳高速增材制造光固化设备还包括一个用于放置料槽机构50的工作台面60，所述工作台面60固定在基座10上，所述料槽机构50固定在位于所述多孔打印头正下方的所述工作台面60上。所述掩膜图像生成装置30固定在所述料槽机构50正下方的所述基座10上。
39.如图3至图4所示，在本实施例中，所述料槽机构50包括：气室槽组件500，包括气室槽550与所述气室槽550固定连接的第一紧固件510，固定在所述气室槽550与第一紧固件510之间的橡胶垫511，设置在所述第一紧固件510上表面且与所述第一紧固件510固定连接的料槽内衬520，套设在所述料槽内衬520外部且与所述第一紧固件510螺栓连接的外壳体530，所述外壳体530与所述料槽内衬520分别设有相贯通的用于容纳所述多孔打印头的容纳空间501。在所述料槽内衬520与所述第一紧固件510之间固定有pdms透氧膜540。所述外壳体530的上部还设置有第二紧固件560，通过设置第二紧固件560可以将料槽内衬520固定在所述外壳体530内。
40.在本实施例中，所述气室槽550的中部开有方形孔551，在所述方形孔551的口部固定有透光件552，所述透光件552可以是亚克力板；所述气室槽550上还开有用于为所述气室槽通入氧气的供气孔553，出气孔554。容易理解的是，供气孔553外接供氧设备，出气孔554连接一收集容器，收集后的氧气可以简单处理后重复利用。
41.示例性地，结合图7，所述料槽内衬520为方形筒体，在方形筒体的表面设置固定连接部502，固定连接部502上设置有螺孔，装配时，将pdms透氧膜540平铺在所述第一紧固件510的表面，固定连接部502叠压在pdms透氧膜上面，通过与螺栓配合，从而可以将pdms透氧膜固定在第一紧固件510上。
42.进一步地，在所述pdms透氧膜的上、下表面与槽体和/或第一紧固件相接触的部位还设置有密封件，所述密封件可以是橡胶垫片。通过设置密封件可以防止原料泄漏，也可以避免在打印过程中有空气进入。
43.在本实施例中，在开始打印时，多通孔打印头234将进入到料槽机构50内，掩膜图像生成装置30通过uv光投影成型工件灰度掩膜图像至树脂槽pdsm薄膜540表面，成型工件固化第一层至最后一层都将粘接在多通孔打印头234的表面上，通过z轴运动模块带动打印平台23沿z轴方向运动，将粘接在多通孔打印头234表面上的成型工件拉出，从而完成打印。
44.由于在打印端上设置若干个通孔在高速打印过程中，打印平台脱离液态树脂将实验模型拉出的整个过程中，由于液面张力的作用，液态树脂会向中心聚拢。此时，由于通孔的存在，树脂液体将会从通孔中排出，导致阻止打印平台与粘接在打印平台上的实验模型上升的液面张力作用降低。因此，可以很大程度上较低液面张力对成型工件的影响，导致成型工件质量更高。
45.在本实施例中，所述控制装置40包括一块控制主板(未示出)，所述控制主板的型号为stm32f103，所述主板与以外接电源相连，由外接电源为主控板供电。在所述控制主板上设有若干数据接口，具体来说，有四个gpio口与掩膜图像生成装置相连接，并基于串口协议向掩膜图像生成装置发送、接收指令。有八个gpio口与两个四线槽型的光电限位开关相
连接，并通过串口协议接收发送指令，对两个四线槽型的光电限位开关进行控制。有四个gpio口与移动机构相连接，并基于串口协议向移动机构发送或接收指令，对移动机构进行控制。
46.在本实施例中，使用时，先插上12v开关电源，从而完成给stm32f103的一块控制主板供电。由于两个四线槽型光电限位开关235、236及z轴上的步进电机221连接在stm32f103的控制主板上，因此给stm32f103的一块控制主板供电后，间接的完成给两个四线槽型光电限位开关235、236及z轴上的步进电机221供电。
47.单独给掩膜图像生成装置30供电，此时由于stm32f103的控制主板与掩膜图像生成装置30相连接，因此stm32f103的控制主板可以控制掩膜图像生成装置30的运转。开始打印前，首先将少量光敏树脂材料导入至槽体中，此时光敏树脂材料处于pdms透氧膜上表面处。之后，通过上位机将gcode代码发送至stm32f103的控制主板，使stm32f103的控制主板控制z轴上的步进电机221，从而z轴上的步进电机221带动打印平台使多通孔打印头回到零点位置(多通孔打印平台头到达pdms透氧膜上表面100
‑
300um处)。将cad模型导入电脑中进行切片，然后将所得到的gcode码导入控制主板，调节好各项打印参数后，控制主板将读取导入的gcode码，通过控制主板控制步进电机221的运动以及掩膜图像生成装置30的掩膜图像曝光，最终完成三维模型的连续打印。
48.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。