專利名稱：制作三維物體和支撐的打印成型方法
技術領域：
本發明涉及三維物體和支撐的物體成型方法，具體說是一種采用逐層打印成型方式制作三維物體和支撐的方法。
背景技術：
快速成型技術是從計算機三維實體到物理實體的一種快速制作工具，它適合制作原型件和小批量的功能件，制作的零件的材料可以是陶瓷材料、金屬材料、紙、光敏樹脂等材料。快速成型技術比較常用的工藝有光固化工藝、選擇性激光燒結、熔絲沉積制造、疊層實體制造和三維打印等。
以上幾種工藝都能制作復雜的三維結構，但存在以下缺陷1)精度較低。如采用激光固化光敏樹脂的光固化工藝制作的三維結構的精度在0.1mm左右，選擇性激光燒結工藝、熔絲沉積制造工藝及疊層實體制造工藝制作的三維結構精度都低于0.1mm，采用粉末作為成型材料的三維打印工藝制作的三維結構的精度也都低于0.1mm。2)成型速度慢。光固化工藝大多采用激光束固化光敏樹脂來形成固化線條，再形成固化層片；選擇性激光燒結工藝是采用激光束熔化金屬粉末或其它合金粉末形成燒結線條，再形成燒結層片；熔絲沉積制造工藝是采用低熔點材料在升溫、熔化后經噴嘴噴射形成凝固的線條，再形成凝固的層片。以上三種工藝都是由點堆積成線，再由線堆積成面，最后由多個面堆積成三維結構，因此，成型時間都較長。疊層實體制造工藝是由激光器切割出每層的輪廓，再把每層的非實體區域切碎，因此，加工薄壁件時的時間較長，材料利用率低。采用粉末作為成型材料的三維打印工藝，雖然比起其它四種工藝的成型速度快，但每層加工前的供粉、鋪粉等輔助過程需要一定的時間，加工的三維結構一般都有幾千個層片，輔助過程的時間累積起來也比較多。3)只能制作單色的、或多色但不透明的三維結構。除三維打印工藝之外，其他四種成型工藝都只能制作單色的三維結構，無法制作出彩色的三維物體，這樣對于產品的概念設計和外觀設計等方面，產品就缺乏了色彩表現力；目前的三維打印工藝，因大多采用石膏粉、淀粉、陶瓷粉等不透明的顆粒材料，制作的三維物體雖是彩色的，但無法制作彩色的透明的三維物體，而且目前的三維打印工藝制作的三維物體的精度都比較低，需要大量的后處理工序才能獲得高質量的表面質量。4)制作的原型件后處理工序復雜，且制作成本高。光固化工藝、熔絲沉積制造工藝在制作大部分三維物體時，都需要加支撐，支撐的添加比較難以去除，而且支撐材料也占用了相當多的成本，造成材料的浪費；疊層實體制造工藝用激光高溫切割紙或陶瓷基薄層材料，表面質量較差，且把非實體部分全部切碎，造成更多的材料浪費；采用粉末為原料的三維打印工藝和選擇性激光燒結工藝制作的原型件，在制作完畢后，從成型室取出時，需要比較繁雜的后處理工序才能獲得高質量的表面。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠快速、可靠、安全、環保、低成本的制作高精度的、復雜的、全彩色的、透明或半透明的三維物體的成型方法——制作三維物體和支撐的打印成型方法。
本發明制作三維物體和支撐的打印成型方法是運用如下技術方案來實現發明目的的a.建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，得到每層的成型信息；將成型室的溫度保持在-35～0℃，保證支撐材料在此溫度范圍內迅速凝固，然后依次進行b、c、d步驟；b.計算機控制打印噴頭按照第一層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息噴射UV液態材料，隨后用固化光源將UV液態材料固化，形成與第一層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；在未被噴射的區域用另一打印噴頭噴射支撐材料填充，支撐材料在被噴射出后，迅速凝固為固態，作為下一層片的支撐；所述支撐材料為蒸餾水或含有利于迅速結冰或凝固的水性液體，如鹽水；也可以是溶劑型液體、染料型液體或液體樹脂。
c.在第一層的上面，計算機控制打印噴頭再按照第二層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息噴射UV液體材料，用固化光源將UV液態材料固化，形成與第二層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；同時，第二層與第一層粘結成一個整體；在未被噴射的區域用另一打印噴頭噴射支撐材料填充，支撐材料在被噴射出后，迅速凝固為固態，作為下一層片的支撐；d.依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時與上一層粘結成一個整體，這樣，層層粘結疊加，最終制造出三維物體及其支撐；e.把三維物體及其支撐放在溫度高于支撐材料融點溫度的環境中，使得每層填充的凝固的支撐材料融化，即獲得與計算機實體模型相對應的三維物體。
制作三維物體的UV液態材料對波長100～800nm的光較為敏感。UV液態材料包括齊聚物、活性單體、光引發劑、著色劑及其它助劑。(1)齊聚物是含有不飽和官能團的低分子聚合物，其非限定性例子為聚氨脂丙烯酸脂、聚脂丙烯酸脂、聚醚丙烯酸脂、環氧丙烯酸脂以及各種改性丙烯酸脂。優選該齊聚物為液體以保持UV液體具有所需的低粘度，且優選其官能度大于一。如果齊聚物為非液體狀態的物質，它應該可溶于所述活性物質的液體組分中。(2)活性單體主要是為了改善齊聚物的粘度。雙官能度活性單體包含至少一種選自1，4-丁二醇、新戊二醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇和二丙烯酸脂的單體。三或更高官能活性單體包含至少一種選自乙氧基化三羥甲基丙烷丙烯酸脂和丙氧基化甘油丙烯酸脂的單體。優選的雙官能單體是二縮三丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)，優選的三官能單體是三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、季戊四醇三丙烯酸酯(PETA)。(3)光引發劑吸收能量而激發產生自由基或陽離子。自由基光引發劑為苯偶姻和苯偶酰縮酮的衍生物(如苯偶姻醚、苯偶酰縮酮等)、苯乙酮衍生物(如對苯氧基2α、12羥基環乙基苯乙酮等)、芳香酮類光引發劑(如二苯甲酮、氯化二苯甲酮等)；陽離子光引發劑為酰基磷化氫化合物。(4)著色劑決定了三維結構的色彩和光學特性，優選為熱穩定且水不溶性的。(5)助劑包括分散劑、潤滑劑、增厚劑、填充劑、促固劑等，它影響到油墨的固化速度及使用的有效期和膜層厚度等。UV液體材料中可含有膠體或納米顆粒等填料，如硅石、有機物、金屬或合金。液體在室溫下的粘度是2～1000cps。液體在0～130℃、粘度低于30cps時可噴射。
采用的固化光源可以為中心波長在100～800nm范圍的半導體二極管；或為中心波長在100～800nm范圍的半導體激光器；或為中心波長在100～800nm范圍的固態激光器；或采用的光源為中心波長在100～800nm范圍的氣體激光器；或采用的光源為中心波長在100～800nm范圍的高壓或超高壓汞燈；或為中心波長在100～800nm范圍的由半導體二極管、半導體激光器、固態激光器、氣體激光器、高壓或超高壓汞燈的兩種或多種光源組合而成的組合型光源；或為中心波長在100～800nm范圍的由半導體二極管、半導體激光器、固態激光器、氣體激光器、高壓或超高壓汞燈中的多個不同中心波長的光源組合而成的組合型光源。
填充每層空白區域或非實體區域的支撐材料可以是蒸餾水，可以是含有利于迅速結冰或凝固的水性液體，如鹽水；也可以是其他溶劑型液體；或染料型液體；或液體樹脂。
制作三維結構的過程中使用的打印噴頭為多個，可分別噴射構成三維結構本體的液體材料和構成三維結構每層支撐的支撐材料。噴頭的噴嘴的孔徑尺寸是1～100μm，和(或)所噴射的液滴的尺寸是1～200pl。
構成三維結構的層片的厚度最大可達300μm，最小可為1μm。
本發明制作三維結構的速度和精度大大高于普通的光固化工藝、熔絲沉積制造、疊層實體制造等快速成型工藝；本發明采用的液體材料和支撐材料成本也大大低于其他幾種快速成型工藝使用的成型材料。因此，本發明可以快速、可靠、安全、環保、低成本地制作形狀極其復雜的、全彩色的、透明或半透明、高精度三維結構。由于使用的成型材料均是無毒的，且加工過程中，無任何粉塵和排放污染物，因此，非常適合辦公環境中使用本發明制作三維結構。
圖1所示的是用本發明方法制作三維結構的成型流程圖；圖2所示的是用本發明方法制作三維結構的設備框架示意圖。
圖中打印噴頭托架1，打印噴頭2，打印噴頭托架X向導軌3，打印噴頭托架Y向導軌4，打印噴頭清洗槽5，成型基板6，成型實體區域7，成型支撐區域8，Z向工作臺9，光固化光源10，計算機11，打印噴頭控制電路12，打印噴頭X-Y位置控制電路13，升降臺控制電路14，光固化光源控制電路15。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明實施例1、如圖1、圖2所示，采用逐層打印成型方式制作三維物體及其支撐的方法，其具體過程如下由具有高速運算能力的計算機設計出所需加工的三維物體的三維CAD模型，對該三維CAD模型進行實體切片分層，形成一系列二維切片。每個切片的厚度可以相同，也可以不相同，每個切片的厚度在1μm～300μm。在成型室溫度保持在-15±1℃的環境下，計算機11根據每一層的成型信息分別控制各機構做協調運動。具體而言，制作開始時，計算機11把第一層加工信息發給打印噴頭控制電路12，打印噴頭控制電路12驅動打印噴頭2中的某個或某幾個噴頭按該層的形狀將UV液態材料噴射到成型室內的工作平臺上(打印噴頭2位于恒溫室，恒溫室工作時的溫度保持在0℃～130℃。)，隨后被光固化光源10迅速固化，形成實體區域7，在打印噴頭2中的某個或某幾個噴頭噴射UV液態材料的同時，打印噴頭2中的另一噴頭噴射蒸餾水填充該層未被噴射UV液態材料的區域，隨后被迅速凝固成冰，形成支撐區域8。接著，計算機把下一層的成型信息發給打印噴頭控制電路12噴射出UV液態材料和蒸餾水，在光固化光源照射后形成新的實體區域，蒸餾水凝固成冰形成支撐區域。如此反復，一層層的打印并粘結，從而快速制作出三維物體。將制作出的三維物體放入高于0℃(最佳為60℃)的溫控室中，讓冰迅速融化，即可獲得質量較好的零件。
圖2所示的是逐層制作三維物體和支撐的裝置結構框架示意圖。應用本發明制作三維物體的成型裝置(除計算機外)的結構包括打印噴頭托架1，打印噴頭2，打印噴頭托架X向導軌3，打印噴頭托架Y向導軌4，打印噴頭清洗槽5，成型基板6，Z向工作臺9，光固化光源10，打印噴頭控制電路12，打印噴頭X-Y位置控制電路13，升降臺控制電路14，UV光源控制電路15等。打印噴頭托架1沿著X方向做雙向直線運動；打印噴頭在X-Y平面內沿著打印噴頭托架X向導軌3、打印噴頭托架Y向導軌做平面運動；Z向工作臺9做垂直方向的上下運動。每打印一段時間，打印噴頭2在打印噴頭托架1的帶動下，在打印噴頭清洗槽5中進行清洗，以確保噴頭不被堵塞。
實施例2，與實施例1基本相同，所不同的是，所用支撐材料為鹽水，成型室溫度保持在-15℃，將制作出的三維物體放入高于40℃(最佳為60℃)的溫控室中融化支撐材料。
實施例3，與實施例1基本相同，所不同的是，所用支撐材料為環己酮溶劑型液體，將制作出的三維物體放入高于45℃(最佳為70℃)的溫控室中融化支撐材料。
實施例4，與實施例1基本相同，所不同的是，所用支撐材料為偶氮染料型液體將制作出的三維物體放入高于40℃(最佳為60℃)的溫控室中融化支撐材料。
實施例5，與實施例1基本相同，所不同的是，所用支撐材料為環氧丙烯酸脂，將制作出的三維物體放入高于50℃(最佳為70℃)的溫控室中融化支撐材料。
權利要求
1.一種制作三維物體和支撐的打印成型方法，其步驟為a.建立三維物體的計算機實體模型，對其進行切片分層，得到每層的成型信息；將成型室的溫度保持在-35～0℃，保證支撐材料在此溫度范圍內迅速凝固，然后依次進行b、c、d步驟；b.計算機控制打印噴頭按照第一層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息噴射UV液態材料，隨后用紫外燈將UV液態材料固化，形成與第一層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；在未被噴射的區域用另一打印噴頭噴射支撐材料填充，支撐材料在被噴射出后，迅速凝固為固態，作為下一層片的支撐；所述支撐材料為蒸餾水或含有利于迅速結冰或凝固的水性液體；也可以是溶劑型液體、染料型液體或液體樹脂；c.在第一層的上面，計算機控制打印噴頭再按照第二層的成型信息做設定的打印運動并按照成型信息噴射UV液體材料，用紫外燈將UV液態材料固化，形成與第二層成型信息形狀一樣的、有一定強度的層片；同時，第二層與第一層粘結成一個整體；在未被噴射的區域用另一打印噴頭噴射支撐材料填充，支撐材料在被噴射出后，迅速凝固為固態，作為下一層片的支撐；d.依次按照每層的成型信息制作出每一層，同時與上一層粘結成一個整體，這樣，層層粘結疊加，最終制造出三維物體及其支撐；e.將三維物體及其支撐放在溫度高于支撐材料融點溫度的環境中，使得每層填充的凝固的支撐材料融化，即獲得與計算機實體模型相對應的三維物體。
2.根據權利要求1所述的制作三維物體和支撐的打印成型方法，其特征在于所述的UV液態材料為a.該種液體對波長100～800nm的光較為敏感，液體包含齊聚物、活性單體、光引發劑、著色劑及其它助劑；b.液體可含有膠體或納米顆粒填料，如硅石、有機物、金屬或合金；c.液體在室溫下的粘度是2～1000cps；d.液體在0～130℃的溫度范圍內能噴射，在此溫度范圍內，液體的粘度低于30cps。
3.根據權利要求1、2中所述的制作三維物體和支撐的打印成型方法，其特征在于噴射UV液態材料的打印噴頭安裝在一溫控箱或起溫控功能的箱體中，工作時的溫度保持在0℃～130℃。
4.根據權利要求1、2中所述的制作三維物體和支撐的打印成型方法，其特征在于噴射支撐材料的打印噴頭安裝在一溫控箱或起溫控功能的箱體中，工作時的溫度保持在0℃～90℃。
5.根據權利要求1、2、5中所述的制作三維物體和支撐的打印成型方法，其特征在于所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的半導體二極管；或所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的半導體激光器；或所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的固態激光器；或所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的氣體激光器；或采用的光源為中心波長在100～800nm范圍的高壓或超高壓汞燈；或所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的由半導體二極管、半導體激光器、固態激光器、氣體激光器、高壓或超高壓汞燈的兩種或多種光源組合而成的組合型光源；或所述的固化光源為中心波長在100～800nm范圍的由半導體二極管、半導體激光器、固態激光器、氣體激光器、高壓或超高壓汞燈中的幾種光源的多個不同中心波長的光源組合而成的組合型光源。
全文摘要
本發明公開了一種制作三維物體和支撐的打印成型方法，其步驟為建立計算機實體模型，進行切片分層；打印噴頭按照每層的成型信息做設定的打印運動并噴射UV液態材料，隨后將其固化，形成層片；在未被噴射的區域噴射支撐材料填充，將其凝固為固態，作為下一層的支撐；層層粘結疊加，形成三維物體和支撐；支撐材料可為蒸餾水、水性液體、溶劑型液體、染料型液體等的一種，在低溫凝固后構成每一層的支撐，在三維物體制作完畢后，升溫即融化消失或溶解，即獲得三維物體。本發明可以快速、可靠、安全、環保、低成本地制作形狀極其復雜的三維物體，也可用制作全彩色三維物體。該方法所用成型材料無毒，因此可以在辦公環境中使用本發明制作三維物體。
文檔編號B44C3/04GK1814431SQ200610038580
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月3日 優先權日2006年3月3日
發明者岳東, 楊繼全 申請人:南京師范大學