[发明专利]一种基于薄膜基底的三维成型装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光固化成型技术领域，尤其涉及一种基于薄膜基底的三维成 型装置及方法。

背景技术

分层叠加是目前三维成型技术的主要实现方式，其原理简单、结构可靠、 数据处理方法成熟，因而获得了广泛应用。其层与层之间的叠加，基于不同 的物理、化学材料及方法，例如，胶水粘接、热熔层压、激光烧结和光聚合 等。其中光聚合方法是基于光化学反应原理，无机械力和加热过程，具有最 高的成型精度。

光聚合的典型材料为光敏固化树脂，其聚合前为短分子链的液态悬混物， 当被特定波长(典型波长为紫外波段)的电磁辐射照射时，光敏树脂中添加的引 发剂吸收辐射并释放催化剂，使得树脂分子通过链式反应形成长分子链固体 聚合物，从而实现三维成型。

光敏树脂在固化前呈液态，利用液体的可流动和自流平特性，其典型成 型过程为采用上部曝光方式。曝光光学头位于树脂液面上方，零件托架浸没 在树脂液中。每层成型时，树脂液表面和已成型零件的顶面之间的液层被曝 光固化，然后，零件托架下沉，已成型零件的顶面被树脂覆盖并流平，随后 进行新一层的固化。具体结构和方案可见于德国Envisiontec公司的专利 200710130353.3和美国3Dsystems公司的美国专利US5,630,981。

上述方法的主要限制有两点，一是对树脂的消耗较大，因其可成型零件 的高度取决于树脂液的深度，这要求液槽中存储大量的树脂，这些未使用的 树脂容易发生提前感光固化，同时接触空气易导致变质，造成不必要的材料 损耗。二是成型速度较慢，因光敏树脂往往具有较大的粘度，其自流平的速 度慢，流平后的表面精度难以控制。为此许多后续专利采用刮平和液位控制 的方法，包括美国专利，US5,651,934和中国专利CN204020012U、CN 201420472035.0及CN201520169421等。这些方法通常采用机械机构实现， 由于树脂液具有较大的粘度，这类方法的速度受到很大的阻滞。此外，这些 运动机构容易导致树脂液面的波动，影响曝光成型的精度。

为了克服上述问题，美国3Dsystems公司的专利US5,630,981还提出 了另一种基于下部曝光方式的成型方法。其采用透明液槽(例如石英玻璃)， 零件托架面朝下伸入树脂液中。每层成型时，光源穿过液槽底板，对液槽底 板与已成型零件的底面之间的液层进行曝光固化，然后新固化层上表面附着 在零件托架上并随之向上提升，同时新固化层下表面与液槽底部分离并形成 空隙，树脂液流入并填充此空隙区域，随后进行新一层的固化。

采用下部曝光方式的成型方法克服了前述两点限制，具有以下优点：一、 树脂的消耗量大大减少，树脂只需覆盖和充填液槽底部的薄层区域，需要时 可以随时补充；二、成型速度大幅增加，待固化的液层的表面受到液槽底部 的限制，具有良好的平面度和稳定性。每层固化后树脂液的补充，并非基于 液体在重力作用下的自流平，而是基于真空抽运，填充速度和可靠性大幅增 加。

但是，该下部曝光方式仍有缺陷，主要限制有以下两点：一、可成型零 件不能太重，因零件被倒挂在支架下方，其保持力仅为树脂固化后的粘接附 着力。虽然可以利用树脂液的浮力加以解决，但是这又将导致材料的不必要 消耗；二、固化层的下表面与液槽底板之间难以实现快速和可靠的剥离，剥 离动作的阻力由4个方面组成：重力、材料界面的附着力、液体的阻尼和真 空负压，这些阻力不但限制了剥离动作的速度，还有可能使已成型零件被撕 裂或者与支架脱离。其中重力可借助树脂液的浮力缓解，材料界面的附着力 可通过涂布分离型涂层加以缓解(例如硅油和特氟龙)，但是由于紫外光的 照射和反复的接触和剥离，这些涂层的使用寿命有限，往往几周后就必须进 行更换，而液体的阻尼和真空负压随着剥离速度的增加迅速增大，难以克服。