一种下沉式声辅助光固化3D打印机及其应用方法

技术领域

本发明属于光固化3D打印领域，特别是涉及了一种下沉式声辅助光固化3D打印机及其应用方法。

背景技术

在1989年后，Elrod等人创造性地将声学与3D打印结合起来，声学辅助3D打印开始形成概念并且不断发展起来。通过操控功能颗粒或者细胞，在固化模型中形成所需的组织或者其他结构，声学辅助3D打印在组织工程、再生医学、药理学研究和高通量筛选应用等领域具有广泛的应用前景。

目前的声学辅助3D打印系统，有挤出式打印与体打印结构。其中，挤出式打印系统在挤出打印材料前对打印颗粒进行排布，与传统多材料挤出式打印差别不大，难以实现微米级别的排布结构；体打印结构受到光波与声波穿透性的限制，打印尺寸受限。

声辅助光固化3D打印由于其打印结构的分辨率高，有望成为最终的解决方案。但目前固体声表面波主要依靠铌酸锂晶片传导由叉指换能器产生，其中铌酸锂晶片在叉指换能器功率太大时结构会被破坏，在小范围的打印中采用传统的DLP光固化打印结构导致功能颗粒的浓度变化较大，由此声辅助光固化3D打印的范围被限制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种下沉式声辅助光固化3D打印机及其应用方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一、一种下沉式声辅助光固化3D打印机：

包括液槽、三轴运动平台、打印头和下沉打印平台；液槽固定安装在三轴运动平台的下部，液槽用于储存含有功能颗粒的光敏树脂，所述光敏树脂用于三维模型的固化成型；下沉打印平台位于打印头的下方，打印头可水平移动地连接在三轴运动平台上，下沉打印平台可上下移动地连接在三轴运动平台上，下沉打印平台用于承载打印出的三维模型，下沉打印平台可在液槽内上下移动，打印头的下部浸没在光敏树脂中，用于光敏树脂的光固化3D打印。

所述的打印头包括自上而下依次设置的连接件、散热鳍片、紫外背光LCD屏和柔性的离型膜；连接件可水平移动地连接在三轴运动平台上，散热鳍片固定安装在连接件的下表面，离型膜的外周通过离型膜固定件固定连接在散热鳍片下表面的外周，紫外背光LCD屏设置在散热鳍片和离型膜之间，离型膜紧贴在紫外背光LCD屏上，紫外背光LCD屏浸没在光敏树脂中，离型膜用于隔离紫外背光LCD屏和光敏树脂。

所述的紫外背光LCD屏主要由UV背光源、下偏光、下基板、像素电极、液晶、上基板、上偏光片和SAW晶片自上而下依次层叠而成；所述UV背光源用于产生固化光敏树脂所需波段的紫外光，所述SAW晶片采用蚀刻有叉指换能器的铌酸锂晶片，SAW晶片用于产生声表面波并将声表面波传导入含有功能颗粒的光敏树脂中，进而实现对功能颗粒排布方式的控制。

所述功能颗粒包括导电银颗粒和磁性颗粒等。

所述SAW晶片与外部的激励信号连接，信号用于激励SAW晶片中的叉指换能器，使得叉指换能器产生声表面波；通过控制信号的时域特性，从而控制SAW晶片产生的声表面波波形，进而控制光敏树脂中功能颗粒的排列方式。

二、一种下沉式声辅助光固化3D打印方法，包括以下步骤：

步骤S1：首先往液槽中注入含有功能颗粒的光敏树脂，并使得光敏树脂浸没紫外背光LCD屏，接着将下沉打印平台移动到打印头的正下方，下沉打印平台与打印头之间存在间隔；

步骤S2：打印头将光敏树脂进行光固化，进而打印出特定形状的模型结构，所述模型被承载于下沉打印平台上；

步骤S3：通过三轴运动平台移动打印头，重复多次步骤S2，以完成一层结构的打印；

步骤S4：通过三轴运动平台控制下沉打印平台下移预设距离，使模型脱离打印头；

步骤S5：重复步骤S2～步骤S4直至完整的三维模型打印完成，最后取下下沉打印平台上的三维模型。

所述步骤S2具体方式如下：

首先将SAW晶片与外部的激励信号连接，特定信号激励SAW晶片中的叉指换能器，使得SAW晶片产生特定波形的声表面波，声表面波控制光敏树脂中功能颗粒以特定方式排列；然后，UV背光源产生特定波段的紫外光，紫外光依次经过下偏光片、下基板、像素电极、液晶、上基板、上偏光片后在上偏光片表面形成特定的三维模型图案，接着具备特定三维模型图案的紫外光入射至光敏树脂，使得光敏树脂以特定的三维模型图案光固化成型。

所述步骤S2中，通过控制液晶的排布方式来控制紫外光的三维模型图案，进而控制光敏树脂固化后的形状。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的打印范围较大。本发明提供的3D打印机，包括打印头、下沉打印平台、液槽、三轴运动平台。打印头与三轴运动平台连接，通过三轴运动平台的运动可以实现XY平面上的自由打印，配合下沉打印平台与液槽，突破铌酸锂晶片对打印范围的限制，能够打印较大的模型。

2、本发明的功能颗粒浓度在打印过程中变化较小。液槽体积大，打印所消耗的功能颗粒与总量相比较少，功能颗粒浓度在打印过程中的几乎不变。

3、本发明的设计自由度更大。打印头包含SAW紫外光LCD屏，采用光固化的方式形成打印结构，相比于挤出式声辅助3D打印，打印结构更精确，设计自由度更大，满足在工件中制造一体化传感器的需要。

附图说明

图1为本发明所设计3D打印机的结构示意图；

图2为本发明所设计3D打印机的工作流程示意图；

图3为本发明所设计3D打印机的打印头的结构示意图；

图4为本发明所设计3D打印机的SAW紫外光LCD屏的结构示意图；

图中，1-液槽；2-三轴运动平台；3-打印头；4-下沉打印平台；3.1-连接件；3.2-散热鳍片；3.3-紫外背光LCD屏；3.4-离型膜；3.5-离型膜固定件；

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

如图1所示，3D打印机包括液槽1、三轴运动平台3、打印头3和下沉打印平台4；液槽1固定安装在三轴运动平台3的下部，液槽1用于储存含有功能颗粒的光敏树脂，光敏树脂用于三维模型的固化成型；下沉打印平台4位于打印头3的下方，打印头3可水平移动地连接在三轴运动平台3上，下沉打印平台4可上下移动地连接在三轴运动平台3上，下沉打印平台4用于承载打印出的三维模型，下沉打印平台4可在液槽1内上下移动，打印头3的下部浸没在光敏树脂中，用于光敏树脂的光固化3D打印。

三轴运动平台3采用CoreXy运动机构，包含XY轴、Z轴、框架等。打印头3在三轴运动平台3的X轴和Y轴方向上移动运行，下沉打印平台4在三轴运动平台3的Z轴方向上移动运行。其中，Z轴与三轴运动平台3的高度方向平行，X轴与三轴运动平台3的长度方向平行，Y轴与三轴运动平台3的宽度方向平行。

如图3所示，打印头3包括自上而下依次设置的连接件3.1、散热鳍片3.2、紫外背光LCD屏3.3和柔性的离型膜3.4；连接件3.1可水平移动地连接在三轴运动平台3上，散热鳍片3.2固定安装在连接件3.1的下表面，离型膜3.4的外周通过离型膜固定件3.5固定连接在散热鳍片3.2下表面的外周，紫外背光LCD屏3.3设置在散热鳍片3.2的下表面和离型膜3.4的上表面之间，离型膜3.4紧贴在紫外背光LCD屏3.3上，紫外背光LCD屏3.3和离型膜3.4均浸没在光敏树脂中，离型膜3.4用于隔离紫外背光LCD屏3.3和光敏树脂。

具体实施中，紫外背光LCD屏3.3具体采用SAW紫外背光LCD屏。紫外背光LCD屏3.3位于散热鳍片3.2下方，且紫外背光LCD屏3.3的尺寸小于离型膜3.4，离型膜3.4在SAW紫外背光LCD屏3.3表面张紧，离型膜3.4的外周通过离型膜固定件3.5固定在散热鳍片3.2的外周，离型膜3.4的中部与紫外背光LCD屏3.3紧贴，使得离型膜3.4变为凹曲面；离型膜3.4起到隔离SAW紫外背光LCD屏3.3与含有功能颗粒的光敏树脂，并帮助固化的光敏树脂模型脱离屏幕的作用。散热鳍片3.2用于散热，防止打印头3打印过程中温度过高而损坏。

如图4所示，紫外背光LCD屏3.3主要由UV背光源、下偏光、下基板、像素电极、液晶、上基板、上偏光片和SAW晶片自上而下依次层叠而成；UV背光源用于产生固化光敏树脂所需波段的紫外光，紫外光依次经过下偏光片、基板、像素电极、液晶、上偏光片后得到所需的三维模型图案，SAW晶片采用蚀刻有叉指换能器的铌酸锂晶片，SAW晶片用于产生声表面波并将声表面波传导入含有功能颗粒的光敏树脂中，进而实现对功能颗粒排布方式的控制。

打印头3用于产生固体表面波SAW与紫外光，固体表面波SAW用于对光敏树脂中的功能颗粒进行排布，接着紫外光固化光敏树脂；下沉打印平台4用于承接固化模型；液槽1用于盛装光敏树脂；三轴运动平台3连接上述结构，提供各个部件所需的运动。

功能颗粒包括导电银颗粒和磁性颗粒等。

SAW晶片与外部的激励信号连接，信号用于激励SAW晶片中的叉指换能器，使得叉指换能器产生声表面波；通过控制信号的时域特性，从而控制SAW晶片产生的声表面波波形，进而控制光敏树脂中功能颗粒的排列方式。

信号的时域特性包括信号的幅度、频率和相位等。

三轴运动平台3包括外框架、叉架和连接杆；液槽1固定安装在外框架的下部，叉架可上下移动地安装在外框架上，且通过电机驱动，下沉打印平台4通过螺栓弹簧与叉架固定连接，使得下沉打印平台4可在光敏树脂中上下移动，螺栓弹簧用于调平下沉打印平台4；连接杆与外框架之间活动连接，且连接杆可沿着三轴运动平台3的Y轴轴向水平移动，打印头3设置在连接杆上且可沿着三轴运动平台3的X轴轴向水平移动，连接杆和打印头3均通过电机驱动，以实现打印头3在三轴运动平台3的X轴和Y轴方向上移动运行。下沉打印平台4能够承接固化的三维模型，连接在三轴运动平台3的Z轴上进而实现自身的精确移动。

本发明方法通过三轴运动平台3控制打印头3、下沉打印平台4的运动；控制打印头3对含有功能颗粒的光敏树脂进行固化和颗粒排列，形成所需的模型结构，具体通过以下步骤实现，如图2所示：

步骤S1：首先往液槽1中注入含有功能颗粒的光敏树脂，并使得光敏树脂浸没紫外背光LCD屏3.3，接着将下沉打印平台4移动到打印头3的正下方，下沉打印平台4与打印头3之间存在间隔；

步骤S2：打印头3将沉打印平台4与打印头3之间的光敏树脂进行光固化，进而打印出特定形状的模型结构，打印好的模型被承载于下沉打印平台4上；

步骤S3：通过三轴运动平台3移动打印头3，重复多次步骤S2，以完成一层结构的打印；

步骤S4：通过三轴运动平台3控制下沉打印平台4下移预设距离，使模型脱离打印头3；

步骤S5：重复步骤S2～步骤S4直至完整的三维模型打印完成，最后取下下沉打印平台4上的三维模型。

步骤S2具体方式如下：

首先将SAW晶片与外部的激励信号连接，特定信号激励SAW晶片中的叉指换能器，使得SAW晶片产生特定波形的声表面波，声表面波控制光敏树脂中功能颗粒以特定方式排列；然后，待功能颗粒按照所需形式排列后，UV背光源产生特定波段的紫外光，紫外光依次经过下偏光片、下基板、像素电极、液晶、上基板、上偏光片后在上偏光片表面形成特定的三维模型图案，接着具备特定三维模型图案的紫外光入射至光敏树脂，使得光敏树脂以特定的三维模型图案光固化成型。

步骤S2中，通过控制液晶的排布方式来控制紫外光的三维模型图案形状，进而控制光敏树脂固化后的形状。