光固化材料及三維列印方法與流程

2023-06-08 22:38:31

本發明是有關於一種成型材料以及成型方法，且特別是有關於一種光固化材料及三維列印方法。

背景技術：

隨著科技發展，三維列印(3D printing)技術及增材製造(Additive Manufacturing，簡稱為：AM)技術已經成為最主要發展的技術之一。上述這些技術屬於快速成型技術的一種，它可以直接通過使用者設計好的數字模型檔案來直接製造出所需的成品，且成品幾乎是任意形狀的三維實體。在過去的模具製造、工業設計等領域，三維列印技術常常被用於製造模型，現在則逐漸被應用於珠寶、鞋類、工業設計、建築、工程、汽車、航空、牙科和醫療產業、教育、土木工程以及其他領域中。

現有的三維列印技術根據各式的機型及材料有多種不同的成型機制，例如是液態樹脂、漿料等材料，皆可通過逐層堆疊累積的方式來構造出所需形狀的三維實體，其中光固化成型(Stereolithography,簡稱為：SLA)和數位化光處理(Digital Light Processing,簡稱為：DLP)因為具有較高的製作精度及較佳的表面品質，都常被廣泛應用在上述各種領域中。

上述這些三維列印技術大都是通過光束照射並固化高分子材料來形成三維物體，固化上述高分子材料所需的時間完全取決於高分子材料的特性及照光的強度。然而，當照射的光束強度過強時，高分子材料的溫度也會隨之增高，進而增加三維物體在成型過程中發生翹曲的風險。另一方面，三維物體在初步成型後要繼續照射光束來後端固化(post cure)，因此降低了三維物體的製作效率。

技術實現要素：

本發明提供一種光固化材料，其可以更有效率的固化為一三維物體。

本發明提供一種三維列印方法，其可以更有效率的形成一三維物體。

本發明的實施例的光固化材料包括高分子樹脂以及摻雜於高分子樹脂中的螢光粉體。高分子樹脂適於被波長位於固化波段內的光束固化。螢光粉體適於吸收波長位於激發波段內的光束，進而發出螢光光束。螢光光束的波長位於固化波段內。

本發明的實施例的三維列印方法包括提供上述的光固化材料以及以成型光束照射至少部分光固化材料來形成三維物體。光固化材料包括高分子樹脂以及摻雜於高分子樹脂中的螢光粉體。高分子樹脂適於被波長位於固化波段內的光束固化。螢光粉體適於吸收波長位於激發波段內的光束，進而發出波長位於固化波段內的螢光光束。成型光束包括波長位於固化波段內的光束以及波長位於激發波段內的光束。

本發明的實施例的三維列印方法包括提供上述的光固化材料，所述光固化材料包括高分子樹脂以及摻雜於所述高分子樹脂中的螢光粉體，所述高分子樹脂適於被波長位於固化波段內的光束固化，所述螢光粉體適於吸收波長位於激發波段內的光束，進而發出波長位於固化波段內的螢光光束；以波長位於固化波段內的光束照射至少部分光固化材料，進而形成第一三維物體；移除未固化的部分光固化材料；以波長位於激發波段內的光束照射第一三維物體，並激發第一三維物體中的螢光粉體，進而使第一三維物體固化為第二三維物體。

在本發明的一實施例中，上述的螢光粉體的粒徑落在1微米(micrometer,μm)至20微米的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的螢光粉體在光固化材料的重量百分比不超過百分之十。

在本發明的一實施例中，上述的螢光粉體的材質包括Y2SiO5:Ce、(Zn,Cd)S:Cu、CaWO4。

在本發明的一實施例中，上述的三維列印方法在形成三維物體後還包括移除未固化的部分光固化材料，再以成型光束照射三維物體。

在本發明的一實施例中，所述以成型光束照射至少部分所述光固化材料，進而形成三維物體，包括：以雷射光源發出成型光束，並通過光學反射元件將成型光束反射至部分光固化材料，進而逐層固化並堆疊出三維物體。

在本發明的一實施例中，所述以波長位於固化波段內的光束照射至少部分所述光固化材料，進而形成第一三維物體，以發光光源發出波長位於固化波段內的光束；以及通過光閥將光束反射至部分光固化材料，進而逐層固化並堆疊出三維物體。

在本發明的一實施例中，所述以波長位於激發波段內的光束照射所述第一三維物體,還包括以波長位於固化波段內的光束照射第一三維物體。

基於上述，本發明的實施例的光固化材料具有摻雜於高分子樹脂中的螢光粉體，且螢光粉體被激發後所發出的光束可以固化高分子樹脂，因此可以讓光固化材料在本發明的實施例的三維列印方法中更有效率的形成三維物體。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1是依照本發明的第一實施例的一種三維列印裝置的示意圖及局部放大示意圖；

圖2A是依照本發明的第一實施例的三維列印方法的流程示意圖；

圖2B是依照本發明的第二實施例的三維列印方法的流程示意圖；

圖3是依照本發明的第三實施例的三維列印裝置的示意圖；

圖4A是依照本發明的第三實施例的三維列印方法的流程示意圖；

圖4B是依照本發明的第四實施例的三維列印方法的流程示意圖。

附圖標記說明：

B1、B2：區域；

d1：方向；

L、L1～L3：光束；

S11～S47：步驟；

100、100A：三維列印裝置；

110：雷射光源；

110A：發光光源；

120：光學反射元件；

120A：光閥；

130：儲存槽；

140：載臺；

200：光固化材料；

210：高分子樹脂；

220：螢光粉體；

230：三維物體；

240：第一三維物體。

具體實施方式

圖1是依照本發明的第一實施例的一種三維列印裝置的示意圖及局部放大示意圖。請參照圖1，本發明的第一實施例的三維列印裝置100適於對光固化材料200加工，且光固化材料200包括高分子樹脂210以及摻雜於高分子樹脂210中的螢光粉體220。高分子樹脂210適於被波長位於固化波段內的光束固化，其中上述的固化波段例如是可見光的波段或是紫外光的波段。換句話說，本實施例的高分子樹脂210在特定波長範圍內的光的照射下會改變本身的材料性質，而原本例如是液狀的高分子樹脂210在被上述的光照射後會變成固態。上述的特定波長範圍例如是可見光的波長範圍及紫外光的波長範圍，本發明不限於此。

本實施例的螢光粉體220適於吸收波長位於激發波段內的光束，進而發出螢光光束，且螢光光束的波長位於上述的固化波段內。換句話說，本實施例的螢光粉體220在被激發後，其所發出的螢光光束可以讓高分子樹脂210的材料性質改變，進而使光固化材料200固化。

本實施例的光固化材料200的高分子樹脂210具有光固化性質，其不但可以通過外界光束的照射來固化，還可以通過螢光粉體220所發出的螢光來固化。因此，光固化材料200可以有效率地形成三維物體，同時也可以提升三維物體在後端固化時的效率。

具體來說，請參照圖1，本實施例的三維列印裝置100包括雷射光源110、光學反射元件120、儲存槽130以及載臺140。雷射光源110用以發出成型光束L，光學反射元件120可以反射成型光束L來照射儲存槽130中的部分光 固化材料200，且光學反射元件120可以調整成型光束L照射光固化材料200的位置來提供掃描及成型的效果。載臺140適於沿著方向d1移動，且載臺140適於自儲存槽130中的光固化材料200中拉出，進而讓光固化材料200可以逐層固化並堆積成三維物體。

圖2A是依照本發明的第一實施例的三維列印方法的流程示意圖。請參照圖1及圖2A，本實施例的三維列印方法在步驟S11中提供光固化材料200至例如是儲存槽130中，例如是液狀的光固化材料200在儲存槽130中形成光固化材料層，以方便三維列印裝置100作後續加工。

本實施例的三維列印方法在提供光固化材料200後，在步驟S12中以成型光束L照射至少部分光固化材料200。本實施例的儲存槽130例如是以適於讓成型光束L通過的材質所形成，因此成型光束L可以照射光固化材料200中的局部區域來讓所述局部區域中的光固化材料200固化形成三維物體(步驟S13)。

具體來說，光固化材料200在區域B1中形成一成型材料層，而成型光束L是由雷射光源110所發出的具有高指向性的雷射光束。因此，光學反射元件120可以適當的將成型光束L反射至光固化材料200的局部區域，再通過光學反射元件120來依序調整成型光束L在光固化材料200的照射位置。

本實施例的光固化材料200在被成型光束L照射後接著形成三維物體230(步驟S13)。由於光固化材料200包括高分子樹脂210及螢光粉體220，且成型光束L包括波長位於固化波段內的光束L1以及波長位於激發波段內的光束L2，因此被成型光束L照射的部分光固化材料200的高分子樹脂210不但會被波長位於固化波段內的光束L1照射，螢光粉體220在被波長位於激發波段內的光束L2激發後所發出的螢光光束L3也會照射到四周的高分子樹脂210。因此，本實施例的三維列印方法可以有效率的形成三維物體230。

具體來說，本實施例的三維列印方法可以應用在例如是光固化成型(SLA)的三維列印技術中，且上述的雷射光源110例如是紫外光雷射光源，因此雷射光源110所發出的成型光束L的波長較短、能量較高，可以在固化高分子樹脂210的同時激發螢光粉體220。

圖2B是依照本發明的第二實施例的三維列印方法的流程示意圖。本發明的第二實施例的三維列印方法適於應用在上述的三維列印裝置100，請參照 圖1及圖2B，本發明的第二實施例在提供光固化材料200到儲存槽130(步驟S21)後利用雷射光源110發出成型光束L(步驟S22)，接著利用光學反射元件120反射成型光束L來照射部分光固化材料200(步驟S23)，進而形成三維物體230(步驟S24)。

本實施例的三維列印方法在三維物體230形成後移除未固化的光固化材料200(步驟S25)。上述未固化的光固化材料200的移除例如是通過將形成的三維物體230自儲存槽130中的光固化材料200拉出，進而取得三維列印裝置100所逐層固化並堆積而成的三維物體230。

接著，本實施例的三維列印方法繼續以成型光束L照射三維物體230，使三維物體230可以進一步固化。由於三維物體230是由光固化材料200所形成，因此三維物體230中的螢光粉體220也會在被光束L2激發後發出螢光光束L3來照射四周的高分子樹脂210。所以，本實施例的三維列印方法還可以進一步提升三維物體230在後端固化的效率。

圖3是依照本發明的第三實施例的三維列印裝置的示意圖。請參照圖3，本發明的第三實施例的三維列印裝置100A包括發光光源110A、光閥120A、透鏡150A、儲存槽130、載臺140，其中儲存槽130和載臺140與上述的儲存槽130及載臺140大致相同。發光光源110A、光閥120A和透鏡150A適於提供波長位於固化波段的光束至儲存槽130中的光固化材料200。

圖4A是依照本發明的第三實施例的三維列印方法的流程示意圖。請參照圖3及圖4A，本實施例的三維列印方法在步驟S31中提供光固化材料200至例如是儲存槽130中，例如是液狀的光固化材料200在儲存槽130中的區域B2形成成型材料層，以方便三維列印裝置100A做後續加工。

本實施例的三維列印方法在提供光固化材料200後，在步驟S32中以波長位於固化波段內的光束L1照射至少部分光固化材料200。本實施例的光束L1在經由光閥120A反射後經透鏡150A投射至區域B2，且光閥120A適於讓光束L1在反射後具有不同的亮暗分布，因此光束L1可以照射區域B1中的部分光固化材料200，進而形成第一三維物體240(步驟S33)。

上述第一三維物體240的形成是通過光固化材料200中的高分子樹脂210的固化，且本實施例的三維列印方法在第一三維物體240形成後移除未固化的部分光固化材料200(步驟S34)，進而再以波長位於激發波段的光束來照 射第一三維物體240(步驟S35)。由於第一三維物體240是由光固化材料200所形成，其中具有螢光粉體220。因此，第一三維物體240在被波長位於激發波段的光束照射時，上述的光束可以激發第一三維物體240中的螢光粉體220，螢光粉體220發出的螢光光束可以讓第一三維物體240進一步固化，進而形成第二三維物體(步驟S36)。

由於本實施例的三維列印方法先在步驟S33通過光束L1照射光固化材料200來形成第一三維物體240，接著再由波長位於激發波段的光束照射第一三維物體240來形成第二三維物體，且螢光粉體220在被激發後是從第一三維物體240中發出螢光光束，因此可以有效率且良好地固化並形成第二三維物體，進一步提升後端固化的效率。

圖4B是依照本發明的第四實施例的三維列印方法的流程示意圖。本發明的第四實施例的三維列印方法適於應用在上述的三維列印裝置100A，請參照圖3及圖4B，本發明的第四實施例在提供光固化材料200到儲存槽130(步驟S41)後利用發光光源110A發出位於固化波段內的光束L1(步驟S42)，接著利用例如是數字微反射鏡元件(Digital Micro-mirror Device,簡稱為：DMD)的光閥120A反射成型光束L1，並通過透鏡150A來投射光束L1至光固化材料200(步驟S43)，進而形成第一三維物體240(步驟S44)。

接著，本實施例的三維列印方法在移除未固化的部分光固化材料200(步驟S45)後，同時以波長位於激發波段內的光束及波長位於固化波段內的光束照射第一三維物體240(步驟S46)。第一三維物體240在上述這些光束的照射下進一步固化，進而形成第二三維物體(步驟S47)。

詳細來說，本實施例的三維列印方法同時通過外界光束及螢光粉體所發出的螢光光束來固化高分子樹脂，因此第二三維物體的形成效率可以大幅提升。另一方面，本實施例的三維列印方法可以應用在例如是數位化光處理(DLP)的三維列印技術中，且上述的發光光源110A例如是可見光光源。

另一方面，在本發明的上述實施例中，螢光粉體220的粒徑落在1微米至20微米的範圍內，因此螢光粉體220可以良好地摻雜於高分子樹脂210中，以避免螢光粉體220的粒徑過大而造成沉積現象的發生。

上述的螢光粉體220在光固化材料200的重量百分比不超過百分之十，因此螢光粉體220不會影響到光固化材料200固化後的材料性質。

本發明上述的螢光粉體的材質例如包括Y2SiO5:Ce、(Zn,Cd)S:Cu、CaWO4，其適於發出波長接近350納米(nanometer,簡稱為：nm)至450納米的螢光光束，但本發明不限於此。

綜上所述，本發明的實施例的光固化材料具有摻雜於高分子樹脂中的螢光粉體，高分子樹脂不但可以通過外來光束的照射而固化，還可以在螢光粉體所激發出的光束的照射下固化，因此本發明的實施例的三維列印方法可以讓光固化材料更有效率得形成三維物體。另一方面，本發明的實施例的三維列印方法將光固化材料形成三維物體後，三維物體在特定波長的光束的照射下可以通過其中螢光粉體的激發來提高進一步固化的效率。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。