CN108357097A - 一种基于手机的连续面成型3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于手机的连续面成型3D打印机，通过树脂槽底层的透氧层实现光路和氧气的同时通入，利用氧气抑制底层光固化反应从而形成非固化层，防止固化层与底板的粘结，从而可以连续、快速进行打印，结合手机等移动设备进行场地灵活的3D扫描并生成掩膜视频，可提高3D打印的灵活性和实效性，满足人们日常生活中实时定制3D打印产品的需求。

Description

一种基于手机的连续面成型3D打印设备
技术领域
本发明属于涉及3D打印机，尤其涉及一种基于手机的连续面成型3D打印设备。
背景技术
3D打印是一种快速成型的技术，也被称为增材制造(AM)或层状成型。光固化3D打印的原理是在可控的光照区域内逐层固化，通过逐层固化叠加后生成三维实体模型。但这种逐点扫描光固化方式具有以下不足：成形效率低，耗时长；固化时存在较大的收缩，工件产生翘曲变形。在逐点扫描光固化技术发展趋于成熟的背景下，基于面层成形的光固化成形技术应运而生。
现有的面层成形的光固化成形技术主要为DLP技术，包括上投式和下投式，上投式每次成型平台下降时需要刮板将液面刮平，以减小树脂表面张力的影响，因此效率较低，且厚度控制没有下投式精准。下投式设备一般包括位于置于树脂槽下方的DLP成像系统，其成像面正好位于树脂槽底部，通过能量及图形控制，每次可固化一定厚度及形状的薄层树脂(该层树脂与前面切分所得的截面外形完全相同)。液槽上方设置一个提拉机构，每次截面曝光完成后向上提拉一定高度(该高度与分层厚度一致)，使得当前固化完成的固态树脂与液槽底面分离并粘接在提拉板或上一次成型的树脂层上，这样，通过逐层曝光并提升来生成三维实体。
但该方法固化成型的零件易与底板粘结而破坏打印过程，且分层打印在堆叠方向上的抗剪切能力差，无法实现小批量快速生产。
随着3D打印技术的普及，除了工业化的批量生产，在生活中人们也希望能快速、灵活的定制打印产品，而现有的3D打印技术通过3D扫描仪扫描目标，形成3D模型文件，再打印成型，这样只能在同一地点扫描、打印，无法实时获取要打印的模型。另外现有的DLP 3D打印机体积大、重量大、一般适用于工业上制造大型物件，一次性需要使用的树脂多，单次打印成本高，不适合家庭使用或是制做一些体积较小的高精度物品.
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于手机的连续面成型3D打印设备，可根据用户需求实时扫描或在线下载想要打印的物体，并进行连续快速打印，本发明体积小巧、携带方便、应用简单，同时节省材料，打印精度高。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于手机的连续面成型3D打印设备，包括控制系统、升降机构、加工平台、树脂槽，所述树脂槽内盛装有光敏树脂，所述加工平台与树脂槽的底部之间的光敏树脂通过光固化形成固化层，所述树脂槽的底部包括透明底板，所述控制系统的第一输出端连接升降机构的输入端，升降机构的控制端连接加工平台，其特征在于：
所述透明底板为透氧层，可允许氧气穿透，所述氧气可作为光固化抑制剂，在所述固化层与透氧层之间形成非固化层；
在所述透明底板的下方包括掩膜仓，用于放置掩膜发生器；
所述掩膜发生器由上至下包括偏光片、手机，所述手机的发光面对准偏光片，所述手机用于发生光源并生成动态掩膜，所述偏光片用于过滤目标频谱以外的光线。
优选地，所述树脂槽中设置有深入光敏树脂的液位测量仪，所述树脂槽的上方设置有储液槽，所述储液槽内盛装有备用的光敏树脂，通过第一控制阀与树脂槽连通，所述液位测量仪的输出端连接控制系统的输入端，所述控制系统的第二输出端连接第一控制阀的输入端。
优选地，所述树脂槽的液面底层连接有抽液泵，所述抽液泵的抽液管的输出端位于储液槽中，用于在打印完成后将剩余的光敏树脂回收至储液槽，所述控制系统的第三输出端连接抽液泵的输入端。
优选地，所述液位测量仪包括由树脂槽中的光敏树脂液封的气体以及气体压力传感器，所述气体压力传感器的输出端作为所述液位测量仪的输出端。
优选地，所述透氧层为有机硅材料、聚硅氧烷化合物、聚氨酯材料、无定型氟聚合物中任一种或几种的组合制成的薄膜元件。
优选地，所述无定型氟聚合物为以全氟聚醚为主链结构的化合物，所述有机硅材料为以硅氧键为主链骨架结构组成的化合物。
优选地，所述升降机构包括微型伺服电机、Z轴线性滑台、升降臂，所述微型伺服电机与Z轴线性滑台通过滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杆带动升降臂进行Z轴上的升降运动。
优选地，所述第一控制阀为先导式液体电磁阀。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述3D打印设备的打印方法，包括如下步骤：
S1：获得待打印物品的黑白二值的动态掩膜并存储于手机；
S2：将所述手机正面朝上放置于所述掩膜仓内，根据所述动态掩膜在打印平台与透氧层之间打印获得固化层，同时在固化层与透氧层之间形成非固化层，用于分离所述固化层与透氧层；
S3：逐层上升加工平台进行打印，直至打印完成。
优选地，S1中获得动态掩膜的方法为在线下载或S11～S13：
S11：用手机的摄像头获取打印物体的不同方位的连续多帧图像；
S12：根据所述图像获取打印物体的轮廓信息进而获得3D打印的立体源文件；
S13：根据所述立体源文件获得切片信息，根据所述切片信息获得所述动态掩膜。
优选地，在S3中打印的过程还包括如下步骤：
S31：实时获取树脂槽中的光敏树脂的液面信息，根据液面信息补充储液槽中的光敏树脂至树脂槽中。
优选地，在S3之后还包括如下步骤：
S4：关闭所述储液槽的第一控制阀，停止补充所述光敏树脂，通过抽液泵将树脂槽中的光敏树脂回收至储液槽中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、将透明底板设置成透氧层，通过引入氧气来抑制底层的光敏树脂固化，形成非固化层，从而实现固化层与底板的即时分离，保证了光固化打印的连续性，使得光固化打印的速度大大提升，从而可以适用于移动设备如手机的快速打印。
2、利用手机的摄像头以及发光屏等配置，将三维扫描仪与掩膜发生器的功能植入手机中，方便人们实时、灵活的定制想要打印的物品。
3、利用掩膜仓屏蔽外界的光线干扰，利用偏光片可过滤目标频谱以外的光线。
4、设置储液槽实时补充树脂槽中的光敏树脂，解决连续面成型打印设备速度快而光敏树脂消耗快导致打印原料不足、中断打印的问题。
5、利用抽液泵可在打印完成后回收剩余的光敏树脂，从而节约原料，且更加环保。
6、升降机构采用微型伺服电机和滚珠丝杠配合，可提高打印精度，使打印的产品更加精致。
附图说明
图1是本申请3D打印设备的装置结构图；
其中：
1-控制系统，2-微型伺服电机，3-1-Z轴线性滑台，3-2-升降臂，3-3加工平台，4-1-树脂槽，4-2透氧层，4-3-掩膜仓，4-4-偏光片，5-1光敏树脂，5-2-固化层，5-3-非固化层，6-手机，7-1-气体压力传感器，7-2-储液槽，7-21-第一控制阀，7-3-抽液泵，7-4-导线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开了一种基于手机的连续面成型3D打印机，通过树脂槽底层的透氧层实现光路和氧气的同时通入，利用氧气抑制底层光固化反应从而形成非固化层，防止固化层与底板的粘结，从而可以连续、快速进行打印，结合手机等移动设备进行场地灵活的3D扫描并生成掩膜视频，可提高3D打印的灵活性和实效性，满足人们日常生活中实时定制3D打印产品的需求。
如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种基于手机的连续面成型3D打印设备，包括控制系统1、升降机构、加工平台3-3、树脂槽4-1，所述树脂槽4-1内盛装有光敏树脂5-1，所述加工平台3-3与树脂槽4-1的底部之间的光敏树脂5-1通过光固化形成固化层5-2，所述树脂槽4-1的底部包括透明底板，所述控制系统1的第一输出端连接升降机构的输入端，升降机构的控制端连接加工平台3-3，其特征在于：
所述透明底板为透氧层4-2，可允许氧气穿透，所述氧气可作为光固化抑制剂，在所述固化层5-2与透氧层4-2之间形成非固化层5-3；
在所述透明底板的下方包括掩膜仓4-3，用于放置掩膜发生器；
所述掩膜发生器由上至下包括偏光片4-4、手机6，所述手机6的发光面对准偏光片4-4，所述手机6用于发生光源并生成动态掩膜，所述偏光片4-4用于过滤目标频谱以外的光线。
所述树脂槽4-1中设置有深入光敏树脂5-1的液位测量仪，所述树脂槽4-1的上方设置有储液槽7-2，所述储液槽7-2内盛装有备用的光敏树脂5-1，通过第一控制阀7-21与树脂槽4-1连通，所述液位测量仪的输出端连接控制系统1的输入端，所述控制系统1的第二输出端连接第一控制阀7-21的输入端。
所述树脂槽4-1的液面底层连接有抽液泵7-3，所述抽液泵7-3的抽液管的输出端位于储液槽7-2中，用于在打印完成后将剩余的光敏树脂5-1回收至储液槽7-2，所述控制系统1的第三输出端连接抽液泵7-3的输入端。
所述液位测量仪包括由树脂槽4-1中的光敏树脂5-1液封的气体以及气体压力传感器7-1，所述气体压力传感器7-1的输出端作为所述液位测量仪的输出端。
所述透氧层4-2为有机硅材料、聚硅氧烷化合物、聚氨酯材料、无定型氟聚合物中任一种或几种的组合制成的薄膜元件。
所述无定型氟聚合物为以全氟聚醚为主链结构的化合物，所述有机硅材料为以硅氧键为主链骨架结构组成的化合物。
所述升降机构包括微型伺服电机2、Z轴线性滑台3-1、升降臂3-2，所述微型伺服电机2与Z轴线性滑台3-1通过滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杆带动升降臂3-2进行Z轴上的升降运动。
所述第一控制阀7-21为先导式液体电磁阀。
所述3D打印设备的打印方法包括如下步骤：
S1：获得待打印物品的黑白二值的动态掩膜并存储于手机；
S2：将所述手机6正面朝上放置于所述掩膜仓4-3内，根据所述动态掩膜在打印平台与透氧层4-2之间打印获得固化层5-2，同时在固化层5-2与透氧层4-2之间形成非固化层5-3，用于分离所述固化层5-2与透氧层4-2；
S3：逐层上升加工平台3-3进行打印，实时获取树脂槽4-1中的光敏树脂5-1的液面信息，根据液面信息补充储液槽7-2中的光敏树脂5-1至树脂槽4-1中，直至打印完成；
S4：关闭所述储液槽7-2的第一控制阀7-21，停止补充所述光敏树脂5-1，通过抽液泵7-3将树脂槽4-1中的光敏树脂5-1回收至储液槽7-2中。
所述S1中获得动态掩膜的方法为在线下载或S11～S13：
S11：用手机的摄像头获取打印物体的不同方位的连续多帧图像；
S12：根据所述图像获取打印物体的轮廓信息进而获得3D打印的立体源文件；
S13：根据所述立体源文件获得切片信息，根据所述切片信息获得所述动态掩膜。
综上所述，本申请基于上述技术方案省去了固化层与透明底板分离的过程，可实现连续打印，由手机提供连续的掩膜视频，打印平台可连续上升，大幅提升打印速度，同时提高堆叠方向上的抗剪切能力，使打印产品更加精致、牢固，解决了现有的DLP技术层与层之间需要停顿、打印效率较低、耗时长，且在堆叠方向上的抗剪切能力差、精度低的问题，并解除了3D打印设备使用的场地限制，使3D打印更普及生活。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于手机的连续面成型3D打印设备，包括控制系统、升降机构、加工平台、树脂槽，所述树脂槽内盛装有光敏树脂，所述加工平台与树脂槽的底部之间的光敏树脂通过光固化形成固化层，所述树脂槽的底部包括透明底板，所述控制系统的第一输出端连接升降机构的输入端，升降机构的控制端连接加工平台，其特征在于：
所述透明底板为透氧层，可允许氧气穿透，所述氧气可作为光固化抑制剂，在所述固化层与透氧层之间形成非固化层；
在所述透明底板的下方包括掩膜仓，用于放置掩膜发生器；
所述掩膜发生器由上至下包括偏光片、手机，所述手机的发光面对准偏光片，所述手机用于发生光源并生成动态掩膜，所述偏光片用于过滤目标频谱以外的光线。
2.如权利要求1所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述树脂槽中设置有深入光敏树脂的液位测量仪，所述树脂槽的上方设置有储液槽，所述储液槽内盛装有备用的光敏树脂，通过第一控制阀与树脂槽连通，所述液位测量仪的输出端连接控制系统的输入端，所述控制系统的第二输出端连接第一控制阀的输入端。
3.如权利要求2所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述树脂槽的液面底层连接有抽液泵，所述抽液泵的抽液管的输出端位于储液槽中，用于在打印完成后将剩余的光敏树脂回收至储液槽，所述控制系统的第三输出端连接抽液泵的输入端。
4.如权利要求2所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述液位测量仪包括由树脂槽中的光敏树脂液封的气体以及气体压力传感器，所述气体压力传感器的输出端作为所述液位测量仪的输出端。
5.如权利要求1～4中任一项所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述透氧层为有机硅材料、聚硅氧烷化合物、无定型氟聚合物中任一种或几种的组合制成的薄膜元件。
6.如权利要求5所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述升降机构包括微型伺服电机、Z轴线性滑台、升降臂，所述微型伺服电机与Z轴线性滑台通过滚珠丝杆连接，所述滚珠丝杆带动升降臂进行Z轴上的升降运动。
7.如权利要求6所述的连续面成型3D打印设备，其特征在于，所述第一控制阀为先导式液体电磁阀。
8.一种基于权利要求1所述的3D打印设备的打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：用手机摄像头扫描或在线下载获得待打印物品的黑白二值的动态掩膜并存储于手机；
S2：将所述手机正面朝上放置于所述掩膜仓内，根据所述动态掩膜在打印平台与透氧层之间打印获得固化层，同时在固化层与透氧层之间形成非固化层，用于分离所述固化层与透氧层；
S3：逐层上升加工平台进行打印，直至打印完成。
9.如权利要求8所述的打印方法，其特征在于，在S3中打印过程还包括如下步骤：
S31：实时获取树脂槽中的光敏树脂的液面信息，根据液面信息补充储液槽中的光敏树脂至树脂槽中。
10.如权利要求9所述的打印方法，其特征在于，在S3之后还包括如下步骤：
S4：关闭所述储液槽的第一控制阀，停止补充所述光敏树脂，通过抽液泵将树脂槽中的光敏树脂回收至储液槽中。
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