CN101301792B - 一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法及装置，其装置由计算机、液晶空间光调制器、凸透镜、紫外灯、椭球反光镜、树脂槽、托板、升降装置以及刮平装置组成。实现手段是通过GS算法计算出模型截面图的相位灰度图，把相位灰度图输入到液晶空间光调制器的控制单元。平行紫外光通过液晶空间光调制器后照射在液态光敏树脂表面。控制曝光方式，待成型层达到一定固化程度后，将成型平台下降相当于一个层厚的高度，在已成型表面涂敷一层一定厚度的液态光敏树脂，然后再进行下一层的固化，逐层曝光照射，直至快速成型件制作完成。本发明将激光光束整形技术融入到光固化快速成型工艺，速度快，工艺简单，成本较低，适于自动化生产。

Description

一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法及装置

技术领域

本发明涉及快速成型领域，特指一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法及装置，此方法具有成型速度快、成本低等优点，能够广泛的应用于快速成型领域。

发明背景

快速成型是20世纪80年代末期产生和发展起来的一种新型制造技术，是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNN)、激光、新材料、精密伺服等多项技术的发展和综合。围绕采用计算机控制技术产生了一系列快速成型方法。如Charles Hul开发的SLA(Stereolithography Apparatus)法，于1984年获美国专利(专利号US4575330)，1988年美国3D System公司根据该工艺推出商品化样机SLA-I，是世界上第一台快速成型机；美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功LOM(Laminated ObjectManufacturing)法；美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功SLS(Selective Laser Sintering)法；美国学者Scott Crump于1988年研制成功FDM(FusedDeposition Modeling)法；美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制出3DP(ThreeDimension Printing)法；以色列CUBITAL公司提出的SGC(Solid Ground Curing)法。以上发明或技术的一个共同特点是通过有序地添加材料来达到零件设计要求，不同于传统的通过有序地从基体上分离材料的加工方式。目前，各种方法的关键问题都集中在制造成本、制造速度和制造精度等方面。

在诸多的RP(Rapid Prototyping)方法中，发展较快、应用较广的是液态光敏树脂选择性固化成型方法。与此相关的方法主要是SLA法和SGC法。SLA法(专利号US4575330)又称立体光刻法，这种方法基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。光敏材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，材料从液态转变成固态。紫外激光束在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化，光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化，当一层扫描完成后，再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。其缺点之一是：扫描由点成线，再由线组成面，耗时较长，成型速度较慢；缺点之二是：激光管昂贵且寿命有限，此方法投入和运行成本较高。SGC法也称为掩模固化法，它使用类似投影胶片的漏光板，通过漏光板产生与模型截面图相一致的光影并照射在液态光敏树脂表面使树脂固化成型，这种方法虽然以面曝光的方式取代了逐点扫描的方式，提高了成型速度，但是使用该方法需要事先为成型模型的每一层制作一张漏光板，程序繁杂、使用成本高、自动化程度较低，因此该方法一直没有被推广使用。本发明采用液晶空间光调制器和紫外灯作为成型器件，降低了成本，提高了成型速度。

发明内容：

本发明的目的是提供一种光固化快速成型方法，以及实现该方法的装置。该装置采用紫外光源，通过液晶空间光调制器，将整形后的光束照射到液态光敏树脂表面，控制曝光时间，通过升降装置的升降，层层照射，固化，叠加，实现快速成型件的制作。

本发明所说的光固化快速成型方法，包括以下步骤：

(1)计算机对需要成型的工件模型进行分层处理，得到模型截面图；

(2)在计算机中计算出各模型截面图所对应的相位图，并将这些相位图依次输入到液晶空间光调制器的控制单元上；

(3)利用升降装置控制托板在树脂槽中下降一定深度，在刮平装置的作用下，在托板表面形成一层一定厚度的树脂；

(4)紫外灯射出的光通过椭球反光镜反射，并通过凸透镜的会聚形成平行紫外光照射到液晶空间光调制器上；

(5)计算机控制液晶空间光调制器以设定的方式曝光，将光斑照射到托板表面的树脂层，形成一固化层；

(6)托板在升降装置的带动下，下降一个层厚度的距离，已固化层表面将形成一层新的液态树脂层，在刮平装置的作用下，保证新的液态树脂层厚度均匀，表面平整；

(7)将下一层截面图的相位图输入到液晶空间光调制器的控制单元上，通过液晶空间光调制器的紫外光照射到托板表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结；

(8)重复步骤5～步骤7，直至模型完成。

在上述方法中，根据设计的功能需要，可调节椭球反光镜与凸透镜之间的距离，使紫外灯射出的紫外光经椭球反光镜反射后在凸透镜的焦点处聚焦。

在上述方法中，根据设计的功能需要，计算机通过数据线将算法程序计算得到的相位图输入到液晶空间光调制器的控制单元，控制单元按查找表将相位灰度图转化为空间光调制器的每一像素上的相位值。不同形状的截面图只需要调节液晶空间光调制器上每一像素上的相位值。

本发明提供的实现上述光固化快速成型方法的装置，包括计算机1、液晶空间光调制器2、光源系统和成型系统，液晶空间光调制器2和成型系统依次位于光源系统正下方，计算机1与液晶空间光调制器2相连；其中，所说的光源系统由凸透镜3、紫外灯4和椭球反光镜5构成，凸透镜3、紫外灯4和椭球反光镜5的轴心在同一条中心线上，椭球反光镜5开口向下，罩在紫外灯4外，在紫外灯4下方是凸透镜3；所说的成型系统由树脂槽6、托板7、升降装置8和刮平装置9构成；托板7设置在树脂槽6内，并受升降装置8控制能在树脂槽6内上下移动；刮平装置9设置在托板7的上方。

根据设计的功能需要，需将紫外灯、椭球反光镜、凸透镜的轴心保持在同一条中心线上，确保紫外光通过凸透镜后为平行光。

在上述所说的计算机1中具有分层处理软件，以及通过GS算法编写的相位图计算程序。

在上述装置中，根据设计的功能需要，椭球反光镜反射光的聚焦点与凸透镜的焦点重合。

本发明和传统的激光扫描光固化成型系统相比，采用了紫外灯和液晶空间光调制器作为光固化成型器件，替代了价格昂贵的紫外激光器和扫描器，另外，基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方式为面曝光成型方式，照射光斑形状可以动态改变，所以，基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方式具有成型速度快、成本低等优点，能够广泛的应用于快速成型领域。

附图说明：

图1是根据本发明提出的基于液晶空间光调制器的光固化快速成型装置示意图。

其中，1.计算机；2.液晶空间光调制器；3.凸透镜；4.紫外灯；5.椭球反光镜；6.树脂槽；7.托板；8.升降装置；9.刮平装置

图2是GS算法流程图

具体实施方式：

本发明提出的基于液晶空间光调制器的光固化快速成型装置如图1所示。由计算机1、液晶空间光调制器2、凸透镜3、紫外灯4、椭球反光镜5、树脂槽6、托板7、升降装置8、刮平装置9组成；凸透镜3、紫外灯4和椭球反光镜5的轴心在同一条中心线上，椭球反光镜5开口向下，罩在紫外灯4外，紫外灯4射出的紫外光通过椭球反光镜5的反射光聚光点与凸透镜3的焦点重合；凸透镜3的正下方是液晶空间光调制器2，液晶空间光调制器2通过数据线连接到计算机1；液晶空间光调制器2正下方是成型系统，成型系统由树脂槽6、托板7、升降装置8、刮平装置9组成，托板7设置在树脂槽6内，并受升降装置8控制能在树脂槽6内上下移动；刮平装置9设置在托板7的上方，用于将托板7上的液态树脂层或已成型的工件表面形成均匀厚度的树脂层。

实施过程具体如下：

首先是利用计算机1中的分层处理软件对需要制造的工件三维数字化模型进行分层处理，得到一系列的截面图，分层的厚度，根据实际的精度来确定，分层厚度越小得到的截面图数量越多，但精度也越高。

然后根据GS算法在计算机1内编写程序用于计算分层处理后得到的一系列截面图的相位图，GS算法流程如图2所示，基本步骤可以概括为：

1.给定二元光学元件的初始相位分布

(以后每次迭代使用步骤5得到的相位分布)，与入射光的振幅|U(x，y)|构成入射的波函数f_n(x，y)；

2.对f_n(x，y)作傅立叶变换得到g_n(u，v)；

3.用g_n(u，v)的相位部分和希望得到的振幅|G(u，v)|构成g_n′(u，v)；

${g_n}^{\′}(u,v)=\left|G(u,v)\right|\·e^{i{\mathrm{\ψ}}_n}$

4.对g_n′(u，v)作逆傅立叶变换得到f_n+1′(x，y)；

5.用f_n+1′(x，y)的相位和入射光的振幅|U(x，y)|构成下一次迭代的入射波函数f_n(x，y)；

6.重复以上步骤直到设计精度满足预期要求或达到最大迭代次数。

优化得到的位相结构是一幅相位图，将相位图输入到液晶空间光调制器2的控制单元，控制单元按查找表将相位灰度图转化为液晶空间光调制器2的每一像素上的相位值，不同的截面图只需要改变像素上的相位值即可。

利用控制升降装置8带动托板7在树脂槽6内升降，树脂自动流向托板7表面，在刮平装置9的作用下，在托板7表面形成一层一定厚度的树脂，厚度大小由分层时采用的分层厚度决定。

打开紫外灯4，紫外灯4射出的光通过椭球反光镜5反射，并通过凸透镜3的会聚形成平行紫外光照射到液晶空间光调制器2上，由于液晶空间光调制器2的每一像素上都有根据相位灰度图转化而来的相位值，使得紫外光被相位调制，得到与模型截面图相一致的光斑形状。

利用计算机1控制液晶空间光调制器2以设定的方式曝光，将整形后的光斑照射到托板7表面的树脂层，液态树脂受到紫外光照射，发生光聚合反应形成一固化层。

托板7在升降装置8的带动下，下降一个层厚度的距离，已固化层表面将形成一层新的液态树脂层，在刮平装置9的作用下，保证新的液态树脂层厚度均匀，表面平整。

将下一层截面图的相位图输入到液晶空间光调制器2的控制单元上，通过液晶空间光调制器2的紫外光被重新调制整形后照射到托板7表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结，重复操作直至整个模型完成。

Claims (4)

1.一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算机对需要成型的工件模型进行分层处理，得到模型截面图；

(2)在计算机中计算出各模型截面图所对应的相位图，并将这些相位图依次输入到液晶空间光调制器的控制单元上；

(3)利用升降装置控制托板在树脂槽中下降一定深度，在刮平装置的作用下，在托板表面形成一层一定厚度的树脂；

(4)紫外灯射出的光通过椭球反光镜反射，并通过凸透镜的会聚形成平行紫外光照射到液晶空间光调制器上；

(5)计算机控制液晶空间光调制器以设定的方式曝光，将光斑照射到托板表面的树脂层，形成一固化层；

(6)托板在升降装置的带动下，下降一个层厚度的距离，已固化层表面将形成一层新的液态树脂层，在刮平装置的作用下，保证新的液态树脂层厚度均匀，表面平整；

(7)将下一层截面图的相位图输入到液晶空间光调制器的控制单元上，通过液晶空间光调制器的紫外光照射到托板表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结；

(8)重复步骤(5)～步骤(7)，直至模型完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法，其特征在于，调节椭球反光镜与凸透镜之间的距离，使紫外灯射出的紫外光经椭球反光镜反射后在凸透镜的焦点处聚焦。

3.根据权利要求1所述的一种基于液晶空间光调制器的光固化快速成型方法，其特征在于，液晶空间光调制器的控制单元接收计算机传递来的相位图，并将相位灰度图转化为液晶空间光调制器每一像素上的相位值；液晶空间光调制器对通过它的紫外光进行调制整形。

4.一种实现权利要求1所述的光固化快速成型方法的装置，其特征在于，包括计算机(1)、液晶空间光调制器(2)、光源系统和成型系统，液晶空间光调制器(2)和成型系统依次位于光源系统正下方，计算机(1)与液晶空间光调制器(2)相连；其中，所说的光源系统由凸透镜(3)、紫外灯(4)和椭球反光镜(5)构成，凸透镜(3)、紫外灯(4)和椭球反光镜(5)的轴心在同一条中心线上，椭球反光镜(5)开口向下，罩在紫外灯(4)外，在紫外灯(4)下方是凸透镜(3)；所说的成型系统由树脂槽(6)、托板(7)、升降装置(8)和刮平装置(9)构成；托板(7)设置在树脂槽(6)内，并受升降装置(8)控制能在树脂槽(6)内上下移动；刮平装置(9)设置在托板(7)的上方。

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