CN101579925B - 一种光固化快速成形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光固化快速成形系统，其结构为：透明物料盘位于保护罩内，用于装液态光敏树脂，导杆位于透明物料盘旁，滑块安装在导杆上，成形台安装在滑块上，并位于透明物料盘上方，导杆与步进电机相连；数字微镜器件位于透明物料盘下方，且位于紫外汞灯的出射光路上，数字微镜器件外套有聚光罩。本发明提高了产品成形效率，产品的精度，降低了光固化快速成形系统的硬件要求和运行成本。本发明为新产品的低成本快速开发提供了一种新的快速成形方法，它的购置和运行成本低，可被广泛应用于中小型企业。

Description

一种光固化快速成形系统

技术领域

本发明属于快速制造领域，具体涉及一种基于数字微镜技术的新型光固化快速成形系统

背景技术

光固化成形技术(Stereolithography Apparatus，SLA)是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成形方法之一。它利用光能的化学和热作用可使液态树脂材料产生变化的原理，对液态树脂进行有选择地固化，可在不接触液态树脂材料的情况下制造出所需的三维实体模型。传统SLA方法通常是用振镜式扫描系统将激光束逐点扫描到树脂表面使之曝光固化，这种成形系统具有以下缺点：(1)采用激光光源，成本大，寿命短；(2)采用振镜式点扫描方式，扫描速度慢且成形精度低；(3)从上往下的照射扫描方式，浪费光敏树脂材料，材料利用率低；(4)系统采用三轴运动机构，加工复杂，且控制精度不高。正是由于这些缺点存在，导致了传统SLA的成本高，限制了该技术的大规模推广应用。

“立体光固化快速成型技术(SLA)的应用及发展”([J]，新技术新工艺2008.2---55-57)介绍了一种新的立体光固化快速成型技术的应用及其发展的前景，其技术方案为：液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制，光点扫描到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的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，未被照射的地方仍是液态树脂；然后，升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又被一层新的树脂覆盖，刮平器将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描；新固化的一层牢固地黏在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。该技术方案采用激光光源，导致成本大，寿命短；采用振镜式点扫描方式，其扫描速度慢且成形精度低；采用从上往下的照射扫描方式，浪费光敏树脂材料，材料利用率低；系统采用三轴运动机构，加工复杂，且控制精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光固化快速成形系统，该系统克服了现有光固化成形系统中点扫描慢、成形效率低、系统和运行成本昂贵等缺点。

本发明提供的光固化快速成形系统，其特征在于：该系统包括保护罩、滑块、导杆、透明物料盘、步进电机、聚光罩、数字微镜器件、成形台和紫外汞灯；

透明物料盘位于保护罩内，用于装液态光敏树脂，导杆位于透明物料盘旁，滑块安装在导杆上，成形台安装在滑块上，并位于透明物料盘上方，导杆与步进电机相连；

数字微镜器件位于透明物料盘下方，数字微镜器件外套有聚光罩，工作时，紫外汞灯发出的光照射至上数字微镜器件。

针对传统光固化快速成形系统存在的不足，本发明对其不足进行了改进，并在此基础上提出了一种新的光固化快速成形系统。该系统不仅提高了产品成形效率，还降低了光固化快速成形系统的硬件要求和运行成本。具体而言，本发明具有以下特点：

(1)现有的光固化成形系统一般采取激光作为光源，而本系统采取紫外灯作为光源，优点在于紫外灯价格便宜，容易维护，况且使用寿命长。

(2)利用数字微镜技术(Digital Micromirror Device，DMD)代替昂贵的振镜式扫描系统来动态控制有效成形区间。

(3)利用约束液面型成形系统(光源由下部隔着一层玻璃往上照射的成形方式)代替了自由液体型成形系统(光源由上部对液态树脂进行扫描的成形方式)，液态光敏树脂材料无需填满整个成形空间，节省光敏树脂，提高了材料的利用率。

(4)本系统单轴(Z)运动，而无X、Y轴运动，与现有光固化系统的三轴运动机构相比，具有控制简单且精确、系统运行稳定等特点。

本发明为新产品的低成本快速开发提供了一种新的快速成形方法，它的购置和运行成本低，可被广泛应用于中小型企业。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于数字微镜技术的新型光固化快速成形系统，该系统由加工成形系统和数字微镜器件投影装置两部分组成，下面结合附图1和实例对本发明作进一步地详细说明。

如图1所示，第一部分为加工成形系统，包括保护罩1、滑块3、导杆2、透明物料盘6、步进电机7和成形台10。

透明物料盘6用于装液态光敏树脂5，导杆2位于透明物料盘6旁，滑块3安装在导杆2上，成形台10安装在滑块3上，并位于透明物料盘6上方，导杆2与步进电机7，滑块3、导杆2、透明物料盘6和成形台10均位于保护罩1内。

第二部分为数字微镜投影装置，包括聚光罩8、紫外汞灯11和数字微镜器件(DMD)9。

数字微镜器件(DMD)9位于透明物料盘6下方，其上方套有聚光罩8。紫外汞灯11工作时，所发出的光照射至数字微镜器件(DMD)9上。

保护罩1是用来保护加工区域免造外界污染，主要是为了减少外界光对光敏树脂的照射，以免使其老化；透明物料盘6用于放置制作三维制件4的液态光敏树脂5；成形台10的下表面作为成型平台，用于粘结三维制件4。滑块3和导杆2组成滑块运动机构，由步进电机7来控制的，其运动速度随光敏树脂的固化速度而变化。

紫外汞灯11产生平行光照射到数字微镜(DMD)9上；数字微镜器件9作为紫外光的光学处理器，其作用是动态控制有效扫描区间；聚光罩8的作用是将紫外光集中照射到加工区域，提高光的利用率。

实例：步进电机7选用雷赛公司的86HS45，紫外汞灯选用北京市兴翌苑特种光源有限公司S25型，数字微镜器件9选用德州仪器有限公司生产的DMD芯片。其它部件可以采用铝型材，设计出来的结构具有较好的强度和刚度。

本发明系统的加工流程描述如下：

(1)采用三维造型软件设计出零件CAD模型，保存为STL文件，然后再利用快速成形上层软件对STL文件进行切片，转化为一系列的BMP格式文件(每一层的图形信息为一个BMP图像)，再将BMP文件的数据信息输送到本系统中的数字微镜器件的控制系统中。

(2)设置工艺参数，如紫外光功率、扫描速度和液态树脂材料的温度等。

(3)开启紫外灯，照射到数字微镜器件上，数字微镜器件根据所接收到的BMP格式文件来动态控制遮光模，被控制的紫外光照射到液态光敏树脂5上对应的加工区域。

(4)当加工区域接收到紫外光的照射时，光敏树脂感光固化，先形成第一层固化层，并固结在成形台10上，当固化完一层后，步进电机7控制成形台导杆上升0.025-0.3mm，继续加工固化下一层，重复前述过程，直到三维CAD模型加工完成。

如图1所示，在基于数字微镜器件的光固化成形系统中，卤化物辐射产生的光源，由数字微镜器件进行控制，将辐射固化光直接投射到树脂上。由于发射的光能够同时照射到已确定的区域上，使该区域各部分材料能够同时进行固化成形，使得系统可以利用截面投影固化成形方式来制造零件，与振镜式点扫描方式相比，在成本上，一片数字微镜器件配置光学系统后的成本只相当于一台紫外激光器和传统振镜式扫描系统的二十分之一；在制件的整体成形时间上，由于采用数字微镜器件后使用与传统SLA方法所不同的光照方式，相比一般SLA成形方法大大提高了产品的加工制造速度，提高了生产效率。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种光固化快速成形系统，其特征在于：该系统包括保护罩(1)、滑块(3)、导杆(2)、透明物料盘(6)、步进电机(7)、聚光罩(8)、数字微镜器件(9)、成形台(10)和紫外汞灯(11)；

透明物料盘(6)位于保护罩(1)内，用于装液态光敏树脂(5)，导杆(2)位于透明物料盘(6)旁，滑块(3)安装在导杆(2)上，成形台(10)安装在滑块(3)上，并位于透明物料盘(6)上方，导杆(2)与步进电机(7)相连；

数字微镜器件(9)位于透明物料盘(6)下方，数字微镜器件(9)外套有聚光罩(8)，工作时，紫外汞灯(11)发出的光照射至数字微镜器件(9)上。