CN103029301B

CN103029301B - 一种光固化快速成型装置及其方法

Info

Publication number: CN103029301B
Application number: CN201210592723.6A
Authority: CN
Inventors: 刘彦君; 蒋程宇; 张振宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-12-31
Also published as: WO2014101866A1; CN103029301A; US20150328833A1

Abstract

本申请实施例公开了一种光固化快速成型装置。该装置包括：用于承载流体状态的光敏树脂的承载体，用于展现二维图形的成像部件，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，以及用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源，所述光源与所述承载体位于所述成像部件异侧。本申请还公开了一种光固化快速成型方法，以及另一种光固化快速成型装置以及对应方法。本申请的实施例减小了光路复杂度，能够提高光固化快速成型的效果。

Description

一种光固化快速成型装置及其方法

技术领域

本申请涉及制造业中快速成型技术领域，特别是涉及一种光固化快速成型装置及其相应的方法。

背景技术

快速成型(RapidPrototyping，RP)技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术及新材料等技术基础之上发展起来的一项先进制造技术。该技术作为制造业企业新产品开发的一项关键共性技术，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。

快速成型技术根据使用材料、成型方式等的不同可划分为多种类别，其中较为常见的是光固化快速成型。光固化成型的原理是：利用流体状态的光敏树脂(UV)在光照下发生聚合反应的特点，将光源按照待成型物体的截面形状进行照射，使流体状态的光敏树脂固化成型。目前，利用流体状态的光敏树脂固化成型制作工件的光固化快速成型装置主要包括两种，即选择性激光固化装置(StereolithographyAppearance，SLA，又称为立体光固化成型装置)和DLP掩模光固化装置。前者采用激光振镜在流体形态的光敏树脂上扫描二维图形，使受照射部分的树脂固化粘附逐层累加形成工件；后者采用DLP投影仪在流体形态的光敏树脂上投射二维图形，使受照射部分的树脂固化粘附逐层累加形成工件。然而，这两种光固化快速成型装置由于或者采用激光振镜，或者采用DLP投影仪，而这种两种部件的光路复杂，存在较长延时，影响到光固化快速成型的效果，降低了光固化快速成型的效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种光固化快速成型装置及其对应的方法，以简化光固化快速成型的光路，提高光固化快速成型的效果。

本申请实施例提供的一种光固化快速成型装置包括：用于承载流体状态的光敏树脂的承载体，用于展现二维图形的成像部件，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，以及用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源，所述光源与所述承载体位于所述成像部件异侧。

优选地，所述装置还包括第一移动部件和第一输送部件，所述第一移动部件用于在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离所述光源的方向移动第一间隙，所述第一输送部件用于向所述承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第一间隙，所述第一间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度。

优选地，所述装置还包括第二移动部件和第二输送部件，所述第二移动部件用于在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将所述成像部件向远离所述承载体的方向移动第二间隙，所述第二输送部件用于向所述承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第二间隙，所述第二间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度。

进一步优选地，所述用于承载流体状态的光敏树脂的承载体为U型容器，所述用于展现二维图形的成像部件为液晶屏，所述用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源为波长在350至400纳米范围内的光源。

本申请实施例还提供了另一种光固化快速成型装置。该装置包括：用于承载流体状态的光敏树脂的承载体，用于展现二维图形的成像部件，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，以及用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源，所述光源与所述承载体位于所述成像部件同侧，所述装置还包括反射部件，所述反射部件用于反射所述光源的光，使反射的光可经过所述成像部件照射到流体状态的光敏树脂。

本申请实施例提供了一种光固化快速成型方法。该方法包括：

向承载流体状态的光敏树脂的承载体内注入流体状态的光敏树脂，在展现二维图形的成像部件上展现二维图形，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反；

使用与所述承载体位于所述成像部件异侧的光源照射所述成像部件，以便透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使流体状态的光敏树脂固化成型。

优选地，所述方法还包括：

在所述承载体内的流体状态光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离所述光源的方向移动第一间隙，所述第一间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度；

向所述承载体内注入新的流体状态的光敏树脂填充所述第一间隙；

使用与所述承载体位于所述成像部件异侧的光源照射所述成像部件，以便透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使新注入的流体状态的光敏树脂固化成型。

优选地，所述方法还包括：

在所述承载体内的流体状态光敏树脂固化成型后，将所述成像部件向远离所述承载体的方向移动第二间隙，所述第二间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度；

向所述承载体内注入新的流体状态的光敏树脂填充所述第二间隙；

本申请实施例提供的光固化快速成型装置包括承载流体状态的光敏树脂的承载体、展现二维图像的成像部件以及用于照射光敏树脂的光源，光源与承载体位于成像部件异侧或同侧，同侧时还包括发射部件。与现有技术相比，由于本申请实施例的光路部分仅由成像部件和光源组成，位置关系简单，降低了光固化过程的光路复杂度，减少了光路延迟，从而提高了光固化快速成型效果。此外，本申请实施例的装置结构简洁、部件数量少，降低了光固化快速成型装置的体积，而且，采用的成像部件相对于技术的激光振镜或DLP投影仪而言，制作成本低、使用材料少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的一种光固化快速成型装置实施例的组成结构示意图；

图2为本申请的另一种光固化快速成型装置实施例的组成结构示意图；

图3为本申请的基于图1、图2所述装置实施例的方法的流程图；

图4为本申请的基于再一种光固化快速成型装置实施例的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，该图示出了本申请的光固化快速成型装置实施例的组成结构。该实施例包括：承载体101、成像部件102和光源103，承载体101与光源103位于成像部件102的异侧，其中：

承载体101，该承载体用于承载流体状态的光敏树脂100，实际应用过程中，该承载体可以是具有包容形状的容器，比如U型容器，这通常适用于要求深度厚、边缘部分规整的成型对象，也可以体现为平板结构的载体，这通常适用于要求深度薄、面积大、主体部分规整的成型对象；

成像部件102，该部件用于展现待成型对象截面的二维图形，展现在成像部件上的二维图像通常可区分为两个连通区域，即二维图形本身包含的区域和二维图像之外成像部件表面范围之内的区域，这两部分区域的透明状态相反，即包括两种情形：一种情形是二维图形部分为暗色状态(不能透过光线)、其他部分为透明状态(可以透射光线)，另一种情形是二维图形部分为透明状态、其他部分为暗色状态。前者由于暗色部分不能透过光线，被该暗色区域遮住的光敏树脂将不发生聚合反应，不会固化成型，而其他部分则可以迅速固化，这种情形适用于制作包容二维图形的(镂空)模具，类似于汉字雕刻的阴刻法；后者由于暗色部分为二维图形之外的区域，这部分区域没有光照不发生聚合反应，不被固化，其他部分在光照下发生固化，这种情形适用于制作二维图形本身形状的工件，类似于汉字雕刻的阳刻法。本实施例的成像部件具体实现时可以是任何能够成像的物理设备，这里“成像”的含义可以是机械性的，比如，通过人工将待成型的目标成型体的截面图形粘附在成像部件的表面上，这通常适用于小规模的快速成型的场景；也可以是电子性的，比如通过自动化设备产生控制信号，在成像部件的表面成像出二维图像，常见的如液晶屏，可以通过电路控制液晶屏上的二维图形的形状，这较多地适用于大规模的快速成型的环境。此外，采用液晶屏作为成像部件在现有工艺下比激光振镜或DLP具有更高的分辨率。

光源103，用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源103，光源103与承载体101位于成像部件102的异侧。在实际应用过程中，考虑到流体状态的光敏树脂的发生聚合反应的速度、深度等因素，可以对光源的作用谱段进行适当选择，比如，经实验证明，本实施例可以优选光源的波长在350至400纳米范围的光源。

本实施例的光固化成型装置的工作原理是：光源103发出光后，由于成像部件102展现的二维图形与二维图形之外的区域存在不同的明暗状态，照射到成像部件102上的光线一部分能够透过成像部件中的透明部分照射到流体状态的光敏树脂上，另一部分不能透过成像部件的光将无法照射到流体状态的光敏树脂上，从而使得流体状态的光敏树脂出现两种不同的变化方向：被光线照射到的流体状态的光敏树脂将发生聚合反应迅速固化，没有被光线照射到的流体状态的光敏树脂不发生聚合反应，仍然保持原有状态。如果二维图形为暗色状态，经过上述过程后，将呈现出包容二维图形的固化光敏树脂成型体；如果二维图像为透明状态，经过上述过程后，将直接成像出二维图形的固化光敏树脂成型体。

本实施例的光固化快速成型装置包括承载流体状态的光敏树脂的承载体、展现二维图像的成像部件以及用于照射光敏树脂的光源，光源与承载体位于成像部件异侧。与现有技术相比，本实施例至少可以取得如下三方面的技术效果：(1)由于本实施例实现光固化快速成型过程中的光路部分仅由成像部件和光源组成，位置关系简单，降低了光固化过程的光路复杂度，减少了光路延迟，而且减少了插入光路元件(比如透镜、反射镜)带来的像差、畸变等光学误差，从而提高了光固化快速成型效果。(2)本实施例的装置包括三个组成部件，其结构简洁、部件数量少，降低了光固化快速成型装置的总体积。(3)本实施例的装置采用的成像部件相对于技术的激光振镜或DLP投影仪而言，制作成本低、使用材料少。

需要说明的是，在实际应用过程中，上述实施例的承载体101和成像部件102可以合“二”为“一”，作成一个部件，即：使成像部件同时作为承载流体状态的光敏树脂的承载体，或者使承载流体状态的光敏树脂的承载体同时具有展现二维图形的功能。同样地，还可以将上述实施例的光源103和成像部件102合“二”为“一”，作成一个部件，即：使成像部件展现的二维图形同时具有发光的功能(比如，采用等离子电子屏)，或者，使光源呈现出二维图形的图像(比如，对多个光源单元的发光状态进行控制，使这些光源单元的整体呈现出二维图形)。

上述实施例的方案尽管能够实现本申请的发明目的，但是，在实际应用过程中，不仅需要制作出“二维图形”形式的薄片结构的固化成型体，而且更多的需求是制作立体形状的“三维结构”的固化成型体。“三维结构”的固化成型体可以看作是由多个二维图形截面累积贴和而成，这样可以将上述成型的过程连续循环进行即可实现该目的。为此，本申请还优选包括移动部件和输送部件，移动部件用于在产生新的空隙，在该空隙内注入新的流体状态的光敏树脂，然后进行上述的光照过程，再次出现固化成型体，该固化成型体粘附在上次的固化成型体上，多次进行这样的操作，即可得到需要的三维结构的固化成型体。这里的移动部件和输送部件可以采用多种具体实现方式，下面列举两种方式予以说明：

方式之一：参见图2，在上述装置实施例的基础上进一步包括第一移动部件204和第一输送部件205(从而构成本申请的又一个光固化快速成型装置实施例，与前述实施例相同的部件分别标号为承载体201、成像部件202、光源203、流体状态的光敏树脂200)，第一移动部件104用于在承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离光源的方向移动第一间隙，第一输送部件105用于向承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第一间隙。本方式中的移动部件可以表现为一个机械支架，输送部件也可以表现为机械传动装置，这里的“第一间隙”通常选择小于流体状态的光敏树脂的固化深度，以使注入的流体状态的光敏树脂能够得到充分的固化。在实际应用过程中，除这种对“间隙”的约束条件外，根据进一步实现的目的不同还可能强化对该间隙的限制：如果重点考虑的是固化成型的效果，在满足小于光敏树脂的固化深度的条件下，该间隙可以尽可能小，使光固化的每个“层”尽可能的薄，从而一方面可以提高成型的分辨率和精度，一方面使“层”与“层”之间粘附更稳固，增强三维立体结构的稳定性；如果重点考虑的是固化成型的速度，在满足小于光敏树脂的固化深度的条件下，该间隙可以尽可能大，使光固化的每个“层”尽可能厚，从而使成型相同高度的三维立体结构的成型体的光固化的次数变少，提高光固化的整体速度。

方式之二：在上述装置实施例的基础上进一步包括第二移动部件和第二输送部件，第二移动部件用于在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将成像部件向远离所述承载体的方向移动第二间隙，第二输送部件用于向所述承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第二间隙，所述第二间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度。这种方式和第一种方式的移动方向相反，这是考虑到在实际应用中可能移动承载液体状态光敏树脂的承载体比移动成像部件更难，因此，采取移动成像部件的方式更容易实现。

上述在第一个实施例基础上改进的实施例能够制作出三维立体结构的成型体，而并没有对成型的形状进行任何限制，实际上，在工业制造成形体时，不仅需要制作每个截面均相同的成型体(比如，柱体型成型体)，还需要制作每个截面均不同的成型体(比如，葫芦型成型体)，在后者情况下，还需要改变成像部件中呈现的二维图形(即目标成型体的截面图形)，这时可以通过一般的控制电路向成型部件输出不同的二维图形，从而得到具有不同截面的目标成型体。

上述内容详细叙述了本申请的光固化快速成型装置实施例的组成结构，与此对应地，本申请还提供了基于上述光固化快速成型方法实施例。参见图3，该图示出了本申请的光固化快速成型方法的流程。该流程包括：

步骤S301：向承载流体状态的光敏树脂的承载体内注入流体状态的光敏树脂，在展现二维图形的成像部件上展现二维图形，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反；

本步骤包括两个子步骤：注入光敏树脂和展现二维图形的步骤，这两个步骤均是完成光固化快速成型的必要步骤，但是，由于他们均属于光固化成型的两个准备性步骤，本申请并不限定他们的执行顺序，可以先进行注入光敏树脂的步骤，也可以先进行展现二维图形的步骤，或者两个同时进行，这取决于实际应用过程中考虑的因素和面临的环境。

步骤S302：使用与所述承载体位于所述成像部件异侧的光源照射所述成像部件，以便透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使流体状态的光敏树脂固化成型；

经过本步骤后“单层”的光固化成型体即已制作完成，如果进行光固化的目的仅在于得到这样“单层”的成型体，则可停止进行后续步骤。如果需要制作立体的三维结构的成型体，则需要连续多次进行液体状态的光敏树脂的注入操作和移动出新的用于填充光敏树脂的空隙，即执行如下的步骤。

步骤S303：在所述承载体内的流体状态光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离所述光源的方向移动第一间隙，所述第一间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度；

将已固化成型的光敏树脂远离光源后，由于成像部件保持位置不变，在成像部件与固化成型的成型体之间空出新的间隙，该间隙需要小于流体状态的光敏树脂的固化深度，“固化深度”是在一定光照情形下，流体状态的光敏树脂能够发生聚合反应的深度，如果大于该深度，将导致远离光源侧的光敏树脂不能很好地发生聚合反应或者聚合反应进行不完全，使成型体不能达到目标的固化(硬化)程度。

步骤S304：向所述承载体内注入新的流体状态的光敏树脂填充所述第一间隙；

步骤S305：使用与所述承载体位于所述成像部件异侧的光源照射所述成像部件，以便透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使新注入的流体状态的光敏树脂固化成型；

步骤S306：判断光敏树脂的固化成型是否达到预设高度，如果是，则结束流程；如果否，则返回步骤S303。

通过多次执行上述S303～S305的步骤，多个单层的二维成形体将粘附累积成一个立体三维结构的目标成型体。

上述装置或方法实施例叙述了光源和承载流体状态的光敏树脂的承载体位于成像部件异侧的情形，实际上，基于现实需要，可以对这种组成架构进行适当变形，获得其他组成结构的光固化快速成型装置。比如，该是示出了再一种光固化快速成型装置实施例的组成结构，该实施例与上述装置实施例不同的是光源与承载体位于成像部件的同侧，这种情况下，光固化快速装置还包括反射部件，用于反射所述光源的光，使反射的光可经过所述成像部件照射到流体状态的光敏树脂，这样同样能够实现本申请的发明目的。同样地，基于这种类型的光固化成型装置，可以存在对应的光固化快速成型方法，参见图4，该图示出了该方法的流程，即：

步骤S401：向承载流体状态的光敏树脂的承载体内注入流体状态的光敏树脂，在展现二维图形的成像部件上展现二维图形，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反；

步骤S402：使用与所述承载体位于所述成像部件同侧的光源经过反射部件照射所述成像部件，以便经反射部件反射的光透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使流体状态的光敏树脂固化成型。

同样地，在需要成型的目标成型体为立体三维结构时，也可以通过增加移动步骤使已固化成型的薄层与成像部件之间的产生新的间隙，从而在该间隙内注入新的流体状态的光敏树脂，制作新的薄层，多个薄层自动粘附在一起形成立体三维结构的成型体。

实际上，基于上述改进光固化快速成型装置的思路，本领域技术人员还可以得到上述涉及装置的更多变形形式，只要提供的光源能够透过明暗状态不同的二维图形照射到流体状态的光敏树脂使其固化成型，即可实现本申请的发明目的。

需要说明的是：为了叙述的简便，本说明书的每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于承载体与光源位于成像部件同侧的装置实施例而言，由于其基本相似于其之前的实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例的各组成部件可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以在制作上做成一个完整的整体，也可以分别制作各组成部分，然后根据需要安装成能实现本申请发明目的的装置。当制作为完成整体时，本申请实施例的装置方案实际上构成一种3D打印机，通过控制向该3D打印机中输入的二维截面图，可以利用流体状态的光敏树脂打印出各种需要的目标成型体。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种光固化快速成型装置，其特征在于，所述装置包括：用于承载流体状态的光敏树脂的承载体，用于展现二维图形的成像部件，其中所述成像部件为通过人工将待成型的目标成型体的截面图形粘附在成像部件的表面上，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，以及用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源，所述光源与所述承载体位于所述成像部件异侧。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括第一移动部件和第一输送部件，所述第一移动部件用于在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离所述光源的方向移动第一间隙，所述第一输送部件用于向所述承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第一间隙，所述第一间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第二移动部件和第二输送部件，所述第二移动部件用于在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将所述成像部件向远离所述承载体的方向移动第二间隙，所述第二输送部件用于向所述承载体内输送新的流体状态的光敏树脂，以填充所述第二间隙，所述第二间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其特征在于，所述用于承载流体状态的光敏树脂的承载体为U型容器，所述用于展现二维图形的成像部件为液晶屏，所述用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源为波长在350至400纳米范围内的光源。

5.一种光固化快速成型装置，其特征在于，所述装置包括：用于承载流体状态的光敏树脂的承载体，用于展现二维图形的成像部件，其中所述成像部件为通过人工将待成型的目标成型体的截面图形粘附在成像部件的表面上，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，以及用于使流体状态的光敏树脂发生聚合反应的光源，所述光源与所述承载体位于所述成像部件同侧，所述装置还包括反射部件，所述反射部件用于反射所述光源的光，使反射的光可经过所述成像部件照射到流体状态的光敏树脂。

6.一种光固化快速成型方法，其特征在于，所述方法包括：

向承载流体状态的光敏树脂的承载体内注入流体状态的光敏树脂，在展现二维图形的成像部件上展现二维图形，所述成像部件展现的二维图形所在区域与二维图形之外的成像部件范围内的其他区域的透明状态相反，其中所述成像部件为通过人工将待成型的目标成型体的截面图形粘附在成像部件的表面上；

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将已固化成型的光敏树脂向远离所述光源的方向移动第一间隙，所述第一间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度；

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述承载体内的流体状态的光敏树脂固化成型后，将所述成像部件向远离所述承载体的方向移动第二间隙，所述第二间隙小于流体状态的光敏树脂的固化深度；

9.一种光固化快速成型方法，其特征在于，所述方法包括：

使用与所述承载体位于所述成像部件同侧的光源经过反射部件照射所述成像部件，以便经反射部件反射的光透过所述成像部件展现的二维图像所在区域或二维图像之外的成像部件范围内的其他区域使流体状态的光敏树脂固化成型。