CN103631097B - 一种光刻式的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻式的3D打印机，属于光刻技术领域，包括：光源系统、图像系统、投影系统、机械系统、电控系统五个子系统。系统获取打印物体的三维模型数据，并按高度方向分解成厚度统一的薄层后，用图像系统生成每一薄层的曝光图形，在光源系统照明下，经投影系统投影成像，使曝光层的光刻胶固化，在机械系统夹持已固化光刻胶步进平移动作下完成三维扫描，得到高精度的三维实体。本发明的优点在于：系统区别于传统3D打印，提高了精度打印精度和效率，可靠性较高。

Description

一种光刻式的3D打印机

技术领域

本发明涉及光刻技术、3D打印技术，尤其涉及投影光刻技术和无掩膜光刻技术，特别涉及一种光刻式的3D打印机。

背景技术

传统的3D打印一般采用“熔融沉积”或“激光烧结”法，即在现有物体3D模型数据可用的前提下，对每一层进行分解，得到每一薄层的图像，通过在喷头内高温加热将原料熔融成液态后喷射在薄层图像上，经冷却后得到薄层，或者将微小颗粒铺平，用激光扫描薄层图像，使颗粒融化凝结成薄层；再经层层叠加后得到三维实体。

用传统方法进行3D打印有以下不足：控制复杂，打印时微小的影响都导致液滴或颗粒的不稳定，而且每个薄层图像都由二维扫描所得，对控制精度要求较高；打印速度慢，每个薄层图像都需二维扫描，速度较慢；精度不高，液滴或颗粒的尺寸都较大，难以获得高精度的三维实体，且难以突破精度的瓶颈；能耗较大，需要加热或激光，产生较多能耗；污染空气，若采用“激光烧结”法，烧结时难免使微小颗粒散发到空气中，形成微小的悬浮颗粒，降低空气质量。

发明内容

针对传统的3D打印方法存在的不足，本发明提供了一种光刻式的3D打印机的设计方案。将传统方法的熔融或烧结替换为光致固化，即将光束照射在液态的打印材料上使其固化，最终形成高精度的三维实体。在实现形式上，采用了无掩膜动态生成图形的方式，减少了传统光刻应用中需要制作掩膜的成本，简化了工艺，提高了3D打印的效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种光刻式的3D打印机，该3D打印机有五个子系统：光源系统、图像系统、投影系统、机械系统和电控系统，所述光源系统发出多束独立的平行光，通过所述图像系统的反射得到带有图像信息的光束，所述投影系统将光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近的一层光刻胶固化，固化的光刻胶由所述机械系统夹持移动，通过在垂直于曝光面的方向上的移动完成三维扫描，最终得到三维实体，整个系统由所述电控系统统一控制。

进一步的，所述的光源系统包括LED光源、平行光管和扩束镜，光源系统中LED光源发出的发散光经平行光管后分为多束各自独立的各个方向的平行光，经扩束镜扩大光束的照明截面，其中平行光管的分光作用由内置的光纤束或者积木蝇眼透镜产生。

进一步的，所述的图像系统采用DMD器件，图像系统核心部件即为所述DMD器件，用于产生曝光的图像，它放置于4f系统的像面上，通过调节各个像素点的反射微镜的角度产生曝光图像。

进一步的，所述的投影系统包括4f系统和平面反射镜，投影系统中，DMD器件和光刻杯内底面分别位于4f成像系统的物面和像面上；4f系统由前后两个透镜组构成，在两透镜组之间的频谱面上根据实际需求放置光瞳滤波器，系统工作前调节投影系统的光瞳滤波器，以满足打印任务所要求的像质和焦深。

进一步的，所述的机械系统包括杯架、光刻杯、打印基底、丝杠，杯架与光刻杯同心，其支撑面的中心镂空，使曝光光束可以穿过杯架照射到光刻杯内底面，并在镂空处加工一个与光刻杯直径匹配的沉孔，用于放置并固定光刻杯；打印基底由丝杠旋转的传动作用沿丝杠轴向作平移运动。

进一步的，所述的电控系统包括电源模块、电机控制电路、DMD控制电路、光栅尺、驱动电机和计算机，电控系统中，电机控制电路和DMD控制电路完成的都是单步的控制动作，3D打印机工作时的流程由计算机向控制发送控制命令来控制。

本发明的原理在于：

首先将物体的三维模型切分为多个薄层，由DMD器件产生物体的薄层图像，在光源系统发出的多束平行光照射下，经投影系统的投影成像，将薄层图像曝光在光刻杯内底面上，使该平面附近的打印材料固化而形成固态薄层，再通过机械系统在垂直于曝光面的方向上平移，实现三维扫描，从而完成三维实体的打印。

整个3D打印系统由光源系统、图像系统、投影系统、机械系统、电控系统五个子系统。光源系统由LED光源、平行光管和扩束镜组成，图像系统主要为DMD器件，投影系统由4f系统和平面反射镜组成，机械系统由杯架、光刻杯、打印基底、丝杠组成，电控系统由电源模块、电机控制电路、DMD控制电路、光栅尺、驱动电机组成。上述的光源系统可发出多束独立的平行光。其中平行光管内置光纤束或在光束出射的端面放置一块积木蝇眼透镜，使LED光源发出的发散光经过平行光管后分为多束各自独立的各个方向的平行光，然后通过扩束镜，扩大光束截面。上述的图像系统在光源系统发出的多束平行光束照射下，由计算机通过电路控制DMD器件调整每个像素点出的反射微镜，反射出带有薄层图像信息的光束。上述的投影系统的主体为一个4f成像系统，DMD器件和光刻杯内底面分别位于4f成像系统的物面和像面上；4f系统由前后两个透镜组构成，在两透镜组之间的频谱面上放置光瞳滤波器，系统工作前调节投影系统的光瞳滤波器，以达到打印任务所要求的像质和焦深。上述的机械系统夹持固化的光刻胶沿着垂直于曝光面的方向，按固定的步进量平移，通过在垂直于曝光面的方向上的移动完成三维扫描，最终得到三维实体。上述的电控系统控制整个系统各部分协调运行。主控为计算机，从设备为电机控制电路和DMD控制电路，所述电机控制电路负责控制电机驱动、调整光瞳滤波器、接收光栅尺的反馈，所述DMD控制电路负责控制LED光源、DMD器件工作。电机控制电路和DMD控制电路的运行都是单步控制，系统工作的流程由计算机控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）简化控制，对每个薄层打印时无需二维扫描，因此无需对每个点都进行一次精确控制，降低了控制的复杂度；

（2）加快打印速度，每个薄层均是一次成型，无需二维扫描，大大提高了打印速度；

（3）提高打印精度，系统采用曝光法打印，而光波的波长很小，由光学原理可知，曝光的图像分辨率高，且投影系统中采用了滤波器，优化了成像质量，提高打印精度；另外加工精度可以随着光学技术和控制技术的发展而不断提高，易于系统升级

（4）降低能耗，无需加热或激光烧结，因此节省了系统的能耗；

（5）保护环境，打印材料没有悬浮颗粒，整个加工过程清洁卫生。

附图说明

图1是光刻式3D打印机的整体结构图；

图2是光刻式3D打印机的光路示意图；

图3是光刻式3D打印机的曝光薄层的示意图；

图4是光刻式3D打印机的电控系统框图；

图5是光刻式3D打印机的电控系统中计算机控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，整个3D打印系统可分为五个子系统：光源系统、图像系统、投影系统、机械系统、电控系统。所述光源系统由LED光源8、平行光管7和扩束镜6组成，它发出多束独立的平行光；所述图像系统的核心部件为DMD器件3，它由计算机控制，通过调整每个像素的反射微镜反射得到带有图像信息的光束；所述投影系统由4f系统5和平面反射镜9组成，它将光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近的一层光刻胶固化，机械系统由杯架10、光刻杯11、打印基底12、丝杠13组成，夹持固化的光刻胶移动，以完成三维扫描；电控系统由电源模块1、电机控制电路2、DMD控制电路4、光栅尺14、驱动电机15和计算机组成，统一控制整个系统，其中电机控制电路2控制驱动电机、接收光栅尺反馈和调整4f系统中透镜组之间的光瞳滤波器，DMD控制电路控制DMD器件和LED光源，电源模块对电控系统中除了计算机的设备供电。

如图2所示，光路包括光源系统、图像系统、投影系统和部分机械系统。其中投影系统中的每一个透镜组在图中用一块透镜表示。

光源系统中，LED光源8发出曝光的发散光束进入平行光管7；平行光管7的入射端放置一块透镜，内置多束光纤，使进入平行光管7的光束分束后进入光纤内，在平行光管的出射端，每根光纤出射的光束经过扩束镜6扩束以后照射到DMD器件3上每个像素的反射微镜上，这样通过所有光纤的光束叠加，用积分的方法实现了均匀地照亮物平面，也可以在平行光管的出射端放置一块积木蝇眼错位透镜，与光纤起相同的作用。另外，扩束镜6中在透镜的两面均镀上增透膜，避免光束因在透镜内反射向中心处汇集而导致光照的不均匀。最后出射的光束为多束不同方向的平行光的总和。

图像系统主要就是一块DMD器件3，DMD器件是一个反射微镜阵列。对于DMD器件上的每个像素点处的反射微镜，受到不同方向的平行光照射，由计算机通过电路板控制每个微镜的角度，若像素点在曝光图像中，则调整微镜角度使该像素点反射出的各个方向的平行光进入投影系统，并在像面重新汇聚成一点；若像素点不在曝光图像中，则调整微镜角度使该像素点的反射光不能进入投影系统；以上每个像素单独成像，最终在像面上形成一个清晰的像。曝光打印后得到的三维实体的横向分辨率取决于DMD像素单元的分辨率，如公式（1）所示，

$\mathrm{\σ}=\frac{a}{\mathrm{\β}}---\left(1\right)$

其中，σ为打印实体的横向曝光尺寸，a为DMD像素尺寸，β为投影成像的缩小倍率。

投影系统分为4f投影系统5和平面镜9，4f投影系统采用的结构为，物面和透镜组A、透镜组B和像面分别间隔透镜的焦距，两透镜之间间隔两透镜组的焦距之和，即透镜的焦点重合。选择不同的两透镜的焦距大小，可以得到不同长短光路、物面图像与像面图像的缩放关系，其中，当前后两个透镜组焦距相同时，缩放比为1:1。

在两个透镜组之间重合的焦点处放置各种不同的光瞳滤波器，以适应不同的打印要求。最基本的滤波器可用环状的带通滤波器：一方面，由于光路的孔径是有限的，因此在传输中丢失了图像的高频分量，使图像的边缘变得模糊，所述的滤波器可适当减少低频分量的通过量，以降低模糊程度；另一方面，通过调节滤波器的透过区间的孔径，以调整曝光的焦深。另外，当孔径减小时，焦深增大，但同时能量减小，此时需要适当提高LED的发光功率，使焦深范围内的光刻胶吸收足够的能量而固化。

曝光使光刻胶固化时，必须调节所述的驱动电机驱动打印基底的步进量大小，使之与光学系统的焦深匹配。在焦深一定时，若步进量过大，则固化的薄层彼此不相连接；若步进量太小，则固化的薄层之间相互重叠，且精度大幅下降。单次曝光使光刻胶固化的厚度由4f光学系统的焦深决定，简单的光学成像系统的焦深计算由公式（2）计算可得，当加入复杂的光瞳滤波器后，光学成像系统的焦深根据光瞳滤波器的参数，采用数值积分方法计算可得。

$\mathrm{\δ}=\mathrm{DOF}=\frac{\mathrm{k\λ}}{{\mathrm{NA}}^2}---\left(2\right)$

其中，δ为单次曝光所固化的厚度，DOF为光学系统的焦深，k为工艺因子，λ为曝光光源的波长，NA为成像透镜的数值孔径。

驱动电机可根据实际精度要求选用步进电机或伺服电机，打印基底的步进量由驱动电机的多个脉冲动作完成。丝杠驱动打印基底进行轴向平移的步进量由公式（3-1）或（3-2）可得。其中（3-1）表示步进电机驱动，其细分驱动是在步进电机精密转角的基础上进行细分，使电机实际转角的步进值相对步距角进一步缩小；（3-2）表示伺服电机驱动。

或

$Z=\frac{m}{2^{N_2}}\×P---(3-1)$

其中，Z为打印基底轴向平移的步进量，m为打印基底单步平移中驱动电机需要的脉冲数，θ为步进电机整步工作的步距角，N₁为细分驱动器的细分数，P为丝杠的导程，N₂为伺服电机的位数。

关于曝光焦深和轴向步进量的匹配，前后两次曝光须有在一定的轴向范围内进行重叠曝光，保证固化的薄层之间相互连接，如图3所示，需要使焦深稍大于轴向的步进量，即满足公式（4），

δ＝Z+ε（4）

其中，ε为前后两次曝光的重叠部分的轴向厚度。

平面反射镜9的作用在于改变光束的传播方向，使光束竖直向上照射，并在光刻杯内底面成像。

机械系统包括杯架10、光刻杯11、打印基底12、丝杠13，杯架与光刻杯同心，其支撑面的中心镂空，使曝光光束可以穿过杯架照射到光刻杯内底面，并在镂空处加工一个与光刻杯直径匹配的沉孔，用于放置并固定光刻杯；打印基底由丝杠旋转的传动作用沿丝杠轴向作平移运动。

如图4所示，电控系统由计算机作为上位机主控，电机控制电路和DMD控制电路作为下位机。计算机与下位机之间采用串口方式传输控制命令，计算机对DMD器件传输图像时用单独的视频线传输。整个系统工作的流程中的每一步都由计算机发出命令，并由下位机做出动作。开始曝光前，先根据光刻胶的曝光阈值、打印任务的精度要求确定焦深、图像精度，从而确定光瞳滤波器尺寸和LED发光功率，并输入到计算机，由计算机在开始任务的初始化阶段发送给下位机。

如图5所示，系统开始曝光后，都是按照：步进走位、DMD器件显示图像、打开LED光源、延时、关闭LED光源的顺序进行循环，其中右侧虚线框内表示完成该步任务的目标下位机。

电机控制电路负责控制步进电机、调整投影系统中的光瞳滤波器、接收光栅尺反馈，其中光栅尺的反馈信号为脉冲量。电机控制电路的初始化阶段，根据计算机发送的数据，调整光瞳滤波器尺寸，设定步进电机的步进量，并初始化光栅尺的脉冲计数值。曝光工作中，当从计算机接收到一个步进命令时，单片机控制步进电机先转到预定位置，同时对光栅脉冲计数，到达预定位置后读取光栅脉冲数，再按脉冲数的误差进行补偿，以实现精确的走位。

DMD控制电路负责控制DMD器件、调整以及开关LED电源。DMD控制电路的初始化阶段，根据计算机发送的数据，调整LED光源的发光功率。曝光工作中，按照计算机发送的命令完成相应动作。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种光刻式的3D打印机，该3D打印机有五个子系统：光源系统、图像系统、投影系统、机械系统和电控系统，所述光源系统发出由多束独立的平行光叠加形成的准直均匀光束，通过所述图像系统的直接反射得到带有二维图像信息的面阵光束，所述投影系统将面阵光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近有效焦深范围内的一层光刻胶在单次曝光下固化，一次形成与图形系统对应的、固化的光刻胶二维面阵图形，光刻胶固化图形由所述机械系统夹持移动，通过在垂直于曝光面的方向上的移动完成三维扫描，对应的固化图形逐层叠加最终得到三维实体，整个系统由所述电控系统统一控制；其特征在于：

所述的光源系统包括LED光源(8)、平行光管(7)和扩束镜(6)，光源系统中LED光源(8)发出的发散光经平行光管(7)形成由多束各自独立的平行光合成的准直均匀光束，经扩束镜(6)扩大光束的照明截面，其中平行光管(7)的分光作用由内置的光纤束或者积木蝇眼透镜产生；

所述的图像系统采用DMD器件(3)，图像系统核心部件即为所述DMD器件(3)，用于产生曝光的图像，它放置于4f系统(5)的物面上，通过调节各个像素点的反射微镜的角度产生曝光图像；

所述的投影系统包括4f系统(5)和平面反射镜(9)，投影系统中，DMD器件(3)和光刻杯(11)内底面分别位于4f成像系统(5)的物面和像面上；4f系统(5)由前后两个透镜组构成，在两透镜组之间的频谱面上根据实际需求可放置光瞳滤波器，并在系统工作前进行调节，以满足打印任务所要求的像质和焦深；

所述的机械系统包括杯架(10)、光刻杯(11)、打印基底(12)、丝杠(13)，杯架与光刻杯同心，其支撑面的中心镂空，使曝光光束可以穿过杯架照射到光刻杯内底面，并在镂空处加工一个与光刻杯直径匹配的沉孔，用于放置并固定光刻杯；打印基底由丝杠旋转的传动作用沿丝杠轴向作平移运动；

所述的电控系统包括电源模块(1)、电机控制电路(2)、DMD控制电路(4)、光栅尺(14)、驱动电机(15)和计算机，电控系统中，电机控制电路(2)和DMD控制电路(4)完成的都是单步的控制动作，3D打印机工作时的流程由计算机向控制发送控制命令来控制。