CN103786346A - 一种可变倍的面曝光投影3d打印快速成型系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统，包括投影系统、计算机、成型系统、以及用于调节投影系统与成型系统之间间距的第一传动轴；所述投影系统包括动态掩膜板、紫外光源、投影透镜及用于调整动态掩膜板与投影透镜之间间距的第二传动轴，成型系统包括光敏溶液槽、零件成型托板、以及带动零件成型托板移动的第三传动轴，光敏溶液槽内有光敏溶液，零件成型托板处于光敏溶液中，本发明还提供了一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法。本发明可以实现成形截面分辨率实时调整、零件在高度方向上连续成形。

Description

一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统及方法
技术领域
本发明涉及一种3D打印快速成型系统及方法，具体涉及一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统及方法。
背景技术
目前，光固化3D打印成形技术是通过光源选择区域照射使液态光敏树脂材料发生聚合反应，然后逐层堆叠，形成具有一定机械特性的零件。光源扫描方式主要以逐层点扫描成形为主，有学者研究逐排扫描和面投影曝光成形，通过增加单次成形面积来增加成形速度，理论上这种方法能够提高效率。但目前的投影曝光成形系统在成形过程中普遍存在着图形的分辨率不能实时调整的缺点，对一些细小截面，无法充分使光学调制器全部像素用于成形，不利于提高细小结构的分辨率。此外，成形过程零件托板需逐层停顿，无法连续成形，投影图像也没法连续变化，存在着明显的台阶效应。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统及方法，该系统及方法可以实现成形截面分辨率实时调整、零件在高度方向上连续成形。
为达到上述目的，本发明所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统包括投影系统、计算机、成型系统、以及用于调节投影系统与成型系统之间间距的第一传动轴；
所述投影系统包括动态掩膜板、紫外光源、投影透镜、用于调整动态掩膜板与投影透镜之间间距的第二传动轴，成型系统包括光敏溶液槽、零件成型托板、以及带动零件成型托板移动的第三传动轴，光敏溶液槽内有光敏溶液，零件成型托板处于光敏溶液中，紫外光源发出的紫外光经动态掩膜板反射及投影透镜透射后照射到零件成型托板上，计算机的输出端分别与第一传动轴的控制端、第二传动轴的控制端、第三传动轴的控制端及动态掩膜板的控制端相连接。
相应的，本发明还提供了一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法，包括以下步骤：
1)获取零件的三维模型，并将零件的三维模型分为若干层面，计算出每一层零件对应的像距及物距，然后将所有层零件的形状、以及对应的像距及物距输入到计算机中的加工控制系统中；
2)计算机通过第三传动轴调整零件成型托板的位置，使零件成型托板的上表面到液面的距离等于第一层零件的厚度，同时计算机根据第一层零件对应的物距通过第二传动轴调整动态掩膜板与投影透镜之间的距离，并根据第一层零件对应的像距通过第一传动轴调整投影透镜与液面之间的距离；
3)计算机控制动态掩膜板，使动态掩膜板形成与第一层零件形状相同的影像，紫外光源发出紫外光，紫外光经动态掩膜板的影像部分反射及投影透镜透射后照射到零件成型托板上，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成第一层零件的成型；
4)计算机通过第三传动轴调整零件成型托板的位置，使上一层零件的上表面到液面的距离与下一层零件的厚度相同，计算机根据下一层零件对应的物距通过第二传动轴调整动态掩膜板与投影透镜之间的间距，并根据下一层零件对应的像距通过第一传动轴调整投影透镜到液面的距离，同时计算机根据下一层零件的形状控制动态掩膜板，使动态掩膜板形成与下一层零件形状相同的影像，紫外光源发出紫外光，紫外光经动态掩膜板的影像部分折射后，再经投影透镜后照射到上一层零件的上表面，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成下一层零件的成型；
5)重复步骤4)完成其他层零件的成型，得需成型的零件。
各层零件的厚度均为0.01～0.2mm。
所述动态掩膜板的像素大小范围为0.005-0.05毫米。
所述各层零件成型所用时间大于0.5秒。。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统及方法在制作零件时，先获取零件的三维模型，然后对三维模型进行分层处理，计算出每层零件对应的像距及物距，在成型过程中，通过连续不断的调整像距及物距来调整零件成型的精度及分辨率，同时自上到下连续成型，减少一般快速成型中产生的台阶效应，提高零件表面的光洁度及成型的精度。
附图说明
图1为本发明的结构式示意图；
图2为本发明的又一结构示意图。
其中，1为紫外光源、2为动态掩膜板、3为投影透镜、4为零件成型托板、5为光敏溶液槽、6为第二传动轴、7为第一传动轴、8为第三传动轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统包括投影系统、计算机、成型系统、以及用于调节投影系统与成型系统之间间距的第一传动轴7；
所述投影系统包括动态掩膜板2、紫外光源1、投影透镜3、用于调整动态掩膜板2与投影透镜3之间间距的第二传动轴6，成型系统包括光敏溶液槽5、零件成型托板4、以及带动零件成型托板4移动的第三传动轴8，光敏溶液槽5内有光敏溶液，零件成型托板4处于光敏溶液中，紫外光源1发出的紫外光经动态掩膜板2反射及投影透镜3透射后照射到零件成型托板4上，计算机的输出端分别与第一传动轴7的控制端、第二传动轴6的控制端、第三传动轴8的控制端及动态掩膜板2的控制端相连接。
本发明所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法包括以下步骤：
1)获取零件的三维模型，并将零件的三维模型分为若干层面，计算出每一层零件对应的像距及物距，然后将所有层零件的形状、以及对应的像距及物距输入到计算机中的加工控制系统中；
2)计算机通过第三传动轴8调整零件成型托板4的位置，使零件成型托板4的上表面到液面的距离等于第一层零件的厚度，同时计算机根据第一层零件对应的物距通过第二传动轴6调整动态掩膜板2与投影透镜3之间的距离，并根据第一层零件对应的像距通过第一传动轴7调整投影透镜3与液面之间的距离；
3)计算机控制动态掩膜板2，使动态掩膜板2形成与第一层零件形状相同的影像，紫外光源1发出紫外光，紫外光经动态掩膜板2的影像部分反射及投影透镜3透射后照射到零件成型托板4上，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成第一层零件的成型；
4)计算机通过第三传动轴8调整零件成型托板4的位置，使上一层零件的上表面到液面的距离与下一层零件的厚度相同，计算机根据下一层零件对应的物距通过第二传动轴6调整动态掩膜板2与投影透镜3之间的间距，并根据下一层零件对应的像距通过第一传动轴7调整投影透镜3到液面的距离，同时计算机根据下一层零件的形状控制动态掩膜板2，使动态掩膜板2形成与下一层零件形状相同的影像，紫外光源1发出紫外光，紫外光经动态掩膜板2的影像部分折射后，再经投影透镜3后照射到上一层零件的上表面，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成下一层零件的成型；
5)重复步骤4)完成其他层零件的成型，得需成型的零件。
各层零件的厚度均为0.01～0.2mm。
所述动态掩膜板2的像素大小范围为0.005-0.05毫米。
所述各层零件成型所用时间大于0.5秒。
第三传动轴8带动零件的已成型部分向上或向下连续运动时，可以匀速运动，也可以变速运动，以适应不同截面曝光能量密度一致的要求。
投影系统的结构可以分为两种，既可以布置在光敏溶液槽5上方(图1从上向下投影的可变倍的面投影曝光3D打印成形系统)，也可以布置在光敏溶液槽5的下方(图2从下向上投影的可变倍的面投影曝光3D打印成形系统)，在实际使用中应根据结构设计选择其中的一种布置，运动过程中调整动态掩膜板2和投影透镜3间的距离，调整投影透镜3和光敏溶液液面的距离，保持物距、像距和焦距之间的几何光学成像基本公式。

Claims (5)

1.一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型系统，其特征在于，包括投影系统、计算机、成型系统、以及用于调节投影系统与成型系统之间间距的第一传动轴(7)；
所述投影系统包括动态掩膜板(2)、紫外光源(1)、投影透镜(3)、用于调整动态掩膜板(2)与投影透镜(3)之间间距的第二传动轴(6)，成型系统包括光敏溶液槽(5)、零件成型托板(4)、以及带动零件成型托板(4)移动的第三传动轴(8)，光敏溶液槽(5)内有光敏溶液，零件成型托板(4)处于光敏溶液中，紫外光源(1)发出的紫外光经动态掩膜板(2)反射及投影透镜(3)透射后照射到零件成型托板(4)上，计算机的输出端分别与第一传动轴(7)的控制端、第二传动轴(6)的控制端、第三传动轴(8)的控制端及动态掩膜板(2)的控制端相连接。
2.一种可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法，基于权利要求1所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取零件的三维模型，并将零件的三维模型分为若干层面，计算出每一层零件对应的像距及物距，然后将所有层零件的形状、以及对应的像距及物距输入到计算机中的加工控制系统中；
2)计算机通过第三传动轴(8)调整零件成型托板(4)的位置，使零件成型托板(4)的上表面到液面的距离等于第一层零件的厚度，同时计算机根据第一层零件对应的物距通过第二传动轴(6)调整动态掩膜板(2)与投影透镜(3)之间的距离，并根据第一层零件对应的像距通过第一传动轴(7)调整投影透镜(3)与液面之间的距离；
3)计算机控制动态掩膜板(2)，使动态掩膜板(2)形成与第一层零件形状相同的影像，紫外光源(1)发出紫外光，紫外光经动态掩膜板(2)的影像部分反射及投影透镜(3)透射后照射到零件成型托板(4)上，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成第一层零件的成型；
4)计算机通过第三传动轴(8)调整零件成型托板(4)的位置，使上一层零件的上表面到液面的距离与下一层零件的厚度相同，计算机根据下一层零件对应的物距通过第二传动轴(6)调整动态掩膜板(2)与投影透镜(3)之间的间距，并根据下一层零件对应的像距通过第一传动轴(7)调整投影透镜(3)到液面的距离，同时计算机根据下一层零件的形状控制动态掩膜板(2)，使动态掩膜板(2)形成与下一层零件形状相同的影像，紫外光源(1)发出紫外光，紫外光经动态掩膜板(2)的影像部分折射后，再经投影透镜(3)后照射到上一层零件的上表面，紫外光照射的光敏溶液凝固，完成下一层零件的成型；
5)重复步骤4)完成其他层零件的成型，得需成型的零件。
3.根据权利要求2所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法，其特征在于，各层零件的厚度均为0.01～0.2mm。
4.根据权利要求2所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法，其特征在于，所述动态掩膜板(2)的像素大小范围为0.005-0.05毫米。
5.根据权利要求2所述的可变倍的面曝光投影3D打印快速成型方法，其特征在于，所述各层零件成型所用时间大于0.5秒。
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