CN103895225A - 基于光敏树脂数字化制作的面曝光成形装置及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，包括有转盘，转盘中央有工作台转轴，工作台转轴通过升降轴连接升降工作台，转盘上表面有曝光工位、冲洗工位及工作区域，冲洗工位上部有清洗槽，清洗槽上部有工件冲洗装置，工作区域的上部有树脂槽，曝光工位上方有与计算机连接的图形发生器，计算机与刮刀连接。本发明还公开了上述成型装置进行零件成型的方法。本发明的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置及成型方法能制作出多种不同材料构成的零件。

Description

基于光敏树脂数字化制作的面曝光成形装置及成型方法

技术领域：

本发明属于面曝光快速成型设备及方法技术领域,涉及一种基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，本发明还涉及利用上述面曝光快速成型装置进行零件成型的方法。

背景技术

快速成形技术是一种先进的制造技术，它采用材料累加成形原理，根据零件的三维CAD模型，能够直接制作出三维实体零件，是一种极富生命力的新技术。

目前来说，已开发出的快速成形方法主要有：光固化法（Stereolithography）、层叠法（LOM）、烧结法（SLS）、熔焊法（FDM）、3D印刷法（3D-Printer）等。其中，光固化法的综合性能最好，它的主要特点为：成形精度高、表面光洁度好、材料利用率高，能够制作中空和精细结构。具体来说，光固化法主要是利用光敏树脂受紫外激光照射固化的原理进行材料累加成形；美国3D公司公开的专利号为：US4996010，是采用一种传统的光固化法将激光束聚焦后，利用扫描系统对液态树脂进行矢量扫描，由扫描线粘结成扫描面，完成零件截面的固化成形。由于使用激光器和精密光束扫描系统，因此具有制作成本高及固化效率低的缺陷。为克服以上的不足，直接利用掩模对零件截面视图整个层面进行曝光固化的快速成形技术得到了发展，其优点是：整层曝光时间短、成形速度快及成形效率高，此外还能使用非激光光源，降低了系统造价。

以色列的Cubital公司开发出了一种以紫外灯为光源，采用静电成像技术在光学表面产生掩模图形，紫外光透过掩模板对树脂进行曝光固化。另外，专利号为：ZL200810150338.X，发明名称为：基于反射型液晶光阀的光固化快速成型装置及成型方法，公开了一种光固化快速成形装置，包括有计算机，计算机分别与图形发生器和液态光敏树脂供给装置相连，液态光敏树脂供给装置与树脂槽相通，树脂槽内设置有可沿其内壁移动的升降工作台，升降工作台的上方设置有图形发生器；计算机将所需成形零件的3D模型分层，得到各分层截面数据，并将该数据发送给图形发生器，由图形发生器将接收的数据，生成零件各分层截面的光学数字视图，并将该光学数字视图投射到液态光敏树脂层，对液态光敏树脂层进行曝光固化，形成零件当前截面的光固化树脂层；重复上述步骤，即完成零件的成形。上述方法具有成本低、精度高、成形效率高及工艺简单的优点。然而，随着数字化制造的要求，迫切需要面曝光快速成形技术能制作由多种不同材料构成的零件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，不仅结构简单，而且能制作出多种不同材料构成的零件。

本发明的另一目是利用上述面曝光快速成型装置进行零件快速成型的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，包括有转盘，转盘的下部安装于机架上，转盘的中央竖直设置有工作台转轴，工作台转轴通过升降轴连接有升降工作台，转盘的上表面分别设置有曝光工位、冲洗工位及多个工作区域，冲洗工位上部设置有清洗槽，清洗槽的上方设置有工件冲洗装置，每个工作区域的上部均设置有一个树脂槽，曝光工位上方设置有图形发生器，图形发生器与计算机连接，计算机还连接有刮刀。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

树脂槽设置有四个，四个树脂槽分别为1号树脂槽、2号树脂槽、3号树脂槽、4号树脂槽；曝光工位与冲洗工位相对设置于转盘的直径上。

1号树脂槽、2号树脂槽、3号树脂槽、4号树脂槽、曝光工位及冲洗工位均匀设置于转盘的边缘处；曝光工位及冲洗工位固定设置，1号树脂槽、2号树脂槽、3号树脂槽、4号树脂槽能随转盘转动。

1号树脂槽、2号树脂槽、3号树脂槽、4号树脂槽内分别填充有不同的液态光敏树脂。

本发明所采用的第二种技术方案是，利用基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置进行零件快速成型的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用计算机获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据信息，根据同一层内不同区域制作材料的分布，将同一层的截面划分成若干不同的区域，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送至图形发生器；

步骤2、启动转盘，在转盘的转动作用下，将要用到的盛有液态光敏树脂的相应树脂槽和升降工作台转动到曝光工位；

步骤3、通过对特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据的处理，由图形发生器生成相应的光学数字视图，对液态光敏树脂曝光，得到当前截面待固化区域的光固化树脂层；

步骤4、经步骤3处理后，将已经固化零件部分置于冲洗工位，清洗零件；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直至待成形零件的当前分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成零件的一个完整层面的光固化快速成形；

步骤6、重复步骤2至步骤5，直至待成形零件的所有分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成整个零件的光固化快速成形。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、向计算机中输入待成形零件的3D模型，采用计算机将待成形零件的3D模型进行分层处理，得到待成形零件3D模型中各分层的截面数据信息；

步骤1.2、经步骤1.1获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据后，根据待成形零件的3D模型在同一层的截面内，不同区域制作材料不同，将同一层的截面划分成若干不同的区域；

步骤1.3、经步骤1.2划分好区域后，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图发送给与计算机相连的图形发生器。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、转盘转动，将要用到的盛有液态光敏树脂的树脂槽转动到曝光工位；

步骤2.2、升降工作台转轴的转动使升降工作台也处于曝光工位，利用升降轴将升降工作台沉入经步骤2.1转动到曝光工位的树脂槽内，树脂槽内填充有要用到液态光敏树脂，待液态光敏树脂流满升降工作台或零件，具体如下：

制作第一层时要保证液态光敏树脂流满工作台，制作其它层时，要使得液态光敏树脂流满已制作零件的上表面；

之后，升降工作台开始上升，要保证液态光敏树脂的上表面与图形发生器的成像平面重合，此时启动刮刀，利用计算机控制刮刀将液态光敏树脂的上表面刮平。

步骤3.1、经步骤1及步骤2处理，计算机将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送给图形发生器，由图形发生器生成零件当前层截面特定的液态光敏树脂对应区域的光学数字视图；

步骤3.2、将经步骤3.1获得的光学数字视图投射到升降工作台上表面的液态光敏树脂层上，对液态光敏树脂进行曝光固化，形成零件当前截面需固化区域的光固化树脂层。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、经步骤3，升降工作台在升降轴的带动下上升直至离开当前的树脂槽，接着升降工作台随升降工作台转轴转动，使升降工作台处于冲洗工位；

步骤4.2、经步骤4.1，升降工作台到达冲洗工位，升降工作台在升降轴的带动下下降进入冲洗槽内，此时工件冲洗装置向制件喷射清洗剂，清洗零件。

步骤6中在重复步骤2时，和制作上层相比，制作当前层时，升降工作台下降一个分层厚度的距离，使液态光敏树脂的上表面与图形发生器的成像平面重合。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明的面曝光快速成形装置由图形发生器、计算机、盛放不同光敏树脂的树脂槽、冲洗槽、转盘、升降工作台、升降工作台转轴、工件冲洗装置及刮刀组成，结构较为简单。

（2）本发明的面曝光快速成形装置在使用的过程中，零件3D模型经计算机分层处理后，得到零件模型截面数据，根据同一层内不同区域制作材料的不同，将其划分成若干部分，并生成相应的光学数字视图，图形发生器将当前层中使用当前树脂制作部分的光学数字视图投射到液态光敏树脂表面，对液态光敏树脂进行曝光固化，形成零件当前层一部分截面的光固化树脂层；升降工作台上升并旋转移动至冲洗工位，将制件上的液态树脂冲洗干净；转盘旋转，将制作另一区域所使用的树脂槽移动到曝光工位，升降工作台旋转并下降至相应位置，对液态光敏树脂进行曝光固化，重复以上步骤，可完成整层曝光；转盘的不同位置上放置盛有不同液态光敏树脂的树脂槽，转盘与升降工作台同轴，但各自运动独立。

（3）本发明的面曝光快速成形装置能制作多种不同材料构成的零件等优点。

附图说明

图1是本发明的面曝光快速成形装置的结构示意图；

图2是本发明的面曝光快速成形装置中转盘的俯视图。

图中，1.计算机，2.图形发生器，3.冲洗工位，4.液态光敏树脂，5.升降轴，6.制作零件，7.升降工作台，8.工作台转轴，9.工件冲洗装置，10.转盘，11.刮刀，12.清洗槽，13.机架，14.曝光工位，15.1号树脂槽，16.2号树脂槽，17.3号树脂槽，18.4号树脂槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，其结构如图1及图2所示，包括有转盘10，转盘10的下部安装于机架13上，转盘10的中央竖直设置有工作台转轴8，工作台转轴8通过升降轴5连接有升降工作台7，转盘10的上表面分别设置有曝光工位14、冲洗工位3及多个工作区域，冲洗工位3上部设置有清洗槽12，清洗槽12的上部设置有工件冲洗装置9，每个工作区域的上部设置有一个树脂槽，曝光工位14上方设置有图形发生器2，图形发生器2与计算机1连接，计算机1还连接有刮刀11。

转盘10绕机架13的轴线转动。

树脂槽设置有四个，如图2所示，四个树脂槽分别为1号树脂槽15、2号树脂槽16、3号树脂槽17、4号树脂槽18；

曝光工位14与冲洗工位3相对设置于转盘10的直径上。

其中，1号树脂槽15、2号树脂槽16、3号树脂槽17、4号树脂槽18、曝光工位14及冲洗工位3均匀设置于转盘10的边缘处，曝光工位14、冲洗工位3是固定的，而转盘10上的1号树脂槽15、2号树脂槽16、3号树脂槽17、4号树脂槽18随转盘10而转动。1号树脂槽15、2号树脂槽16、3号树脂槽17、4号树脂槽18内分别填充有不同的液态光敏树脂。

本发明基于多种光敏树脂制作的面曝光快速成形方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用计算机1获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据信息，根据同一层内不同区域制作材料的分布，将同一层的截面划分成若干不同的区域，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送至图形发生器2：

步骤1.1、向计算机1中输入待成形零件的3D模型，采用计算机1将待成形零件的3D模型进行分层处理，得到待成形零件3D模型中各分层的截面数据信息；

步骤1.2、经步骤1.1获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据后，根据待成形零件的3D模型在同一层的截面内，不同区域制作材料不同，将同一层的截面划分成若干不同的区域；

步骤1.3、经步骤1.2划分好区域后，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图发送给与计算机1相连的图形发生器2；

其中，图形发生器2对每一种特定的液态光敏树脂的视图数据生成相应的光学数字视图。

步骤2、启动转盘10，在转盘10的作用下，将要用到的盛有液态光敏树脂的相应树脂槽和升降工作台7转动到曝光工位14：

步骤2.1、转盘10转动，将要用到的盛有液态光敏树脂的树脂槽转动到曝光工位14；

步骤2.2、升降工作台转轴8的转动使升降工作台7也处于曝光工位14，利用升降轴5将升降工作台7沉入经步骤2.1转动到曝光工位14的树脂槽内，树脂槽内填充有要用到液态光敏树脂4，待液态光敏树脂4流满升降工作台7或零件6，制作第一层时要保证液态光敏树脂4流满工作台7，制作其它层时，要使得液态光敏树脂4流满已制作零件6的上表面；

之后，升降工作台7开始上升，要保证液态光敏树脂4的上表面与图形发生器2的成像平面重合，此时启动刮刀11，利用计算机1控制刮刀11将液态光敏树脂4的上表面刮平，保证该液态光敏树脂层的厚度均匀，表面平整。

步骤3、通过对特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据的处理，由图形发生器2生成相应的光学数字视图，对液态光敏树脂曝光，得到当前截面待固化区域的光固化树脂层：

步骤3.1、经步骤1及步骤2处理，计算机1将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送给图形发生器2，由图形发生器2生成零件当前层截面特定的液态光敏树脂对应区域的光学数字视图；

步骤3.2、将经步骤3.1获得的光学数字视图投射到升降工作台7上表面的液态光敏树脂层上，对液态光敏树脂进行曝光固化，形成零件当前截面需固化区域的光固化树脂层。

步骤4、经步骤3处理后，将已经固化零件部分置于冲洗工位3，清洗零件6：

步骤4.1、经步骤3，升降工作台7在升降轴5的带动下上升直至离开当前的树脂槽内，接着升降工作台7随升降工作台转轴8转动，使升降工作台7处于冲洗工位3；

步骤4.2、经步骤4.1，升降工作台7到达冲洗工位3，升降工作台7在升降轴20的带动下下降进入冲洗槽12内，此时工件冲洗装置9向制件6喷射清洗剂，清洗零件6。

步骤5、重复步骤2至步骤4，直至待成形零件的当前分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成零件的一个完整层面的光固化快速成形；

步骤6、重复步骤2至步骤5，直至待成形零件的所有分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成整个零件的光固化快速成形；

在重复步骤2时，和制作上层相比，制作当前层时，升降工作台7下降一个分层厚度的距离，使液态光敏树脂4的上表面与图形发生器2的成像平面重合。

本发明的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，不仅结构简单，而且能制作出多种不同材料构成的零件。

Claims (10)

1.基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，其特征在于，包括有转盘（10），所述转盘（10）的下部安装于机架（13）上，所述转盘（10）的中央竖直设置有工作台转轴（8），所述工作台转轴（8）通过升降轴（5）连接有升降工作台（7），所述转盘（10）的上表面分别设置有曝光工位（14）、冲洗工位（3）及多个工作区域，所述冲洗工位（3）的上部设置有清洗槽（12），所述清洗槽（12）的上方设置有工件冲洗装置（9），每个工作区域的上部均设置有一个树脂槽，所述曝光工位（14）上方设置有图形发生器（2），所述图形发生器（2）与计算机（1）连接，所述计算机（1）还连接有刮刀（11）。

2.根据权利要求1所述的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，其特征在于，所述树脂槽设置有四个，四个树脂槽分别为1号树脂槽（15）、2号树脂槽（16）、3号树脂槽（17）、4号树脂槽（18）；

所述曝光工位（14）与冲洗工位（3）相对设置于所述转盘（10）的直径上。

3.根据权利要求2所述的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，其特征在于，所述1号树脂槽（15）、2号树脂槽（16）、3号树脂槽（17）、4号树脂槽（18）、曝光工位（14）及冲洗工位（3）均匀设置于所述转盘（10）的边缘处；

所述曝光工位（14）及冲洗工位（3）固定设置，所述1号树脂槽（15）、2号树脂槽（16）、3号树脂槽（17）、4号树脂槽（18）能随所述转盘（10）转动。

4.根据权利要求2或3所述的基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置，其特征在于，所述1号树脂槽（15）、2号树脂槽（16）、3号树脂槽（17）、4号树脂槽（18）内分别填充有不同的液态光敏树脂。

5.利用基于光敏树脂数字化制作的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用计算机（1）获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据信息，根据同一层内不同区域制作材料的分布，将同一层的截面划分成若干不同的区域，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送至图形发生器（2）；

步骤2、启动转盘（10），在转盘（10）的转动作用下，将要用到的盛有液态光敏树脂的相应树脂槽和升降工作台（7）转动到曝光工位（14）；

步骤3、通过对特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据的处理，由图形发生器（2）生成相应的光学数字视图，对液态光敏树脂曝光，得到当前截面待固化区域的光固化树脂层；

步骤4、经步骤3处理后，将已经固化零件部分置于冲洗工位（3），清洗零件（6）；

步骤5、重复步骤2至步骤4，直至待成形零件的当前分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成零件的一个完整层面的光固化快速成形；

步骤6、重复步骤2至步骤5，直至待成形零件的所有分层截面所有区域在相应液态光敏树脂中得以固化，即完成整个零件的光固化快速成形。

6.根据权利要求5所述的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、向计算机（1）中输入待成形零件的3D模型，采用计算机（1）将待成形零件的3D模型进行分层处理，得到待成形零件3D模型中各分层的截面数据信息；

步骤1.2、经步骤1.1获取待成形零件的3D模型各分层的截面数据后，根据待成形零件的3D模型在同一层的截面内，不同区域制作材料不同，将同一层的截面划分成若干不同的区域；

步骤1.3、经步骤1.2划分好区域后，将特定的液态光敏树脂对应区域的视图发送给与计算机（1）相连的图形发生器（2）。

7.根据权利要求5所述的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、转盘（10）转动，将要用到的盛有液态光敏树脂的树脂槽转动到曝光工位（14）；

步骤2.2、升降工作台转轴（8）的转动使升降工作台（7）也处于曝光工位（14），利用升降轴（5）将升降工作台（7）沉入经步骤2.1转动到曝光工位（14）的树脂槽内，树脂槽内填充有要用到液态光敏树脂（4），待液态光敏树脂（4）流满升降工作台（7）或零件（6），具体如下：

制作第一层时要保证液态光敏树脂（4）流满工作台（7），制作其它层时，要使得液态光敏树脂（4）流满已制作零件（6）的上表面；

之后，升降工作台（7）开始上升，要保证液态光敏树脂（4）的上表面与图形发生器（2）的成像平面重合，此时启动刮刀（11），利用计算机（1）控制刮刀（11）将液态光敏树脂（4）的上表面刮平。

8.根据权利要求5所述的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、经步骤1及步骤2处理，计算机（1）将特定的液态光敏树脂对应区域的视图数据发送给图形发生器（2），由图形发生器（2）生成零件当前层截面特定的液态光敏树脂对应区域的光学数字视图；

步骤3.2、将经步骤3.1获得的光学数字视图投射到升降工作台（7）上表面的液态光敏树脂层上，对液态光敏树脂进行曝光固化，形成零件当前截面需固化区域的光固化树脂层。

9.根据权利要求5所述的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4.1、经步骤3，升降工作台（7）在升降轴（5）的带动下上升直至离开当前的树脂槽，接着升降工作台（7）随升降工作台转轴（8）转动，使升降工作台（7）处于冲洗工位（3）；

步骤4.2、经步骤4.1，升降工作台（7）到达冲洗工位（3），升降工作台（7）在升降轴（5）的带动下下降进入冲洗槽（12）内，此时工件冲洗装置（9）向制件（6）喷射清洗剂，清洗零件（6）。

10.根据权利要求5所述的面曝光快速成型装置制作零件的成型方法，其特征在于，所述步骤6中在重复步骤2时，和制作上层相比，制作当前层时，升降工作台（7）下降一个分层厚度的距离，使液态光敏树脂（4）的上表面与图形发生器（2）的成像平面重合。

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