CN103921444B - 光固化3d打印机、光固化3d打印方法及装置 - Google Patents

光固化3d打印机、光固化3d打印方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种光固化3D打印机、光固化3D打印方法以及光固化3D打印装置，该光固化3D打印机包括：与光源发生器连接的DMD投影单元阵列，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元，各DMD投影单元根据上位机的控制指令处于开启状态或者关闭状态。本发明方案通过DMD投影单元阵列来进行照射完成3D打印，各DMD投影单元投射到光敏树脂的距离几乎是平行的，避免了采用单个DMD芯片打印时紫外光源发散传播时的距离过长而导致的在空气中产生衰减的现象，紫外光在光路中传播的距离短，紫外光源的衰减低，无需大功率的光源发生器就可以完成光固化3D打印。

Description

光固化3D打印机、光固化3D打印方法及装置
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种光固化3D打印机、一种光固化3D打印方法以及一种光固化3D打印装置。
背景技术
快速成型技术(又称快速原型制造技术，Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)，又称3D打印，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，其根据零件或者物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式就可以制造出实物或者实物模型。由于具有大幅降低生产成本、提高原材料和能量的利用率、可根据需求进行定制、大大节省产品制作时间等优点，3D打印技术近年来逐渐进入公众视野并得到快速发展。
3D打印的基本原理是分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，在进行3D打印时，首先由计算机通过设计、扫描等方式得到待打印物体的三维模型，再通过电脑辅助设计技术(例如CAD)沿某个方向完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，由计算机根据切片生成机器指令，3D打印机根据该机器指令打印出薄型层面，并将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型，形成三维立体实物，完成3D打印。
在3D打印技术中，采用德州仪器(TI)的数字微镜(Digital Micro-mirrorDevice)快速成型技术(俗称：DLP光固化3D打印机)，通过采用单颗UV LED光源或者用紫外激光光源照射到DMD芯片后，再通过单个镜头照射到光敏树脂槽表面或底部以使得被照射到的树脂固化，从而完成3D打印过程，其原理图如图1所示。在这种DLP光固化3D打印技术中，由于光在空气传播过程中产生衰减，导致输出功率受限。为了避免这种问题，传统的DLP光固化3D打印机，是通过提高紫外光的输出功率或者是通过延长焦距的方式来解决光照面积，然而，距离越远，光在空气中的衰减就越严重，导致从镜头输出的紫外光到树脂表面的有效紫外光的功率也成一定比例衰减。另一方面，为了得到非常强的紫外光源，需要庞大的冷却系统，从而导致设备体积过大，而且，由于这种DLP光固化3D打印机采用的是单DMD芯片，而紫外光的强度是经过严格的计算的，不可以无限制地放大紫外光的强度，从而严重制约了DLP光固化3D打印机的性能和3D打印效果。
发明内容
基于此，针对上述现有技术中存在的问题，本发明的其中一个目的在于提供一种光固化3D打印机，本发明的另一目的在于提供一种光固化3D打印方法，本发明的再一目的在于提供一种光固化3D打印装置，其可以有效减少从镜头到树脂之间的光的衰减，且可以延长DMD芯片的寿命，提高光固化3D打印机的打印性能。
为达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一种光固化3D打印机，包括：与光源发生器连接的DMD投影单元阵列，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元，各DMD投影单元根据上位机的控制指令处于开启状态或者关闭状态。
一种光固化3D打印方法，包括步骤：
读取分割后的切片信息；
获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间，根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态。
一种光固化3D打印装置，包括：
切片信息读取单元，用于读取分割后的切片信息；
投影信息获取单元，用于获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
控制单元，用于根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间，根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态。
根据如上实施例所述的本发明的方案，其通过设置DMD投影单元阵列，并基于上位机的控制指令控制各DMD投影单元的开启和关闭，据此实现光固化3D打印。通过采用DMD投影单元阵列来进行照射完成3D打印，各DMD投影单元投射到光敏树脂的距离几乎是平行的，避免了采用单个DMD芯片打印时紫外光源发散传播时的距离过长而导致的在空气中产生衰减的现象，紫外光在光路中传播的距离短，紫外光源的衰减低，无需大功率的光源发生器就可以完成光固化3D打印，提高了光固化3D打印机的3D打印性能。
附图说明
图1是传统的DLP光固化3D打印机的原理示意图；
图2是本发明的光固化3D打印机实施例一的结构示意图；
图3是本发明的光固化3D打印机实施例二的结构示意图；
图4是本发明的光固化3D打印方法实施例的流程示意图；
图5是本发明的光固化3D打印装置实施例的模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图2中示出了本发明的光固化3D打印机实施例结构示意图，包括：与光源发生器连接的DMD投影单元阵列，该DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元，各DMD投影单元根据上位机的控制指令处于开启状态或者关闭状态。
根据如上实施例所述的本发明的方案，其通过设置DMD投影单元阵列，并基于上位机的控制指令控制各DMD投影单元的开启和关闭，据此实现光固化3D打印。通过采用DMD投影单元阵列进行照射来完成3D打印，各DMD投影单元投射到光敏树脂的距离几乎是平行的，避免了采用单个DMD芯片打印时紫外光源发散传播时的距离过长而导致的在空气中产生衰减的现象，紫外光在光路中传播的距离短，紫外光源的衰减低，无需大功率的光源发生器就可以完成光固化3D打印。
需要说明的是，图2所示中，是以DMD投影单元阵列包括有5个投影单元为例进行说明，本领域技术人员可以知晓的是，这仅仅是本发明实施例的一种示例性说明，并不用以对本发明方案构成限定。
其中，上述上位机，可以是对DMD投影单元进行控制的任何设备，例如可以在进行3D打印时对待打印三维模型进行切片的设备。在本发明方案中，不对上位机的形式做具体限定。
如图2所示，在一个具体实施例中，本发明的光固化3D打印机还可以包括有星型光纤耦合器，该星型光纤耦合器连接在所述光源发生器与所述DMD投影单元阵列之间，且通过光纤导光管与各DMD投影单元连接。
这是考虑到，如果采用单个的发光源来提供给单个的DMD投影单元，考虑到单个光源的老化、质量问题、以及电路设计中的电源设计，各DMD投影单元输出的光可能并不一致。而且，如果其中的一个光源提前衰减或者老化、损坏，将没有办法来对光的衰减进行检测，从而需要定期来维护和衰减，检查和维护比较繁杂。
因此，通过星型光纤耦合器来集中、统一发光光源，再平均分配给每个单独的DMD投影单元，而光在光纤内部多次折射和反射后最终出来的都是均匀的平行光，因此，各DMD投影单元投影出的光的强度是相同的而且是相互平行的，不仅可以保证每个独立的DMD投影单元输出的光的一致性与均匀性，而且可以使得检查和维护更简洁、方便和快速。
考虑到紫外光通过DMD投影单元阵列输出后，虽然已经分布很均匀，然而由于DMD投影单元阵列的阵列形式的存在，最后的投影画面是各投影单元投射出来的光拼接而生成的，在DMD投影单元阵列的投影画面的中心部分可能存在盲区，因此，图3中示出了本发明的光固化3D打印机的另一实施例的结构示意图。
如图3所示，在该示例中，本发明的光固化3D打印机包括有：两个光源发生器，与该两个光源发生器连接的DMD投影单元阵列，该DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元，各DMD投影单元根据上位机的控制指令处于开启状态或者关闭状态。其中，两个光源发生器发出的紫外光的波长互不相同，在本发明实施例中，可记为波长为第一预设波长的光源发生器和波长为第二预设波长的光源发生器
从而，通过采用不同波长的紫外光对光敏树脂进行照射，而光敏树脂对不同波长的光的吸收效果并不相同，从而有效地对投影边缘部分的盲区进行了修正，使得固化更均匀。
其中，在上述图3所示的示例中，各光源发生器发出的光源，经过光纤耦合器后，可以根据控制指令，传输给不同的DMD投影单元。
基于上述多波段叠加的思想，在一个实际应用中，当用3W(瓦)的UV LED发光光源照射体积为20mm(毫米)*20mm*3mm的光敏树脂的时候，需要15秒来完成固化过程，而当改用1W的UV LED发光光源照射同样体积的光敏树脂时，通过每照射5秒关闭三秒再照射5秒的方式进行照射，共分三次照射，累加的照射时间为15秒来完成固化过程，所得到的固化效果是一样的。也就是说，在采用正面紫外光照射光敏树脂时，其能量是可以累积的。因此，通过本发明方案的多波段叠加的分段照射方式，可以很好地完成对光敏树脂的固化，且不影响固化效果。
为便于说明，图3所示中是以两个光源发生器发出的光源的波长分别为400nm(纳米)和420nm(纳米)为例进行说明。这种说明仅仅是一种示例性说明，并不用以对本发明方案构成限定。本领域技术人员可以知晓的是，基于本发明的多波段叠加的思想，根据光敏树脂对不同波长的光的吸收效果的不同，还可以设置有多个发出不同波长的光的光源发生器，各光源发生器所发出的紫外光的波长也可以进行相应的设置，在此不予详加赘述。
如图3所示，在该示例中，设置有星型光纤耦合器，该星型光纤耦合器连接在所述光源发生器与所述DMD投影单元阵列之间，且通过光纤导光管与各DMD投影单元连接
在另外一种方式中，对于不同波长的光源发生器，可以分别与不同的DMD投影单元对应连接，从而可以直接基于各光源发生器与各DMD投影单元之间的对应关系，就可以实现各DMD投影单元输出的紫外光源的波长的控制。在其中一个具体示例中，上述420纳米波长的光源发生器可以与一个以上的DMD投影单元对应连接。
根据上述本发明的光固化3D打印机，本发明还提供一种光固化3D打印方法。图4中示出了本发明的光固化3D打印方法实施例的流程示意图。
如图4所示，本实施例中的光固化3D打印方法包括步骤：
步骤S401：读取分割后的切片信息；
步骤S402：获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
步骤S403：根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间；
步骤S404：根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态。
根据如上实施例所述的本发明的方案，其通过对设置的DMD投影单元阵列中的各DMD投影单元的开启和关闭进行控制，据此实现光固化3D打印。通过采用DMD投影单元阵列来进行照射完成3D打印，各DMD投影单元投射到光敏树脂的距离几乎是平行的，避免了采用单个DMD芯片打印时紫外光源发散传播时的距离过长而导致的在空气中产生衰减的现象，紫外光在光路中传播的距离短，紫外光源的衰减低，无需大功率的光源发生器就可以完成光固化3D打印。
在其中一个具体示例中，还可以采用两种以上波长的紫外光源对光敏树脂进行照射，以完成打印过程。此时，上述控制指令还可以包括光源信息，该光源信息中，可以包括有紫外光源的波长信息、以及对应的DMD投影单元，根据该光源信息将对应波长的光源传输到对应的DMD投影单元。在该光源信息中包括两个以上紫外光源的波长信息时，这两个紫外光源的波长可以分别为400纳米和420纳米。
从而，通过采用不同波长的紫外光对光敏树脂进行照射，而光敏树脂对不同波长的光的吸收效果并不相同，从而有效地对投影边缘部分的盲区进行了修正，使得固化更均匀。
在其中一个具体示例中，可以采用两种波长的紫外光源来对光敏树脂进行照射以进行3D固化打印，且这两种波长可以选用400纳米和420纳米。本领域技术人员可以知晓的是，基于本发明的多波段叠加的思想，根据光敏树脂对不同波长的光的吸收效果的不同，还可以设置其他个数的不同波长的紫外光源，其各紫外光源的波长也可以进行相应的设置，在此不予详加赘述。
基于上述本发明的光固化3D打印方法，本发明还提供一种光固化3D打印装置。图5中示出了本发明的光固化3D打印装置实施例的模块结构示意图。
如图5所示，本实施例中的光固化3D打印装置包括有：
切片信息读取单元501，用于读取分割后的切片信息；
投影信息获取单元502，用于获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
控制单元503，用于根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间，根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态。
本领域技术人员可以知晓的是，基于本发明的多波段叠加的思想，根据光敏树脂对不同波长的光的吸收效果的不同，还可以设置有多个发出不同波长的光的光源发生器，各光源发生器所发出的紫外光的波长也可以进行相应的设置，在此不予详加赘述。
在其中一个具体示例中，还可以采用两种以上波长的紫外光源对光敏树脂进行照射，以完成打印过程。此时，上述控制指令还可以包括光源信息，该光源信息中，可以包括有紫外光源的波长信息、以及对应的DMD投影单元，此时，上述控制单元503根据该光源信息将对应波长的光源传输到对应的DMD投影单元。
从而，通过采用不同波长的紫外光对光敏树脂进行照射，而光敏树脂对不同波长的光的吸收效果并不相同，从而有效地对投影边缘部分的盲区进行了修正，使得固化更均匀。
在其中一个具体示例中，可以采用两种波长的紫外光源来对光敏树脂进行照射以进行3D固化打印，且这两种波长可以选用400纳米和420纳米。此时，上述光源信息包括两个以上紫外光源的波长信息，且该波长信息分别为400纳米和420纳米。本领域技术人员可以知晓的是，基于本发明的多波段叠加的思想，根据光敏树脂对不同波长的光的吸收效果的不同，还可以设置其他个数的不同波长的紫外光源，其各紫外光源的波长也可以进行相应的设置，在此不予详加赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种光固化3D打印机，其特征在于，包括：与光源发生器连接的DMD投影单元阵列、连接在所述光源发生器与所述DMD投影单元阵列之间的星型光纤耦合器，所述光源发生器包括波长为第一预设波长的光源发生器和波长为第二预设波长的光源发生器，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元，所述星型光纤耦合器通过光纤导光管与各DMD投影单元连接，各DMD投影单元根据上位机的控制指令处于开启状态或者关闭状态，通过采用第一预设波长的光与第二预设波长的紫外光对光敏树脂照射，对各DMD投影单元的投影边缘部分的盲区进行修正，各DMD投影单元照射到光敏树脂的为平行光，所述第一预设波长为400纳米，所述第二预设波长为420纳米。
2.一种光固化3D打印方法，其特征在于，包括步骤：
读取分割后的切片信息；
获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括光源信息、各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间，所述光源信息包括两个以上紫外光源的波长信息，根据该光源信息将对应波长的光源传输到对应的DMD投影单元，根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态，通过采用第一预设波长的光与第二预设波长的紫外光对光敏树脂照射，对各DMD投影单元的投影边缘部分的盲区进行修正，各DMD投影单元照射到光敏树脂的为平行光，所述第一预设波长为400纳米，所述第二预设波长为420纳米。
3.一种光固化3D打印装置，其特征在于，包括：
切片信息读取单元，用于读取分割后的切片信息；
投影信息获取单元，用于获取DMD投影单元阵列中的DMD投影单元的数量以及各投影单元的分辨率，所述DMD投影单元阵列包括两个以上的DMD投影单元；
控制单元，用于根据所述切片信息、所述DMD投影单元的数量以及分辨率发出控制指令，所述控制指令中包括光源信息、各DMD投影单元的开启顺序以及各DMD投影单元的开启时间，所述光源信息包括两个以上紫外光源的波长信息，根据该光源信息将对应波长的光源传输到对应的DMD投影单元，根据该控制指令控制各所述DMD投影单元处于开启状态或者关闭状态，通过采用第一预设波长的光与第二预设波长的紫外光对光敏树脂照射，对各DMD投影单元的投影边缘部分的盲区进行修正，各DMD投影单元照射到光敏树脂的为平行光，所述第一预设波长为400纳米，所述第二预设波长为420纳米。
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