CN104108182A - 采用led阵列微投影光源的光固化3d成型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，LED阵列光源中各LED的排布为：y方向等距排布，x方向交错等距排布。通过透镜阵列组及光掩膜板将下置LED阵列光源汇聚为密集排布的微投影光束阵列，便于对小结构尺寸零件模型的快速扫描固化。此外，LED阵列光源中的单个LED采用计算机与单片机并口通信独立控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源中需驱动的LED个数，配合XY移动平台控制微投影光束阵列在XY水平方向上运动，从而完成扫描固化。上述光固化成型系统以原有光固化3D成型设备为应用基础，可在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光固化成型技术领域的一种光固化成型系统，具体地，涉及一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统。
背景技术
随着CAD/CAM技术的发展，利用材料累加原理可实现工件原型的快速制造，其中，光固化法因其成型精度高以及材料120％利用率成为最受欢迎的快速成型方法。光源是光固化快速成型技术中最关键的设备之一，其类型、结构形式、发射波长范围、功率大小、长时间使用过程中的发光稳定性等指标，将直接影响固化的成败以及固化质量、固化效率等，而国内外主要致力于紫外光敏材料的开发，致使固化用光源几乎全部采用紫外光源如高压泵灯、紫外激光等，而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵，导致快速成形设备的制造成本和使用成本过高，在一定程度上限制了紫外光固化快速成形技术的推广。尽管高压泵灯成本较低，但寿命短、辐射不均匀、发热量大，且污染环境。
LED因其成本低，体积小，寿命长，发热小，输出功率稳定性好等优点逐渐被考虑应用到固化光源中，目前，LED在可见光如白光波段的应用已经较为成熟，在紫外光领域的研发仍处于起步阶段，美国和日本已相继成功研制出大功率紫外LED，其工作波段可集中在常用固化波段365nm附近，揭示了紫外LED可应用于光固化技术的可能性，仍未大规模投入市场使用。华中科技大学的谢军等人对光固化快速成形中的单个紫外LED光源系统进行研究，经过多透镜结构聚焦后的光源光强分布均匀稳定、能够满足紫外光固化过程对光源的指标要求，具有可操作性，但是因聚焦面上功率较弱，导致制件加工速度较慢，成型效率远低于紫外激光固化。大连海事大学的许文海提出了一种应用大功率紫外发光二极管(UV LED)空间阵列作为光源的新型固化光源系统，系统中各行LED等距排布在一定半径的弧面基板上，从而使LED阵列发出的紫外光经过光学系统准直、会聚后得到一条均匀的光带，很大程度上提高了辐照强度，可实现紫外光固化用线(面)光源的作用。但是单行LED会聚到20mmX20mm的大尺寸方形光斑区域内，各行等距排布形成长度为10cm的连续辐照光带，此外，该光源系统仅可以调节整体光带的辐照度，来兼顾各种固化材料对紫外辐照度的需求，辐照面积大，未考虑满足结构精细的小尺寸零件的制作。而相对于紫外光，可见光具有穿透力好，对人体无害，光源系统廉价等优点，长期以来，可见光固化材料的研究一直是可见光固化领域的难点，目前，已研制出用于可见光固化的光敏树脂材料，如变性乙烯基酯树脂，并证实其固化速度较快，无需添加促进剂和固化剂，在提高生产效率的同时大幅度降低施工成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，将LED阵列光源作为光固化成型机的固化光源，通过透镜阵列组与光掩模版装置将其汇聚为可进行扫描固化的微投影光束阵列，通过计算机与单片机通信独立控制微投影光束阵列，采用从下至上的光源辐照方式进行扫描，在保证成型效率的前提下提高成型精度并有效降低成本。
为实现以上目的，本发明提供一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，包括：LED阵列光源、透镜阵列组、光掩膜版、树脂槽、网版、LED驱动控制装置、XY移动平台、Z轴升降装置，其中：LED阵列光源由单个LED光源以阵列形式排列固定在一PCB板上构成，并置于XY移动平台上；透镜阵列组置于LED阵列光源的上方，用于将LED阵列光源聚焦为直径为80μm～120μm的光斑阵列；光掩膜板置于透镜阵列组上方；树脂槽固定在光掩膜版的正上方，用于存储光固化树脂材料；网版位于树脂槽底板的正上方，用于承载支撑及固化后的工件模型；LED驱动控制装置为单片机驱动装置，LED驱动控制装置的输入端与输出端分别与计算机的第一输出端及LED阵列光源的单个LED光源的控制端电连接，同时计算机与LED驱动控制装置并口通信控制；XY移动平台的底部固定在地面上，XY移动平台执行机构的控制端与计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源在二维XY平面上的运动；Z轴升降装置固定在地面上，其直线导轨副的滑块与网版相连接，计算机的第三输出端与Z轴升降装置的伺服电机控制端电连接，带动网版相对树脂槽向上做一个层厚的移动。
优选地，所述LED阵列光源中各LED光源在y方向为等距排布，在x方向为交错等距排布。
优选地，所述光掩膜版上排布有直径同光斑阵列的微孔阵列，且与光斑阵列一一对应，所述光斑阵列透过微孔阵列整合为微投影光束阵列。
优选地，所述LED驱动控制装置利用单片机驱动控制LED光源，根据LED辐照度稳定可调的控制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED光源的驱动电流独立可调，同时采用计算机与单片机并口通信控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源中需驱动的LED光源个数。
首先，LED阵列光源发出的光束通过上方透镜阵列组汇聚为光斑直径在80μm～120μm的光斑阵列；然后该光斑阵列透过上方光掩膜版中的透光微孔阵列进行进一步光束整合，使光强分布更为均匀，同时获得直径更为统一的微投影光束阵列；通过XY移动平台控制微投影光束阵列在二维水平方向上运动，从而保证可扫描到工件原型的全部截面数据；计算机指令控制LED微投影光束阵列完成支撑的扫描固化，然后进行工件原型二维截面图形的扫描固化，其中，网版在Z轴升降装置带动下上移一个层厚的距离，从而在已固化层的表面形成一新的液态树脂层，树脂受重力作用会自动填充间隙，从而无需刮板及补液装置，通过计算机控制完成该层的扫描固化，并与已固化层粘结，重复上述步骤，直至工件模型完全成型，然后网版升出树脂液面，将成型后的支撑及工件模型进行剥离。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，LED阵列光源是将单个LED光源以阵列形式排列固定在一PCB板上构成，各LED在y方向为等距排布、在x方向为交错等距排布，可最终获得密集排布的微投影光束阵列，便于对小结构尺寸零件模型的快速扫描固化。其中，LED阵列光源中的单个LED可通过单片机进行独立控制，并采用计算机与单片机并口通信控制，配合XY移动平台控制微投影光束在二维水平方向上运动，从而保证完整扫描工件原型的全部截面数据，加上多光束同时扫描，可有效解决因聚焦面上功率较弱导致制件加工速度较慢的问题，在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并降低成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明光固化成型的LED光源系统示意图；
图2是本发明光固化成型中LED阵列光源的各LED位置分布图；
图中：
1为LED阵列光源，2为透镜阵列组，3为微孔阵列，4为光掩膜版，5为微投影光束阵列，6为树脂槽，7为工件模型，8为支撑，9为网版，10为LED驱动控制装置，11为XY移动平台，12为Z轴升降装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
如图1、图2所示，本实施例提供一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，包括：LED阵列光源1，透镜阵列组2，微孔阵列3，光掩膜版4，树脂槽6，网版9，LED驱动控制装置10，XY移动平台11，Z轴升降装置12，其中：
所述LED阵列光源1是将单个LED光源以阵列形式排列固定在一PCB板上构成，并置于XY移动平台11上，为了最终获得密集排布的微投影光束阵列，各LED在y方向为等距排布，d＝e，在x方向为交错等距排布，a＝b＝c；
所述透镜阵列组2置于LED阵列光源1的上方，用于将LED阵列光源1聚焦为直径在80μm～120μm的光斑阵列；
所述光掩膜板4置于透镜阵列组2上方，在光掩膜版4上排布有直径同光斑阵列的微孔阵列3，且与光斑阵列一一对应，光斑阵列透过微孔阵列3后进一步整合为微投影光束阵列5；
所述树脂槽6固定在光掩膜版4的正上方，用于存储光固化树脂材料；所述树脂槽6的底板采用石英玻璃，对可见光的透过率达93％以上，紫外光透过率更大，保证自下而上发出的扫描光束阵列透过树脂槽6的底板时光强衰减极少；
所述网版9位于树脂槽6的底板正上方，用于承载支撑8及固化后的工件模型7；
所述LED驱动控制装置10为单片机驱动装置，其输入端与输出端分别与计算机第一输出端及LED阵列光源1的单个LED光源控制端电连接，利用单片机驱动控制LED光源，根据LED辐照度稳定可调的控制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED的驱动电流独立可调；同时采用计算机与LED驱动装置10并口通信控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源1中需驱动的LED个数；
所述XY移动平台11的底部固定在地面上，XY移动平台11执行机构的控制端与计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源1在二维XY平面上的运动；
所述Z轴升降装置12固定在地面上，计算机的第三输出端与Z轴升降装置12的伺服电机控制端连接，以带动网版9相对树脂槽6向上做一个层厚的移动。
本实施例的工作过程：
首先，LED阵列光源1发出的光束通过上方的透镜阵列组2汇聚为光斑直径在80μm～120μm的光斑阵列；然后该光斑阵列透过上方光掩膜版4中的透光微孔阵列3进行进一步光束整合，使光强分布更为均匀，同时获得直径更为统一的微投影光束阵列5；通过XY移动平台11控制微投影光束阵列5在二维水平方向上运动，从而保证可扫描到工件原型的全部截面数据，计算机指令控制LED微投影光束阵列5完成支撑8的扫描固化，然后进行工件原型二维截面图形的扫描固化；其中，网版9在Z轴升降装置12带动下上移一个层厚的距离，从而在已固化层的表面形成一新的液态树脂层，树脂受重力作用会自动填充间隙，从而无需刮板及补液装置，通过计算机控制完成该层的扫描固化，并与已固化层粘结，重复上述步骤，直至工件模型7完全成型，然后网版9升出树脂液面，将成型后的支撑8及工件模型7进行剥离。
当选用紫外光固化树脂材料成型时，光源为波长在350～400nm的紫外LED阵列光源；当选用可见光固化树脂材料成型时，只需将固化光源换为相应波长的可见光LED光源。
本发明所述一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，以原有光固化3D成型设备为应用基础，在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并降低成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，包括：LED阵列光源(1)、透镜阵列组(2)、光掩膜版(4)、树脂槽(6)、网版(9)、LED驱动控制装置(10)、XY移动平台(11)、Z轴升降装置(12)，其中：LED阵列光源(1)由单个LED光源以阵列形式排列固定在一PCB上构成，并置于XY移动平台(11)上；透镜阵列组(2)置于LED阵列光源(1)的上方，用于将LED阵列光源(1)聚焦为直径在80μm～120μm的光斑阵列；光掩膜板4置于透镜阵列组(2)上方；树脂槽(6)固定在光掩膜版(4)的正上方，用于存储光固化树脂材料；网版(9)位于树脂槽(6)底板的正上方，用于承载支撑(8)及固化后的工件模型(7)；LED驱动控制装置(10)为单片机驱动装置，LED驱动控制装置(10)的输入端与输出端分别与计算机的第一输出端及LED阵列光源(1)的单个LED光源的控制端电连接，同时计算机与LED驱动控制装置(10)并口通信控制；XY移动平台(11)的底部固定在地面上，XY移动平台(11)执行机构的控制端与计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源(1)在二维XY平面上的运动；Z轴升降装置(12)固定在地面上，其直线导轨副的滑块与网版(9)相连接，计算机的第三输出端与Z轴升降装置(12)的伺服电机控制端电连接，带动网版(9)相对树脂槽(6)向上做一个层厚的移动。
2.根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，所述LED阵列光源(1)中各LED光源在y方向为等距排布，在x方向为交错等距排布。
3.根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，所述光掩膜版(4)上排布有直径等于光斑阵列的微孔阵列(3)，且与光斑阵列一一对应，所述光斑阵列透过微孔阵列(3)整合为微投影光束阵列(5)。
4.根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，所述树脂槽(6)的底板采用石英玻璃材料。
5.根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，所述LED驱动控制装置利用单片机驱动控制LED光源，根据LED辐照度稳定可调的控制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED光源的驱动电流独立可调，同时采用计算机与单片机并口通信控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源(1)中需驱动的LED光源个数。
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