CN104760402A - 用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法 - Google Patents

用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法。所述曝光装置包括背光源和设置在所述背光源出光侧的像素面板，所述像素面板包括排列为阵列的多个像素单元、以及分别与多个所述像素单元一一对应的多个开关元件，所述开关元件用于控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示待打印的图像。所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框。本发明能够有效减小三维打印机的体积。并且，本发明中的像素面板能够在外框中进行微小位移，使原本的遮光区也能够进行曝光，提升了曝光的均匀性，改善了打印效果。

Description

用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法
技术领域
本发明涉及三维打印技术领域，尤其涉及一种用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法。
背景技术
三维打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削来生产产品不同，三维打印技术将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群延伸。
现有三维打印机的结构如图1所示，其工作原理是：将树脂溶液1放在材料槽2中，树脂溶液1中的树脂在特定波长的光的照射下会固化，树脂槽2可以被一定波长的光穿透。投影机3的光线照射在树脂槽2上，其输出光线为可以固化树脂的光线。支柱4上设置有打印台5，打印台5可以在支柱4上上下移动。整个设备被外壳6罩着，进行封闭、遮光处理。
其工作过程如下：先用软件获得一个物体的外形(如图2a所示)，软件会将其处理成一层一层的信息(如图2b所示)，然后将该分层信息输入到三维打印机中。参考图1，打印台5的下表面浸入树脂溶液1中，下表面与材料槽2底部的上表面之间的间距为a，a就是物体分层的一层的厚度。然后投影机3显示该层对应的图像，将打印台5下表面至材料槽2上表面之间的树脂溶液部分曝光，形成第一层。然后打印台5上升距离a，在第一层和材料槽2底部的上表面之间再形成厚度为a的一层树脂溶液，此时投影机3显示第二层对应的图像，进行曝光。以此类推，直至打印完成。然而，由于投影机3体积较大，使得现有三维打印机体积庞大，且曝光均匀性也比较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于三维打印机的曝光装置、三维打印机和三维打印方法，以减小三维打印机的体积，并改善三维打印机曝光的均匀性。
为解决上述技术问题，作为本发明的第一个方面，提供一种用于三维打印机的曝光装置，包括背光源和设置在所述背光源出光侧的像素面板，所述像素面板包括排列为阵列的多个像素单元、以及分别与多个所述像素单元一一对应的多个开关元件，所述开关元件用于控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示待打印的图像。
优选地，相邻的所述像素单元之间设置有遮光区，所述开关元件以及与所述开关元件相连的引线均位于所述遮光区中。
优选地，在X方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为A，在Y方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框、以及推动装置，所述推动装置能够推动所述像素面板在所述外框限定的内部空间中沿X方向和沿Y方向移动，所述外框的内部空间沿X方向的长度等于所述像素面板在X方向的长度与A之和，所述外框的内部空间沿Y方向的长度等于所述像素面板在Y方向的长度与B之和。
优选地，所述推动装置包括四个推动器，其中，两个所述推动器沿X方向设置在所述像素面板的两侧，另外两个所述推动器沿Y方向设置在所述像素面板的两侧。
优选地，所述像素单元在X方向的宽度等于A，所述像素单元在Y方向的宽度等于B。
优选地，所述像素面板为液晶面板、微机电面板、电致变色面板中的任意一种。
作为本发明的第二个方面，还提供一种三维打印机，所述三维打印机包括本发明所提供的上述曝光装置，所述曝光装置用于对打印材料进行曝光，所述三维打印机还包括打印台和材料槽，所述材料槽设置在所述像素面板的出光侧，所述材料槽内放置有打印材料，并且，所述打印台的下表面能够在所述材料槽中上下移动，所述背光源发出的光能够使所述打印材料固化。
优选地，所述三维打印机还包括支柱，所述打印台上设置有支撑臂，所述支撑臂的一端滑动设置在所述支柱上，以使得所述打印台的下表面能够在所述材料槽中上下移动。
优选地，所述三维打印机还包括控制器，所述控制器分别与所述支撑臂、所述背光源和所述像素面板相连，所述控制器用于控制所述支撑臂的升降、控制所述背光源的打开与关闭、以及控制所述像素面板中的各个所述开关元件的通断以控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态。
作为本发明的第三个方面，还提供一种采用上述三维打印机的三维打印方法，包括以下步骤：
打开背光源；
输入当前打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出当前打印图像；
对打印材料进行曝光，得到对应于当前打印图像的层结构。
优选地，相邻的所述像素单元之间设置有遮光区，在X方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为A，在Y方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框，所述外框的内部空间沿X方向的长度等于所述像素面板在X方向的长度与A之和，所述外框的内部空间沿Y方向的长度等于所述像素面板在Y方向的长度与B之和，
在打印相邻两层结构时，打印上一层结构的步骤包括：
输入上一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出上一层打印图像；
使所述像素面板移动至所述外框的左上角，进行第一次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右上角，进行第二次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右下角，进行第三次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的左下角，进行第四次曝光，得到上一层结构；
打印下一层结构的步骤包括：
使所述像素面板返回至所述外框的左上角；
输入下一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出下一层打印图像；
重复上述曝光步骤，得到下一层结构。
或者，打印下一层结构的步骤包括：
输入下一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出下一层打印图像；
使所述像素面板停留在所述外框的左下角，进行下一层打印图像的第一次曝光；
分别将所述像素面板移动至所述外框的左上角、右上角和右下角，进行下一层打印图像的第二次曝光、第三次曝光和第四次曝光，得到下一层结构。
优选地，所述三维打印方法还包括在打开背光源之前进行的：
确定待打印物体各层的图像。
本发明采用背光源和像素面板代替现有的投影机对打印材料进行曝光，能够有效减小三维打印机的体积。并且，本发明中的像素面板能够在外框中进行微小位移，使原本的遮光区也能够进行曝光，提升了曝光的均匀性，改善了打印效果。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1是现有三维打印机的结构示意图；
图2a-图2b是软件分层处理示意图；
图3是本发明实施例中曝光装置的侧视图；
图4是本发明实施例中像素面板的正视图；
图5是本发明实施例中曝光装置的正视图；
图6是本发明实施例中三维打印机的示意图；
图7是本发明实施例中曝光过程的示意图之一；
图8是本发明实施例中曝光过程的示意图之二。
在附图中，1-树脂溶液；2-材料槽；3-投影机；4-支柱；5-打印台；6-外壳；7-背光源；8-像素面板；9-像素单元；10-遮光区；11-外框；12-推动器；13-打印材料；14-支撑臂；15-控制器；16-第一曝光区域；17-第二曝光区域；18-第三曝光区域；19-第四曝光区域。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明首先提供一种用于三维打印机的曝光装置，如图3所示，该曝光装置包括背光源7和设置在背光源7出光侧的像素面板8，像素面板8包括排列为阵列的多个像素单元9(参考图4)、以及分别与多个像素单元9一一对应的多个开关元件(未示出)，所述开关元件用于控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，以使得像素面板8能够显示待打印的图像。
当将所述曝光装置应用于三维打印机中时，像素面板8上的各个透光的像素单元9形成了待打印的图像，背光源7发出的光线透过透光的像素单元9照射在打印材料上，使被照射的打印材料固化，从而形成待打印物体的其中一层图像。
与现有技术中采用投影机进行曝光相比，本发明所采用的曝光装置具有体积小的优点，能够有效减小三维打印机的体积，有利于三维打印机向轻薄化的方向发展。
为了使得像素单元9的边界更加清楚，优选地，相邻的像素单元9之间设置有遮光区10，所述开关元件以及与所述开关元件相连的引线均位于遮光区10中。本发明中的像素面板8可以是液晶面板、微机电面板、电致变色面板中的任意一种，所述开关元件属于上述面板的控制电路的一部分。
进一步地，如图4和图5所示，在X方向上，位于相邻像素单元9之间的遮光区10的宽度为A，在Y方向上，位于相邻像素单元9之间的遮光区10的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束像素面板8的移动范围的外框11、以及推动装置，所述推动装置能够推动像素面板8在外框11限定的内部空间中沿X方向和沿Y方向移动，外框11的内部空间沿X方向的长度等于像素面板8在X方向的长度与A之和，外框11的内部空间沿Y方向的长度等于像素面板8在Y方向的长度与B之和。
在使用本发明所提供的曝光装置时，对于每一幅打印图像，可以将像素面板8分别推动至外框11的四角，进行四次曝光，得到相应的一层结构。通常，遮光区的曝光量非常低，而像素单元9在X方向的宽度W大于A，在Y方向的宽度H大于B，使得像素单元9中部的曝光量远大于周边的曝光量，导致曝光不够均匀。本发明中的像素面板8能够在外框11中进行微小位移，并且在X方向和Y方向移动的范围分别为A和B，使原本遮光区10对应的位置处的打印材料也能够被曝光，提升了曝光的均匀性，使得打印形成的图像更真实，改善了打印效果。
具体地，本发明中的所述推动装置包括四个推动器12，其中，两个推动器12沿X方向设置在像素面板8的两侧，另外两个推动器12沿Y方向设置在像素面板8的两侧，如图5所示。可以理解的是，本发明也可以采用其它形式的推动装置来推动像素面板8，只要能够使得像素面板8在外框11中进行微小移动即可，在此不再赘述。
优选地，可以设定像素单元9在X方向的宽度W等于A，像素单元9在Y方向的宽度H等于B。当W＝A、H＝B时，像素面板8在外框的四个角部进行曝光时，没有大量的重叠曝光区域，能够进一步提升曝光的均匀性。
本发明还提供了一种三维打印机，所述三维打印机包括本发明所提供的上述曝光装置，所述曝光装置用于对打印材料进行曝光。如图6所示，所述三维打印机还包括打印台5和材料槽2，材料槽2设置在像素面板8的出光侧，材料槽2内放置有液态的打印材料13，并且，打印台5的下表面能够在材料槽2中上下移动，所述背光源发出的光能够使所述打印材料固化。
如上所述，本发明所提供的三维打印机具有体积小、曝光均匀性高、打印效果好的优点。
打印材料13可以是树脂溶液、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料，在特定波长的光的照射下会固化。打印台5的下表面浸入液态的打印材料13中，下表面与材料槽2底部的上表面之间的间距为a，a就是物体分层的一层结构的厚度。然后，像素面板8显示该层对应的图像，将打印台5下表面至材料槽2上表面之间的打印材料13曝光，形成第一层结构。然后打印台5上升距离a，在第一层结构和材料槽2底部的上表面之间再形成厚度为a的液态的打印材料13，此时像素面板8显示第二层对应的图像，进行曝光，得到第二层结构。以此类推，直至打印完成。整个设备被外壳6封装，打印过程在封闭、遮光的条件下进行。
进一步地，所述三维打印机还包括支柱4，打印台5上设置有支撑臂14，支撑臂14的一端滑动设置在支柱4上，以使得打印台5的下表面能够在材料槽2中上下移动。
进一步地，所述三维打印机还包括控制器15，控制器15分别与支撑臂14、背光源7和像素面板8相连，控制器15用于控制支撑臂14的升降、控制背光源7的打开与关闭、以及控制像素面板8中的各个所述开关元件的通断以控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，从而显示出待打印的图像。
本发明还提供了一种采用上述三维打印机的三维打印方法，参考图4-图6，该方法包括以下步骤：
打开背光源7；
输入当前打印图像的数据至像素面板8的开关元件，通过所述开关元件控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，以使得像素面板8能够显示出当前打印图像；
对打印材料13进行曝光，得到对应于当前打印图像的层结构。
本发明采用背光源7和像素面板8代替现有的投影机对打印材料13进行曝光，能够有效减小三维打印机的体积。
进一步地，相邻的像素单元9之间设置有遮光区10，在X方向上位于相邻像素单元9之间的遮光区10的宽度为A，在Y方向上位于相邻像素单元9之间的遮光区10的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束像素面板8的移动范围的外框11，外框11的内部空间沿X方向的长度等于像素面板8在X方向的长度与A之和，外框11的内部空间沿Y方向的长度等于像素面板8在Y方向的长度与B之和，
在打印相邻两层结构时，打印上一层结构的步骤包括：
输入上一层打印图像的数据至像素面板8的开关元件，通过所述开关元件控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，以使得像素面板8能够显示出上一层打印图像；
具体曝光过程参考图7：
首先，使像素面板8移动至外框11(未示出，可参考图5)的左上角，在第一曝光区域16进行第一次曝光；
然后，使像素面板8移动至外框11的右上角，在第二曝光区域17进行第二次曝光；
然后，使像素面板8移动至外框11的右下角，在第三曝光区域18进行第三次曝光；
最后，使像素面板8移动至外框11的左下角，在第四曝光区域19进行第四次曝光，得到上一层结构。
本发明中的像素面板8能够在外框11中进行微小位移，使原本的遮光区10也能够进行曝光，提升了曝光的均匀性，改善了打印效果。
在本发明中，可以采用推动装置来推动像素面板8进行微小移动。所述推动装置包括四个推动器12，如图5所示，其中，两个推动器12沿X方向设置在像素面板8的两侧，另外两个推动器12沿Y方向设置在像素面板8的两侧。本发明通过分别推动设置在像素面板8的四个方向的推动器12来实现像素面板8在上、下、左、右四个方向上的移动。
当打印下一层结构时，有两种实施方式。
在第一种实施方式中，打印下一层结构的步骤包括：
使像素面板8返回至外框11的左上角；
输入下一层打印图像的数据至像素面板8的开关元件，通过所述开关元件控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，以使得像素面板8能够显示出下一层打印图像；
重复上述曝光步骤，得到下一层结构。
在第二种实施方式中，打印下一层结构的步骤包括：
输入下一层打印图像的数据至像素面板8的开关元件，通过所述开关元件控制相应的像素单元9处于透光或不透光的状态，以使得像素面板8能够显示出下一层打印图像；
使像素面板8停留在外框11的左下角(即上一层结构第四次曝光完成的位置)，进行下一层打印图像的第一次曝光；
分别将像素面板8移动至外框11的左上角、右上角和右下角，进行下一层打印图像的第二次曝光、第三次曝光和第四次曝光，得到下一层结构。
优选地，可以设定像素单元9在X方向的宽度W等于A，像素单元9在Y方向的宽度H等于B。如图8所示，当W＝A、H＝B时，像素面板8在外框11(未示出，可参考图5)的四个角部进行曝光时，第一曝光区域16、第二曝光区域17、第三曝光区域18和第四曝光区域19之间没有大量的重叠部分，因此能够进一步提升曝光的均匀性。
本领域技术人员容易理解的是，所述三维打印方法还包括在打开背光源的步骤之前进行的：
确定待打印物体各层的图像。即，先用软件获得待打印物体的外形，通过软件将其处理成一层一层的待打印图像，然后将各层待打印图像依次输入到三维打印机中。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于三维打印机的曝光装置，其特征在于，包括背光源和设置在所述背光源出光侧的像素面板，所述像素面板包括排列为阵列的多个像素单元、以及分别与多个所述像素单元一一对应的多个开关元件，所述开关元件用于控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示待打印的图像。
2.根据权利要求1所述的曝光装置，其特征在于，相邻的所述像素单元之间设置有遮光区，所述开关元件以及与所述开关元件相连的引线均位于所述遮光区中。
3.根据权利要求2所述的曝光装置，其特征在于，在X方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为A，在Y方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框、以及推动装置，所述推动装置能够推动所述像素面板在所述外框限定的内部空间中沿X方向和沿Y方向移动，所述外框的内部空间沿X方向的长度等于所述像素面板在X方向的长度与A之和，所述外框的内部空间沿Y方向的长度等于所述像素面板在Y方向的长度与B之和。
4.根据权利要求3所述的曝光装置，其特征在于，所述推动装置包括四个推动器，其中，两个所述推动器沿X方向设置在所述像素面板的两侧，另外两个所述推动器沿Y方向设置在所述像素面板的两侧。
5.根据权利要求3所述的曝光装置，其特征在于，所述像素单元在X方向的宽度等于A，所述像素单元在Y方向的宽度等于B。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的曝光装置，其特征在于，所述像素面板为液晶面板、微机电面板、电致变色面板中的任意一种。
7.一种三维打印机，其特征在于，包括权利要求1至6中任意一项所述的曝光装置，所述曝光装置用于对打印材料进行曝光，所述三维打印机还包括打印台和材料槽，所述材料槽设置在所述像素面板的出光侧，所述材料槽内放置有打印材料，并且，所述打印台的下表面能够在所述材料槽中上下移动，所述背光源发出的光能够使所述打印材料固化。
8.根据权利要求7所述的三维打印机，其特征在于，所述三维打印机还包括支柱，所述打印台上设置有支撑臂，所述支撑臂的一端滑动设置在所述支柱上，以使得所述打印台的下表面能够在所述材料槽中上下移动。
9.根据权利要求8所述的三维打印机，其特征在于，所述三维打印机还包括控制器，所述控制器分别与所述支撑臂、所述背光源和所述像素面板相连，所述控制器用于控制所述支撑臂的升降、控制所述背光源的打开与关闭、以及控制所述像素面板中的各个所述开关元件的通断以控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态。
10.一种采用权利要求7至9中任意一项所述的三维打印机的三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
打开背光源；
输入当前打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出当前打印图像；
对打印材料进行曝光，得到对应于当前打印图像的层结构。
11.根据权利要求10所述的三维打印方法，其特征在于，相邻的所述像素单元之间设置有遮光区，在X方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为A，在Y方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框，所述外框的内部空间沿X方向的长度等于所述像素面板在X方向的长度与A之和，所述外框的内部空间沿Y方向的长度等于所述像素面板在Y方向的长度与B之和，
在打印相邻两层结构时，打印上一层结构的步骤包括：
输入上一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出上一层打印图像；
使所述像素面板移动至所述外框的左上角，进行第一次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右上角，进行第二次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右下角，进行第三次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的左下角，进行第四次曝光，得到上一层结构；
打印下一层结构的步骤包括：
使所述像素面板返回至所述外框的左上角；
输入下一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出下一层打印图像；
重复上述曝光步骤，得到下一层结构。
12.根据权利要求10所述的三维打印方法，其特征在于，相邻的所述像素单元之间设置有遮光区，在X方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为A，在Y方向上位于相邻所述像素单元之间的所述遮光区的宽度为B，所述曝光装置还包括用于约束所述像素面板的移动范围的外框，所述外框的内部空间沿X方向的长度等于所述像素面板在X方向的长度与A之和，所述外框的内部空间沿Y方向的长度等于所述像素面板在Y方向的长度与B之和，
在打印相邻两层结构时，打印上一层结构的步骤包括：
输入上一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出上一层打印图像；
使所述像素面板移动至所述外框的左上角，进行第一次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右上角，进行第二次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的右下角，进行第三次曝光；
使所述像素面板移动至所述外框的左下角，进行第四次曝光，得到上一层结构；
打印下一层结构的步骤包括：
输入下一层打印图像的数据至所述像素面板的开关元件，通过所述开关元件控制相应的所述像素单元处于透光或不透光的状态，以使得所述像素面板能够显示出下一层打印图像；
使所述像素面板停留在所述外框的左下角，进行下一层打印图像的第一次曝光；
分别将所述像素面板移动至所述外框的左上角、右上角和右下角，进行下一层打印图像的第二次曝光、第三次曝光和第四次曝光，得到下一层结构。
13.根据权利要求10至13中任意一项所述的三维打印方法，其特征在于，所述三维打印方法还包括在打开背光源之前进行的：
确定待打印物体各层的图像。
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