CN104816479B - 一种大幅面光固化3d打印机 - Google Patents
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Abstract
一种大幅面光固化3D打印机属于3D打印技术领域。其特征在于：包括计算机控制系统，紫外激光器，Z轴方向运动电机、Z轴平台，x/y轴数控系统，搭载在直线电机上的反射镜、储液池和补液箱；紫外激光光束垂直辐照到搭载在Y方向运动直线电机的反射镜上，然后反射到搭载在Y方向运动直线电机的反射镜上，最终辐照到储液池中液态光敏树脂表面；储液池中有Z轴方向运动电机驱动的Z轴平台，Z轴平台上方为基托板，储液池通过压力控制装置与补液箱相连接；通过控制反射镜和Z轴平台的运动实现紫外激光束对液态树脂的固化。本发明提出一种集加工速度快、成型精度较高、成型幅面大，树脂利用率高、成本较低的特点于一体的3D打印机。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光技术进行三维实物模型制作的增材制造(即3D打印)设备，尤其是光固化的3D打印设备。
背景技术
目前公知的3D打印技术被誉为“第三次工业革命”，被广泛的应用于工业设计、医疗、教学、航空航天等领域。3D打印技术的主流技术包括激光立体光固化技术(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光熔化技术(SLM)、数字光处理技术(DLP)、三维打印黏结成型(3DP)等。
激光立体光固化技术(Stereo Lithography Appearance，简称SLA)，是最早出现的快速原型制造工艺，SLA技术所用光源为激光，具有波长单一、光斑尺寸小和功率密度大的特点，通过精确控制扫描头，可以实现零件高速度、高精度加工。但现有的SLA系统设计复杂，在成型过程中，为了保证树脂液体加工表面的平整度，需要复杂且昂贵的设备去调节液面平整度，使得整体系统体积过大并且造价昂贵；另一方面，在成型过程中，往往需要一个大体积树脂储池，导致树脂材料利用率很低，昂贵的成本和过重的设备不利于SLA技术的推广及实用化。
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，简称FDM)，又称熔丝沉积，是一种快速成型技术。FDM是将低熔点材料熔化后，通过由计算机数控的精细喷头按CAD分层截面数据进行二维填充，喷出的丝材经冷却粘结固化生成一薄层截面，层层叠加成三维实体。其特点是不采用激光系统，使用和维护简单，设备体积小巧，易于搬运，适用于办公环境易于被大众人群接受，但由于其需要保证出丝过程挤出速度和填充速度进行合理匹配，影响加工速度，挤出丝实际轮廓线超出理想轮廓线区域，影响成型件精度，相比SLA、DLP技术精度和打印速度有很大差距。
发明内容
针对以熔融沉积成型(FDM)技术为依托的3D打印设备打印速度低、成型精度低，以激光立体光固化(SLA)技术为依托的3D打印设备造价高、成型幅面偏小、树脂利用率低的特点，提出一种集加工速度快、成型精度较高、成型幅面大，树脂利用率高、成本较低的特点于一体的3D打印机。
一种大幅面光固化3D打印机，其特征在于：包括计算机控制系统，紫外激光器，Z轴方向运动电机、Z轴平台，x/y轴数控系统，搭载在直线电机上的反射镜、储液池和补液箱；紫外激光经搭载在Y直线电机转子上的反射镜2，反射至搭载在X直线电机转子上的反射镜9，最终辐照到储液池6中液态光敏树脂表面；储液池6中有Z轴方向运动电机7驱动的Z轴平台，Z轴平台上方为基托板3，储液池6通过压力控制装置5与补液箱4相连接；通过控制反射镜和Z轴平台的运动实现紫外激光束对液态树脂的固化。
进一步，Z轴平台下方的设有活动隔板与储液池的底部密闭连接。
进一步，紫外激光器波长在355～405nm。
X方向直线电机运动速度在2m/s～7m/s，加速度40～50m/s2；Y方向直线电机运动速度在2m/s～7m/s，加速度20～30m/s2。
本发明中所用的紫外激光器波长单一、光斑尺寸小、功率密度大，在极端的时间内即可实现树脂的固化，故可实现比FDM技术更快速、更精确的成型。而该方法所用激光器仅为普通紫外光源，对光束进行一定准直聚焦后通过反射镜的运动即可控制光束在加工件正上方的移动，而不需要复杂的光学系统，也不需要苛刻的工作环境，加之使用带活动隔板和补液箱的储液池，设备成本和使用成本相对SLA技术要更低。
本发明的工作原理：利用搭载在高速直线电机上的反射镜替代扫描振镜，紫外激光光束可垂直辐照液态光敏树脂表面。通过对模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制反射镜和Z轴平台的运动。通过计算机控制X、Y轴方向上的反射镜以高加速度、高速度运动实现紫外激光束对液态树脂的固化，其成型零件范围可以不受振镜扫描范围的限制。
Z轴平台下方的活动隔板与储液池的底部密闭连接，在填充储液池时可以减少液体的使用量，在Z轴平台的升降过程中，活动隔板通过自身变形保证平台的顺利移动。外侧补液箱与储液池连通，当一层液态树脂固化完毕后，计算机自行控制Z轴方向电机平台下降一定距离，同时由补液箱，通过压力控制装置实现树脂材料的再补充，使储液池内树脂的液面高度保持一定。然后进行第二层截面的扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样层层叠加的固化层形成三维工件原型。在实体模型打印完成后可提升Z轴平台，即可方面的将模型从基板上取下。由于补液箱与储液池液面的高度差，储液池中的树脂随着Z轴平台的上升可自行回流到补液池，实现循环使用。
本发明的技术特征：
1.采用波长为355～405nm的紫外激光对液态光敏树脂材料进行固化；
2.采用x/y轴数控系统，通过高速度直线电机，带动激光反射镜片的运动，实现紫外激光束在树脂表面的垂直扫描；
3.成型零件范围1000mm×2000mm×1000mm；
4.储液池中的液面高度通过计算机控制的增压装置实现液态树脂从补液箱向储液池的供给。
5.Z轴方向电机平台的下方增加了与储液池底相连的具有密封性能活动隔板，隔板的两侧分别为平台的运动轴和液体树脂，通过阻隔液体树脂占据池内空间的方法来降低工作时树脂的需求量；
6.在平台运动时，隔板可通过自身变形来消除对平台运动的阻碍；
7.本发明中，3D打印设备所涵盖的装置有：计算机控制系统，激光器，防紫外保护罩，Z轴方向电机平台，x/y轴数控系统，导光系统、储液池、补液箱、活动隔板。
附图说明
图1大幅面光固化3D打印机。
图中：1.紫外激光器，2.Y方向运动高速度直线电机，3.基托板，4.补液箱，5.压力控制装置，6.储液池，7.活动隔板，8.X方向运动高速度直线电机，9.反射镜，10.液态树脂，11.基托板固定件，12.Z轴平台，13.Z方向运动电机。
具体实施方式
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
整体平台装置如图1方式安装连接,装配时保证Z轴平台与水平面平行，保证运动方向垂直与水平面。在Z轴平台上安放基托板，并用固定件使其与Z轴平台固定在一起。紫外激光器发射的光束经整形后通过反射镜聚焦在基托板上表面，作为平台初始位。向补液箱内倒入光敏树脂，通过计算机控制的压力装置控制补液箱与储液池的页面高度。完成固化前的准备工作。
在外置计算机上利用三维软件对STL三维模型进行分层处理，分层厚度为0.1mm，并预先设计每个分层的扫描路径。计算机控制激光器输出波长为355nm的紫外激光，X、Y高速度直线电机以4m/s的速度带动反射镜运动，实现激光束在第一层的扫描，计算机控制激光器停止出光，然后Z轴电机平台下降0.1mm，由补液箱向储液池补给树脂，并调平液面。之后，激光器输出激光，X、Y高速度直线电机继续以4m/s的速度带动反射镜运动，实现激光束对第二分层的扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,重复以上步骤直至三维实体模型打印完成。提升Z轴平台，利用补液箱与储液池液面的高度差，储液池中的树脂随着Z轴平台的上升自行回流到补液池。当模型基板从液面露出，将模型从基板上取下，在能量更高的紫外光下进行最终固化。若对工件的表面要求严格，可再经打光、电镀、喷漆或着色处理。
Claims (2)
1.一种大幅面光固化3D打印机，其特征在于：包括计算机控制系统，紫外激光器，Z轴方向运动电机和Z轴平台，x/y轴数控系统，搭载在直线电机上的反射镜、储液池和补液箱；紫外激光经搭载在Y直线电机转子上的反射镜，反射至搭载在X直线电机转子上的反射镜，最终辐照到.储液池中液态光敏树脂表面；储液池中有Z轴方向运动电机驱动的Z轴平台，Z轴平台上方为基托板，储液池与补液箱相连接；通过控制反射镜和Z轴平台的运动实现紫外激光束对液态树脂的固化；
所述Z轴平台下方的设有活动隔板与储液池的底部密闭连接；
通过计算机控制X、Y轴方向上的反射镜以高加速度、高速度运动实现紫外激光束对液态树脂的固化；
所述X方向直线电机运动速度在2m/s～7m/s，加速度40～50m/s2；所述Y方向直线电机运动速度在2m/s～7m/s，加速度20～30m/s2。
2.根据权利要求1所述的一种大幅面光固化3D打印机，其特征在于：紫外激光器波长在355～405nm。
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