CN104842556A - 一种光固化3d打印系统 - Google Patents

Abstract

一种光固化3D打印系统，所述系统包括光敏液体材料槽，用于承载光敏液体材料，其大致形状为具备一定深度的有壁容器，并有具备一定面积的平坦底部，且所述光敏液体材料与所述平坦底部的接触面构成成型面；照射单元，能够在计算机控制下将包含特定图形信息的光照射向所述光敏液体材料槽并在所述成型面上清晰成像，从而将从所述成型面起的一定厚度内的光敏液体材料以所述特定图形信息限定的形状固化；工作台，能够伸入所述光敏液体材料槽并接触到所述光敏液体材料，且能够粘附被固化的所述光敏液体材料；升降机构，能够在与所述成型面相垂直的方向上移动所述工作台，使之接近或远离所述成型面；以及旋转机构。

Description

一种光固化3D打印系统

技术领域

本发明涉及一种3D打印系统，特别是一种光固化3D打印系统。

背景技术

3D打印技术，即增材制造技术的别称。通常的实现方式有熔融挤出、光固化、粉末烧结等类型。其中光固化3D打印技术，是结构较为简易而精度较高的一种方案。现有的光固化3D打印设备，通常以光敏树脂为耗材，通过DLP投影、激光扫描或液晶透射屏幕遮罩等方式，将包含特定图形信息的光投射至一个成型面，从而将位于此成型面的光敏树脂依据需要，有选择地固化，从而构成打印件的一个截面。随后，通过升降打印件，在其端面不断增加新的固化界面，从而最终实现具有较大体积的打印件。但是，无论是采用DLP投影方式、激光振镜扫描方式，还是液晶透射屏幕遮罩方式实现光固化成型，其最大成型尺寸都受到器件规格的局限。例如，DLP投影方式下，当DLP成像元件（即DMD器件）的分辨率（像素点阵）不变时，投影获得的图形范围尺寸越大，则每个像素所对应的固化成型尺寸也就越大，相应地，获得的打印成品将更粗糙；在激光振镜扫描方式下，由于聚焦场镜只能在特定尺寸范围内保证聚焦光斑大小理想，一旦超过此尺寸范围，将会造成光斑的尺寸差异增大，影响打印成品的精度；在液晶透射屏幕遮罩方式下，液晶屏自身的分辨率及其尺寸，也同样会制约着打印成品的效果。总之，在已知的主要光固化3D打印设备中，尺寸与精细程度，是一对互相制约、限制的元素。

发明内容

基于现有技术中存在的前述问题，本发明旨在提供一种光固化3D打印系统，能够在不影响打印成品精细程度的前提下，获得更大的成型尺寸，或者在不减少成型尺寸的前提下，获得更加精细的打印效果。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种光固化3D打印系统，所述系统包括光敏液体材料槽，用于承载光敏液体材料，其大致形状为具备一定深度的有壁容器，并有具备一定面积的平坦底部，且所述光敏液体材料与所述平坦底部的接触面构成成型面；照射单元，能够在计算机控制下将包含特定图形信息的光照射向所述光敏液体材料槽并在所述成型面上清晰成像，从而将从所述成型面起的一定厚度内的光敏液体材料以所述特定图形信息限定的形状固化；工作台，能够伸入所述光敏液体材料槽并接触到所述光敏液体材料，且能够粘附被固化的所述光敏液体材料；升降机构，能够在与所述成型面相垂直的方向上移动所述工作台，使之接近或远离所述成型面；以及旋转机构。

进一步地，所述旋转机构，能够以垂直于所述成型面的一根直线为旋转轴进行旋转。

进一步地，所述旋转机构的旋转轴线与成型面的交点，位于所述照射单元在所述成型面上清晰成像的范围之内或恰好位于其边界上。

进一步地，所述旋转机构能够在计算机控制下，以特定的速度、角度，在所述照射单元对所述成型面发光的间隙进行旋转。

进一步地，所述照射单元安装在所述旋转机构上，能够跟随所述旋转机构转动。

进一步地，所述工作台安装在所述旋转机构上，能够跟随所述旋转机构转动。

进一步地，所述旋转机构装有分度头。

进一步地，所述照射单元包括DMD器件、透镜组、光源，且所述光源为氙灯或发光波段包含350nm到455nm之间的至少1个特定波长的LED光源。

所述照射单元也可以包括半导体激光器、振镜与聚焦镜，且所述半导体激光器的发光波长在350nm到455nm之间。

所述照射单元还可以包括液晶透射屏幕、LED光源，且所述LED光源的发光波段包含350nm到455nm之间的至少1个特定波长。

进一步地，所述光敏液体为能够在350nm至455nm之间至少1个特定波段光线照射下固化的光敏树脂。

进一步地，所述工作台与所述升降机构的固定连接方式为由电路控制的电磁铁吸附，且当电路执行特定操作时，连接能够被解除，所述工作台能够脱离所述升降机构。

进一步地，所述工作台与所述旋转机构的固定连接方式为由电路控制的电磁铁吸附，且当电路执行特定操作时，连接能够被解除，所述工作台能够脱离所述旋转机构。

本发明所涉及的光固化3D打印系统，通过加入旋转机构，在单次照射尺寸与精度固定的前提下，能够使工作台与照射机构产生相对运动，从而实现依次照射以扩大成型尺寸的目的。

附图说明

附图1为本发明的一种实施例中利用旋转运动增加成型面积范围的示意图。

附图2为本发明的一种实施例中工作台与升降机构的结构示意图。

附图3为本发明的一种实施例中工作台、升降机构与旋转机构的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的描述。

本发明所涉及的光固化3D打印系统是一种包含旋转机构的光固化3D打印系统。旋转机构的功能在于使工作台或照射单元能够以一条垂直于成型面的直线为轴进行旋转。

打印开始时，工作台将处于特定的起始位置，即工作台的底面与光敏液体材料槽内的成型面极其贴近，仅留有一个薄层的间隙。当照射单元开始照射时，这一薄层间隙内的光敏液体即能在较短时间内被固化。

当一个薄层的光敏液体被固化后，传统的光固化3D打印方案通常直接提升工作台，使得这一层光敏液体固化物粘附在工作台上，与之共同提升一段极小的距离，从而在固化物的底面与成型面之间再次形成一个薄层间隙，从而能够重复照射——提升——照射的过程，进而形成具有一定高度的固化打印件。

然而在本发明的技术方案中，由于旋转机构的存在，照射单元进行一次照射之后，打印系统能够不立即提升工作台，而是通过旋转工作台（以及附着在上的光敏液体固化物）或者旋转照射单元，并且随即进行一次新的照射。

在照射单元单次成像范围不变的前提下，在照射单元向成型面照射的间隙加入一次或多次旋转运动，从整体效果看，将会显著地扩大照射单元成像的范围。如图1所示，通过若干次旋转，照射单元的成像范围可以轻易地增加一倍乃至数十倍。

在本发明的一个实施例中，光固化3D打印系统包括一个光敏树脂材料槽、一个照射单元、一个工作台、一个升降机构与一个旋转机构。

其中光敏树脂材料槽为一个带壁的平底容器，且底部透明，能够使紫外光、蓝紫光或纯蓝光通过。照射单元能够在所连接的计算机控制下，将特定形状的图形投射向光敏树脂材料槽底部与光敏树脂所接触处形成的成型面且在此面上清晰成像。

其中照射单元安装在装有分度头的旋转机构上，能够以一根垂直于成型面的直线为轴心进行精确的旋转。

工作台安装在升降机构上，因而升降机构能够带动工作台共同沿着与成型面垂直的方向进行上下运动。

照射单元的旋转轴与成型面的交点，始终位于照射单元进行单次照射在成型面上清晰成像的范围内部或其边界上。

如附图1所示，照射单元（1）能够在成型面上的某个特定区域（3）进行清晰成像，且照射单元的旋转轴（2）位于该区域的边界线上，在照射单元对该区域进行照射之后，照射单元沿旋转轴（2）旋转特定角度，例如180度，则此时照射单元能够在成型面上一个新的特定区域（4）进行清晰成像。当照射单元旋转角度不恰好为180度或360度时，则前一成像区域和后一成像区域的非重叠面积将会减小，但仍然可以通过特定的算法，在有限的转动次数内，实现显著的总成型面积增长。

在本发明的另一个实施例中，光固化3D打印系统具有与前一实施例近似的结构，所区别之处在于工作台，而非照射单元，安装在装有分度头的旋转机构上，且旋转机构安装在升降机构上。因此，工作台既能够进行升降运动，又能够进行旋转运动。同样地，工作台的旋转轴与成型面的交点，始终位于照射单元进行单次照射在成型面上清晰成像的范围内部或其边界上。

仍如附图1所示，照射单元（1）能够在成型面上的某个特定区域进行清晰成像，从而将此范围内的特定部分光敏树脂固化，进而粘附在工作台的对应位置上，也就是说，照射单元（1）的一次照射，能够在工作台底面的特定范围内（3）形成由固化的光敏树脂构成的打印件。

当照射单元（1）完成一次照射后，工作台能够沿旋转轴（2）旋转特定角度，例如180度，则此时工作台的一个新的特定区域（4）恰好运动到照射单元（1）的清晰成像区域上方。当照射单元完成一次新的照射时，则区域（4）也将形成由固化的光敏树脂构成的打印件。

与前一个实施例相似地，即使工作台的旋转角度不恰好为180度或360度，也能够通过有限次旋转和照射，使工作台上能够形成由固化的光敏树脂构成的打印件的区域实现显著的增长。

在上述两个实施例中，照射单元均可基于DLP技术实现，即包括DMD器件、透镜组与高压氙灯或发光波段包含350nm到455nm范围之中的至少一个特定波长的LED。从高压氙灯或LED发出的光线到达DMD器件，被DMD器件上包含的众多微小镜片选择性地反射，再通过透镜组，从而在成型面上形成包含特定图形信息的像。

在本发明的另一个实施例中，照射单元基于激光扫描方案实现，即包括半导体激光器、振镜与聚焦镜。半导体激光器的发光波长，应处于350nm到455nm之间。从半导体激光器发出的光束，到达振镜后，由计算机控制的两片振镜能够精确地将光束反射向多个特定角度，并通过聚焦镜，在成型面上形成聚焦良好的光斑。由于振镜能够高速运动，激光光斑也能够获得极高的线速度，进而在成型面上绘制出包含特定图形信息的像，再进而固化特定区域的光敏树脂。在此实施例中，由于照射单元通常只能在成型面的一个特定范围内（例如一个直径为150mm的圆）获得尺寸符合要求（例如直径小于0.1mm）的光斑，则应将所谓一次照射理解为光斑完成在这样一个特定范围内的扫描运动的过程。

在本发明的另一个实施例中，照射单元基于液晶遮罩方案实现，即包括液晶透射屏幕、发光波段包含350nm到455nm之间的至少一个特定波长的LED。液晶透射屏幕在计算机的控制下，能够在某些部分表现为黑色，即阻挡LED发出的光通过，又在某些部分表现为透明，即允许LED发出的光通过。因而当液晶投射屏幕距离成型面足够近时，照射单元即能够在成型面投射包含特定信息的清晰图形。

在本发明的另一个实施例中，如附图2所示，升降机构包含垂直于成型面的滑轨或丝杠（1），以及沿着该滑轨或丝杠（1）进行升降运动的升降臂（2），在升降臂的末端安装有电磁铁（3）。工作台（4）的一部分或者全部能够被通电的电磁铁（3）所吸附。当打印完成需要从工作台（4）的底部取下打印件时，电磁铁（3）即能够在电路的控制下断电并失去磁性，从而使得工作台（4）与升降机构脱离，以便使用者快速地进行操作。

在本发明的另一个实施例中，如附图3所示，升降机构包含垂直于成型面的滑轨或丝杠（1），以及沿着该滑轨或丝杠（1）进行升降运动的升降臂（2），在升降臂的下方安装有旋转机构（3），旋转机构（3）能够沿着垂直于成型面的旋转轴（4）进行转动。在旋转机构上，还安装有电磁铁（5）。工作台（6）的一部分或全部能够被通电的电磁铁（5）所吸附。当打印完成需要从工作台（6）的底部取下打印件时，电磁铁（5）既能够在电路的控制下断电并失去磁性，从而使得使用者能够快速地移走工作台（6）。

与各种传统光固化3D打印方案相比，本发明所描述的光固化3D打印系统具有如下优点：无论照射单元是基于DLP技术，或激光扫描方案，还是基于液晶遮罩方案实现，都能通过引入旋转运动，使得超出单次照射成型范围的打印物体截面，能够被切分成有限个近似扇形的部分，从而在同一层内利用若干次照射来进行拼接，进而在保证精度不下降的前提下，实现打印尺寸的显著扩大。同时，电磁铁吸附方式，使得工作台能够被快速拆装，改进了工作流程。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式范例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种光固化3D打印系统，其特征在于，包括

光敏液体材料槽，用于承载光敏液体材料，其大致形状为具备一定深度的有壁容器，并有具备一定面积的平坦底部，且所述光敏液体材料与所述平坦底部的接触面构成成型面；

照射单元，能够在计算机控制下将光照射向所述光敏液体材料槽并在所述成型面上清晰形成包含特定图形信息的像，从而将从所述成型面起的一定厚度内的光敏液体材料以所述特定图形信息限定的形状固化；

工作台 ，能够伸入所述光敏液体材料槽并接触到所述光敏液体材料，且能够粘附被固化的所述光敏液体材料；

升降机构，能够在与所述成型面相垂直的方向上移动所述工作台，使之接近或远离所述成型面； 

旋转机构。

2.根据权利要求1所述的光固化3D打印系统, 其特征在于所述旋转机构,能够以垂直于所述成型面的一根直线为旋转轴进行旋转。

3.根据权利要求2所述的光固化3D打印系统, 其特征在于所述旋转机构的旋转轴线与成型面的交点, 位于所述照射单元在所述成型面上清晰成像的范围之内或恰好位于其边界上。

4.根据权利要求3所述的光固化3D打印系统, 其特征在于所述旋转机构能够在计算机控制下,以特定的速度、角度，在所述照射单元对所述成型面发光的间隙进行旋转。

5.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统, 其特征在于所述照射单元安装在所述旋转机构上, 能够跟随所述旋转机构转动。

6.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述工作台安装在所述旋转机构上，能够跟随所述旋转机构转动。

7.根据权利要求5与权利要求6之中任意一种所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述旋转机构装有分度头。

8.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述照射单元包括DMD器件、透镜组、光源，且所述光源为氙灯或发光波段包含350nm到455nm之间的至少1个特定波长的LED光源。

9.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述照射单元包括半导体激光器、振镜与聚焦镜，且所述半导体激光器的发光波长在350nm到455nm之间。

10.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述照射单元包括液晶透射屏幕、LED光源，且所述LED光源的发光波段包含350nm到455nm之间的至少1个特定波长。

11.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述光敏液体为能够在350nm至455nm之间至少1个特定波段光线照射下固化的光敏树脂。

12.根据权利要求4所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述工作台与所述升降机构的固定连接方式为由电路控制的电磁铁吸附，且当电路执行特定操作时，连接能够被解除，所述工作台能够脱离所述升降机构。

13.根据权利要求6所述的光固化3D打印系统，其特征在于所述工作台与所述旋转机构的固定连接方式为由电路控制的电磁铁吸附，且当电路执行特定操作时，连接能够被解除，所述工作台能够脱离所述旋转机构。