CN104890246A - 一种利用光固化3d打印机的打印方法以及3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种利用光固化3D打印机的打印方法，包括单层打印步骤：设定横截面图案；设定扫描区域；旋转显示；照射固化步骤。本发明提供的一种利用光固化3D打印机的打印方法，由于液态光敏树脂具有一定粘度，因此局部固化部分会对液体形态的光敏树脂存在较强的分子间作用力，使得液体形态的光敏树脂被牵拽到形成的薄层和光敏树脂池底部的间隙中，以利于随后的光固化。因此，本发明具有很高的成型精度以及相对于现有打印方法20～100倍的成型速度。

Description

一种利用光固化3D打印机的打印方法以及3D打印系统

技术领域

本发明涉及3D打印领域，特别涉及一种以旋转方式局部固化的3D打印方法以及利用该方法的3D打印系统。

背景技术

目前，光固化成型装置主要包括SLA光固化3D打印机以及DLP光固化打印机。

其中，SLA光固化3D打印机具有能够容纳液态光敏树脂的光敏树脂池以及用于承载打印薄层的承载平台。其采用将特定波长(405nm)的激光聚焦到液态光敏树脂表面，使之由点到线、由线到面的固化，最终完成第一个薄层的固化。然后承载该薄层的承载平台向上移动一定距离并且停止数秒，之后承载平台向下移动，使第一薄层至液态光敏树脂池底部的距离等于第二薄层厚度。以激光照射液态光敏树脂，则第二薄层固化于第一薄层的下表面之上。以此类推，通过薄层的累积，最终形成打印物体。这样操作是由于液态光敏树脂具粘度，流动性差，因此需要有足够的时间等待液态光敏树脂在承载平台与光敏树脂池的底部之间的空隙中均匀分布。由于承载平台需要在薄层的固化间隔向上运动、停止、向下运动，因此，这样的打印过程不连续，导致打印效率下降。

另一种DLP光固化3D打印机是采用DLP投影设备，将图案直接照射到液态光敏树脂的表面，使其固化成第一薄层。之后与SLA光固化3D打印机相同，承载平台需要上升、停止、向下运动，开始固化叠加于第一薄层下表面的第二薄层。以此类推，最终形成打印物体。DLP光固化3D打印机具有与SLA光固化3D打印机相同的缺陷，打印过程被间断，从而影响了打印效率。

因此，提供一种新的打印方式以提高打印效率的方法成为亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用光固化3D打印机的打印方法，包括单层打印步骤：

设定横截面图案：确定待打印物体的横截面图案以及横截面厚度；

设定扫描区域：设定能够覆盖所述打印物体的横截面图案的圆，并以所述圆的一部分扇形区域为扫描区域；

旋转显示：使所述扫描区域沿所述圆的圆心顺时针或逆时针地转动，直至其轨迹遍布整个所述横截面图案；以LCD显示单元同步显示处于所述扫描区域内的图案；

照射固化：执行旋转显示步骤的同时，以光束透过所述LCD显示单元照射液态光敏树脂，使得所述液态光敏树脂以与所述扫描区域内的图案相同的形状且以所述横截面厚度固化于承载单元上。

在本发明的一些实施方式中，所述打印方法包括：重复所述单层打印步骤，以形成多个具有所述横截面厚度的叠加的薄层，直至形成完整的打印物体；在此过程中，所述承载单元连续移动。

在本实施方式中，承载单元连续移动，以使下一薄层固化于上一薄层，最终形成完整的3D打印物体。在形成一个薄层的过程中，承载单元移动一定的距离时，液态光敏树脂按照扫描区域显示的图案固化于承载单元。因此，薄层的固化程度具有梯度，即先被固化的区域由于照射时间达到预定时间，因此固化程度高，而后被照射的区域由于照射时间暂未达预定时间，固化程度略低。液态光敏树脂不断的补充到承载单元或薄层与光敏树脂池之中，完全不同于现有的每打印一层都要停滞一段时间的3D打印方法，打印效率得到显著提升。

在本发明的一些实施方式中，在所述旋转显示步骤和所述照射固化步骤中，所述承载单元移动一个所述横截面厚度时，所述扫描区域的转动轨迹至少一次遍布所述待打印物体的横截面图案。

在本发明的一些实施方式中，所述扇形的面积为1/4所述圆的面积。

在本发明的一些实施方式中，所述LCD显示单元以透光部分和遮光部分组成所述图案。

本发明还提供了一种光固化3D打印系统，包括：用于根据待打印物体的横截面图案设定能够覆盖所述打印物体的横截面图案的圆，并以所述圆的一部分为扇形单位扫描区域的控制单元；用于根据所述控制单元设定的所述单位扫描区域的运动轨迹，同步显示处于所述单位扫描区域内的图案的LCD显示单元。

本发明提供的一种利用光固化3D打印机的打印方法，由于液态光敏树脂具有一定粘度，因此局部固化部分会对液体形态的光敏树脂存在较强的分子间作用力，使得液体形态的光敏树脂被牵拽到形成的薄层和光敏树脂池底部的间隙中，以利于随后的光固化。因此，本发明具有很高的成型精度以及相对于现有打印方法20～100倍的成型速度。

附图说明

图1为所采用的3D打印机的结构示意图；

图2为选定的待打印物体；

图3为图2所示的待打印物体的一个横截面图案；

图4图3所示横截面图案处于圆形区域内的示意图；

图5为选定的扇形区域示意图；

图6a～6g为扇形区域旋转一周，LCD显示单元显示的图案；

图7为本发明一实施方式的光固化3D打印方法流程图。

具体实施方式

参照图1，一种光固化3D打印机，其具有框架1以及设置在框架1内的中层板2。中层板2将框架1的内部分隔为上部空间1-1以及下部空间1-2。光敏树脂池3设置在中层板2之上，其内部容纳液态光敏树脂。在光敏树脂池3底部的内表面依次覆设用于均匀光线的菲涅尔透镜4以及LCD液晶显示单元5。

导轨立柱6设置于框架1内部的一侧，其贯穿中层板2，由下部空间1-2延伸至上部空间1-1。用于承载固化物体7的承载平台8能够沿着导轨立柱6竖直运动。具体而言，导轨立柱6可以为能够旋转的丝杠，而承载平台8与导轨立柱6关联的一端可以是丝杠的螺母座。当丝杠在步进电机的带动下旋转时，这一旋转运动被转化为承载平台8的竖直运动。

框架1的最底部固定设置控制单元9以及能够发射光束的光源10。光源10处于光敏树脂池3的下方，其发射的光束能够依次经由光敏树脂池3、菲涅尔透镜4和LCD液晶显示单元5后照射容纳于光敏树脂池3内的液态光敏树脂，以使其固化成型于承载平台8之上。控制单元9能够控制光源10的开启或关闭、控制承载平台8沿立柱导轨6运动，以及控制LCD液晶显示单元5显示图案。

应当能够理解，光敏树脂池3的底部为允许光源10发出的光束透过的透明材质，并且中层板2同样为透明材质或者具有能够使光束通过的空心区域。LCD液晶显示单元5能够以透光区域显示出待打印物品任意横截面的图案，而其它部分均为遮光区域。光源10发射的光束在透光区域可以透过LCD液晶显示单元5，在遮光区域则不能。因此，液态光敏树脂被照射之后所固化的薄层的形状与LCD液晶显示单元5透光区域的图案相同。

承载平台8每次上升的距离和丝杠的螺距以及步进电机的最小旋转角度有关。例如，丝杠的螺距为2mm，步进电机最小旋转角度为1.8°，那么打印平台每次上升或者下降的距离为0.01mm。因此，每次流入承载平台9或薄层与液态光敏树脂池3的底部距离为0.01mm，固化后的薄层厚度即为0.01mm。这样能够具有较高的光固化精度。

每固化完一个薄层，LCD液晶显示单元5即切换待打印物体的下一个横截面图案，采用光源10照射LCD液晶显示单元5，后一薄层固化于前一薄层的下表面。重复这一过程，直至打印形成完整物体。

下面结合附图介绍本发明一实施方式的旋转式3D打印方法。图2显示了一个待打印物体，以其如图3所示的不规则的横截面为例，使横截面数据被输入(横截面图案以及横截面厚度)到控制单元9中。参照图4，以横截面所示的图案的中心为圆心，以圆心至所示图案的最远处为半径划定圆形扫描区域，即设定能够覆盖横截面图案的最小圆，以使横截面图案完全处于该圆形区域内。

参照图5和图6a～6g所示，设定一个顶角为90°且半径与上述的圆形区域的半径相同的白色透光的扇形区域，将上述扇形区域的顶点与圆形区域的圆心重合，并使扇形区域逆时针或顺时针旋转。控制单元9对扇形区域和横截面图案进行叠加处理，判定两者均显示为白色透光区域的部分仍为白色区域，两者之一为黑色遮光区域即为黑色区域，最终使白色区域和黑色区域所组成的图案显示在LCD液晶显示单元5上。如图6b所示，扇形区域旋转45°，则此时显示的是叠加之后的45°～135°圆形区域内的横截面图案。在该范围之外的部分都显示为不透光的黑色区域。本实施例中采用了90°的扇形为例，但是本领域技术人员应当能够理解，可以通过改变扇形顶角的角度以控制扇形区域的面积。

参照图6a～6g以及图7，本发明的实施例提供了如下3D打印方法：

第一步，控制单元9获取待打印物体的第一横截面数据(图案以及厚度)，所述横截面图案由白色透光区域和黑色遮光区域组成。

第二步，设定一圆形区域，使第一横截面图案完全置于圆形区域内；设定一顶点与圆形区域的圆心重合并且与圆形区域半径相同的白色透光扇形区域，使扇形区域顺时针或逆时针旋转。

第三步，控制单元9对第一横截面图案和扇形区域进行叠加，将二者均显示为白色的部分以一LCD液晶显示单元5随着扇形区域的旋转逐步显示。

第四步，以光束照射LCD液晶显示单元，光束透过LCD液晶显示单元所显示的白色透光区域照射液态光敏树脂，使其成型于承载平台8上，液态光敏树脂固化成与扇形区域内所显示的截面图案相应的形状，并且最终形成与第一横截面图案形状相应且厚度相同的完整的第一薄层。

设定扇形区域旋转45°所需的时间为T秒，以从0°逆时针旋转45°的过程为例，LCD液晶显示单元5先显示0～90°区域内的横截面图案，之后扇形区域逐步旋转，LCD显示单元逐步显示45°～135°的区域。那么初始显示的0～90°的区域则被光束照射了T秒，如若设定其固化程度为1，那么45°～135°区域的固化程度会逐渐的变小，且均小于1。因此，在承载平台8之上形成的薄层的不同区域就具有不同的固化程度，并且按照逆时针具有梯度。

第五步，控制单元9获取待打印物体的第二横截面的数据(图案和厚度)，重复上述步骤，在第一薄层下表面固化成型第二薄层，直至形成完整的打印物体。

在此过程中承载平台9连续地缓慢上升。

需要说明的是，在光束照射液晶显示单元5的过程中，当承载平台8连续运动且上升了一个薄层的厚度(例如0.01mm)时，扇形区域不断旋转，可以使横截面图案被完整的显示了一次或者多次。这样设置，使得先被显示的区域固化时间长，后被显示的区域固化时间略短。

以上对本发明的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明范围(由所附的权利要求书限定)的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或详细说明中的实施范例。

Claims (6)

1.一种利用光固化3D打印机的打印方法，包括单层打印步骤：

设定横截面图案：确定待打印物体的横截面图案以及横截面厚度；

设定扫描区域：设定能够覆盖所述打印物体的横截面图案的圆，并以所述圆的一部分为扇形单位扫描区域；

旋转显示：使所述单位扫描区域沿所述圆的圆心顺时针或逆时针地转动，直至其轨迹遍布整个所述横截面图案；以LCD显示单元同步显示处于所述单位扫描区域内的图案；

照射固化：执行旋转显示步骤的同时，以光束透过所述LCD显示单元照射液态光敏树脂，使得所述液态光敏树脂以与所述单位扫描区域内的图案相同的形状且以所述横截面厚度固化于承载单元上。

2.根据权利要求1所述的打印方法，包括：

重复所述单层打印步骤，以形成多个具有所述横截面厚度的叠加的薄层，直至形成完整的打印物体；在此过程中，所述承载单元连续移动。

3.根据权利要求2所述的一种光固化3D打印方法，在所述旋转显示步骤和所述照射固化步骤中，所述承载单元移动一个所述横截面厚度时，所述单位扫描区域的转动轨迹至少一次遍布所述待打印物体的横截面图案。

4.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印方法，所述扇形的面积为1/4所述圆的面积。

5.根据权利要求1所述的一种光固化3D打印方法，所述LCD显示单元以透光部分和遮光部分组成所述图案。

6.一种光固化3D打印系统，包括：

用于根据待打印物体的横截面图案设定能够覆盖所述打印物体的横截面图案的圆，并以所述圆的一部分为扇形单位扫描区域的控制单元；

用于根据所述控制单元设定的所述单位扫描区域的运动轨迹，同步显示处于所述单位扫描区域内的图案的LCD显示单元。