CN105014970B - 一种光固化立体模型的成型设备及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模型固化成型技术领域，具体涉及一种光固化立体模型的成型设备及其成型方法。本发明提供的一种光固化立体模型的成型设备，包括设置在底座上的立柱和开口向上的容器，所述立柱设有上下运动的滑块，所述滑块固装有支架，所述支架设有通过连杆连接的成型平台,所述成型平台设置在容器内部，所述成型平台上部设有投影装置。本发明还提供了一种使用光固化立体模型的成型设备的成型方法。本发明具有结构简单、工作可靠、成型速度快等优点。

Description

一种光固化立体模型的成型设备及其成型方法

技术领域

本发明涉及模型固化成型技术领域，具体涉及一种光固化立体模型的成型设备及其成型方法。

背景技术

现有技术中，立体模型的成型方法有很多种，其中通过紫外线固化光固化树脂的方法(SLA)能够提供较高的成形精度以及较好的成形表面平整度。专利CN 203665945U公开了一种基于DLP投影光固化三维打印机，包括计算机系统、自动控制系统、DLP投影系统、成型工作池、供料系统以及升降系统，能够实现高精度的连续光固化成型。专利申请CN201410795471.6，一种具有刮平功能的激光3D打印机及其光固化打印方法公开了一种具有刮平功能的激光3D打印机，包括用于构成节本骨架的外框单元、用于盛放打印原液的料槽、能够与所述的外框单元相对纵向运动且位于所述料槽内工作位的打印单元、用于提供光固化激光光源的照射单元、位于所述打印单元和所述照射单元之间用于对打印面的刮平处理的刮平单元以及控制各单元工作状态的控制单元；所述刮平单元能够纵向运动，其上设置的刮平板能在料槽内水平横向运动，并在一个往复运动中同时完成刮除动作和抹平动作。专利申请CN 201410027198公开了一种基于DLP原理并且从液态树脂下面投影的3D打印机，其设有树脂槽，所述树脂槽的底板可透光；垂直升降机构上固定连接成型平台，通过垂直升降机构来调整树脂槽与成型平台之间的距离；计算机用于处理三维模型并将三维模型顺序分割成具有一定厚度的若干剖面图形，计算机还连接控制电气控制装置，电气控制装置控制垂直升降机构自动升降成型平台，并控制DLP投影机对树脂槽中光固化树脂液面照射；DLP投影机设于树脂槽的下方并与计算机相连，DLP投影机将剖面图形的图形光路经树脂槽的底板透射以照射光固化液态树脂。

现有技术比较复杂而且有不足的地方，从液态树脂下面投影的通常需要特殊的容器底面，既要透过固化紫外线还要避免凝固的树脂粘到容器底面上；从液态树脂上面投影要进行复杂的液面控制，例如需要专门的供料系统或者刮平装置。通过液体上表面固化的方式通常会遇到两个困难：一个是液面高度控制，如果单纯下降某个成形层高，该高度往往较小，一般范围为0.01毫米到0.5毫米，因为液体表面张力和黏度使液体表面难以自流平；另一个是如何稳定液体表面，也就是减小液体表面波动。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明通过下潜的方式使光固化液快速淹没已成型的模型实体，然后再回升到工作高度，此时不再存在因为张力导致的流平问题，并且在容器内侧周围设置吸收液体波动的凸起与凹槽使光固化液表面能够快速稳定。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种光固化立体模型的成型设备，包括设置在底座上的立柱和开口向上的容器，所述立柱设有上下运动的滑块，所述滑块固装有支架，所述支架设有通过连杆连接的成型平台,所述成型平台设置在容器内部，所述成型平台上部设有投影装置。

进一步地，所述容器的内侧壁上设有凸起与凹槽。

进一步地，所述容器底部的内壁上设有凸起与凹槽。

进一步地，所述投影装置设置在与立柱垂直连接的横梁上。

进一步地，所述支架为U字型。

进一步地，所述支架的U字型的两端分别连接有连杆。

本发明还提供了一种使用光固化立体模型的成型设备的成型方法，包括以下步骤：

步骤1)将立体模型按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型的若干个具有二维形状的层叠状成型图形；

步骤2)将成型平台置入容器内；

步骤3)将容器内装入光固化液并淹没成型平台，所述光固化液的液面到容器底部的高度不小于立体模型的高度以及成型平台的厚度和设定的下潜深度之和；

步骤4)将成型平台运动到光固化液的液面下方且与光固化液的上表面的距离为成型图形的第一层厚度位置；

步骤5)使用投影装置按照第一层的成型图形将固化光投射到光固化液的上表面，投射的时间使得所述光固化液凝固并且和所述成型平台结合在一起；

步骤6)再将成型平台下降潜入光固化液，所述成型平台下降的相对距离为步骤3)中所述下潜深度；

步骤7)将成型平台再上升至光固化液上表面的下方，所述成型平台到所述光固化液上表面的距离为成型图形的下一层厚度的位置；

步骤8)投影装置按照下一层的成型图形将固化光投射到光固化液的上表面，投射的时间使光固化液凝固并且和前一层的成型图形重叠的部分结合在一起；

步骤9)重复若干次步骤6)至步骤8)，直到立体模型成型完成。

进一步地，所述步骤6)还包括再次将成型平台下降潜入光固化液，所述成型平台下降的相对距离为步骤3)中的所述下潜深度，所述成型平台在下降过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动。

进一步地，所述步骤7)还包括将成型平台再次上升至光固化液上表面的下方，所述成型平台到所述光固化液上表面的距离为成型图形的下一层厚度的位置，所述成型平台在上升过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动。

进一步地，所述光固化液为光固化树脂或光固化水凝胶。

本发明所述光固化立体模型的成型设备与现有技术相比，优越效果在于：本发明具有结构简单，工作可靠，成型速度快等优点。

附图说明

图1为本发明所述光固化立体模型的成型设备立体结构图；

图2为本发明所述光固化立体模型的成型设备工作状态示意图。

附图标记如下：

1-容器，2-成型平台，3-凸起与凹槽，4-连杆，5-投影装置，6-横梁，7-立柱，8-滑块，9-支架，10-底座，11-成型实体，12-成型图形，13-光固化液。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，具体说明本发明提供的一种光固化立体模型的成型设备，包括设置在底座10上的立柱7和开口向上的容器1，所述立柱7设有上下运动的滑块8，所述滑块8固装有支架9，所述支架9设有通过连杆4连接的成型平台2,所述成型平台2设置在容器1内部，,所述成型平台2上部设有投影装置5，投影装置5为基于液晶或者DMD的面投影装置，也就是通过光学投影，这种方式比较简便，而且速度快，适合几十公分范围的小尺寸的成型设备，投影装置5还能是包含机械运动的扫描装置以适合较大尺寸投影的需要，但是速度相对较慢。所述容器1的内侧壁上设有若干凸起与凹槽3，使用本发明提供的成型设备工作时，成型平台2要反复升降，其在固化液搅动的能量如果不能被妥善吸收就会产生振荡，这种振荡会导致固化液体表明的波纹，降低光固化的精度，所以在容器的内侧设置大量的凸起与凹槽3吸收固化液体振动的能量，这些凸起与凹槽3可以由硅橡胶构成，能较好地减小反射吸收振荡的能量。还优选所述容器1底部的内壁上设有若干凸起与凹槽3(图中未示)。凸起与凹槽3的形状、尺寸、数量、分布方式等参数可以根据具体的设备进行优化，例如通过实验的办法选择能够使光固化液13最快平静的设置。凸起与凹槽3可以设置成连贯的，也可以设置成交错状的，也就是说不同高度位置的凸起与凹槽3是相互错开的。所述投影装置5设置在与立柱7垂直连接的横梁6上。优选所述支架9为U字型，所述支架9的U字型的两端分别连接有连杆4。本实施例中，使用的光固化液13优选为光固化树脂或光固化水凝胶。

如图1和2所示，本发明还提供了一种使用光固化立体模型的成型设备的成型方法，包括以下步骤：

步骤1)将立体模型按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型的若干个具有二维形状的层叠状成型图形12；

步骤2)将成型平台2置入容器1内；

步骤3)将容器1内装入光固化液13且淹没成型平台2，所述光固化液13的上表面到容器1底部的高度不小于立体模型的高度以及成型平台2的厚度和设定的下潜深度之和；

步骤4)将成型平台2运动到光固化液13的液面下方且与光固化液面的距离为成型图形12的第一层厚度位置；

步骤5)使用投影装置5按照第一层的成型图形12将固化光投射到光固化液13的上表面，投射的时间使得光固化液13凝固并且和成型平台2结合在一起；

步骤6)将所述成型平台下降潜入所述光固化液，所述成型平台下降的相对距离为所述下潜深度的距离；所述成型平台2如果直接下降到下一层成型的高度，通常在0.01毫米到0.5毫米范围，因为液体表面张力和黏度使光固化液上表面难以覆盖已成型的模型并且自流平，也就是说光固化液13不会自然流到已经凝固的实体表面来准备下一层的光固化，所以要下潜一个较大的距离，使光固化液能更快地覆盖已成型的模型，这个下潜深度一般在几毫米到几厘米；

步骤7)将步骤6)中的成型平台2上升至光固化液13上表面的下方，使成型平台2到光固化液13的上表面的距离为下一层厚度的位置；这样的下潜再上升会使光固化液13产生振荡，于是需要在容器1内设置一些不平整的形状来吸收振荡的能量，比较简单的就是设置若干凸起与凹槽3；

步骤8)投影装置5按照下一层的成型图形12将固化光投射到光固化液13的上表面，投射的时间使光固化液13凝固并且和前一层的成型图形重叠的部分结合在一起；

步骤9)重复若干次的步骤6)至步骤8)，直到立体模型成型完成。

本实施例中，所述步骤6)还可以包括，再将成型平台2下降潜入光固化液13，所述成型平台下降的相对距离为步骤3)中的所述下潜深度，所述成型平台2在下降过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动。机械振动能够减小液体流动的阻力，既可以使得光固化液13的上表面更容易流平，也减小成型平台2在光固化液13中运动的阻力。同理，所述步骤7)还可以包括，将成型平台2再次上升至光固化液13上表面的下方，所述成型平台2到所述光固化液13上表面的距离为成型图形的下一层厚度的位置，成型平台2在上升过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动，该机械振动可以在所述成型平台2在到达到所述光固化液13上表面的距离为成型图形12的下一层厚度的位置时停止，也可以在接近该位置，例如在距离光固化液13上表面为两倍下一层厚度的位置时提前停止，从而减小所述光固化液13上表面恢复平静所需要的时间。所述机械振动的频率和幅度要根据成型平台2的尺寸、容器1的容积、光固化液13的黏度张力等物理参数优化配置。所述机械振动可以由振动电机、电磁铁、或者压电陶瓷等震动装置产生；所述机械振动装置的安装位置可以直接在成型平台2，例如在成型平台2安装压电陶瓷片，还可以将振动装置安装在支架9上通过连杆4施加到成型平台2。所述机械振动还可以由带动滑块8的驱动装置(图中未示)产生。

本发明的一个出发点是：在容器1中未凝固的光固化液13的体积和已凝固的光固化液13的体积之和是常数，也就是说容器1中光固化液13的上表面的位置是恒定的，由该表面和容器1形成的体积为工作体积，该体积也是恒定的。例如，1立方厘米的光固化液13凝固后产生1立方厘米的固体，作为总和的工作体积是不变的。即便光固化液13凝固后有轻微的体积变化，因为该变化数值较小，例如，收缩率小于0.5％，是可以忽略的或者为了提高精度在成型过程中通过控制成型层厚度来补偿。同理，在成型过程中，连杆4进入光固化液13导致的工作体积变化相对较小可以忽略，或者在成型过程中通过控制成型层厚度来补偿。在工作体积基本恒定的前提下，成型平台2可以在光固化液13中升降而不引起光固化液13的上表面的位置变化，于是降低了光固化液13的上表面也就是液面的位置控制的难度。

所述固化光可以是紫外光，例如波长395nm，所述光固化液里含有光引发剂，例如TPO；所述固化光还可以是红外光，这时固化是由红外光的热效应来实现，例如，所述投影装置5由红外激光通过扫描将成型图形投射到所述光固化液13的上表面，所述光固化液13优选为热固化树脂。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种光固化立体模型的成型设备，其特征在于，所述成型设备包括设置在底座(10)上的立柱(7)和开口向上的容器(1)，所述立柱(7)设有上下运动的滑块(8)，所述滑块(8)固装有支架(9)，所述支架(9)设有通过连杆(4)连接的成型平台(2),所述成型平台(2)设置在容器(1)内部，所述成型平台(2)上部设有投影装置(5)，其中：

所述容器(1)的内侧壁上设有凸起与凹槽(3)；

所述容器(1)底部的内壁上设有凸起与凹槽(3)；

所述凸起与凹槽(3)由硅橡胶构成；

所述投影装置(5)设置在与立柱(7)垂直连接的横梁(6)上；

所述支架(9)为U字型；

所述支架(9)的U字型的两端分别连接有连杆(4)；

所述容器(1)为桶状结构；

所述成型平台(2)或者支架(9)上还安装有机械振动装置，所述机械振动装置为振动电机、电磁铁、或者压电陶瓷。

2.一种使用光固化立体模型的成型设备的成型方法，其特征在于，所述成型方法包括以下步骤：

步骤1)将立体模型按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型的若干个具有二维形状的层叠状成型图形(12)；

步骤2)将成型平台(2)置入容器(1)内；

步骤3)将容器(1)内装入光固化液(13)且淹没成型平台(2)，所述光固化液(13)的液面到容器(1)底部的高度不小于立体模型的高度以及成型平台(2)的厚度和设定的下潜深度之和；

步骤4)将成型平台(2)运动到光固化液(13)的液面下方且与光固化液的上表面的距离为成型图形(12)的第一层厚度位置；

步骤5)使用投影装置(5)按照第一层的成型图形(12)将固化光投射到光固化液(13)的上表面，投射的时间使得光固化液(13)凝固并且和成型平台(2)结合在一起；

步骤6)再将成型平台(2)下降潜入光固化液(13)，所述成型平台(2)下降的相对距离为步骤3)中所述下潜深度，所述成型平台(2)在下降过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动；

步骤7)将成型平台(2)再上升至光固化液(13)上表面的下方，所述成型平台(2)到光固化液上表面的距离为成型图形(12)的下一层厚度的位置；

步骤8)投影装置(5)按照下一层的成型图形(12)将固化光投射到光固化液(13)的上表面，投射的时间使光固化液(13)凝固并且和前一层的成型图形(12)重叠的部分结合在一起；

步骤9)重复若干次步骤6)至步骤8)，直到立体模型成型完成。

3.根据权利要求2所述使用光固化立体模型的成型设备的成型方法，特征在于，所述步骤7)包括，将成型平台(2)再次上升至光固化液(13)上表面的下方，所述成型平台(2)到光固化液(13)上表面的距离为成型图形(12)的下一层厚度的位置，所述成型平台(2)在上升过程同时做频率10Hz至200kHz之间幅度不大于3mm的机械振动。

4.根据权利要求2所述使用光固化立体模型的成型设备的成型方法，特征在于，所述光固化液(13)为光固化树脂或光固化水凝胶。