CN105216319A - 3d立体投影式光固化3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D立体投影式光固化3D打印机。包括3D立体投影系统、树脂盒、和计算机控制的激光器；3D立体投影系统由x、y扫描振镜加上Z轴方向的振镜组成；树脂盒为四周透明的材料制成，光敏树脂预先倒入树脂盒中。将三维模型根据成型精度沿着Z轴切片为二维面图案；利用计算机控制激光经过Z轴聚焦振镜和xy扫描，在液态光敏树脂中形成三维立体图像；激光焦点处能量密度最高使光敏树脂固化，而其他地方由于激光能量密度低，光敏树脂仍然保持液态。经过照射，在液体中固化出所需要的三维模型。不同于目前逐层扫描层层固化的方式，本发明成型速度大大加快，成型尺寸取决于扫描振镜的扫描范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D立体投影光照方式光固化进行三维实物模型制作的增材制造(即3D打印)设备，即3D立体曝光式光固化的3D打印设备。整个3D打印过程可以在数秒或数分钟内完成。
背景技术
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。目前3D打印技术的主流技术包括立体光固化技术(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。
立体光固化技术(StereoLithographyAppearance，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、高精度成形。但现有的SLA系统设计复杂，激光从上向下照射，在成型过程中，为了保证树脂液体加工表面的平整度，需要复杂的装置去调节液面平整度，使得整体系统体积过大并且造价昂贵；为此，人们开发了小型的桌面型SLA，激光从底部向上照射，近年来出现了数字光处理DLP的投影技术，是从底部向上投影。可以通过面投影的方式将树脂固化在成型过程中，这种面曝光的固化方式，比SLA由点到线，再由线到面，然后层层固化速度大大提高。它是需要一个树脂槽，事先将树脂倒入树脂槽中，光照射树脂使树脂层层固化成形。然而由于目前这些3D打印技术均采用层层打印的方式实现，随着分层厚度的减少，打印层数增多，打印时间很长，通常打印过程都要耗时数小时。
随着立体显示技术的发展，如能将立体显示引入到3D打印领域中，将可以极大提高打印速度。本发明不同于传统层层固化的方法成型，而是直接体曝光固化，将极大提高打印速度。
发明内容
本发明受到立体显示技术的启发，提出使用3D立体投影光照方式固化树脂成型。打印前先将透明的光敏树脂倒入一个透明的树脂槽内。打印时，打开3D立体投影系统，将需要打印成型的三维计算机模型透过树脂槽，投影到光敏树脂中，在光敏树脂中形成三维立体影像，光敏树脂受到光照后，随着照射时间的增加逐渐凝固。没有被光照射的部分仍然保持液态。打印完成后，从液态树脂中取出固化成型的树脂模型。整个打印过程可以在数秒或数分钟内完成。
3D立体投影式光固化3D打印机，其特征在于：包括3D立体投影系统、树脂盒、和计算机控制的激光器；3D立体投影系统由x、y扫描振镜加上Z轴方向的振镜组成；树脂盒为四周透明的材料制成，光敏树脂预先倒入树脂盒中；所述光敏树脂常温下为透明液态，只有在光照射且光强超过其固化的阈值才能固化凝固。
应用所述的3D立体投影式光固化3D打印机的方法，其特征在于：
打印开始时，首先在树脂盒内装满光敏树脂，然后打开3D立体投影系统，激光透过树脂盒，照射在光敏树脂上，在树脂中形成3D像，通过计算机控制曝光固化时间，光敏树脂受到激光照射且光强超过其固化的阈值的部分发生光化学反应后凝固，未照射到的部分仍为液体树脂；固化而“打印”出3D树脂模型。
进一步，照射时间越长，树脂固化强度越高。
进一步，激光为可见激光。
进一步，激光为波长在530nm的绿激光，或者是波长为800nm的红激光。
本发明的工作原理：该3D打印机的核心部分是3D立体投影系统，该系统由x,y扫描振镜和Z轴聚焦振镜组成。光线经过x,y扫描振镜，可以形成一个平面图像，平面图像在Z轴方向的聚焦振镜作用下形成一个3维立体图像。开始打印之前，在光敏树脂槽中装满透明的光敏树脂液体，并对计算机中的3D模型沿着Z轴方向进行切片处理获得3D模型沿着Z轴方向一系列的x,y平面数据；打印开始后，激光在计算机控制下，沿着xy方向的扫描振镜和Z轴方向聚焦振镜在空间形成一个3D立体图像。将这个3D立体图像投射到透明的光敏树脂槽中，由于使用的是透明的液态光敏树脂，激光光线透过光敏树脂，聚焦照射到树脂的内部。激光束不在焦点处穿过光敏树脂由于光强没有达到固化所需的阈值，因此不会发生任何反应，只有在激光的焦点处能量密度高于固化阈值的地方，树脂才被固化凝固。随着照射时间的增加，树脂固化处的强度也不断增大。激光焦点处的树脂固化凝固，不在焦点处的树脂仍然保持液态。固化完成后，从树脂中，取出固化成型的3D模型，完成打印。
本发明的技术特征：
1.打印前，树脂槽中先装满透明的光敏树脂。
2.激光可以采用波长为530nm的绿激光，也可以采用800nm的红激光。
3.采用扫描振镜控制x/y投影出平面数据；
4.采用Z聚焦振镜控制激光沿Z轴方向的数据；。
5.本发明中，3D打印设备所涵盖的装置有：计算机控制系统，树脂槽，XY扫描振镜，Z轴振镜、激光器。
附图说明
图1为立体曝光式光固化3D打印机示意图。
图中：1、树脂槽2、液态光敏树脂3、固化模型4、激光束5、x,y扫描振镜6、Z轴聚焦振镜7、激光器8、计算机控制系统
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。
整体装置如图1所示,装配时Z轴聚焦振镜6采用音圈电机，往返运动振动频率大于20Hz；树脂槽1中装满透明的光敏树脂2。本实施例采用发射532nm的绿激光的激光器7，光敏树脂材料选用SOMOS材料，阈值为50mw/cm2。Z轴聚焦振镜6和XY扫描振镜5均经镀膜处理。打印开始前，在计算机上利用三维软件对STL三维模型(直径为100毫米，高度为200毫米)沿着Z轴方向进行分层处理，分层厚度为0.1mm，获得一系列沿着Z轴方向的x,y扫描二维分层图形。调整Z轴聚焦振镜的焦距，使焦点的位置位于液槽的底部。第一步，为便于取出模型，首先在液槽底板放置一块铁板，第二步，打开激光器7，利用计算机控制系统8，激光束4经过振镜将三维模型投影到树脂槽1的树脂2上。照射2分钟使光照射树脂固化。固化完成后，关闭激光器7，从树脂槽中取出铁板，树脂模型3固化在铁板上，用酒精清洗模型，获得三维实体模型，完成打印过程。如果需要进行表面处理，可以将取出的模型，在能量更高的紫外光下进行烘烤进行二次固化。或对模型表面打光、电镀、喷漆或着色处理。
Claims (5)
1.3D立体投影式光固化3D打印机，其特征在于：包括3D立体投影系统、树脂盒、和计算机控制的激光器；3D立体投影系统由x、y扫描振镜加上Z轴方向的振镜组成；树脂盒为四周透明的材料制成，光敏树脂预先倒入树脂盒中；所述光敏树脂常温下为透明液态，只有在光照射且光强超过其固化的阈值才能固化凝固。
2.应用权利要求1所述的3D立体投影式光固化3D打印机的方法，其特征在于：
打印开始时，首先在树脂盒内装满光敏树脂，然后打开3D立体投影系统，激光透过树脂盒，照射在光敏树脂上，在树脂中形成3D像，通过计算机控制曝光固化时间，光敏树脂受到激光照射且光强超过其固化的阈值的部分发生光化学反应后凝固，未照射到的部分仍为液体树脂；固化而“打印”出3D树脂模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：照射时间越长，树脂固化强度越高。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：激光为可见激光。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：激光为波长在530nm的绿激光，或者是波长为800nm的红激光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171013 |