CN105599310A - 一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，包括投影仪、投影镜头、第一偏振片、第二偏振片、树脂槽、打印平台、水平旋转结构和升降机构，所述的投影镜头安装在投影仪上，所述的第一偏振片在投影镜头上，所述的第二偏振片在第一偏振片上，所述的第二偏振片与水平旋转结构连接，所述的树脂槽在第二偏振片上，所述的树脂槽在打印平台下，所述的打印平台与升降机构连接。本发明公开的装置及方法，通过在投影仪投射光路中设置两个偏振片，改变两个偏振片透振方向之间的夹角，精确控制透过的光强，提高了打印进度、扩大了打印材料种类的选择，在提高了工作效率的同时也起到非打印阶段的挡光作用。

Description

一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置及方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置及方法。

背景技术

快速成型技术（又称快速原型制造技术，RapidPrototypingManufacturing，简称RPM），又称3D打印，是基于材料逐层累加的一种高新制造技术，其根据零件或者物体的三维数据模型进行分层，得到每一层的轮廓，同时计算出加工路径，打印头根据加工路径在控制系统的控制下得到每一层的实体，最终通过每一层的堆叠得到总的实体。

依据打印方式与打印材料的不同，3D打印技术可分为不同的种类。目前主流的3D打印技术有SLA、FDM、3DP、SLS、SLM、LOM等，在这些技术中SLA（光固化成型技术）应用最为广泛、成型精度相对较高，SLA的光固化成型原理是利用紫外激光固化对紫外光非常敏感的液态树脂材料予以成形，在计算机控制下经过聚焦的紫外激光束按照零件分层截面信息对液态树脂表面进行逐点线扫描，被扫描区域的树脂产生光聚合反应瞬间固化，形成一个薄层，当一层固化后，工作台下移一个层厚，液态树脂自动在已固化的零件表面覆盖一个工作层厚的液态树脂，紧接着进行下一层扫描固化，如此反复直至整个零件打印完毕。然而，SLA技术使用的是点光源，由点到线再到面的成型方式，成型速度较慢。

针对现有的SLA光固化成型的问题，提出了DLP投影光固化成型技术，DLP是“DigitalLightProcession”的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来，它是基于TI（美国德州仪器）公司开发的数字微镜元件——DMD（DigitalMicromirrorDevice）来完成可视数字信息显示的技术。DLP投影光固化成型技术使用一种较高分辨率的数字光处理器（DLP）来固化液态光聚合物，一层层对液态聚合物进行固化，以此循环往复，直到最终模型的完成。

在DLP光固化打印过程中影响打印效果的主要因素有两个：光能量和单层曝光时间。软件部分将图像信息传递给投影机产生投影光，投影光透过树脂槽照射到液态树脂表面，液态树脂吸收的光能量达到固化所需的能量阈值时会聚合为固态，树脂所吸收的光能量大小将会影响树脂的固化精度，光能量与单层曝光时间和辐照度成正比。当单层曝光时间一定时，光能量与辐照度成正比。通常在DLP打印设备中，在打印不同的光敏树脂材料和选择不同打印精度的情况下，需要选择合适的光能量和单层曝光时间，如果光能量不可变，仅通过软件系统控制投影仪的单层曝光时间，打印层厚越大（打印精度越小），单层曝光时间也越长，导致打印效率降低，设备的打印精度范围受到限制。另外为了保护光敏树脂在非打印阶段能够不受投影光的照射而造成的老化，必须在树脂槽和投影机之间设置一个复杂的遮挡装置，但是，基于投影式的光固化打印设备中投影仪的光强固定不变时，仅通过改变单层曝光时间，会出现打印精度范围小、打印效率低、遮挡装置复杂的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明公开的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，包括投影仪、投影镜头、第一偏振片、第二偏振片、树脂槽、打印平台、水平旋转结构和升降机构，所述的投影镜头安装在投影仪上，所述的第一偏振片在投影镜头上，所述的第二偏振片在第一偏振片上，所述的第二偏振片与水平旋转结构连接，所述的树脂槽在第二偏振片上，所述的树脂槽在打印平台下，所述的打印平台与升降机构连接。

优选的，所述的第一偏振片的中心轴与投影仪所投光传播方向平行；所述的第二偏振片的中心轴与投影仪所投光传播方向平行；第一偏振片与第二偏振片平行放置。

优选的，所述的第一偏振片的透振方向与第二偏振片的透振方向在复位时相互垂直。

优选的，所述的水平旋转结构上设有伺服电机，用于控制第二偏振片的旋转角度。

另一方面，本发明还公开了一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过投影仪投射出设定的图案光，经过投影镜头照射到第一偏振片，再照射到第二偏振片；

b、水平旋转结构中伺服电机转动，带动第二偏振片转动达到设定角度，使得第一偏振片与第二偏振片的透振方向的夹角达到设定角度；

c、照射到第二偏振片的光部分透过，再穿过树脂槽照射到打印平台上，对树脂槽和打印平台之间的3D打印材料进行光固化，形成图案；

d、水平旋转结构中伺服电机转动复位，带动第二偏振片复位，两层偏振片的透振方向互相垂直；

e、升降机构带动打印平台与树脂槽分隔一定距离，树脂槽中的3D打印材料填充树脂槽和打印平台的间隙，进行再次曝光，重复此过程直至打印结束。

优选的，其中步骤a还包括：将所要打印的三维实体进行分层，得到每层所需投影的图案。

优选的，其中步骤b还包括：根据设置的层厚所对应的投影仪光强确定所需偏转角度。

偏振片有一个特定的方向指向，与这个方向垂直的电振动被阻挡，而与这个方向平行一致的电振动则可以自由通过。自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光透过偏振片时，如果偏振光的振动方向与偏振片的透射方向平行一致时就几乎不受到阻挡，这时偏振片是透明的，如果偏振光的振动方向与偏振片的透射方向相互垂直时，则几乎完全不能通过。当第二偏振片与第一偏振片的透振方向的夹角为θ时，自然光I0透过第一偏振片后，其强度变为I1=I0/2，透过第二偏振片后的光强为I2，由马吕斯定律得I2=I1cos2θ。

本发明通过在投影仪所投射的光路上设有两个偏振片，第一偏振片的中心轴与光传播方向相互平行，第二偏振片可通过伺服电机控制其围绕以光传播方向为轴旋转，从而改变第一偏振片与第二偏振片的透振方向的夹角，当第二偏振片与第一偏振片的透振方向相互平行时，光强最大；当第二偏振片与第一偏振片的透振方向相互垂直时，则没有光透过。在打印每层时，软件系统根据层厚计算相对应的光强，通过控制系统对第二偏振片旋转一定角度，改变两偏振片透振方向的夹角，从而改变透过的光强，通过控制光强和单层曝光时间来提高打印精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.在投影仪投射光路中设置两个偏振片，通过改变两偏振片的透振方向的夹角，精确控制透过的光强，从而实现了打印光强的可调；

2.由于光强可调，提高了打印精度、扩大了打印材料种类选择，同时也提高了工作效率；

3.通过在投影仪投射光路中设置两个偏振片，既能控制光强，又能防止光的外泄。

附图说明

图1是本发明公开的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置的部分结构示意图；

图2是本发明公开的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置的结构示意图。

1、投影仪2、投影镜头3、第一偏振片4、第二偏振片5、树脂槽6、打印平台7、水平旋转结构8、升降机构

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1和图2所示，本发明公开的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，包括投影仪1、投影镜头2、第一偏振片3、第二偏振片4、树脂槽5、打印平台6、水平旋转结构7和升降机构8，所述的投影镜头2安装在投影仪1上，所述的第一偏振片3在投影镜头2上，所述的第二偏振片4在第一偏振片3上，所述的第二偏振片4与水平旋转结构7连接，所述的树脂槽5在第二偏振片4上，所述的树脂槽5在打印平台6下，所述的打印平台6与升降机构8连接。

优选的，所述的第一偏振片3的中心轴与投影仪1所投光传播方向平行；所述的第二偏振片4的中心轴与投影仪1所投光传播方向平行；所述的第一偏振片3与第二偏振片4平行放置。

优选的，所述的第一偏振片3的透振方向与第二偏振片4的透振方向在复位时相互垂直。

优选的，所述的水平旋转结构7上设有伺服电机，用于控制第二偏振片4的旋转角度。

另一方面，本发明还公开了一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过投影仪1投射出设定的图案光，经过投影镜头2照射到第一偏振片3，再照射到第二偏振片4；

b、水平旋转结构7中伺服电机转动，带动第二偏振片4转动达到设定角度，使得第一偏振片3和第二偏振片4的透振方向的夹角达到设定角度；

c、照射到第二偏振片4的光部分透过，再穿过树脂槽5照射到打印平台6上，对树脂槽5和打印平台6之间的3D打印材料进行光固化，形成图案；

d、水平旋转结构7中伺服电机转动复位，带动第二偏振片4复位，两层偏振片的透振方向互相垂直；

e、升降机构8带动打印平台6与树脂槽5分隔一定距离，树脂槽5中的3D打印材料填充树脂槽5和打印平台6的间隙，进行再次曝光，重复此过程直至打印结束。

优选的，其中步骤a还包括：将所要打印的三维实体进行分层，得到每层所需投影的图案。

优选的，其中步骤b还包括：根据设置的层厚所对应的投影仪光强确定所需偏转角度。

偏振片有一个特定的方向指向，与这个方向垂直的电振动被阻挡，而与这个方向平行一致的电振动则可以自由通过。自然光通过偏振片后成为偏振光，当偏振光透过偏振片时，如果偏振光的振动方向与偏振片的透射方向平行一致时就几乎不受到阻挡，这时偏振片是透明的，如果偏振光的振动方向与偏振片的透射方向相互垂直时，则几乎完全不能通过。当第二偏振片4与第一偏振片3的透振方向的夹角为θ时，自然光I0透过第一偏振片后，其强度变为I1=I0/2，透过第二偏振片4后的光强为I2，由马吕斯定律得I2=I1cos2θ。

本发明通过在投影仪1所投射的光路上设有两个偏振片，第一偏振片3的中心轴与光传播方向相互平行，第二偏振片4可通过电机控制其围绕以光传播方向为轴旋转，从而改变第一偏振片3与第二偏振片4的透振方向的夹角，当第二偏振片4与第一偏振片3的透振方向相互平行时，光强最大；当第二偏振片4与第一偏振片3的透振方向相互垂直时，则没有光透过。在打印每层时，软件系统根据层厚计算相对应的光强，通过控制系统对第二偏振片4旋转一定角度，改变两偏振片透振方向的夹角，从而改变透过的光强，通过控制光强和单层曝光时间来提高打印精度。

Claims (8)

1.一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，包括投影仪、投影镜头、第一偏振片、第二偏振片、树脂槽、打印平台、水平旋转结构和升降机构，其特征在于：所述的投影镜头安装在投影仪上，所述的第一偏振片在投影镜头上，所述的第二偏振片在第一偏振片上，所述的第二偏振片与水平旋转结构连接，所述的树脂槽在第二偏振片上，所述的树脂槽在打印平台下，所述的打印平台与升降机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，其特征在于：所述的第一偏振片的中心轴与投影仪所投光传播方向平行。

3.根据权利要求1所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，其特征在于：所述的第二偏振片的中心轴与投影仪所投光传播方向平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，其特征在于：所述的第一偏振片的透振方向与第二偏振片的透振方向在复位时相互垂直。

5.根据权利要求1所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印装置，其特征在于：所述的水平旋转结构上设有伺服电机，用于控制第二偏振片的旋转角度。

6.一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、通过投影仪投射出设定的图案光，经过投影镜头照射到第一偏振片，再照射到第二偏振片；

b、水平旋转结构中伺服电机转动，带动第二偏振片转动达到设定角度，使得第一偏振片和第二偏振片的透振方向的夹角达到设定角度；

c、照射到第二偏振片的光部分透过，再穿过树脂槽照射到打印平台上，对树脂槽和打印平台之间的3D打印材料进行光固化，形成图案；

d、水平旋转结构中伺服电机转动复位，带动第二偏振片复位，两个偏振片的透振方向互相垂直；

e、升降机构带动打印平台与树脂槽分隔一定距离，树脂槽中的3D打印材料填充树脂槽和打印平台的间隙，进行再次曝光，重复此过程直至打印结束。

7.根据权利要求6所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印方法，其特征在于：其中步骤a还包括：将所要打印的三维实体进行分层，得到每层所需投影的图案。

8.根据权利要求6所述的一种基于投影式光强可调节的光固化三维打印方法，其特征在于：其中步骤b还包括：根据设置的层厚所对应的投影仪光强确定所需偏转角度。