CN105856573A - 一种高精度高速度连续3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法，其特征在于：包括：成像装置、树脂料槽、光敏树脂、打印平台与伺服电机；所述成像装置设置于树脂料槽上端，成像装置由激光振镜、振镜固定架、场镜、反光镜、UV光源与DMD芯片组成，UV光源发出紫外线投射到DMD芯片上，通过DMD芯片反射形成可编程光束体，再通过反光镜偏转折射使可编程光束体形成类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜，激光振镜控制垂直光路扫描，实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片控制的面光源扫描系统，通过激光振镜偏转光束方向，折射到场镜中，通过场镜聚焦形成垂直于打印平面的光束。本发明的有益效果在于：本发明具有打印精度高、成型尺寸大等优点。

Description

一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，尤其涉及一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法。

背景技术

目前，3D打印机又称三维打印机，是一种利用快速成形技术，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体的打印设备。随着3D打印技术的快速发展，3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用。3D打印技术被誉为“第三次工业革命”，被广泛的应用于工业、医疗、教学、航空航天等领域。3D打印的基本原理是分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，在进行3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术(CAD)完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，3D打印机将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型，完成3D打印。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。DLP技术基础是光学半导体、数字微镜芯片(DMD)由德州仪器公司的LarryHornbeck在1987年发明，DMD芯片可以对光进行数字化调制、数字微镜器件包含了一个由微镜镜面组成的长方形阵列组成、这个阵列对应与投影图象中的光线、这些镜面和数字信号、光源和投影镜头协同工作时，能够把象、最忠实地再现出来。其中DLP光固化3D打印机主要有软件和硬件两部分组成。上述的硬件部分主要包括了打印机框架、投影仪、打印平台、工作台以及树脂槽。具体工作中树脂槽固定在工作台上，打印平台的连续层结构沉入到树脂槽中，其中的树脂槽基本上就是一个装光敏树脂的缸体，软体部分产生的影像信号在经过数字处理(DLP)后再由投影仪投影出来，该投影光在透过树脂槽的底部后与光敏树脂相接触。此时光接触的光敏树脂瞬间聚合成固体，而未与光接触的光敏树脂则还会是保持液态，从而在打印层与树脂槽的内底面之间就会形成真空，使得打印层受到液压与大气压的共同作用力。DLP打印机打印精度高、成型效率高；但打印体积较小。如果要求打印体积、精度、速度都能提高则每种成型原理有其固有的局限性。其打印锥面越大成型体积越大、成型精度与成型速度越低。立体光固化技术(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、高精度成型。现有的SLA光固化3D打印机打印体积较大，成型精度较好，成型效率较好；其光斑直径与成型速度成正比、与成型精度成反比，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，需要复杂的装置来调节液面平整度，使得整体系统体积过大并且造价昂贵；在成型过程中，往往需要一个树脂槽，事先将树脂倒入树脂槽中，光照射树脂使树脂层层固化成型。SLA光固化3D打印机成型精度较好，成型效率较好，但其打印体积大，其光斑直径与成型速度成正比、与成型精度成反比，无法达到在保证打印精度的同时提高打印速度。在打印机工作过程中，打印平台在电机的驱动下工作，会在光敏树脂中产生漩涡，而导致光敏树脂不能及时向固化区域补充(光敏树脂的粘度为270cps)，而导致打印出的物品的表面粗糙，精细度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法。本发明通过3D打印机中的嵌入式操作系统控制DMD芯片，使其反射面成动态可编程投影。再通过反光镜、振镜、场镜的偏转使管束成一个小平面在打印平面上移动。并且由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案。在实现了激光面能形成任意可编程团基础上，激光光源从光敏树脂上方照射，本发明打印平台在树脂液中下沉，由于本发明不会产生打印模型与隔离膜的应力，所以会大大提高打印效率与打印质量。同时实现了打印的高精度与高速度，并解决了倒置式成型技术所产生的应力，减少了模型打印所需支撑，提高打印了质量。本发明设置有伺服电机，在打印过程中可以通过伺服电机控制打印平台振荡，使光敏树脂中光敏树脂及时向固化区域补充，不影响打印的精细度。

本发明在储存槽中的液态光敏树脂在光固化成一层薄层后随着载物台升高或降低，再用同样的方法，在前一固化层之上得到一个新的固化层，最后得到了立体三维的产品。本发明主要采用UV光源使光敏树脂固化，最小分层厚度达到25μm，该方法是把三维模型分层影像以面投影的方式使光敏树脂固化，一层一层固化最终得到三维实体。

本发明的技术方案为：一种高精度高速连续3D打印机及其方法，其特征在于：包括：成像装置、树脂料槽、光敏树脂、打印平台与伺服电机；

所述成像装置设置于树脂料槽上端，所述成像装置由激光振镜、振镜固定架、场镜、反光镜、UV光源与DMD芯片组成，所述UV光源发出紫外线投射到DMD芯片上，通过DMD芯片反射形成可编程光束体，再通过反光镜的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜，激光振镜控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片控制的激光光源面成型，再通过激光振镜偏转光束方向，折射到场镜中，通过场镜聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面，使其与振镜偏转速度成线性关系，则最终可以使用一个小投影面偏转投射出一个大的投影面，由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案；伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在嵌入式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体，打印实体粘结在打印平台上，在伺服电机的带动下下沉，当打印物体的表面积小于5X5mm²时，不发生振荡，打印平台完成连续打印，当打印物品的表面积在5X5mm²至50X50mm²的范围内时，振荡幅度为3mm-5mm,振荡时间为1秒至3秒，打印精度为0.01mm,振荡幅度与打印物品的表面积成正比，打印平台通过伺服电机在通过嵌入式操作系统的控制下发生线性关系振荡,当打印物品的表面积大于50X50mm²时，振荡幅度固定为5mm，当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充，振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

进一步，所述反光镜设置有两个。

进一步，所述成型平台为下沉式或上升式。

进一步，所述振镜为激光振镜。

进一步，包括以下步骤：

(1)通过打印机中的嵌入式操作系统对打印机发出打印指令；

(2)根据UV光源发出紫外线投射到DMD芯片上，通过DMD芯片反射形成可编程光束体；

(3)通过反光镜的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜；

(4)激光振镜控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片控制的激光光源面成型，再通过激光振镜偏转光束方向，折射到场镜中；

(5)通过场镜聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面；

(6)开启伺服电机，伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在3D打印机中的内嵌式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体；

(7)当打印物体的表面积小于5X5mm²时，不发生振荡，打印平台完成连续打印，当打印物品的表面积在5X5mm²至50X50mm²的范围内时，振荡幅度为3mm-5mm,当打印物品的表面积大于50X50mm²时，振荡幅度固定为5mm,振荡时间为1秒至3秒，振荡幅度与打印物品的表面积成正比，打印平台通过伺服电机在通过嵌入式操作系统的控制下发生线性关系振荡；当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充；

(8)振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法。本发明通过嵌入式操作系统控制DMD芯片，使其反射面成动态可编程投影。再通过反光镜、振镜、场镜的偏转使管束成一个小平面在打印平面上移动。并且由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案。在实现了激光面能形成任意可编程团基础上，激光光源从树脂上方照射，实现了打印平台在树脂液中下沉，由于本发明不会产生打印模型与隔离膜的应力，所以会大大提高打印效率与打印质量。同时实现了打印的高精度与高速度，并解决了倒置式成型技术所产生的应力，减少了模型打印所需支撑，提高了打印质量，本发明设置有伺服电机，在打印过程中可以通过嵌入式操作系统控制打印平台振荡，使光敏树脂中光敏树脂及时向固化区域补充，打印精度高，打印精度为0.01mm。本发明保证了打印的质量，具有打印精度高、打印质量好的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实例二的结构示意图；

图3为本发明实例三的结构示意图。

附图标记：

1-成像装置； 2-树脂料槽； 3-光敏树脂；

4-离型膜； 5-打印平台； 6-振镜固定架；

8-振镜； 9-场镜； 10-反光镜；

11-伺服电机； 12-UV光源； 13-DMD芯片；

14-打印平台升降机构； 15-驱动电机

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

图1为本发明的结构示意图,一种高精度高速度连续3D打印机，其特征在于：包括：成像装置1、树脂料槽2、光敏树脂3、打印平台5与伺服电机11,所述成像装置1设置于树脂料槽2上端，所述成像装置1由激光振镜8、振镜固定架6、场镜9、反光镜10、UV光源12与DMD芯片13组成，所述UV光源12发出紫外线投射到DMD芯片13上，通过DMD芯片13反射形成可编程光束体，再通过反光镜10的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜8，激光振镜8控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片13控制的激光光源面成型，再通过激光振镜8偏转光束方向，折射到场镜9中，通过场镜9聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面，使其与振镜8偏转速度成线性关系，则最终可以使用一个小投影面偏转投射出一个大的投影面，由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案。伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在3D打印机中的内嵌式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽2中，使树脂料槽2中的光敏树脂固化为打印实体，打印实体粘结在打印平台5上，在伺服电机11的带动下下沉，打印物体的表面积为3X3mm²，不发生振荡，打印平台5完成连续打印，成像装置1在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

实施例二

图2为本发明实例二的结构示意图，一种高精度高速度连续3D打印机，其特征在于：包括：成像装置1、树脂料槽2、光敏树脂3、打印平台5与伺服电机11,所述成像装置1设置于树脂料槽2上端，所述成像装置1由激光振镜8、振镜固定架6、场镜9、反光镜10、UV光源12与DMD芯片13组成，所述UV光源12发出紫外线投射到DMD芯片13上，通过DMD芯片13反射形成可编程光束体，再通过反光镜10的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜8，激光振镜8控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片13控制的激光光源面成型，再通过激光振镜8偏转光束方向，折射到场镜9中，通过场镜9聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面，使其与振镜8偏转速度成线性关系，则最终可以使用一个小投影面偏转投射出一个大的投影面，由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案。伺服电机带动打印平台上升，开启UV光源进行曝光，使成像装置在3D打印机中的内嵌式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体，打印实体粘结在打印平台上，在伺服电机的带动下上升，打印物体的表面积为20X20mm²，打印平台通过伺服电机在通过嵌入式操作系统的控制下发生线性关系振荡，振荡时间为4秒，振荡幅度为3mm，当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充，振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

实施例三

图3为本发明实施例三的结构示意图,一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法，其特征在于：包括：成像装置1、树脂料槽2、光敏树脂3与打印平台5,所述成像装置1设置于树脂料槽2上端，所述成像装置1由激光振镜8、振镜固定架6、场镜9、反光镜10、UV光源12与DMD芯片13组成，所述打印平台下端设置有打印平台升降机构14，平台升降机构14上设置有驱动电机15，平台升降机构14采用平行四边形原理铰接，伸缩灵活行程大，使得Z轴升降范围更大且更精确。平台升降机构14采用丝杠导轨联动装置，通过平行四边形的铰链结构传递轴力，从而实现横向的丝杠驱动力转化为纵向驱动力，驱动打印平台实现Z轴方向的升降，实现了打印平台的精确稳定Z轴升降控制，所述UV光源12发出紫外线投射到DMD芯片13上，通过DMD芯片13反射形成可编程光束体，再通过反光镜10的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜8，激光振镜8控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片13控制的激光光源面成型，再通过激光振镜8偏转光束方向，折射到场镜9中，通过场镜9聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面，使其与振镜8偏转速度成线性关系，则最终可以使用一个小投影面偏转投射出一个大的投影面，由于DLP系统与激光振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案。伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在3D打印机中的内嵌式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体，打印实体粘结在打印平台上，在伺服电机与打印平台升降机构的带动下下沉，打印物品的表面积为80X80mm²，振荡幅度固定为5mm,当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充，振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种高精度高速连续3D打印机，其特征在于：包括：成像装置、树脂料槽、光敏树脂、打印平台与伺服电机；

所述成像装置设置于树脂料槽上端，所述成像装置由激光振镜、振镜固定架、场镜、反光镜、UV光源与DMD芯片组成，所述UV光源发出紫外线投射到DMD芯片上，通过DMD芯片反射形成可编程光束体，再通过反光镜的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜，激光振镜控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片控制的激光光源面成型，再通过激光振镜偏转光束方向，折射到场镜中，通过场镜聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面，使其与振镜偏转速度成线性关系，则最终可以使用一个小投影面偏转投射出一个大的投影面，由于DLP系统与振镜系统的协同工作使最终投影面可以为任意可编程图案；伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在嵌入式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体，打印实体粘结在打印平台上，在伺服电机的带动下下沉，当打印物体的表面积小于5X5mm²时，不发生振荡，打印平台完成连续打印，当打印物品的表面积在5X5mm²至50X50mm²的范围内时，振荡幅度为3mm-5mm,当打印物品的表面积大于50X50mm²时，振荡幅度固定为5mm,振荡时间为1秒至3秒，打印精度可达到0.01mm的超高精度,振荡幅度与打印物品的表面积成正比，打印平台通过伺服电机在通过嵌入式操作系统的控制下发生线性关系振荡,当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充，振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。

2.根据权利要求1所述的一种高精度高速度连续3D打印机，其特征在于：所述反光镜设置有两个。

3.根据权利要求1所述的一种高精度高速度连续3D打印机其特征在于：所述成型平台为下沉式或上升式。

4.根据权利要求1所述的一种高精度高速度连续3D打印机及其打印方法，包括以下步骤：

(1)通过打印机中的嵌入式操作系统对打印机发出打印指令；

(2)根据UV光源发出紫外线投射到DMD芯片上，通过DMD芯片反射形成可编程光束体；

(3)通过反光镜的偏转折射使可编程光束体形成一个类似于激光的垂直光路，垂直光路折射到激光振镜；

(4)激光振镜控制垂直光路扫描，并实现由光斑照射的激光光源点成型到DMD芯片控制的激光光源面成型，再通过激光振镜偏转光束方向，折射到场镜中；

(5)通过场镜聚焦形成垂直于打印平面的光束,最终投射到需要成型的结构上，通过3D打印机中的嵌入式操作系统实时控制投影面；

(6)开启伺服电机，伺服电机带动打印平台下降，开启UV光源进行曝光，使成像装置在3D打印机中的内嵌式操作系统的控制下将光投射到树脂料槽中，使树脂料槽中的光敏树脂固化为打印实体；

(7)当打印物体的表面积小于5X5mm²时，不发生振荡，打印平台完成连续打印，当打印物品的表面积在5X5mm²至50X50mm²的范围内时，振荡幅度为3mm-5mm,振荡时间为1秒至3秒，振荡幅度与打印物品的表面积成正比，打印平台通过伺服电机在通过嵌入式操作系统的控制下发生线性关系振荡；当伺服电机振荡时，关闭UV光源，停止曝光,光敏树脂停止固化，光敏树脂向固化的区域补充；

(8)振荡完成后开启UV光源，成像装置在嵌入式操作系统的控制下将变化的光投射到光敏树脂上，使得光敏树脂继续固化，最终得到完整的打印实体零件。