CN106346775A - 一种彩色dlp光固化3d打印系统及方法 - Google Patents

一种彩色dlp光固化3d打印系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种彩色DLP光固化3D打印系统及方法，打印系统包括打印平台、树脂液槽、温控固化板、DLP投影单元和颜色传感器，光敏树脂含有的感温变色颜料胶囊，树脂液槽设置在打印平台的下方，树脂液槽的底部开有一个正方形通孔，通孔内嵌有透明石英玻璃；颜色传感器设置在通孔的四周，所述的温控固化板包括可移动的温度控制单元和照射固化窗口；温度控制单元在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行温度控制；所述的DLP投影单元设置于树脂液槽下方，在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行固化。本发明无需多液管混合，可精确制作无明显色差的彩色模型，大大提高了成型速度；同时控制系统操作简单，便于自动化生产。

Description

一种彩色DLP光固化3D打印系统及方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及一种彩色DLP光固化3D打印系统及方法。
背景技术
DLP(Digital Light Procession)全称为“数字光投影”技术，基于DLP打印方法与SLA光固化成型方法都是以液态光敏树脂为原料，其不同之处在于DLP采用数字投影仪作为光源，而SLA为激光头，DLP技术光固化工艺过程分为以下步骤。1、利用CAD技术生成三维实体模型；2、利用计算机软件将模型进行切片处理；3、利用所产生的二维截面图像通过数字投影仪照射到液态光敏树脂表面，使表面照射区域内的一层树脂固化；4、一层加工完成后，即生成了打印件的一个二维截面，接着打印平台移动一个层厚的距离，待固化层上填充另一层液态光敏树脂，再进行第二层的照射，第二固化层牢牢地粘结在上一个固化层上，如此反复累加便生成了立体三维模型。
彩色光固化立体造型技术是彩色快速成型技术的一个重要组成部分。实用光固化成形的基本材料——光敏树脂加工的成型件呈现大致透明的形态，如果对成型件着色，不仅能精确地描述出产品的外部轮廓，还能体现其内部彩色区域的大致形态，这样就可以使成型件更具有立体感。
根据公开号为CN103692655A、CN104290332A等中国专利可以看出，目前在彩色3D打印方法上，主要有如下三种：
一、采用多管路、多喷头、多颜色树脂与紫外激光光源相结合，并且一边喷涂出不同颜色光敏树脂一边进行紫外光照射固化，这种方法只能打印出三种颜色的彩色模型。
二、利用红、绿、蓝三原色机理，通过控制三根液管的流量来使这三根液管中不同颜色的树脂通过在喷头中的配比混合，从而打印出彩色3D模型。但是这种技术不仅喷头结构复杂，而且降低了色彩的真实度，使彩色模型出现有一定色差。
三、用每一打印分层成型后，再对该分层具有染色指令的区域进行喷墨染色。
这三种方法的前两种还有一个缺点是利用由线成面的固化方式打印出彩色模型，无法实现以面成型来快速地打印出所需的彩色产品，因此增加了打印时间。第三种方法无疑增加了染色时间，而且喷墨密度也具有不确定性。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种可彩色打印、成型速度快、控制系统简单、无明显色差的彩色DLP光固化3D打印系统及方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种彩色DLP光固化3D打印系统，包括打印平台、打印平台升降单元、树脂液槽、温控固化板、计算机控制单元、DLP投影单元和颜色传感器，打印平台升降单元、DLP投影单元、温控固化板、颜色传感器与计算机控制单元电联接，树脂液槽内部设置有光敏树脂，光敏树脂含有的感温变色颜料胶囊，所述的树脂液槽设置在打印平台的下方，树脂液槽的底部开有一个正方形通孔，通孔内嵌有透明石英玻璃；所述的颜色传感器设置在通孔的四周，所述的温控固化板包括可移动的温度控制单元和照射固化窗口；所述的打印平台升降单元在计算机控制单元的控制下实现打印平台的自动升降，所述的温度控制单元在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行温度控制；所述的DLP投影单元设置于树脂液槽下方，在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行固化。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，所选用的3D打印用光敏树脂除含有正常组分预聚物、活性稀释剂、紫外光引发剂、增塑剂、热稳定剂、流平剂，还含有感温变色颜料。所述的感温变色颜料是一种随温度上升或下降而反复改变颜色的微胶囊，这种微胶囊化颜料的颗粒呈圆球状，平均直径2-7微米，内部是变色物质，外部是一层厚约0.2-0.5微米耐高温、抗氧化的透明外壳。经355nm紫外光源照射后的光敏树脂内的感温变色颜料因内部产生强大的收缩应力，导致其中的微胶囊透明外壳溶解或融化，使其丧失可逆变色功能。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，感温变色基本颜色分为以下20种：红色、玫瑰红、桃红色、朱红色、橘色、橙色、金黄色、明黄色、草绿色、绿色、墨绿、中绿、孔雀绿、天空蓝、土耳其蓝、蓝色、深蓝色、紫罗兰、黑色、紫色。为了适应20种感温变色基本颜色，感温变色基本温度分为以下20种：25℃-27℃、27℃-29℃、29℃-31℃、31℃-33℃、33℃-35℃、35℃-37℃、37℃-39℃、39℃-41℃、41℃-43℃、43℃-45℃、45℃-47℃、47℃-49℃、49℃-51℃、51℃-53℃、53℃-55℃、55℃-57℃、57℃-59℃、59℃-61℃、61℃-63℃、63℃-65℃。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，该感温变色颜料添加于光敏树脂中所占的重量比例为15％-30％。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，所述DLP投影单元设置于树脂液槽下方，采取自底向上照射的方式对待固化液态光敏树脂进行照射固化，DLP投影单元中包括紫外光源、DMD芯片、透镜组等。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，所述树脂液槽用于盛放3D打印用光敏树脂，在其底部开有正方形通孔，通孔内嵌有透明石英玻璃，该透明石英玻璃可透过紫外线，耐高温，导热性能良好，硬度大。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，所述石英玻璃上方镀有聚四氟乙烯薄膜，该聚四氟乙烯薄膜几乎不溶于所有溶剂，耐高温，摩擦系数极低，用于固化模型与石英玻璃上表面之间润滑作用，充当不沾涂层。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，所述的打印平台升降单元包括步进电机、导杆和丝杆，所述的步进电机驱动丝杠使得打印平台沿着导杆上下移动。
上述彩色DLP光固化3D打印系统中，温度控制单元为LED或LD阵列。
本发明的另一个目的在于提供一种彩色DLP光固化3D打印方法，包括如下步骤：
S1：启动打印机、计算机控制单元；
S2：打印平台升降装置将打印平台升降至与树脂液槽底部间隔一个层厚的距离；
S3：计算机控制单元将彩色三维模型转换为若干二维截面轮廓，并将每层厚度、轮廓信息传给DLP投影单元；
S4：计算机控制单元将模型每层二维截面彩色部分的每种颜色对应的温度范围信号传递给温度控制单元；
S5：温度控制单元对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行不同区域的温度控制；
S6：RGB颜色传感器对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行检测并将数据传给计算机控制单元；
S7：判断颜色数据是否符合设定，若符合进行步骤S8，若不符合则从步骤S4重新进行；
S8：计算机控制单元控制温控板左移使照射固化窗口位于石英玻璃下方与DLP投影单元之间；
S9：计算机控制单元控制DLP投影单元对树脂液槽内的液态光敏树脂进行紫外光照射，固化一层树脂；
S10：计算机控制单元控制打印平台升降单元向上移动一个层厚的距离；
S11：判断DLP投影单元是否完成最后一层截面轮廓的投影，若完成进行步骤13，若没完成则进行步骤12；
S12：计算机控制单元控制温控板右移使温控单元位于石英玻璃正下方与DLP投影单元之间，接着重新进行步骤5；
S13：完成对彩色三维模型的制作，取出模型。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明无需多液管混合，可以制作以面成型累加固化且无明显色差的的彩色模型，大大提高了成型速度；同时控制系统操作简单，便于自动化生产。
2、本发明通过在石英玻璃上设置聚四氟乙烯薄膜，起到润滑作用，充当不沾涂层；同时在石英玻璃的周围安装颜色传感器，在不影响固化的前提下，实现了对颜色的监测，并与设计的颜色相比较，对固化过程进行反馈，进而提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明的打印系统示意图。
图2为本发明的打印系统中树脂液槽部分的结构示意图。
图3为本发明的打印系统中温控板部分的结构示意图。
图4为本发明方法的步骤流程图。
附图标记如下：1、步进电机；2、导杆；3、丝杆；4、打印平台；5树脂液槽；6、温控固化板；7、DLP投影单元；51、颜色传感器；52、石英玻璃；61、温度控制单元；62、照射固化窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种彩色DLP光固化3D打印系统及方法，可以实现彩色打印、成型速度快、控制系统简单、无明显色差的3D打印。
本实施例涉及的彩色DLP光固化3D打印机如图1-3所示，在打印平台升降单元中，步进电机1驱动丝杆3转动带动打印平台4上移，丝杆3两侧设置有两根导杆2以便打印平台4上移的过程中趋于稳定状态。打印平台4下方设置有树脂液槽5，树脂液槽5底部开有一正方形通孔，装有其上镀聚四氟乙烯的石英玻璃52以及方孔四周装有RGB颜色传感器51。树脂液槽5下方，安置有一块温控固化板6，左侧区域布满平方微米大小的独立温控单元61，右侧区域开有大小与石英玻璃相等的照射固化窗口62。温控固化板6下方安装有DLP投影单元7，DLP投影单元7内的高亮光源发射出355nm的紫外光对DMD芯片进行指定角度照射，发射紫外光透过透镜聚焦且通过温控固化板6上的照射固化窗口62，来对树脂液槽底部的液态光敏树脂进行照射固化。
温控固化板6安装于树脂液槽5的石英玻璃下表面与DLP投影单元之间，且可作平移运动。温控固化板6左半区域为温度控制单元61，其上分布着若干平方微米大小的温度控制模块，每个温度控制模块都是独立的，可对不同平方微米面积的单元区域进行温度升降的控制。温度控制单元61可采用输出光波为光敏树脂吸收的LED或LD阵列组成，通过增加LED或LD单元的电流来调节输出的光功率，进而被光敏树脂吸收后转化为热，实现高空间分辨的温度控制,并在短时间内的恒温状态。
当温控单元区域位于石英玻璃正下方时，即对树脂液槽内液态光敏树脂进行温度控制以改变不同区域的颜色；当照射固化窗口位于石英玻璃正下方时，DLP投影单元此时便通过照射固化窗口对树脂液槽底层的液态光敏树脂进行照射固化，打印出一层彩色树脂。
经温控单元加热降温指定区域之外区域的光敏树脂由于受到附近温度变化的影响会由于变色颜料的因素而出现颜色变化，但由于未经紫外光源的照射固化，光敏树脂仍有可逆变色功能，不影响之后的打印。
所述打印平台升降单元，用于对承载打印件的打印平台进行升降。通过步进电机带动丝杆旋转而使打印平台上移，导杆用于稳定打印平台。
所述颜色传感器采用RGB颜色传感器，安装于树脂液槽底部石英玻璃周围，该传感器通过测量构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测。若干RGB颜色传感器互相不重叠地对整个打印区域内的不同小区域进行颜色检测，以此完成对整个打印区域的颜色检测。每个RGB颜色传感器对指定区域的颜色进行逐点检测，RGB颜色传感器内置扫描色彩激光器，可小范围内利用角度的变换以完成对整个指定区域的颜色反馈。
计算机控制单元用于处理三维模型，将三维模型按顺序切片分为一系列具有相同厚度的截面图形；控制打印平台升降单元在树脂液槽与打印平台之间的液态光敏树脂固化后向上抬升一个层厚的距离；控制温控单元上的温控单元做好对即将固化的液态光敏树脂进行温度上的准确控制与颜色变换上的精确转换；控制DLP投影单元在温控固化板上的照射固化窗口平移到石英玻璃下方时，对颜色转化成功后的待固化液态光敏树脂进行紫外光源照射实现固化。
本发明还涉及一种彩色DLP固化3D打印用光敏树脂的材料添加剂——感温变色颜料。此感温变色颜料是一种随温度上升或下降而反复改变颜色的微胶囊，这种微胶囊化颜料的颗粒呈圆球状，平均直径2-7微米，内部是变色物质，外部是一层厚约0.2-0.5微米耐高温、抗氧化的透明外壳。经355nm紫外光源照射后的光敏树脂内的感温变色颜料因内部产生强大的收缩应力，导致其中的微胶囊透明外壳溶解或融化，使其丧失可逆变色功能，从而经紫外光源照射固化后即可打印出一层彩色的固化二维模型。该感温变色颜料常应用在注塑和挤塑领域，本发明将其用于3D打印固化领域，并利用收缩应力将外壳溶解或融化实现感温变色颜料的有效固化，并且此时颜色不可逆。
如图4所示，一种彩色DLP光固化3D打印方法，包括以下步骤：
S1：启动打印机、计算机控制单元；
S2：打印平台升降装置将打印平台升降至与树脂液槽底部间隔一个层厚的距离；
S3：计算机控制单元将彩色三维模型转换为若干二维截面轮廓，并将每层厚度、轮廓信息传给DLP投影单元；
S4：计算机控制单元将模型每层二维截面彩色部分的每种颜色对应的温度范围信号传递给温度控制单元；
S5：温度控制单元对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行不同区域的温度控制；
S6：RGB颜色传感器对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行检测并将数据传给计算机控制单元；
S7：判断颜色数据是否符合设定，若符合进行步骤S8，若不符合则从步骤S4重新进行；
S8：计算机控制单元控制温控板左移使照射固化窗口位于石英玻璃下方与DLP投影单元之间；
S9：计算机控制单元控制DLP投影单元对树脂液槽内的液态光敏树脂进行紫外光照射，固化一层树脂；
S10：计算机控制单元控制打印平台升降单元向上移动一个层厚的距离；
S11：判断DLP投影单元是否完成最后一层截面轮廓的投影，若完成进行步骤13，若没完成则进行步骤12；
S12：计算机控制单元控制温控板右移使温控单元位于石英玻璃正下方与DLP投影单元之间，接着重新进行步骤5；
S13：完成对彩色三维模型的制作，取出模型。
本发明的上述实施例仅仅为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来讲，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种彩色DLP光固化3D打印系统，包括打印平台(4)、打印平台升降单元、树脂液槽(5)、温控固化板(6)、计算机控制单元、DLP投影单元(7)和颜色传感器(51)，所述的打印平台升降单元、DLP投影单元(7)、温控固化板(6)、颜色传感器(51)与计算机控制单元电联接，所述的树脂液槽(5)内部设置有光敏树脂，其特征在于：
所述的光敏树脂含有的感温变色颜料胶囊，所述的树脂液槽(5)设置在打印平台(4)的下方，树脂液槽(5)的底部开有一个正方形通孔，通孔内嵌有透明石英玻璃；所述的颜色传感器(51)设置在通孔的四周，所述的温控固化板(6)包括可移动的温度控制单元(61)和照射固化窗口(62)；所述的打印平台升降单元在计算机控制单元的控制下实现打印平台(4)的自动升降，所述的温度控制单元(61)在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行温度控制；所述的DLP投影单元(7)设置于树脂液槽(5)下方，在计算机控制单元的控制下按照设定的位置对光敏树脂进行固化。
2.根据权利要求1所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：所述的感温变色颜料胶囊包括透明外壳和外壳内部的感温变色颜料，所述胶囊的平均直径为2-7微米，透明外壳的壳体厚度为0.2-0.5微米。
3.根据权利要求1或2所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：所述的感温变色颜料的基本颜色为红色、玫瑰红、桃红色、朱红色、橘色、橙色、金黄色、明黄色、草绿色、绿色、墨绿、中绿、孔雀绿、天空蓝、土耳其蓝、蓝色、深蓝色、紫罗兰、黑色、紫色。
4.根据权利要求3所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：感温变色颜料与上述基本颜色相对应的变色温度为25℃-27℃、27℃-29℃、29℃-31℃、31℃-33℃、33℃-35℃、35℃-37℃、37℃-39℃、39℃-41℃、41℃-43℃、43℃-45℃、45℃-47℃、47℃-49℃、49℃-51℃、51℃-53℃、53℃-55℃、55℃-57℃、57℃-59℃、59℃-61℃、61℃-63℃、63℃-65℃。
5.根据权利要求1或2所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：所述的感温变色颜料在光敏树脂中所占的重量比例为15％-30％。
6.根据权利要求1所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：在透明石英玻璃的上方设置有聚四氟乙烯薄膜。
7.根据权利要求1所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：所述的打印平台升降单元包括步进电机(1)、导杆(2)和丝杆(3)，所述的步进电机(1)驱动丝杠(3)使得打印平台(4)沿着导杆(2)上下移动。
8.根据权利要求1或2所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：DLP投影单元中包括紫外光源、DMD芯片、透镜组。
9.根据权利要求1所述的彩色DLP光固化3D打印系统，其特征在于：所述的温度控制单元(61)为LED或LD阵列。
10.一种利用权利要求1-9任意之一所述的彩色DLP光固化3D打印系统进行打印的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：启动打印机、计算机控制单元；
S2：打印平台升降装置将打印平台升降至与树脂液槽底部间隔一个层厚的距离；
S3：计算机控制单元将彩色三维模型转换为若干二维截面轮廓，并将每层厚度、轮廓信息传给DLP投影单元；
S4：计算机控制单元将模型每层二维截面彩色部分的每种颜色对应的温度范围信号传递给温度控制单元；
S5：温度控制单元对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行不同区域的温度控制；
S6：RGB颜色传感器对打印平台与树脂液槽底部上表面之间的液态光敏树脂进行检测并将数据传给计算机控制单元；
S7：判断颜色数据是否符合设定，若符合进行步骤S8，若不符合则从步骤S4重新进行；
S8：计算机控制单元控制温控板左移使照射固化窗口位于石英玻璃下方与DLP投影单元之间；
S9：计算机控制单元控制DLP投影单元对树脂液槽内的液态光敏树脂进行紫外光照射，固化一层树脂；
S10：计算机控制单元控制打印平台升降单元向上移动一个层厚的距离；
S11：判断DLP投影单元是否完成最后一层截面轮廓的投影，若完成进行步骤13，若没完成则进行步骤S12；
S12：计算机控制单元控制温控板右移使温控单元位于石英玻璃正下方与DLP投影单元之间，接着重新进行步骤S5；
S13：完成对彩色三维模型的制作，取出模型。
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