CN106799835A - 一种基于点阵式显示屏的光固化3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，包括：计算机控制组件、点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件、机架组件，所述计算机控制组件将3D模型分割成一系列分层切片图像，并将所述分层切片图像数据传输给所述点阵式显示屏组件，驱动所述点阵式显示屏组件发光产生相应的曝光图案，从而使得所述液槽成型组件中所盛放的液态光固化材料按照所述曝光图案固化成型。本发明利用LED点阵式显示屏的点阵显示，直接实现数字光处理，从而去除了DLP系列控制芯片及DMD组件，大大简化了光学系统的复杂度，使得3D打印机的成本大幅降低，可以相对低成本地实现大幅面的光固化打印。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术，具体涉及使用光固化方式进行3D打印的技术领域，尤其涉及一种将LED显示屏的点阵显示直接用于数字光处理的快速成型3D打印机。
背景技术
3D打印又名增材制造，属于快速成型技术，它以数字模型为基础，利用金属粉末、陶瓷粉末、塑料或液体光敏树脂等材料，逐层地打印出整个三维物体。3D打印的过程首先是通过计算机3D建模软件设计3D模型，再将该三维模型“切片”成逐层的截面，再根据分析截面信息得到加工路径，从而指导3D打印机逐层打印，通过逐层叠加最终形成三维物件。3D打印技术按照工作原理的不同可分为SLA（立体光刻成型）、LOM（叠层实体成型）、SLS（选择性激光烧结成型）、FDM（熔融沉积成型）、DLP（数字光处理成型）等。
目前，3D打印技术应用最多的是光固化3D打印，广泛应用于模型制作、光学透镜、牙科、医疗、珠宝等行业。光固化3D打印使用的材料一般都是“光敏树脂”(Photopolymer)，通常为液态，配比一定的光引发剂，在光照射下发生聚合反应，完成固化。这种光固化3D打印成型技术包括SLA（立体光刻成型）和DLP（数字光处理成型）2种技术方向。
SLA（立体光刻成型）的原理是，通过分层软件对3D模型进行分层切片，向液槽中注入液态光敏树脂，激光束按3D模型的分层切片数据在液态光敏树脂表面进行逐点扫描，并扩散成一个面，将树脂固化形成与分层切片数据像匹配的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，进行下一层的制作，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此反复成型出完整产品。
DLP（数字光处理成型，Digital Light Procession）的原理是，通过分层软件对3D模型进行分层切片，液槽中盛满液态光敏树脂，每一层切片图像数据通过DMD（数字微反射镜，Digital Micromirror Device）进行数字处理，然后再把光投影出来，由DMD芯片实现曝光能量及曝光图形的控制，每次曝光固化一个薄层，一层固化完毕后，工作台移动一个层厚的距离，进行下一层的制作，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此反复成型出完整产品。
但是这2种方式普遍存在如下问题及缺陷：
SLA（立体光刻成型）方式通常使用激光器做光源，设备成本高昂，因为是点成型，所以生产效率低下。
DLP（数字光处理成型）方式通常使用LED做光源，但需要配置DLP系列控制芯片及DMD（数字微反射镜）组件等器件，实现数字光处理，因此，光学系统复杂，成本较高，并也难以实现大尺寸制品的打印。
由此，随着3D打印技术应用的日益扩展，产业界迫切需要一种能够以低成本方式快速成型大尺寸制品的3D打印技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，包括：计算机控制组件、点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件、机架组件，其中：所述点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件均固定安装在所述机架组件上；所述计算机控制组件包括控制设备，所述控制设备包括图像切片部件及打印控制部件，所述图像切片部件用于将待打印或待制作的3D模型分割成一系列具有一定厚度的分层切片图像；所述打印控制部件用于控制所述Z轴移动平台组件的升降，并将所述分层切片图像数据传输给所述点阵式显示屏组件，驱动所述点阵式显示屏组件按照该分层切片图像数据进行发光，产生相应的曝光图案，从而使得所述液槽成型组件所盛放的光固化材料按照所述曝光图案固化成型。
在上述技术方案中，所述液槽成型组件包括液槽和成型平台，其中所述液槽用于盛放液态光固化材料，所述成型平台固定在Z轴移动平台组件的下端，由所述Z轴移动平台组件控制所述成型平台在所述液态光固化材料中的浸没深度，所述成型平台用于粘附并承载由所述液态光固化材料固化成形的制品，由所述成型平台移动所述制品在所述液槽内实现多层叠加成型。
在上述技术方案中，所述机架组件包括底板、支架、点阵式显示屏固定板和外壳；其中，所述底板是所述机架组件的基座，所述支架和所述点阵式显示屏固定板固定安装在所述底板上，所述点阵式显示屏固定板用于固定安装所述点阵式显示屏组件和所述液槽成型组件，所述支架用于支撑固定Z轴移动平台组件。
在上述技术方案中，所述点阵式显示屏组件为LED显示屏组件或者激光阵列或者主动发光单元阵列；所述点阵式显示屏组件的外形相应设置为矩形、正方形、平行四边形、六角形、环形、球台形或者条带形；所述点阵式显示屏组件发出的光源波长为紫外、蓝光、可见光和红外中的一种或者多种的叠加组合。
在上述技术方案中，所述LED显示屏组件包括LED显示屏和LED驱动器；其中，所述LED显示屏组件与所述计算机控制组件相连，接收来自所述计算机控制组件的与3D模型截面图形相关的分层切片图像数据，经过所述LED驱动器处理，产生控制所述LED显示屏按3D模型截面图形发光的驱动信号，所述LED显示屏发出的光照射所述液态光固化材料使其进行固化。
在上述技术方案中，所述LED显示屏选用波长为200nm～400nm的紫外线光源或波长为400～450nm的蓝光源，所述光固化材料为液态光固化树脂或光敏树脂。
在上述技术方案中，所述点阵式显示屏组件上进一步设置有成像聚焦光学薄膜，所述成像聚焦光学薄膜为光学微透镜、微棱镜、菲涅尔镜、光纤面板或像素级衍射光栅中的一种或多种的组合。
本发明还提供了一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印方法，包括步骤：通过分层软件对3D模型进行分层切片；每一层切片图像数据通过LED显示屏的点阵进行显示；将所述LED显示屏发出的光投射到盛有液态光固化材料的液槽中；控制所述LED显示屏对所述液态光固化材料的图形曝光能量，使被曝光的所述液态光固化材料固化形成一个薄层；将固化完毕的薄层移动一个层厚的距离，进行下一个薄层的曝光固化，新曝光固化的薄层牢固地粘结在前一薄层上，如此反复成型出完整产品。
在上述技术方案中，对所述LED显示屏进行控制的参数包括亮度、曝光时间、灰度、曝光补偿、坏灯率中的一个或多个。
本发明利用LED显示屏的点阵显示，直接实现数字光处理，从而去除了DLP系列控制芯片及DMD组件，大大简化了光学系统的复杂度，使得3D打印机的成本大幅降低。同时，因为LED显示屏技术已经比较成熟，大尺寸的LED显示屏在日常生活中也随处可见，因此可以相对低成本地实现大幅面的LED显示屏光固化打印。
本发明取得了以下技术效果：
1. 简化了现有光固化3D打印机的光学系统设计及结构的复杂度，降低了系统制造和维护成本；
2. 能够低成本快速成型大幅面的制品，即LED显示屏能做多大就能实现多大尺寸的制品；
3. 因为不使用激光器作为光源，使设备成本大幅降低，
4. 因为结构简单，所以更容易实现稳定的成型品质。
附图说明
图1为本发明提供的3D打印机的系统结构示意图。
图中标记：11-底板；12-支架；13-Z轴移动平台；14-固定板；15-LED显示屏；16-液槽；17-成型平台；18-制品。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供了一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，如图1所示，该3D打印机包括：计算机控制组件、点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件、机架组件。
机架组件包括底板11、支架12、LED固定板14、外壳（图中未示出），用于搭建该基于点阵式显示屏的光固化3D打印机的支撑及固定用的结构框架。点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件均固定安装在整体机架组件上。其中底板11是机架组件的基座，支架12和LED固定板14固定安装在底板11上，其中LED固定板14用于固定安装点阵式显示屏组件和液槽成型组件，支架12用于支撑固定Z轴移动平台组件。
液槽成型组件包括液槽16、成型平台17；其中液槽16用于盛放液态光固化材料，优选为光敏树脂，液槽16的底部采用高透光率材料，具体可采用：PDMS、亚克力、特氟龙、普通玻璃、钢化玻璃等材料。成型平台17固定在Z轴移动平台组件的下端，由Z轴移动平台组件控制成型平台17在光敏树脂中的浸没深度，成型平台17用于粘附并承载由光敏树脂固化成形的制品18，由成型平台17移动制品18在液槽16内实现成型。
计算机控制组件包括控制设备和液晶显示屏；控制设备可以有：工控机、PLC或单片机，液晶显示屏可以是带触控输入的液晶屏。计算机控制组件可通过液晶显示屏等进行输入输出操作，通过控制设备实现控制流程。控制设备包括图像切片部件及打印控制部件，图像切片部件用于将待打印或待制作的3D模型分割成一系列具有一定厚度的分层切片图像；打印控制部件用于控制Z轴移动平台组件的升降，并联动控制点阵式显示屏组件，通过数据线将分层切片图像数据传输给驱动点阵式显示屏组件中的LED驱动器，驱动LED显示屏组件中的LED显示屏15按照该分层切片图像数据进行发光，产生相应的曝光图案，在曝光亮度足够的位置，光敏树脂固化成型，在曝光亮度不足的位置，光敏树脂维持液态，从而使合适位置处的光敏树脂固化形成与分层切片图像数据相一致的成形图案，即在制品18上形成3D打印层；通过Z轴移动平台组件的升降运动使得3D打印层叠加形成所需打印的与3D模型相对应的3D打印物件。
控制设备的作用还包括：对相关机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制，内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数等。
对点阵式显示屏组件中LED显示屏的控制项目包括：每个LED灯的亮度、曝光时间、灰度、以及LED显示屏的曝光补偿、坏灯率检测等。其中，每个LED灯的亮度涉及LED显示屏单位面积所发出的光强度，是触发曝光固化的关键参数；而除亮度以外的其它控制参数也会影响曝光固化的品质，曝光时间可以辅助亮度设置，互补相成的实现曝光固化的品质。灰度指的是同一亮度等级下，显示屏的明暗层级程度，灰度越高，打印成型的效果也越细腻、精致；通过监测树脂液体的亮度及灰度等实际信息，实时或定期对LED显示屏进行参数补偿，实现稳定的成型质量；另外通过实时或定期的检测LED显示屏的坏灯率，可以及时监控LED显示屏的品质恶化程度，及时更换配件以避免成型废品。
点阵式显示屏组件，用于以点阵方式发出所需图案的曝光光线，可以是LED显示屏组件，或者也可是激光阵列或其他主动发光单元阵列；其发光单元/像素的排列可以是矩形、正方形、平行四边形、六角形等，也可以是环形、球台形、条带形等定制形状，由此点阵式显示屏组件的外形也可相应设置为矩形、正方形、平行四边形、六角形、环形、球台形、条带形等形状，以与需要固化成形的制品18的截面形状相适应。点阵式显示屏组件优选为LED显示屏组件，包括LED显示屏15、LED驱动器。LED显示屏组件与计算机控制组件相连，接收来自计算机控制组件的分层切片的截面图形，经过LED驱动器处理，产生控制LED显示屏15发光的驱动信号，LED显示屏15发出的光照射到光敏树脂表面使其按照截面图案的形状进行固化。LED显示屏15的发光波长，选用200nm ～ 400nm的紫外线光源或波长400 ～ 450nm的蓝光源，或者也可以是可以是紫外、可见光和红外等固体光源的叠加组合。该波长可以是LED显示屏15的LED背光灯本身的波长，也可以通过在LED显示屏15的LED背光灯前设置相应通带波长的滤光片形成。
为了提高LED显示屏15所发出光线的指向性能，对于产品精度要求较低时，例如像素分辨率0.6～1.5mm时，可以将LED显示屏15在接近光敏树脂液体的位置，减弱光发散的程度，实现光固化功能；对于产品精度要求较高时，例如像素分辨率低于0.6mm时，可以在LED显示屏15上设置成像或聚焦光学薄膜，以会聚每个LED灯的发光，实现高精度的光固化功能。成像或聚焦光学薄膜可以包括光学微透镜、微棱镜、菲涅尔镜、光纤面板、以及像素级衍射光栅及其组合。其中光学微透镜组合的光学参数根据像素分辨率的要求和光敏树脂液体的折射率来进行确定。
Z轴移动平台组件包括Z轴移动平台13，Z轴移动平台13固定在整体机架组件的支架12上，与成型平台17相连，在计算机控制组件的控制设备的控制下驱动成型平台17沿Z轴方向以精准步进的方式进行位移。伴随制品18的层叠成长，通过Z轴移动平台13的驱动实现制品18的成型面同LED显示屏15之间的距离保持相对稳定，每当一层光敏树脂固化成形完成后，Z轴移动平台13驱动成型平台17带动制品18沿Z轴上移一个层厚，以便进行下一层的光固化成形制作。
其中，具体的层厚由相应制品18所要求的固化深度来确定，层厚的设置必须小于或等于制品18的固化深度。在设置层厚后，通过实验来确定LED显示屏15在相应层厚要求下的最佳曝光参数，包括每个LED灯的亮度、曝光时间、灰度等。具体来说，通过工艺实验来确认试制品的固化品质，如果曝光不足，可以增加曝光时间，相反，也不能过度增加曝光时间，过曝光对品质没有益处，却会增加制作时间。最终通过实验及经验积累，最终确定每一层的曝光时间。
其中，LED固定板14为中空结构，以便LED显示屏15发出的光源能够直接照射到盛放光敏树脂的液槽16的底部。
本发明所提供的基于LED显示屏的光固化3D打印机的具体原理是：在液槽16中盛满液态光敏树脂，通过分层软件对3D模型进行分层切片，每一层切片图像数据通过LED显示屏15的点阵显示，直接进行数字光处理，实现光能量及图形曝光控制，每次曝光固化一个薄层，一层固化完毕后，成型平台17移动一个层厚的距离，进行下一层的制作，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此反复成型出完整产品。
综上所述，本发明利用LED显示屏的点阵显示，直接用于数字光处理，这样一来，就去除了DLP系列控制芯片及DMD组件，大大简化了光学系统，使打印机成本大幅降低。
以上的具体实施方式仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照实施方案对本发明进行了详细说明，但对于本领域技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改或替换，可在形式上和细节上对本发明做出各种变化，这均并未脱离本发明的技术与精神。
Claims (10)
1.一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于包括：计算机控制组件、点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件、机架组件，其中：
所述点阵式显示屏组件、液槽成型组件、Z轴移动平台组件均固定安装在所述机架组件上；
所述计算机控制组件包括控制设备，所述控制设备包括图像切片部件及打印控制部件，所述图像切片部件用于将待打印或待制作的3D模型分割成一系列具有一定厚度的分层切片图像；所述打印控制部件用于控制所述Z轴移动平台组件的升降，并将所述分层切片图像数据传输给所述点阵式显示屏组件，驱动所述点阵式显示屏组件按照该分层切片图像数据进行发光，产生相应的曝光图案，从而使得所述液槽成型组件所盛放的光固化材料按照所述曝光图案固化成型。
2.如权利要求1所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述液槽成型组件包括液槽和成型平台，其中所述液槽用于盛放液态光固化材料，所述成型平台固定在Z轴移动平台组件的下端，由所述Z轴移动平台组件控制所述成型平台在所述液态光固化材料中的浸没深度，所述成型平台用于粘附并承载由所述液态光固化材料固化成形的制品，由所述成型平台移动所述制品在所述液槽内实现多层叠加成型。
3.如权利要求1或2所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述机架组件包括底板、支架、点阵式显示屏固定板和外壳；其中，所述底板是所述机架组件的基座，所述支架和所述点阵式显示屏固定板固定安装在所述底板上，所述点阵式显示屏固定板用于固定安装所述点阵式显示屏组件和所述液槽成型组件，所述支架用于支撑固定Z轴移动平台组件。
4.如权利要求1-3中任一项所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述点阵式显示屏组件为LED显示屏组件或者激光阵列或者主动发光单元阵列；所述点阵式显示屏组件的外形相应设置为矩形、正方形、平行四边形、六角形、环形、球台形或者条带形；所述点阵式显示屏组件发出的光源波长为紫外、蓝光、可见光和红外中的一种或者多种的叠加组合。
5.如权利要求4所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述LED显示屏组件包括LED显示屏和LED驱动器；其中，所述LED显示屏组件与所述计算机控制组件相连，接收来自所述计算机控制组件的与3D模型截面图形相关的分层切片图像数据，经过所述LED驱动器处理，产生控制所述LED显示屏按3D模型截面图形发光的驱动信号，所述LED显示屏发出的光照射所述液态光固化材料使其进行固化。
6.如权利要求5所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述LED显示屏选用波长为200nm～400nm的紫外线光源或波长为400～450nm的蓝光源，所述光固化材料为液态光固化树脂或光敏树脂。
7.如权利要求1-4中任一项所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印机，其特征在于：所述点阵式显示屏组件上进一步设置有成像聚焦光学薄膜，所述成像聚焦光学薄膜为光学微透镜、微棱镜、菲涅尔镜、光纤面板或像素级衍射光栅中的一种或多种的组合。
8.一种基于点阵式显示屏的光固化3D打印方法，其特征在于包括步骤：
通过分层软件对3D模型进行分层切片；
每一层切片图像数据通过LED显示屏的点阵进行显示；
将所述LED显示屏发出的光投射到盛有液态光固化材料的液槽中；
控制所述LED显示屏对所述液态光固化材料的图形曝光能量，使被曝光的所述液态光固化材料固化形成一个薄层；
将固化完毕的薄层移动一个层厚的距离，进行下一个薄层的曝光固化，新曝光固化的薄层牢固地粘结在前一薄层上，如此反复成型出完整产品。
9.如权利要求8所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印方法，其特征在于：对所述LED显示屏进行控制的参数包括亮度、曝光时间、灰度、曝光补偿、坏灯率中的一个或多个。
10.如权利要求8所述的基于点阵式显示屏的光固化3D打印方法，其特征在于：所述LED显示屏选用波长为200nm～400nm的紫外线光源或波长为400～450nm的蓝光源，所述光固化材料为液态光固化树脂或光敏树脂。
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