CN106881862A - 面曝光成型的3d打印方法及3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面曝光成型的3D打印方法及3D打印装置，其采用投影系统置于树脂槽上方从上往下投影图像实施3D打印，使零件在打印平台上由下而上打印成型，这样就不会发生零件和树脂槽分离的问题，大大提高了打印设备的稳定性，降低了打印设备的维护成本，而且可以适用于打印大重量、大体积的零件，应用范围广。

Description

面曝光成型的3D打印方法及3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D快速打印成型技术，特别是涉及一种面曝光成型的3D打印方法及3D打印装置。

背景技术

目前，现有DLP(Digital Light Procession)3D打印技术大多为底投影面曝光3D打印技术。即DLP投影仪固定在基座上，DLP投影仪并不移动，在每层曝光时，投影出相应的图像，保持相应的曝光时间，使液态光敏树脂固化，然后升降机构带动打印平台向上移动一定的距离，待液态光敏树脂流平后，打印平台下降到相应的位置，再次曝光，完成每层的固化，逐层叠加，直至打印完成。

中国专利CN 104085106 A公开一种基于DLP原理的3D打印机，其利用DLP技术从底部向上投影到光敏树脂上使其固化，完成3D打印。由于现有技术是采用底投影曝光方式，成型工件是由下而上成型，在打印过程中需要成型工件和树脂槽分离，这样由于树脂固化后产生的粘贴力、液体内的张力与底部的压强等因素会产生成型工件和树脂槽之间吸力问题，很容易引起成型工件脱落而导致做件失败，或者树脂槽损坏，增加维护成本；同时，为了在投影区域与树脂之间制造一个含氧层，不得到不通过复杂的方法来达到该目的；其次，不能成型较重或较大的工件，工件是成型在做件平台底部的，因此成型的零件势必不可能太大或太重，否则极易造成成型工件脱落导致做件失败。第三，底投影DLP技术是自下而上的打印工件，这样的结构限制了树脂槽不能太深，导致树脂量少，当打印大件时会出现打印中没有树脂的情况，或者不能连续打印多个零件。

因此，需要一种可打印重量大、体积大的大形工件的3D打印技术。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面曝光成型的3D打印方法及3D打印装置，用于解决现有技术中难易打印大形工件的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种面曝光成型的3D打印方法，所述3D打印方法采用投影系统置于树脂槽上方从上往下投影图像实施3D打印，具体包括以下步骤：

1)、计算机系统获取待打印数据模型切片后的每层图像数据，并且将每层图像数据传输给控制系统；

2)、打印前，自动补液系统实时检测树脂槽内的树脂液位高度，并且将树脂液位高度反馈给控制系统；控制系统根据获取的树脂液位高度作出判断是否需要往树脂槽内添加树脂，如果判断需要，控制系统会向自动补液系统发送添加树脂的指令，开始添加树脂，直到自动补液系统检测到树脂液位高度达到设定高度后停止补液，则进行步骤3)；如果判断不需要添加树脂时，则直接进行步骤3)；

3)、控制系统控制投影系统开始投影并且进行逐层打印；在打印每一层时，根据所述自动补液系统反馈的树脂液位高度来控制液位平衡系统维持树脂液位平衡；投影系统投影曝光预定时间，使曝光能量达到或超过树脂最小固化能量，使得当前层固化；控制系统控制打印平台下降一个层厚，控制系统再驱动刮刀涂覆系统将树脂表面不均匀处涂平；

4)、重复步骤3的打印过程直至第一层光固化完成；逐层打印完后形成三维实体，控制系统驱动打印平台和树脂槽作相对背离运动，使整个三维实体脱离树脂液面，取下所述三维实体，至此完成作件过程。

优选的，所述步骤1)中所述计算机系统获取每层图像数据的具体过程为：对所述待打印数据模型做数据添加支撑处理，添加完支撑后进行切片分成得到切片位图，并且根据投影图像的特点进行灰度处理，获取所述每层图像数据。

优选的，所述步骤3)的逐层打印过程中，打印每层的具体过程为：所述控制系统将获取的所述每层图像数据传输给所述投影系统中，由投影系统中的面曝光装置向树脂槽内投射光，并且分别用至少两组时间参数来控制所述支撑和由所述待打印数据模型所得实体的曝光时间，并且控制曝光能量大于树脂最小固化能量。

优选的，所述自动补液系统利用液位检测装置实时检测树脂液位高度，并且通过自动补液装置向树脂槽内添加树脂。

优选的，所述步骤3)中根据所述自动补液系统反馈的树脂液位高度来控制液位平衡系统维持树脂液位平衡的步骤包括：所述控制系统通过控制树脂槽升降系统驱动所述树脂槽升降来维持树脂液位平衡或者控制系统通过控制升降机构驱动树脂槽内的平衡块来维持树脂液位平衡。

本发明还提供一种面曝光成型的3D打印装置，其包括：

盛放树脂的树脂槽；

置于树脂槽内可升降的打印平台，以及驱动打印平台升降的Z轴升降系统；

自动补液系统，包括补液槽以及连通树脂槽和补液槽的补液泵，以及用于检测树脂槽内树脂液位高度的液位传感器；

用于向树脂槽内投射图像的投影系统，置于所述树脂槽的正上方；

用于将树脂表面涂平的刮刀涂覆系统，置于树脂槽上；

用于调节树脂槽内树脂液位高度平衡的液位平衡系统；

控制系统，分别与自动补液系统、Z轴升降系统以及投影系统、刮刀涂覆系统、液位平衡系统和计算机系统相连。

优选的，所述液位平衡系统包括伸入所述树脂槽内的平衡块以及驱动平衡块升降的升降机构。

优选的，所述液位平衡系统包括驱动所述树脂槽升降的树脂槽升降系统。

优选的，所述补液泵为蠕动泵、齿轮泵或隔膜泵螺杆泵。

优选的，所述自动补液系统还包括置于补液槽上检测补液槽内液位高度的液位检测器以及与液位检测器相连的用于发出警报的报警系统。

如上所述，本发明的面曝光成型的3D打印方法及3D打印装置，具有以下有益效果：本发明采用投影系统置于树脂槽上方从上往下投影图像实施3D打印，使零件在打印平台上由下而上打印成型，这样就不会发生零件和树脂槽分离的问题，大大提高了打印设备的稳定性，降低了打印设备的维护成本，而且可以适用于打印大重量、大体积的零件，应用范围广。

附图说明

图1显示为本发明面曝光成型的3D打印方法的步骤示意图。

图2显示为本发明中的树脂液位高度检测的流程示意图。

图3显示为本发明面曝光成型的3D打印装置的示意图。

元件标号说明

1 自动补液系统

2 打印平台

3 Z轴升降系统

4 投影系统

5 刮刀涂覆系统

6 计算机系统

7 树脂槽升降系统

8 树脂槽

S1～S7 步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种面曝光成型的3D打印装置，如图3所示，其可实现本发明的3D打印方法，本装置包括：盛放树脂的树脂槽8；

置于树脂槽内可升降的打印平台2，以及驱动打印平台2升降的Z轴升降系统3；

自动补液系统1，包括补液槽以及连通树脂槽和补液槽的补液泵，以及用于检测树脂槽内树脂液位高度的液位传感器；

用于向树脂槽内投射图像的投影系统4，置于所述树脂槽8的正上方；

用于将树脂表面涂平的刮刀涂覆系统5，置于树脂槽8上；

用于调节树脂槽内树脂液位高度平衡的液位平衡系统；

控制系统，自动补液系统1、Z轴升降系统3、投影系统4、刮刀涂覆系统5和液位平衡系统均与所述控制系统相连，控制系统与计算机系统6相连。上述控制系统可以为PLC(可编程控制器)、运动控制卡、上位机PC、串口通讯、嵌入式系统等。

本发明采用将投影系统设置在树脂槽的正上方，实现面曝光打印方式，且通过自动补液系统实时向树脂槽内补液，避免树脂槽内树脂量过低而不能完成打印。

上述液位平衡系统可以通过采用平衡块升降的方式，来控制液位的高度。本实施例包括伸入树脂槽8内的平衡块以及驱动平衡块升降的升降机构。

上述液位平衡系统还可通过采用树脂槽整槽升降的方式，来控制液位的高度。本实施例包括驱动树脂槽8升降的树脂槽升降系统7。

上述补液泵为蠕动泵、齿轮泵或隔膜泵螺杆泵。上述自动补液系统1还包括置于补液槽上检测补液槽内液位高度的液位检测器以及与液位检测器相连的用于发出警报的报警系统。当补液槽中的树脂不足时，会有报警功能，提醒向补液槽内添加树脂。

上述投影系统为DLP投影仪、LED投影仪、LCoS投影仪、LCD投影仪、UV投影仪其中的一个或几个的阵列。

本发明还提供一种面曝光成型的3D打印方法，其可通过上述3D打印装置实施，其采用投影系统4置于树脂槽8上方从上往下投影图像实施3D打印，即顶部投影式的投影系统，具体包括以下步骤：见图1所示步骤S1-S7，

1)、计算机系统6获取待打印数据模型切片后的每层图像数据，并且将每层图像数据传输给控制系统；图1中的步骤S1，具体过程为：首先对待打印数据模型做数据添加支撑处理，添加完支撑后再进行切片分成得到切片位图，并且根据投影图像的特点，将不足一个像素的外轮廓线进行一定的灰度处理，得到经过灰度处理的图像，然后获取每层图像数据。

2)、打印前，自动补液系统1利用液位传感器实时检测树脂槽8内的树脂液位高度，如图2所示，并且将树脂液位高度反馈给控制系统；控制系统根据获取的树脂液位高度与内设的阈值范围进行比较，作出判断是否需要往树脂槽内添加树脂，如果判断需要，控制系统会向自动补液系统1发送添加树脂的指令，开始添加树脂，直到自动补液系统1检测到树脂液位高度达到设定高度后停止补液，则进行步骤3)；如果判断不需要添加树脂时，则直接进行步骤3)；见图1中的步骤S2；

3)、控制系统控制投影系统4开始投影并且进行逐层打印，在打印每一层时，根据所述自动补液系统反馈的树脂液位高度来控制液位平衡系统维持树脂液位平衡；投影系统投影曝光预定时间，使曝光能量达到或超过树脂最小固化能量，使得当前层固化；控制系统控制打印平台下降一个层厚，控制系统再驱动刮刀涂覆系统将树脂表面不均匀处涂平，确保树脂液面平整；本步骤包括图1中的步骤S3-S7，

4)、重复步骤3的打印过程直至第一层光固化完成；逐层打印完后形成三维实体，控制系统驱动打印平台2和树脂槽8作相对背离运动，使整个三维实体脱离树脂液面，取下所述三维实体，至此完成作件过程。

本发明采用投影系统4置于树脂槽8上方从上往下投影图像实施3D打印，成型的三维实体即零件自下而上成型在打印平台上，这样就不会发生零件和打印平台分离的问题，大大提高了设备的稳定性；同时打印平台可采用金属材质，强度和耐磨性很高，不会因使用造成打印平台损坏，降低了设备的维护成本；自动补液系统的引入，可以实现长期的连续打印。

上述步骤3)的逐层打印过程中，打印每层的具体过程为：控制系统将获取的每层图像数据传输给投影系统4中，由投影系统4中的面曝光装置向树脂槽8内投射特定范围波长(300nm-1000nm)的光，并且分别用两组时间参数来控制上述由计算机系统添加的支撑和由待打印数据模型所得实体的曝光时间，并且控制曝光能量大于树脂最小固化能量。当前层曝光固化完成后，打印平台2通过Z轴升降系统3下降一个打印层厚的距离，而刮刀涂覆系统5开始运动，将树脂液表面不均匀处涂平，凸起的液面刮掉，凹陷的液面补充树脂填平，以保证液面平整，然后重复上述打印每层的过程，直至全部打印完成。

而且在步骤3)的打印过程中控制系统通过树脂槽升降系统7来调整树脂槽8的高度，或者通过控制升降机构驱动树脂槽内的平衡块，控制树脂液面与投影系统间的距离，以保证液面到投影系统中投影镜头的距离维持恒定，保证投射到液面的图形始终处于投影系统的焦平面位置，即步骤S3。本发明采用液位闭环控制，通过将液位检测装置检测得到的信息实时反馈到控制系统，控制树脂槽升降系统或平衡块系统来控制液面到投影镜头的距离。

上述自动补液系统1包括补液泵、盛放树脂的补液槽，补液泵的一端与补液槽相连，另一端与树脂槽相连，且补液泵与上述控制系统中的补液泵控制模块相连，补液泵控制模块控制补液泵向树脂槽内补充树脂。补液泵可以为蠕动泵、齿轮泵、隔膜泵等。

上述投影系统4，其位于打印平台2的正上方，与计算机系统6相连接，用于将计算机系统切片的每层图形投影至树脂槽中的液态光敏树脂表面；该投影系统包括光源、DMD(数字微镜元件)以及投影镜头。由计算机系统对待打印3D模型进行处理，形成二维的截面图，采用300nm-1000nm相关波长的光源，通过控制DMD中的微小镜片的转动角度，控制其反射方向，进而来生成相应的二维截面图形，最终在树脂表面上形成了与计算机系统中图案完全一样的光图案。

综上所述，本发明面曝光成型的3D打印方法以及3D打印装置，采用投影系统4置于树脂槽8上方从上往下投影图像实施3D打印，成型的三维实体即零件自下而上成型在打印平台上，这样就不会发生零件和打印平台分离的问题，大大提高了设备的稳定性；同时打印平台可采用金属材质，强度和耐磨性很高，不会因使用造成打印平台损坏，降低了设备的维护成本；自动补液系统的引入，可以实现长期的连续打印。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种面曝光成型的3D打印方法，其特征在于，所述3D打印方法采用投影系统置于树脂槽上方从上往下投影图像实施3D打印，具体包括以下步骤：

1)、计算机系统通过数据处理获取待打印数据模型切片后的每层图像数据，并且将每层图像数据传输给控制系统；

2)、打印前，自动补液系统实时检测树脂槽内的树脂液位高度，并且将树脂液位高度反馈给控制系统；控制系统根据获取的树脂液位高度作出判断是否需要往树脂槽内添加树脂，如果判断需要，控制系统会向自动补液系统发送添加树脂的指令，开始添加树脂，直到自动补液系统检测到树脂液位高度达到设定高度后停止补液，则进行步骤3)；如果判断不需要添加树脂时，则直接进行步骤3)；

3)、控制系统控制投影系统开始投影并且进行逐层打印；在打印每一层时，根据所述自动补液系统反馈的树脂液位高度来控制液位平衡系统维持树脂液位平衡；投影系统投影曝光预定时间，使曝光能量达到或超过树脂最小固化能量，使得当前层固化；控制系统控制打印平台下降一个层厚，控制系统再驱动刮刀涂覆系统将树脂表面不均匀处涂平；

4)、重复步骤3的打印过程直至第一层光固化完成；逐层打印完后形成三维实体，控制系统驱动打印平台和树脂槽作相对背离运动，使整个三维实体脱离树脂液面，取下所述三维实体，至此完成作件过程。

2.根据权利要求1所述的面曝光成型的3D打印方法，其特征在于：所述步骤1)中计算机系统获取每层图像数据的具体过程为：对所述待打印数据模型做数据添加支撑处理，添加完支撑后进行切片分成得到切片位图，并且根据投影图像的特点进行灰度处理，获取所述每层图像数据。

3.根据权利要求2所述的面曝光成型的3D打印方法，其特征在于：所述步骤3)的逐层打印过程中，打印每层的具体过程为：所述控制系统将获取的所述每层图像数据传输给所述投影系统中，由投影系统中的面曝光装置向树脂槽内投射光，并且分别用至少两组时间参数来控制所述支撑和由所述待打印数据模型所得实体的曝光时间，并且控制曝光能量大于树脂最小固化能量。

4.根据权利要求1所述的面曝光成型的3D打印方法，其特征在于：所述自动补液系统利用液位检测装置实时检测树脂液位高度，并且通过自动补液装置向树脂槽内添加树脂。

5.根据权利要求1所述的面曝光成型的3D打印方法，其特征在于：所述步骤3)中根据所述自动补液系统反馈的树脂液位高度来控制液位平衡系统维持树脂液位平衡的步骤包括：

所述控制系统通过控制树脂槽升降系统驱动所述树脂槽升降来维持树脂液位平衡或者控制系统通过控制升降机构驱动树脂槽内的平衡块来维持树脂液位平衡。

6.一种面曝光成型的3D打印装置，其特征在于，包括：

盛放树脂的树脂槽；

置于树脂槽内可升降的打印平台，以及驱动打印平台升降的Z轴升降系统；

自动补液系统，包括补液槽以及连通树脂槽和补液槽的补液泵，以及用于检测树脂槽内树脂液位高度的液位传感器；

用于向树脂槽内投射图像的投影系统，置于所述树脂槽的正上方；

用于将树脂表面涂平的刮刀涂覆系统，置于树脂槽上；

用于调节树脂槽内树脂液位高度平衡的液位平衡系统；

控制系统，分别与自动补液系统、Z轴升降系统以及投影系统、刮刀涂覆系统、液位平衡系统和计算机系统相连。

7.根据权利要求6所述的面曝光成型的3D打印装置，其特征在于，所述液位平衡系统包括伸入所述树脂槽内的平衡块以及驱动平衡块升降的升降机构。

8.根据权利要求6所述的面曝光成型的3D打印装置，其特征在于，所述液位平衡系统包括驱动所述树脂槽升降的树脂槽升降系统。

9.根据权利要求6所述的面曝光成型的3D打印装置，其特征在于，所述补液泵为蠕动泵、齿轮泵或隔膜泵螺杆泵。

10.根据权利要求6所述的面曝光成型的3D打印装置，其特征在于，所述自动补液系统还包括置于补液槽上检测补液槽内液位高度的液位检测器以及与液位检测器相连的用于发出警报的报警系统。