CN106945281A - 光固化3d打印机及其树脂池组件、打印方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种光固化3D打印机及其树脂池组件、打印方法。其中，所述树脂池组件包括用于容纳树脂材料且池底透光的池体(1)和用于可拆卸地安装该池体(1)的安装座(4)，在所述池体(1)和所述安装座(4)之间设置有OLED屏(2)。由于自发光的OLED屏同时兼具反应速度快、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单等优点，而且在显示方面，OLED屏的亮度高、响应速度快，图像稳定且分辨率高，因此，本公开的光固化3D打印机及其树脂池组件采用OLED屏来提供光源，避免了复杂的光路设置，通过利用该光固化3D打印机进行的3D打印方法，使得制造成本相对较低，而且减少了打印时的延时，提高了光固化效率，相应地提高了打印效率。

Description

光固化3D打印机及其树脂池组件、打印方法

技术领域

本公开涉及3D打印领域，具体地，涉及一种光固化3D打印机及其树脂池组件、打印方法。

背景技术

在3D(three dimensional)打印技术中，较为常见的是光固化快速成型技术，其利用液体状态的光敏树脂(UV)在光照下发生聚合反应，使光源按照待固化3D打印对象的横截面形状进行照射，液态的光敏树脂逐层固化成型后累积叠加，最终形成固化的3D打印对象。

目前，基于上述原理的光固化快速成型装置主要包括选择性激光固化装置(SLA，又称立体光固化成型装置)和掩膜光固化装置(DLP)。

其中，选择性激光固化装置采用405nm波长的特定强度的激光聚焦至液态光敏树脂表面，使其按照由点到线、由线到面的顺序固化，从而完成待打印3D打印对象的一个横截面层。随后，再按照这种方式固化另一横截面层，使先后固化的横截面层相互叠加，最终完成3D打印对象。这种基于SLA技术的3D打印装置由于采用上述固化程序，因此在打印大型三维物体或打印多个三维对象时，速度缓慢，效率低。例如，美国Fomlabs公司发明的Form2光固化3D打印机就是采用的SLA选择性激光成型技术。

掩膜光固化装置采用DLP投影仪在液态光敏树脂上投射待3D打印对象某一横截面的二维图形，使液态光敏树脂按照该图形固化出相应形状的薄层。之后，固化的薄层一层一层地粘附累加，从而形成固化的3D打印对象。掩膜光固化装置能够快速打印较大的三维物体，并具有较高的分辨率。但是，由于需要采用DLP设备，因此其价格昂贵，非一般消费者能够购买使用。例如，美国B9Creator公司发明的B9C光固化3D打印机采用的就是DLP技术。

另外，无论是选择性激光固化装置还是掩膜光固化装置，都具有复杂的光路，导致其在打印时具有较长的延时，从而降低了固化效率。

为了提高光固化速度，美国Carbon3D发明了一种基于DLP的连续光固化技术(CLIP)，该技术虽然能提高打印速度，但是制造成本高昂，该3D打印机售价达到数万美金。

此外，如果通过选择强度较高的光源来提高光固化速度，会使得光敏树脂池底的树脂在固化时释放出的热量增加，由此降低树脂池的使用寿命。

鉴于上述技术问题，亟待提供一种光固化速度快、制造成本低且具有降温系统的光固化3D打印机。

发明内容

本公开的第一目的是提供一种用于光固化3D打印机的树脂池组件，该用于光固化3D打印机的树脂池组件可以提高光固化效率。

为了实现上述第一目的，本公开提供一种用于光固化3D打印机的树脂池组件，所述树脂池组件包括用于容纳树脂材料且池底透光的池体和用于可拆卸地安装该池体的安装座，其中，在所述池体和所述安装座之间设置有OLED屏。

可选地，所述OLED屏与所述安装座之间设置有用于散热的冷却结构。

可选地，所述冷却结构包括固定在所述安装座上的冷却基板，所述冷却基板上形成有凹槽，所述OLED屏卡接在所述凹槽中，使得所述OLED屏与所述冷却基板之间形成有用于冷却液流过的流道。

可选地，所述冷却结构还包括与该冷却基板固定安装的密封层，该密封层位于所述OLED屏和所述冷却基板之间且与所述冷却基板之间形成用于冷却液流过的流道。

本公开的第二目的是提供一种光固化3D打印机，该光固化3D打印机可以提高光固化效率，降低制造成本。

为了实现上述第二目的，本公开提供一种光固化3D打印机，其中，所述光固化3D打印机包括控制器、与该控制器连接的数据传输设备以及根据以上所述的树脂池组件，所述数据传输设备与所述OLED屏电连接。

可选地，所述光固化3D打印机包括与所述树脂池组件连接的冷却系统。

本公开的第三目的是提供利用光固化3D打印机的打印方法，该利用打印方法可以提高打印三维对象的效率。

为了实现上述第三目的，本公开提供一种利用以上所述的光固化3D打印机的打印方法，所述打印方法包括：逐层打印3D打印对象的各个横截面层，其中，所述OLED屏接收各个所述横截面层的图案数据并根据所述图案数据提供光图案。

可选地，所述OLED屏针对每一横截面层的曝光时间由对应的每一横截面层的层厚确定。

可选地，所述光固化3D打印机包括打印平台和动力装置，所述打印平台位于所述树脂池组件的上方，打印所述3D打印对象的横截面层包括：在所述OLED屏提供光图案之前，所述控制器通过控制所述动力装置而驱动所述打印平台移动到打印位置。

可选地，所述光固化3D打印方法包括：所述控制器基于预设温度而控制冷却系统工作，以对所述树脂池组件进行冷却。

由于自发光的OLED屏同时兼具反应速度快、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单等优点，而且在显示方面，OLED屏的亮度高、响应速度快，图像稳定且分辨率高，因此，本公开的光固化3D打印机及其树脂池组件采用OLED屏来提供光源，避免了复杂的光路设置，通过利用该光固化3D打印机进行的3D打印方法，使得制造成本相对较低，而且减少了打印时的延时，提高了光固化效率，相应地提高了打印效率。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示例性地示出了本公开用于光固化3D打印机的树脂池组件的结构的分解示意图；

图2示例性地示出了树脂池组件中OLED屏的结构示意图；

图3示例性地示出了树脂池组件中OLED屏和冷却基板安装在安装座上的截面示意图；

图4示例性地示出了OLED屏安装在冷却基板上的截面示意图；

图5示例性地示出了光固化3D打印机中的冷却系统的结构示意图；

图6示例性地示出了光固化3D打印机中的传动机构的结构示意图；

图7示例性地示出了光固化3D打印机结构的截面示意图；以及

图8是本公开利用光固化3D打印机的打印方法的流程图；

图9是本公开利用光固化3D打印机的打印3D打印对象的每一横截面层的流程图。

附图标记说明

1池体 2 OLED屏 3冷却基板 4安装座

5锁扣 6打印平台 7传动机构 8冷却系统

9动力装置 10 3D打印对象 21阴极 22发射层

23导电层 24阳极 25底基 3a流道

71导轨 72丝杠 73立柱 81冷却泵

82散热器 83风扇 84水箱

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右，“内、外”是指相对于部件轮廓的内、外。

参照图1至图7，本公开涉及一种用于光固化3D打印机的树脂池组件以及使用该树脂池组件的光固化3D打印机。关于光固化3D打印机，主要包括控制器、与该控制器连接的数据传输设备、树脂池组件、位于树脂池组件上方的打印平台6、用于实现打印平台6上下移动的传动机构7和动力装置9。如图6和图7，打印平台6安装在传动机构7上，传动机构7可以包括导轨71、丝杠72以及安装导轨71和丝杠72的立柱73。控制器通过控制动力装置9(例如电机)而驱动丝杠72旋转，由此带动安装在丝杠72上的打印平台6沿导轨71朝向或远离树脂池组件移动，以便将3D打印对象10固化到打印平台6上。其更具体的结构和打印过程将在下文中详述。

参照图1、图3和图4，本公开中，树脂池组件包括池体1和安装座4，安装座4用于可拆卸地安装池体1，例如可通过锁扣5实现可拆卸安装方式，但不限于此可拆卸方式。所述池体1用于容纳树脂材料，池体1的池底透光，便于光源透过池底而照射树脂材料，从而将树脂材料固化。在池体1和安装座4之间设置有OLED屏2，由于OLED屏2本身可以发光，因此可以为树脂材料的固化提供光源。

具体参照图2，OLED屏2的结构通常包括阴极21、发射层22、导电层23、阳极24以及底基25。其中，底基25用于支撑整个OLED屏2，其材质可以为透明塑料、玻璃，金属箔等；阴极21用于提供电子，阳极24用于提供“空穴”，以在电流流过时消除电子；导电层23可以由有机塑料分子构成，这些分子传输由阳极24而来的“空穴”，在具体实施方式中，可采用聚苯胺作为导电层23；发射层22可由不同于导电层23的有机塑料分子构成，这些分子传输从阴极21而来的电子，例如可采用聚芴作为发射层22。当在OLED屏2两端施加电压时，电流从阴极21流向阳极24，阴极21提供的电子和阳极24提供的空穴在发射层22与导电层23的交界处结合，即电子填入空穴，该结合过程中，电子会以光子的形式释放能量，由此发光，光的亮度或强度取决于施加电流的大小，电流越大，光的亮度就越高。图2示出了OLED屏2的结构，但不限于这种结构组成，此外，不同类型的OLED屏2均可适用于本公开，例如主动式OLED(AMOLED)屏、被动式OLED(PMOLED)屏等。

在光固化3D打印机的具体实施方式中，控制器连接数据传输设备，数据传输设备与OLED屏2电连接。当进行3D打印时，控制器经由数据传输设备控制OLED屏2的发光区域，从而形成各个所述横截面层所需的图案，即光图案，并通过该光图案照射树脂材料完成各个所述横截面层的固化。

从上述OLED屏2的结构和发光固化过程可以看出，相比于需要用到背光板的LCD屏等，自发光的OLED屏同时兼具反应速度快、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单等优点。在显示方面，OLED屏的亮度高、响应速度快，图像稳定且分辨率高。因此，本公开的光固化3D打印机及其树脂池组件采用OLED屏来提供光源，不仅避免了复杂的光路设置，使得制造成本相对较低，而且减少了打印时的延时，提高了光固化效率。

在光固化3D打印机进行打印时，一方面，OLED屏2自身发光工作时会释放很多热量，另一方面，树脂材料固化过程也会释放很多热量，这些热量容易堆积在池体1的池底处，使得采用高分子透氧膜形成的池底变形和褶皱，从而影响固化成型效率和质量。为此，本公开在OLED屏2与安装座4之间设置有用于散热的冷却结构。由于冷却结构的设置，增加了树脂组件的散热能力，在3D打印过程中，3D打印对象10的每一横截面层固化成型速度显著提高，由此缩短了每层树脂固化完成的时间，提高了3D打印的工作效率。另外，通过将冷却结构设置在OLED屏2的下方，可以对OLED屏2和池体1的池底直接进行散热冷却，避免了池底因高温而发生褶皱或变形，保证了光固化成型的成型质量，减少了对树脂池的损坏，进而减少了更换树脂池的成本。

对于上述冷却结构，可以适用于多种冷却形式，例如可以适用于液体冷却或气体冷却等。优选地，本公开采用液体冷却来提高冷却效率。如图5所示，在具体实施方式中，本公开的冷却结构可以与光固化3D打印机的冷却系统8连接，该冷却系统8可以包括冷却泵81、散热器82、风扇83、水箱84等部件，用于向冷却结构中泵送冷却液。对于冷却系统8的具体结构等也可以采用现有技术中已知的其他结构，在此不再赘述。

图3和图4示出了冷却结构的一种布置情况。在该实施方式中，冷却结构包括固定在安装座4上的冷却基板3，该冷却基板3优选采用玻璃基板，但不限于玻璃基板。冷却基板3上形成有凹槽，OLED屏2卡接在凹槽中。此外，冷却基板3上形成有用于冷却液流过的流道3a，该流道3a可通过入口导管和出口导管与上述冷却系统8中的水箱84连通，形成冷却液的流动路径。在该冷却结构中，流道3a通过卡入冷却基板3中的冷却基板3而密封形成。在其他实施方式中，冷却结构还包括与该冷却基板3固定安装的密封层，该密封层可以为玻璃薄膜但不限于玻璃薄膜，其位于OLED屏2和冷却基板3之间且与冷却基板3之间形成用于冷却液流过的流道3a。也就是说，流道3a通过密封层进行密封。这样，密封层无需与OLED屏2固定连接，这为更换OLED屏2提供了便利。另外，OLED屏2无需使用胶粘剂与密封层进行固定，可以避免在长期使用中胶粘剂对OLED屏2的腐蚀，防止了OLED屏2因腐蚀而影响树脂的固定成型质量，延长了OLED屏2的使用寿命。

需要说明的是，本公开由于OLED屏2自身发光，因而布置在OLED屏2下方的冷却结构的各部件可以由各种透光或不透光的材质制成，使得冷却结构的各部件(包括冷却液)可以在更宽的范围中选取。通过选用成本低的材质，可以节省冷却结构的制造成本。

参照图8，基于上述结构，本公开还涉及一种利用光固化3D打印机的打印方法。总体而言，本公开的打印方法包括，根据待打印的3D打印对象10确定其横截面层的图案，设置这些图案参数，然后通过控制器的控制而逐层打印3D打印对象10的各个横截面层，从而形成最终的3D打印对象10。

参照图9，在打印各个横截面层步骤中，首先通过控制器控制动力装置9，从而驱动打印平台6移动到打印位置，然后，OLED屏2接收横截面层的图案数据，并根据图案数据提供光图案，该光图案照射到池体1内的树脂材料，从而将树脂材料固化形成在打印平台6上或上一层横截面层上。此处，打印平台6的打印位置是指，在打印首层横截面层时，打印平台6与池体1的池底之间的距离等于首层横截面层的层厚的位置；或者在打印其他层横截面层时，打印平台6上已固化形成的3D打印对象10的底面与池底之间的距离等于待打印横截面层的层厚的位置。上述的光图案是指，OLED屏2发光而形成的图案，该图案与3D打印对象10待打印的横截面层的形状一致。

可以理解，在3D打印过程中，针对不同层厚的横截面层，其固化时间应当是不同的，通常层厚越大，固化时间越长。因此，本公开中，OLED屏2针对每一横截面层的曝光时间由对应的每一横截面层的层厚确定。例如，在横截面层的层厚为100um时，OLED屏2提供光图案的时间为2s，即曝光时间为2s，在横截面层的层厚为50um时，曝光时间为1s。

另外，针对光固化3D打印机打印过程中释放热量的情况，本公开的打印方法还可以包括：控制器基于预设温度而控制冷却系统8工作，以对树脂池组件进行冷却，以使整个光固化3D打印机在正常温度环境下工作，从而保证光固化成型的成型效率和质量，减少了对树脂池的损坏。上述预设温度可以根据实际需要确定，例如光固化3D打印机所处的环境等。此外，所述冷却过程可以贯穿整个打印过程，也可以仅仅在打印中超出预设温度时才进行冷却，不公开对此不作限制。

下面参照图7至图9，以设置3D打印对象10的每一横截面层的层厚均为100um的情况作为示例，详细阐述3D打印过程为：

设定图案参数和预设温度，根据图案参数，控制器控制作为动力装置9的电机开始工作。打印首层横截面层，控制器控制电机沿第一方向(如顺时针方向)旋转，驱动丝杠转动，进而带动打印平台6朝向树脂池向下移动，并且停留在打印平台6与池底的距离等于100um的位置。然后，控制器控制数据传输设备向OLED屏2发送首层横截面层的图案数据，OLED屏2根据该图案数据提供光图案，该光图案照射树脂池中的树脂材料，照射时间为2s，使得树脂材料固化形成在打印平台6上，完成首层横截面层的打印。

打印第二层横截面层，控制器控制电机沿第二方向(如逆时针方向)旋转，驱动丝杠反向转动，进而带动打印平台6远离树脂池向上移动，打印平台6的移动距离等于第二层横截面层的层厚(100um)加上脱离高度H，然后再下降到打印平台6上的首层横截面层与池底的距离等于100um的位置。在此之后，控制器控制数据传输设备向OLED屏2发送第二层横截面层的图案数据，OLED屏2根据该图案数据提供光图案，该光图案照射树脂池中的树脂材料，照射时间为2s，使得树脂材料固化形成在首层横截面层上，完成第二层横截面层的打印。上述过程中，脱离高度H根据光敏树脂的粘稠度而定，粘度较高的树脂，曝光后应打印平台6应提起的高度则相对较高。通常，脱离高度H取1000um～5000um，当然，在树脂材料流动性足够优异的情况下，脱离高度H的取值也可为0um。

根据上述第二层横截面层的打印过程，光固化3D打印机将以相似的过程依次逐层打印3D打印对象10余下的其他各横截面层。从而形成最终的3D打印对象10。尽管该实施方式中3D打印对象10的各横截面层均为100um，但是在实际打印中，根据3D打印对象的情况可以设置各横截面层具有不同层厚，相应地，采用不同的曝光时间。如前所述，在上述打印过程中，光固化3D打印机中可以设置温度传感器，当温度传感器检测到光固化3D打印机内的温度超过预设温度，则将信号传给控制器，控制器向冷却系统8发出控制信号，冷却系统8向冷却结构中的冷却基板3泵送冷却液，冷却液在冷却基板3中流动并在热交换之后回流到水箱84中，实现冷却过程。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于光固化3D打印机的树脂池组件，所述树脂池组件包括用于容纳树脂材料且池底透光的池体(1)和用于可拆卸地安装该池体(1)的安装座(4)，其特征在于，在所述池体(1)和所述安装座(4)之间设置有OLED屏(2)。

2.根据权利要求1所述的用于光固化3D打印机的树脂池组件，其特征在于，所述OLED屏(2)与所述安装座(4)之间设置有用于散热的冷却结构。

3.根据权利要求2所述的用于光固化3D打印机的树脂池组件，其特征在于，所述冷却结构包括固定在所述安装座(4)上的冷却基板(3)，所述冷却基板(3)上形成有凹槽，所述OLED屏(2)卡接在所述凹槽中，使得所述OLED屏(2)与所述冷却基板(3)之间形成有用于冷却液流过的流道(3a)。

4.根据权利要求2所述的用于光固化3D打印机的树脂池组件，其特征在于，所述冷却结构还包括与该冷却基板(3)固定安装的密封层，该密封层位于所述OLED屏(2)和所述冷却基板(3)之间且与所述冷却基板(3)之间形成用于冷却液流过的流道(3a)。

5.一种光固化3D打印机，其特征在于，所述光固化3D打印机包括控制器、与该控制器连接的数据传输设备以及根据权利要求1至4中任一项所述的树脂池组件，所述数据传输设备与所述OLED屏(2)电连接。

6.根据权利要求5所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述光固化3D打印机包括与所述树脂池组件连接的冷却系统(8)。

7.一种利用光固化3D打印机的打印方法，其特征在于，所述光固化3D打印机为权利要求5或6所述的光固化3D打印机，所述打印方法包括：逐层打印3D打印对象(10)的各个横截面层，其中，所述OLED屏(2)接收各个所述横截面层的图案数据并根据所述图案数据提供光图案。

8.根据权利要求7所述的打印方法，其特征在于，所述OLED屏(2)针对每一横截面层的曝光时间由对应的每一横截面层的层厚确定。

9.根据权利要求7所述的打印方法，其特征在于，所述光固化3D打印机包括打印平台(6)和动力装置(9)，所述打印平台(6)位于所述树脂池组件的上方，打印所述3D打印对象(10)的横截面层包括：在所述OLED屏(2)提供光图案之前，所述控制器通过控制所述动力装置(9)而驱动所述打印平台(6)移动到打印位置。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的打印方法，其特征在于，所述光固化3D打印方法包括：所述控制器基于预设温度而控制冷却系统(8)工作，以对所述树脂池组件进行冷却。