CN107364129A

CN107364129A - 一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置与方法

Info

Publication number: CN107364129A
Application number: CN201710574335.8A
Authority: CN
Inventors: 陈国大; 周绍林; 马旭刚
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2017-11-21

Abstract

本发明公开了一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置与方法；包括直线导轨、光源系统、光学投影系统和用于盛装光敏树脂的透明树脂槽；透明树脂槽设置在直线导轨的上方，并与直线导轨彼此平行；光源系统和光学投影系统自下而上设置在透明树脂槽与直线导轨之间；直线导轨上设有驱动机构；通过该驱动机构，携带光源系统和光学投影系统沿着直线导轨的轨迹移动至预定位置；本装置通过驱动机构携带光源系统和光学投影系统在直线导轨上移动至每层图案的第一、第二打印位置，再对两张子图片进行拼接。采用这种简便易行的技术手段，即可使实际打印尺寸增加一倍，并可实现高精度的打印，又无须使用多个镜头或是高像素的芯片，降低了成本。

Description

一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置与方法

技术领域

本发明涉及光固化3D打印，尤其涉及一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置与方法。

背景技术

牙齿是人体不可缺少的器官之一，但现代人因疾病、运动创伤或先天发育等，使牙齿提早出现缺裂、崩损、缺失、畸形等，需就医进行牙齿的各项修复。临床上，牙齿修复的首要步骤是制作患者牙体或者全口牙模型。传统的方法是首先利用牙模技术制作病人的口腔印模，再由专业技术人员复制石膏模型。该方法生产牙模不仅高度依赖牙科技师们的手工技能，整个过程非常漫长、昂贵和高劳动强度，而且容易产生误差，影响修复结果。当前，3D数字化口腔技术快速发展，即通过口腔3D扫描配合计算机的辅助设计CAD，快速地扫描患者口腔并重建出三维数据模型，完成牙齿数据的采集与修复性设计，最后接合计算机辅助制造CAM及必要的牙齿制造工艺，制作患者个性化牙列模具，并最终辅助实现牙齿修复体或者种植体的制作。其中，在计算机辅助加工技术中，日益发展的3D打印技术，可直接与3D扫描配合，实现快速获取数据与直接模型加工，提高牙齿加工效率，极大地缩短牙齿加工周期，使牙齿加工变得快捷、方便与高效。

3D打印技术的一个主要分支是光固化3D打印技术，它是利用光束照射液态光敏树脂后使其固化的原理，使材料逐点或逐层累加成型。光固化3D打印技术主要分为SLA和DLP投影技术。其中SLA称为立体光固化成型技术，它是利用激光光束逐点快速扫描照射到光敏树脂上使其固化成型。SLA技术可以对光敏树脂意外的其他材料进行成型，具有应用广泛的特点。DLP投影技术则是通过将整层图像通过投影镜头投影到光敏树脂上，并逐层叠加成型，其特点是可以一次完成整层打印，具有打印速度快、精度高的特点。

DLP投影技术是发展较早的一种光固化3D打印技术，它的核心部件是利用德州仪器生产的数字光处理芯片DMD。由于DLP芯片是德州仪器的独家专利技术，芯片价格较贵，特别是高像素的芯片价格极其昂贵，限制了大尺寸3D打印技术的发展。

DLP的一个重要特点是图像发生器的像素数决定了3D打印的打印尺寸，由于是通过投影镜头将图像发生器的图像投影到光敏树脂上，因此，3D打印的像素数与图像发生器的像素数相同，例如实现0.1mm的打印精度，一种常用的图像发生器的像素是1280x800，则打印尺寸为128mmx80mm。而高像素的DLP价格昂贵，限制了DLP投影技术在大尺寸3D打印中的应用。

在实际打印过程中，有时会有特定尺寸的打印要求，所采用的芯片像素未必能覆盖牙模的大小，有时还需要同时打印多个牙模，这就需要增大3D打印机的打印尺寸。如果直接采用更高像素的芯片或者增加镜头数量则会使成本显著提高。因此需要一种增大打印尺寸的低成本做法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置与方法。旨在通过微投影光固化与机械控制相结合技术，在保证打印精度的同时，使得打印尺寸增加一倍，实现高精度和较低成本，并根据投影镜头的倍率实现不同的打印精度和尺寸。

本发明通过下述技术方案实现：

一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，包括直线导轨1、光源系统2、光学投影系统3和用于盛装光敏树脂的透明树脂槽4；

所述透明树脂槽4设置在直线导轨1的上方，并与直线导轨1彼此平行；

所述光源系统2和光学投影系统3自下而上设置在透明树脂槽4与直线导轨1之间；

直线导轨1上设有驱动机构；通过该驱动机构，携带光源系统2和光学投影系统3沿着直线导轨1的轨迹移动至预定位置；

光源系统2用于发出多束平行光，对光学投影系统3进行照明；

光学投影系统3将每一层待曝光的图案投影到透明树脂槽4内的光敏树脂层上并进行图案的光固化。

所述光源系统2的光源采用LED光源，其光波长为365nm～440nm。

光学投影系统3将图像系统生成的每一层曝光图形以1:1的比例投影到透明树脂槽4内的光敏树脂层上，使图案光固化。

光源系统2和光学投影系统3同轴且集成在一起，并在驱动机构的驱动下同步运动，在直线导轨1上移动并停留在预定位置。

所述驱动机构的机械运动部分，包括采用滚珠轴承搭载平台在直线导轨1上以滚动的方式直线移动。

一种单次打印面积加倍的微投影光固化3D打印方法，其包括如下步骤：

首先将物体的三维模型切分为多个薄层，每个薄层由一张图片表征应打印完成的图案；再进一步将每个薄层的图片均匀地分为两张子图片，然后由光学投影系统3的DMD器件依次产生物体的薄层图像；

每打印一个薄层时，先打印该薄层第一张子图片，再在该第一张子图片边缘待拼接处打印出第二张子图片；以此循环，直至我完成每个薄层的光固化图案的3D打印。

上述每打印一个薄层时，先打印该薄层第一张子图片，再在该第一张子图片边缘待拼接处打印出第二张子图片，具体步骤如下。

第一张子图片的打印步骤：

先通过驱动机构，将光源系统2和光学投影系统3沿着直线导轨1的轨迹移动至第一打印位置；在光源系统2发出的多束平行光照射下，经光学投影系统3的投影成像，将该薄层的第一张子图片图像曝光在树脂槽底面的平面上，该底面的平面处的光敏树脂材料固化而形成固态薄层；

第二张子图片的打印步骤：

完成第一张子图片的打印后，将光源系统2和光学投影系统3沿着直线导轨1的轨迹移动至第二打印位置；在光源系统2发出的多束平行光照射下，经光学投影系统3的投影成像，将该薄层的第二张子图片图像曝光在第一张子图片的待拼接像素区域边缘的树脂槽底面的平面上；

第一张子图片的像素区域边缘和第二张子图片的像素区域边缘重合，实现同一层两次打印结果固化后，自然拼接成的完整图形，从而增大打印尺寸，实现两倍的打印尺寸。拼接时可对拼接处的图像稍作预处理。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明通过驱动机构，携带光源系统和光学投影系统在直线导轨上移动至每层图案的第一、第二打印位置，再对两张子图片进行拼接。采用这种简便易行的技术手段，即可使实际打印尺寸增加一倍，并可实现高精度的打印，又无须使用多个镜头或是高像素的芯片，降低了成本。

具体说，固定在直线导轨的光源系统2发出的光经过光学投影系统后照射在透明树脂槽底部上，通过把数字切片图像投影成像到树脂槽底部，进而将液态的光敏树脂逐层固化以进行3D打印。通过调节光源和投影系统在导轨上的相对位置，可实现单张切片图像经分割而成的两张子图像分别投影完成单层树脂结构的制作打印，在同一水平高度位置处的两次打印单层结构自然拼接形成完整的打印截面，从而使打印尺寸增加一倍。

本发明光源系统和光学投影系统同轴且集成在一起，并与机械式直线导轨相结合，具有结构简化，装调简单等优点，大大降低了工艺成本。

附图说明

图1为本发明单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置；处于第一打印位置。

图2为本发明处于第二打印位置。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1、2所示。本发明公开了一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，包括直线导轨1、光源系统2、光学投影系统3和用于盛装光敏树脂的透明树脂槽4；

所述光源系统2的光源采用LED光源，其光波长为365nm～440nm。

直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上，直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，可以理解为是一种滚动导引，是由钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，从而使负载平台沿着导轨做高精度线性运动，并将摩擦系数降至平常传统滑动导引的五十分之一，能轻易地达到很高的定位精度。

本领域技术人员熟知，光学投影系统3的核心部件为DMD器件，它由计算机控制。对于DMD器件上的每个像素点处的反射微镜，受到不同方向的平行光照射，由计算机通过电路板控制每个微镜的角度，若像素点在曝光图像中，则调整微镜角度使该像素点反射出的各个方向的平行光进入投影系统，并在像面重新汇聚成一点；若像素点不在曝光图像中，则调整微镜角度使该像素点的反射光不能进入投影系统；以上每个像素单独成像，最终在像面上形成一个清晰的像。在透明树脂槽4底面附近的光敏树脂根据投影图像固化形成打印结果。

待打印物体的每层的图案分两次打印完成，即驱动机构携带光源系统2和光学投影系统3沿着直线导轨1的轨迹移动至第一和第二打印位置。

所述驱动机构的机械运动部分，包括采用滚珠或者滚轴轴承，搭载移动平台在直线导轨1上以滚动的方式直线移动；所述直线导轨1采用平行双导轨。

本发明单次打印面积加倍的微投影光固化3D打印方法，可通过如下步骤实现：

第一张子图片的打印步骤：

第二张子图片的打印步骤：

通过本发明工作原理基础上，可以实现更大尺寸的打印，仅需把每层图片分割成更多等份，以及增加打印位置，增加的打印位置与前面的打印位置毗邻，打印结果像素区域边缘重合，以此类推。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，其特征在于包括直线导轨(1)、光源系统(2)、光学投影系统(3)和用于盛装光敏树脂的透明树脂槽(4)；

所述透明树脂槽(4)设置在直线导轨(1)的上方，并与直线导轨(1)彼此平行；

所述光源系统(2)和光学投影系统(3)自下而上设置在透明树脂槽(4)与直线导轨(1)之间；

直线导轨(1)上设有驱动机构；通过该驱动机构，携带光源系统(2)和光学投影系统(3)沿着直线导轨(1)的轨迹移动至预定位置；

光源系统(2)用于发出多束平行光，对光学投影系统(3)进行照明；

光学投影系统(3)将每一层待曝光的图案投影到透明树脂槽(4)内的光敏树脂层上使图案光固化。

2.根据权利要求1所述单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，其特征在于：所述光源系统(2)的光源采用LED光源，其光波长为365nm～440nm。

3.根据权利要求2所述单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，其特征在于：光学投影系统(3)将图像系统生成的每一层曝光图形以1:1的比例投影到透明树脂槽(4)内的光敏树脂层上，使图案光固化。

4.根据权利要求3所述单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，其特征在于：光源系统(2)和光学投影系统(3)同轴且集成在一起，并在驱动机构的驱动下同步运动，在直线导轨(1)上移动并停留在预定位置。

5.根据权利要求4所述单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置，其特征在于：所述驱动机构的机械运动部分，包括采用滚珠或者滚轴轴承，搭载移动平台在直线导轨(1)上以滚动的方式直线移动；所述直线导轨(1)采用平行双导轨。

6.一种单次打印面积加倍的微投影光固化3D打印方法，其特征在于采用权利要求5所述单次打印面积加倍的微投影光固化打印装置实现，其包括如下步骤：

首先将物体的三维模型切分为多个薄层，每个薄层由一张图片表征应打印完成的图案；再进一步将每个薄层的图片均匀地分为两张子图片，然后由光学投影系统(3)的DMD器件依次产生物体的薄层图像；

7.根据权利要求6所述单次打印面积加倍的微投影光固化3D打印方法，其特征在于，每打印一个薄层时，先打印该薄层第一张子图片，再在该第一张子图片边缘待拼接处打印出第二张子图片，具体步骤如下：

第一张子图片的打印步骤：

先通过驱动机构，将光源系统(2)和光学投影系统(3)沿着直线导轨(1)的轨迹移动至第一打印位置；在光源系统(2)发出的多束平行光照射下，经光学投影系统(3)的投影成像，将该薄层的第一张子图片图像曝光在树脂槽底面的平面上，该底面的平面处的光敏树脂材料固化而形成固态薄层；

第二张子图片的打印步骤：

完成第一张子图片的打印后，将光源系统(2)和光学投影系统(3)沿着直线导轨(1)的轨迹移动至第二打印位置；在光源系统(2)发出的多束平行光照射下，经光学投影系统(3)的投影成像，将该薄层的第二张子图片图像曝光在第一张子图片的待拼接像素区域边缘的树脂槽底面的平面上；

第一张子图片的像素区域边缘和第二张子图片的像素区域边缘重合，实现同一层两次打印结果固化后，自然拼接成的完整图形，从而增大打印尺寸，实现两倍的打印尺寸。