CN107877843B - 光固化型三维打印方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光固化型三维打印方法和设备。该方法包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；以及赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印技术，尤其是涉及光固化型三维打印方法和设备。
背景技术
三维打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，三维打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成各种形状复杂的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
目前三维打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光固化树脂被紫外光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。这一三维打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的成像系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
然而，光固化树脂在固化过程会有一定的收缩，收缩率一般在2-8％，其产生的收缩应力对周围的光固化树脂产生作用力。当大面积树脂一并固化时，这种应力会十分显著，从而导致固化后树脂出现翘曲、变形。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化型三维打印方法和设备，可以改善光固化树脂翘曲、变形的问题。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：获得打印对象的三维数据模型；将该三维数据模型划分为多层；对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；以及赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域。
在本发明的一实施例中，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
在本发明的一实施例中，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
在本发明的一实施例中，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
在本发明的一实施例中，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
在本发明的一实施例中，在赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度的同时，还包括将内部区域分为互补的第一图案和第二图案，且以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域的步骤包括：通过第一次曝光步骤曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案；通过第二次曝光步骤曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案。
在本发明的一实施例中，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
在本发明的一实施例中，该位移是随机的。
在本发明的一实施例中，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
在本发明的一实施例中，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
本发明还提出一种光固化型三维打印设备，包括：用于获得打印对象的三维数据模型的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；用于赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度的模块，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；用于控制图像曝光系统以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域的模块。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过区分三维数据模型的裸露区域和内部区域，并用不同的曝光强度曝光，可以使得内部区域的曝光强度低于裸露区域。如此一来，裸露区域区域强度大大高于内部区域，造成变形的主要来源——内部实体区域的收缩量显著降低，温升减少，使得三维模型的翘曲、变形问题得到改善。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出光固化型三维打印设备的基本结构。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图3A根据本发明一实施例的三维数据模型。
图3B示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图4B示出根据本发明另一实施例的三维数据模型区域识别示意图。
图5示出本发明另一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
图6示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。
图7A和图7B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。
图8示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图9A和图9B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
具体实施方式
本发明的实施例描述一种光固化型三维打印方法，可以降低光固化树脂在大面积固化时产生的内应力，从而改善了打印工件翘曲和变形的程度。
图1示出光固化型3D打印设备的基本结构。这一3D打印设备100包括用于容纳光固化树脂的物料槽110、用于使光固化树脂固化的图像曝光系统120、以及用于连接成型工件的升降台130。图像曝光系统120位于物料槽110上方，并可照射光束图像使物料槽110液面的一层光固化树脂被固化。每次图像曝光系统120照射光束图像致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会带动成型的那层光固化树脂略微下降，并通过刮板131使固化后的工件顶面均匀铺展光固化树脂，等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。
图像曝光系统120可以照射光束图像至光固化树脂，形成所需的曝光图案。图像曝光系统120可以使用能够形成光束图像的各种已知技术。
举例来说，在一个实施例中，图像曝光系统120可以使用数字光处理(DigitalLight Procession,DLP)投影技术。DLP投影成像技术是使用数字微镜元件(DigitalMicromirror Device,DMD)控制对光的反射来实现的。数字微镜元件可视为一镜面。这面镜子是由数十万乃至上百万个微镜所组成的。每一个微镜代表一个像素，图像就由这些像素所构成。
在另一个实施例中，图像曝光系统120还可以使用液晶(LCD)投影技术。液晶面板中包含了许多像素，每个像素可以单独控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板两侧的偏振光滤光器可控制某一像素的光线是否通过，因此经过液晶面板系统的光束是图像化的。
光固化型3D打印设备100输入的是打印对象的三维数据模型，再将三维数据模型分解成许多二维图像，将这些图像发送给图像曝光系统120后，由后者进行投影。
对任何成型物体的打印对象，都可以认为是由一个裸露表面覆盖的一个内部实体构成。这里实体占据了打印对象的绝大部分空间。根据本发明的实施例，对打印对象的裸露区域和内部区域实施不同的曝光强度，具体来说，内部区域的曝光强度弱于裸露区域的曝光强度。由于内部实体占了打印工件的绝大多数体积，因此可以大大降低总体发热和收缩情况。
根据本发明的实施例，对三维数据模型进行区域识别所需的预处理后，再发送给图像曝光系统120，从而让图像曝光系统120进行曝光。
图2示出本发明一实施例的光固化型三维打印方法流程图。参考图2所示，方法包括如下步骤：
在步骤201，获得打印对象的三维数据模型；
在步骤202，将三维数据模型划分为多层；
在步骤203，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
在步骤204，赋予裸露区域第一曝光强度，赋予内部区域第二曝光强度，其中第一曝光强度大于第二曝光强度；
在步骤205，以第一曝光强度曝光裸露区域，且以第二曝光强度曝光内部区域。
图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图3A所示，三维数据模型300是一个房屋模型，具有基础301、多个柱子302和屋顶303。图3A示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图，如图3B所示，步骤202是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。每个层用于在3D打印时进行一次树脂固化，生成一层光固化树脂。固化的顺序例如是从310开始，依次为320、330、直至560。每个层的二维平面可以包含几十到几百个像素，甚至几万个像素。
图4A示出根据本发明一实施例的三维数据模型区域识别示意图。参考图4A所示，步骤203是将三维数据模型300的至少部分层，例如层490，识别出其裸露区域311和内部区域312。裸露区域，顾名思义是在成型的工件中不被覆盖的区域。裸露区域可包括上壳、侧缘和底壳。以图4A所示来说，由于层490之下仅有4个柱子302(图4A中示出2个)支撑，裸露区域311为柱子之外的底壳(图中斜线阴影)。内部区域是被覆盖的区域。例如，内部区域312底面被其支撑部分覆盖，两侧被裸露区域311覆盖，表面被其它内部区域覆盖。
层500到560的区域识别以此类推，在此不再展开。图4A中示出这些层被识别出的裸露区域，以斜线阴影表示。
较佳地，为提高裸露区域强度，裸露区域可在其法向设定一个厚度，例如为1-5像素，采用和裸露区域相同的第一曝光强度曝光，统一称为裸露区域。参考图4B所示，裸露区域321从层490贯穿到层500。
在步骤204中赋予裸露区域的第一曝光强度和赋予内部区域的第二曝光强度，可以通过设置对各层数据所转换的图像的亮度来实现，也可采用不同的曝光时间来实现，或同时采用不同亮度和时间来实现。在此，第一曝光强度大于第二曝光强度。也就是说，裸露区域的曝光强度会大于内部区域的曝光强度。较佳地，第二曝光强度不超过第一曝光强度的66％。
不过，为了维持整个打印工件的强度以及和平台130的可靠连接，对三维数据模型300从底层开始的数层，统一赋予更高的第一曝光强度。
在步骤205中，设备可以控制图像曝光系统120以第一曝光强度曝光裸露区域，且以第二曝光强度曝光内部区域。
对于体积较大的工件来说，大面积的曝光仍然会有收缩和发热的问题，因此在本发明的较佳实施例中，进一步引入分区曝光的技术。
图5示出本发明另一实施例的光固化型三维打印方法流程图。
在步骤501，获得打印对象的三维数据模型；
在步骤502，将三维数据模型划分为多层；
在步骤503，对三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
在步骤504，赋予裸露区域第一曝光强度，赋予内部区域第二曝光强度，其中第一曝光强度大于第二曝光强度；
在步骤505，将内部区域分为互补的第一图案和第二图案；
在步骤506，通过第一次曝光步骤曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案；
在此曝光过程中，裸露区域是以第一曝光强度进行曝光，内部区域的第一图案是以第二曝光强度进行曝光。
在步骤507，通过第二次曝光步骤曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案。
在此曝光过程中，裸露区域是以第一曝光强度进行曝光，内部区域的第二图案是以第二曝光强度进行曝光。
图6示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图6所示，本实施例的第一图案71和第二图案72为棋盘格70中对角的方格。第一图案71和第二图案72是互补的，各由互不连接的等大小方格组成。在此，方格的大小可以自行定义，方格大小在2-20像素效果较好。
图7A和图7B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图7A和图7B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案71，第二次曝光步骤是再曝光第二图案72，当然顺序可以相反。不考虑层间影响的话，第一次曝光由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但总体有改善。
图8示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图8所示，本实施例图案90中第一图案91被井字形条纹隔开的方格，第二图案92为井字形条纹。在此，井字形条纹的距离，线宽均可定义网格10-50像素，井字条纹以2-10像素为佳。
图9A和图9B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图9A和图9B所示，第一次曝光步骤先曝光第一图案91，第二次曝光步骤再曝光第二图案92。不考虑层间影响的话，第一次曝光方格，由于曝光的部分完全不相连接，因此其收缩对整体变形没有影响；第二次曝光收缩会连接已曝光部分的实体，造成变形，但井字形条纹相对方格很小，这一影响可以忽略。
在步骤506和507中，设备可以控制图像曝光系统120进行第一次和第二次曝光。
在前文的各实施例中，三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。这一位移可以是随机的。
从另一角度看，本发明提出一种光固化型三维打印设备，包括：用于获得打印对象的三维数据模型的模块；用于将该三维数据模型划分为多层的模块；用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；用于赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度的模块，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；用于控制图像曝光系统以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域的模块。
本发明上述实施例的光固化型三维打印方法通过不同曝光强度的曝光，结合分区域的曝光，可以大大降低总体发热和收缩情况。尤其是内部区域占了打印物件的绝大多数体积，通过降低其曝光强度，可以大大降低总体发热和收缩情况。本发明上述实施例得到的额外效果是，打印物件的壳体用较强的曝光强度曝光而得到更大的强度，这可以保证物件的强度，较弱的曝光强度来固化内部的实体，这可以保证物件的韧性。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (11)
1.一种光固化型三维打印方法，包括以下步骤：
获得打印对象的三维数据模型；
将该三维数据模型划分为多层；
对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域；
赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以及
以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二曝光强度不超过该第一曝光强度的66％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该裸露区域包括上壳、侧缘和/或底壳。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该裸露区域的法向厚度为1-5像素。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对该三维数据模型从底层开始的数层，统一赋予该第一曝光强度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度的同时，还包括将内部区域分为互补的第一图案和第二图案，且
以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域的步骤包括：
通过第一次曝光步骤先曝光裸露区域，以及内部区域的第一图案；
通过第二次曝光步骤再曝光裸露区域，以及内部区域的第二图案。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该三维数据模型各层的第一图案和第二图案之间有位移。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该位移是随机的。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一图案和该第二图案为棋盘格中对角的方格。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该第一图案为被井字形条纹隔开的方格，该第二图案为井字形条纹。
11.一种光固化型三维打印设备，包括：
用于获得打印对象的三维数据模型的模块；
用于将该三维数据模型划分为多层的模块；
用于对该三维数据模型的至少部分层，识别各层的裸露区域和内部区域的模块；
用于赋予该裸露区域第一曝光强度，赋予该内部区域第二曝光强度的模块，其中该第一曝光强度大于该第二曝光强度；以及
用于控制图像曝光系统以第一曝光强度曝光该裸露区域，且以第二曝光强度曝光该内部区域的模块。
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