CN107877852B - 光固化型三维打印方法 - 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；将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案；通过第一次曝光步骤曝光该第一图案；以及通过第二次曝光步骤曝光该第二图案。
Description
技术领域
本发明涉及光固化型三维打印方法和设备，尤其是涉及光固化型三维打印设备的图像曝光系统。
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激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。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放热，同时有一定的收缩，收缩率一般在2-8％，这会造成工件内应力聚集，最终产生变形。当大面积树脂一并固化时，发热和材料收缩问题更为明显，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提出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；将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案；通过第一次曝光步骤曝光该第一图案；以及通过第二次曝光步骤曝光该第二图案。
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，对将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的步骤包括：对各层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；将该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案；通过该第一时期的第一子时期曝光该第一图案，通过该第一时期的第二子时期曝光该第二图案；以及通过该第一时期的第一子时期和第二子时期曝光各岛型区域。
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，每一方格的一维尺寸为2-20个像素。
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。
在本发明的一实施例中，每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。
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；用于将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的模块；用于控制图像曝光系统通过第一次曝光步骤曝光该第一图案的模块；以及用于控制图像曝光系统通过第二次曝光步骤曝光该第二图案的模块。
本发明上述方案的光固化型三维打印方法通过分区域的曝光，可以大大降低总体发热和收缩情况，减少大面积收缩对物件变形的影响。
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3示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。
图4A和图4B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。
图5示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图6A和图6B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。
图7A示出根据本发明一实施例的三维数据模型。
图7B示出根据本发明一实施例的三维数据模型分层示意图。
图8A、8B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。
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。
根据本发明的实施例，将二维图像中需要曝光的部分分成互补的两个图案，分两次曝光，以减少大面积收缩对物件变形的影响。根据本发明的实施例，对三维数据模型进行图案区分所需的预处理后，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，本实施例包含如下步骤：
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，将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案；
在步骤204，通过第一次曝光步骤曝光第一图案；以及
在步骤205，通过第二次曝光步骤曝光第二图案。
在步骤202中，将三维数据模型分为许多二维图像，每个二维图像的厚度是一层。在步骤203中即可以进行图案划分。
在步骤204和205中，设备可以通过控制图像曝光系统120来进行第一次和第二次曝光。
图3示出根据本发明一实施例的图案区分示意图。参考图3所示，本实施例的第一图案31和第二图案32为棋盘格30中对角的方格。第一图案31和第二图案32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4A和图4B示出根据本发明一实施例的分区曝光过程。参考图4A和图4B所示，无论是第一次还是第二次曝光步骤，第一子曝光步骤是先曝光第一图案31，第二子步骤是先曝光第二图案32，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5示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图5所示，本实施例图案50中第一图案51被井字形条纹隔开的方格，第二图案52为井字形条纹。在此，井字形条纹的距离，线宽均可定义。例如每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。
图6A和图6B示出根据本发明另一实施例的图案区分示意图。参考图6A和图6B所示，无论是第一次还是第二次曝光步骤，第一子曝光步骤是先曝光第一图案51，第二子步骤是先曝光第二图案52，当然顺序可以相反。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。
本发明的实施例特别适用于降低具有大面积底壳的模型的变形。许多三维模型例如建筑和镂空雕塑都具有复杂的结构。在这些三维模型中，各种支持部，尤其是细小支持部对模型的精度有显著的影像。然而用于支持大面积底壳的支持部很容易受到大面积底壳在曝光时的收缩而变形。根据本发明的实施例，将大面积底壳的不同区域在不同的时期进行曝光，从而显著大面积底壳在曝光时的收缩程度。
图7A示出根据本发明一实施例的三维数据模型。参考图7A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7A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7B所示，前述步骤202是将例如三维数据模型300分为多个层310、320、330、……、560。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。
图8A、8B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。首先参考图8A所示，步骤203包括将三维数据模型300的各层，例如层490和500中识别底壳区域311和岛型区域312。底壳区域311是各层490、500中作为三维数据模型300的底壳的区域。这一区域是裸露在三维数据模型300下表面的。底壳区域311的纵向厚度例如为1-5像素，图中示出2个像素。底壳区域311的尺寸需要达到一阈值。例如底壳区域311的面积需要达到阈值S。当然，还可以规定底壳区域311的一个方向的尺寸需要达到另一阈值。岛型区域312是用于支撑底壳区域311的支持部(在本实施例中为四个柱子302)在底壳区域所在层占据的区域。岛型区域312与其对应的支持部连接。每个底壳区域311可由对应的支持部支撑(图中示出4个柱子中的2个)，因而岛型区域312也会有一个或者多个。各个支持部可以位于三维模型300的边缘，也可以位于三维模型300的非边缘。
在识别一个层的底壳区域311和岛型区域312时，可将该层与其前一层比较，该层中未被前一层遮挡的部分为底壳区域，当这一区域的尺寸达到阈值时即为步骤203所要识别的结果。另外，被该底壳区域所侧向包围的区域为岛型区域，意味着该区域与前一层的支持部连接。
在前述的步骤203中，进一步将识别出来的底壳区域分为互补的第一图案和第二图案。
在步骤204中，通过第一次曝光步骤曝光底壳区域的第一图案和各岛型区域，在步骤205中，通过第二次曝光步骤曝光底壳区域的第二图案和岛型区域；也就是说，将底壳区域的曝光进一步分为两个阶段，而岛型区域的曝光仍然为一个阶段。
本发明上述实施例的光固化型三维打印方法通过分区域的曝光，可以大大降低总体发热和收缩情况，减少大面积收缩对物件变形的影响。
从另一角度看，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；用于将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的模块；用于控制图像曝光系统通过第一次曝光步骤曝光该第一图案的模块；以及用于控制图像曝光系统通过第二次曝光步骤曝光该第二图案的模块。
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 (8)
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；
将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案；
通过第一次曝光步骤曝光该第一图案；以及
通过第二次曝光步骤曝光该第二图案；
对将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的步骤包括：
对各层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；
将该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案；
通过该第一次曝光步骤曝光该第一图案，通过该第二次曝光步骤曝光该第二图案；以及
通过该第一次曝光步骤和该第二次曝光步骤曝光各岛型区域。
2.如权利要求1所述的光固化型三维打印方法，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。
3.如权利要求2所述的光固化型三维打印方法，其特征在于，该位移是随机的。
4.如权利要求1所述的光固化型三维打印方法，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。
5.如权利要求4所述的光固化型三维打印方法，其特征在于，每一方格的一维尺寸为2-20个像素。
6.如权利要求1所述的光固化型三维打印方法，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。
7.如权利要求6所述的光固化型三维打印方法，其特征在于，每一方格的一维尺寸为10-50个像素，每一井字形条纹的宽度为2-10个像素。
8.一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；
用于将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的模块；
用于控制图像曝光系统通过第一次曝光步骤曝光该第一图案的模块；以及
用于控制图像曝光系统通过第二次曝光步骤曝光该第二图案的模块；
其中用于将各层数据的至少部分区域分为互补的第一图案和第二图案的模块配置为执行如下步骤：
对各层，识别尺寸达到一阈值的底壳区域和用于支撑该底壳区域的一个或多个支持部在该层的岛型区域；
将该底壳区域分为互补的第一图案和第二图案；
通过该第一次曝光步骤曝光该第一图案，通过该第二次曝光步骤曝光该第二图案；以及
通过该第一次曝光步骤和该第二次曝光步骤曝光各岛型区域。
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