CN107932910A - 基于双路入射光的投影式光固化成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置。两路不同波段的光源入射到可调式平面反光镜上，经可调式平面反光镜反射到DMD芯片，经DMD芯片调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜照射到光敏材料上；可调式平面反光镜绕垂直于光路所在平面的旋转轴在两个不同角度位置之间旋转切换，两个不同角度位置分别对应于两路光源。本发明可实现双路入射光源的输入，引发两种固化波段不重叠的光敏材料的成形，实现多材料打印，解决了投影固化成形技术多材料同步打印的问题，具有光路路径短、光路均匀度较高、可实现连续固化制造等特点。

Description

基于双路入射光的投影式光固化成形装置

技术领域

本发明涉及了一种投影式光固化成形装置，尤其是涉及了一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置。

技术背景

快速成形是基于材料累加方法的制造技术。它通过逐层扫描获得构件的分层数据，不管零件形状多么复杂，无需刀具和繁琐的工艺就可直接快速制造出三维实体。快速原型所具有的快速性、准确性及制造复杂实体的能力，使实现个体匹配制造成为可能，在建筑、珠宝、电子、医学等领域有着广泛的应用前景。目前，快速成形有以下几种制造技术：立体光固化(SLA)，叠层实体制造(LOM)，熔融沉积成形(FDM)、选择性激光烧结(SLS)。其中，光固化成形分两种，一种由激光光斑或紫外光逐点、逐线填充扫描光固化材料，形成固化层，并逐层叠加，制造出三维模型。另一种基于面曝光的固化方式，将需要固化的片层数据图形，采用可见光或紫外光，将片层数据图形投影在光敏液体材料上形成区域固化，一次曝光固化一个层面的实体。固化过程中,采取各种工艺措施控制层面实体的变形,逐层累加形成整个实体。

其中，DLP型面曝光打印机利用光学投影的实现光固化平台，其工作原理可描述为，首先采用计算机软件将三维数字模型进行分层处理，然后将分层后的二维位图导入DLP的控制器中，DMD上会呈现出与二维位图各个像素点对应的棱镜排布，此时将一束光照射到DMD上，其反射光的区域与二维位图图像信息对应。当入射光经由DMD芯片的微棱镜阵列反射后，反射光束投影到光敏预聚物上，对应图案区域发生固化。因此通过输入三维模型分层后的各切片面的图案信息，可促使DMD中微棱镜阵列的翻转并呈现与切片面相对应的图案信息，实现不同形状的面区域性固化，在垂直面与入射光方向同向轴线性运动的协同下，可以实现多层叠加，从而完成面曝光式的三维打印。不同于传统三维成形喷墨式和挤出式的逐点式、逐线式的打印方法，DLP型打印方法可以通过投影将在同一平面上光投影部分的同时固化，加快了制造的进度。

目前，基于面曝光的DLP型光固化成形装置为实现多材料成形需通过装有光敏材料的液槽中原有的光敏材料完全清理后增添新的光敏材料的方式，或更换液槽的方式来实现。材料浪费较大且操作不便，无法实现多种材料同时且连续的打印。

发明内容

为了解决投影固化设备无法实现多种光敏材料连续打印的问题，本发明的目的在于提供一种双路入射光投影固化成形装置及其制造方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括第一入射光源、第一光路准直汇聚模块、第二入射光源、第二光路准直汇聚模块、可调式平面反光镜、可调式平面反光镜固定环、DMD芯片(数字微棱镜DigitalMicromirror Device)和成像透镜；成像透镜布置在可调式平面反光镜的一侧方且位于同一水平面，DMD芯片布置在成像透镜上方，由第一光路准直汇聚模块和第二光路准直汇聚模块组成的第二入射光组件以及由第一入射光源和第一光路准直汇聚模块组成的第一入射光组件布置在可调式平面反光镜的另一侧方及其上方。

所述的第一入射光源和第二入射光源各发出一路光源，分别经第一光路准直汇聚模块、第二光路准直汇聚模块后入射到可调式平面反光镜上，经可调式平面反光镜反射到DMD芯片，经DMD芯片调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜照射到光敏材料上；第一入射光源和第二入射光源的光源经可调式平面反光镜反射后均沿着相同的光路投射到DMD芯片上。

所述的可调式平面反光镜安装在可调式平面反光镜固定环中，可调式平面反光镜绕垂直于光路所在平面的旋转轴在两个不同角度位置之间旋转切换，两个不同角度位置分别对应于第一入射光组件和第二入射光组件的入射光路。

所述的DMD芯片内部的微棱镜加载有用于投影的含有预设图案的动态掩模图案信息，经由DMD芯片反射后产生含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束，接着光束通过成像透镜后将含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束投影照射到液态光敏材料上，使光敏材料按动态掩模图案信息中预设图案固化。

所述的第一光路准直汇聚模块和第二光路准直汇聚模块结构相同，均包含沿光轴前进方向依次布置的一个匀光棒以及由两个透镜构成的一组透镜组。

本发明工作中由光源发出的光依次通过光路准直汇聚模块后，经过平面反光镜反射到DMD芯片上，DMD芯片产生的动态掩模图案反射后，通过聚焦透镜可将图案的光信息投影到装有固化材料的液槽中，实现投影固化。

本发明通过可调式反光镜的角度调节，实现两路不同入射角光源的非同步输入。由于引发剂材料在裂解为自由基和游基时吸收的光波段不同，引发光敏材料固化的波段特定且有差异，因此不同波段的光源可引发不同材料的固化。

不同引发剂吸收的光谱波段不同，因此引发剂裂解后产生的自由基与光敏材料聚合交联的波段不同。因此不同波段的光源可使不同引发剂裂解，从而使不同光敏材料聚合成形。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可实现双路不同波段光源的入射，引发不同的光敏材料的固化，实现多材料打印。本发明解决了投影固化成形技术多材料同步打印的问题，具有光路路径短、光路均匀度较高、可实现连续固化制造等特点。

附图说明

图1是本发明的光学系统图。

图2是本发明的平面反光镜角度可调装置示意图。

图3是本发明的具体实施例双材料太极图案固化成形示意图。

图4是本发明的具体实施例双材料太极图案固化成形动态掩模图案示意图。

图5是本发明的具体实施例双材料三维多层网络结构固化成形示意图。

图6是本发明的具体实施例双材料三维多层网络结构固化成形动态掩模图案示意图。

图中：1.第一入射光源，2.第一光路准直汇聚模块，3.第二入射光源，4.第二光路准直汇聚模块，5.可调式平面反光镜，6.DMD芯片，7.成像透镜，8.可调式平面反光镜固定环，9.第一光敏材料，10第二光敏材料，11.第三光敏材料，12.第四光敏材料，①入射光路，②入射光路，③出射光路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施沿着光路路径依次为双路入射光源1和3、光路准直汇聚模块2和4、可调式平面反光镜5、DMD芯片6和成像透镜7，包括第一入射光源1、第一光路准直汇聚模块2、第二入射光源3、第二光路准直汇聚模块4、可调式平面反光镜5、DMD芯片6和成像透镜7；成像透镜7布置在可调式平面反光镜5的一侧方且位于同一水平面，DMD芯片6布置在成像透镜7上方，由第一光路准直汇聚模块2和第二光路准直汇聚模块4组成的第二入射光组件以及由第一入射光源1和第一光路准直汇聚模块2组成的第一入射光组件布置在可调式平面反光镜5的另一侧方及其上方。

第一入射光源1和第二入射光源3各发出一路光源，分别经第一光路准直汇聚模块2、第二光路准直汇聚模块4后入射到可调式平面反光镜5上，经可调式平面反光镜5反射到DMD芯片6，经DMD芯片6调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜7照射到光敏材料上；第一入射光源1和第二入射光源3的光源经可调式平面反光镜5反射后均沿着相同的光路投射到DMD芯片6上。

第一入射光源1和第二入射光源3发出的光源光波段不同，具体实施中，第一入射光源1可出射峰值约365nm的紫外光，第二入射光源3可出射峰值约405nm的紫外光。

第一光路准直汇聚模块2和第二光路准直汇聚模块4结构相同，均包含沿光轴前进方向依次布置的一个匀光棒以及由两个透镜构成的一组透镜组，第一入射光源1和第二入射光源3分别经由第一光路准直汇聚模块2和第二光路准直汇聚模块4后光照强度更均匀、光路更加平行、投影面积可完全覆盖DMD芯片6的工作范围。

DMD芯片6内部的微棱镜加载有用于投影的含有预设图案的动态掩模图案信息，经由DMD芯片6反射后产生含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束，接着光束通过成像透镜7后将含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束投影照射到液态光敏材料上，使光敏材料按动态掩模图案信息中预设图案固化。

如图2所示，可调式平面反光镜5安装在可调式平面反光镜固定环6中，可调式平面反光镜固定环6通过螺纹锁紧并固定可调式平面反光镜5。可调式平面反光镜5绕垂直于光路所在平面的旋转轴在两个不同角度位置5a和5b之间旋转换，两个不同角度位置5a和5b分别对应于第一入射光组件和第二入射光组件的入射光路。

第一入射光组件和第二入射光组件分别入射到可调式平面反光镜5上，且第一入射光组件和第二入射光组件入射光与可调式平面反光镜5的交点重合。旋转轴与第一入射光组件和第二入射光组件入射到可调式平面反光镜5的光束均相垂直，并且经过重合的交点处。

不同引发剂吸收的光谱波段不同，因此引发剂裂解后产生的自由基与光敏材料聚合交联的波段不同。因此不同波段的光源可使不同引发剂裂解，从而使不同光敏材料聚合成形。

具体实施中，平面反光镜角度沿旋转轴在与水平方向呈0°～33°角度内翻转，平面反射镜5可调节至角度位置5a或5b以实现双路不同波段的光源的不同步入射和出射，光路路径如图1中①、②、③所示。

当平面反射镜处于位置5a时，第一入射光源1的入射光①可经由第一光路准直汇聚模块22到达可调式平面反射镜5，反射后经由光路③到达DMD芯片6，由于DMD芯片6与电脑相连，电脑将动态掩模图案信息经过DLP控制板传输到DMD芯片6，通过DMD芯片6中的微棱镜翻转来显示动态掩模图案信息，经由DMD芯片6内部的微棱镜反射后产生含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束，接着光束通过成像透镜7后将含光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束投影到液态光敏材料上，使特定的光敏材料按动态掩模图案信息中预设图案固化。

当反射镜调节处于位置5b时，第二入射光源2的入射光②可经由第二光路准直汇聚模块4到达可调式平面反射镜5，反射后经由光路③到达DMD芯片6，由于DMD芯片6与电脑相连，电脑将动态掩模图案信息经过DLP控制板传输到DMD芯片6，通过DMD芯片6中的微棱镜翻转来显示动态掩模图案信息，经由DMD芯片6内部的微棱镜反射后产生含有特定光源波段信息和图案信息相结合的光束，接着光束通过成像透镜7后将含光源波段信息和图案信息相结合的光束投影到液态光敏材料上，使特定的光敏材料按特定图案固化。

反光镜分别调整并固定在与水平方向夹角呈0°的5a处，入射光①与平面反射镜处于5a处入射角为24°。反光镜分别调整并固定在与水平方向夹角呈33°的5b处，入射光②与平面反射镜处于5b入射角为57°。第一入射光源1的入射光①和第二入射光源2的入射光②经可调节平面反射镜5反光后均沿着相同的光路③投射到DMD芯片6上。

在DMD芯片6工作时与电脑相连，电脑传输与DMD芯片6相同分辨率的位图，经由DLP控制板后实现各像素点对应的微棱镜的翻转。DMD芯片6平面与入射光夹角呈24°。DMD芯片6上每个微棱镜有两种工作状态，当像素点为白色时，对应的微棱镜翻转使得光束垂直DMD芯片6出射；当像素点为黑色时，对应的微棱镜翻转使得光束反射到外侧。经由可调节平面反射镜5反射后到达DMD芯片6的光，再经由DMD芯片6内的微棱镜反射后，产生含有特定光源波段信息和图案信息的光束。

本发明的实施例如下：

实施例1

本实施例中的DLP器件型号为TI公司的DLP9500UV，单个微棱镜边长为10.8μm，分辨率为1920×1080，投影面积为0.9英寸，适用光波段为363～420nm。选用波段365nm和405nm的入射光，材料为聚乙二醇二丙烯酸酯和环氧树脂，其对应使用的引发剂的吸收光谱波段分别对应为～365nm和～405nm，采用～365nm波段的光束照射聚乙二醇二丙烯酸酯，采用～405nm波段的光束照射以环氧树脂，由此可以实现多材料的连续打印。

光引发剂分别为Iragrace819和TPO-L。要求选用的平面反光镜直径为30mm，在363～420nm范围内反射率大于95％。选用的光路准直汇聚模块的匀光棒和透镜组适用于363nm～420nm，直径为25.4mm，该波段紫外光透过率大于90％。选用的成像透镜直径为30mm，透镜紫外光通过率大于95％。

如图1所示，由于DMD芯片内单块微棱镜的翻转角度是12°，TI公司推荐入射光与DMD芯片的法线方向成24°角入射，在与DMD芯片表面沿对角线45°角入射。经过反光后的光线均满足上述要求，这时的投影图像具有最高的对比度和亮度，光能利用率最高。DMD芯片上的动态掩膜图案信息经过成像透镜7后投影到光敏材料液槽中。

为实现图3所示的双材料太极图案固化成形，采用的动态掩模图案如图4所示。第一步，将可调式平面反光镜5调整至5a处，打开第一入射光源1。第一入射光源1波段为365nm，对应固化的材料为第一光敏材料9，即聚乙二醇二丙烯酸酯。第一入射光源1发出一路光，经第一光路准直汇聚模块2后入射到可调式平面反光镜5上，经处于5a状态的可调式平面反光镜5反射到DMD芯片6。DMD芯片6与电脑相连，电脑传输与DMD芯片6相同分辨率的位图如图4(a)所示，DMD芯片6平面与入射光夹角呈24°。将图4(a)所示的与DMD芯片同分辨率位图输入到电脑中，通过DLP控制板实现各像素点对应的微棱镜的翻转。像素点白色部分对应的微棱镜翻转使得光束垂直DMD芯片6出射；像素点黑色部分对应的微棱镜翻转使得光束反射到外侧。最终从DMD芯片6出射的光束为图4(a)对应白色区域的带有预设图案信息的365nm波段紫外光。经DMD芯片6调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜7照射到光敏材料上，使聚乙二醇二丙烯酸酯材料在光引发剂作用下区域性固化。

第二步，将可调式平面反光镜5调整至5b处，打开第二入射光源3，不调节其他组件位置。第二入射光源3波段为405nm的紫外光，对应固化的材料为第二光敏材料10，即环氧树脂。第二入射光源3发出一路光，经第二光路准直汇聚模块4后入射到可调式平面反光镜5上，经处于5b状态可调式平面反光镜5反射到DMD芯片6。DMD芯片6与电脑相连，电脑传输与DMD芯片6相同分辨率的位图如图4(b)所示，DMD芯片6平面与入射光夹角呈24°。将图4(b)所示的与DMD芯片同分辨率位图输入到电脑中，通过DLP控制板实现各像素点对应的微棱镜的翻转。像素点白色部分对应的微棱镜翻转使得光束垂直DMD芯片6出射；像素点黑色部分对应的微棱镜翻转使得光束反射到外侧。最终从DMD芯片6出射的光束为图4(b)对应白色区域的带有预设图案信息的405nm波段紫外光。经DMD芯片6调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜7照射到光敏材料上，使环氧树脂材料在光引发剂作用下区域性固化。

由此，可以不换液地实现双材料太极图案固化成形。

实施例2

本实施例中的DLP器件型号为TI公司的DLP9500UV，单个微棱镜边长为10.8μm，分辨率为1920×1080，投影面积为0.9英寸，适用光波段为363～420nm。选用波段365nm和405nm的入射光，材料为聚乙二醇二丙烯酸酯和环氧树脂，其对应使用的引发剂的吸收光谱波段分别对应为～365nm和～405nm，采用～365nm波段的光束照射聚乙二醇二丙烯酸酯，采用～405nm波段的光束照射以环氧树脂，由此可以实现多材料的连续打印。

光引发剂分别为Iragrace819和TPO-L。要求选用的平面反光镜直径为30mm，在363～420nm范围内反射率大于95％。选用的光路准直汇聚模块的匀光棒和透镜组适用于363nm～420nm，直径为25.4mm，该波段紫外光透过率大于90％。选用的成像透镜直径为30mm，透镜紫外光通过率大于95％。

如图1所示，由于DMD芯片内单块微棱镜的翻转角度是12°，TI公司推荐入射光与DMD芯片的法线方向成24°角入射，在与DMD芯片表面沿对角线45°角入射。经过反光后的光线均满足上述要求，这时的投影图像具有最高的对比度和亮度，光能利用率最高。DMD芯片上的动态掩膜图案信息经过成像透镜7后投影到光敏材料液槽中。

为实现图5所示的双材料三维多层网络结构固化成形，采用的动态掩模图案为图6所示的十字网格图案。第一步，先将可调式平面反光镜5调整至5a处，打开第一入射光源1。第一入射光源1波段为365nm，对应固化的材料为第三光敏材料11聚乙二醇二丙烯酸酯。第一入射光源1发出一路光，经第一光路准直汇聚模块2后入射到可调式平面反光镜5上，经处于5a状态的可调式平面反光镜5反射到DMD芯片6。DMD芯片6与电脑相连，电脑传输与DMD芯片6相同分辨率的位图，DMD芯片6平面与入射光夹角呈24°。将图4(a)所示的与DMD芯片同分辨率位图输入到电脑中，通过DLP控制板实现各像素点对应的微棱镜的翻转。像素点白色部分对应的微棱镜翻转使得光束垂直DMD芯片6出射；像素点黑色部分对应的微棱镜翻转使得光束反射到外侧。最终从DMD芯片6出射的光束为带有图6对应白色区域的十字网格图案信息的365nm波段紫外光。经DMD芯片6调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜7照射到光敏材料上，使聚乙二醇二丙烯酸酯材料在光引发剂作用下区域性固化，固化得到的固体厚度为σ。

第二步，将可调式平面反光镜5调整至5b处，打开第二入射光源3，将光敏树脂液槽向水平面上沿x、y正方向各平移十字网格边长的1/2，将液槽向光路垂直出射方向正方向移动σ的距离。第二入射光源3波段为405nm的紫外光，对应固化的材料为第二光敏材料10环氧树脂。第二入射光源3发出一路光，经第二光路准直汇聚模块4后入射到可调式平面反光镜5上，经处于5b状态可调式平面反光镜5反射到DMD芯片6。DMD芯片6与电脑相连，电脑传输与DMD芯片6相同分辨率的位图如图4(b)所示，DMD芯片6平面与入射光夹角呈24°。将图6所示的与DMD芯片同分辨率位图输入到电脑中，通过DLP控制板实现各像素点对应的微棱镜的翻转。像素点白色部分对应的微棱镜翻转使得光束垂直DMD芯片6出射；像素点黑色部分对应的微棱镜翻转使得光束反射到外侧。最终从DMD芯片6出射的光束为带有图6对应白色区域的的十字网格图案信息的405nm波段紫外光。经DMD芯片6调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜7照射到光敏材料上，使环氧树脂材料在光引发剂作用下区域性固化，固化得到的固体厚度为σ。

第三步，将可调式平面反光镜5调整至5a处，将光敏树脂液槽向水平面上沿x、y负方向各平移十字网格边长的1/2，即移动至第一步在水平面上的投影位置，将液槽向光路垂直出射方向正方向移动σ的距离。重复第一步的工作，使得使聚乙二醇二丙烯酸酯材料在光引发剂作用下区域性固化，固化得到的固体厚度为σ。

第四步，将可调式平面反光镜5调整至5b处，重复第二步工作。

由此，可以不换液地实现双材料三维多层网络结构固化成形。

Claims (8)

1.一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：包括第一入射光源(1)、第一光路准直汇聚模块(2)、第二入射光源(3)、第二光路准直汇聚模块(4)、可调式平面反光镜(5)、DMD芯片(6)和成像透镜(7)；成像透镜(7)布置在可调式平面反光镜(5)的一侧方且位于同一水平面，DMD芯片(6)布置在成像透镜(7)上方，由第一光路准直汇聚模块(2)和第二光路准直汇聚模块(4)组成的第二入射光组件以及由第一入射光源(1)和第一光路准直汇聚模块(2)组成的第一入射光组件布置在可调式平面反光镜(5)的另一侧方及其上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的第一入射光源(1)和第二入射光源(3)各发出一路光源，分别经第一光路准直汇聚模块(2)、第二光路准直汇聚模块(4)后入射到可调式平面反光镜(5)上，经可调式平面反光镜(5)反射到DMD芯片(6)，经DMD芯片(6)调制输出带有光源波段信息和图案信息的光束后经成像透镜(7)照射到光敏材料上；第一入射光源(1)和第二入射光源(3)的光源经可调式平面反光镜(5)反射后均沿着相同的光路投射到DMD芯片(6)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的可调式平面反光镜(5)安装在可调式平面反光镜固定环(8)中。

4.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的可调式平面反光镜(5)绕垂直于光路所在平面的旋转轴在两个不同角度位置之间旋转切换，两个不同角度位置分别对应于第一入射光组件和第二入射光组件的入射光路。

5.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的DMD芯片(6)内部的微棱镜加载有用于投影的含有预设图案的动态掩模图案信息，经由DMD芯片(6)反射后产生含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束，接着光束通过成像透镜(7)后将含有光源波段信息和动态掩模图案信息相结合的光束投影照射到液态光敏材料上，使光敏材料按动态掩模图案信息中预设图案固化。

6.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的第一光路准直汇聚模块(2)和第二光路准直汇聚模块(4)结构相同。

7.根据权利要求1所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的第一光路准直汇聚模块(2)和第二光路准直汇聚模块(4)包含沿光轴前进方向依次布置的一个匀光棒以及由两个透镜构成的一组透镜组。

8.根据权利要求5所述的一种基于双路入射光的投影式光固化成形装置，其特征在于：所述的光敏材料为聚乙二醇二丙烯酸酯或者环氧树脂。