CN108422660A - 一种基于dlp投影光固化三维打印方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DLP投影光固化三维打印方法，具体步骤简述如下：提前构建出物体的三维模型，通过切片直接得出各预打印分层的横截面，并通过相应单元进行处理、分区、标准值判断，降低了数据失真，提高了其打印数据的成型精度，将各预打印区域与不同性能的打印设备进行合理适配，从而确保了物体的成型尺寸精度和精细度，提高了成型效率。另外，还公开了一种与上述基于DLP投影光固化三维打印方法相适配的打印设备。

Description

一种基于DLP投影光固化三维打印方法及设备

技术领域

本发明涉及三维打印快速成型技术领域，特别涉及一种基于DLP投影光固化三维打印方法及设备。

背景技术

在DLP投影光固化系统中，其采用的数字芯片通常为数字微镜元件(DMD)，其尺寸固定，通过成像镜头只能实现固定的成像幅面和特征分辨率，因而会导致尺寸与精度不能兼顾的情况，例如：当采用较小尺寸进行高精度投影时，可以实现几微米的零件尺寸特征，但是这样一来会限制零件的整体成型速度的提升；当采用较大尺寸投影时，可有效地保证零件的成型速度，但零件中的精细特征却严重失真，成像精度得不保证，且能量不能充分利用。现有技术解决上述问题的方法主要包括以下两种：(1)拼接数字芯片阵列，但此种方法价格昂贵，提高了工艺成本，同时无法保证极小的拼接间隙，难以保证成型精度；(2)拼接成像面法，通过对成像面进行划分区域拼接曝光，但效率较低。亟待技术人员解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于DLP投影光固化三维打印方法，其包括以下步骤：

步骤一、建模：通过建模单元建立需要打印物体的三维模型；

步骤二、生产横截面：将上述三维模型导入数字切片单元内，并设定层厚，生产N个Z轴横截面；

步骤三、生成图像：通过图像处理单元将上述横截面生成由轮廓线构成的图像，并进行灰度处理；

步骤四、计算单元：设置有打印区域区分单元，其根据上述图像的灰度分布区分出不同预打印区域；

步骤五、打印数据生成：将各上述预打印区域对应的图像生成打印数据，并将其发送至下位机运动平台及成型平台；

与此同时，借助计算单元计算出各个上述预打印区域的面积值A1、A2、A3......An；

步骤六、打印设备选择：

将上述预打印区域面积值传输至比较判定单元，且预设判定标准值B；

当An≥B时，选定第一打印装置进行打印；当An＜B时，选定第二打印装置进行打印；

第一打印装置为放大成像光路，第二打印装置为缩小成像光路。

作为优选方案，沿光传播路径，第一打印装置依序布置有第一光源、第一数字微镜元件、凹透镜、反射镜；沿光传播路径，第二打印装置依序布置有第二光源、第二数字微镜元件、凸透镜。

作为优选方案，根据所述打印数据，生成运动路径；成型平台设置于树脂槽的正上方，下位机运动平台设置于树脂槽的下方；驱动运动平台作X、Y方向运动，成型平台作Z方向运动；通过驱动运动平台完成物体单层的平面成型，而后，成型平台移动一个层厚的距离，再固化下一层面。

作为优选方案，对树脂槽内的光敏树脂通过电加热装置进行预热，且通过红外测温装置实时监测光敏树脂上表面的温度值。

作为优选方案，电加热装置及红外测温装置均与控制器相连。

通过比较判定单元将各打印区域的面积值与预设判定标准值B进行比较，适配具有不同光路成像系统的两种打印装置。缩小成像光路适用于面积较小预打印区域，具有打印精细度高的特点，而放大成像光路适用于面积较大预打印区域，在满足相应打印精细度的前提下，其具有较高的打印效率，因而，不但满足了物体成型精度和成型尺寸要求，且兼顾了成型效率。

根据本发明的另一个方面，提供了一种与上述基于DLP投影光固化三维打印方法相适配的设备，其包括计算机、树脂槽、下位机运动平台、成型平台、第一打印装置及第二打印装置；

第一打印装置包括放大成像光路，第二打印装置包括缩小成像光路；

上述计算机包括：

建模单元，借助其建立需要打印物体的三维模型；

数字切片单元，对三维模型进行分层、切片，得出N个沿Z轴方向的横截面；

图像处理单元，通过其提取横截面的轮廓线，并对各上述轮廓线构成的预打印区域进行灰度处理；

打印区域区分单元，其根据灰度分布区分出不同的预打印区域；

计算单元，通过其计算出各预打印区域的面积值；

比较判定单元，将预设判定标准值与预打印区域的面积值进行比较。

作为优选方案，第一打印装置包括第一光源、第一数字微镜元件、凹透镜、反射镜，且沿光传播路径依序布置；第二打印装置包括第二光源、第二数字微镜元件、凸透镜，且沿光传播路径依序布置。

作为优选方案，成型平台设置于树脂槽的正上方，下位机运动平台设置于树脂槽的下方；驱动下位机运动平台包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动；成型平台包括一个自由度，为沿Z方向运动。

作为优选方案，该设备还包括：

电加热装置，其设置于树脂槽的内腔侧壁和底壁上，对树脂槽内的光敏树脂进行预热；

红外测温装置，其倾斜于树脂槽布置，其测温点实时对应于光敏树脂的上表面。

作为优选方案，该设备还包括控制器。电加热装置和红外测温装置均与控制器相连。

通过上述方式设置，提前构建出物体的三维模型，通过切片直接得出各预打印分层的横截面，并通过相应单元进行处理、分区、标准值判断，降低了数据失真，提高了其打印数据的成型精度，将各预打印区域与不同性能打印设备进行合理适配，从而确保了物体的成型尺寸精度和精细度，提高了成型效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于DLP投影光固化三维打印方法的实施流程图。

图2为打印设备的结构示意图。

1-计算机；2-树脂槽；3-下位机运动平台；4-成型平台；5-第一打印装置；51-第一光源；52-第一数字微镜元件；53-凹透镜；54-反射镜；6-第二打印装置；61-第二光源；62-第二数字微镜元件；63-凸透镜。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于DLP投影光固化三维打印方法及设备，为了使得本领域的相关技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

参照图1，其示出了本发明的基于DLP投影光固化三维打印方法的实施流程图。首先，利用Proe或Solidworks等建模单元对预生成的物体建立三维模型，建模过程中避免出现尖角或窄缝隙结构。利用数字切片单元将上述三维模型进行模拟分层，各层厚度值须根据打印装置的实际工作能力进行设定，生产多个Z向(即高度方向)横截面。而后，利用图像处理单元将上述横截面生成由轮廓线构成的图像，并进行灰度处理，具体可以利用Opencv提取边缘轮廓线，且设定灰度阈值，当分层扫描图像中相邻像素点的灰度值达到预定灰度阈值时，则确认为边缘轮廓点，从而确定出边缘轮廓线。根据各预打印区域的边缘轮廓线生产相应的打印数据，并通过数据传输方式将其发送至下位机运动平台及成型平台，以分别规划出两者的运动路径。在此需要说明的是，打印数据可以封装成SLC或Gcode格式，便于进行读取。与此同时，借助计算单元计算出各个上述预打印区域的面积值A1、A2、A3......An，并通过比较判定单元将其与预设判定标准值B进行对比，具体如下：当An≥B时，选定第一打印装置进行打印；当An＜B时，选定第二打印装置进行打印，其中，第一打印装置为放大成像光路，第二打印装置为缩小成像光路。缩小成像光路适用于面积较小预打印区域，具有打印精细度高的特点，而放大成像光路适用于面积较大预打印区域，在满足相应打印精细度的前提下，其具有较高的打印效率。这样一来，可以根据预打印区域的具体面积值的大小适配具有不同光路成像系统的两种打印装置。因而，不但满足了物体成型精度和成型尺寸要求，且兼顾了成型效率。

上述第一打印装置包括第一光源、第一数字微镜元件、凹透镜及反射镜，沿光传播路径依序布置；第二打印装置包括第二光源、第二数字微镜元件及凸透镜，沿光传播路径依序布置。

再者，对成型平台与下位机运动平台的具体布置方式作了优化，具体为：成型平台设置于树脂槽的正上方，下位机运动平台设置于树脂槽的下方；在伺服电机的驱动下位机运动平台作X、Y方向运动，成型平台作Z方向运动。通过驱动下位机运动平台完成物体单层的平面成型，而后，成型平台移动一个层厚的距离，再固化下一层面。

再者，在正式打印前还可以借助电加热装置对树脂槽内的光敏树脂进行预热，且通过红外测温装置实时监测光敏树脂上表面的温度值。当预热温度值达到标准值时，即开启打印装置，节省了打印时间，提高了成品效率。上述电加热装置优选远红外加热装置，均布于树脂槽的四周，借助其远红外特征对光敏树脂进行均匀加热。

另外，电加热装置及红外测温装置均与控制器相连。根据各不同种类的光敏树脂的加工特性在控制器内设置标准温度值，并在打印过程中实时对电加热装置的功率进行调整，从而使得光敏树脂稳定在一定范围内。

本发明公开了一种与上述PLP投影光固化三维打印方法相适配的打印设备，如图2中所示，该设备包括计算机1、树脂槽2、下位机运动平台3、成型平台4、第一打印装置5及第二打印装置6。所述计算机1由与上述处理过程相适配的建模单元、数字切片单元、图像处理单元、打印区域区分单元、计算单元及比较判定单元等几部分构成，且第一打印装置5为放大成像光路，第二打印装置6为缩小成像光路。

作为该设备的进一步优化，上述成型平台设置4于树脂槽2的正上方，下位机运动平台3设置于树脂槽2的下方。下位机运动平台3包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动；成型平台4包括一个自由度，为沿Z方向运动。

为了提高图纸投影质量，减小图纸失真的可能性，第一打印装置5包括第一光源51、第一数字微镜元件52、凹透镜53、反射镜54，且沿光传播路径依序布置；第二打印装置6包括第二光源61、第二数字微镜元件62、凸透镜63，且沿光传播路径依序布置。另外，上述各功能部件相互独立安装，便于进行拆、换，从而可以方便地进行结构调整。

最后，该设备还设置有温度控制系统，其包括电加热装置及红外测温装置，其中，电加热装置设置于树脂槽1的内腔侧壁和底壁上，对树脂槽1内的光敏树脂进行预热；红外测温装置的测温点实时对应于光敏树脂的上表面，其倾斜于树脂槽1布置。更进一步，电加热装置和红外测温装置均与控制器相连。

在此需要说明一点，上述控制器优选PLC控制器，其具有相应速度快，易于进行人工编程控制。另外，控制器上设置有显示屏，可实时地显示光敏树脂的温度以及电加热装置的功率，另外，还设置有停止按钮，当意外情况发生时，可及时地进行人工干预。

Claims (10)

1.一种基于DLP投影光固化三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建模：通过建模单元建立需要打印物体的三维模型；

步骤二、生产横截面：将所述三维模型导入数字切片单元内，并设定层厚，生产N个Z轴横截面；

步骤三、生成图像：通过图像处理单元将所述横截面生成由轮廓线构成的图像，并进行灰度处理；

步骤四、计算单元：设置有打印区域区分单元，其根据所述图像的灰度分布区分出不同预打印区域；

步骤五、打印数据生成：将所述预打印区域对应的图像生成打印数据，并将其发送至下位机运动平台及成型平台；

与此同时，借助计算单元计算出各个所述预打印区域的面积值A1、A2、A3......An；

步骤六、打印设备选择：

将所述预打印区域面积值传输至比较判定单元，且预设判定标准值B；

当An≥B时，选定第一打印装置；当An＜B时，选定第二打印装置；

所述第一打印装置为放大成像光路；所述第二打印装置为缩小成像光路。

2.根据权利要求1所述的基于DLP投影光固化三维打印方法，其特征在于，沿光传播路径，所述第一打印装置依序布置有第一光源、第一数字微镜元件、凹透镜、反射镜；沿光传播路径，所述第二打印装置依序布置有第二光源、第二数字微镜元件、凸透镜。

3.根据权利要求1所述的基于DLP投影光固化三维打印方法，其特征在于，根据所述打印数据，生成运动路径；所述成型平台设置于所述树脂槽的正上方，所述下位机运动平台设置于所述树脂槽的下方；所述驱动运动平台作X、Y方向运动，所述成型平台作Z方向运动；通过所述驱动运动平台完成物体单层的平面成型，而后，所述成型平台移动一个层厚的距离，再固化下一层面。

4.根据权利要求1所述的基于DLP投影光固化三维打印方法，对所述树脂槽内的光敏树脂通过电加热装置进行预热，且通过红外测温装置实时监测所述光敏树脂上表面的温度值。

5.根据权利要求4所述的基于DLP投影光固化三维打印方法，所述电加热装置及所述红外测温装置均与控制器相连。

6.一种利用权利要求1中所述方法进行打印的设备，其包括计算机、树脂槽、下位机运动平台、成型平台、第一打印装置及第二打印装置，其特征在于，

所述第一打印装置包括放大成像光路，所述第二打印装置包括缩小成像光路；

所述计算机包括：

建模单元，借助其建立需要打印物体的三维模型；

数字切片单元，对所述三维模型进行分层、切片，得出N个沿Z轴方向的横截面；

图像处理单元，通过其提取所述横截面的轮廓线，并对各所述轮廓线构成的预打印区域进行灰度处理；

打印区域区分单元，其根据上述灰度分布区分出不同的预打印区域；

计算单元，通过其计算出各所述预打印区域的面积值；

比较判定单元，将预设判定标准值与所述预打印区域的面积值进行比较。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一打印装置包括第一光源、第一数字微镜元件、凹透镜、反射镜，且沿光传播路径依序布置；所述第二打印装置包括第二光源、第二数字微镜元件、凸透镜，且沿光传播路径依序布置。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述成型平台设置于所述树脂槽的正上方，所述下位机运动平台设置于所述树脂槽的下方；所述驱动运动平台包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动；所述成型平台包括一个自由度，为沿Z方向运动。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：

电加热装置，其设置于所述树脂槽的内腔侧壁和底壁上，对所述树脂槽内的光敏树脂进行预热；

红外测温装置，其倾斜于所述树脂槽布置，其测温点实时对应于所述光敏树脂的上表面。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，还包括控制器；所述电加热装置和所述红外测温装置均与所述控制器相连。