CN108501363A - 一种基于全息投影的3d打印方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息投影的3D打印方法及打印系统；所述打印方法包括：预先制作具有待打印物体全息图的全息干板；相干光源发出的相干光沿着预设的全息投影成像光路经过全息干板，并在预设的投影空间中形成与所述待打印物体对应的三维立体实像；所述三维立体实像使预设在投影空间中的光敏材料一次性聚合固化，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。本发明通过在投影空间设置与三维立体实像的光强分布相匹配的光敏材料，实现一次性全方位立体式聚合，由此能够实现复杂结构样件成形过程的一次性完成，且无需经过点‑线‑面‑体逐步连续累积成形过程，大大缩短了成形时间，提高了工作效率和成型精度。

Description

一种基于全息投影的3D打印方法及系统

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于全息投影的3D打印方法及系统。

背景技术

3D打印是增材制造的俗称，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合，与传统上对原材料进行机加工切削的减材料制造法正相反。

现在市面上已经有不同方法的3D打印技术，常见的有：FDM（熔融沉积式）、SLA（光固化）、SLS（选择性激光烧结）、DLP(数字光处理）等，他们普遍采用的成形过程还只是逐步连续累积打印的方式，即需要对打印样件数据进行分层，然后从点开始打印，到线，再到面，最后层层叠加到三维实体（DLP是直接从面到体的打印过程）。这样就会导致打印的工作时间较长，严重影响了打印效率。而且在不添加支撑的前提下，若待打印的样件具有悬空或者多孔结构时，上述打印技术就很难完成任务。

虽然现有也有号称“一次性体积成型”的全息光刻3D技术，有效提高了打印效率。但是并没有实现真正意义上的投射全息实像进行一次性3D打印，且只能成型非常简单的对称结构件，无法成型具有复杂结构的非对称件，成型效果和精度较差，使得其应用也受到了很大的局限。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于全息投影的3D打印方法及系统，旨在解决现有技术中传统增材制造逐步累积打印的方式带来的加工效率低、加工时间长等缺点，同时克服了现有一次性3D成型技术不能制作复杂结构、成型效果和精度差的不足。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于全息投影的3D打印方法，其中，所述方法：

步骤A、预先制作具有待打印物体全息图的全息干板；

步骤B、相干光源发出的相干光沿着预设的全息投影成像光路经过全息干板，并在预设的投影空间中形成与所述待打印物体对应的三维立体实像；

步骤C、所述三维立体实像使预设在投影空间中的光敏材料一次性聚合固化，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述步骤C之后还包括：

步骤D、将固化后的三维结构物体取出，并移出表面未固化的多余光敏材料。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述步骤A中的全息图具体生成方法包括：利用计算机生成或者借助待打印物体和参考光通过在记录介质中发生干涉作用来生成。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述步骤B中的全息投影成像光路包括：按照预设的空间位置进行设置的相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述投影空间为透明容器或者自由空间。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述步骤B具体包括：

预先在投影空间的前、后、左、右、上、下方位上各设置一个全息干板；

相干光源发出的相干光，沿着全息投影光路系统发射，并经过所述全息干板，使各个全息干板上的全息图在所述投影空间中形成不同视角的三维投影；

将不同视角的三维投影，形成三维立体实像。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印方法，其中，所述步骤C具体包括：

预先将三维立体实像的光强分布与投影空间中的光敏材料的聚合阈值相匹配；

当所述三维立体实像形成时，投影空间中的光敏材料在投影光的作用下一次性全方位立体式聚合，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

一种基于全息投影的3D打印系统，其中，所述系统包括：相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间；所述相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间依次设置；

所述相干光源用于生成相干光；

所述波前再现光路系统用于将相干光引导至全息干板；

所述全息干板用于记录待打印物体在多个视角下的外部特征的光学信息；

所述投影空间用于生成三维立体实像并完成一次性3D成型，生成三维结构物体。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印系统，其中，所述投影空间中设置有用于在投影光的作用下发生一次性全方位立体式聚合，生成三维结构物体的光敏材料。

优选地，所述的基于全息投影的3D打印系统，其中，所述波前再现光路系统包括用于对所述相干光进行扩束处理的扩束元件、用于将经扩束的相干光进行分光处理的分光元件以及用于将相干光引导至所述全息干板处的光学传输元件。

本发明的有益效果：本发明通过在投影空间设置与三维立体实像的光强分布相匹配的光敏材料，实现一次性全方位立体式聚合，由此能够实现复杂结构样件成形过程的一次性完成，且无需经过点-线-面-体逐步连续累积成形过程，大大缩短了成形时间，提高了工作效率和成型精度。

附图说明

图1是本发明的基于全息投影的3D打印方法的较佳实施例的流程图。

图2是本发明的基于全息投影的3D打印系统的工作示意图。

图3是本发明的基于全息投影的3D打印系统中的扩束元件工作的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

3D打印技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，3D打印技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

3D打印技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，3D打印技术的市场应用不断提高，是推动这项技术发展的重点。目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将会不断拓展。但是传统的3D打印技术基本都是采用逐步累积打印的方式，加工效率低、加工时间长。且现有的一些3D答应技术虽然摆脱了点-线-面-体的逐步连续打印方式，但是无法成型结构复杂的样件，应用受到局限。为了解决上述问题，本发明提供一种基于全息投影的3D打印方法，如图1所示，图1是本发明的基于全息投影的3D打印方法的较佳实施例的流程图。所述基于全息投影的3D打印方法包括以下步骤：

步骤S100、预先制作具有待打印物体全息图的全息干板。

具体地，本发明中的全息干板用来记录待打印物体在多个视角下的外部特征的光学信息。且本发明中的全息图的具体生成方法包括：利用计算机生成或者借助待打印物体和参考光通过在记录介质中发生干涉作用来生成。

进一步地，步骤S200、相干光源发出的相干光沿着预设的全息投影成像光路经过全息干板，并在预设的投影空间中形成与所述待打印物体对应的三维立体实像。

较佳地，所述步骤S200具体包括：

预先在投影空间的前、后、左、右、上、下方位上各设置一个全息干板；

相干光源发出的相干光，沿着全息投影光路系统发射，并经过所述全息干板，使各个全息干板上的全息图在所述投影空间中形成不同视角的三维投影；

将不同视角的三维投影，形成三维立体实像。

具体实施时，如图2所示，图2是本发明的基于全息投影的3D打印系统的工作示意图。本发明首先将相干光源5、波前再现光路系统、全息干板2以及投影空间3按照预设的位置进行设置，形成全息投影成像光路，以便能够在投影空间中形成全息投影。在本发明中，所述全息投影成像光路可以设置在气浮平台上。

优选地，本发明中的相干光源5可以为激光器，所述投影空间3可以为透明容器或者自由空间。在进行3D打印过程中，本发明借助全息投影成像光路让相干光经过全息干板2，并在投影空间3中形成三维空间上的立体投影。较佳地，在本发明中，可以借助多个全息干板2在投影空间3中形成多个立体投影，并且使该多个立体投影在某一空间位置叠加，从而形成三维立体实像。如图2中所示的，在投影空间的前、后、左、右、上、下六个方位上各设置全息干板2。当然，由于全息干板2设置有多个，对应的相干光源5也应设置有多个。当相干光源5发出的相干光，沿着全息投影光路系统发射，并经过各个全息干板2，就可在投影空间3中形成六个三维投影，这些全息干板2在投影空间3内形成相应的三维投影，这些三维投影呈现待打印物体在不同视角下的三维实像，通过这些不同视角下的三维实像的叠加，可以在投影空间中尽可能完整地表达出待打印的三维物体的外部特征，从而在投影空间中获得真实的三维立体实像。

进一步地，步骤S300、所述三维立体实像使预设在投影空间中的光敏材料一次性聚合固化，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

较佳地，所述步骤S300具体包括：

预先将三维立体实像的光强分布与投影空间中的光敏材料的聚合阈值相匹配；

当所述三维立体实像形成时，投影空间中的光敏材料在投影光的作用下一次性全方位立体式聚合，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

具体实施时，本发明所要解决的是现有技术中的3D打印技术打印效率低的问题，摆脱点-线-面的成型方式，实现真正意义上的一次性成型。因此，本发明预先在投影空间3中设置光敏材料，利用光敏材料在投影光的作用下发生一次性聚合固化，从而实现一次性打印。较佳地，由于在全息投影成像光路上的光强分布不足以引发光敏材料的聚合，因此本发明将三维立体实像的光强分布与投影空间中的光敏材料的聚合阈值相匹配。当三维立体成像形成时，投影空间中3的光敏材料在投影光的作用下一次性全方位立体式聚合，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体，从而实现一次性成型，相较于现有技术，本发明有效缩短了打印时间，提高了打印效率，且通过本发明的打印方法也可以对于成型复杂的样件进行打印，应用广泛。优选地，本发明中的光敏材料可以容纳于透明容器或者依靠悬浮机制无需支撑而悬于投影空间中，且光敏材料可以是光敏树脂。

进一步地，在进行聚合固化之后，本发明还将固化后的三维结构物体取出，并移出表面未固化的多余光敏材料。

经过本发明的3D打印方法，能够实现复杂结构样件成形过程的一次性完成，无需经过点-线-面-体逐步连续累积成形过程，实现真正的一次性立体3D打印。同时，可以在一次性成形悬空或者具有复杂结构多孔样件的时候无需添加支撑。由于成形过程可以一次完成，不仅大大缩短了成形时间，提高了工作效率，也避免了传统分层和打印运动引起的精度误差。此外，由于是利用叠加形成的三维立体实像投影来一次性触发固化成型过程，因此能够成型任意复杂结构的物体，同时确保良好的成型效果和精度。

基于上述实施例，本发明还提供一种基于全息投影的3D打印系统，所述系统包括：相干光源5、波前再现光路系统、全息干板2以及投影空间3；所述相干光源5、波前再现光路系统、全息干板2以及投影空间3依次设置。所述相干光源5用于生成相干光；所述波前再现光路系统用于将相干光引导至全息干板2；所述全息干板2用于记录待打印物体在多个视角下的外部特征的光学信息；所述投影空间3用于生成三维立体实像并完成一次性3D成型，生成三维结构物体，具体如图2所示。

较佳地，本发明的投影空间3中设置有用于在投影光的作用下发生一次性全方位立体式聚合，生成三维结构物体的光敏材料4，所述相干光源5可以为激光器。

在本发明中，所述3D打印系统中设置有多个全息干板2来分别记录待打印物体的各个方位中多个视角的外部特征的光学信息，所述全息干板2分别位于投影空间3的前、后、左、右、上、下六个方位。这些全息干板2在投影空间3内形成相应的三维投影，这些三维投影呈现待打印物体在不同视角下的三维实像，通过这些不同视角下的三维实像的叠加，可以在投影空间中尽可能完整地表达出待打印的三维物体的外部特征，从而在投影空间中获得真实的三维立体实像。

较佳地，本发明中的波前再现光路系统包括用于对所述相干光进行扩束处理的扩束元件、用于将经扩束的相干光进行分光处理的分光元件7以及用于将相干光引导至所述全息干板2处的光学传输元件。由于本发明中在投影空间3的不同方位上均设置有全息干板2，因此每一个全息干板2均需要学光传输元件来将相干光引导至所述全息干板2上。例如图2中的8-1、8-2以及8-3表示的是不同方位上全息干板2所对应的光学传输元件。具体如图3所示，图3是本发明的基于全息投影的3D打印系统中的扩束元件工作的示意图。扩束元件可以包括凹透镜6-1和凸透镜6-2构成的扩束镜对。分光元件7可以为分光镜7。光学传输元件可以包括反光镜，例如图3中将光学传输元件8-1、8-2以及8-3设置成反光镜，以便将经分光形成的两束相干光分别引导至两个不同的全息干板2上。

相干光通过全息干板2上的全息图在投影空间内形成三维投影。为了实现3D成型，在本发明中，光敏材料4被设置在投影空间3内，且经叠加形成的三维立体实像的光强分布可以被设置成与投影空间3中的光敏材料聚合阈值相匹配，因此，在投影空间3内形成三维立体实像的同时，投影空间3中的光敏材料4即在投影光的作用下一次性地全方位立体式聚合，瞬间完成3D成型过程，大大缩短了成形时间，提高了工作效率。

进一步地，本发明中的3D打印系统还可以包括用于承载投影空间3的透明承载板9，以便能够让来自投影空间3下方的三维投影光进入投影空间3内。此外，所述3D打印系统还可以包括支撑平台，用于支撑和固定3D打印系统的其他组件。

综上所述，本发明提供的一种基于全息投影的3D打印方法及打印系统；所述打印方法包括：预先制作具有待打印物体全息图的全息干板；相干光源发出的相干光沿着预设的全息投影成像光路经过全息干板，并在预设的投影空间中形成与所述待打印物体对应的三维立体实像；所述三维立体实像使预设在投影空间中的光敏材料一次性聚合固化，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。本发明通过在投影空间设置与三维立体实像的光强分布相匹配的光敏材料，实现一次性全方位立体式聚合，由此能够实现复杂结构样件成形过程的一次性完成，且无需经过点-线-面-体逐步连续累积成形过程，大大缩短了成形时间，提高了工作效率和成型精度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述方法：

步骤A、预先制作具有待打印物体全息图的全息干板；

步骤B、相干光源发出的相干光沿着预设的全息投影成像光路经过全息干板，并在预设的投影空间中形成与所述待打印物体对应的三维立体实像；

步骤C、所述三维立体实像使预设在投影空间中的光敏材料一次性聚合固化，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

2.根据权利要求1中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述步骤C之后还包括：

步骤D、将固化后的三维结构物体取出，并移出表面未固化的多余光敏材料。

3.根据权利要求1中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述步骤A中的全息图具体生成方法包括：利用计算机生成或者借助待打印物体和参考光通过在记录介质中发生干涉作用来生成。

4.根据权利要求1中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述步骤B中的全息投影成像光路包括：按照预设的空间位置进行设置的相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间。

5.根据权利要求4中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述投影空间为透明容器或者自由空间。

6.根据权利要求1中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

预先在投影空间的前、后、左、右、上、下方位上各设置一个全息干板；

相干光源发出的相干光，沿着全息投影光路系统发射，并经过所述全息干板，使各个全息干板上的全息图在所述投影空间中形成不同视角的三维投影；

将不同视角的三维投影，形成三维立体实像。

7.根据权利要求1中所述的基于全息投影的3D打印方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

预先将三维立体实像的光强分布与投影空间中的光敏材料的聚合阈值相匹配；

当所述三维立体实像形成时，投影空间中的光敏材料在投影光的作用下一次性全方位立体式聚合，形成与所述三维立体实像尺寸和样貌一致的三维结构物体。

8.一种基于全息投影的3D打印系统，其特征在于，所述系统包括：相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间；所述相干光源、波前再现光路系统、全息干板以及投影空间依次设置；

所述相干光源用于生成相干光；

所述波前再现光路系统用于将相干光引导至全息干板；

所述全息干板用于记录待打印物体在多个视角下的外部特征的光学信息；

所述投影空间用于生成三维立体实像并完成一次性3D成型，生成三维结构物体。

9.根据权利要求8中所述的基于全息投影的3D打印系统，其特征在于，所述投影空间中设置有用于在投影光的作用下发生一次性全方位立体式聚合，生成三维结构物体的光敏材料。

10.根据权利要求8中所述的基于全息投影的3D打印系统，其特征在于，所述波前再现光路系统包括用于对所述相干光进行扩束处理的扩束元件、用于将经扩束的相干光进行分光处理的分光元件以及用于将相干光引导至所述全息干板处的光学传输元件。