CN108673883A - 一种基于数字光处理的3d打印设备 - Google Patents

一种基于数字光处理的3d打印设备 Download PDF

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李江洪
王静
王影
罗辰宇
马睿佳
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Abstract

本发明公开了一种基于数字光处理的3D打印设备，包括光敏树脂槽、运动模块包括打印平台和控制打印平台升降的升降结构，树脂槽底为透明透氧薄膜，树脂槽底通过连接结构与树脂槽壁连接；连接结构包括透明胶带、夹片及薄膜加装紧固件；透明胶带粘贴于树脂槽底的边部，边部粘贴透明胶带的树脂槽底紧贴树脂槽壁的底部设置，夹片紧贴树脂槽底的边部设置；薄膜加装紧固件的一端依次穿过夹片、透明胶带与树脂槽壁螺纹连接，将树脂槽底固定在树脂槽壁上；本发明基于数字光处理的3D打印设备，通过对光敏树脂槽及打印平台的改进，解决了现有基于数字光处理的3D打印设备打印精度低的技术问题。

Description

一种基于数字光处理的3D打印设备
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体为一种基于数字光处理技术的3D打印设备。
背景技术
3D打印作为材料快速成型和计算机辅助设计computer assisted design(CAD)的重要技术平台，与传统减材制造技术不同，是一种增材制造技术。3D打印将计算机辅助设计的三维模型切片，通过逐层加工、叠加成型的方式“增加材料”来制造三维实体。3D打印技术相对传统的减材制造方式，更加节省材料，更加适合复杂构型零部件和个性化零部件的生产。目前广泛应用于航天、航空、汽车、医学等高精尖领域，未来其普及应用必将带来传统制造业的转型升级，走向高端制造、智能制造。
近年来，3D打印发展迅猛，已有多种3D打印技术被开发，其中包括熔融沉积、叠层实体制造、选择性激光烧结、喷墨打印和数字光处理技术等。与熔融沉积技术相比，数字光处理技术因打印精度高而备受瞩目，该技术依托光引发的自由基聚合反应和阳离子聚合反应，即光敏树脂中的光引发剂吸收光子被激发后可迅速促成光敏树脂中的单体产生聚合反应，使得液态光敏树脂转化为固态，实现实体制造。然而打印速度和材料需求是限制数字光处理3D打印技术发展的瓶颈。
2015年，数字光连续液面成型(CLIP)技术的问世，极大解决了传统3D打印技术速度慢的问题，CLIP技术打印速度可比其他3D打印技术快25～100倍。
应用数字光连续液面成型(CLIP)技术的3D打印设备目前所存在的一个问题是打印精度较低，影响打印精度的一个重要方面是打印平台的调平；另一个方面是由于树脂槽基底的平整度。
传统3D打印平台调平装置由上下分别带四个矩形开口槽的两个零件构成，其调平方式为当打印平台移至零位时，利用四对开口槽错开的尺度，调节打印平台位置和角度，但是这种方式是利用零件的弹性受力产生变形来实现调平，当打印平台基板与树脂槽底部贴平后通过螺栓、螺母连接打印平台调平装置的两个零件。受操作空间限制，此调平方式不方便操作，而且所需拧紧力较大，容易造成对树脂槽薄膜的破坏，且易产生二次位置偏差，打印精度降低。
现有的树脂槽结构基底采用透明透氧薄膜，薄膜表面所存在的凹凸不平现象影响打印精度。
发明内容
为解决现有基于数字光处理3D打印设备打印精度低的技术问题，本发明提供一种基于数字光处理的3D打印设备。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于数字光处理的3D打印设备，包括光敏树脂槽9、控制模块、投影模块、运动模块及机架；
投影模块包括投影仪6，投影仪6位于光敏树脂槽9的下方；
运动模块包括打印平台10和与打印平台10连接的升降结构，打印平台10位于光敏树脂槽9的上方；
控制模块与投影仪和升降结构连接；所述光敏树脂槽9固定安装在机架上；
所述光敏树脂槽9包括树脂槽壁8、树脂槽底7及连接结构；所述树脂槽底7为透明透氧薄膜71，所述树脂槽底7通过连接结构与树脂槽壁8连接；
其特殊之处在于：
所述树脂槽底7还包括透明胶带72，所述透明胶带72粘贴于透明透氧薄膜71的边部；
所述连接结构包括夹片14及薄膜加装紧固件11；树脂槽底7紧贴树脂槽壁8的底部设置，夹片14紧贴树脂槽底7的边部设置；薄膜加装紧固件11的一端依次穿过夹片14、树脂槽底7与树脂槽壁8螺纹连接，将树脂槽底7固定在树脂槽壁8上；
所述光敏树脂槽9还包括顶紧结构，所述顶紧结构包括顶紧凸起部件13及调节紧固件12；所述顶紧凸起部件13从底部托起树脂槽底7粘贴透明胶带的部位，并通过调节紧固件12与树脂槽壁8固定连接；
所述打印平台10包括刚性连接件1、三自由度可调连接组件及打印平台基板109；所述刚性连接件1与升降结构固定连接，并通过三自由度可调连接组件与打印平台基板109连接。
进一步地，所述三自由度可调连接组件包括螺杆103、锁紧螺母102、固定螺母101、球面副构件Ⅰ104、球面副构件Ⅱ107、球面副构件Ⅲ106及顶丝110；
球面副构件Ⅰ104的上端设置有与螺杆103相适配的螺纹孔，球面副构件Ⅲ106的下端设置有穿过球面副构件Ⅱ107的连接杆111；
所述螺杆103的上端与刚性连接件1通过固定螺母101固定连接；所述螺杆103的下端与球面副构件Ⅰ104上的设置的螺纹孔螺纹连接；所述锁紧螺母102设置在螺杆103上，用于对螺杆103与球面副构件Ⅰ104的螺纹连接深度进行定位；
球面副构件Ⅱ107与球面副构件Ⅰ104相对设置且之间形成球面空腔，所述球面副构件Ⅲ106设置在球面空腔中，所述球面副构件Ⅰ104、球面副构件Ⅱ107及球面副构件Ⅲ106之间的连接形成球面副，所述连接杆111伸出球面副构件Ⅱ107的一端与打印平台基板109连接；所述顶丝设置在球面副构件Ⅰ104和/或球面副构件Ⅱ上，用于固定球面副构件Ⅲ106的位置。
进一步地，所述球面副构件Ⅰ104的内壁面为半球面，所述球面副构件Ⅱ107的内壁面为半球面，所述球面副构件Ⅲ106为球形。
进一步地，所述顶丝110的数量为两个，两个顶丝110对称设置在球面副构件Ⅰ104的螺纹孔两侧。
进一步地，所述夹片14为框形，夹片14的边框上设置有沉头孔141和柱孔142，所述薄膜加装紧固件11设置在沉头孔141处，将夹片14及树脂槽底7安装在树脂槽壁8上，所述柱孔142用于安装顶紧结构。
进一步地，所述顶紧凸起部件13包括下框体131，下框体131的中心用于露出透明透氧薄膜71，下框体131的中心部位向上设置有一圈凸起132，凸起132的顶端平整，用于扩平树脂槽底7；
所述下框体131的边部设置有用于设置调节紧固件12的安装孔133。
进一步地，所述升降结构包括步进电机5、联轴器4、丝杆3及丝杆螺母滑台2，所述步进电机5通过联轴器4带动丝杆3旋转，所述丝杆螺母滑台2套装在丝杆3上，所述丝杆螺母滑台2与刚性连接件1固定连接。
进一步地，所述透明透氧薄膜71为长方形，透明胶带72粘贴于透明透氧薄膜71的两边，且每一边的透明胶带72为对称设置的两片。
进一步地，所述透明透氧薄膜71采用Teflon AF2400。
进一步地，所述投影仪6的灯泡为LED灯、汞光灯或紫外灯。
本发明与现有技术相比，优点是：
1、本发明基于数字光处理的3D打印设备，通过对树脂槽结构和打印平台的改进，使得树脂槽的透明透氧薄膜基底的平整度增加，同时，通过对打印平台调平装置的改进，使得打印平台和树脂槽基底的调平更容易实现，同时避免了二次位置偏差，提高了打印精度。
2、本发明的光敏树脂槽底在与树脂槽壁安装时，树脂槽底的边部设置了透明胶带，在相同的打印尺寸下，透明胶带的设置一方面减少了透明透氧薄膜的用量；另一方面，由于所使用的透明透氧薄膜小了，在一定程度上也解决了Teflon透明透氧薄膜基底不平整的问题；此外，在使用相同尺寸的透明透氧薄膜的情况下，本发明打印设备的打印尺寸增大了。
3、本发明的打印平台，不但可实现打印平台沿Z轴移动和绕X或Y轴转动，而且定位调平后容易实现固定，只需拧紧锁紧螺母和顶丝即可，且不会引起因拧紧力不均衡而造成的二次位置偏差，提高了打印精度。
附图说明
图1为本发明装置的控制原理图；
图2为本发明一较佳实施例的结构连接图；
图3为本发明实施例树脂槽结构示意图；
图4为本发明实施例透明胶带与透明透氧薄膜粘接示意图；
图5为本发明实施例夹片的结构示意图；
图6为本发明实施例顶紧凸起部件的结构示意图；
图7为本发明实施例打印平台结构示意图；
图8为本发明实施例打印方法的流程图；
其中附图标记为：1-刚性连接件、2-丝杆螺母滑台、3-丝杆、4-联轴器、5-步进电机、6-投影仪、7-树脂槽底、71-透明透氧薄膜、72-透明胶带、8-树脂槽壁、9、光敏树脂槽、10-打印平台、11-薄膜加装紧固件、12-调节紧固件、13-顶紧凸起部件、131-下框体、132-凸起、133-安装孔、14-夹片、141-沉头孔、142-柱孔、101-固定螺母、102-锁紧螺母、103-螺杆、104-球面副构件Ⅰ、105-紧固螺栓、106-球面副构件Ⅲ、107-球面副构件Ⅱ、108-紧固螺母、109-打印平台基板、110-顶丝、111-连接杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
基于数字光处理的3D打印设备包括光敏树脂槽9、控制模块、投影模块及运动模块。投影模块包括投影仪6，运动模块包括打印平台10和控制打印平台10升降的升降结构，控制模块控制投影仪的投影及升降结构的升降。
如图2所示，投影仪6位于光敏树脂槽9的下方，打印平台10位于光敏树脂槽9的上方。光敏树脂槽9固定安装在3D打印机架上，升降结构包括步进电机5、联轴器4、丝杆3及丝杆螺母滑台2，步进电机5通过联轴器4带动丝杆3旋转，丝杆螺母滑台2套装在丝杆3上，丝杆螺母滑台2与打印平台固定连接。
如图3所示，本发明的光敏树脂槽9包括树脂槽壁8、树脂槽底7、连接结构及顶紧结构；树脂槽壁8可采用棕色亚克力板材料、铝合金、铁等不透明材料，用于遮光；树脂槽底7为透明透氧薄膜71，用于防止固化模型与槽底粘结；树脂槽底7通过连接结构与树脂槽壁8连接；树脂槽底7还包括透明胶带72，所述透明胶带72粘贴于透明透氧薄膜71的边部；连接结构包括夹片14及薄膜加装紧固件11；树脂槽底7紧贴树脂槽壁8的底部设置，夹片14紧贴树脂槽底7的边部设置；薄膜加装紧固件11的一端依次穿过夹片14、树脂槽底7与树脂槽壁8螺纹连接，将树脂槽底7固定在树脂槽壁8上；顶紧结构包括顶紧凸起部件13及调节紧固件12；顶紧凸起部件13从底部托起树脂槽底7粘贴透明胶带的部位以扩平透明透氧薄膜71，并通过调节紧固件12与树脂槽壁8固定连接。
如图4所示，透明透氧薄膜71的两端分别粘贴有透明胶带72。
如图5所示，夹片14为框形，夹片14的边框上设置有沉头孔141和柱孔142，薄膜加装紧固件11设置在沉头孔141处，将夹片14及树脂槽底7安装在树脂槽壁8上，柱孔142用于安装顶紧结构。
如图6所示，顶紧凸起部件13包括下框体131，下框体131的中心用于露出树脂槽底7，下框体131的中心部位向上设置有一圈凸起132，凸起132的顶端平整，用于扩平树脂槽底7；下框体131的边部设置有用于设置调节紧固件12的安装孔133。
如图7所示，打印平台10包括刚性连接件1、三自由度可调连接组件及打印平台基板109，刚性连接件1与升降结构固定连接，同时通过三自由度可调连接件与打印平台基板109连接。
三自由度可调连接组件包括螺杆103、锁紧螺母102、固定螺母101、球面副构件Ⅰ104、球面副构件Ⅱ107、球面副构件Ⅲ106及顶丝110；球面副构件Ⅰ104的上端设置有与螺杆103相适配的螺纹孔，球面副构件Ⅱ107的下端设置有连接杆111；螺杆103的上端与刚性连接件1通过固定螺母101固定连接；螺杆103的下端与球面副构件Ⅰ104上的设置的螺纹孔螺纹连接；锁紧螺母102设置在螺杆103上，用于对螺杆103与球面副构件Ⅰ104的螺纹连接深度进行定位；球面副构件Ⅰ104和球面副构件Ⅱ107相对设置，球面副构件Ⅲ106设置在球面副构件Ⅰ104和球面副构件Ⅱ107所形成的空腔中，球面副构件Ⅲ106的下端设置有穿过球面副构件Ⅱ107的连接杆111，连接杆111伸出球面副构件Ⅱ107的一端与打印平台基板109连接；球面副构件Ⅰ、球面副构件Ⅱ107及球面副构件Ⅲ106之间的连接形成球面副，顶丝设置在球面副构件Ⅰ104和/或球面副构件Ⅱ上，用于固定球面副构件Ⅲ106的位置。
锁紧螺母102用于Z轴方向位置确定后锁紧固定球面副构件Ⅰ104与螺杆103；固定螺母101用于固定打印平台10与刚性连接件1；刚性连接件1与升降结构连接，带动打印平台基板109移动；球面副构件Ⅰ104、球面副构件Ⅱ107及球面副构件Ⅲ106共同组成球面副，提供绕X和Y轴的转动自由度。紧固螺栓105和紧固螺母108用于连接球面副构件Ⅰ104和球面副构件Ⅱ107。顶丝110用于打印平台基板109角度定位完成后顶紧球面副构件Ⅲ106，限制其转动。
本发明的投影仪6安装在3D打印设备机架上且在竖直方向位置可调，其灯泡可为LED灯、汞光灯或紫外灯，但不同波长范围光源对应不同的光敏树脂材料。
本发明的打印平台基板109用于粘结固化模型，带动已固化模型移动，实现模型堆叠制造。打印平台基板109与刚性连接件1的连接属于平面定位、螺栓连接的方式。刚性连接件1用于安装和定位打印平台基板109，即确定打印平台基板109与树脂槽液的相对位置。刚性连接件1安装于丝杆螺母滑台上用于连接打印平台基板109，进而带动打印平台基板109的升降运动；步进电机5受控制模块控制转动，通过联轴器4带动丝杆3转动，从而将运动传递给丝杆螺母滑台，实现丝杆螺母滑台竖直移动。
图1所示为本发明装置的控制原理图，控制模块与投影模块和运动模块连接，其中的控制模块用于读取层面位图数据和打印参数，控制投影模块和运动模块有序动作，层面位图数据由CAD建模软件和分层数据处理软件生成，打印速度、切片层厚、曝光时间和粘接层层数等打印参数可人为设置。投影模块受控制模块的控制，主要表现为投影仪6连续有序地投影3D模型的层切截面图像，实现光敏树脂槽9中模型微层固化。投影模块主要为投影仪6不间断定时切换图片的投影动作，投影模块在控制模块的控制下相对独立地工作；运动模块受控制模块的控制，主要表现为打印平台10的连续上升，光敏树脂逐层固化堆叠，最终实现三维模型的实体制造。运动模块只涉及打印平台10的运动，光敏树脂槽9始终固定不动。
本发明的打印方法基于数字光处理技术的超快速3D打印设备的原理，采用数字光处理技术和连续光固化液态树脂成型的方法。
数字光处理技术：控制模块读取层面位图数据和打印参数，并控制投影仪6将3D模型切层截面图像自下而上投影到光敏树脂槽9中，几秒后，光敏树脂便开始迅速固化成型。
连续光固化液态树脂成型的方法：投影设备连续有序地分别投影3D模型切层截面图像，打印平台10以一定速率连续提升。当一层材料固化后，投影仪6投放下一层图像，打印平台10刚好移动一个层厚距离，即移至下一层固化起始位置，随后固化下一层材料，重复此过程，直至整个模型打印完成。在整个打印过程中，打印平台10连续上升，固化模型与液态光敏树脂始终保持接触。
如图8所示，本发明的打印方法的一个优选的实施例如下：
步骤A1、利用CAD软件建立三维模型，设置各层的打印参数，利用切片软件对三维模型分层处理，并以层面位图数据的形式存储为切片文件；切片文件中包含各层的层面位图数据及对应的打印参数；
3D模型的最上面几层为粘接层，其余层为打印基层，粘接层和打印基层层厚相同，曝光时间和打印速度可不同。
步骤A2、控制模块按序读取模型粘接层层面位图数据和打印参数，按指令控制丝杠螺母滑台带动打印平台10连续上升，同时控制投影仪6定时有序投影一张3D模型切层截面图像，固化一层模型实体。
步骤A3、判断当前层模型实体是否打印结束，若未完成打印，继续步骤A2直至当前层模型实体打印结束。
步骤A4、步骤A3完成当前层模型打印后，判断模型粘接层是否全部打印完成，若未完成，继续步骤A2和步骤A3直至模型粘接层全部打印完成。
步骤A5、步骤A4完成模型所有粘接层打印后，控制模块按序读取模型基层层面位图数据和曝光时间、打印速度等打印参数，按指令控制丝杠螺母滑台带动打印平台10连续上升，同时控制投影仪6定时有序投影一张3D模型切层截面图像，固化一层模型实体。
判断当前层模型实体是否打印结束，若未完成打印，继续步骤A5直至当前层模型实体打印结束。
步骤A6、步骤A5完成当前层模型打印后，判断模型基层是否全部打印完成，若未完成，继续步骤A5和步骤A6直至整个实体模型全部打印完成。
通过以上实施例可以看出本发明的益处为：该设备光敏树脂槽9基底采用透明透氧的防水材料，并将自下而上的打印方式与连续液体界面的打印方法相结合，简化了打印过程，极大地缩减了打印时间，并可提高打印质量和稳定性。

Claims (10)

1.一种基于数字光处理的3D打印设备，包括光敏树脂槽(9)、控制模块、投影模块、运动模块及机架；
投影模块包括投影仪(6)，投影仪(6)位于光敏树脂槽(9)的下方；
运动模块包括打印平台(10)和与其连接的升降结构，打印平台(10)位于光敏树脂槽(9)的上方；
控制模块与投影仪(6)和升降结构连接；所述光敏树脂槽(9)固定安装在机架上；
所述光敏树脂槽(9)包括树脂槽壁(8)、树脂槽底(7)及连接结构；所述树脂槽底(7)为透明透氧薄膜(71)，所述树脂槽底(7)通过所述连接结构与树脂槽壁(8)连接；
其特征在于：
所述树脂槽底(7)还包括透明胶带(72)，所述透明胶带(72)粘贴于透明透氧薄膜(71)的边部；
所述连接结构包括夹片(14)及薄膜加装紧固件(11)；树脂槽底(7)紧贴树脂槽壁(8)的底部设置，夹片(14)紧贴树脂槽底(7)的边部设置；薄膜加装紧固件(11)的一端依次穿过夹片(14)、树脂槽底(7)与树脂槽壁(8)螺纹连接，将树脂槽底(7)固定在树脂槽壁(8)上；
所述光敏树脂槽(9)还包括顶紧结构，所述顶紧结构包括顶紧凸起部件(13)及调节紧固件(12)；所述顶紧凸起部件(13)从底部托起树脂槽底(7)粘贴透明胶带的部位，并通过调节紧固件(12)与树脂槽壁(8)固定连接；
所述打印平台(10)包括刚性连接件(1)、三自由度可调连接组件及打印平台基板(109)；所述刚性连接件(1)与升降结构固定连接，并通过三自由度可调连接组件与打印平台基板(109)连接。
2.根据权利要求1所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述三自由度可调连接组件包括螺杆(103)、锁紧螺母(102)、固定螺母(101)、球面副构件Ⅰ(104)、球面副构件Ⅱ(107)、球面副构件Ⅲ(106)及顶丝(110)；
球面副构件Ⅰ(104)的上端设置有与螺杆(103)相适配的螺纹孔，球面副构件Ⅲ(106)的下端设置有穿过球面副构件Ⅱ(107)的连接杆(111)；
所述螺杆(103)的上端与刚性连接件(1)通过固定螺母(101)固定连接；所述螺杆(103)的下端与球面副构件Ⅰ(104)上的设置的螺纹孔螺纹连接；所述锁紧螺母(102)设置在螺杆(103)上，用于对螺杆(103)与球面副构件Ⅰ(104)的螺纹连接深度进行定位；
球面副构件Ⅱ(107)与球面副构件Ⅰ(104)相对设置且之间形成球面空腔，所述球面副构件Ⅲ(106)设置在球面空腔中，所述球面副构件Ⅰ(104)、球面副构件Ⅱ(107)及球面副构件Ⅲ(106)之间的连接形成球面副，所述连接杆(111)伸出球面副构件Ⅱ(107)的一端与打印平台基板(109)连接；所述顶丝设置在球面副构件Ⅰ(104)和/或球面副构件Ⅱ(107)上，用于固定球面副构件Ⅲ(106)的位置。
3.根据权利要求2所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述球面副构件Ⅰ(104)的内壁面为半球面，所述球面副构件Ⅱ(107)的内壁面为半球面，所述球面副构件Ⅲ(106)为球形。
4.根据权利要求3所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述顶丝(110)的数量为两个，两个顶丝(110)对称设置在球面副构件Ⅰ(104)的螺纹孔两侧。
5.根据权利要求1所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述夹片(14)为框形，夹片(14)的边框上设置有沉头孔(141)和柱孔(142)，所述薄膜加装紧固件(11)设置在沉头孔(141)处，将夹片(14)及树脂槽底(7)安装在树脂槽壁(8)上，所述柱孔(142)用于安装顶紧结构。
6.根据权利要求5所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述顶紧凸起部件(13)包括下框体(131)，下框体(131)的中心用于露出透明透氧薄膜(71)，下框体(131)的中心部位向上设置有一圈凸起(132)，凸起(132)的顶端平整，用于扩平树脂槽底(7)；
所述下框体(131)的边部设置有用于设置调节紧固件(12)的安装孔(133)。
7.根据权利要求1至6任一所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述升降结构包括步进电机(5)、联轴器(4)、丝杆(3)及丝杆螺母滑台(2)，所述步进电机(5)通过联轴器(4)带动丝杆(3)旋转，所述丝杆螺母滑台(2)套装在丝杆(3)上，所述丝杆螺母滑台(2)与刚性连接件(1)固定连接。
8.根据权利要求7所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述透明透氧薄膜(71)为长方形，透明胶带(72)粘贴于透明透氧薄膜(71)的两边，且每一边的透明胶带(72)为对称设置的两片。
9.根据权利要求8所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述透明透氧薄膜(71)采用Teflon AF2400。
10.根据权利要求9所述的基于数字光处理的3D打印设备，其特征在于：
所述投影仪(6)的灯泡为LED灯、汞光灯或紫外灯。
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