CN109203468A - 一种快速光固化3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种快速光固化3D打印装置，包括成型平台、树脂槽、液体光敏树脂、透光底板、人机交互装置、3D打印控制系统、光源装置、扩束装置、偏光装置、聚光装置、检测装置、机架等。其原理是利用光路在液体光敏树脂内部聚焦形成焦点，在焦点轨迹形成的焦点层处将液体树脂固化成一个薄层。所述装置结构简单，不需要使用半渗透元件即可实现连续光固化成型。

Description

一种快速光固化3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D 打印技术领域，尤其涉及一种快速光固化3D打印装置。

背景技术

3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

SLA是“Stereo lithography Apparatus”的缩写,即立体光固化成型装置。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

SLA三维打印技术可以分为顶层扫描成型和底层扫描成型。顶层扫描成型中，激光由上而下扫描液态树脂材料表面，新成型的树脂层位于已成型部分的顶部，通过顶部不断堆积新的固化层，从而实现三维固体的成型。每次激光扫描完成形成一层新的固态薄层之后，载有已经成型部分的成型台会下降一个层厚，使得已成型部分低于树脂液面一个层厚，因为光敏树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。因此采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。这一过程会中断激光扫描过程，并占用相对较长时间而导致SLA三维打印的速度严重降低。此外顶层扫描成型中，已成型部分始终浸泡在液态树脂中，当需要成型较高的物体，则需要一个超过该物体高度尺寸的树脂槽用于成型，而且需要将大量树脂填充入树脂槽，打印完成后再回收剩余树脂，导致成本高而且操作复杂。

底层扫描成型技术中，树脂槽的底部使用透光底板，激光右下而上穿过树脂槽底部透光板，在透光板之上的树脂形成固定的薄层固态图案。然后让托盘上升一个层厚，激光再次扫描底部形成新的固化层，这样逐层堆积最终形成三维固体。该方法的优点是已成型的固体层不需要全部浸泡在树脂槽中，只需要底部的部分固体层浸泡在一个较浅的树脂槽中，因此树脂槽中需要的树脂也少很多。但是另一方面，由于新的固体层在树脂槽底部的树脂表面形成，新的固体层在和原有固体层结合的同时会会与透光底板粘合在一起，为了使新的固体层和透光底板分离，需要对载有已成型部分的升降台托盘上升一个设定的高度，使得成型部分和透光底板完全分离，并让树脂溶液充满树脂槽底部，然后再让托盘下降使得新成型固体层和透光底板之间保持一个层厚的距离，再继续下一层的扫描成型。升降台的上升和下降会中断扫描光固化的过程，并在每层的成型中占用相对较长的时间，使得整过打印速度大幅下降。

CN105122136A 提出了一种连续光固化的方法，使用一种半渗透元件，使得在树脂槽底部进入聚合抑制剂，聚合抑制剂可阻止底部区域树脂的固化，形成聚合抑制区。而光引发的聚合反应智能在聚合抑制区以外的区域发生，聚合抑制区的光敏树脂始终保持为液态，当载有成型固体的托盘上升一个层厚的高度时，周边树脂在环境压力驱动下迅速流入到新成型固体层和透光底板的间隙中，因此可以迅速进行下一层的固化。该方法的半渗透元件受到分子渗透性、光学透射性能、机械强度等各种限制，难以找到各项指标均十分优异的材料作为半渗透元件。

CN105922587A也提出了一种连续光固化装置方法，该方法需要至少两种以上光源，光源的波长不同，功率可调。树脂槽中的树脂包含光引发剂和聚合抑制剂。在光源系统中增加抑制发光单元，通过选择性激发光敏树脂中的光抑制剂，在透光底板与液态光敏树脂的界面处抑制聚合的发生，形成聚合抑制区，从而实现连续光固化。该方法需要对多种光源控制，系统复杂。

CN105122136A 和CN105922587A都采用DLP（Digital light processing）技术，都存在成型精度高，但成型面积小的特点。同时其核心部件数组成像设备多为数字微镜器件DMD、硅基液晶LCOS、高温多晶硅HTPS等的其中一种，目前DMD价格昂贵，而LCOS和HTPS在光源的照射下使用时间不长就会被损坏。

针对目前所提出的装置的不足，本发明提出了一种新的3D成型装置，该方案的创新点有：

1.本装置原理为通过激光聚光后在焦点处能量密度增强，使得液态光敏树脂迅速固化。光路经聚光形成的光路焦点轨迹平面112是在液态光敏树脂104内部，并不在液态光敏树脂底层表面；

2.不需要使用半渗透元件：本装置原理是采用光路聚焦焦点，在树脂槽中使得液体树脂内部固化，不需要通过半渗透元件将聚合抑制剂渗透入树脂槽底部；

3.由于本装置不需要通过特定波长的光来控制聚合抑制剂，因此也不需要激发聚合抑制剂所需要的波长的光源；

4.在以上所述多种专利提到的连续光固化的方法中，本装置三维打印幅面更大，精度高。目前在基于光固化的3D打印装置中，基于振镜式激光扫描的方式精度最高，成型幅面最大。

发明内容

本发明提出一种3D打印装置装置。该装置克服了现有装置的不足，具有控制简单，成型速度快，精度高，成型幅面大的特点。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种快速光固化3D打印装置，包括成型平台（101）、树脂槽（103）、液态光敏树脂（104）、透光底板（105）、人机交互装置（206）、3D打印控制系统（30）、光源装置（202）、扩束装置（109）、偏光装置（107）、聚光装置（106）、检测装置（205）、机架（110）等；

所述成型平台（101）安装于机架（110）上，成型平台（101）通过电机驱动可上下移动；所述树脂槽（103）固定安装在机架（110）上，树脂槽（103）的底部设置有透光底板（105）；所述液态光敏树脂（104）置于于树脂槽中；所述光源装置（202）和扩束装置（109）固定安装于机架（110）上，可通过3D打印控制系统（30）控制光源装置（202）的开关光和功率大小；所述偏光装置（107）固定安装于机架（110）上，偏光装置（107）可通过3D打印控制系统（30）实时改变光路；所述聚光装置（106）安装于树脂槽（103）下方，距离树脂槽（103）底部1-200mm的位置；所述检测装置（205）固定安装在机架（110）上，检测装置（205）可实时向3D打印控制系统（30）反馈树脂槽（103）中液位、平台高度、液体温度等信息；所述人机交互装置（206）固定安装在机架（110）上；所述人机交互装置（206）可用于三维模型的操作处理。

作为优选成型平台的移动采用步进电机或伺服电机或直线电机的驱动技术用于驱动器在Z轴的上下运动。

作为优选，所述液态光敏树脂（104）具有透光性，透光率大于20%。

作为优选，所述光源系统光谱的波长需要与树脂相匹配，光强需要与树脂匹配，某些树脂下可选择YAG倍频激光器作为光源。

作为优选，本装置采用数字振镜作为偏光装置。

作为优选，所述透光底板为透光刚性平板结构，长度为10mm~1000mm，宽度为10~1000mm，厚度为0.1mm~100mm。杨氏模量大于10GPa。

作为优选，透光底板对所述光源系统发光单元发射光谱范围内的波长的透过率大于50%。

作为优选，所述光路经过大倍率的扩束装置和具有较短焦距的聚焦镜，使其能够形成更为精确的焦点以期获得更好的成型质量，树脂槽底部高于聚光装置1mm~200mm。

作为优选，成型平台位于透光底板的上方，并可沿着透光底板的发现方向上下移动，固化成型后的三维构件位于所述成型平台与所述透光底板之间，并附着在所述成型平台上。

作为优选，所述光路，通过扩束装置，再经过多路偏光装置控制光路的方向，然后通过聚焦装置在所述透光底板的上方形成焦点，光路经聚光形成的光路焦点轨迹平面（112）到透光底板105的垂直距离（111）在0.1mm~10mm之间，光路焦点按指定轨迹游走，焦点所过之处的树脂被固化，形成新的固化层，由于新的固化层和透光底板之间存在间隙，二者之间充满树脂，因此新的固化层并不会附着在透光底板之上。

作为优选，所述3D打印控制系统通过液位传感器和电磁阀控制树脂槽中液态树脂的多少。

作为优选，所述3D打印控制系统控制所述成型平台、所述光源系统的开关和功率、和所述光路系统等。

所述一种快速光固化3D打印装置的工作原理如下：

(1)启动快速光固化3D打印装置，向所述树脂槽中添加液态光敏树脂，并由所述供料系统保持所述树脂槽中所述光敏树脂的液面高度；

(2)通过外部向所述3D打印控制系统传输三维模型数据与所述液态光敏树脂的匹配的工艺参数；

(3)所述3D打印控制系统（30）控制所述成型平台下降到光路经聚光形成的光路焦点轨迹平面（112）位置，作为初始位置；

(4)所述光源装置，通过扩束装置，再经过多路偏光装置控制光路的方向，然后通过聚焦装置在所述透光底板的上方形成焦点，光路经聚光形成的光路焦点轨迹平面（112）到透光底板105的垂直距离（111）在0.1mm~10mm之间，光路焦点按指定轨迹游走，焦点所过之处的树脂被固化，形成新的固化层，由于新的固化层和透光底板之间存在间隙，二者之间充满树脂，因此新的固化层并不会附着在透光底板之上。

(5)3D打印控制系统控制所述成型平台向上移动一个层厚的距离，层厚距离通常为0.001mm~1mm之间；

(6)重复（4）和（5）的过程，最终成型平台上会形成所期望形状的三维固体。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的3D打印系统组成示意图。

图3是本发明的3D打印控制系统组成示意图。

附图中各数字的含义为：101：成型平台；102：已固化树脂层；103：树脂槽；104：液态光敏树脂；105：透光底板；106：聚光装置；107：偏光装置；108：光源；109：扩束装置；

110：机架；112：光路焦点轨迹平面（光路经聚光形成的焦点，通过改变聚焦位置，焦点的轨迹可在所述焦点同样高度处形成焦点层）；111：光路经聚光形成的光路焦点轨迹平面112到透光底板105的垂直距离；

20：快速光固化3D打印装置；202：光源装置（包括光源108以及配件）；203：光路装置（包含聚光装置107、偏光装置108、扩束装置110等）；204：成型平台及机架；205：检测装置，所述检测装置包括温度检测、液位检测器、成型平台位置检测等；206：人机交互装置；

30：3D打印控制系统；302：三维模型管理系统；303：光路控制系统；304：成型平台控制系统；305：检测系统；306：人机交互系统；307：偏光装置控制系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

实施例一

本例的快速的光固化3D打印装置，其特征在于，包括成型平台101、树脂槽103、透光底板105、聚光装置106、偏光装置107、光源装置202、扩束装置109、机架110、检测装置205、人机交互装置206、3D打印控制系统30。

所述成型平台安装于所述机架之上，成型平台通过电机驱动可上下移动；所述树脂槽固定安装在所述机架之上，树脂槽的底部由透光底板构成；所述光源108和扩束装置固定安装于机架110上，所述3D打印控制系统可控制光源108的开关光和功率大小；所述偏光装置固定安装于机架110上，偏光装置107可通过3D打印控制系统30实时改变光路；所述聚光装置106安装于距离树脂槽底部；所述检测装置固定安装在机架之上，检测装置205可实时向3D打印控制系统反馈树脂槽中液位、平台高度、液体温度等信息；所述人机交互装置206可用于三维模型处理，设置参数、模型加工的操作、装置状态显示等功能。

所述3D打印控制系统根据给定三维模型，首先将成型平台移动到透光底板上方某处，该处水平面即为所述光路焦点轨迹形成的平面；控制光路中偏光装置的偏转从而控制光路的位置，光路最终在透光底板正上方形成焦点，由于能量聚集使得该点树脂迅速产生聚合反应而固化，再实时通过偏光装置控制光路并控制光源108的开关光和功率大小，使得光路焦点所在的平面上根据光路焦点轨迹形成固化薄层，然后将成型平台向上提升薄层层厚的高度，再控制光路系统根据要求固化下一薄层，如此重复多次之后，即可在成型平台上形成所需三维固体。

Claims (4)

1.一种快速光固化3D打印装置，包括成型平台（101）、树脂槽（103）、液体光敏树脂（104）、透光底板（105）、人机交互装置（206）、3D打印控制系统（30）、光源装置（202）、扩束装置（109）、偏光装置（107）、聚光装置（106）、检测装置（205）、机架（110）等；

所述成型平台（101）安装于机架（110）上，成型平台（101）通过电机驱动可上下移动；所述树脂槽（103）固定安装在机架（110）上，所述液态光敏树脂（104）置于于树脂槽（103）中，树脂槽（103）的底部设置有透光底板（105）；所述光源装置（202）和扩束装置（109）固定安装于机架（110）上，可通过3D打印控制系统（30）控制光源装置（202）的开关光和功率大小；所述偏光装置（107）固定安装于机架（110）上，偏光装置（107）可通过3D打印控制系统（30）实时改变光路；所述聚光装置（106）安装于树脂槽（103）下方，距离树脂槽（103）底部1-200mm的位置；所述检测装置（205）固定安装在机架（110）上，检测装置（205）可实时向3D打印控制系统（30）反馈树脂槽（103）中液位、平台高度、液体温度等信息；所述人机交互装置（206）固定安装在机架（110）上；所述人机交互装置（206）可用于三维模型的操作处理。

2.如权利要求1所述的一种快速光固化3D打印装置，其特征在于：所述快速光固化3D打印装置通过控制装置中光路的焦点位置，使光路在透光底板上的液体光敏树脂内部聚焦，并将该点液体树脂固化，所述该点到离透光底板垂直距离，作为优选在0.1mm~100mm之间。

3.如权利要求1所述的一种快速光固化3D打印装置，其特征在于：所述光源装置（202）、扩束装置（109）、偏光装置（107）、聚光装置（106）、3D打印控制系统（30）使得光路在液体光敏树脂（104）内部形成焦点，在焦点轨迹形成的焦点层（112）处将液体树脂固化成一个薄层。

4.如权利要求1所述的一种快速光固化3D打印装置，其特征在于：新固化的树脂薄层成型在液体光敏树脂内部，和透光底板（105）存在间隙；所述成型平台（101）可直接上移一个层厚等待新的树脂层固化。