CN109228348A - 一种dmd倾斜扫描的3d打印装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种DMD倾斜扫描的3D打印装置及方法，装置包括控制系统，DMD倾斜扫描系统和位移平台，其中，所述的DMD倾斜扫描系统固定于位移平台之上，DMD倾斜扫描系统、位移平台均由所述的控制系统控制。所述的控制系统首先控制位移平台做好曝光准备，其次控制DMD倾斜扫描系统生成倾斜点阵列，最后控制位移平台扫描倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；重复上述步骤,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。本发明采用扫描曝光成型，实现在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型物体，大幅度提高重复打印效率，也能够在单个幅面重复打印多个期望成型物体，提高单幅打印面积。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，更具体地，涉及一种DMD倾斜扫描的3D打印装置及方法。
背景技术
DLP(Digital light processing，数字光处理)技术于1993年由美国TI公司发明，DLP技术的核心是DMD芯片。基于DMD扫描的3D打印具有材料利用率高，成型速度快，无活动喷头，免去其他技术常见的阻塞和失准等优点。基于 DMD扫描的3D打印大部分采用直接面曝光成型，直接面曝光操作简易，成型速度快，但受到DMD芯片的限制，无法在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型的物体，无法在单个幅面重复打印多个期望成型的物体。例如，基于DMD 扫描的3D打印机能够打印一个完好精细的戒指，而且速度很快。然而，如果需要一次打印许多精细的戒指，就需要提出新的打印方法，才能够在整个打印区域中保持一致的高分辨率。
发明内容
本发明为解决现有技术中基于DMD扫描的3D打印无法在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型的物体，无法在单个幅面重复打印多个期望成型的物体等问题，提供一种DMD倾斜扫描的3D打印装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，包括控制系统，DMD倾斜扫描系统和位移平台，其中，所述的DMD倾斜扫描系统固定于位移平台之上，DMD倾斜扫描系统、位移平台均由所述的控制系统控制。
进一步地，所述的控制系统包括计算机和三轴运动控制器，其中，所述的计算机的第一输出端连接DMD倾斜扫描系统；所述的计算机的第二输出端连接三轴运动控制器的输入端，三轴运动控制器的输出端连接位移平台。
进一步地，所述的DMD倾斜扫描系统包括光源、反光镜、DMD芯片和物镜组，其中，所述的光源、反光镜和DMD芯片构成反射回路；所述的光源发出的均匀光路经过反光镜反射到DMD芯片，再经过物镜组生成一组倾斜的倾斜点阵列，所述的倾斜点阵列投影到位移平台上。
进一步地，所述的物镜组包括第一物体平面、第一成像平面、微透镜和空间滤波器阵列、第二物体平面、点阵列、投影面、第一镜头和第二镜头，其中，所述的第一物体平面固定于DMD芯片的反射面；所述的第一镜头固定于微透镜和空间滤波器阵列的上端面之上；所述的第二镜头固定于微透镜和空间滤波器阵列的下端面之下；所述的微透镜和空间滤波器阵列的上端面固定有第一成像平面，微透镜和空间滤波器阵列的下端面固定有第二物体平面；所述的投影面固定于第二镜头的下方，投影面上固定有点阵列；经DMD芯片反射的光束依次经过第一物体平面、第一镜头、第一成像平面、微透镜和空间滤波器阵列、第二物体平面、第二镜头和点阵列，最终将生成的倾斜点阵列投影到投影面上。
进一步地，所述的位移平台包括液槽、刮板、工作台、工作箱、弹簧和升降台，其中，所述的液槽用于盛载光敏树脂材料；所述的工作箱、弹簧和升降台均位于液槽内，工作箱和升降台通过若干根弹簧连接；所述的工作台的上端面设置有刮板，工作台固定在液槽的开口处；所述的升降台连接XYZ三轴控制系统；所述的点阵列投影到工作箱上。
进一步地，所述的位移平台还包括电源，所述的电源设置在三轴运动控制器上，用于控制弹簧的伸缩。
进一步地，所述的工作箱的材料采用轻型铁质；所述的工作箱的长宽小于液槽长宽的1/2，工作箱的高度加弹簧的极限压缩高度小于工作台高度，工作箱的高度加弹簧正常状态下的高度大于工作台的高度。
进一步地，所述的DMD倾斜扫描系统还包括光滤波器，所述的光滤波器设置在光源的前方，用于挑选出所需的波长。
一种DMD倾斜扫描的3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：
S1：曝光准备阶段：计算机控制三轴运动控制器工作，升降台带动工作箱沿 Z轴下降一定高度，刮板在工作箱内匀涂一层光敏树脂材料，此时，电源通电，弹簧得电压缩，工作箱与工作台分离，工作箱暴露在光敏树脂材料中；
S2：倾斜点阵列形成阶段：计算机控制DMD芯片倾斜一个小角度，利用物镜组将经过DMD芯片反射的均匀光路转变成一组倾斜点阵列；
S3：扫描曝光阶段：计算机控制三轴运动控制器工作，此时电源断电，升降台断电，工作箱在弹簧回复力的作用下回到初始高度，扫描步骤S2中得到的倾斜点阵列，光敏树脂材料在工作箱与工作台形成的封闭空间内在XY面运动，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；
S4：重复步骤S1-S3,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。
进一步地，步骤S3相关参数包括：短轴点阵列像素数量N，长轴点阵列像素数量M，点阵列在平行与扫描方向的直线上相互重叠的重复量K，光斑尺寸 dsp，光斑间距d，倾斜角度θ和最小水平分量X，其中，
所述的光斑尺寸dsp是微透镜和空间滤波器阵列的焦距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的光斑间距d是DMD芯片间距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的倾斜角度θ的计算公式如下：
所述的最小水平分量X的计算公式如下：
X＝dsinθ
扫描正常方向上的点重叠率计算公式如下：
扫描方向上的点重合率计算公式如下：
其中，Fr是DMD芯片帧频，Vs是扫描速度。
进一步地，本发明所述的第一镜头的孔径，第二镜头的孔径随着期望成型物体的不同而变化。
进一步地，本发明所述的三轴运动控制器是市面上常见的运动控制器，能够实现升降台在X轴,Y轴,Z轴运动。
进一步地，本发明采用DMD倾斜扫描系统，将均匀光路转变成一组倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光能够产生线条或图案。
进一步地，本发明所述的物镜组中设置有微透镜和空间滤波器阵列，使投影的均匀光路变成理想的点阵列，提高期望成型物体的表面光滑程度。
进一步地，本发明采用扫描曝光成型，实现在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型物体，大幅度提高重复打印效率；也可以在单个幅面重复打印多个期望成型物体，提高单幅打印面积。
进一步地，本发明中每一层曝光面均进行了光固化，减少由于固化不充分带来的二次固化。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：(1)采用DMD倾斜扫描系统，将均匀光路转变成一组倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光能够产生线条或图案；(2)物镜组中设置有微透镜和空间滤波器阵列，使投影的均匀光路变成理想的点阵列，提高期望成型物体的表面光滑程度；(3)采用扫描曝光成型，实现在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型物体，大幅度提高重复打印效率；也可以在单个幅面重复打印多个期望成型物体，提高单幅打印面积； (4)每一层曝光面均进行了光固化，减少由于固化不充分带来的二次固化。
附图说明
图1为本发明一实施例一种DMD倾斜扫描的3D打印装置的系统示意图；
图2为本发明一实施例DMD倾斜扫描系统示意图；
图3为本发明一实施例点阵列工作原理图；
图4为本发明一实施例工作箱匀涂状态示意图；
图5为本发明一实施例工作箱曝光状态示意图；
其中，1控制系统；2DMD倾斜扫描系统；3位移平台；4光滤波器；11计算机；12三轴运动控制系统；13电源；21光源；22反光镜；23DMD芯片；24 物镜组；31液槽；32刮板；33工作台；34工作箱；35弹簧；36升降台；241 第一物体平面；242第一成像平面；243微透镜和空间滤波器阵列；244第二物体平面；245点阵列；246投影面；247第一镜头；258第二镜头。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1至图5所示，一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，包括控制系统1， DMD倾斜扫描系统2和位移平台3，其中，所述的DMD倾斜扫描系统2固定于位移平台3之上，DMD倾斜扫描系统2、位移平台3均由所述的控制系统1 控制。
具体地，本实施例的工作过程如下：
S1：控制系统1控制位移平台3做好曝光准备；
S2：控制系统1控制DMD倾斜扫描系统2将均匀光路转变成一组倾斜点阵列；
S3：控制系统1控制位移平台3扫描步骤S2中得到的倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；
S4：重复步骤S1-S3,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，所述的控制系统1包括计算机11和三轴运动控制器12，其中，所述的计算机11的第一输出端连接DMD倾斜扫描系统2；所述的计算机11的第二输出端连接三轴运动控制器12的输入端，三轴运动控制器12的输出端连接位移平台3。
具体地，本实施例的工作过程如下：
S1：曝光准备阶段：计算机11控制三轴运动控制器12工作，三轴运动控制器12控制位移平台3做好曝光准备；
S2：倾斜点阵列形成阶段：计算机11控制DMD倾斜扫描系统2将均匀光路转变成一组倾斜点阵列；
S3：扫描曝光阶段：计算机11控制三轴运动控制器12工作，三轴运动控制器12控制位移平台扫3描步骤S2中得到的倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；
S4：重复步骤S1-S3,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。
实施例3
本实施例在实施例2的基础上，所述的DMD倾斜扫描系统2包括光源21、反光镜22、DMD芯片23和物镜组24，其中，所述的光源21、反光镜22和DMD 芯片23构成反射回路；所述的光源21发出的均匀光路经过反光镜22反射到DMD芯片23，再经过物镜组24生成一组倾斜的倾斜点阵列，所述的倾斜点阵列投影到位移平台3上。
具体地，所述的物镜组24包括第一物体平面241、第一成像平面242、微透镜和空间滤波器阵列243、第二物体平面244、点阵列245、投影面246、第一镜头247和第二镜头248，其中，所述的第一物体平面241固定于DMD芯片23 的反射面；所述的第一镜头247固定于微透镜和空间滤波器阵列243的上端面之上；所述的第二镜头248固定于微透镜和空间滤波器阵列243的下端面之下；所述的微透镜和空间滤波器阵列243的上端面固定有第一成像平面242，微透镜和空间滤波器阵列243的下端面固定有第二物体平面244；所述的投影面246固定于第二镜头248的下方，投影面246上固定有点阵列245；经DMD芯片23反射的光束依次经过第一物体平面241、第一镜头247、第一成像平面242、微透镜和空间滤波器阵列243、第二物体平面244、第二镜头248和点阵列245，最终将生成的倾斜点阵列投影到投影面246上。
具体地，所述的位移平台3包括液槽31、刮板32、工作台33、工作箱34、弹簧35和升降台36，其中，所述的液槽31用于盛载光敏树脂材料；所述的工作箱34、弹簧35和升降台36均位于液槽内，工作箱34和升降台36通过三根弹簧35连接；所述的工作台34的上端面设置有刮板32，工作台33固定在液槽 31的开口处；所述的升降台36连接XYZ三轴控制系统12；所述的倾斜点阵列投影到工作箱34上。
具体地，所述的位移平台3还包括电源13，所述的电源13设置在三轴运动控制系统12上，用于控制弹簧35的伸缩。
具体地，所述的工作箱34的材料采用轻型铁质；所述的工作箱34的长宽小于液槽31长宽的1/2，工作箱34的高度加弹簧35的极限压缩高度小于工作台33的高度，工作箱34的高度加弹簧35正常状态下的高度大于工作台33的高度。
具体地，所述的DMD倾斜扫描系统还包括光滤波器4，所述的光滤波器4 设置在光源13的前方，用于挑选出所需的波长。
具体地，本实施例的工作过程如下：
S1：曝光准备阶段：计算机11控制三轴运动控制器12工作，升降台36带动工作箱34沿Z轴下降一定高度，刮板32在工作箱34内匀涂一层光敏树脂材料，此时，电源13通电，弹簧35得电压缩，工作箱34与工作台33分离，工作箱34暴露在光敏树脂材料中；
S2：倾斜点阵列形成阶段：计算机11控制DMD芯片23倾斜一个小角度，利用物镜组24将经过DMD芯片23反射的均匀光路转变成一组倾斜点阵列；
S3：扫描曝光阶段：计算机11控制三轴运动控制器12工作，此时电源13 断电，升降台36断电，工作箱34在弹簧35回复力的作用下回到初始高度，扫描步骤S2中得到的倾斜点阵列，光敏树脂材料在工作箱34与工作台33形成的封闭空间内在XY面运动，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；
S4：重复步骤S1-S3,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。
具体地，步骤S3相关参数包括：短轴点阵列像素数量N，长轴点阵列像素数量M，点阵列在平行与扫描方向的直线上相互重叠的重复量K，光斑尺寸dsp，光斑间距d，倾斜角度θ和最小水平分量X，其中，
所述的光斑尺寸dsp是微透镜和空间滤波器阵列的焦距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的光斑间距d是DMD芯片间距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的倾斜角度θ的计算公式如下：
所述的最小水平分量X的计算公式如下：
X＝dsinθ
扫描正常方向上的点重叠率计算公式如下：
扫描方向上的点重合率计算公式如下：
其中，Fr是DMD芯片帧频，Vs是扫描速度。
具体地，本发明所述的第一镜头的孔径，第二镜头的孔径随着期望成型物体的不同而变化。
具体地，本发明所述的三轴运动控制器12是市面上常见的运动控制器，能够实现升降台在X轴,Y轴,Z轴运动。
具体地，本实施例中采用DMD倾斜扫描系统2，将均匀光路转变成一组倾斜点阵列，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光能够产生线条或图案。
具体地，本实施例所述的物镜组24中设置有微透镜和空间滤波器阵列243，使投影的均匀光路变成理想的点阵列，提高期望成型物体的表面光滑程度。
具体地，本实施例采用扫描曝光成型，实现在一次成型过程中打印大幅面积的期望成型物体，大幅度提高重复打印效率；也可以在单个幅面重复打印多个期望成型物体，提高单幅打印面积。
具体地，本实施例中每层曝光面都进行光固化，减少由于固化不充分而带来的二次固化。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：包括控制系统，DMD倾斜扫描系统和位移平台，其中，所述的DMD倾斜扫描系统固定于位移平台之上，DMD倾斜扫描系统、位移平台均由所述的控制系统控制。
2.根据权利要求1所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的控制系统包括计算机和三轴运动控制器，其中，所述的计算机的第一输出端连接DMD倾斜扫描系统；所述的计算机的第二输出端连接三轴运动控制器的输入端，三轴运动控制器的输出端连接位移平台。
3.根据权利要求2所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的DMD倾斜扫描系统包括光源、反光镜、DMD芯片和物镜组，其中，所述的光源、反光镜和DMD芯片构成反射回路；
所述的光源发出的均匀光路经过反光镜反射到DMD芯片，再经过物镜组生成一组倾斜的倾斜点阵列，所述的倾斜点阵列投影到位移平台上。
4.根据权利要求3所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的物镜组包括第一物体平面、第一成像平面、微透镜和空间滤波器阵列、第二物体平面、点阵列、投影面、第一镜头和第二镜头，其中，所述的第一物体平面固定于DMD芯片的反射面；所述的第一镜头固定于微透镜和空间滤波器阵列的上端面之上；所述的第二镜头固定于微透镜和空间滤波器阵列的下端面之下；所述的微透镜和空间滤波器阵列的上端面固定有第一成像平面，微透镜和空间滤波器阵列的下端面固定有第二物体平面；所述的投影面固定于第二镜头的下方，投影面上固定有点阵列；
经DMD芯片反射的光束依次经过第一物体平面、第一镜头、第一成像平面、微透镜和空间滤波器阵列、第二物体平面、第二镜头和点阵列，最终将生成的倾斜点阵列投影到投影面上。
5.根据权利要求4所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的位移平台包括液槽、刮板、工作台、工作箱、弹簧和升降台，其中，所述的液槽用于盛载光敏树脂材料；所述的工作箱、弹簧和升降台均位于液槽内，工作箱和升降台通过若干根弹簧连接；所述的工作台的上端面设置有刮板，工作台固定在液槽的开口处；所述的升降台连接XYZ三轴控制系统；所述的点阵列投影到工作箱上。
6.根据权利要求5所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的位移平台还包括电源，所述的电源设置在三轴运动控制器上，用于控制弹簧的伸缩。
7.根据权利要求6所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的工作箱的材料采用轻型铁质；所述的工作箱的长宽小于液槽长宽的1/2，工作箱的高度加弹簧的极限压缩高度小于工作台高度，工作箱的高度加弹簧正常状态下的高度大于工作台的高度。
8.根据权利要求1所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置，其特征在于：所述的DMD倾斜扫描系统还包括光滤波器，所述的光滤波器设置在光源的前方，用于挑选出所需的波长。
9.根据权利要求6或7所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印装置的打印方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：曝光准备阶段：计算机控制三轴运动控制器工作，升降台带动工作箱沿Z轴下降一定高度，刮板在工作箱内匀涂一层光敏树脂材料，此时，电源通电，弹簧得电压缩，工作箱与工作台分离，工作箱暴露在光敏树脂材料中；
S2：倾斜点阵列形成阶段：计算机控制DMD芯片倾斜一个小角度，利用物镜组将经过DMD芯片反射的均匀光路转变成一组倾斜点阵列；
S3：扫描曝光阶段：计算机控制三轴运动控制器工作，此时电源断电，升降台断电，工作箱在弹簧回复力的作用下回到初始高度，扫描步骤S2中得到的倾斜点阵列，光敏树脂材料在工作箱与工作台形成的封闭空间内在XY面运动，倾斜点阵列上的亮点之间的重叠曝光产生线条或图案，并进行光固化，完成一层曝光面；
S4：重复步骤S1-S3,逐层完成曝光面，最终成型为期望物体。
10.根据权利要求9所述的一种DMD倾斜扫描的3D打印方法，其特征在于：步骤S3相关参数包括：短轴点阵列像素数量N，长轴点阵列像素数量M，点阵列在平行与扫描方向的直线上相互重叠的重复量K，光斑尺寸dsp，光斑间距d，倾斜角度θ和最小水平分量X，其中，
所述的光斑尺寸dsp是微透镜和空间滤波器阵列的焦距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的光斑间距d是DMD芯片间距与物镜组缩放倍数的乘积；
所述的倾斜角度θ的计算公式如下：
所述的最小水平分量X的计算公式如下：
X＝dsinθ
扫描正常方向上的点重叠率计算公式如下：
扫描方向上的点重合率计算公式如下：
其中，Fr是DMD芯片帧频，Vs是扫描速度。
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