CN110001054A - 具有冷却功能的3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种具有冷却功能的3D打印机。该3D打印机包括：贮槽，其构造为在其中储存光固化液体树脂；床，其构造为支撑成形物体；床转移单元，其构造为沿竖直方向移动床；光投射单元，其构造为将激光线性地投射到储存在贮槽中的光固化液体树脂，以将光固化液体树脂固化为成形物体；光投射单元转移单元，其构造为移动光投射单元；控制单元，其构造为控制光投射单元、光投射单元转移单元和床转移单元的操作；以及冷却单元，其构造为消散从光投射单元生成的热。

Description

具有冷却功能的3D打印机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月4日提交的韩国专利申请No.2018-0001066的优先权和权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及使用通过将激光投射到光固化液体树脂来成形三维物体的线性激光源的三维(“3D”)打印机，并且更具体地，涉及具有用于冷却线性激光源的冷却功能的3D打印机。
背景技术
通常，为了制造具有3D形状的原型，众所周知的是实体模型制造方法和基于CNC铣削的制造方法等。
然而，实体模型制造方法是手动执行的，从而难以执行精确的数字控制且执行该方法花费大量时间。尽管基于CNC铣削的制造方法能够执行精确的数字控制，但是由于工具干涉，存在许多难以使用基于CNC铣削的制造方法加工的产品。
近年来，出现了所称的3D打印方法，其中，产品设计者使用CAD或CAM创建3D建模数据，并且使用所生成的数据制造具有3D形状的原型。这种3D打印方法被应用于各种领域，比如工业、生活和医学。
3D打印机是用于通过类似于2D打印机输出材料的连续层以及堆叠连续层来制造物体的设备。这种3D打印机能够基于数字化绘图信息快速制造物体，并且主要用于制造原型样本等。
使用3D打印机的产品模制方法包括使用立体光刻设备(SLA)或选择性激光熔化法(SLM)的光固化树脂成形方法，在立体光刻设备中，使用激光扫描光固化材料以将被激光扫描的部分成形为物体，在选择性激光熔化法中，热塑性细丝被熔化并堆叠。
在使用3D打印机的模制方法中，光固化树脂成形型3D打印机构造为通过将激光投射到其中储存有光固化液体树脂的贮槽以使液体树脂固化来模制3D物体。
这里，用于投射激光的光投射装置被构造为使得检流计镜安装在激光源和在其中模制3D物体的床之间，并且在执行检流计镜的X-Y轴线控制且同时执行床的Z轴线控制的同时模制该3D物体。
然而，在这种常规的3D打印机中，由于经受X-Y轴线控制的检流计镜的结构，光投射装置的尺寸增大，并且由于检流计镜和床的控制，控制器的构造变得复杂。
此外，激光投射装置生成大量的热量，从而需要一种用于冷却激光投射装置而不会大大增加激光投射装置的整体尺寸的装置。
发明内容
本公开是为了解决以上描述的问题而做出的，并且本公开的一方面是提供一种具有冷却功能的3D打印机，其能够使装置的尺寸最小化且去除由光源产生的热量。
根据上述方面，本公开提供了一种具有冷却功能的3D打印机。该3D打印机包括：贮槽，其构造为在其中储存光固化液体树脂；床，其构造为可在贮槽内沿竖直方向移动并支撑成形物体；床转移单元，其构造为在竖直方向上移动床；光投射单元，其构造为将激光沿着贮槽的纵向方向线性地投射到储存在贮槽中的光固化液体树脂，以便将光固化液体树脂固化为成形物体；光投射单元转移单元，其构造为在贮槽的宽度方向上移动光投射单元；控制单元，其构造为控制光投射单元、光投射单元转移单元和床转移单元的操作；以及冷却单元，其安装在光投射单元的一侧，并且构造为消散从光投射单元生成的热量。
光投射单元可以包括：光投射单元主体，其固定到光投射单元转移单元，以被沿贮槽的宽度方向转移；激光二极管，其嵌入在光投射单元主体中，并且构造为沿一个方向投射激光；多面镜，其嵌入在光投射单元主体中，并且构造为在旋转的同时沿贮槽的纵向方向线性地反射从激光二极管投射的激光；以及折射镜，其安装在光投射单元主体内，并且构造为将从多面镜反射的激光折射到贮槽内的光固化液体树脂。
另外，光投射单元可以进一步包括：柱面透镜，其构造为将从激光二极管投射的激光会聚在多面镜的反射表面上；第一F-θ透镜，其安装在多面镜和折射镜之间，并且构造为将从多面镜的反射表面反射的激光朝向贮槽会聚；以及第二F-θ透镜，其安装在第一F-θ透镜和折射镜之间，并且构造为将从多面镜的反射表面反射的激光朝向贮槽会聚。
多面镜可以包括旋转轴，该旋转轴垂直于贮槽内的液体树脂的表面布置，以便具有平行于液体树脂的表面的旋转平面。
光投射单元可以进一步包括：光束探测传感器，其构造为接收从多面镜反射的激光，以便确定成形物体的图像数据的输出开始位置；以及光束探测镜，其构造为将从多面镜反射的激光反射到光束探测传感器。
多个激光二极管可以设置成在围绕多面镜的一个点的周向方向以预定间隔彼此间隔开，并且所述多个激光二极管可以投射激光，使得激光叠加在多面镜的该一个点上。
冷却单元可以包括：散热风扇，其设置在光投射单元主体的一侧的板上；以及珀耳帖热电元件，其设置在所述板和散热风扇之间，并且构造为从板吸收热量以及通过散热风扇热量排放热量。
这里，冷却单元可以进一步包括安装在珀耳帖热电元件和散热风扇之间的散热器，并且散热器可以通过由塑料材料制成的螺栓固定到板上，并且板可以由金属材料制成。
根据本公开的具有冷却功能的3D打印机具有如下结构：其中，从光投射单元投射的激光束在线性地形成的同时沿水平方向移动。因此，与在检流计镜上执行X-Y轴线控制的常规类型相比，可以简化设备的结构，由此可以减少激光的投射时间，从而减少3D物体的成形时间。
根据本公开，冷却单元设置在光投射单元主体的一侧。因此，可以有效地消散从光投射单元生成的热量。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本公开的以上和其它方面、特征和优点将更加明显，在附图中：
图1是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的透视图；
图2是根据本公开的具有冷却功能的3D打印机在另一方向上观察的透视图；
图3是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的正视图；
图4是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的侧视图；
图5是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的床和床转移单元的透视图；
图6是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的光投射单元转移单元的透视图；
图7是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的光投射单元的透视图；
图8是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的光投射单元的内部的透视图；以及
图9是示出了根据本公开的具有冷却功能的3D打印机的光投射单元的冷却装置的透视图。
具体实施方式
参照图1至4，根据本公开的具有冷却功能的3D打印机包括：贮槽100，其构造为在其中储存光固化液体树脂；床200，其构造为在贮槽100内在其上支撑模制的物体；床转移单元300，其构造为转移床200；光投射单元400，其构造为将激光投射到光固化液体树脂，以便将光固化液体树脂固化为成形物体；光投射单元转移单元500，其构造为移动光投射单元400；以及控制单元600，其构造为控制光投射单元400、光投射单元转移单元500和床转移单元300的操作。
贮槽100安装在主体框架10的上侧部分上，并且在其中储存光固化液体树脂。
床200用于支撑模制的物体，即3D物体，该物体通过用激光固化光固化液体树脂而制成。床200构造为可通过床转移单元300在贮槽100内沿竖直方向移动。
床转移单元300包括竖直转移轨道310以及可沿竖直转移轨道310在竖直方向上移动的转移构件320。竖直转移轨道310竖直地安装在主体框架10的一个侧表面上。转移构件320的一个端部构造为可沿竖直转移轨道310竖直地移动，并且转移构件320的另一端部与床200接合，以使床200沿竖直方向移动(参见图5)。
光投射单元400根据设置在储存在贮槽100中的光固化液体树脂中的图案投射激光，以便将光固化液体树脂固化成三维模制的物体。这里，光投射单元400构造为在贮槽100的纵向方向上线性地投射激光，并且可通过光投射单元转移单元500在贮槽100的宽度方向上移动。
光投射单元转移单元500包括水平转移轨道510以及可沿水平方向(即贮槽的沿着水平转移轨道510的宽度方向)移动的移动板520。水平转移轨道510沿主体框架10的左表面和右表面水平地安装。移动板520安装在一对水平移动轨道510之间，并且通过连接至驱动带530的齿轮马达540沿水平移动轨道510移动。另外，光投射单元400固定在移动板520的上表面上(参见图6)。
控制单元600安装在主体框架10的左表面上，并且基于关于输入的模制的物体的数据控制光投射单元400、光投射单元转移单元500和床转移单元300的操作，使得生成输入的模制的物体。
参照图7至9，光投射单元400包括在其中具有预定空间的光投射单元主体410、安装在光投射单元主体410内部的激光二极管420、多面镜430和折射镜440。
光投射单元主体410固定在光投射单元转移单元500的移动板520上，并与移动板520一起在贮槽100的宽度方向上移动。
激光二极管420嵌入在光投射单元主体410中，并且沿安装多面镜430的方向投射激光。这里，激光二极管420投射具有约350nm至420nm的波长和约600mW至1000mW的输出的紫外光。
多面镜430嵌入在光投射单元主体410中，并且在由马达431旋转的同时反射从激光二极管420投射的激光。这里，多面镜430包括六个反射表面，并且马达431以20,000rpm至43,000rpm的速度旋转多面镜430。这里，多面镜430安装在光投射单元主体410中，使得多面镜430的旋转轴线垂直于填充在贮槽100中的液体树脂的表面。因此，多面镜430的旋转平面平行于液体树脂的表面而设置。如图9中所示，通过多面镜430的旋转，从多面镜430反射的激光在贮槽100的纵向方向上线性地反射。
同时，可以在围绕多面镜430的反射表面的一个点R的周向方向上设置多个激光二极管420并使它们以预定间隔彼此间隔开。激光二极管420投射激光，使得激光叠加在多面镜430的反射表面上的一个点上，从而通过反射表面投射到贮槽100中的光固化树脂的激光的输出增加，使得光固化成形速度与激光的输出成比例地增加。
如图8中所示，折射镜440设置在光投射单元400的内部，并且用于将从多面镜430反射的激光朝向贮槽100内的光固化液体树脂折射。
通过这种构造，从激光二极管420投射的高输出且短波长的激光被多面镜430反射，以在贮槽100的纵向方向上形成线性激光束L，并且可以在水平移动光投射单元400的同时将激光投射到2D平面中。另外，可以通过在竖直地移动床200的同时将激光束投射到3D成形物体来成形3D成形物体。
这里，根据本公开的光固化树脂成形型3D打印机构造为使得，从光投射单元400投射的激光从具有平行于储存在贮槽100中的液体树脂的表面的旋转平面的多面镜430反射，并且在形成线性激光束的同时沿水平方向移动。因此，与在检流计镜上执行X-Y轴线控制的常规类型相比，可以简化设备的结构，与使用具有相对于液体树脂的表面在倾斜或垂直方向上布置的旋转平面的多面镜的常规类型相比，可以提高多面镜的旋转质量和寿命，并且可以减少激光的投射时间，从而减少3D物体的成形时间。另外，由于仅控制光投射单元转移单元500和床转移单元300，因此可以以简单构造实现控制单元600。
优选地，光投射单元400可以包括透镜450、461和462(例如，柱面透镜450、第一F-θ透镜461和第二F-θ透镜462)，以便使从激光二极管420投射的激光束会聚。
柱面透镜450安装在激光二极管420和多面镜430之间，并且在竖直方向上将激光会聚在多面镜430的反射表面上。第一F-θ透镜461安装在多面镜430和折射镜440之间，并且将从多面镜430的反射表面反射的激光朝向贮槽会聚。第二F-θ透镜462安装在第一F-θ透镜461和折射镜440之间，并且将从多面镜430的反射表面反射的激光朝向贮槽会聚。这里，第一F-θ透镜461和第二F-θ透镜462由一组两个透镜构成，从而会聚的激光具有至的尺寸。
光投射单元400可以进一步包括光束探测传感器470和光束探测镜471，使得控制单元600能够确定成形物体的图像数据的输出开始位置。
光束探测传感器470接收从多面镜430反射的激光，并且将光接收信息传递到控制单元600。光束探测镜471将从多面镜430反射的激光朝向光束探测传感器470反射。然后，控制单元600基于接收自光束探测传感器470的光接收信息确定成形物体的图像数据的输出开始位置。也就是说，控制单元600用于使各个成形层的刻胶(resist)同步。
另一方面，由于作为光投射单元的光源的激光二极管420因其高输出而产生热量，因此除非在其上执行适当的冷却和散热，否则不能保持其性能。为此原因，根据本公开的具有冷却功能的3D打印机具有用于冷却功能的构造。
具体而言，激光二极管420压配合到光投射单元主体410的一侧上的板490，以便消散从光投射单元400生成的热量。因此，板490需要由金属材料而不是塑料材料制成。在光投射单元主体410的一侧的板490设置有散热风扇482，以便冷却激光二极管420。这里，已经证实使用散热风扇482的空气冷却方法在室温环境中没有明显的问题。然而，在约28至30℃的高温环境中，仅利用散热风扇482不能实现充分的冷却。为了补偿散热风扇482的冷却效果，根据本公开的具有冷却功能的3D打印机可以进一步包括安装在光投射单元主体410的板490和散热风扇482之间的珀耳帖热电元件491。珀耳帖热电元件491附接到板490，并且能够通过吸热反应吸收传递到板490的热量。另外，散热器492设置在珀耳帖热电元件491的另一侧，即，在珀耳帖热电元件491和散热风扇482之间。相应地，珀耳帖热电元件491的一个侧表面附接到板490以便吸收热量，并且珀耳帖热电元件491的另一侧表面与散热器492紧密接触以排放从板490消散的热量。这时，散热器492的热量可以通过散热风扇482排放到外部。
另一方面，散热器492通过螺栓493固定到板490，螺栓可以由塑料材料而不是金属制成，以用于有效散热。实际上，当螺栓493由金属材料制成时，来自散热器492的热量可以传输到板490侧，这导致散热效果的降低。然而，当螺栓493由塑料材料制成时，可以阻止来自散热器492的热量传输到板490侧，从而可以将冷却性能提高大约2℃。

Claims (8)

1.一种具有冷却功能的3D打印机，所述3D打印机包括：
贮槽，其构造为在其中储存光固化液体树脂；
床，其构造为能够在所述贮槽内沿竖直方向移动并支撑成形物体；
床转移单元，其构造为在竖直方向上移动所述床；
光投射单元，其构造为将激光沿着所述贮槽的纵向方向线性地投射到储存在所述贮槽中的光固化液体树脂，以便将所述光固化液体树脂固化为所述成形物体；
光投射单元转移单元，其构造为在所述贮槽的宽度方向上移动所述光投射单元；
控制单元，其构造为控制所述光投射单元、所述光投射单元转移单元和所述床转移单元的操作；以及
冷却单元，其安装在所述光投射单元的一侧上，并且构造为消散从所述光投射单元生成的热量。
2.根据权利要求1所述的3D打印机，其中，所述光投射单元包括：
光投射单元主体，其固定到所述光投射单元转移单元，以便被沿着所述贮槽的宽度方向转移；
激光二极管，其嵌入在所述光投射单元主体中，并且构造为沿一个方向投射激光；
多面镜，其嵌入在所述光投射单元主体中，并且构造为在旋转的同时沿所述贮槽的纵向方向线性地反射从所述激光二极管投射的激光；以及
折射镜，其安装在所述光投射单元主体内，并且构造为将从所述多面镜反射的激光折射至所述贮槽内的光固化液体树脂。
3.根据权利要求2所述的3D打印机，其中，所述光投射单元进一步包括：
柱面透镜，其构造为将从所述激光二极管投射的激光会聚在所述多面镜的反射表面上；
第一F-θ透镜，其安装在所述多面镜和所述折射镜之间，并且构造为将从所述多面镜的反射表面反射的激光朝向所述贮槽会聚；以及
第二F-θ透镜，其安装在所述第一F-θ透镜和所述折射镜之间，并且构造为将从所述多面镜的反射表面反射的激光朝向所述贮槽会聚。
4.根据权利要求2所述的3D打印机，其中，所述多面镜包括设置成垂直于所述贮槽内的液体树脂的表面的旋转轴，使得具有平行于所述液体树脂的表面的旋转平面。
5.根据权利要求2所述的3D打印机，其中，所述光投射单元进一步包括：
光束探测传感器，其构造为接收从所述多面镜反射的激光，以便确定所述成形物体的图像数据的输出开始位置；以及
光束探测镜，其构造为将从所述多面镜反射的激光反射到所述光束探测传感器。
6.根据权利要求2所述的3D打印机，其中，多个激光二极管设置成在围绕所述多面镜的一个点的周向方向上以预定间隔彼此间隔开，并且所述多个激光二极管投射激光，使得所述激光叠加在所述多面镜的所述一个点上。
7.根据权利要求2所述的3D打印机，其中，所述冷却单元包括：散热风扇，其设置在所述光投射单元主体的一侧的板上；以及珀耳帖热电元件，其设置在所述板和所述散热风扇之间，并且构造为从所述板吸收热量并通过所述散热风扇排放热量。
8.根据权利要求7所述的3D打印机，其中，所述冷却单元进一步包括安装在所述珀耳帖热电元件和所述散热风扇之间的散热器，并且所述散热器通过由塑料材料制成的螺栓固定到所述板上，并且所述板由金属材料制成。
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