CN110142959A - 一种快速确定dlp光敏树脂3d打印曝光时间参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，S1，对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片；S2，将待处理图片分割为若干个测试区域；S3，对每个测试区域进行位图灰度变换；S4，获得测试块；S5，对各测试块进行二次固化；S6，获得各测试块的尺寸误差；S7，获得各测试块的最优尺寸误差；S8，获得与最优尺寸误差对应的灰度补偿值Q；S9，获得测试块最优尺寸误差对应的实际功率W，S10，获得最优尺寸误差对应的实际固化激光能E；S11，获得最优尺寸误差所需要的单层曝光时间。本发明避免了大量重复实验确定单层曝光时间的盲目性和不确定性，避免了重复实验对贵重材料的浪费；采用Dino‑Lite显微镜测量DLP测试块的尺寸偏差，较传统的打印精度评价方法更具科学性和准确性。

Description

一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法
技术领域
本发明属于增材制造光固化快速成型技术领域，特别是一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法。
背景技术
DLP光敏树脂3D打印为光固化快速成型技术的一种，其打印原理是以通过掩膜曝光或紫外光扫描，使液态的光敏树脂发生聚合反应,产生固化层；然后升降平台移动一个切片层厚的距离，固化下一层，重复上述步骤直至整个模型固化完成。DLP光敏树脂3D打印以成本低廉、成型速度快、打印精度高等特点，广泛应用在生物医疗、精密铸造、以及航空制造业的单件小批量生产或快速原型制造等领域。
在DLP成型中，工艺参数(包括温度、基板成型时间、光照均匀度、单层固化深度、单层曝光时间等)对打印精度有重要的影响。现有的研究表明：温度过高或过低都会对打印精度造成影响，一般设置为材料的固化温度和室温之间；基板成型时间的设置主要目的是使树脂材料与成型基板发生粘黏，使后期的打印过程不会发生脱落，对成型件的精度没有直接影响；单层固化深度对打印精度的影响主要体现在光机的投影像的分辨率上，深度设置越小，打印精度越高，一般设置为DMD芯片最高投影精度下的最小厚度为0.02mm。
对于单层曝光时间参数，对于同一款光敏树脂材料在不同的打印设备和打印环境下，单层曝光时间的大小往往有较大的差异。对于传统的方法确定单层曝光时间需要进行多次打印实验，且光敏树脂材料一般比较昂贵，在进行多次实验时不仅浪费材料，且费时耗力。
发明内容
本发明要解决的是传统方法确定DLP光敏树脂3D打印单层曝光时间确定的盲目性及不确定性，从而提供一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，为光固化快速成型中工艺参数的制定提供了依据和参考，有助于推进我国增材制造技术的发展。
本发明所采用的技术方案为：
一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，步骤如下：
S1，对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片。
采用CreationWorkshop软件对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片。
S2，将待处理图片分割为若干个测试区域；
根据像素将待处理图片分割为若干个测试区域，根据实际测试需要进行划分，本发明划分为16个。
S3，对每个测试区域进行位图灰度变换，使每个测试区域的光强不相同且成梯度变换。
采用MATLAB通过改变每个测试区域的灰度值，进而改变每个测试区域的光强大小；
设待处理图片有w×h个像素，对每个像素定义一个灰度值Hij，灰度值范围为[0,255]，进而，在MATLAB中，通过改变灰度值矩阵H可调节曝光平面内不同区域内的光强。
为实现一次实验打印不同光强下的试样，本发明在一个待处理图片中分割成16个试样投影区域，通过Matlab编程分别改变每个区域的灰度值如下表所示，进而改变每个试样的光强大小，此次梯度为15。
255 240 225 210
195 180 165 150
135 120 105 90
75 60 45 30
S4，获得测试块；
使用3D打印设备一次打印获得各测试区域对应的测试块，各测试块仅灰度不同；一次打印16个测试块，节省时间。
S5，对各测试块进行二次固化；
由于打印出的测试块的表面仍残留有少量的未固化完全的液态光敏树脂材料，所首先需要对打出的测试块用无水乙醇擦拭干净，然后将测试块放入紫外光固化箱中进行二次固化，以得到更加质硬的测试块。
S6，用Dino-Lite显微镜测量获得各测试块的尺寸误差。
用Dino-Lite显微镜分别测量各测试块在X方向和Y方向上的尺寸大小，为减小测量误差，分别对X方向和Y方向进行3次测量取其平均值。
S6.1，获得各测试块在x方向上的尺寸误差δx：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；li为第i次打印的测试块在x方向上的长度，l0为标准样块在x方向上的长度，为8mm；
S6.2，获得各测试块在y方向上的尺寸误差δy：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；bi为第i次打印的测试块在y方向上的长度，b0为标准样块在y方向上的长度，为8mm。
S7，获得各测试块的最优尺寸误差。
S7.1，通过步骤S6，得到各测试块中最小尺寸误差。
S7.2，将获得的最小尺寸误差与标准误差ε进行比较，若得到的最小尺寸误差小于等于标准误差ε，则当前最小尺寸误差为最优尺寸误差；否则，构造以当前最小尺寸误差对应的灰度补偿值为中心的灰度范围，并改变灰度梯度重复步骤S3-S6，直至得到最优尺寸误差。
S8，获得与最优尺寸误差对应的灰度补偿值Q；
S9，根据步骤S8，获得测试块最优尺寸误差对应的实际功率W；
式中，Q为测试块二次固化后在X、Y方向上尺寸误差最优时所对应的灰度补偿值；Qmax为最大的灰度补偿值；W1为光机最大固化功率。
S10，获得最优尺寸误差对应的实际固化激光能E；
E＝Wt1
式中，t1为初次设置的单层曝光时间，以确保光敏树脂固化成型；W为最优尺寸误差对应的实际功率；
S11，获得最优尺寸误差所需要的单层曝光时间：
式中，E为最优尺寸误差对应的实际固化激光能；W1为光机的最大固化功率。
本发明避免了大量重复实验确定单层曝光时间的盲目性和不确定性，避免了重复实验对贵重材料的浪费；采用Dino-Lite显微镜测量DLP测试块的尺寸偏差，较传统的打印精度评价方法更具科学性和准确性；本发明的研究成果对DLP光敏树脂3D打印设备的研发及工艺参数的制定提供了依据和参考，有助于推进我国智能制造技术的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为通过在DLP控制器中添加灰度补偿值，将投影区域划分为16等份的示意图。
图2为传统的实验方法确定打印精度最高时的单层曝光时间图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，步骤如下：
S1，对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片。
采用CreationWorkshop软件对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片。
S2，将待处理图片分割为若干个测试区域，如图1所示；
根据像素将待处理图片分割为若干个测试区域，根据实际测试需要进行划分，本发明划分为16个。
S3，对每个测试区域进行位图灰度变换，使每个测试区域的光强不相同且成梯度变换。
采用MATLAB通过改变每个测试区域的灰度值，进而改变每个测试区域的光强大小；
设待处理图片有w×h个像素，对每个像素定义一个灰度值Hij，灰度值范围为[0,255]，进而，在MATLAB中，通过改变灰度值矩阵H可调节曝光平面内不同区域内的光强。
为实现一次实验打印不同光强下的试样，本发明在一个待处理图片中分割成16个试样投影区域，通过Matlab编程分别改变每个区域的灰度值如下表所示，进而改变每个试样的光强大小，梯度为15。
255 240 225 210
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135 120 105 90
75 60 45 30
S4，获得测试块；
使用3D打印设备一次打印获得各测试区域对应的测试块，各测试块仅灰度不同；一次打印16个测试块，节省时间。
S5，对各测试块进行二次固化；
由于打印出的测试块的表面仍残留有少量的未固化完全的液态光敏树脂材料，所首先需要对打出的测试块用无水乙醇擦拭干净，然后将测试块放入紫外光固化箱中进行二次固化，以得到更加质硬的测试块。
S6，获得各测试块的尺寸误差；
用Dino-Lite显微镜分别测量各测试块在X方向和Y方向上的尺寸大小，为减小测量误差，分别对X方向和Y方向进行10次测量取其平均值。
S6.1，获得各测试块在x方向上的尺寸误差δx：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；li为第i次打印的测试块在x方向上的长度，l0为标准样块在x方向上的长度，为8mm；
S6.2，获得各测试块在y方向上的尺寸误差δy：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；bi为第i次打印的测试块在y方向上的长度，b0为标准样块在y方向上的长度，为8mm。
S7，获得各测试块的最优尺寸误差。
S7.1，通过步骤S6，得到各测试块中最小尺寸误差。
S7.2，将获得的最小尺寸误差与标准误差ε进行比较，若得到的最小尺寸误差小于等于标准误差ε，则当前最小尺寸误差为最优尺寸误差；否则，构造以当前最小尺寸误差对应的灰度补偿值为中心的灰度范围，并改变灰度梯度重复步骤S3-S6，直至得到最优尺寸误差。
S8，获得与最优尺寸误差对应的灰度补偿值Q；
S9，根据步骤S8，获得测试块最优尺寸误差对应的实际功率W；
式中，Q为测试块二次固化后在X、Y方向上尺寸误差最优时所对应的灰度补偿值；Qmax为最大的灰度补偿值；W1为光机最大固化功率。
S10，获得最优尺寸误差对应的实际固化激光能E；
E＝Wt1
式中，t1为初次设置的单层曝光时间，以确保光敏树脂固化成型；W为最优尺寸误差对应的实际功率；
S11，获得最优尺寸误差所需要的单层曝光时间：
式中，E为最优尺寸误差对应的实际固化激光能；W1为光机的最大固化功率。
下面以一个具体事例对本发明进行说明。
对于增材制造技术中的光固化快速成型技术，由于不同种光敏树脂材料在实现高精度打印时，单层曝光时间参数往往存在较大的差异，因此本发明针对这一现象，取自行研制的光敏树脂材料CN-2000(主要由聚合物、光引发剂、稀释剂、以及颜料等组成)，紫外光固化波段为405nm，固化温度30℃，来进行本发明的具体实施方式的光敏树脂材料。
在DLP光敏树脂3D打印成型中，工艺参数(包括温度、基板成型时间、光照均匀度、单层固化深度、单层曝光时间等)对打印精度有重要的影响。其中温度过高或过低都会对打印精度造成影响，一般设置为材料的固化温度和室温之间；基板成型时间的设置主要目的是使树脂材料与成型基板发生粘黏，使后期的打印过程不会发生脱落，对成型件的精度没有直接影响；单层固化深度对打印精度的影响主要体现在光机的投影像的分辨率上，深度设置越小，打印精度越高，一般设置为DMD芯片最高投影精度下的最小厚度为0.02mm。
因此发明在DLP光敏树脂3D打印基本参数设置上，温度T设置为30℃，固化功率W1设置为17mw(用Multi probes LS 125UV Light Meter测量投影幅面的最大功率约为17mw)；基板层厚设置为0.1mm，基板层数设置为2层，基板成型时间设置为10s，单层固化深度设置为0.05mm。
1)单层曝光时间的快速确定
本发明是快速准确的确定打印精度最高时所对应的单层曝光时间，根据本发明，单层曝光时间t1首次为基板成型时间的一半以保证光敏树脂固化成型为5s，取测试块为8×8×8mm的正方体测试样块(方便后期的精度测量计算，且该测试块的大小在待处理图片划分后每个灰度补偿区域中)，由于灰度的调节范围为4×4的方形矩阵，补偿值的最大调节范围为255，所以其灰度补偿值的初次调节以15的梯度进行调节，以15为梯度改变16等分后每个区域的灰度补偿值如表1，其中最大的灰度补偿值为255MW/cm2。
表1
255 240 225 210
195 180 165 150
135 120 105 90
75 60 45 30
以一定梯度不同的灰度补偿值，对8×8×8mm的测试块模型进行打印，打印完成后，用无水乙醇擦拭干净样块模型表面残留的液态光敏树脂，并放入紫外光固化箱中对其进行二次固化，固化后用Dino-Lite显微镜测量测试块模型在X方向和Y方向上的尺寸大小，并计算出测试块在X、Y方向上的尺寸误差。
X方向上的尺寸误差：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；li为第i次打印的测试块在x方向上的长度，l0为标准样块在x方向上的长度，为8mm。
Y方向上的尺寸误差：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；bi为第i次打印的测试块在y方向上的长度，b0为标准样块在y方向上的长度，为8mm。
经测量计算后，发现灰度补偿值在105MW/cm2时，其打印样块在X、Y方向上的尺寸误差最小，但没有达到最理想的尺寸精度；为了减少实验和测量的误差，找出尺寸精度最高时所对应的灰度补偿值，以105MW/cm2为中心构造灰度区间[90,120]，以2的梯度进行调节如表2所示，通过进行二次打印测试，二次固化后，测量其测试块的尺寸精度，经测试发现在灰度补偿为100时所对应的尺寸误差最小并满足小于等于标准误差的条件。
表2
120 118 116 114
112 110 108 106
104 102 100 98
96 94 92 90
然后计算出在固化功率为17mw时，此种材料在本实验平台下，打印精度最高的理论单层曝光时间为1.96s。
然后使用传统的方法验证新方法的可靠性。
采用传统的方法对新方法进行验证，即在其它实验条件和基本打印参数不变的情况下，单层曝光时间的调节分别为1.5s，2s，2.5s，3s，3.5s，4s，4.5s进行打印实验，二次固化后，通过Dino-Lite显微镜测量其打印样块在X方向和Y方向的尺寸大小，并计算其尺寸误差的大小
X方向上的尺寸误差：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；li为第i次打印的测试块在x方向上的长度，l0为标准样块在x方向上的长度，为8mm。
Y方向上的尺寸误差：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；bi为第i次打印的测试块在y方向上的长度，b0为标准样块在y方向上的长度，为8mm。
经试验测量计算后，在此DLP光敏树脂3D打印平台下，环境温度设置为30℃,固化功率为17mw，单层固化深度为0.05mm时，CN-2000光敏树脂材料打印的单层曝光时间为2s时，如图2所示，其在X方向和Y方向上的尺寸误差最小，与本发明中通过计算得出的尺寸精度最高时的单层曝光时间一致。
本发明对增材制造领域中的光固化快速成型技术进行了深入的研究，发现光固化快速成型技术中单层曝光时间的确定是根据大量的重复实验进行反复的测试实验，具有很大的盲目性和不确定性，浪费材料的同时且耗时耗力。因此提出了一种快速确定单层曝光时间的新方法，有效的解决了传统方法确定单层曝光时间的盲目性。
采用Dino-Lite显微镜测量DLP打印试块的尺寸偏差，较传统的打印精度评价方法更具科学性和准确性；提出了一种基于灰度补偿的单层曝光时间快速制定新方法，避免了大量重复实验确定单层曝光时间的盲目性和不确定性，避免了重复实验对贵重材料的浪费；
本发明对DLP光敏树脂3D打印设备的研发及工艺参数的制定提供了依据和参考，有助于推进我国智能制造技术的发展。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，其特征在于，步骤如下：
S1，对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片；
采用CreationWorkshop软件对三维实体模型进行切片处理，得到待处理图片；
S2，将待处理图片分割为若干个测试区域；
根据像素将待处理图片分割为若干个测试区域；
S3，对每个测试区域进行位图灰度变换，使每个测试区域的光强不相同且成梯度变换；
采用MATLAB通过改变每个测试区域的灰度值，进而改变每个测试区域的光强大小；
S4，获得测试块；
使用3D打印设备一次打印获得各测试区域对应的测试块，各测试块仅灰度不同；
S5，对各测试块进行二次固化；
首先对打出的测试块用无水乙醇擦拭干净，然后将测试块放入紫外光固化箱中进行二次固化；
S6，用Dino-Lite显微镜测量获得各测试块的尺寸误差；
S7，获得各测试块的最优尺寸误差；
S8，获得与最优尺寸误差对应的灰度补偿值Q；
S9，根据步骤S8，获得测试块最优尺寸误差对应的实际功率W；
式中，Q为测试块二次固化后在X、Y方向上尺寸误差最优时所对应的灰度补偿值；Qmax为最大的灰度补偿值；W1为光机最大固化功率；
S10，获得最优尺寸误差对应的实际固化激光能E；
E＝Wt1
式中，t1为初次设置的单层曝光时间，以确保光敏树脂固化成型；W为最优尺寸误差对应的实际功率；
S11，获得最有尺寸误差所需要的单层曝光时间：
式中，E为最优尺寸误差对应的实际固化激光能；W1为光机的最大固化功率。
2.根据权利要求1所述的快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，其特征在于，在步骤S6中，具体步骤为：
S6.1，获得各测试块在x方向上的尺寸误差δx：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；li为第i次打印的测试块在x方向上的长度，l0为标准样块在x方向上的长度；
S6.2，获得各测试块在y方向上的尺寸误差δy：
式中，n为相同参数下打印测试块的次数；bi为第i次打印的测试块在y方向上的长度，b0为标准样块在y方向上的长度。
3.根据权利要求1或2所述的快速确定DLP光敏树脂3D打印曝光时间参数的方法，其特征在于，在步骤S7中，具体步骤为：
S7.1，通过步骤S6，得到各测试块中最小尺寸误差；
S7.2，将获得的最小尺寸误差与标准误差ε进行比较，若得到的最小尺寸误差小于等于标准误差ε，则当前最小尺寸误差为最优尺寸误差；否则，构造以当前最小尺寸误差对应的灰度补偿值为中心的灰度范围，并改变灰度梯度重复步骤S3-S6，直至得到最优尺寸误差。
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