CN110370625B - 一种提升dlp光固化增材制造效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升DLP光固化增材制造效率的方法，涉及增材制造技术领域，包括：1)构建测量标准件，选用材料对测量标准件模型进行打印，确认所选材料的成形特征，并得到所选材料的成形性质参数；2)确定所选材料的成形性质相关的参数B和材料达到临界固化状态所需吸收能量的时间tT之间的关系；3)使用紫外吸收剂调整所选材料成形性质，获得紫外吸收剂浓度cd对成形性质的定量影响；4)重复步骤2)和步骤3)，得到不同紫外光吸收剂浓度cd下的B值和tT值，得到参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式；5)通过步骤4)得到的关系式得到相关参数B和时间tT，对待打印的模型进行打印。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种提升DLP光固化增材制造效率的方法。
背景技术
DLP(Digital light procession)全称是“数字光处理”技术。基于DMD芯片反射紫外光的成像原理，以光敏树脂为原料，通过以下步骤进行增材制造：
1、CAD技术构造数字模型；
2、通过软件将模型进行需要层高的切片操作；
3、特定波长紫外光通过DMD芯片的反射投射出电脑输入的图案，辐照光敏树脂层；
4、照射由层厚决定的时间使得光敏树脂从液体转变成固体；
5、打印平台抬升一定距离后落下到抬升层厚高度位置；
6、重复步骤3到步骤5的过程逐层固化，最后完成模型的制造。
DLP打印过程中的每一个打印循环中都可以被分成三个阶段：
1、紫外光照射，溶液被激发到临界激发态；
2、紫外光持续曝光，溶液从临界激发态开始发生固化；
3、固化结束，溶液回到未激发状态。
传统的DLP打印过程为了使得每层的打印都被精确控制，在打印中间会有一段时间用来使得溶液状态在两层打印之间恢复未激发状态。而恢复到未激发状态的溶液在下次固化时仍会经过上面所述的三个阶段。而重复的能量变化消耗了大量的时间，影响了打印的效率。
Science上针对以上的问题发表的文章Continuous liquid interfaceproduction of 3D objects提出了一种CLIP的方法，所采用的透明薄膜是AF2400所制成的氧离子交换膜。通过氧离子的存在形成成形死区来实现连续打印。这样的方法防止了材料的重复被激发和回到未激发状态。但是这样的氧离子交换膜成本很高，且这样的材料国内无法购得。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种提升DLP光固化增材制造效率的方法，消除溶液能量状态的重复变化，完成一种在现有任意DLP打印平台都能实现的打印方法，降低成本，提高打印速度，并且通过紫外线吸收剂可控调节成形参数。
为了实现上述目的，本发明提供的提升DLP光固化增材制造效率的方法包括以下步骤：
1)构建测量标准件，选用材料对测量标准件模型进行打印，确认所选材料的成形特征，并得到所选材料的成形性质参数；
2)确定所选材料的成形性质相关的参数B和材料达到临界固化状态所需吸收能量的时间tT之间的关系；
3)使用紫外吸收剂调整所选材料成形性质，获得紫外吸收剂浓度cd对成形性质的定量影响；
4)重复步骤2)和步骤3)，得到不同紫外光吸收剂浓度cd下的B值和tT值，得到参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式；
5)通过步骤4)得到的关系式得到相关参数B和时间tT，对待打印的模型进行打印。
上述技术方案中，通过标准件模型打印确认材料成形特征，根据理论推导和数据拟合获得材料的成形性能。根据求得的打印成形性能细化固化过程，将传统打印的“光照固化——平台抬升——平台下降”的打印循环进行优化，无需对材料进行重复激发和光照，利用理论推得的材料性质优化了整个打印过程，极大的提高了打印的效率和模型成形的保真度。而理论推得的材料成形性质可以通过紫外吸收剂进行参数化调整。
上述技术方案可使用进行快速光固化DLP 3D打印设备，包括紫外光源、光导管、成像系统包括DMD驱动模组、镜头、反射镜、料槽以及运动部分，运动部分包括成像移动平台和z轴移动模组。紫外光源包含235nm到405nm宽范围紫外波长，可根据光固化材料的需要经过滤光片对波长进行选择。DMD驱动模组分辨率为1920*1080，满足微米级别的制造需要。镜头由紫外熔融石英定制，可实现小幅面成像。反射镜采用镀铝反射镜增强紫外光波段的反射。料槽与液体接触一侧有特氟龙膜作为离型膜，实现成形部分抬升时和料槽的分离。成像移动平台由铝合金加工而成，材料成形时可以与平台粘接，平台同z轴移动模组相连，可随之移动。z轴移动模组，使用步进电机，步长最小为10μm。紫外线吸收剂通过加入溶液中的比例的调节从而定量化的调节成形参数。
作为优选，步骤2)中，参数B和时间tT之间的关系如下：
其中，h表示固化厚度，K是同光固化树脂性质相关的参数，c是吸光物质的浓度，将其统一到参数B中，t是对应h厚度固化所需要的时间。
作为优选，步骤4)中，参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式分别为：
和
tT＝K4+K5·cd
其中，K1、K2、K3、K4以及K5是和光固化树脂成分相关的参数。
作为优选，步骤4)中，通过线性拟合的方式得到参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式。
作为优选，步骤5)中，对待打印的模型进行打印的过程包括：
5-1)利用紫外光照射光固化树脂，照射时间为步骤5)中得到的tT；
5-2)光固化树脂吸收足够能量被激发到临界激发状态，紫外光继续照射，照射时间为一定固化层厚下对应的照射时间t与tT的差，紫外光照射的液体转变成固化固体；
5-3)重复步骤5-2)，直至模型完全打印完毕。
作为优选，紫外吸收剂使用亮蓝。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的打印方法通过对任意材料的材料性质进行探究，优化了原有的传统的低效DLP打印方法，减少了材料的重复固化，减少了材料的过固化，减少了总打印时间，提高了效率，且可以实现高效高质量的打印，并且可以根据实际需要人为调整成形参数，拓宽了成形范围。避免使用CLIP方法提到的氧离子膜但是实现了快速打印，成本得到了控制。
附图说明
图1为本发明实施例所使用的打印设备的组成部分结构示意图；
图2为本发明实施例中用于材料成形性质测试模型的结构示意图，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为俯视图，(d)为立体图；
图3是本发明实施例中所使用打印设备实现本发明的打印方法的原理图；
图4是本发明实施例的打印过程原理图。
图中序号：
1、电脑；2、z轴移动平台；3、调整系统；4、反射镜；5、DMD芯片；6、成像镜头；7、料槽；8、成像移动平台；9、紫外光源；10、成形厚度测量段；11、成形厚度支撑段；12、光路；13、光固化液滴；14、未激发状态光固化树脂；15、紫外光；16、预固化光固化树脂；17、固体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例使用图1所示的三维DLP打印平台进行打印，通过调整系统3和成像镜头6的配合，使得光路12经过成像镜头6后可以在成像移动平台8上形成分辨率达到要求的图像，但不限于本平台，下投式的DLP打印设备皆可实现本发明涉及到的方法，本方法并不由设备限制。
本实施例在实现时需要z轴移动平台2、DMD芯片5同电脑相连进行同步控制。
本实施例基于对材料的成形性质的了解和分析，需要进行材料成形性质的探究，使用图1所示的DLP打印设备进行传统方式的打印图2所示的模型。
图2中涉及到的模型分为成形厚度测量段10和成形厚度支撑段11。
步骤1：将图2模型的打印分成两个部分，电脑1通过软件将图2涉及到的模型进行切片，首先打印成形厚度支撑段11。在完成了成形厚度支撑段11的打印后，成像移动平台8向上移动相应的距离，将光固化液滴13去除，更换需要测量的材料液滴，成像移动平台8向下移动一段距离回复到抬升前位置。电脑1将成形厚度测量段10的图案输送给DMD芯片5，控制紫外光源9照射时间，将这一图案经过反射镜4，传递到料槽7底部，对需要测量的材料液滴进行确定时间的照射，光照结束成像移动平台8向上移动，取下图2所示模型，对成形厚度测量段进行厚度测试。
以上步骤可得确定材料固化相应厚度所需时间，根据已有公式可得
其中h表示固化厚度，K是同光固化树脂性质相关的参数，c是吸光物质的浓度，可以统一到一个和材料相关的参数B中，而tT表示材料达到临界固化状态所需要吸收能量的时间，也和材料成分相关。t是对应h厚度固化所需要的时间。在紫外光源9的辐照密度稳定的情况下，紫外光的辐照时间和紫外光的能量是成正比的。所以可以用时间t来代替固化所需要吸收的能量。
步骤2：通过改变成形厚度测量段10成形材料中紫外光吸收剂的浓度cd，重复步骤1中所述的过程，得到不同紫外光吸收剂浓度下的B值和tT值，对紫外光吸收剂浓度cd分别和这两个值进行拟合，可以得到
tT＝K4+K5·cd (3)
在光固化树脂成分确定时，K1、K2、K3、K4以及K5是和光固化树脂成分相关的参数，可以通过调整cd的值从而调整B和tT的数值。
步骤3：在确定了B和tT数值后，固化过程如图4所示分成三个阶段。
阶段(1)：紫外光15照射料槽7中的未激发状态光固化树脂14，此时的未激发状态光固化树脂14是处于未激发状态，成像移动平台8和料槽7间隔一个切片层厚厚度，紫外光15照射时间为公式1中的tT；
阶段(2)：在阶段(1)照射后，未激发状态光固化树脂14吸收足够能量被激发到预固化光固化树脂16，进入第(2)阶段，紫外光15继续照射料槽7，照射时间为公式1中涉及到的固化层厚h对应的照射时间t和tT的差，从而使固化完全，紫外光照射的液体转变成固化固体17；
阶段(3)：出现固体17后进入第三阶段，成像移动平台8向上移动一个切片层厚高度。之后重复阶段(2)到阶段(3)，直至模型完成打印。
Claims (4)
1.一种提升DLP光固化增材制造效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)构建测量标准件，选用材料对测量标准件模型进行打印，确认所选材料的成形特征，并得到所选材料的成形性质参数；
2)确定所选材料的成形性质相关的参数B和材料达到临界固化状态所需吸收能量的时间tT之间的关系；该步骤中参数B和时间tT之间的关系如下：
其中，h表示固化厚度，K是同光固化树脂性质相关的参数，c是吸光物质的浓度，将其统一到参数B中，t是对应h厚度固化所需要的时间；
3)使用紫外吸收剂调整所选材料成形性质，获得紫外吸收剂浓度cd对成形性质的定量影响；
4)重复步骤2)和步骤3)，得到不同紫外光吸收剂浓度cd下的B值和tT值，得到参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式；该步骤中参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式分别为：
和
tT＝K4+K5·cd
其中，K1、K2、K3、K4以及K5是和光固化树脂成分相关的参数；
5)通过步骤4)得到的关系式得到相关参数B和时间tT，对待打印的模型进行打印。
2.根据权利要求1所述的提升DLP光固化增材制造效率的方法，其特征在于，步骤5)中，对待打印的模型进行打印的过程包括：
5-1)利用紫外光照射光固化树脂，照射时间为步骤5)中得到的tT；
5-2)光固化树脂吸收足够能量被激发到临界激发状态，紫外光继续照射，照射时间为一定固化层厚下对应的照射时间t与tT的差，紫外光照射的液体转变成固化固体；
5-3)重复步骤5-2)，直至模型完全打印完毕。
3.根据权利要求1所述的提升DLP光固化增材制造效率的方法，其特征在于，步骤4)中，通过线性拟合的方式得到参数B、时间tT与紫外吸收剂浓度cd的关系式。
4.根据权利要求1所述的提升DLP光固化增材制造效率的方法，其特征在于，所述的紫外吸收剂使用亮蓝。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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