CN110421842A - 一种光固化三维成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光固化三维成形装置及方法。包括刚性框架，刚性框架顶部设有顶板，刚性框架内设有液槽，液槽的开口与顶板嵌合；Z向直线模组竖直固定于顶板上，Z向直线模组的工作台上设有成形基板，且成形基板可在Z向直线模组驱动下在液槽中垂直运动；X向直线模组水平固定于顶板上，X向直线模组的工作台通过支架与旋转成像元件连接，X向直线模组可通过支架驱动旋转成像元件在液槽中沿成形基板底部做平移扫描。本发明结构简单、机械布局灵活，固化物的生成和剥离均发生在线状区域内，光固化收缩应力小、剥离力小，固化与剥离过程同步完成，易于在各种类型的高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及三维打印领域，尤其是一种光固化三维成形装置及方法。
背景技术
光固化三维成形技术采用特定波长光线，按区域选择性激发光敏树脂发生固化反应，得到单层图案化固化物，并通过连续逐层固化以及固化时的层间粘合作用，实现从单层图案化固化物向复杂三维形体的累积，该方法具有成形速度快、表面质量好、成形装置结构简单的优势，已发展为三维增材制造领域主流成形方法之一。现有光固化三维成形设备根据固化液面位置不同，分为上液面固化和下液面固化两大类别；前者将图案投射到光敏树脂上液面，上液面固化后下沉没入液槽，液体流动形成的新液面以继续下一层固化；后者将图案投射到液槽透明底部的下液面，下液面固化物同时附着在已固化物与液槽透明底之间，将固化物从液槽透明底上剥离后，光敏树脂重新流动并充满液槽透明底部以继续下一层光固化。
在上液面光固化设备中，单层图案化固化物是光学图案激发光敏树脂液槽上表面固化反应所生成的，因此光敏树脂液槽上表面的液面平整度决定了所生成固化物的平整度，液位高度偏差直接诱发固化尺寸偏差、轮廓清晰度降低，进而影响光固化三维成形效果。而实践中光敏树脂液槽上表面极易受机械振动、气流、工作台搅动等因素影响，产生波动且难以平复，同时由于透明度关系，光敏树脂液槽液位的精确控制尚存在较大工程难度。这些因素导致了上液面光固化设备普遍具有成形平整度差、成像质量低的局限。对下液面光固化设备而言，成像元件发出的光学图案必须穿透刚性和柔性成像界面，才能作用到光敏树脂中，曝光效率底；而且每一层下液面固化后，固化物必须从液槽透明底剥离，且不能损伤固化物及其与上一层固化物间的粘结强度。这两个矛盾是所有下液面光固化设备所面临的公共难题。目前，针对下液面固化物从液槽透明底上剥离的需求，虽然已形成了竖直强迫剥离、液槽倾斜剥离、柔性底重力垂挂剥离等解决方案，但还无法完全满足高效率光固化三维成形设备对曝光效率、剥离速度以及剥离可靠性等需求。在光固化三维成形领域，尚缺少一种不依赖液面平整度与液位精度，可在液槽内直接曝光生成高精度固化物，并可将固化物快速、可靠剥离的光固化三维成形方法。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构合理、可在液槽内直接曝光生成高精度固化物，并可将固化物快速、可靠剥离的光固化三维成形装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种光固化三维成形装置，包括刚性框架，刚性框架顶部设有顶板，刚性框架内设有液槽，液槽的开口与顶板嵌合；Z向直线模组竖直固定于顶板上，Z向直线模组的工作台上设有成形基板，且成形基板可在Z向直线模组驱动下在液槽中垂直运动；X向直线模组水平固定于顶板上，X向直线模组的工作台通过支架与旋转成像元件连接，X向直线模组可通过支架驱动旋转成像元件在液槽中沿成形基板底部做平移扫描，平移扫描过程中旋转成像元件可沿自身轴线自转。
作为优选，所述旋转成像元件包括内定子和外转子，其中内定子与支架刚性连接，外转子与内定子采用旋转支撑连接；外转子表面设有均匀分布的行列像素点阵，行列像素点阵的行方向与旋转成像元件的轴向一致，行列像素点阵的列方向与外转子的圆周方向一致。
作为优选，支架上连有铲刮组件，铲刮组件紧密贴合在外转子表面。
作为优选，光固化控制器分别与Z向直线模组、X向直线模组、旋转成像元件连接。
一种光固化三维成形方法，包括以下步骤：液槽中注入光敏液态高分子物料，Z向直线模组驱动成形基板，以调整已固化物与旋转成像元件顶部的间隙为单层固化厚度，X向直线模组通过支架驱动旋转成像元件，沿成形基板平面方向进行平移扫描；旋转成像元件已扫描区域生成的本层固化物，在旋转成像元件平移及自转作用下，从旋转成像元件表面区域剥离，并附着在已固化物下表面；当前扫描位置所生成的线状固化物与已扫描区域的本层固化物紧密排列，并将在当前显示表面转出顶部区域时与显示表面剥离，同时显示表面的图案显示关闭，新的显示表面转入顶部区域并开启图案显示，以生成新的线状固化物；上述步骤在旋转成像元件的平移扫描及自转过程中持续进行，直至完成当前层全部区域的光固化。
开始光固化前，先向液槽中注入光敏液态高分子物料，光固化控制器发出位移信号至X向直线模组，控制X向直线模组驱动旋转成像元件平移至成形基板成形区域边缘一侧；光固化控制器发出位移信号至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板垂直定位至旋转成像元件上方，并保持成形基板与旋转成像元件顶部的间隙为单层固化厚度；光固化控制器发出图案显示信号、旋转信号至旋转成像元件，使得旋转成像元件处于图案显示关闭、旋转停止的状态。
进行第一层光固化时，光固化控制器发出位移信号至X向直线模组，控制X向直线模组驱动旋转成像元件从成形区域边缘一侧向另一侧匀速移动；光固化控制器发出旋转信号至旋转成像元件，控制旋转成像元件匀速转动，并保持旋转线速度大小与X向直线模组移动速度相同、方向与X向直线模组移动方向相反；光固化控制器发出第一层光固化图案数据至旋转成像元件，控制旋转成像元件将第一层光固化图案滚动显示在旋转成像元件顶部，亦即与成形基板相切的线形区域；旋转成像元件到达成形区域另一侧后，光固化控制器关闭X向直线模组、关闭旋转成像元件转动及图案显示，第一层光固化过程结束，所生成第一层固化物附着在成形基板下表面。
第一层光固化过程中的任意瞬间，旋转成像元件与成形基板相切的顶部区域，根据X向直线模组实时位置显示该扫描部位对应的局部光固化图案，所显示局部光固化图案作用到与成形基板间隙处的光敏液态高分子物料上，激发光固化反应进而生成线状固化物，所生成线状固化物附着在成形基板下表面与旋转成像元件上表面之间；在旋转成像元件平移及自转作用下，所生成线状固化物从旋转成像元件表面机械性剥离，进而只附着在成形基板下表面；旋转成像元件连续转动时，转入顶部区域的成像表面，不断根据X向直线模组实时位置刷新显示相应扫描区域的局部光固化图案，并生成与光固化图案形状一致的线状固化物；转出顶部区域的成像表面，不断与刚生成的线状固化物剥离并关闭图案显示；X向直线模组驱动旋转成像元件匀速通过成形区域后，旋转成像元件顶部区域生成的线状固化物在成形基板下表面连续密集排列，形成单层固化厚度的平面状固化物，整个固化与剥离过程通过旋转成像元件的图案滚动显示与平移、自转运动同步完成。
进行后续层光固化前，光固化控制器发出位移信号至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板向上移动单层固化厚度，使得上一层固化物与旋转成像元件顶部的缝隙距离为单层固化厚度；光固化控制器发出位移信号至X向直线模组，控制X向直线模组驱动旋转成像元件从当前位置返回至上一层固化起始位置；光固化控制器发出旋转信号至旋转成像元件，控制旋转成像元件的旋转线速度大小与X向直线模组移动速度相同、方向与X向直线模组移动方向相反；光固化控制器发出当前层光固化图案数据至旋转成像元件，控制旋转成像元件将当前层光固化图案滚动显示在与上一层固化物相切的顶部区域；旋转成像元件到达上一层固化起始位置后，光固化控制器关闭X向直线模组、关闭旋转成像元件的图案显示及自转，当前层光固化过程结束，所生成固化物附着在上一层固化物下表面；上述固化过程逐层实施，每一层光固化所生成的单层固化物在成形基板下表面逐层累加、直至构成完整的三维形体。
本发明的旋转成像元件自转时，仅在与成形基板或上一层固化物相切的顶部区域显示局部光固化图案，以激发该区域光敏液态物料发生光固化反应，进而生成线状固化物；本发明的旋转成像元件，自转线速度与X向直线模组扫描速度大小相等、方向相反，其顶部区域生成的线状固化物，在平移及自转运动作用下从表面不断剥离，剥离可靠、无滞后；本发明的旋转成像元件，与成形基板或上一层固化物非相切区域不显示光固化图案，不会生成游离于成形基板外的固化物，进而遮盖成像表面、碰撞损伤成形基板上的固化物。
本发明的旋转成像元件在液槽中直接曝光生成固化物，所生成固化物的位置与姿态由旋转成像元件与成形基板或上一层固化物的相对位置关系决定，而不局限于传统光固化设备中的上液面和下液面；本发明的旋转成像元件，其表面显示的光学图案无需再次穿透刚性或柔性界面，以对液槽中的光敏液态高分子物料进行曝光，不仅曝光效率高，而且对液槽稳定度要求低、运行维护简便，可免除下液面光固化设备中繁复的柔性透明底膜清洗及更换，也可避免上液面光固化设备中液面波动对成形质量与精度的不利影响。
本发明X向直线模组驱动旋转成像元件做扫描光固化的方向，与Z向直线模组驱动成形基板做逐层累积光固化的方向，不受限于传统光固化设备中的水平、垂直布局，Z向直线模组可沿任意倾斜角度固定，X向直线模组只需确保旋转成像元件的扫描固化方向平行于成形基板平面即可。
本发明结构简单、机械布局灵活，固化物的生成和剥离均发生在线状区域内，光固化收缩应力小、剥离力小，固化与剥离过程同步完成，易于在各种类型的高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。
附图说明
图1是本发明的总体外部结构示意图；
图2是本发明的总体结构示意图的透视图；
图3是旋转成像元件的安装结构示意图
图4是旋转成像元件的结构示意图；
图5是旋转成像元件的剖视图；
图6是本发明工作过程及单层光固化示意图；
图7是本发明的控制信号连接图；
附图标记说明：刚性框架1，顶板2，液槽3，Z向直线模组4，成形基板5，X向直线模组6，旋转成像元件7，内定子71，外转子72，行列像素点阵73，铲刮组件74，支架8，光敏液态高分子物料9，已固化物10，本层固化物11，表面区域12，当前扫描位置13，线状固化物14，显示表面15，新的显示表面16，新的线状固化物17，光固化控制器20。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：一种光固化三维成形装置，如图1、2所示，刚性框架1顶部有顶板2，刚性框架1内有液槽3，液槽3的开口嵌合在顶板2上；Z向直线模组4竖直固定在顶板2上，Z向直线模组4的工作台上有成形基板5，且成形基板5可在Z向直线模组4驱动下浸入液槽2中，或从液槽2中升起；X向直线模组6水平固定在顶板2上，X向直线模组6的工作台通过支架8与旋转成像元件7连接，且旋转成像元件7浸入液槽2中，X向直线模组6可通过支架8驱动旋转成像元件7沿成形基板5平面方向做平移扫描；平移扫描前，Z向直线模组4可驱动成形基板5竖直定位，以调整成形基板5与旋转成像元件7的间距；平移扫描过程中，旋转成像元件7可在支架8上沿自身轴线自转，并可根据X向直线模组6的实时位置在其与成形基板5相切区域滚动显示光固化图案。
如图3-5所示，旋转成像元件7为外转子结构，其内定子71与支架8刚性连接，其外转子72与内定子采用旋转支撑连接，外转子72可在电信号驱动下绕内定子71受控转动，且转动方向与转动速度精确可调；外转子72表面有均匀分布的行列像素点阵73，且行列像素点阵73的行方向与旋转成像元件7的轴向一致，行列像素点阵73的列方向与外转子72的圆周方向一致；行列像素点阵73的所有行与外转子72表面的圆周角度均有唯一对应关系，旋转成像元件7可根据该对应关系以及外转子72的实时转角位置，精确定位当前与成形基板5相切区域的像素行，并可单独控制该区域像素行的图案显示内容；支架8与铲刮组件74连接，铲刮组件74紧密贴合在外转子72表面，外转子72转动时，铲刮组件74可清除外转子72表面附着的异物，以保持行列像素点阵73的清洁。
如图7所示，光固化控制器20与Z向直线模组4连接，光固化控制器20与X向直线模组6连接，光固化控制器20与旋转成像元件7连接；光固化控制器20发出电信号至Z向直线模组4，以控制Z向直线模组4带动成形基板5，以及附着在成形基板5下表面的已固化物10做竖直定位运动；光固化控制器20发出电信号至X向直线模组6，以控制X向直线模组6带动旋转成像元件7，在成形基板5和已固化物10表面做平移扫描运动；光固化控制器20发出电信号至旋转成像元件7，以控制旋转成像元件7外表行列像素点阵73，在与成形基板5或已固化物10相切的顶部区域滚动显示光固化图案，从而激发该区域光敏液态高分子物料9的光固化反应；光固化控制器20发出电信号至旋转成像元件7，以控制旋转成像元件7按线速度大小与X向直线模组6相同、方向与X向直线模组6相反的方式自转。
一种光固化三维成形方法，如图6所示，液槽2中有光敏液态高分子物料9，Z向直线模组4驱动成形基板5，以调整已固化物10与旋转成像元件7顶部的间隙为单层固化厚度，X向直线模组6通过支架8驱动旋转成像元件7，沿成形基板5平面方向进行平移扫描；旋转成像元件7已扫描区域生成的本层固化物11，在旋转成像元件7平移及自转作用下，从旋转成像元件7表面区域12剥离、附着在已固化物10下表面；当前扫描位置13所生成的线状固化物14与已扫描区域的本层固化物11紧密排列，并将在当前显示表面15转出顶部区域时与显示表面15剥离，同时显示表面15的图案显示关闭、显示表面16转入顶部区域并开启图案显示，以生成新的线状固化物17；上述环节在旋转成像元件7的平移扫描及自转过程中持续进行，直至完成当前层全部区域的光固化；平移扫描过程中，旋转成像元件7自转线速度与平移扫描速度一致、方向相反。
本发明中的光固化反应生成单层固化物的位置可位于液槽中任意位置，而不局限于上液面和下液面。因此，X向直线模组和Z向线性模组的布局灵活，逐层成形方向可根据应用场景自由设计；本发明的光固化三维成形方法，其旋转成像元件表面显示的光学图案对光敏液态高分子物料直接曝光，而无需透过其它成像界面，成像精度高、曝光效率高；本发明的光固化三维成形方法，其固化物的生成与剥离均在与平移扫描方向垂直的线状区域内完成、光固化应力小、剥离力小，易于生成高精度微细结构的固化物；本发明的光固化三维成形方法，其单层固化物的生成与剥离通过旋转成像元件的平移与自转运动完成，平移扫描完成时，单层固化物的生成与剥离即完成，无需额外等待时间。
本发明中的液槽无需采用高精度液位控制、无需维持高稳定度液面平整状态；本发明的光固化三维成形方法，无需向液槽中注入过量光敏液态高分子物料以实现底膜重力压迫剥离，无需采用刚性或柔性透明底结构，光敏液态高分子物料利用率高，液槽清洗与更换光敏液态高分子物料操作简便、快捷。
本发明的旋转成像元件除本实施例中表面均匀分布的行列像素方式，亦可采用固定角度指向线状显示元件与透明滚筒外壳的组合结构；旋转成像元件自转时，仅外部透明滚筒外壳转动、内部的线状显示元件位置固定不动，使得图案显示区域始终位于旋转成像元件表面的固定角度位置。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种光固化三维成形装置，包括刚性框架(1)，其特征是：刚性框架(1)顶部设有顶板(2)，刚性框架(1)内设有液槽(3)，液槽(3)的开口与顶板(2)嵌合；Z向直线模组(4)竖直固定于顶板(2)上，Z向直线模组(4)的工作台上设有成形基板(5)，且成形基板(5)可在Z向直线模组(4)驱动下在液槽(2)中垂直运动；X向直线模组(6)水平固定于顶板(2)上，X向直线模组(6)的工作台通过支架(8)与旋转成像元件(7)连接，X向直线模组(6)可通过支架(8)驱动旋转成像元件(7)在液槽(2)中沿成形基板(5)底部做平移扫描，平移扫描过程中旋转成像元件(7)可沿自身轴线自转。
2.根据权利要求1所述的光固化三维成形装置，其特征是：所述旋转成像元件(7)包括内定子(71)和外转子(72)，其中内定子(71)与支架(8)刚性连接，外转子(72)与内定子(71)采用旋转支撑连接；外转子(72)表面设有均匀分布的行列像素点阵(73)，行列像素点阵(73)的行方向与旋转成像元件(7)的轴向一致，行列像素点阵(73)的列方向与外转子(72)的圆周方向一致。
3.根据权利要求2所述的光固化三维成形装置，其特征是：支架(8)上连有铲刮组件(74),铲刮组件(74)紧密贴合在外转子(72)表面。
4.根据权利要求1、2或3所述的光固化三维成形装置，其特征是：光固化控制器(20)分别与Z向直线模组(4)、X向直线模组(6)、旋转成像元件(7)连接。
5.一种采用权利要求1所述装置的光固化三维成形方法，包括以下步骤：液槽(2)中注入光敏液态高分子物料(9)，Z向直线模组(4)驱动成形基板(5)，以调整已固化物(10)与旋转成像元件(7)顶部的间隙为单层固化厚度，X向直线模组(6)通过支架(8)驱动旋转成像元件(7)，沿成形基板(5)平面方向进行平移扫描；旋转成像元件(7)已扫描区域生成的本层固化物(11)，在旋转成像元件(7)平移及自转作用下，从旋转成像元件(7)表面区域(12)剥离，并附着在已固化物(10)下表面；当前扫描位置(13)所生成的线状固化物(14)与已扫描区域的本层固化物(11)紧密排列，并将在当前显示表面(15)转出顶部区域时与显示表面(15)剥离，同时显示表面(15)的图案显示关闭，新的显示表面(16)转入顶部区域并开启图案显示，以生成新的线状固化物(17)；上述步骤在旋转成像元件(7)的平移扫描及自转过程中持续进行，直至完成当前层全部区域的光固化。
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