CN110421845A - 一种基于并行机构的高精度sla激光3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D打印技术领域，涉及一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机。包括打印装置、SLA激光装置以及用于控制激光运动的基于Stewart平台的控制装置；所述的SLA激光装置设于控制装置的平台顶部；所述的打印装置包括升降机构、打印平台以及料槽；所述的打印平台通过连接件与升降机构连接，升降机构能够驱动打印平台上下移动；所述的料槽设于打印平台的正下方，所述的控制装置位于料槽的正下方。本发明结构简单、易于操作；激光头装在Stewart平台上实现激光束的各种角度转动扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化。且本装置精度高，没有误差的放大和累积，能实现误差的补偿；因此可以完成对精度要求高的激光3D打印机的零件制作。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地，涉及一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机。
背景技术
3D打印成为一种增量制造技术，凭借其零件技能生产，低成本的复杂多样化制造、制造定制等优势，已逐步应用于制造，医疗、航空、设计等多个领域。然而，为了提供一种稳定性好、打印速度快、打印精度高的3D打印机，支撑激光装置的结构大多数都是直角坐标结构或者并联三自由度的结构，市面上的3D打印结构过于单一，尚未看到运用Stewart平台实现高精度的3D打印。
当前关于SLA激光3D打印机主要的扫描方式有：一、振镜扫描，振镜式扫描系统采用高速往复伺服电动机带动X与Y两片微小反射镜片协调偏转反射激光束来达到光斑在整个平面上扫描的目的。它具有高速、高精度、性能稳定等优势，但存在光斑焦点不在加工面上的聚焦误差问题；另外，振镜式激光扫描存在扫描图形的线性失真和非线性失真，特别是当扫描区域较大时，严重影响了激光扫描的图形精度及加工质量。二、动态聚焦振镜激光扫描，依据光学杠杆原理设计动态聚焦扫描系统光学模型，激光束经动态聚焦系统再经两次镜面反射到达扫描场。在伺服电机的驱动下，动态聚焦镜在光路方向上做往复直线运动，实时补偿聚焦误差，从而保证光斑焦点的扫描场与工作场误差得到补偿。动态聚焦技术是近年来兴起的激光扫描聚焦误差补偿技术，有更有效的和更精准的补偿效果，并且支持的视场更大，价格上也相对来说更加昂贵。三、激光直接从上往下垂直射到料槽的液面上，并使液态光敏树脂在激光作用下固化成型，形成零件的一个薄层，通过电动机驱动使工作台下移一定距离，在固化好的树脂表面再敷上一层新液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复直到整个产品制造完毕。
综上所述，振镜扫描虽然具有高精度，但其是相对而言的，由于它是依靠振镜在微小平面上作角度振动，当产生误差时通过光路的放大形成误差叠加，这严重影响激光光路的精度；动态聚焦振镜的控制系统成本高，不利于大规模推广；而第三种则是直接通过激光扫描的方式，其驱动机构是工作台，所沿平面为x、y、z平面，无法避免误差积累。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中打印精度不高的缺陷，提供一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，有效提高3D打印的精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，包括打印装置、SLA激光装置以及用于控制激光运动的基于Stewart平台的控制装置；所述的SLA激光装置设于控制装置的平台顶部；所述的打印装置包括升降机构、打印平台以及料槽；所述的打印平台通过连接件与升降机构连接，升降机构能够驱动打印平台上下移动；所述的料槽设于打印平台的正下方，所述的控制装置位于料槽的正下方。激光装置采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓信息为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成一个薄层截面。制造过程依赖于激光束有选择性地固化连续薄层的光敏聚合物，通过分层固化，最终构造出三维物体。升降机构驱动打印平台下降到料槽中，当底部发出激光束时，透过料槽中的LCD屏幕照射在树脂中，使激光束在液体表面画出物品的第一层形态。第一层创建后，会起到固定的作用，通过升降机构使打印平台下移一定距离，这样就会有更多的液体感光树脂流到物品上面的第一层，这样再进行下一层的激光打印并固定。如此反复的过程直到打印出来我们设计出来的整个物品。
在本发明中，利用三维建模软件构建三维模型，机器对3D模型进行切片化处理，确定扫描路径；其次，Stewart平台控制装置按照程序控制舵机的多方位，多角度的转动带动动平台的激光装置对光敏树脂材料表面进行照射，照射过程为点到线、线到面，分层进行固化，直至成品出现；最后，将成品取出进行后期处理工作，如染色、喷漆。
本发明提供的打印机结构简单、易于操作，主要由打印装置、激光装置和基于Stewart平台的激光运动控制装置组成。激光头装在Stewart平台上实现激光束的各种角度转动扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化。且本装置精度高，没有误差的放大和累积，能实现误差的补偿；因此可以完成对精度要求高的激光3D打印机的零件制作。
进一步的，所述的料槽的底部为透明结构，料槽内还设有LCD屏幕。
进一步的，所述的升降机构包括导轨、螺杆、滑块、以及电机，所述的导轨和螺杆均竖向设置，所述的滑块套设在螺杆上，滑块的一侧与导轨的滑槽滑动连接；所述的电机与螺杆连接，驱动螺杆转动；所述的打印平台通过连接件固定在滑块上。电机驱动螺杆转动，滑块套设在螺杆上，且滑块还与导轨滑动连接，当螺杆转动时，由于滑块不能与螺杆一起转动，从而滑块只能沿着螺杆上下移动，打印平台与滑块连接，从而通过滑块实现驱动打印平台的升降运动。
进一步的，还包括支撑架，所述的支撑架包括第一平台、第二平台以及支撑杆；所述的第一平台和第二平台水平设置，第一平台与第二平台之间通过支撑杆连接；所述的升降机构、料槽均固定于第二平台上，所述的控制装置设于第一平台上。
进一步的，所述的第二平台上设有用于安装料槽的安装孔位，在安装孔位的四周设有用于固定料槽的连接件；所述的料槽放置于安装孔位中，通过连接件与第二平台连接固定。料槽通过连接件安装在安装孔位中，这样便于料槽的更换，通过安装孔位定位，在通过连接件固定，操作简单，可快速实现定位安装。
进一步的，所述的控制装置包括动平台、静平台、舵机、伸缩杆以及舵机臂；所述的舵机臂的一端与舵机的输出轴转动连接，另一端与伸缩杆转动连接，伸缩杆的另一端与动平台连接；所述的舵机按照Stewart平台的布置方式设于静平台上，所述的动平台相对于静平台具有6个自由度。Stewart平台是一种具有6自由度运动能力的并联机构，它由动平台、静平台两个平台和通过运动副连接的六个可伸缩的伸缩杆，动平台和伸缩杆之间使用六个球铰连接，伸缩杆的另一端再通过舵机臂与舵机连接，通过舵机驱动舵机臂和伸缩杆转动，从而带动动平台发生偏转。基于Stewart平台的精密定位平台具有移动部件惯量小，动态性能好，结构紧凑，无累计误差并具有较高的可靠性和重复性，将其作为高精度激光3D打印机的激光运动控制装置，即将激光装置置于Stewart平台机构上平台的中间位置，按照程序控制舵机以及舵机臂带动上平台的多方位，多角度的转动，由此顺序的连接，使整个传动机构形成一个整体，保证了运动的可靠稳定，为确保打印精度奠定了坚实基础，保证了激光直接从上往下垂直射到料槽的液面上的精度要求。
进一步的，所述的静平台包括第一静平台和第二静平台，第一静平台设于第二静平台的正上方，且与第二静平台相互平行设置，所述的舵机设于第一静平台与第二静平台之间的位置。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，结构简单、易于操作；激光头装在Stewart平台上实现激光束的各种角度转动扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化。且本装置精度高，没有误差的放大和累积，能实现误差的补偿；因此可以完成对精度要求高的激光3D打印机的零件制作。
附图说明
图1是本发明3D打印机整体结构示意图。
图2是本发明打印装置结构示意图。
图3是本发明控制装置爆炸分解图。
图4是本发明控制系统控制过程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；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。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1至3所示，一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，包括打印装置1、SLA激光装置2以及用于控制激光运动的基于Stewart平台的控制装置3；SLA激光装置2设于控制装置3的平台顶部；打印装置1包括升降机构11、打印平台12以及料槽13；料槽13的底部为透明结构，料槽13内还设有LCD屏幕；打印平台12通过连接件与升降机构11连接，升降机构11能够驱动打印平台12上下移动；料槽13设于打印平台12的正下方，控制装置3位于料槽13的正下方。激光装置2采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓信息为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成一个薄层截面。制造过程依赖于激光束有选择性地固化连续薄层的光敏聚合物，通过分层固化，最终构造出三维物体。升降机构11驱动打印平台12下降到料槽13中，当底部发出激光束时，透过料槽13中的LCD屏幕照射在树脂中，使激光束在液体表面画出物品的第一层形态。第一层创建后，会起到固定的作用，通过升降机构11使打印平台12下移一定距离，这样就会有更多的液体感光树脂流到物品上面的第一层，这样再进行下一层的激光打印并固定。如此反复的过程直到打印出来我们设计出来的整个物品。
在本发明中，如图4所示，利用三维建模软件构建三维模型，机器对3D模型进行切片化处理，确定扫描路径；其次，Stewart平台控制装置3按照程序控制舵机33的多方位，多角度的转动带动动平台31的激光装置2对光敏树脂材料表面进行照射，照射过程为点到线、线到面，分层进行固化，直至成品出现；最后，将成品取出进行后期处理工作，如染色、喷漆。
本发明提供的打印机结构简单、易于操作，主要由打印装置1、激光装置2和基于Stewart平台的激光运动控制装置3组成。激光头装在Stewart平台上实现激光束的各种角度转动扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化。且本装置精度高，没有误差的放大和累积，能实现误差的补偿；因此可以完成对精度要求高的激光3D打印机的零件制作。
如图2所示，升降机构11包括导轨111、螺杆112、滑块113、以及电机，导轨111和螺杆112均竖向设置，滑块113套设在螺杆112上，滑块113的一侧与导轨111的滑槽滑动连接；电机与螺杆112连接，驱动螺杆112转动；打印平台12通过连接件固定在滑块113上。电机驱动螺杆112转动，滑块113套设在螺杆112上，且滑块113还与导轨111滑动连接，当螺杆112转动时，由于滑块113不能与螺杆112一起转动，从而滑块113只能沿着螺杆112上下移动，打印平台12与滑块113连接，从而通过滑块113实现驱动打印平台12的升降运动。
在一些实施例中，如图1所示，3D打印机还包括支撑架4，支撑架4包括第一平台41、第二平台42以及支撑杆43；第一平台41和第二平台42水平设置，第一平台41与第二平台42之间通过支撑杆43连接；升降机构11、料槽13均固定于第二平台42上，控制装置3设于第一平台41上。
具体的，第二平台42上设有用于安装料槽13的安装孔位，在安装孔位的四周设有用于固定料槽13的连接件；料槽13放置于安装孔位中，通过连接件与第二平台42连接固定。料槽13通过连接件安装在安装孔位中，这样便于料槽13的更换，通过安装孔位定位，在通过连接件固定，操作简单，可快速实现定位安装。
如图3所示，控制装置3包括动平台31、静平台32、舵机33、伸缩杆34以及舵机臂35；舵机臂35的一端与舵机33的输出轴转动连接，另一端与伸缩杆34转动连接，伸缩杆34的另一端与动平台31连接；舵机33按照Stewart平台的布置方式设于静平台32上，动平台31相对于静平台32具有6个自由度。Stewart平台是一种具有6自由度运动能力的并联机构，它由动平台31、静平台32两个平台和通过运动副连接的六个可伸缩的伸缩杆34，动平台31和伸缩杆34之间使用六个球铰连接，伸缩杆34另一端再通过舵机臂35与舵机33连接，通过舵机33驱动舵机臂35和伸缩杆34转动，从而带动动平台31发生偏转。基于Stewart平台的精密定位平台具有移动部件惯量小，动态性能好，结构紧凑，无累计误差并具有较高的可靠性和重复性，将其作为高精度激光3D打印机的激光运动控制装置3，即将激光装置2置于Stewart平台机构上平台的中间位置，按照程序控制舵机33以及舵机臂35带动上平台的多方位，多角度的转动，由此顺序的连接，使整个传动机构形成一个整体，保证了运动的可靠稳定，为确保打印精度奠定了坚实基础，保证了激光直接从上往下垂直射到料槽13的液面上的精度要求。
在一些实施例中，静平台32包括第一静平台和第二静平台，第一静平台设于第二静平台的正上方，且与第二静平台相互平行设置，舵机33设于第一静平台与第二静平台之间的位置。
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 (7)
1.一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，包括打印装置(1)、SLA激光装置(2)以及用于控制激光运动的基于Stewart平台的控制装置(3)；所述的SLA激光装置(2)设于控制装置(3)的平台顶部；所述的打印装置(1)包括升降机构(11)、打印平台(12)以及料槽(13)；所述的打印平台(12)通过连接件与升降机构(11)连接，升降机构(11)能够驱动打印平台(12)上下移动；所述的料槽(13)设于打印平台(12)的正下方，所述的控制装置(3)位于料槽(13)的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，所述的料槽(13)的底部为透明结构，料槽(13)内还设有LCD屏幕。
3.根据权利要求2所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，所述的升降机构(11)包括导轨(111)、螺杆(112)、滑块(113)、以及电机，所述的导轨(111)和螺杆(112)均竖向设置，所述的滑块(113)套设在螺杆(112)上，滑块(113)的一侧与导轨(111)的滑槽滑动连接；所述的电机与螺杆(112)连接，用于驱动螺杆(112)转动；所述的打印平台(12)通过连接件固定在滑块(113)上。
4.根据权利要求2所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，还包括支撑架(4)，所述的支撑架(4)包括第一平台(41)、第二平台(42)以及支撑杆(43)；所述的第一平台(41)和第二平台(42)水平设置，第一平台(41)与第二平台(42)之间通过支撑杆(43)连接；所述的升降机构(11)、料槽(13)均固定于第二平台(42)上，所述的控制装置(3)设于第一平台(41)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，所述的第二平台(42)上设有用于安装料槽(13)的安装孔位，在安装孔位的四周设有用于固定料槽(13)的连接件；所述的料槽(13)放置于安装孔位中，通过连接件与第二平台(42)连接固定。
6.根据权利要求5所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，所述的控制装置(3)包括动平台(31)、静平台(32)、舵机(33)、伸缩杆(34)以及舵机臂(35)；所述的舵机臂(35)的一端与舵机(33)的输出轴转动连接，另一端与伸缩杆(34)转动连接，伸缩杆(34)的另一端与动平台(31)连接；所述的舵机(33)按照Stewart平台的布置方式设于静平台(32)上，所述的动平台(31)相对于静平台(32)具有6个自由度。
7.根据权利要求6所述的一种基于并行机构的高精度SLA激光3D打印机，其特征在于，所述的静平台(32)包括第一静平台和第二静平台，第一静平台设于第二静平台的正上方，且与第二静平台相互平行设置，所述的舵机(33)设于第一静平台与第二静平台之间的位置。
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