CN110524874A - 光固化3d打印装置及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光固化3D打印装置及其打印方法，打印装置包括模型板和透光板，模型板与透光板之间可相对移动，模型板上结合有固化模型，光束从透光板的成型表面间隔、扩散射出并在透光板的成型表面与固化模型或者模型板之间形成若干光束族，相邻光束族之间部分重叠。打印方法包括以下步骤：对待打印模型进行数据分析；调整模型板和透光板进行层打印的相对位置；光束选择性地从透光板的成型表面间隔、扩散射出形成若干间隔的光束族，光束族区域内的打印料发生固化；逐层打印直至整个模型打印完成。本发明能够提高打印过程中打印料流入固化模型与透光板之间的速度，降低固化模型与透光板之间的分离作用力，提升打印效率，保证打印精度。

Description

光固化3D打印装置及其打印方法

技术领域

本发明属于3D打印的技术领域，特别是涉及一种光固化3D打印装置及其打印方法。

背景技术

3D打印作为一种以数字模型文件为基础、通过逐层打印构造物体的方法，包括SLA、DLP、LCD/LED等光固化方式。例如采用UV(紫外光)或可见光的光固化树脂层层选择性固化形成三维模型。例如基于DLP(Digital Light Processing)的3D打印方式是以根据三维模型的切片截面图案而形成的面成像光束投影到光敏树脂打印料上实现单层的固化，如此层层固化堆叠形成三维模型；SLA(Stereo Lithography Apparatus)是通过激光束按三维模型的切片截面图形，通过镜组(如透镜或反光镜)聚焦到光敏树脂料上，由点到线到面形成固化层，如此层层堆叠形成三维模型。

光固化打印机一般包括光源和固定模型的平台(或称为模型板)，平台通过驱动机构(如丝杆驱动机构)在光源照射成型的同时进行移动，以层层固化光敏树脂打印料形成固化模型。现有光固化打印中，光敏打印料(光敏树脂)是由固化模型的侧边流入，打印面积大或具有内部结构的模型在打印时光敏打印料流入的路径长，光敏打印料流入到固化区的速度慢，影响打印速度和精度。而且对于DLP、LCD或LED等方式的打印机，固化模型粘结到透光板上的分离作用力较大，影响分离速度，可能造成固化模型变形。如果采用氧气等固化抑制剂的方式在透光板上方形成固化死区，加快打印料的流入，但由于死区厚度很薄，对于较大面积的模型的打印速度提升仍然有限，且由于抑制剂的引入和控制，使得打印系统复杂，成本增加，维护不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化3D打印装置及其打印方法，提高打印过程中打印料流入固化模型与透光板之间的速度，降低固化模型与透光板之间的分离作用力，提升打印效率，保证打印精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光固化3D打印装置，包括模型板和透光板，所述模型板与透光板之间可相对移动，所述模型板上结合有固化模型，光束从所述透光板的成型表面间隔、扩散射出并在所述透光板的成型表面与所述固化模型或者所述模型板之间形成若干光束族，至少部分相邻光束族之间部分重叠。

所述透光板设有微透镜单元且阵列式排布形成微透镜阵列，所述光束经过所述微透镜阵列变换后从所述透光板的成型表面射出形成若干光束族。

所述微透镜阵列采用透光板表面设置的半凸透镜阵列，或者采用透光板表面设置的半凹透镜阵列，或者采用在透光板内部形成的变折射率微透镜阵列，或者采用在透光板内部设置的衍射微透镜阵列。

所述光束聚焦于所述透光板的成型表面。

所述光束的照射路径上设有与透光板独立的光具组，所述光具组形成有阵列式排布的微透镜单元，所述光束经过所述微透镜单元变换后从透光板的成型表面射出形成若干光束族。

所述光束族从透光板成型表面射出的区域为出光区，所述透光板成型表面对应出光区形成凸台。

所述凸台为光波导，所述光束经过凸台传导从凸台的顶部射出形成若干光束族。

所述透光板为光波导，所述透光板与模型板对应的区域设置有耦出部，所述光束经光波导传输至耦出部并变换后从透光板的成型表面射出形成阵列式光束族。

所述透光板表面或者内部对应阵列光束族之间的间隔区域设有遮光层。

所述透光板对应光束族之间的间隔区域设有打印料过流孔，所述打印料过流孔贯穿透光板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光固化3D打印装置，包括模型板和透光板，所述模型板与透光板之间可相对移动，所述模型板上结合有固化模型，光束从所述透光板的成型表面间隔、聚集射出并在所述透光板的成型表面与所述固化模型或者所述模型板之间形成若干离散的光束族。

所述透光板设有微透镜单元且阵列式排布形成微透镜阵列，所述光束经过所述微透镜阵列变换后从所述透光板的成型表面射出形成若干光束族。

所述微透镜阵列采用透光板表面设置的半凸透镜阵列，或者采用透光板表面设置的半凹透镜阵列，或者采用在透光板内部形成的变折射率微透镜阵列，或者采用在透光板内部设置的衍射微透镜阵列。

所述光束的照射路径上设有与透光板独立的光具组，所述光具组形成有阵列式排布的微透镜单元，所述光束经过所述微透镜单元变换后从透光板的成型表面间隔、扩散射出形成若干光束族。

所述光束族从透光板成型表面射出的区域为出光区，所述透光板成型表面对应出光区形成凸台。

所述凸台为光波导，所述光束经过凸台传导从凸台的顶部扩散射出形成若干光束族。

所述透光板为光波导，所述透光板与模型板对应的区域设置有耦出部，所述光束经光波导传输至耦出部并变换后从透光板的成型表面间隔、扩散射出形成阵列式光束族。

所述透光板表面或者内部对应阵列光束族之间的间隔区域设有遮光层。

所述透光板对应光束族之间的间隔区域设有打印料过流孔，所述打印料过流孔贯穿透光板。

所述光束族分别同时、独立进行相应模型打印。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种光固化3D打印方法，使用了上述的两种光固化3D打印装置中的一种，包括以下步骤：

(1)对待打印模型进行数据分析，生成各打印层的模型数据；

(2)根据所述打印层的模型数据调整模型板和透光板进行层打印的相对位置；

(3)根据所述打印层的模型数据，光束选择性地从透光板的成型表面射出形成若干光束族，所述光束族区域内的打印料发生固化形成固化单元区并结合到模型板或者固化模型上，所述固化单元区之间的间隔区域形成打印料流动区；

(4)重复步骤(2)和(3)进行逐层打印直至整个模型打印完成。

所述打印料经过加压。

所述光束族从透光板的成型表面射出的区域为出光区，所述出光区在成型表面的位置可调整。

打印过程中，所述模型板连续移动远离成型表面。

有益效果

第一，在本发明中，光束从透光板的成型表面以相互间隔和扩散的方式射出进行模型固化成型，光束族之间的间隔区域打印料不会产生固化从而形成打印料流动区，在透光板与固化模型逐渐分离时，通过打印料流动区能够发挥向固化模型与透光板之间快速补充打印料的功能。一方面，有利于提高打印效率，尤其对于具有大面积模型的打印提升打印效率明显；另一方面，通过及时补充打印料，能够避免固化模型与透光板之间出现真空使得固化模型脱离透光板时产生的应力过大而发生变形，有利于保证模型精度。

第二，在本发明中，仅限光束族区域内的打印料发生固化，而打印料流动区的打印料不会产生固化，因此透光板与固化模型之间的结合面积能够大幅减小，有利于大幅降低透光板与固化模型之间的分离作用力，尤其对于具有大面积模型该效果更加明显。一方面，有利于提高透光板与固化模型的脱离速度，提高打印效率；另一方面，避免了过大的分离作用力导致固定模型变形，有利于保证模型精度。另外，通过对光束射出透光板成型表面进行控制，能够对透光板与固化模型之间的结合面积进行控制，能够根据具体打印情况作出最优化调整。

第三，在本发明中的部分实施例中，透光板对应光束族之间的非透光间隔区域可以形成凹槽，从而扩大了打印料流动区的截面积，有利于提升打印料沿打印料流动区的流动速度，进一步提升了向固化模型与透光板之间补充打印料的速度。

第四，在本发明的部分实施例中，透光板对应光束族之间的非透光间隔区域可以形成贯穿的打印料过流孔，打印料能够通过透光板直接向透光板与固化模型之间进行补充打印料，使得固化模型不同位置的补料距离大致相同，有利于实现固化模型不同位置的同步补料，摆脱了现有技术中固化模型周边补料速度快、中心补料速度慢而产生的时间差。一方面，能够极大地提升层打印过程中打印料的补充速度，提高打印效率；另一方面打印料压强能够作用于固化模型对固化模型与透光板之间的脱离产生推动作用，使得脱离更加简易和高效，且有利于降低模型板对固化模型的作用力。

第五，本发明的这种离散化层叠的打印方法，通过控制光束照射能够对层打印图案进行数字化控制，有利于提高3D模型打印的灵活性。

第六，在本发明中，光束通过阵列微透镜的间隔、聚焦变换后离散射出方式可以实现多个微小模型的批量打印，利于提升微小模型的生产效率和降低成本，并通过微透镜的聚焦作用还可以提升微小模型的打印精度和照射光强。

附图说明

图1为本发明打印方法的示意图。

图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图4为本发明实施例3的结构示意图。

图5为实施例1-3中透光板成型表面方形出光区整齐阵列示意图。

图6为图5中方形出光区整齐阵列的放大示意图。

图7为实施例1-3中透光板成型表面圆形出光区整齐阵列示意图。

图8为实施例1-3中透光板成型表面长方形出光区整齐阵列示意图。

图9为实施例1-3中透光板成型表面圆形出光区交错阵列示意图。

图10为本发明实施例4的结构示意图。

图11为本发明实施例5的结构示意图。

图12为本发明实施例5中固化模型与透光板分离的结构示意图。

图13为本发明实施例6的结构示意图。

图14为本发明实施例7的结构示意图。

图15为本发明采用点阵列光源的结构示意图。

图16为本发明采用点阵列光源的实施例8的结构示意图。

图17为本发明采用数字投影光源的实施例9的结构示意图。

图18为本发明实施例9的整体结构示意图。

图19为本发明采用光波导传导光线的实施例10结构示意图。

图20为本发明透光板为平面光波导的实施例11的结构示意图。

图21为本发明实施例12的结构示意图。

图22为图21中标识区域的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示的一种光固化3D打印装置和打印方法，包括模型板1和透光板2。在模型板1与透光板2之间形成固化模型51，固化模型51结合到模型板1上，固化模型51与透光板2之间的区域为成型区6，也可以称为打印区，在刚开始打印时成型区6为模型板1与透光板2之间的区域，透光板2朝向模型板1的表面为成型表面20，如图1示意的成型区6是固化模型51的下表面与透光板2的成型表面20(即图1透光板2的上表面)之间的区域。

打印过程中，光束31从透光板2的成型表面20离散射出，如间隔、扩散射出，并在成型区6形成若干光束族32，光束族32从透光板2的成型表面20射出的区域为出光区25。每个光束族32分别照射打印料5形成固化单元区61，在整个照射面内，至少部分相邻光束族32之间部分交叠，既可以是所有相邻的光束族32之间形成交叠，也可以通过选择性地照射使得一定区域内的相邻光束族32之间形成交叠，非区域内的光束族32之间不发生交叠，从而打印能够获得相应的图案。而且，相邻光束族32之间的交叠为部分交叠，光束族32在靠近成型表面20的部分是相互间隔的，使得在固化单元区61之间的区域形成打印料流动区62。打印料流动区62为光束族32在成型区6内没有照射到的区域，在成型区6内打印料5可以沿打印料流动区62进行流动。

在具体的打印过程中，根据被打印模型设定每层打印中光束31的图案，将光束31透过透光板2的出光区25形成若干光束族32，光束族32照射光敏打印料5形成若干固化单元区61，由于光束族32的扩散照射，使得至少部分的固化单元区61结合，固化单元区61固化结合到模型板1或固化模型51上，打印过程中打印料5可以沿打印料流动区62流动。完成一层打印后，模型板1带动固化模型51沿箭头91所示方向远离透光板2移动设定距离，当然也可以是模型板1和固化模型51不移动而透光板2沿箭头91相反的方向移动，即模型板1与透光板2之间可以进行相对移动。模型板1与透光板2之间的相对移动还可以是模型板1沿垂直于箭头91的方向相对透光板2移动，或者是透光板2沿垂直于箭头91的方向相对模型板1移动，或沿平行于成型表面20的方向模型板1与透光板2之间的相对移动。光束31根据下一层的图案进行选择性照射固化。重复上述过程，直至模型打印完成。

采用这种光固化3D打印方法，由于光束31仅在透光板2的出光区25射出，打印料流动区62中的打印料5不会固化，便于打印料5在打印料流动区62快速流动，快速补充和充满成型区6，可以避免成型区6内打印料5没能及时补充引起的真空使得固化模型51脱离透光板2时应力过大变形，也可大幅提升打印速度，尤其是对于具有大面积的模型的打印过程效果更加显著。另外，由于光束31仅在透光板2的出光区25以扩散的方式射出，在非出光区与透光板2接触的打印料5不会固化，与透光板2固化结合的固化模型51的结合面积可大幅减小，固化模型51与透光板2分离时的作用力可大幅减小，不仅利于固化模型51与透光板2的快速脱离，也利于减小脱离时的作用力，减小脱离导致固化模型51的变形，从而利于提升打印速度和打印精度，对于大面积模型的打印效果更加明显。

这种光固化3D打印方法中，每个光束族32相当于平面打印机的一个“墨点”，若干“墨点”结合形成每层的打印图案，然后层层叠加形成固化模型51，如此离散化或数字化的打印方式可以让3D模型的编辑和处理更加灵活和方便。

当然在某些实施方式中还可以采用微透镜阵列将光束进行间隔、聚焦变换后离散射出成型表面20实现将若干个光束族32，在用于阵列式同时打印多个模型的情况下，也可以是所有的光束族32都不相互交叠，每个光束族32独立的实现一个模型的打印，采用此方式可以实现微小零件的批量化精确制造。

实施例1

如图2所示，示意了在透光板2形成光具组3(optical system)，光具组3为透光板2形成若干微透镜单元30，且微透镜单元30阵列式排布形成微透镜阵列，光束31经过微透镜阵列变换后从透光板2的成型表面20间隔、扩散射出形成若干光束族32。

本实施例中，光具组3采用变折射率微透镜阵列，即若干个微小的变折射率微透镜单元阵列排布，光束31经过变折射率微透镜阵列聚焦变换后从透光板2的成型表面间隔、扩展射出形成若干光束族32。图中示意光束31的聚焦点可以位于透光板2内，当然也可以是位于成型表面20上。本实施例中微透镜阵列内埋于透光板2内，例如可以采用光刻离子交换技术(或离子扩散技术)制作的径向变折射率平面微透镜(gradient index lens)阵列，或自聚焦透镜(selfoc lens)阵列、半球形变折射率平面微透镜阵列或鲁尼伯格(Luneburg)微透镜阵列等。

实施例2

如图3示意了在透光板2的表面形成光具组3，其示意部位与图2中的标识区域99相对应。例如可以在透光板2相对成型表面20的另一侧面设置半凸透镜阵列，光束31经过半凸透镜阵列聚焦后从透光板2的成型表面20间隔、扩散射出形成阵列式光束族32。

图中还示意了通过将光具组3的聚焦点(即光束31的聚焦点)设置到透光板2的成型表面20上，可以将透光区25收缩成很小的区域，甚至是一个点，光束31由透光板2射出后扩展形成若干个光束族32，并照射打印料形成固化单元区61。采用如此设置可以使得固化模型51与透光板2的结合面积大为减小，脱离时应力可大为减小，另外打印料流动区62的区域会增大，有利于打印料5的快速补充。

图2和图3中将光具组3与透光板2集成在一起，可以使得结构更加紧凑和可靠，更利于提升光具组3与透光板2的成型表面20之间的位置关系精度，有利于提升打印精度，也利于降低成本。当然，光具组3还可以是其他的微透镜阵列，例如还可以在成型表面20形成凹透镜阵列，还可以是多个微透镜阵列的组合等。还可以在透光板2的上、下表面都形成微透镜阵列。

实施例3

如图4所示，示意了光具组3可以是与透光板2相独立的分立元件，两者装配在一起实现光束变换。光具组3设置于光束31的照射路径上，图中示意光具组3形成有阵列式排布的微透镜单元，例如图中以微小凸透镜平面阵列为例进行示例，光束31经过微透镜单元变换后从透光板2的成型表面20间隔、扩散射出形成阵列式光束族32，透光板2也可以看做是光具组3的保护板或保护膜。光具组3形成的微透镜阵列可以是变变折射率平面微透镜阵列，或微凸透镜阵列，或者是微凹透镜阵列等。光具组3还可以是折射镜、反射镜、衍射镜或光栅等不同的光束调整装置或者组合。另外，透光板2上对应打印料流动区62的位置还可以设有遮光层22，避免光束31溢出照射到打印料流动区62，确保打印料5在打印料流动区62内的快速流动。图中的遮光层22可以设置在透光板2的下表面、上表面或者其内部，遮光层22可以是在透光板2的表面涂遮光材料，也可以在将表面加工粗糙使得光束无法透出，或者是在透光板2内埋不透光层，或其他使得光束无法射出的方式均可。通过遮光层22形成光阑，每个光阑中间为出光区25，光束31从光阑中间扩展射出。

前述实施例主要采用折射微透镜阵列进行说明，还可能采用其他的微透镜阵列，如衍射微透镜阵列，例如利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换实现光束由出光区离散、扩散射出。另外，本实施例中光束31还可以是衍射或散射的方式由出光区25射出并扩散，形成光束族32，透光板2或者光具组3可以采用光栅，例如达曼光栅(Dammann grating)、狭缝光栅或者柱透镜光栅，可以是一维光栅、二维光栅或者是光栅与透镜的组合。有利于实现更加密集的光束族32，提升打印精度。也可以采用液晶狭缝光栅或液晶柱透镜光栅，可进一步提升光栅的精度，并可以根据需要动态调整光栅图案。光栅可以采用透射光栅，或采用反射光栅。通过透光板2形成光栅，光束31经过光栅衍射作用后从透光板2的成型表面20间隔、扩散射出形成若干光束族32。

如图5所示，示意了实施例1-3中透光板2的成型表面20上出光区25整齐阵列排布，透光板2的周边可以设置围板4形成打印料5的容置空间。图5中标识区域99的放大结构如图6所示，透光区25可以是整齐的阵列排布，例如图6-8所示，也可以是交错的阵列排布，如图9所示。

图6示意透光板2的出光区25为方形，若干方形出光区25形成整齐阵列，出光区25之间的间隔区26形成了打印料5可以自由流动的打印料流动区62。图7示意透光板2的出光区25为圆形，图8示意透光板2的出光区25为长方形，且均为整齐阵列排布，具体的可以是线性单排的整齐阵列排列，具体其他变化可根据实际应用设定。

图9示意了透光板2的出光区25也可以呈交错式阵列排布，如图所示，变折射率微透镜单元交错排列，在光束31由出光区25射出形成分离的光束族32的过程中，这种交错排列有利于提升对光束31的利用率。对于微透镜单元30，例如本实施例中的变折射率微透镜单元，采用六变形或方形还可提升填充率。

出光区25的形状或位置还可以是动态调整变化的，例如透光板2采用LCD，动态控制可以透光的区域从而控制出光区25的形状和位置，或者动态控制光束族32在透光板2的不同位置射出，例如采用电致光束偏置的方式，或者是实施例3中的光具组3沿垂直于箭头91的方向受控移动的方式，或者是透光板2与模型板1之间沿垂直于箭头91的方向相对移动。

实施例4

如图10所示，该实施例与实施例1的不同之处在于，透光板2的成型表面20对应出光区25形成了凸台21，对应打印料流动区62形成了凹槽，图中示意凹槽的截面为矩形，当然也可以是其他形状。光束31由凸台21的上表面间隔射出，形成若干光束族32，射出的光束族32呈现扩散状，形成固化单元区61，固化单元区61内的打印料5被光束族32照射进行固化，而打印料流动区62内的打印料5不会被光束族32照射，所以打印料流动区62内的打印料5不会固化，而且在凸台21之间可以形成更大的流动空间，更加有利于打印料5的快速流动，可进一步提升打印速度。

可在凸台21之间的透光板2的表面设置有遮光层22，确保光束31不会照射到打印料流动区62。图10中还示意了光具组3采用了内埋于透光板2内部的变折射率平面微透镜阵列，当然光具组3还可以采用其他的微透镜阵列或光栅所代替。

本实施中的凸台21的形状与排列形式可以参考图6-9，例如凸台21的截面形状可以类似图6或7中的方形或圆形，或图8中的长方形，并整齐的阵列排列，也可以是类似图9中的交错阵列排列方式。

凸台21的制作方式有多种，例如可以采用微电子光刻工艺(主要包括匀胶、曝光、显影和蚀刻等工艺步骤)、激光直写或雕刻或采用光栅雕刻机等，将图10中对应凹槽的部分去除一定的深度，形成凸台状的出光区25，即形成了凸台21。一般雕刻或蚀刻后的凹槽区域不透光，当然也可以进一步地在凹槽的底部、侧面涂上挡光材料。凸台21还可以在透光板2的表面通过图案沉积的方式形成，如化学气体沉积(CVD)或物理气体(PVD)。

透光板2对应光束族32之间的非透光间隔区域形成凹槽，从而扩大了打印料流动区62的截面积，有利于提升打印料沿打印料流动区62的流动速度，进一步提升了向固化模型51与透光板2之间补充打印料的速度。

实施例5

如图11和图12所示，该实施例与实施例4的不同之处在于，第一，透光板2的成型表面20形成的凸台21的垂直于成型表面20的截面呈梯形，例如凸台21可以是圆台状或棱台状，第二，在凸台21之间的凹槽内设置有遮光层22，遮光层22设置成如图所示的凹状，不仅可以将凸台21的部分侧壁遮光，而且通过上方的凹面利于扩大打印料流动区62的空间，有利于打印料5的快速流动。另外，图中还示意光具组3为独立于透光板2，当然也可以是集成一体的。

另外，图11和图12还示意了模型打印过程中的细节。图11中可以看出，固化模型51与固化单元区61之间的界面51a可能不是平面，而是具有锯齿状的起伏界面，前述附图均简化示意为平面。图12可以看出，光照固化后形成的表面51b也是类似的锯齿状，表面51b和界面51a可能相互平行。当打印完成一层，图11示意的成型区6中的固化单元区61与固化模型51结合一体，并向上移动设定距离，固化模型51与透光板2之间的区域由新的打印料5填充。图11中的固化模型51的下表面51b是由光束族32之间的扩散形状相互结合所决定的锯齿状，进行下一层打印时，表面51b就转换为固化模型51与固化单元区61的界面51a。

为了让固化模型51的下表面51b尽量平滑，以提升打印模型的表面精度，可以让光束族32尽量密集，或者凸台21尽量密集，即在单位面积内形成更多的光束族32，类似平面喷墨打印机为了提升打印精度而提升单位面积内墨点的数量。另外，还可以是让光束31射出凸台21的表面时尽量扩散，以减小固化模型51表面的凹痕，对于具有凸台21的应用中更为适合。

实施例6

如图13所示，该实施例中透光板2的成型表面20形成阵列式的具有光波导作用的凸台21，光束31经过凸台21的传导从凸台21的顶部间隔、扩散射出，形成阵列式光束族32。

在该实施例中，光束31以锯齿状或正弦波状在凸台21内传播，当光束31传播到出光区25后射出，照射打印料5进行固化。通过控制光束31的入射角度，或者控制凸台21的出光区25的表面形状，或者在凸台21的出光区25内侧设置角度合适的反射镜片，能够控制光束31射出凸台21的角度，形成相应的扩散光束。凸台21的根部21-a设置呈喇叭口状，例如底部端面为圆形、方形、长方形或六边形的喇叭口状，能够引导光束31更容易地进入到凸台21中，避免或减少部分光束31被反射而无法传入凸台21，有利于提升对光束31的利用率。

图中示意了凸台21的出光表面还可以设计为曲面，这种曲面有利于光束31的扩散射出。凸台21之间的凹槽中可设有遮光层22，另外遮光层22可以设置与透光板2的顶面平齐，从而使得透光板2顶面形成完整的平面，方便表面的清洁或维护。采用光波导的方式传送光束31，不仅可以方便地在凸台21的出光区实现扩散射出，方便调整射出光束的角度，而且也能够避免光束在传送过程中的过度聚集，避免局部过热，有利于提升系统的可靠性和耐久性。

实施例7

如图14所示，可以在透光板2的非出光区或者是光束族32之间的间隔区域设置贯穿的打印料过流孔27。例如透光板2对应凸台21之间凹槽的位置设有打印料过流孔27，打印料过流孔27贯穿透光板2并与打印料流动区62连通，打印料过流孔27用于将下透光板2下方的打印料5传送到上方的打印料流动区62。打印料5能够通过透光板2直接向透光板2与固化模型51之间的成型区6内进行补充打印料5，使得固化模型51不同位置的补料距离大致相同，即在各水平位置处由于透光板2下方的打印料5到达成型区6的距离大致相同，即使是具有大面积的模型在打印过程中，新的打印料5向成型区6最中心位置和周边位置流动的距离和时间大体相同，有利于实现固化模型不同位置的同步补料，摆脱了现有技术中固化模型周边补料速度快、中心补料速度慢。一方面，能够极大地提升层打印过程中打印料的补充速度，提高打印效率；另一方面打印料压强能够作用于固化模型对固化模型与透光板之间的脱离产生推动作用，或避免负压真空的吸附作用，使得脱离更加简易和高效，且有利于降低模型板对固化模型的作用力。本实施例中也可以没有凸台21和遮光层22。而且某些实施例中也可能不限于光束31间隔、扩散射出成型表面20，形成光束族32。

实施例8

如图15所示，示意了该3D打印装置的一种光源设置。光源39采用点阵列光源，例如LED阵列光源、LCD光源或OLED光源等，点阵列光源可以与前述的透光板2、光具组3或组合的方案实现对光源39发出光束31的变换形成光束族32。另外，还可以让每个阵列光源39对应一个出光区25，分别照射形成相应的光束族32，通过控制每个离散光源39的开关就可以实现对打印料5进行选择性照射固化。

如图16所示，所示部位与图15中的标识区域99相对应，示意了一种采用点阵列光源39与透光板2结合对光束31进行变换形成光束族32的实施例，在该实施例中透光板2上没有形成光具组3，也没有利用独立的光具组3，简化结构和成本。在该实施例中，光源39阵列、间隔地设置在透光板2的底部，光源39发出的光束31为扩散状，光束31从透光板2的成型表面20也是以扩散的形式射出形成光束族32。另外，采用如此的阵列点光源利于实现透光板2上设置打印料过流孔27的结构，例如在透光板2上对应打印料流动区62的位置设有贯穿的打印料过流孔27，可以让打印料5由透光板2的下方向上经过打印料过流孔27流动，如此可大幅减小打印料5的流动距离，打印过程中向成型区6快速补充新的打印料5，更加有利于提升打印速度。

实施例9

如图17所示，在该实施例中，其中的光源39采用数字投影光源(DLP)，光源39与透光板2之间设有镜组2-a，光源39发出的扩散光束31经过镜组2-a的调整得到平行光束31，再照射透光板2。图中示意光具组3采用径向变折射率的平面微透镜阵列，当然也可能是其他的微透镜阵列。

图18示意一种整体结构布置方案，机架71固定透光板2、光源39以及镜组2-a，其中镜组2-a示意为折射镜组，折射表面可以为曲面，图中仅为示意。导轨73也固定在机架71上，移动板72沿导轨73移动，打印过程中移动板72带动模型板1沿箭头91移动。

另外，在透光板2的上表面可以设置其他的透光薄膜28，例如可能使得透光板2与固化模型51之间具体更小的结合力，方便固化模型51与透光板2的脱离，提升打印速度和精度，或者在模型板1上设置易分离层29，方便固化模型51取下。也可以将具有微透镜阵列的透光板2附在透明玻璃上，提升强度。

在某些实施方案中，还可以对打印料5进行加压，不仅加快打印料5流入到成型区6的流动速度，而且打印料流动区62内被增压的打印料5可以将固化模型51与透光板2推离开，提升打印速度。

实施例10

如图19所示，在该实施例中，透光板2设置在光波导81上，光源39发出的光束射向耦入部82，将光束31调整方向射入光波导81并沿其内部以“之”形(或称为“锯齿”状)或类似正弦波形传播，到达耦出部83，光束31被调整方向朝向透光板2射出。图示中光束31经过光具组3的调整以间隔、扩散的形式从透光板2的成型表面射出，形成若干光束族32照射打印料5。

图19中，耦入部82和耦出部83外置于光波导81，例如设置在光波导81的表面，当然也可以是集成于光波导81的内部或与光波导81集成为一体。透光板2可以与光波导集成为一体。图19中示意光具组3采用内埋于透光板2内的径向变折射率的平面微透镜阵列，当然也可能是其他的微透镜阵列或光栅，还可以不采用微透镜阵列，而是在耦出部83上设置反射镜或光栅实现光束在透光板2上表面间隔、扩散射出形成若干光束族32。图中还示意光束31还可以聚焦于成型表面20，如此可以实现固化模型51与透光板2的最小接触面积，和更大的打印料流动区62的空间，便于固化模型51与透光板2的脱离和打印料5的补充。透光板2的成型表面20还可以在对应打印料流动区62的区域形成凹槽，从而成型表面20形成了凸台21，凸台21可以为圆台状，或凸台21的形状与光束传播路径相匹配，凸台21的垂直于成型表面20的截面沿光束31的外包络轮廓形状设置，尽量扩大打印料流动区62的空间，有利于提升打印料流动区62内打印料5的流动速度。

采用光波导传导光束的结构，可以使得光源39与打印料5之间的位置排布更加灵活，还可以在光波导81下表面设置加强背板(图中未示出)来提升光波导81和透光板2的强度，以提升系统的稳固性，还可以方便其他附属结构的设置对透光板2或者打印料5进行散热或加热。

实施例11

如图20所示，在该实施例中，透光板2由平面型光波导81构成，平面型光波导81与光源39相对应的一端设置有耦入部82，与模型板1相对应的一端设置有耦出部83，光源39发出的光束31经耦入部82变换方向在平面光波导81中以锯齿状或正弦波状传播，传送到耦出部83再次变换方向沿成型表面20间隔、扩散射出形成若干光束族32。

另外，还可以在光波导81处于耦出部83的区域设置打印料过流孔27，以方便打印料5由下方快速流入到成型表面20的上方，加快打印速度。还可以设置打印料源装置41持续提供打印料5，并提升打印料5的压强，加快打印料沿打印料过流孔27的流动速度，且每层打印完成后，固化模型51与透光板2的脱离由于打印料5的推动作用，可以更加快速脱离，且脱离过程中模型板1作用到固化模型51的拉力更小，更加有利于防止固化模型51发生变形。另外，透光板2上方的打印料5也可以被封闭并提升压强，例如模型板1与围板4滑动密封配合形成密封腔，可提升打印料5由周边沿打印料流动区62向成型区域6流动的速度，提升打印速度。另外，设置打印料过孔27，利于实现透光板2上、下的压力平衡，优化透光板2受力。

图19和图20中，耦入部82可以采用多种方式将光束31耦合导入到光波导81内，例如采用反射镜或光栅结构来将光束31耦合导入到光波导81内，或其他实现光束31转换方向耦合传入光波导81的方式均可。光束31可以在光波导81内以如图示的锯齿状或正弦波状进行传播。耦出部83可以采用多种方式将光束31耦合输出以照射打印料5，例如可以通过反射镜或光栅等方式，例如衍射耦合输出(diffractive outcoupling with surface reliefgratings)、全息耦合输出(Holographic outcoupling with volumetric holographicgratings)、极化薄膜耦合输出(Polarized thin layer outcoupling)、反射耦合输出(reflective outcoupling)、半透半反耦合输出(Geometric with trasflective mirrorarray，或称为几何光波导)等，或其他实现光束31转换方向耦合输出的方式均可。光波导81可以设计成条形、板状或薄膜状，可以采用均匀介质光波导，也可以采用变折射率光波导，或者其他形式的光波导。

实施例12

如图21和22所示，模型板1与透光板2之间形成固化模型51，固化模型51结合到模型板1上。透光板2上设置有微透镜阵列，固化模型51与透光板2之间为成型区6，可以理解成分割成与微透镜阵列相对应的多个小成型区，每个小成型区都可以实现一个模型的打印。打印过程中，光束31经透光板2的微透镜阵列的间隔、聚集变换后由成型表面20离散射出，形成若干光束族32，各光束族32分别与各小成型区对应。打印料流动区62为光束族32在成型区6内没有照射到的区域，在成型区6内打印料5可以沿打印料流动区62进行流动，便于快速对每个模型下方的小成型区补充新打印料。由于光束31经微透镜单元30的聚焦可实现更小模型的打印，利于实现更小模型打印精度的提升，并将能量聚焦，实现更高的照射光强，以及多个微透镜单元20同时进行打印多个相同或不同的微小模型，提升微小模型打印的效率。

具体打印过程中，根据被打印模型设定每层打印中光束31的层图案，层图案可能是由若干个相互独立的单元图案构成。光束31透过微透镜阵列形成若干个光束族32，每个光束族可能与相应的单元图案相对应，每个光束族32经相应微透镜单元30的聚焦作用在成型表面20上形成更小更精确的缩小版的单元图案，实现一层的打印料固化。完成一层打印后，模型板1带动固化模型51沿箭头91所示方向远离透光板2移动设定距离，当然也可以是模型板1和固化模型51不移动而透光板2沿箭头91相反的方向移动，即模型板1与透光板2之间可以进行相对移动。模型板1与透光板2之间的相对移动还可以是模型板1沿垂直于箭头91的方向相对透光板2移动，或者是透光板2沿垂直于箭头91的方向相对模型板1移动，或沿平行于成型表面20的方向模型板1与透光板2之间的相对移动。光束31根据下一层的层图案进行选择性照射固化。重复上述过程，直至模型打印完成。

透光板2上设置的微透镜阵列，即可以如图21中示意的内埋式的变折射率微透镜阵列，当然也可以采用其他的微透镜阵列，如衍射微透镜阵列，例如利用其表面波长量级的三维浮雕结构对光波进行调制、变换实现光束离散、聚集射出，或采用其他折射微透镜阵列，如凸透镜阵列等，也可以类似实施例3微透镜阵列为单独的零件，与透光板组合。另外，在图21和22中示意还可以采用类似实施例4的凸台结构，凸台21之间的区域可提升打印料流动区的空间，利于打印料的流动和补充，当然也可以类似实施例5在凸台21之间设置遮光层22。也可以类似实施例6采用光波导将进行光束31的传输，或者透光板2的成型表面20形成阵列式的具有光波导作用的凸台21，光束31经过凸台21的传导从凸台21的顶部间隔、聚集射出，形成阵列式光束族32。也可以类似实施例7在光束族32之间或微透镜单元20之间设置打印料流动过孔27。图21中的光源39示意采用LCD掩膜光源，或LED或OLED点阵列光源，当然也可以采用DLP等投影光源，激光束的扫描光源。前述的实施例9、10和11均可应用于本实施例中，只要光束族32的射出方式进行相应的调整。

说明书中为描述方便都采用光束31由下向上照射打印料5，类似于光源下置式结构，本发明的保护范围不以此为限，某些实施方式中也可以是光束由上向下照射打印料5，类似于光源上置式结构。当然，某些实施方式中也可以是光束横向照射打印料5。

模型板1与透光板2之间沿箭头91的方向相对移动可以采用常规的现有技术实现，如丝杆机构等，另外完整的打印装置或系统可能还包括控制器和相应的电动执行装置，也可能包括计算机装置等，具体不再累述。

光源39可以根据具体的打印料5特性采用相应的光源，例如波长为355nm或405nm的紫外光光源，或405nm到600nm的可见光光源。光源可以采用SLA(Stereo LithographyApparatus)、数字投影光源DLP(Digital light Processing)、激光扫描(Laser)、LED屏、LCD屏等点阵列光源、也可以利用手机屏幕、IPAD屏幕或者其他显示屏等屏幕作为光源，当然还可以配合相应的镜组调整光束。透光板2可以采用多种材料制成，例如铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃等。

打印料5为任何光照可以引发固化反应的液态材料，如光照聚合反应的树脂液体，还可能在树脂液体中混合粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末或其他的粉末材料，还可能在树脂液体中混合细胞、药物、颜料等。

前述各实施例还可以被设置在一个温度受控的腔室内进行3D打印，例如在腔室内设置加热器和温度传感器来控制腔室内的温度为设定值，让光敏树脂的聚合反应更加稳定，提升打印质量和打印速度。

本发明叙述中所采用“上”、“下”、“左”、“右”等方位性词语，是基于具体附图的方便性描述，不是对本发明的限制。实际应用中，由于结构整体在空间的变换，实际的方位可能与附图的不同，但这些变换都属于本发明所要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种光固化3D打印装置，包括模型板(1)和透光板(2)，所述模型板(1)与透光板(2)之间可相对移动，所述模型板(1)上结合有固化模型(51)，其特征在于：光束(31)从所述透光板(2)的成型表面(20)间隔、扩散射出并在所述透光板(2)的成型表面(20)与所述固化模型(51)或者所述模型板(1)之间形成若干光束族(32)，至少部分相邻光束族(32)之间部分重叠。

2.一种光固化3D打印装置，包括模型板(1)和透光板(2)，所述模型板(1)与透光板(2)之间可相对移动，所述模型板(1)上结合有固化模型(51)，其特征在于：光束(31)从所述透光板(2)的成型表面(20)间隔、聚集射出并在所述透光板(2)的成型表面(20)与所述固化模型(51)或者所述模型板(1)之间形成若干离散的光束族(32)。

3.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述透光板(2)设有微透镜单元(30)且阵列式排布形成微透镜阵列，所述光束(31)经过所述微透镜阵列变换后从所述透光板(2)的成型表面(20)射出形成若干光束族(32)。

4.根据权利要求3所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述微透镜阵列采用透光板(2)表面设置的半凸透镜阵列，或者采用透光板(2)表面设置的半凹透镜阵列，或者采用在透光板(2)内部形成的变折射率微透镜阵列，或者采用在透光板(2)内部设置的衍射微透镜阵列。

5.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述光束(31)的照射路径上设有与透光板(2)独立的光具组(3)，所述光具组(3)形成有阵列式排布的微透镜单元，所述光束(31)经过所述微透镜单元变换后从透光板(2)的成型表面(20)射出形成若干光束族(32)。

6.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述光束族(32)从透光板(2)成型表面(20)射出的区域为出光区(25)，所述透光板(2)成型表面(20)对应出光区(25)形成凸台(21)。

7.根据权利要求6所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述凸台(21)为光波导，所述光束(31)经过凸台(21)传导从凸台(21)的顶部射出形成若干光束族(32)。

8.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述透光板(2)为光波导，所述透光板(2)与模型板(1)对应的区域设置有耦出部(83)，所述光束(31)经光波导传输至耦出部(83)并变换后从透光板(2)的成型表面(20)射出形成阵列式光束族(32)。

9.根据权利要求1或2中的任意一条所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述透光板(2)表面或者内部对应阵列光束族(32)之间的间隔区域设有遮光层(22)。

10.根据权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述透光板(2)对应光束族(32)之间的间隔区域设有打印料过流孔(27)，所述打印料过流孔(27)贯穿透光板(2)。

11.根据权利要求1中任意一条所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述光束(31)聚焦于所述透光板(2)的成型表面(20)。

12.根据权利要求2所述的光固化3D打印装置，其特征在于：所述光束族(32)分别同时、独立进行相应模型打印。

13.一种光固化3D打印方法，其特征在于：使用了权利要求1或2所述的光固化3D打印装置，包括以下步骤：

(1)对待打印模型进行数据分析，生成各打印层的模型数据；

(2)根据所述打印层的模型数据调整模型板(1)和透光板(2)进行层打印的相对位置；

(3)根据所述打印层的模型数据，光束(31)选择性地从透光板(2)的成型表面(20)射出形成若干光束族(32)，所述光束族(32)区域内的打印料(5)发生固化形成固化单元区(61)并结合到模型板(1)或者固化模型(51)上，所述固化单元区(61)之间的间隔区域形成打印料流动区(62)；

(4)重复步骤(2)和(3)进行逐层打印直至整个模型打印完成。

14.根据权利要求13所述的光固化3D打印方法，其特征在于：所述打印料(5)经过加压。

15.根据权利要求13所述的光固化3D打印方法，其特征在于：所述光束族(32)从透光板(2)的成型表面(20)射出的区域为出光区(25)，所述出光区(25)在成型表面(20)的位置可调整。

16.根据权利要求13所述的光固化3D打印方法，其特征在于：打印过程中，所述模型板(1)连续移动远离成型表面(20)。