CN110524877B - 一种光固化成形控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光固化成形控制装置及方法，装置包括液槽，液槽底部为柔性透明薄膜，所述液槽固定在刚性框架顶部，所述线性致动器固定在刚性框架内部，所述刚性平板成像元件与线性致动器连接，且刚性平板成像元件位于液槽中心正下方，所述长行程直线模组竖直固定在刚性框架顶部，所述成形平台与长行程直线模组的工作台连接，并与刚性平板成像元件保持平行和中心对齐，所述气密封罩将液槽开口、长行程直线模组以及成形平台密闭，所述气密封罩上有调压阀，所述调压阀与压缩气源连接。本发明的方案经济合理、结构简单、单层固化物剥离迅速、操作与维护便捷，易于在大幅面、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，尤其是一种光固化成形控制装置及方法。
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。在现有光固化增材设备类型中，下液面光固化成形设备将光学图案投射到光敏树脂液槽的透明底部，而后将光学图案所激发的单层固化物从液槽透明底上剥离，并继续进行下一层固化直至完成全部层的固化成形。只要液槽中的光敏树脂未耗尽，下液面光固化方式可不断在光敏树脂液槽的透明底上得到单层固化物，因此具有成形零件高度不受液槽与液位深度限制的突出优势，且液槽内液体波动亦不影响透明底上所生成单层固化物的平整度，三维成形精度高，是目前光固化设备的主要形态之一。
由于完整的光固化三维形体是连续多个单层固化物逐层粘结而成的，单层固化物的厚度与平整性直接决定光固化三维成形精度,这使得在液槽透明底与上一层固化物间，维持一层平整且厚度精确的光敏树脂尤为重要。另一方面，将单层固化物从液槽透明底上可靠剥离，且不破坏单层固化物自身及其与上一层固化物的结合强度，则是继续进行下一层光固化成形的必要条件。针对上述两个关切，现有下液面光固化三维成形设备，普遍以刚性平板玻璃支撑柔性透明薄膜的方式构建树脂液槽透明底。当需控制光敏树脂层厚时，线形模组驱动已固化物向液槽底部挤压光敏树脂直至达到目标层厚，多余树脂被排出至液槽其它容积，在已固化物下压与刚性平板玻璃支撑作用下，柔性透明薄膜与树脂液层均保持平整状态；当需从液槽透明底剥离单层固化物时，线性模组向上驱动已固化物，已固化物向上拉动柔性透明薄膜，柔性透明剥离发生弹性变形，弹性变形产生的张力在切向或法向大于单层固化物与柔性透明薄膜粘结强度时，单层固化物与柔性透明薄膜分离。由于单层固化物与柔性透明薄膜间为面与面粘结状态，剥离过程依赖于柔性透明薄膜较大幅度的弹性变形，以产生足够的张力。申请号为2019105022175的专利文献描述了一种局部支撑柔性透明底、线形扫描固化、线形剥离的光固化成形方法，将固化反应的范围和剥离界面从整层缩小至扫描线，明显降低了剥离力，但剥离仍依赖柔性透明底张力。也有其它文献公开报道在液槽中注入过量光敏树脂，并结合可移动平面支撑实现光固化成型控制的方法，通过在固化反应后移开平面支撑，以过量光敏树脂的自重下压柔性透明薄膜以实现剥离，但将过量光敏树脂注入液槽不利于设备运行维护，且会大幅延长光敏树脂使用前的驻留时间、造成品质劣化。目前，在光固化三维成形领域，针对进一步提升光固化三维成形速度的需求，还缺少一种结构简单、动作效率高、操作便捷的光固化成形控制方法。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、动作效率高、操作便捷的光固化成形控制装置及方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种光固化成形控制装置，包括刚性框架、液槽、刚性平板成像元件、线性致动器、长行程直线模组、成形平台、气密封罩、调压阀、压缩气源和光固化控制器。所述液槽底部为柔性透明薄膜，所述液槽固定在刚性框架顶部，所述线性致动器固定在刚性框架内部；所述刚性平板成像元件与线性致动器连接，且刚性平板成像元件位于液槽中心正下方，所述线性致动器可操纵刚性平板成像元件向上接触并支撑液槽底部的柔性透明薄膜，亦可操纵刚性平板成像元件向下脱离液槽底部的柔性透明薄膜；所述长行程直线模组竖直固定在刚性框架顶部，所述成形平台与长行程直线模组的工作台连接，并与刚性平板成像元件保持平行和中心对齐；所述气密封罩将液槽开口、长行程直线模组以及成形平台密闭；所述气密封罩上有调压阀，所述调压阀与压缩气源连接；所述光固化控制器与刚性平板成像元件、线性致动器、长行程直线模组、调压阀电连接。
这种光固化成形控制方法，包括以下步骤：
开始光固化前先打开气密封罩，向液槽中注入光敏液态高分子物料，而后关闭气密封罩；光固化控制器发出位移信号至线性致动器，控制线性致动器驱动刚性平板成像元件向上运动，直至接触、支撑并张紧液槽底部的柔性透明薄膜；光固化控制器发出位移信号至长行程直线模组，控制长行程直线模组驱动成形平台向下逼近液槽底部，直至成形平台下表面与刚性平板成像元件支撑部位的柔性透明薄膜，两者间的光敏液态高分子物料达到单层光固化厚度；光固化控制器发出压力调节信号至调压阀，控制调节阀调节气密封罩内的气氛环境压力为常压；
将第一层固化物从柔性透明薄膜上剥离时，光固化控制器发出位移信号至线性致动器，控制线性致动器驱动刚性平板成像元件向下运动，直至与柔性透明薄膜分离适当距离，例如 3毫米；光固化控制器发出压力调节信号至调压阀，控制调节阀调节气密封罩内的气氛环境压力大于常压，则单层固化物周围的柔性透明薄膜，受气密封罩内外压力差作用向下方膨胀变形，使得柔性透明薄膜与单层固化物粘结部分从边缘向中心区域逐步分离；光敏液态高分子物料在压力作用下，自动流动、填充至单层固化物与柔性透明薄膜分离区域，进一步的，填充至分离区域的光敏液态高分子物料将压力继续传导至分离边界线上，以推动分离过程持续向单层固化物中心区域逼近，直至柔性透明薄膜从单层固化物下表面完全剥离。
进行第二层以及后续层光固化之前，光固化控制器发出位移信号至长行程直线模组，控制长行程直线模组驱动成形平台向上移动单层光固化厚度；光固化控制器发出位移信号至线性致动器，控制线性致动器驱动刚性平板成像元件向上返回至柔性透明薄膜的支撑位置；此时，成形平台下方附着的第一层固化物，其下表面与刚性平板成像元件支撑部位的柔性透明薄膜，两者间的光敏液态高分子物料再次恢复到单层光固化厚度。光固化控制器重复前述单层光固化、单层固化物从柔性透明薄膜上剥离，以及后续层光固化之前的准备工序，直至完成全部层光固化，所形成的完整三维形体附着在成形平台下表面。
本发明采用线性致动器驱动刚性平板成像元件向上移动，通过刚性平板成像元件对柔性透明薄膜的支撑作用，以及长行程直线模组对成形平台的竖直定位控制，确保整个固化过程中，成形平台或上一层固化物下表面与柔性透明薄膜上表面的夹缝距离与平整度，进而得到平整且层厚精确可调的单层固化物。
本发明采用线性致动器驱动刚性平板成像元件向下移动，以解除刚性平板成像元件对柔性透明薄膜的支撑作用，进而通过调压阀调节气密封罩内外差压，在柔性透明薄膜上产生从上向下的压力差，压力差所形成压力自上向下拉扯柔性透明薄膜，使其从单层固化物边缘快速向中心剥离，剥离力大小可通过调压阀调节气密封罩内外差压大小而灵活控制，不依赖于柔性透明薄膜与液槽框体间的初始张紧力，柔性透明薄膜剥离损伤小、使用寿命长。
本发明的单层固化物从柔性透明薄膜上剥离时，无需在竖直方向往复移动成形平台，成形平台以及成形平台下方附着的已固化物，对液槽内光敏液态高分子物料无明显搅动，不易产生气泡，进而引发孔隙、空泡等固化物缺陷；本发明的线性致动器动作速度快、固化物剥离过程耗时短，光固化三维成形效率高。
本发明的气密封罩将液槽内的光敏液态高分子物料完全隔离在气密环境中，当采用惰性压缩气源时，不仅可防止光敏树脂液态物料内的有毒、刺激性物质挥发，污染工作环境，也可防止氧气、灰尘、水汽等物质污染光敏树脂液态物料，降低固化性能。
本发明的光固化成形控制装置及方法，方案经济合理、结构简单、单层固化物剥离迅速、操作与维护便捷，易于在大幅面、高效率光固化三维成形设备中推广应用。
附图说明
图1-1是本发明的整体结构示意图；
图1-2是本发明的内部结构示意图；
图1-3是本发明的剖面结构示意图；
图2-1是单层固化过程中使已固化物与柔性透明薄膜之间的夹缝形成单层光固化厚度的结构示意图；
图2-2是单层固化过程中形成单层固化物的结构示意图；
图2-3是单层固化过程中解除刚性平板成像元件对柔性透明薄膜的支撑作用后的结构示意图；
图3-1是单层固化物剥离过程中调压阀调节气密封罩内外差压使得柔性透明薄膜向下膨胀的结构示意图；
图3-2是单层固化物剥离过程中成功剥离后的结构示意图；
图4是本发明的控制信号连接图；
附图标记说明：刚性框架1，液槽2，柔性透明薄膜3，长行程直线模组4，成形平台5，气密封罩6，调压阀7，压缩气源8，线性致动器9，刚性平台成像元件10，光敏液态高分子物料11，已固化物12，夹缝13，单层固化物14，未剥离边界线15，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：
如图1-1、1-2、1-3，刚性框架1顶部有液槽2，液槽2底部为柔性透明薄膜3，刚性框架1顶部还竖直固定长行程直线模组4，长行程直线模组4的工作台上有成形平台5，气密封罩6将液槽2、长行程直线模组4、及其工作平台上的成形平台5共同密封，形成气密环境；气密封罩6上有调节阀7，调压阀7与压缩气源8连接；刚性框架1内固定有线性致动器9，线性致动器9与刚性平台成像元件10相连接；线性致动器9可驱动刚性平板成像元件10向上运动，使刚性平板成像元件10贴紧柔性透明薄膜3，以支撑柔性透明薄膜3，线性致动器 9可驱动刚性平板成像元件10向下运动，使刚性平板成像元件10与柔性透明薄膜3分离，以解除刚性平板成像元件10对柔性透明薄膜3的支撑作用；调压阀7可调节气密封罩6内气密环境相对外部大气环境的压力差，当压力差为正值时，压力差在柔性透明薄膜3上形成的压力促使其向下膨胀。
调压阀7调节气密封罩6内气密环境的气压为常压，液槽2有光敏液态高分子物料11，线性致动器9驱动刚性平板成像元件10向上移动至支撑位置，使刚性平板成像元件10接触部位的柔性透明薄膜3处于张紧平坦状态，长行程直线模组4驱动成形平台5向下移动并定位已固化物12的竖直位置，使已固化物12与柔性透明薄膜3之间的夹缝13为单层光固化厚度，如图2-1所示；刚性平板成像元件10将光学图案投射到上方的柔性透明薄膜3上，光学图案穿透柔性透明薄膜3后，作用至夹缝13中的光敏液态高分子物料11，激发光学图案明亮区域发生光固化反应，刚性平板成像元件10维持曝光时间后关闭光学图案投射，夹缝13 中的光敏液态高分子物料11生成与光学图案明亮区域对应的单层固化物14，如图2-2所示；线性致动器9驱动刚性平板成像元件10向下移动至剥离位置，解除刚性平板成像元件10对柔性透明薄膜3的支撑作用，如图2-3所示。
压阀7调节气密封罩6内气密环境相对外部环境的气压差为正值，单层固化物14周围区域的柔性透明薄膜3在压力差作用下向下方膨胀变形，如图3-1所示；与单层固化物14粘结的柔性透明薄膜3从单层固化物14外部边缘区域开始剥离；剥离过程中，光敏液态高分子物料11不断填充已剥离区域，而填充到已剥离区域的光敏液态高分子物料11将压力进一步传导至粘结区域中心的未剥离边界线15上，使剥离持续向粘结区域中心推进，直至柔性透明薄膜3从单层固化物14下表面完全剥离，如图3-2所示，然后压阀7调节气密封罩6内气密环境回复常压，本层光固化过程完成。
如图4，光固化控制器20与长行程直线模组4连接，光固化控制器20与调节阀7连接，光控制器20与线性致动器9连接，光控制器20与刚性平板成像元件10连接；光固化控制器 20发出电信号至长行程直线模组4，以控制长行程直线模组4带动成形平台5，以及附着在成形平台5下表面的已固化物12进行竖直定位运动；光固化控制器20发出电信号至调压阀 7，以控制调压阀7调节气密封罩6内的环境压力；光固化控制器20发出电信号至线性致动器9，以控制线性致动器9带动刚性平板成像元件10向上移动至支撑位置，或向下移动至剥离位置；光固化控制器20发出电信号至刚性平板成像元件10，以控制刚性平板成像元件10 将光学图案投射到柔性透明薄膜3，并激发液槽底部的光敏液态高分子物料11发生光固化反应。
本发明的刚性平板成像元件在固化反应过程中支撑液槽底部的柔性透明薄膜，与成形平台或附着在成形平台上固化物的竖直定位相配合，调节光固化区域光敏液态高分子物料的厚度并控制其平整度，以确保光固化反应所生成单层固化物的平整度与厚度尺寸；本发明的刚性平板成像元件，在固化反应后移出光固化区域，从而解除其对柔性透明薄膜的支撑作用，进而通过调压阀调节气密封罩内外的气压差，迫使柔性透明薄膜向下方膨胀变形，进而从单层固化物下表面剥离；本发明单层固化物的剥离过程从固化物边缘向中心逐步推进，剥离力大小受控于气密封罩内外的气压差，可通过调压阀精确调节。
本发明的一种光固化成形控制方法，其液槽中的光敏液态高分子物料的液位仅需满足每一层光固化反应前，有适量的光敏液态高分子物料填充在柔性透明薄膜与上一层固化物之间即可，无需注入过量光敏液态高分子物料，进而利用其自重将柔性透明薄膜从固化物上剥离；本发明对光敏液态高分子物料利用率高，液槽清理或更换光敏液态高分子物料的操作简便、快捷。
本发明的线性致动器除本实施例中的上下移动方式，亦可采用横向平移方式，即先横向移动到光固化区域以支撑液槽底部的柔性透明薄膜，再横向移出光固化区域以解除对光固化区域柔性透明薄膜的支撑。
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 (3)
1.一种光固化成形控制装置，包括刚性框架(1)，其特征是：
刚性框架(1)顶部设有液槽(2)，液槽(2)内设有光敏液态高分子物料(11)，液槽(2)底部为柔性透明薄膜(3)，刚性框架(1)顶部设有竖直固定的长行程直线模组(4)，长行程直线模组(4)上设有与其配合可上下移动的成形平台(5)，成形平台(5)下方附着有已固化物(12)；
液槽(2)、长行程直线模组(4)、成形平台(5)外设有气密封罩(6)，气密封罩(6)上设有调节阀(7)，调节阀(7)与压缩气源(8)连接，调节阀(7)可用于调节气密封罩(6)内气密环境相对外部大气环境的压力差，当压力差为正值时可使得柔性透明薄膜(3)向下膨胀；
刚性框架(1)内设有线性致动器(9)，线性致动器(9)与刚性平板成像元件(10)连接，线性致动器(9)可驱动刚性平板成像元件(10)向上运动使其贴紧柔性透明薄膜(3)以对其支撑，线性致动器(9)可驱动刚性平板成像元件(10)向下运动使刚性平板成像元件(10)与柔性透明薄膜(3)分离以解除支撑作用；
有一个光固化控制器(20)分别与长行程直线模组(4)、调节阀(7)、线性致动器(9)、刚性平板成像元件(10)连接，以控制长行程直线模组(4)带动成形平台(5)以及其下方附着的已固化物(12)进行竖直定位运动，控制调节阀(7)调节气密封罩(6)内的环境压力，控制线性致动器(9)带动刚性平板成像元件(10)向上移动至支撑位置或向下移动至剥离位置，控制刚性平板成像元件(10)将光学图案投射到柔性透明薄膜(3)。
2.根据权利要求1所述的光固化成形控制装置，其特征是：所述线性致动器(9)驱动平板成像元件(10)横向平移以替代上下移动，当横向移动到光固化区域内以支撑液槽(2)底部的柔性透明薄膜(3)，当横向移出光固化区域以解除对光固化区域柔性透明薄膜(3)的支撑。
3.一种利用权利要求1所述装置的光固化成形控制方法，包括以下步骤：
1)调压阀(7)调节气密封罩(6)内气密环境的气压为常压，线性致动器(9)驱动刚性平板成像元件(10)向上移动至支撑位置，使刚性平板成像元件(10)接触部位的柔性透明薄膜(3)处于张紧平坦状态，长行程直线模组(4)驱动成形平台(5)向下移动并定位已固化物(12)的竖直位置，使已固化物(12)与柔性透明薄膜(3)之间的夹缝(13)为单层光固化厚度，刚性平板成像元件(10)将光学图案投射到上方的柔性透明薄膜(3)上，光学图案穿透柔性透明薄膜(3)后，作用至夹缝(13)中的光敏液态高分子物料(11)，激发光学图案明亮区域发生光固化反应，刚性平板成像元件(10)维持曝光时间后关闭光学图案投射，夹缝(13)中的光敏液态高分子物料(11)生成与光学图案明亮区域对应的单层固化物(14)；
2)将第一层单层固化物(14)从柔性透明薄膜(3)上剥离时，线性致动器(9)驱动刚性平板成像元件(10)向下移动至剥离位置，解除刚性平板成像元件(10)对柔性透明薄膜(3)的支撑作用，调压阀(7)调节气密封罩(6)内气密环境相对外部环境的气压差为正值，单层固化物(14)周围区域的柔性透明薄膜(3)在压力差作用下向下方膨胀变形，与单层固化物(14)粘结的柔性透明薄膜(3)从单层固化物(14)外部边缘区域开始剥离，剥离过程中，光敏液态高分子物料(11)不断填充已剥离区域，而填充到已剥离区域的光敏液态高分子物料(11)将压力进一步传导至粘结区域中心的未剥离边界线(15)上，使剥离持续向粘结区域中心推进，直至柔性透明薄膜(3)从单层固化物(14)下表面完全剥离，然后调压阀(7)调节气密封罩(6)内气密环境回复常压，本层光固化过程完成；
3)进行第二层以及后续层光固化前，控制长行程直线模组(4)驱动成形平台(5)向上移动单层光固化厚度，控制线性致动器(9)驱动刚性平板成像元件(10)向上返回至柔性透明薄膜(3)的支撑位置，此时，成形平台(5)下方附着的第一层单层固化物(14)，其下表面与刚性平板成像元件(10)支撑部位的柔性透明薄膜(3)，两者间的光敏液态高分子物料(11)再次恢复到单层光固化厚度，重复前述单层光固化、单层固化物从柔性透明薄膜(3)上剥离，以及后续层光固化之前的准备工序，直至完成全部层光固化，所形成的完整三维形体附着在成形平台(5)下表面。
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