CN110696356A - 一种投影式3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种投影式3D打印机，所述投影式3D打印机工作台、光路组件、打印平台以及振镜系统，光路组件设于工作台，光路组件包括至少一DMD芯片，光路组件通过DMD芯片发出具有预设投影图形的激光光束；打印平台设于工作台，位于DMD芯片下方，打印平台用于铺设打印材料；振镜系统设于工作台，且位于光路组件与打印平台之间，振镜系统包括一可偏摆设置的反射镜，以通过改变反射镜的偏摆角度大小，对经由DMD芯片发出的激光光束的投影角度进行调节，实现激光光束在打印平台上形成的投影图形的移动和拼接，分区依次加热，以调整激光投影的加热区域。本发明使得所述投影式3D打印机在打印成型面积较大的产品时更具灵活性、效率更高。

Description

一种投影式3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种投影式3D打印机。
背景技术
自1986美国科学家Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机之后，3D打印技术的发展给制造业带来了一个新的方向，随着近些年的发展，可采用3D打印的产品越来越多，3D打印涉足的制造领域也越来越广泛。其中，DLP(Digital Light Processing)数字光处理技术应用到3D打印之后，可以对液态光敏树脂进行3D成型的加工，DLP平面投影辐射可以使光敏树脂快速固化成型，打印速度快，但目前3D打印中使用的DLP投影技术只能针对光敏树脂进行冷加工处理，不能对材料进行加热，适用范围过窄，材料成本高昂。还有SLS(SelectedLaser Sintering)激光选区烧结技术，3D打印的原料为粉末材料，对粉末材料进行点加热烧结，需要将粉末材料加热至熔融状态，待其凝固冷却后取出，SLS技术在3D打印中可以适用多种材料。
将DLP投影技术应用到SLS技术中，可以在3D打印中实现投影式激光加热，提高3D打印的效率和适用范围。其中，对于DLP投影技术而言，其核心是DMD芯片，DMD芯片具有很多个采用金属铝制成的微镜反射面，通过控制器控制每个微镜反射面的方向，从而精确投影出需要的图形，在连续投影的过程中，DMD芯片会吸收一部分的激光而发热，导致工作温度过高，影响3D打印的稳定性，在温度太高时甚至会失效。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种投影式3D打印机，旨在调整3D打印时的投影面积。
为实现上述目的，本发明提出的一种投影式3D打印机，包括：
工作台；
光路组件，设于所述工作台，所述光路组件包括至少一DMD芯片，所述光路组件通过所述DMD芯片发出具有预设投影图形的激光光束；
打印平台，设于所述工作台，位于所述DMD芯片下方，所述打印平台用于铺设打印材料；以及，
振镜系统，设于所述工作台，且位于所述光路组件与所述打印平台之间，所述振镜系统包括一可偏摆设置的反射镜，以通过改变所述反射镜的偏摆角度大小，对经由所述DMD芯片发出的激光光束的投影角度进行调节，以调整所述激光光束投影的加热区域。
可选地，所述振镜系统还包括摆动电机和振镜固定架，所述反射镜安装于所述振镜固定架，所述摆动电机的输出轴与所述振镜固定架连接，用以驱动所述振镜固定架摆动，以带动所述反射镜偏摆。
可选地，所述振镜系统还包括：
光栅尺传感器，设于所述反射镜，用以检测所述反射镜的实际偏摆角度；以及，
控制器，与所述光栅尺传感器连接，以根据所述光栅传感器检测到的所述反射镜的实际偏摆角度，控制所述反射镜偏摆。
可选地，所述反射镜的偏摆角度范围为±30°。
可选地，所述投影式3D打印机还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述打印平台，以驱动所述打印平台活动。
可选地，所述驱动装置包括横向平移组件，所述横向平移组件与所述打印平台连接，用以驱动所述打印平台横向平移。
可选地，所述光路组件包括：
激光器，用以提供激光光束；
光束调整装置，设于所述激光器的激光出射方向，用以将所述激光器提供的激光光束调整为平行传播的平顶光束；
投影装置，所述DMD芯片设于所述投影装置，所述投影装置设于所述光束调整装置的激光出射方向，用以对经过所述光束调整装置调整后的激光光束进行投影而形成预设投影图形；以及，
控制装置，用以控制所述DMD芯片的投影图形和位置。
可选地，所述光束调整装置包括沿所述激光光束传播路径依次设置的准直器和光阑；或者，
所述光束调整装置为一光束整形器。
本发明提供的技术方案中，通过设置所述振镜系统与所述DMD芯片进行搭配，对经由所述DMD芯片发出的激光光束的投影角度进行调节，以调整激光光束在所述打印平台上形成的投影面积，使得所述投影式3D打印机在打印成型面积较大的产品时更具灵活性、效率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的投影式3D打印机的一实施例的结构示意图；
图2为图1中振镜系统的结构示意图；
图3为本发明提供的投影式3D打印机的另一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 光路组件 14 控制装置
11 激光器 20 打印平台
12 光束调整装置 30 振镜系统
121 光束整形器 31 反射镜
122 准直器 32 振镜固定架
123 光阑 33 偏摆电机
13 投影装置 34 光栅传感器
131 DMD芯片 35 控制器
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
将DLP投影技术应用到SLS技术中，可以在3D打印中实现投影式激光加热，提高3D打印的效率和适用范围。其中，对于DLP投影技术而言，其核心是DMD芯片，DMD芯片具有很多个采用金属铝制成的微镜反射面，通过控制器控制每个微镜反射面的方向，从而精确投影出需要的图形，在连续投影的过程中，DMD芯片会吸收一部分的激光而发热，导致工作温度过高，影响3D打印的稳定性，在温度太高时甚至会失效。
鉴于此，本发明提出的一种投影式3D打印机，图1至图2为本发明提供的投影式3D打印机的一实施例。请参阅图1，在本实施例中，所述投影式3D打印机包括工作台(未图示)、光路组件10、打印平台20以及振镜系统30，其中，所述光路组件10设于所述工作台，所述光路组件10包括至少一DMD芯片131，所述光路组件10通过所述DMD芯片131发出具有预设投影图形的激光光束；所述打印平台20设于所述工作台，位于所述DMD芯片131下方，所述打印平台20用于铺设打印材料；所述振镜系统30设于所述工作台，且位于所述光路组件10与所述打印平台20之间，所述振镜系统30包括一可偏摆设置的反射镜31，以通过改变所述反射镜31的偏摆角度大小，对经由所述DMD芯片131发出的激光光束的投影角度进行调节，以调整所述激光光束投影的加热区域。
本实施例中，通过所述反射镜31的偏摆，可调整激光光束在所述打印平台20上形成的投影面积，投影面积的调整指的是通过投影区域的拼接对投影面积进行扩展，由于所述反射镜31的偏摆角度变化时，所述激光光束投影的加热区域是跟随变化的，因此，对投影面积的扩展可按照预设的路径或先后顺序等可控地进行，进一步参阅图1，所述反射镜31处于未进行偏摆的原始安装位置时，所述反射镜31与经由上述DMD芯片131射出的激光光束的入射方向夹角为45°，如此，当激光光束为水平光束时，则在经过所述反射镜31反射后变为竖直光束，并在所述打印平台上投影形成可成型区域A(图1中实线所示区域)，此时，激光在所述反射镜31沿某一偏摆方向偏摆一定角度后(图1中为向左偏转，定义为所述反射镜31的正向偏转方向，对应地，向右偏转则为所述反射镜31的反向偏转方向)，激光光束经由所述反射镜31反射后在所述打印平台上投影形成可成型区域B(图1中虚线所示区域)，此时，激光光束相对于所述打印平台呈倾斜设置，投影角度和投影面积均得以改变，且所述区域B的投影面积大于所述区域A的面积。较佳地，在本实施例中，设置所述反射镜31的偏摆角度范围为±30°，显然，由于所述反射镜31的偏摆角度是根据投影图像、所述DMD芯片的投影镜头的参数以及其相对所述打印平台20的位置等设置的，在其他实施例中，所述反射镜31的偏摆角度范围可以另取其他数值，如此，在实现调节激光光束的投影角度并增大投影面积的基础上，有利于避免激光光束投影角度偏移过大而出现能量少量散失的问题。
本发明提供的技术方案中，通过设置所述振镜系统30与所述DMD芯片131进行搭配，对经由所述DMD芯片131发出的激光光束的投影角度进行调节，以调整激光光束投影的加热区域，从而实现对3D打印时的可成型面积的调整，使得所述投影式3D打印机在打印成型面积较大的产品时更具灵活性、效率更高。
所述振镜系统30的偏摆可通过一摆动电机来实现，具体请参阅图2，在本实施例中，所述振镜系统30还包括摆动电机32和振镜固定架33，所述反射镜31安装于所述振镜固定架33，所述摆动电机32的输出轴与所述振镜固定架33连接，用以驱动所述振镜固定架33摆动，以带动所述反射镜31偏摆。所述反射镜31例如可采用粘接、卡接等方式安装于所述振镜固定架，采用使所述反射镜31与所述摆动电机32的输出轴之间通过所述振镜固定架进行连接的方式，相比于直接将所述反射镜31与所述摆动电机32的输出轴连接而言，能够减小对所述反射镜31自身结构或性能的影响。其中，所述摆动电机32可按照一定的电压与角度的转换比例摆动一定角度，整个过程采用闭环反馈控制，具体电路结构及控制方式可参照现有技术，在此不做详述。
进一步地，所述振镜系统还包括光栅尺传感器34和控制器35，所述光栅传感器34设于所述反射镜31，用以检测所述反射镜31的实际偏摆角度；所述控制器35与所述光栅尺传感器34连接，以根据所述光栅传感器34检测到的所述反射镜31的实际偏摆角度，控制所述反射镜31偏摆。具体地，所述反射镜31在偏摆的过程中，所述光栅传感器34实时检测所述反射镜31的实际偏摆角度，并反馈给所述控制器35，所述控制器35根据接收到的实际偏摆角度信息，控制所述摆动电机32继续偏摆、停止偏摆或反向偏摆等，以使所述反射镜31偏摆至所需角度。
通过设置所述振镜系统30与所述DMD芯片131进行搭配，调整所述投影式3D打印机的可成型面积时，对于该较大的可成型面积而言，所述DMD芯片131所需的功率可能也需要对应增大，这样容易导致所述DMD芯片发热量过高而影响其工作性能。为降低所述DMD芯片131的功率，减少其发热量，可以将预设的投影图形划分为多个打印片区，然后通过所述打印平台20的移动使得激光光束可以在多个打印片区之间有序移动，实现分步打印，以减小单次打印时的投影区域，降低所述DMD芯片131的功率。具体地，在本实施例中，所述打印平台20的移动方式为：所述投影式3D打印机还包括驱动装置(未图示)，所述驱动装置连接所述打印平台20，以驱动所述打印平台2活动。
所述打印平台20的活动方式既可以是横向平移，也可以横向旋转，或者是其他任何与所述打印平台20配合以改变投影区域的方式，以所述驱动装置驱动所述打印平台20横向平移为例进行说明，所述驱动装置包括横向平移组件，所述横向平移组件与所述打印平台20连接，用以驱动所述打印平台20横向平移，从而通过所述打印平台20的横向移动将下一待打印的打印片区移动至所述DMD芯片131的投影区域。进一步地，所述横向平移组件例如可以为齿轮传动系统或滚珠丝杠传动等，以滚珠丝杠传动为例进行说明，该滚珠丝杠传动系统包括滚珠丝杠、丝杠螺母、伺服电机、连接块以及直线导轨所，述伺服电机与所述滚珠丝杠驱动连接，以驱动所述滚珠丝杠转动，并带动所述丝杠螺母直线运动，所述连接块连接所述丝杠螺母、所述直线导轨以及移动件，以带动所述移动件在所述直线导轨上直线运动；其中，所述移动件为所述打印平台20，工作时，所述横向平移组件带动打印平台20横向平移。
所述光路组件10除包括所述DMD芯片131之外，通常还包括激光光源和对传播至所述DMD芯片131的入射激光进行光路调整的装置。在本实施例中，请参阅图1，所述光路组件10包括激光器11、光束调整装置12、投影装置13以及控制装置14，其中，所述激光器11用以提供激光光束；所述光束调整装置12设于所述激光器11的激光出射方向，用以将所述激光器11提供的激光光束调整为平行的平顶光束；所述DMD芯片131设于所述投影装置13，所述投影装置13设于所述光束调整装置12的激光出射方向，用以对经过所述光束调整装置12调整后的激光光束进行投影而形成预设投影图形；所述控制装置14用以控制所述DMD芯片131的投影图形和位置。如此，所述激光器11提供的激光光束，先经过所述光束调整装置12调整后变为平行的平顶光束，然后所述投影装置13的所述DMD芯片131在所述控制装置14的控制下，对入射的平顶光束进行投影，从而对应在所述打印平台20上形成预设的投影图形。需要说明的是，通过所述控制装置14控制所述DMD芯片131的投影图形和位置，以及通过所述DMD芯片131投影出预设的投影区域的具体实施方式可参照现有技术进行，在此不做赘述。
通过设置所述光束调整装置12，使得由上述激光器11输出的激光光束变为平行的平顶光束，从而能量更为均匀，有助于使位于所述DMD投影区域内的打印材料的固化速率更均匀，改善3D打印产品的外观性能。其中，所述激光机可以选用可输出平顶光束的激光器11或者输出非平顶光束的激光器11，并对应调整所述光束调整装置12的器件设置，在本实施例中，请参阅图1，所述激光器11为输出非平顶光束的激光器11，对应地，所述光束调整装置12为一光束整形器121，由上述激光器11输出的激光光束经过所述光束整形器123的调整后，变为能量均匀的平行平顶光束。在本发明的另一实施例中，请参阅图3，所述激光器11为可输出平顶光束的激光器11，对应地，所述光束调整装置12包括沿所述激光光束传播路径依次设置的准直器122和光阑123，所述准直器122用于使所述激光器11输出的平顶激光光束更为行，能量更为均匀，所述光阑123用于使激光光斑形成为预设形状，例如圆形、方形或矩形等。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种投影式3D打印机，其特征在于，包括：
工作台；
光路组件，设于所述工作台，所述光路组件包括至少一DMD芯片，所述光路组件通过所述DMD芯片发出具有预设投影图形的激光光束；
打印平台，设于所述工作台，位于所述DMD芯片下方，所述打印平台用于铺设打印材料；以及，
振镜系统，设于所述工作台，且位于所述光路组件与所述打印平台之间，所述振镜系统包括一可偏摆设置的反射镜，以通过改变所述反射镜的偏摆角度大小，对经由所述DMD芯片发出的激光光束的投影角度进行调节，以调整所述激光光束投影的加热区域。
2.如权利要求1所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述振镜系统还包括摆动电机和振镜固定架，所述反射镜安装于所述振镜固定架，所述摆动电机的输出轴与所述振镜固定架连接，用以驱动所述振镜固定架摆动，以带动所述反射镜偏摆。
3.如权利要求1所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述振镜系统还包括：
光栅尺传感器，设于所述反射镜，用以检测所述反射镜的实际偏摆角度；以及，
控制器，与所述光栅尺传感器连接，以根据所述光栅传感器检测到的所述反射镜的实际偏摆角度，控制所述反射镜偏摆。
4.如权利要求1所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述反射镜的偏摆角度范围为±30°。
5.如权利要求1所述的投影式3D打印机，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置连接所述打印平台，以驱动所述打印平台活动。
6.如权利要求5所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述驱动装置包括横向平移组件，所述横向平移组件与所述打印平台连接，用以驱动所述打印平台横向平移。
7.如权利要求1所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述光路组件包括：
激光器，用以提供激光光束；
光束调整装置，设于所述激光器的激光出射方向，用以将所述激光器提供的激光光束调整为平行传播的平顶光束；
投影装置，所述DMD芯片设于所述投影装置，所述投影装置设于所述光束调整装置的激光出射方向，用以对经过所述光束调整装置调整后的激光光束进行投影而形成预设投影图形；以及，
控制装置，用以控制所述DMD芯片的投影图形和位置。
8.如权利要求7所述的投影式3D打印机，其特征在于，所述光束调整装置包括沿所述激光光束传播路径依次设置的准直器和光阑；或者，
所述光束调整装置为一光束整形器。
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Inventor after: But strange and good

Inventor after: Liu Ye

Inventor after: Wu Min

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