CN111361146A - 光固化成型方法及三维打印机 - Google Patents

光固化成型方法及三维打印机 Download PDF

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Abstract

一种光固化成型方法及三维打印机，其方法包括：提供三维打印机，包括树脂槽及做件平台，所述树脂槽内部盛有液态光敏树脂，所述做件平台底部朝向液态光敏树脂；在所述树脂槽底部表面形成第一固化区域；所述第一固化区域的液态光敏树脂固化，形成第一固化层，所述第一固化层粘接在所述做件平台上；获取所述第一固化区域的图形作为初始图形；确定所述初始图形的最小包络矩形；根据确定的所述最小包络矩形，确定树脂槽沿x轴或y轴方向移动的距离，并对所述树脂槽进行移动；在所述树脂槽底部表面形成第二固化区域，所述第二固化区域的液态光敏树脂固化，形成第二固化层，所述第二固化层粘接在所述第一固化层上。本发明有利于提高树脂槽的整体利用率。

Description

光固化成型方法及三维打印机
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种光固化成型方法及三维打印机。
背景技术
增材制造技术，俗称三维打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造实体造型的技术。
以SLA(Stereolithography，激光固化成型)打印机为例，它以激光照射液态光敏树脂，并分层固化制作三维模型。成型过程开始时，可升降的做件平台处于树脂液面下一个截面层厚的高度。在计算机的控制下，聚焦后的激光束按照截面轮廓的要求，沿树脂液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。然后，做件平台下降一层薄片的高度，已固化的树脂薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，直到整个产品成型完毕。
但是，现有光固化成型方法仍有待改进。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种光固化成型方法及三维打印机，能够避开已使用的树脂槽成型区域，确保在三维造型成型过程中，最大限度地利用树脂槽的每个区域，提高树脂槽的整体利用率。
为解决上述问题，本发明提供一种光固化成型方法，包括：提供三维打印机，包括树脂槽及做件平台，所述树脂槽内部盛有液态光敏树脂，所述做件平台底部朝向液态光敏树脂；在所述树脂槽底部表面形成第一固化区域；所述第一固化区域的液态光敏树脂固化，形成第一固化层，所述第一固化层粘接在所述做件平台上；获取所述第一固化区域的图形作为初始图形；确定所述初始图形的最小包络矩形；根据确定的所述最小包络矩形，确定树脂槽沿x轴或y轴方向移动的距离，并对所述树脂槽进行移动；在所述树脂槽底部表面形成第二固化区域，所述第二固化区域的液态光敏树脂固化，形成第二固化层，所述第二固化层粘接在所述第一固化层上。
可选的，确定所述初始图形的最小包络矩形的方法包括：确定初始图形在坐标系中Xmin和Xmax的像素点及Ymin和Ymax的像素点；根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积；将所述初始图形旋转预定角度，形成第一图形，并确定所述第一图形在坐标系中X1min和X1max的像素点及Y1min和Y1max的像素点；根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形面积；继续按照预定角度旋转图形直到旋转角度达到90°，在每一旋转步骤中，确定图形在坐标系中x轴最小值和x轴最大值的像素点及y轴最小值和y轴最大值的像素点，并根据获取的像素点确定相应包络矩形面积；根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形；根据最小包络矩形的长或宽值，确定树脂槽沿x轴或y轴方向移动的距离。
可选的，当所述树脂槽仅可沿x轴方向移动时，移动步长为：L＝W/cosθ；其中，W表示所述最小包络矩形的宽度；θ＝90°-α，α表示所述最小包络矩形相对于所述初始图形的旋转角度。
可选的，当所述树脂槽可沿x轴及y轴方向移动时，x轴方向移动步长为：Lx＝b×cosθ；y轴方向的移动步长为：Ly＝W×sinθ；其中，W表示所述最小包络矩形的宽度；θ＝90°-α，α表示所述最小包络矩形相对于所述初始图形的旋转角度。
可选的，所述树脂槽沿x轴移动及沿y轴方向移动同时进行。
可选的，所述树脂槽沿x轴移动及沿y轴方向移动分步骤进行。
可选的，所述预定角度为0.1°～5°。
可选的，根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积的方法包括：获取经过所述Xmin且垂直于x轴的第一侧边；获取经过所述Xmax且垂直于x坐标轴的第二侧边；获取经过所述Ymin且垂直于y坐标轴的第三侧边；获取经过所述Ymax且垂直于y坐标轴的第四侧边；所述第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边围成所述初始包络矩形。
可选的，根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积后，且在形成第一图形前，还包括：确定所述初始图形面积；计算所述初始包络矩形面积与所述初始图形面积的比值。
可选的，根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形面积后，且在继续旋转图形前，还包括：计算所述第一包络矩形面积与所述初始图形面积的比值。
可选的，所述根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形的方法包括：确定各步骤中获取的所述包络矩形面积与所述初始图形面积的比值的最小值，确定最小包络矩形。
本发明还提供一种采用上述光固化成型方法的三维打印机，包括：树脂槽，所述树脂槽内部盛有液态光敏树脂；做件平台，所述做件平台底部朝向液态光敏树脂；投影装置，设于所述树脂槽底部，所述投影装置与所述做件平台相对，所述投影装置适于在所述树脂槽底部表面形成固化区域，所述初始图形与所述固化区域的图形相同；树脂槽移动机构，适于在水平面上，沿一个方向移动所述树脂槽，或者，沿相垂直的两个方向移动所述树脂槽；设备主控单元，所述设备主控单元适于控制所述树脂槽移动机构。
可选的，所述树脂槽表面设有保护膜。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明提供的光固化成型方法的技术方案中，初始图形与已使用的树脂槽的成型区域有关。通过确定所述初始图形的最小包络矩形，确定树脂槽移动的距离。按照确定的移动距离对所述树脂槽进行移动，能够避开已使用的树脂槽的成型区域，从而充分利用树脂槽的每个区域，提高树脂槽的整体利用率。
可选方案中，所述预定角度为0.1°～5°。所述预定角度适当，一方面，可避免错过最小矩形对应的旋转位置，以提高确定的最小矩形的准确率。另一方面，防止旋转操作过于繁复，有利于降低计算量，提高作业效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的三维打印机的结构示意图；
图2至图8是本发明光固化成型方法一实施例中各步骤对应的示意图。
具体实施方式
发明人注意到，目前三维打印机虽然设有树脂槽移动机构，以实现树脂槽在水平面上的移动。但是由于缺乏树脂槽移动策略，使得树脂槽移动具有较大的随意性，难以充分利用树脂槽的每个区域，导致树脂槽的整体利用率低。
为解决上述问题，本发明提供一种光固化成型方法，能够提高树脂槽的整体利用率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明实施例提供的三维打印机10的结构示意图；图2至图8是本发明光固化成型方法一实施例中各步骤对应的示意图。
参考图1，提供三维打印机10，所述三维打印机10包括：树脂槽20、做件平台30、投影装置40、树脂槽移动机构50、z轴移动机构60及设备主控单元(图中未示出)。
所述树脂槽20内部盛有液态光敏树脂。
所述树脂槽20表面设有保护膜。在三维打印过程中，液态光敏树脂固化形成固化层，粘附在做件平台30与树脂槽20之间。所述保护膜能够降低固化层与树脂槽20底部相剥离的难度，以防止在剥离过程中对所述固化层表面造成损伤，有助于提高三维造型的成型质量。
本实施例中，所述保护膜为氟膜。
所述做件平台30底部朝向液态光敏树脂。
所述投影装置40设于所述树脂槽20底部，且与所述做件平台30相对。所述投影装置40适于在所述树脂槽20底部表面形成固化区域。
所述树脂槽移动机构50适于在水平面上，沿一个方向移动所述树脂槽20，或者，沿相垂直的两个方向移动所述树脂槽20。
所述z轴移动机构60适于沿竖直方向移动所述做件平台30。
下面详细介绍所述三维打印机10的做件流程，以对本发明提供的光固化成型方法进行详细的说明。
首先，z轴移动机构60带动做件平台30移动到做件零位，使得所述做件平台30底部与所述树脂槽20内的液态光敏树脂相接触。
然后，所述设备主控单元提取当前层的图形，并控制所述投影装置40，将需要成型的图形照射在所述树脂槽20的底部，在所述树脂槽20底部表面形成第一固化区域。所述第一固化区域的液态光敏树脂在投影光线的作用下发生化学反应，由液态变成固态，从而形成与当前成型文件的图形一致的第一固化层，并粘接在做件平台30和树脂槽20底部。z轴移动机构60带动做件平台30进行剥离运动，使固化成型的树脂与树脂槽20底部脱开。
接着，所述设备主控单元采用上述光固化成型方法，获取当前投影图形的最小包络矩形，从而求出为避开已使用的树脂槽20的成型区域，树脂槽20所需移动的距离。然后所述设备主控单元控制所述树脂槽移动机构50，以使对树脂槽20进行移动。
然后，z轴移动机构60带动做件平台30移动到下一层做件高度(与当前层位置相比，相差一个层厚的距离)，然后所述设备主控单元提取下一层的图形，并控制所述投影装置40，将需要成型的图形照射在树脂槽20底部，在树脂槽20底部形成第二固化区域，所述第二固化区域的液态光敏树脂固化，以形成第二固化层，并粘接在第一固化层上。
重复上述过程，直到完成三维造型的打印过程。
下面结合附图，对确定所述树脂槽20所需移动的距离的方法进行详细的介绍：
参考图2，获取所述第一固化区域的图形作为初始图形100；确定初始图形100在坐标系中Xmin和Xmax的像素点及Ymin和Ymax的像素点。
本实施例中，初始图形100呈矩形状。在其他实施例中，初始图形还可以为圆形、椭圆形、平行四边形、正多边形或不规则图形。
本实施例中，所述初始图形100的每一像素点在XY坐标系中均具有对应的坐标(X，Y)，其中，X为所述像素点在x轴上的坐标值，Y为所述像素点在y轴上的坐标值。
Xmin的像素点为x轴上的坐标值最小的像素点，Xmax的像素点为x轴上的坐标值最大的像素点。Ymin的像素点为y轴上的坐标值最小的像素点，Ymax的像素点为y轴上的坐标值最大的像素点。本实施例中，Xmin的像素点为B点，Xmax的像素点为D点，Ymin的像素点为C点，Ymax的像素点为A点。
参考图3，根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形200的面积。
本实施例中，所述根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形200的面积的方法包括：获取经过所述Xmin且垂直于x轴的第一侧边201；获取经过所述Xmax且垂直于x坐标轴的第二侧边202；获取经过所述Ymin且垂直于y坐标轴的第三侧边203；获取经过所述Ymax且垂直于y坐标轴的第四侧边204；所述第一侧边201、第二侧边202、第三侧边203及第四侧边204围成所述初始包络矩形200。在所述初始包络矩形200确定后，即可获取所述初始包络矩形200的面积。
本实施例中，确定初始包络矩形200的面积后，还包括：确定所述初始图形100的面积；计算所述初始包络矩形200的面积与所述初始图形100的面积的比值。
本实施例中，所述初始包络矩形200的面积与所述初始图形100的面积的比值大于1。
参考图4，将所述初始图形100(参考图2)旋转预定角度，形成第一图形300，并确定所述第一图形300在坐标系中X1min和X1max的像素点及Y1min和Y1max的像素点。
本实施例中，以所述初始图形100(参考图2)的对称中心O'(参考图2)作为旋转中心。
本实施例中，所述预定角度为0.1°～5°。后续继续按照预定角度旋转图形，根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形。若所述预定角度过大，容易错过最小包络矩形对应的旋转位置，影响确定的最小包络矩形的准确率。若所述预定角度过小，造成旋转操作过于繁复，不必要的增加计算量，影响作业效率。
本实施例中，X1min的像素点为B'点，X1max的像素点为D'点，Y1min的像素点为C'点，Y1max的像素点为A'点。
参考图5，根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形400的面积。
本实施例中，所述根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形400面积的方法包括：获取经过所述X1min且垂直于x轴的第五侧边401；获取经过所述X1max且垂直于x坐标轴的第六侧边402；获取经过所述Y1min且垂直于y坐标轴的第七侧边403；获取经过所述Y1max且垂直于y坐标轴的第八侧边404；所述第五侧边401、第六侧边402、第七侧边403及第八侧边404围成所述第一包络矩形400。在所述第一包络矩形400确定后，即可获取所述第一包络矩形400的面积。
本实施例中，确定第一包络矩形400的面积后，还包括：计算所述第一包络矩形400的面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值。
本实施例中，所述第一包络矩形400的面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值大于1。
本实施例中，计算所述第一包络矩形400的面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值后，将所述第一图形300旋转预定角度，形成第二图形(图中未示出)，并确定所述第二图形在坐标系中X2min和X2max的像素点及Y2min和Y2max的像素点。
然后，根据X2min、X2max、Y2min、Y2max数值确定第二包络矩形(图中未示出)的面积，并计算所述第二包络矩形的面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值。
按照以上步骤，继续按照预定角度旋转图形直到旋转角度达到90°，在每一旋转步骤中，确定图形在坐标系中x轴最小值和x轴最大值的像素点及y轴最小值和y轴最大值的像素点，并根据获取的像素点确定相应包络矩形面积。
本实施例中，旋转图形直到旋转角度达到90°，相较于旋转图形直到旋转角度达到360°，能够实现相同的效果，有助于降低工作量，减少操作步骤。
本实施例中，在每一旋转步骤中，计算获取的所述包络矩形面积与所述初始图形面积的比值。
参考图6，根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形。
本实施例中，确定各步骤中获取的所述包络矩形面积与所述初始图形面积的比值的最小值，以确定最小包络矩形。
本实施例中，在将图形旋转至如图5所示的位置时，获取的所述包络矩形500与所述初始图形100(参考图1)的大小相同。获取的所述包络矩形500的四个顶点分别为a、b、c及d点。所述包络矩形500的面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值最小，具体的，所述比值等于1。而其他步骤中，计算得到的所述包络矩形面积与所述初始图形100(参考图1)的面积的比值均大于1，从而可确定所述包络矩形500为最小包络矩形500。
参考图7及图8，根据最小包络矩形500的长或宽值，确定树脂槽沿x轴或y轴方向移动的距离。为清楚起见，所述初始图形100表面的阴影予以省略。
本实施例中，如图7所示，所述树脂槽20可沿x轴及y轴方向移动。
x轴方向移动步长为：Lx＝W×cosθ；
y轴方向的移动步长为：Ly＝W×sinθ；
其中，W表示所述最小包络矩形500的宽度；
θ＝90°-α，α表示所述最小包络矩形500相对于所述初始图形100的旋转角度。
本实施例中，所述树脂槽20沿x轴移动及沿y轴方向移动分步骤进行。在其他实施例中，所述树脂槽沿x轴移动及沿y轴方向移动还可以同时进行。
在其他实施例中，如图8所示，所述树脂槽仅可沿x轴方向移动。
移动步长为：L＝W/cosθ。
参考图1，本发明还提供一种采用所述光固化成型方法的三维打印机10，所述三维打印机10包括：树脂槽20、做件平台30、投影装置40、树脂槽移动机构50、z轴移动机构60及设备主控单元(图中未示出)。
所述树脂槽20内部盛有液态光敏树脂。所述做件平台30底部朝向液态光敏树脂。
所述投影装置40设于所述树脂槽20底部，且与所述做件平台30相对。所述投影装置40适于在所述树脂槽20底部表面形成固化区域，所述初始图形100(参考图1)与所述固化区域的图形相同。
所述树脂槽移动机构50适于在水平面上，沿一个方向移动所述树脂槽20，或者，沿相垂直的两个方向移动所述树脂槽20。
所述设备主控单元采用上述光固化成型方法，控制所述树脂槽移动机构50对所述树脂槽20进行移动。
所述z轴移动机构60适于沿竖直方向移动所述做件平台30。
综上所述，利用所述光固化成型方法对树脂槽20进行移动，能够避开已使用的树脂槽20的成型区域，从而充分利用树脂槽20的每个区域，提高树脂槽20的整体利用率。
此外，由上述可知，在形成每一固化层的步骤中，均需要进行所述固化层与树脂槽20底部的剥离。利用所述光固化成型方法，使得在形成每一固化层的过程中，所述树脂槽20底部的不同区域与所述固化层相剥离，有助于保护所述树脂槽20表面的氟膜，防止氟膜起毛，从而可提高成型件的质量。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种光固化成型方法，其特征在于，包括：
提供三维打印机，包括树脂槽及做件平台，所述树脂槽内部盛有液态光敏树脂，所述做件平台底部朝向液态光敏树脂；
在所述树脂槽底部表面形成第一固化区域；
所述第一固化区域的液态光敏树脂固化，形成第一固化层，所述第一固化层粘接在所述做件平台上；
获取所述第一固化区域的图形作为初始图形；
确定所述初始图形的最小包络矩形；
根据确定的所述最小包络矩形，确定所述树脂槽移动的距离，并对所述树脂槽进行移动；
在所述树脂槽底部表面形成第二固化区域，所述第二固化区域的液态光敏树脂固化，形成第二固化层，所述第二固化层粘接在所述第一固化层上。
2.如权利要求1所述的光固化成型方法，其特征在于，确定所述初始图形的最小包络矩形的方法包括：
确定初始图形在坐标系中Xmin和Xmax的像素点及Ymin和Ymax的像素点；
根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积；
将所述初始图形旋转预定角度，形成第一图形，并确定所述第一图形在坐标系中X1min和X1max的像素点及Y1min和Y1max的像素点；
根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形面积；
继续按照预定角度旋转图形直到旋转角度达到90°，在每一旋转步骤中，确定图形在坐标系中x轴最小值和x轴最大值的像素点及y轴最小值和y轴最大值的像素点，并根据获取的像素点确定相应包络矩形面积；
根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形。
3.如权利要求2所述的光固化成型方法，其特征在于，当所述树脂槽仅可沿x轴方向移动时，移动步长为：L＝W/cosθ；
其中，W表示所述最小包络矩形的宽度；
θ＝90°-α，α表示所述最小包络矩形相对于所述初始图形的旋转角度。
4.如权利要求2所述的光固化成型方法，其特征在于，当所述树脂槽可沿x轴及y轴方向移动时，
x轴方向移动步长为：Lx＝W×cosθ；
y轴方向的移动步长为：Ly＝W×sinθ；
其中，W表示所述最小包络矩形的宽度；
θ＝90°-α，α表示所述最小包络矩形相对于所述初始图形的旋转角度。
5.权利要求4所述的光固化成型方法，其特征在于，所述树脂槽沿x轴移动及沿y轴方向移动同时进行。
6.权利要求4所述的光固化成型方法，其特征在于，所述树脂槽沿x轴移动及沿y轴方向移动分步骤进行。
7.如权利要求2至6任一项所述的光固化成型方法，其特征在于，所述预定角度为0.1°～5°。
8.如权利要求2所述的光固化成型方法，其特征在于，根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积的方法包括：获取经过所述Xmin且垂直于x轴的第一侧边；获取经过所述Xmax且垂直于x坐标轴的第二侧边；获取经过所述Ymin且垂直于y坐标轴的第三侧边；获取经过所述Ymax且垂直于y坐标轴的第四侧边；所述第一侧边、第二侧边、第三侧边及第四侧边围成所述初始包络矩形。
9.如权利要求2所述的光固化成型方法，其特征在于，根据Xmin、Xmax、Ymin、Ymax数值确定初始包络矩形面积后，且在形成第一图形前，还包括：确定所述初始图形面积；计算所述初始包络矩形面积与所述初始图形面积的比值。
10.如权利要求9所述的光固化成型方法，其特征在于，根据X1min、X1max、Y1min、Y1max数值确定第一包络矩形面积后，且在继续旋转图形前，还包括：计算所述第一包络矩形面积与所述初始图形面积的比值。
11.如权利要求10所述的光固化成型方法，其特征在于，所述根据每一步骤中获得的包络矩形面积值，确定最小包络矩形的方法包括：确定各步骤中获取的所述包络矩形面积与所述初始图形面积的比值的最小值，确定最小包络矩形。
12.一种采用如权利要求1至11任一项所述的光固化成型方法的三维打印机，其特征在于，包括：
树脂槽，所述树脂槽内部盛有液态光敏树脂；
做件平台，所述做件平台底部朝向液态光敏树脂；
投影装置，设于所述树脂槽底部，所述投影装置与所述做件平台相对，所述投影装置适于在所述树脂槽底部表面形成固化区域，所述初始图形与所述固化区域的图形相同；
树脂槽移动机构，适于在水平面上，沿一个方向移动所述树脂槽，或者，沿相垂直的两个方向移动所述树脂槽；
设备主控单元，所述设备主控单元适于控制所述树脂槽移动机构。
13.如权利要求12所述的三维打印机，其特征在于，所述树脂槽表面设有保护膜。
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