CN111531875B - 一种可调光源波长的高精度大面积快速3d打印装置及方法 - Google Patents

一种可调光源波长的高精度大面积快速3d打印装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置及方法，包括计算机、固定掩模版曝光装置、成型装置和控制系统；该3D打印装置采用固定掩模版实现面投影曝光固化，一方面提高了打印精度和打印效率，另一方面可实现大面积打印，满足大物件的打印要求，同时降低了打印成本；并且本发明3D打印装置可根据光敏树脂的光固化性质的不同，采用不同波长的光源进行打印操作，在保证打印物件精度的情况下同时提高了光敏树脂固化成型后的性能，克服了光敏树脂因特定波长固化的局限，提高树脂种类的选择性。

Description

一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置及方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置及方法。
背景技术
3D打印是快速成型技术的一种，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物体的技术。如今在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，并逐渐用于一些产品的直接制造。3D打印由于其便捷性，逐渐被企业所重视，并在样品制作、小规模生产与定制化产品中得到应用。
光固化3D打印成型技术作为3D打印成型技术的一种，是通过光源选择区域照射使液态光敏树脂材料发生聚合反应后固化，然后进行逐层堆叠，形成打印物件。光源选择区域照射主要以逐层点扫描为主，但仍存在打印效率低和打印精度低的问题。有学者研究基于数字微镜晶片(DMD)实现数字光处理的面曝光投影技术，在一定程度上提高了打印效率和打印精度，但是目前的基于DMD的面曝光投影技术普遍存在光源波长固定，DMD价格高昂的缺点，在一定程度上增加了打印成本，并且难以实现大面积的打印操作，无法满足较大物件打印要求。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置及方法，该3D打印装置采用固定掩模版实现面投影曝光固化，一方面提高了打印精度和打印效率，另一方面可实现大面积打印，满足大物件的打印要求，同时降低了打印成本；并且本发明3D打印装置可根据光敏树脂的光固化性质的不同，采用不同波长的光源进行打印操作，在保证打印物件精度的情况下同时提高了光敏树脂固化成型后的性能，克服了光敏树脂因特定波长固化的局限，提高树脂种类的选择性。
本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，包括计算机、固定掩模版曝光装置、成型装置和控制系统，其连接方式如图1所示，由计算机通过控制系统控制掩模版曝光装置的曝光时间，控制成型装置的打印零件的切片厚度、三维图形识别等参数；
所述计算机用于调整3D打印装置的打印平台位置、控制曝光时间及其他打印参数，以完成3D打印；
所述掩模版曝光装置包括，第一光机(1)、第二光机(2)、固定掩模版(3)、第一滑块(9)、直线模组(10)、连接杆(11)、滑块(12)、第一伺服电机(13)、机箱(6)；所述第一光机(1)和第二光机(2)发出两种不同紫外光(365nm～405nm之间)，第一光机(1)通过螺纹固定在第一滑块(9)上，第二光机(2)通过螺纹固定在第二滑块(12)上，滑块(9)和滑块(12)焊接于连接杆(11)的两端，第一滑块(9)和第二滑块(12)通过螺栓固定在直线模组(10)的滑动模块上。计算机控制第一伺服电机(13)工作，使得第一光机(1)和第二光机(2)在直线模组(10)上前后滑动，以切换不同光机对准掩膜版固定掩模版(3)从而达到切换光源的目的。
所述成型装置包括光敏树脂槽(4)、打印零件成型平台(5)，直线模组(7)、第三滑块(8)和第二伺服电机(14)。光敏树脂槽(4)固定于底面支架，内部用于存放打印材料液态光敏树脂。打印零件成型平台(5)通过螺栓与滑块(8)固定连接，滑块(8)通过螺栓固定在直线模组(7)的滑动模块上，第二伺服电机(14)通过螺栓固定连接直线模组(10)。计算机控制第二伺服电机(14)处于工作状态从而实现打印零件成型平台(5)在液态树脂中上下移动。
所述掩膜版成型方法如图4所示，各部分功能如下表所示：
Figure GDA0002571443460000031
作为本发明的进一步改进，所述掩膜版属于光刻掩膜版，国产掩膜版精度可达亚微米级，进口掩膜版可达纳米级；所述数字微镜器件(digital micro-mirror device,DMD)芯片，当前全球最大精度最高的DMD供应公司之一，美国TI公司(德州仪器)研发的DMD芯片精度最高可达5.4um，部分学者通过DMD芯片成像然后采用光镜缩小装置进一步提高了打印精度但减小了打印面积，实现高精度大面积打印存在困难。因此采用掩膜版成像打印可实现高精度、大面积打印。
作为本发明的进一步改进，所述两种不同波长的紫外光源的波长范围为350-405nm，优选采用365nm和405nm；
作为本发明的进一步改进，所述固定掩模版的精度范围为0.1um-10um；
作为本发明的进一步改进，所述树脂液槽中包括光敏树脂，所述光敏树脂包括预聚物、单体、光引发剂及其他助剂；预聚物、单体、光引发剂及其他助剂的配比根据3D打印的需要进行选择。
相应地，本发明还提供了一种应用于所述的基于一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1、选择特定波长固化的光敏树脂，将打印曝光时间、层厚以及其他打印参数输入到计算机中的打印控制系统中；
步骤2、计算机通过第一伺服电机(13)控制转换不同光源的滑块移动，使光源进入投影曝光模式工位，光源通过掩模版的作用后在光敏树脂表面形成掩模，实现对光敏树脂的选择性固化；
步骤3、计算机控制第二伺服电机(14)通过直线模组(10)控制阀块沿Z轴移动，进而控制零件成型平台(5)的运动，进而控制打印层厚，掩模版曝光装置沿X、Y轴移动进而控制打印面积，在完成一层固化后，计算机控制零件成型平台沿Z轴移动进行下一层的打印，直到打印完毕。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明3D打印装置采用固定掩模版实现面投影曝光固化，克服了逐层点扫描固化速度慢，打印精度低的缺点，提高了打印精度和打印效率；同时克服了数字微镜晶片(DMD)元件昂贵、不能大面积打印的缺点，满足大物件的打印要求，可实现大面积打印，降低了3D打印装置的成本。并且本发明3D打印装置可根据光敏树脂的光固化性质的不同，采用不同波长的光源进行打印操作，在保证打印物件精度的情况下同时提高了光敏树脂固化成型后的性能，克服了光敏树脂因特定波长固化的局限，提高树脂种类的选择性。本发明零件精度当前可达亚微米级，扫描面积可到50mm左右。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置(零件成型平台自上往下运动成型)；
图3为可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置(零件成型平台自下往上运动成型)。
图4为3D打印结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参考图1～图4，本发明所述的一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，包括：计算机、掩模版曝光装置、成型装置、控制系统；
所述计算机通过控制系统的连接，用于调整打印平台位置、控制曝光时间及其他打印参数，以完成物件的打印；
所述固定掩模版曝光装置包括两种波长不同的紫外光源，分别为365nm紫外光源I和405nm紫外光源II，还包括光敏树脂槽之间的固定掩模版3以及用于转换不同光源的高精度控制第一传动轴；
包括所述成型装置包括光敏树脂槽4、打印零件成型平台5以及控制零件成型平台运动的高精度控制直线模组10；
所述转换不同光源的高精度控制直线模组10能够做转换曝光模式的直线运动，实现光源的转换；
所述两种不同波长的光源的波长采用365nm紫外光源I和405nm紫外光源II，根据光敏树脂的种类不同选择不同的波长进行打印；
所述固定掩模版3的精度为1微米左右；
所述树脂液槽4中包括光敏树脂，所述光敏树脂包括预聚物、单体、光引发剂及其他助剂；
所述零件成型平台5处于光敏树脂溶液中，零件成型平台控制直线模组10可沿X、Y、Z三轴运动，以实现大面积快速打印操作。
相应低，本发明还提供了一种应用于所述的基于一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印方法，包括以下步骤：
步骤1、选择特定波长固化的光敏树脂，将打印曝光时间、层厚以及其他打印参数输入到计算机中的打印控制系统中；
步骤2、计算机通过直线模组10控制转换不同光源的高精度平台移动，使光源进入投影曝光模式工位，光源通过掩模版3的作用后在光敏树脂表面形成掩模，实现对光敏树脂的选择性固化；
步骤3、计算机控制零件成型平台5运动的高精度直线模组10沿Z轴移动，进而控制打印层厚，沿X、Y轴移动进而控制打印面积，在完成一层固化后，计算机控制零件成型平台运动5的高精度直线模组7沿Z轴移动进行下一层的打印，直到打印完毕。
本实施例中，曝光投影系统的结构可以分为两种，图2为光路系统布置在光敏树脂液槽的上方(零件成型平台自上往下运动成型)，图3为光路系统布置在光敏树脂液槽的下方(零件成型平台自下往上运动成型)，应当指出的是，在实际运用过程中可根据结构选择其中的一种布置。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，其特征在于：包括计算机、固定掩模版曝光装置、成型装置和控制系统，由计算机通过控制系统控制固定掩模版曝光装置的曝光时间，控制成型装置的打印零件的切片厚度、三维图形识别参数；
所述计算机用于调整3D打印装置的打印平台位置、控制曝光时间及其他打印参数，以完成3D打印；
所述固定掩模版曝光装置包括，第一光机（1）、第二光机（2）、固定掩模版（3）、第一滑块（9）、第一直线模组（10）、连接杆（11）、第二滑块（12）、第一伺服电机（13）、机箱（6）；所述第一光机（1）和第二光机（2）发出两种不同紫外光，紫外光的波长在365nm~405nm 之间，第一光机（1）通过螺纹固定在第一滑块（9）上，第二光机（2）通过螺纹固定在第二滑块（12）上，第一滑块（9）和第二滑块（12）焊接于连接杆（11）的两端，第一滑块（9）和第二滑块（12）通过螺栓固定在第一直线模组（10）的滑动模块上；计算机控制第一伺服电机（13）工作，使得第一光机（1）和第二光机（2）在第一直线模组（10）上前后滑动，以切换不同光机对准固定掩模版（3）从而达到切换光源的目的；
所述成型装置包括光敏树脂槽（4）、打印零件成型平台（5）、第二直线模组（7）、第三滑块（8）和第二伺服电机（14）；光敏树脂槽（4）固定于底面支架，内部用于存放打印材料液态光敏树脂；打印零件成型平台（5）通过螺栓与第三滑块（8）固定连接，第三滑块（8）通过螺栓固定在第二直线模组（7）的滑动模块上，第二伺服电机（14）通过螺栓固定连接第二直线模组（7）；计算机控制第二伺服电机（14）处于工作状态从而实现打印零件成型平台（5）在液态树脂中上下移动。
2.根据权利要求1所述的一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，其特征在于：两种不同波长的紫外光源的波长范围为350-405nm。
3.根据权利要求1所述的一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，其特征在于：固定掩模版的精度范围为0.1um-10um。
4.根据权利要求1所述的一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印装置，其特征在于：所述光敏树脂槽中包括光敏树脂，所述光敏树脂包括预聚物、单体、光引发剂及其他助剂；预聚物、单体、光引发剂及其他助剂的配比根据3D打印的需要进行选择。
5.一种应用于权利要求1所述3D打印装置进行的基于一种可调光源波长的高精度大面积快速3D打印方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1、选择特定波长固化的光敏树脂，将打印曝光时间、层厚以及其他打印参数输入到计算机中打印的控制系统中；
步骤2、计算机通过第一伺服电机（13）控制转换不同光源的滑块移动，使光源进入投影曝光模式工位，光源通过固定掩模版的作用后在光敏树脂表面形成掩模，实现对光敏树脂的选择性固化；
步骤3、计算机控制第二伺服电机（14）通过第二直线模组（7）控制阀块沿Z轴移动，进而控制零件成型平台（5）的运动，进而控制打印层厚，固定掩模版曝光装置沿X、Y轴移动进而控制打印面积，在完成一层固化后，计算机控制打印零件成型平台沿Z轴移动进行下一层的打印，直到打印完毕。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Wang Zhaolong

Inventor after: Chen Lei

Inventor after: Zhang Yiru

Inventor after: Duan Huigao

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GR01 Patent grant
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