CN111867809A - 一种新型的使用幻灯片的3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

一种新型的使用幻灯片的3D打印设备。幻灯片载体(140)可以容纳一个或以上包含不同投影图案(160)的幻灯片。为了形成三维部件的每一层，将相应的图像(165)投影到可光固化液体上，从而形成该层。控制器可以根据需要切换幻灯片，使幻灯片与三维部件的形成相协调。与基于液晶显示器或数字光处理技术的方法相比，基于幻灯片的方法有许多优点。例如，制作幻灯片(包括尺寸较大的幻灯片)的成本相对较低。

Description

一种新型的使用幻灯片的3D打印设备
优先权信息
本申请要求在2019年2月28日提交的中国专利申请2019101518025的优先权，所述申请全部内容通过引用合并于本申请。
技术领域
本发明通常涉及使用光固化的3D打印设备。
背景技术
一种基于光聚合或其他类型光固化的3D打印设备。这些打印设备一次打印生成一层三维部件。将每一层的二维图案投影到可光固化液体中，通过固化该液体，形成与该二维图案匹配的固体形状，从而形成该层。图案通常显示在可编程显示器上，例如基于LCD(液晶显示器)或DLP(基于数字微镜器件的数字光处理)技术的显示器。图案通过光学器件从显示设备投影到液体上。由于显示设备是可编程的，因此可以针对不同的层更改显示器上的图案。
但是，这种方法的一个缺点是LCD或DLP显示设备的使用寿命可能会限制使用中的可达到的照射强度。强光，特别是强紫外线，会缩短使用寿命。因此，需要将光的强度保持在一定范围内以延长这些部件的使用寿命。但是，这降低了打印速度，并且也可能限制了应用范围。
另一个缺点是，较大的三维部件需要将较大的图案投影到可光固化液体中。在其他所有条件相同的情况下，这又需要更大尺寸的显示设备。但是，扩大LCD和DLP显示设备的尺寸可能既昂贵又困难。
因此，需要更好的基于光固化的3D打印方法。
发明内容
在一方面，3D打印设备使用幻灯片来照射可光固化液体。幻灯片载体可容纳一个或以上幻灯片，所述幻灯片包含要投影到可光固化液体上的不同图案。为了形成三维部件的每一层，将相应的图案投影到可光固化液体上以形成该层。控制器根据需要切换图案，使幻灯片的运动与三维部件的形成相协调。
其他方面包括组件、设备、系统、改进、方法、过程、应用、计算机可读介质以及与以上任何方面有关的其他技术。
附图说明
当结合附图中的示例，根据以下详细描述和所附权利要求，本申请的实施例所具有的优点和特征将变得更加显而易见，其中：
图1A是根据本发明实施例的3D打印设备的透视图；
图1B是图1A的3D打印设备中的图案投影的透视图；
图1C是由图1A的3D打印设备形成的三维部件的透视图；
图2是根据本发明的实施例的图1的3D打印设备的操作的流程图；
图3-6是不同类型的幻灯片载体的示意图。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过说明的方式涉及优选实施例。应当注意，从下面的讨论中，本文披露的结构和方法的替代实施例将容易地被理解为是可行替代方案，可以在不脱离所要求保护的原理的情况下使用。
图1A是根据本发明实施例的3D打印设备的透视图。图1B是图1A的3D打印设备的投影部分的特写。图1C是由图1A的3D打印设备形成的三维部件的透视图。
3D打印设备包括可移动的部件平台110、料槽或盒120、包括投影光学器件130和光源150的光学系统、幻灯片载体140以及控制器(图1中未示出)。料槽120容纳可光固化液体。幻灯片载体140容纳一个或以上包含不同图案的幻灯片，这些图案将被称为投影图案。在此示例中，三维部件是图1C中所示的锥形字母A。不同的投影图案是略有不同的字母A的模板，它们是基于三维部件的连续切片。光源150照射其中一个投影图案160。投影光学器件130通过料槽的底部将照射图案的图像165投影到料槽120中的可光固化液体上，该图像165在光学上是透明的。曝光的液体被固化，形成最终三维部件的固体层。部件平台110固定三维部件(为清晰起见，在图1中未显示)，并将其从曝光区拉开，因为部件的连续层是通过光固化形成的。曝光区是料槽120底部的投影图案和可光固化液体层固化的区域。在某些情况下，可以在料槽120的底部放置脱模膜(又称防粘元件)以帮助固化的固体层与槽料120的底部分离。在这种情况下，曝光区将位于脱模膜上，而不是直接位于料槽120底部。
光固化过程可以包括自由基光固化和阳离子光固化。自由基光固化材料的实例包括丙烯酸、甲基丙烯酸、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺、苯乙烯、烯烃、卤代烯烃、环烯烃、马来酸酐、烯烃、炔烃、一氧化碳、官能化的低聚物(例如，用丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团官能化的低聚物，如环氧化物、氨基甲酸酯、聚醚或聚酯)和官能化PEG。阳离子光固化材料的例子包括环氧基和乙烯基醚基。一些实例包括苯乙烯类化合物、乙烯基醚、N-乙烯基咔唑、内酯、内酰胺、环醚(例如，环氧化物)、环缩醛和环硅氧烷。对于DLP/LCD系统，乙烯基醚、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯(包括具有这些基团的低聚物)可以是优选的。光固化包括光聚合。光源150通常是紫外线光源。
控制器协调部件平台110和幻灯片载体140。该控制器可以被实现为硬件、软件或组合。光学上，投影光学器件130将特定位置(目标位置)处的对象成像到图像位置，该图像位置在可光固化液体的曝光区中。幻灯片载体140用于改变在光学系统的目标位置处的投影图案。例如，它可以通过将不同的幻灯片和/或投影图案转换到目标位置来实现。因此，位于目标位置的投影图案160被成像为图像165到可光固化液体上以形成三维部件的下一层。控制器使三维部件的运动(通过控制部件平台110)和投影图案160的投影(通过控制幻灯片载体140)相协调。
图2是图1的3D打印设备的操作流程图。为了打印图1C的锥形字母A，将三维部件的模型根据一定的层厚沿一个维度切成薄片，以获得一系列的二维图案，在此示例中，它们是大小不同的字母A。在该示例中，这些二维图案被刻在由幻灯片载体140固定的单个幻灯片上。然后按以下方式进行3D打印。在此，控制器还使光学系统的操作和其余的打印过程相协调。
步骤210，将对应于锥形A顶层的第一个投影图案移动到光学系统的目标位置。在图1B中，由马达144驱动的螺杆142用于控制幻灯片载体140的x-y平移。当第一投影图案就位时，进行步骤220，控制器打开光源150，该光源150将图像投影到曝光区上。在步骤230中，光源150保持开启的时间与固化液体层在料槽中形成锥形A的第一固体层所需的时间一样长。控制器可以基于时间执行此操作，从而将光源150在预定时间保持开启。或者，它可以基于反馈来执行此操作，例如光源强度的实时测量或固化过程的实时测量。控制器还可以调整投影光学器件130，例如投影光学器件的变焦(放大)和投影图像的位置。一旦液体层已经被固化，则进入步骤240控制器关闭光源150。
步骤250，如果还有其他层要打印，控制器则移到下一层。进入步骤260，幻灯片载体将下一个投影图案移动到位，然后在步骤265中将部件平台110根据层厚抬高一段距离。这使得未固化的液体流入曝光区以形成下一层。重复此过程，直到步骤250中确定已打印所有图层。
与基于LCD或DLP技术的方法相比，基于幻灯片的方法可以具有各种优势。例如，幻灯片制造起来相对便宜，包括较大的尺寸。可以通过在透明基板上印刷不透明图案来形成幻灯片，其中印刷部分阻挡光而未印刷部分透射光。在一种方法中，UV印刷用于在透明玻璃基板上形成期望的图案。UV油墨在UV光的照射下发生交联聚合反应、固化成膜，达到阻挡光的效果。由金属或金属氧化物制成的薄膜也可以用于遮光。基板可以包括其他具有良好透光率的材料，例如玻璃纤维或丙烯酸。
也可以使用不透明的基板来形成幻灯片，例如通过在不透明的基板上雕刻图案。这里，雕刻部分透射光而未雕刻部分阻挡光。在一种方法中，阻光油墨覆盖所有透明玻璃基板。然后通过激光束将图案雕刻在墨水的表面上，在墨水中创建透明区域以透射光。
这些技术中的许多技术都可以按比例缩放以产生具有良好分辨率的大幻灯片，如果使用LCD或DLP设备，这将是昂贵的或不切实际的。例如，大面积LCD或DLP可以具有192mm×120mm、分辨率为2560×1600、像素为75μm的投影图案。然而，这对于诸如鞋中底之类的大件物品来说还不够大，鞋中底可能需要400mm×300mm的打印区域并具有更好的分辨率(因此相当于至少5300×4000个像素点的分辨率)。如果使用这些大面积LCD或DLP系统打印这些大件物品，则会牺牲分辨率。
投影图案可以是二进制的，图案中的不同区域可以透射光或阻挡光。可替代地，投影图案可以是灰度的，其中不同的区域透射不同百分比的光。例如，可以调节阻挡性UV油墨或金属/金属氧化物薄膜的厚度，以改变透光率，从而产生各种灰度。因为幻灯片本身可以具有平滑的曲线，所以与像素化问题更严重的LCD或DLP解决方案相比，所得的投影图案也可以具有更平滑的曲线。与LCD或DLP设备相比，幻灯片还可以在更大的放大倍率范围内使用。
幻灯片也可以比LCD或DLP设备更耐用。因此，可以使用较高强度的光来照射幻灯片，同时保持合理的寿命。幻灯片可以使用20W或更高功率的光照射。较高强度的光通常会导致较快的打印速度。
图3-6是不同类型的幻灯片载体的图。在这些图中，投影图案表示为六边形。每个幻灯片可以有一个投影图案，或者每个幻灯片可以有多个图案。幻灯片可以直接由幻灯片载体固定，也可以由幻灯片夹固定，然后幻灯片夹再由幻灯片载体固定。
在图3中，幻灯片载体140使投影图案160为二维阵列排列。x和y方向的平移由螺杆342控制，螺杆342由电动机344驱动。除阵列之外的二维排列也是可以的。在图4中，幻灯片载体140使投影图案160线性排列。平移由辊子442控制，辊子442由电动机444驱动。也可以使用其他传送机制。在图5中，幻灯片载体140使投影图案160为卷状排列。运动由辊子542控制，辊子542由电动机544驱动。在图6中，幻灯片载体140是一个圆盘载体，使投影图案160为圆形阵列排列。旋转由轮轴642控制，轮轴642由电动机644驱动。
也可以使用其他方法。例如，一组幻灯片可以存储在转盘或其他类型的库中。幻灯片载体使用机械臂拾取感兴趣的幻灯片并将其放置在目标位置。作为另一变型，机械臂可以用于自动加载上述任何幻灯片载体。在某些情况下，一个幻灯片可以在另一个幻灯片投影的同时加载。在图6中，当正在加载圆盘载体的相对侧上的幻灯片时，投影光学器件130下方的幻灯片可以被投影。
在其他设计中，控制器可以控制光学系统的其他方面。例如，控制器可以通过控制光学系统中某处的快门来改变可光固化液体的曝光量，而不是打开和关闭光源。又例如，投影光学器件可以是可调的，例如可以是变焦镜头。作为生产三维部件的过程的一部分，控制器可以控制投影光学器件，例如调整投影光学器件的放大倍率。如果放大倍率在一定范围内可调，则某些类型部件的幻灯片数量可以减少，因为可以在不同放大倍率下使用相同的幻灯片，而不需要额外的幻灯片。可替代地，可以形成更平滑的部件。例如，如果使用分步曝光的方法来构建图1C中锥形A的层，则锥形边缘将显示为锯齿状，或者需要大量的层来平滑锥度。但是，如果光学放大倍率可调，则可以通过与放大部件结合来调整放大倍率使锥度变平滑。
尽管详细描述包含许多细节，但是这些细节不应被解释为限制本发明的范围，而仅是用于说明不同的示例。应当理解，本申请的范围包括上面未详细讨论的其他实施例。在不背离所附权利要求书所限定的精神和范围的情况下，可以对本文披露的方法和装置的布置、操作和细节做出对本领域普通技术人员显而易见的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其合法等同物确定。

Claims (17)

1.一种3D打印设备，包括：
料槽，被配置为容纳可光固化液体；
可移动的部件平台，被配置为固定三维部件，所述三维部件通过所述可光固化液体的光固化而分层形成；
幻灯片载体，被配置为容纳一个或以上的幻灯片，所述幻灯片包含基于所述三维部件的层的投影图案；
包括投影光学器件的光学系统，被配置为将定位于所述光学系统的目标位置处的所述投影图案的图像投影于所述可光固化液体上，从而形成所述三维部件的所述层；以及
控制器，耦合到所述部件平台和所述幻灯片载体；其中所述幻灯片载体被配置为改变位于所述目标位置的所述投影图案，所述控制器使所述三维部件的运动和所述幻灯片载体控制的所述投影图案的投影相协调。
2.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为使所述投影图案线性排列。
3.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为使所述投影图案为卷状排列。
4.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为使所述投影图案为二维阵列排列。
5.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为使所述投影图案为圆形阵列排列。
6.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为使单个幻灯片包含多个投影图案。
7.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述幻灯片载体被配置为容纳固定所述幻灯片的幻灯片夹。
8.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述控制器还耦合到所述光学系统，使所述光学系统的操作与所述三维部件的运动相协调。
9.根据权利要求8所述的3D打印设备，其中，所述光学系统具有可调的放大倍率，所述控制器使所述光学系统的所述放大倍率与所述三维部件的运动相协调。
10.根据权利要求8所述的3D打印设备，其中，所述光学系统包括快门，所述控制器使所述快门的操作与所述三维部件的运动相协调。
11.根据权利要求8所述的3D打印设备，其中，所述光学系统包括光源，所述控制器使所述光源的强度与所述三维部件的运动相协调。
12.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，所述图像以至少20W的功率被投影到所述可光固化液体上。
13.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，投影到所述可光固化液体上的所述图像具有至少400mm×300mm的面积。
14.根据权利要求1所述的3D打印设备，其中，投影到所述可光固化液体上的所述图像具有相当于至少5300×4000个像素点的分辨率。
15.根据权利要求1所述的3D打印设备，还包括：
照射位于所述目标位置的所述投影图案的光源。
16.根据权利要求15所述的3D打印设备，其中，所述光源是紫外光源。
17.一种3D打印三维部件的方法，包括：
将幻灯片上的投影图案定位在光学系统的目标位置处，所述光学系统包括投影光学器件，其中所述投影光学器件的图像位置位于料槽内的可光固化液体的曝光区；
控制照射所述幻灯片的光源，所述投影光学器件将所述幻灯片上的所述投影图案投影到所述可光固化液体的所述曝光区上，以光固化所述可光固化液体，从而形成三维部件的层；以及
使定位所述目标位置处的所述幻灯片上不同的所述投影图案的位置与控制光源和通过所述可光固化液体的所述光固化分层形成的所述三维部件的运动相协调。
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