CN111873432B - 3d打印方法及3d打印系统 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印方法及系统包括：生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列；将图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头一端透氧的膜或硬窗和树脂的交界面上；图像采集单元采集分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印；曝光打印，一层打印完毕后，调整回位，调整打印头与样品之间的上下距离为打印下一层的厚度，样品与打印头的透明窗之间的缝隙充满打印下一层所需的树脂，依次重复曝光打印，直至打印完毕，模型在树脂槽中被复制出来；上述3D打印方法及系统，采用打印头的下端的硬边缘作为涂层刮刀，拼接移动和涂层步骤同时进行，节约了时间，提高了效率。

Description

3D打印方法及3D打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术，特别涉及一种3D打印方法及3D打印系统。
背景技术
立体光刻技术最初被认为是一种快速成型技术。快速原型包括一系列技术，这些技术可用于以快速(比以前更快)的方式直接从计算机辅助设计(computer aided designCAD)创建生产组件的真实比例模型。自从美国专利4,575,330中公开以来，立体光刻技术已极大地帮助工程师可视化复杂的三维零件几何形状，检测原型示意图中的错误，测试关键部件以及以相对较低的成本和比以前更快的时限验证理论设计。
在过去的几十年中，对微机电系统(micro-electro-mechanical systems MEMS)领域的不断投资导致了微立体光刻(micro-stereolithographyμSL)的出现，它继承了传统立体光刻的基本原理，但具有更高的空间分辨率。例如K Ikuta和K.Hirowatari，“使用立体平版印刷术和金属模制进行真正的三维微制造”，1993年第六届IEEE微电子机械系统研讨会，借助单光子聚合和双光子聚合技术的辅助，微立体光刻的分辨率进一步增强到了小于200nm；例如S.Maruo和K.Ikuta，“通过使用单光子吸收的聚合进行三维微加工”，Appl.Phys.Lett.,vol.76,2000；S.Maruo和S.Kawata，“用于三维微制造的两光子吸收的近红外光聚合”，J.MEMS,vol.7,pp.411,1998；S.Kawata,H.B.Sun,T.Tanaka and K.Takada,“功能微设备的细化特征”，《自然》，412卷，第697页，2001。
Bertsch等人的投影微立体光刻技术(PμSL)的发明极大地提高了速度。“使用液晶显示器作为动态掩模发生器的微立体光刻技术”，Microsystem Technologies，p42-47，1997年；Beluze等人，“微立体光刻技术：构建复杂3D对象的新工艺，MEM/MOEM的设计，测试和微加工专题讨论会”，SPIE会议论文集，v3680，n2，p808-817，1999。这项技术的核心是高分辨率空间光调制器，它可以是液晶显示器(LCD)面板或数字光处理(DLP)面板，它们均可从微型显示器行业获得。
尽管投影微立体光刻技术已经成功地实现了具有良好分辨率的快速制造速度，但仍需要进一步的改进。
DLP芯片的显示尺寸目前被限制为大约13mm，因此，当投影像素尺寸与物理像素尺寸(5至8微米)相同时，单个曝光区域将被限制为半英寸。为了以单投影在更大的区域上打印，需要增加投影像素的尺寸，从而降低打印分辨率(即投影像素的尺寸)。
在投影微立体光刻(PμSL)中，有三种类型的树脂层定义方法：第一种使用自由表面，其层厚由树脂自由表面与样品台之间的距离定义。由于树脂的缓慢粘性运动，当打印面积大于1cm X1cm时，定义粘度为50cPs的10um厚树脂层需要花费超过半小时的时间。第二种和第三种方法使用透明膜或硬窗。同样，对于这两种情况，目前都没有一种好的方法来在5cm X 5cm或更大的区域上定义10um或更薄的树脂层，特别是对于膜情况，即使它比自由表面情况更快，也仍然无法想象的慢。对于硬窗情况，在样品和硬窗体两个表面在曝光前或曝光后接近和分离时产生的流体作用力力足够大，大到会损坏样品。
在所有3D打印技术中，尺寸复制的准确性和效率非常重要。例如，在浸入式投影微立体光刻(PμSL)系统中(图1)，对所有层的尺寸控制中拥有高精度和高效率非常重要，只有这样实际的CAD模型才可以在短时间内被精确复制出来。
发明内容
基于此，有必要提供一种可提高打印效率的3D打印方法。
同时提供一种可提高打印效率的3D打印系统。
一种3D打印方法，包括：
切片：生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列，所述图像序列中的每个图像表示3D数字模型的一层，根据模型的切片方向控制打印头的打印方向；
投影：将图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头的一端的透明窗和树脂的交界面上；
图像检测：图像采集单元采集分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印；
曝光打印：带有光源的微显示器件用光照射投影图像，曝光产生固化层，代表投影图像在3D数字模型中相应的一层，当一次曝光结束，打印头移至新区域，打印头的锥端的硬边缘被用作树脂层刮刀，涂层厚度由打印头的端部与样品顶层之间的间隙确定，由于打印头位于树脂自由面下方1到5毫米，其后方的树脂流动并覆盖先前的裸露区域；
继续曝光打印：一层打印完毕后，控制打印头移动离开打印区域，打印头与样品平移脱离，调整打印头或样品台回位，打印头移动到样品边界之外，调整打印头与样品之间的上下距离为打印下一层的厚度，样品与打印头的透明窗之间的缝隙充满打印下一层所需的树脂，依次重复曝光打印，打印头刮擦、涂覆逐步曝光新一层，打印下一层，直至打印完毕，模型在树脂槽中被复制出来；
所述打印头的锥端覆盖不粘膜并形成透明窗，所述打印头的锥端端部设置一个锁环，所述锁环置于所述透明窗上部。
在优选的实施例中，在树脂弯月面式打印中，当完成一层打印后，样品与基板浸入树脂中并浸入2mm至8mm，以使新的树脂覆盖样品的顶面，然后基板带动样品回位，调整打印头与样品之间距离为打印下一层的厚度，打印头从样品外部移入、刮擦、涂覆并逐步曝光新图，打印头会将多余树脂推回到树脂槽中。
在优选的实施例中，打印头为中空梯形柱体结构，其锥端端部设置一个锁环，所述打印头的锥端覆盖不粘膜并形成透明窗，所述锁环置于所述透明窗上部。
在优选的实施例中，打印头位于基板下部进行打印，所述打印头的透明窗位于树脂的自由表面下方0.5-2mm,打印头与基板之间沿X/Y/Z方向相对移动以定义层和拼接层分面。
在优选的实施例中，所述基板设置在打印平台上，打印平台带动基板根据打印在X、Y、Z方向上移动，曝光打印或继续曝光打印时，根据P＝P0+P1控制打印头压力以补偿其与打印树脂接触而引起透明窗的变形，P0为打印头的不粘膜接触的空气大气压的压力，P1＝ρ1gh,ρ1为树脂密度，g重力加速度，h为打印头的不粘膜在树脂下面的深度；打印时，通过气体的流量控制打印头中的压力，若压力传感器检测到打印头的压力与设定压力有差异时，控制质量流量控制器根据PID设置调整流量，直至打印头中的压力达到设定值。
在优选的实施例中，，还包括设置在打印头的下游出口的限流器，限流器处于阻流状态，限流器流量与打印头压力成正比。
在优选的实施例中，,若打印图像大于单个曝光尺寸则进行拼接打印，将图像划分为层部分，逐步打印层部分，并叠边拼接成整层，每个层部分在拼接边上重叠5-20微米。
在优选的实施例中，,打印时，对打印平台的X/Y方向运动坐标进行误差补偿(X0+XError(X0,Y0),Y0+YError(X0,Y0))，(X0,Y0)为理论坐标，
XError(X0,Y0)＝C1+C2+C3Y0+C4X0Y0+C5X0 2+C6Y0 2
YError(X0,Y0)＝D1+D2+D3Y0+D4X0Y0+D5X0 2+D6Y0 2
C1-C6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于X方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出，
D1-D6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于Y方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出。
在优选的实施例中，,当打印头移动后停下准备曝光时，控制微显示器件先在打印头的不粘膜中心投影图片，图像采集单元捕捉并分析成像质量，将成像与设置的理论值比较，若打印头的不粘模变形，根据变形公式
Figure GDA0003123466340000041
调整流量以调整打印头中的压力，打印头锥端设置的不粘膜的变形与压力差成正比，υ泊松系数，a为打印头的不粘模的半径，E杨氏模量，h为打印头的不粘模的厚度，p为打印头不粘模的两边的压力差。
一种3D打印系统，包括：建立3D数字模型并将3D数字模型切成图像序列的图像系统、控制系统、受控接收系列图片并投影到打印头的不粘模与树脂的交界面的微显示器件、与所述微显示器件对应设置并受控进行投影的投影镜头、采集并检测投影图像的质量的图像采集单元、与所述图像采集单元相应设置并将投影的图像反射给所述图像采集单元进行接收采集的分光镜、打印平台、设置在所述打印平台上并装载有树脂的树脂槽、设置在打印平台上的升降装置、设置在树脂槽中并与升降装置连接的基板、与所述基板相应设置的中空梯形体结构的打印头，所述打印头的硬边缘作为刮刀使用、打印时刮擦树脂，所述打印头包括：中空的梯形柱体的内腔、覆设在下端的不粘膜形成的透明窗、设置在下端并置于透明窗上部的锁环、设置在上端并受控控制输入气体流量对不粘膜的压力的质量流量控制器、设置在打印头的下游出口并置于锁环上部的限流器；
打印时，所述打印头浸没在树脂中1至10毫米，当一次曝光结束并且打印头移至新区域时，打印头锥端的硬边缘将用作树脂涂层刮刀，涂层厚度由打印头的平头和样品顶层之间的间隙确定，当打印头移至相邻区域时，打印头后方的树脂在重力和表面张力的作用下流动并覆盖先前的裸露区域，在打印完整个层之后，在样品台向下移动一层厚度以定义下一层新鲜树脂之前，打印头将移动到样品边界之外，定义新层后，打印头将移入并开始逐步扫描和打印下一层。
上述3D打印方法及3D打印系统，采用打印头的下端的硬边缘作为涂层刮刀，拼接移动和涂层步骤同时进行，节约了时间，提高了效率。
另利用不粘膜，使得膜与样品是相切错开分离，数量级的减少了分离时对样品的作用力。
另采用独特的拼接多次曝光打印的方法解决，可以移动图像(镜头)，也可以移动样品。节约了时间，提高了效率。
另对于粘度高(>500cPs)的树脂，使用一张覆盖整个打印幅面(>50mmX50mm)大小的膜时，每次要涂非常薄(～10微米)的树脂层几乎是不可能的，因为在那么大幅面下，膜的张力所能提供的树脂驱动压力梯度是非常小的，使得树脂流动极其缓慢。本发明采用比打印幅面小的很多的膜，从而在同样的膜变形情况下，数量级的提高树脂的驱动压力梯度而提高打印速度和精度。
附图说明
图1为本发明一实施例的3D打印系统的部分结构示意图；
图2为本发明一实施例的打印头的部分结构剖视图；
图3为本发明一实施例的3D打印系统在拼接打印时在x和y方向上的轨迹误差示意图；
图4为本发明一实施例的三种曝光模式的示意图；
图5为本发明一实施例的打印头位于基板上方的打印过程示意图；
图6为本发明一实施例的基板位于打印头上方的打印过程示意图；
图7为本发明一实施例的弯月面式的打印过程示意图。
具体实施方式
本发明一实施例的3D打印方法，包括：
切片：生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列，所述图像序列中的每个图像表示3D数字模型的一层，根据模型的切片方向控制打印头的打印方向；
投影：将图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头的一端的透明窗和树脂的交界面上；
图像检测：图像采集单元采集分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印；
曝光打印：带有光源的微显示器件用光照射投影图像，曝光产生固化层，代表投影图像在3D数字模型中相应的一层，当一次曝光结束，打印头移至新区域，打印头的锥端的硬边缘被用作树脂层刮刀，涂层厚度由打印头的端部与样品顶层之间的间隙确定，打印头后方的树脂流动并覆盖先前的裸露区域；
继续曝光打印：一层打印完毕后，控制打印头移动离开打印区域，打印头与样品平移脱离，调整打印头或样品台回位，打印头移动到样品边界之外，调整打印头与样品之间的上下距离为打印下一层的厚度，样品与打印头的透明窗之间的缝隙充满打印下一层所需的树脂，依次重复曝光打印，打印头刮擦、涂覆逐步曝光新一层，打印下一层，直至打印完毕，模型在树脂槽中被复制出来。
进一步，优选的，本发明的微显示器件为带有405纳米光源的DLP。
本发明的打印从计算机或图像系统建立几何模型开始，3D数字模型在一个方向上被切成二维图片，一般是黑白，可以有灰度。每一张图片代表着3D数字模型中的一薄层。模型的切片方向将是打印机的打印方向。产生的一系列图片会依次被打印机读取并通过带405纳米光源的DLP投影到打印头上的端部设置的不粘膜和树脂的交界面上，同时图形图像采集单元如CCD摄像头会从分光镜反射回来的图像判读投影图像的质量。在一定的曝光时间内，有光的地方会产生一定厚度的固化层，它代表了投影图片所代表的模型中对应的一层。当上一层完成曝光打印后，打印头会和样品平移脱离。
样品台会根据不同的打印形式回位，回位后，打印头和样品的距离是要打印的下一层的厚度，样品和打印头薄膜间的缝隙会充满了打印下一层所需的树脂层。依次重复曝光，随着样品台的逐层下降，模型在树脂槽中被复制出来。
由于微显示器件如LCD或DLP芯片都有一定的大小，比如1920X1080像素的DLP，在十微米的光学精度下，一个芯片所覆盖的打印面积只有19.2mmX10.8mm.因此当样品的尺寸小于一个芯片覆盖区域时，我们称为单投影模式。当样品尺寸超出一块芯片所覆盖的范围时，本发明采用拼接的打印模式。在拼接打印模式下，代表模型一层的图片会进一步被切成多张不大于单个DLP解析度的图片即层部分。如，3800X2000像素的图片可以被切成分割成四张1900X1000的子图片，每张子图片将代表一层中的四分之一的区域。对于模型中的每一层，将通过多次曝光完成，依次投影当前层的所有子图片即层部分。相邻区域/图片的交界处为了提高力学性能通常会给与一定的重叠量，通常是5-20微米。每个区域的曝光的位置和重叠都由XY轴组合精确控制。系统中有两个坐标系，一个是DLP/LCD垂直坐标系，还有一个是XY轴组成的运动坐标系。如果这两个坐标系之间由于机械组装的误差而不完全平行，就会在拼接打印中相邻的区域出现错位误差。为此，在拼接打印模式中对测量得到的误差进行补偿。由于打印平台X、Y轴的存在，对于比打印机的打印幅面小的样品，可以在整个幅面内重复打印多个同样的样品，这样可以提高量产时的速度，这就是矩阵打印模式。
当打印头位于基板下部进行打印，打印头的透明窗于树脂的自由表面下方0.5-2mm,打印头与基板之间沿X/Y/Z方向相对移动以定义层和拼接层分面。
在弯月面式打印中，当完成一层打印后，样品与基板浸入树脂中并浸入2mm至8mm，以使新的树脂覆盖样品的顶面，然后基板带动样品回位，调整打印头与样品之间距离为打印下一层的厚度，打印头从样品外部移入、刮擦、涂覆并逐步曝光新层，同时打印头将多余树脂推回到树脂槽中。
进一步，本实施例的打印头30为中空梯形柱体结构，其锥端端部设置一个锁环36。打印头30的锥端覆盖不粘膜并形成透明窗34。锁环36置于透明窗34上部。
进一步，本实施例的基板设置在打印平台上，打印平台带动基板根据打印在X、Y、Z方向上移动，曝光打印或继续曝光打印时，根据P＝P0+P1控制打印头压力以补偿其与打印树脂接触而引起薄膜透明窗的变形。P0为打印头的不粘膜所处空气大气压的压力，P1＝ρ1gh,ρ1为树脂密度，g重力加速度，h为打印头的不粘膜在树脂下面的深度；打印时，通过气体的流量控制打印头中的压力，若压力传感器检测到打印头的压力与设定压力有差异时，控制质量流量控制器根据PID设置调整流量，直至打印头中的压力达到设定值。
进一步，本实施例的打印头30还包括：设置在打印头30的下游出口的限流器312。在下游出口的小孔的限流器312的小孔足够小(<50微米)处于阻流状态，它的流量只跟上游即打印头中压力成正比。
当打印头30的压力传感器测到的实际压力比设置的压力低时，设置在上游的质量流量控制器(MFC mass flow controller)就根据PID(比例积分微分ProportionIntegration Differentiation)的设置适当的增加流量，直到打印头里的压力达到设定值。反之亦然。
进一步，本实施例中，若打印图像大于单个曝光尺寸则进行拼接打印，将图像划分为多个层部分，逐步打印层部分，并叠边拼接成整层，每个层部分在拼接边上重叠5-20微米。
打印过程首先在计算机或图像系统中生成3D模型，然后将数字模型切成一系列图像，其中每个图像代表模型的一层(如5到20微米)。控制计算机或图像系统将图像发送到微显示器件(如DLP(digital light processing数字光处理)或LCD(liquid crystaldisplay液晶显示面板))，并且图像通过投影镜头投射到打印头的底表面(湿表面)上。亮区聚合，而暗区保持液态。由于LCD或DLP芯片的尺寸限制，例如在10um打印光学分辨率下具有1920X1080像素的DLP芯片，单个曝光仅覆盖19.2mmX10.8mm的面积。因此，如果样品的横截面大于19.2mmX10.8mm，则无法使用单个曝光方法进行打印。本发明提供了一种多重曝光的拼接打印方法。通过这种方法，代表3D模型层的图像被进一步分为多个较小的图像即层部分，每个图像不大于DLP像素分辨率。例如，像素分辨率为3800X2000的图像可以分为四个1900X1000子图像，每个子图像代表该层的四分之一。结果，将基于子图像逐节打印模型的整个图层。为了提高相邻部分的共用边缘的机械强度，通常在边缘上存在约5-20微米的重叠。
XY打印平台组件可精确控制精确的位置和重叠量。有两种坐标系：一种与DLP/LCD面板垂直坐标系，另一种是打印平台于XY轴组成的运动坐标系。当这两个坐标系由于装配公差而不平行时，在相邻截面的公共边上将存在偏移误差。如图3所示，A是单个曝光的大小；B是在x方向上精确对齐的结果；C是在x方向上有误差偏移的结果；B’是沿y方向精确对齐的结果；C’是误差在y方向上偏移的结果。在精密打印中，误差要求小于10um，载物台装配公差通常在允许范围内；并且偏移量与打印平台移动距离不是线性的。因此，在本发明中，在全范围打印的正方形样本的x和y方向上的5个或更多个均匀分布的点处测量偏移。至少二阶多项式内插的偏移误差曲线将被引入XY方向的平移中，以补偿偏移，从而确保拼接打印样本的精度在规格范围内。
打印时，对打印平台的X/Y方向运动坐标进行误差补偿(X0+XError(X0,Y0),Y0+YError(X0,Y0))，(X0,Y0)为理论坐标，
XError(X0,Y0)＝C1+C2+C3Y0+C4X0Y0+C5X0 2+C6Y0 2
YError(X0,Y0)＝D1+D2+D3Y0+D4X0Y0+D5X0 2+D6Y0 2
C1-C6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于X方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出，
D1-D6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于Y方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出。
具体的如为了精确(<10微米误差)的拼接打印，先在全幅面样品台上拼接打印20X10块连接的大小19.2X10.8X0.1毫米厚的长方形，若这些方块的前后左右有理论上100微米的重叠，这些方块将提供19X9个拼接点数据以及它们的坐标。打印的样品从样品台上取下前测量实际在X方向和Y方向的重叠量，比如实际在X方向的拼接重叠是80，那在这坐标点的X方向的误差就是XError(x,y)＝100-80＝20微米，重复的测量就会的得到19X9＝171个点在X方向的误差，同时也得到了同样171个点Y方向的误差。
假设在整个打印平台的XY远动系统的二次误差函数是:
XError(x,y)＝C1+C2x+C3y+C4xy+C5x^2+C6y^2，
YError(x,y)＝D1+D2x+D3y+D4xy+D5x^2+D6y^2，
这里x,y是坐标，C和D是多项式系数。C1～6和D1～6可以基于171个点上X方向和Y方向的测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出。这样就得到了在整个打印区域内轴的运动误差分布。这两个误差公式将用于纠正轴的运动误差时，比如轴要走到理论值(X0，Y0)的地方，根据误差公式，轴的控制指令则要求轴走到(X0+XError(X0,Y0),Y0+YError(X0,Y0))。
当打印头移动后停下准备曝光时，控制微显示器件先在打印头的不粘膜中心投影图片，图像采集单元捕捉并分析成像质量，将成像与设置的理论值比较，若打印头的不粘模变形，根据变形公式
Figure GDA0003123466340000101
调整流量以调整打印头中的压力，打印头锥端设置的不粘膜的变形与压力差成正比，υ泊松系数，a为打印头的不粘模的半径或对角线长度一半，E杨氏模量，h为打印头的不粘模的厚度，p为打印头不粘模的两边的压力差。
如图1、图2所示，本发明一实施例的3D打印系统100包括：建立3D数字模型并将3D数字模型切成图像序列的图像系统、控制系统、受控接收图像并投影到打印头的不粘模与树脂的交界面的微显示器件50、与微显示器件对应设置并受控进行投影的投影镜头40、采集并检测投影图像的质量的图像采集单元55、与图像采集单元55相应设置并将投影的图像反射给图像采集单元55接收采集的分光镜60、打印平台80、设置在打印平台80上并装载有树脂的树脂槽70、设置在打印平台80上的升降装置85、设置在树脂槽70中并与升降装置85连接的基板90、与基板90相应设置的中空梯形体结构的打印头30。
打印头30包括：中空的梯形体的内腔32、覆设在下端的不粘膜形成的透明窗34、设置在下端并置于透明窗上部的锁环36、设置在上端并受控控制输入气体流量对不粘膜的压力的质量流量控制器38、设置在打印头30的下游出口并置于锁环36上部的限流器39。
本实施例的图像系统、控制系统可采用计算机20进行完成，也可以分别采用图形处理芯片、控制芯片进行。
进一步，本实施例的微显示器件为DLP或LCD芯片。当然也可根据需要采用其他芯片。
优选的，本实施例的图像采集单元可采用CCD进行实现。当然也可采用其它具有图像采集处理功能的器件如CMOS等。
进一步，本实施例的基板90通过基板臂92升降装置85连接。升降装置85设置在打印平台80上。
本发明的3D打印方法，提供了以更大的速度更精确和更快地控制较大打印区域中的层厚度的方法，例如，具有10um层厚度的10cmX10cm印刷区域。
本发明一实施例中，将打印头浸没在光敏树脂中几毫米。在另一实施例中，打印头在形成树脂弯月面的树脂表面上方几百微米。
本实施例的打印头可以与整个DLP芯片的一次曝光一样大，也可以仅覆盖DLP芯片的一部分。本发明的3D打印方法不仅大大提高了使用例如投影微立体光刻系统打印的样品的尺寸精度，而且通过消除了在树脂中进行闭合或分离两个接触表面的需要，也大大提高了打印速度。
本实施例的打印头的锥端(梯形体的小端)通过覆盖不粘透明膜形成透明窗进行覆盖密封。本实施例的透明窗可采用气体可渗透的材料，特别是氧气可渗透的材料，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)或特氟隆AF(杜邦)。
本实施例的打印头可以设置超过10kHz的频率的超声源，以在与树脂接触时在其运动期间增加树脂的流速。
本实施例的打印头可以通过压力控制以补偿由于与打印树脂的接触而引起的透明窗的变形。压力控制气体可以是防止样品在聚合过程中粘附到透明窗上，气体可以为氧气或其混合物。
本发明一实施例中，利用打印平台于XY方向移动，提供三种打印模式。当只需要一个小于单次曝光大小的样本时，就称为单次曝光模式。如果需要多个样本，则打印平台将逐步移动并在阵列中打印相同的样本，这称为阵列曝光模式。当样本大小增加到超过单次曝光的大小时，系统将通过在公共边或临接边上重叠5μm至20μm，将一层进一步分成多个部分，并将相邻部分拼接成整层，这是拼接曝光模式。也可以将拼接模式与阵列模式结合使用。
本发明基于来自实际样本的测量数据的内插偏移误差曲线将用于在打印平台于XY方向平移中，进行机械公差补偿，以确保拼接打印样本的精度在规格范围内。
本发明一实施例中，打印头30浸没在树脂中1至10毫米。当一次曝光结束并且打印头移至新区域时，打印头锥端的硬边缘将用作树脂涂层刮刀。涂层厚度由打印头的平头和样品顶层之间的间隙确定。当打印头移至相邻区域时，打印头后方的树脂在重力和表面张力的作用下流动并覆盖先前的裸露区域。在打印完整个层之后，在样品台向下移动一层厚度以定义下一层新鲜树脂之前，打印头将移动到样品边界之外。定义新层后，打印头将移入并开始逐步扫描和打印下一层。
本发明的样品台可带动样品沿X、Y、Z方向移动。也可以通过在保持样品静止，移动打印头以进行相互移动。
本发明一优选实施例中，打印头与样品的顶层一起在树脂水平之上100至500微米。在此打印头配置中，完成一层打印后，样品和基板将浸入树脂自由面2mm至8mm，以使新鲜的树脂覆盖样品的顶面。然后，样品将以与打印头距离等于下一层厚度的间隙回位。同样，打印头将从样品外部移入、刮擦、涂覆并逐步曝光新层。
本发明的打印头透明窗的大小应覆盖单个DLP/LCD芯片投影。例如，17mm芯片的投影为20mm，像素分辨率为10μm，那么窗口的直径可以为22mm左右。进一步，本实施例的打印头30锥端处的透明窗可以为厚度为130μm的杜邦特富龙AF2400膜，该膜是透气的并且具有很好的透光性。气体的渗透性，尤其是氧气的渗透性，使膜在光聚合过程中不粘，因为氧气是一种光交联抑制剂。打印头的透明窗也可以采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜、或进行表面涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
由于打印头可以浸入树脂中，打印头的锥端通过一个锁环紧紧的密封在液体中。假定不粘膜具有线弹性，液压引起的树脂中的不粘膜中心的挠度或变形用下式表示：
Figure GDA0003123466340000121
其中υ是膜的泊松比，ɑ是圆形膜锥端的半径，E是杨氏模量，h是厚度，p是膜两侧的压差。它表明打印头锥端的透明窗的变形与压力差成正比；因此，可以通过控制打印头中的压力以及两侧的压力差来消除薄膜的变形。
打印头30的透明窗于湿表面上的液体压力可以通过p＝ρgh来计算，其中ρ是树脂的密度，g是重力加速度，h是树脂从自由表面开始的深度。因此，应控制打印头内部的压力以补偿液体压力。这样就消除了薄膜透明窗的变形。质量流量控制器(MFC)，设置在下游的限流器和打印头上的压力传感器的组合将控制打印头中的压力P。不粘氧抑制层的厚度可以通过增加打印头中的氧浓度来改善；因此，MFC可以使用各种氧气浓度混合物的流量来控制压力。
本发明一实施例的打印过程从在计算机中生成3D模型开始，然后将数字模型切成一系列图像，每个图像代表模型的一层(5至20微米)，控制计算机将图像发送到微显示器件如于LCD或DLP芯片，然后通过投影镜头将图像投影到打印头的底表面(湿表面)上。亮区聚合，而暗区保持液态。由于LCD或DLP芯片的尺寸限制，例如在10um打印光学分辨率下具有1920X1080像素的DLP芯片，单次曝光仅覆盖19.2mmX10.8mm的面积。因此，如果样品的横截面大于19.2mmX10.8mm，则无法使用单次曝光方法进行打印。
本发明提出了一种多重曝光的拼接打印方法。通过这种方法，代表3D模型的一层的图像被进一步分为多个较小的图像即层部分，每个图像不大于DLP像素分辨率。例如，像素分辨率为3800X2000的图像可以分为四个1900X1000子图像，每个子图像即层部分代表该层的四分之一。结果，将基于子图像逐步打印模型的整个图层。为了提高相邻部分的共用边缘的机械强度，边缘上通常重叠约5-20微米。
打印平台可精确控制精确的位置和重叠量。本发明设置有两种坐标系：一种与DLP/LCD的垂直坐标系，另一种是打印平台沿XY方向的运动坐标系。当这两个坐标系由于装配公差而不平行时，在相邻截面的公共边上将存在偏移误差。如图3所示，A是单次曝光的大小；B是在x方向上精确对齐的结果；C是在x方向上有误差偏移的结果；B’是沿y方向精确对齐的结果；C’是误差在y方向上偏移的结果。
在误差要求小于10μm的精密打印中，打印平台的装配公差很难在允许范围内；而且轴定位的偏移量与打印平台移动距离不是线性的。在本发明中，在全范围打印的正方形样本的x和y方向上的至少5个均匀分布的点上测量偏移。用最小二乘法拟合得到的至少二阶多项式误差曲线将用于打印平台在XY方向的平移中，以补偿偏移，从而确保拼接打印样本的精度在规格范围内。
本发明提供了三种打印模式(图4)。当只需要打印一个小于单个曝光尺寸的样品时，打印平台在打印过程中不会移动，这称为单次曝光模式。如果需要多个相同的样本，则打印平台于XY方向将逐步移动并以阵列形式打印相同的样本，这称为阵列曝光模式。对于小批量生产，此模式比重复单次曝光模式快得多。当样本大小增加到超过单次曝光的大小时，系统将通过在公共边缘上重叠5μm至20μm，将一层进一步分成多个部分，并将相邻部分拼接成整层。这是拼接曝光模式。当一个样品需要多个相同的样本但由于样品大于单次曝光而需要拼接曝光时，可以将拼接模式与阵列模式结合使用。
本发明一实施例中，打印头30位于基板的顶部，并浸入树脂中1至10毫米(图5)。浸入深度取决于树脂的粘度，较薄的树脂进行较浅的浸没。投影镜头将图像从LCD或DLP芯片投射到透明打印头的下表面(湿表面)，完成一次曝光后，在拼接和阵列曝光打印模式下的打印平台沿X、Y方向移动或控制打印头沿X/Y方向移动，将打印头移至相邻区域以进行下一次曝光，但在公共边上有大约5-20微米的重叠，从而将相邻部分融合在一起。当打印头移至新区域时，打印头锥端的坚硬边缘将用作树脂涂层刮刀。涂层厚度由打印头的平头和样品顶层之间的间隙确定。当打印头移至相邻区域时，打印头后方的树脂在重力和表面张力的作用下流动并覆盖先前的裸露区域。在打印完整个层之后，在样品台向下移动一层的厚度去定义下一层新鲜树脂之前，打印头将移动到样品边界之外。
通过将打印头移至样品边界之外，打印头与样品之间的相互作用力仅为流体剪切力。该力远小于现有投影微立体光刻中典型存在的树脂中两个表面的垂直或法向分离。如下式所示：
σ＝-pI+2με
这里σ是流体应力张量，p是压力，I是确定张量，μ是流体粘度，ε是速度梯度张量(或流体应变张量)。对于两个几乎接触的表面，以10mm/s的速度在粘度为50cPs的树脂中正常分离时，真空效果约为1e5Pas。但是，如果两个表面以20μm的间隙彼此切成薄片，则力约为1e2Pas。因此，该方法大大降低了损坏样品的可能性。定义新层后，打印头将移入并开始逐步扫描和打印下一层。
在本发明中，可沿XYZ方向移动样本的配置，也可以在样本保持静止的情况下移动打印头以实现打印头与样本之间的相对运动。
如图6所示，在另一个实施例中，打印头和样品基板位置可以对调。打印头的透明窗在树脂的自由表面下方为0.5mm至2mm。基板位于顶部，并在XYZ方向上移动以定义层和拼接层侧面。在这种构造中，已打印的部分在打印过程中可以保证持续数十小时不浸泡在树脂中。这对于某些水凝胶树脂可能是需要的，因为长时间浸泡在树脂中会导致打印零件膨胀，从而导致尺寸误差。
随着树脂粘度的增加，树脂流动并覆盖印刷区域所花费的时间将越来越长。
进一步，优选实施例中将频率大于10kHz的超声源引入打印头，比如在打印头外壳上紧贴压电陶瓷，来增加树脂的流动速度。
如图7所示，本发明又一实施例中，将打印头与样品的顶层一起提高到树脂自由面之上100至500微米；高度又取决于树脂的粘度。在此弯月面打印头配置中，打印整个层的步骤与上述步骤相同，但是在完成一层打印后，样品和基板一起将浸入树脂2mm至8mm，以使新鲜的树脂覆盖样品的上表面。然后，样品将向打印头高度移回但少一小步，这个小步等同于下一层的厚度。同样，打印头将从样品外部移入、刮擦、涂覆并逐步曝光新层。这样，打印头会将多余的树脂推回到树脂槽中。
本发明以比目前更快的速度打印在更大的面积上。
本实施例的3D打印方法：生成要在计算机中打印的样品或对象的3D数字模型，然后将数字模型切成一系列图像序列，图像序列中的每个图像都代表3D数字模型的一层，这样，在每一层生成之后，样品或物体就已经成型了。
透明打印头包括一个表面平滑的锥端，打印头位于装有感光树脂和在打印中用于固定样品的基板(例如样品架)的树脂槽旁边，其中打印头的平滑锥端与感光树脂接触。将透明打印头移入到既定位置，从而可选择性移动光敏树脂的位置，在此移动过程中，打印头的平滑锥端的边缘能将树脂刮走。通过打印头平滑锥端和样品顶层之间的间隙来定义涂层厚度。或者如果之前没有任何打印层，涂层厚度则为打印头平滑锥端和用于固定样品的基板之间的间隙。
打印头放置好后，图像序列中的图像将被发送到LCD或DLP芯片。芯片与光源一起通过投影镜头将图像投射到透明打印头的平滑锥端上，并开始在投影图像允许光源到达的光敏树脂区域中进行固化。
当图像大于单次曝光的大小或要进行后续涂层时，样品基板和/或打印头会被移动来继续进行打印。
基板和/或打印头通过高精度定位设备沿X，Y，Z方向或X，Y方向移动，可以将基板和/或打印头定位在新的区域或深度。
可以将样品测量数据的内插偏移误差曲线输入打印平台，从而补偿由于机械公差引起的误差。
在许多实施例中，打印头的平滑锥端被不粘的透明透气的膜覆盖形成透明窗并密封，从而防止了由于打印头粘附到层导致的变形或由于树脂的过早固化而导致的在打印头锥端的堆积。例如，氧气可以抑制自由基链反应，可以使打印头因引入的空气/气体压力导致变形。因此，通常通过引入可控量的气体，例如氧气，来控制打印头中的压力以补偿由于打印头的透明窗与打印树脂的接触而引起的透明窗的变形。
计算机的数字图像由LCD或DLP微显示芯片与光源一起通过投影镜头投影到透明打印头的透明窗上，其中投影镜头具有与样品或基板相交的光轴。投影镜头位于样品或基板上方，并且位于基板的表面和CCD(电荷耦合器件)之间。CCD(电荷耦合器件)能够监控打印头上的投影，并且可以沿着光轴通过投影镜头聚焦。其中样品或基板沿X，Y和Z方向上的运动和位置由打印平台控制。
本发明的3D打印方法相比目前可用的方法，该方法能使涂层在更大面积和以更快的速度被打印。该方法包括：
生成要在计算机中打印的样品的3D数字模型，然后将3D数字模型切成图像序列，其中图像序列中的每个图像代表3D数字模型的一层。
将透明打印头置于在树脂槽附近。该树脂槽装设有感光树脂的和一个用于在打印过程中固定样品的基板。其中透明打印头的端部设置有与光敏树脂接触的平滑锥端。
将透明打印头移动到用于选择性曝光光敏树脂的位置。其中，打印头的平滑锥端的边缘将通过移动多余的树脂来充当刮板，从而使涂层的厚度等于打印头的平滑锥端与样品顶层之间的间隙。或者，当之前用于样品的涂层还没有被打印时，涂层的厚度将等于打印头的平滑锥端与用于固定样品的基板之间的间隙。
将图像序列中的的一个图像发送到LCD或DLP芯片，并与光源一起通过投影镜头将图像投影到透明打印头的平滑锥端上，从而在投影图像允许来自光源的光到达感光树脂的区域内开始固化感光树脂。
当图像大于单次曝光的尺寸或要进行后续涂层应用时，样品基板和/或打印头将被移动去继续打印图像。
打印平台可带动基板或样品沿X/Y方向移动，通过升降装置带动基板或样品升降运动。
本实施例的打印头的平坦的锥端由不粘的、透明的、透气膜形成的透明窗覆盖并密封。透明窗的材料为透氧材料。透明窗的材料采用聚二甲基硅氧烷或氟树脂Teflon AF。
当一个曝光完成时，在拼接和阵列曝光打印模式下，控制打印头移动到相邻区域以进行下一次曝光。其中，当打印头移动到新区域时，打印头锥端的硬边缘将用作树脂涂层刮刀，将随后的涂层的厚度由打印头的平滑锥端和样品顶层之间间隙确定。或者在没有任何形成样品的涂层被打印时，该涂层的厚度将等于打印头的平滑锥端与用于固定样品的基板之间的间隙。
拼接打印时，完成曝光的区域与相邻区域之间的公共边缘上采用5-20微米的重叠，从而将区域融合在一起。
基于样品测量数据的内插偏移误差曲线进入打印平台于X/Y方向移动中进行补偿，以补偿机械公差来确保拼接打印样品的精度在规格内。
本发明一优选实施例中将一个具有大于10kHz频率的超声源被结合到打印头中以提升树脂流动速度。
另通过控制打印头中的压力来补偿由于与打印树脂接触而引起的打印头的透明窗的变形。
本发明优选实施例中，打印头被浸入光敏树脂中1至10毫米。如果尚未涂覆涂层，则将打印头与样品的顶层或基板一起提高至光敏树脂之上100至500微米，此时打印头通过与光敏树脂接触而形成一个光敏树脂弯月面。
打印头内的压力是通过控制引入到打印头中的气体的压力进行实现。引入打印头的气体包括氧气或氧气混合气体。
来自计算机的数字图像由LCD或DLP微显示芯片与光源一起通过投影镜头投影到拥有密封，光学透明且具有可透气的平滑锥端的打印头上。其中投影镜头具有与样品或基板相交的光轴，投影镜头位于基板上方，并且位于基板与电荷耦合器件之间。其中的电荷耦合器件能够监测打印头上的投影，并且可通过投影镜头沿光轴聚焦。其中样品基板在X，Y和Z方向上的运动和位置由三个精密工作台控制。在一实施例中打印头位于基板上方。在另一实施例中基板位于打印头上方。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种3D打印方法，其特征在于，包括：
切片：生成待打印的样品的3D数字模型，将3D数字模型切成图像序列，所述图像序列中的每张图像表示3D数字模型的一层，根据模型的切片方向控制打印头的打印方向；
投影：将图像发送至微显示器件，带有光源的微显示器件通过投影镜头将图像投影到打印头的一端的透明窗和树脂的交界面上；图像检测：图像采集单元采集通过分光镜反射回来的图像并检测投影图像的质量，根据检测的质量控制进行打印；
曝光打印：带有光源的微显示器件用光照射投影图像，曝光产生固化层，代表投影图像在3D数字模型中相应的一层，当一次曝光结束，打印头移至新区域，打印头的锥端的硬边缘被用作树脂层刮刀，涂层厚度由打印头的端部与样品顶层之间的间隙确定，由于打印头位于树脂自由面下方1到5毫米，其后方的树脂流动并覆盖先前的裸露区域；
继续曝光打印：一层打印完毕后，控制打印头移动离开打印区域，打印头与样品平移脱离，调整打印头或样品台回位，打印头移动到样品边界之外，调整打印头与样品之间的上下距离为打印下一层的厚度，样品与打印头的透明窗之间的缝隙充满打印下一层所需的树脂，依次重复曝光打印，打印头刮擦、涂覆逐步曝光新一层，打印下一层，直至打印完毕，模型在树脂槽中被复制出来；
所述打印头的锥端覆盖不粘膜并形成透明窗，所述打印头的锥端端部设置一个锁环，所述锁环置于所述透明窗上部；
所述打印头包括：中空的梯形柱体的内腔、覆设在下端的不粘膜形成的透明窗、设置在下端并置于透明窗上部的锁环、设置在上端并受控控制输入气体流量对打印头的压力进行实时调整的质量流量控制器、设置在打印头的下游出口并置于锁环上部的限流器。
2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，在树脂弯月面式打印中，当完成一层打印后，样品与基板浸入树脂中2mm至8mm，以使新的树脂覆盖样品的顶面，然后基板带动样品回位到树脂自由面上500微米到1000微米，调整打印头与样品之间距离为打印下一层的厚度，打印头从样品外部移入、刮擦、涂覆并逐步曝光新层，同时打印头把多余树脂推回到树脂槽中。
3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述打印头为中空梯形柱体结构。
4.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述打印头位于基板下部进行打印，所述打印头的透明窗位于树脂的自由表面下方0.5-2mm,打印头与基板之间沿X/Y/Z方向相对移动以定义层和拼接层分面。
5.根据权利要求2或4所述的3D打印方法，其特征在于，所述基板设置在打印平台上，打印平台带动基板根据打印在X、Y、Z方向上移动，曝光打印或继续曝光打印时，根据P＝P0+P1控制打印头压力以补偿其与打印树脂接触而引起薄膜透明窗的变形，P0为打印头的不粘膜接触的空气大气压，P1＝ρ1gh,ρ1为树脂密度，g重力加速度，h为打印头的不粘膜在树脂里的深度；打印时，通过气体的流量控制打印头中的压力，若压力传感器检测到打印头的压力与设定压力有差异时，控制质量流量控制器根据PID设置调整流量，直至打印头中的压力达到设定值。
6.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，还包括设置在打印头的下游出口的限流器，限流器处于阻流状态，限流器流量与打印头压力成正比。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的3D打印方法，其特征在于,若打印图像大于单个曝光尺寸则进行拼接打印，将图像划分为多个层部分，逐步曝光每个层部分，并叠边拼接成整层，每个层部分在拼接边上与相邻图像重叠5-20微米。
8.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于,打印时，对打印平台的X/Y方向运动坐标进行误差补偿(X0+XError(X0,Y0),Y0+YError(X0,Y0))，(X0,Y0)为理论坐标，
XError(X0,Y0)＝C1+C2+C3Y0+C4X0Y0+C5X0 2+C6Y0 2
YError(X0,Y0)＝D1+D2+D3Y0+D4X0Y0+D5X0 2+D6Y0 2
C1-C6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于X方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出，
D1-D6多项式系数，基于拼接打印时，拼接点于Y方向上测量误差用二次最小二乘法拟合计算得出。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的3D打印方法，其特征在于,当打印头移动后停下准备曝光时，控制微显示器件先在打印头的不粘膜中心投影图片，图像采集单元捕捉并分析成像质量，将成像与设置的理论值比较，若打印头的不粘模变形，根据变形公式
Figure FDA0003168427380000031
调整流量以调整打印头中的压力，打印头锥端设置的不粘膜的变形与压力差成正比，v泊松系数，a为打印头的不粘模的半径，E杨氏模量，h为打印头的不粘模的厚度，p为打印头不粘模的两边的压力差。
10.一种3D打印系统，包括：建立3D数字模型并将3D数字模型切成图像序列的图像系统、控制系统、受控接收系列图片并投影到打印头的不粘模与树脂的交界面的微显示器件、与所述微显示器件对应设置并受控进行投影的投影镜头、采集并检测投影图像的质量的图像采集单元、与所述图像采集单元相应设置并将投影的图像反射给所述图像采集单元进行接收采集的分光镜、打印平台、设置在所述打印平台上并装载有树脂的树脂槽、设置在打印平台上的升降装置、设置在树脂槽中并与升降装置连接的基板、与所述基板相应设置的中空梯形柱体结构的打印头，其特征在于，所述打印头下端的硬边缘作为刮刀使用、打印时刮擦树脂，所述打印头包括：中空的梯形柱体的内腔、覆设在下端的不粘膜形成的透明窗、设置在下端并置于透明窗上部的锁环、设置在上端并受控控制输入气体流量对打印头的压力进行实时调整的质量流量控制器、设置在打印头的下游出口并置于锁环上部的限流器；打印时，所述打印头浸没在树脂中1至10毫米，当一次曝光结束并且打印头移至新区域时，打印头锥端的硬边缘将用作树脂涂层刮刀，涂层厚度由打印头的平头和样品顶层之间的间隙确定，当打印头移至相邻区域时，打印头后方的树脂在重力和表面张力的作用下流动并覆盖先前的裸露区域，在打印完整个层之后，在样品台向下移动一层厚度以定义下一层新鲜树脂之前，打印头将移动到样品边界之外，定义新层后，打印头将移入并开始逐步扫描和打印下一层。
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