CN111923411A - 一种动态成像3d打印系统及其打印方法 - Google Patents

一种动态成像3d打印系统及其打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态成像3D打印系统及其打印方法，属于3D打印技术领域，本发明采用空间光调制器作为动态图形生成器件，曝光光源经过照明系统进行光束准直、整形后，照射到空间光调制器表面，将空间光调制器表面的动态图形通过投影曝光物镜照射到二维位移平台表面，并使动态图形的连续载入与二维位移平台的扫描运动实现同步匹配，通过进一步控制投影镜头焦面位置，进行逐层的扫描曝光，实现高精度、大面积、动态成像3D打印；解决了传统3D打印过程中高精度与大面积不可兼具的问题，实现米级结构的无拼接、高精度3D打印，可广泛应用于各种工业级制造需求。

Description

一种动态成像3D打印系统及其打印方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种动态成像3D打印系统及其打印方法。
背景技术
随着3D打印的普及，3D打印可应用领域越来越广泛，各种3D打印技术和设备也被相继开发出来。其中，光固化3D打印凭借其高质量的结构、精细的特征尺寸以及复杂的几何形状，已成为市场上最普遍的3D打印技术，其具体技术主要包括以下三种，分别是：LCD(Liquid Crystal Display技术)3D打印、SLA(激光扫描立体成型技术)3D打印和DLP(数字光处理)3D打印。
LCD技术是常用的3D打印技术，也是较早普及公众的3D打印技术，该技术利用光学投射穿过红绿蓝三原色滤镜过滤掉红外线和紫外线后，再将三原色投射穿过三片液晶板上，合成投影成像对打印材料进行曝光。该技术的优势是：系统结构简单，核心部件为LCD液晶板，成本较低；但其缺点是：液晶像素间隙较大，打印精度较低；液晶材料受环境影响很大，打印系统不稳定。
SLA技术是第一代光固化主流技术，其基本原理，就是利用紫外激光为光源，并用振镜系统来控制激光光斑进行逐点扫描曝光，激光束在液态树脂表面勾画出物体的第一层形状，然后制作平台下降一定的距离，再让固化层浸入液态树脂中，如此反复，最终完成实体打印。该技术的优势是：像素间隙较小，打印精度较高，DLP芯片密封包装，打印系统较为稳定；但其缺点是：逐点扫描的曝光方式极大的降低了加工效率，且由于采用振镜来控制光斑的扫描范围，无法实现大尺寸结构的打印。
DLP技术主要是通过光学投影来逐层固化光敏聚合物液体，从而创建出3D打印对象的一种快速成型技术。该技术首先利用切片软件把模型切薄片，静态投影播放幻灯片，每一层图像在树脂层很薄的区域产生光聚合反应固化，形成零件的一个薄层，然后成型台移动一层，继续静态投影曝光下一张幻灯片，继续加工下一层，如此循环，直达打印结束。该技术的优势是：打印精度高，静态投影曝光替代了SLA的逐点扫描曝光，打印速度快；但其缺点是：受制于静态投影曝光的限制，其打印面积较小，仅为投影光斑的面积，因此无法打印大尺寸结构。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术和系统的不足，而提供了一种动态成像3D打印系统及其打印方法，本发明采用空间光调制器作为动态图形生成器件，曝光光源经过照明系统进行光束准直、整形后，照射到空间光调制器表面，将空间光调制器表面的动态图形通过投影曝光物镜照射到二维位移平台表面，并使动态图形的连续载入与二维位移平台的扫描运动实现同步匹配，通过进一步控制投影镜头焦面位置，进行逐层的扫描曝光，实现高精度、大面积、动态成像3D打印；解决了传统3D打印过程中高精度与大面积不可兼具的问题，实现米级结构的无拼接、高精度3D打印，可广泛应用于各种工业级制造需求。
本发明通过如下技术方案实现：
一种动态成像3D打印系统，包括曝光光源1、照明系统2、空间光调制器3、投影曝光物镜4、二维位移平台5及计算机6；所述曝光光源1经过照明系统2进行光束准直、整形后，照射到空间光调制器3表面，将空间光调制器3表面的图形通过投影曝光物镜4照射到二维位移平台5表面的待曝光区域；控制空间光调制器3上图形连续动态载入，使之与二维位移平台5扫描同步匹配，并通过计算机6控制投影镜头在Z轴方向的运动(XY平面内，每打印完一层，计算机就控制投影镜头沿Z轴方向提升一段距离)，实现高精度、大面积、扫描式动态成像3D打印；其中，所述Z轴方向为与二维位移平台5表面垂直的方向。
进一步地，所述曝光光源1为波长为405nm、385nm或365nm的紫外光、激光光源或LED光源，光源的工作方式为连续光或脉冲光。
进一步地，所述曝光光源1通过照明系统2进行光束准直和整形后，光源的均匀度不低于95％。
进一步地，所述空间光调制器3为DMD(Digital Micromirror Device数字微镜器件简称DMD)、LCD(Liquid Crystal Display液晶显示器简称LCD)或激光阵列。
本发明还提供了一种基于动态成像3D打印系统的打印方法，具体步骤如下：
步骤一：调整激光光源的能量以及脉冲频率，使得曝光能量与打印材料的阈值相匹配；
步骤二：从激光器发出的光束，经过照明系统成为平行光并照射到空间光调制器表面；
步骤三：通过计算机将待打印结构的数字图形以子图形式连续载入至空间光调制器，使得空间光调制器表面形成动态连续滚动的曝光图形；
步骤四：激光光束从空间光调制器表面反射，将空间光调制器表面的滚动图像经投影曝光物镜，动态地投影到二维位移平台上；
步骤五：通过计算机控制空间光调制器上的图形的连续载入，使其与二维位移平台的扫描运动实现同步匹配，即空间光调制器上的图形连续不断的滚动变化，与之配合的位移平台连续运动，实现经投影曝光物镜后，投影在位移平台上的图形的滚动速度、滚动方向与平台的运动速度、运动方向相一致，最终实现动态扫描曝光；
步骤六：上述动态扫描曝光在位移平台所在平面完成一层扫描打印后，沿Z轴方向移动投影曝光物镜并重复步骤三至步骤五，使得系统进行下一层打印，重复上述步骤即可实现该3D打印系统的逐层打印。
进一步地，空间光调制器上的图形的连续载入与二维位移平台的扫描过程同步，即图像的动态载入方向、动态载入速度与平台的扫描运动方向、扫描运动速度相一致。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
相比于LCD技术，利用空间光调制器作为动态图形生成器，可以获得极高的打印精度，且光能利用率较高，不会存在闪烁现象。
相比于SLA技术，利用空间光调制器作为动态图形生成器的动态成像曝光替代了SLA的逐点扫描曝光，极大的提高了打印效率；与此同时，采用动态扫描的曝光方式替代了振镜扫描，极大增加了3D打印的加工尺寸。
相比于DLP技术，本发明将空间光调制器表面的动态图形通过投影曝光物镜照射到二维位移平台表面，并使动态图形的连续载入与二维位移平台的扫描运动实现同步匹配，解决了传统DLP静态投影曝光对于打印尺寸的限制，使得打印结构的尺寸不再限于投影光斑尺寸，而是完全取决于平台的运动扫描范围，进而可以加工大尺寸(米级)结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1所示为本发明的一种动态成像3D打印系统的系统结构示意图；
图2所示为空间光调制器上图形连续动态载入示意图；
图3所示为直接动态成像的3D打印结构实物图；
图中：曝光光源1、照明系统2、空间光调制器3、投影曝光物镜4、二维位移平台5、计算机6、Z轴方向7。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
如图1所示，本发明采用的直接动态成像3D打印系统包括405nm波长曝光光源1、照明系统2、空间光调制器3、投影曝光物镜4、二维位移平台样品平台5及计算机6；曝光光源1经过照明系统2进行光束准直、整形后，照射到空间光调制器3表面，将空间光调制器表面的图形通过投影曝光物镜4照射到二维位移平台表面5的待曝光区域。控制空间光调制器3上图形连续动态载入，使之与二维位移平台5扫描同步匹配，并通过计算机6控制投影镜头在Z轴方向7(垂直方向)的运动，XY平面内，每打印完一层，计算机就控制投影镜头沿Z轴方向提升一段距离，实现高精度、大面积、扫描式动态成像3D打印。
所述曝光光源1为波长为405nm、385nm或365nm的紫外光、激光光源或LED光源，光源的工作方式为连续光或脉冲光。
所述曝光光源1通过照明系统2进行光束准直和整形后，光源的均匀度不低于95％。
所述空间光调制器3为DMD(Digital Micromirror Device数字微镜器件简称DMD)、LCD(Liquid Crystal Display液晶显示器简称LCD)或激光阵列。
实施例2
如图2及3所示，为动态成像的3D打印结构的打印过程及实物图，其加工方法如下：
采用激光能量为980mJ的405nm波长激光器作为激光光源，该405nm紫外光束经投影物镜后照射到空间光调制器(DMD，型号9500UV)表面，计算机将数字图形传输到DMD中；从DMD反射出来的激光束，经过放大倍率1：1的自制投影物镜，将DMD表面的滚动图像动态地投影到二维位移平台,平台运动范围400mm×500mm；采用树脂材料进行打印，其(型号NH-M02)阈值为4mJ/cm2，此时DMD上的图形经过投影物镜投影到平台后的尺寸约为20mm×10mm，图形滚动速度为22mm/s；扫描曝光过程中，位移平台以22mm/s的速度以“蛇形”方式连续扫描运动，将动态投影图形连续曝光到树脂材料；扫描曝光一层后，将投影物镜上移50um，然后重复上述曝光流程进行第二层打印，运动扫描速度与曝光能量都不改变，整体结构需要扫描曝光60层，最终得到的打印结构厚度约为3mm。
空间光调制器上的图像动态载入与二维位移平台的扫描过程同步，其打印曝光方式即可以是双向扫描的动态曝光，也可以是单向扫描的动态曝光；
3D打印感光材料既可以是树脂材料、陶瓷材料，也可以是树脂与陶瓷混合的复合材料。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种动态成像3D打印系统，其特征在于，包括曝光光源(1)、照明系统(2)、空间光调制器(3)、投影曝光物镜(4)、二维位移平台(5)及计算机(6)；所述曝光光源(1)经过照明系统(2)进行光束准直、整形后，照射到空间光调制器(3)表面，将空间光调制器(3)表面的图形通过投影曝光物镜(4)照射到二维位移平台(5)表面的待曝光区域；控制空间光调制器(3)上图形连续动态载入，使之与二维位移平台(5)扫描同步匹配，并通过计算机(6)控制投影镜头在Z轴方向的运动，实现高精度、大面积、扫描式动态成像(3)D打印；其中，所述Z轴方向为与二维位移平台(5)表面垂直的方向。
2.如权利要求1所述的一种动态成像3D打印系统，其特征在于，所述曝光光源(1)为波长为405nm、385nm或365nm的紫外光、激光光源或LED光源，光源的工作方式为连续光或脉冲光。
3.如权利要求1所述的一种动态成像3D打印系统，其特征在于，所述曝光光源(1)通过照明系统(2)进行光束准直和整形后，光源的均匀度不低于95％。
4.如权利要求1所述的一种动态成像3D打印系统，其特征在于，所述空间光调制器(3)为数字微镜器件、液晶显示器或激光阵列。
5.如权利要求1所述的一种动态成像3D打印系统的打印方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：调整激光光源的能量以及脉冲频率，使得曝光能量与打印材料的阈值相匹配；
步骤二：从激光器发出的光束，经过照明系统成为平行光并照射到空间光调制器表面；
步骤三：通过计算机将待打印结构的数字图形以子图形式连续载入至空间光调制器，使得空间光调制器表面形成动态连续滚动的曝光图形；
步骤四：激光光束从空间光调制器表面反射，将空间光调制器表面的滚动图像经投影曝光物镜，动态地投影到二维位移平台上；
步骤五：通过计算机控制空间光调制器上的图形的连续载入，使其与二维位移平台的扫描运动实现同步匹配，即空间光调制器上的图形连续不断的滚动变化，与之配合的位移平台连续运动，实现经投影曝光物镜后，投影在位移平台上的图形的滚动速度、滚动方向与平台的运动速度、运动方向相一致，最终实现动态扫描曝光；
步骤六：上述动态扫描曝光在位移平台所在平面完成一层扫描打印后，沿Z轴方向移动投影曝光物镜并重复步骤三至步骤五，使得系统进行下一层打印，重复上述步骤即可实现该3D打印系统的逐层打印。
6.如权利要求5所述的一种动态成像3D打印系统的打印方法，其特征在于，空间光调制器上的图形的连续载入与二维位移平台的扫描过程同步，即图像的动态载入方向、动态载入速度与平台的扫描运动方向、扫描运动速度相一致。
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