CN112060570A - 一种基于双光源双振镜的光固化打印方法 - Google Patents

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郭艳利
杨润亚
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

Abstract

本发明公开了一种基于双光源双振镜的光固化打印方法，其特点是，包括包括确定三维模型、建立制件支撑、分离制件细节、生成激光扫描路径、将激光扫描路径导入打印系统、单片机将分别读取两套G‑code文件和快速获得高精度光固化树脂制件等步骤；采用一粗一细两种光源两套振镜,粗光源对连续固化区域进行面扫描,细光源对边缘精细部分进行扫描，使本套打印技术路线具有传统光固化打印技术所不能的在打印速度大大提高情况下保证打印精度的优点。

Description

一种基于双光源双振镜的光固化打印方法
技术领域
本发明涉及光固化成型技术领域，具体地讲是一种基于双光源双振镜的光固化打印方法。
背景技术
光固化成型技术主要有SLA技术、LCD/DLP技术等，特别适合于新产品的开发、不规则或复杂形状零件制造（如具有复杂形面的飞行器模型和风洞模型）、大型零件的制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，也适用于难加工材料的制造（如利用SLA技术制备碳化硅复合材料构件等）。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术等领域也有广阔的应用前景。
但现有SLA技术、LCD/DLP技术也有着如下缺点：
（1）传统单光源单振镜SLA打印技术的分辨率受限于单一光源大小，在不损失精度的情况下只能对连续固化区反复多次扫描，降低了打印效率；而若增大光束直径虽可提高打印速度，但必然损失精度。也就是说，SLA技术之所以未在光固化增量制造领域大规模推广，其缺陷就在于其虽然拥有较高的打印精度，但打印速度过慢，时间成本高；
（2）LCD技术能耗高、易损件多、使用成本高，且LCD技术因紫外背光不是平行光源而造成的打印件失真无法用计算补偿，打印机精度低；
振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机 ,基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩 ,但与旋转电机不同 ,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩 ,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比 ,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时 ,电磁力矩与回复力矩大小相等 ,故不能象普通电机一样旋转 ,只能偏转,偏转角与电流成正比 ,与电流计一样 ,故振镜又叫电流计扫描振镜(galvanomet ricscanner)。扫描振镜其专业名词叫做高速扫描振镜Galvo scanning system。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V 或-10V－+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。传统SLA技术将单振镜单光源用于光固化增材制造。其精度高的优点使得SLA打的精度达到82um。而SLA技术带来的高精度的同时，激光光斑也在缩小。激光光斑的缩小导致对于连续固化区域只能重复扫描才能使树脂中的引发剂获得足够的能量后固化。这就导致了SLA技术的打印时间过长，而想提高SLA的打印速度就要增大激光光斑的直径，打印精度随之降低。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种基于双光源双振镜的光固化打印方法；主要解决传统单光源单振镜SLA技术打印速度与打印精度不可兼得和LCD技术打印精度低、易损件多能耗大等问题。
本发明提供的技术方案是：一种基于双光源双振镜的光固化打印方法，其特殊之处征在于，包括以下步骤：
a确定三维模型：利用计算机辅助设计软件CAD，建立三维的制件模型,导出STL制件模型文件；
b建立制件支撑：导入a步骤建立的STL格式制件模型，利用计算机辅助制造软件CAM，对制件悬空部分建立支撑使之适用于光固化打印；导出支撑建立完成的STL制件模型；
c分离制件细节：将b步骤建立的带有支撑的STL制件模型文件导入计算机辅助设计软件CAD，将带有支撑的STL制件模型的连续固化打印区域和制件模型的细节部分进行分离；将b步骤生成的带有支撑的STL制件模型分裂成制件模型细节部分、制件模型连续固化部分，共两个STL制件模型；将两个STL文件放入一个文件夹；
d生成激光扫描路径：将制件模型细节部分STL文件和制件模型连续固化部分STL文件分别导入3D打印切片软件中,通过两套切片参数设置分别计算和粗细两套激光振镜系统的扫描路径,导出两套G-code到同一个文件夹中在可移动储存设备上进行存储；
e将激光扫描路径导入打印系统：将带有d步骤产生的两套G-code文件夹的可移动储存设备插入单片机暂存在Flash中完成导入；
f单片机将分别读取两套G-code文件：将两套G-code中层标记相同的从第一层开始逐层调导入到单片机内存中，分别计算出粗/细两套振镜的控制信号,控制两套振镜进行连续固化区域和精细细节的扫描；
g完成一层扫描后单片机控制步进电机带动升降平台提高0.005mm,重复步骤e、f、g进行逐层打印，即可快速获得高精度光固化树脂制件。
a步骤中计算机辅助设计软件（CAD），包括Autod esk Inventor、 SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace。
b、c步骤中计算机辅助制造软件（CAM）中，包括UG NX、Pro/NC、CATIA、 MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、Gibbs CAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam或Edgecam。
d步骤中3D打印路径生成软件中，包括Ultimaker Cura、XBuilder、Maker Bot、Slic3r 或Simplify3D。
本发明的有益效果：与现有技术相比,本发明克服了传统光固化增材制造技术(SLA\DLP\LCD)的缺点，其创新性与实用性主要体现在以下两点：1、相较于传统点扫描成型技术(SLA),本发明一粗一细两种光源,粗光源扫描连续固化区域.激光光斑一次扫过的面积大,扫描时间短有效地节省了打印时间；而细激光则对制件模型的细节部分进行精细扫描,在打印速度比传统SLA技术大幅提高的情况下打印精度也比传统SLA技术高；2、相较于传统面固化成型技术(LCD\DLP),本发明没有大功率紫外灯板和LCD/DLP显像元件等易损件,使用过程中仅需要消耗树脂,不需要定期更换硬件.可靠性高,使用维护成本低更加适用于工业生产，而且高分辨率的LCD/DLP面板价格昂贵且分辨率再高都不能避免像素点之间的羽化现象,本发明有效地解决了面固化成型技术(LCD\DLP)的技术痛点；发明能够实现在不损失精度的情况下进行快速打印，克服传统单光源SLA技术和LCD光固化打印技术的打印速度与打印精度不可兼得的问题，在模型手办、口腔医学、模具制造、军工等领域有着广阔的应用前景。
具体实施方式
为了更好地理解与实施，下面详细解释本发明。
一种基于双光源双振镜的光固化打印方法，包括以下步骤：
（1）确定三维模型：利用计算机辅助设计软件（CAD），建立三维的制件模型。导出.STL制件模型文件；计算机辅助设计软件（CAD），包括Autod esk Inventor、 SolidWorks、CATIA、中望3D、Pro/E、AutoCAD、UG NX、SolidEdge或Onespace；
（2）建立制件支撑：导入a步骤建立的STL格式制件模型，利用计算机辅助制造软件（CAM），对制件悬空部分建立支撑使之适用于光固化打印；导出支撑建立完成的STL制件模型；
（3）分离制件细节：将b步骤建立的带有支撑的.STL制件模型文件导入计算机辅助设计软件（CAD），将带有支撑的.STL制件模型的连续固化打印区域和制件模型的细节部分进行分离；将b步骤生成的带有支撑的.STL制件模型分裂成制件模型细节部分、制件模型连续固化部分，共两个STL制件模型；将两个STL文件放入一个文件夹；
（2）、（3）步骤中计算机辅助制造软件（CAM）中，包括UG NX、Pro/NC、CATIA、 MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、Gibbs CAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam或Edgecam；
（4）生成激光扫描路径：将制件模型细节部分.STL文件和制件模型连续固化部分STL文件分别导入3D打印切片软件中,通过两套切片参数设置分别计算和粗细两套激光振镜系统的扫描路径,导出两套G-code到同一个文件夹中在可移动储存设备上进行存储；中3D打印路径生成软件中，包括Ultimaker Cura、XBuilder、Maker Bot、Slic3r 或Simplify3D；
（5）将激光扫描路径导入打印系统：带有d步骤产生的两套G-code文件夹的可移动储存设备插入单片机暂存在Flash中完成导入；
（6）单片机将分别读取两套G-code文件：将两套G-code中层标记相同的从第一层开始逐层调导入到单片机内存中，分别计算出粗/细两套振镜的控制信号,控制两套振镜进行连续固化区域和精细细节的扫描；
（7）完成一层扫描后单片机控制步进电机带动升降平台提高0.005mm，重复步骤(5)(6)(7)进行逐层打印即可快速获得高精度光固化树脂制件。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的技术特征都属于现有技术。尽管对本发明专利的实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述具体的实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员均可以在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出更多的形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双光源双振镜的光固化打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
a确定三维模型：利用计算机辅助设计软件CAD，建立三维的制件模型,导出STL制件模型文件；
b建立制件支撑：导入a步骤建立的STL格式制件模型，利用计算机辅助制造软件CAM，对制件悬空部分建立支撑使之适用于光固化打印；导出支撑建立完成的STL制件模型；
c分离制件细节：将b步骤建立的带有支撑的STL制件模型文件导入计算机辅助设计软件CAD，将带有支撑的STL制件模型的连续固化打印区域和制件模型的细节部分进行分离；将b步骤生成的带有支撑的STL制件模型分裂成制件模型细节部分、制件模型连续固化部分，共两个STL制件模型；将两个STL文件放入一个文件夹；
d生成激光扫描路径：将制件模型细节部分STL文件和制件模型连续固化部分STL文件分别导入3D打印切片软件中,通过两套切片参数设置分别计算和粗细两套激光振镜系统的扫描路径,导出两套G-code到同一个文件夹中在可移动储存设备上进行存储；
e将激光扫描路径导入打印系统：将带有d步骤产生的两套G-code文件夹的可移动储存设备插入单片机暂存在Flash中完成导入；
f单片机将分别读取两套G-code文件：将两套G-code中层标记相同的从第一层开始逐层调导入到单片机内存中，分别计算出粗/细两套振镜的控制信号,控制两套振镜进行连续固化区域和精细细节的扫描；
g完成一层扫描后单片机控制步进电机带动升降平台提高0.005mm,重复步骤e、f、g进行逐层打印，即可快速获得高精度光固化树脂制件。
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