CN112519224A - 光固化3d打印机及其光源系统 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种光固化3D打印机及其光源系统。该光源系统包括：光源和反射机构；其中，所述反射机构设置在所述光源发出光线的光路上，用于对从光源发出的光线进行反射，并经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直。该光源系统通过设置反射机构，利用反射原理将原有的垂直光路改变为多条反射光路，由此在机体尺寸不变的前提下实现了光路的延长，减少了光源的分散角，进而提高了光线的准直度，改善小孔特征的成形质量，进而提高了打印产品的尺寸精度，以满足高精度模型的装配需求。

Description

光固化3D打印机及其光源系统

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及光固化3D打印机及其光源系统。

背景技术

近年来，3D打印(three dimensional)技术以其生产周期短，可制造传统生产技术无法制造出的外形等诸多技术优势，已得到广泛使用。在3D打印领域中，快速成型技术根据使用材料、成型方式等的不同可划分为多种类别，其中较为常见的是光固化快速成型。光固化成型的原理是：利用流体状态的光敏树脂(UV)在光照下发生聚合反应的特点，将光源按照待成型物体的截面形状进行照射，使流体状态的树脂固化成型。以LCD光固化3D打印机为例，打印机通过数据传输设备将3D打印对象的横截面图案逐层地传输到LCD屏上，然后用特定波长的光照射LCD屏，使得LCD屏上方的流体树脂按照图案一层一层地固化，最终形成指定的3D打印对象。在基于LCD技术的光固化3D打印机中，光照区域的形状是由LCD来控制的，通过内部电路系统控制LCD显示的图案，控制3D打印过程中每层成型体的形状。

在基于LCD技术的光固化3D打印机中，光照区域的形状是由LCD来控制的，通过内部电路系统控制LCD显示的图案，控制3D打印过程中每层成形体的形状。

现有的LCD光固化3D打印机是在LCD下面布置光固化所需的光源系统，在LCD上方布置树脂池，并增加Z轴传动组件和成型平台，这样就能够实现基于LCD技术的光固化3D打印。LCD光固化打印光固化3D打印机的工作过程如下：首先，成型平台降到树脂池最底端，其底面与树脂池底的高分子膜近乎接触，然后由LCD控制透过一部分光，这部分光照射到成型平台底面和树脂池膜之间的树脂，其固化后与成型平台底面和树脂池膜均存在粘接力，如果其与平台底面的粘接力大于其与膜之间的粘接力，在成型平台向上抬升时，固化的树脂会与膜分离开，这样形成第一层的打印体。接下来成型平台上升至比刚才高一个层厚的位置，再由LCD透过第二层打印需要的光，第一层打印体和膜之间的树脂发生固化形成第二层打印体。此过程重复多次直到打印过程结束。

在光固化成型过程中，由于光敏树脂不可能完全遮挡光线的照射，也就是说，一定强度的光照射到光敏树脂上，会有相对应的投射深度，一般来说，维持正常打印的光照强度所造成的投射深度会大于当前层的层厚。因此，Z向投射深度是有助于强化层与层之间的连接强度的，但是XY方向的投射深度会造成外尺寸加大、内尺寸减小的问题，而导致打印尺寸偏离理论尺寸，对模型的装配造成不良影响。在基于LCD光固化3D打印体系中，光源的准直度是个非常重要的影响因素。一般来说，光源发出光线的准直度越高，成形微小结构的质量越好，具体来说就是小尺寸孔洞成形质量越好，反之则越差。

相关技术中，光源系统通常是在LCD上的投影面正下方布置等面积的阵列光源，但由于阵列光源具有“偏心现象”，光路分散角大，光源发出光线的准直度较低。作为优化，请参见图1，相关技术中还有在LCD投影面下方布置点阵光源1’的方案。相对于阵列光源，采用点阵光源虽然可以减少体积，并在一定程度上减少光路的分散角，但效果有限，光线的准直度仍有待提高，以满足高精度模型的装配需求。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种光固化3D打印机及其光源系统。

本申请提供一种用于光固化3D打印机的光源系统，其包括：光源和反射机构；其中，

所述反射机构设置在所述光源发出光线的光路上，用于对从光源发出的光线进行反射，并经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直。

进一步地，所述反射机构包括：一个、两个或多个反射镜，所述反射镜为平面镜和/或凹面镜。

进一步地，所述反射机构包括两个平面镜，分别为第一平面镜和第二平面镜；

所述光源沿竖直方向向下布置，第一平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°，第二平面镜沿水平方向朝向第一平面镜布置，第一平面镜与第二平面镜垂直设置。

进一步地，所述反射机构包括一个第三平面镜，所述光源沿水平方向布置，第三平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

进一步地，所述反射机构包括三个平面镜，分别为第四平面镜、第五平面镜和第六平面镜；

所述光源沿竖直方向向下布置；所述第四平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°；所述第五平面镜朝向第四平面镜竖直布置，所述第六平面镜朝向第五平面镜布置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

进一步地，还包括罩设于所述光源和反射机构外的机箱；所述机箱内设置有定位机构，所述反射机构的反射镜设置在定位机构上。

进一步地，所述定位机构包括：底板，其固定于机箱；

支撑定位板，其与底板相连，布置角度与相应的反射镜相同；所述支撑定位板上设置有用于对反射镜进行限位的定位部。

进一步地，所述底板通过定位销固定于机箱；所述支撑定位板上的定位部为限位槽、限位挡板或限位夹板。

进一步地，所述光源为点阵光源。

本申请还提供一种光固化3D打印机，其设置有上述任意一项所述的光源系统。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

相对于现有技术，本申请提供的用于光固化3D打印机的光源系统具有如下优点：

通过设置反射机构，利用反射原理将原有的垂直光路改变为多条反射光路，由此在机体尺寸不变的前提下实现了光路的延长，减少了光源的分散角，进而提高了光线的准直度，改善小孔特征的成形质量，进而提高了打印产品的尺寸精度，以满足高精度模型的装配需求。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是相关技术中光固化3D打印机中光源系统的结构示意图。

图2是本申请实施例示出的光固化3D打印机的光源系统的结构示意图；

图3是图2的光路转换图；

图4是本申请另一实施例示出的光固化3D打印机的光源系统的结构示意图；

图5是本申请另一实施例示出的光固化3D打印机的光源系统的立体结构示意图；

图6是本申请实施例示出的光固化3D打印机的光源系统中定位机构的结构示意图。

附图标记说明

1’-点阵光源

1-光源

2-反射机构

20-反射镜

21-第一平面镜

22-第二平面镜

23-第三平面镜

24-第四平面镜

25-第五平面镜

26-第六平面镜

3-机箱

4-定位机构

41-底板

42-支撑定位板

43-定位销

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请所述的夹角为沿基准面顺时针方向转过的角度为正，逆时针转过的角度为负。本申请所述的两个平面镜之间的“朝向”是指后一个平面镜可以反射由前一个平面镜反射过来的光束。

为了提高光线的准直度，本申请发明人考虑通过延长光路来减少分散角，进而实现准直度的提高。但是，在机体框架尺寸限定的情况下，留给光源组件的垂直空间是一定的，假如中层板和底层板之间的距离为D，如果采用垂直投射，留给灯珠距LCD投影面的距离d一定小于D，因为要减去灯珠基板的厚度、散热片的厚度以及风扇和风道的厚度。这无疑给延长光路这一构思来带很大的限制。本申请发明人进一步考虑，充分利用横向的空间，通过设置反射来拉长光路，由此可以实现在原有布置空间内光路的拉长，进而减少光路分散角，提高光线的准直度。

有基于此，请参见图2，本申请实施例提供一种用于光固化3D打印机的光源系统，其包括：光源1和反射机构2；其中，

所述反射机构2设置在所述光源1发出光线的光路上，用于对从光源1发出的光线进行反射，并经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直。

本申请实施例提供的光源系统通过设置反射机构2，利用反射原理将原有的垂直光路改变为多条反射光路，由此在机体尺寸不变的前提下实现了光路的延长，减少了光源1的分散角，进而提高了光线的准直度。该结构中，反射机构2包括有反射镜，反射机构2设置在光源1发出光线的光路上，其作用在于将发射过来的光线经过一次或多次的反射后，最终形成中心线与LCD投影面相垂直的光束，即光源1经过反射后最终形成的光面与LCD投影面相重合，由此既实现了光路的延长，又保证了光源1与投影面的匹配。

反射机构2中反射镜的个数可以为一个，两个或多个，相应地，反射机构2会对光源1发出的光线进行一次、两次或多次的反射。光源1的布置位置及方向，与反光镜的个数和布置角度相匹配，实现经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直。本领域技术人员可以理解的是，对于只设置一个反光镜的情况，由于光线只经过一次反射，因此所述最后一次反射也为第一次反射。所述光源1优选为点阵光源1，点阵光源1具有发光点集中，亮度高，体积小，散热性能好，使用寿命长的优点。

反射机构2中的反光镜可以为平面镜，凹面镜，也可以为二者的结合。优选的，反射机构2包括一个、两个或多个平面镜；或，反射机构2包括一个、两个或多个凹面镜；或，反射机构2包括两个或多个平面镜与凹面镜的结合。更优的，反射镜为平面镜，其优点在于：元件易得，光路反射角度控制相对简单。反射机构2中平面镜的个数优选为一个、两个或三个。

请参见图2，反射机构2包括两个平面镜的光源系统的结构可以如下：

两个平面镜分别为第一平面镜21和第二平面镜22；

光源1沿竖直方向向下布置，第一平面镜21朝向光源1设置，其与水平面的夹角为45°或-45°，第二平面镜22沿水平方向朝向第一平面镜21布置，第一平面镜21与第二平面镜22垂直设置。

对于同样高度为200mm的机箱：

若采用垂直投射的方法，减去灯珠基板的厚度、散热片的厚度以及风扇和风道的厚度，可供光源1投射的光路长度为180mm，投影面积截面宽度为190mm，光源1发光面截面宽度30mm，根据计算，光路的分散角为48°，半角为24°，如图1所示。

若采用本实施例的方案，在维持机箱高度、投影面宽度、光源1宽度不变的情况下，增加两重反射，将光路整体拉长至400mm，根据计算，光路的分散角为22°，半角为11°，如图3所示。

由上述内容可知，在同样的机箱高度下，通过增加两次反射，能够将光路长度拉长122.2％，分散角降低54.2％，可以近似的认为，准直度提高了114.3％。由此可见，准直度得到了显著的提高。反映到实际的打印效果上，就是原来打印体水平面上的通孔，原有光源只能达到最小0.6mm的直径尺寸，而采用本实施例的结构，实际打印出的最小通孔，能够做到0.2mm，非常明显地提高了打印精细结构的成形表现。

当然，本领域技术人员可以理解，对于设置一个或多个平面镜的情况，同样可以起到减少分散角、提高准直度的效果。

请参见图4，反射机构2包括一个第三平面镜23的光源系统结构可以如下：

光源1沿水平方向布置，第三平面镜23朝向光源1设置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

请参见图5，反射机构2包括三个平面镜的光源系统结构可以如下：

三个平面镜分别为第四平面镜24、第五平面镜25和第六平面镜26；

所述光源1沿竖直方向向下布置；所述第四平面镜24朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°；所述第五平面镜25朝向第四平面镜24竖直布置，所述第六平面镜26朝向第五平面镜25布置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

以上实施例中，光源均是沿水平方向或竖直方向设置的，本领域技术人员可以理解，光源也可以与水平面或竖直面呈一定夹角倾斜布置，则平面镜的布置角度也需相应调整，直至满足经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直即可。

反射镜的布置角度对于最终形成的光面的准直度有影响，为了提高反光镜布置的稳固性，提高光源系统工作的可靠性，作为本申请的优选方案，上述光源系统还包括罩设于所述光源反射机构外的机箱；并且，所述机箱内设置有定位机构，反射机构的反射镜设置在定位机构上。

进一步地，请参见图6，所述定位机构4包括：底板41，其固定于机箱3；支撑定位板42，其与底板41相连，布置角度与相应的反射镜相同；所述支撑定位板42上设置有用于对反射镜20进行限位的定位部。底板41优选通过定位销43固定于机箱3，每个底板41优选通过至少两个定位销43与机箱3相连，以保证连接的牢靠性。支撑定位板42的布置角度根据反射镜布置角度预先设定好，而后将反射镜20通过定位部来固定反射镜即可。上述定位部可以为限位槽，限位挡板或限位夹板。更进一步地，在反射镜20和支撑定位板42之间可以设置有双面胶等粘合剂，同时配合定位部使用，以提高对反射镜的固定的稳固性。另外，底板41与支撑定位板42之间优选设置有加强筋板，以提高二者连接强度。

作为本申请的另一种方案，上述定位机构的底板与支撑定位板之间铰接，支撑定位板与底板之间设置有角度调节机构，用于调节底板与支撑定位板之间的夹角，进而实现反射镜的布置角度可调。

由上述内容可知，本申请提供的用于光固化3D打印机的光源系统具有如下优点：

通过设置反射机构，利用反射原理将原有的垂直光路改变为多条反射光路，由此在机体尺寸不变的前提下实现了光路的延长，减少了光源的分散角，进而提高了光线的准直度，改善小孔特征的成形质量，进而提高了打印产品的尺寸精度，以满足高精度模型的装配需求。

本申请另一实施例还提供一种光固化3D打印机，其设置有上述光源系统。该光固化3D打印机的具体结构可以如下：树脂池、LCD、上述光源系统由上至下依次对应布置，LCD及上述光源系统均设置在机体框架内，树脂池布置在机体框架的顶面；机体框架支撑Z轴传动组件，成型平台与Z轴传动组件传动连接。由于上述光源系统具有光线的准直度高的优点，因此设置有该光源系统的光固化3D打印机具有打印产品的尺寸精度高的优点，可以满足高精度模型的装配需求。

上文中已经参考附图详细描述了本申请的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。另外，可以理解，本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本申请实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种用于光固化3D打印机的光源系统，其特征在于，包括：光源和反射机构；其中，

所述反射机构设置在所述光源发出光线的光路上，用于对从光源发出的光线进行反射，并经过最后一次反射后形成的光束中心线向上地与LCD投影面相垂直。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述反射机构包括：一个、两个或多个反射镜，所述反射镜为平面镜和/或凹面镜。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述反射机构包括两个平面镜，分别为第一平面镜和第二平面镜；

所述光源沿竖直方向向下布置，第一平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°，第二平面镜沿水平方向朝向第一平面镜布置，第一平面镜与第二平面镜垂直设置。

4.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述反射机构包括一个第三平面镜，所述光源沿水平方向布置，第三平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

5.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述反射机构包括三个平面镜，分别为第四平面镜、第五平面镜和第六平面镜；

所述光源沿竖直方向向下布置；所述第四平面镜朝向光源设置，其与水平面的夹角为45°或-45°；所述第五平面镜朝向第四平面镜竖直布置，所述第六平面镜朝向第五平面镜布置，其与水平面的夹角为45°或-45°。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的光源系统，其特征在于，还包括罩设于所述光源和反射机构外的机箱；所述机箱内设置有定位机构，所述反射机构的反射镜设置在定位机构上。

7.根据权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述定位机构包括：底板，其固定于机箱；

支撑定位板，其与底板相连，布置角度与相应的反射镜相同；所述支撑定位板上设置有用于对反射镜进行限位的定位部。

8.根据权利要求7所述的光源系统，其特征在于，所述底板通过定位销固定于机箱；所述支撑定位板上的定位部为限位槽、限位挡板或限位夹板。

9.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述光源为点阵光源。

10.一种光固化3D打印机，其特征在于，设置有权利要求1至9任意一项所述的光源系统。

Images