CN112549537A - 一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 - Google Patents
一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112549537A CN112549537A CN202011270692.3A CN202011270692A CN112549537A CN 112549537 A CN112549537 A CN 112549537A CN 202011270692 A CN202011270692 A CN 202011270692A CN 112549537 A CN112549537 A CN 112549537A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- projection lens
- printing
- precision
- projection
- lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- 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
- B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
- B29C64/264—Arrangements for irradiation
-
- 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
-
- 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
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
Abstract
本发明属于3D打印技术领域，公开了一种双镜头组合精度提速3D打印光学系统及打印方法，包括一个DLP系统、两个不同倍率的投影镜头、分光镜、反射镜和一套精密移动系统。所述两个投影镜头垂直并列摆放，与DLP系统配合使用得到两种不同精度和幅面的投影效果。DLP系统发出的光路经过分光镜，部分反射后进入第一投影镜头3，部分透射后经过反射镜反射进入第二投影镜头；通过调整分光镜和反射镜等，使两束光路均被投影到重叠的打印平面上。本发明提供一种可灵活切换精度的双镜头3D打印光学系统，和该系统适用的高精度大幅面提速打印方法，解决了一套打印系统精度固定而对打印速度的限制，及打印精度和幅面大小矛盾的问题。
Description
技术领域
本申请属于3D打印技术领域，尤其是涉及一种双镜头组合精度提速3D打印装置及打印方法。
背景技术
投影式微立体光刻3D打印技术基于数字光处理（DLP-Digital LightProcessing）的投影技术，核心器件为空间光调制器，包括但不仅限于LCD、DMD、LCOS等；通过DLP系统和投影镜头将二维图片成像到感光的树脂薄层上曝光后固化，多层叠加后完成三维模型的复制打印。由于每种空间光调制器的芯片解析度（像素）和尺寸固定，通过一种投影镜头后得到的曝光精度和幅面也是固定的，且精度越高，单幅面越小，因此，一般打印系统面临着高精度大幅面打印效率低，打印精度局限的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种双镜头组合精度提速3D打印光学系统及打印方法，在本发明中，使用一个DLP系统和两个不同倍率的投影镜头，实现一种两种打印精度灵活切换的光学系统，根据模型的二维图片特征进行图片分割和拼接打印，保障打印精度的前提下实现更大幅面的快速打印。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双镜头组合精度提速3D打印装置，包括：
光源，用于产生投影用的光线；
打印样品台，用于形成及承载打印产品；
第一投影镜头，用于接收所述光源发出的光线并投影向所述打印样品台；
第二投影镜头，用于接收所述光源发出的光线并投影向所述打印样品台，所述第二投影镜头的精度及覆盖的幅面与所述第一投影镜头不同；
光路分配组件，用于将所述光源产生的光线分别分配到所述第一投影镜头和所述第二投影镜头中；
移动挡板，设置在所述光路分配组件与所述第一投影镜头和所述第二投影镜头之间，用于单独控制所述第一投影镜头或所述第二投影镜头的曝光；
移动装置，用于控制所述打印样品台、所述光源、第一投影镜头、第二投影镜头或所述光路分配组件移动位置，以调整与所述第一投影镜头或所述第二投影镜头投影光线的曝光面的相对位置。
优选地，本发明的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述光路分配组件包括分光镜、反射镜，所述分光镜、反射镜设置在所述光源射出光线的路径上，且所述反射镜位于所述分光镜沿所述光源射出光线方向的后方，所述分光镜能够使所述光源射出光线的一部分透过到所述反射镜处，另一部分折射或反射到所述第一投影镜头处，所述反射镜能够反射光线到所述第二投影镜头处。
优选地，本发明的双镜头组合精度提速3D打印装置，还包括激光位移计，所述激光位移计用于检查打印样品台和薄膜的水平情况和表面平整度，记录打印样品台和薄膜的相对位置，方便精准快速调节到曝光位置。
优选地，本发明的双镜头组合精度提速3D打印装置，还包括监控相机，所述监控相机的监控光路与所述第一投影镜头和所述第二投影镜头的投影光路重合。
优选地，本发明的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述打印样品台设置在树脂槽内，所述打印样品台上形成一个虚拟的打印面，所述打印面是每一层需要固化的树脂薄层的上表面，所述打印面与所述第一投影镜头和所述第二投影镜头的投影光路的曝光面重合。
优选地，本发明的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述第二投影镜头与所述第一投影镜头并排竖直设置，所述打印样品台位于第二投影镜头与所述第一投影镜头沿重力方向的正下方。
一种双镜头组合精度提速3D打印方法，采用上述的双镜头组合精度提速3D打印装置，包括以下步骤：
S1，在计算机上建立三维几何模型，将三维几何模型在切片方向上等或不等间隔地切成一系列二维图片，每一张图片代表着三维模型中的一薄层，图片间隔代表薄层的厚度，模型的切片方向是打印系统的打印方向；
S2，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，将二维图片分割成一系列子图片；
S3，使用DLP系统读取所有子图片并依次投影到打印面上，通过所述第一投影镜头和所述第二投影镜头的投影光路中的移动挡板控制曝光，根据子图片在二维图片中的位置并通过所述移动装置控制曝光区域；
S4，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，选择单独使用所述第一投影镜头或所述第二投影镜头进行投影，或交替使用所述第一投影镜头或所述第二投影镜头来进行投影，以切换打印精度和幅面；
S5，曝光一定时间以产生一定厚度的固化层，代表了模型中对应的一层；当上一层完成曝光打印固化后，控制打印面升降以进行下一层固化；依次重复曝光直到三维模型被复制出来。
优选地，本发明的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头与所述第二投影镜头之中，所述第一投影镜头精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头精度较高、幅面较小；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头的幅面小于所述第一投影镜头的幅面，同时当第一投影镜头的精度高于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成等于所述二维图片的幅面，步骤S4中，单独采用所述第一投影镜头进行投影；或二维图片的每一个子图片均相同且有序排列，且子图片的尺寸大于所述第二投影镜头的幅面小于所述第一投影镜头的幅面时，单独采用所述第一投影镜头进行投影，并使用移动装置调整打印面使子图片按顺序相隔一定距离后重复曝光，完成二维图片整体的打印。
优选地，本发明的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头与所述第二投影镜头之中，所述第一投影镜头精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头精度较高、幅面较小；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头的幅面小于所述第一投影镜头的幅面，同时当第一投影镜头的精度低于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成小于等于所述第二投影镜头的幅面，步骤S4中，单独采用所述第二投影镜头进行投影，并使用移动装置调整打印面，按照子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印。
优选地，本发明的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头与所述第二投影镜头之中，所述第一投影镜头精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头精度较高、幅面较小；步骤S2中，当二维图片包含微小特征，第一投影镜头的精度低于所述微小特征的精度要求、第二投影镜头的精度高于二维图片的精度要求时，将二维图片具有微小特征的部分分割成对应所述第二投影镜头幅面的子图片，其他区域分割成对应所述第一投影镜头幅面的子图片；步骤S4中，使用移动装置调整打印面，同时切换对应当前子图片精度的所述第一投影镜头或所述第二投影镜头来进行投影，按照对应所述投影镜头精度的子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印，实现大幅面高精度的提速打印。
本发明的有益效果是：利用精度及覆盖的幅面不同的两个投影镜头灵活切换，能够产生多种打印模式，适应待打印产品的各种尺寸范围，能够匹配出最符合待打印产品打印需求的打印模式，使打印效率和打印精度达到一种平衡。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1为本发明的双镜头组合精度3D打印系统结构示意图；
图2为本发明的拼接打印模式误差示意图；
图3为本发明的三种打印模式示意图；
图4为本发明的提速打印图片分割示意图；
图5为本发明的激光位移计调节打印面水平示意图。
图中的附图标记为：
1 光源
2 第二投影镜头
3 第一投影镜头
4 分光镜
5 反射镜
6 打印样品台
7 移动挡板
8 监控相机
11 激光位移计
12 打印面
13 树脂槽
14 薄膜。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例
本实施例提供一种双镜头组合精度提速3D打印装置，如图1所示，包括：
光源1，用于产生投影用的光线；
打印样品台6，用于形成及承载打印产品；
第一投影镜头3，用于接收所述光源1发出的光线并投影向所述打印样品台6；
第二投影镜头2，用于接收所述光源1发出的光线并投影向所述打印样品台6，所述第二投影镜头2的精度及覆盖的幅面与所述第一投影镜头3不同；
光路分配组件，用于将所述光源1产生的光线分别分配到所述第一投影镜头3和所述第二投影镜头2中；
移动挡板7，设置在所述光路分配组件与所述第一投影镜头3和所述第二投影镜头2之间，用于单独控制所述第一投影镜头3或所述第二投影镜头2的曝光；
移动装置，用于控制所述打印样品台6移动位置，以调整与所述第一投影镜头3或所述第二投影镜头2投影光线的曝光面的相对位置。或者相反的，该装置也可用于控制光学系统（包括光源，光路，镜头组合等）的移动位置以调整曝光面与样品台的相对位置。
优选地，本实施例的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述光路分配组件包括分光镜4、反射镜5，所述分光镜4、反射镜5设置在所述光源1射出光线的路径上，且所述反射镜5位于所述分光镜4沿所述光源1射出光线方向的后方，所述分光镜4能够使所述光源1射出光线的一部分透过到所述反射镜5处，另一部分折射或反射到所述第一投影镜头3处，所述反射镜5能够反射光线到所述第二投影镜头2处。
优选地，本实施例的双镜头组合精度提速3D打印装置，还包括激光位移计11，所述激光位移计11用于检查打印样品台和薄膜的水平情况和表面平整度，记录打印样品台和薄膜的相对位置，方便精准快速调节到曝光位置。
优选地，本实施例的双镜头组合精度提速3D打印装置，还包括监控相机8，所述监控相机8的监控光路与所述第一投影镜头3和所述第二投影镜头2的投影光路重合。
优选地，本实施例的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述打印样品台6设置在树脂槽13内，所述打印样品台6上形成一个虚拟的打印面12，所述打印面12是每一层需要固化的树脂薄层的上表面，所述打印面12与所述第一投影镜头3和所述第二投影镜头2的投影光路的曝光面重合。
优选地，本实施例的双镜头组合精度提速3D打印装置，所述第二投影镜头2与所述第一投影镜头3并排竖直设置，所述打印样品台6位于第二投影镜头2与所述第一投影镜头3沿重力方向的正下方。
本实施例提供一种双镜头组合精度提速3D打印方法，采用上述的双镜头组合精度提速3D打印装置，包括以下步骤：
S1，在计算机上建立三维几何模型，将三维几何模型在切片方向上等或不等间隔地切成一系列二维图片，每一张图片代表着三维模型中的一薄层，图片间隔代表薄层的厚度，模型的切片方向是打印系统的打印方向；
S2，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，将二维图片分割成一系列子图片；
S3，使用DLP系统读取所有子图片并依次投影到打印面12上，通过所述第一投影镜头3和所述第二投影镜头2的投影光路中的移动挡板7控制曝光，根据子图片在二维图片中的位置并通过所述移动装置控制曝光区域；
S4，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，选择单独使用所述第一投影镜头3或所述第二投影镜头2进行投影，或交替使用所述第一投影镜头3或所述第二投影镜头2来进行投影，以切换打印精度和幅面；
S5，曝光一定时间以产生一定厚度的固化层，代表了模型中对应的一层；当上一层完成曝光打印固化后，控制打印面12升降以进行下一层固化；依次重复曝光直到三维模型被复制出来。
优选地，本实施例的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头3与所述第二投影镜头2之中，所述第一投影镜头3精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头2精度较高、幅面较小（利用同样的原理，其他不同参数的两个投影镜头的组合，同样适用本实施例的打印方法）；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头2的幅面小于所述第一投影镜头3的幅面，同时当第一投影镜头3的精度高于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成等于所述二维图片的幅面，步骤S4中，单独采用所述第一投影镜头3进行投影；或二维图片的每一个子图片均相同且有序排列，且子图片的尺寸大于所述第二投影镜头2的幅面小于所述第一投影镜头3的幅面时，单独采用所述第一投影镜头3进行投影，并使用移动装置调整打印面12使子图片按顺序相隔一定距离后重复曝光，完成二维图片整体的打印。
优选地，本实施例的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头3与所述第二投影镜头2之中，所述第一投影镜头3精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头2精度较高、幅面较小；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头2的幅面小于所述第一投影镜头3的幅面，同时当第一投影镜头3的精度低于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成小于等于所述第二投影镜头2的幅面，步骤S4中，单独采用所述第二投影镜头2进行投影，并使用移动装置调整打印面12，按照子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印。
优选地，本实施例的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，所述第一投影镜头3与所述第二投影镜头2之中，所述第一投影镜头3精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头2精度较高、幅面较小（利用同样的原理，其他不同参数的两个投影镜头的组合，同样适用本实施例的打印方法）；步骤S2中，当二维图片包含微小特征，第一投影镜头3的精度低于所述微小特征的精度要求、第二投影镜头2的精度高于二维图片的精度要求时，将二维图片具有微小特征的部分分割成对应所述第二投影镜头2幅面的子图片，其他区域分割成对应所述第一投影镜头3幅面的子图片；步骤S4中，使用移动装置调整打印面12，按照子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，同时切换对应当前子图片精度的所述第一投影镜头3或所述第二投影镜头2来进行投影，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印，实现大幅面高精度的提速打印。
本实施例中提供了包括一个带有光源1的DLP系统、两个不同倍率的第一投影镜头3、第二投影镜头2、分光镜4、反射镜5和一套移动装置，如图1；
DLP系统发出的光路经过分光镜4，部分反射后进入第一投影镜头3，部分透射后经过反射镜反射进入第二投影镜头；通过调整分光镜和反射镜等，使两束光路均被投影到打印面所在的平面上；所述的投影镜头前设有移动挡板7，独立控制投影光路的曝光；
所述的第一投影镜头3侧设有定位用的激光位移计11；
所述的分光镜4一侧还设有监控相机8，所述的监控相机的监控光路与两束投影光路重合；
所述的打印面是每一层需要固化的树脂薄层的上表面，与两束投影光路的曝光面重合；所述的树脂薄层可以由树脂槽内承载打印模型的样品台和一张薄膜形成的10um厚夹层；所述的精密移动系统控制曝光区域在打印面XY方向的移动；
所述的两个投影镜头竖直并排摆放，所述的打印面位于投影镜头沿重力方向的正下方，从而有利于形成表面平整、厚度均匀的树脂薄层。
所述的精密移动系统控制打印面在Z方向的精密移动，使打印面与投影光路的曝光面精确重合；还控制打印面处树脂薄层的厚度大小和均匀程度；
一种双镜头组合精度提速3D打印光学系统及打印方法，包括以下步骤：
在计算机上建立三维几何模型；三维几何模型在切片方向上被等或不等间隔的切成一系列二维图片，每一张图片代表着三维模型中的一薄层，图片间隔代表薄层的厚度，模型的切片方向是打印系统的打印方向；所有图片会依次被DLP系统读取并投影到打印面；曝光一定时间后会产生一定厚度的固化层，代表了模型中对应的一层；当上一层完成曝光打印后，打印面会下降2-3毫米再上升，回位时少回的距离为下一层固化层所需的厚度；依次重复曝光直到三维模型被复制出来。
根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，具有三种打印模式，如图3：
当图片的尺寸小于一种精度的曝光幅面时，采用单幅面打印模式；如果需要打印多个相同模型，通过精密移动系统控制相隔一定距离后重复曝光，称为阵列打印模式；
第三种模式为拼接打印模式，适用如下两种情况：当图片尺寸大于一种精度的曝光幅面，将图片分割成一系列小于单个曝光幅面的子图片，按照子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的少量重叠完成一层打印；当图片包含微小特征时，可采用2um精度的曝光幅面覆盖细节特征，其他区域采用10un精度的曝光幅面覆盖，分割成两种精度的一系列子图片，进一步通过精密移动系统控制打印区域，通过两束投影光路中的电动光阑切换打印精度，采用同样的拼接打印方法，实现大幅面高精度的提速打印，如图4。
在拼接打印模式中，测量实际打印模型的尺寸公差，利用最小二乘法拟合误差曲线来修正精密移动系统的机械装配误差，进一步提高和保障精密细节的打印精度和效果。
如图1所示，一种双镜头组合精度提速3D打印光学系统及打印方法，包括一个带有光源1的DLP系统、2微米精度投影镜头2和10微米精度投影镜头3、分光镜4、反射镜5、移动挡板7；
DLP系统中光源1投出的光路经过分光镜4，部分反射投影进入第一投影镜头3，部分透射后经过反射镜5反射进入第二投影镜头2，所述的第一投影镜头3和第二投影镜头2前设有移动挡板7，独立控制所述的第一投影镜头3和第二投影镜头2在打印面12上的曝光。
所述的分光镜4，可以是分光棱镜、微米量级厚的分光薄膜，还可以是玻璃材质的毫米量级厚的分光镜片，但对于使用的光波长，要在分光镜片的一面镀反射膜，而另一面镀增透膜从而消除鬼影现象。
所述的第一投影镜头3和第二投影镜头2一侧设有激光位移计11；
所述的分光镜4一侧还设有监控相机８，所述的监控相机８的监控光路与两束投影光路重合；
所述的打印面12是每一层需要固化的树脂薄层所处的平面，它可以是和树脂接触的帮助打印的透明薄膜14的一面，与两束投影光路的曝光面重合；所述的包括精密移动系统控制曝光区域在打印面12上XY方向的移动，控制打印面12在Z方向的高度移动，使打印面12与投影光路的曝光面精确重合；还控制打印面处树脂薄层的厚度大小和均匀程度；
所述的第一投影镜头3和第二投影镜头2竖直并排摆放，所述的打印面12位于投影镜头沿重力方向的正下方，从而有利于形成表面平整、厚度均匀的树脂薄层。
本实施例使用的是德州仪器的DLP芯片，解析度是2716X1528，，每个微镜片尺寸是5.4umX5.4um，用的光源波长是405纳米，其他种类等不同解析度和幅面大小的芯片也可应用。
光路部分包括市场上商业化的一台带有光源1的DLP系统、10微米精度的第一投影镜头3和2微米精度的第二投影镜头2、分光镜4和反射镜5；
两束投影光路和监控光路有重叠部分，因此用到了分光镜4和反射镜5，考虑到系统的鲁棒性和为了避免鬼影现象，分光镜4采用分光棱镜，其它材质的分光片和分光薄膜也可以使用；反射和透射比在10:90左右，保证两束投影光路在打印面上的曝光能量相同，同样的，对于具有不同参数和透过率的两个投影镜头的组合情况，可计算出打印面上的曝光能量大小，从而选择最合适的反射和透射比值。
对于高精度的打印，投影镜头的焦深在几微米到一两百微米之间。这样的尺寸对多部件的机械组装是很难保证的。因此在硬件组装后，都需要用监控相机的图像分析功能并控制相应的运动轴，使得打印面在2微米精度第二投影镜头2的焦面上，再通过调整反射镜和第一投影镜头3的位置，将10微米精度第一投影镜头3的焦面调整到同一平面上。一般要求监控相机8的像素尺寸要小等于DLP的像素大小，比如该系统中选用的监控相机８像素大小是5微米。监控相机不仅用于对准焦面，通过焦深几微米的镜头，还可以用它来调节打印面相对于镜头光轴的垂直度，选取不在一条线上的至少三个点，一般是形成直角三角形的三点，将这三个点都调节置于监控相机的焦面上，说明打印面和焦面是平行的，以保证打印的精度和均匀性。
第一投影镜头3和第二投影镜头2的选择需在工作波长下满足以下几个条件:①，光圈要足够大，保证DLP图像成像的清晰和均匀，＞90%：②，与DLP系统配合使用，投影像面的像素大小是设计需要的尺寸，比如2微米或10微米；③，具有较高的透过率，减少光路能量的损失；④，两个投影镜头的物像工作距满足将DLP芯片上的二维图片投影到同一打印面上；
同时为了控制样品在打印Z方向的精度，控制打印面12与精密移动系统的XY面平行，在投影镜头旁安装有高精度的激光位移计11。本系统使用了Keyence公司的精度达到1微米的激光位移计11，对不同的精度要求，其他类型和精度的位移计也是可行的。同一位移计在一个面上选不在一条线上的至少三个点，一般是形成直角三角形的三点，位移计精确测量出点到位移计的距离，调节该平面使得所有点到位移计的测量值相同，这样的三点就定义了垂直于光轴的面。此垂直度和位置的精确记录对控制打印方向的精确度是至关重要的。
打印的方法：
在计算机上建立三维几何模型，在建立模型时如果有悬空的结构时需要加上细小的支撑结构，通常是细锥。三维几何模型在切片方向上被等或不等间隔的切成一系列二维图片，一般是黑白，可以有灰度；每一张图片代表着三维模型中的一薄层，图片间隔代表薄层的厚度，模型的切片方向是打印系统的打印方向；所有图片会依次被DLP系统读取并投影到打印面；曝光一定时间后会产生一定厚度的固化层，代表了模型中对应的一层；当上一层完成曝光打印后，打印面会下降2-3毫米再上升，回位时少回的距离为下一层固化层所需的厚度；依次重复曝光直到三维模型被复制出来。
由于空间光调制器芯片等都有一定的大小，比如2716X1528像素的DMD，芯片本征尺寸只有14.7mmX8.3mm，在十微米的光学精度下，一块ＤＭＤ芯片所覆盖的打印面积为27.2mmX15.4mm，在两微米的光学精度下，一块ＤＭＤ芯片所覆盖的打印面积只有5.4mmX3mm. 因此当样品模型的二维图片超出一块DMD芯片所覆盖的范围时需要进行拼接打印。
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的垂直坐标系，另一个是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，如图2所示，图中A,单次曝光的幅面；B，x方向精确拼接，C，x方向误差拼接；B’，y方向精确拼接，C’，y方向误差拼接；在拼接打印模式中会对测量得到的误差进行补偿，X，Y方向的补偿量可以不同，不同区域的补偿量也是不同的，对误差进行多项式拟合；
XError=C1+C2+C3 Y0+C4 X0Y0+C5 X0 2+C6 Y0 2
YError=D1+D2+D3 Y0+D4 X0Y0+D5 X0 2+D6 Y0 2
Cs，Ds 是利用最小二乘法进行多项式拟合的系数，至少考虑到二阶项，并将误差补偿到XY方向的位移中，以保证拼接打印模式的精度和细节效果。比如，对于目标位置，补偿后的实际移动位置为,Y0+YError）。
在单精度拼接打印模式下，代表模型一层的图片会进一步被切成多张小等于单个曝光幅面的子图片，比如，5400X3000像素的图片可以被分割成四张2700X1500的子图片，每张子图片将代表一层中的四分之一的区域。
在高精度提速打印的拼接打印模式下，根据模型每一层图片的特征和大小，将图片分割为大幅面低精度打印的子图片和小幅面高精度打印的子图片。对于模型中的每一层，将通过多次曝光完成，依次投影当前层两种精度的所有子图片，相邻区域/图片的交界处通常会给与一定的重叠量，比如5-30微米，为了提高力学性能和消除高低精度之间的误差。每个区域的曝光位置和重叠都由精密移动系统的XY轴精确控制。
分光镜、反射镜和两个投影镜头的相对位置关系直接决定两束投影光路的像面是否在同一水平面上。因此对于拥有双镜头组合精度的系统，必须以高精度的要求为标准，引入精确的光学和机械调节手段使系统达到高精度的打印状态。例如，对于本例2微米和10微米组合精度的系统，2微米第二投影镜头2的焦深，远小于10微米第一投影镜头3的焦深，因此可以用监控相机通过焦深更小的第二投影镜头2看到的图像的清晰度对比度来控制不同位置的点到镜头的垂直距离并精确到8微米内，以保证平面精确的平行于第二投影镜头2的像面和垂直于光轴。对于第一投影镜头3，在设备安装调试光路时，通过调节反射镜和投影镜头的位置等，控制第一投影镜头3和第二投影镜头2的焦面都与打印面在同一水平面内。
对于两个镜头的焦深都小于打印系统层厚精度要求的系统，比如1微米和2微米的组合精度，与上述方法相同。对于两个镜头的焦深都大于打印系统层厚精度要求的系统，比如10微米和50微米的组合精度，需要有辅助的光学设备。该发明中选择了Keyence公司的激光位移计11，可达到1微米的测量精度，保证打印面12对第一投影镜头3和第二投影镜头2光轴的垂直度。调整步骤如下：
把打印面12移到激光位移计11的测量距离内，依次在打印面12上选择成直角三角形的三个点，点间距在机械允许的范围内越大越好，一般在一厘米以上。记录位移计的读数，根据读数给出的偏差，调整控制打印面12在XY方向倾斜角度的细牙螺丝，直到三点读数的差别在测量精度内，本例中为1微米；也可以调整三点读数的差别不大于设计的误差，一般五到十微米，如图5所示。记录激光位移计11的读数，这为后续打印中的精确尺寸控制提供了充分条件。
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。
Claims (10)
1.一种双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，包括：
光源（1），用于产生投影用的光线；
打印样品台（6），用于形成及承载打印产品；
第一投影镜头（3），用于接收所述光源（1）发出的光线并投影向所述打印样品台（6）；
第二投影镜头（2），用于接收所述光源（1）发出的光线并投影向所述打印样品台（6），所述第二投影镜头（2）的精度及覆盖的幅面与所述第一投影镜头（3）不同；
光路分配组件，用于将所述光源（1）产生的光线分别分配到所述第一投影镜头（3）和所述第二投影镜头（2）中；
移动挡板（7），设置在所述光路分配组件与所述第一投影镜头（3）和所述第二投影镜头（2）之间，用于单独控制所述第一投影镜头（3）或所述第二投影镜头（2）的曝光；
移动装置，用于控制所述打印样品台（6）、所述光源（1）、第一投影镜头（3）、第二投影镜头（2）或所述光路分配组件移动位置，以调整与所述第一投影镜头（3）或所述第二投影镜头（2）投影光线的曝光面的相对位置。
2.根据权利要求1所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，所述光路分配组件包括分光镜（4）、反射镜（5），所述分光镜（4）、反射镜（5）设置在所述光源（1）射出光线的路径上，且所述反射镜（5）位于所述分光镜（4）沿所述光源（1）射出光线方向的后方，所述分光镜（4）能够使所述光源（1）射出光线的一部分透过到所述反射镜（5）处，另一部分折射或反射到所述第一投影镜头（3）处，所述反射镜（5）能够反射光线到所述第二投影镜头（2）处。
3.根据权利要求2所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，还包括激光位移计（11），所述激光位移计（11）用于检查打印样品台和薄膜的水平情况和表面平整度，记录打印样品台和薄膜的相对位置，方便精准快速调节到曝光位置。
4.根据权利要求3所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，还包括监控相机（8），所述监控相机（8）的监控光路与所述第一投影镜头（3）和所述第二投影镜头（2）的投影光路重合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，所述打印样品台（6）设置在树脂槽（13）内，所述打印样品台（6）上形成一个虚拟的打印面（12），所述打印面（12）是每一层需要固化的树脂薄层的上表面，所述打印面（12）与所述第一投影镜头（3）和所述第二投影镜头（2）的投影光路的曝光面重合。
6.根据权利要求1-4任一项所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，其特征在于，所述第二投影镜头（2）与所述第一投影镜头（3）并排竖直设置，所述打印样品台（6）位于第二投影镜头（2）与所述第一投影镜头（3）沿重力方向的正下方。
7.一种双镜头组合精度提速3D打印方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的双镜头组合精度提速3D打印装置，包括以下步骤：
S1，在计算机上建立三维几何模型，将三维几何模型在切片方向上等或不等间隔地切成一系列二维图片，每一张图片代表着三维模型中的一薄层，图片间隔代表薄层的厚度，模型的切片方向是打印系统的打印方向；
S2，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，将二维图片分割成一系列子图片；
S3，使用DLP系统读取所有子图片并依次投影到打印面（12）上，通过所述第一投影镜头（3）和所述第二投影镜头（2）的投影光路中的移动挡板（7）控制曝光，根据子图片在二维图片中的位置并通过所述移动装置控制曝光区域；
S4，根据二维图片的尺寸、特征和打印精度的要求，选择单独使用所述第一投影镜头（3）或所述第二投影镜头（2）进行投影，或交替使用所述第一投影镜头（3）或所述第二投影镜头（2）来进行投影，以切换打印精度和幅面；
S5，曝光一定时间以产生一定厚度的固化层，代表了模型中对应的一层；当上一层完成曝光打印固化后，控制打印面（12）升降以进行下一层固化；依次重复曝光直到三维模型被复制出来。
8.根据权利要求7所述的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，其特征在于，所述第一投影镜头（3）与所述第二投影镜头（2）之中，所述第一投影镜头（3）精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头（2）精度较高、幅面较小；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头（2）的幅面小于所述第一投影镜头（3）的幅面，同时当第一投影镜头（3）的精度高于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成等于所述二维图片的幅面，步骤S4中，单独采用所述第一投影镜头（3）进行投影；或二维图片的每一个子图片均相同且有序排列，且子图片的尺寸大于所述第二投影镜头（2）的幅面小于所述第一投影镜头（3）的幅面时，单独采用所述第一投影镜头（3）进行投影，并使用移动装置调整打印面（12）使子图片按顺序相隔一定距离后重复曝光，完成二维图片整体的打印。
9.根据权利要求7所述的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，其特征在于，所述第一投影镜头（3）与所述第二投影镜头（2）之中，所述第一投影镜头（3）精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头（2）精度较高、幅面较小；当二维图片的尺寸大于所述第二投影镜头（2）的幅面小于所述第一投影镜头（3）的幅面，同时当第一投影镜头（3）的精度低于二维图片的精度要求时，步骤S2中将所述子图片的幅面设置成小于等于所述第二投影镜头（2）的幅面，步骤S4中，单独采用所述第二投影镜头（2）进行投影，并使用移动装置调整打印面（12），按照子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印。
10.根据权利要求7所述的一种双镜头组合精度提速3D打印方法，其特征在于，所述第一投影镜头（3）与所述第二投影镜头（2）之中，所述第一投影镜头（3）精度较低、幅面较大，所述第二投影镜头（2）精度较高、幅面较小；步骤S2中，当二维图片包含微小特征，第一投影镜头（3）的精度低于所述微小特征的精度要求、第二投影镜头（2）的精度高于二维图片的精度要求时，将二维图片具有微小特征的部分分割成对应所述第二投影镜头（2）幅面的子图片，其他区域分割成对应所述第一投影镜头（3）幅面的子图片；步骤S4中，使用移动装置调整打印面（12），同时切换对应当前子图片精度的所述第一投影镜头（3）或所述第二投影镜头（2）来进行投影，按照对应所述投影镜头精度的子图片的位置关系依次投影当前层的所有子图片到对应的打印区域，通过多次曝光和相连边缘的一定量重叠完成一层打印，实现大幅面高精度的提速打印。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011270692.3A CN112549537B (zh) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | 一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011270692.3A CN112549537B (zh) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | 一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112549537A true CN112549537A (zh) | 2021-03-26 |
| CN112549537B CN112549537B (zh) | 2022-07-12 |
Family
ID=75042215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011270692.3A Active CN112549537B (zh) | 2020-11-13 | 2020-11-13 | 一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112549537B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022084921A1 (en) * | 2020-10-23 | 2022-04-28 | Bmf Material Technology Inc. | A multi-scale system for projection micro stereolithography |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105216320A (zh) * | 2015-10-19 | 2016-01-06 | 西安交通大学 | 一种双光路投影曝光3d打印装置及方法 |
| CN109822891A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-05-31 | 无锡摩方精密科技有限公司 | 一种高精度大幅面立体投影3d打印系统及其打印方法 |
| CN110884127A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-03-17 | 上海唯视锐光电技术有限公司 | 一种拼接式3d打印装置及打印方法 |
-
2020
- 2020-11-13 CN CN202011270692.3A patent/CN112549537B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105216320A (zh) * | 2015-10-19 | 2016-01-06 | 西安交通大学 | 一种双光路投影曝光3d打印装置及方法 |
| CN109822891A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-05-31 | 无锡摩方精密科技有限公司 | 一种高精度大幅面立体投影3d打印系统及其打印方法 |
| CN110884127A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-03-17 | 上海唯视锐光电技术有限公司 | 一种拼接式3d打印装置及打印方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022084921A1 (en) * | 2020-10-23 | 2022-04-28 | Bmf Material Technology Inc. | A multi-scale system for projection micro stereolithography |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112549537B (zh) | 2022-07-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109822891B (zh) | 一种高精度大幅面立体投影3d打印系统及其打印方法 | |
| CN108598032B (zh) | 一种晶圆接合对准系统及对准方法 | |
| CN102944978B (zh) | 曝光系统、校准系统、光学引擎、曝光方法和制造方法 | |
| KR101240130B1 (ko) | 노광 장치, 노광 방법, 및 마이크로 디바이스 제조 방법 | |
| CN209297103U (zh) | 数字化双面光刻或曝光系统 | |
| US20080273184A1 (en) | Apparatus and method for referential position measurement and pattern-forming apparatus | |
| CN101218544A (zh) | 曝光方法和设备 | |
| CN101790775A (zh) | 无掩模曝光方法 | |
| JP6463935B2 (ja) | 露光装置、露光方法、およびデバイス製造方法 | |
| CN110793755A (zh) | 反射长焦望远镜装调中测量焦距的刀口装置与测量方法 | |
| US20060018560A1 (en) | Exposure device and exposure method | |
| CN109724540A (zh) | 二维mems扫描反射镜转角标定系统及标定方法 | |
| CN112549537B (zh) | 一种双镜头组合精度提速3d打印装置及打印方法 | |
| CN107615473B (zh) | 移动体的控制方法、曝光方法、器件制造方法、移动体装置及曝光装置 | |
| US20220163894A1 (en) | System and method for double-sided digital lithography or exposure | |
| KR101234932B1 (ko) | 마스크리스 노광 장치와 방법, 및 평판 디스플레이 패널의제조 방법 | |
| CN116157735A (zh) | 投影模组及其组装方法和包括投影模组的近眼显示设备 | |
| US4385325A (en) | Raster input scanner comprising two CCD arrays | |
| TW200915016A (en) | Maskless exposure device | |
| JPS6237109A (ja) | 立体形状形成装置 | |
| CN101526736A (zh) | 激光直接绘制装置 | |
| CN211352298U (zh) | 一种分光板及基于该分光板的相机结构 | |
| CN111090223B (zh) | 一种光学测量系统 | |
| CN102540686B (zh) | 用于数码立体影像扩印的激光曝光系统及其方法 | |
| CN113138546A (zh) | 一种调焦调平系统、方法及光刻机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |