CN113601846A - 基于dmd的压电振动式快速光固化的3d打印系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统及其应用，该系统包括：盛有液态光硬化树脂(8)的成型工作池(7)，用于最终成型3D打印模型(5)；可升降的平台(6)，用于承载3D打印模型(5)；曝光设备，用于将成型工作池(7)中的液态光硬化树脂(8)固化；计算机(11)，用于向曝光设备提供3D打印数据，并用于控制3D打印系统；所述的平台(6)位于成型工作池(7)内，所述的计算机(11)与曝光设备电连接，该系统应用于3D打印。与现有技术相比，本发明具有成型速度快、加工过程简单、光源成本低的基于DMD的压电振动式快速光固化等优点。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统及其应用。
背景技术
3D打印、光固化技术：3D打印技术又称为快速成型技术(Rapid PrototypingManufacturing)，该技术根据数学模型结构，利用激光束和热熔沉积等方式，将光敏树脂、陶瓷粉末、尼龙和不锈钢金属等材料通过分层的加工方法，逐层成型，最终制造出三维实体。该技术由于成本低、可自由定制和节约原料等优点，逐渐推广进入人们日常生活中。现阶段，主要处理光硬化树脂材料(Photopolymer)的DLP(数字光处理成型)和SLA(立体平板印刷)两种3D打印技术应用最为广泛，多应用于模型制作、光学透镜、医疗美容等行业。
DLP(Digital Light Procession)称为数字光处理成型技术，该技术的打印工艺和SLA(Stereolithgraphy Apparatus)光固化印刷方法类似，并且原料都是光硬化树脂材料。主要的不同之处是DLP通常采用LED作为光源，并且配置DLP系列控制芯片和DMD(数字微反射镜)等器件，通过分层固化的加工方式制作模型。而SLA以激光头为光源，并且通过点成型的加工方式逐点扫描打印模型。以上两种常用的加工技术均具有成本高昂、精度低和成型速度慢的缺陷，并且点成型的SLA技术生产效率低下，DLP技术由于配置较多使得光学系统复杂，难以实现大尺寸模型的制作。
以现有的光固化式3D打印系统为例，参见专利《采用紫外面曝光快速成型装置制备三维光弹性模型的方法》中(专利号CN105946237A)，该专利由紫外光源通过DMD芯片产生的动态掩模图像通过透镜、反射镜后，入射至树脂液槽，并通过平向往复系统驱动树脂液槽来实现三维模型的打印，但该专利需要复杂的DLP投影系统，设备成本较高，光学系统成像复杂，并且该打印系统一层打印完成后需通过平台的抬升，才能使打印区域空缺并进行填补来完成分层打印，控制精度要求较高。通过外部供料系统进行供料，增大了制作周期和设备的复杂性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成型速度快、加工过程简单、光源成本低的基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，该系统包括：
盛有液态光硬化树脂的成型工作池，用于最终成型3D打印模型；
可升降的平台，用于承载3D打印模型；
曝光设备，用于将成型工作池中的液态光硬化树脂固化；
计算机，用于向曝光设备提供3D打印数据，并用于控制3D打印系统；比如，控制平台的升降；
所述的平台位于成型工作池内，所述的计算机与曝光设备电连接。
进一步地，所述的曝光设备包括DMD曝光机和汞灯光源。
进一步地，所述的DMD曝光机位于平台的正上方，并与计算机电连接。
进一步地，所述的DMD曝光机和汞灯光源之间还设有第一透镜，所述的DMD曝光机与平台之间还设有第二透镜。
进一步地，该系统还包括用于控制平台升降的平台升降装置，该平台升降装置与计算机电连接。
进一步地，该系统还包括用于带动平台做往复运动的压电振动机构，该压电振动机构与计算机电连接。
压电振动的振幅由计算机控制电压的大小进行改变，频率由电压的变化进行匹配。
一种如上所述基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统的应用，该系统应用于3D打印，具体包括以下步骤：
(1)开启汞灯光源，使光通过第一透镜投射至DMD曝光机，将DMD曝光机激发为紫外线曝光光源；
(2)在计算机上产生投影图像，并通过三维软件对图像测量形成分层结构数据模型，将计算机中产生的3D打印模型各层图片数据由下而上分别发送到DMD曝光机上，
(3)DMD曝光机将紫外线通过第二透镜照射到平台上，将液态光硬化树脂固化；
(4)通过控制平台的升降来完成分层加工，最终完成3D打印模型的打印。
进一步地，在液态光硬化树脂固化时，通过压电振动机构带动平台抖动。
计算机控制的平台升降装置，可根据光硬化后模型的厚度降低高度，来为下一层固化造型提供曝光时间。压电振动机构的振幅和频率可根据下一次造型硬化所需厚度来调整，厚度越大，可调整较大振幅或频率来增快液体运动，缩短液位平衡时间。
进一步地，步骤(4)的具体操作为：完成单层的固化后，计算机控制平台升降装置带动平台进行下降，进同时进行下一层造型的曝光固化。
进一步地，所述的汞灯光源为超高压汞灯，其汞蒸气压力在100-200atm之间；
所述的液态光硬化树脂包括D-MEC系列的SCR701或SCR740型号树脂；
所述的DMD曝光机的光照强度为1-2mJ/cm2，硬化厚度为50-150μm，光照时间为10-35s；
所述的压电振动机构的振幅为0.05-0.5mm，振动频率为25-75Hz。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明使用超高压汞灯作为光源，突破了传统使用激光的光学建模系统中光源昂贵、操作复杂的缺陷；本发明将DMD用作光源曝光机，可以在计算机上产生投影图像，并且可以在固定照射的时间固化所需的造型剂，不用考虑造型截面的结构；
(2)本发明通过压电振动机构带动平台振动来加速液体的运动，来缩短液位静止所需的时间，大幅加快模型打印周期，该振动机构结构简单，便于安装，且具有可控性强的优点；
(3)本发明使用自由液位法作为层压方法，将造型剂置于成型工作池中，由下至上的打印方式进行模型制作，避免了供料系统的填充而造成打印精度不高、固化分层和打印周期长的缺点。
附图说明
图1为实施例中3D打印系统结构示意图；
图2为实施例中振动机构的所需的硬化厚度和时间关系曲线；
图中标号所示：DMD曝光机1、第一透镜2、汞灯光源3、第二透镜4、3D打印模型5、平台6、成型工作池7、液态光硬化树脂8、压电振动机构9、平台升降装置10、计算机11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，如图1，该系统包括：盛有液态光硬化树脂8的成型工作池7，用于最终成型3D打印模型5；可升降的平台6，用于承载3D打印模型5；曝光设备，用于将成型工作池7中的液态光硬化树脂8固化；计算机11，用于向曝光设备提供3D打印数据，并用于控制3D打印系统；比如，控制平台6的升降；平台6位于成型工作池7内，计算机11与曝光设备电连接。该系统还包括用于控制平台6升降的平台升降装置10，该平台升降装置10与计算机11电连接。该系统还包括用于带动平台6做往复运动的压电振动机构9，该压电振动机构9与计算机11电连接。压电振动的振幅由计算机11控制电压的大小进行改变，频率由电压的变化进行匹配。
曝光设备包括DMD曝光机1和汞灯光源3。DMD曝光机1位于平台6的正上方，并与计算机11电连接。DMD曝光机1和汞灯光源3之间还设有第一透镜2，DMD曝光机1与平台6之间还设有第二透镜4。光硬化树脂采用SCR740型号树脂。
以下介绍一种通过快速制备成型的三层堆叠的圆柱模型5，制备过程具有以下步骤：
步骤一：
使用超高压汞灯3作为光源，汞蒸气压力为150atm，通过第一透镜2折射到DMD上用作紫外线曝光机1，光源曝光能量为1mJ/cm2；
步骤二：
在计算机11上产生投影图像，并通过三维软件对图像测量形成分层结构数据模型，将各层数据由低而上分别发送到DMD曝光机1上；
步骤三：
通过第二透镜4照射到盛有液态光硬化树脂8的成型工作池7的平台上，紫外线照射下20s固化第一层150μm厚的圆柱造型5；
步骤四：
第一层固化完成后，计算机系统11控制平台升降装置10下降平台150μm，同时开启压电振动机构9，为压电驱动器提供±10V、变化间隔为0.04s的电压，以此保持40Hz的振动频率和0.1mm左右的振动幅度，并通过压电振动机构9带动平台6的抖动加速液体的流动来缩短液位静置的时间，(如图2所示，液位静置时间为65s，相比无振动机构的静置时间提升了至少2倍)，液位平衡后关闭压电振动机构，在此过程中保持光源的开启并进行第二层造型固化；
步骤五：
DMD曝光机1将第二层结构数据经透镜4投射到平台上，紫外线照射下20s固化第二层150μm厚的圆柱造型5，重复步骤四和步骤三以完成三层堆叠圆柱5的打印。
和当前带有供料系统的单层打印系统相比，本发明提高了打印精度、避免了固化分层并缩短了打印周期；通过使用超高压汞灯作为光源，操作简单，成本较低；利用了压电振动机构来加快液位静置的时间，解决了光学建模所需的建模材料每一层的液位静置时间长于非扫描曝光时间的问题。该系统加快了光学系统的建模，增加了系统的可调性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，该系统包括：
盛有液态光硬化树脂(8)的成型工作池(7)，用于最终成型3D打印模型(5)；
可升降的平台(6)，用于承载3D打印模型(5)；
曝光设备，用于将成型工作池(7)中的液态光硬化树脂(8)固化；
计算机(11)，用于向曝光设备提供3D打印数据，并用于控制3D打印系统；
所述的平台(6)位于成型工作池(7)内，所述的计算机(11)与曝光设备电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，所述的曝光设备包括DMD曝光机(1)和汞灯光源(3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，所述的DMD曝光机(1)位于平台(6)的正上方，并与计算机(11)电连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，所述的DMD曝光机(1)和汞灯光源(3)之间还设有第一透镜(2)，所述的DMD曝光机(1)与平台(6)之间还设有第二透镜(4)。
5.根据权利要求1所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，该系统还包括用于控制平台(6)升降的平台升降装置(10)，该平台升降装置(10)与计算机(11)电连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统，其特征在于，该系统还包括用于带动平台(6)做往复运动的压电振动机构(9)，该压电振动机构(9)与计算机(11)电连接。
7.一种如权利要求1-6任一项所述基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统的应用，其特征在于，该系统应用于3D打印，具体包括以下步骤：
(1)开启汞灯光源(3)，使光投射至DMD曝光机(1)，将DMD曝光机(1)激发为紫外线曝光光源；
(2)将计算机(11)中产生的3D打印模型各层图片数据由下而上分别发送到DMD曝光机(1)上，
(3)DMD曝光机(1)将紫外线照射到平台(6)上，将液态光硬化树脂(8)固化；
(4)通过控制平台(6)的升降来完成分层加工，最终完成3D打印模型(5)的打印。
8.根据权利要求7所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统的应用，其特征在于，在液态光硬化树脂(8)固化时，通过压电振动机构(9)带动平台(6)抖动。
9.根据权利要求7所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统的应用，其特征在于，步骤(4)的具体操作为：完成单层的固化后，计算机(11)控制平台升降装置(10)带动平台(6)进行下降，进同时进行下一层造型的曝光固化。
10.根据权利要求7所述的一种基于DMD的压电振动式快速光固化的3D打印系统的应用，其特征在于，所述的汞灯光源(3)为超高压汞灯，其汞蒸气压力在100-200atm之间；
所述的液态光硬化树脂(8)包括D-MEC系列的SCR701或SCR740型号树脂；
所述的DMD曝光机(1)的光照强度为1-2mJ/cm2，硬化厚度为50-150μm，光照时间为10-35s；
所述的压电振动机构(9)的振幅为0.05-0.5mm，振动频率为25-75Hz。
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