CN114147957A - 一种基于投影曝光技术的3d打印系统 - Google Patents

一种基于投影曝光技术的3d打印系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于投影曝光技术的3D打印系统，包括用于存储液体感光树脂且底部为透明玻璃的物料存储装置、用于曝光感光树脂以形成所需产品的打印设备、实现打印设备相对于物料存储装置的运动平台，打印设备包括光学机构，光学机构设置在透明玻璃的下方，光学机构沿光路传播路径依序包括点光源、将点光源扩束为面光源并整形为平行面光源的整形扩束镜组、用于上载图像的数字微镜元件、将整形后的平行光进行微缩的二级微缩透镜组和将微缩后的光投射至感光树脂上的投影物镜，以及将图像上传至数字微镜元件上的数据处理机构。本发明还公开了一种3D打印的方法，该方法通过上述的基于投影曝光技术的3D打印系统实现。通过上述结构，提升了打印的精度。

Description

一种基于投影曝光技术的3D打印系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种基于投影曝光技术的3D打印系统。
背景技术
3D打印技术作为前瞻性、战略性技术，在航空航天、生物医疗、武器装备、汽车以及模具等高端领域都有重要应用。在生物医疗领域，3D打印技术为生物芯片、生化器件提供了灵活制备的新方法，亦为生物材料、人工器官领域提供了新的研究手段和平台，实现了复杂3D载体支架制作。然而，现有的3D打印技术在打印精度和打印幅面上仍难以满足应用需求。目前商用3D打印机横向分辨率大多只有50微米，深度分辨率约为50-100微米。
针对大尺寸高精度的3D结构，目前的3D打印技术仍未有效解决打印精度和打印尺寸不能兼顾的问题。一方面，基于双光子或激光直写的光固化立体造型技术可实现小到0.1微米的复杂结构打印，然而受限于打印尺寸(小于几百微米)不适合生物芯片制作；另一方面，基于投影式的光固化立体造型技术受限于打印精度(大于50微米)难以满足微小结构的制作要求。如传统的投影式3D打印系统为了实现大幅面的3D打印，采用了放大光路系统，单视场曝光实现48mm*27mm的幅面，需要将光路放大2.5倍，数字分辨率就会变为27um，打印精度会大大降低。
前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种打印精度高的基于投影曝光技术的3D打印系统。
本发明提供一种基于投影曝光技术的3D打印系统，包括用于存储液体感光树脂且底部为透明玻璃的物料存储装置、用于曝光所述感光树脂以形成所需产品的打印设备、实现所述打印设备相对于所述物料存储装置的运动平台，所述打印设备包括光学机构，所述光学机构设置在所述透明玻璃的下方，所述光学机构沿光路传播路径依序包括点光源、将点光源扩束为面光源并整形为平行面光源的整形扩束镜组、用于上载图像的数字微镜元件、将整形后的平行光进行微缩的二级微缩透镜组和将微缩后的光投射至所述感光树脂上的投影物镜，以及将图像上传至所述数字微镜元件上的数据处理机构。
在其中一实施例中，所述物料存储装置底部涂覆有透明硅胶或设置一层离型膜。
在其中一实施例中，所述二级微缩透镜组和所述投影物镜之间设有镜筒透镜，所述镜筒透镜与所述投影物镜形成微缩光路系统，以使微缩后的光路按所述投影物镜的倍数再进一步进行微缩。
在其中一实施例中，所述光学机构还包括数字微镜元件，所述数字微镜元件设置在所述整形扩束镜组和所述二级微缩透镜组之间。
在其中一实施例中，所述光学机构还包括用于检测从所述透明玻璃上表面反射回来的像的CCD相机，所述CCD相机所在的像面与所述投影物镜的焦面形成共轭光学机构，即当CCD相机检测像面的像为清晰的像时，所述投影物镜的像面正好位于所述透明玻璃的上表面。
在其中一实施例中，所述光学机构还包括检测单元，所述检测单元包括检测光源、分光镜片组和光电探测器，所述检测光源发出的光经所述分光镜片组和所述投影物镜聚焦到所述透明玻璃上表面然后再反射到所述光电探测器上。
在其中一实施例中，所述检测光源为波长大于600nm的光源，以避免该光源对感光树脂的影响。
在其中一实施例中，所述数据处理机构包括进行图像处理和刷新的图像处理单元，以及控制所述运动平台的控制单元，所述控制单元控制所述运动平台运动时传输信号至所述图像处理单元上传图像，以实现图像同步刷新。
在其中一实施例中，所述打印设备还包括载物台，所述载物台设置在所述物料存储装置上方。
在其中一实施例中，所述运动平台包括二维运动模组和升降轴，所述二维运动模组连接所述光学机构，所述升降轴连接所述载物台，其中，所述二维运动模组包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动，所述第升降轴包括一个自由度，为沿Z方向运动。
在其中一实施例中，所述运动平台包括用于调整所述投影物镜的像面位置的聚焦轴，以实现所述投影物镜可以沿Z方向运动。
本发明提供的基于投影曝光技术的3D打印系统，通过将整形后的平行光进行微缩的二级微缩透镜组，从而提高了图像的分辨率，进而提升了打印的精度。
附图说明
图1为本发明实施例基于投影曝光技术的3D打印系统的结构示意图；
图2为本发明实施例二维运动模组的运动线路示意图；
图3为本发明实施例数据传输的线路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参图1至图3，本发明实施例中提供的基于投影曝光技术的3D打印系统，包括用于存储液体感光树脂且底部为透明玻璃32的物料存储装置31、用于曝光感光树脂以形成所需产品的打印设备、实现打印设备相对于物料存储装置31的运动平台。打印设备包括光学机构，光学机构设置在透明玻璃32的下方。光学机构沿光路传播路径依序包括点光源11、将点光源11扩束为面光源并整形为平行面光源的整形扩束镜组12、用于上载图像的数字微镜元件14、将整形后的平行光进行微缩的二级微缩透镜组15和将微缩后的光投射至感光树脂上的投影物镜19，以及将图像上传至所述数字微镜元件14上的数据处理机构。
在本实施例中，点光源11为波长365nm-405nm范围内的紫外光源。以实现感光树脂紫外固化。
光学机构还包括数字微镜元件14(DMD，Digital Micromirror Device)和第一反射镜13；数字微镜元件14设置在整形扩束镜组12和二级微缩透镜组15之间；第一反射镜13设置在整形扩束镜组12和数字微镜元件14之间。
二级微缩透镜组15可以将整形后的平行光微缩2倍，实现高分辨率，从而提高打印的精度。例如：当数字微镜元件14像素尺寸为10.8um，采用二级微缩系统下，使用20倍微缩物镜，最终的数字分辨率为0.25um；如不采用二级微缩系统，使用20倍微缩物镜，最终的数字分辨率为0.54um。相比传统的投影式3D打印系统(如采用的都是放大光路，或1:1光路，数字分辨率最小也只能到10.8um)，本发明的打印精度更高。
二级微缩透镜组15和投影物镜19之间设有镜筒透镜18和第二反射镜17；依光路传播路线，第二反射镜17设置在镜筒透镜18之前。镜筒透镜18与投影物镜19形成微缩光路系统，以使微缩后的光路按投影物镜19的倍数再进一步进行微缩，最后投影到透明玻璃32的上表面。
光学机构还包括用于检测经投影物镜19投射的平行光从透明玻璃32上表面反射回来的像的CCD相机16。CCD相机16所在的像面与投影物镜19的焦面形成共轭光学机构，即当CCD相机16检测像面的像为清晰的像时，投影物镜19的像面正好位于透明玻璃32的上表面。
光学机构还包括检测单元。检测单元包括检测光源21、分光镜片组和光电探测器22。检测光源21的波长为大于600nm的光源，可以避免检测光源对感光树脂的影响。
分光镜片组依光路传播方向依次包括第一分光镜片23和第二分光镜片24。其中第一分光镜片23和第二分光镜片24均设置在检测光源21和投影物镜19后聚焦之间。
具体地，检测光源21发出的光经分光镜片组和投影物镜19聚焦到透明玻璃32上表面然后再反射到光电探测器22上。通过光电探测器22来标定当投影物镜19的像面位于透明玻璃32上表面时的位置，形成实时聚焦系统。通过光电探测器22进行实时聚集，进一步保证了打印的精度。
光学机构设有承托台；承托台为一方向平板。该承托台上表面安装检测单元、点光源11、整形扩束镜组12、第一反射镜13、数字微镜元件14、二级微缩透镜组15、第二反射镜17、镜筒透镜18、CCD相机16和投影物镜19。其中，点光源11、整形扩束镜组12、第一反射镜13、数字微镜元件14、二级微缩透镜组15、第二反射镜17、镜筒透镜18、CCD相机16和投影物镜19形成光学单元。
基于投影曝光技术的3D打印系统还包括数据处理机构80，数据处理机构80将预打印物建立三维模型图，以及将三维模型图进行灰度处理，并在灰度处理后将其切成多个切片面位图；然后依次将切片面位图传输至数字微镜元件14。
物料存储装置31为一上端开口的树脂槽，其底部为透明玻璃32，以保证经设置在下方的投影物镜19投影的光能穿过透明玻璃32照射到感光树脂上。
透明玻璃32的上表面贴有一层离型膜50，便于将固化后的感光树脂从树脂槽底部分离。该离型膜50既可以承载液态感光树脂，又可以使光线以较低的损耗穿过以固化树脂，又能起到防粘的作用；同时该树脂槽易于生产制造，且离型膜在损坏后可以即时更换，减小了生产成本。
在其它实施例中，可以使用一层透明硅胶均匀涂覆在透明玻璃32上表面来替代离型膜50。
打印设备还包括载物台41，用于承载固化后的光敏树脂载物台41。载物台41设置在物料存储装置31上方，且载物台41可以从开口处伸入物料存储装置31内。载物台41的底部表面贴有一层离型膜，便于将固化后的感光树脂从载物台41的底部分离。
运动平台包括二维运动模组62和升降轴61；二维运动模组62连接光学机构中的承托台，升降轴61连接物料存储装置31。其中，二维运动模组62包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动；升降轴61包括一个自由度，为沿Z方向运动。
具体地，二维运动模组62安装在光学机构的承托台的下表面，以实现光学机构水平运动。控制升降轴61上下移动，以使载物台41Z方向运动，从而在打印时实现在完成上一层切片面位图打印后，可以开始下一层切片面位图的打印，使下一层切片面固化后会粘附在上一层切片面上。
运动平台包括用于调整投影物镜19的像面位置的聚焦轴，以使投影物镜19可以沿Z方向运动，从而保证投影物镜19的聚焦面在所需的位置，确保打印的清晰度和精度；同时实现自动对焦。
请参考图1和图2，本发明还提供一种3D打印的方法，该方法采用上述基于投影曝光技术的3D打印系统实现。该方法的具体步骤如下：
(1)数据导入，包括各种通用的三维模型数据(.stl,.stp等)。
具体地，参照预打印物的各种参数(如高度、底部面积等)，利用将预打印物建立三维模型图。
(2)模型分层，生成切片文件。
具体地，数据处理机构包括数据处理单元。将需要打印的3D模型数据导入至数据处理单元内，利用数据处理单元将上述3D模型进行Z向(即高度方向)分层切割以形成K个切片模型图。其中，所述切片模型图包括每个切片所形成切片的图案信息及切片高度，如此，可以实现高精度打印；各层厚度值须根据打印模块的实际工作能力进行设定。其中，K为大于1的整数。通过将大数据的三维模型图切成小数据的切片模型图，可以实现大尺度的3D打印。
(3)将切片文件根据设备的数据分辨率转换为位图文件。
具体地，数据处理机构还包括图形处理模块。利用图像处理模块将上述切片模型图生成由轮廓线构成的图像，并进行灰度处理形成K个切片面位图。具体地，采用设定灰度阈值，然后利用图形处理单元提取边缘轮廓线；当分层扫描图像中相邻像素点的灰度值达到预定灰度阈值时，则确认为边缘轮廓点，从而确定出边缘轮廓线。并根据各切片面位图所需打印的边缘轮廓线生产相应的打印数据，以形成一个具有K个切片面位图的切片面位图文件集。同时将此切片面位图文件集发送至数据传输模块。
(4)控制升降轴61向下移动，使载物台41下表面贴紧位于树脂槽底部的透明玻璃32上表面。
具体地，数据处理机构还包括控制单元，所述控制单元控制图像处理单元上传图像以及控制运动平台运动。通过控制单元控制升降轴61运动，从而控制载物台41运动。
(5)聚焦。
具体地，控制单元通过控制二维模组62移动，使投影物镜19位于水平面上的有效工作区域外；然后控制图像处理模块给数字微镜元件14上载一幅图像(此图像用于对焦)，打开点光源11，上下调整聚焦轴，使CCD相机16上形成清晰的像，然后关闭点光源11。
(6)采用拼接曝光方式或者滚动扫描曝光方式，打印第一层切片结构。
具体地，图像处理模块按照顺序向数字微镜元件14上传一个切片面位图，同时打开点光源11，此时，系统控制单元控制升降轴61向上匀速移动，移动足够一段距离(如3mm-5mm,具体视感光树脂的粘度而定)，如此完成一个切片面位图的打印。在此过程中，使固化后的树脂固化在载物台41上并从离型膜上分离，同时使新的未固化的感光敏树脂在重力的作用下能够流动到载物台41下方并重新完全覆盖住透明玻璃32上表面。
(7)控制升降轴61移动到下一层切片的高度，开始下一层切片面结构的打印，下一层切片面固化后会粘附在上一层切片面结构上。
具体地，在完成上一层打印后，系统控制单元继续控制升降轴61向上匀速移动，图像处理模块同步刷新一个新的切片面位图并上传至数字微镜元件14，以进行下一层切片面的打印；在此过程中，投影物镜19的聚焦面所处的位置始终不变。通过升降轴61连续运动和图像处理模块同步刷新，实现上一层和下一层之间的连续打印。
(8)重复(6)到(7)的步骤，只至所有切片面结构都打印完毕，完成一次3D模型的打印。
本方法基于大数据处理与传输技术，以连续数字光场滚动叠加曝光模式(CDLP，Continuous Digital Light Patterning)，通过基于投影曝光技术的3D打印系统的精密运动、光场数据刷新，实现无拼缝分层打印，从而实现大面积高精度微纳结构3D打印。
在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
在本文中，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，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”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，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
在本文中，用于描述元件的序列形容词“第一”、“第二”等仅仅是为了区别属性类似的元件，并不意味着这样描述的元件必须依照给定的顺序，或者时间、空间、等级或其它的限制。
在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，包括用于存储液体感光树脂且底部为透明玻璃的物料存储装置、用于曝光所述感光树脂以形成所需产品的打印设备、实现所述打印设备相对于所述物料存储装置的运动平台，所述打印设备包括光学机构，所述光学机构设置在所述透明玻璃的下方，所述光学机构沿光路传播路径依序包括点光源、将点光源扩束为面光源并整形为平行面光源的整形扩束镜组、用于上载图像的数字微镜元件、将整形后的平行光进行微缩的二级微缩透镜组和将微缩后的光投射至所述感光树脂上的投影物镜，以及将图像上传至所述数字微镜元件上的数据处理机构。
2.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述物料存储装置底部涂覆有透明硅胶或设置一层离型膜。
3.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述二级微缩透镜组和所述投影物镜之间设有镜筒透镜，所述镜筒透镜与所述投影物镜形成微缩光路系统，以使微缩后的光路按所述投影物镜的倍数再进一步进行微缩。
4.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述光学机构还包括用于检测从所述透明玻璃上表面反射回来的像的CCD相机，所述CCD相机所在的像面与所述投影物镜的焦面形成共轭光学机构，即当CCD相机检测像面的像为清晰的像时，所述投影物镜的像面正好位于所述透明玻璃的上表面。
5.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述光学机构还包括检测单元，所述检测单元包括检测光源、分光镜片组和光电探测器，所述检测光源发出的光经所述分光镜片组和所述投影物镜聚焦到所述透明玻璃上表面然后再反射到所述光电探测器22上。
6.如权利要求5所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述检测光源为波长大于600nm的光源，以避免该光源对感光树脂的影响。
7.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述数据处理机构包括进行图像处理和刷新的图像处理单元，以及控制所述运动平台的控制单元，所述控制单元控制所述运动平台运动时传输信号至所述图像处理单元上传图像，以实现图像同步刷新。
8.如权利要求1所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述打印设备还包括载物台，所述载物台设置在所述物料存储装置上方。
9.如权利要求8所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述运动平台包括二维运动模组和升降轴，所述二维运动模组连接所述光学机构，所述升降轴连接所述载物台，其中，所述二维运动模组包括两个自由度，分别为沿X方向运动和Y方向运动，所述升降轴包括一个自由度，为沿Z方向运动。
10.如权利要求1或9所述的基于投影曝光技术的3D打印系统，其特征在于，所述运动平台包括用于调整所述投影物镜的像面位置的聚焦轴，以实现所述投影物镜可以沿Z方向运动。
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