发明内容
有鉴于此,有必要提供一种光固化3D打印方法,解决现有技术中,固化层的打印精度较低的问题。
本发明提供一种光固化3D打印方法,该光固化3D打印方法包括以下步骤:储液槽内装有液态的光固化材料,所述光固化材料的液面位于打印面上方。扫描光束以预设照度从液面一侧照射所述光固化材料,在所述扫描光束的预设时间的照射下,第一平面到打印面之间的光固化材料发生固化形成固化层,第一平面位于光固化材料的液面的下方,且位于打印面的上方,第一平面上方的光固化材料保持液态。
于本发明的一实施例中,所述扫描光束在所述第一平面到打印面之间的任意位置的能量密度均大于或等于光固化材料固化时所需的能量密度。所述扫描光束在所述第一平面到液面之间的任意位置的能量密度均小于光固化材料固化时所需的能量密度。如此设置,有利于精确地控制光固化材料发生固化的位置。
于本发明的一实施例中,所述扫描光束为聚焦光束。如此设置,便于设置扫描光束在不同位置处具有不同的能量密度。
于本发明的一实施例中,所述聚焦光束的焦点位于第一平面或第一平面远离液面的一侧。
于本发明的一实施例中,第一平面到液面之间的距离大于或等于光固化材料单次固化的厚度。如此设置,第一平面距离液面的深度足够大,可以保证第一平面至打印面之间的液体的波动足够小,进而保证固化层的打印精度足够高。
于本发明的一实施例中,在激光器的发射端设置扩束准直镜,以使所述激光器射出的初始激光束穿过所述扩束准直镜变为平行光束,且所述平行光束的直径大于所述初始激光束的直径,并在所述平行光束的光路上设置平场聚焦透镜,以使所述平行光束穿过所述平场聚焦透镜变为聚焦光束。
于本发明的一实施例中,在所述扩束准直镜的射出端设置旋转扫描镜,所述旋转扫描镜的圆周方向设有多个反射平面,所述旋转扫描镜射出的所述平行光束能够通过所述反射平面被反射至所述平场聚焦透镜;
所述旋转扫描镜电连接控制器,所述控制器通过控制所述旋转扫描镜的转速,以调节所述聚焦光束的扫描速率。如此设置,有利于提高扫描光束的扫描效率。
于本发明的一实施例中,所述激光器、所述扩束准直镜、所述旋转扫描镜和所述平场聚焦透镜均装配于同一支撑臂,且所述支撑臂连接水平移动模块,所述水平移动模块用于驱动所述支撑臂沿着水平方向移动。
于本发明的一实施例中,打印面位于升降平台的上端,所述升降平台连接竖直移动模块,所述竖直移动模块用于驱动所述升降平台沿着竖直方向移动。
于本发明的一实施例中,所述储液槽连接液位调节模块,所述液位调节模块用于检测并调节所述储液槽内液面的位置,当所述储液槽内的液面位置下降时,所述液位调节模块通过向所述储液槽内注入液态的光固化材料,以使所述储液槽内的液面位置维持在预设范围内。
本发明提供的光固化3D打印方法,由于光固化材料自第一平面至打印面发生固化,而第一平面上方的光固化材料保持液态,也就是说,固化层始终位于液面下方。由于打印过程中液态的光固化材料发生扰动的情况通常出现在液面位置,液面下方的位置扰动影响较小,因此,本申请的固化层表面受到扰动的影响较小,从而固化层的打印精度较高。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述,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发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;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或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
3D打印为快速成型技术的一种,又称增材制造。3D打印是一种以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的不断成熟,以及3D打印技术所用设备的稳定性不断提升,3D打印技术的应用范围不断扩大。
其中,光固化3D打印方法是通过利用紫外光或其他特定波长范围的光源照射光敏材料并引发光化学反应,使被光源照射区域的光敏材料由液态固化成固化层101,逐层固化后即可得到待成型物体,直至得到最终的打印模型。
在打印过程中,液态的光固化材料100的表层液面300存在扰动,导致打印出的固化层101表面精度不高。为了得到打印精度更高的固化层101,通常会在液态的光固化材料100的表层设置一层透光玻璃,透光玻璃能够稳定表层液面300,从而提高固化层101的打印精度。但是,如此设置,固化层101容易附着在透光玻璃表面,导致固化层101在与透光玻璃剥离的过程中发生损坏,进而使得固化层101的打印精度进一步降低。
为了解决现有技术打印出的固化层101的打印精度不高的问题,请参阅图1-图4,本发明提供一种光固化3D打印方法。该光固化3D打印方法包括以下步骤:储液槽800内装有液态的光固化材料100。光固化材料100的液面300位于打印面302上方,扫描光束200以预设照度(预先设定的光照强度)从液面300一侧照射光固化材料100,在扫描光束200的预设时间(预先设定的照射时间)的照射下,第一平面301到打印面302之间的光固化材料100发生固化形成固化层101,第一平面301位于光固化材料100的液面300的下方,且位于打印面302的上方,第一平面301上方的光固化材料100保持液态。
可以理解的是,第一平面301是为了清楚地解释本申请而定义的一个位置名称,而非特指一个实体平面。经光照固化后,储液槽800内第一平面以下的光固化材料100发生固化形成固化层101,第一平面301以上的光固化材料100保持液态,可见,第一平面301可以理解为固态的光固化材料100和液态的光固化材料100的分界面。由于光固化材料100自第一平面301至打印面302发生固化,而第一平面301上方的光固化材料100保持液态,也就是说,固化层101始终位于液面300下方。由于打印过程中液态的光固化材料100发生扰动的情况通常出现在液面300位置,液面300下方的位置扰动影响较小,因此,本申请的固化层表面受到扰动的影响较小,从而固化层101的打印精度较高。
需要说明的是,如图4所示,本发明中的打印面302指的是每一层固化层101所附着的附着面,第一层固化层101的附着面为支撑整个3D打印模型的支撑面,上述支撑面相对于固化层101为环境元件,第二层固化层101的附着面为第一层固化层101的上端面,第三层固化层101的附着面为第二层固化层101的上端面,以此类推,第一层以后的固化层101的附着面均为上一层固化层101的上端面。也就说,本发明中的打印面302不是一个绝对固定的面,而是一个相对的概念,也即,正在打印的固化层101所附着的面即为打印面302。因此,“光固化材料100位于打印面302上方”也可能是一个动态的过程,也即,3D打印模型随着固化层101的增加不断下移,使得打印面302始终位于光固化材料100的液面300下方。
可以理解的是,光固化材料100是一种经过特定光线照射后会发生固化的材料,通常可以采用光敏树脂,光敏树脂在常温下为液态,在一定波长范围内的紫外光照射下会发生固化反应而形成固态。具体而言,当光固化材料100接收到的光照能量密度达到其固化时所需要的能量密度时,液态的光固化材料100即发生固化而形成固化层101。可以理解的是,“能量密度”指的是单位体积内所包含的能量。光固化材料100所接收到的光照能量和扫描光束200的照度、照射时间均呈正比例关系,扫描光束200的照度越高,则光照能量越高,相应地,光固化材料100所接收到的光照能量密度越高。扫描光束200的照射时间越长,则光照能量越高,相应地,光固化材料100所接收到的光照能量密度越高。
在一实施例中,扫描光束200在第一平面301到打印面302之间的任意位置的能量密度均大于或等于光固化材料100固化时所需的能量密度,扫描光束200在第一平面301到液面300之间的任意位置的能量密度均小于光固化材料100固化时所需的能量密度。如此,通过控制不同位置处的能量密度不同,即可实现第一平面301到打印面302之间光固化材料发生固化,而位于第一平面301上方的光固化材料100保持液态。
为了便于设置扫描光束200在不同位置处具有不同的能量密度,在一实施例中,如图2和图3所示,扫描光束200设置为聚焦光束203。也就是说,扫描光束200从液面300的一侧射入液面300的过程中,扫描光束200发生聚焦,如此,单位体积的光照能量逐渐增大,也就是说,由液面300至打印面302,扫描光束200的能量密度逐渐增大,通过调整聚焦光束203的位置即可很容易实现“所述扫描光束200在所述第一平面301到打印面302之间的任意位置的能量密度均大于或等于光固化材料100固化时所需的能量密度,所述扫描光束200在所述第一平面301到打印面302之间的任意位置的能量密度均小于光固化材料100固化时所需的能量密度”。由于发生聚焦的光束在不同位置处的能量密度不同,越靠近焦点处的扫描光束200的光照能量密度越大。因此,可通过设置第一平面301至液面300之间的区域远离焦点而第一平面301至打印面302之间的区域靠近焦点,使得第一平面301至液面300之间的光固化材料100保持液态且第一平面301至打印面302之间的光固化材料100发生固化。进一步地,聚焦光束203的焦点位于第一平面301或第一平面301远离液面300的一侧。如此,可保证进行固化的区域的扫描光束200的能量密度始终大于保持液态的区域的扫描光束200的能量密度。
当液面300发生扰动时,距离液面300越远的位置扰动影响越小。在一实施例中,第一平面301到液面300之间的距离大于或等于光固化材料100单次固化的厚度。如此,第一平面301距离液面300的深度足够大,可以保证液面300的扰动对第一平面301至打印面302之间的液体的影响足够小,进而保证固化层101具有较高的打印精度。
通常,扫描光束200由激光器400射出,但是激光器400射出的初始激光束201的直径较小且光照强度极大,因此,初始激光束201直接照射光固化材料100,即使照射的时间很短,光固化材料100也会在短时间内迅速固化,达不到分层固化的效果。因此,需要降低初始激光束201的光照强度。在一实施例中,如图1和图2所示,在激光器400的发射端设置扩束准直镜401,以使激光器400射出的初始激光束201穿过扩束准直镜401变为平行光束202,且平行光束202的直径大于初始激光束201的直径,并在平行光束202的光路上设置平场聚焦透镜403,以使平行光束202穿过平场聚焦透镜403变为聚焦光束203。扩束准直镜401的作用是均匀地分散初始激光束201,使得初始激光束201由原来的小直径光束变为大直径的平行光束202。如此,在初始激光束201变为平行光束202的过程中,初始激光束201的光照强度降低,有利于后续对平行光束202的光照强度进行调节。并且,平行光束202穿过平场聚焦透镜403变为聚焦光束203,大大降低了聚焦光束203的形成难度,进而降低了光固化3D打印方法的操作难度。通常,平场聚焦透镜403的焦距为20mm-500mm。
为了提高扫描光束200的扫描效率,在一实施例中,如图1和图2所示,在扩束准直镜401的射出端设置旋转扫描镜402,旋转扫描镜402的圆周方向设有多个反射平面4021,旋转扫描镜402射出的平行光束202能够通过反射平面4021被反射至平场聚焦透镜403。旋转扫描镜402电连接控制器900,控制器900通过控制旋转扫描镜402的转速,以调节聚焦光束203的扫描速率。聚焦光束203的扫描速率越快,则聚焦光束203对同一位置处的液态光固化材料100的扫描时间越短。具体地,扩束准直镜401射出的平行光束202照射在旋转扫描镜402的反射平面4021上,反射平面4021将平行光束202反射至平场聚焦透镜403,平行光束202经过平场聚焦透镜403变为聚焦光束203。并且,控制器900控制旋转扫描镜402匀速转动,当平行光束202的反射点与同一反射平面4021发生相对移动时,被反射的平行光束202从初始位置沿着扫描方向直线移动。当旋转扫描镜402转动一定角度之后,平行光束202的反射点跳变至另一个反射平面4021上,此时,被反射的平行光束202会跳变至初始位置,且随着旋转扫描镜402的继续转动,被反射的平行光束202开始重复上一轮的扫描过程。如此,直至打印出一个完整的固化层。如此,通过旋转扫描镜402的转动,可实现扫描光束200的快速循环扫描,大大提高了扫描光束200的扫描效率。为了进一步地提高扫描光束200的扫描效率,旋转扫描镜402通常设置为正多边形,例如,正六边形、正八边形或者正十二边形,但不限于此,在此不一一列举。
定义旋转扫描镜402驱动扫描光束200扫描的方向为第一方向,而在3D打印的过程中,扫描光束200还需能够沿着与第一方向垂直的第二方向移动。为了提高扫描光束200沿着第二方向的移动精度,优选的,可使激光器400、扩束准直镜401、旋转扫描镜402和平场聚焦透镜403能够沿着第二方向同步移动。在一实施例中,如图1和图2所示,激光器400、扩束准直镜401、旋转扫描镜402和平场聚焦透镜403均装配于同一支撑臂600,且支撑臂600连接水平移动模块500,水平移动模块500用于驱动支撑臂600沿着水平方向移动。
具体地,如图2所示,水平移动模块500由电机驱动,且水平移动模块500设于一水平移动导轨501上,水平移动导轨501固定安装于支撑框架700,储液槽800设于支撑框架700的底部。支撑框架700为由多根横梁701和竖梁702固定连接形成的立方体支架,水平移动导轨501固定安装在相邻的两根竖梁702之间。支撑臂600包括连接板601、集成臂602和延伸臂603。支撑臂600通过连接板601可拆卸连接于水平移动模块500。延伸臂603一端固定连接连接板601,另一端朝向支撑框架700的中心水平延伸,且延伸臂603连接连接板601处设有加强筋604。集成臂602一端连接延伸臂603远离连接板601的一端,另一端沿着竖直方向向下延伸,激光器400、扩束准直镜401和旋转扫描镜402沿着从下至上的方向依次安装于集成臂602的一侧。集成臂602的远离延伸臂603的一端设有沿着水平方向延伸的安装支架605,平场聚焦透镜403安装于安装支架605的一侧。位于集成臂602下方的激光器400向上发射初始激光束201,初始激光束201通过扩束准直镜401变为平行光束202,平行光束202继续向上射至旋转扫描镜402的反射平面4021,平行光束202被反射平面4021反射至位于集成臂602下方的平场聚焦透镜403变为聚焦光束203,聚焦光束203射入储液槽800内。
为了便于第一平面301与液面300的相对位置保持不变,则在固化层101不断堆叠时,需要不断降低固化层101的高度。在一实施例中,如图1所示,打印面302位于升降平台504的上端,升降平台504连接竖直移动模块502,竖直移动模块502用于驱动升降平台504沿着竖直方向移动。当上一个固化层101打印完毕,需要打印下一个固化层101时,则竖直移动模块502驱动升降平台504向下移动,且升降平台504向下移动的距离为固化层101的厚度。具体地,竖直移动模块502由电机驱动,且竖直移动模块502设于一竖直移动导轨503上,竖直移动导轨503固定安装于支撑框架700的两根横梁701之间。
通常,光固化材料100发生固化之后体积会比原来液态时的体积小。为了维持储液槽800内的液面300高度不变,在一实施例中,如图1所示,储液槽800还连接有液位调节模块801,液位调节模块801设于支撑框架700的底部且位于储液槽800的一侧。液位调节模块801用于检测并调节储液槽800内液面300的位置,当储液槽800内的液面300位置下降时,液位调节模块801通过向储液槽800内注入液态的光固化材料100,以使储液槽800内的液面300位置维持在预设范围内。如此,有利于储液槽800内的液面300保持稳定,进而提高固化层101的打印精度。
需要说明的是,如图5所示,上文中提到的激光器400、旋转扫描镜402、液位调节模块801、水平移动模块500和竖直移动模块502分别电连接同一控制器900或者分别连接不同的控制器900,进而提高光固化3D打印方法的智能化程度。
下面对光固化3D打印方法进行具体地说明。
首先,将储液槽800置于支撑框架700的底部,然后在储液槽800内注入液态的光固化材料100,且光固化材料100的液面300距离升降平台504的深度大于或等于两倍固化层101的厚度。之后,控制器900控制激光器400射出初始激光束201并通过扩束准直镜401变为平行光束202,平行光束202通过旋转扫描镜402的反射进入平场聚焦透镜403变为聚焦光束203,并且,控制器900同步控制旋转扫描镜402以一定的扫描速率匀速转动,以及,控制器900同步控制水平移动模块500带动支撑臂600水平移动,以使聚焦光束203按照预设程序在第一平面301至打印面302之间打印出第一层固化层101,而第一平面301以上的光固化材料100保持液态。打印完整个第一层固化层101之后,控制器900控制液位调节模块801检测当前液位并向储液槽800内补充光固化材料100,以使储液槽800的液位上升至初始液位高度。然后,控制器900控制竖直移动模块502带动升降平台504下降预定距离,该预定距离等于单层固化层101的厚度。之后,重复上一个打印过程,直至打印出整个3D打印模型。
以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
本技术领域的普通技术人员应当认识到,以上的实施方式仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。