CN115447137A - 一种光固化3d打印装置以及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光固化3D打印装置以及打印方法，包括：光纤探头、喷墨装置、运动平台、光学监测系统、隔离器、激光光源；所述光纤探头与固定在所述运动平台上的光纤连接；所述喷墨装置与固定在运动平台上的导管连接；所述运动平台上的光纤与所述光学监测系统、隔离器、激光光源依次连接。本发明提供的一种光固化3D打印装置以及3D打印方法，结构简单，易于操作；经过光纤探头产生的贝塞尔光场能量高，光斑小，打印精度高、效率高。

Description

一种光固化3D打印装置以及打印方法
技术领域
本发明属于3D打印领域，特别是涉及一种光固化3D打印装置以及打印方法。
背景技术
3D打印技术是快速成型技术的一种，又称增材制造，而光固化是较为常见的一种3D打印技术。光固化3D打印是将液态的光敏聚合胶在光照下发生固化，通过逐层固化、累积叠加的方式来构造物体的技术。
3D打印光固化成型技术一般分为单光子、双光子激发聚合固化聚合物两种类型。双光子激发只有在高度聚焦的激光中心部位，才会有足够高的辐射度来确保有两个光子同时被吸收，对光源的要求高。而单光子激发过程能否产生主要取决于单个光子的能量，即当物质吸收了可以使一个光子被激发的能量时，光子发生能级跃迁，单光子激发就会自然而然的产生，即单光子激发能量低，对光源的要求较低。
现有的技术中，利用光纤耦合这一方式对3D打印所用激光源的输出光斑进行整形，使被加工的高分子材料受热均匀。该系统输出的光束仍为高斯光束，没有提高打印精度。现有的基于光纤激光熔融的3D打印装置，该装置中的光纤组件可以在一个方向上进行往复运动，采用阵列排布的光纤头构件提供熔融光源，使光纤头构件形成的光斑之间完全覆盖。但是该装置中每根光纤只能打印固定的区域，灵活性较差。一种原位3D打印软骨修复装置，该装置通过一分三光纤接口将固化光源发出的光分成三组，固化光通过聚焦镜聚焦在玻璃容器的挤出口，原材料在固化光的照射下凝固，实现3D打印软骨修复，该装置中使用的聚焦固化光装置为空间透镜，体积较大且装置复杂。因此，需要提出一种打印精度高、并且操作灵活的3D打印装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种光固化3D打印装置以及打印方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种光固化3D打印装置，包括：光纤探头、喷墨装置、运动平台、光学监测系统、隔离器、激光光源；
所述光纤探头与固定在所述运动平台上的光纤连接；所述喷墨装置与固定在运动平台上的导管连接；所述运动平台上的光纤与所述光学监测系统、隔离器、激光光源依次连接。
可选的，所述光纤探头的端面带有光纤微结构，用于将入射的高斯光束压缩整形后出射贝塞尔光束；
所述光纤探头包括光纤器件与相位板，所述光纤器件用于产生贝塞尔光束；所述相位板用于调制贝赛尔光束，获得优化后的贝塞尔光束。
可选的，所述喷墨装置包括喷墨打印头和墨盒，所述墨盒内灌装光敏聚合胶。
可选的，当所述运动平台移动时，所述光纤探头随所述运动平台进行任意位置移动从而靠近或远离打印平台，喷墨打印头随所述运动平台进行任意角度移动从而完成打印。
可选的，所述光学监测系统包括耦合器、环形器、光电探测器和LED光源；所述光学监测系统用于定位加工面位置。
本发明还提供了一种光固化3D打印方法，包括以下步骤：
获取待打印物体的三维模型数据、加工面位置信息；
基于所述三维模型数据、加工面位置信息，在加工面上逐层喷涂光敏聚合胶并进行固化；
对所述三维模型数据对应的光纤探头打印轨迹进行逐点打印，直至遍历所有数据，获得打印后的三维结构。
可选的，获取待打印物体的三维模型数据的过程包括，获取待打印物体的三维模型以及三维模型数据，基于所述三维模型数据，将所述待打印物体分割成若干层，并获取每一层的形状信息、厚度信息和光纤探头打印轨迹信息。
可选的，获取加工面位置信息的过程包括，LED光源发出光束经过环形器与耦合器进入光纤中，通过光纤探头照射到打印平台上，返回的光束经过所述耦合器与环形器后被反射至光电探测器中进行成像，获得加工面位置信息。
可选的，在加工面上逐层喷涂光敏聚合胶的过程包括，控制运动平台上的喷墨打印头在加工面上按照从底层到顶层的顺序逐层喷涂光敏聚合胶。
可选的，对所述三维模型数据对应的光纤探头打印轨迹进行逐点打印之前还包括，打开激光光源，激光光源发射的光经过隔离器与耦合器进入光纤与光纤探头中，出射贝塞尔光；基于光学监测系统的成像信息，预设角度阈值和距离阈值，移动运动平台上的光纤探头，并对喷涂的光敏聚合胶进行固化；
所述光学监测系统包括耦合器、环形器、光电探测器和LED光源。
本发明的技术效果为：
本发明提供的一种光固化3D打印装置以及3D打印方法，结构简单，易于操作；经过光纤探头产生的贝塞尔光场能量高，光斑小，打印精度高、效率高；此外，光纤探头与运动平台的结合还使本装置兼具了高空间自由度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的3D打印装置结构示意图；
其中，1-光纤探头、2-光纤、3-喷墨打印头、4-导管、5-墨盒、6-运动平台、7-耦合器、8-环形器、9-光电探测器、10-LED光源、11-隔离器、12-激光光源、13-打印平台；
图2为本发明实施例中的3D打印方法流程图。
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种光固化3D打印装置，包括：光纤探头1、光纤2、喷墨打印头3、导管4、墨盒5、运动平台6、耦合器7、环形器8、光电探测器9、LED光源10、隔离器11、激光光源12和打印平台13。
光纤探头1端面为光纤微结构，入射高斯光束时，经光纤探头1整形后出射贝塞尔光束，实现高效率、高精度3D打印。
本实施例在光纤端面熔接光纤微结构形成光纤探头1，可以使入射的高斯光束经光学微结构压缩光场后输出贝塞尔光束。由于输出的贝塞尔光束光场携带能量极大，在一定的传播距离内具有无衍射特性和自我修复特性，大大提高了3D打印的精度和效率。
运动平台6上安装有光纤探头1和喷墨打印头3，运动平台6带动光纤探头1和喷墨打印头3在打印范围内可以进行任意位置移动与任意角度打印。
耦合器7、环形器8、光电探测器9和LED光源10构成光学监测系统，其中，LED光源10出射的光束通过环形器8与耦合器7进入光纤2中，经光纤探头1照射到打印平台13上，反射的光通过耦合器7与环形器8进入光电探测器9中，可以精确定位加工面位置。
喷墨装置包括喷墨打印头3和墨盒5，通过安装在运动平台6上的导管4进行连接，控制运动平台移动与喷墨装置开关可以在打印平台13上逐层喷涂光敏聚合胶。
激光光源12出射的光束经隔离器11与耦合器7进入光纤2中，经光纤探头1后出射。
本装置通过控制激光光源12的开关以及运动平台6，以软件模型分层截面的轮廓信息为轨迹逐点扫描，使被扫描区的光敏聚合胶产生光聚合反应后固化，从而形成一个薄层截面。打印的过程依赖出射的贝塞尔光束有选择性的固化光敏聚合胶，通过逐层打印，实现3D打印。
如图2所示，本实施例还提供一种光固化3D打印方法，包括如下步骤：
步骤1：获取待打印物体的三维模型数据。具体的，通过软件设计出待打印物体实体模型，并获取三维模型中各个点的坐标数据，根据待打印物体的三维模型数据；将待打印物体分割成若干层，确定每一层的形状和厚度以及光纤探头打印轨迹。将光敏聚合胶放入光固化3D打印系统的墨盒5中，启动系统；
步骤2：打开LED光源10，LED光源10出射的光束通过环形器8与耦合器7进入光纤2中，经光纤探头1照射到打印平台13上，反射的光通过耦合器7与环形器8进入光电探测器9中，可以精确定位加工面位置；
步骤3：打开喷墨装置开关，根据模型数据与加工面位置信息，控制运动平台6的位置与角度，在加工面上按照由底层到顶层的方向顺序逐层喷涂光敏聚合胶，将对应的某一切片的光敏聚合胶喷涂完成后，关闭喷墨装置开关。具体的，光固化3D打印系统利用运动平台6移动喷墨打印头3，将墨盒5中的光敏聚合胶根据模型软件设计的每一层切片的形状与厚度喷涂在打印平台13上；
步骤4：打开激光光源12，激光光源12出射的光束经过隔离器11与耦合器7进入光纤2中，通过光纤探头1出射贝塞尔光，依据模型软件设计的模型与打印轨迹，利用运动平台6移动光纤探头1，选择合适的角度与距离对光敏聚合胶进行固化；
步骤5：光固化3D打印系统按照逐层打印的方式来打印模型，其中每层切片的形状由模型软件设计，由光纤探头1输出的贝塞尔光对每一层的光敏聚合胶逐点固化，按照写入模型数据对应的轨迹进行逐点打印，直至该层对应的结构打印成型后关闭激光光源；
步骤6：通过运动平台6移动光纤探头1与喷墨打印头3的位置，重复步骤3、4，直至遍历数据库中的所有数据，三维结构制备完成，将运动平台复位，取出打印成品，关闭系统。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光固化3D打印装置，其特征在于，包括：光纤探头(1)、喷墨装置、运动平台(6)、光学监测系统、隔离器(11)、激光光源(12)；
所述光纤探头(1)与固定在所述运动平台(6)上的光纤(2)连接；所述喷墨装置与固定在运动平台(6)上的导管(4)连接；所述运动平台(6)上的光纤(2)与所述光学监测系统、隔离器(11)、激光光源(12)依次连接。
2.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，
所述光纤探头(1)的端面带有光纤微结构，用于将入射的高斯光束压缩整形后出射贝塞尔光束；
所述光纤探头(1)包括光纤器件与相位板，所述光纤器件用于产生贝塞尔光束；所述相位板用于调制贝赛尔光束，获得优化后的贝塞尔光束。
3.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，
所述喷墨装置包括喷墨打印头(3)和墨盒(5)，所述墨盒(5)内灌装光敏聚合胶。
4.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，
当所述运动平台(6)移动时，所述光纤探头(1)随所述运动平台(6)进行任意位置移动从而靠近或远离打印平台(13)，喷墨打印头(3)随所述运动平台(6)进行任意角度移动从而完成打印。
5.根据权利要求1所述的光固化3D打印装置，其特征在于，
所述光学监测系统包括耦合器(7)、环形器(8)、光电探测器(9)和LED光源(10)；所述光学监测系统用于定位加工面位置。
6.一种光固化3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待打印物体的三维模型数据、加工面位置信息；
基于所述三维模型数据、加工面位置信息，在加工面上逐层喷涂光敏聚合胶并进行固化；
对所述三维模型数据对应的光纤探头(1)打印轨迹进行逐点打印，直至遍历所有数据，获得打印后的三维结构。
7.根据权利要求6所述的光固化3D打印方法，其特征在于，
获取待打印物体的三维模型数据的过程包括，获取待打印物体的三维模型以及三维模型数据，基于所述三维模型数据，将所述待打印物体分割成若干层，并获取每一层的形状信息、厚度信息和光纤探头(1)打印轨迹信息。
8.根据权利要求6所述的光固化3D打印方法，其特征在于，
获取加工面位置信息的过程包括，LED光源(10)发出光束经过环形器(8)与耦合器(7)进入光纤(2)中，通过光纤探头(1)照射到打印平台(13)上，返回的光束经过所述耦合器(7)与环形器(8)后被反射至光电探测器(9)中进行成像，获得加工面位置信息。
9.根据权利要求6所述的光固化3D打印方法，其特征在于，
在加工面上逐层喷涂光敏聚合胶的过程包括，控制运动平台(6)上的喷墨打印头(3)在加工面上按照从底层到顶层的顺序逐层喷涂光敏聚合胶。
10.根据权利要求6所述的光固化3D打印方法，其特征在于，
对所述三维模型数据对应的光纤探头(1)打印轨迹进行逐点打印之前还包括，打开激光光源(12)，激光光源(12)发射的光经过隔离器(11)与耦合器(7)进入光纤(2)与光纤探头(1)中，出射贝塞尔光；基于光学监测系统的成像信息，预设角度阈值和距离阈值，移动运动平台(6)上的光纤探头(1)，并对喷涂的光敏聚合胶进行固化；
所述光学监测系统包括耦合器(7)、环形器(8)、光电探测器(9)和LED光源(10)。
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