CN115625891A - 一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，包括：平行导轨，安装在扫描机箱上，扫描机箱内部设置有光固化材料容纳腔，所述的平行导轨上通过移位驱动机构连接有刮刀支撑座；刮刀，安装在移位驱动机构上设置的刮刀支撑座中；所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动或固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件，且将一线阵MicroLED以平行于刮刀刀刃方向安装在所述线阵MicroLED支撑组件的下部；所述的线阵MicroLED支撑组件的下部还安装有线阵测距定位装置，用于测量光固化材料表面的纵向距离，当所述刮刀运动时，带动线阵MicroLED同步运动。

Description

一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备
技术领域
本发明涉及3D 打印技术领域，尤其是一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备。
背景技术
随着3D打印技术的发展，出现了多种3D打印方式，目前最早最成熟的技术是光固化3D打印技术，与市场上主流的FDM3d打印模式相比，它具有更高的精度和打印速度。光敏3d打印技术的基本原理和FDM差不多，都是利用材料的累加成型，将一个三维目标零件的形状分解成若干个平面层，然后依次打印每一层的内容进行累加。然而，现有技术中的3D打印设备通常光路复杂，设备体积庞大，并且制造精度要求较高，所以造价成本非常昂贵。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，包括：
平行导轨，安装在扫描机箱上，扫描机箱内部设置有光固化材料容纳腔，所述的平行导轨上通过移位驱动机构连接有刮刀支撑座；
刮刀，安装在移位驱动机构上连接的刮刀支撑座中；
所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动或固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件，且将一线阵MicroLED以平行于刮刀刀刃方向安装在所述线阵MicroLED支撑组件的下部；
所述的线阵MicroLED支撑组件的下部还与线阵MicroLED平行安装多个有线阵测距定位装置，用于测量光固化材料表面的纵向距离；当所述刮刀运动时，刮刀支撑座带动线阵MicroLED同步运动；
材料固化特性查询单元，用于查询光固化材料的固化特性参数，所述的固化特性参数以表格形式存储在控制主机的数据库中，所述的固化特性参数包括固化厚度d、光强度p与曝光固化时间t；
打印扫描速度计算调节单元，用于根据用户输入的期望打印扫描速度v，并且基于固化特性参数计算其对应的适配打印扫描速度值范围Vmin~Vmax，
其中，
Figure 773765DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 656271DEST_PATH_IMAGE002
，所述的k为折算常数，基于统计数据得出，取100-500之间的数值；
比较v与适配打印扫描速度值范围的大小，如果v在Vmin~Vmax之间的范围内，则将所述的v作为执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；如果v大于Vmax，则提示用户修改或者自动调整到Vmax，如果v小于Vmin，则将v调整为Vmin，然后将所述的Vmin或者Vmax作为调整后的执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；
两方向自由度位置计算调整单元，基于所述的执行打印扫描速度Vfinal计算线阵microLED在X、Z两方向的位置，其中：
在X方向将线阵MicroLED距离刀壁面的距离调整为：
Figure 461284DEST_PATH_IMAGE003
; Sb为当前线阵MicroLED距离刀壁面的距离；
在Z方向将线阵MicroLED距离固化材料表面的距离调整为：
Figure 607095DEST_PATH_IMAGE004
，La为当前线阵MicroLED距离固化材料表面的距离；
线阵图像信号扫描同步驱动单元，基于Vfinal计算每一帧的传输间隔δ。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面包括第一壁面和第二壁面；所述的第一壁面朝向刮刀运动的第一方向，所述第二壁面朝向刮刀反向运动的第二方向。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面连接到线阵MicroLED支撑组件，包括：
在刮刀的第一壁面和第二壁面分别连接一个线阵MicroLED支撑组件，两个线阵MicroLED支撑组件相互对称设置。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面连接到线阵MicroLED支撑组件，包括：
在刮刀的第一壁面连接一个线阵MicroLED支撑组件，在第二壁面连接一配重块，所述的配重块的重量等于安装有线阵MicroLED的线阵MicroLED支撑组件的重量。
进一步的，所述的平行导轨上还设置有移位距离测量单元，用于测量刮刀在平行导轨上移动的距离，所述的移位距离测量单元连接到外部控制主机，并向主机发送测距数据。
进一步的，所述的线阵MicroLED支撑组件上还设置有线阵MicroLED驱动模块，通过线缆连接到外部控制主机，所述的线阵MicroLED驱动模块基于移位距离测量单元的测距数据输出MicroLED的驱动信号，并且基于输入的待打印图像数据生成当前实时线阵光固化数据。
进一步的，所述的支撑座上还设置有高度调节装置，连接到外部控制主机；当光固化材料容纳腔中采用不同的打印材料时，将打印材料信息输入到控制主机，所述控制主机基于材料种类确定对应的MicroLED扫描高度距离预设值，并基于上述扫描高度距离预设值和测距定位装置测量得到的高度距离，调整支撑座的高度，以使得MicroLED实际扫描距离满足对应材料的扫描距离值要求。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面通过固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过预定长度的连接杆连接所述线阵MicroLED支撑组件，所述的预定长度小于第一预设距离。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过一伸缩连接组件连接到线阵MicroLED支撑组件，所述的伸缩连接组件的伸缩长度基于光固化材料的特性进行调节。
有益效果
本发明的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，采用线阵扫描MicroLED实现了面阵扫描、3D打印，能够极大的降低设备成本，且打印精度高；本发明中通过对称设置的线阵MicroLED，能够互相平衡重量，使得扫描移动过程中，刮刀运行更平稳，而且能够双向移动，在两个方向上都能进行固化照射和刮刀切削，提高了打印效率；本发明由于采用线阵MicroLED，能够降低功耗，并且对于局部区域的打印可以实现精确控制；本发明的设备可以根据打印耗材的不同，调整相应的扫描高度，并且设置有伸缩连接装置，能够根据不同的光固化材料调整伸缩杆长度，改变光固化时间，调节打印速度，具有更强的适应性。
附图说明
图1：本发明的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备整体示意图；
图2：本发明的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备俯视图；
图3：本发明的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备侧面示意图。
图4：本发明对称设置线阵MicroLED示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的实施例，提出一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，如图1所示，包括：
平行导轨1，安装在扫描机箱2上，扫描机箱2内部设置有光固化材料容纳腔3，所述的平行导轨1上通过移位驱动机构4连接有刮刀支撑座5；
所述的扫描机箱为长方体形状，在两个侧边上安装有所述的平行导轨1，平行导轨的方向设定为X 轴，与长方体的长边方向相同，长方体的宽边方向为Y方向，竖直方向为Z方向，所述的刮刀支撑座5能够在导轨X方向上移动；本发明的实施例中，光固化材料容纳腔3可以设置为活动的腔体，设置在扫描机箱2内部，并且下方设置有高度调节托盘，能够随之扫描打印的过程不断调节下降高度，虽然在图中没有示出该活动的腔体以及下方的高度调节托盘，但是3D打印领域的技术人员应该理解上述调节过程。本发明的扫描机箱为工业级的机箱，其深度大于30cm，不同于民用产品。
刮刀6，安装在移位驱动机构4上设置的刮刀支撑座5中；
所述的移位驱动机构4的数量为两个，以活动连接方式连接在双侧的导轨上，所述的移位驱动机构4连接到外部的控制主机，用于在外部控制主机的驱动下在动平行导轨1上移动；
所述的移位驱动机构4上设置一刮刀支撑座5，可选的，所述的刮刀支撑座5可以设置为一个带有纵向通槽（图中未示出）的支架，将所述的刮刀6安装在所述的通槽中进行固定；可选的，所述的刮刀支撑座5可以设置为一个不带有纵向通槽的长方体支架结构，相应的，可采用其他连接方式连接，例如通过螺钉或插接的方式将刮刀连接在所述刮刀支撑座5的下方；
如图1-2所示，根据本发明的实施例，刮刀6的安装方向沿着Y方向，刮刀的长度小于扫描机箱的宽边宽度，为了能够将刮刀6灵活可调的设置在平行导轨上，
所述的刮刀支撑座侧壁面61通过活动或固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件7，且将一线阵MicroLED 8以平行于刮刀刀刃方向（同于Y方向）安装在所述线阵MicroLED支撑组件7的下部；
本实施例中，刮刀为平板状，包括两个侧面以及刮刀刀刃，即，刮刀的侧面沿着Y轴方向；
所述的线阵MicroLED支撑组件7的下部还与线阵MicroLED平行的安装有多个线阵测距定位装置20，用于测量光固化材料9表面的纵向距离，当所述刮刀6运动时，带动线阵MicroLED 8同步运动。
所述的多个线阵测距定位装置平行的排列在线阵MicroLED的侧面，互相之间间距相等，所述的每个线阵测距定位装置用于探测其与光固化材料液体表面9的距离；所述的线阵测距定位装置可以采用激光测距传感器、超声波传感器、磁传感器等；当多个线阵测距定位装置同时测量高度距离时，还可以得到液体表面9的平整度或倾斜度，并基于此对刮刀或线阵MicroLED支撑组件进行调整调平。
进一步的，如图2所示，所述的刮刀支撑座侧壁面61包括第一壁面611和第二壁面612；所述的第一壁面611朝向刮刀运动的第一方向620，假设为X轴的正方向，所述第二壁面朝向刮刀反向运动的第二方向630，即X轴的负方向。
根据本发明的一个实施例，所述的刮刀支撑座侧壁面61连接到线阵MicroLED支撑组件7，是指在刮刀支撑座的单侧壁面，即第一壁面连接一个线阵MicroLED支撑组件7，并在线阵MicroLED支撑组件上安装线阵MicroLED；
进一步的，根据本发明的一个优选实施例，参见图4，所述的刮刀支撑座侧壁面61连接到线阵MicroLED支撑组件7，包括：
在刮刀支撑座的第一壁面和第二壁面分别连接一个线阵MicroLED支撑组件7，两个线阵MicroLED支撑组件相互对称设置。本发明中，如图4所示，通过在两个线阵MicroLED支撑组件两侧对称设置线阵MicroLED 8，以及对称设置的多个线阵测距定位装置20，一方面能够使得两个线阵MicroLED支撑组件7保持重量平衡，防止刮刀带动两个线阵MicroLED支撑组件移动时摇晃，能够运行更平稳；其次，本发明通过设置两个线阵MicroLED支撑组件及线阵MicroLED 8，能够在正方向、和反方向运动时，两个方向都能进行光固化扫描，从而提高3D打印效率；
根据本发明的一个变形实施例，所述的刮刀支撑座侧壁面连接到线阵MicroLED支撑组件，包括：
在刮刀支撑座的第一壁面连接一个线阵MicroLED支撑组件，在第二壁面连接一配重块，所述的配重块的重量等于安装有线阵MicroLED的线阵MicroLED支撑组件的重量。
此实施例中，通过给在第二壁面连接一配重块，能够平衡第一壁面的线阵MicroLED支撑组件7的重量，从而能够保持刮刀运行平稳。
进一步的，所述的平行导轨上还设置有移位距离测量单元，或者将所述移位距离测量单元结合到移位驱动机构4中，通过编码器、计数器、或者光栅尺等方法实现，用于测量移位驱动机构4上的刮刀在平行导轨上移动的距离，所述的移位距离测量单元连接到外部控制主机，并向外部控制主机发送测距数据。本实施例中，线阵MicroLED的输出信号基于所述的移位距离测量单元进行变化，受外部控制主机控制，从而能够精确的控制线阵MicroLED的精确移动，进行3D打印成像。
进一步的，所述的线阵MicroLED支撑组件上还设置有线阵MicroLED驱动模块（未示出），该线阵MicroLED驱动模块可以设置在线阵MicroLED的芯片电路板上，或者单独设置为一个模块电路板，通过线缆连接到外部控制主机，所述的线阵MicroLED驱动模块基于移位距离测量单元的测距数据输出MicroLED的驱动信号，并且基于输入的待打印图像数据生成当前实时线阵光固化数据，例如，在距离为0.1的位置输出第1帧线阵图像，在距离为0.2的位置输出第2帧线阵图像，以此类推。 在线阵MicroLED支撑组件和刮刀同时运动的过程中，先进行光固化扫描，然后被刮刀刮平，根据刮刀运动的方向，确定点亮哪一侧的线阵MicroLED。例如，如果运动方向为X正方向，则点亮第一壁上的611上的线阵MicroLED；反之，点亮第一壁上的612上的线阵MicroLED。
进一步的，所述的支撑座上还设置有高度调节装置，连接到外部控制主机；当光固化材料容纳腔中采用不同的打印材料时，将打印材料信息输入到控制主机，所述控制主机基于材料种类确定对应的MicroLED扫描高度距离预设值，并基于上述扫描高度距离预设值和测距定位装置测量得到的高度距离，调整支撑座的高度，以使得MicroLED实际扫描距离满足对应材料的扫描光强度值要求；对应的，这时需要同时调整刮刀在通槽中的安装高度。
本实施例中，可以采用不同的光固化材料进行3D打印，不同的材料其光固化的时间、光强度均有所不同，通过依据材料的扫描高度距离预设值，本实施例能够调节支撑座的高度，以使得MicroLED实际扫描距离满足对应材料的扫描距离值要求。
进一步的，所述的刮刀支撑座侧壁面通过固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过预定长度的连接杆连接所述线阵MicroLED支撑组件，所述的预定长度小于第一预设距离。所述的第一预设距离与材料的液体特性有关，如果距离太短，可能液面还处于不稳定状态，影响刮刀的刮削效果，因此，所述的预设值需要根据材料特性计算得出。所述的预设距离值也不能太长，如果太长，容易在刮刀运动时产生抖动，不利于稳定输出光。
根据另一个实施例，所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过一伸缩连接组件16连接到线阵MicroLED支撑组件，所述的伸缩连接组件的伸缩长度基于光固化材料的特性进行调节。
材料固化特性查询单元，用于查询光固化材料的固化特性参数，所述的固化特性参数以表格形式存储在控制主机的数据库中，所述的固化特性参数包括固化厚度d、光强度p与曝光固化时间t；本发明中，光固化材料例如采用型号为EWIC3000A的树脂，该材料气泡少，粘度低，当厚度为55um时，曝光时间5s，适配光强小于12mw/cm2 ，
打印扫描速度计算调节单元，用于根据用户输入的期望打印扫描速度v，并且基于固化特性参数计算其对应的适配打印扫描速度值范围Vmin~Vmax，
其中，
Figure 513871DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 888483DEST_PATH_IMAGE002
，所述的k为折算常数，基于统计数据得出，取100-500之间的数值；
比较v与适配打印扫描速度值范围的大小，如果v在Vmin~Vmax之间的范围内，则将所述的v作为执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；如果v大于Vmax，则提示用户修改或者自动调整到Vmax，如果v小于Vmin，则将v调整为Vmin，然后将所述的Vmin或者Vmax作为调整后的执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；
两方向自由度位置计算调整单元，基于所述的执行打印扫描速度Vfinal计算线阵microLED在X、Z两方向的位置，其中：
在X方向将线阵MicroLED距离刀壁面的距离调整为：
Figure 361052DEST_PATH_IMAGE003
;Sb为当前线阵MicroLED距离刀壁面的距离；
在Z方向将线阵MicroLED距离固化材料表面的距离调整为：
Figure 677764DEST_PATH_IMAGE004
，La为当前线阵MicroLED距离固化材料表面的距离；
如图3所示，La为当前线阵MicroLED距离固化材料表面的距离；
对于本发明中的线阵MicroLED，其出光功率可以达到15mw/cm2,基于线阵MicroLED距光固化材料表面的高度，可以调节该高度，缩短固化时间，从而适配打印速度。
线阵图像信号扫描同步驱动单元，基于Vfinal计算每一帧的传输间隔δ：
δ=W*Vfinal/Lm，
其中，W为图像宽度像素数，Lm为光固化材料容纳腔的X方向长度。
根据本发明的一个实施例，在利用上述设备进行3D打印时，首先输入需要打印的3D模型每层图像，同时，启动平行导轨，移动驱动装置带动刮刀运动，将每一帧的线阵图像传输到线阵MicroLED中显示，输出的光照射光固化材料实现固化，随后刮刀同步运动进行刮削；反向运动时，另一侧的线阵MicroLED显示图像，进行刮刀同步刮削操作；完成一层图像打印，下沉光固化材料容纳腔中的活动腔体，继续打印下一层，直至打印完成。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，包括：
平行导轨，安装在扫描机箱上，扫描机箱内部设置有光固化材料容纳腔，所述的平行导轨上通过移位驱动机构连接有刮刀支撑座；
刮刀，安装在移位驱动机构所连接的刮刀支撑座中；
所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动或固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件，且将一线阵MicroLED以平行于刮刀刀刃方向安装在所述线阵MicroLED支撑组件的下部；
所述的线阵MicroLED支撑组件的下部还与线阵MicroLED平行安装多个有线阵测距定位装置，用于测量线阵MicroLED与光固化材料表面的纵向距离；当所述刮刀运动时，刮刀支撑座带动线阵MicroLED同步运动；
材料固化特性查询单元，用于查询光固化材料的固化特性参数，所述的固化特性参数以表格形式存储在控制主机的数据库中，所述的固化特性参数包括固化厚度d、光强度p与曝光固化时间t；
打印扫描速度计算调节单元，用于根据用户输入的期望打印扫描速度v，并且基于固化特性参数计算其对应的适配打印扫描速度值范围Vmin~Vmax，Vmin代表最小打印速度，Vmax代表最大打印速度，
其中，
Figure 437259DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 377534DEST_PATH_IMAGE002
，所述的k为折算常数，基于统计数据得出，取100-500之间的数值；
比较v与适配打印扫描速度值范围的大小，如果v在Vmin~Vmax之间的范围内，则将所述的v作为执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；如果v大于Vmax，则提示用户修改或者自动调整到Vmax，如果v小于Vmin，则将v调整为Vmin，然后将所述的Vmin或者Vmax作为调整后的执行打印扫描速度Vfinal传输到两方向自由度位置计算调整单元；
两方向自由度位置计算调整单元，基于所述的执行打印扫描速度Vfinal计算线阵MicroLED在X、Z两方向的位置，其中：
在X方向将线阵MicroLED距离刀壁面的距离调整为：
Figure 104181DEST_PATH_IMAGE003
; Sb为当前线阵MicroLED距离刀壁面的距离；
在Z方向将线阵MicroLED距离固化材料表面的距离调整为：
Figure 252135DEST_PATH_IMAGE005
，La为当前线阵MicroLED距离固化材料表面的距离；
线阵图像信号扫描同步驱动单元，基于Vfinal计算每一帧的传输间隔δ。
2.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，所述的刮刀支撑座侧壁面包括第一壁面和第二壁面；所述的第一壁面朝向刮刀运动的第一方向，所述第二壁面朝向刮刀反向运动的第二方向。
3.根据权利要求2所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的刮刀支撑座侧壁面连接到线阵MicroLED支撑组件，包括：
在刮刀的第一壁面和第二壁面分别连接一个线阵MicroLED支撑组件，两个线阵MicroLED支撑组件相互对称设置。
4.根据权利要求2所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的刮刀支撑座侧壁面连接到线阵MicroLED支撑组件，包括：
在刮刀的第一壁面连接一个线阵MicroLED支撑组件，在第二壁面连接一配重块，所述的配重块的重量等于安装有线阵MicroLED后的线阵MicroLED支撑组件的重量。
5.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的平行导轨上还设置有移位距离测量单元，用于测量刮刀在平行导轨上移动的距离，所述的移位距离测量单元连接到外部控制主机，并向主机发送测距数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的线阵MicroLED支撑组件上还设置有线阵MicroLED驱动模块，通过线缆连接到外部控制主机，所述的线阵MicroLED驱动模块基于移位距离测量单元的测距数据输出MicroLED的驱动信号，并且基于输入的待打印图像数据生成当前实时线阵光固化数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，所述的支撑座上还设置有高度调节装置，连接到外部控制主机；当光固化材料容纳腔中采用不同的打印材料时，将打印材料信息输入到控制主机，所述控制主机基于材料种类确定对应的MicroLED扫描高度距离预设值，并基于上述扫描高度距离预设值和测距定位装置测量得到的高度距离，调整支撑座的高度，以使得MicroLED实际扫描距离满足对应材料的扫描距离值要求。
8.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的刮刀支撑座侧壁面通过固定方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过预定长度的连接杆连接所述线阵MicroLED支撑组件，所述的预定长度小于第一预设距离。
9.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
所述的刮刀支撑座侧壁面通过活动方式连接有线阵MicroLED支撑组件是指，刮刀支撑座侧壁面通过一伸缩连接组件连接到线阵MicroLED支撑组件，所述的伸缩连接组件的伸缩长度基于光固化材料的特性进行调节。
10.根据权利要求1所述的一种基于线阵扫描MicroLED的3D打印设备，其特征在于，
线阵图像信号扫描同步驱动单元，基于Vfinal计算每一帧的传输间隔δ：δ=W*Vfinal/Lm，其中，W为图像宽度像素数，Lm为光固化材料容纳腔的X方向长度。
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