CN115816822B - 一种基于光强控制的dlp3d打印方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光强控制的DLP3D打印方法及系统，为了解决DLP打印模型因为打印件内部内应力过大而导致打印件固化翘曲的问题，在打印料槽的底端安装液晶板，设定液晶板与离型膜存在距离，得到打印装置并运行，确定DLP打印光强与液晶板控制电压的对应关系、切片灰度信息与液晶板控制电压的对应关系、最佳固化时间；获得3D打印模型的切片集，利用python程序读取第n层切片中打印图案中心点的位置；修改切片中打印图案的灰度值，根据切片灰度信息与电压的对应关系，获得包含多灰度的打印图案；并对液晶板定位使液晶板中的液晶像素点与打印图案中心点的位置信息对应；根据光强与电压的对应关系，获得局部液晶像素点所需的光强，根据最佳固化时间，完成切片打印。
Description
技术领域
本发明涉及一种DLP打印方法及系统，属于3D打印技术领域。
背景技术
DLP(Digitallightprocessing)3D打印技术因为其生产周期短、可成型复杂结构件等特点，逐渐应用于各种材料的打印，且光固化成形原理带来的高精度以及投影式成形带来的高效率而备受人们的关注。DLP3D打印步骤可以分为以下步骤：建模得到所需模型；切片获取切片集；利用投影仪进行投影，投影出切片的单层信息，打印浆料光固化，完成单层打印；移动z轴进行下一层打印，直到打印件成形。但DLP存在着内应力较大的问题，内应力较大容易使打印件产生翘曲，对整个打印件的打印效果产生破坏效果。目前人们通常从打印材料、打印参数等方面进行优化，而对于DLP打印来说，这些方法都是针对于打印件整体来说的，操作者的可控性较小。也有研究者从内部填充方式出发解决DLP的内应力问题，但目前DLP打印模型的内部填充方式较为单一，内部填充图案多为固定的简单图案，使用者的可操作空间较小，对于一些因为固化产生的翘曲问题和需要轻量化的结构，无法通过内部填充图形方式的优化解决翘曲问题或寻求到最优的解。
通过改变DLP局部光强的方式来调整打印件内应力的方式可以有效减少上诉问题。该方法通过改变DLP局部的光强，影响单层固化时间内打印材料不同的反应程度进而改善因为固化产生的内应力。相较于其他方法，该方法不改变打印模型的结构，因而不用考虑打印件内部结构的变化。然而目前DLP变光强打印方式的门槛较高，对于常用的商业性DLP打印机来说，基本上都不具备该功能。
发明内容
本发明为了解决DLP打印模型因为打印件内部内应力过大而导致打印件固化翘曲的问题，进而提出了一种基于光强控制的DLP3D打印方法及系统。
它包括以下步骤：
S1、选择固定尺寸的液晶板，将液晶板安装在打印料槽的底端，设定液晶板与离型膜之间的距离为h，得到安装好液晶板的打印装置；
将DLP光源进行投影，运行打印装置，改变液晶板的控制电压，确定DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系；
利用液晶板电压调节液晶板透过率，获取对应的电压区间，以及切片上的灰度信息，并建立切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系；
S2、确定不同DLP打印光强下光固化树脂的固化时间，通过插值方法建立DLP打印光强与固化时间的插值函数，确定最佳的固化时间t0；
S3、获得3D打印模型的切片集，利用python程序读取第n层切片中打印图案中心点在切片上的位置信息；
S4、利用python程序修改第n层切片中打印图案的灰度值，根据切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，通过控制液晶板的电压获得一个包含多灰度的打印图案；
并进行相应的液晶板定位，使液晶板中的液晶像素点与S3中打印图案中心点的位置信息对应；
S5、根据S1中DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系，获得局部液晶像素点所需的光强，将第n层切片对应的打印件的固化时间设为t0，完成第n层切片的打印；
S6、记录每一层的灰度切片以及打印件的打印效果，优化S4中切片的灰度化值修改，重复S3-S5完成每层切片打印，直至3D打印模型打印完成。
进一步地，S1中DLP打印光强与液晶板控制电压为线性关系。
进一步地，S1中切片灰度信息与液晶板控制电压线性关系。
进一步地，S2中不同DLP打印光强为p个等间距的DLP打印光强数值，p>2。
进一步地，S2中插值方法为线性插值。
进一步地，S2中最佳的固化时间为插值函数的平均固化时间。
进一步地，S3中位置信息包括打印图案中心点距离切片左边框和上边框的像素值。
进一步地，S3中切片厚度为30-200μm左右。
一种基于光强的DLP3D打印系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种基于光强控制的DLP3D打印方法的任一步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如一种基于光强控制的DLP3D打印方法的任一步骤。
有益效果：
本发明在打印料槽的底端安装液晶板，并考虑到打印过程中打印材料的固化会产生热量，所以为了减少温度对于液晶性能的影响，设定液晶板与离型膜之间的距离为h。在运行打印过程中确定DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系、切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，以及通过线性插值方法建立DLP打印光强与光固化树脂固化时间的插值函数，从而确定最佳的固化时间。再获得3D打印模型的切片集，利用python程序读取第n层切片中打印图案中心点在切片上的位置信息，所述位置信息包括打印图案中心点距离切片左边框和上边框的像素值。利用python程序修改第n层切片中打印图案的灰度值，根据切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，通过控制液晶板的电压获得一个包含多灰度的打印图案，即一个打印图案上分布多种灰度，并进行相应的液晶板定位，使液晶板中的液晶像素点与打印图案中心点的位置信息对应，液晶板的定位是为了对单层打印的水平方向的光强进行精确的调整，如果只改变垂直方向的光强则无需考虑定位。根据DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系，获得局部液晶像素点所需光强，将第n层切片对应的打印件的固化时间设为t0，完成第n层切片的打印。记录每一层的灰度切片以及打印件的打印效果，根据需求自定义指导优化切片的灰度化修改，重复上述操作直到整个3D打印模型打印完成。
本发明利用可调节电压改变液晶板的光强，实现DLP的打印区域的局部光强可控，解决了DLP打印件存在的翘曲问题。并利用液晶能够帮助用户实现打印模型任意内部结构的局部光强(打印模型纵向光强以及单层打印水平方向上的光强)设计，为不同打印模型内部填充方式的实现提供了参考。还可以基于液晶对常见的DLP打印机进行改装，根据用户需求任意调节DLP3D打印过程中的局部光强，进而控制局部光固化树脂的固化程度，从而实现调节打印件内部内应力的效果，减少DLP的内应力，提高打印成功率，降低原料成本。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是安装液晶板后的结构图；
图3是实施例中光强与电压的对应关系图；
图4是实施例中灰度与电压的对应关系图；
图5是实施例常规切片及其打印效果；
图6是实施例中经过本发明处理的灰度切片及其打印效果；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种基于光强控制的DLP3D打印方法，它包括以下步骤：
S1、选择固定尺寸的液晶板，将液晶板安装在打印料槽的底端，设定液晶板与离型膜之间的距离为h，得到安装好液晶板的打印装置。
根据自身的需求选择尺寸为u*v的液晶板，u、v分别表示液晶板纵横方向上像素点的数量，u＝1，2，…，U，v＝1，2，…V，液晶板的尺寸小于离型膜的尺寸。对液晶板进行安装，如图1所示。液晶板安装在打印料槽的底端，位于打印料槽与DLP光源之间，水平位置可由S3确定。考虑到打印过程中打印材料的固化会产生热量，所以为了减少温度对于液晶性能的影响，设定液晶板与离型膜之间的距离为h。
将DLP光源进行投影，运行打印装置，再改变液晶板的控制电压，确定DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系，DLP打印光强与液晶板控制电压为线性关系，得到最大的DLP打印光强Emax，如图3所示。当液晶板控制电压太小时，DLP打印光强不发生改变，当液晶板控制电压太大时，DLP打印光强光强恒为0。DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系是指利用液晶的旋光效应，电压使得线偏振光的偏振角度旋转对应的角度。
利用液晶板电压调节液晶板透过率，获取对应的能够调节液晶板透过率的电压区间，以及切片上的灰度信息，并建立切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，此对应关系为线性关系或其他函数关系，白色对应最大光强，黑色对应零光强；
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。它既有液体的流动性，又有晶体的各向异性。液晶在不同的电压下能够改变光的光强的大小，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应，也因为其电光性质而备受人们关注。研究者们通常利用液晶点组成液晶板。通过优化局部的液晶控制电压可以实现液晶板局部图案光强的控制。相较于其他改变光强的方法，液晶对于光源的要求较低，对于机器设备本身的要求也不高。目前，与基于光强变化的DLP3D打印相关的报道较少，但可以预见，液晶板的引入对于DLP局部光强变化的控制是具有显著效果的，所以上述对液晶的性能进行了测定。
S2、确定不同DLP打印光强下光固化树脂的固化时间，通过插值方法建立DLP打印光强与固化时间的插值函数，确定最佳的固化时间t0，最佳固化时间t0为插值函数的平均固化时间。本发明测得p个等间距的DLP打印光强数值，p>2。插值方法为线性插值。
DLP光源的波长与DLP打印机的波长相同，波长一般为320nm—500nm左右；
S3、获得3D打印模型的切片集，利用python程序读取第n层切片中打印图案中心点在切片上的位置信息，n＝1，2，…，N。3D打印模型为常见的stl格式。所述位置信息包括打印图案中心点距离切片左边框和上边框的像素值。切片厚度为30-200μm左右。
S4、利用python程序修改第n层切片中打印图案的灰度值，根据切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，通过控制液晶板的电压获得一个包含多灰度的打印图案，即一个打印图案上分布多种灰度，并进行相应的液晶板定位，使液晶板中的液晶像素点与S3中打印图案中心点的位置信息对应，液晶板上有很多像素点，像电视机屏幕；液晶板的定位是为了对单层打印的水平方向的光强进行精确的调整，如果只改变垂直方向的光强则无需考虑定位，由于不知道液晶板哪个局部范围内的像素点跟打印图案对应，此时需要找到两者之间的对应，进而根据图案改变液晶板上的某些像素点的电压。
S5、根据S1中DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系，对电压进行调节，获得局部液晶像素点所需光强，将第n层切片对应的打印件的固化时间设为t0，完成第n层切片的打印。
S6、记录每一层的灰度切片以及打印件的打印效果，根据需求自定义指导优化S4中的切片的灰度化修改，重复S3-S5完成每层切片打印，直到整个3D打印模型打印完成。
具体实施方式二：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种基于光强控制的DLP3D打印系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如一种基于光强控制的DLP3D打印方法的任一步骤。
具体实施方式三：结合图1-图6说明本实施方式，本实施方式所述一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如一种基于光强控制的DLP3D打印方法的任一步骤。
实施例
对液晶板进行安装，液晶板上表面与离型膜下表面距离为1mm，进行DLP投影并测得相应的光强，改变液晶的控制电压，得到DLP打印光强与液晶控制电压之间的关系，如图3所示，在0.8V和1.6V之间，电压对光强存在影响，则电压和光强可以看作是线性关系。确定光固化树脂的最佳固化时间为35s。基于电压与光强之间的线性关系建立切片灰度信息与电压之间的对应关系，如图4所示。对3D打印模型(立方体40*20*8mm)进行切片，获得切片集。此时液晶不加电压，打印一个和3D打印模型一样的参考模型，如图5所示，它两侧出现了翘曲，这是由于中间内应力过大，就需要减少中间部分的光强。利用python程序读取第1层切片中打印图案在切片上的位置信息，利用python程序改变切片中打印图案中间部分的灰度值为(171，171，171)，如图6所示。根据打印图案位置，寻找到液晶板上与打印图案对应得液晶像素点。根据液晶板电压与光强之间的对应关系，将液晶板局部的液晶点电压调节为1.25V，获得局部所需光强约为35％，等待35s固化，完成第1层切片打印。重复上述过程，直到整个打印件打印完成，打印完成如图6所示。
Claims (7)
1.一种基于光强控制的DLP3D打印方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、选择固定尺寸的液晶板，将液晶板安装在打印料槽的底端，设定液晶板与离型膜之间的距离为h，得到安装好液晶板的打印装置；
将DLP光源进行投影，运行打印装置，改变液晶板的控制电压，确定DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系；
利用液晶板电压调节液晶板透过率，获取对应的电压区间，以及切片上的灰度信息，并建立切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系；
S2、确定不同DLP打印光强下光固化树脂的固化时间，通过插值方法建立DLP打印光强与固化时间的插值函数，确定最佳的固化时间t0；
S3、获得3D打印模型的切片集，利用python程序读取第n层切片中打印图案中心点在切片上的位置信息；
S4、利用python程序修改第n层切片中打印图案的灰度值，根据切片灰度信息与液晶板控制电压之间的对应关系，通过控制液晶板的电压获得一个包含多灰度的打印图案；
并进行相应的液晶板定位，使液晶板中的液晶像素点与S3中打印图案中心点的位置信息对应；
S5、根据S1中DLP打印光强与液晶板控制电压之间的对应关系，获得局部液晶像素点所需的光强，将第n层切片对应的打印件的固化时间设为t0，完成第n层切片的打印；
S6、记录每一层的灰度切片以及打印件的打印效果，优化S4中切片的灰度化值修改，重复S3-S5完成每层切片打印，直至3D打印模型打印完成；
所述S1中DLP打印光强与液晶板控制电压为线性关系；
所述S1中切片灰度信息与液晶板控制电压为线性关系；
所述S2中插值方法为线性插值。
2.根据权利要求1中所述的一种基于光强控制的DLP3D打印方法，其特征在于：S2中不同DLP打印光强为p个等间距的DLP打印光强数值，p>2。
3.根据权利要求2中所述的一种基于光强控制的DLP3D打印方法，其特征在于：S2中最佳的固化时间为插值函数的平均固化时间。
4.根据权利要求3中所述的一种基于光强控制的DLP3D打印方法，其特征在于：S3中位置信息包括打印图案中心点距离切片左边框和上边框的像素值。
5.根据权利要求4中所述的一种基于光强控制的DLP3D打印方法，其特征在于：S3中切片厚度为30-200μm左右。
6.一种基于光强控制的DLP3D打印系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一所述方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一所述方法的步骤。
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