CN116038860A - 陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置，能够实现陶瓷浆料光固化工艺逐层打印过程中，光源强度的柔性调制，优化复杂陶瓷型芯曲面特征的打印效果和精度，降低阶梯效应导致的模型误差。本发明提出的一种陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置主要包含可调光源、LCD屏幕及料槽，可调光源及LCD屏幕在上位机的控制下，可实现在单层打印中的不同区域不同强度的光照及辐射，以优化陶瓷型芯模型曲面的光滑过渡，提升打印精度及效率。

Description

陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置
技术领域
本发明属于陶瓷型芯3D打印领域，特别是涉及一种陶瓷材料的光固化优化打印方法与装置。
背景技术
3D打印，又称立体打印、三维打印、增材制造、积层制造，造型来源于三维模型或电子数据，是一种快速成型技术，先要设计数字模型，通过数据传输到终端打印机上，运用各种可粘合可塑性材料，连续叠加、构造，最后将模型转化为实体。而陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优良性能，在航空、航天、船舶等领域得到了广泛应用。先进结构陶瓷材料具有挑战极端服役条件(超高温、超大热流、超强腐蚀和超大压强)的本征优势，成为替代金属的关键材料。航空、航天、船舶等领域对陶瓷材料的高强度、高精度需求，对高性能复杂结构的陶瓷打印提出了更高的要求，陶瓷材料开始朝着多元化、复合化、功能化方向发展。
光固化3D打印技术是基于光敏材料的一类新型3D打印技术，具有精度高、成形快等特点，光固化成形工艺主要分为两大类：立体光刻(SL)与数字光处理(DLP)均是基于光聚合原理的3D打印，一般立体光刻工艺由位于成形平台上方的激光器提供紫外光束，而数字光处理技术则由位于成形平台下方的LED提供紫外能量。3D打印时先将陶粉与液体树脂混合，制备一定固相含量、粘度的光敏料浆，然后控制紫外激光扫描料浆表面引发光聚合反应，得到高分子包裹粉粒的坯体，最终脱脂、烧结得到所需的零件。
由于立体光刻技术的聚合方法是局部的，而数字光处理技术允许一次固化一层表面，因此与立体光刻工艺相比，数字光处理技术具有更快的打印速度。随着技术的发展，数字光处理技术的成形工艺已超过立体光刻打印的打印精度。但是，由于数字光镜的分辨率有限，数字光处理打印工艺仅适用于打印小零件。对于大型零件的印刷，立体光刻工艺仍然较数字光处理工艺更具效率。但综合来看，由于层层堆积的成形原理，对于曲面等柔性过度特征仍有明显的阶梯效应，曲面过度的打印工艺仍有进一步优化的空间。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置，实现曲面特征层与层间的过度优化，减少阶梯效应带来的误差，提高成形精度。
一种陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，包括Z轴导轨；其中Z轴导轨上由高至低依次设置打印平台、料槽和LCD屏幕，其中LCD屏幕的下方设有可调光源组件；其中料槽、LCD屏幕和可调光源组件，三者在垂直于地面方向上，始终平行。
进一步的，所述LCD屏幕的一端设有LCD屏幕外接口，LCD屏幕在上位机控制下，结合屏幕内偏光片实现透光率可调。
进一步的，所述可调光源组件包括可调光源和可调光源透镜；其中若干个可调光源透镜设置在所述可调光源上。
进一步的，可调光源采用405nm紫外光源或400-600nm可见光源，具体频率根据所选的光敏陶瓷材料类型决定。
陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法，包括以下步骤：
步骤1：打印开始前，手动为料槽上料，将光敏陶瓷材料倒入料槽，等待液面平静后，可以开始打印；打印开始时，打印平台先回归零位；随后，打印平台在电机带动下，下沉至料槽中，打印平台表面与料槽底部为一个层厚的距离；
步骤2：做切片及单层光照强度分布策略：通过上位机软件对目标件模型依据层厚、曝光时间参数进行切片，并对切片后的单层进行光照强度分布策略规划，对需要做边缘过渡的区域，采用合理的光照强度，控制其固化速率；
步骤:3：在上位机控制下，可调光源打开，光由下向上通过透镜和LCD屏幕照射向料槽的透明底部；此时，LCD屏幕在上位机的控制下显示本层切片的图案，使得光选择性的照射向料槽底部，固化本层的光敏陶瓷材料；同时，在上位机的控制下，LCD屏幕和透镜可实现同层不同区域光照强度的变化，以实现各区域不同的固化速率；通过这样的控制方式，单层固化完成后，指定区域形成平滑的过渡；
步骤4：单层固化完成后，打印平台在电机带动下，向上移动一个层厚的距离，进行新一层的打印；重复这个过程，实现层与层的堆积，完成模型制造；由于每层均为平滑过渡形式堆积，因此有效降低阶梯效应带来的误差。
所述步骤2中，对于单层切片需要做边缘过渡的区域划分，根据以下条件：以单层切片的形状等比例缩小若干次，每次缩小，均使新的图案轮廓与原图案轮廓相差一个层厚的距离，最终获得多个区域，并以中心区域的光照强度为基准强度，外侧区域逐次降低。
当需要更细致的边缘过渡效果时，可依据实际情况，适当增加等比例缩小的次数，并调整缩小的轮廓距离，但缩小的轮廓距离不应大于本层层厚；最终，
获得更多区域分布调整光照强度。
本发明的有益效果：
1、可调光源受上位机控制，通过透镜，实现平行光照的功率可调。另一方面在上位机的控制下，每层切片的图案上传至LCD屏幕上，光仅能在图案区域通过照射向透明料槽底部，以固化光敏陶瓷材料。同时，LCD屏幕在上位机控制下，偏光片使得透光率可调，实现通光区域不同位置透过不同强度的光照。通过上述的可调光源与LCD屏幕相配合，就可以在单层固化区域的不同位置给予不同强度的光照。不同强度的光照会导致不同速率的固化，这就使得同一层的不同区域在经过同一时间后，有不同的固化层厚。如果从左至右采用逐渐降低的光照强度进行单层固化，那么以最左侧固化至单层厚度的时间作为截止时间，本层最终会形成一个左高右低的坡度，将这样的坡度应用在局部，就可以更好的层层过渡，降低层与层的阶梯效应。
2、由于液态光固化材料在匹配光源照射下，固化反应优先向光照方向发展，同时随着光照的功率不断上升，陶瓷浆料固化速度变快，当固化向光照方向发展到一定程度后，会向水平方向发展。为了使光固化过程精准成形，应尽可能避免固化的水平方向发展，同时确保光照方向的有效成形，实现层层堆积效果。
3、本发明通过对单层光固化过程中，不同区域采用不同功率大小的光照，以实现不同的光照方向固化速率，以单层层厚的固化时间作为单层固化时间，以避免固化水平方向发展。另一方面，结合前文所述的控制方式，在单层固化过程中，指定区域可实现一定程度的层厚变化，再结合3D打印层层堆积的工作原理，实现曲面特征层与层间的过度优化，减少阶梯效应带来的误差，提高成形精度。
附图说明
图1为本发明陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置示意图。其中有“打印平台1”、“Z轴导轨2”、“料槽3”、“LCD屏幕401”、“可调光源5”、“电机6”。图2为本发明陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法和装置的侧视示意图。其中有“打印平台1”、“Z轴导轨2”、“料槽3”、“LCD屏幕401”、“LCD屏幕外接口402”、“可调光源501”、“可调光源透镜502”。
图3为复杂陶瓷型芯打印优化效果对比图；((a)固定光源打印效果图；(b)固定光源打印效果侧视图；(c)可调光源打印效果图；(d)可调光源打印效果侧视图)；
图4为单层打印光照强度分布：((A)低强度；(B)中强度；(C)高强度)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1和2所示，陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，包括Z轴导轨2；其中Z轴导轨2上由高至低依次设置打印平台1、料槽3和LCD屏幕401，其中LCD屏幕401的下方设有可调光源组件5；其中料槽3、LCD屏幕401和可调光源组件5，三者在垂直于地面方向上，始终平行。
所述LCD屏幕401的一端设有LCD屏幕外接口402，LCD屏幕在上位机控制下，结合屏幕内偏光片实现透光率可调；所述可调光源组件5包括可调光源501和可调光源透镜502；其中若干个可调光源透镜502设置在所述可调光源501上。
以打印一个半球体为例，如图3所示，展示了打印过程中，层与层之间的堆叠效果，对比固定功率光源固化的半球体结构，有效降低了阶梯效应，提升了成形效果。当半球体打印开始时，第一层的切片是一个高度为层厚的圆柱体，在圆柱体的边缘采用较中心逐渐递减功率的光照，如图4所示，以分为3种强度照射为例，分别为“低强度”、“中强度”、“高强度”，那么边缘低强度照射下的固化速度就会较中心高强度更慢，并且由于逐渐递减的光照功率，边缘会形成坡面。每层均采用同种策略进行切片及固化，层层堆积后可获得如图3(b)；(d)所示的边缘优化模型。
根据现有的研究表明，光敏材料固化过程中，会优先向光照方向固化，待固化到一定程度后，向水平方向发展，因此层中心与边缘的光照强度受上位机控制，实现中心以更快速度完成固化时，边缘坡度也完成固化，避免中心部分固化向四周发展，影响最终成形效果。在最优光固化参数的作用下，每层边缘以坡度形式层层叠加，有效降低阶梯效应，使半球体最终成形后，表面过度更加平滑，提高成形精度。根据以上理论，任何层做光照强度区域分布策略时，应以“高强度”的光照功率为基准功率，其他区域依实际需求逐次降低。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，其特征在于：包括Z轴导轨(2)；其中Z轴导轨(2)上由高至低依次设置打印平台(1)、料槽(3)和LCD屏幕(401)，其中LCD屏幕(401)的下方设有可调光源组件(5)；其中料槽(3)、LCD屏幕(401)和可调光源组件(5)，三者在垂直于地面方向上，始终平行。
2.根据权利要求1所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，其特征在于：所述LCD屏幕(401)的一端设有LCD屏幕外接口(402)，LCD屏幕在上位机控制下，结合屏幕内偏光片实现透光率可调。
3.根据权利要求1所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，其特征在于：所述可调光源组件(5)包括可调光源(501)和可调光源透镜(502)；其中若干个可调光源透镜(502)设置在所述可调光源(501)上。
4.根据权利要求3所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，其特征在于：可调光源(501)采用405nm紫外光源或400-600nm可见光源，根据使用光敏陶瓷材料的不同可更换。
5.根据权利要求1中所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化装置，其特征在于：所述LCD屏幕(401)在Z轴上的夹扣结构采用抽取的方式进行安装，便于更换。
6.陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：打印开始前，手动为料槽上料，将光敏陶瓷材料倒入料槽，等待液面平静后，可以开始打印；打印开始时，打印平台先回归零位；随后，打印平台在电机带动下，下沉至料槽中，打印平台表面与料槽底部为一个层厚的距离；
步骤2：做切片及单层光照强度分布策略：通过上位机软件对目标件模型依据层厚、曝光时间参数进行切片，并对切片后的单层进行光照强度分布策略规划，对需要做边缘过渡的区域，采用合理的光照强度，控制其固化速率；
步骤:3：在上位机控制下，可调光源打开，光由下向上通过透镜和LCD屏幕照射向料槽的透明底部；此时，LCD屏幕在上位机的控制下显示本层切片的图案，使得光选择性的照射向料槽底部，固化本层的光敏陶瓷材料；同时，在上位机的控制下，LCD屏幕和透镜可实现同层不同区域光照强度的变化，以实现各区域不同的固化速率；通过这样的控制方式，单层固化完成后，指定区域形成平滑的过渡；
步骤4：单层固化完成后，打印平台在电机带动下，向上移动一个层厚的距离，进行新一层的打印；重复这个过程，实现层与层的堆积，完成模型制造；由于每层均为平滑过渡形式堆积，因此有效降低阶梯效应带来的误差。
7.根据权利要求6所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法，其特征在于：所述步骤2中，
对于单层切片需要做边缘过渡的区域划分，根据以下条件：以单层切片的形状等比例缩小若干次，每次缩小，均使新的图案轮廓与原图案轮廓相差一个层厚的距离，最终获得多个区域，并以中心区域的光照强度为基准强度，外侧区域逐次降低。
8.根据权利要求7所述的陶瓷增材制造光源柔性调制固化方法，其特征在于：当需要更细致的边缘过渡效果时，可依据实际情况，适当增加等比例缩小的次数，并调整缩小的轮廓距离，但缩小的轮廓距离不应大于本层层厚；最终，获得更多区域分布调整光照强度。
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