CN1850494A - 数字投影光固化快速成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字投影光固化快速成型装置和方法。装置包括计算机、数字投影仪，透镜，紫外灯，椭球反光镜，树脂槽，网板，升降装置，刮平装置。本发明将数字投影技术与快速成型技术的基本原理相结合，形成了一种独特的数字投影光固化快速成型技术。实现手段是将CAD截面图形通过数字投影仪投影照射在液态光敏树脂表面。控制曝光方式，待成型层达到一定固化程度后，将成型平台(网板)下降相当于一个层厚的高度，在已成型层表面涂敷一层一定厚度的液态光敏树脂，然后再进行下一层的固化，逐层曝光照射，直至快速成型件制作完成。本发明实现投影光固化快速成型，精度高、速度快，工艺简单，成本较低，能够广泛的应用于快速成型领域。

Description

数字投影光固化快速成型装置及方法

                        技术领域

本发明属于制造业的先进制造技术领域，涉及一种新型的数字投影光固化快速成型方法和装置。

                        背景技术

快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一种先进制造技术。快速成型制造技术是集成了现代数控技术、CAD/CAM技术、激光技术和新型材料科学的成果，将抽象的CAD设计数据快速变成真实物体，且不需要模具与工装。

申请人按照“快速成型or快速原型”和“rapid prototyping ANDstereo-lithography”的关键词作了相关专利检索：

1)IBM知识产权网(The IBM Intellectual Property Network)，网址：http://www.delphion.com。检索1971年以来的200多万件美国专利。

2)欧洲专利局(EPO)提供的欧洲专利网(esp@cenet)，网址：http://www.european-patent-office.org/espacenet/info/access.htm。检索欧洲专利局从1970年以后收集的各国专利。包括63个国家或机构的专利文摘或题录信息，约3000万件专利。

3)日本专利库(PAJ)，网址：http://ep.espacenet.com/，指存储在欧洲专利局、由本专利局出品的1976年10月1日以来的日文专利英语摘要库。

4)中国专利数据库，网址：http://www.exin.net/patent，1985年以后中国专利文摘数据库。

其检索结果与本发明相关的内容如下：

国内专利方面，中国国家知识产权局公布的专利“光学立体造型方法及装置”(专利号CNO3120183.0)，内容为光造型方法和光造型装置，使用能改变掩模图像的面状制图掩模，使面状制图掩模在光固化性树脂组合物的表面上以平行状态进行移动，同时，根据欲形成的光固化的树脂层的断面形状图形，与面状制图掩模的移动相同步，改变面状制图掩模的掩模图像，在光固化性树脂组合物的表面上通过面状制图掩模照射光线，形成具有预定的断面形状图形的光固化的树脂层。其专利保护的重点是一种光学立体造型方法，其特征在于：设置光固化性树脂组合物；在该光固化性树脂组合物的表面上，通过制图掩模进行控制照射光，形成具有预定形状光固化的树脂层；通过反复进行上述工序，重叠光固化的树脂层而形成立体造型物；前期制图掩模是与前期光固化性树脂组合物大致平行地被移动的；通过供给光、及前期制图掩模可与该制图掩模的移动相连动而改变掩模图像，由此，在前期光固化性树脂组合物的表面上形成预定的形状；形成具有预定断面形状的前期光固化层。可以看出，该专利中需要通过掩模对树脂曝光。

美国3D公司专利，Methods and apparatus for production ofthree-dimensional objects by stereolithography(专利号US4996010)。该专利采用紫外激光作为光敏树脂固化光源，将激光束直接投射到液态树脂表面，通过点光源扫描运动使树脂成型。

以色列Cubital公司专利，Three dimensional modeling apparatus(专利号US5386500)。该专利以紫外光灯作为树脂固化光源，采用静电成像技术在光学玻璃表面形成掩膜图形，紫外光透过掩膜板对光敏树脂曝光使其按要求固化成型。

Cubital公司在成型工艺上采用了一种独特的方法：i)当一层树脂固化后，立即将该层面内未固化的树脂清除；ii)将融熔状石蜡填入清除区域，并冷却使石蜡固化；iii)采用高速铣削方法铣平固化表面；iv)涂覆新一层液态树脂，重复以上过程。Cubital公司的上述权利重点保护的是其成型工艺方法。

                        发明内容

本发明的目的在于，提供一种数字投影光固化快速成型装置与方法，该装置采用紫外光源，通过DLP(Digital Light Processing)数字投影技术，将图形投影到液态光敏树脂表面，控制图形的尺寸精度以及曝光时间、曝光方式，通过Z轴的升降，层层投影照射、固化、叠加，实现快速成型件的制作。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种数字投影光固化快速成型装置，其特征在于，包括以下装置：

一台计算机，其中设有分层数据处理软件，用于将截面图形发送到数字投影仪中，并控制投影仪的图形投影方式；

一台数字投影仪，用于接收来自计算机的图像数据，并且按照设定的曝光方式，将图形投影照射到树脂表面；

一个设置在椭球反光镜内的紫外灯，紫外灯射出的光通过椭球反光镜反射，并通过透镜形成平行紫外光进入数字投影仪；

一套成型系统，它包括树脂槽，树脂槽上设有由升降装置带动的网板，网板的上方有刮平装置，该刮平装置用于将网板上的液态树脂层或已成型的工件表面形成均匀厚度的树脂层。

上述数字投影光固化快速成型装置的快速成型工艺，其特征在于包括下列步骤：

1)首先由计算机对将该装置中需要成型的数学模型进行分层处理，得到一系列模型截面图；

2)控制成型系统中的升降装置带动网板在树脂槽中升降，在网板表面形成一层一定厚度的树脂；

3)计算机控制投影仪以设定的方式曝光，将截面图像投影照射到网板表面的树脂层，形成一固化层；

4)网板在升降装置的带动下，下降一个层厚度的距离，使已固化层表面上形成一层新的液态树脂层，在刮平装置的作用下，保证新的液态树脂层表面平整；

5)计算机继续控制投影仪以设定的方式曝光，将下一层截面图像投影照射到网板表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结；

6)重复进行上述步骤3)～步骤5)，直至模型完全成型；

7)升降装置带动网板升出树脂槽，取出成型件并清洗表面液态树脂，即可得到快速成型件。

本发明和传统的激光扫描光固化成型系统相比，因为采用了数字投影仪和紫外灯作为光固化成型器件，替代了价格昂贵的紫外激光器和扫描器，数字投影仪的寿命为50年，紫外灯的价格为500元，所以数字投影光固化快速成型系统具有成本低、运行成本低的特点。

另外，数字投影光固化快速成型方式为面曝光成型方式，紫外灯光源的总功率远远高于目前的固体紫外激光器，所以，数字投影光固化快速成型方式具有成型速度快的特点。

本发明涉及的快速成型装置和方法，具有成型速度快、精度高以及成本等低优点，能够广泛的应用于快速成型领域。

                        附图说明

图1是本发明的装置主要硬件的构成图，图中的符号分别表示：1、计算机、2、数字投影仪，3、透镜，4、紫外灯，5、椭球反光镜，6、树脂槽，7、网板，8、升降装置，9、刮平装置。

以下结合附图和本发明的技术原理对本发明作进一步的详细说明。

                      具体实施方式

图1是本发明的装置主要硬件的构成图。计算机1中设有分层数据处理软件，主要作用是将截面图形发送到数字投影仪，并控制投影仪的图形投影方式；数字投影仪2接收来自计算机的图像数据，并且按照设定的曝光方式，将图形投影照射到树脂表面；设置在椭球反光镜5内的紫外灯4，紫外灯4射出的光通过椭球反光镜5反射，并通过透镜3形成平行紫外光进入数字投影仪2；成型系统包括树脂槽6，树脂槽6上设有由升降装置8带动的网板7，网板7的上方有刮平装置9，该刮平装置9用于将网板7上的液态树脂层或已成型的工件表面形成均匀厚度的树脂层。

计算机软件是利用分层软件将CAD模型分层，得到截面数据，并依次输送入数字投影仪中；紫外灯4、椭球反射镜5和透镜3，将紫外光定向平行发射，作为数字投影仪的光源；数字投影仪DLP(Digital Light Processing)，在曝光软件的控制下，将得到的截面图形，依次投影到液态树脂表面，形成固化层。成型系统采用申请人所拥有的快速成型的专有技术，升降装置8构成Z向运动机构，当需要对工件快速成形时，首先在网板上形成一层一定厚度的液态光敏树脂，在数字投影仪将截面图形投影照射下，形成一固化层；网板7在升降装置8带动下，下降一个层厚度，树脂槽6内的树脂向已成型表面流动，在已经成型层表面重新生成一层新的液态树脂层，在刮平装置9的作用下，保证树脂层厚度均匀、表面平整；在曝光软件控制下，投影仪将下一层截面图形照射到树脂层上，形成新的固化层；重复以上步骤，在最后一层截面固化层形成之后，升降装置带动网板升出树脂槽，取出固化成型件，完成数字投影光固化快速成型制作过程。

采用本发明的装置快速成型工艺，具体包括下列步骤：

1)首先是计算机1对要成型的模型进行分层处理，得到一系列模型截面图；

2)计算机控制网板7在树脂槽6中下降，树脂自动流向网板7表面，在刮平装置9的作用下，在网板7表面形成一层一定厚度的树脂；

3)计算机控制投影仪2以设定的曝光方式，将截面图像投影照射到网板7表面的树脂层，形成一固化层；

4)网板7在升降装置8的带动下，下降一个层厚度的距离，已固化层表面将形成一层新的液态树脂层，在刮平装置9的作用下，保证新的液态树脂层厚度均匀、表面平整。

5)控制投影仪2以设定的曝光方式，将下一层截面图像投影照射到网板7表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结；

6)重复进行上述步骤3)～步骤5)，直至模型完全成型；

7)升降装置8带动网板7升出树脂槽6，取出成型件并清洗表面液态树脂，即可得到快速成型件。

Claims (2)

1.一种数字投影光固化快速成型装置，其特征在于，该装置包括：

一台计算机1，其中设有分层数据处理软件，用于将截面图形发送到数字投影仪2中，并控制投影仪2的图形投影方式；

一台数字投影仪2，用于接收来自计算机的图像数据，并且按照设定的曝光方式，将图形投影照射到树脂表面；

一个设置在椭球反光镜5内的紫外灯4，紫外灯4射出的光通过椭球反光镜5反射，并通过透镜3形成平行紫外光进入数字投影仪2；

一套成型系统，包括树脂槽6，树脂槽6上设有由升降装置8带动的网板7，网板7的上方有刮平装置9，该刮平装置9用于将网板7上的液态树脂层或已成型的工件表面形成均匀厚度的树脂层。

2.采用权利要求1所述的数字投影光固化快速成型装置的快速成型工艺，其特征在于包括下列步骤：

1)首先由计算机对将需要成型的模型进行分层处理，得到一系列模型截面图；

2)控制升降装置带动网板在树脂槽中升降，在网板表面形成一层一定厚度的树脂；

3)计算机控制投影仪以设定的方式曝光，将截面图像投影照射到网板表面的树脂层，形成一固化层；

4)网板在升降装置的带动下，下降一个层厚度的距离，使已固化层表面上形成一层新的液态树脂层，在刮平装置的作用下，保证新的液态树脂层厚度均匀、表面平整；

5)计算机继续控制投影仪以设定的方式曝光，将下一层截面图像投影照射到网板表面的树脂层，形成一新的固化层，与已固化层相粘结；

6)重复进行上述步骤3)～步骤5)，直至模型完全成型；

7)升降装置带动网板升出树脂槽，取出成型件并清洗表面液态树脂，即可得到快速成型件。

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