CN205148931U - 一种立体模型成型设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及模型成型技术领域，具体涉及一种立体模型成型设备。本实用新型提供一种立体模型成型设备，包括设有工作台的机架，工作台上设有开口向上的光固化液容器，筒形结构内设有与升降杆连接的成型平台，升降杆与驱动装置连接，成型平台设有在导轨上进行往返运动的铺液装置，铺液装置与水平驱动装置连接，铺液装置设有雾化装置，雾化装置设有与光固化液入口，雾化装置包括与所述光固化液入口连接的雾化喷嘴，雾化喷嘴设置在铺液壳体内，机架位于所述成型平台上方设有固化光投射装置，机架位于成型平台上方设有液面位置探测装置。本实用新型对光固化液容器的扰动小，减少成型过程对支撑结构的依赖，适合柔性体的光固化成型。

Description

一种立体模型成型设备

技术领域

本实用新型涉及模型固化成型技术领域，具体涉及一种立体模型成型设备。

背景技术

立体模型的成型方法有很多种，其中通过紫外线固化光固化树脂的方法(SLA)能够提供较高的成形精度以及较好的成形表面平整度。中国专利CN203665945U公开了一种基于DLP投影光固化三维打印机，包括计算机系统、自动控制系统、DLP投影系统、成型工作池、供料系统以及升降系统，能够实现高精度的连续光固化成型。中国专利CN201410795471.6公开了一种具有刮平功能的激光3D打印机及其光固化打印方法公开了一种具有刮平功能的激光3D打印机，包括用于构成节本骨架的外框单元、用于盛放打印原液的料槽、能够与所述的外框单元相对纵向运动且位于所述料槽内工作位的打印单元、用于提供光固化激光光源的照射单元、位于所述打印单元和所述照射单元之间用于对打印面的刮平处理的刮平单元以及控制各单元工作状态的控制单元；所述刮平单元能够纵向运动，其上设置的刮平板能在料槽内水平横向运动，并在一个往复运动中同时完成刮除动作和抹平动作。中国专利CN201410027198公开了一种基于DLP原理并且从液态树脂下面投影的3D打印机，其设有树脂槽，所述树脂槽的底板可透光；垂直升降机构上固定连接成型平台，通过垂直升降机构来调整树脂槽与成型平台之间的距离；计算机用于处理三维模型并将三维模型顺序分割成具有一定厚度的若干剖面图形，计算机还连接控制电气控制装置，电气控制装置控制垂直升降机构自动升降成型平台，并控制DLP投影机对树脂槽中光固化树脂液面照射；DLP投影机设于树脂槽的下方并与计算机相连，DLP投影机将剖面图形的图形光路经树脂槽的底板透射以照射光固化液态树脂。

现有技术的实现成型过程中已固化的固态部分或者未固化的液态部分都会受到不同程度的扰动。中国专利CN203665945U公开了在每固化完成一层要从供料系统向成型工作池补充光固化树脂，未固化的液态部分要产生流动；中国专利CN201410795471.6中刮平单元够纵向运动对表面的已固化的固态部分和未固化的液态部分造成扰动；中国专利CN201410027198已固化的部分和树脂槽脱离以及液态树脂流动补充到固化部分和托盘底面之间都产生扰动。这种扰动使得立体模型的悬空部分时需要额外增加支撑结构，否则在扰动的作用下，悬空部分在成型过程中会发生错位和变型。成型过程完成后需要将支撑结构去除，这样一来增加处理工序；二来支撑结构需要与立体模型表面接触，以完成支撑，去除后影响立体模型表面的平整度。另外，立体模型的成型过程产生柔性体时，这种扰动会影响成型精度。

实用新型内容

为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型通过一种低扰动的光固化立体模型成型设备，减少了立体模型成型过程中对支撑结构的需求，并进一步适合柔性体的立体模型成型。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种立体模型成型设备，包括设有工作台的机架,所述工作台上设有筒形结构且开口向上的光固化液容器，所述筒形结构内设有与升降杆连接进行上下运动的成型平台，所述筒形结构内壁与所述成型平台之间设有密封圈，所述升降杆与设置在机架上的驱动装置连接，所述成型平台的上方设有在导轨上进行往返运动的铺液装置，所述铺液装置与设置在机架上的水平驱动装置连接，所述铺液装置设有铺液壳体和雾化装置，所述雾化装置设有与光固化液供给装置连接的光固化液入口，所述雾化装置包括与所述光固化液入口连接的雾化喷嘴，所述雾化喷嘴设置在所述铺液壳体内，所述机架上位于所述成型平台上方设有固化光投射装置，所述机架位于所述成型平台上方设有液面高度位置探测装置。

进一步地，所述铺液壳体底部设有均衡挡板，所述均衡挡板上设有开口的均衡槽，所述均衡槽的工作运动方向为宽度方向，所述均衡槽的运动平面内与所述宽度方向垂直的方向为长度方向，所述均衡槽在工作长度范围内的所述长度方向上各点对应的沿所述宽度方向的所述均衡槽开口内的雾化液滴密度的定积分值的相对均方误差不超过10％。

进一步地，所述均衡挡板为相对于成型平台呈中间高四周低的弧形机构，所述均衡挡板与所述铺液壳体侧壁的交接处的局部最低部设有至少一个排液孔。

进一步地，所述工作台上设有光固化液回收槽，所述光固化液回收槽下部设有光固化液回收装置。

进一步地，所述雾化装置包括液体喷嘴、空气超声喷嘴或者低频超声波喷头的一种或几种。

进一步地，所述固化光投射装置为面投影装置或者光束扫描装置。

进一步地，所述雾化装置上有加热装置。

进一步地，所述光固化液容器外部设有冷却装置。

本实用新型所述设有雾化与铺液装置的立体模型成型设备与现有技术相比，优越效果在于：本实用新型中的铺液装置对光固化液容器的扰动小，减少成型过程对支撑结构的依赖，适合柔性体的光固化成型优点。

附图说明

图1为本实用新型所述立体模型成型设备的立体结构图；

图2为图1中铺液装置的放大结构的主视图；

图3为图2中A-A向内部结构剖视图；

图4为图1中铺液装置的立体结构图；

图5为图1中铺液装置的底部立体结构图；

图6为图1中雾化装置产生的细小液滴在工作平面中心密度高的单峰液滴密度分布曲线示意图；

图7为本实用新型中所述均衡槽开口投影到固化液上表面的示意图。

附图标记如下：

1-光固化液容器，2-工作台，3-铺液壳体，4-直线轴承，5-雾化装置，6-光固化液入口，7-光敏传感器，8-横梁，9-固化光投射装置，10-发光器，11-侧板，12-导轨，13-蜗杆，14-皮带，15-光固化液回收槽，16-成型平台，17-传动轴，18-底板，19-驱动装置，20-升降杆，21-机架，23-雾化喷嘴，24-压电换能器，25-均衡槽，26-均衡挡板，27-排液孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1

如图1和4所示，具体说明本实用新型提供的一种的立体模型成型设备，所述成型设备包括控制装置和U型结构的机架21，所述U型结构的两个侧板11之间设有横梁8，所述横梁8的下部在机架21中间位置设有工作台2,所述工作台2上嵌装有筒形结构且开口向上的光固化液容器1，所述筒形结构内设有与升降杆20连接进行上下运动的成型平台16，所述筒形结构内壁与所述成型平台16之间设有密封圈(图中未画)，使光固化液不会渗漏，同时还不影响成型平台16的上下运动，所述升降杆20与设置在底板18上的驱动装置19连接，所述成型平台16的上方设有在导轨12上进行往返运动的铺液装置，所述铺液装置与设置在机架上的水平驱动装置连接，所述铺液装置包括铺液壳体3和雾化装置5，所述雾化装置5设有与供给固化液装置连接的光固化液入口6，所述雾化装置5包括与所述光固化液入口6连接的雾化喷嘴23，所述雾化喷嘴23设置在所述铺液壳体3内，所述机架21的上部设有横梁8，所述横梁8上设有与成型平台16位置相对应的固化光投射装置9，所述机架21的两个侧板11上分别设有液面高度探测装置的光敏传感器7和液面探测装置的发光器10，所述工作台2上设有光固化液回收槽15，所述铺液装置的铺液壳体3与蜗杆13连接，所述蜗杆13与传动轴17上的传送带14连接，所述传动轴17与驱动装置19连接。本实施例中，所述雾化装置5上优选设置加热装置(图中未画)和所述光固化液容器1外部设置冷却装置(图中未画)。如图5所示，所述铺液装置中的铺液壳体3为矩形结构，所述铺液壳体3的两个侧壁上分别设有套装在导轨12上的直线轴承4，所述铺液壳体3的底部设有与成型平台16配合使用并且相对于成型平台16呈中心高四周低的弧形的均衡挡板26，所述弧形的均衡挡板26上设有开口均衡槽25，所述均衡挡板26与所述铺液壳体3侧壁的交接处的局部最低部设有至少一个排液孔27。本实施例中，所述雾化装置5优选压电超声波雾化装置，所述压电超声波雾化装置包括设置在喷嘴23上部的压电换能器24。

实施例2

本实用新型还提供了一种使用设有雾化与铺液装置的立体模型成型设备的成型方法，包括以下步骤：

步骤1)通过计算机将立体模型按照预先设定厚度做切片分层，得到立体模型的若干个具有二维形状的层叠成型图形；

步骤2)将光固化液容器1底部的成型平台16移动到投射高度位置，所述投射高度位置是固化光投影装置9实现固化光聚焦的高度位置，使用所述铺液装置的所述雾化装置5中的雾化喷嘴23将光固化液雾化成细小液滴，所述铺液装置沿所述导轨12在所述成型平台16上方做水平运动使所述细小液滴在成型平台16上铺设成第一层光固化液；

步骤3)使用液面高度探测装置测量当前光固化液面的高度位置，由安装在机架21上的液面探测装置的发光器10向光固化液面从侧面角度发出探测光线，该探测光线在光固化液面被反射，经安装在机架21上的液面探测装置的光敏传感器7接收，从而探测光固化液的高度；下降所述成型平台16使第一层固化液的液面处于所述投射高度位置，按照步骤1)中得到的第一层成型图形，使用固化光投射装置9投射固化光线固化步骤2)中铺设的第一层光固化液，固化的部分形成第一层模型形状；

步骤4)在已进行过固化的上一层光固化液的液面上，再次使用所述铺液装置的雾化装置5中的雾化喷嘴23将光固化液雾化成细小液滴，所述铺液装置沿所述导轨在所述成型平台上方做水平运动使所述细小液滴铺设成下一层光固化液；

步骤5)使用液面探测装置测量所述下一层光固化液面高度位置，下降所述成型平台16，使下一层固化液的液面处于投射高度位置，按照步骤1)中得到的下一层成型图形，使用固化光投射装置9投射固化光线固化所述步骤4)中铺设的下一层光固化液，固化的部分形成下一层模型形状，并且所述固化光投射装置9投射足够量的固化光线，使相邻的上下两层成型图形的重叠部分被固化在一起；

步骤6)重复若干次步骤4)和步骤5)，直到三维实体的立体模型成型完成。

本实施例中，所述成型方法还包括，使用激光通过振镜或者移动反射镜扫描光固化液表面，由产生的高温将光固化液体固化得到立体模型形状的步骤。

本实用新型提供的立体模型成型设备，具体的工作原理如下所述，更能阐述清楚本实用新型的实用新型意图，本实用新型中的光固化液容器1的底部即成型平台16可升降并且开口向上且能够沿导轨12水平移动，并且在光固化液容器1上表面铺设光固化液的铺液装置，液面探测装置的发光器10和面探测装置的光敏传感器7测量光固化液的液面高度位置，将固化光线按设定成型形状投射到光固化液上表面的固化光投射装置9，驱动光固化液容器1的底部上下运动以及驱动所述铺液装置水平运动的驱动装置，所述铺液装置中的雾化装置5和底部设有液滴均衡挡板26的铺液壳体3，铺液壳体3上装有两个直线轴承4，直线轴承4沿直线导轨12在光固化液容器1上方水平滑动。光固化液通过光固化液供给装置，例如蠕动泵，由光固化液入口6进入雾化装置5，雾化装置5中可以采用液体雾化喷头，优选直径小于1毫米的雾化喷头，这种喷头使光固化液体高速经细小的喷嘴喷出，喷出后一方面由于液体自身的离散运动，一方面由于跟空气作用，使液体变为细小液滴，达到雾化的效果。使用雾化装置5进行雾化的另一种实现方式是采用气动超声波雾化喷头，该超声波雾化喷头由压缩空气带动液体，并在喷嘴处产生超声波气流震荡，使液体被超声波冲击雾化成细小液滴。本实施例中，采用两种雾化装置虽然可以用于本实用新型的设备，从精密成型的角度考虑，还优选采用另一种含有压电换能器24的超声波雾化装置，即压电超声波雾化装置，也称作低频超声波喷头，该低频超声波喷头的喷嘴23上部设有压电换能器24，也称为压电陶瓷片，产生20kHz到200kHz之间某个谐振频率的超声波振荡，并通过变幅杆使雾化喷嘴23处的超声波振荡幅度最大，该雾化喷嘴23处的超声波振荡使得液体的细小液滴能够脱离液体的表面能实现雾化，该细小液滴的直径通常在几微米到几百微米之间。压电超声波雾化装置雾化产生的光固化液的细小液滴自身具有很小的动能，是按照自由落体下降，(在不考虑空气阻力的情况下)。虽然，更进一步能适当通过施加电场或者气流，使这些细小液滴的运动更具有方向性(图中未示)，但是，这种小动能的细小液滴落入所述光固化液容器1时，对光固化液容器1内已成型的模型实体几乎没有力学冲击，也不对光固化容器1内的液体产生明显扰动。在这种没有作用力扰动的条件下，已成型固化的固体和未成型固化的液体都是静止的，在一定时间范围内，也就是在该时间范围内其他干扰造成的已成型固化的固体的位移小于该实用新型设备的设计成型精度，这个时间范围取决于多种因素，例如，光固化液的黏度，已成型固化的固体的形状等即便立体模型有悬空结构或者已成型固化的固体是柔性体，都不需要支撑。实际应用中，由于外界震动干扰和热对流，对于长时间的悬空结构最好使用少量支撑结构，即便如此，这种支撑结构因为受力小，也可以明显地简化。如图5所示，本实施例中由于均衡挡板26要遮挡一些细小液滴，均衡挡板26底部的中部高于四周，并且铺液外壳3局部最低处开有排液孔27，优选排液孔27为4个或6个，这样，被遮挡的细小液滴可以汇合后从排液孔27流出。同时，如图1所示，在机架21的工作台2安装光固化液容器1的周边设有光固化液回收槽15，经排液孔27流出的以及铺液装置铺液时洒落在光固化液容器1外的光固化液通过光固化液回收槽15流出，光固化液被设置在光固化液回收槽15下方的回收装置收集(图中未画)进行回收再利用。压电超声波雾化装置对可雾化光固化液的黏度有一定要求，通常不超过50厘泊(cP)，本实施例中还优选在所述雾化装置5上设置加热装置，采用升高温度的办法，降低光固化液的黏度。提高光固化液容器内的光固化液的黏度有利于立体模型成型的稳定，更进一步，在光固化液容器1外部通过安装冷却装置，用来降低其内部光固化液的温度，从而降低容器内光固化液的黏度。光固化液能采用光敏树脂、光敏水凝胶或者其它光敏固化的液体。另外，也采可以用光热固化实现该实用新型的方案。例如，用二氧化碳激光通过振镜或者移动反射镜扫描光固化液表面，由产生的高温使光固化液固化。其中投射装置9不仅限于激光扫描装置，还能使用面投影装置，例如，采用DLP技术的紫外光投影装置。由于铺液装置在光固化液容器1上的成型平台16铺设很薄的光固化液，厚度为小于100um，测量光固化液液面的实际高度能提高成型精度。本实施例中，液面探测装置选用光学反射式探测装置，由将探测光线照向光固化液面的发光器10和接收液面反射探测光线的光敏传感器7构成，发光器10采用小功率红外激光，光敏传感器7选用线形CCD或者CMOS图像传感器件。

本实用新型中均衡槽25工作原理如下所述：对于特定固化液，雾化装置5产生的雾化液滴密度可以表示为三元函数，即d(x,y,z)，其中x，y是与雾化喷嘴垂直面的水平坐标，z是工作平面的高度，也就是喷嘴到固化液上表面的距离。因为工作高度是固定的，即z＝z0，z0是喷嘴到固化液上表面的工作距离，所以所述雾化装置产生的雾化液滴密度可以表示为dz0(x,y)。例如，当y＝0时雾化液滴密度曲线示意图，如图6所示。雾化装置5产生的细小液滴在工作平面上的密度分布是不均匀的，也就是说这些细小液滴落到光固化液容器1上表面形成液滴分布的密度是不均匀的，直接用雾化装置5铺液会导致形成的光固化液层厚度不均匀。举例说明的是一种中心密度高的单峰液滴密度分布曲线，实际分布也可能是双峰或多峰的密度分布曲线。为了使采用雾化装置5的铺液装置能够在光固化液容器1上表面铺设厚度均匀的光固化液，需要根据液滴分布的密度调整其等效出口尺寸，也就是调整所述均衡槽25开口宽度，即在液滴的均衡挡板26上开有曲线形状的开口的均衡槽25。如图7所示，为简化分析，将所述均衡槽25的开口沿z方向投影到固化液上表面，所述均衡槽25的工作运动方向为宽度方向，即x方向；所述均衡槽25的运动平面内与所述宽度方向垂直的方向为长度方向，即y方向，对于任意给定长度方向的位置y，所述均衡槽25开槽的起始点表示为x1(y)，结束点表示为x2(y)。工作时，铺液壳体3，也就是均衡槽25，沿x方向做直线匀速运动，工作面上对应某个y值位置，x方向各个位置获得细小液滴的数量，也就是x方向铺液厚度，是一致的，如公式(1)所示：

$A\left(y\right)={\∫}_{x1\left(y\right)}^{x2\left(y\right)}\frac{d_{z0}(x,y)}{v}dx\mathrm{......}\left(1\right),$

为使得工作液面y方向的厚度也是一致的，即整个平面的各个方向厚度均匀，要求所述均衡槽25在工作长度范围，如图7所示，y1至y2中对应的各个y值，其A(y)相等。所谓工作长度就是均衡槽25对应工作液面部分的长度，当均衡槽25的长度大于液面y方向尺寸时，只有中间一段为工作长度。如图7的y1至y2，对于均衡槽25两端已经不在工作长度范围内的部分，应采用适合加工的形状以便于加工；当工作面y尺寸大于均衡槽长度时，也就是说铺满液面要多行扫描时，整个均衡槽25长度都是工作长度。为使所述均衡槽25在工作长度范围，y1至y2内任意y值，其A(y)相等，可以通过多遍数值计算的方法获得均衡槽25开口尺寸的理论值，其具体步骤是：

1)通过测量获得雾化液滴密度dz0(x,y)；

2)根据铺液壳体3的尺寸，将x1(y)和x2(y)初始设置为外壳两侧的边缘的位置，适当保留安全距离以便于加工；

3)为便于计算，设定速度为常量v＝1，并在y方向y1至y2区间，取N个y采样点来计算开口曲线，即ys1,ys2,ys3…ysN；

4)第一遍扫描计算,令y＝ys1,ys2,ys3…ysN，根据算式1计算A(y)，并保留A(y)的最小值Amin；

5)第二编扫描计算，令y＝ys1,ys2,ys3…ysN，并且A(y)＝Amin，数值求解x1和x2，获得N个y采样点的x1(y)和x2(y)；为便于计算和加工，设定x1和x2沿y轴对称，即x1<0，x2>0并且–x1＝x2；

6)由x1(y)和x2(y)确定均衡槽开口的理论形状。

从理论上计算，所述均衡槽25在工作长度范围内的所述长度(y)方向上各点对应的沿所述宽度(x)方向的所述均衡槽25开口内(x1至x2)的雾化液滴密度的定积分的值为常量。因为理论分析中的简化过程，数值计算的误差，以及雾化液滴下落过程的非线性，所述均衡槽25实际开口宽度还需要根据实际测量做最终的微调优化，这种微调反映在理论计算上的均方差在工作长度范围内不超过10％。对应所述N个y采样点，微调后开口宽度为x1t至x2t，于是，

$Ati={\&Integral;}_{x1ti}^{x2ti}{d}_{z0}(x,{\mathrm{ys}}_i)dx\mathrm{......}\left(2\right),$

(2)式中，i＝1,2,3…N,其算术平均值，

$\mathrm{\&mu;}=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{\mathrm{At}}_i}{N}\mathrm{......}\left(3\right)$

均方差，

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{({\mathrm{At}}_i-\mathrm{\&mu;})}^2}\mathrm{......}\left(4\right),$

$\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&mu;}}\&le;10\%\mathrm{......}\left(5\right),$

式(5)中，该均方差小于10％。

本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种立体模型成型设备，其特征在于，所述成型设备包括设有工作台(2)的机架(21)，所述工作台(2)上设有筒形结构且开口向上的光固化液容器(1)，所述筒形结构内设有与升降杆(20)连接进行上下运动的成型平台(16)，所述筒形结构内壁与所述成型平台(16)之间设有密封圈，所述升降杆(20)与设置在底板(18)上的驱动装置(19)连接，所述成型平台(16)的上方设有在导轨(12)上进行往返运动的铺液装置，所述铺液装置与设置在机架上的水平驱动装置连接，所述铺液装置设有铺液壳体(3)和雾化装置(5)，所述雾化装置(5)设有与供给光固化液装置连接的光固化液入口(6)，所述雾化装置(5)包括与所述光固化液入口(6)连接的雾化喷嘴(23)，所述雾化喷嘴(23)设置在所述铺液壳体(3)内，所述机架(21)上位于所述成型平台(16)上方设有固化光投射装置(9)，所述机架(21)位于所述成型平台(16)上方设有液面高度位置探测装置。

2.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述铺液壳体(3)底部设有均衡挡板(26)，所述均衡挡板(26)上设有开口的均衡槽(25)，所述均衡槽(25)的工作运动方向为宽度方向，所述均衡槽(25)的运动平面内与所述宽度方向垂直的方向为长度方向，所述均衡槽(25)在工作长度范围内的所述长度方向上各点对应的沿所述宽度方向的所述均衡槽开口内的雾化液滴密度的定积分值的相对均方差不超过10％。

3.根据权利要求2所述立体模型成型设备，其特征在于，所述均衡挡板(26)为相对于成型平台(16)呈中间高四周低的弧形结构，所述均衡挡板(26)与所述铺液壳体(3)侧壁的交接处的局部最低部位设有至少一个排液孔(27)。

4.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述工作台(2)上设有光固化液回收槽(15)，所述光固化液回收槽(15)下部设有光固化液回收装置。

5.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述雾化装置(5)包括液体喷嘴、空气超声喷嘴或低频超声波喷头的一种或几种。

6.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述固化光投射装置(9)为面投影装置或者光束扫描装置。

7.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述光固化液容器(1)外部设有冷却装置。

8.根据权利要求1所述立体模型成型设备，其特征在于，所述雾化装置(5)上设置有加热装置。