CN206589338U - 用于光固化3d打印机的光路组件、树脂池和3d打印机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于光固化3D打印机的光路组件、树脂池和3D打印机，该光路组件包括用于发射光线的发光件(10)，罩设于所述发光件(10)上的准直镜罩(20)，以将所述发光件(10)发出向上的光线通过所述准直镜罩(20)作用后全部平行地射向所述光固化3D打印机的显示屏(30)。从而能够使得发光件发出向上的光线能够均匀地、平行地且更多地照射到3D打印机的显示屏上，避免光线产生发散现象，大幅提升光固化对比度，进而提高光固化成型精度。且从根本上简化3D打印机的光路系统的结构设计，减少光路系统零部件数量，使得最大程度缩短3D打印机的垂直方向空间尺寸，简化装配工序，从而降低3D打印机的制造成本。

Description

用于光固化3D打印机的光路组件、树脂池和3D打印机

技术领域

本公开涉及3D打印领域，具体地，涉及一种用于光固化3D打印机的光路组件、树脂池和3D打印机。

背景技术

SLA(Stereo Lithography Apparatus，立体光固化成型装置)的基本原理是：通过数据传输设备，将3D(three dimensional)打印对象的横截面图案一层一层地传输到显示屏上，显示屏上方有液态光敏树脂，然后用一定波长光照射显示屏，使得显示屏上方的液体树脂按照图案一层一层的固化，最终形成指定的3D打印对象。

如图1所示，为SLA领域内的常见的一种光路系统，其主要包括光源1、透镜2、菲涅尔透镜3和显示屏4。其中，透镜2和菲涅尔透镜3是用于提升3D打印机光固化对比度的，使光源1发出的光线能够均匀地、平行地、更多地照射到显示屏4上。然而这种光路系统在实际使用过程中效果欠佳，照射到显示屏4上的光线的均匀度较低，使得光固化对比度低，降低了光固化成型精度。具体地，光源1经过透镜2作用后，光线的平行度得到了一定提升，但是仍然存在发散现象，光强分布不均匀(在显示屏中间部分的光强较大，边缘部分的光强较小)，从而导致照射到显示屏4上的光线的均匀度较低。菲涅尔透镜3只是用于提升光线的平行度，它并不会提升光线的均匀度。经过实验测试，显示屏的中心光强能比边缘光强大一倍以上。光敏树脂固化时需要一定强度的光照射一定时间，例如某种光敏树脂在3D打印过程中固化一层时所需光强为2000lux，固化时间为10s。由于光线在显示屏上分布不均匀(中间大，两边小)，假设显示屏中心部分的光强为2000lux，边缘部分的光强为1000lux，边缘部分和中心部分之间的光强呈线性分布。于是显示屏中心部分上方的液态树脂受到光照射10s后将固化成型，而其他部分树脂的状态处于完全固化和完全液态之间。树脂在不同状态的密度是不一致的，因此降低了光固化成型精度。

从图1可知，为了获得一定区域的有效光照面积，光源1和透镜2与显示屏4之间必须满足一定的距离。倘若光源1和透镜2同步上移一段距离，光源1发出的光线照射在显示屏4上的有效光照面积将减小，从而导致可打印的横截面尺寸减小。而且透镜2与显示屏4之间的空间不得介入其他物质，否则会阻挡光路，从而影响光源利用率。因此为保证光源发出的光线能够更均匀且更多地照射在显示屏4上，光路系统占用3D打印机的垂直方向空间较多，增大了3D打印机的机身尺寸，从而增加了3D打印机制造成本。

实用新型内容

为克服现有技术中存在的问题，本公开提供一种用于光固化3D打印机的光路组件、树脂池和3D打印机。

根据本公开的第一方面，提供一种用于光固化3D打印机的光路组件，包括用于发射光线的发光件，罩设于所述发光件上的准直镜罩，以将所述发光件发出的光线通过所述准直镜罩作用后全部平行地射向所述光固化3D打印机的显示屏。

可选地，所述准直镜罩包括反射镜体，覆盖于该反射镜体上端的透射镜体，所述发光件发出的光线经过所述反射镜体的反射后平行射出，所述发光件发出的光线经过所述透射镜体的透射后平行射向所述显示屏。

可选地，所述反射镜体大体上形成为母线呈抛物线的回转体结构，该回转体结构的下端面形成有笼罩槽，所述发光件容纳于所述笼罩槽内且位于所述抛物线的焦点上。

可选地，所述反射镜体形成为反光碗，且所述发光件设置在所述反光碗的焦点上。

可选地，所述透射镜体形成为非球面透镜。

可选地，所述光路组件还包括用于承托所述发光件的第一基板，以及用于承托所述准直镜罩的第二基板，所述第二基板贴合并固定到所述第一基板上，所述发光件包括间隔设置于所述第一基板上的多个，且相邻的所述发光件之间的距离相等，所述准直镜罩包括间隔设置于所述第二基板上的多个，且每个所述准直镜罩一一对应地罩设于所述发光件上。

可选地，所述第二基板大体上形成为矩形板，所述多个准直镜罩构成有沿所述矩形板的长度方向等间隔设置的多排第一准直镜罩组，以及沿所述矩形板的宽度方向等间隔设置的多排第二准直镜罩组，且相邻的所述第一准直镜罩组之间的距离和相邻的所述第二准直镜罩组之间的距离相等。

可选地，所述光路组件还包括用于冷却所述发光件的冷却结构。

可选地，所述冷却结构为固定到所述第一基板上的散热板。

可选地，所述冷却结构形成为固定安装到所述第一基板上的冷却基板，以使得所述第一基板和所述冷却基板之间形成用于冷却介质流过的冷却流道。

根据本公开的第二方面，提供一种树脂池，包括用于容纳树脂材料且池底透光的树脂池体，贴合于所述池底上的显示屏，以及位于所述显示屏下方的根据本公开提供的光路组件。

可选地，所述显示屏和所述准直镜罩之间的距离小于或等于25mm。

根据本公开的第三方面，提供一种3D打印机，包括本公开提供的树脂池。

通过上述技术方案，通过将准直镜罩罩设于发光件上，使得发光件发出向上的光线通过准直镜罩的作用后能够全部平行地射向光固化3D打印机的显示屏，从而能够使得发光件发出向上的光线能够均匀地、平行地且更多地照射到3D打印机的显示屏上，避免光线产生发散现象，大幅提升光固化对比度，进而提高光固化成型精度。另外，由于射向显示屏的均为平行光束，还可以在保证显示屏足够大的有效光照面积的前提下，从根本上简化3D打印机的光路系统的结构设计，减少光路系统零部件数量，使得最大程度缩短3D打印机的垂直方向空间尺寸，简化装配工序，从而降低3D打印机的制造成本。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是现有技术中的3D打印机的光路系统的结构示意图；

图2是根据本公开的一示例性实施方式提供的光路组件的侧视图；

图3是沿图2中的剖面线A-A剖出的剖面结构示意图；

图4是第二基板和准直镜罩的装配图；

图5是第一基板和发光件的装配图；

图6是根据本公开的一示例性实施方式提供的冷却结构和发光件的处于装配状态的剖面示意图；

图7是根据本公开的另一示例性实施方式提供的光路组件和显示屏处于装配状态的剖面示意图。

附图标记说明

1 光源 2 透镜 3 菲涅尔透镜

4，30 显示屏 10 发光件 11 第一基板

12 第一发光件组 13 第二发光件组 20 准直镜罩

21 回转体结构 22 非球面透镜 23 第二基板

24 第一准直镜罩组 25 第二准直镜罩组 30 显示屏

40 散热板 50 冷却基板 50a 冷却流道

50b 冷却流道入口 50c 冷却流道出口

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是相对于附图的图面方向而言的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

如图2、图3和图7所示，本公开提供一种用于光固化3D打印机的光路组件，包括用于发射光线的发光件10，罩设于发光件10上的准直镜罩20，以将发光件10发出向上的光线通过准直镜罩20作用后全部平行地射向光固化3D打印机的显示屏30。

需要说明的是，此处“向上的光线”并非仅仅包括竖直向上的光线，还可以包括倾斜向上的光线。即，该“向上的光线”还可以包括具有沿竖直方向上的分量的倾斜光线。

在本公开中，发光件10例如可以包括但不限于LED灯，激光发射器等能够发射用于在3D打印过程中液态树脂固化所需波长的光的部件。显示屏30例如可以包括但不限于LCD(liquid crystal display)屏、OLED(Organic Light Emitting Display)屏等。

其中，准直镜罩具有准直光线的功能，即光线经过准直镜罩透射或者反射后均能够平行地射出。

这样，通过将准直镜罩20罩设于发光件10上，使得发光件10发出的向上的光线通过准直镜罩20的作用后能够全部平行地射向光固化3D打印机的显示屏30，从而能够使得发光件10发出的光线能够均匀地、平行地且更多地照射到3D打印机的显示屏30上，避免光线产生发散现象，大幅提升光固化对比度，进而提高光固化成型精度。另外，由于射向显示屏30的均为平行光束，还可以在保证显示屏30足够大的有效光照面积的前提下，从根本上简化3D打印机的光路系统的结构设计，减少光路系统零部件数量，使得最大程度缩短3D打印机的垂直方向空间尺寸，简化装配工序，从而降低3D打印机的制造成本。

在本公开中，作为一种示例性的实施方式，如图3所示，准直镜罩20可以包括反射镜体，覆盖于该反射镜体上端的透射镜体，其中，准直镜罩20可以采用分体式结构设计，例如将反射镜体和透射镜体二者进行粘贴以围成准直镜罩20；为提高光路组件的装配效率，准直镜罩20也可以一体成型，即，透射镜体一体形成于反射镜体上。发光件10发出的光线经过反射镜体的反射后平行射出，发光件10发出的光线经过透射镜体的透射后平行射向显示屏30。

在使用时，发光件10发出的一部分光线首先经过反射镜体的反射后平行地射向透射镜体，并经过透射镜体的透射后平行地射向显示屏30；发光件10发出的另一部分光线则避开了反射镜体而直接经过透射镜体的透射后平行射向显示屏30。即从发光件10发出的各个方向的光束最终均能够从透射镜体中平行地射向显示屏，从而避免射向显示屏的光线产生发散现象，大幅提升光固化对比度，进而提高光固化成型精度。

其中反射镜体可以具有多种实施方式，例如，在本公开的一种示例性的实施方式中，如图3所示，该反射镜体大体上形成为母线呈抛物线的回转体结构21，该回转体结构21的下端面形成有笼罩槽，该发光件10容纳于该笼罩槽内且位于该抛物线的焦点上。即，该发光件10位于该回转体结构的回转轴上。这样，发光件10发出的各个方向的光线经过该回转体结构的外侧面反射后，能够相互平行的射出，从而同时保证射向显示屏30的光线的均匀性和平行性。

在另一种实施例的实施方式中，反射镜体形成为反光碗，且发光件10设置在反光碗的焦点上。需要说明的是，此处的“焦点”是指反光碗的反光面以抛物面为基准所形成曲面对应的抛物线焦点。由于抛物线具有如下的光学性质，即经过焦点的光线经抛物线反射后的光线平行抛物线的对称轴。因此通过将发光件10设置在反光碗的焦点上，使得发光件10从各个方向发出的光线经过反光碗的反光面反射后均以平行于该反光碗的对称中心线而射出，从而同时保证了射向显示屏30的光线的平行度和均匀度。

在本公开的一示例性的实施方式中，为进一步地提高射向显示屏的光束的均匀度和平行度，如图3所示，透射镜体形成为非球面透镜22。这样，发光件10发出向上的光线中的避让开反射镜体的一部分能够经过非球面透镜22的透射后平行射出，且由于非球面透镜具有更佳的曲率半径，能够提高光束的均匀性的优点，因而能够显著地提高射向显示屏光束的均匀度。在其他可能的实施方式中，非球面透镜还可以用球面透镜替代。

为大幅度地提升光固化成型的效率，如图4至图7所示，光路组件还可以包括用于承托发光件10的第一基板11，以及用于承托准直镜罩20的第二基板23，第二基板23贴合并固定到第一基板11上。其中发光件10可以通过任意合适的方式安装到第一基板11上，例如发光件10可以以粘接、焊接、螺接或卡接的方式设置于第一基板11上，本公开对此不作限制。相应地，准直镜罩20也可以任意合适的方式设置于第二基板23上，例如可以包括但不限于粘接、螺接等装配方式。发光件10包括间隔设置于第一基板11上的多个，且相邻的发光件10之间的距离相等，准直镜罩20包括间隔设置于第二基板23上的多个，且每个准直镜罩20一一对应地罩设于发光件10上。换言之，准直镜罩20的数量和排列方式与发光件10的数量和排列方式均一致，且相连的准直镜罩20之间的距离也是相等的。以此方式，能够保证多个发光件10朝向显示屏30射出的光线的均匀度，且能够保证照射在显示屏30的足够大的光照强度，提升光固化成型效率。

进一步地，作为一种示例性的实施方式，如图4所示，第二基板23大体上形成为矩形板，多个准直镜罩20构成有沿矩形板的长度方向等间隔设置的多排第一准直镜罩组24，以及沿矩形板的宽度方向等间隔设置的多排第二准直镜罩组25，且相邻的第一准直镜罩组24之间的距离和相邻的第二准直镜罩组25之间的距离相等。即，每排第一准直镜罩组24包括沿矩形板的宽度方向等间隔设置的多个，每排第二准直镜罩组25包括沿矩形板的长度方向等间隔设置的多个。换言之，多个准直镜罩20呈阵列式地排列于第二基板23上。

相应地，如图5所示，第一基板11大体上形成为矩形板，多个发光件10构成有沿第一基板11的长度方向等间隔设置的多排第一发光件组12，以及沿第一基板11的宽度方向等间隔设置的多排第二发光件组13，且相邻的第一发光件组12之间的距离和相邻的第二发光件组13之间的距离相等。即，每排第一发光件组12包括沿第一基板11的宽度方向等间隔设置的多个，每排第二发光件组13包括沿第一基板11的长度方向等间隔设置的多个。换言之，多个发光件10呈阵列式排列于第一基板11上。

如上所述，第一基板11上设置有多个发光件10，例如该多个发光件10呈陈列式排列于第一基板11上，因此多个发光件10共同使用，必然带来大量热量，为保证3D打印机的工作效率不受影响，实现光路组件的快速散热，光路组件还包括用于冷却发光件10的冷却结构。

其中冷却结构可以有多种实现方式，如图5和图7所示，在本公开的一种实施方式中，冷却结构为固定到第一基板11上的散热板40。具体地，可以在散热板40上设置多个散热鳍片，以通过自然对流来实现然热。这样，通过散热板40将发光件10在发光过程中产生的热量传递到外部，从而能保证光路组件的正常工作。另外，在其他的变形方式中，还可以在散热板上设置风扇，以增强散热效果。

如图6所示，在本公开的另一实施方式中，冷却结构形成为固定安装到第一基板11上的冷却基板50，以使得第一基板11和冷却基板50之间形成用于冷却介质流过的冷却流道50a。在一种示例性的实施方式中，冷却基板50上形成有从冷却基板50的左端沿前后方向迂回延伸至冷却基板50的右端的蛇形槽，这样，当将冷却基板50的板面贴合固定于第一基板11上后，该蛇形槽和第一基板11共同围成该冷却流道50a，即该冷却流道50a形成为从冷却基板50的左端沿前后方向迂回延伸至冷却基板50的右端的蛇形管。这样，包括但不限于冷却水、冷却气体的冷却介质可以从冷却流道50a的冷却流道入口50b流入并从冷却流道出口50c流出，从而带走发光件10产生的热量。

在其他可能的实施方式中，上述冷却结构还可以为风扇，或者散热器。

本公开还要求保护一种树脂池，该树脂池可以包括用于容纳树脂材料且池底透光的树脂池体，贴合于池底上的显示屏30，以及位于显示屏30下方的如上文详细描述的光路组件。

进一步地，为便于将液态树脂固化时释放的大量热量及时散发出去，使得显示屏30能够在正常温度环境下工作，该树脂池还可以包括水冷结构，以用于冷却显示屏30和液态树脂。具体地，在一种示例性的实施方式中，该水冷结构可以包括水冷基板，水冷基板和显示屏贴合并固定连接，以在水冷基板和显示屏之间形成有水冷通道。这样，向水冷通道中不断注入冷却水，通过冷却水和显示屏之间的换热，可以极好地实现显示屏30的散热。另外，该水冷基板还能提供显示屏30的安装位置。

在安装时，首先可以将多个例如LED灯的发光件焊接到第一基板11上，然后将例如散热板的冷却结构安装到第一基板11上，接着将设置有多个准直镜罩20的第二基板23贴合安装到第一基板11上，并使得每个准直镜罩20罩设于相对应的发光件上，然后将第一基板11安装到3D打印机的相应位置上，随后将显示屏30安装到水冷基板上，并将水冷基板设置于树脂池的合适位置上，且使得显示屏30位于呈阵列式排列的多个发光件的上方。由于从准直镜罩中射出的光线为平行光束，因此从理论上来说，冷水基板和准直镜罩之间的距离可以设计地很小，甚至冷水基板的下表面可以贴合于准直镜罩的顶面，从而极大地减少了光路系统垂直方向空间尺寸，降低3D打印机的制造加工成本。

优选地，显示屏30和准直镜罩20之间的距离小于或等于25mm。

为突出本公开提供的光路组件、树脂池和3D打印机的有益效果，本公开将对3D打印机行业内的专业术语做相关介绍。具体地，光固化对比度是指显示屏显示待打印对象的横截面时，光源发出的光照射至显示屏上，显示屏中图案区域的光强数值与显示屏中图案区域外的光强数值的比值。光固化对比度越高，表明光源系统设计越合理，光源利用率越高。平行光源有助于提高光固化对比度数值，即光源发射的光平行度越高，光固化对比值也就越大，反之越小。但需要注意，由于显示屏自身特性，光固化对比值并不会无限增大，它会存在一个最大值。目前行业中，LCD 3D打印机的光固化对比度在50:1～100:1左右。而利用本公开提供的光路组件，能将光固化对比度值提高到500～800∶1左右，是现有技术的5～16倍。

基于此，影响光固化对比度的主要因素是光源发出的光的平行度，而与光源到显示屏的距离关系不大，可以忽略。如图1所示，经过透镜2作用后，没有出现平行光线，只是光线的发散角相比从初始发散角减小。而回到图3，经过反光碗和非球面透镜的作用，绝大多数的光线变成了平行光线，而这部分平行光线正是本公开的光固化对比度提高的直接原因。

另外，LED是一种发光二极管，其作为一种优良的发光光源，具有寿命长、省电、环保、体积小、响应快速、发光均匀稳定等众多优点。LED本身是一个近似的郎伯光源，其向上方发出的光线占全部光线的绝大部分，发出的光通量规律满足郎伯定律。其向上方发出的光强度空间分布可表示为：

式(1)中I₀为发光面在法线上的光强，I_φ为和法线方向成任意角度方向的光强。若忽略LED自身的面积大小，则容易得到LED和显示屏的距离r时，显示屏上的光强分布为：

从式(2)可以看出，LED发出的光线在LCD屏幕上产生的光照强度随着出射角φ的增大而迅速衰减。在现有技术中面的光源和显示屏的距离大概在150mm左右，本公开提供的光路组件的发光件和显示屏的距离小于25mm。即，现有技术中光源和显示屏间的距离大于本公开的光源和显示屏间的距离5倍，从公式2可以看出，光强直接提升25倍，极大提高的光源的利用率。

本公开还要求保护一种3D打印机，该3D打印机包括上文所描述的树脂池。

当3D打印机正常工作时，显示屏呈现出目标打印对象的各个横截面，显示屏上方为液体光敏树脂，呈阵列式排列于第一基板11上的多个发光件发出的光线经过呈阵列式排列于第一基板11上的多个准直镜罩20后照射于显示屏，使得显示屏上方的液体树脂按照图案一层一层的固化，最终形成指定的3D打印对象。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (13)

1.一种用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，包括用于发射光线的发光件(10)，罩设于所述发光件(10)上的准直镜罩(20)，以将所述发光件(10)发出向上的光线通过所述准直镜罩(20)作用后全部平行地射向所述光固化3D打印机的显示屏(30)。

2.根据权利要求1所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述准直镜罩(20)包括反射镜体，覆盖于该反射镜体上端的透射镜体，所述发光件(10)发出的光线经过所述反射镜体的反射后平行射出，所述发光件(10)发出的光线经过所述透射镜体的透射后平行射向所述显示屏(30)。

3.根据权利要求2所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述反射镜体大体上形成为母线呈抛物线的回转体结构(21)，该回转体结构(21)的下端面形成有笼罩槽，所述发光件(10)容纳于所述笼罩槽内且位于所述抛物线的焦点上。

4.根据权利要求2所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述反射镜体形成为反光碗，且所述发光件(10)设置在所述反光碗的焦点上。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述透射镜体形成为非球面透镜(22)。

6.根据权利要求1所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述光路组件还包括用于承托所述发光件(10)的第一基板(11)，以及用于承托所述准直镜罩(20)的第二基板(23)，所述第二基板(23)贴合并固定到所述第一基板(11)上，所述发光件(10)包括间隔设置于所述第一基板(11)上的多个，且相邻的所述发光件(10)之间的距离相等，所述准直镜罩(20)包括间隔设置于所述第二基板(23)上的多个，且每个所述准直镜罩(20)一一对应地罩设于所述发光件(10)上。

7.根据权利要求6所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述第二基板(23)大体上形成为矩形板，所述多个准直镜罩(20)构成有沿所述矩形板的长度方向等间隔设置的多排第一准直镜罩组(24)，以及沿所述矩形板的宽度方向等间隔设置的多排第二准直镜罩组(25)，且相邻的所述第一准直镜罩组(24)之间的距离和相邻的所述第二准直镜罩组(25)之间的距离相等。

8.根据权利要求6或7所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述光路组件还包括用于冷却所述发光件(10)的冷却结构。

9.根据权利要求8所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述冷却结构为固定到所述第一基板(11)上的散热板(40)。

10.根据权利要求8所述的用于光固化3D打印机的光路组件，其特征在于，所述冷却结构形成为固定安装到所述第一基板(11)上的冷却基板(50)，以使得所述第一基板(11)和所述冷却基板(50)之间形成用于冷却介质流过的冷却流道(50a)。

11.一种树脂池，其特征在于，包括用于容纳树脂材料且池底透光的树脂池体，贴合于所述池底上的显示屏(30)，以及位于所述显示屏(30)下方的根据权利要求1至10中任一项所述的光路组件。

12.根据权利要求11所述的树脂池，其特征在于，所述显示屏(30)和所述准直镜罩(20)之间的距离小于或等于25mm。

13.一种3D打印机，其特征在于，所述3D打印机包括根据权利要求11或12所述的树脂池。