CN208962477U - 一种3d打印用准直均匀的光源系统及打印系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种3D打印用准直均匀的光源系统及3D打印系统，光源系统包括：能够发射光束的光源装置、用于改变光源所发射光束方向的反射装置，使得光束在掩膜上形成的光点能够动态扫描掩膜。本实用新型采用的是能量集中且准直度极高的激光作为光源，并采用逐点扫描的方式，激光光束扫描覆盖整个掩膜的图文显示区域，任何区域的能量均一致，而传统的光源系统随着图文显示区域以及离光源的距离增大，能量差异有数倍之大。

Description

一种3D打印用准直均匀的光源系统及打印系统

技术领域

本实用新型涉及3D打印技术领域，特别是用于3D打印的光源系统及3D打印系统。

背景技术

对于光敏材料的3D打印技术，目前广泛用于LCD(液晶面板)或类似装置作为的掩膜，以UV光源作为背光，实现图像显示，以完成光敏材料曝光的3D打印机构，目前采用的光源主要为高压或超高压汞灯，或金属卤素灯，或LED灯板，或封装集成LED灯，现有的3D打印系统中，通过LCD(液晶面板)或类似装置显示图文区域可以透射背景光源的紫外光，照射到光敏材料上发生光化学反应，光敏材料由液体变成固体，以完成曝光，非图文区域有效阻隔紫外光，避免该区域光敏材料获得有效曝光能量产生光化学反应，由于光化学反应的反应程度和曝光的能量有直接关系，达到能量临界点的光敏材料，即开始光化学反应，逐渐由液体变为固体，曝光能量越强，固体的交联密度越高，即坚实程度越高，展现的相应物理化学性能也越好。

对于现有技术，上述的光源能量分散，准直度差，这种缺点会导致透过液晶面板用于光敏材料曝光的光源在不同区域有不同的能量分布，导致打印件精度下降，曝光均匀度差，尺寸误差，成型面失焦无法离液晶屏幕太远，或使用透镜组导致的光源能量损失。

实用新型内容

本实用新型针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的即是通过控制光源的透射方式，将其修正成为分布均匀且准直度极高的背景光源，从而避免了能量分散不均匀，准直度差导致的以上诸多打印缺陷，具体的，提供了一种3D打印用准直均匀的光源系统及打印系统。

一种3D打印用准直均匀的光源系统，包括：能够发射光束的光源装置、用于改变光源所发射光束方向的反射装置，使得光束在掩膜上形成的光点能够动态扫描掩膜。

进一步的，反射装置包括：

反射光束的线状反射单元，使得掩膜上的光点动态扫描成线；

作用于线状反射单元的面状反射单元，使得线状反射单元反射得到的成线的光点动态扫描成面。

进一步的，线状反射单元为旋转反射装置，其侧边设有用于反射光束的若干反射面，使得旋转反射装置在旋转或者反射面摆动时，经反射面反射的光束在掩膜上的光点扫描成线。

进一步的，线状反射单元通过旋转得到光点扫描成线时，面状反射单元为用于同步移动旋转反射装置和光源的横向位移往复机构，使得光束对于旋转反射装置的入射角度不变，并且横向位移往复机构往复运动时掩膜上线状扫描光点动态扫描成面。

或者，面状反射单元为摆动位移往复机构，用于改变光束与旋转反射装置入射角度的摆动位移往复机构，使得旋转反射装置在旋转同时扇形摆动。

进一步的，线状反射单元通过反射面摆动得到光点扫描成线时，面状反射单元为旋转驱动机构，使得旋转反射装置在旋转驱动机构作用下旋转。

进一步的，旋转反射装置为棱柱体，各反射面呈环状设置于旋转反射装置侧面的外表面，其以棱柱体的轴心为旋转中心进行旋转；反射面为平面或曲面。

进一步的，旋转反射装置数量为一个以上，每个旋转反射装置反射一个光源的光束，旋转反射装置依次设置，使得掩膜上扫描成线的光点组成扫描面。

进一步的，光源数量为一个以上，同一时刻各光源发射的光束对于反射面具有不同的入射方向。

进一步的，光源为紫外线激光器。

本实用新型还公开了一种3D打印系统，包括上述的光源系统，以及掩膜和料槽，并且光源系统、掩膜、料槽依次设置，使得光束穿过掩膜照射到料槽内的光敏材料上。

进一步的，光源系统与掩膜间设有折射层装置，使得光束穿过折射层装置后与掩膜垂直。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型采用的是能量集中且准直度极高的激光作为光源，并采用逐点扫描的方式，激光光束扫描覆盖整个掩膜的图文显示区域，任何区域的能量均一致，而传统的光源系统随着图文显示区域以及离光源的距离增大，能量差异有数倍之大。

传统光源系统由于发光单元不同，通常是点光源，照射到掩膜如LCD或类似装置上透射光处于漫反射状态，会造成非图文区域的副反应，影响3D打印的锐利度，通常会通过降低曝光面离掩膜的距离来降低光源准直度差的影响。本方案光源准直度高，无多余方向光线，3D打印锐利度极高，且曝光面可以不用紧贴掩膜。

传统光源系统为了提高准直度和光源均匀度，通常采用透镜组或者反光镜来降低准直度低和光源均匀度低造成的负面影响，但是这样同时由于光源多次反射折射造成了大量的能量损失，降低了效率，而本方案由于由点至面的扫描方式，结构复杂度低，能量损失小。

传统方式由于是整个面同时曝光的，导致整个非图文区域都长期在紫外光的照射之下，对于屏幕老化影响严重，本方案可以控制激光仅在图文区域往复扫描，降低了其它非图文区域的老化风险，提高了LCD(液晶面板)或类似装置的耐用性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是光源系统的结构示意图；

图2是旋转反射装置的结构示意图；

图3是旋转反射装置的扫描成线原理图；

图4是旋转反射装置的扫描成面原理图；

图5是反射面摆动的结构原理图；

图6是3D打印系统的结构原理图。

其中，1-光源装置，2-旋转反射装置，201-反射面，3-掩膜，4-连接轴，5-折射层装置，6-料槽。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

如图1所示，一种3D打印用准直均匀的光源系统，包括：能够发射光束的光源装置1、用于改变光源所发射光束方向的反射装置，使得光束在掩膜3上形成的光点能够动态扫描掩膜3。现有技术中，为了保证光束能够全面覆盖到掩膜3，通过散射等方式扩大照射的面积，但却降低了光的强度，本实用新型通过发射的方式改变光束的方向，最大程度保证了光照射的强度，为保证光的全面覆盖掩膜3，本实用新型并非同时照射整个掩膜3，而是通过光点快速移动扫描形成线，在通过移动扫描该线形成面，进而达到光线照射覆盖整个掩膜3的目的，也就是人们常说的点动成线、线动成面的体现。

上述的动态光照覆盖主要由反射光源装置1发出光束的反射装置完成，其包括：反射光束的线状反射单元，使得掩膜3上的光点动态扫描成线；面状反射单元，使得成线的光点动态扫描成面。优选的，通过线状反射单元改变的光点动态扫描成的为线段且所述的动态扫描为循环扫描，该循环有扫描周期，线状反射单元开始运作时，光点位于所述线段的某一点上，该点可以视为该周期的起始点，当线状反射单元运行了一个周期后，无论终点在何处，下一个周期光点又从起始点开始扫描，进而通过光点快速的扫描达到和通过照射一样的覆盖效果，但强度更高。在掩膜3上，线状反射单元与面状反射单元改变的光点的方向不平行，否则面状反射单元只会让扫描形成的线段更长，却无法扫描形成面。

本实施例中，本实用新型公开了一种线状反射单元的具体结构，如图2所示，线状反射单元为旋转反射装置2，其侧边设有用于反射光束的若干反射面201，使得旋转反射装置2旋转时，经反射面201反射的光束在掩膜3上的光点动态扫描成线。旋转反射装置2的旋转方式为自转，即能够绕其上的一点/轴进行旋转，同时为保证扫描成的线是连续的，则在其旋转时光束时刻都照射在反射面201上。旋转反射装置2通过自转形成上述的周期，使得光点能够反复扫描成一条线段，具体的周期还需根据旋转反射装置2的形状及反射面201的设置方式决定，其中，最大的扫描周期为旋转反射装置2旋转一周。

优选的，各反射面201呈环状设置于旋转反射装置2侧面的外表面，这里所述的环状并非单指一个反射面201为环状，而是指所有反射面201呈环状设置。所述的反射面201可以为平面或曲面，用户可以根据实际生产需要自行配置，反射面201可以采用常见的镜面结构。

优选的，旋转反射装置2为棱柱体，其以棱柱体的轴心为旋转中心进行旋转，为方便说明本文以图2所示的正六棱柱体为例，旋转反射装置2侧面有六个形状大小完全相同的矩形，这些矩形环形连接组成旋转反射装置2的侧面，每个矩形上设有相同的反射面201，所述的旋转中心为旋转反射装置2的中轴线，具体的，可以通过传动轴连接旋转反射装置2的两端的中心点，进而通过电动机带动传动轴使得旋转反射装置2旋转。本实施例(包括前、后文)中所述的通过电动机带动传动轴旋转、位移等结构均为广泛应用于机械相关领域的结构，本文不详细说明。

如图3所示，具体公开了光点扫描完成一个周期过程中旋转反射装置2的运动状态，对于反射面201A或其他反射面201而言，光束从其一端照射到另一端即为一个扫描周期，旋转反射装置2旋转一周共经过六个扫描周期。图中，A、A’、A”表示同一个反射面201A的三种位置状态，即周期初始位置A经过位置A’最终达到位置A”完成一个扫描周期，反射的光束La、La’、La”分别对应反射面201A的A、A’、A”三个位置状态，图片中最上方的横线即为掩膜3的侧视图，反射的光束La、La’、La”分别对应掩膜3上形成的光点P、P’、P”，综上，通过图3便能够清楚的了解光点扫描成线的原理，当旋转反射装置2逆时针旋转时，光点沿直线(P、P’、P”)移动，当到达P”时，一个扫描周期结束，光源装置1发出的光束照在反射面201A相连的另一个反射面201上，光点回到掩膜3的P位置，随着旋转反射装置2的不断旋转，光点也沿着线段(P、P’、P”)快速扫描，形成线状，等强度的照射在掩膜3上。

值得一提的是，本实施例仅为表述方便且节约篇幅，以六棱柱为例进行了说明，其他类型棱柱结构同样为本实用新型公开且要求保护的内容，对于非规则的棱柱体或类棱柱体，同样能够使得光点扫描成线，即便存在照射时间不均的情况，同样能够实现本实用新型最终应用于3D打印的目的。

形成了扫描的线状光点以后便要进一步扫描成光点面，在本实用新型的另一些实施例中，面状反射单元可以为由若干旋转反射装置2所组成的旋转反射组，该组内旋转反射装置2数量为一个以上，每个旋转反射装置2对应反射一个光源的光束，各光源发出光束的相对于旋转反射装置2的入射角度相同，旋转反射装置2依次设置，各自形成线状光点，且各线状光点依次紧贴排列，最终达到掩膜3上所有线状光点组成扫描面的效果，形成面状光点对掩膜3的全面覆盖。

在本实用新型的另一些实施例中，面状反射单元可以为由若干光源装置1组成的光源组，该组所包含的光源数量为一个以上，同一时刻各光源发射的光束对于反射面201具有不同的入射方向，每个光源通过旋转反射装置2在掩膜3上能够形成一条独立的线段，通过合理的设置光束的入射角度和位置，最终达到掩膜3上所有线状光点组成扫描面的效果，形成面状光点对掩膜3的全面覆盖。

在本实用新型的另一些实施例中，面状反射单元作用于线状反射单元，使得掩膜3上线状扫描光点动态扫描成面，作用于线状反射单元的面状反射单元目的在于进一步改变旋转反射装置2的运动状态，相比于上文所述的通过增加光源或旋转反射装置2，有效降低了成本。

优选的，面状反射单元为用于同步移动旋转反射装置2和光源的横向位移往复机构，使得光束对于旋转反射装置2的入射角度不变，并且横向位移往复机构往复运动时掩膜3上线状扫描光点动态扫描成面。为方便描述，这里引入直角坐标系，在光点照射的掩膜3上建立直角坐标系O-xy，其中，由旋转反射装置2反射的线状光点与轴O-x平行，该线状光点可表示为(x1，Y)，其中x1为可以取任意值的变量，Y为常量，而全面覆盖的光点可表示为(x1，y1)，即x1和y1均为变量。因此，横向位移往复机构的功能就在于移动旋转反射装置2和光源使得常量的Y变成变量的y1，旋转反射装置2和光源同步位移保证了光束的入射角度不便，即形成的线状光点始终保持不便，横向位移往复机构沿轴O-y所在直线平移即可使常量Y由常量变为变量，也就是使线状光点沿O-y所在直线移动且为往复移动，最终达到掩膜3上所有线状光点组成扫描面的效果，形成面状光点对掩膜3的全面覆盖。本实施例优选横向位移往复机构采用与线状光点垂直的方向进行反复移动，实际上，只要移横向位移往复机构移动的方向不与线状光点所在直线平行即可。横向位移往复机构同样可以采用传动轴和电动机实现，还可以通过现有的传动方向转换装置将电动机旋转的动力转换为水平位移的动力，具体结构及原理本文不详细说明。

优选的，面状反射单元为摆动位移往复机构，用于改变光束与旋转反射装置2入射角度的摆动位移往复机构，使得旋转反射装置2在旋转同时扇形摆动。摆动位移往复机构基于上述类型的原理，目的在于改变上述坐标系中常量Y使其成为可取任意值的变量。如图4所示，具体公开了面状反射单元旋转反射装置2的一个周期的运动状态，其中B为旋转反射装置2的初始位置，在摆动位移往复机构的作用下，以实时处于最上方的反射面201为圆心，优选的以反射面201的发射点为圆心进行扇形摆动，在平面的反射面201位置发生变化时，光束的入射角度也发生一定规律性变化，旋转反射装置2在摆动位移往复机构的作用下，随时间进行状态依次为：B-B’-B”-B，处于B、B’、B”状态时反射的光束分别为Lb、Lb’、Lb”，掩膜3上Lb、Lb’、Lb”对应的光点分别为Q、Q’、Q”，光点Q’到Q”即在摆动位移往复机构的作用下，旋转反射装置2将线状光点扫描成面状光点，常量Y成为变量y1。横向位移往复机构同样可以采用传动轴和电动机实现，也可以采用类似钟摆的机械结构，具体结构及原理本文不详细说明。

本实用新型的一些实施例中，光源装置1为紫外线激光器，其具有光束稳定、强度等优点。

实施例二

在实施例一中，旋转反射装置2先通过旋转将光线反射成扫描的线状光点，然后再通过旋转反射装置2的摆动使线状的光点扫描成面。本实施例中，采用与上述实施例一同样的装置、结构和原理，先通过旋转反射装置2摆动，进而使得旋转反射装置2上的反射面201相对于入射的光束具有不同的入射角度，并在掩膜3上形成线状光点(光点扫描成线)，然后通过旋转反射装置2旋转使得线状光点继续扫描成线，进而覆盖整个掩膜3。

旋转反射装置2摆动使得反射的光线动态扫描成线或成面，本质是让反射面201与固定不动的光束产生不同的入射角度，进而使得光点在掩膜3上扫描，为简化装置，旋转反射装置2整体可以不摆动，而仅仅是各反射面201摆动，如图5，展示了旋转反射装置2沿顶部反射面201垂直方向的剖面结构，反射面201并非固定在旋转反射装置2上，反射面201下面连有连接轴4，连接轴4可以由电动机驱动，带动反射面201以连接轴4为中心，周期性反复摆动，掩膜3上光点在沿其摆动方向产生位移，扫描成线；或者以实施例一公开的技术方案，扫描成面。

实施例三

如图6所示，本实用新型在实施例以公开的光源系统的基础上还公开了一种3D打印系统，包括实施例一所述的的光源系统，以及掩膜3和料槽6，并且光源系统、掩膜3、料槽6依次设置，使得光束穿过掩膜3照射到料槽6内的光敏材料上。

光源系统与掩膜3间设有折射层装置5，使得光束穿过折射层装置5后与掩膜3垂直，折射层装置5可以采用菲涅耳透镜，在将高速旋转的旋转发射装置上的反射点放置于菲涅耳透镜的焦距处，光束通过高速旋转的多面棱镜反射到菲涅尔透镜上，在菲涅尔透镜上发生折射，形成垂直于菲涅尔透镜的激光，菲涅尔透镜和LCD液晶面板或其他种类的掩膜3平行，该激光垂直透过LCD(液晶面板)或类似装置照射到光敏材料上，由于激光是通过点和线的往复扫描覆盖整个LCD(液晶面板)或类似装置区域内，各点的能量几乎相同，从而实现光源的准直照射和能量分布均匀。

以上得到的能量均匀且准直度极高的点阵面光源，垂直透过LCD(液晶面板)或类似装置的图文部分，从而实现图文部分的高锐利度还原，各曝光的区域能量均一，光化学反应一致，得到的聚合物性能稳定，精度极高。

通过旋转反射装置2的运动状态和轨迹，使得光点仅在有图文部分扫描，避免背景光源超期整面照射无图文部分，造成的非必要的LCD(液晶面板)或类似装置在紫外光源下快速损耗。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D打印用准直均匀的光源系统，其特征在于，包括：能够发射光束的光源装置，用于改变光源所发射光束方向的反射装置，所述光源为激光；其中反射装置包括：反射光束的线状反射单元，使得掩膜上的光点动态扫描成线，作用于线状反射单元的面状反射单元，使得线状反射单元反射得到的成线的光点动态扫描成面；线状反射单元为旋转反射装置，旋转反射装置为棱柱体，其侧边设有用于反射光束的若干反射面，各反射面是形状大小完全相同的矩形，呈环状设置于旋转反射装置侧面的外表面，其以棱柱体的轴心为旋转中心进行旋转，使得旋转反射装置在旋转或者反射面摆动时，经反射面反射的光点能够动态扫描掩膜。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印用准直均匀的光源系统，其特征在于，线状反射单元通过旋转得到光点扫描成线，面状反射单元为用于同步移动旋转反射装置和光源的横向位移往复机构，使得光束对于旋转反射装置的入射角度不变，并且横向位移往复机构往复运动时掩膜上线状扫描光点动态扫描成面；

或者，面状反射单元为摆动位移往复结构，用于改变光束与旋转反射装置入射角度的摆动位移往复机构，使得旋转反射装置在旋转同时扇形摆动。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印用准直均匀的光源系统，其特征在于，线状反射单元通过反射面摆动得到光点扫描成线时，面状反射单元为旋转驱动机构，使得旋转反射装置在旋转驱动机构作用下旋转。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印用准直均匀的光源系统，其特征在于，旋转发射装置数量为一个以上，每个旋转反射装置反射一个光源的光束，旋转反射装置依次设置，使得掩膜上扫描成线的光点组成扫描面。

5.根据权利要求1所述的一种3D打印用准直均匀的光源系统，其特征在于，光源数量为一个以上，同一时刻各光源发射的光束对于反射面具有不同的入射方向。

6.一种3D打印系统，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的光源系统，以及掩膜及料槽，并且光源系统、掩膜、料槽依次设置，使得光束穿过掩膜照射到料槽内的光敏材料上。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印系统，其特征在于，光源系统与掩膜间设有折射层装置，使得光束穿过折射层装置后与掩膜垂直。