一種光刻式的3d列印的製造方法

2023-06-30 13:23:41

一種光刻式的3d列印的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光刻式的3D印表機，屬於光刻【技術領域】，包括：光源系統、圖像系統、投影系統、機械系統、電控系統五個子系統。系統獲取列印物體的三維模型數據，並按高度方向分解成厚度統一的薄層後，用圖像系統生成每一薄層的曝光圖形，在光源系統照明下，經投影系統投影成像，使曝光層的光刻膠固化，在機械系統夾持已固化光刻膠步進平移動作下完成三維掃描，得到高精度的三維實體。本發明的優點在於：系統區別於傳統3D列印，提高了精度列印精度和效率，可靠性較高。
【專利說明】一種光刻式的3D印表機
【技術領域】
[0001]本發明涉及光刻技術、3D列印技術，尤其涉及投影光刻技術和無掩膜光刻技術，特別涉及一種光刻式的3D印表機。
【背景技術】
[0002]傳統的3D列印一般採用「熔融沉積」或「雷射燒結」法，即在現有物體3D模型數據可用的前提下，對每一層進行分解，得到每一薄層的圖像，通過在噴頭內高溫加熱將原料熔融成液態後噴射在薄層圖像上，經冷卻後得到薄層，或者將微小顆粒鋪平，用雷射掃描薄層圖像，使顆粒融化凝結成薄層；再經層層疊加後得到三維實體。
[0003]用傳統方法進行3D列印有以下不足:控制複雜，列印時微小的影響都導致液滴或顆粒的不穩定，而且每個薄層圖像都由二維掃描所得，對控制精度要求較高；列印速度慢，每個薄層圖像都需二維掃描，速度較慢；精度不高，液滴或顆粒的尺寸都較大，難以獲得高精度的三維實體，且難以突破精度的瓶頸；能耗較大，需要加熱或雷射，產生較多能耗；汙染空氣，若採用「雷射燒結」法，燒結時難免使微小顆粒散發到空氣中，形成微小的懸浮顆粒，降低空氣品質。

【發明內容】

[0004]針對傳統的3D列印方法存在的不足，本發明提供了一種光刻式的3D印表機的設計方案。將傳統方法的熔融或燒結替換為光致固化，即將光束照射在液態的列印材料上使其固化，最終形成高精度的三維實體。在實現形式上，採用了無掩膜動態生成圖形的方式，減少了傳統光刻應用中需要製作掩膜的成本，簡化了工藝，提高了 3D列印的效率。
[0005]為達到上述目的，本發明採用以下技術方案:一種光刻式的3D印表機，該3D印表機有五個子系統:光源系統、圖像系統、投影系統、機械系統和電控系統，所述光源系統發出多束獨立的平行光，通過所述圖像系統的反射得到帶有圖像信息的光束，所述投影系統將光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近的一層光刻膠固化，固化的光刻膠由所述機械系統夾持移動，通過在垂直於曝光面的方向上的移動完成三維掃描，最終得到三維實體，整個系統由所述電控系統統一控制。
[0006]進一步的,所述的光源系統包括LED光源、平行光管和擴束鏡,光源系統中LED光源發出的發散光經平行光管後分為多束各自獨立的各個方向的平行光，經擴束鏡擴大光束的照明截面，其中平行光管的分光作用由內置的光纖束或者積木蠅眼透鏡產生。
[0007]進一步的，所述的圖像系統採用DMD器件，圖像系統核心部件即為所述DMD器件，用於產生曝光的圖像，它放置於4f系統的像面上，通過調節各個像素點的反射微鏡的角度產生曝光圖像。
[0008]進一步的，所述的投影系統包括4f系統和平面反射鏡，投影系統中，DMD器件和光刻杯內底面分別位於4f成像系統的物面和像面上；4f系統由前後兩個透鏡組構成，在兩透鏡組之間的頻譜面上根據實際需求放置光瞳濾波器，系統工作前調節投影系統的光瞳濾波器，以滿足列印任務所要求的像質和焦深。
[0009]進一步的，所述的機械系統包括杯架、光刻杯、列印基底、絲槓，杯架與光刻杯同心，其支撐面的中心鏤空，使曝光光束可以穿過杯架照射到光刻杯內底面，並在鏤空處加工一個與光刻杯直徑匹配的沉孔，用於放置並固定光刻杯；列印基底由絲槓旋轉的傳動作用沿絲槓軸向作平移運動。
[0010]進一步的，所述的電控系統包括電源模塊、電機控制電路、DMD控制電路、光柵尺、驅動電機和計算機，電控系統中，電機控制電路和DMD控制電路完成的都是單步的控制動作，3D印表機工作時的流程由計算機向控制發送控制命令來控制。
[0011]本發明的原理在於:
[0012]首先將物體的三維模型切分為多個薄層，由DMD器件產生物體的薄層圖像，在光源系統發出的多束平行光照射下，經投影系統的投影成像，將薄層圖像曝光在光刻杯內底面上，使該平面附近的列印材料固化而形成固態薄層，再通過機械系統在垂直於曝光面的方向上平移，實現二維掃描，從而完成二維實體的列印。
[0013]整個3D列印系統由光源系統、圖像系統、投影系統、機械系統、電控系統五個子系統。光源系統由LED光源、平行光管和擴束鏡組成，圖像系統主要為DMD器件，投影系統由4f系統和平面反射鏡組成，機械系統由杯架、光刻杯、列印基底、絲槓組成，電控系統由電源模塊、電機控制電路、DMD控制電路、光柵尺、驅動電機組成。上述的光源系統可發出多束獨立的平行光。其中平行光管內置光纖束或在光束出射的端面放置一塊積木蠅眼透鏡，使LED光源發出的發散光經過平行光管後分為多束各自獨立的各個方向的平行光，然後通過擴束鏡，擴大光束截面。上述的圖像系統在光源系統發出的多束平行光束照射下，由計算機通過電路控制DMD器件調整每個像素點出的反射微鏡，反射出帶有薄層圖像信息的光束。上述的投影系統的主體為一個4f成像系統，DMD器件和光刻杯內底面分別位於4f成像系統的物面和像面上；4f系統由前後兩個透鏡組構成，在兩透鏡組之間的頻譜面上放置光瞳濾波器，系統工作前調節投影系統的光瞳濾波器，以達到列印任務所要求的像質和焦深。上述的機械系統夾持固化的光刻膠沿著垂直於曝光面的方向，按固定的步進量平移，通過在垂直於曝光面的方向上的移動完成三維掃描，最終得到三維實體。上述的電控系統控制整個系統各部分協調運行。主控為計算機，從設備為電機控制電路和DMD控制電路，所述電機控制電路負責控制電機驅動、調整光瞳濾波器、接收光柵尺的反饋，所述DMD控制電路負責控制LED光源、DMD器件工作。電機控制電路和DMD控制電路的運行都是單步控制，系統工作的流程由計算機控制。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0015](I)簡化控制，對每個薄層列印時無需二維掃描，因此無需對每個點都進行一次精確控制，降低了控制的複雜度；
[0016](2)加快列印速度，每個薄層均是一次成型，無需二維掃描，大大提高了列印速度；
[0017](3)提高列印精度，系統採用曝光法列印，而光波的波長很小，由光學原理可知，曝光的圖像解析度高，且投影系統中採用了濾波器，優化了成像質量，提高列印精度；另外加工精度可以隨著光學技術和控制技術的發展而不斷提高，易於系統升級
[0018](4)降低能耗，無需加熱或雷射燒結，因此節省了系統的能耗；[0019](5)保護環境，列印材料沒有懸浮顆粒，整個加工過程清潔衛生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是光刻式3D印表機的整體結構圖；
[0021]圖2是光刻式3D印表機的光路示意圖；
[0022]圖3是光刻式3D印表機的曝光薄層的示意圖；
[0023]圖4是光刻式3D印表機的電控系統框圖；
[0024]圖5是光刻式3D印表機的電控系統中計算機控制流程圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖以及具體實施例進一步說明本發明。
[0026]如圖1所示，整個3D列印系統可分為五個子系統:光源系統、圖像系統、投影系統、機械系統、電控系統。所述光源系統由LED光源8、平行光管7和擴束鏡6組成,它發出多束獨立的平行光；所述圖像系統的核心部件為DMD器件3，它由計算機控制，通過調整每個像素的反射微鏡反射得到帶有圖像信息的光束；所述投影系統由4f系統5和平面反射鏡9組成，它將光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近的一層光刻膠固化，機械系統由杯架10、光刻杯11、列印基底12、絲槓13組成，夾持固化的光刻膠移動，以完成三維掃描；電控系統由電源模塊1、電機控制電路2、DMD控制電路4、光柵尺14、驅動電機15和計算機組成，統一控制整個系統，其中電機控制電路2控制驅動電機、接收光柵尺反饋和調整4f系統中透鏡組之間的光瞳濾波器，DMD控制電路控制DMD器件和LED光源，電源模塊對電控系統中除了計算機的設備供電。
[0027]如圖2所示，光路包括光源系統、圖像系統、投影系統和部分機械系統。其中投影系統中的每一個透鏡組在圖中用一塊透鏡表示。
[0028]光源系統中，LED光源8發出曝光的發散光束進入平行光管7 ;平行光管7的入射端放置一塊透鏡，內置多束光纖，使進入平行光管7的光束分束後進入光纖內，在平行光管的出射端，每根光纖出射的光束經過擴束鏡6擴束以後照射到DMD器件3上每個像素的反射微鏡上，這樣通過所有光纖的光束疊加，用積分的方法實現了均勻地照亮物平面，也可以在平行光管的出射端放置一塊積木蠅眼錯位透鏡，與光纖起相同的作用。另外，擴束鏡6中在透鏡的兩面均鍍上增透膜，避免光束因在透鏡內反射向中心處匯集而導致光照的不均勻。最後出射的光束為多束不同方向的平行光的總和。
[0029]圖像系統主要就是一塊DMD器件3，DMD器件是一個反射微鏡陣列。對於DMD器件上的每個像素點處的反射微鏡，受到不同方向的平行光照射，由計算機通過電路板控制每個微鏡的角度，若像素點在曝光圖像中，則調整微鏡角度使該像素點反射出的各個方向的平行光進入投影系統，並在像面重新匯聚成一點；若像素點不在曝光圖像中，則調整微鏡角度使該像素點的反射光不能進入投影系統；以上每個像素單獨成像，最終在像面上形成一個清晰的像。曝光列印後得到的三維實體的橫向解析度取決於DMD像素單元的解析度，如公式(I)所示，
[0030]σ = α/β⑴[0031]其中，σ為列印實體的橫向曝光尺寸，a為DMD像素尺寸，β為投影成像的縮小倍率。
[0032]投影系統分為4f投影系統5和平面鏡9，4f投影系統採用的結構為，物面和透鏡組A、透鏡組B和像面分別間隔透鏡的焦距，兩透鏡之間間隔兩透鏡組的焦距之和，即透鏡的焦點重合。選擇不同的兩透鏡的焦距大小，可以得到不同長短光路、物面圖像與像面圖像的縮放關係，其中，當前後兩個透鏡組焦距相同時，縮放比為1:1。
[0033]在兩個透鏡組之間重合的焦點處放置各種不同的光瞳濾波器，以適應不同的列印要求。最基本的濾波器可用環狀的帶通濾波器:一方面，由於光路的孔徑是有限的，因此在傳輸中丟失了圖像的高頻分量，使圖像的邊緣變得模糊，所述的濾波器可適當減少低頻分量的通過量，以降低模糊程度；另一方面，通過調節濾波器的透過區間的孔徑，以調整曝光的焦深。另外，當孔徑減小時，焦深增大，但同時能量減小，此時需要適當提高LED的發光功率，使焦深範圍內的光刻膠吸收足夠的能量而固化。
[0034]曝光使光刻膠固化時，必須調節所述的驅動電機驅動列印基底的步進量大小，使之與光學系統的焦深匹配。在焦深一定時，若步進量過大，則固化的薄層彼此不相連接；若步進量太小，則固化的薄層之間相互重疊，且精度大幅下降。單次曝光使光刻膠固化的厚度由4f光學系統的焦深決定，簡單的光學成像系統的焦深計算由公式(2)計算可得，當加入複雜的光瞳濾波器後，光學成像系統的焦深根據光瞳濾波器的參數，採用數值積分方法計算可得。
【權利要求】
1.一種光刻式的3D印表機,其特徵在於:該3D印表機有五個子系統:光源系統、圖像系統、投影系統、機械系統和電控系統，所述光源系統發出多束獨立的平行光，通過所述圖像系統的反射得到帶有圖像信息的光束，所述投影系統將光束成像到固定的曝光面，使曝光面附近的一層光刻膠固化，固化的光刻膠由所述機械系統夾持移動，通過在垂直於曝光面的方向上的移動完成三維掃描，最終得到三維實體，整個系統由所述電控系統統一控制。
2.根據權利要求1所述的一種光刻式的3D印表機，其特徵在於:所述的光源系統包括LED光源(8)、平行光管(7)和擴束鏡(6)，光源系統中LED光源(8)發出的發散光經平行光管(7)後分為多束各自獨立的各個方向的平行光，經擴束鏡(6)擴大光束的照明截面，其中平行光管(7)的分光作用由內置的光纖束或者積木蠅眼透鏡產生。
3.根據權利要求1所述的一種光刻式的3D印表機，其特徵在於:所述的圖像系統採用DMD器件(3)，圖像系統核心部件即為所述DMD器件(3)，用於產生曝光的圖像，它放置於4f系統(5)的像面上，通過調節各個像素點的反射微鏡的角度產生曝光圖像。
4.根據權利要求1所述的一種光刻式的3D印表機，其特徵在於:所述的投影系統包括4f系統(5)和平面反射鏡(9)，投影系統中，DMD器件(3)和光刻杯(11)內底面分別位於4f成像系統(5)的物面和像面上；4f系統(5)由前後兩個透鏡組構成，在兩透鏡組之間的頻譜面上根據實際需求可放置光瞳濾波器，並在系統工作前進行調節，以滿足列印任務所要求的像質和焦深。
5.根據權利要求1所述的一種光刻式的3D印表機,其特徵在於:所述的機械系統包括杯架(10)、光刻杯(11)、列印基底(12)、絲槓(13)，杯架與光刻杯同心，其支撐面的中心鏤空，使曝光光束可以穿過杯架照射到光刻杯內底面，並在鏤空處加工一個與光刻杯直徑匹配的沉孔，用於放置並固定光刻杯；列印基底由絲槓旋轉的傳動作用沿絲槓軸向作平移運動。
6.根據權利要求1所述的一種光刻式的3D印表機,其特徵在於:所述的電控系統包括電源模塊(I)、電機控制電路(2 )、DMD控制電路(4 )、光柵尺(14 )、驅動電機(15 )和計算機，電控系統中，電機控制電路(2)和DMD控制電路(4)完成的都是單步的控制動作，3D印表機工作時的流程由計算機向控制發送控制命令來控制。
【文檔編號】G03F7/20GK103631097SQ201310676063
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】馬馳飛, 王楠, 陳昌龍, 高洪濤, 陳銘勇, 嚴偉, 胡松 申請人:中國科學院光電技術研究所