光固化三維印表機及三維物體的成型方法與流程

2023-06-03 07:51:11

本發明涉及快速成型領域，具體地說，是涉及一種光固化三維印表機及三維物體的成型方法。

背景技術：

現有的三維（3d）列印技術根據不同的成型原理，其使用的材料也是多種多樣的，這些材料包括光敏樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（abs）、臘型等材料，還包括不鏽鋼、鈷鉻鉬合金、鋁合金等金屬類材料。然而，現有的列印方式一般只能逐行逐層列印，無法實現一次快速的成型一層或者是一次多層列印，因此存在列印速度慢的問題。

例如，如果列印的物體是圖1所示的物體80，該物體80包括多塊垂直延伸的板體81、82，還包括沿水平方向延伸的板體83，由於沿水平方向延伸的板體83並沒有垂直延伸的板體支撐，如果使用目前的列印方法，如使用dlp列印方式，即使用帶有噴頭的3d印表機將絲料加熱至熔融狀態後擠出成型，這種方式將無法列印如圖1結構的物體80。即使使用光固化技術，也無法直接列印獲得圖1結構的物體80，因此現有的3d列印技術對於列印特殊結構的物體存在技術上的障礙。

雷射具有波長短，解析度高，能量聚焦集中、穩定等優點，雷射在某位置的能量密度與雷射射出的光斑大小有關，光斑越小，能量密度越大。而雷射光斑大小可利用不同焦距透鏡進行調節。通過適當聚焦後，可以使雷射的能量密度進入加工區域之前低於加工材料的穩定值。而在加工區域，能量密度大於其穩定臨界值，從而可以直接破壞材料的化學鍵，改變其形態。而不會對其它部分的列印材料進行加熱，通常利用雷射這些特點得到加工表面良好，尺寸精度高的工件。利用上面雷射的特點和一些新型的材料，開發一種快速的3d印表機和列印方法就十分必要。

申請號為cn201110107639.6的中國發明專利申請公開了一種使用變光斑工藝的光固化快速成型方法，其雖然實現了三維列印中對雷射強度的控制作用，但是其成型原理仍然是以點固化的方式進行，其成型效率較低。

申請號為cn201510666973.3的中國發明專利申請公開了一種3d投影式光固化3d印表機，該印表機包括3d立體投影系統、樹脂盒和計算機控制的雷射器;將三維模型根據成型精度沿著z軸切片為二維面圖案;利用計算機控制雷射經過z軸聚焦振鏡和xy掃描，在液態光敏樹脂中形成三維立體圖像;雷射焦點處能量密度最高使光敏樹脂固化，而其他地方由於雷射能量密度低，光敏樹脂仍然保持液態，經過照射，在液體中固化出所需要的三維模型。這種成型方式在理論上具有成型快的特點，但是實際上其實現難度是非常高的，一方面，這種3d立體投影技術仍處於試驗階段，技術並不成熟，其在三維空間內控制雷射的強度不易實現，這就對成型過程的精度產生不良影響。並且，對於內部有空隙、空穴的三維物體，這種三維成型方式的效果也不理想，特別是在空穴的周圍表面的成型，有的時候是無法實現的。

技術實現要素：

針對現有的三維印表機存在的缺陷，本發明的主要目的是提供一種成型速率較高且成型過程合理、易控制的光固化三維印表機。

本發明的另一目的是提供一種成型速率快且易於控制成型過程的三維物體的成型方法。

本發明提供的光固化三維印表機,包括光敏樹脂槽，在光敏樹脂槽的至少兩個側面的外側設置有平面雷射單元，光敏樹脂槽與平面雷射單元對應的側壁上至少一部分為透明部分；平面雷射單元具有雷射器和聚焦透鏡，雷射器產生平面型雷射束，聚焦透鏡設置在雷射器的光路上，平面型雷射束在光敏樹脂槽內的聚焦位置可調節。

由上述方案可見，三維印表機在光敏樹脂槽的側面外側設置平面雷射單元，通過平面雷射單元的照射在垂直方向上逐層成型，改變了以外只能沿著水平方向逐層成型的列印模式，從而可以列印特殊形狀的物體，如在垂直方向上沒有支持的平板等，改變了傳統的三維列印技術只能水平列印的模式。

一個優選的方案是，光敏樹脂槽為長方體，光敏樹脂槽具有底壁和依次連接的四個側壁，每一個側壁和底壁均具有透明部分；平面雷射單元包括第一平面雷射單元以及第二平面雷射單元；至少一個側壁的外側設置有第一平面雷射單元，在光敏樹脂槽的槽口外側和/或底壁外側設置有第二平面雷射單元，每一個平面雷射單元可相對於光敏樹脂槽移動。

由此可見，通過在光敏樹脂槽的側壁外設置平面雷射單元，可以實現列印物體在垂直方向上逐層成型。

一個優選的方案是，光固化三維印表機還設置有用於抬升或者降低光敏樹脂槽鉛垂高度的升降單元，控制器分別與平面雷射單元、升降單元電連接並向平面雷射單元、升降單元輸出控制信號。

由上述方案可見，通過升降單元自動的對光敏樹脂槽進行抬升或者降低，可以有效的實現光敏樹脂槽的移動。

一個優選的方案是，光敏樹脂槽內盛裝有成型材料，成型材料具有核層和殼層，殼層包裹核層，當雷射束的強度在閾值以上時可破壞殼層，核層為光敏樹脂。

由上述方案可見，提高對光敏樹脂材料的保護作用，因為在這種三維印表機中，雖然在閾值以下的雷射束不會使得光敏樹脂固化，但是雷射束的能量依然會使得光敏樹脂發生一些性質變化而使得整個體統發生不穩定，特別是與閾值接近能量的雷射束，其對光敏樹脂的影響較為顯著。而殼層結構的設置則可以對核層的光敏樹脂起到很好地保護作用，避免其受到雷射束的幹擾。

一個優選的方案是，四個側壁的外側均設置有平面雷射單元，光敏樹脂槽的槽口外側也設置平面雷射單元。

由上述方案可見，在五個面的方向上設置平面雷射單元，這樣可以實現五個方向的同時列印，提高列印效率，並且這種印表機對於內部有空穴的三維物體，列印效果會更好。

一個優選的方案是，聚焦透鏡以前聚焦方式或者後聚焦方式實現平面型雷射束焦點位置的調節；或者通過把平面雷射單元固定在一個位置而移動光敏樹脂槽或者把光敏樹脂槽固定在一個位置而移動平面雷射單元實現平面型雷射束焦點位置的調節。

為實現上述的另一目的，本發明提供的三維物體的成型方法，包括：加料步驟，在光敏樹脂槽內加入光敏樹脂；平面雷射生成步驟，雷射器發出平面型雷射束，平面型雷射束進入到光敏樹脂槽的內部，同時，聚焦透鏡相對於雷射器移動而調節雷射束的焦點位置，在光敏樹脂槽給定的平面層內平面型雷射束的強度達到閾值以上；固化步驟，在光敏樹脂槽內處於閾值以上的光敏樹脂發生固化形成第一成型層；反覆對平面型雷射束的焦點位置進行調節並逐層形成固化光敏樹脂層，直至形成需要的三維物體。

由上述方案可見，本發明的列印方法通過在側面上逐層列印，列印效率高，並且平面型雷射束容易控制。

一個優選的方案是，三維物體的成型方法包括切片步驟，對於切片步驟得到的其中至少一個層劃分為至少包括第一部分和第二部分；第一部分由第一平面雷射單元發出的雷射束固化，同時，第二部分由第二雷射單元發出的雷射束固化。

一個優選的方案是，三維物體至少包括第一局部體和第二局部體；第一局部體由第三平面雷射單元發出的雷射束固化，同時，第二局部體由第四雷射單元發出的雷射束固化。

一個優選的方案是，在光敏樹脂槽內加入成型材料，成型材料具有核層和殼層，殼層包裹核層，核層為光敏樹脂；在平面雷射生成步驟中，當雷射束的強度在閾值以上時破壞殼層，殼層發生破壞後暴露出光敏樹脂，光敏樹脂在閾值以上的雷射束下發生固化。

一個優選的方案是，平面雷射單元具有雷射器和聚焦透鏡，聚焦透鏡以前聚集方式或者後聚焦方式實現平面型雷射束焦點位置的調節；或者通過把平面雷射單元固定在一個位置而移動光敏樹脂槽或者把光敏樹脂槽固定在一個位置而移動平面雷射單元實現平面型雷射束焦點位置的調節；光敏樹脂槽的底壁與升降單元連接，光固化三維印表機還包括控制器，控制器分別與平面雷射單元、升降單元控制連接。

附圖說明

圖1是待列印物體的結構圖。

圖2是本發明光固化三維印表機第一實施例的結構圖。

圖3是本發明光固化三維印表機第一實施例的平面雷射單元的結構圖。

圖4是本發明光固化三維印表機第二實施例的結構分解圖。

圖5是本發明光固化三維物體的成型方法第二實施例的示意圖。

圖6是本發明光固化三維物體的成型方法第三實施例的示意圖。

圖7是本發明光固化三維物體的成型方法第三實施例的切片步驟的層劃分的示意圖。

圖8是本發明光固化三維物體的成型方法第四實施例的示意圖。

圖9是列印圖1所示的三維物體時結構示意圖。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。

具體實施方式

光固化三維印表機第一實施例

如圖2所示，本實施例的光固化三維印表機包括光敏樹脂槽10，光敏樹脂槽10為長方體，光敏樹脂槽10具有底壁11和依次連接的四個側壁12，每一個側壁12均具有透明部分，也就是每一個側壁12至少有一部分是透明的。至少一個側壁12的外側設置有平面雷射單元（未示出），在光敏樹脂槽10的槽口13外側設置有平面雷射單元20，每一個平面雷射單元20可相對於光敏樹脂槽10移動。當然，平面雷射單元20也可以設置在底壁11的下方。並且，光敏樹脂槽10上下兩端都可以設置平面雷射單元20。可選的，每一個側壁12正對平面雷射單元的部分是透明的，其他部分可以是不透明的。

如圖3所示，平面雷射單元20具有雷射器21和聚焦透鏡22，雷射器21可產生平面型雷射束23，聚焦透鏡22設置在雷射器21的光路上，聚焦透鏡22可相對於雷射器21移動。具體地，把雷射器21固定在一個位置後移動聚焦透鏡22，或者把聚焦透鏡22的位置固定而移動雷射器21。本實施例的雷射器21是能夠產生平面型雷射束的雷射器。平面型雷射束是指雷射形成二維方向上的面積大小可以調節的雷射平面，例如現有的雷射器可以通過x、y掃描振鏡得到平面型雷射束，例如，長春理工大學的徐亮亮的碩士論文，題目為《二維雷射振鏡掃描控制系統設計》的文章中介紹了一種二維雷射束的產生方法。在該論文，章節2.1描述到該二維雷射振鏡掃描控制系統由pc機、驅動器、電源、振鏡頭、雷射器、聚焦透鏡、掃描表面等部分組成。這裡的pc機、驅動器、電源、振鏡頭、雷射器、聚焦透鏡等部件就形成了本申請另外一種實施例的平面雷射單元。在章節2.3.1中，其給出了兩種聚焦方式，分別是前聚焦方式和後聚焦方式，這兩種聚焦方式構成本申請平面雷射單元的另一實施例。此外，在其它實施例中，平面雷射單元的整體與光敏樹脂槽之間的相對位置是可以調整的，例如把平面雷射單元固定在一個位置而移動光敏樹脂槽，或者把光敏樹脂槽固定在一個位置而移動平面雷射單元，這樣移動的目的也是為了調節平面雷射束在光敏樹脂槽內的焦點位置，移動的方式具體可以採用步進電機控制其在軌道上滑動。

光固化三維印表機第二實施例

如圖4所示，本實施例的光固化三維印表機包括光敏樹脂槽，光敏樹脂槽為長方體，光敏樹脂槽具有底壁和依次連接的四個側壁。具體地，四個側壁分別為第一側壁31、第二側壁32、第三側壁33和第四側壁34。在相對於底壁的一側，四個側壁圍繞形成的空間上方形成槽口16。四個側壁和底壁均由透明材料製成，透明材料是為了減少對雷射束的吸收作用。

在四個側壁的外側各自設置有一個平面雷射單元，分別為第一平面雷射單元25、第二平面雷射單元26、第三平面雷射單元27和第四平面雷射單元28。在光敏樹脂槽的槽口16外側設置第五平面雷射單元29。每一個平面雷射單元可相對於光敏樹脂槽移動，具體地，把平面雷射單元固定在一個位置後移動光敏樹脂槽，或者把光樹脂槽固定在一個位置而移動平面雷射單元。

光敏樹脂槽的底壁與升降單元30連接，光固化三維印表機還包括控制器40，控制器40分別與第一平面雷射單元25、第二平面雷射單元26、第三平面雷射單元27、第四平面雷射單元28、升降單元30控制連接。升降單元30的實現方式例如為升降絲杆，移動軌道等。控制器40具體可以是計算機、可編程邏輯控制器（plc）等控制系統。當然，在列印過程中，如果需要保持光敏樹脂槽與第一平面雷射單元25、第二平面雷射單元26、第三平面雷射單元27、第四平面雷射單元28的相對位置，則升降單元30不動作，也就是升降單元30可以僅僅在列印開始前或者列印完成後進行升降動作。此外，升降單元不一定直接與光敏樹脂槽的底壁固定，也可通過其他的連接機構與光敏樹脂槽固定，只要能夠帶動光敏樹脂槽升降即可。

在光固化三維印表機的其它變形實施例中，光敏樹脂槽的形狀也可以設置為其它形狀如圓球、橢圓球、稜台等幾何體形狀。當光敏樹脂槽的形狀為圓形時，其側面方向是指圓球在上、下、左、右、前、後的六個側面方向上的任意一個方向，或者把光敏樹脂槽作為三維坐標軸的原點，其側面方向是指在x、y、z的正方向或負方向的共六個方向。雖然在上面的實施例中，長方體的光敏樹脂槽是具有槽口的，當在其它實施例中，光敏樹脂槽也可以是封閉式結構或者可開閉式結構。

三維物體的成型方法第一實施例

三維物體的成型方法包括下面的步驟，首先，執行加料步驟，在光敏樹脂槽內加入光敏樹脂，光敏樹脂可以是現有的用於三維物體成型的光敏樹脂。光敏樹脂可以是液體，優選地，液體具有一定黏稠度。光敏樹脂的加入方式可以一次性加入或者採用自動加入系統實現對光敏樹脂槽內的光敏樹脂的持續補充，例如在公開號為cn204955465u的中國實用新型專利中就公開了一種對光敏樹脂槽自動補給的裝置，在這種實施例中，光敏樹脂槽的槽口可以是封閉的。

接著，執行平面雷射生成步驟，雷射器發出平面型雷射束，平面型雷射束進入到光敏樹脂槽的內部，同時，聚焦透鏡相對於雷射器移動而調節雷射束的焦點位置，在光敏樹脂槽給定的平面層內平面型雷射束的強度達到閾值以上，該閾值可以是指雷射束的強度值正好足以使得光敏樹脂發生固化，當雷射束的強度在閾值以下時，光敏樹脂不會發生固化，而在閾值以上時光敏樹脂發生固化。

然後，執行固化步驟，在光敏樹脂槽內處於閾值以上的光敏樹脂發生固化形成第一成型層。

反覆對平面型雷射束的焦點位置進行調節並逐層形成固化光敏樹脂層，直至形成需要的三維物體。平面型雷射束的焦點位置的調節，一般可以通過移動聚焦透鏡與雷射器的相對位置完成。

三維物體的成型方法第二實施例

本實施例的成型方法包括了成型方法第一實施例的步驟，即執行加料步驟、平面雷射生成步驟以及固化步驟。與第一實施例不同的是，如圖5所示，本實施例的三維物體50分割為第一局部體51、第二局部體52和第三局部體53。第二局部體52由第三平面雷射單元54發出的雷射束固化，第一局部體51由第四平面雷射單元55發出的雷射束固化，同時第三局部體53由第五平面雷射單元56發出的雷射束固化。

列印時，第一局部體51由切片軟體切片為多個層，由於第一局部體51的下端緊貼在光敏樹脂槽的底壁，因此可以調節雷射的焦距從而使得雷射聚焦在光敏樹脂槽的底壁上。當第一層列印成型以後，第一層將在重力的作用下緊貼在光敏樹脂槽的底壁上，第二層將固化成型在第一層的上方，以此類推，因此首先從遠離第四平面雷射單元55的層開始固化成型，逐漸向上側方向固化後形成第一局部體51。

當第一局部體51自下而上的成型至第一局部體51與第二局部52上端交匯點58處時，可以在第一局部體51的左右兩側同時列印形成第二局部體52以及第三局部體53，形成第二局部體52時，首先從遠離第三平面雷射單元54的層開始固化成型，逐漸向右側固化後形成第二局部體52，相同的，第三局部體53也被切片為多個層，並且首先從遠離第五平面雷射單元56的層開始固化成型，逐漸向左側方向固化後形成第三局部體53。

這樣，第一局部體51的上半部分，也就是高於交匯點58的部分以及第二局部體52、第三局部體53可以同時列印，從而大大提高了成型的效率。

三維物體的成型方法第三實施例

本實施例還可以列印諸如倒三角形等形狀的物體，如圖6所示，如待列印的物體60是一個倒三角形，可以在光敏樹脂槽內設置一塊支撐板64，支撐板64可以是塑料或者金屬板，或者是預先通過三維列印成型的平面板體，支撐板64被固定在光敏樹脂槽的中部。待列印的物體60被劃分為左右兩個部分，分別是第一部分61和第二部分62，執行列印前，首先進行切片步驟，即在執行加料步驟前，先執行切片步驟。如圖7所示，對於切片步驟得到的其中一個層，這個層包括第一部分61和第二部分62。

列印時，第一部分61由第三平面雷射單元54發出的雷射束固化，同時，第二部分62由第五雷射單元56發出的雷射束固化。固化時，第一部分61是自支撐板64自左向右的固化成型，而第二部分62自支撐板64自右向左的固化成型，也就是物體60是兩側同步成型的。當然，成型後的物體60將包裹支撐板64的一部分。

三維物體的成型方法第四實施例

列印倒三角形等形狀的物體時，還可以在光敏樹脂槽內設置一個支撐架，如圖8所示，支撐架74放置在光敏樹脂槽的底壁上，並且上端具有一個倒三角形的凹槽，待列印的物體70被劃分為第一局部體71、第二局部體72以及第三局部體73，第一局部體71由第四平面雷射單元55發出的雷射束自下而上的固化，在第一局部體71固化成型後，第二局部體72由第三平面雷射單元54發出的雷射束自左而右固化，同時第三局部體73由第五平面雷射單元56發出的雷射束自右而左固化。

當然，在列印成型如圖1所示的三維物體時，採用本發明的光固化三維印表機，可以先列印成型一塊垂直方向延伸的板體後，在該板體上形成水平方向延伸的板體。如圖9所示，如果列印板體83，則可以在列印成型板體82後，在板體82的一側列印成型板體83。此時，可以將板體83劃分為多條細長的局部，也就是進行切片操作，列印時，可以先列印最靠近板體82且位於最下端的局部84，然後列印位於局部84上方的局部85，並且同時列印局部84相鄰且遠離板體82的局部86，也就是局部85與局部86是同時固化成型的。這樣，可以大大提高板體83的固化成型效率。此外，應用本發明的光固化印表機可以列印諸如圖1所示的特殊形狀。

在其它實施例中，光敏樹脂槽內盛裝有成型材料，成型材料具有核層和殼層，殼層包裹核層，當雷射束的強度在閾值以上時可破壞殼層，核層為光敏樹脂。在平面雷射生成步驟中，當雷射束的強度在閾值以上時破壞殼層，殼層發生破壞後暴露出光敏樹脂，光敏樹脂在閾值以上的雷射束下發生固化。在一個實施例中，光敏樹脂為油性光敏樹脂，其可以製備形成水包油（o/w）型的乳液，這樣乳液外部的水可以對光敏樹脂起到保護作用，這種水包油型乳液的製備方法具體可以參考大慶石油學院學報劉曉豔的水包油型油水乳液的製備的論文，或者華南理工大學鄒聲文的博士論文pickering乳液模板法製備結構可控的多孔聚合物微球和整體柱。在一個實施例中，光敏樹脂為水性光敏樹脂，其可以製備形成油包水（w/o）型的乳液，這樣乳液外部的油層也可以對內部的水性光敏樹脂起到保護作用，這種油包水型乳液的製備方法具體可以參考山東大學汪晶晶的基於相轉變的油包水乳液製備及穩定性研究，或者山東大學潘紅的低能法製備油包水納米乳液及其性能研究，或者參考現有的其它製備方法得到。

最後需要說明的是，本發明不限於上述的實施方式，諸如對平面雷射單元的數量進行進一步的限定的設計等也在本發明的權利要求保護範圍之內。