用於光固化3D印表機的光路組件、樹脂池和3D印表機的製作方法

2023-11-11 22:16:12

本公開涉及3D列印領域，具體地，涉及一種用於光固化3D印表機的光路組件、樹脂池和3D印表機。

背景技術：

SLA(Stereo Lithography Apparatus，立體光固化成型裝置)的基本原理是：通過數據傳輸設備，將3D(three dimensional)列印對象的橫截面圖案一層一層地傳輸到顯示屏上，顯示屏上方有液態光敏樹脂，然後用一定波長光照射顯示屏，使得顯示屏上方的液體樹脂按照圖案一層一層的固化，最終形成指定的3D列印對象。

如圖1所示，為SLA領域內的常見的一種光路系統，其主要包括光源1、透鏡2、菲涅爾透鏡3和顯示屏4。其中，透鏡2和菲涅爾透鏡3是用於提升3D印表機光固化對比度的，使光源1發出的光線能夠均勻地、平行地、更多地照射到顯示屏4上。然而這種光路系統在實際使用過程中效果欠佳，照射到顯示屏4上的光線的均勻度較低，使得光固化對比度低，降低了光固化成型精度。具體地，光源1經過透鏡2作用後，光線的平行度得到了一定提升，但是仍然存在發散現象，光強分布不均勻(在顯示屏中間部分的光強較大，邊緣部分的光強較小)，從而導致照射到顯示屏4上的光線的均勻度較低。菲涅爾透鏡3隻是用於提升光線的平行度，它並不會提升光線的均勻度。經過實驗測試，顯示屏的中心光強能比邊緣光強大一倍以上。光敏樹脂固化時需要一定強度的光照射一定時間，例如某種光敏樹脂在3D列印過程中固化一層時所需光強為2000lux，固化時間為10s。由於光線在顯示屏上分布不均勻(中間大，兩邊小)，假設顯示屏中心部分的光強為2000lux，邊緣部分的光強為1000lux，邊緣部分和中心部分之間的光強呈線性分布。於是顯示屏中心部分上方的液態樹脂受到光照射10s後將固化成型，而其他部分樹脂的狀態處於完全固化和完全液態之間。樹脂在不同狀態的密度是不一致的，因此降低了光固化成型精度。

從圖1可知，為了獲得一定區域的有效光照面積，光源1和透鏡2與顯示屏4之間必須滿足一定的距離。倘若光源1和透鏡2同步上移一段距離，光源1發出的光線照射在顯示屏4上的有效光照面積將減小，從而導致可列印的橫截面尺寸減小。而且透鏡2與顯示屏4之間的空間不得介入其他物質，否則會阻擋光路，從而影響光源利用率。因此為保證光源發出的光線能夠更均勻且更多地照射在顯示屏4上，光路系統佔用3D印表機的垂直方向空間較多，增大了3D印表機的機身尺寸，從而增加了3D印表機製造成本。

技術實現要素：

為克服現有技術中存在的問題，本公開提供一種用於光固化3D印表機的光路組件、樹脂池和3D印表機。

根據本公開的第一方面，提供一種用於光固化3D印表機的光路組件，包括用於發射光線的發光件，罩設於所述發光件上的準直鏡罩，以將所述發光件發出的光線通過所述準直鏡罩作用後全部平行地射向所述光固化3D印表機的顯示屏。

可選地，所述準直鏡罩包括反射鏡體，覆蓋於該反射鏡體上端的透射鏡體，所述發光件發出的光線經過所述反射鏡體的反射後平行射出，所述發光件發出的光線經過所述透射鏡體的透射後平行射向所述顯示屏。

可選地，所述反射鏡體大體上形成為母線呈拋物線的迴轉體結構，該迴轉體結構的下端面形成有籠罩槽，所述發光件容納於所述籠罩槽內且位於所述拋物線的焦點上。

可選地，所述反射鏡體形成為反光碗，且所述發光件設置在所述反光碗的焦點上。

可選地，所述透射鏡體形成為非球面透鏡。

可選地，所述光路組件還包括用於承託所述發光件的第一基板，以及用於承託所述準直鏡罩的第二基板，所述第二基板貼合併固定到所述第一基板上，所述發光件包括間隔設置於所述第一基板上的多個，且相鄰的所述發光件之間的距離相等，所述準直鏡罩包括間隔設置於所述第二基板上的多個，且每個所述準直鏡罩一一對應地罩設於所述發光件上。

可選地，所述第二基板大體上形成為矩形板，所述多個準直鏡罩構成有沿所述矩形板的長度方向等間隔設置的多排第一準直鏡罩組，以及沿所述矩形板的寬度方向等間隔設置的多排第二準直鏡罩組，且相鄰的所述第一準直鏡罩組之間的距離和相鄰的所述第二準直鏡罩組之間的距離相等。

可選地，所述光路組件還包括用於冷卻所述發光件的冷卻結構。

可選地，所述冷卻結構為固定到所述第一基板上的散熱板。

可選地，所述冷卻結構形成為固定安裝到所述第一基板上的冷卻基板，以使得所述第一基板和所述冷卻基板之間形成用於冷卻介質流過的冷卻流道。

根據本公開的第二方面，提供一種樹脂池，包括用於容納樹脂材料且池底透光的樹脂池體，貼合於所述池底上的顯示屏，以及位於所述顯示屏下方的根據本公開提供的光路組件。

可選地，所述顯示屏和所述準直鏡罩之間的距離小於或等於25mm。

根據本公開的第三方面，提供一種3D印表機，包括本公開提供的樹脂池。

通過上述技術方案，通過將準直鏡罩罩設於發光件上，使得發光件發出向上的光線通過準直鏡罩的作用後能夠全部平行地射向光固化3D印表機的顯示屏，從而能夠使得發光件發出向上的光線能夠均勻地、平行地且更多地照射到3D印表機的顯示屏上，避免光線產生發散現象，大幅提升光固化對比度，進而提高光固化成型精度。另外，由於射向顯示屏的均為平行光束，還可以在保證顯示屏足夠大的有效光照面積的前提下，從根本上簡化3D印表機的光路系統的結構設計，減少光路系統零部件數量，使得最大程度縮短3D印表機的垂直方向空間尺寸，簡化裝配工序，從而降低3D印表機的製造成本。

本公開的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本公開的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本公開，但並不構成對本公開的限制。在附圖中：

圖1是現有技術中的3D印表機的光路系統的結構示意圖；

圖2是根據本公開的一示例性實施方式提供的光路組件的側視圖；

圖3是沿圖2中的剖面線A-A剖出的剖面結構示意圖；

圖4是第二基板和準直鏡罩的裝配圖；

圖5是第一基板和發光件的裝配圖；

圖6是根據本公開的一示例性實施方式提供的冷卻結構和發光件的處於裝配狀態的剖面示意圖；

圖7是根據本公開的另一示例性實施方式提供的光路組件和顯示屏處於裝配狀態的剖面示意圖。

附圖標記說明

1 光源 2 透鏡 3 菲涅爾透鏡

4，30 顯示屏 10 發光件 11 第一基板

12 第一發光件組 13 第二發光件組 20 準直鏡罩

21 迴轉體結構 22 非球面透鏡 23 第二基板

24 第一準直鏡罩組 25 第二準直鏡罩組 30 顯示屏

40 散熱板 50 冷卻基板 50a 冷卻流道

50b 冷卻流道入口 50c 冷卻流道出口

具體實施方式

以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本公開，並不用於限制本公開。

在本公開中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如「上、下、左、右」通常是相對於附圖的圖面方向而言的，「內、外」是指相應部件輪廓的內和外。

如圖2、圖3和圖7所示，本公開提供一種用於光固化3D印表機的光路組件，包括用於發射光線的發光件10，罩設於發光件10上的準直鏡罩20，以將發光件10發出向上的光線通過準直鏡罩20作用後全部平行地射向光固化3D印表機的顯示屏30。

需要說明的是，此處「向上的光線」並非僅僅包括豎直向上的光線，還可以包括傾斜向上的光線。即，該「向上的光線」還可以包括具有沿豎直方向上的分量的傾斜光線。

在本公開中，發光件10例如可以包括但不限於LED燈，雷射發射器等能夠發射用於在3D列印過程中液態樹脂固化所需波長的光的部件。顯示屏30例如可以包括但不限於LCD(liquid crystal display)屏、OLED(Organic Light Emitting Display)屏等。

其中，準直鏡罩具有準直光線的功能，即光線經過準直鏡罩透射或者反射後均能夠平行地射出。

這樣，通過將準直鏡罩20罩設於發光件10上，使得發光件10發出的向上的光線通過準直鏡罩20的作用後能夠全部平行地射向光固化3D印表機的顯示屏30，從而能夠使得發光件10發出的光線能夠均勻地、平行地且更多地照射到3D印表機的顯示屏30上，避免光線產生發散現象，大幅提升光固化對比度，進而提高光固化成型精度。另外，由於射向顯示屏30的均為平行光束，還可以在保證顯示屏30足夠大的有效光照面積的前提下，從根本上簡化3D印表機的光路系統的結構設計，減少光路系統零部件數量，使得最大程度縮短3D印表機的垂直方向空間尺寸，簡化裝配工序，從而降低3D印表機的製造成本。

在本公開中，作為一種示例性的實施方式，如圖3所示，準直鏡罩20可以包括反射鏡體，覆蓋於該反射鏡體上端的透射鏡體，其中，準直鏡罩20可以採用分體式結構設計，例如將反射鏡體和透射鏡體二者進行粘貼以圍成準直鏡罩20；為提高光路組件的裝配效率，準直鏡罩20也可以一體成型，即，透射鏡體一體形成於反射鏡體上。發光件10發出的光線經過反射鏡體的反射後平行射出，發光件10發出的光線經過透射鏡體的透射後平行射向顯示屏30。

在使用時，發光件10發出的一部分光線首先經過反射鏡體的反射後平行地射向透射鏡體，並經過透射鏡體的透射後平行地射向顯示屏30；發光件10發出的另一部分光線則避開了反射鏡體而直接經過透射鏡體的透射後平行射向顯示屏30。即從發光件10發出的各個方向的光束最終均能夠從透射鏡體中平行地射向顯示屏，從而避免射向顯示屏的光線產生發散現象，大幅提升光固化對比度，進而提高光固化成型精度。

其中反射鏡體可以具有多種實施方式，例如，在本公開的一種示例性的實施方式中，如圖3所示，該反射鏡體大體上形成為母線呈拋物線的迴轉體結構21，該迴轉體結構21的下端面形成有籠罩槽，該發光件10容納於該籠罩槽內且位於該拋物線的焦點上。即，該發光件10位於該迴轉體結構的迴轉軸上。這樣，發光件10發出的各個方向的光線經過該迴轉體結構的外側面反射後，能夠相互平行的射出，從而同時保證射向顯示屏30的光線的均勻性和平行性。

在另一種實施例的實施方式中，反射鏡體形成為反光碗，且發光件10設置在反光碗的焦點上。需要說明的是，此處的「焦點」是指反光碗的反光面以拋物面為基準所形成曲面對應的拋物線焦點。由於拋物線具有如下的光學性質，即經過焦點的光線經拋物線反射後的光線平行拋物線的對稱軸。因此通過將發光件10設置在反光碗的焦點上，使得發光件10從各個方向發出的光線經過反光碗的反光面反射後均以平行於該反光碗的對稱中心線而射出，從而同時保證了射向顯示屏30的光線的平行度和均勻度。

在本公開的一示例性的實施方式中，為進一步地提高射向顯示屏的光束的均勻度和平行度，如圖3所示，透射鏡體形成為非球面透鏡22。這樣，發光件10發出向上的光線中的避讓開反射鏡體的一部分能夠經過非球面透鏡22的透射後平行射出，且由於非球面透鏡具有更佳的曲率半徑，能夠提高光束的均勻性的優點，因而能夠顯著地提高射向顯示屏光束的均勻度。在其他可能的實施方式中，非球面透鏡還可以用球面透鏡替代。

為大幅度地提升光固化成型的效率，如圖4至圖7所示，光路組件還可以包括用於承託發光件10的第一基板11，以及用於承託準直鏡罩20的第二基板23，第二基板23貼合併固定到第一基板11上。其中發光件10可以通過任意合適的方式安裝到第一基板11上，例如發光件10可以以粘接、焊接、螺接或卡接的方式設置於第一基板11上，本公開對此不作限制。相應地，準直鏡罩20也可以任意合適的方式設置於第二基板23上，例如可以包括但不限於粘接、螺接等裝配方式。發光件10包括間隔設置於第一基板11上的多個，且相鄰的發光件10之間的距離相等，準直鏡罩20包括間隔設置於第二基板23上的多個，且每個準直鏡罩20一一對應地罩設於發光件10上。換言之，準直鏡罩20的數量和排列方式與發光件10的數量和排列方式均一致，且相連的準直鏡罩20之間的距離也是相等的。以此方式，能夠保證多個發光件10朝向顯示屏30射出的光線的均勻度，且能夠保證照射在顯示屏30的足夠大的光照強度，提升光固化成型效率。

進一步地，作為一種示例性的實施方式，如圖4所示，第二基板23大體上形成為矩形板，多個準直鏡罩20構成有沿矩形板的長度方向等間隔設置的多排第一準直鏡罩組24，以及沿矩形板的寬度方向等間隔設置的多排第二準直鏡罩組25，且相鄰的第一準直鏡罩組24之間的距離和相鄰的第二準直鏡罩組25之間的距離相等。即，每排第一準直鏡罩組24包括沿矩形板的寬度方向等間隔設置的多個，每排第二準直鏡罩組25包括沿矩形板的長度方向等間隔設置的多個。換言之，多個準直鏡罩20呈陣列式地排列於第二基板23上。

相應地，如圖5所示，第一基板11大體上形成為矩形板，多個發光件10構成有沿第一基板11的長度方向等間隔設置的多排第一發光件組12，以及沿第一基板11的寬度方向等間隔設置的多排第二發光件組13，且相鄰的第一發光件組12之間的距離和相鄰的第二發光件組13之間的距離相等。即，每排第一發光件組12包括沿第一基板11的寬度方向等間隔設置的多個，每排第二發光件組13包括沿第一基板11的長度方向等間隔設置的多個。換言之，多個發光件10呈陣列式排列於第一基板11上。

如上所述，第一基板11上設置有多個發光件10，例如該多個發光件10呈陳列式排列於第一基板11上，因此多個發光件10共同使用，必然帶來大量熱量，為保證3D印表機的工作效率不受影響，實現光路組件的快速散熱，光路組件還包括用於冷卻發光件10的冷卻結構。

其中冷卻結構可以有多種實現方式，如圖5和圖7所示，在本公開的一種實施方式中，冷卻結構為固定到第一基板11上的散熱板40。具體地，可以在散熱板40上設置多個散熱鰭片，以通過自然對流來實現然熱。這樣，通過散熱板40將發光件10在發光過程中產生的熱量傳遞到外部，從而能保證光路組件的正常工作。另外，在其他的變形方式中，還可以在散熱板上設置風扇，以增強散熱效果。

如圖6所示，在本公開的另一實施方式中，冷卻結構形成為固定安裝到第一基板11上的冷卻基板50，以使得第一基板11和冷卻基板50之間形成用於冷卻介質流過的冷卻流道50a。在一種示例性的實施方式中，冷卻基板50上形成有從冷卻基板50的左端沿前後方向迂迴延伸至冷卻基板50的右端的蛇形槽，這樣，當將冷卻基板50的板面貼合固定於第一基板11上後，該蛇形槽和第一基板11共同圍成該冷卻流道50a，即該冷卻流道50a形成為從冷卻基板50的左端沿前後方向迂迴延伸至冷卻基板50的右端的蛇形管。這樣，包括但不限於冷卻水、冷卻氣體的冷卻介質可以從冷卻流道50a的冷卻流道入口50b流入並從冷卻流道出口50c流出，從而帶走發光件10產生的熱量。

在其他可能的實施方式中，上述冷卻結構還可以為風扇，或者散熱器。

本公開還要求保護一種樹脂池，該樹脂池可以包括用於容納樹脂材料且池底透光的樹脂池體，貼合於池底上的顯示屏30，以及位於顯示屏30下方的如上文詳細描述的光路組件。

進一步地，為便於將液態樹脂固化時釋放的大量熱量及時散發出去，使得顯示屏30能夠在正常溫度環境下工作，該樹脂池還可以包括水冷結構，以用於冷卻顯示屏30和液態樹脂。具體地，在一種示例性的實施方式中，該水冷結構可以包括水冷基板，水冷基板和顯示屏貼合併固定連接，以在水冷基板和顯示屏之間形成有水冷通道。這樣，向水冷通道中不斷注入冷卻水，通過冷卻水和顯示屏之間的換熱，可以極好地實現顯示屏30的散熱。另外，該水冷基板還能提供顯示屏30的安裝位置。

在安裝時，首先可以將多個例如LED燈的發光件焊接到第一基板11上，然後將例如散熱板的冷卻結構安裝到第一基板11上，接著將設置有多個準直鏡罩20的第二基板23貼合安裝到第一基板11上，並使得每個準直鏡罩20罩設於相對應的發光件上，然後將第一基板11安裝到3D印表機的相應位置上，隨後將顯示屏30安裝到水冷基板上，並將水冷基板設置於樹脂池的合適位置上，且使得顯示屏30位於呈陣列式排列的多個發光件的上方。由於從準直鏡罩中射出的光線為平行光束，因此從理論上來說，冷水基板和準直鏡罩之間的距離可以設計地很小，甚至冷水基板的下表面可以貼合於準直鏡罩的頂面，從而極大地減少了光路系統垂直方向空間尺寸，降低3D印表機的製造加工成本。

優選地，顯示屏30和準直鏡罩20之間的距離小於或等於25mm。

為突出本公開提供的光路組件、樹脂池和3D印表機的有益效果，本公開將對3D印表機行業內的專業術語做相關介紹。具體地，光固化對比度是指顯示屏顯示待列印對象的橫截面時，光源發出的光照射至顯示屏上，顯示屏中圖案區域的光強數值與顯示屏中圖案區域外的光強數值的比值。光固化對比度越高，表明光源系統設計越合理，光源利用率越高。平行光源有助於提高光固化對比度數值，即光源發射的光平行度越高，光固化對比值也就越大，反之越小。但需要注意，由於顯示屏自身特性，光固化對比值並不會無限增大，它會存在一個最大值。目前行業中，LCD 3D印表機的光固化對比度在50:1～100:1左右。而利用本公開提供的光路組件，能將光固化對比度值提高到500～800∶1左右，是現有技術的5～16倍。

基於此，影響光固化對比度的主要因素是光源發出的光的平行度，而與光源到顯示屏的距離關係不大，可以忽略。如圖1所示，經過透鏡2作用後，沒有出現平行光線，只是光線的發散角相比從初始發散角減小。而回到圖3，經過反光碗和非球面透鏡的作用，絕大多數的光線變成了平行光線，而這部分平行光線正是本公開的光固化對比度提高的直接原因。

另外，LED是一種發光二極體，其作為一種優良的發光光源，具有壽命長、省電、環保、體積小、響應快速、發光均勻穩定等眾多優點。LED本身是一個近似的郎伯光源，其向上方發出的光線佔全部光線的絕大部分，發出的光通量規律滿足郎伯定律。其向上方發出的光強度空間分布可表示為：

式(1)中I0為發光面在法線上的光強，Iφ為和法線方向成任意角度方向的光強。若忽略LED自身的面積大小，則容易得到LED和顯示屏的距離r時，顯示屏上的光強分布為：

從式(2)可以看出，LED發出的光線在LCD屏幕上產生的光照強度隨著出射角φ的增大而迅速衰減。在現有技術中面的光源和顯示屏的距離大概在150mm左右，本公開提供的光路組件的發光件和顯示屏的距離小於25mm。即，現有技術中光源和顯示屏間的距離大於本公開的光源和顯示屏間的距離5倍，從公式2可以看出，光強直接提升25倍，極大提高的光源的利用率。

本公開還要求保護一種3D印表機，該3D印表機包括上文所描述的樹脂池。

當3D印表機正常工作時，顯示屏呈現出目標列印對象的各個橫截面，顯示屏上方為液體光敏樹脂，呈陣列式排列於第一基板11上的多個發光件發出的光線經過呈陣列式排列於第一基板11上的多個準直鏡罩20後照射於顯示屏，使得顯示屏上方的液體樹脂按照圖案一層一層的固化，最終形成指定的3D列印對象。

以上結合附圖詳細描述了本公開的優選實施方式，但是，本公開並不限於上述實施方式中的具體細節，在本公開的技術構思範圍內，可以對本公開的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本公開的保護範圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重複，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本公開的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應當視為本公開所公開的內容。