專利名稱：數(shù)字投影光固化快速成型裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制造業(yè)的先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的數(shù)字投影光固化快速成型方法和裝置。
背景技術(shù)：
快速成型技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)。快速成型制造技術(shù)是集成了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)和新型材料科學(xué)的成果，將抽象的CAD設(shè)計數(shù)據(jù)快速變成真實物體，且不需要模具與工裝。
申請人按照“快速成型or快速原型”和“rapid prototyping ANDstereo-lithography”的關(guān)鍵詞作了相關(guān)專利檢索1)IBM知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)(The IBM Intellectual Property Network)，網(wǎng)址http://www.delphion.com。檢索1971年以來的200多萬件美國專利。
2)歐洲專利局(EPO)提供的歐洲專利網(wǎng)(esp@cenet)，網(wǎng)址http://www.european-patent-office.org/espacenet/info/access.htm。檢索歐洲專利局從1970年以后收集的各國專利。包括63個國家或機構(gòu)的專利文摘或題錄信息，約3000萬件專利。
3)日本專利庫(PAJ)，網(wǎng)址http://ep.espacenet.com/，指存儲在歐洲專利局、由本專利局出品的1976年10月1日以來的日文專利英語摘要庫。
4)中國專利數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)址http://www.exin.net/patent，1985年以后中國專利文摘數(shù)據(jù)庫。
其檢索結(jié)果與本發(fā)明相關(guān)的內(nèi)容如下國內(nèi)專利方面，中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公布的專利“光學(xué)立體造型方法及裝置”(專利號CNO3120183.0)，內(nèi)容為光造型方法和光造型裝置，使用能改變掩模圖像的面狀制圖掩模，使面狀制圖掩模在光固化性樹脂組合物的表面上以平行狀態(tài)進(jìn)行移動，同時，根據(jù)欲形成的光固化的樹脂層的斷面形狀圖形，與面狀制圖掩模的移動相同步，改變面狀制圖掩模的掩模圖像，在光固化性樹脂組合物的表面上通過面狀制圖掩模照射光線，形成具有預(yù)定的斷面形狀圖形的光固化的樹脂層。其專利保護的重點是一種光學(xué)立體造型方法，其特征在于設(shè)置光固化性樹脂組合物；在該光固化性樹脂組合物的表面上，通過制圖掩模進(jìn)行控制照射光，形成具有預(yù)定形狀光固化的樹脂層；通過反復(fù)進(jìn)行上述工序，重疊光固化的樹脂層而形成立體造型物；前期制圖掩模是與前期光固化性樹脂組合物大致平行地被移動的；通過供給光、及前期制圖掩模可與該制圖掩模的移動相連動而改變掩模圖像，由此，在前期光固化性樹脂組合物的表面上形成預(yù)定的形狀；形成具有預(yù)定斷面形狀的前期光固化層?？梢钥闯觯搶＠行枰ㄟ^掩模對樹脂曝光。
美國3D公司專利，Methods and apparatus for production ofthree-dimensional objects by stereolithography(專利號US4996010)。該專利采用紫外激光作為光敏樹脂固化光源，將激光束直接投射到液態(tài)樹脂表面，通過點光源掃描運動使樹脂成型。
以色列Cubital公司專利，Three dimensional modeling apparatus(專利號US5386500)。該專利以紫外光燈作為樹脂固化光源，采用靜電成像技術(shù)在光學(xué)玻璃表面形成掩膜圖形，紫外光透過掩膜板對光敏樹脂曝光使其按要求固化成型。
Cubital公司在成型工藝上采用了一種獨特的方法i)當(dāng)一層樹脂固化后，立即將該層面內(nèi)未固化的樹脂清除；ii)將融熔狀石蠟填入清除區(qū)域，并冷卻使石蠟固化；iii)采用高速銑削方法銑平固化表面；iv)涂覆新一層液態(tài)樹脂，重復(fù)以上過程。Cubital公司的上述權(quán)利重點保護的是其成型工藝方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種數(shù)字投影光固化快速成型裝置與方法，該裝置采用紫外光源，通過DLP(Digital Light Processing)數(shù)字投影技術(shù)，將圖形投影到液態(tài)光敏樹脂表面，控制圖形的尺寸精度以及曝光時間、曝光方式，通過Z軸的升降，層層投影照射、固化、疊加，實現(xiàn)快速成型件的制作。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種數(shù)字投影光固化快速成型裝置，其特征在于，包括以下裝置一臺計算機，其中設(shè)有分層數(shù)據(jù)處理軟件，用于將截面圖形發(fā)送到數(shù)字投影儀中，并控制投影儀的圖形投影方式；一臺數(shù)字投影儀，用于接收來自計算機的圖像數(shù)據(jù)，并且按照設(shè)定的曝光方式，將圖形投影照射到樹脂表面；一個設(shè)置在橢球反光鏡內(nèi)的紫外燈，紫外燈射出的光通過橢球反光鏡反射，并通過透鏡形成平行紫外光進(jìn)入數(shù)字投影儀；一套成型系統(tǒng)，它包括樹脂槽，樹脂槽上設(shè)有由升降裝置帶動的網(wǎng)板，網(wǎng)板的上方有刮平裝置，該刮平裝置用于將網(wǎng)板上的液態(tài)樹脂層或已成型的工件表面形成均勻厚度的樹脂層。
上述數(shù)字投影光固化快速成型裝置的快速成型工藝，其特征在于包括下列步驟1)首先由計算機對將該裝置中需要成型的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分層處理，得到一系列模型截面圖；2)控制成型系統(tǒng)中的升降裝置帶動網(wǎng)板在樹脂槽中升降，在網(wǎng)板表面形成一層一定厚度的樹脂；3)計算機控制投影儀以設(shè)定的方式曝光，將截面圖像投影照射到網(wǎng)板表面的樹脂層，形成一固化層；
4)網(wǎng)板在升降裝置的帶動下，下降一個層厚度的距離，使已固化層表面上形成一層新的液態(tài)樹脂層，在刮平裝置的作用下，保證新的液態(tài)樹脂層表面平整；5)計算機繼續(xù)控制投影儀以設(shè)定的方式曝光，將下一層截面圖像投影照射到網(wǎng)板表面的樹脂層，形成一新的固化層，與已固化層相粘結(jié)；6)重復(fù)進(jìn)行上述步驟3)～步驟5)，直至模型完全成型；7)升降裝置帶動網(wǎng)板升出樹脂槽，取出成型件并清洗表面液態(tài)樹脂，即可得到快速成型件。
本發(fā)明和傳統(tǒng)的激光掃描光固化成型系統(tǒng)相比，因為采用了數(shù)字投影儀和紫外燈作為光固化成型器件，替代了價格昂貴的紫外激光器和掃描器，數(shù)字投影儀的壽命為50年，紫外燈的價格為500元，所以數(shù)字投影光固化快速成型系統(tǒng)具有成本低、運行成本低的特點。
另外，數(shù)字投影光固化快速成型方式為面曝光成型方式，紫外燈光源的總功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的固體紫外激光器，所以，數(shù)字投影光固化快速成型方式具有成型速度快的特點。
本發(fā)明涉及的快速成型裝置和方法，具有成型速度快、精度高以及成本等低優(yōu)點，能夠廣泛的應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域。
圖1是本發(fā)明的裝置主要硬件的構(gòu)成圖，圖中的符號分別表示1、計算機、2、數(shù)字投影儀，3、透鏡，4、紫外燈，5、橢球反光鏡，6、樹脂槽，7、網(wǎng)板，8、升降裝置，9、刮平裝置。
以下結(jié)合附圖和本發(fā)明的技術(shù)原理對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的裝置主要硬件的構(gòu)成圖。計算機1中設(shè)有分層數(shù)據(jù)處理軟件，主要作用是將截面圖形發(fā)送到數(shù)字投影儀，并控制投影儀的圖形投影方式；數(shù)字投影儀2接收來自計算機的圖像數(shù)據(jù)，并且按照設(shè)定的曝光方式，將圖形投影照射到樹脂表面；設(shè)置在橢球反光鏡5內(nèi)的紫外燈4，紫外燈4射出的光通過橢球反光鏡5反射，并通過透鏡3形成平行紫外光進(jìn)入數(shù)字投影儀2；成型系統(tǒng)包括樹脂槽6，樹脂槽6上設(shè)有由升降裝置8帶動的網(wǎng)板7，網(wǎng)板7的上方有刮平裝置9，該刮平裝置9用于將網(wǎng)板7上的液態(tài)樹脂層或已成型的工件表面形成均勻厚度的樹脂層。
計算機軟件是利用分層軟件將CAD模型分層，得到截面數(shù)據(jù)，并依次輸送入數(shù)字投影儀中；紫外燈4、橢球反射鏡5和透鏡3，將紫外光定向平行發(fā)射，作為數(shù)字投影儀的光源；數(shù)字投影儀DLP(Digital Light Processing)，在曝光軟件的控制下，將得到的截面圖形，依次投影到液態(tài)樹脂表面，形成固化層。成型系統(tǒng)采用申請人所擁有的快速成型的專有技術(shù)，升降裝置8構(gòu)成Z向運動機構(gòu)，當(dāng)需要對工件快速成形時，首先在網(wǎng)板上形成一層一定厚度的液態(tài)光敏樹脂，在數(shù)字投影儀將截面圖形投影照射下，形成一固化層；網(wǎng)板7在升降裝置8帶動下，下降一個層厚度，樹脂槽6內(nèi)的樹脂向已成型表面流動，在已經(jīng)成型層表面重新生成一層新的液態(tài)樹脂層，在刮平裝置9的作用下，保證樹脂層厚度均勻、表面平整；在曝光軟件控制下，投影儀將下一層截面圖形照射到樹脂層上，形成新的固化層；重復(fù)以上步驟，在最后一層截面固化層形成之后，升降裝置帶動網(wǎng)板升出樹脂槽，取出固化成型件，完成數(shù)字投影光固化快速成型制作過程。
采用本發(fā)明的裝置快速成型工藝，具體包括下列步驟1)首先是計算機1對要成型的模型進(jìn)行分層處理，得到一系列模型截面圖；2)計算機控制網(wǎng)板7在樹脂槽6中下降，樹脂自動流向網(wǎng)板7表面，在刮平裝置9的作用下，在網(wǎng)板7表面形成一層一定厚度的樹脂；3)計算機控制投影儀2以設(shè)定的曝光方式，將截面圖像投影照射到網(wǎng)板7表面的樹脂層，形成一固化層；4)網(wǎng)板7在升降裝置8的帶動下，下降一個層厚度的距離，已固化層表面將形成一層新的液態(tài)樹脂層，在刮平裝置9的作用下，保證新的液態(tài)樹脂層厚度均勻、表面平整。
5)控制投影儀2以設(shè)定的曝光方式，將下一層截面圖像投影照射到網(wǎng)板7表面的樹脂層，形成一新的固化層，與已固化層相粘結(jié)；6)重復(fù)進(jìn)行上述步驟3)～步驟5)，直至模型完全成型；7)升降裝置8帶動網(wǎng)板7升出樹脂槽6，取出成型件并清洗表面液態(tài)樹脂，即可得到快速成型件。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字投影光固化快速成型裝置，其特征在于，該裝置包括一臺計算機1，其中設(shè)有分層數(shù)據(jù)處理軟件，用于將截面圖形發(fā)送到數(shù)字投影儀2中，并控制投影儀2的圖形投影方式；一臺數(shù)字投影儀2，用于接收來自計算機的圖像數(shù)據(jù)，并且按照設(shè)定的曝光方式，將圖形投影照射到樹脂表面；一個設(shè)置在橢球反光鏡5內(nèi)的紫外燈4，紫外燈4射出的光通過橢球反光鏡5反射，并通過透鏡3形成平行紫外光進(jìn)入數(shù)字投影儀2；一套成型系統(tǒng)，包括樹脂槽6，樹脂槽6上設(shè)有由升降裝置8帶動的網(wǎng)板7，網(wǎng)板7的上方有刮平裝置9，該刮平裝置9用于將網(wǎng)板7上的液態(tài)樹脂層或已成型的工件表面形成均勻厚度的樹脂層。
2.采用權(quán)利要求1所述的數(shù)字投影光固化快速成型裝置的快速成型工藝，其特征在于包括下列步驟1)首先由計算機對將需要成型的模型進(jìn)行分層處理，得到一系列模型截面圖；2)控制升降裝置帶動網(wǎng)板在樹脂槽中升降，在網(wǎng)板表面形成一層一定厚度的樹脂；3)計算機控制投影儀以設(shè)定的方式曝光，將截面圖像投影照射到網(wǎng)板表面的樹脂層，形成一固化層；4)網(wǎng)板在升降裝置的帶動下，下降一個層厚度的距離，使已固化層表面上形成一層新的液態(tài)樹脂層，在刮平裝置的作用下，保證新的液態(tài)樹脂層厚度均勻、表面平整；5)計算機繼續(xù)控制投影儀以設(shè)定的方式曝光，將下一層截面圖像投影照射到網(wǎng)板表面的樹脂層，形成一新的固化層，與已固化層相粘結(jié)；6)重復(fù)進(jìn)行上述步驟3)～步驟5)，直至模型完全成型；7)升降裝置帶動網(wǎng)板升出樹脂槽，取出成型件并清洗表面液態(tài)樹脂，即可得到快速成型件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字投影光固化快速成型裝置和方法。裝置包括計算機、數(shù)字投影儀，透鏡，紫外燈，橢球反光鏡，樹脂槽，網(wǎng)板，升降裝置，刮平裝置。本發(fā)明將數(shù)字投影技術(shù)與快速成型技術(shù)的基本原理相結(jié)合，形成了一種獨特的數(shù)字投影光固化快速成型技術(shù)。實現(xiàn)手段是將CAD截面圖形通過數(shù)字投影儀投影照射在液態(tài)光敏樹脂表面。控制曝光方式，待成型層達(dá)到一定固化程度后，將成型平臺(網(wǎng)板)下降相當(dāng)于一個層厚的高度，在已成型層表面涂敷一層一定厚度的液態(tài)光敏樹脂，然后再進(jìn)行下一層的固化，逐層曝光照射，直至快速成型件制作完成。本發(fā)明實現(xiàn)投影光固化快速成型，精度高、速度快，工藝簡單，成本較低，能夠廣泛的應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域。
文檔編號B29C67/00GK1850494SQ20061004285
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者王伊卿, 盧秉恒, 段玉崗, 劉紅忠, 趙萬華, 胥光申 申請人:西安交通大學(xué)