專(zhuān)利名稱(chēng)：紫外光固化快速成型設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種紫外光固化快速成型設(shè)備。
技術(shù)背景紫外光固化快速成型設(shè)備通過(guò)軟件把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的三維數(shù)字 模型按照一定的厚度切片，分成一系列二維數(shù)字圖形，利用光敏樹(shù)脂的 光固化特性，使用合適的光源和光束聚焦掃描方式，在光敏樹(shù)脂表面上 依次逐層固化并堆疊上述二維圖形，最終把三維的數(shù)字模型以三維固態(tài) 實(shí)物的形式表現(xiàn)出來(lái)。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造 的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下快速生成幾乎任意復(fù)雜的 零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。在目前的紫外光固化快速成型設(shè)備中，固化光源普遍使用昂貴的紫外 氣休激光器或紫外固體激光器，光束聚焦裝置和光束掃描裝置使用光束 動(dòng)態(tài)聚焦裝置和振鏡偏轉(zhuǎn)掃描裝置，雖然有光束質(zhì)量好、掃描速度快的 優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備的造價(jià)昂貴，影響了普及應(yīng)用；個(gè)別紫外光固化快速成型 設(shè)備使用大功率氣體放電紫外燈作為固化光源，由于這種光源效率低、 功耗大、壽命短、光束質(zhì)量差，使得設(shè)備的效率、精度和速度等技術(shù)指 標(biāo)都比前一種低，在很多場(chǎng)合不能滿(mǎn)足實(shí)用的要求。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種紫外光固化 快速成型設(shè)備，不但造價(jià)便宜、便于普及應(yīng)用，而且效率、精度和速度 等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足實(shí)用的要求。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型紫外光固化快速成型設(shè)備，包括發(fā)出 紫外光的固化光源、光束聚焦裝置、光束掃描裝置、盛裝液態(tài)光敏樹(shù)脂 的樹(shù)脂槽、其托臺(tái)浸于樹(shù)脂液體內(nèi)的工件托架和帶動(dòng)工件托架上下運(yùn)動(dòng) 的垂直運(yùn)動(dòng)裝置，固化光源發(fā)出的紫外光束經(jīng)光束聚焦裝置和光束掃描 裝置形成投射到工件托架托臺(tái)上樹(shù)脂液面的聚焦光斑，關(guān)鍵是所述固 化光源采用大功率紫外發(fā)光二極管，所述光束聚焦裝置為光束固定聚焦 裝置，光束掃描裝置為光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置，包括Y方向掃描機(jī)構(gòu)和X方向掃描機(jī)構(gòu)，Y方向掃描機(jī)構(gòu)包括Y方向直線(xiàn)軌道、Y方向電機(jī)和 設(shè)于Y方向直線(xiàn)軌道上并可沿其滑動(dòng)的Y方向滑塊，樹(shù)脂槽上相對(duì)的兩 邊設(shè)置彼此互相平行的Y方向直線(xiàn)軌道，其中一邊Y方向直線(xiàn)軌道的一 端裝有驅(qū)動(dòng)其上Y方向滑塊滑動(dòng)的Y方向電機(jī)，X方向掃描機(jī)構(gòu)包括X方 向直線(xiàn)軌道、X方向電機(jī)和設(shè)于X方向直線(xiàn)軌道上并可沿其滑動(dòng)的X方向 滑塊，X方向直線(xiàn)軌道的兩端分別置于樹(shù)脂槽相對(duì)兩邊的Y方向滑塊上， 其一端裝有驅(qū)動(dòng)其上X方向滑塊滑動(dòng)的X方向電機(jī)，X方向滑塊上設(shè)有光 束固定聚焦裝置。所述大功率紫外發(fā)光二極管優(yōu)選365nm波長(zhǎng)的紫外發(fā)光二極管，其 功率優(yōu)選100mW。上述光束固定聚焦裝置可以為紫外顯微物鏡，所述大功率紫外發(fā)光 二極管和紫外顯微物鏡均安裝在X方向滑塊上，大功率紫外發(fā)光二極管 發(fā)出的紫外光經(jīng)紫外顯微物鏡形成投射到樹(shù)脂液面的聚焦光斑。上述光束固定聚焦裝置還可以包括耦合透鏡、柔性紫外光纖和聚焦 透鏡，其中紫外光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向滑塊上，大功率 紫外發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光經(jīng)耦合透鏡耦合進(jìn)紫外光纖的輸入端，通 過(guò)紫外光纖傳輸，從紫外光纖的輸出端射出，再經(jīng)聚焦透鏡形成投射到
樹(shù)脂液面的聚焦光斑。紫外光纖優(yōu)選紫外錐度光纖。由于本實(shí)用新型的固化光源采用大功率紫外發(fā)光二極管，根據(jù)紫外 光固化快速成型設(shè)備使用的樹(shù)脂材料要求，確定所需紫外發(fā)光二極管的 優(yōu)選波長(zhǎng)參數(shù)和功率參數(shù)。根據(jù)紫外光固化快速成型設(shè)備成型的精度要 求，設(shè)計(jì)適用于紫外發(fā)光二極管的光束固定聚焦裝置和光束水平面運(yùn)動(dòng) 掃描裝置。所以，本實(shí)用新型不但造價(jià)便宜、便于普及應(yīng)用，而且效率、 精度和速度等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足實(shí)用的要求。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例一的光束固定聚焦裝置和光束水平面運(yùn)動(dòng) 掃描裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例二的光束固定聚焦裝置和光束水平面運(yùn)動(dòng) 掃描裝置結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖詳述本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 實(shí)施例一如圖1所示，本實(shí)用新型包括發(fā)出紫外光的大功率紫外發(fā)光二極管1、 光束固定聚焦裝置2、光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置3、盛裝液態(tài)光敏樹(shù)脂的樹(shù)脂槽4、其托臺(tái)81浸于樹(shù)脂液體內(nèi)的工件托架8和帶動(dòng)工件托架8上 下運(yùn)動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)裝置5。如圖2、圖3所示，大功率紫外發(fā)光二極管l 選用365nm波長(zhǎng)的紫外發(fā)光二極管，其功率為100mW，為便于散熱，大功 率紫外發(fā)光二極管1裝有散熱組件11。光束固定聚焦裝置2為紫外顯微 物鏡。光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置3包括Y方向掃描機(jī)構(gòu)和X方向掃描機(jī) 構(gòu)，Y方向掃描機(jī)構(gòu)包括Y方向直線(xiàn)軌道31、 32， Y方向滑塊33、 34和 Y方向電機(jī)35， Y方向直線(xiàn)軌道31、 32上裝有可沿其滑動(dòng)的Y方向滑塊 33、 34，樹(shù)脂槽4上相對(duì)的兩邊設(shè)置彼此互相平行的Y方向直線(xiàn)軌道31、 32，其中一邊Y方向直線(xiàn)軌道31的一端裝有驅(qū)動(dòng)其上Y方向滑塊33滑 動(dòng)的Y方向電機(jī)35， X方向掃描機(jī)構(gòu)包括X方向直線(xiàn)軌道36、 X方向滑 塊37和X方向電機(jī)38， X方向直線(xiàn)軌道36上裝有可沿其滑動(dòng)的X方向 滑塊37， X方向直線(xiàn)軌道36的兩端分別置于樹(shù)脂槽4相對(duì)二邊的Y方 向滑塊33、 34上，其一端裝有驅(qū)動(dòng)其上X方向滑塊37滑動(dòng)的X方向電 機(jī)38， Y方向直線(xiàn)軌道31、 32和X方向直線(xiàn)軌道36互相垂直。大功率 紫外發(fā)光二極管1和紫外顯微物鏡2均安裝在X方向滑塊37上，X方向 電機(jī)38和Y方向電機(jī)35選用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制X方向電機(jī)38和Y方 向電機(jī)35轉(zhuǎn)動(dòng)，由傳動(dòng)皮帶或滾珠絲杠帶動(dòng)，驅(qū)動(dòng)X方向滑塊37和Y 方向滑塊33、 34來(lái)回滑動(dòng)，從而，X方向滑塊37可以沿其所處的水平面 移到樹(shù)脂槽4上方的任何位置。大功率紫外發(fā)光二極管1發(fā)出的紫外光束9經(jīng)紫外顯微物鏡2形成 投射到樹(shù)脂液面6的聚焦光斑，經(jīng)光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置3的X方向 掃描和Y方向掃描，聚焦光斑處于工件托架托臺(tái)81上樹(shù)脂液面6的相應(yīng) 位置，聚焦光斑所到之處，樹(shù)脂液體固化，聚焦光斑在樹(shù)脂液面6上逐 點(diǎn)掃描，即逐點(diǎn)固化，完成工件7的一層固化。垂直運(yùn)動(dòng)裝置5控制工 件托架8在樹(shù)脂槽4中逐層向下運(yùn)動(dòng)，從樹(shù)脂液面6開(kāi)始，隨著光束9 的逐層掃描以及工件托架8的逐層向下運(yùn)動(dòng)，工件7被逐層固化出來(lái)。實(shí)施例二實(shí)施例二和實(shí)施例一的不同之處是光束固定聚焦裝置。如圖4所示， 光束固定聚焦裝置包括耦合透鏡21、柔性紫外錐度光纖22和聚焦透鏡
23，其中紫外錐度光纖22的輸出端和聚焦透鏡23安裝在X方向滑塊37 上，大功率紫外發(fā)光二極管1、耦合透鏡21和柔性紫外錐度光纖22的輸 入端固定不動(dòng)，大功率紫外發(fā)光二極管1發(fā)出的紫外光束9經(jīng)耦合透鏡 21耦合進(jìn)紫外錐度光纖22的輸入端，通過(guò)紫外錐度光纖22傳輸，從紫 外錐度光纖22的輸出端射出，再經(jīng)聚焦透鏡23形成投射到樹(shù)脂液面6 的聚焦光斑。其余和實(shí)施例一相同，此處不多描述。本實(shí)用新型主要改進(jìn)現(xiàn)有紫外光固化快速成型設(shè)備的固化光源、光 束聚焦裝置和光束掃描裝置，采用大功率紫外發(fā)光二極管作為固化光源， 光束聚焦裝置和光束掃描裝置采用適合紫外發(fā)光二極管光束的光束固定 聚焦裝置和光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)描述如下(1) 根據(jù)紫外光固化快速成型設(shè)備使用的樹(shù)脂材料的要求，確定了所需 紫外發(fā)光二極管的波長(zhǎng)參數(shù)和功率參數(shù)商品化光固化快速成型樹(shù)脂材料的固化波長(zhǎng)一般在250 375nm的范 圍，考慮到商品化大功率紫外發(fā)光二極管的最短波長(zhǎng)，確定選用365nm 的紫外發(fā)光二極管。另外，商品化光固化快速成型樹(shù)脂材料的臨界暴光量為10mJ/cm2的 量級(jí)，對(duì)于掃描光斑直徑小于0. lmm和掃描速度大于lm/s的技術(shù)要求， 紫外發(fā)光二極管的功率必須大于10mW，再考慮到紫外光束在聚焦和傳輸 過(guò)程約50%的損耗，確定紫外發(fā)光二極管的功率為100mW。(2) 根據(jù)紫外光固化快速成型設(shè)備成型的精度要求，設(shè)計(jì)了適用于紫外 發(fā)光二極管的光束固定聚焦裝置目前商品化的大功率紫外發(fā)光二極管的發(fā)光面尺寸約為lxlmm2，光 束的半功率發(fā)散角約為土45度，實(shí)施例一的光束固定聚焦裝置使用紫外顯 微物鏡，能夠把上述紫外發(fā)光二極管的光束聚焦成小于0. lrrnn直徑的光
斑，聚焦效率大于50%，滿(mǎn)足紫外光固化快速成型設(shè)備的水平精度要求以 及對(duì)固化光功率的要求。實(shí)施例二的光束固定聚焦裝置使用柔性紫外錐度光纖，首先把紫外 發(fā)光二極管的光束用耦合透鏡耦合進(jìn)紫外錐度光纖，經(jīng)過(guò)紫外錐度光纖 的傳輸后，光束直徑減小，再把從紫外錐度光纖射出的光束用聚焦透鏡 聚焦成直徑小于O. lmm的光斑，聚焦效率大于50%,滿(mǎn)足紫外光固化快速 成型設(shè)備的水平精度要求以及對(duì)固化光功率的要求。(3)設(shè)計(jì)了適合于使用紫外發(fā)光二極管及其光束固定聚焦裝置的光束水 平面掃描裝置，包括Y方向掃描機(jī)構(gòu)和X方向掃描機(jī)構(gòu)紫外發(fā)光二極管不是相干光源，紫外發(fā)光二極管光束在空間的傳輸 不能保持良好的光束質(zhì)量，因此紫外發(fā)光二極管光束的掃描不能使用光 束偏轉(zhuǎn)掃描的方式；考慮到紫外發(fā)光二極管及其光束固定聚焦裝置具有 體積小、重量輕的特點(diǎn)，實(shí)際設(shè)計(jì)如下實(shí)施例一把紫外發(fā)光二極管及其紫外顯微物鏡安裝在X方向掃描機(jī) 構(gòu)的X方向滑塊上，實(shí)現(xiàn)X方向掃描，把X方向掃描機(jī)構(gòu)的X方向直線(xiàn) 軌道安裝在Y方向掃描機(jī)構(gòu)的Y方向滑塊上，實(shí)現(xiàn)Y方向掃描。實(shí)施例二把紫外發(fā)光二極管、耦合透鏡和柔性紫外錐度光纖的輸入 端囪定不動(dòng)，把柔性紫外錐度光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向掃 描機(jī)構(gòu)的X方向滑塊上，其余和實(shí)施例一相同。
權(quán)利要求1、紫外光固化快速成型設(shè)備，包括發(fā)出紫外光的固化光源、光束聚焦裝置、光束掃描裝置、盛裝液態(tài)光敏樹(shù)脂的樹(shù)脂槽、其托臺(tái)浸于樹(shù)脂液體內(nèi)的工件托架和帶動(dòng)工件托架上下運(yùn)動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)裝置，固化光源發(fā)出的紫外光束經(jīng)光束聚焦裝置和光束掃描裝置形成投射到工件托架托臺(tái)上樹(shù)脂液面的聚焦光斑，其特征在于所述固化光源采用大功率紫外發(fā)光二極管，所述光束聚焦裝置為光束固定聚焦裝置，光束掃描裝置為光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置，包括Y方向掃描機(jī)構(gòu)和X方向掃描機(jī)構(gòu)，Y方向掃描機(jī)構(gòu)包括Y方向直線(xiàn)軌道、Y方向電機(jī)和設(shè)于Y方向直線(xiàn)軌道上并可沿其滑動(dòng)的Y方向滑塊，樹(shù)脂槽上相對(duì)的兩邊設(shè)置彼此互相平行的Y方向直線(xiàn)軌道，其中一邊Y方向直線(xiàn)軌道的一端裝有驅(qū)動(dòng)其上Y方向滑塊滑動(dòng)的Y方向電機(jī)，X方向掃描機(jī)構(gòu)包括X方向直線(xiàn)軌道、X方向電機(jī)和設(shè)于X方向直線(xiàn)軌道上并可沿其滑動(dòng)的X方向滑塊，X方向直線(xiàn)軌道的兩端分別置于樹(shù)脂槽相對(duì)兩邊的Y方向滑塊上，其一端裝有驅(qū)動(dòng)其上X方向滑塊滑動(dòng)的X方向電機(jī)，X方向滑塊上設(shè)有光束固定聚焦裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述Y方向直線(xiàn)軌道和X方向直線(xiàn)軌道互相垂直。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述大功率紫外發(fā)光二極管選用365nm波長(zhǎng)的紫外發(fā)光二極管。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述大功率紫外發(fā)光二極管的功率為100mW。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述大功率紫外發(fā)光二極管選用365nm波長(zhǎng)的紫外發(fā)光二極管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述大功率紫外發(fā)光二極管的功率為100mW。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特 征在于所述光束固定聚焦裝置為紫外顯微物鏡，所述大功率紫外 發(fā)光二極管和紫外顯微物鏡均安裝在X方向滑塊上，大功率紫外發(fā) 光二極管發(fā)出的紫外光束經(jīng)紫外顯微物鏡形成投射到樹(shù)脂液面的聚 焦光斑。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特 征在于所述光束固定聚焦裝置包括耦合透鏡、柔性紫外光纖和聚 焦透鏡，其中紫外光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向滑塊上， 大功率紫外發(fā)光二極管發(fā)出的紫外光束經(jīng)耦合透鏡耦合進(jìn)紫外光纖 的輸入端，通過(guò)紫外光纖傳輸，從紫外光纖的輸出端射出，再經(jīng)聚 焦透鏡形成投射到樹(shù)脂液面的聚焦光斑。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的紫外光固化快速成型設(shè)備，其特征在于所 述柔性紫外光纖為柔性紫外錐度光纖。
專(zhuān)利摘要紫外光固化快速成型設(shè)備，包括大功率紫外發(fā)光二極管1、光束固定聚焦裝置2、光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置3、盛裝液態(tài)光敏樹(shù)脂的樹(shù)脂槽4、其托臺(tái)81浸于樹(shù)脂液體內(nèi)的工件托架8和帶動(dòng)工件托架8上下運(yùn)動(dòng)的垂直運(yùn)動(dòng)裝置5。紫外發(fā)光二極管1發(fā)出的紫外光束9經(jīng)光束固定聚焦裝置2形成投射到樹(shù)脂液面6的聚焦光斑，經(jīng)光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置3的X方向掃描和Y方向掃描，聚焦光斑掃描工件托架托臺(tái)81上樹(shù)脂液面6的相應(yīng)位置。本實(shí)用新型通過(guò)采用大功率紫外發(fā)光二極管作為固化光源，并設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的光束固定聚焦裝置和光束水平面運(yùn)動(dòng)掃描裝置，使本實(shí)用新型造價(jià)便宜，便于普及應(yīng)用，而且效率、精度和速度等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足實(shí)用的要求。
文檔編號(hào)B29C67/00GK201033467SQ20072005241
公開(kāi)日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者劉玉鵬, 李偉良, 李耀棠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州電子技術(shù)研究所