專利名稱：面整體光固化快速成型方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光固化快速成型技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種利用LED光源組 實(shí)現(xiàn)面整體光固化快速成型的方法及裝置。
背景技術(shù)：
光固化快速成型技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造加工技 術(shù)，迄今已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、計(jì)算機(jī)、生物工程等諸多領(lǐng)域。 現(xiàn)有的光固化快速成型方法主要采用的是激光點(diǎn)掃描方式，工作要點(diǎn) 是將激光束在加工平面上匯聚成光點(diǎn)，讓光點(diǎn)按一定的掃描路徑進(jìn)行 逐點(diǎn)或逐行掃描，其常用的掃描方式有三種ACESTM光固化方式、 STARWEAVETm光固化方式以及QuickCastTM光固化方式。他們存 在一個(gè)共性問(wèn)題就是加工效率低，成型質(zhì)量差。
當(dāng)采用ACESTM光固化方式時(shí)，實(shí)體內(nèi)部的樹(shù)脂在激光點(diǎn)掃描 作用下可完全固化，實(shí)體強(qiáng)度較高。但這種方式只適用與聚合時(shí)不發(fā) 生收縮的環(huán)氧樹(shù)脂，否則實(shí)體在成型時(shí)將發(fā)生嚴(yán)重變形，而且這種固 化方式的加工時(shí)間是三種現(xiàn)有光固化方式中最長(zhǎng)的。
STARWEAVE 光固化方式依據(jù)了一系列分布在原型內(nèi)部的柵 格為固化的原型提供了較高的尺寸穩(wěn)定性，但是由于柵格的存在使得 實(shí)體內(nèi)部的樹(shù)脂無(wú)法完全固化，導(dǎo)致實(shí)體的強(qiáng)度降低；在后處理固化 時(shí)，實(shí)體內(nèi)部的未固化樹(shù)脂發(fā)生聚合反應(yīng)，實(shí)體體積收縮，引起均勻 或不均勻變形。
QuickCastTM方法是先掃描每層的外輪廓，然后沿正方形或等邊 三角形路徑在實(shí)體中進(jìn)行掃描填充。該方法同樣存在實(shí)體內(nèi)部樹(shù)脂無(wú) 法完全固化、實(shí)體強(qiáng)度差和后處理固化變形大的缺點(diǎn)。
4另外，采用激光點(diǎn)掃描光固化快速成型方式由于加工溫度高于室 溫,在加工后的熱平衡過(guò)程中也會(huì)因溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致實(shí)體產(chǎn) 生變形，影響加工質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題加以解決,進(jìn)而提供一
種利用LED光源組實(shí)現(xiàn)面整體光固化快速成型的方法，同時(shí)還提供一 種專用于該方法實(shí)施的面整體光固化快速成型裝置。采用本發(fā)明所述 的加工方法及裝置可以顯著地縮短成型的時(shí)間并有效地提高光固化 成快速成型的加工質(zhì)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的成型方法是首先在計(jì)算機(jī)中繪 制三維實(shí)體圖形，通過(guò)軟件對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行分層處理，得到實(shí)體的各 截面層信息，再利用控制電路控制的一組由多只并行設(shè)置的LED光源 組成的LED光源組,將計(jì)算機(jī)中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光學(xué) 圖像照射到光敏樹(shù)脂加工層上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)加工層的面整體光固化成 型；然后在固化好的實(shí)體層上再涂敷一層新的液態(tài)樹(shù)脂并刮平，用上 述方式照射該新的光敏樹(shù)脂加工層，如此反復(fù)至整個(gè)實(shí)體成型完成。
在前述發(fā)明基礎(chǔ)上的一個(gè)創(chuàng)新方案是通過(guò)LED光源組將計(jì)算機(jī) 中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像后，再通過(guò)與LED光源組 對(duì)應(yīng)耦合的傳導(dǎo)光纖、聚焦纖維透鏡以及成像透鏡將相應(yīng)光學(xué)圖像逐 層照射到光敏樹(shù)脂加工層上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)成型面的整體光固化成型，在 固化好的樹(shù)脂層上涂敷新的液態(tài)光敏樹(shù)脂之后再重復(fù)進(jìn)行上述步驟， 直至整個(gè)實(shí)體加工完成。
本發(fā)明所述的面整體光固化快速成型裝置包括下述組件
一組由多只并行設(shè)置的LED光源組成并由控制電路的相應(yīng)電信 號(hào)控制的LED光源組，工作時(shí)可通過(guò)電信號(hào)控制相應(yīng)的LED的亮或滅， 從而將計(jì)算機(jī)中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光信號(hào)；一束由多根傳導(dǎo)光纖組成的光纖束,其中的每根光纖的一端各與
LED光源組中對(duì)應(yīng)的一只LED光源耦合封裝聯(lián)接，用于傳遞光信號(hào)； 一組由多個(gè)聚焦纖維透鏡組成的聚焦纖維透鏡組，其中的每個(gè)聚 焦纖維透鏡各與光纖束中的一根對(duì)應(yīng)的傳導(dǎo)光纖的另一端耦合聯(lián)接， 傳導(dǎo)光纖中的光線經(jīng)過(guò)聚焦纖維透鏡后變成近似平行光輸出；
一副成像透鏡，用于將聚焦纖維透鏡組發(fā)出的近似平行光圖像信 號(hào)作適當(dāng)調(diào)整后照射到光敏樹(shù)脂加工層上。
與現(xiàn)有的激光掃描光固化成型方法相比，本發(fā)明具有成型加工效 率高、成型質(zhì)量好、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、操作方便、對(duì) 光敏樹(shù)脂材料性能要求低、便于普及應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。由于在采用本發(fā)明 所述光固化方法及裝置加工過(guò)程中，實(shí)體內(nèi)部不存在未固化樹(shù)脂或未 固化樹(shù)脂存在很少，因而實(shí)體強(qiáng)度增加，后處理固化變形小，加工質(zhì) 量得到改善；兼之加工層面整體光固化成型，使加工效率大大提高； 另外因?yàn)椴捎玫氖抢涔庠催M(jìn)行加工，加工溫度接近于室溫，因而加工 后成型件實(shí)體的冷卻變形小。總之，本發(fā)明方案的實(shí)施在光固化快速 成型的加工效率、經(jīng)濟(jì)性、生態(tài)性、能源節(jié)約方面都有所突破。


圖1為本發(fā)明所述裝置的工作原理結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為光點(diǎn)正方形分布排列方式的示意圖。
圖3為光纖與聚焦纖維透鏡的工作示意圖。
圖4為聚焦纖維透鏡固定盤的俯視向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為聚焦纖維透鏡固定盤的工作原理圖。
圖6為一種聚焦纖維透鏡與成像透鏡實(shí)例的示意圖。
圖7為圖6的右視圖。
圖中標(biāo)號(hào)分別表示:1 一 LED光源組，2 —光纖束，3 —聚 焦纖維透鏡組，4 —成像透鏡，5 —加工平面，6 —控制電路，7一計(jì)算機(jī)，8 —聚焦纖維透鏡固定盤，81 —聚焦纖維透鏡固定盤
通孔，9 一成型室，10 —工作臺(tái)。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā) 明的具體工作方式和實(shí)際制作結(jié)構(gòu)并不僅限于下述的實(shí)施例。
參見(jiàn)附圖，本發(fā)明所述的光固化快速成型裝置的構(gòu)件主要包括 LED光源組1、光纖束2和成像透鏡系統(tǒng)(圖1)，其中的成像透鏡系 統(tǒng)又由一組與光纖束2內(nèi)各傳導(dǎo)光纖對(duì)應(yīng)偶合連接的聚焦纖維透鏡 組3和一副成像透鏡4組成。LED光源組1由多只并行設(shè)置的紫光LED 單體組成，各紫光LED單體的排列方式視裝置的空間安排而定，其數(shù) 目根據(jù)成型工件尺寸而定，其型號(hào)根據(jù)光固化樹(shù)脂的固化敏感波長(zhǎng)確 定。傳導(dǎo)光纖束2中的單模光纖與LED之間通過(guò)耦合封裝聯(lián)結(jié)，每根 傳導(dǎo)光纖對(duì)應(yīng)于一個(gè)LED，若干根傳導(dǎo)光纖組成的光纖束形成光纜。 每根傳導(dǎo)光纖另一端耦合連接一個(gè)聚焦纖維透鏡,工作中通過(guò)對(duì)聚焦 纖維透鏡的選擇，光纖束2中的光線經(jīng)過(guò)聚焦纖維透鏡組3變成近似 平行光輸出(圖3),產(chǎn)生適合加工需要的光學(xué)圖象。
裝備了以上光學(xué)系統(tǒng)的光固化快速成型裝置的工作過(guò)程是這樣 的:控制電路6將計(jì)算機(jī)7中的實(shí)體截面信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)進(jìn) 而控制LED光源組1中的相應(yīng)LED亮與滅，由LED發(fā)出的光通過(guò)光纖 束2傳送到聚焦纖維透鏡組3，聚焦纖維透鏡組3將光纖束2傳送過(guò) 來(lái)的光調(diào)整為近似的平行光輸出，形成截面信息的光學(xué)圖像送到成像 透鏡4，照射到光敏樹(shù)脂加工層。裝置中，聚焦纖維透鏡組3中各聚 焦纖維透鏡之間按如圖2所示的正方形分布排列的方式將整個(gè)固定 盤分成若干個(gè)小正方形，聚焦纖維透鏡的圓心在每個(gè)正方形的頂點(diǎn)或 內(nèi)接圓心處，用以正方形邊長(zhǎng)為直徑，以正方形頂點(diǎn)或其內(nèi)接圓心為 圓心的圓形光斑疊加覆蓋成型面。照射到成型面上的每個(gè)圓形光點(diǎn)即是一個(gè)相應(yīng)LED發(fā)出的光線形成的光斑，通過(guò)光斑的疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè) 成型面的覆蓋，最后由成像透鏡4把光學(xué)圖像加以調(diào)整后照射到加工 平面5的光敏樹(shù)脂加工層上，進(jìn)而完成型面整體固化加工。
本發(fā)明裝置中的聚焦纖維透鏡組3固定在一個(gè)聚焦纖維透鏡固定 盤8上，該固定盤由一尺寸穩(wěn)定性較好的剛性材料制成，其上按正方 形排列方式加工有若干個(gè)用于固定聚焦纖維透鏡的通孔81 (圖4)。將 聚焦顯微透鏡固定盤8裝在一升降架上，使之能做垂直于成像透鏡4 方向的運(yùn)動(dòng)，以得到需要的光學(xué)圖像。成像透鏡4與成型室9 一起組 成封閉的加工空間。成型工件時(shí)，當(dāng)完成一工作層的面整體固化成型 后，承載成型面5的工作臺(tái)IO下降一個(gè)層厚，在固化好的實(shí)體層上 涂敷上一層新的液態(tài)光敏樹(shù)脂，刮平后，照射下一個(gè)層的截面圖象信 息到新的光敏樹(shù)脂成型層上，完成該新層的光固化成型。如此反復(fù)至 整個(gè)實(shí)體光固化加工完成。
在圖6和圖7描示的實(shí)例中，聚焦顯微透鏡到成像透鏡的距離為 L,聚焦顯微透鏡的直徑為D1，形成的光斑直徑為D，光線發(fā)散角為 9， D—Dl二2d，則可以計(jì)算得到L、 D和D1的關(guān)系式為
2LXtan 9 + Dl = D 在D1確定后，操作者只需要適當(dāng)調(diào)整L就可以得到合適的光斑 直徑D，以滿足加工需要。
權(quán)利要求
1、一種面整體光固化快速成型方法，其特征在于首先在計(jì)算機(jī)中繪制三維實(shí)體圖形，通過(guò)軟件對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行分層處理，得到實(shí)體的各截面層信息，利用控制電路控制的一組由多只并行設(shè)置的LED光源組成的LED光源組，將計(jì)算機(jī)中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像照射到光敏樹(shù)脂加工層上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)加工層的面整體光固化成型；然后在固化好的實(shí)體層上再涂敷一層新的液態(tài)樹(shù)脂并刮平，用上述方式照射該新的光敏樹(shù)脂加工層，如此反復(fù)至整個(gè)實(shí)體成型完成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面整體光固化快速成型方法，其特征 在于:通過(guò)LED光源組將計(jì)算機(jī)中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光 學(xué)圖像后，再通過(guò)與LED光源組對(duì)應(yīng)耦合的傳導(dǎo)光纖、聚焦纖維透鏡 以及成像透鏡將相應(yīng)光學(xué)圖像逐層照射到光敏樹(shù)脂加工層上，實(shí)現(xiàn)一 個(gè)成型面的整體光固化成型。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面整體光固化快速成型方法，其特征 在于:通過(guò)聚焦纖維透鏡發(fā)出的光點(diǎn)按正方形分布排列的方式將整個(gè) 成型面分成若干個(gè)小正方形，用以正方形邊長(zhǎng)為直徑，分別以正方形 頂點(diǎn)或內(nèi)接圓的圓心為圓心的圓形光點(diǎn)覆蓋成型面，照射到成型面上 的每個(gè)圓型光點(diǎn)即是一個(gè)相應(yīng)LED發(fā)出的光形成的光斑，通過(guò)光斑疊 加實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)成型面的覆蓋。
4、 一種面整體光固化快速成型裝置，其特征在于它具有4. 1 一組由多只并行設(shè)置的LED光源組成并由控制電路(6)的相 應(yīng)電信號(hào)控制的LED光源組(l);4.2 —束由多根傳導(dǎo)光纖組成的光纖束(2),其中的每根傳導(dǎo)光 纖的一端各與LED光源組(l)中對(duì)應(yīng)的一只LED光源耦合封裝聯(lián)接；4.3 —組由多個(gè)聚焦纖維透鏡組成的聚焦纖維透鏡組(3),其中 的每個(gè)聚焦纖維透鏡各與光纖束(2)中一根對(duì)應(yīng)傳導(dǎo)光纖的另一端耦 合聯(lián)接，傳導(dǎo)光纖中的光線經(jīng)過(guò)聚焦纖維透鏡變成近似平行光輸出；4、 4 一副用于將聚焦纖維透鏡組(3)發(fā)出的近似平行光圖像信號(hào) 照射到光敏樹(shù)脂加工層上的成像透鏡(4)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的面整體光固化快速成型裝置，其特征 在于所說(shuō)的LED光源組(1)由多只紫光LED單體組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的面整體光固化快速成型裝置，其特征 在于聚焦纖維透鏡組(3)固定在一個(gè)聚焦纖維透鏡固定盤(8)上，該 固定盤由剛性材料制成,其上按正方形分布方式加工有若干個(gè)用于固 定聚焦纖維透鏡的通孔(81)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的面整體光固化快速成型裝置，其特征 在于固定盤(8)安裝在一個(gè)可以做垂直于成型面方向運(yùn)動(dòng)的升降架 上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用LED光源組實(shí)現(xiàn)光固化快速成型的方法及裝置。其光固化快速成型方法是首先在計(jì)算機(jī)中繪制三維實(shí)體圖形，通過(guò)軟件對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行分層處理，得到實(shí)體的各個(gè)截面層信息，利用控制電路控制的LED光源組，將計(jì)算機(jī)中實(shí)體的截面層信息轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像逐層照射到光敏樹(shù)脂的加工層上，完成光固化快速成型的面整體光固化成型。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置由LED光源組、光纖束、聚焦纖維透鏡組和成像透鏡等組成。本發(fā)明具有實(shí)體成型效率高、成型質(zhì)量好、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、操作方便、對(duì)光敏樹(shù)脂材料性能要求低、便于普及應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B29C67/00GK101554778SQ20081001793
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者李滌塵, 楊來(lái)俠, 黃曄礦 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)