專利名稱：一種基于液晶空間光調(diào)制器的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)明涉及快速成型領(lǐng)域，特指一種基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型方法及裝 置，此方法具有成型速度快、成本低等優(yōu)點，能夠廣泛的應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域。發(fā)明背景快速成型是20世紀80年代末期產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)，是計算機輔助設(shè) 計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數(shù)字控制(CNN)、激光、新材料、精密伺服等多 項技術(shù)的發(fā)展和綜合。圍繞采用計算機控制技術(shù)產(chǎn)生了一系列快速成型方法。如Charles Hul 開發(fā)的SLA(Stereolithography Apparatus)法，于1984年獲美國專利(專利號US4575330), 1988年美國3D System公司根據(jù)該工藝推出商品化樣機SLA- I,是世界上第一臺快速成型機； 美國Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功LOM(Laminated Object Manufacturing)法；美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C. R. Dechard于1989年研制成功 SLS (Selective Laser Sintering)法；美國學者Scott Crump于1988年研制成功TOM (Fused D印osition Modeling)法；美國麻省理工學院Ema腿l Sachs等人研制出3DP(Three Dimension Printing)法；以色列CUBITAL公司提出的SGC(Solid Ground Curing)法。以上 發(fā)明或技術(shù)的一個共同特點是通過有序地添加材料來達到零件設(shè)計要求，不同于傳統(tǒng)的通過 有序地從基體上分離材料的加工方式。目前，各種方法的關(guān)鍵問題都集中在制造成本、制造 速度和制造精度等方面。在諸多的RP (Rapid Prototyping)方法中，發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是液態(tài)光敏樹脂選 擇性固化成型方法。與此相關(guān)的方法主要是SLA法和SGC法。SLA法(專利號US4575330) 又稱立體光刻法，這種方法基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作。光敏材料在一定波長和強 度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。紫外激光束在液態(tài)表面 上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均由計算機控制，光點打到的地方，液體就固化，光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化，當一層掃描完成后，再進行下一層的掃描， 新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢。其缺點之一是掃描 由點成線，再由線組成面，耗時較長，成型速度較慢；缺點之二是激光管昂貴且壽命有限， 此方法投入和運行成本較高。SGC法也稱為掩模固化法，它使用類似投影膠片的漏光板，通 過漏光板產(chǎn)生與模型截面圖相一致的光影并照射在液態(tài)光敏樹脂表面使樹脂固化成型，這種 方法雖然以面曝光的方式取代了逐點掃描的方式，提高了成型速度，但是使用該方法需要事 先為成型模型的每一層制作一張漏光板，程序繁雜、使用成本高、自動化程度較低，因此該 方法一直沒有被推廣使用。本發(fā)明采用液晶空間光調(diào)制器和紫外燈作為成型器件，降低了成 本，提高了成型速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光固化快速成型方法，以及實現(xiàn)該方法的裝置。該裝置采用紫 外光源，通過液晶空間光調(diào)制器，將整形后的光束照射到液態(tài)光敏樹脂表面，控制曝光時間， 通過升降裝置的升降，層層照射，固化，疊加，實現(xiàn)快速成型件的制作。本發(fā)明所說的光固化快速成型方法，包括以下步驟(1) 計算機對需要成型的工件模型進行分層處理，得到模型截面圖；(2) 在計算機中計算出各模型截面圖所對應(yīng)的相位圖，并將這些相位圖依次輸入到液 晶空間光調(diào)制器的控制單元上；(3) 利用升降裝置控制托板在樹脂槽中下降一定深度，在刮平裝置的作用下，在托板 表面形成一層一定厚度的樹脂；(4) 紫外燈射出的光通過橢球反光鏡反射，并通過凸透鏡的會聚形成平行紫外光照射 到液晶空間光調(diào)制器上；(5) 計算機控制液晶空間光調(diào)制器以設(shè)定的方式曝光，將光斑照射到托板表面的樹脂 層，形成一固化層；(6) 托板在升降裝置的帶動下，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，在刮平裝置的作用下，保證新的液態(tài)樹脂層厚度均勻，表面平整；(7) 將下一層截面圖的相位圖輸入到液晶空間光調(diào)制器的控制單元上，通過液晶空間 光調(diào)制器的紫外光照射到托板表面的樹脂層，形成一新的固化層，與已固化層相粘結(jié)；(8) 重復步驟5 步驟7，直至模型完成。在上述方法中，根據(jù)設(shè)計的功能需要，可調(diào)節(jié)橢球反光鏡與凸透鏡之間的距離，使紫外 燈射出的紫外光經(jīng)橢球反光鏡反射后在凸透鏡的焦點處聚焦。在上述方法中，根據(jù)設(shè)計的功能需要，計算機通過數(shù)據(jù)線將算法程序計算得到的相位圖 輸入到液晶空間光調(diào)制器的控制單元，控制單元按査找表將相位灰度圖轉(zhuǎn)化為空間光調(diào)制器 的每一像素上的相位值。不同形狀的截面圖只需要調(diào)節(jié)液晶空間光調(diào)制器上每一像素上的相 位值。本發(fā)明提供的實現(xiàn)上述光固化快速成型方法的裝置，包括計算機1、液晶空間光調(diào)制器 2、光源系統(tǒng)和成型系統(tǒng)，液晶空間光調(diào)制器2和成型系統(tǒng)依次位于光源系統(tǒng)正下方，計算 機1與液晶空間光調(diào)制器2相連；其中，所說的光源系統(tǒng)由凸透鏡3、紫外燈4和橢球反光 鏡5構(gòu)成，凸透鏡3、紫外燈4和橢球反光鏡5的軸心在同一條中心線上，橢球反光鏡5開 口向下，罩在紫外燈4外，在紫外燈1下方是凸透鏡3;所說的成型系統(tǒng)由樹脂槽6、托板7、 升降裝置8和刮平裝置9構(gòu)成；托板7設(shè)置在樹脂槽6內(nèi)，并受升降裝置8控制能在樹脂槽 6內(nèi)上下移動刮平裝置9設(shè)置在托板7的上方。根據(jù)設(shè)計的功能需要，需將紫外燈、橢球反光鏡、凸透鏡的軸心保持在同一條中心線上, 確保紫外光通過凸透鏡后為平行光。在上述所說的計算機1中具有分層處理軟件，以及通過GS算法編寫的相位圖計算程序。 在上述裝置中，根據(jù)設(shè)計的功能需要，橢球反光鏡反射光的聚焦點與凸透鏡的焦點重合。 本發(fā)明和傳統(tǒng)的激光掃描光固化成型系統(tǒng)相比，采用了紫外燈和液晶空間光調(diào)制器作為 光固化成型器件，替代了價格昂貴的紫外激光器和掃描器，另外，基于液晶空間光調(diào)制器的 光固化快速成型方式為面曝光成型方式，照射光斑形狀可以動態(tài)改變，所以，基于液晶空間 光調(diào)制器的光固化快速成型方式具有成型速度快、成本低等優(yōu)點，能夠廣泛的應(yīng)用于快速成 型領(lǐng)域。


圖1是根據(jù)本發(fā)明提出的基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型裝置示意圖。其中，l.計算機；2.液晶空間光調(diào)制器；3.凸透鏡；4.紫外燈；5.橢球反光鏡；6.樹脂槽；7.托板；8.升降裝置；9.刮平裝置圖2是GS算法流程圖
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型裝置如圖1所示。由計算機1、液晶空間光調(diào)制器2、凸透鏡3、紫外燈4、橢球反光鏡5、樹脂槽6、托板7、升降裝置8、 刮平裝置9組成；凸透鏡3、紫外燈4和橢球反光鏡5的軸心在同一條中心線上，橢球反 光鏡5開口向下，罩在紫外燈4外，紫外燈4射出的紫外光通過橢球反光鏡5的反射光聚 光點與凸透鏡3的焦點重合；凸透鏡3的正下方是液晶空間光調(diào)制器2，液晶空間光調(diào)制 器2通過數(shù)據(jù)線連接到計算機1;液晶空間光調(diào)制器2正下方是成型系統(tǒng)，成型系統(tǒng)由樹 脂槽6、托板7、升降裝置8、刮平裝置9組成，托板7設(shè)置在樹脂槽6內(nèi)，并受升降裝置 8控制能在樹脂槽6內(nèi)上下移動；刮平裝置9設(shè)置在托板7的上方，用于將托板7上的液 態(tài)樹脂層或己成型的工件表面形成均勻厚度的樹脂層。 實施過程具體如下首先是利用計算機1中的分層處理軟件對需要制造的工件三維數(shù)字化模型進行分層處 理，得到一系列的截面圖，分層的厚度，根據(jù)實際的精度來確定，分層厚度越小得到的截面 圖數(shù)量越多，但精度也越高。然后根據(jù)GS算法在計算機1內(nèi)編寫程序用于計算分層處理后得到的一系列截面圖的相 位圖，GS算法流程如圖2所示，基本步驟可以概括為1.給定二元光學元件的初始相位分布^0c，3;)(以后每次迭代使用步驟5得到的相位分布)，與入射光的振幅|￡/^，力|構(gòu)成入射的波函數(shù)<formula>formula see original document page 6</formula>2. 對/ (x，》作傅立葉變換得到g (w， v);3. 用g (w，v)的相位部分和希望得到的振幅lG(",v)l構(gòu)成g"' ("， v);g '(w，v) = |G(w，v)|-e<4. 對g ' (w，v)作逆傅立葉變換得到(x，力；5. 用/^'(x，力的相位和入射光的振幅lc/(;c,y)l構(gòu)成下一次迭代的入射波函數(shù)^(;c，y);6. 重復以上步驟直到設(shè)計精度滿足預期要求或達到最大迭代次數(shù)。 優(yōu)化得到的位相結(jié)構(gòu)是一幅相位圖，將相位圖輸入到液晶空間光調(diào)制器2的控制單元，控制單元按查找表將相位灰度圖轉(zhuǎn)化為液晶空間光調(diào)制器2的每一像素上的相位值，不同的 截面圖只需要改變像素上的相位值即可。利用控制升降裝置8帶動托板7在樹脂槽6內(nèi)升降，樹脂自動流向托板7表面，在刮平 裝置9的作用下，在托板7表面形成一層一定厚度的樹脂，厚度大小由分層時采用的分層厚 度決定。打開紫外燈4，紫外燈4射出的光通過橢球反光鏡5反射，并通過凸透鏡3的會聚形成 平行紫外光照射到液晶空間光調(diào)制器2上，由于液晶空間光調(diào)制器2的每一像素上都有根據(jù) 相位灰度圖轉(zhuǎn)化而來的相位值，使得紫外光被相位調(diào)制，得到與模型截面圖相一致的光斑形 狀。利用計算機1控制液晶空間光調(diào)制器2以設(shè)定的方式曝光，將整形后的光斑照射到托板 7表面的樹脂層，液態(tài)樹脂受到紫外光照射，發(fā)生光聚合反應(yīng)形成一固化層。托板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。將下一層截面圖的相位圖輸入到液晶空間光調(diào)制器2的控制單元上，通過液晶空間光調(diào) 制器2的紫外光被重新調(diào)制整形后照射到托板7表面的樹脂層，形成一新的固化層，與己固 化層相粘結(jié)，重復操作直至整個模型完成。
權(quán)利要求
1. 一種基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型方法，其特征在于，包括以下步驟(1)計算機對需要成型的工件模型進行分層處理，得到模型截面圖；(2)在計算機中計算出各模型截面圖所對應(yīng)的相位圖，并將這些相位圖依次輸入到液晶空間光調(diào)制器的控制單元上；(3)利用升降裝置控制托板在樹脂槽中下降一定深度，在刮平裝置的作用下，在托板表面形成一層一定厚度的樹脂；(4)紫外燈射出的光通過橢球反光鏡反射，并通過凸透鏡的會聚形成平行紫外光照射到液晶空間光調(diào)制器上；(5)計算機控制液晶空間光調(diào)制器以設(shè)定的方式曝光，將光斑照射到托板表面的樹脂層，形成一固化層；(6)托板在升降裝置的帶動下，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，在刮平裝置的作用下，保證新的液態(tài)樹脂層厚度均勻，表面平整；(7)將下一層截面圖的相位圖輸入到液晶空間光調(diào)制器的控制單元上，通過液晶空間光調(diào)制器的紫外光照射到托板表面的樹脂層，形成一新的固化層，與已固化層相粘結(jié)；(8)重復步驟(5)～步驟(7)，直至模型完成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型方法，其特征 在于，調(diào)節(jié)橢球反光鏡與凸透鏡之間的距離，使紫外燈射出的紫外光經(jīng)橢球反光鏡反射后在 凸透鏡的焦點處聚焦。
3、 根i、權(quán)利要^ i所述的一種基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型方法，其特征 在于，液晶空間光調(diào)制器的控制單元接收計算機傳遞來的相位圖，并將相位灰度圖轉(zhuǎn)化為液晶空間光調(diào)制器每一像素上的相位值；液晶空間光調(diào)制器對通過它的紫外光進行調(diào)制整形。
4、 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的光固化快速成型方法的裝置，其特征在于，包括計算機 (1)、液晶空間光調(diào)制器(2)、光源系統(tǒng)和成型系統(tǒng)，液晶空間光調(diào)制器(2)和成型系統(tǒng)依次位于光源系統(tǒng)正下方，計算機(1)與液晶空間光調(diào)制器(2)相連；其中，所說的光源 系統(tǒng)由凸透鏡(3)、紫外燈(4)和橢球反光鏡(5)構(gòu)成，凸透鏡(3)、紫外燈(4)和橢 球反光鏡(5)的軸心在同一條中心線上，橢球反光鏡(5)開口向下，罩在紫外燈(4)夕卜， 在紫外燈(1)下方是凸透鏡(3);所說的成型系統(tǒng)由樹脂槽(6)、托板(7)、升降裝置(8) 和刮平裝置(9)構(gòu)成；托板(7)設(shè)置在樹脂槽(6)內(nèi)，并受升降裝置(8)控制能在樹脂 槽(6)內(nèi)上下移動；刮平裝置(9)設(shè)置在托板(7)的上方。
5、 如權(quán)利要求4所說的裝置，其特征在于，所說的計算機(1)中具有分層處理軟件， 以及通過GS算法編寫的相位圖計算程序。
6、 如權(quán)利要求4所說的裝置，其特征在于，橢球反光鏡反射光的聚焦點與凸透鏡的焦 點重合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于液晶空間光調(diào)制器的光固化快速成型方法及裝置，其裝置由計算機、液晶空間光調(diào)制器、凸透鏡、紫外燈、橢球反光鏡、樹脂槽、托板、升降裝置以及刮平裝置組成。實現(xiàn)手段是通過GS算法計算出模型截面圖的相位灰度圖，把相位灰度圖輸入到液晶空間光調(diào)制器的控制單元。平行紫外光通過液晶空間光調(diào)制器后照射在液態(tài)光敏樹脂表面?？刂破毓夥绞?，待成型層達到一定固化程度后，將成型平臺下降相當于一個層厚的高度，在已成型表面涂敷一層一定厚度的液態(tài)光敏樹脂，然后再進行下一層的固化，逐層曝光照射，直至快速成型件制作完成。本發(fā)明將激光光束整形技術(shù)融入到光固化快速成型工藝，速度快，工藝簡單，成本較低，適于自動化生產(chǎn)。
文檔編號B29D11/00GK101301792SQ20081012366
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者劉會霞, 李保春, 昆 楊, 霄 王, 華 閆, 成 陳 申請人:江蘇大學