一種大幅面光固化3d打印機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光技術(shù)進(jìn)行三維實(shí)物模型制作的增材制造(即3D打印)設(shè)備，尤其是光固化的3D打印設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]目前公知的3D打印技術(shù)被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療、教學(xué)、航空航天等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)的主流技術(shù)包括激光立體光固化技術(shù)(SLA)、熔融沉積成型(FDM)、選擇性激光熔化技術(shù)(SLM)、數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)、三維打印黏結(jié)成型(3DP)等。
[0003]激光立體光固化技術(shù)(Stereo Lithography Appearance，簡稱SLA)，是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝，SLA技術(shù)所用光源為激光，具有波長單一、光斑尺寸小和功率密度大的特點(diǎn)，通過精確控制掃描頭，可以實(shí)現(xiàn)零件高速度、高精度加工。但現(xiàn)有的SLA系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，在成型過程中，為了保證樹脂液體加工表面的平整度，需要復(fù)雜且昂貴的設(shè)備去調(diào)節(jié)液面平整度，使得整體系統(tǒng)體積過大并且造價(jià)昂貴；另一方面，在成型過程中，往往需要一個(gè)大體積樹脂儲池，導(dǎo)致樹脂材料利用率很低，昂貴的成本和過重的設(shè)備不利于SLA技術(shù)的推廣及實(shí)用化。
[0004]恪融沉積成型(Fused Deposit1n Modeling，簡稱FDM)，又稱恪絲沉積，是一種快速成型技術(shù)。FDM是將低熔點(diǎn)材料熔化后，通過由計(jì)算機(jī)數(shù)控的精細(xì)噴頭按CAD分層截面數(shù)據(jù)進(jìn)行二維填充，噴出的絲材經(jīng)冷卻粘結(jié)固化生成一薄層截面，層層疊加成三維實(shí)體。其特點(diǎn)是不采用激光系統(tǒng)，使用和維護(hù)簡單，設(shè)備體積小巧，易于搬運(yùn)，適用于辦公環(huán)境易于被大眾人群接受，但由于其需要保證出絲過程擠出速度和填充速度進(jìn)行合理匹配，影響加工速度，擠出絲實(shí)際輪廓線超出理想輪廓線區(qū)域，影響成型件精度，相比SLA、DLP技術(shù)精度和打印速度有很大差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對以熔融沉積成型(FDM)技術(shù)為依托的3D打印設(shè)備打印速度低、成型精度低，以激光立體光固化(SLA)技術(shù)為依托的3D打印設(shè)備造價(jià)高、成型幅面偏小、樹脂利用率低的特點(diǎn)，提出一種集加工速度快、成型精度較高、成型幅面大，樹脂利用率高、成本較低的特點(diǎn)于一體的3D打印機(jī)。
[0006]一種大幅面光固化3D打印機(jī)，其特征在于:包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，紫外激光器，Z軸方向運(yùn)動電機(jī)、Z軸平臺，x/y軸數(shù)控系統(tǒng)，搭載在直線電機(jī)上的反射鏡、儲液池和補(bǔ)液箱；紫外激光經(jīng)搭載在Y直線電機(jī)轉(zhuǎn)子上的反射鏡2，反射至搭載在X直線電機(jī)轉(zhuǎn)子上的反射鏡9，最終輻照到儲液池6中液態(tài)光敏樹脂表面；儲液池6中有Z軸方向運(yùn)動電機(jī)7驅(qū)動的Z軸平臺，Z軸平臺上方為基托板3，儲液池6通過壓力控制裝置5與補(bǔ)液箱4相連接；通過控制反射鏡和Z軸平臺的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)紫外激光束對液態(tài)樹脂的固化。
[0007]進(jìn)一步，Z軸平臺下方的設(shè)有活動隔板與儲液池的底部密閉連接。
[0008]進(jìn)一步，紫外激光器波長在355?405nm。
[0009]X方向直線電機(jī)運(yùn)動速度在2m/s?7m/s，加速度40?50m/s2;Y方向直線電機(jī)運(yùn)動速度在2m/s?7m/s，加速度20?30m/s2。
[0010]本發(fā)明中所用的紫外激光器波長單一、光斑尺寸小、功率密度大，在極端的時(shí)間內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)樹脂的固化，故可實(shí)現(xiàn)比FDM技術(shù)更快速、更精確的成型。而該方法所用激光器僅為普通紫外光源，對光束進(jìn)行一定準(zhǔn)直聚焦后通過反射鏡的運(yùn)動即可控制光束在加工件正上方的移動，而不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，也不需要苛刻的工作環(huán)境，加之使用帶活動隔板和補(bǔ)液箱的儲液池，設(shè)備成本和使用成本相對SLA技術(shù)要更低。
[0011]本發(fā)明的工作原理:利用搭載在高速直線電機(jī)上的反射鏡替代掃描振鏡，紫外激光光束可垂直輻照液態(tài)光敏樹脂表面。通過對模型進(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制反射鏡和Z軸平臺的運(yùn)動。通過計(jì)算機(jī)控制X、Y軸方向上的反射鏡以高加速度、高速度運(yùn)動實(shí)現(xiàn)紫外激光束對液態(tài)樹脂的固化，其成型零件范圍可以不受振鏡掃描范圍的限制。
[0012]Z軸平臺下方的活動隔板與儲液池的底部密閉連接，在填充儲液池時(shí)可以減少液體的使用量，在Z軸平臺的升降過程中，活動隔板通過自身變形保證平臺的順利移動。外側(cè)補(bǔ)液箱與儲液池連通，當(dāng)一層液態(tài)樹脂固化完畢后，計(jì)算機(jī)自行控制Z軸方向電機(jī)平臺下降一定距離，同時(shí)由補(bǔ)液箱，通過壓力控制裝置實(shí)現(xiàn)樹脂材料的再補(bǔ)充，使儲液池內(nèi)樹脂的液面高度保持一定。然后進(jìn)行第二層截面的掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣層層疊加的固化層形成三維工件原型。在實(shí)體模型打印完成后可提升Z軸平臺，即可方面的將模型從基板上取下。由于補(bǔ)液箱與儲液池液面的高度差，儲液池中的樹脂隨著Z軸平臺的上升可自行回流到補(bǔ)液池，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)特征:
[0014]1.采用波長為355?405nm的紫外激光對液態(tài)光敏樹脂材料進(jìn)行固化；
[0015]2.采用x/y軸數(shù)控系統(tǒng)，通過高速度直線電機(jī)，帶動激光反射鏡片的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)紫外激光束在樹脂表面的垂直掃描；
[0016]3.成型零件范圍 100mmX 2000mmX 100mm ;
[0017]4.儲液池中的液面高度通過計(jì)算機(jī)控制的增壓裝置實(shí)現(xiàn)液態(tài)樹脂從補(bǔ)液箱向儲液池的供給。
[0018]5.Z軸方向電機(jī)平臺的下方增加了與儲液池底相連的具有密封性能活動隔板，隔板的兩側(cè)分別為平臺的運(yùn)動軸和液體樹脂，通過阻隔液體樹脂占據(jù)池內(nèi)空間的方法來降低工作時(shí)樹脂的需求量；
[0019]6.在平臺運(yùn)動時(shí)，隔板可通過自身變形來消除對平臺運(yùn)動的阻礙；
[0020]7.本發(fā)明中，3D打印設(shè)備所涵蓋的裝置有:計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，激光器，防紫外保護(hù)罩，Z軸方向電機(jī)平臺，x/y軸數(shù)控系統(tǒng)，導(dǎo)光系統(tǒng)、儲液池、補(bǔ)液箱、活動隔板。
【附圖說明】
[0021]圖1大幅面光固化3D打印機(jī)。
[0022]圖中:1.紫外激光器，2.Y方向運(yùn)動高速度直線電機(jī)，3.基托板，4.補(bǔ)液箱，5.壓力控制裝置，6.儲液池，7.活動隔板，8.X方向運(yùn)動高速度直線電機(jī)，9.反射鏡，10.液態(tài)樹月旨，11.基托板固定件，12.Z軸平臺，13.Z方向運(yùn)動電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]首先有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
[0024]整體平臺裝置如圖1方式安裝連接，裝配時(shí)保證Z軸平臺與水平面平行，保證運(yùn)動方向垂直與水平面。在Z軸平臺上安放基托板，并用固定件使其與Z軸平臺固定在一起。紫外激光器發(fā)射的光束經(jīng)整形后通過反射鏡聚焦在基托板上表面，作為平臺初始位。向補(bǔ)液箱內(nèi)倒入光敏樹脂，通過計(jì)算機(jī)控制的壓力裝置控制補(bǔ)液箱與儲液池的頁面高度。完成固化前的準(zhǔn)備工作。
[0025]在外置計(jì)算機(jī)上利用三維軟件對STL三維模型進(jìn)行分層處理，分層厚度為0.1mm，并預(yù)先設(shè)計(jì)每個(gè)分層的掃描路徑。計(jì)算機(jī)控制激光器輸出波長為355nm的紫外激光，X、Y高速度直線電機(jī)以4m/s的速度帶動反射鏡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)激光束在第一層的掃描，計(jì)算機(jī)控制激光器停止出光，然后Z軸電機(jī)平臺下降0.1mm,由補(bǔ)液箱向儲液池補(bǔ)給樹脂，并調(diào)平液面。之后，激光器輸出激光，X、Y高速度直線電機(jī)繼續(xù)以4m/s的速度帶動反射鏡運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)激光束對第二分層的掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，重復(fù)以上步驟直至三維實(shí)體模型打印完成。提升Z軸平臺，利用補(bǔ)液箱與儲液池液面的高度差，儲液池中的樹脂隨著Z軸平臺的上升自行回流到補(bǔ)液池。當(dāng)模型基板從液面露出，將模型從基板上取下，在能量更高的紫外光下進(jìn)行最終固化。若對工件的表面要求嚴(yán)格，可再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大幅面光固化3D打印機(jī)，其特征在于:包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，紫外激光器，Z軸方向運(yùn)動電機(jī)和Z軸平臺，x/y軸數(shù)控系統(tǒng)，搭載在直線電機(jī)上的反射鏡、儲液池和補(bǔ)液箱；紫外激光經(jīng)搭載在Y直線電機(jī)轉(zhuǎn)子上的反射鏡2，反射至搭載在X直線電機(jī)轉(zhuǎn)子上的反射鏡9，最終輻照到.儲液池6中液態(tài)光敏樹脂表面；儲液池6中有Z軸方向運(yùn)動電機(jī)7驅(qū)動的Z軸平臺，Z軸平臺上方為基托板3.儲液池6與補(bǔ)液箱4相連接；通過控制反射鏡和Z軸平臺的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)紫外激光束對液態(tài)樹脂的固化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅面光固化3D打印機(jī)，其特征在于:Z軸平臺下方的設(shè)有活動隔板與儲液池的底部密閉連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅面光固化3D打印機(jī)，其特征在于:紫外激光器波長在 355 ?4Q5nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅面光固化3D打印機(jī)，其特征在于:X方向直線電機(jī)運(yùn)動速度在2m/s?7m/s，加速度40?50m/s2;Y方向直線電機(jī)運(yùn)動速度在2m/s?7m/s，加速度20?30m/s2。
【專利摘要】一種大幅面光固化3D打印機(jī)屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于：包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，紫外激光器，Z軸方向運(yùn)動電機(jī)、Z軸平臺，x/y軸數(shù)控系統(tǒng)，搭載在直線電機(jī)上的反射鏡、儲液池和補(bǔ)液箱；紫外激光光束垂直輻照到搭載在Y方向運(yùn)動直線電機(jī)的反射鏡上，然后反射到搭載在Y方向運(yùn)動直線電機(jī)的反射鏡上，最終輻照到儲液池中液態(tài)光敏樹脂表面；儲液池中有Z軸方向運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動的Z軸平臺，Z軸平臺上方為基托板，儲液池通過壓力控制裝置與補(bǔ)液箱相連接；通過控制反射鏡和Z軸平臺的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)紫外激光束對液態(tài)樹脂的固化。本發(fā)明提出一種集加工速度快、成型精度較高、成型幅面大，樹脂利用率高、成本較低的特點(diǎn)于一體的3D打印機(jī)。
【IPC分類】B29C67-00, B33Y30-00
【公開號】CN104816479
【申請?zhí)枴緾N201510251551
【發(fā)明人】陳繼民, 李東方, 竇陽
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月17日