一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印領(lǐng)域，尤其涉及一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]快速成型技術(shù)(又稱快速原型制造技術(shù)，Rapid Prototyping ManufacturingJU稱RPM)，又稱3D打印，是基于材料逐層累加的一種高新制造技術(shù)，其根據(jù)零件或者物體的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層，得到每一層的輪廓，同時(shí)計(jì)算出加工路徑，打印頭根據(jù)加工路徑在控制系統(tǒng)的控制下得到每一層的實(shí)體，最終通過每一層的堆疊得到總的實(shí)體。
[0003]依據(jù)打印方式與打印材料的不同，3D打印技術(shù)可分為不同的種類。目前主流的3D打印技術(shù)有SLA、FDM、3DP、SLS、SLM、L0M等，在這些技術(shù)中SLA(光固化成型技術(shù))應(yīng)用最為廣泛、成型精度相對較高，SLA的光固化成型原理是利用紫外激光固化對紫外光非常敏感的液態(tài)樹脂材料予以成形，在計(jì)算機(jī)控制下經(jīng)過聚焦的紫外激光束按照零件分層截面信息對液態(tài)樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)線掃描，被掃描區(qū)域的樹脂產(chǎn)生光聚合反應(yīng)瞬間固化，形成一個(gè)薄層，當(dāng)一層固化后，工作臺下移一個(gè)層厚，液態(tài)樹脂自動在已固化的零件表面覆蓋一個(gè)工作層厚的液態(tài)樹脂，緊接著進(jìn)行下一層掃描固化，如此反復(fù)直至整個(gè)零件打印完畢。然而，SLA技術(shù)使用的是點(diǎn)光源，由點(diǎn)到線再到面的成型方式，成型速度較慢。
[0004]針對現(xiàn)有的SLA光固化成型的問題，提出了DLP投影光固化成型技術(shù)，DLP是“Digital Light Process1n”的縮寫，即為數(shù)字光處理，也就是說這種技術(shù)要先把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理，然后再把光投影出來，它是基于TI(美國德州儀器)公司開發(fā)的數(shù)字微鏡元件--DMD(Digital Micromirror Device)來完成可視數(shù)字信息顯示的技術(shù)。DLP投影光固化成型技術(shù)使用一種較高分辨率的數(shù)字光處理器(DLP)來固化液態(tài)光聚合物，一層層對液態(tài)聚合物進(jìn)行固化，以此循環(huán)往復(fù)，直到最終模型的完成。
[0005]在DLP光固化打印過程中影響打印效果的主要因素有兩個(gè):光能量和單層曝光時(shí)間。軟件部分將圖像信息傳遞給投影機(jī)產(chǎn)生投影光，投影光透過樹脂槽照射到液態(tài)樹脂表面，液態(tài)樹脂吸收的光能量達(dá)到固化所需的能量閾值時(shí)會聚合為固態(tài)，樹脂所吸收的光能量大小將會影響樹脂的固化精度，光能量與單層曝光時(shí)間和輻照度成正比。當(dāng)單層曝光時(shí)間一定時(shí)，光能量與輻照度成正比。通常在DLP打印設(shè)備中，在打印不同的光敏樹脂材料和選擇不同打印精度的情況下，需要選擇合適的光能量和單層曝光時(shí)間，如果光能量不可變，僅通過軟件系統(tǒng)控制投影儀的單層曝光時(shí)間，打印層厚越大(打印精度越小)，單層曝光時(shí)間也越長，導(dǎo)致打印效率降低，設(shè)備的打印精度范圍受到限制。另外為了保護(hù)光敏樹脂在非打印階段能夠不受投影光的照射而造成的老化，必須在樹脂槽和投影機(jī)之間設(shè)置一個(gè)復(fù)雜的遮擋裝置，但是，基于投影式的光固化打印設(shè)備中投影儀的光強(qiáng)固定不變時(shí)，僅通過改變單層曝光時(shí)間，會出現(xiàn)打印精度范圍小、打印效率低、遮擋裝置復(fù)雜的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開的一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印裝置，包括投影儀、投影鏡頭、第一偏振片、第二偏振片、樹脂槽、打印平臺、水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)，所述的投影鏡頭安裝在投影儀上，所述的第一偏振片在投影鏡頭上，所述的第二偏振片在第一偏振片上，所述的第二偏振片與水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接，所述的樹脂槽在第二偏振片上，所述的樹脂槽在打印平臺下，所述的打印平臺與升降機(jī)構(gòu)連接。
[0007]優(yōu)選的，所述的第一偏振片的中心軸與投影儀所投光傳播方向平行;所述的第二偏振片的中心軸與投影儀所投光傳播方向平行;第一偏振片與第二偏振片平行放置。
[0008]優(yōu)選的，所述的第一偏振片的透振方向與第二偏振片的透振方向在復(fù)位時(shí)相互垂直。
[0009]優(yōu)選的，所述的水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)上設(shè)有伺服電機(jī)，用于控制第二偏振片的旋轉(zhuǎn)角度。
[0010]另一方面，本發(fā)明還公開了一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印方法，其特征在于，包括以下步驟:
a、通過投影儀投射出設(shè)定的圖案光，經(jīng)過投影鏡頭照射到第一偏振片，再照射到第二偏振片；
b、水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動第二偏振片轉(zhuǎn)動達(dá)到設(shè)定角度，使得第一偏振片與第二偏振片的透振方向的夾角達(dá)到設(shè)定角度；
c、照射到第二偏振片的光部分透過，再穿過樹脂槽照射到打印平臺上，對樹脂槽和打印平臺之間的3D打印材料進(jìn)行光固化，形成圖案；
d、水平旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動復(fù)位，帶動第二偏振片復(fù)位，兩層偏振片的透振方向互相垂直；
e、升降機(jī)構(gòu)帶動打印平臺與樹脂槽分隔一定距離，樹脂槽中的3D打印材料填充樹脂槽和打印平臺的間隙，進(jìn)行再次曝光，重復(fù)此過程直至打印結(jié)束。
[0011 ]優(yōu)選的，其中步驟a還包括:將所要打印的三維實(shí)體進(jìn)行分層，得到每層所需投影的圖案。
[0012]優(yōu)選的，其中步驟b還包括:根據(jù)設(shè)置的層厚所對應(yīng)的投影儀光強(qiáng)確定所需偏轉(zhuǎn)角度。
[0013]偏振片有一個(gè)特定的方向指向，與這個(gè)方向垂直的電振動被阻擋，而與這個(gè)方向平行一致的電振動則可以自由通過。自然光通過偏振片后成為偏振光，當(dāng)偏振光透過偏振片時(shí)，如果偏振光的振動方向與偏振片的透射方向平行一致時(shí)就幾乎不受到阻擋，這時(shí)偏振片是透明的，如果偏振光的振動方向與偏振片的透射方向相互垂直時(shí)，則幾乎完全不能通過。當(dāng)?shù)诙衿c第一偏振片的透振方向的夾角為Θ時(shí)，自然光1透過第一偏振片后，其強(qiáng)度變?yōu)?1=10/2，透過第二偏振片后的光強(qiáng)為12，由馬呂斯定律得I2=Ilcos20。
[0014]本發(fā)明通過在投影儀所投射的光路上設(shè)有兩個(gè)偏振片，第一偏振片的中心軸與光傳播方向相互平行，第二偏振片可通過伺服電機(jī)控制其圍繞以光傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)，從而改變第一偏振片與第二偏振片的透振方向的夾角，當(dāng)?shù)诙衿c第一偏振片的透振方向相互平行時(shí)，光強(qiáng)最大；當(dāng)?shù)诙衿c第一偏振片的透振方向相互垂直時(shí)，則沒有光透過。在打印每層時(shí)，軟件系統(tǒng)根據(jù)層厚計(jì)算相對應(yīng)的光強(qiáng)，通過控制系統(tǒng)對第二偏振片旋轉(zhuǎn)一定角度，改變兩偏振片透振方向的夾角，從而改變透過的光強(qiáng)，通過控制光強(qiáng)和單層曝光時(shí)間來提高打印精度。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
1.在投影儀投射光路中設(shè)置兩個(gè)偏振片，通過改變兩偏振片的透振方向的夾角，精確控制透過的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了打印光強(qiáng)的可調(diào)；
2.由于光強(qiáng)可調(diào)，提高了打印精度、擴(kuò)大了打印材料種類選擇，同時(shí)也提高了工作效率；
3.通過在投影儀投射光路中設(shè)置兩個(gè)偏振片，既能控制光強(qiáng)，又能防止光的外泄。
[0016]
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明公開的一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明公開的一種基于投影式光強(qiáng)可調(diào)節(jié)的光固化三維打印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]1、投影儀2、投影