光固化三维打印机及三维物体的成型方法技术

本发明专利技术涉及一种光固化三维打印机以及三维物体的成型方法,光固化三维打印机包括光敏树脂槽，在光敏树脂槽的至少两个侧面的外侧设置有平面激光单元，光敏树脂槽与平面激光单元对应的侧壁上至少一部分为透明部分；平面激光单元具有激光器和聚焦透镜，激光器产生平面型激光束，聚焦透镜设置在激光器的光路上，平面型激光束在光敏树脂槽内的聚焦位置可调节。本发明专利技术的三维物体的成型方法采用上述的三维打印机进行打印并且实现光固化。本发明专利技术的光固化三维打印机实现了光敏树脂的逐层固化，成型效率提高，并且这种平面型激光束的控制过程比较简单，易于操作。

Stereolithography 3D printer and forming method of 3D object

The invention relates to a light curing 3D printer and method of forming three-dimensional objects, three-dimensional light curing printer includes a photosensitive resin tank, at least two lateral side of the photosensitive resin slot of the plane is arranged on the side wall of the corresponding laser unit, photosensitive resin tank and planar laser unit on at least a portion for transparent; planar laser unit with the laser and focusing lens, laser planar laser beam focusing lens is disposed on an optical path of the laser, the focusing position in the photosensitive resin groove of the planar laser beam can be adjusted. The forming method of the three-dimensional object of the invention is printed by the three dimensional printer and the light curing is realized. The stereolithography three-dimensional printer realizes the layer by layer curing of photosensitive resin and improves the molding efficiency, and the control process of the planar laser beam is relatively simple and easy to operate.

【技术实现步骤摘要】
光固化三维打印机及三维物体的成型方法
本专利技术涉及快速成型领域，具体地说，是涉及一种光固化三维打印机及三维物体的成型方法。
技术介绍
现有的三维（3D）打印技术根据不同的成型原理，其使用的材料也是多种多样的，这些材料包括光敏树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、腊型等材料，还包括不锈钢、钴铬钼合金、铝合金等金属类材料。然而，现有的打印方式一般只能逐行逐层打印，无法实现一次快速的成型一层或者是一次多层打印，因此存在打印速度慢的问题。例如，如果打印的物体是图1所示的物体80，该物体80包括多块垂直延伸的板体81、82，还包括沿水平方向延伸的板体83，由于沿水平方向延伸的板体83并没有垂直延伸的板体支撑，如果使用目前的打印方法，如使用DLP打印方式，即使用带有喷头的3D打印机将丝料加热至熔融状态后挤出成型，这种方式将无法打印如图1结构的物体80。即使使用光固化技术，也无法直接打印获得图1结构的物体80，因此现有的3D打印技术对于打印特殊结构的物体存在技术上的障碍。激光具有波长短，分辨率高，能量聚焦集中、稳定等优点，激光在某位置的能量密度与激光射出的光斑大小有关，光斑越小，能量密度越大。而激光光斑大小可利用不同焦距透镜进行调节。通过适当聚焦后，可以使激光的能量密度进入加工区域之前低于加工材料的稳定值。而在加工区域，能量密度大于其稳定临界值，从而可以直接破坏材料的化学键，改变其形态。而不会对其它部分的打印材料进行加热，通常利用激光这些特点得到加工表面良好，尺寸精度高的工件。利用上面激光的特点和一些新型的材料，开发一种快速的3D打印机和打印方法就十分必要。申请号为CN201110107639.6的中国专利技术专利申请公开了一种使用变光斑工艺的光固化快速成型方法，其虽然实现了三维打印中对激光强度的控制作用，但是其成型原理仍然是以点固化的方式进行，其成型效率较低。申请号为CN201510666973.3的中国专利技术专利申请公开了一种3D投影式光固化3D打印机，该打印机包括3D立体投影系统、树脂盒和计算机控制的激光器;将三维模型根据成型精度沿着Z轴切片为二维面图案;利用计算机控制激光经过Z轴聚焦振镜和xy扫描，在液态光敏树脂中形成三维立体图像;激光焦点处能量密度最高使光敏树脂固化，而其他地方由于激光能量密度低，光敏树脂仍然保持液态，经过照射，在液体中固化出所需要的三维模型。这种成型方式在理论上具有成型快的特点，但是实际上其实现难度是非常高的，一方面，这种3D立体投影技术仍处于试验阶段，技术并不成熟，其在三维空间内控制激光的强度不易实现，这就对成型过程的精度产生不良影响。并且，对于内部有空隙、空穴的三维物体，这种三维成型方式的效果也不理想，特别是在空穴的周围表面的成型，有的时候是无法实现的。
技术实现思路
针对现有的三维打印机存在的缺陷，本专利技术的主要目的是提供一种成型速率较高且成型过程合理、易控制的光固化三维打印机。本专利技术的另一目的是提供一种成型速率快且易于控制成型过程的三维物体的成型方法。本专利技术提供的光固化三维打印机,包括光敏树脂槽，在光敏树脂槽的至少两个侧面的外侧设置有平面激光单元，光敏树脂槽与平面激光单元对应的侧壁上至少一部分为透明部分；平面激光单元具有激光器和聚焦透镜，激光器产生平面型激光束，聚焦透镜设置在激光器的光路上，平面型激光束在光敏树脂槽内的聚焦位置可调节。由上述方案可见，三维打印机在光敏树脂槽的侧面外侧设置平面激光单元，通过平面激光单元的照射在垂直方向上逐层成型，改变了以外只能沿着水平方向逐层成型的打印模式，从而可以打印特殊形状的物体，如在垂直方向上没有支持的平板等，改变了传统的三维打印技术只能水平打印的模式。一个优选的方案是，光敏树脂槽为长方体，光敏树脂槽具有底壁和依次连接的四个侧壁，每一个侧壁和底壁均具有透明部分；平面激光单元包括第一平面激光单元以及第二平面激光单元；至少一个侧壁的外侧设置有第一平面激光单元，在光敏树脂槽的槽口外侧和/或底壁外侧设置有第二平面激光单元，每一个平面激光单元可相对于光敏树脂槽移动。由此可见，通过在光敏树脂槽的侧壁外设置平面激光单元，可以实现打印物体在垂直方向上逐层成型。一个优选的方案是，光固化三维打印机还设置有用于抬升或者降低光敏树脂槽铅垂高度的升降单元，控制器分别与平面激光单元、升降单元电连接并向平面激光单元、升降单元输出控制信号。由上述方案可见，通过升降单元自动的对光敏树脂槽进行抬升或者降低，可以有效的实现光敏树脂槽的移动。一个优选的方案是，光敏树脂槽内盛装有成型材料，成型材料具有核层和壳层，壳层包裹核层，当激光束的强度在阈值以上时可破坏壳层，核层为光敏树脂。由上述方案可见，提高对光敏树脂材料的保护作用，因为在这种三维打印机中，虽然在阈值以下的激光束不会使得光敏树脂固化，但是激光束的能量依然会使得光敏树脂发生一些性质变化而使得整个体统发生不稳定，特别是与阈值接近能量的激光束，其对光敏树脂的影响较为显著。而壳层结构的设置则可以对核层的光敏树脂起到很好地保护作用，避免其受到激光束的干扰。一个优选的方案是，四个侧壁的外侧均设置有平面激光单元，光敏树脂槽的槽口外侧也设置平面激光单元。由上述方案可见，在五个面的方向上设置平面激光单元，这样可以实现五个方向的同时打印，提高打印效率，并且这种打印机对于内部有空穴的三维物体，打印效果会更好。一个优选的方案是，聚焦透镜以前聚焦方式或者后聚焦方式实现平面型激光束焦点位置的调节；或者通过把平面激光单元固定在一个位置而移动光敏树脂槽或者把光敏树脂槽固定在一个位置而移动平面激光单元实现平面型激光束焦点位置的调节。为实现上述的另一目的，本专利技术提供的三维物体的成型方法，包括：加料步骤，在光敏树脂槽内加入光敏树脂；平面激光生成步骤，激光器发出平面型激光束，平面型激光束进入到光敏树脂槽的内部，同时，聚焦透镜相对于激光器移动而调节激光束的焦点位置，在光敏树脂槽给定的平面层内平面型激光束的强度达到阈值以上；固化步骤，在光敏树脂槽内处于阈值以上的光敏树脂发生固化形成第一成型层；反复对平面型激光束的焦点位置进行调节并逐层形成固化光敏树脂层，直至形成需要的三维物体。由上述方案可见，本专利技术的打印方法通过在侧面上逐层打印，打印效率高，并且平面型激光束容易控制。一个优选的方案是，三维物体的成型方法包括切片步骤，对于切片步骤得到的其中至少一个层划分为至少包括第一部分和第二部分；第一部分由第一平面激光单元发出的激光束固化，同时，第二部分由第二激光单元发出的激光束固化。一个优选的方案是，三维物体至少包括第一局部体和第二局部体；第一局部体由第三平面激光单元发出的激光束固化，同时，第二局部体由第四激光单元发出的激光束固化。一个优选的方案是，在光敏树脂槽内加入成型材料，成型材料具有核层和壳层，壳层包裹核层，核层为光敏树脂；在平面激光生成步骤中，当激光束的强度在阈值以上时破坏壳层，壳层发生破坏后暴露出光敏树脂，光敏树脂在阈值以上的激光束下发生固化。一个优选的方案是，平面激光单元具有激光器和聚焦透镜，聚焦透镜以前聚集方式或者后聚焦方式实现平面型激光束焦点位置的调节；或者通过把平面激光单元固定在一个位置而移动光敏树脂槽或者把光敏树脂槽固定在一个位置而移动平面激光单元实现平面型激本文档来自技高网...

【技术保护点】
光固化三维打印机, 其特征在于，包括:光敏树脂槽，在所述光敏树脂槽的至少两个侧面的外侧设置有平面激光单元，所述光敏树脂槽与所述平面激光单元对应的所述侧壁上至少一部分为透明部分；所述平面激光单元具有激光器和聚焦透镜，所述激光器产生平面型激光束，所述聚焦透镜设置在所述激光器的光路上，所述平面型激光束在所述光敏树脂槽内的聚焦位置可调节。

【技术特征摘要】
2016.06.27 CN 20161049779081.光固化三维打印机,其特征在于，包括:光敏树脂槽，在所述光敏树脂槽的至少两个侧面的外侧设置有平面激光单元，所述光敏树脂槽与所述平面激光单元对应的所述侧壁上至少一部分为透明部分；所述平面激光单元具有激光器和聚焦透镜，所述激光器产生平面型激光束，所述聚焦透镜设置在所述激光器的光路上，所述平面型激光束在所述光敏树脂槽内的聚焦位置可调节。2.根据权利要求1所述的光固化三维打印机，其特征在于：所述光敏树脂槽为长方体，所述光敏树脂槽具有底壁和依次连接的多个侧壁，每一个侧壁和底壁均具有透明部分；所述平面激光单元包括第一平面激光单元以及第二平面激光单元；至少一个所述侧壁的外侧设置有所述第一平面激光单元，在所述光敏树脂槽的槽口外侧和/或所述底壁外侧设置有所述第二平面激光单元，每一个所述平面激光单元可相对于所述光敏树脂槽移动。3.根据权利要求2所述的光固化三维打印机，其特征在于:所述光固化三维打印机还设置有用于抬升或者降低光敏树脂槽铅垂高度的升降单元；所述光固化三维打印机还包括控制器，所述控制器分别与所述平面激光单元、升降单元电连接并向所述平面激光单元、升降单元输出控制信号。4.根据权利要求1所述的光固化三维打印机，其特征在于:所述光敏树脂槽内盛装有成型材料，所述成型材料具有核层和壳层，所述壳层包裹所述核层，当激光束的强度在阈值以上时可破坏所述壳层，所述核层为光敏树脂。5.根据权利要求2至4任一项所述的光固化三维打印机，其特征在于:所述聚焦透镜以前聚焦方式或者后聚焦方式实现所述平面型激光束焦点位置的调节；或者将所述平面激光单元固定并移动所述光敏树脂槽实现所述平面型激光束焦点位置的调节；或者将所述光敏树脂槽固定并移动所述平面激光单元实现所述平面型激...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永刚，
申请(专利权)人：珠海天威飞马打印耗材有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44