基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造方法和装置，所述方法和装置基于加工文件，所述加工文件生成方法为：根据已有理论或试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系；基于模型数据确定模型每层切片对应的运动速度；通过试验获取掩膜图像灰度和辐照度之间的关系；根据所述运动速度和辐照度之间的关系、每层切片对应的运动速度，以及掩膜图像灰度和辐照度之间的关系，得到每层切片加工时所需预加灰度值和曝光时间；根据每层切片加工时的成形基座运动速度、预加灰度值和曝光时间，生成模型加工文件。本发明专利技术基于掩膜图像灰度处理实现光强的改变，以解决树脂流动和树脂固化性能之间的矛盾，在保证精度的情况下，最大的保证了加工效率。

【技术实现步骤摘要】
基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造方法和装置
本专利技术属于增材制造和3D打印
，具体涉及一种基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造方法和装置。
技术介绍
基于层层累加的MIP-SLA面曝光打印技术存在两个重要缺陷，建造速率和建造的工件不具有各向同性。针对MIP-SLA面曝光成形工艺，同一建造零件的层厚和零件垂直分辨率之间的存在着矛盾，层被切得越薄，台阶效应就越小，表面质量越高，但加工时间大大增加。MIP-SLA面曝光成形的工件在Z轴方向，是通过树脂的不完全固化层层粘结的，不良的胶合导致其Z轴机械性能远远低于XY平面。在2015年3月，JohnR.Tumbleston等人，在Science期刊发表的文章中提出了一种连续液面建造技术(CLIP)，该技术利用光敏树脂的氧阻聚效应，在树脂槽底部形成不固化液态死区，从而实现连续的光固化，完美的解决了上面提出的层层累积的传统MIP-SLA面曝光成形中的两个问题。该技术可以说是MIP-SLA面曝光成形技术的延伸与变种。在连续液面制造技术(CLIP)中树脂的填充是通过由于氧阻效应在透气半透性薄膜和已固化工件之间形成的液态死区来实现树脂的填充。因此，该技术加工大横截面面积工件的速度严格受到树脂填充速度的受到限制，而在加工横截面积比较小的零件，树脂的固化速率是限制速度的主要因素。从上面的分析可以看出，在加工同一工件的过程中不同的区域对速度要求是不一样的，对于横截面积较大的区域可以利用较小的速度，而横截面面积较小的区域可以利用较大的速度。中国专利文件(申请号201480008364)公开了连续液体中间相打印装置与设备，里面对连续液面打印的所需装置和方法进行了详细的阐述。但是在这篇论文中大多是实施例都是基于某一速度匀速提升的。基于上面的分析可以看出，在打印过程中，成形基座以恒定的速度向上抬起实际上是以所有区域中最小速度决定的，如果整个打印过程都是以这个最小速度进行提升，会浪费大量时间。如何根据待打印件的模型特征来确定不同区域不同的打印速度；并且在不同的速度下，所需要的投影机光强是不同的，成形基座向上的爬升速度和所需的光强之间的关系如何确定。如何对光强进行调节，在中国专利文件(申请号201480008364)是通过PWM(脉冲宽度调制)来调节电流从而达到对光强的调节的目的，这里增加的额外的硬件投影机成本，并且不能达到电流实时调节的目的。综上所述，树脂的流动性能和固化性能，共同影响某层零件抬升速度。如何确定加工件每一层切片的加工速度，在保证精度的情况下，如何对得到的速度进行规划，如何确定抬升速度和光强之间关系，并提出一套有效的光强调节方案，对该工艺的推广和产业化很有必要。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造方法和装置，并且提供了所述方法和装置所需要的加工文件生成方法，根据模型信息得到零件的加工速度，并基于掩膜图像灰度处理实现光强的改变，以解决树脂流动和树脂固化性能之间的矛盾，在保证精度的情况下，最大的保证了加工效率。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，包括以下步骤：根据已有理论或试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系；基于模型数据确定模型每层切片对应的运动速度并对速度进行规划；通过试验获取掩膜图像灰度和辐照度之间的关系；根据所述运动速度和辐照度之间的关系、每层切片对应的运动速度，以及掩膜图像灰度和辐照度之间的关系，得到每层切片加工时掩膜图像所需预加灰度值和曝光时间；根据每层切片加工时的成形基座运动速度、预加灰度值和曝光时间，生成模型加工文件。进一步地，生成的加工文件可以是以文件的形式存在，如包含加工参数的txt文件，或者dat文件等形式，也可以是对模型进行预处理后，得到的一组直接存储于计算机内存的用于后续加工的参数。进一步地，根据试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系的方法为：通过试验确定不同运动速度下实现树脂最佳固化精度所需的光辐照度，得到运动速度和辐照度之间的函数关系。进一步地，所述基于模型数据确定模型每层切片对应的运动速度的方法为：通过试验标定速度与所能填充的最大面积/直径的关系；基于模型数据确定每层切片中的最大轮廓；根据运动速度和所能填充最大轮廓面积/直径的关系，结合所建造部件的复杂程度，确定各层对应的运动速度。进一步地，所述确定速度和所能填充的最大面积/直径的试验方法为：设计包含一系列的直径梯度的标定测试件，由最小的速度开始，逐步增加速度，每次将投影机光强调整到前面测定的该速度对应的光辐照度值；根据打印出的标定的情况，确定该速度下没有由于流动性造成缺陷的最大面积/直径，从而得到该速度下树脂能充分填充的最大面积或者直径。进一步地，所述速度规划包括：根据启发式算法、通过排列组合或最小面积差算法得到最优速度规划方案。进一步地，掩膜图像灰度和辐照度之间的关系的确定方法为：将投影机的光辐照度调整到打印过程中所需的最大值；从最大的灰度值开始递减，并采用紫外辐照计测量不同灰度值对应的光辐照度值，拟合得到二者的函数关系。根据本专利技术的第二目的，本专利技术还提供了一种基于掩膜图像灰度调节的变速连续液面制造装置，包括：上位机、控制器、线性滑台、成形基座、投影机和电机；其中，上位机连接控制器和投影机，控制器控制投影机和电机；电机和线性滑台通过联轴器直接相连，根据控制指令驱动丝杠运动从而带动成形基座上下运动；在零件加工过程中，所述控制指令是上位机基于上文所述的加工文件生成的。进一步地，还包括水平桌面和双层树脂盘；双层树脂盘设于所述水平桌面上，上层是盛放树脂的树脂槽，下层是密闭的氧气室；两者通过高透氧性和高透UV光的半透性元件进行连通。进一步地，还包括供氧装置，向树脂盘下层氧气室通入氧气，保持微正压环境。根据本专利技术的第三目的，本专利技术还提供了一种基于所述装置的连续液面制造方法，包括以下步骤：(1)加载包括成形基座运动速度、预加灰度值和曝光时间的加工文件，零件成形基座回零，开始加工；(2)按顺序加载切片掩膜图像，根据所述加工文件对当前层切片掩膜图像的灰度值进行调节；判断当前层切片对应的运动速度是否与上一层相同，若相同，保持速度不变，若不同，改变该层速度；(3)根据所述加工文件中的曝光时间投影当前层切片掩膜图像；(4)判断是否达到最后一层掩膜图像，若是，结束打印，否则，返回步骤(2)。进一步地，执行所述步骤(1)之前，还包括以下准备步骤：将氧气调整到设定压力，供氧气到树脂盘下层一段时间，排净树脂盘下部的空气；将投影的光辐照度调整到打印过程中所需的最大光强值。进一步地，所述步骤(1)中成形基座回零方法为：成形基座向上运动碰到限位开关，停止运动，然后在向下运动指定的距离，直至紧贴半透性元件。本专利技术的有益效果1、本专利技术提供了一种解决树脂流动和树脂固化性能之间的矛盾基于掩膜图像灰度处理的变速方案，能最大程度的利用树脂的流动性能和固化性能来实现最大的加工效率。2、本专利技术提出了一种标定成形基座的提升速度和光辐照度关系的方法，使加工件在不同速度下都能达到最佳固化效果，保证尺寸精度。3、为了兼顾Z轴方向的加工精度，本专利技术提出了一种速度规划算法，能最大程度兼顾效率和精度的问题。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，包括以下步骤：根据已有理论或试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系；基于模型数据确定模型每层切片对应的确定成形基座的运动速度并对速度进行规划；通过试验获取掩膜图像灰度和辐照度之间的关系；根据所述确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系、每层切片对应的确定成形基座的运动速度，以及掩膜图像灰度和辐照度之间的关系，得到每层切片加工时所需预加灰度值和曝光时间；根据每层切片加工时的成形基座运动速度、预加灰度值和曝光时间，生成模型加工文件。

【技术特征摘要】
1.一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，包括以下步骤：根据已有理论或试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系；基于模型数据确定模型每层切片对应的确定成形基座的运动速度并对速度进行规划；通过试验获取掩膜图像灰度和辐照度之间的关系；根据所述确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系、每层切片对应的确定成形基座的运动速度，以及掩膜图像灰度和辐照度之间的关系，得到每层切片加工时所需预加灰度值和曝光时间；根据每层切片加工时的成形基座运动速度、预加灰度值和曝光时间，生成模型加工文件。2.如权利要求1所述的一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，根据试验确定成形基座的运动速度和辐照度之间的关系的方法为：通过试验确定不同运动速度下实现树脂最佳固化精度所需的光辐照度，得到运动速度和辐照度之间的函数关系。3.如权利要求1所述的一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，所述基于模型数据确定模型每层切片对应的运动速度的方法为：通过试验标定速度与所能填充的最大面积/直径的关系；基于模型数据确定每层切片中所有轮廓中的最大轮廓；根据运动速度和所能填充最大轮廓面积/直径的关系，结合所建造部件的复杂程度，确定各层对应的运动速度。4.如权利要求1所述的一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，生成的加工文件可以是以文件的形式存在，也可以是对模型进行预处理后，得到的一组存储于计算机内存的直接用于后续加工的参数。5.如权利要求3所述的一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生成方法，其特征在于，所述确定速度和所能填充的最大面积/直径的试验方法为：设计包含一系列的直径梯度的标定测试件，由最小的速度开始，逐步增加速度，每次将投影机光强调整到该速度对应的光辐照度值；根据打印出的标定的情况，确定该速度下没有由于流动性造成缺陷的最大面积/直径，从而得到该速度下树脂能充分填充的最大面积或者直径。6.如权利要求1所述的一种基于掩膜图像灰度调节的连续液面制造加工文件生...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承瑞，李仕浩，王鹏，胡天亮，潘鹏鹏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37