一种结合连续与分层成型的快速DLP3D打印控制参数优化方法技术

一种结合连续与分层成型的快速DLP 3D打印控制参数优化方法包括如下步骤：通过分析模型切片的可打印区域，确认每张切片最大可打印距离；进一步建立液

【技术实现步骤摘要】
一种结合连续与分层成型的快速DLP 3D打印控制参数优化方法


[0001]本专利技术涉及计算流体力学、智能控制和图像处理技术，通过模拟树脂的流动行为，并采用计算流体力学相关定律来表达数字光处理(DLP)3D关键控制参数，实现快速DLP 3D打印控制的优化，并提高打印效率和模型适配范围。

技术介绍

[0002]3D打印技术是指利用3D打印技术生产出真实三维模型的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。目前已形成多种不同的3D打印成形工艺,如立体光固化(SLA)、层合实体制造(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选域激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)、DLP 3D打印等。但是就目前而言，FDM精度较差，需要不断地熔化材料丝并且等待材料固化，总体成型速度较慢。数字光处理(Digital Light Processing，简称DLP)3D打印技术采用DLP光机或者投影仪作为光源，采用分层打印的方式，通过打印平台先上升再下降，留出与树脂槽一个切片层的厚度，可以完成逐层曝光，相对其他打印方式已经较快的提升了打印速度。
[0003]随着对DLP 3D打印技术生产需求的进一步升高，分层成型方式已经不能满足市场对于打印速度的要求。近年来出现了一系列面向DLP 3D打印的连续成型技术，包括2015年美国北卡罗来纳大学基于DLP 3D打印专利技术的连续界面生产技术(Continuous Liquid Interface Production，简称CLIP)。2018年中科院化学所宋延林团队受猪笼草表面光滑性启发专利技术的超低粘合的制造界面。2019年美国西北大学的Walker D A等专利技术了基于液
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液界面的大尺寸快速DLP 3D打印方法，上述方法均可以增快DLP 3D打印的速度，但受限于光敏树脂的流平速度，适用模型范围有限。
[0004]2021年，Liu等基于宋延林设计的超低粘合度界面通过将分层与连续打印结合，并提出连续打印过程中树脂最大可填充距离这一关键参数，增加了模型适配范围，但其存在润滑液流失现象使得打印模型高度受限。2022年Li YD等基于Walker D A的液
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液界面打印方法，提出模型引导的分层与连续相结合的3D打印方法。其在Liu等方法的基础上提出了分层打印的最佳提升高度从而降低分层打印时间，且采用Li YD等提出的方法可以适配大多数的模型，但参数都通过实验确定效率不高，受环境影响较大，而且能够优化的参数有限。这些都严重影响了DLP 3D打印技术的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种结合连续与分层成型的快速DLP 3D打印控制参数优化方法，通过流体体积(Volume of Fluid，简称VoF)方法模拟液
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液界面打印场景，并记录打印完一层切片后树脂在打印物体与氟化油间的流动行为，然后基于泊肃叶流动、Jacobs工作曲线以及朗伯
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比尔定律用来表达连续和分层打印的树脂固化时间、连续打印最大可填充距离、分层
打印最佳提升距离以及两种方式对应的打印平台提升速度这些控制参数。采用提出的一种结合连续与分层成型的快速DLP3D打印控制参数优化方法，通过获得最优的控制参数可以实现任何模型的快速打印。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术实施例采用如下技术方案：
[0007]一种结合连续与分层成型的快速DLP 3D打印控制参数优化方法，包括以下步骤：
[0008]步骤100、对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，计算求得每张切片可打印区域内所有的点到其边界点的最短距离中的最大值D
MAX
[i]；
[0009]步骤200、基于开源计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)软件OpenFOAM的标准求解器，依据树脂
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氟化油的液
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液两相流打印场景，采用VoF模型，建立数值模拟模型；
[0010]步骤300、根据打印场景建立笛卡尔坐标系，依据步骤100获得的D
MAX
[i]以及步骤200建立的数值模拟模型，采用泊肃叶流动特性分析获得每张切片的打印模式；
[0011]步骤400、根据步骤300得到的切片打印模式，取采用连续方式打印的切片，依据朗伯
‑
比尔定律计算连续成型打印平台上升速度，将其写入打印配置文件；
[0012]步骤500、根据步骤300得到的切片打印模式，取采用分层方式打印的切片，计算其树脂流平时间与其他控制参数的关系，并依据Jacobs工作固化曲线获得分层树脂固化时间的表达，将得到的控制参数写入打印配置文件中；
[0013]步骤600、打印开始前利用相机监控确定打印原点，然后依据打印配置文件，完成打印。
[0014]其中，对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，计算求得每张切片可打印区域内所有的点到其边界点的最短距离中的最大值D
MAX
[i]步骤100包括：
[0015]将待打印的三维模型进行切片，此时仅有灰度为255的像素点为待曝光像素点，取像素点灰度值为255的区域，该区域为切片的可打印区域；
[0016]对不同切片的可打印区域进行检测，确定其左上角、左下角、右上角和右下角这四个点，将其连接为闭合区域S，同时获取非边缘点中距离可打印区域中心点最近的像素点，记录这些距离值并比较，得到不同切片i分别对应的最小距离的最大值D
MAX
[i]。
[0017]其中，基于开源计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件OpenFOAM的标准求解器，依据树脂
‑
氟化油的液
‑
液两相流打印场景，采用VoF模型，建立数值模拟模型步骤200包括：
[0018]根据开源CFD软件OpenFOAM的标准求解器,并采用VoF模型，建立包括树脂槽、打印平台、打印物体、树脂和氟化油在内的液
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液两相流打印场景；
[0019]同时将树脂槽、打印平台和打印物体设置为刚性材质，树脂槽与氟化油和树脂的接触的边界设置为固体壁面边界，打印平台、打印物体与树脂和氟化油接触的表面设置为线性滑移边界，树脂与氟化油之间为无滑移边界。
[0020]其中，根据打印场景建立笛卡尔坐标系，依据步骤100获得的D
MAX
[i]以及步骤200建立的数值模拟模型，进一步采用泊肃叶流动特性分析获得每张切片的打印模式步骤300包括：
[0021]树脂在打印模型以及氟化油间隙中任意方向流动特性相同，根据打印场景建立笛
卡尔坐标系；
[0022]树脂在打印模型与氟化油的间隙中流动其雷诺数小于1，符合平板之间的层流运动规律，符合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合连续与分层成型的快速DLP 3D打印控制参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤100、对待打印的三维模型进行切片，得到切片数i，确定每张切片的可打印区域，计算求得每张切片可打印区域内所有的点到其边界点的最短距离中的最大值D
MAX
[i]；步骤200、基于开源计算流体力学CFD软件OpenFOAM的标准求解器，依据树脂
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氟化油的液
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液两相流打印场景，采用流体体积VoF模型，建立数值模拟模型；步骤300、根据打印场景建立笛卡尔坐标系，依据步骤100获得的D
MAX
[i]以及步骤200建立的数值模拟模型，采用泊肃叶流动特性分析获得每张切片的打印模式；步骤400、根据步骤300得到的切片打印模式，取采用连续方式打印的切片，依据朗伯
‑
比尔定律计算连续成型打印平台上升速度，将其写入打印配置文件；步骤500、根据步骤300得到的切片打印模式，取采用分层方式打印的切片，计算其树脂流平时间与其他控制参数的关系，并依据Jacobs工作固化曲线获得分层树脂固化时间的表达，将得到的控制参数写入打印配置文件中；步骤600、打印开始前利用相机监控确定打印原点，然后依据打印配置文件，完成打印。2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤100具体如下：将待打印的三维模型进行切片，此时仅有灰度为255的像素点为待曝光像素点，取像素点灰度值为255的区域，该区域为切片的可打印区域；对不同切片的可打印区域进行检测，确定其左上角、左下角、右上角和右下角这四个点，将其连接为闭合区域S，同时获取非边缘点中距离可打印区域中心点最近的像素点，记录这些距离值并比较，得到不同切片i分别对应的最小距离的最大值D
MAX
[i]。3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤200具体如下：根据开源CFD软件OpenFOAM的标准求解器,并采用VoF模型，建立包括树脂槽、打印平台、打印物体、树脂和氟化油在内的液
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液两相流打印场景；同时将树脂槽、打印平台和打印物体设置为刚性材质，树脂槽与氟化油和树脂的接触的边界设置为固体壁面边界，打印平台、打印物体与树脂和氟化油接触的表面设置为线性滑移边界，树脂与氟化油之间为无滑移边界。4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤300具体如下：树脂在打印模型以及氟化油间隙中任意方向流动特性相同，根据打印场景建立笛卡尔坐标系；树脂在打印模型与氟化油的间隙中流动其雷诺数小于1，符合平板之间的层流运动规律，符合泊肃叶流动，有N
‑
S方程：其中y的原点为氟化油与树脂的交界面，表示距离此交界面的距离，x的原点为垂直于打印物体边缘的氟化油与树脂的交界面，表示树脂填充的距离，同时有边界条件：其中u为树脂在x轴向运动的最大速度，u
s
为滑移速度，H
s
为打印平台上升的高度，dp/dx为压力梯度，μ1为树脂的粘度，对式(1)积分有：
这里C1和C2是常数，将边界条件式(3)带入式(1)，得到：C2＝0#(5)根据场景的线性滑移设置，得：其中D
s
为滑移长度，根据式(1)(4)(7)可得：为滑移长度，根据式(1)(4)(7)可得：根据公式(9)得到宽度为W的打印模型与氟化油之间的体积流量Q为：则光敏树脂的平均流速为：在平台上升的t1时刻内，有树脂单方向填充距离L
r
与时间变量t的关系：v
m
是打印平台在上升过程中的速度，t1为填充距离为L
r
时树脂填充时间，此即为连续...

【专利技术属性】
技术研发人员：毋立芳，赵立东，门泽宁，李言东，杨锋，项明力，李尊，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：