投影式光固化3D打印系统技术方案

本发明专利技术提供投影式光固化3D打印系统，设置光源阵列和准直透镜组构建多组偏转角不同的准平行光作为DMD芯片的入射光，能够同时构造宏观分辨率和亚分辨率两种分辨率结构，保证了在具有较大打印幅面的同时具有较高的打印精度，有效提升了高分辨率结构制造的效率；还能够在其他条件一定的情况下对亚分辨率结构尺寸进行调整，提高相同打印幅面下的打印精度。同时本发明专利技术的打印系统使得较低精度的光机一定程度上能够具备高精度的打印效果，有效降低了设备成本。另外，本发明专利技术的打印系统能够适应多种材料的打印，包括光固化树脂、光敏树脂或光固化水凝胶等，具有较为广阔的应用前景。具有较为广阔的应用前景。具有较为广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
投影式光固化3D打印系统


[0001]本专利技术属于增材制造
，具体涉及投影式光固化3D打印系统。

技术介绍

[0002]3D打印，又称为增材制造或快速原型，其特点是通过构造特定形状的二维层结构，并将它们层层叠加，并最终形成三维实体。目前较为典型的3D打印工艺有：熔融沉积成型、选择性激光烧结成型、立体光固化3D打印、数字光处理DLP打印(投影式3D打印)技术、直接金属激光烧结成型技术、分层实体制造技术、聚合物喷射技术、粘结剂喷射3D打印、电子束熔融制造等。
[0003]其中，数字光处理DLP打印技术是利用高分辨率的数字光处理器DLP投影仪投影出预打印3D模型的截面图案，从而固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，其比同类型立体光固化3D打印技术速度更快，成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件，凭借较为优秀的精度与相对较高的效率，数字光处理DLP技术越来越受到人们的瞩目，在工业、医疗等领域的应用都可以看到其的身影。
[0004]数字光处理DLP打印装置一般包括计算机控制组件、DLP投影仪、料槽和打印平台；计算机控制组件控制整个装置的工作，不仅负责对待打印模型进行切片并形成截面图案传递给DLP投影仪，还控制打印平台相对料槽的高度以及打印平台与料槽的剥离，进而实现逐层打印；DLP投影仪中DMD芯片上设有多个微振镜，DMD芯片根据计算机控制组件传输来的待打印模型的截面图控制所有微振镜的开闭状态，打开状态的微振镜能够反射来自光源的光，闭合状态的微振镜则不能反射来自光源的光，在此组合下DMD芯片能够形成与模型截面图像相对应的曝光图像；投影物镜将曝光图案投射到料槽和打印平台进行光固化打印。
[0005]然而，由于数字光处理器DLP投影仪中同一核心部件DMD芯片的微振镜尺寸与微振镜个数(像素个数)的一定，导致即便使用不同倍率的物镜，在确保较大打印幅面时会使得像素尺寸也较大，造成打印精度降低；在确保较高打印精度时则会使得像素尺寸也较小，打印幅面缩小。因此，现有技术中的数字光处理DLP打印装置不能解决打印过程中出现的打印幅面与打印精度相互掣肘的问题。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种双分辨率投影式光固化3D打印系统，基于数字光处理DLP打印技术，利用DLP投影仪中的DMD芯片的微振镜尺寸确定打印的宏观分辨率结构(宏观结构)，同时通过设置光源阵列控制投影物镜本身的像差实现打印宏观分辨率结构的同时构造亚分辨率结构(微观结构)，从而进行双分辨率的打印。本专利技术的打印系统突破了硬件本身的限制，制造了出高于光机本身精度的尺寸，保证在具有较大打印幅面的前提下实现更高精度的打印。
[0007]投影式光固化3D打印系统，包括光源模块；
[0008]所述光源模块包括光源阵列和设于光源阵列与DMD芯片之间的准直透镜组；
[0009]所述光源阵列的中心与准直透镜组的光轴位于同一直线上；
[0010]准直透镜组接收光源阵列发出的光并形成多组具有不同偏转角的准平行光照射到DMD芯片上。
[0011]本专利技术的双分辨率投影式光固化3D打印系统在传统打印装置的基础上对光源模块进行了上述改进，实现了宏观分辨率结构和微观分辨率结构的同时打印，同时还使亚分辨率结构尺寸可调，在打印幅面一定的前提下提高了打印精度。
[0012]除上述光源模块外，双分辨率投影式光固化3D打印系统还包括底板、投影装置、料槽、打印平台和计算机控制组件。其中，光源模块、投影装置、料槽、打印平台均安装于底板上。料槽用于装载光固化材料，打印平台用于形成并承载打印完成物体，投影装置、料槽和打印平台由下至上依次设置。计算机控制组件用于控制整个设备运行。
[0013]作为优选，料槽的底部采用高透光材料，该高投光材料可以为高透玻璃、FEP、PET、PDMS、亚克力中的一种或多种的组合。
[0014]作为优选，所述光源阵列由阵列排布的真实光源构成。
[0015]作为优选，所述光源阵列为一个真实光源出光后经微透镜阵列构建得到的虚拟光源阵列。
[0016]其中，真实光源用于产生光固化打印所需要的光；微透镜阵列用于接收真实光源所产生的光并形成多个阵列排布的虚拟光源。
[0017]上述真实光源可以是LED灯珠、激光器等主动发光单元；真实光源的发射波段可以是400～450nm的蓝光或200～400nm的紫外光。
[0018]微透镜阵列的排布可以是正方形、矩形、平行四边形、圆形等形式，其排布形式与需要构建的微观结构形状相适应；同样的，所述微透镜阵列中单个微透镜形状也可以是正方形、矩形等多种形式，以满足密排的需要。
[0019]在真实光源出光的平行度不佳时，作为进一步优选，真实光源与微透镜阵列之间设有用于准直光路的光学元件。光学元件的设置能够保证入射微透镜阵列的光的平行度，从而使微透镜阵列能够形成具有较高质量的虚拟光源，提高亚分辨率结构的精度。其中，该用于准直光路的光学元件可以是透镜组、也可以是菲涅尔透镜等其他光学元件。
[0020]作为优选，所述准直透镜组包括作为第一准直透镜的平凸透镜和作为第二准直透镜的双凸面镜，且二者光轴位于同一直线上；
[0021]所述第一准直透镜靠近光源模块设置，且其凸面朝向光源模块；第二准直透镜设于第一准直透镜和DMD芯片之间。
[0022]在本技术方案中，第一准直透镜用于接收并准直来自光源阵列出射的光；第二准直透镜用于接收并进一步准直来自第一准直透镜出射的光，形成多组具有不同偏转角度的准平行光，照射到DMD芯片上。
[0023]进一步地，第一准直透镜、第二准直透镜分别独立地可以采用普通的球面镜、非球面镜或菲涅尔透镜等多种形式。
[0024]作为进一步优选，所述第一准直透镜与第二准直透镜的表面设置有镀膜，以提高降低光能损失。
[0025]本专利技术的双分辨率投影式光固化3D打印系统的投影装置除了包括DMD芯片，还包括芯片驱动器和投影物镜；DMD芯片及其芯片驱动器与计算机控制组件相连。其中，芯片驱
动器能够接收来自计算机控制组件的模型的截面图片数据(由计算机控制组件对待打印模型进行切片得到)并转化相应的驱动信号，DMD芯片接收驱动信号并由此控制其上所有微振镜的开闭状态；其中，开状态指该微振镜能够反射DMD芯片接收的来自准直透镜组的光，闭状态则指该微振镜不能反射来自准直透镜组的光，由此形成与截面图片相对应的曝光图案；所述投影物镜用于将所述DMD芯片所形成的曝光图案投影到打印平面上(打印平面为当前打印需要固化材料的上表面)。
[0026]其中，曝光图案的像素点便是DMD芯片上一个个微振镜通过投影物镜在打印平面上所成的像。由于照射到DMD芯片上的光是由光源模块所产生的多组具有不同偏转角度的准平行光，因此实际DMD芯片上的单个微振镜所成的像将会是一个微振镜本身形状等比例缩放的亮斑以及周围多个好似该亮斑平移产生的稍暗亮斑(像差)，这些稍暗亮斑(像差)的平移距离由照射到DMD芯片上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.投影式光固化3D打印系统，包括光源模块；其特征在于，所述光源模块包括光源阵列和设于光源阵列与DMD芯片之间的准直透镜组；所述光源阵列的中心与准直透镜组的光轴位于同一直线上；准直透镜组接收光源阵列发出的光并形成多组具有不同偏转角的准平行光照射到DMD芯片上。2.根据权利要求1所述的投影式光固化3D打印系统，其特征在于，所述光源阵列由阵列排布的真实光源构成。3.根据权利要求1所述的投影式光固化3D打印系统，其特征在于，所述光源阵列为一个真实光源出光后经微透镜阵列构建得到的虚拟光源阵列。4.根据权利要求3所述的投影式光固化3D打印系统，其特征在于，真实光源与微透镜阵列之间设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺永，高岩，孙元，喻康，刘国峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：