本發(fā)明涉及3D快速打印成型技術(shù)，特別是涉及一種面曝光成型的3D打印方法及3D打印裝置。

背景技術(shù)：

目前，現(xiàn)有DLP(Digital Light Procession)3D打印技術(shù)大多為底投影面曝光3D打印技術(shù)。即DLP投影儀固定在基座上，DLP投影儀并不移動(dòng)，在每層曝光時(shí)，投影出相應(yīng)的圖像，保持相應(yīng)的曝光時(shí)間，使液態(tài)光敏樹脂固化，然后升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印平臺向上移動(dòng)一定的距離，待液態(tài)光敏樹脂流平后，打印平臺下降到相應(yīng)的位置，再次曝光，完成每層的固化，逐層疊加，直至打印完成。

中國專利CN 104085106 A公開一種基于DLP原理的3D打印機(jī)，其利用DLP技術(shù)從底部向上投影到光敏樹脂上使其固化，完成3D打印。由于現(xiàn)有技術(shù)是采用底投影曝光方式，成型工件是由下而上成型，在打印過程中需要成型工件和樹脂槽分離，這樣由于樹脂固化后產(chǎn)生的粘貼力、液體內(nèi)的張力與底部的壓強(qiáng)等因素會產(chǎn)生成型工件和樹脂槽之間吸力問題，很容易引起成型工件脫落而導(dǎo)致做件失敗，或者樹脂槽損壞，增加維護(hù)成本；同時(shí)，為了在投影區(qū)域與樹脂之間制造一個(gè)含氧層，不得到不通過復(fù)雜的方法來達(dá)到該目的；其次，不能成型較重或較大的工件，工件是成型在做件平臺底部的，因此成型的零件勢必不可能太大或太重，否則極易造成成型工件脫落導(dǎo)致做件失敗。第三，底投影DLP技術(shù)是自下而上的打印工件，這樣的結(jié)構(gòu)限制了樹脂槽不能太深，導(dǎo)致樹脂量少，當(dāng)打印大件時(shí)會出現(xiàn)打印中沒有樹脂的情況，或者不能連續(xù)打印多個(gè)零件。

因此，需要一種可打印重量大、體積大的大形工件的3D打印技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種面曝光成型的3D打印方法及3D打印裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中難易打印大形工件的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種面曝光成型的3D打印方法，所述3D打印方法采用投影系統(tǒng)置于樹脂槽上方從上往下投影圖像實(shí)施3D打印，具體包括以下步驟：

1)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取待打印數(shù)據(jù)模型切片后的每層圖像數(shù)據(jù)，并且將每層圖像數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)；

2)、打印前，自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測樹脂槽內(nèi)的樹脂液位高度，并且將樹脂液位高度反饋給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)獲取的樹脂液位高度作出判斷是否需要往樹脂槽內(nèi)添加樹脂，如果判斷需要，控制系統(tǒng)會向自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)發(fā)送添加樹脂的指令，開始添加樹脂，直到自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)檢測到樹脂液位高度達(dá)到設(shè)定高度后停止補(bǔ)液，則進(jìn)行步驟3)；如果判斷不需要添加樹脂時(shí)，則直接進(jìn)行步驟3)；

3)、控制系統(tǒng)控制投影系統(tǒng)開始投影并且進(jìn)行逐層打??；在打印每一層時(shí)，根據(jù)所述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)反饋的樹脂液位高度來控制液位平衡系統(tǒng)維持樹脂液位平衡；投影系統(tǒng)投影曝光預(yù)定時(shí)間，使曝光能量達(dá)到或超過樹脂最小固化能量，使得當(dāng)前層固化；控制系統(tǒng)控制打印平臺下降一個(gè)層厚，控制系統(tǒng)再驅(qū)動(dòng)刮刀涂覆系統(tǒng)將樹脂表面不均勻處涂平；

4)、重復(fù)步驟3的打印過程直至第一層光固化完成；逐層打印完后形成三維實(shí)體，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)打印平臺和樹脂槽作相對背離運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)三維實(shí)體脫離樹脂液面，取下所述三維實(shí)體，至此完成作件過程。

優(yōu)選的，所述步驟1)中所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取每層圖像數(shù)據(jù)的具體過程為：對所述待打印數(shù)據(jù)模型做數(shù)據(jù)添加支撐處理，添加完支撐后進(jìn)行切片分成得到切片位圖，并且根據(jù)投影圖像的特點(diǎn)進(jìn)行灰度處理，獲取所述每層圖像數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述步驟3)的逐層打印過程中，打印每層的具體過程為：所述控制系統(tǒng)將獲取的所述每層圖像數(shù)據(jù)傳輸給所述投影系統(tǒng)中，由投影系統(tǒng)中的面曝光裝置向樹脂槽內(nèi)投射光，并且分別用至少兩組時(shí)間參數(shù)來控制所述支撐和由所述待打印數(shù)據(jù)模型所得實(shí)體的曝光時(shí)間，并且控制曝光能量大于樹脂最小固化能量。

優(yōu)選的，所述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)利用液位檢測裝置實(shí)時(shí)檢測樹脂液位高度，并且通過自動(dòng)補(bǔ)液裝置向樹脂槽內(nèi)添加樹脂。

優(yōu)選的，所述步驟3)中根據(jù)所述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)反饋的樹脂液位高度來控制液位平衡系統(tǒng)維持樹脂液位平衡的步驟包括：所述控制系統(tǒng)通過控制樹脂槽升降系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)所述樹脂槽升 降來維持樹脂液位平衡或者控制系統(tǒng)通過控制升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)樹脂槽內(nèi)的平衡塊來維持樹脂液位平衡。

本發(fā)明還提供一種面曝光成型的3D打印裝置，其包括：

盛放樹脂的樹脂槽；

置于樹脂槽內(nèi)可升降的打印平臺，以及驅(qū)動(dòng)打印平臺升降的Z軸升降系統(tǒng)；

自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)，包括補(bǔ)液槽以及連通樹脂槽和補(bǔ)液槽的補(bǔ)液泵，以及用于檢測樹脂槽內(nèi)樹脂液位高度的液位傳感器；

用于向樹脂槽內(nèi)投射圖像的投影系統(tǒng)，置于所述樹脂槽的正上方；

用于將樹脂表面涂平的刮刀涂覆系統(tǒng)，置于樹脂槽上；

用于調(diào)節(jié)樹脂槽內(nèi)樹脂液位高度平衡的液位平衡系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)，分別與自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)、Z軸升降系統(tǒng)以及投影系統(tǒng)、刮刀涂覆系統(tǒng)、液位平衡系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連。

優(yōu)選的，所述液位平衡系統(tǒng)包括伸入所述樹脂槽內(nèi)的平衡塊以及驅(qū)動(dòng)平衡塊升降的升降機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述液位平衡系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)所述樹脂槽升降的樹脂槽升降系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述補(bǔ)液泵為蠕動(dòng)泵、齒輪泵或隔膜泵螺桿泵。

優(yōu)選的，所述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)還包括置于補(bǔ)液槽上檢測補(bǔ)液槽內(nèi)液位高度的液位檢測器以及與液位檢測器相連的用于發(fā)出警報(bào)的報(bào)警系統(tǒng)。

如上所述，本發(fā)明的面曝光成型的3D打印方法及3D打印裝置，具有以下有益效果：本發(fā)明采用投影系統(tǒng)置于樹脂槽上方從上往下投影圖像實(shí)施3D打印，使零件在打印平臺上由下而上打印成型，這樣就不會發(fā)生零件和樹脂槽分離的問題，大大提高了打印設(shè)備的穩(wěn)定性，降低了打印設(shè)備的維護(hù)成本，而且可以適用于打印大重量、大體積的零件，應(yīng)用范圍廣。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明面曝光成型的3D打印方法的步驟示意圖。

圖2顯示為本發(fā)明中的樹脂液位高度檢測的流程示意圖。

圖3顯示為本發(fā)明面曝光成型的3D打印裝置的示意圖。

元件標(biāo)號說明

1 自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)

2 打印平臺

3 Z軸升降系統(tǒng)

4 投影系統(tǒng)

5 刮刀涂覆系統(tǒng)

6 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

7 樹脂槽升降系統(tǒng)

8 樹脂槽

S1～S7 步驟

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

請參閱圖1至圖3。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容所能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

本發(fā)明提供一種面曝光成型的3D打印裝置，如圖3所示，其可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的3D打印方法，本裝置包括：盛放樹脂的樹脂槽8；

置于樹脂槽內(nèi)可升降的打印平臺2，以及驅(qū)動(dòng)打印平臺2升降的Z軸升降系統(tǒng)3；

自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1，包括補(bǔ)液槽以及連通樹脂槽和補(bǔ)液槽的補(bǔ)液泵，以及用于檢測樹脂槽內(nèi)樹脂液位高度的液位傳感器；

用于向樹脂槽內(nèi)投射圖像的投影系統(tǒng)4，置于所述樹脂槽8的正上方；

用于將樹脂表面涂平的刮刀涂覆系統(tǒng)5，置于樹脂槽8上；

用于調(diào)節(jié)樹脂槽內(nèi)樹脂液位高度平衡的液位平衡系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)，自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1、Z軸升降系統(tǒng)3、投影系統(tǒng)4、刮刀涂覆系統(tǒng)5和液位平衡系統(tǒng)均與所述控制系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連。上述控制系統(tǒng)可以為PLC(可編程控制器)、運(yùn)動(dòng)控制卡、上位機(jī)PC、串口通訊、嵌入式系統(tǒng)等。

本發(fā)明采用將投影系統(tǒng)設(shè)置在樹脂槽的正上方，實(shí)現(xiàn)面曝光打印方式，且通過自動(dòng)補(bǔ)液 系統(tǒng)實(shí)時(shí)向樹脂槽內(nèi)補(bǔ)液，避免樹脂槽內(nèi)樹脂量過低而不能完成打印。

上述液位平衡系統(tǒng)可以通過采用平衡塊升降的方式，來控制液位的高度。本實(shí)施例包括伸入樹脂槽8內(nèi)的平衡塊以及驅(qū)動(dòng)平衡塊升降的升降機(jī)構(gòu)。

上述液位平衡系統(tǒng)還可通過采用樹脂槽整槽升降的方式，來控制液位的高度。本實(shí)施例包括驅(qū)動(dòng)樹脂槽8升降的樹脂槽升降系統(tǒng)7。

上述補(bǔ)液泵為蠕動(dòng)泵、齒輪泵或隔膜泵螺桿泵。上述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1還包括置于補(bǔ)液槽上檢測補(bǔ)液槽內(nèi)液位高度的液位檢測器以及與液位檢測器相連的用于發(fā)出警報(bào)的報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)補(bǔ)液槽中的樹脂不足時(shí)，會有報(bào)警功能，提醒向補(bǔ)液槽內(nèi)添加樹脂。

上述投影系統(tǒng)為DLP投影儀、LED投影儀、LCoS投影儀、LCD投影儀、UV投影儀其中的一個(gè)或幾個(gè)的陣列。

本發(fā)明還提供一種面曝光成型的3D打印方法，其可通過上述3D打印裝置實(shí)施，其采用投影系統(tǒng)4置于樹脂槽8上方從上往下投影圖像實(shí)施3D打印，即頂部投影式的投影系統(tǒng)，具體包括以下步驟：見圖1所示步驟S1-S7，

1)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6獲取待打印數(shù)據(jù)模型切片后的每層圖像數(shù)據(jù)，并且將每層圖像數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)；圖1中的步驟S1，具體過程為：首先對待打印數(shù)據(jù)模型做數(shù)據(jù)添加支撐處理，添加完支撐后再進(jìn)行切片分成得到切片位圖，并且根據(jù)投影圖像的特點(diǎn)，將不足一個(gè)像素的外輪廓線進(jìn)行一定的灰度處理，得到經(jīng)過灰度處理的圖像，然后獲取每層圖像數(shù)據(jù)。

2)、打印前，自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1利用液位傳感器實(shí)時(shí)檢測樹脂槽8內(nèi)的樹脂液位高度，如圖2所示，并且將樹脂液位高度反饋給控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)根據(jù)獲取的樹脂液位高度與內(nèi)設(shè)的閾值范圍進(jìn)行比較，作出判斷是否需要往樹脂槽內(nèi)添加樹脂，如果判斷需要，控制系統(tǒng)會向自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1發(fā)送添加樹脂的指令，開始添加樹脂，直到自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1檢測到樹脂液位高度達(dá)到設(shè)定高度后停止補(bǔ)液，則進(jìn)行步驟3)；如果判斷不需要添加樹脂時(shí)，則直接進(jìn)行步驟3)；見圖1中的步驟S2；

3)、控制系統(tǒng)控制投影系統(tǒng)4開始投影并且進(jìn)行逐層打印，在打印每一層時(shí)，根據(jù)所述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)反饋的樹脂液位高度來控制液位平衡系統(tǒng)維持樹脂液位平衡；投影系統(tǒng)投影曝光預(yù)定時(shí)間，使曝光能量達(dá)到或超過樹脂最小固化能量，使得當(dāng)前層固化；控制系統(tǒng)控制打印平臺下降一個(gè)層厚，控制系統(tǒng)再驅(qū)動(dòng)刮刀涂覆系統(tǒng)將樹脂表面不均勻處涂平，確保樹脂液面平整；本步驟包括圖1中的步驟S3-S7，

4)、重復(fù)步驟3的打印過程直至第一層光固化完成；逐層打印完后形成三維實(shí)體，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)打印平臺2和樹脂槽8作相對背離運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)三維實(shí)體脫離樹脂液面，取下所述 三維實(shí)體，至此完成作件過程。

本發(fā)明采用投影系統(tǒng)4置于樹脂槽8上方從上往下投影圖像實(shí)施3D打印，成型的三維實(shí)體即零件自下而上成型在打印平臺上，這樣就不會發(fā)生零件和打印平臺分離的問題，大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性；同時(shí)打印平臺可采用金屬材質(zhì)，強(qiáng)度和耐磨性很高，不會因使用造成打印平臺損壞，降低了設(shè)備的維護(hù)成本；自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)的引入，可以實(shí)現(xiàn)長期的連續(xù)打印。

上述步驟3)的逐層打印過程中，打印每層的具體過程為：控制系統(tǒng)將獲取的每層圖像數(shù)據(jù)傳輸給投影系統(tǒng)4中，由投影系統(tǒng)4中的面曝光裝置向樹脂槽8內(nèi)投射特定范圍波長(300nm-1000nm)的光，并且分別用兩組時(shí)間參數(shù)來控制上述由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)添加的支撐和由待打印數(shù)據(jù)模型所得實(shí)體的曝光時(shí)間，并且控制曝光能量大于樹脂最小固化能量。當(dāng)前層曝光固化完成后，打印平臺2通過Z軸升降系統(tǒng)3下降一個(gè)打印層厚的距離，而刮刀涂覆系統(tǒng)5開始運(yùn)動(dòng)，將樹脂液表面不均勻處涂平，凸起的液面刮掉，凹陷的液面補(bǔ)充樹脂填平，以保證液面平整，然后重復(fù)上述打印每層的過程，直至全部打印完成。

而且在步驟3)的打印過程中控制系統(tǒng)通過樹脂槽升降系統(tǒng)7來調(diào)整樹脂槽8的高度，或者通過控制升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)樹脂槽內(nèi)的平衡塊，控制樹脂液面與投影系統(tǒng)間的距離，以保證液面到投影系統(tǒng)中投影鏡頭的距離維持恒定，保證投射到液面的圖形始終處于投影系統(tǒng)的焦平面位置，即步驟S3。本發(fā)明采用液位閉環(huán)控制，通過將液位檢測裝置檢測得到的信息實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，控制樹脂槽升降系統(tǒng)或平衡塊系統(tǒng)來控制液面到投影鏡頭的距離。

上述自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)1包括補(bǔ)液泵、盛放樹脂的補(bǔ)液槽，補(bǔ)液泵的一端與補(bǔ)液槽相連，另一端與樹脂槽相連，且補(bǔ)液泵與上述控制系統(tǒng)中的補(bǔ)液泵控制模塊相連，補(bǔ)液泵控制模塊控制補(bǔ)液泵向樹脂槽內(nèi)補(bǔ)充樹脂。補(bǔ)液泵可以為蠕動(dòng)泵、齒輪泵、隔膜泵等。

上述投影系統(tǒng)4，其位于打印平臺2的正上方，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6相連接，用于將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)切片的每層圖形投影至樹脂槽中的液態(tài)光敏樹脂表面；該投影系統(tǒng)包括光源、DMD(數(shù)字微鏡元件)以及投影鏡頭。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對待打印3D模型進(jìn)行處理，形成二維的截面圖，采用300nm-1000nm相關(guān)波長的光源，通過控制DMD中的微小鏡片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制其反射方向，進(jìn)而來生成相應(yīng)的二維截面圖形，最終在樹脂表面上形成了與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中圖案完全一樣的光圖案。

綜上所述，本發(fā)明面曝光成型的3D打印方法以及3D打印裝置，采用投影系統(tǒng)4置于樹脂槽8上方從上往下投影圖像實(shí)施3D打印，成型的三維實(shí)體即零件自下而上成型在打印平臺上，這樣就不會發(fā)生零件和打印平臺分離的問題，大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性；同時(shí)打印平臺可采用金屬材質(zhì)，強(qiáng)度和耐磨性很高，不會因使用造成打印平臺損壞，降低了設(shè)備的維護(hù) 成本；自動(dòng)補(bǔ)液系統(tǒng)的引入，可以實(shí)現(xiàn)長期的連續(xù)打印。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。