本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光敏材料供給方法及實現(xiàn)該方法的基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

3D打印技術(shù)，又稱為增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù)，是以3D數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用可粘黏材料，如金屬或塑料粉末、塑料線材、光敏樹脂等，通過逐層打印的方式來構(gòu)造實體的技術(shù)。其基本步驟為使用計算機(jī)構(gòu)建3D模型，再將3D模型進(jìn)行切片，以分為成百上千個薄層，最后使用3D打印機(jī)逐層打印出來，直至疊加形成實體。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有幾個突出優(yōu)勢：無需機(jī)械加工或任何模具，極大的減少了制造時間和材料成本；由于其逐層加工、累積成型的特點，制造幾乎不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的限制；模型設(shè)計十分簡單，能夠根據(jù)用戶個性化的需求隨時更改。

目前，3D打印技術(shù)包括熔融沉積技術(shù)FDM、三維打印粘結(jié)技術(shù)3DP、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)SLS、光固化立體成型技術(shù)SLA和數(shù)字光處理技術(shù)DLP等，這幾種打印成型方式各有特點，具有不同的適用范圍。其中FDM、3DP、SLS和SLA等快速成型制造技術(shù)，無論使用噴頭擠出、激光燒結(jié)或激光固化材料，都只能在一個小區(qū)域打印，由點到線、由線到面，最后逐層疊加；然而DLP投影使用的數(shù)字微鏡元件DMD是由無數(shù)個小鏡片陣列組成的，每一個小鏡片可以獨立控制一個小區(qū)域打印，整個元件可以投射出所需形狀的光束，每次能夠完成一個層面的打印，并且打印時間與面積大小無關(guān)，因而打印速度遠(yuǎn)高于FDM、SLS和SLA等技術(shù)。

基于DLP原理的3D打印機(jī)一般包括投影系統(tǒng)、成型部件和升降機(jī)構(gòu)三個部分，投影系統(tǒng)為DLP投影裝置，動態(tài)投射出具有形狀特征的光束；在光束作用下，液態(tài)的光敏材料直接發(fā)生聚合固化或引發(fā)劑被激發(fā)引發(fā)光敏材料聚合固化。按光源位置可將此類3D打印機(jī)分為上投影和下投影兩種，上投影的打印方式：光直接照射在樣品的最上層，不需要將樣品與樣品池分離，但是由于表面張力導(dǎo)致溶液表面不平整，會影響打印質(zhì)量，一般需要加一個刮板；工作時必須保證樣品臺絕對水平，否則樣品臺與液面不平行，每一層不同部位的厚度都不均一。下投影的打印方式：紫外光穿透樣品池底部，使樣品臺與樣品池之間的液態(tài)光敏材料固化成型，并且要求樣品池底部透光率高，且易與成型樣品分離；樣品臺與樣品池底部相對平行，以保證中間液體層厚均一。目前在下投影的打印方式中，都是加入過量的光敏材料到樣品池中以滿足打印需求，然而這樣會導(dǎo)致樣品池內(nèi)的液面高度較高，因而成型樣品會浸泡在光敏材料的液體中，當(dāng)曝光時間過長時，會使得超過預(yù)設(shè)打印層厚的液體固化，因此會影響打印精度。并且理論上，曝光時間越久，光線穿透深度越深，單次固化打印層厚的實際厚度將越厚，如果能控制光敏材料的液體厚度為一個較低的恒定值，尤其是能夠控制液體厚度為單層模型切片的理論打印厚度，那么單次打印的實際層厚將基本不受曝光時間長短的影響，進(jìn)而可以大大提高z軸的打印精度。因而如和控制樣品池內(nèi)光敏材料的液面高度恒定，一直是目前此類3D打印機(jī)需要解決的一個技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種可以控制3D打印機(jī)中的樣品池內(nèi)光敏材料的液面高度恒定的光敏材料供給方法及一種實現(xiàn)該方法的基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：光敏材料供給方法，用于基于DLP原理的3D打印機(jī)上控制打印用光敏材料的供給量，包括如下步驟：

A、建立待打印樣品的數(shù)字3D模型；

B、對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i，并且單層模型切片N_i的厚度為h，其中i表示從數(shù)字3D模型的底端至頂端方向進(jìn)行計數(shù)時，對應(yīng)模型切片N_i所在的層次；

C、計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i；

D、從數(shù)字3D模型的底端至頂端按照模型切片N_i逐層進(jìn)行打印，并且在每一層模型切片N_i打印完成后向3D打印機(jī)中的樣品池內(nèi)加入體積為V_i的光敏材料，之后再進(jìn)行下一層模型切片N_i+1的打印，直到整個待打印樣品打印完成。

進(jìn)一步的是：在步驟C中，首先計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的打印面積S_i，然后根據(jù)V_i＝S_i×h計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i。

進(jìn)一步的是：在步驟D中，每一層模型切片N_i的打印過程依次包括光固化成型階段、樣品提升階段和光敏材料補(bǔ)充階段。

進(jìn)一步的是：在步驟D中，在打印數(shù)字3D模型中最底層的模型切片N₁時，設(shè)置樣品池內(nèi)光敏材料的液體深度與單層模型切片的厚度h一致。

進(jìn)一步的是：設(shè)置樣品池內(nèi)光敏材料的液體深度為單層模型切片的厚度h的1.1倍～1.2倍。

另外，本發(fā)明還提供一種用于實現(xiàn)上述光敏材料供給方法的基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)，包括3D打印機(jī)主體、數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)和光敏材料供給系統(tǒng)，

所述數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)分別與3D打印機(jī)主體和光敏材料供給系統(tǒng)信號連通；

所述數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)用于建立待打印樣品的數(shù)字3D模型、對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i和計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i；

所述光敏材料供給系統(tǒng)可根據(jù)每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i逐次向3D打印機(jī)主體中的樣品池內(nèi)加入光敏材料。

進(jìn)一步的是：所述光敏材料供給系統(tǒng)為注射泵。

進(jìn)一步的是：所述數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)可分別控制3D打印機(jī)主體和光敏材料供給系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過在對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理后，直接對每層模型切片N_i進(jìn)行計算以獲取其對應(yīng)的體積V_i；進(jìn)而可在每層模型切片打印完成后、下一層模型切片打印前向3D打印機(jī)中的樣品池內(nèi)加入相應(yīng)量的光敏材料，即每次加入光敏材料的量根據(jù)相應(yīng)層的模型切片所對應(yīng)的體積V_i來控制，這樣即可保證在每層模型切片打印時樣品池內(nèi)的光敏材料的液面高度恒定。并且進(jìn)一步通過設(shè)置初始時樣品池內(nèi)的光敏材料的液體深度與單層模型切片的厚度h一致的情況，還可實現(xiàn)在每層模型切片打印的過程中確保樣品池內(nèi)的光敏材料的液體深度均為單層模型切片的厚度，這樣可大大的提高模型打印的精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的光敏材料供給方法的流程圖；

圖2為基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)的連接關(guān)系示意圖；

圖3為基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)的各系統(tǒng)之間的連接關(guān)系圖；

圖4為對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理的示例圖；

圖5為圖4中第20層模型切片的平面視圖；

圖中標(biāo)記為：3D打印機(jī)主體1、數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2、光敏材料供給系統(tǒng)3、樣品池4、提升電機(jī)5、紫外投影裝置6、供液管7、樣品臺8、打印樣品9。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。其中，本發(fā)明所述的光敏材料供給方法是用于基于DLP原理的3D打印機(jī)上控制光敏材料的供給量，其中的光敏材料實際為一種液體材料，通過DLP原理的3D打印機(jī)實現(xiàn)光固化打印成型。

如圖1至5中所示，本發(fā)明所述的光敏材料供給方法，包括如下步驟：

A、建立待打印樣品的數(shù)字3D模型；

B、對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i，并且單層模型切片N_i的厚度為h，其中i表示從數(shù)字3D模型的底端至頂端方向進(jìn)行計數(shù)時，對應(yīng)模型切片N_i所在的層次；

C、計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i；

D、從數(shù)字3D模型的底端至頂端按照模型切片N_i逐層進(jìn)行打印，并且在每一層模型切片N_i打印完成后向3D打印機(jī)中的樣品池4內(nèi)加入體積為V_i的光敏材料，之后再進(jìn)行下一層模型切片N_i+1的打印，直到整個待打印樣品打印完成。

在上述步驟A中，對于待打印樣品的數(shù)字3D模型的建立方式至少可以可采用如下三種方式之一：

第一種、根據(jù)待打印樣品的實際尺寸或設(shè)計尺寸數(shù)據(jù)，直接運(yùn)用三維繪圖軟件繪制出數(shù)字3D模型；

第二種、利用三維掃描儀器，掃描已有實體得到其表面信息，然后還原為數(shù)字3D模型；

第三種、利用CT、MRI等斷層掃描設(shè)備，獲取已有實體整體結(jié)構(gòu)信息，然后處理還原為數(shù)字3D模型。

在上述步驟B中，對于單層切片的厚度h，一般可結(jié)合所采用的3D打印機(jī)的參數(shù)而定，h的取值設(shè)置可以為1um-1000um，更優(yōu)選為10um-100um，如可取h＝20um；當(dāng)然，不失一般性，也可根據(jù)實際情況調(diào)整相應(yīng)的單層切片的厚度h。通過設(shè)置單層切片的厚度h后，可將數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i，其中i表示從數(shù)字3D模型的底端至頂端方向進(jìn)行計數(shù)時，該模型切片所在的層次。如參照附圖4中所示，即是將相應(yīng)的數(shù)字3D模型從低端至頂端按照單層切片的厚度h進(jìn)行切片處理，而附圖5所示的即為其取中i＝20時的模型切片N₂₀，即是從該數(shù)字3D模型的底端起的第20層模型切片的平面圖；從附圖5中所示的情況，該層模型切片N₂₀實際對應(yīng)的打印區(qū)域為中部的黑色圓形部分。

在上述步驟C中，則是根據(jù)所獲得的模型切片N_i，計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i。當(dāng)然，針對每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i的計算處理可直接由對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理的系統(tǒng)或者相應(yīng)的處理軟件直接計算得出。另外，在計算體積V_i時還可通過首先計算出每層模型切片N_i的打印面積S_i，然后根據(jù)V_i＝S_i×h計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i。如以附圖5中所示的圖示為例，可先計算出該模型切片N₂₀所對應(yīng)的打印面積S₂₀，其中S₂₀即為附圖5中所示的模型切片N₂₀中部的黑色圓形部分對應(yīng)的面積；然后再根據(jù)V₂₀＝S₂₀×h最終計算出該層模型切片N₂₀所對應(yīng)的體積V₂₀。

在上述對模型切片的數(shù)據(jù)信息獲取之后，即可用3D打印機(jī)對各層模型切片N_i逐層進(jìn)行打印。并且，在每打印完一層模型切片N_i后，相應(yīng)地向3D打印機(jī)中的樣品池4內(nèi)加入體積為V_i的光敏材料，之后循環(huán)進(jìn)行下一層模型切片N_i+1的打印，直到所有層的模型切片打印完成，即直到整個待打印樣品打印完成為止。

更具體的，每一層模型切片N_i的打印過程可依次包括如下三個階段：光固化成型階段、樣品提升階段和光敏材料補(bǔ)充階段。具體可參照附圖1中局部區(qū)域所示：其中光固化成型階段，是通過相應(yīng)的紫外投影裝置6將位于樣品池4內(nèi)的光敏材料進(jìn)行照射以使其固化成型；而樣品提升階段則是待固化成型階段完成后再通過相應(yīng)的提升電機(jī)5將以固化成型的打印樣品9提升一定的高度，并且一般提升高度為單層模型切片的厚度h；最后，進(jìn)行光敏材料補(bǔ)充階段，即當(dāng)打印樣品9被提升后，位于樣品池4內(nèi)的光敏材料的液面將會降低，因此本發(fā)明中進(jìn)一步增加了對樣品池4內(nèi)的光敏材料的補(bǔ)充階段，即向樣品池4內(nèi)補(bǔ)充相應(yīng)量的光敏材料，以保持樣品池4內(nèi)的液面高度在打印樣品9提升后仍然能恢復(fù)原有液面高度；即實現(xiàn)了在對每一層模型切片N_i進(jìn)行打印的過程中，樣品池4內(nèi)的光敏材料的液面高度始終為恒定狀態(tài)。

更具體的，本發(fā)明還可進(jìn)一步在步驟D中，在打印數(shù)字3D模型中最底層的模型切片N₁時，設(shè)置樣品池4內(nèi)光敏材料的液體深度與單層模型切片的厚度h一致。這樣，可使得每次打印相應(yīng)層的模型切片N_i時樣品池4內(nèi)的光敏材料的液體深度均為單層模型切片的厚度h，以此可大大地提高打印機(jī)的打印精度。當(dāng)然，不失一般性，在實際處理過程中，可設(shè)置樣品池4內(nèi)的光敏材料的液體深度略高于單層模型切片厚度h，這樣可避免因成型表面粘附或材料蒸發(fā)等因素導(dǎo)致實際的液體深度出現(xiàn)低于h的情況，進(jìn)而避免由此導(dǎo)致的打印模型不連續(xù)的問題；例如，可設(shè)置樣品池4內(nèi)的光敏材料的液體深度為單層模型切片厚度h的1.1倍～1.2倍。當(dāng)然，在初始打印實物的3D模型時，通過設(shè)置樣品池4內(nèi)光敏材料的液體深度與單層模型切片厚度h相等的情況下，對于第一層模型切片N₁的打印，應(yīng)當(dāng)將樣品臺8的底面剛好與樣品池內(nèi)光敏材料的液面相貼。

另外，參照附圖2和3中所示，本發(fā)明還提供一種可實現(xiàn)上述光敏材料供給方法的基于DLP原理的3D打印機(jī)系統(tǒng)；包括3D打印機(jī)主體1、數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2和光敏材料供給系統(tǒng)3，

所述數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2分別與3D打印機(jī)主體1和光敏材料供給系統(tǒng)3信號連通；

所述數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2用于建立待打印樣品的數(shù)字3D模型、對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i和計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i；

所述光敏材料供給系統(tǒng)3可根據(jù)每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i逐次向3D打印機(jī)主體1中的樣品池4內(nèi)加入光敏材料。

其中，數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2，指的是可以對數(shù)字3D模型進(jìn)行相應(yīng)處理的系統(tǒng)，如建立待打印樣品的數(shù)字3D模型、對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理以得到多層模型切片N_i和計算出每層模型切片N_i所對應(yīng)的體積V_i等，并可在對數(shù)字3D模型進(jìn)行相應(yīng)的處理后，還可將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸送給3D打印機(jī)主體1以及光敏材料供給系統(tǒng)3。

更具體的，數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2在對數(shù)字3D模型進(jìn)行處理后，應(yīng)當(dāng)通過數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2分別與3D打印機(jī)主體1和光敏材料供給系統(tǒng)3的信號連接關(guān)系分別將相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸送給3D打印機(jī)主體1以及光敏材料供給系統(tǒng)3，以使得相應(yīng)數(shù)據(jù)可作為3D打印機(jī)主體1進(jìn)行對實體3D模型打印的數(shù)據(jù)以及作為光敏材料供給系統(tǒng)3向3D打印機(jī)主體1逐次供給光敏材料的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，不失一般性，還可通過數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2直接控制3D打印機(jī)主體1和光敏材料供給系統(tǒng)3進(jìn)行工作，進(jìn)而實現(xiàn)由數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2控制3D打印機(jī)主體1和光敏材料供給系統(tǒng)3的同步工作，即確保光敏材料供給系統(tǒng)3在3D打印機(jī)主體1打印對應(yīng)層的模型切片N_i后及時供給相應(yīng)量的光敏材料量V_i。

本發(fā)明所述的3D打印機(jī)系統(tǒng)是在常規(guī)的基于DLP原理的3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上增加設(shè)置有相應(yīng)的光敏材料供給系統(tǒng)3，同時通過將光敏材料供給系統(tǒng)3與數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2進(jìn)行信號連接，這樣可通過數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2對數(shù)字3D模型進(jìn)行切片處理并計算各模型切片N_i對應(yīng)的體積V_i后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息輸送給光敏材料供給系統(tǒng)3，進(jìn)而可精確控制光敏材料供給系統(tǒng)3針對每層模型切片N_i打印完成后向樣品池4內(nèi)加入光敏材料的供給量，進(jìn)而最終保證在每層模型切片N_i打印時樣品池4內(nèi)的光敏材料的液面高度恒定。

更具體的，本發(fā)明還可優(yōu)選所述光敏材料供給系統(tǒng)3為注射泵，可提高其控制光敏材料供給量的精度。相應(yīng)的，只需要將數(shù)字3D模型處理系統(tǒng)2與注射泵上相應(yīng)的控制器進(jìn)行信號連通即可。