专利名称：紫外光固化快速成型设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种紫外光固化快速成型设备。
技术背景紫外光固化快速成型设备通过软件把计算机辅助设计CAD的三维数字 模型按照一定的厚度切片，分成一系列二维数字图形，利用光敏树脂的 光固化特性，使用合适的光源和光束聚焦扫描方式，在光敏树脂表面上 依次逐层固化并堆叠上述二维图形，最终把三维的数字模型以三维固态 实物的形式表现出来。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造 的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下快速生成几乎任意复杂的 零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。在目前的紫外光固化快速成型设备中，固化光源普遍使用昂贵的紫外 气休激光器或紫外固体激光器，光束聚焦装置和光束扫描装置使用光束 动态聚焦装置和振镜偏转扫描装置，虽然有光束质量好、扫描速度快的 优点，但设备的造价昂贵，影响了普及应用；个别紫外光固化快速成型 设备使用大功率气体放电紫外灯作为固化光源，由于这种光源效率低、 功耗大、寿命短、光束质量差，使得设备的效率、精度和速度等技术指 标都比前一种低，在很多场合不能满足实用的要求。发明内容本实用新型的目的就是克服现有技术的不足，提出一种紫外光固化 快速成型设备，不但造价便宜、便于普及应用，而且效率、精度和速度 等技术指标满足实用的要求。 为实现上述目的，本实用新型紫外光固化快速成型设备，包括发出 紫外光的固化光源、光束聚焦装置、光束扫描装置、盛装液态光敏树脂 的树脂槽、其托台浸于树脂液体内的工件托架和带动工件托架上下运动 的垂直运动装置，固化光源发出的紫外光束经光束聚焦装置和光束扫描 装置形成投射到工件托架托台上树脂液面的聚焦光斑，关键是所述固 化光源采用大功率紫外发光二极管，所述光束聚焦装置为光束固定聚焦 装置，光束扫描装置为光束水平面运动扫描装置，包括Y方向扫描机构和X方向扫描机构，Y方向扫描机构包括Y方向直线轨道、Y方向电机和 设于Y方向直线轨道上并可沿其滑动的Y方向滑块，树脂槽上相对的两 边设置彼此互相平行的Y方向直线轨道，其中一边Y方向直线轨道的一 端装有驱动其上Y方向滑块滑动的Y方向电机，X方向扫描机构包括X方 向直线轨道、X方向电机和设于X方向直线轨道上并可沿其滑动的X方向 滑块，X方向直线轨道的两端分别置于树脂槽相对两边的Y方向滑块上， 其一端装有驱动其上X方向滑块滑动的X方向电机，X方向滑块上设有光 束固定聚焦装置。所述大功率紫外发光二极管优选365nm波长的紫外发光二极管，其 功率优选100mW。上述光束固定聚焦装置可以为紫外显微物镜，所述大功率紫外发光 二极管和紫外显微物镜均安装在X方向滑块上，大功率紫外发光二极管 发出的紫外光经紫外显微物镜形成投射到树脂液面的聚焦光斑。上述光束固定聚焦装置还可以包括耦合透镜、柔性紫外光纤和聚焦 透镜，其中紫外光纤的输出端和聚焦透镜安装在X方向滑块上，大功率 紫外发光二极管发出的紫外光经耦合透镜耦合进紫外光纤的输入端，通 过紫外光纤传输，从紫外光纤的输出端射出，再经聚焦透镜形成投射到
树脂液面的聚焦光斑。紫外光纤优选紫外锥度光纤。由于本实用新型的固化光源采用大功率紫外发光二极管，根据紫外 光固化快速成型设备使用的树脂材料要求，确定所需紫外发光二极管的 优选波长参数和功率参数。根据紫外光固化快速成型设备成型的精度要 求，设计适用于紫外发光二极管的光束固定聚焦装置和光束水平面运动 扫描装置。所以，本实用新型不但造价便宜、便于普及应用，而且效率、 精度和速度等技术指标满足实用的要求。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型实施例一的光束固定聚焦装置和光束水平面运动 扫描装置结构示意图；图3是图2的俯视图；图4是本实用新型实施例二的光束固定聚焦装置和光束水平面运动 扫描装置结构示意图；具体实施方式
以下结合附图详述本实用新型实施例的结构细节 实施例一如图1所示，本实用新型包括发出紫外光的大功率紫外发光二极管1、 光束固定聚焦装置2、光束水平面运动扫描装置3、盛装液态光敏树脂的树脂槽4、其托台81浸于树脂液体内的工件托架8和带动工件托架8上 下运动的垂直运动装置5。如图2、图3所示，大功率紫外发光二极管l 选用365nm波长的紫外发光二极管，其功率为100mW，为便于散热，大功 率紫外发光二极管1装有散热组件11。光束固定聚焦装置2为紫外显微 物镜。光束水平面运动扫描装置3包括Y方向扫描机构和X方向扫描机 构，Y方向扫描机构包括Y方向直线轨道31、 32， Y方向滑块33、 34和 Y方向电机35， Y方向直线轨道31、 32上装有可沿其滑动的Y方向滑块 33、 34，树脂槽4上相对的两边设置彼此互相平行的Y方向直线轨道31、 32，其中一边Y方向直线轨道31的一端装有驱动其上Y方向滑块33滑 动的Y方向电机35， X方向扫描机构包括X方向直线轨道36、 X方向滑 块37和X方向电机38， X方向直线轨道36上装有可沿其滑动的X方向 滑块37， X方向直线轨道36的两端分别置于树脂槽4相对二边的Y方 向滑块33、 34上，其一端装有驱动其上X方向滑块37滑动的X方向电 机38， Y方向直线轨道31、 32和X方向直线轨道36互相垂直。大功率 紫外发光二极管1和紫外显微物镜2均安装在X方向滑块37上，X方向 电机38和Y方向电机35选用步进电机，通过控制X方向电机38和Y方 向电机35转动，由传动皮带或滚珠丝杠带动，驱动X方向滑块37和Y 方向滑块33、 34来回滑动，从而，X方向滑块37可以沿其所处的水平面 移到树脂槽4上方的任何位置。大功率紫外发光二极管1发出的紫外光束9经紫外显微物镜2形成 投射到树脂液面6的聚焦光斑，经光束水平面运动扫描装置3的X方向 扫描和Y方向扫描，聚焦光斑处于工件托架托台81上树脂液面6的相应 位置，聚焦光斑所到之处，树脂液体固化，聚焦光斑在树脂液面6上逐 点扫描，即逐点固化，完成工件7的一层固化。垂直运动装置5控制工 件托架8在树脂槽4中逐层向下运动，从树脂液面6开始，随着光束9 的逐层扫描以及工件托架8的逐层向下运动，工件7被逐层固化出来。实施例二实施例二和实施例一的不同之处是光束固定聚焦装置。如图4所示， 光束固定聚焦装置包括耦合透镜21、柔性紫外锥度光纤22和聚焦透镜
23，其中紫外锥度光纤22的输出端和聚焦透镜23安装在X方向滑块37 上，大功率紫外发光二极管1、耦合透镜21和柔性紫外锥度光纤22的输 入端固定不动，大功率紫外发光二极管1发出的紫外光束9经耦合透镜 21耦合进紫外锥度光纤22的输入端，通过紫外锥度光纤22传输，从紫 外锥度光纤22的输出端射出，再经聚焦透镜23形成投射到树脂液面6 的聚焦光斑。其余和实施例一相同，此处不多描述。本实用新型主要改进现有紫外光固化快速成型设备的固化光源、光 束聚焦装置和光束扫描装置，采用大功率紫外发光二极管作为固化光源， 光束聚焦装置和光束扫描装置采用适合紫外发光二极管光束的光束固定 聚焦装置和光束水平面运动扫描装置。本实用新型设计描述如下(1) 根据紫外光固化快速成型设备使用的树脂材料的要求，确定了所需 紫外发光二极管的波长参数和功率参数商品化光固化快速成型树脂材料的固化波长一般在250 375nm的范 围，考虑到商品化大功率紫外发光二极管的最短波长，确定选用365nm 的紫外发光二极管。另外，商品化光固化快速成型树脂材料的临界暴光量为10mJ/cm2的 量级，对于扫描光斑直径小于0. lmm和扫描速度大于lm/s的技术要求， 紫外发光二极管的功率必须大于10mW，再考虑到紫外光束在聚焦和传输 过程约50%的损耗，确定紫外发光二极管的功率为100mW。(2) 根据紫外光固化快速成型设备成型的精度要求，设计了适用于紫外 发光二极管的光束固定聚焦装置目前商品化的大功率紫外发光二极管的发光面尺寸约为lxlmm2，光 束的半功率发散角约为土45度，实施例一的光束固定聚焦装置使用紫外显 微物镜，能够把上述紫外发光二极管的光束聚焦成小于0. lrrnn直径的光
斑，聚焦效率大于50%，满足紫外光固化快速成型设备的水平精度要求以 及对固化光功率的要求。实施例二的光束固定聚焦装置使用柔性紫外锥度光纤，首先把紫外 发光二极管的光束用耦合透镜耦合进紫外锥度光纤，经过紫外锥度光纤 的传输后，光束直径减小，再把从紫外锥度光纤射出的光束用聚焦透镜 聚焦成直径小于O. lmm的光斑，聚焦效率大于50%,满足紫外光固化快速 成型设备的水平精度要求以及对固化光功率的要求。(3)设计了适合于使用紫外发光二极管及其光束固定聚焦装置的光束水 平面扫描装置，包括Y方向扫描机构和X方向扫描机构紫外发光二极管不是相干光源，紫外发光二极管光束在空间的传输 不能保持良好的光束质量，因此紫外发光二极管光束的扫描不能使用光 束偏转扫描的方式；考虑到紫外发光二极管及其光束固定聚焦装置具有 体积小、重量轻的特点，实际设计如下实施例一把紫外发光二极管及其紫外显微物镜安装在X方向扫描机 构的X方向滑块上，实现X方向扫描，把X方向扫描机构的X方向直线 轨道安装在Y方向扫描机构的Y方向滑块上，实现Y方向扫描。实施例二把紫外发光二极管、耦合透镜和柔性紫外锥度光纤的输入 端囱定不动，把柔性紫外锥度光纤的输出端和聚焦透镜安装在X方向扫 描机构的X方向滑块上，其余和实施例一相同。
权利要求1、紫外光固化快速成型设备，包括发出紫外光的固化光源、光束聚焦装置、光束扫描装置、盛装液态光敏树脂的树脂槽、其托台浸于树脂液体内的工件托架和带动工件托架上下运动的垂直运动装置，固化光源发出的紫外光束经光束聚焦装置和光束扫描装置形成投射到工件托架托台上树脂液面的聚焦光斑，其特征在于所述固化光源采用大功率紫外发光二极管，所述光束聚焦装置为光束固定聚焦装置，光束扫描装置为光束水平面运动扫描装置，包括Y方向扫描机构和X方向扫描机构，Y方向扫描机构包括Y方向直线轨道、Y方向电机和设于Y方向直线轨道上并可沿其滑动的Y方向滑块，树脂槽上相对的两边设置彼此互相平行的Y方向直线轨道，其中一边Y方向直线轨道的一端装有驱动其上Y方向滑块滑动的Y方向电机，X方向扫描机构包括X方向直线轨道、X方向电机和设于X方向直线轨道上并可沿其滑动的X方向滑块，X方向直线轨道的两端分别置于树脂槽相对两边的Y方向滑块上，其一端装有驱动其上X方向滑块滑动的X方向电机，X方向滑块上设有光束固定聚焦装置。
2、 根据权利要求1所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述Y方向直线轨道和X方向直线轨道互相垂直。
3、 根据权利要求1所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述大功率紫外发光二极管选用365nm波长的紫外发光二极管。
4、 根据权利要求3所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述大功率紫外发光二极管的功率为100mW。
5、 根据权利要求2所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述大功率紫外发光二极管选用365nm波长的紫外发光二极管。
6、 根据权利要求5所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述大功率紫外发光二极管的功率为100mW。
7、 根据权利要求1至6任一项所述的紫外光固化快速成型设备，其特 征在于所述光束固定聚焦装置为紫外显微物镜，所述大功率紫外 发光二极管和紫外显微物镜均安装在X方向滑块上，大功率紫外发 光二极管发出的紫外光束经紫外显微物镜形成投射到树脂液面的聚 焦光斑。
8、 根据权利要求1至6任一项所述的紫外光固化快速成型设备，其特 征在于所述光束固定聚焦装置包括耦合透镜、柔性紫外光纤和聚 焦透镜，其中紫外光纤的输出端和聚焦透镜安装在X方向滑块上， 大功率紫外发光二极管发出的紫外光束经耦合透镜耦合进紫外光纤 的输入端，通过紫外光纤传输，从紫外光纤的输出端射出，再经聚 焦透镜形成投射到树脂液面的聚焦光斑。
9、 根据权利要求8所述的紫外光固化快速成型设备，其特征在于所 述柔性紫外光纤为柔性紫外锥度光纤。
专利摘要紫外光固化快速成型设备，包括大功率紫外发光二极管1、光束固定聚焦装置2、光束水平面运动扫描装置3、盛装液态光敏树脂的树脂槽4、其托台81浸于树脂液体内的工件托架8和带动工件托架8上下运动的垂直运动装置5。紫外发光二极管1发出的紫外光束9经光束固定聚焦装置2形成投射到树脂液面6的聚焦光斑，经光束水平面运动扫描装置3的X方向扫描和Y方向扫描，聚焦光斑扫描工件托架托台81上树脂液面6的相应位置。本实用新型通过采用大功率紫外发光二极管作为固化光源，并设计与之相适应的光束固定聚焦装置和光束水平面运动扫描装置，使本实用新型造价便宜，便于普及应用，而且效率、精度和速度等技术指标满足实用的要求。
文档编号B29C67/00GK201033467SQ20072005241
公开日2008年3月12日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者刘玉鹏, 李伟良, 李耀棠 申请人:中国科学院广州电子技术研究所