本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种光固化3D打印的方法及装置。
背景技术：
光固化3D打印主要采用SLA（立体光固化成型）技术。传统SLA技术是采用带扫描振镜的激光作为光源的，近年来，出现了采用DLP（数字光处理）投影机作为光源。由于本发明与采用什么样的光源无关，因此不分采用什么光源，我们都称它为SLA技术。SLA技术根据打印时成型平台的运动方向，可以分为上升式和下沉式两种。上升式SLA技术的3D打印机由于不需要对光敏树脂液位和液面进行控制，因此具有结构简单，体积小，重量轻的优点，但是该3D打印机要求树脂槽底部透光并且还要具有离型的功能，导致其可靠性不高，不适合大批量打印。下沉式SLA是最早实用化的快速成形技术，由美国3D Systems公司首先推出，采用液态光敏树脂原料，其工艺过程是，激光光束通过扫描振镜，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样层层叠加而成三维工件原型。
下沉式SLA技术需要对光敏树脂的液位和液面进行精确控制。树脂液位的控制主要有三种方法。第一种是采用溢流式控制，即不断地补充树脂，多余的树脂会从树脂槽一侧的溢流孔流出，从而保持树脂液位的动态平衡。第二种方法就是3D Systems公司的SLA-250机器的浮筒控制法，即采用光反色测量液位高度，计算机根据测量结果控制浮筒的升降，从而保持液位平衡。第三种方法是采用激光检测液位高度，然后通过计算机控制液泵把树脂槽内多余的树脂抽出或补充缺失的树脂，从而控制液位高度。树脂液面的控制普遍采用的是负压吸附式刮板。下沉式SLA技术是业内公认成型精度和质量最好的3D打印技术之一，以上控制树脂液位和液面的方法也都比较成熟和可靠，但是，这些方法都还不够简单化，还需要很多辅助设备。树脂液位控制第一种方法需要树脂回流系统包括储液槽和液泵，第二种方法需要光检测设备、浮筒、电机及配套机械机构，第三种方法需要激光测距设备和液泵。树脂液面控制则需要真空泵以及负压下工作的刮板等。需要有这么多复杂的辅助设备，就不利于下沉式SLA 技术3D打印机的小型化和低成本化。
另外，下沉式SLA技术进行3D打印时需要在18℃至30℃的常温下进行的，当室温低于18℃时，由于树脂粘度的升高，流动性下降，打印效果就会变差。一些添加了高比例固体填料的光敏树脂由于在常温下粘度就很高，也就不适合用来进行3D打印。这大大限制了下沉式SLA技术打印材料的选择和应用范围。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供一种光固化3D打印的方法及装置，更具体来说是一种下沉式光固化 3D打印的方法及装置。该方法是在3D打印前先对光敏树脂进行加热，3D打印过程中采用光敏树脂温度控制和预定体积消减来控制液位。该装置采用常压整平刮板整平光敏树脂液面。采用本发明的光固化3D打印机具有结构简单、可靠，打印速度快、质量高，环境适应范围广，可以使用高粘度、高固含量的光敏树脂等优点。
为了达到上述目的，本发明一种光固化3D打印的方法，包括以下步骤。
S0，对光敏树脂加热。
S1，光敏树脂液面与成型平台上表面调整到等高。
S2，成型平台下降一个切片层的高度，同时，控制光敏树脂液位使其保持不变。
S3，刮板扫过光敏树脂液面，使光敏树脂液面平整。
S4，光源从上方照射光敏树脂液面，使特定区域的光敏树脂固化成型。
S5，按照步骤S2、S3、S4成型剩余切片层，直到所有的切片层都打印完成。
在打印开始前，先对光敏树脂进行加热，这样，即使环境温度低、光敏树脂固含量高也可以获得较低的粘度。光敏树脂粘度低的好处是整平变得更加容易，整平速度也可以更快。对光敏树脂加热的另一个好处是可以提高光固化反应速率，提高打印速度。
本发明一种光固化3D打印的方法，光敏树脂加热后温度保持稳定。在固定的容器内，随着温度升高，光敏树脂密度会变小，体积会变大，液位会升高。3D打印过程中，造成光敏树脂液位不稳定的因素之一便是温度了。保持光敏树脂温度稳定，是预定体积消减法控制液位的基础。由于仪器误差和热传导的滞后性，实际应用时温度波动范围控制在正负5℃以内一般都可以接受，当然了，温度控制越稳定，液位也就越稳定，这对提高打印精度是有好处的，尤其是采用预定体积消减法控制树脂液位时。但如果树脂液位采用溢流式控制或者是液位时时检测补偿控制时，则对温度的稳定性要求不高。至于光敏树脂温度稳定在多少度合适，则是根据所选光敏树脂的特性和3D打印工艺决定。一般光敏树脂温度越高，粘度就会越低，3D打印速度也可以更快，液面整平更容易，但是，温度太高，设备成本会上升，光敏树脂挥发也会更快。所以，确定一款光敏树脂最佳打印温度需要综合考虑各方面的因素。
本发明一种光固化3D打印的方法，光敏树脂液面与成型平台上表面调整到等高是通过调整光敏树脂的高度实现的。具体就是通过升降台调整树脂槽的高度来实现的。升降台高度的调整可以是人工观察树脂液位并由人工操作完成，也可以是计算机通过传感器检测树脂液位并由计算机控制完成。
本发明一种光固化3D打印的方法，控制光敏树脂液位使其保持不变是通过光敏树脂温度控制和预定体积消减实现的。3D打印过程中，影响光敏树脂液位的两大因素是光敏树脂温度和成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积。控制光敏树脂温度并保持其稳定是实施预定体积消减的基础和前提。所谓预定体积消减就是预先计算出3D打印时成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积，然后按照该体积的变化规律来降低光敏树脂的液位，使光敏树脂液位保持不变，因此这里的补偿是一种负补偿。预定体积消减的方法有预浸物提升法、树脂槽下降法、树脂抽离法等。所谓预浸物提升法就是将预先浸入光敏树脂的预浸物按预定的速度提升以抵消成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积。所谓树脂槽下降法就是按预定的速度下降树脂槽高度以抵消成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积。所谓树脂抽离法就是按照预定的速度抽出树脂槽内的光敏树脂以抵消成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积。预定体积消减的体积是预先计算并确定的，因此不需要有液位时时检测和反馈的装置或者在树脂槽上开溢流孔，具有简单、可靠、灵敏的优点。
本发明一种光固化3D打印的方法，光敏树脂温度控制是通过温控器控制加热器实现的。光敏树脂加热后还需要保持温度稳定，当温控器检测到光敏树脂温度偏低或快要偏低时，就启动加热器或者提高加热器的输出功率，当检测到温度偏高或快要偏高时，就关闭加热器或者降低加热器的输出功率。光敏树脂液位预定体积消减是通过与成型平台反向联动的预浸物实现的。预浸物的体积和形状是根据3D打印时成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积变化规律预先计算并确定好的。3D打印时成型平台的下沉和预浸物的提升，两者体积相互抵消使光敏树脂液位保持不变。该方法具有简单、可靠、灵敏、成本低的优点。
本发明一种光固化3D打印的方法，成型平台下降一个切片层的高度，其中间的运动过程是成型平台先下降一个比切片层还高的距离，然后再回升。通过成型平台的下降和回升运动，加强了光敏树脂的流动，有助于提高常压整平刮板的整平效果。
本发明一种光固化3D打印的方法，刮板扫过光敏树脂液面使光敏树脂液面平整是在常压下实现的。这里的常压指正常大气压，有别于目前普遍采用的负压吸附整平。树脂常压整平不像负压吸附整平那样需要借助真空装置，常压整平所依靠的是光敏树脂加热以后所具有的低粘度、高流动的特性。
本发明一种用于实现光固化3D打印方法的装置，包括树脂槽、成型平台、液位平衡装置、刮板、升降台、加热器、温控器、光源。树脂槽放置在升降台上，树脂槽和升降台之间设有加热器，加热器与温控器连接，温控器设有测温传感器。通过升降台可以控制树脂槽升降，从而控制了光敏树脂的升降。温控器通过测温传感器检测光敏树脂温度并与预先设定的温度做比较，然后控制加热器的工作状态，温控器可以是控制3D打印的计算机，还可以是独立的数字温控器。测温传感器可以是热电偶传感器或红外线温度传感器。光源是从上方照射光敏树脂液面，使特定区域的光敏树脂固化成型。
本发明一种用于实现光固化3D打印方法的装置，液位平衡装置包括预浸棒、拉绳、定滑轮，预浸棒通过拉绳和定滑轮与成型平台连接。液位平衡装置用来控制光敏树脂的液位使其在3D打印过程中保持不变。预浸棒的直径是根据成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积变化规律预先计算并确定好的。拉绳和定滑轮使预浸棒运动方向与成型平台运动方向相反。
本发明一种用于实现光固化3D打印方法的装置，刮板为常压整平刮板。常压整平刮板是在正常大气压力下将光敏树脂液面整平的刮板。常压整平刮板不需要借助真空设备，因此具有结构简单、可靠、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图。
具体实施方式
附图标记说明：光源1、定滑轮2、拉绳3、预浸棒4、树脂槽5、加热器6、升降台7、成型平台8、常压整平刮板9、温控器10、测温传感器11。
本发明光固化3D打印的方法，包括以下步骤。
S0，通过温控器控制加热器对光敏树脂进行加热，使光敏树脂温度达到适合进行3D打印的温度并保持温度的稳定。
S1，通过调整光敏树脂的高度使光敏树脂液面与成型平台上表面等高。
S2，成型平台下降一个切片层的高度，同时，通过与成型平台反向联动的预浸物的体积消减，光敏树脂的液位保持不变。
S3，刮板在常压下扫过光敏树脂液面，使光敏树脂液面平整。
S4，光源从上方照射光敏树脂液面，使特定区域的光敏树脂固化成型。
S5，按照步骤S2、S3、S4成型剩余切片层，直到所有的切片层都打印完成。
用于实现本发明方法的装置，包括树脂槽5、成型平台8、拉绳3、定滑轮2、预浸棒4、常压整平刮板9、升降台7、加热器6、温控器10、光源1。树脂槽5放置在升降台7上，树脂槽5和升降台7之间设有加热器6，加热器6与温控器10连接，温控器10设有测温传感器11，预浸棒4通过拉绳3和定滑轮2与成型平台8连接，常压整平刮板9的刮头部分为硅胶片，光源1为DLP投影机。
结合本发明的方法，本发明装置的使用，包括以下步骤。
S0，设置温控器10的温度为50℃，温控器10控制加热器6对光敏树脂进行加热，并将光敏树脂温度稳定在50℃±2℃。
S1，通过升降台7调整光敏树脂的高度使光敏树脂液面与成型平台8上表面等高。
S2，成型平台8下降一个切片层0.05mm的高度，其中间的运动过程是先下降4mm再回升3.95mm。同时，与成型平台8反向联动的预浸棒4提升0.05mm以抵消成型平台下沉到光敏树脂里所排开的液体体积，使光敏树脂的液位保持不变。
S3，常压整平刮板9扫过光敏树脂液面，使光敏树脂液面平整。
S4，光源1从上方照射光敏树脂液面，使特定区域的光敏树脂固化成型。
S5，按照步骤S2、S3、S4成型剩余切片层，直到所有的切片层都打印完成。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种更改、组合或变化。凡在本发明的精神和原则之内所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。