一种光固化快速成型装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种光固化快速成型装置及光固化快速成型方法。所述光固化快速成型装置（1000）包括用于承载光敏树脂（400）的承载体（300）、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件（200）以及用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂发生光聚合反应而固化成型的光源装置（100），成像部件（200）位于光源装置（100）和承载体（300）之间，所述光源装置（100）为面光源。本发明的光源装置为面光源，光源装置发出的光线均匀穿过所述二维图像所对应的区域，使所述光敏树脂发生光聚合反应而固化成型，可以有效地避免本不应当固化的光敏树脂固化。
【专利说明】一种光固化快速成型装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光固化立体造型【技术领域】，具体涉及一种光固化快速成型装置及光固化快速成型方法。
【背景技术】
[0002]快速成型是20世纪80年代末期产生和发展起来的一种新型制造技术，是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNN)、激光、新材料、精密伺服等多项技术的发展和综合。已知的RP(Rapid Prototyping:快速成型)方法包括SLA(StereoLithography Apparatus:立体光固化造型)、LOM(Laminated Object Manufacturing:分层实体制造)、SLS (Selective Laser Sintering:选择性激光烧结)、FDM(Fused DepositionModeling:溶融沉积造型)、3DP(Three Dimension Printing:三维打印)、和 SGC(SolidGround Curing:固基光敏液相)。
[0003]在以上RP(Rapid Prototyping)方法中，发展较快、应用较广的是SLA。SLA的光固化成型的原理是:光源发出的光线穿过成像部件上的二维图像(透光区域)，照射光敏材料，利用流体状态的光敏树脂在光照下发生光聚合反应的特点，使流体状态的光敏树脂固化成型。当一层扫描完成后，再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。然而，目前的光源为单独的点光源，发出的光线较为杂散。杂散的光线透过成像部件使本不应当固化的光敏树脂固化。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种光固化快速成型装置，其光源装置为面光源，光源装置发出的光线更加均匀。
[0005]本发明通过如下技术方案实现:一种光固化快速成型装置，所述光固化快速成型装置包括用于承载光敏树脂的承载体、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件以及用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂发生光聚合反应而固化成型的光源装置，成像部件位于光源装置和承载体之间，所述光源装置为面光源。
[0006]作为上述技术方案的进一步改进，所述光源装置包括多个发光单元，所述多个发光单兀阵列排布。
[0007]作为上述技术方案的进一步改进，所述光源装置还包括吸收杂散光线的遮光器，遮光器位于所述多个发光单元的光路上。
[0008]作为上述技术方案的进一步改进，所述光源装置还包括用于控制所述多个发光单元的点亮和熄灭的光源控制单元，光源控制单元与所述多个发光单元电性连接。
[0009]作为上述技术方案的进一步改进，所述多个发光单元的每一发光单元均包括至少一个发光体及准直器，所述准直器用于将所述至少一个发光体发出的发散光转变成基本上相互平行的光。
[0010]作为上述技术方案的进一步改进，所述准直器为反射镜或透镜。[0011]作为上述技术方案的进一步改进，所述准直器为凹面镜、球面反射镜、凸透镜或菲涅耳透镜。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，所述成像部件为单色TFT液晶显示屏或彩色TFT液晶显示屏。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，所述多个发光单元的每一发光单元均包括LED，且每一发光单兀发出的光的波长为250nm至700nm。
[0014]本发明还提供了一种光固化快速成型方法，所述光固化快速成型方法包括以下步骤:
5101:向承载体内注入流体状态的光敏树脂；
5102:以透光的形式在成像部件上展现二维图形；
S103:点亮面光源形式的光源装置的发光单元，使光线经过成像部件的透光部分照射承载体中的光敏树脂，使光敏树脂形成一固化层；
5104:判断是否所有的截面已完成成型，若是则结束，否则进入S105 ；
5105:提升已固化的部分，并重复S102、S103及S104。
[0015]本发明的有益效果是:本发明的光源装置为面光源，其发出的光线更加均匀，即:光源装置发出的光线均匀穿过所述二维图像所对应的区域，使所述光敏树脂发生光聚合反应而固化成型，可以有效避免本不应当固化的光敏树脂固化。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是根据本发明的一个实施方式的光固化快速成型装置的分解构成示意图；
图2是根据本发明的另一实施方式的光固化快速成型装置的分解构成示意图；
图3是根据本发明的再一实施方式的光固化快速成型装置的分解构成示意图；
图4是根据本发明的又一实施方式的光固化快速成型装置的分解构成示意图；
图5是根据本发明的一个实施方式的光固化快速成型装置的光源装置的构成概念图； 图6是表示在成像部件上以透光的形式展现二维图形的示意图；
图7是根据本发明的一个实施方式的光固化快速成型装置的光源装置的发光单元的构成示意图；
图8是根据本发明的另一实施方式的光固化快速成型装置的光源装置的发光单元的构成示意图；
图9是根据本发明的再一实施方式的光固化快速成型装置的光源装置的发光单元的构成示意图；
图10是根据本发明的又一实施方式的光固化快速成型装置的光源装置的发光单元的构成示意图；
图11是根据本发明的一个实施方式的光固化快速成型方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行进一步的说明。
[0018]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。另外，在本发明的描述中，术语“面光源”是指发出的光线相互平行或接近平行的光源。在一个实施例中，“面光源”是指由多个发光单元均匀分布在一个平面上而构成的发光体。
[0019]如图1所示，光固化快速成型装置1000包括用于承载光敏树脂400的承载体300、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件200以及用于发出穿过所述二维图像所对应的区域(例如图6所示二维图像区域240)以使所述光敏树脂400发生光聚合反应而固化成型的光源装置100，本实施例中，所述光源装置100为面光源。由此，光源装置100发出的光线均匀穿过所述二维图像所对应的区域，使所述光敏树脂400发生光聚合反应而固化成型，可以有效避免本不应当固化的光敏树脂固化。
[0020]在本实施例的光固化快速成型装置1000的组装状态下，光源装置100、成像部件200以及承载体300在上下方向上依次贴合，结构紧凑。成像部件200位于光源装置100和承载体300之间。光源装置100发出的光线经过成像部件200抵达承载体300。
[0021]而且，所述成像部件200为单色TFT液晶显示屏或彩色TFT (Thin FilmTransistor)液晶显示屏。TFT液晶显示屏具有高速度、高亮度、高对比度的优点。当然，本发明不限于此，所述成像部件200也可以其他种类的液晶显示屏，例如扭转式向列型(Twisted Nematic ;TN)液晶显不屏、超扭转式向列型(Super Twisted Nematic ;STN)液晶显示屏。
[0022]所述成像部件200具有成像驱动控制单元220。成像驱动控制单元220对所述成像部件200的各像素进行驱动，展现出所希望的二维图像。二维图像所对应的区域为透明区域。光线可以穿过二维图像所对应的区域。而且，光线不能够穿过二维图像所对应的区域之外的区域。
[0023]如图6所示，在需要形成一花瓶形状的层时，成像驱动控制单元220对所述成像部件200的各像素进行驱动，展现出花瓶形状的二维图像(二维图像区域240所表示的图像)。二维图像区域240为透光状态，而二维图像区域240之外的区域230为不透光状态。光源装置100发出的光线均匀穿过二维图像区域240，使所述光敏树脂400发生光聚合反应而固化成型，形成一花瓶形状的层。
[0024]另外，如图1所示，承载体300包括支架310和固定在所述支架310上的透明膜片320。透明膜片320可以以各种连接方式固定在支架310上。透明膜片320例如为柔性透明树脂或硬质玻璃。在光固化快速成型装置1000的组装状态下，光源装置100、成像部件200以及承载体300的透明膜片320在上下方向上依次贴合，结构紧凑。
[0025]在本实施例中，所述光源装置100还包括吸收杂散光线的遮光器136C，如图9所示。由此，可以通过设置遮光器，遮挡并吸收一部分杂散光，进一步有效避免本不应当固化的光敏树脂固化。遮光器136C可以放置在隔间131的内部。遮光器136C也可以放置在隔间131的外部。
[0026]图2显示了根据本发明的另一实施方式的光固化快速成型装置1000A的分解状态。该实施例是基于图1所示实施例的改进实施例，省略对与图1所示实施例相同的部分进行描述。在本实施例中，所述光源装置100由多个发光单元130阵列而成。其中，发光单元130的数量可以依据光固化成型的精细要求而定。光固化成型的精细度与发光单元130的数量成正比例。在本实施例中，发光单元130的数量优选为在100个以上，发光单元130的数量更优选地在1000个以上。
[0027]结合图2及图5所示，在本实施例中，所述光源装置100具有框体120。如图5所示，多个发光单元130形成在框体120的各隔间(compartment) 131内。虽然在图5中，多个发光单元130排列成5行14列，但实际上多个发光单元130排列的行数可能远大于5，列数可能远大于14。
[0028]在本实施例中，所述光源装置100还包括用于控制所述多个发光单元130的点亮和熄灭的光源控制单元110。光源控制单元110与所述多个发光单元130电性连接。光源控制单元110用于控制多个发光单元130的每一发光单元。由此，可以通过光源控制单元110控制多个发光单元130的每一发光单元，使得仅成像部件200展现的二维图像正下方的发光单元点亮，而二维图像正下方之外的其他发光单元熄灭。这样，可以一方面可以进一步减少杂散光的量，一方面可以节省电力。
[0029]图3显示了根据本发明的再一实施方式的光固化快速成型装置1000B的分解状态。该实施例是基于图2所示实施例的改进实施例，省略对与图2所示实施例相同的部分进行描述。在本实施例中，所述多个发光单元130的每一发光单元均包括至少一个发光体(emitter) 132及准直器(collimiter) 134。其中，术语“准直器”应作广义理解,其意指将发散光转变成接近平行的光(即基本上相互平行的均匀光)的任何器件或任何器件组合。
[0030]其中，准直器134可以为反射镜或透镜。例如，在准直器134为反射镜的情况下，所述准直器134可以为凹面镜或球面反射镜。而在准直器134为透镜的情况下，所述准直器134可以凸透镜或菲涅耳透镜。但本发明不限于此，准直器134可以是其他适当的器件或结构。由此，通过准直器134将发光体132发出的发散光转变成接近平行的光，进一步有效避免本不应当固化的光敏树脂固化。虽然本实施例中，发光体132及准直器134均位于框体120的各隔间131内，但是本发明不限于此，例如准直器134可以放置在隔间131的外部。此外，各隔间131的内周壁可以作为准直器发挥作用，将发散光转变成接近平行的光，使得光敏树脂发生光聚合反应而固化成型的效果更佳，且结构紧凑，适于光固化快速成型装置的小型化。另外，虽然本实施例中，一个发光体132对应一个准直器134，但是本发明不限于此，例如多个发光体对应一个准直器134，或者全部的发光体对应一个准直器134。
[0031]图4显示了根据本发明的又一实施方式的光固化快速成型装置1000C的分解状态。该实施例是基于图3所示实施例的改进实施例，省略对与图3所示实施例相同的部分进行描述。
[0032]在本实施例中，光固化快速成型装置1000C还包括升降部件500、控制单元600及计算机700。其中，在所述承载体300内的流体状态的光敏树脂400固化成型后，升降部件500将已固化成型的部分向上(远离所述光源装置100的方向)提升规定间隙，待新的流体状态的光敏树脂流入该规定间隙内时，升降部件500使已固化成型的部分下降至规定的位置，然后进行下一层的固化。在本实施例中，控制单元600与成像驱动控制单元220、光源控制单元110以及计算机700连接。由计算机700对光源装置100、成像部件200、升降部件500进行统一控制。当然，本发明不限于此，例如计算机700可以为嵌入式芯片。或者，控制单元600、成像驱动控制单元220和光源控制单元110集成在一块控制芯片上。
[0033]下面结合图7至图10对发光单元的具体实施例进行说明。[0034]在图7所示的实施例中，发光单元130A包括发光体132A及透镜134A。透镜134A发挥准直器的作用。其中，透镜134A可以为凸透镜或菲涅耳透镜。凸透镜或菲涅耳透镜容易购得和定制。例如可以通过将透镜134A集成在隔间131的顶部，能够有效地将发散光转变成接近平行的光，并且结构简单，适于产业化。
[0035]在图8所示的实施例中，发光单元130B包括发光体132B及反射镜134B。反射镜134B发挥准直器的作用。其中，反射镜134B为凹面镜。反射镜134B可以集成设置在发光体132B的光路后方，例如隔间131的底部的发光体安装面(例如LED灯板)上，这种结构的发光单元能够有效地将发散光转变成接近平行的光，并且结构简单、节省空间，有利于光固化快速成型装置小型化。
[0036]在图9所示的实施例中，发光单元130C包括发光体132C、反射镜133C、透镜134C及遮光器136C。反射镜133C、透镜134C及遮光器136C组合起来发挥准直器的作用。其中，反射镜133C为球面反射镜。透镜134C可以为凸透镜。遮光器136C的中间开设有适当形状的窗口。遮光器136C例如为吸光纤维布。其中，发光体132C、反射镜133C、透镜134C及遮光器136C均设置在隔间131内。这种结构的发光单元能够有效地将发散光转变成接近平行的光，使得光敏树脂发生光聚合反应而固化成型的效果更佳。
[0037]其中，在图9所不的实施例中，遮光器136C设置在隔间131内，一个遮光器136C对应一个发光体132C。但是，遮光器136C可以设置在隔间131外，一个遮光器136C对应多个发光体132C或所有发光体132C。
[0038]在图10所示的实施例中，发光单元130D包括发光体132D及反射镜134D。反射镜134D发挥准直器的作用。其中，反射镜134D为棱锥面发射镜。其中，棱锥面发射镜134D可以集成在隔间131的内周壁上。例如，隔间131的内周面即是棱锥面。进一步地，隔间131的内周面上涂覆反射膜。因此，反射镜134D是棱锥面发射镜的技术方案是特别优选的。这种结构的发光单元能够有效地将发散光转变成接近平行的光，使得光敏树脂发生光聚合反应而固化成型的效果更佳。而且，结构紧凑、节省空间，有利于光固化快速成型装置小型化。
[0039]在以上实施例中，所述多个发光单兀130的每一发光单兀均包括LED。且每一发光单兀发出的光的波长为250nm至700nm。优选的是,每一发光单兀发出的光的波长为350nm至500nm。发光单元130例如为紫外光LED、蓝光LED、绿光LED、青光LED、黄光LED、橙光LED、红光LED或白光LED。
[0040]如图11所示，本发明还提供了一种光固化快速成型方法。该光固化快速成型方法采用本文中描述的光固化快速成型装置。所述光固化快速成型方法包括以下步骤:
5101:向承载体300内注入流体状态的光敏树脂400 ；
5102:以透光的形式在成像部件200上展现二维图形；
5103:点亮面光源形式的光源装置100的发光单元130，使光线经过成像部件200的透光部分照射承载体300中的光敏树脂，使光敏树脂形成一固化层；
5104:判断是否所有的截面已完成成型，若是则结束，否则进入S105 ；
5105:通过升降部件500提升已固化的部分，并重复S102、S103及S104。在S105中，在所述承载体300内的流体状态的光敏树脂400固化成型后，升降部件500可以将已固化成型的部分向上(远离所述光源装置的方向)提升规定间隙，待新的流体状态的光敏树脂流入该规定间隙内时，升降部件500使已固化成型的部分下降至规定的位置，然后进行下一层的固化。
[0041]本发明的光固化快速成型装置和光固化快速成型方法可以适用于加工各种材料的二维或三维结构。而且，本发明的光固化快速成型装置的光路部分仅由成像部件和光源装置组成，位置关系简单，结构简洁，部件数量少，降低了光固化快速成型装置的体积和成本。另外，本发明的光固化快速成型装置采用的成像部件相对于激光振镜或投影仪而言，制作成本低、使用材料少。
[0042]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种光固化快速成型装置，其特征在于，所述光固化快速成型装置(1000)包括用于承载光敏树脂(400)的承载体(300)、用于以透光的形式展现二维图像的成像部件(200)以及用于发出穿过所述二维图像所对应的区域以使所述光敏树脂(400)发生光聚合反应而固化成型的光源装置(100)，成像部件(200)位于光源装置(100)和承载体(300)之间，所述光源装置(100)为面光源。
2.根据权利要求1所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述光源装置(100)包括多个发光单元(130)，所述多个发光单元(130)阵列排布。
3.根据权利要求2所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述光源装置(100)还包括用于吸收杂散光线的遮光器(136C),遮光器(136C)位于所述多个发光单兀(130)的光路上。
4.根据权利要求2所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述光源装置(100)还包括用于控制所述多个发光单元(130)的点亮和熄灭的光源控制单元(110)，光源控制单元(110)与所述多个发光单元(130)电性连接。
5.根据权利要求2所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述多个发光单元(130)的每一发光单元均包括至少一个发光体(132)及准直器(134)，所述准直器(134)用于将所述至少一个发光体(132)发出的发散光转变成基本上相互平行的光。
6.根据权利要求5所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述准直器(134)为反射镜或透镜。
7.根据权利要求6所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述准直器(134)为凹面镜、球面反射镜、凸透镜 或菲涅耳透镜。
8.根据权利要求1至7任一项所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述成像部件(200)为单色TFT液晶显示屏或彩色TFT液晶显示屏。
9.根据权利要求1至7任一项所述的光固化快速成型装置，其特征在于，所述多个发光单兀(130)的每一发光单兀均包括LED,且每一发光单兀发出的光的波长为250nm至700nm。
10.一种光固化快速成型方法，其特征在于，所述光固化快速成型方法包括以下步骤: 5101:向承载体(300)内注入流体状态的光敏树脂(400)； 5102:以透光的形式在成像部件(200)上展现二维图形； 5103:点亮面光源形式的光源装置(100)的发光单元(130)，使光线经过成像部件(200 )的透光部分照射承载体(300 )中的光敏树脂(400 )，使光敏树脂(400 )形成一固化层； 5104:判断是否所有的截面已完成成型，若是则结束，否则进入S105 ； 5105:提升已固化的部分，并重复S102、S103及S104。
【文档编号】B29C67/00GK103895231SQ201410137959
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】刘彦君, 蒋程宇 申请人:刘彦君, 蒋程宇