区域投射式3D打印方法、装置与流程

本发明涉及一种区域投射式3D打印方法、装置，属于3D打印领域。

背景技术：

3D打印机是一种采用累积制造技术（即快速成形技术）的机器，它的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器按照程序把产品一层层造出来。目前，3D打印机曝光固化时，都是采用整层一体固化，当固化面积较大时，固化时间较长，非常影响打印速度。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种区域投射式3D打印方法、装置，本案由此产生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种区域投射式3D打印方法、装置，可实现快速高效的3D打印。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

区域投射式3D打印方法，包括如下步骤：

步骤1、向打印平台进行第一次投射：曝光口投射出明暗相间隔的区域光，形成投射暗区和投射光区，所述投射光区的光透过透明的物料槽底向打印平台投射部分投影图像，投射光区投影范围内的打印溶液固化并粘贴在打印平台上；

步骤2、向打印平台进行第二次投射：切换上述投射暗区和投射光区，除去第一次曝光时投射光区的光，并在第一次曝光时的投射暗区投射出光，投射出的光透过透明的物料槽底向打印平台投射剩下部分的投影图像，使投影范围内的打印溶液固化并粘贴在打印平台上；

步骤3、至少两次投射后完成整个固化层的打印溶液固化；

步骤4、重复上述步骤进行第二层固化层打印，直至打印结束。

作为优选，所述投射暗区和投射光区为条纹状或者块状，条纹状时：所述步骤1第一次投射时的条纹光宽度相同，相邻2个条纹光的间距一致；块状时：所述步骤1第一次投射时的块状光大小形状相同，相邻2个块状光的间距一致。

作为优选，所述条纹光宽度为3~20mm。所述块状光面积一般为1~100cm²。

作为优选，步骤2所述的第二次投射的条纹光宽度大于等于第一次投射时的非条纹光的宽度。

作为优选，步骤2所述的第二次投射的块状光长度大于等于第一次投射时的非块状光的长度，块状光宽度大于等于第一次投射时的非块状光的宽度。

一种区域投射式3D打印装置，包括机座，以及设置在机座上的曝光机构、打印机构、盛液机构和控制机构；其中，所述打印机构包括模组、滑动安装在模组上的打印平台；所述盛液机构包括用于盛放打印溶液的物料槽，用于驱动物料槽运动的驱动组件；所述曝光机构的曝光口与打印平台相对应，曝光口投射出明暗相间隔的区域光，形成投射暗区和投射光区，所述投射光区的光通过透明的物料槽底直射打印平台。

作为优选，所述曝光口同一时间投射的区域光大小形状相同，相邻2个投射光区的间距一致。

作为优选，所述驱动组件为平移式驱动组件或者斜拔式驱动组件。

作为优选，所述平移式驱动组件包括物料槽固定座、导轨，以及带动物料槽固定座移动的平移部件，所述导轨固定安装在机座面板上，所述物料槽固定座底部通过滑块滑动安装在导轨上，所述物料槽固定座侧边与平移部件相连。

作为优选，所述物料槽底部为非光滑平面结构，设有与投射暗区、投射光区相对应的低台面和高台面。非光滑平面结构可以使物料槽底与打印平台间留有一定空隙，进而使打印平台固化层快速脱离物料槽底。

作为优选，所述高台面为全透明，所述低台面为非透明、半透明或者全透明，每个高台面移动方向的两侧均为低台面。

作为优选，所述斜拔式驱动组件包括物料槽固定座，以及拉动物料槽固定座的斜拔部件，所述物料槽固定座一端通过转轴固定在机座面板上，另一端与斜拔部件相连，通过斜拔部件拉动物料槽，使其一侧缓慢下拉，从而实现打印平台固化层与物料槽底快速脱离。

作为优选，所述物料槽底为全透明。

与现有3D打印装置相比，本发明所述的区域投射式3D打印方法、装置具有如下优点：

1、固化时间短：通过曝光机构交替投射区域光，将大面积的固化层分割为多个小面积，进而使同一时间固化的区域变小，实现被固化的打印溶液快速散热，从而使固化时间大幅度缩短；

2、打印速度快：因为打印平台脱离物料槽底后可快速上升，再加上固化时间短，物料槽平滑、斜拔速度快，从而可以使整个打印时间大幅度缩短，是一般3D打印机打印速度的2~10倍。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为实施例1的条纹投射式3D打印装置立体结构示意图；

图2为实施例1的条纹投射式3D打印装置俯视图；

图3为实施例1的物料槽立体结构示意图；

图4为实施例1的物料槽低台面、高台面与投射暗区、投射光区位置对应图；

图5为实施例2的曝光机构投射的投射暗区、投射光区位置分布图；

图6为实施例3的斜拔式驱动组件部分侧视图。

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，一种条纹投射式3D打印装置，包括机座1，以及设置在机座1上的曝光机构2、打印机构3、盛液机构4和控制机构5。曝光机构2曝光机构2采用投影仪，具体可以采用DLP投影仪。所述打印机构3包括模组31、滑动安装在模组31上的打印平台32，所述打印平台32通过垂直设置在模组31内的丝杠实现上下滑动，打印平台32与丝杠相连，丝杠与丝杠电机相连，通过丝杠电机驱动丝杠转动，进而带动打印平台32移动，在打印过程中，打印平台32可匀速上升。所述控制机构5采用微处理器控制，控制机构5分别与曝光机构2、打印机构3和盛液机构4相连，用于控制各个机构的动作。所述曝光机构2的曝光口与打印平台32相对应，曝光口投射出明暗相间隔的条纹光，形成条纹形状的投射暗区21和投射光区22，所述投射光区22的光通过物料槽底透明部分直射打印平台32。

在本实施例中，所述盛液机构4包括用于盛放打印溶液的物料槽41，以及用于驱动物料槽41水平滑动的平移式驱动组件。所述平移式驱动组件包括物料槽固定座42、导轨43，以及带动物料槽固定座移动的平移部件，所述导轨43固定安装在机座上面板上，所述物料槽固定座42底部通过滑块44滑动安装在导轨43上，所述物料槽固定座42侧边与平移部件相连。所述平移部件包括驱动电机45，与驱动电机45相连的第一齿轮46，与第一齿轮46相啮合的第二齿轮47，所述第二齿轮47采用条形齿轮，所述第二齿轮47通过弹性件48与物料槽固定座42相连，条形齿轮的两端分别通过直线弹簧与物料槽固定座42相连，通过直线弹簧，可以使驱动电机45驱动时具有一定的缓冲空间，防止驱动电机45转动过度而受损。驱动部件工作原理：通过驱动电机45带动第一齿轮46和第二齿轮47运动，从而通过弹性件48带动物料槽固定座42沿导轨43滑动。

为精确调节物料槽41的移动距离，所述机座上面板12上设有定位器49，定位器49具体可以采用水平放置的千分尺，通过千分尺可以调节物料槽41的移动距离，具体在使用时，为保护千分尺免受碰撞影响精度，一般会在物料槽41和定位器49之间放置一个位置可调的限位块491，通过限位块491间接调整物料槽41的移动距离。所述定位器49位于物料槽固定座42的移动末端。

为保证物料槽41初始位置精确定位，所述机座上面板12上进一步设有位置传感器40，所述位置传感器40一般安装在物料槽固定座42的移动始端处。

如图4所示，所述物料槽41底部为非光滑平面结构，设有与投射暗区21、投射光区22相对应的低台面411和高台面412。其中，所述高台面412必须为全透明，所述低台面411可以为全透明、半透明或者非透明。曝光时，高台面412与投射光区22完全相对，投射光区22的条纹光通过透明的物料槽底高台面412直射打印平台，所述高台面412移动方向的两侧均为低台面411，非光滑平面结构的物料槽41一方面可以使物料槽底与打印平台间留有一定空隙，进而使打印平台固化层快速脱离物料槽底，另一方面可以保证移动时曝光边沿整齐。低台面411和高台面412高度差为0.1mm-10mm。假设低台面411的宽度为Y、高台面412的宽度为X，投射暗区21的宽度为B、投射光区22的宽度为A，那么为保证3D物品的精确打印，X≥A≥B≥Y，同时X+Y=A+B，在本实施例中，X=7mm，Y=5mm，A=7mm，B=5mm。

条纹投射式3D打印方法，包括如下步骤：

步骤1、控制机构5控制曝光机构2、打印机构3、盛液机构4开始工作，驱动组件带动物料槽41定位到初始位置；

步骤2、打印平台32下降至物料槽41底部，此时，打印平台32下表面与物料槽41底高台面412间距为单层打印的厚度，曝光机构2进行第一次投射：曝光口投射出明暗相间隔的条纹光，投射光区22的条纹光透过透明的物料槽41底高台面412向打印平台32投射部分投影图像，使投影范围内的打印溶液固化并粘贴在打印平台32上；所述的第一次投射的条纹光宽度相同，均为7mm；

步骤3、物料槽41向左或者右移动6mm，即移动：（X+Y）/2，曝光机构2进行第二次投射：切换条纹光，在第一次曝光时的非条纹光区域投射出条纹光，所述条纹光透过透明的物料槽41底向打印平台32投射剩下部分的投影图像，使投影范围内的打印溶液固化并粘贴在打印平台32上；所述的第二次投射的条纹光宽度相同，均为5mm；

步骤4、经过第一次投射和第二次投射后，完成单层的固化层打印，通过平移部件移动物料槽41，使打印平台32脱离物料槽41底；

步骤5、打印平台32脱离物料槽41底后上升一个固化层厚度，物料槽41回复到初始位置，重复步骤2-4进行第二层固化，直至整个打印过程结束。

本实施例所述的条纹投射式3D打印方法、装置，通过曝光机构2交替投射条纹光，使固化面积变小，被固化的打印溶液散热快，进而使固化时间大幅度缩短；因为打印平台32脱离物料槽41底后可快速上升，再加上固化时间短，物料槽41平滑速度快，从而可以使整个打印时间大幅度缩短，是一般3D打印机打印速度的2~10倍。

实施例2

本实施例所述的投射式3D打印装置结构和打印方法与实施例1基本一致，主要区别在，本实施例所述的曝光机构2投射的区域光为块状，如图5所示。投射式3D打印装置的物料槽41底部设有与曝光机构2投射的投射暗区、投射光区相对应的块状低台面和高台面，投射暗区、投射光区面积一般为1~100cm²。为保证固化层的完整性，有时也会采用超面积曝光，即第二次投射的块状光长度大于等于第一次投射时的非块状光的长度，块状光宽度大于等于第一次投射时的非块状光的宽度。

实施例3

本实施例所述的投射式3D打印装置结构和打印方法与实施例1基本一致，主要区别在，本实施例所述的物料槽驱动组件采用斜拔式驱动组件，所述斜拔式驱动组件包括物料槽固定座42'，以及拉动物料槽固定座42'的斜拔部件，所述物料槽固定座42'一端通过转轴43'固定在机座面板12上，另一端与斜拔部件44'相连，通过斜拔部件44'拉动物料槽41，使其一侧缓慢下拉，从而实现打印平台32固化层与物料槽底快速脱离。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。