一种光固化3D打印系统的制作方法

本实用新型涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种光固化3D打印系统。

背景技术：

3D打印技术发展至今，已出现多种不同的制造技术。其中有代表性的有：原材料为光敏树脂的光固化成型技术(stereo lithography apparatus，SLA)、原材料为热熔型树脂的熔融沉积制造技术(fused deposition modeling，FDM)、原材料为非金属粉末的选区激光烧结技术(selective laser sitering，SLS)和原材料为金属粉末的选区激光熔化技术(selective laser melting，SLM)。其中光固化技术发展最早、最为成熟。从最初使用激光振镜扫描技术实现光固化成型、逐步发展出利用数字光处理(digital light processing，DLP)技术和液晶显示(liquid crystal display，LCD)新型光固化技术。液晶显示光固化技术既有DLP光固化技术的高分辨率、单层固化时间短的特点，同时由于其没有机械震动，又避免了数字微镜工作中由于镜片偏转误差造成的问题。同时液晶显示技术发展成熟，分辨率高，成本低、易于集成，是一种具有广泛应用前景和应用价值的光固化技术。

虽然LCD光固化技术有着诸多优点，但是目前市面上流通的液晶显示屏并非针对3D打印专门设计，使用起来存在光利用效率低、导致固化所用的光源功率高、发热量大，不利于集成。而且由于强紫外线会打断长链液晶分子的化学键，发生裂解，导致分子排列变差，因此紫外吸收会影响液晶器件的光稳定性和使用寿命。此外强紫外照射还会使液晶器件表现出电阻率下降，功耗增大；长时间照射会使其阈值下降、功耗增加，表现出颜色变黄，清亮点下降、屏幕变暗发黑等现象，从而降低液晶显示屏性能。因此很有必要在不牺牲的3D打印光固化性能的同时，降低液晶显示器件所消耗的紫外光能量。这也是LCD-3D打印技术走向普及要攻克的重点之一。

如图1和图2所示，一种常见的现有LCD-3D打印光学模块及系统结构，包括打印组件100，其中101是光敏树脂槽、102打印平台运动结构组件、103光固化材料即光敏树脂；液晶显示屏200，包括第一基板201、第二基板207、阵列基板多层膜202、彩色滤光片(color filter，CF，参见图2)基板多层膜206、第一配向层203、第二配向层205。液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间。虽然图1中未画出，但液晶屏组件200还包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的间隙子(隔离物)、配套驱动板等。背光组件300包括散热部件301、光源302、导光部303。现有技术虽然可以实现光固化效果，但受限于彩色滤光片(参见图2)对波长的选择性以及背光源照射液晶屏的均匀度，其光固化并不理想，通常仅能在打印平台中心位置附近取得较好的效果，而且紫外光能耗较高，液晶屏容易老化减少使用寿命。如果能有办法更有效地利用光源发出的紫外光，提升其均匀度，则可以大大增强光固化性能和3D打印效果。

技术实现要素：

鉴于目前存在的上述不足，本实用新型提供一种光固化3D打印系统，能够解决现有LCD-3D打印机光利用率低、能耗高、寿命短的问题。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括打印组件、液晶屏组件和背光组件，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述背光组件包括LED光源、导光组件和背光膜材，所述背光膜材与所述第一基板相连，所述LED光源通过导光组件与所述背光膜材相连。

依照本实用新型的一个方面，所述打印组件包括光固化材料槽、打印平台运动结构组件和光固化材料。

依照本实用新型的一个方面，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物。

依照本实用新型的一个方面，所述LED光源位于所述导光组件侧方。

依照本实用新型的一个方面，所述LED光源位于所述导光组件下方。

依照本实用新型的一个方面，所述背光膜材为下扩散片+棱镜片+上扩散片的架构。

依照本实用新型的一个方面，所述背光膜材包括偏光式增亮膜。

依照本实用新型的一个方面，所述背光组件包括散热部件，所述散热部件与所述LED光源相连。

依照本实用新型的一个方面，所述LED光源为可以使光固化材料固化的紫外光源。

依照本实用新型的一个方面，所述光固化材料为光敏树脂，所述紫外光源波长为405-420nm。

本实用新型实施的优点：本实用新型所述的光固化3D打印系统，包括打印组件、液晶屏组件和背光组件，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述背光组件包括LED光源、导光组件和背光膜材，所述背光膜材与所述第一基板相连，所述LED光源通过导光组件与所述背光膜材相连。通过采用一种不带有彩色滤光膜的薄膜晶体管驱动的液晶屏作为3D打印光固化介质的曝光开关，实现了较采用普通彩屏LCD的LCD-3D打印机6-10倍的光利用率。降低了使用的紫外光源的光功率、减少了能耗，增强了LCD-3D打印机的可靠性并延长了LCD-3D打印机的使用寿命。同时改良了现有LCD-3D打印机类投影仪的背光架构，采用近平板显示的光源，有效提升了3D打印时光的面均一性，提升了3D打印效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所述的现有LCD-3D打印系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述的现有LCD-3D打印系统的滤光片结构示意图；

图3为本实用新型实施例一所述的一种光固化3D打印系统结构示意图；

图4为本实用新型实施例二所述的一种光固化3D打印系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图3所示，一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括打印组件100、液晶屏组件200和背光组件300，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201(含下偏光片)、上表面的第二基板207(含上偏光片)和液晶材料204，所述第一基板201和第二基板207之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述背光组件300包括LED光源301、导光组件302和背光膜材303，所述背光膜材303与所述第一基板201相连，所述LED光源301通过导光组件302与所述背光膜材303相连。所述LED光源301位于所述导光组件302侧方。液晶的显示模式可以是目前常见的TN(扭曲向列)模式、IPS(面内旋转)模式、VA(垂直配向)模式等，但液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。本实施例中，液晶的显示模式是目前常见的TN(扭曲向列)模式，液晶屏组件中不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用7寸1024*768分辨率，打印组件的尺寸、打印平台的尺寸与该液晶屏尺寸配套。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，用LCD液晶显示屏作为可点控的光固化光开关，用以控制对光固化平台上的光敏树脂的曝光部位。该液晶屏不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，其对紫外光透射率的提升来自于两个方面。其一，常规含有彩色滤光片的液晶屏是为了显示彩色画面而设计的，其每个像素含有红绿蓝三个子像素，子像素的颜色是由彩色滤光片的色阻层滤光得来的。由于LCD-3D打印机所使用的光源通常是紫外光源，因此其红绿子像素并不能使得紫外光透过。采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光效至3倍。其二，常规含有彩色滤光片的液晶屏其蓝色子像素的峰值透光波长通常与光固化采用的紫外光峰值波长不匹配。该不匹配造成紫外光透过率的损失常在50％以上。采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有蓝色子像素的存在，因此据此点缘由，又可以提升光效至2倍以上。综合以上两方面，总体可以提升光效6倍以上。

在实际应用中，所述打印组件包括光固化材料槽101、打印平台运动结构组件102和光固化材料103。所述光固化材料一般采用光敏树脂。LED光源301发出的光经过导光组件302混光均匀，然后经过背光膜材303进一步混光并提升出光方向性和出光亮度后入射至液晶屏，对光敏树脂材料进行光固化。

在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物。

在实际应用中，所述背光膜材303可以采用LCD背光源现有技术中的各种搭配组合方式，例如采用下扩散片+棱镜片+上扩散片的架构，也可以增加偏光式增亮膜(DBEF)提升亮度，进一步减小能耗膜。背光膜材中的偏光式增亮膜(DBEF)层可以采用现有技术中各种常见的反射型偏光片型号，也可以将其集成到LCD显示屏的下偏光片中。

在实际应用中，所述背光组件包括散热部件，所述散热部件与所述LED光源相连。

在实际应用中，所述LED光源为可以使光固化材料固化的紫外光源。包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。优选的紫外LED光源波长为405-420nm。本实施例中选择地是波长405nm的紫外光源。

在实际应用中，所述光固化材料为光敏树脂。所述导光组件可以亚克力(PMMA)、PC、CR39等有机玻璃。

工作原理如下：由LED光源发出光固化所需要405nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行融合混光均匀化，然后再经过背光膜片组进一步混光并提升出光方向性和出光亮度后入射至液晶屏。最后经液晶屏照射到待固化的光敏树脂材料上。每一层固化完成后，打印平台运动结构组件会向上抬起，光敏树脂重新添满打印平台下方，打印平台再次下降到一层的高度再次开启光源组件并打开液晶屏进行光固化，依次循环固化每一层，实现光固化3D打印。

实施例二

如图4所示，一种光固化3D打印系统，所述光固化3D打印系统包括打印组件100、液晶屏组件200和背光组件300，所述液晶屏组件200包括下表面的第一基板201(含下偏光片)、上表面的第二基板207(含上偏光片)和液晶材料204，所述第一基板201和第二基板207之间设有阵列基板多层膜202、第一配向层203和第二配向层205，所述液晶材料204被封装在第一基板201与第二基板207之间，所述背光组件300包括LED光源301、导光组件302和背光膜材303，所述背光膜材303与所述第一基板201相连，所述LED光源301通过导光组件302与所述背光膜材303相连。所述LED光源301位于所述导光组件302下方。液晶的显示模式可以是目前常见的TN(扭曲向列)模式、IPS(面内旋转)模式、VA(垂直配向)模式等，但液晶屏组件中并不含有彩色滤光片。本实施例中，液晶的显示模式是目前常见的VA(垂直配向)模式，液晶屏组件中不含有彩色滤光片。液晶屏尺寸和分辨率选用5.5寸2560*1440分辨率，打印组件的尺寸、打印平台的尺寸与该液晶屏尺寸配套。液晶屏组件，其每个像素是由TFT驱动的，用LCD液晶显示屏作为可点控的光固化光开关，用以控制对光固化平台上的光敏树脂的曝光部位。该液晶屏不含彩色滤光片，相对于含有彩色滤光片的液晶屏，其对紫外光透射率的提升来自于两个方面。其一，常规含有彩色滤光片的液晶屏是为了显示彩色画面而设计的，其每个像素含有红绿蓝三个子像素，子像素的颜色是由彩色滤光片的色阻层滤光得来的。由于LCD-3D打印机所使用的光源通常是紫外光源，因此其红绿子像素并不能使得紫外光透过。采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有红绿子像素的概念的存在，因此据此点缘由，即可以提升光效至3倍。其二，常规含有彩色滤光片的液晶屏其蓝色子像素的峰值透光波长通常与光固化采用的紫外光峰值波长不匹配。该不匹配造成紫外光透过率的损失常在50％以上。采用不含彩色滤光片的液晶屏组件由于没有蓝色子像素的存在，因此据此点缘由，又可以提升光效至2倍以上。综合以上两方面，总体可以提升光效6倍以上。

在实际应用中，所述打印组件包括光固化材料槽101、打印平台运动结构组件102和光固化材料103。所述光固化材料一般采用光敏树脂。LED光源301发出的光经过导光组件302混光均匀，然后经过背光膜材303进一步混光并提升出光方向性和出光亮度后入射至液晶屏，对光敏树脂材料进行光固化。

在实际应用中，所述液晶屏组件包括用于液晶材料封装的周边封框胶以及用于控制液晶盒厚的隔离物。

在实际应用中，所述背光膜材303可以采用LCD背光源现有技术中的各种搭配组合方式，例如采用下扩散片+棱镜片+上扩散片的架构，也可以增加偏光式增亮膜(DBEF)提升亮度，进一步减小能耗膜。背光膜材中的偏光式增亮膜(DBEF)层可以采用现有技术中各种常见的反射型偏光片型号，也可以将其集成到LCD显示屏的下偏光片中。

在实际应用中，所述背光组件包括散热部件，所述散热部件与所述LED光源相连。

在实际应用中，所述LED光源为可以使光固化材料固化的紫外光源。包括各种封装的紫外LED，可以是顶发光LED也可以是边发光LED。优选的紫外LED光源波长为405-420nm。本实施例中选择地是波长415nm的紫外光源。

在实际应用中，所述光固化材料为光敏树脂。所述导光组件可以亚克力(PMMA)、PC、CR39等有机玻璃。

工作原理如下：由LED光源发出光固化所需要的415nm波长的光，光线发出后先经过导光组件进行融合混光均匀化，然后再经过背光膜片组进一步混光并提升出光方向性和出光亮度后入射至液晶屏。最后经液晶屏照射到待固化的光敏树脂材料上。每一层固化完成后，打印平台运动结构组件会向上抬起，光敏树脂重新添满打印平台下方，打印平台再次下降到一层的高度再次开启光源组件并打开液晶屏进行光固化，依次循环固化每一层，实现光固化3D打印。

本实用新型实施的优点：本实用新型所述的光固化3D打印系统，包括打印组件、液晶屏组件和背光组件，所述液晶屏组件包括下表面的第一基板、上表面的第二基板和液晶材料，所述第一基板和第二基板之间设有阵列基板多层膜、第一配向层和第二配向层，所述液晶材料被封装在第一基板与第二基板之间，所述背光组件包括LED光源、导光组件和背光膜材，所述背光膜材与所述第一基板相连，所述LED光源通过导光组件与所述背光膜材相连。通过采用一种不带有彩色滤光膜的薄膜晶体管驱动的液晶屏作为3D打印光固化介质的曝光开关，实现了较采用普通彩屏LCD的LCD-3D打印机6-10倍的光利用率。降低了使用的紫外光源的光功率、减少了能耗，增强了LCD-3D打印机的可靠性并延长了LCD-3D打印机的使用寿命。同时改良了现有LCD-3D打印机类投影仪的背光架构，采用近平板显示的光源，有效提升了3D打印时光的面均一性，提升了3D打印效果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本实用新型公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。