高速光固化3D打印底投影设备和方法与流程

高速光固化3d打印底投影设备和方法
技术领域
1.本技术涉及3d打印技术领域，特别是涉及一种高速光固化3d打印底投影设备和方法。


背景技术：

2.目前光固化根据光源位置可分为顶投影和底投影两种。底投影光源在下方，成型面位于树脂槽底部和构件平台中间部分，属于一种约束式成型。而对于面曝光而言，其成型过程中的热量和树脂的流动都会对成型样件质量产成不可忽视的影响，尤其是对于高速打印，包括快速剥离和连续打印方式，存在树脂槽底部成型面产生固化残渣，样件表面质量毛糙等质量问题。
3.针对以上问题，家庭打印机通过使用氟化乙烯丙烯(fluorinated ethylene propylene，fep)薄膜来防止硬化的光固化液态树脂粘附在led(light-emitting diode)屏幕上。然而，打印品的每一层都需要从fep机械移除，这会产生吸力，反过来又会导致模型与打印床分离。降低打印床的提升速度会降低吸力效果，但会显着增加打印时间。一些新技术使用气态氧在打印件和树脂槽底部之间创建死层，消除了以前的fep系统引起的抽吸问题，这加快了打印时间，但却加剧了热量积聚。气态氧实际上充当热绝缘体，聚集了热量，最终严重限制打印尺寸和速度。
4.中国西北大学的团队在使用流动的不混溶氟化油床时找到了热量积聚问题的答案，通过类似于液体特氟龙不粘液体绕过了这个问题。harp(high-area rapid printing，高速大尺寸3d打印)通过窗口投射光线固化垂直移动的成型台板上的树脂。液体聚四氟乙烯在接口上流动，除去热量，然后通过冷却单元进行循环。而液体聚四氟乙烯在接口上实现流动的同时保证两种液体不混溶的方式目前在市场上也没有见到具体实施工艺。
5.在底投影设备中，为了提高打印效率，有两种方案，一是通过减少辅助运动时间，二是实现连续打印。对于现有通过构件平台的上升和下降实现成型面和底部树脂槽上表面的分离，提高剥离速度和减小剥离距离会带来一系列问题，成型面热量来不及散开，对于打印过程中的高件而言，构件平台脱离液面后，运动的构件平台就不再对树脂产生扰动，成型区域边缘的树脂扰动就会减小，导致成型区域附件树脂基本静止，一直处于余光照射中，会逐渐发生光固化和热固化反应，从而出现固化残渣粘在成型区域边缘，一旦样件结构发生变化，与之前边缘区域上残留的固化薄片重叠，就会影响打印质量，样件表面就会变毛糙。连续打印方式中这种情况只会更加严重。


技术实现要素：

6.基于此，有必要提供一种高速光固化3d打印底投影设备和方法，旨在解决现有技术存在的成型过程中成型区域边缘的树脂发生光固化和热固化反应的问题。
7.本技术提供一种高速光固化3d打印底投影设备，包括树脂槽、曝光装置、构件平台、z轴驱动机构、控制装置、树脂循环系统和液位调整系统。其中，所述树脂槽用于盛放树
脂且底部透明，所述树脂槽的两端分别设有树脂进口和树脂出口；所述曝光装置面向所述树脂槽的透明底部照射，用于将3d构件模型中的分层图像照射树脂以获得图案固化层；曝光装置包括：dmd芯片、和光源阵列；所述构件平台用于附着经所述曝光装置照射后被固化的图案固化层，以便经由所述图案固化层积累形成3d构件；所述z轴驱动机构与所述构件平台连接，用于调整所述构件平台与所述树脂槽底部的间距以在所述树脂槽底部填充待固化的树脂；所述控制装置与所述z轴驱动机构和曝光装置均相连，用于控制所述z轴驱动机构和曝光装置打印所述3d构件；所述树脂循环系统连接所述树脂进口和所述树脂出口，且所述树脂循环系统和所述树脂槽形成循环回路使得所述树脂在所述树脂循环系统和所述树脂槽之间循环流动；所述液位调整系统用于检测所述树脂槽内的所述树脂的液面高度并能够调整所述树脂进口和所述树脂出口的流量，以使所述树脂的液面高度处于设定高度范围。
8.上述方案中通过设置树脂循环系统，使得树脂不断流动，避免处于成型区外的树脂受到较高的热量和余光光照进行热固化和光固化反应，还通过设置液位调整系统和树脂循环系统配合，防止树脂循环系统或树脂进口或树脂出口发生堵塞，能够及时发现和调整树脂循环系统的故障。
9.下面对本技术的技术方案作进一步的说明：
10.在任意实施方式中，所述树脂进口和所述树脂出口分别包括深入至所述树脂槽底端的树脂进管和树脂出管。
11.在任意实施方式中，所述树脂进管近所述树脂出管的一侧设置有第一挡片，所述第一挡片相较于所述树脂进管更贴近所述树脂槽的底面且所述第一挡片和所述底面之间存在间隙；所述树脂出管近所述树脂进管的一侧设置有第二挡片，所述第二挡片相较于所述树脂出管更贴近所述树脂槽的底面且所述第二挡片和所述底面之间存在间隙。
12.在任意实施方式中，所述液位调整系统包括液位传感器、控制单元、第一阀门和第二阀门。其中，所述液位传感器安装于所述树脂槽，用于实时检测所述树脂槽内的所述树脂的液面高度，并将所述液面高度反馈至所述控制单元；所述控制单元，用于接收所述液位传感器反馈的所述液面高度，并将所述液面高度与所述设定高度范围对比后控制所述第一阀门和/或所述第二阀门的开启程度；所述第一阀门连接于所述树脂进管，用于控制所述树脂进管的流量；所述第二阀门连接于所述树脂出管，用于控制所述树脂出管的流量。
13.本技术还提供一种高速光固化3d打印底投影方法，使用如上任一所述的高速光固化3d打印底投影设备，所述高速光固化3d打印底投影方法包括以下步骤：
14.在所述树脂槽内加入所述树脂；
15.开启树脂循环系统，使得所述树脂在所述树脂槽和所述树脂循环系统内循环流动；
16.开启液位调整系统，检测所述树脂槽内的所述树脂的所述液面高度并根据所述液面高度调整所述树脂进口和所述树脂出口的流量。
17.在任意实施方式中，所述设定高度范围至少包括上极限、下极限和补液值，其中，下极限＜补液值＜上极限。
18.在任意实施方式中，当所述液面高度小于所述下极限，所述液位调整系统关闭所述树脂出口的流量。
19.在任意实施方式中，当所述液面高度处于所述下极限和所述补液值之间，所述液位调整系统控制所述树脂进口和所述树脂出口的流量使得所述树脂进口的流量大于所述树脂出口的流量。
20.在任意实施方式中，当所述液面高度处于所述补液值和所述上极限之间，所述液位调整系统控制所述树脂进口和所述树脂出口的流量使得所述树脂进口的流量等于所述树脂出口的流量。
21.在任意实施方式中，当所述液面高度大于所述上极限，所述液位调整系统关闭所述树脂进口的流量。
附图说明
22.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施方式及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
23.为了更清楚地说明本技术实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述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技术的一些实施方式，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。
24.图1是现有技术所示的树脂槽中的树脂区域的示意图；
25.图2是本技术一实施方式所示的高速光固化3d打印底投影设备的结构示意图；
26.图3是本技术所示的树脂槽的树脂区域的示意图。
27.附图标记说明：
28.100、高速光固化3d打印底投影设备；110、树脂槽；111、树脂进口；1111、树脂进管；1112、第一挡片；112、树脂出口；1121、树脂出管；1122、第二挡片；120、树脂循环系统；130、液位调整系统；131、液位传感器；132、第一阀门；133、第二阀门；
29.a、第一成型区；b、热辐射区；c、冷树脂区；a’、第二成型区；b’、混合树脂区。
具体实施方式
30.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施方式的限制。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术；本技术的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
32.在本技术实施方式的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
33.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
35.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
38.下面结合附图，说明本技术的较佳实施方式。
39.光固化成型法(sla)是在树脂槽中盛满液态光敏树脂，树脂在紫外激光束的照射下快速固化。在计算机的控制下根据分层数据连续扫描光敏树脂表面，层层固化光敏树脂，如此反复最终成型。如图1所示，在现有技术的3d打印底投影设备中，在树脂槽内的树脂可以分为由内向外分布的第一成型区a、热辐射区b和冷树脂区c。其中，第一成型区a用于成型，处于紫外激光束的光照下热量最高。热辐射区b处于第一成型区a四周，热量低于第一成型区a，存在第一成型区a的热量传递至热辐射区b，且热辐射区b不可避免地处于紫外激光束的余光光照下，也容易热固化和光固化。冷树脂区c处于热辐射区b的四周，热量最低。
40.对于打印过程中的构件而言，构件平台脱离液面后，运动的构件平台就不再对树脂产生扰动，对热辐射区b的树脂扰动就会减小，导致热辐射区b的树脂基本静止，且一直处于余光照射中，会逐渐发生光固化和热固化反应，从而出现固化残渣粘在第一成型区a的边缘。
41.请参阅图2，为本技术一实施方式展示的一种高速光固化3d打印底投影设备100，包括树脂槽110、曝光装置、构件平台、z轴驱动机构、控制装置、树脂循环系统120和液位调整系统130。其中，树脂槽110用于盛放树脂且底部透明，树脂槽110的两端分别设有树脂进口111和树脂出口112。曝光装置面向树脂槽110的透明底部照射，用于将3d构件模型中的分层图像照射树脂以获得图案固化层；曝光装置包括：dmd芯片、和光源阵列；构件平台用于附
着经曝光装置照射后被固化的图案固化层，以便经由图案固化层积累形成3d构件；z轴驱动机构与构件平台连接，用于调整构件平台与树脂槽110底部的间距以在树脂槽110底部填充待固化的树脂；控制装置与z轴驱动机构和曝光装置均相连，用于控制z轴驱动机构和曝光装置打印3d构件；树脂循环系统120连接树脂进口111和树脂出口112，且树脂循环系统120和树脂槽110形成循环回路使得树脂在树脂循环系统120和树脂槽110之间循环流动；液位调整系统130用于检测树脂槽110内的树脂的液面高度并能够调整树脂进口111和树脂出口112的流量，以使树脂的液面高度处于设定高度范围。
42.可以理解的是，曝光装置、构件平台、z轴驱动机构、控制装置均为现有3d打印设备中技术，其可以是现有3d打印设备中任一种具体结构。
43.树脂进口111和树脂出口112分别位于树脂槽110的两端，使得从树脂入口进入树脂槽110内部的树脂需要穿过树脂槽110移动至另一端的树脂出口112才能够从树脂出口112流出。在本实施方式中，树脂进口111和树脂出口112均位于树脂槽110的边缘区域，即如图3所示的混合树脂区b’。
44.树脂循环系统120通过连接树脂进口111和树脂出口112与树脂槽110形成循环回路，使得树脂能够在循环回路中循环流动。可以理解的是，树脂循环系统120中可以包括泵和管道，其中，泵可以为树脂循环流动提供动力；管道与树脂槽110连接形成循环回路。
45.如图3所示，通过设置树脂循环系统120，能够使如图1所示的热辐射区b和冷树脂区c处于不断流动循环的状态中，使得热辐射区b和冷树脂区c均匀混合形成如图3所示的混合树脂区b’。由于混合树脂区b’的树脂不断流动，避免如热辐射区b发生热固化和光固化反应。同时，由于热辐射区b和冷树脂区c均匀混合形成混合树脂区b’，混合树脂区b’的热量会低于热辐射区b，使得如图3所示的第二成型区a’的热量能够相对第一成型区a更多地传递，使得第二成型区a’的热量可以低于第一成型区a。
46.液位调整系统130不仅能够实时检测树脂槽110内的树脂的液面高度，还能够通过调整树脂进口111和树脂出口112的流量使得树脂的液面高度处于设定高度范围内。液位调整系统130主要是为了和树脂循环系统120配合，防止树脂循环系统120或树脂进口111或树脂出口112发生堵塞，避免树脂循环系统120故障造成树脂的液面高度与3d打印所需的液面高度不适配，用于及时发现和调整树脂循环系统120的故障。
47.上述方案中通过设置树脂循环系统120，使得树脂不断流动，避免处于成型区外的树脂受到较高的热量和余光光照进行热固化和光固化反应，还通过设置液位调整系统130和树脂循环系统120配合，防止树脂循环系统120或树脂进口111或树脂出口112发生堵塞，能够及时发现和调整树脂循环系统120的故障。
48.请参阅图2，根据本技术的一些实施方式，可选地，树脂进口111和树脂出口112分别包括深入至树脂槽110底端的树脂进管1111和树脂出管1121。
49.在实施过程中可以将树脂进管1111和树脂出管1121深入树脂内部以减少在循环过程中树脂进口111和树脂出口112混入大量空气，使得3d打印过程中产生起泡等不良。
50.请参阅图2，根据本技术的一些实施方式，可选地，树脂进管1111近树脂出管1121的一侧设置有第一挡片1112，第一挡片1112相较于树脂进管1111更贴近树脂槽110的底面且第一挡片1112和底面之间存在间隙；树脂出管1121近树脂进管1111的一侧设置有第二挡片1122，第二挡片1122相较于树脂出管1121更贴近树脂槽110的底面且第二挡片1122和底
面之间存在间隙。
51.其中，第一挡片1112和第二挡片1122的作用在于减少树脂流动对成型区的影响。第一挡片1112和第二挡片1122可以是呈片状结构，也可以是套设在树脂进管1111或树脂出管1121的筒状挡圈。第一挡片1112可以尽可能近地设置于树脂进管1111的一侧，第二挡片1122可以尽可能近地设置于树脂出管1121的一侧。
52.第一挡片1112使得从树脂进管1111进入树脂槽110的树脂需要从第一挡片1112和树脂槽110的底面之间的间隙中流入树脂槽110，第二挡片1122使得从树脂出管1121流出的树脂仅能够从第二挡片1122和树脂槽110的底面之间的间隙中流向树脂出管1121，从而实现减少树脂流动对成型区的影响。
53.通过设置第一挡片1112和第二挡片1122能够减少树脂进入树脂槽110和流出树脂槽110时的流动对成型区造成的影响。
54.根据本技术的一些实施方式，可选地，液位调整系统130包括液位传感器131、控制单元、第一阀门132和第二阀门133。其中，液位传感器131安装于树脂槽110，用于实时检测树脂槽110内的树脂的液面高度，并将液面高度反馈至控制单元；控制单元，用于接收液位传感器131反馈的液面高度，并将液面高度与设定高度范围对比后控制第一阀门132和/或第二阀门133的开启程度；第一阀门132连接于树脂进管1111，用于控制树脂进管1111的流量；第二阀门133连接于树脂出管1121，用于控制树脂出管1121的流量。
55.具体地，当需要调高树脂的液面高度时，控制单元控制第一阀门132的开启程度大于第二阀门133的开启程度，即控制树脂进管1111的流量大于树脂出管1121的流量。当需要调低树脂的液面高度时，控制单元控制第一阀门132的开启程度小于第二阀门133的开启程度，即控制树脂进管1111的流量小于树脂出管1121的流量。当树脂的液面高度不需要调整时，控制单元控制第一阀门132的开启程度与第二阀门133的开启程度相当，即使得是指树脂进管1111的流量等于树脂出管1121的流量，使得树脂槽110内的树脂进出平衡。
56.本技术还提供一种高速光固化3d打印底投影方法，使用如上任一实施方式中的高速光固化3d打印底投影设备，高速光固化3d打印底投影方法包括以下步骤：
57.在树脂槽110内加入树脂；
58.开启树脂循环系统120，使得树脂在树脂槽110和树脂循环系统120内循环流动；
59.开启液位调整系统130，检测树脂槽110内的树脂的液面高度并根据树脂的液面高度调整树脂进口111和树脂出口112的流量。
60.其中，液位调整系统130对树脂槽110内的树脂的液面高度进行调整时，为了获得更准确的液面高度，液位调整系统130可以选择在树脂的液面相对静止时进行检测。在打印过程中，由于托板和样件的上升和下降，树脂槽110内的树脂的液面高度会出现上下起伏，此时对树脂的液面高度进行检测容易形成检测误差。因此，液面调整系统130可以在托板静止状态，即树脂的液面高度静止状态对其进行检测，以获得更准确的液面高度。
61.上述方案中，通过树脂循环系统120使得树脂不断流动，避免处于成型区外的树脂受到较高的热量和余光光照进行热固化和光固化反应，还通过设置液位调整系统130和树脂循环系统120配合，防止树脂循环系统120或树脂进口111或树脂出口112发生堵塞，能够及时发现和调整树脂循环系统120的故障。
62.根据本技术的一些实施方式，可选地，设定高度范围至少包括上极限、下极限和补
液值，其中，下极限＜补液值＜上极限。
63.其中，下极限、补液值和上极限可以根据3d打印过程中的实际需求设定具体数值。下极限的设定用于防止树脂槽110内的树脂被抽干；补液值可以是3d打印过程中所需的最少树脂量，当低于补液值时应当及时补液，避免3d打印过程所需的树脂量不足；上极限用于避免树脂槽110中的树脂外溢。
64.根据本技术的一些实施方式，可选地，当液面高度小于下极限，液位调整系统130关闭树脂出口112的流量。
65.在正常的树脂循环过程中，树脂进口111和树脂出口112的流量应当基本一致，实现进出平衡。当液面高度小于下极限，可能是树脂进口111发生堵塞，关闭树脂出口112的流量可以避免树脂槽110内部的树脂被抽干。
66.根据本技术的一些实施方式，可选地，当液面高度处于下极限和补液值之间，液位调整系统130控制树脂进口111和树脂出口112的流量使得树脂进口111的流量大于树脂出口112的流量。
67.当液面高度处于下极限和补液值之间，剩余的树脂并不足以支撑3d打印的树脂需求，需要树脂进口111的流量大于树脂出口112的流量以实现对树脂槽110内部的树脂进行补充，使得树脂的液面高度上升。
68.根据本技术的一些实施方式，可选地，当液面高度处于补液值和上极限之间，液位调整系统130控制树脂进口111和树脂出口112的流量使得树脂进口111的流量等于树脂出口112的流量。
69.当液面高度处于补液值和上极限之间，树脂槽110中的树脂能够适用于3d打印中的树脂需求，树脂槽110内的树脂保持正常循环即可，此时可以设定树脂进口111的流量等于树脂出口112的流量。
70.根据本技术的一些实施方式，可选地，当液面高度大于上极限，液位调整系统130关闭树脂进口111的流量。
71.当液面高度大于上极限时，树脂槽110内的树脂存在外溢风险，需要关闭树脂进口111的流量，使得树脂的液面高度下降。
72.最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施方式技术方案的范围，其均应涵盖在本技术的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施方式中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本技术并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。