一种光固化系统及其光固化方法与流程

本发明属于光固化技术领域，尤其是涉及一种光固化系统及其光固化方法。

背景技术：

近年来随着技术的进步，做实验也多用于自动化，排除人工误差，做到可重复性高，这样实验数据才做到有效和可信度高，因此提高精度和高重复精度是必不可少的，尤其是在测试水凝胶成型性能的实验中。

现如今，光敏水凝胶光固化实验的操作存在以下问题：一、水凝胶光固化实验需要控制曝光时间、曝光距离以及孔位的对准，而曝光时间的控制、曝光距离和孔位的对准都是由实验员人工操作完成，人工因素过多，造成过大的实验误差，不能做到有效的变量控制，且大批量的操作费时费力，实验人员长期操作很容易出现操作失误，从而使得实验数据的可信度极大降低。二、现有的平台可实现桌面运动平台，但仍不能满足通过指定路径、指定时间间隔的光路系统完成上述实验。三、由于使用了紫外光源的照射，而紫外光对人体的伤害很大，容易造成真皮细胞的损伤，控制急性损伤转变为慢性损伤，引发长久性难以治愈的日晒斑、皱纹、加速衰老。因此在提高自动化减少人工误差的同时还需要保障实验人员的健康状况，避免造成不必要的风险。

技术实现要素：

为了解决以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种光固化系统及其光固化方法，该系统能够有效解决光敏水凝胶在固化过程的问题。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种光固化系统，包括三维移动装置、光路系统和上位机控制系统，所述三维移动装置和光路系统通过上位机控制系统进行控制；所述三维移动装置包括多个电机模组、灯支撑件和固定平台，所述多个电机模组为第一电机模组、第二电机模组、第三电机模组和第四电机模组，所述第一电机模组和第二电机模组平行设置在三维坐标的z轴方向，所述第三电机模组水平设置在三维坐标的x轴方向、其两端滑动设置在第一电机模组和第二电机模组上，所述第四电机模组设置在第一电机模组和第二电机模组之间的底面于三维坐标的y轴方向；所述固定平台滑动设置在第四电机模组的上表面；所述灯支撑件滑动设置在第三电机模组的正端面，所述灯支撑件内放置有正对固定平台的光源，所述光源与光路系统进行电连接。

进一步的，每个电机模组包括电机、模组安装座、两个电机座、滑块、丝杆和两根导杆，两个电机座分别固定在模组安装座的两端，其中一个电机座的外端面通过螺丝固定有电机，所述滑块上设有两个导杆孔和一个丝杆孔，所述两个电机座的中心设有电机座通孔，所述两个电机座相对的端面上设有与两根导杆相配合的安装孔，两根导杆穿入导杆孔内其两端卡设在电机座上的安装孔内，所述丝杆穿入丝杆孔内其两端与电机座通孔为过盈配合，所述丝杆的一端通过联轴器与电机进行连接，所述丝杆与丝杆孔之间为螺纹配合。

进一步的，每个电机模组靠近电机侧的电机座上通过螺丝固定有限位开关，所述上位机控制系统设有三轴回零机制。

进一步的，所述固定平台的上表面设有多个放置注射器的凹槽，所述固定平台通过铜柱螺钉与盖板进行固定连接。

进一步的，所述第一电机模组和第二电机模组通过模组安装座由螺丝紧固在束线箱上，所述第三电机模组通过模组安装座由螺丝紧固在第一电机模组和第二电机模组的滑块上，所述第四电机模组通过模组安装座由螺丝紧固在钢板底板上，所述灯支撑件固定在第三电机模组的滑块上。

进一步的，所述光路系统包括开关电源、转压模块、1路光耦隔离继电器驱动模块，所述1路光耦隔离继电器驱动模块与上位机控制系统控制的控制主板进行连接。

使用本发明所述的装置进行光固化的方法，包括以下步骤：

（1）将水凝胶注入经过处理过的注射器中；

（2）将注射器置于固定平台的凹槽中，盖上盖板固定各个注射器，打开设备电源以及上位机控制系统，通过串口的模式调整好预先设定的串口号和波特率，实现上位机控制系统与三维移动装置的通信连接；

（3）整个装置回到原点，然后将z轴滑块向下移动，使得光源与盖板间距为2cm，利用上位机控制系统设定光路系统的参数，控制自定义光照路径，设定曝光时间；

（4）通过三维移动装置控制光源对准注射器，自动依次完成整个光源照射过程。

有益效果：本发明提供了一种光固化系统，该系统将上位机控制系统与三维移动装置、光路系统能够完美融合，整个光固化实验所需的可调高度和可调曝光时间的要求都可以在该套装置上完成，解决了多批量操作产生人工误差的问题；该系统避免了实验人员与紫外光源密切接触，降低了紫外光对人体的伤害；同时经该系统制备的光固化水凝胶具有更高的抗压强度。该系统自动化程度高、设备操作简单、便于实现，因此该系统具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

图2是本发明所述电机模组的结构示意图。

图3是本发明的工作原理示意图。

图4是本发明实施例2固化后水凝胶检测曲线图。

图中：1、电机模组；2、灯支撑件；3、固定平台；11、第一电机模组；12、第二电机模组；13、第三电机模组；14、第四电机模组；4、光源；101、电机；102、模组安装座；103、电机座；104、滑块；105、丝杆；106、导杆；107、安装孔；108、限位开关；5、铜柱螺钉；6、盖板；7、束线箱；8、钢板底板。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

一种光固化系统，如图1所示，包括三维移动装置、光路系统和上位机控制系统，所述三维移动装置和光路系统通过上位机控制系统进行控制；所述三维移动装置包括多个电机模组1、灯支撑件2和固定平台3，所述多个电机模组为第一电机模组11、第二电机模组12、第三电机模组13和第四电机模组14，所述第一电机模组11和第二电机模组12平行设置在三维坐标的z轴方向，所述第三电机模组13水平设置在三维坐标的x轴方向、其两端滑动设置在第一电机模组11和第二电机模组12上，所述第四电机模组14设置在第一电机模组11和第二电机模组12之间的底面于三维坐标的y轴方向；所述固定平台3滑动设置在第四电机模组14的上表面；所述灯支撑件2滑动设置在第三电机模组13的正端面，所述灯支撑件2内放置有正对固定平台的光源4，所述光源4与光路系统进行电连接。

每个电机模组包括电机101、模组安装座102、两个电机座103、滑块104、丝杆105和两根导杆106，两个电机座103分别固定在模组安装座102的两端，其中一个电机座103的外端面通过螺丝固定有电机101，所述滑块104上设有两个导杆孔和一个丝杆孔，所述两个电机座103的中心设有电机座通孔，所述两个电机座103相对的端面上设有与两根导杆106相配合的安装孔107，两根导杆106穿入导杆孔内其两端卡设在电机座103上的安装孔107内，所述丝杆105穿入丝杆孔内其两端与电机座通孔为过盈配合，所述丝杆105的一端通过联轴器与电机101进行连接，所述丝杆105与丝杆孔之间为螺纹配合。其中所用的电机为步进电机，步进电机的步距值不受各种干扰因素的影响，如电压的大小、电流的数值、波形、温度的变化；步进电机误差不会长期累积，从而可以提高运动的精度；步进电机的控制性能好，具有优秀的启停和反转响应，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会出现丢步的现象。丝杆导程为8mm，保证运动的分辨率，电机驱动器细分调整为16细分，以保证运动的分辨率足够小；导轨的高负荷、高刚度、高精度化可以很好地将滑块在位移时的振动降到最低，同时具有良好的导向作用，导杆直径为5mm，模组安装座102可以对导杆106起到支撑的作用，能够保证滑块104在控制系统的驱动下在导杆106上滑动；提高精度，能够精确定位到每个固定位置；运动平稳性得到保证，可以显著提高运动的平稳性，降低整个平台的振动，同时也能起到降噪的效果。

如图2所示，每个电机模组靠近电机侧的电机座上通过螺丝固定有限位开关108，用于实现定位控制和终端限位保护，一旦电机运动到零位时，限位开关开启，停止其运动，这样能够保证机构不会接着运动，出现机构损坏的可能；所述上位机控制系统设有三轴回零机制，可以起到了每次机器运转之前对位置的校核，提高运动的精确性，减小整个机械系统的重复误差。

所述固定平台3的上表面设有多个放置注射器的凹槽，所述固定平台3通过铜柱螺钉5与盖板6进行固定连接，本发明用到的盖板涂有吸光材料，能够很大程度的吸收来自紫外激光光源的光束，能够有效减少散射出来的紫外光波及周围注射器中的水凝胶，防止其吸收光束对后续的水凝胶固化造成不可测的影响，同时固定平台对每个注射器的摆放间隔也是恒定30mm，从而确保每个单位接受曝光强度一定，从而继续后续实验。

所述第一电机模组11和第二电机模组12通过模组安装座由螺丝紧固在束线箱7上，所述第三电机模组13通过模组安装座由螺丝紧固在第一电机模组11和第二电机模组12的滑块上，所述第四电机模组14通过模组安装座由螺丝紧固在钢板底板8上，所述灯支撑件2固定在第三电机模组13的滑块上；其中灯支撑件上竖直设有直径为16mm、高度为45mm的孔，通过过度配合将光源装配上，采用过度配合是为了光源的可拆卸性。不同的水凝胶固化所需的光的波长不同，因此光源的种类也会不同，所有采用过度配合便于光源的更换。

所述光路系统包括开关电源、转压模块、1路光耦隔离继电器驱动模块，所述1路光耦隔离继电器驱动模块与上位机控制系统控制的控制主板进行连接。

使用本发明所述的装置进行光固化的方法，包括以下步骤：

（1）将水凝胶注入经过处理过的注射器中；

（2）将注射器置于固定平台的凹槽中，盖上盖板固定各个注射器，打开设备电源以及上位机控制系统，通过串口的模式调整好预先设定的串口号和波特率，实现上位机控制系统与三维移动装置的通信连接；

（3）整个装置回到原点，然后将z轴滑块向下移动，使得光源与盖板间距为2cm，利用上位机控制系统设定光路系统的参数，控制自定义光照路径，设定曝光时间；

（4）通过三维移动装置控制光源对准注射器，自动依次完成整个光源照射过程。

本发明所述装置的工作原理如图3所示：

上位机控制系统在人机交互时，得到实验人员的指令，通过通信将指令代码发送给控制主板，控制主板控制三维移动装置进行运动，按照预定的速度位移到指定的孔位，然后控制主板下达光路系统的通断信号，当三维移动装置到达移动位置时候，光路立即开启，完成对注射器中的水凝胶照射，当完成指定曝光时间后，光路关闭，三维移动装置运动到下一个位置，以此反复，可以大批量进行光固化试验，当固化结束后将注射器中的固化水凝胶取出即可。

实施例2

以水凝胶gelma（甲基丙烯酸酐化水凝胶）的光固化为例详细说明本发明所述装置的使用方法：

首先，将配置好的水凝胶放置在加工后的注射器中，这种注射器只需要普通2ml的普通注射器切去注射头部即可，然后将注射器放置在固定平台的凹槽中，等放置结束后，将盖板盖上，保证注射器在运动的过程中不会因机械的振动而倾倒，盖板与固定平台之间通过铜柱螺钉固定；

然后，打开设备电源以及上位机控制系统，通过串口的模式调整好预先设定的串口号和波特率，实现上位机控制系统与三维移动装置的通信连接，为了校核在实现水凝胶照射固化实验之前可以先让整个装置回到原点，这时的限位开关起到了保护机构的作用，防止机器干涉而损坏。回零完毕后，将z轴滑块往下移动，使得光源与盖板2cm，从而增大光强以及缩小由于紫外激光灯散射的影响，最后自动完成水凝胶的固化过程。

该实施例使用的光源电路中的光源是405nm紫外激光产生装置，电压保持在3.7v，电流控制在1a，功率在3.7w左右，比一般实验室用到的200mw功率的紫外光源功率要大很多，可以很好地保证光照强度，增快水凝胶固化速度，并且聚光度很高，在短距离内不会发生散射现象，同时不会破坏水凝胶内的成分，保证水凝胶的生物兼容性不会在照射前后发生明显差异，只是单纯地从水凝胶变成固态。

光源与盖板之间的距离调整以及后续的自动化照射完全通过上位机控制系统一键完成，其中光源与盖板每个孔位的对准也是预先设置好的，无需在实验时调整。

由于水凝胶大部分是温敏材料，即温度降低，发生冷凝，升高即融化，因此为了保证良好的照射效果，保持在室温20度左右进行，可以很好地保证紫外激光的穿透性，同时也会提高整体固化效果，固化的均匀性。

多组实验可以一次性全部测完，其中曝光时间以及距光源距离这两个关键因素都可以自由调控，由于使用机械调控的方式，每次实验的重复性可以得到保障，避免人工操作的误差。使用本装置进行的水凝胶固化实验能够比人工实验的数据精确度更好，数据更有说服力。此外，本发明整个水凝胶光固化方法，易于操作整个实验的两个关键变量，可以及时修改其中两个变量中的任何一个。

图4为本实施例固化的水凝胶压缩曲线，由图中实验数据的曲线性可知，经该系统固化后的水凝胶拥有良好的抗压强度，没有出现随着压缩量的增大而压力值骤减的趋势，这也说明用该系统可以使得水凝胶固化的比人工更加均匀。

综上所述，本发明实用性很强，对于光敏材料的光固化实验均可使用该系统进行完成，能够大大减小实验的人力，更能避免来自人工操作的实验误差，操作简单快捷，大大降低生产成本，拥有极大的市场前景。