CN105216320B - 一种双光路投影曝光3d打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光路投影曝光3D打印装置及方法，装置包括计算机、大面积投影曝光装置、精密投影曝光装置、成形装置以及用于转换曝光模式和调整精密投影曝光装置位置的高精度位移平台。大面积投影曝光装置包括紫外光源、动态掩模板、放大投影镜头、反射镜；精密投影曝光装置包括紫外光源、动态掩模板、缩小投影镜头；成形装置包括光敏溶液槽、零件成形托板和带动零件成形托板运动的垂直运动工作台，光敏溶液槽内有光敏溶液，零件成形托板处于光敏溶液中。本发明还提供了一种双光路光投影3D打印方法。本发明可根据零件不同部位对精度要求的不同，采用相应的投影曝光装置对其进行加工，在保证零件制作速度的同时提高零件细微结构的制作精度。

Description

一种双光路投影曝光3D打印装置及方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印装置及方法，具体涉及一种双光路投影曝光3D打印装置及方法。

背景技术

目前，光固化3D打印技术是通过光源对液态光敏材料的选择性照射实现液态光敏材料的选择性固化，然后逐层叠加，形成具有一定机械特性的零件。光源扫描方式主要以逐层点扫描成形为主，有学者研究逐排扫描和面投影曝光成形，通过增加单次成形面积来增加成形速度，理论上这种方法能够提高效率。但目前的投影曝光成形装置主要存在以下问题：①一般投影曝光3D打印装置制作细微结构时，有效掩模部分只占动态掩模板的很小一部分，无法充分利用动态掩模板的像素，导致制件细微结构精度低，若以增加动态掩模板分辨率的方法提高制件细微结构的制作精度则会大大增加成形装置成的本；②拼接式投影曝光3D打印装置把单层掩模图形进行划分成若干个矩形区域，并逐个对这些区域进行曝光固化，该方法可提高动态掩模板像素的利用率，进而提高制件制作精度，但是该方法具有耗时长，效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供了一种双光路投影曝光3D打印装置及方法，该装置及方法可在制作单层零件时先利用大面积投影曝光装置制作零件中精度要求较低的部分后利用精密投影曝光装置制作零件中精度要求较高的部分，最后逐层叠加完成零件的制作，在提高零件细微结构制作精度的同时保证了零件的制作效率。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

作为本发明的一种实施方式，提供了一种双光路投影曝光3D打印装置，装置包括计算机、以及与所述计算机相连的高精度位移平台、大面积投影曝光装置、精密投影曝光装置和成形装置；

所述大面积投影装置至少包括1#紫外光源、与1#紫外光源出射光束呈倾斜设置的1#动态掩模板、与1#动态掩模板反射光束面平行设置的放大投影镜头，以及与放大投影镜头透光面呈角度设置的反射镜；

所述精密投影曝光装置至少包括2#紫外光源、与2#紫外光源出射光束呈倾斜设置的2#动态掩模板，以及与2#动态掩模板反射光束面平行设置的缩小投影镜头；

所述成形装置包括光敏溶液槽、置于光敏溶液槽中的零件成形托板，以及与所述零件成形托板相连的垂直运动工作台；

1#紫外光源发出的紫外光经1#动态掩模板的反射，放大投影镜头的透射以及反射镜的反射后照射到光敏溶液槽中的零件成形托板工作面上，进行大面积投影曝光制作；2#紫外光源发出的紫外光经2#动态掩模板的反射以及缩小投影镜头的透射后照射到光敏溶液槽中的零件成形托板工作面上，进行精密投影曝光制作，从而实现双光路投影曝光3D打印。

优选地，所述1#紫外光源、2#紫外光源为波长为315～400nm的紫外光源，1#紫外光源、2#紫外光源、1#动态掩模板、2#动态掩模板和高精度位移平台分别与计算机相连。

优选地，所述精密投影曝光装置设在高精度位移平台上，能够在高精度位移平台上做二维运动。

优选地，所述反射镜设在高精度位移平台上，能够在高精度位移平台上做转换曝光模式的直线运动。

优选地，所述零件成形托板和垂直运动工作台相连，零件成形托板能够随垂直运动工作台做垂直运动。

优选地，所述光敏溶液槽内填充有光敏溶液，零件成形托板处于光敏溶液中。

相应地，本发明还提供了一种双光路投影曝光3D打印方法，包括以下步骤：

1)获取零件的三维模型，利用Magics软件，根据零件不同区域对加工精度要求的不同将零件划分为大面积加工部分和精密加工部分，并得到每个精密加工部分在整体零件中的相对位置；

2)分别对零件的大面积加工部分和精密加工部分进行切层处理，得到大面积加工部分和精密加工部分的掩模图形；

3)对精密加工部分的掩模图形进行放大处理，使其放大倍数与精密投影曝光装置缩小投影镜头的缩小倍数耦合，最终使该部分掩模图形经过精密投影曝光装置后投影在光敏液体表面的尺寸与该部分零件的尺寸一致；

4)计算机控制反射镜在高精度位移平台移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入大面积投影曝光模式；1#动态掩模板形成与当前层零件大面积加工部分形状相同的影像，1#紫外光源发出紫外光经1#动态掩模板影像反射、放大投影镜头透射以及反射镜反射后在光敏液体表面形成掩模，使光敏液体选择性固化，完成当前层零件大面积加工部分的制作；同时计算机控制反射镜在高精度位移平台移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入精密投影曝光模式；

5)计算机控制精密投影曝光装置在高精度位移平台移动，使精密投影曝光装置移动到制作当前精密加工部分的位置，2#动态掩模板形成与当前精密加工部分形状相同的影像，2#紫外光源发出紫外光经2#动态掩模板的影像部分反射以及缩小投影镜头的透射后在光敏液体表面形成掩模，使光敏液体选择性固化，完成当前精密加工部分的制作；

6)重复步骤5)，直至完成该层中所有精密加工部分的制作，同时零件成形托板向上移动一个层厚；

7)重复步骤4)、5)、6)，直至完成该零件的制作。

优选地，所述各层零件成形所用时间为0.5～120s。

优选地，各层零件的厚度为0.01～0.2mm。

优选地，所述1#动态掩模板和2#动态掩模板的像素大小范围为0.005～0.05mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的双光路投影曝光3D打印装置及方法在制作零件时，首先对零件的三维模型进行分离和分层处理，分别得到每层结构中大面积加工部分和精密加工部分的掩模图形以及每个精密加工部分掩模图形在该层结构中的相对位置；其次利用大面积投影曝光装置制作零件单层结构中精度要求较低的部分；再次利用精密投影曝光装置制作零件单层结构中精度要求较高的部分；最后逐层叠加完成零件的制作。该方法在制作零件细微结构时充分利用了动态掩模板的像素，在提高了零件细微结构制作精度的同时保证了零件的制作效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的大面积曝光模式结构示意图。

图2是本发明的精密光模式结构示意图。

其中，1为1#紫外光源；2为1#动态掩模板；3为放大投影镜头；4为反射镜；5为2#紫外光源；6为2#动态掩模板；7为缩小投影镜头；8为光敏溶液槽；9为零件成形托板；10为垂直运动工作台；11为高精度位移平台。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参考图1及图2，本发明所述的双光路投影曝光3D打印装置，包括计算机、与所述计算机相连的高精度位移平台11、大面积投影曝光装置、精密投影曝光装置和成形装置。其中：

大面积投影装置，包括1#紫外光源1、与1#紫外光源1出射光束呈倾斜设置的1#动态掩模板2、与1#动态掩模板2反射光束面平行设置的放大投影镜头3，以及与放大投影镜头3透光面呈角度设置的反射镜4；1#动态掩模板2将1#紫外光源1出射光束反射至放大投影镜头3，经放大投影镜头3透光后，透射光束经反射镜4反射后至成形装置。

1#紫外光源1与计算机相连，以实现光源的开闭；1#动态掩模板2与计算机相连，实现掩模图形的加载。反射镜4设在高精度位移平台11上，并可在高精度位移平台11上做直线运动，以实现曝光模式的转换。

精密投影曝光装置，包括2#紫外光源5、与2#紫外光源5出射光束呈倾斜设置的2#动态掩模板6，以及与2#动态掩模板6反射光束面平行设置的缩小投影镜头7；2#动态掩模板6将2#紫外光源5出射光束反射至缩小投影镜头7，经缩小投影镜头7透光后，透射光束至成形装置。

2#号紫外光源5与计算机相连，以实现光源的开闭；2#动态掩模板6与计算机相连，实现掩模图形的加载。精密投影曝光装置设在高精度位移平台11上，能够在高精度位移平台11上做二维运动。

成形装置，包括光敏溶液槽8、置于光敏溶液槽8中的零件成形托板9，以及与零件成形托板9相连的垂直运动工作台10；光敏溶液槽8内填充有光敏溶液，零件成形托板9处于光敏溶液中。零件成形托板9和垂直运动工作台10相连，零件成形托板9随垂直运动工作台10能够做垂直运动。

当大面积投影曝光装置工作时，1#紫外光源1发出的紫外光经1#动态掩模板2的反射，放大投影镜头3的透射以及反射镜4的反射后照射到光敏溶液槽8中的零件成形托板9工作面上；当精密投影曝光装置工作时，2#紫外光源5发出的紫外光经2#动态掩模板6的反射以及缩小投影镜头7的透射后照射到光敏溶液槽8中的零件成形托板9工作面上，从而实现双光路投影曝光3D打印。

本发明的双光路投影曝光3D打印方法包括以下步骤：

1)获取零件的三维模型，利用Magics软件，根据零件不同区域对加工精度要求的不同将零件划分为大面积加工部分和精密加工部分并得到每个精密加工部分在整体零件中的相对位置；

2)分别对零件的大面积加工部分和精密加工部分进行切层处理，得到大面积加工部分和精密加工部分的掩模图形；

3)对精密加工部分的掩模图形进行放大处理，使其放大倍数与精密投影曝光装置缩小投影镜头的缩小倍数耦合，最终使该部分掩模图形经过精密投影曝光装置后投影在光敏液体表面的尺寸与该部分零件的尺寸一致；

4)计算机控制反射镜4在高精度位移平台11移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入如图1所示的大面积投影曝光模式工位，1#动态掩模板2形成与当前层零件大面积加工部分形状相同的影像，1#紫外光源1发出紫外光经1#动态掩模板2的影像部分反射，放大投影镜头3的透射以及反射镜4的反射后在光敏液体表面形成掩模，实现对光敏液体的选择性固化，完成当前层零件大面积加工部分的制作，同时计算机控制反射镜4在高精度位移平台11移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入精如图2所示的密投影曝光模式工位；

5)计算机控制精密投影曝光装置高精度位移平台11移动，使精密投影曝光装置移动到制作当前精密加工部分的位置，2#动态掩模板6形成与当前精密加工部分形状相同的影像，2#紫外光源5发出紫外光经2#动态掩模板6的影像部分反射以及缩小投影镜头7的透射后在光敏液体表面形成掩模，实现对光敏液体的选择性固化，完成当前精密加工部分的制作；

6)重复步骤5)，直至完成该层中所有精密加工部分的制作，同时零件成形托板9向上移动一个层厚；

7)重复步骤4)、5)、6)，直至完成该零件的制作。

其中，各层零件成形所用时间为0.5～120s。各层零件的厚度为0.01～0.2mm。

动态掩模板的像素大小范围为0.005～0.05mm。

为实现大面积投影曝光模式和精密投影曝光模式的转换以及精密曝光装置准确运动到工作位置，反射镜4和精密投影曝光装置可分别在高精度位移平台11上独立做二维运动。

本装置中，大面积投影曝光装置和精密投影曝光装置并不局限于所述结构，使用紫外光源波长为315～400nm波段的光源或其他机械结构也可实现上述要求。

该装置在制作零件细微结构时充分利用了动态掩模板的像素，在提高了零件细微结构制作精度的同时保证了零件的制作效率。

Claims (9)

1.一种双光路投影曝光3D打印装置，其特征在于，包括计算机、以及与所述计算机相连的高精度位移平台(11)、大面积投影曝光装置、精密投影曝光装置和成形装置；

所述大面积投影装置至少包括1#紫外光源(1)、与1#紫外光源(1)出射光束呈倾斜设置的1#动态掩模板(2)、与1#动态掩模板(2)反射光束面平行设置的放大投影镜头(3)，以及与放大投影镜头(3)透光面呈角度设置的反射镜(4)；

所述精密投影曝光装置至少包括2#紫外光源(5)、与2#紫外光源(5)出射光束呈倾斜设置的2#动态掩模板(6)，以及与2#动态掩模板(6)反射光束面平行设置的缩小投影镜头(7)；

所述精密投影曝光装置设在高精度位移平台(11)上，能够在高精度位移平台(11)上做二维运动；

所述成形装置包括光敏溶液槽(8)、置于光敏溶液槽(8)中的零件成形托板(9)，以及与所述零件成形托板(9)相连的垂直运动工作台(10)；

1#紫外光源(1)发出的紫外光经1#动态掩模板(2)的反射，放大投影镜头(3)的透射以及反射镜(4)的反射后照射到光敏溶液槽(8)中的零件成形托板(9)工作面上，进行大面积投影曝光制作；2#紫外光源(5)发出的紫外光经2#动态掩模板(6)的反射以及缩小投影镜头(7)的透射后照射到光敏溶液槽(8)中的零件成形托板(9)工作面上，进行精密投影曝光制作，从而实现双光路投影曝光3D打印。

2.根据权利要求1所述的双光路投影曝光3D打印装置，其特征在于，所述1#紫外光源(1)、2#紫外光源(5)为波长为315～400nm的紫外光源，1#紫外光源(1)、2#紫外光源(5)、1#动态掩模板(2)、2#动态掩模板(6)和高精度位移平台(11)分别与计算机相连。

3.根据权利要求1所述的双光路投影曝光3D打印装置，其特征在于，所述反射镜(4)设在高精度位移平台(11)上，能够在高精度位移平台(11)上做转换曝光模式的直线运动。

4.根据权利要求1所述的双光路投影曝光3D打印装置，其特征在于，所述零件成形托板(9)和垂直运动工作台(10)相连，零件成形托板(9)能够随垂直运动工作台(10)做垂直运动。

5.根据权利要求1所述的双光路投影曝光3D打印装置，其特征在于，所述光敏溶液槽(8)内填充有光敏溶液，零件成形托板(9)处于光敏溶液中。

6.一种双光路投影曝光3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取零件的三维模型，利用Magics软件，根据零件不同区域对加工精度要求的不同将零件划分为大面积加工部分和精密加工部分，并得到每个精密加工部分在整体零件中的相对位置；

2)分别对零件的大面积加工部分和精密加工部分进行切层处理，得到大面积加工部分和精密加工部分的掩模图形；

3)对精密加工部分的掩模图形进行放大处理，使其放大倍数与精密投影曝光装置缩小投影镜头(7)的缩小倍数耦合，最终使该部分掩模图形经过精密投影曝光装置后投影在光敏液体表面的尺寸与该部分零件的尺寸一致；

4)计算机控制反射镜(4)在高精度位移平台(11)移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入大面积投影曝光模式；1#动态掩模板(2)形成与当前层零件大面积加工部分形状相同的影像，1#紫外光源(1)发出紫外光经1#动态掩模板(2)影像反射、放大投影镜头(3)透射以及反射镜(4)反射后在光敏液体表面形成掩模，使光敏液体选择性固化，完成当前层零件大面积加工部分的制作；同时计算机控制反射镜(4)在高精度位移平台(11)移动，使双光路投影曝光3D打印装置进入精密投影曝光模式；

5)计算机控制精密投影曝光装置在高精度位移平台(11)移动，使精密投影曝光装置移动到制作当前精密加工部分的位置，2#动态掩模板(6)形成与当前精密加工部分形状相同的影像，2#紫外光源(5)发出紫外光经2#动态掩模板(6)的影像部分反射以及缩小投影镜头(7)的透射后在光敏液体表面形成掩模，使光敏液体选择性固化，完成当前精密加工部分的制作；

6)重复步骤5)，直至完成该层中所有精密加工部分的制作，同时零件成形托板(9)向上移动一个层厚；

7)重复步骤4)、5)、6)，直至完成该零件的制作。

7.根据权利要求6所述的双光路投影曝光3D打印方法，其特征在于，所述各层零件成形所用时间为0.5～120s。

8.根据权利要求6所述的双光路投影曝光3D打印方法，其特征在于，各层零件的厚度为0.01～0.2mm。

9.根据权利要求6所述的双光路投影曝光3D打印方法，其特征在于，所述1#动态掩模板(2)和2#动态掩模板(6)的像素大小范围为0.005～0.05mm。