CN105690750A - 光固化型3d打印装置及其升降台控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光固化型3D打印装置，包括盛液槽和升降台。盛液槽用于盛放用于成型工件的液体光固化树脂，该盛液槽底部具有一接触层。在升降台中，第一驱动机构驱动本体做升降运动；升降载板与接触层相对，用于承载成型工件，升降载板一端枢设于本体上，升降载板的另一端为自由端；第二驱动机构设于本体上且具有一升降部件，升降部件连接升降载板的另一端并可驱动该另一端单独上升或下降，使升降载板呈倾斜状态；拉力传感器设于升降部件上以检测升降部件对该另一端施加的拉力；控制器控制第一驱动机构和第二驱动机构的动作，并根据升降部件对该另一端施加的拉力与一个或多个阈值范围的关系控制第二驱动机构驱动升降载板的上升速度。

Description

光固化型3D打印装置及其升降台控制方法

技术领域

本发明涉及三维(3D)打印装置，尤其是涉及一种光固化型3D打印装置及其升降台控制方法。

背景技术

3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型***，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

目前3D打印技术的成型方式仍在不断演变，所使用的材料也多种多样。在各种成型方式中，光固化法是较为成熟的方式。光固化法是利用光固化树脂(通常为树脂)被紫外激光照射后发生固化的原理，进行材料累加成型，具有成型精度高、表面光洁度好、材料利用率高等特点。

图1示出光固化型3D打印装置的基本结构。这一3D打印装置100包括用于容纳光固化树脂的盛液槽110、用于使光固化树脂固化的光学***120、以及用于连接成型工件的升降台130。光学***120位于盛液槽110下方，并可照射光束图案使盛液槽110底面的一层光固化树脂被固化，固化后的光固化树脂将粘结在升降台130的底面。每次光学***120照射光束图案致使一层光固化树脂固化后，升降台130都会略微上升以提拉成型的那层光固化树脂，并允许仍为液态的光固化树脂流入到盛液槽110的底部接触层和已固化树脂之间等待下一次照射。如此循环，将会得到逐层累加成型的三维工件。

在升降台130提升的过程中，已固化树脂之会离开盛液槽110底面，这需要克服很大的阻力。该阻力有两部分组成，一个是已固化树脂和接触层之间的粘合力，另一个是因为已固化树脂与盛液槽110底面的接触层之间没有空气间隙，已固化树脂被大气压力压在接触层上。在强大的阻力下，升降台130提升时可能会无法将已固化树脂一起提升，而是将部分固化的树脂留在盛液槽110底面，导致成型工件出现缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化型3D打印装置，其能够更容易将已固化的光固化树脂一起提升而不破坏已固化树脂结构。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种光固化型3D打印装置，包括盛液槽和升降台。盛液槽用于盛放用于成型工件的液体光固化树脂，该盛液槽底部具有一接触层。升降台包括本体、第一驱动机构、升降载板、第二驱动机构、拉力传感器和控制器。第一驱动机构驱动该本体做升降运动。该升降载板与该接触层相对，用于承载成型工件，该升降载板一端枢设于该本体上，该升降载板的另一端为自由端。第二驱动机构设于该本体上，该第二驱动机构具有一升降部件，该升降部件连接该升降载板的另一端并可驱动该升降载板的该另一端单独上升或下降，使该升降载板呈倾斜状态。拉力传感器设于该升降部件上以检测该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力。控制器控制该第一驱动机构和该第二驱动机构的动作，并根据该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力与一个或多个阈值范围的关系控制该第二驱动机构驱动该升降载板的上升速度。

在本发明的一实施例中，在该升降台提拉已固化的光固化树脂时，该控制器先指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升一第一距离，使该升降载板带动该已固化的光固化树脂倾斜上拉以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，并在该已固化的光固化树脂与该接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的间隙，且该控制器在该另一端上升的过程中或者完全上升之后指令该第一驱动机构驱动该本体上升一第二距离，使该已固化的光固化树脂完全离开该接触层。

在本发明的一实施例中，该控制器然后指令该第一驱动机构驱动该本体下降一第三距离，使该升降载板的该一端与该接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙，且该控制器在该本体下降的过程中或者完全下降之后指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端下降该第一距离，使该升降载板保持水平。

在本发明的一实施例中，当该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力落入各阈值范围时，该控制器指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端以与各阈值范围对应的速度上升，其中各阈值范围对应的速度不同。

在本发明的一实施例中，该接触层为柔性材料。

在本发明的一实施例中，该接触层为不粘材料。

本发明还提出一种光固化型3D打印装置的升降台控制方法，包括在该升降台提拉已固化的光固化树脂时的以下步骤：

指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升一第一距离，使该升降载板带动该已固化的光固化树脂倾斜上拉以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，并在该已固化的光固化树脂与该接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的间隙；

在该另一端上升的过程中或者完全上升之后指令该第一驱动机构驱动该本体上升一第二距离，使该已固化的光固化树脂完全离开该接触层。

在本发明的一实施例中，上述方法还包括：指令该第一驱动机构驱动该本体下降一第三距离，使该升降载板的该一端与该接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙；在该本体下降的过程中或者完全下降之后指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端下降一第一距离，使该升降载板保持水平。

在本发明的一实施例中，在指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升该第一距离的过程中，当该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力落入各阈值范围时，指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端以与各阈值范围对应的速度上升，其中各阈值范围对应的速度不同。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过对升降载板的提拉过程进行精细的控制，尤其是通过倾斜地提拉，使光固化树脂层与接触层之间的接触面积逐渐下降，随着接触面积的逐渐下降，二者之间的粘附力逐渐下降。因此相比直接水平地提拉升降载板的方式，本发明可以大大降低提拉过程中已固化树脂光固化树脂所受的拉力，从而大大降低其被破坏的风险。其次，本发明通过拉力传感器的拉力检测和速度控制，可以在拉力太大(此时光固化树脂层所受的压力也变大)时，通过降低提拉速度来避免剧烈的提拉，从而降低光固化树脂层被破坏的风险。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出光固化型3D打印装置的基本结构。

图2A示出本发明一实施例的光固化型3D打印装置的升降台示意图。

图2B示出图2A所示升降台的侧视图。

图3示出图2A所示升降台处于倾斜拉升状态的示意图。

图4示出图2A所示升降台倾斜拉升后完全离开盛液槽底面的示意图。

图5示出图2A所示升降台下降至下一次曝光位置的示意图。

图6示出图2A所示载板恢复至水平位置的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例将描述一种光固化型3D打印装置的升降台控制方法，能够更容易将已固化树脂一起提升而不破坏这层树脂。

本发明实施例的光固化型3D打印装置仍可参照图1，其包括盛液槽、光学***和升降台。盛液槽用于盛放用于成型工件的液体光固化树脂，该盛液槽底部具有一接触层。

本发明实施例的特点在于，根据不同提升阶段对升降台的升降控制方式进行针对性控制，以尽可能降低破坏已固化树脂的概率。

图2A示出本发明一实施例的光固化型3D打印装置的升降台示意图。图2B示出图2A所示升降台的侧视图。参考图2A和2B并结合图1所示所示，本实施例的光固化型3D打印装置中，升降台200包括本体201、第一驱动机构202、升降载板203、第二驱动机构204、拉力传感器205以及图未示出的控制器。

第一驱动机构202驱动本体201做升降运动。

升降载板203的一端203a枢设于本体201上，具体地说是本体的一个支撑板201a上。升降载板203的另一端203b为自由端。端203b可绕着端203a转动。升降载板203通常会浸入盛液槽的液体光固化树脂中。并且升降载板203与位于盛液槽底部的接触层。升降载板203用于承载成型工件。具体地说，当光固化树脂固化时，会粘附在升降载板203的下表面。当升降载板203上升时，可带动固化的光固化树脂上升。这样，逐渐在升降载板203下方累积起固化的光固化树脂。最终，这些固化的光固化树脂成为成型工件。

第二驱动机构204设于本体201。第二驱动机构204具有升降部件204a和驱动该升降部件204a上升和下降的电机204b。升降部件204a连接升降载板203的端203b。当第二驱动机构204动作时，可通过升降部件204a单独驱动升降载板203的端203b上升或下降。在这一过程中，升降载板203的端203a保持固定，结果是端203b绕着端203a转动。这样，在端203b上升或下降时，升降载板203会呈不同倾斜状态。

在一实施例中，第二驱动机构204的电机204b是通过偏心轮204c来驱动升降部件204a升降和下降的。

拉力传感器205设于升降部件204a上以检测升降部件对升降载板的端203b施加的拉力。这一拉力将作为升降部件204a的提升速度的依据，后文将展开描述。

控制器会控制第一驱动机构202和第二驱动机构204的动作。这一控制过程是根据预设的流程来实现的，描述如下：

首先是第一次固化过程。在初始状态，升降载板203保持为水平；第一驱动机构202会驱动升降台的本体201下移，升降载板203也随之下移；当升降载板203与盛液槽底部的接触层之间的第一间隙d小到一阈值时，停止下移。这样，升降载板203与盛液槽底部的接触层之间的间隙d会保留一些液体光固化树脂，如图2A所示。此时进行第一次曝光固化，在前述的间隙形成固化的光固化树脂层。

接下来的提拉过程是本实施例的一个特点。在升降台200提拉被固化的光固化树脂时，第二驱动机构204驱动升降载板203的端203b上升第一距离，使升降载板203带动该被固化的光固化树脂倾斜上拉，以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，并在该已固化的光固化树脂与其下方的接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的第二间隙，如图3所示；在升降载板203的端203b上升的过程中，第一驱动机构202可以驱动本体201上升一第二距离，使该已固化的光固化树脂完全离开盛液槽底部的接触层，如图4所示。在这一过程中，升降载板203的端203b的上升和本体201的上升可以是交替进行或者同时进行。例如，升降载板203的端203b先微微上升，接着本体201微微上升。此后，只要升降载板203的端203b的拉力在允许范围，就可以让端203b和本体201同时上升。如果端203b的拉力超过允许范围，则可以让端203b先上升，本体201暂停上升。通过这两个上升动作的配合，最后达到完全提拉升降载板203。由于在完全提拉升降载板203之前，先以倾斜方式提拉升降载板203一小段距离，所形成的第二间隙可以让液体光固化树脂进入，这样固化的光固化树脂层与接触层之间的接触面积逐渐下降。随着接触面积的逐渐下降，二者之间的粘附力逐渐下降。因此相比直接水平地提拉升降载板203的方式，本实施例的方式可以大大降低提拉过程中光固化树脂层所受的拉力，从而大大降低其被破坏的风险。

作为替代，本发明的实施例也可以让在升降载板203的端203b上升完成后，再让本体201上升。

接下来是第二次固化过程。此时升降载板203下表面的光固化树脂已经离开盛液槽底部的接触层，且处于倾斜状态。因此需要令升降载板203的下降过程与前述的提拉过程相反。控制器先指令第一驱动机构202驱动本体201下降一第三距离，使升降载板203的端203a与盛液槽底部的接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙d，如图5所示。在本体201下降的过程中，控制器指令第二驱动机构204驱动升降载板203的端203b下降第一距离，使升降载板203保持水平。这样，升降载板203之下最低处的光固化树脂与前述接触层之间的间隙，恰好会容纳进行一次曝光的液体光固化树脂，如图6所示。此时进行第二次曝光固化，在前述的间隙形成固化的光固化树脂层。

作为替代，如果不追求下降的速度，本发明的实施例也可以让在本体201下降完成后，再让升降载板203的端203a下降。

在前述的提拉过程中，控制器还会根据升降部件204a对升降载板203的该端203b施加的拉力与一个或多个阈值范围的关系控制第二驱动机构204驱动升降载板的上升速度。具体地说，当升降部件204a对升降载板203的端203b施加的拉力在第一阈值范围时，控制器指令第二驱动机构204驱动升降载板的端2043b以对应第一阈值范围的第一速度上升；当升降部件204a对升降载板203的端203b施加的拉力在第二阈值范围时，控制器指令第二驱动机构204驱动升降载板203的端203b以对应第二阈值范围的第二速度上升；当升降部件204a对升降载板203的端203b施加的拉力在第三阈值范围时，控制器指令第二驱动机构204驱动升降载板203的端203b以对应第三阈值范围的第三速度上升，以此类推。各个阈值范围不同，且对应的速度也不同。例如，第三速度小于第二速度小于第一速度。这样，当拉力太大(此时光固化树脂层所受的压力也变大)时，可通过降低提拉速度来避免剧烈的提拉，从而降低光固化树脂层被破坏的风险。不过需注意的是，无论速度是提升还是降低，提拉过程可以始终在继续。

如此反复提拉、下降，一层一层地固化光固化树脂，最终累积形成所希望形状的工件。

在本发明的实施例中，盛液槽底部的接触层最好为柔性材料，以更好地配合提拉，降低在提拉过程中光固化树脂层与接触层之间的粘附力，方便剥离。此外，接触层较佳为不粘材料，也可降低这种粘附力。

概括来说，本发明实施例的光固化型3D打印装置的升降台控制方法，包括在该升降台提拉已被固化的光固化树脂时的以下步骤：

指令第二驱动机构驱动升降载板的该另一端上升一第一距离，使升降载板带动已固化的光固化树脂倾斜上拉以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，并在该光固化树脂与接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的间隙；

在该另一端上升的过程中或者完全上升之后，指令该第一驱动机构驱动该本体上升一第二距离，使该层光固化树脂完全离开该接触层。

上述方法还包括在该升降台让升降载板下降的以下步骤：

指令该第一驱动机构驱动该本体下降一第三距离，使该升降载板的该一端与该接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙；

在该本体下降的过程中或者完全下降之后，指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端下降一第一距离，使该升降载板保持水平。

在上述过程中第一提升机构202和第二提升机构204可同时运动。

在上述方法中，在指令第二驱动机构驱动升降载板的另一端上升一第一距离的过程中，当升降部件对升降载板的另一端施加的拉力小于第一阈值时，指令第二驱动机构驱动升降载板的另一端以第一速度上升，当升降部件对升降载板的另一端施加的拉力大于或等于第一阈值时，指令第二驱动机构驱动升降载板的另一端以第二速度上升，该第二速度小于该第一速度。

因此，本发明的上述实施例首先通过对升降载板的提拉过程进行精细的控制，尤其是通过倾斜地提拉，降低了光固化树脂层被破坏的风险。其次，通过拉力传感器的拉力检测和速度控制，也可降低光固化树脂层被破坏的风险。再者，通过将盛液槽底部的接触层设置为柔性材料和/或不粘材料，进一步降低光固化树脂层被破坏的风险。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种光固化型3D打印装置，包括：

盛液槽，用于盛放用于成型工件的液体光固化树脂，该盛液槽底部具有一接触层；

升降台，包括：

本体；

第一驱动机构，驱动该本体做升降运动；

升降载板，该升降载板与该接触层相对，用于承载成型工件，该升降载板一端枢设于该本体上，该升降载板的另一端为自由端；

第二驱动机构，设于该本体上，该第二驱动机构具有一升降部件，该升降部件连接该升降载板的另一端，并可驱动该升降载板的该另一端单独上升或下降，使该升降载板呈倾斜状态；

拉力传感器，设于该升降部件上以检测该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力；

控制器，控制该第一驱动机构和该第二驱动机构的动作，并根据该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力与一个或多个阈值范围的关系控制该第二驱动机构驱动该升降载板的上升速度。

2.如权利要求1所述的光固化型3D打印装置的升降台，其特征在于，在该升降台提拉已固化的光固化树脂时，该控制器先指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升一第一距离，使该升降载板带动该已固化的光固化树脂倾斜上拉以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，在该已固化的光固化树脂与该接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的间隙，且该控制器在该另一端上升的过程中或者完全上升之后指令该第一驱动机构驱动该本体上升一第二距离，使该已固化的光固化树脂完全离开该接触层。

3.如权利要求2所述的光固化型3D打印装置的升降台，其特征在于，该控制器然后指令该第一驱动机构驱动该本体下降一第三距离，使该升降载板的该一端与该接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙，且该控制器在该本体下降的过程中或者完全下降之后指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端下降该第一距离，使该升降载板保持水平。

4.如权利要求2所述的光固化型3D打印装置的升降台，其特征在于，当该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力落入各阈值范围时，该控制器指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端以与各阈值范围对应的速度上升，其中各阈值范围对应的速度不同。

5.如权利要求1所述的光固化型3D打印装置的升降台，其特征在于，该接触层为柔性材料。

6.如权利要求1或5所述的光固化型3D打印装置的升降台，其特征在于，该接触层为不粘材料。

7.一种如权利要求1所述的光固化型3D打印装置的升降台控制方法，包括在该升降台提拉已固化的光固化树脂时的以下步骤：

指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升一第一距离，使该升降载板带动该已固化的光固化树脂倾斜上拉以剥离该已固化的光固化树脂和该接触层，并在该已固化的光固化树脂与该接触层之间形成允许液体光固化树脂进入的间隙；

在该另一端上升的过程中或者完全上升之后指令该第一驱动机构驱动该本体上升一第二距离，使已固化的光固化树脂完全离开该接触层。

8.如权利要求7所述的方法，还包括：

指令该第一驱动机构驱动该本体下降一第三距离，使该升降载板的该一端与该接触层之间形成适于曝光一层光固化树脂的间隙；

在该本体下降的过程中或者完全下降之后指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端下降该第一距离，使该升降载板保持水平。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在指令该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端上升一第一距离的过程中，当该升降部件对该升降载板的该另一端施加的拉力落入各阈值范围时，该第二驱动机构驱动该升降载板的该另一端以与各阈值范围对应的速度上升，其中各阈值范围对应的速度不同。