CN108943696A - 用于检测3d打印中间层光固化树脂表面质量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其包括：控制器及与控制器连接的激光检测器、分束器、激光源、电流计扫描仪，该分束器设置于激光检测器与电流计扫描仪之间，且该激光检测器、分束器、电流计扫描仪同轴定位分布；所述激光源置于该分束器下方，且该分束器与激光源之间设置有至少一个扩束器，该分束器与激光源及扩束器同轴定位分布；所述电流计扫描仪置于液体或固态光固化树脂上方。本发明通过成像分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，实现检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的目的，以此来提升树脂产品后续研发中的质量问题，保证三维打印实体的质量。

Description

用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置
技术领域：
本发明涉及3D打印技术领域，特指一种用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置。
背景技术：
SLA为"Stereo lithography Appearance"的缩写，即立体光固化成型法。 SLA原理：用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂作为原料，其工艺过程是：首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计激光扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使液态光敏树脂特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后升降台下降一定距离，固化层上覆盖另一层液态光敏树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层一层叠加而成三维工件原型。将模型取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。
SLA成型方法成型速度快，自动化程度高，可成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
现有技术中，SLA成型设备在打印三维实体的过程中，无法检测树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层等现象，导致打印出来的三维实体存在质量缺陷。特别是分层，分层是一种致命的缺陷影响产品质量，一旦发生分层，再下一层扫描过程中,可能脱层，由于分层是失败在顶层及其降低相邻层之间的粘结,导致三维实体质量极差。
有鉴于此，本发明人提出以下技术方案。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述技术方案：该用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置包括：控制器及与控制器连接的激光检测器、分束器、激光源、电流计扫描仪，该分束器设置于激光检测器与电流计扫描仪之间，且该激光检测器、分束器、电流计扫描仪同轴定位分布；所述激光源置于该分束器下方，且该分束器与激光源之间设置有至少一个扩束器，该分束器与激光源及扩束器同轴定位分布；所述电流计扫描仪置于液体或固态光固化树脂上方。
进一步而言，上述技术方案中，所述激光源产生的激光束通过扩束器扩大直径后射向分束器，经过分束器后的激光束分成两部分，一部分激光束射向激光检测器，另一部分激光束射向电流计扫描仪，并由该电流计扫描仪将射入的激光束反射或折射至液体或固态光固化树脂表面，液体或固态光固化树脂表面会反射光至电流计扫描仪及激光检测器，该激光检测器和/或电流计扫描仪将检测到的激光反射光信号传送至控制器，并由控制器分析处理成像，以此分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，最终确认光固化树脂的固化情况。
进一步而言，上述技术方案中，所述激光检测器前方设置有偏振镜，该偏振镜与激光检测器、分束器、电流计扫描仪同轴定位分布。
进一步而言，上述技术方案中，成像的图像中出现黑环，当激光束聚焦于该黑环中部位置时，该区域的亮度高，激光检测器和/或电流计扫描仪检测到的激光反射光信号强，当激光束聚焦于该黑环外缘斜坡时，激光检测器和/或电流计扫描仪检测到的激光反射光信号弱，该区域的亮度低，以此判断黑环为空隙或空洞，并通过图像处理测量出空隙或空洞的大小。
进一步而言，上述技术方案中，成像的图像出现顶层横断面形状与底层横断面形状对不上或不层叠，则判定为分层或错位层。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明工作时，所述激光源产生的激光束通过扩束器扩大直径后射向分束器，经过分束器后的激光束分成两部分，一部分激光束射向激光检测器，另一部分激光束射向电流计扫描仪，并由该电流计扫描仪将射入的激光束反射或折射至液体或固态光固化树脂表面，液体或固态光固化树脂表面会反射光至电流计扫描仪及激光检测器，该激光检测器和/或电流计扫描仪将检测到的激光反射光信号传送至控制器，并由控制器分析处理成像，以此分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，最终确认光固化树脂的固化情况，实现检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的目的，以此来提升树脂产品后续研发中的质量问题，保证三维打印实体的质量，令本发明具有极强的市场竞争力。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是校准图案；
图3是打印顶层或中间层出现空隙或空洞的示意图；
图4是打印顶层或中间层出现分层或错位层的示意图；
图5是本发明的图像校准图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
见图1所示，为一种用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：其包括：控制器及与控制器连接的激光检测器1、分束器2、激光源3、电流计扫描仪4，该分束器2设置于激光检测器1与电流计扫描仪4之间，且该激光检测器1、分束器2、电流计扫描仪4同轴定位分布；所述激光源3置于该分束器2下方，且该分束器2与激光源3之间设置有至少一个扩束器5，该分束器2与激光源3及扩束器5同轴定位分布；所述电流计扫描仪4置于液体或固态光固化树脂6上方。本发明工作原理为：所述激光源3产生的激光束通过扩束器5扩大直径后射向分束器2，经过分束器2后的激光束分成两部分，一部分激光束射向激光检测器1，另一部分激光束射向电流计扫描仪4，并由该电流计扫描仪4将射入的激光束反射或折射至液体或固态光固化树脂6表面，液体或固态光固化树脂6表面会反射光至电流计扫描仪4及激光检测器1，该激光检测器 1和/或电流计扫描仪4将检测到的激光反射光信号传送至控制器，并由控制器分析处理成像，以此分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，最终确认光固化树脂的固化情况，实现检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的目的，以此来提升树脂产品后续研发中的质量问题，保证三维打印实体的质量，令本发明具有极强的市场竞争力。
所述激光检测器1前方设置有偏振镜11，该偏振镜11与激光检测器1、分束器2、电流计扫描仪4同轴定位分布，通过增设偏振镜11可以去除噪音。具体而言，如果激光束垂直于射在光固化树脂表面，激光检测器读取非常高,即使液体光固化树脂的表面。这是因为液体光固化树脂表面比固化后的光固化树脂表面镜面粗糙，导致反射时可能会有些噪音。为了避免这种情况,使用偏振镜设置于激光检测器1前方。漫射光从平台的设备可以是另一个源的噪音,它可以被故意散焦。这可以通过扩大这两个数值孔径(NA)的激光束和激光检测器的视野,通过该平台的焦点来去除。
激光检测器可以度量激光焦点的亮度。如果激光焦点是在表面液体光固化树脂部分,激光检测器读取高。如果焦点是在固体光固化树脂面上,激光检测器读取低。通过在整个扫描区域的两大表面树脂，可以利用反射光的强度构造一个适当的强度对映射到二维直角坐标系度量尺度。
当激光束聚焦在光固化树脂顶部表面固化部分,现场看起来很明亮。相反, 当激光焦点是光固化树脂顶部表面的液体树脂,看起来比较暗。通常,在凝固的部分的平均灰度值大于170，而在液体树脂灰度值小于60。
在拟议的***中,一次扫描过程在一个对象被终止,得到一个强度图对两个电流计镜子的角度,θx和θy。这可以通过电流计扫描仪校准,这是一个识别任务之间的功能关系两个电流计镜子角度和二维直角坐标,如下所示：
Xt和Yt代表直角坐标定位表面固化过程，图显示了标定校准所使用的目标任务。目标模式的圆形斑点等于垂直和水平10毫米的间距。图像校准目标θxθy 坐标和在xt和Yt，可以看到圆形斑点的阵列形式直线xt和Yt方向与弯曲和倾斜的θxθy坐标系。参见图5所示，其中，(a)为扫描图片，(b)为校准图片。
图像的校准：
由于3D打印机的打印一般出现的图案只有矩形，三角形及椭圆。所以下面也只要分析这3种。
结合图2所示，以观察到的图案为上面3种情况时，就认定其为没有缺陷且表面平整，以此为校准标准。
在3D打印过程中，一般会遇到中间层有缺陷的时候，会表现为以下2个主要的方面。
(1)、在打印顶层或中间层出现空洞。
结合图3所示，成像的图像中出现黑环，当激光束聚焦于该黑环中部位置时，该区域的亮度高，激光检测器1和/或电流计扫描仪4检测到的激光反射光信号强，当激光束聚焦于该黑环外缘斜坡(倾斜角为α)时，激光检测器1和/ 或电流计扫描仪4检测到的激光反射光信号弱，该区域的亮度低，以此判断黑环为空隙或空洞，并通过图像处理测量出空隙或空洞的大小。
(2)分层和错位层
分层是一种致命的缺陷影响产品质量。一旦发生分层，再下一层扫描过程中, 可能脱层。由于分层是失败在顶层及其降低相邻层之间的粘结,很难观察表面扫描的顶面。因此,它需要一些混乱的顶面监测分层。具体而言，成像的图像出现顶层横断面形状与底层横断面形状对不上或不层叠，则判定为分层或错位层。如图4所示，显示了图像的矩形部分明显有一个混乱的层。在图4中,顶层、脱层看起来更清晰。最上面一层是水平垂直脱离4.3毫米和4.5毫米。
综上所述，本发明工作时，所述激光源3产生的激光束通过扩束器5扩大直径后射向分束器2，经过分束器2后的激光束分成两部分，一部分激光束射向激光检测器1，另一部分激光束射向电流计扫描仪4，并由该电流计扫描仪4将射入的激光束反射或折射至液体或固态光固化树脂6表面，液体或固态光固化树脂6表面会反射光至电流计扫描仪4及激光检测器1，该激光检测器1和/或电流计扫描仪4将检测到的激光反射光信号传送至控制器，并由控制器分析处理成像，以此分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，最终确认光固化树脂的固化情况，实现检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的目的，以此来提升树脂产品后续研发中的质量问题，保证三维打印实体的质量，令本发明具有极强的市场竞争力。
当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

1.用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：其包括：控制器及与控制器连接的激光检测器(1)、分束器(2)、激光源(3)、电流计扫描仪(4)，该分束器(2)设置于激光检测器(1)与电流计扫描仪(4)之间，且该激光检测器(1)、分束器(2)、电流计扫描仪(4)同轴定位分布；所述激光源(3)置于该分束器(2)下方，且该分束器(2)与激光源(3)之间设置有至少一个扩束器(5)，该分束器(2)与激光源(3)及扩束器(5)同轴定位分布；所述电流计扫描仪(4)置于液体或固态光固化树脂(6)上方。
2.根据权利要求1所述的用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：所述激光源(3)产生的激光束通过扩束器(5)扩大直径后射向分束器(2)，经过分束器(2)后的激光束分成两部分，一部分激光束射向激光检测器(1)，另一部分激光束射向电流计扫描仪(4)，并由该电流计扫描仪(4)将射入的激光束反射或折射至液体或固态光固化树脂(6)表面，液体或固态光固化树脂(6)表面会反射光至电流计扫描仪(4)及激光检测器(1)，该激光检测器(1)和/或电流计扫描仪(4)将检测到的激光反射光信号传送至控制器，并由控制器分析处理成像，以此分析光固化树脂层的表面固化情况，以确定光固化树脂层间有没有空隙或空洞、分层、错位层现象，最终确认光固化树脂的固化情况。
3.根据权利要求1所述的用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：所述激光检测器(1)前方设置有偏振镜(11)，该偏振镜(11)与激光检测器(1)、分束器(2)、电流计扫描仪(4)同轴定位分布。
4.根据权利要求2所述的用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：成像的图像中出现黑环，当激光束聚焦于该黑环中部位置时，该区域的亮度高，激光检测器(1)和/或电流计扫描仪(4)检测到的激光反射光信号强，当激光束聚焦于该黑环外缘斜坡时，激光检测器(1)和/或电流计扫描仪(4)检测到的激光反射光信号弱，该区域的亮度低，以此判断黑环为空隙或空洞，并通过图像处理测量出空隙或空洞的大小。
5.根据权利要求2所述的用于检测3D打印中间层光固化树脂表面质量的装置，其特征在于：成像的图像出现顶层横断面形状与底层横断面形状对不上或不层叠，则判定为分层或错位层。
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