CN110076989B - 基于非线性调焦多重分区曝光的3d打印装置的打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置及方法，该装置在DLP投影仪调焦光圈侧面安装步进伺服电机及行星减速机作为电动调焦***，以同步带作为传动装置控制投影仪光圈精确变焦。由控制主板控制DLP投影仪的分区域多重曝光固化。该装置利用加装高分辨率电动调焦机构实现了在曝光固化时改变光源焦点、均匀固化的目的。同时，该装置在固化时可通过非线性调焦多重分区曝光达到减小收缩、提高零件边缘强度从而提高成型质量目的。本发明主要涉及到增材制造的一种多重曝光智能3D打印机，尤其是具有可自动连续变焦及曝光的投影仪及分区多重曝光功能。
Description
技术领域
本发明属于増材制造（3D打印）技术领域，具体涉及一种基于非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置及方法。
背景技术
伴着增材技术发展，很多学者与工程师都在打印方法、打印设备、打印材料上进一步深入研究，促进了工业生产的发展。以航天航空领域应用的天线罩为例，其结构多是采用夹层结构，外层是较薄的致密表层，能够保证抗雨蚀和抗烧蚀性能，芯层具有较高的孔隙率以及低介电常数和可靠的力学性能，在有良好的力学性能和介电性能的同时，也能够实现在微波或毫米波段实现宽频带的高透波率。虽说传统的注射成型、注凝成型、压滤成型、压力成型、凝胶成型、切削加工等制造工艺已经非常的成熟，但是这些技术却无法实现这种夹层结构的制作。类似情况的有明显个性化、精细化、轻量化或复杂化要求的产品，也无法通过传统制造工艺加工出来。因此，开发新型的陶瓷成型技术成为突破产品应用瓶颈的关键。
其中FDM最成熟应用最广泛，激光选区烧结SLS与数字光固化成型DLP是在材料方面研究较多的增材技术。DLP 3D打印设备所采用的DLP投影仪由于在曝光成型过程中需要高频率地启动及关闭，而投影仪灯泡及电路需要大的电流及较高电压实现较短时间及高频率的预热工作，导致投影仪灯泡寿命短并使投影仪精度降低。而在更换灯泡不仅容易损坏DLP投影仪而且需要专业测量仪器进行调整校正。而传统下照式3D打印机由于投影仪下置，所以投影光源经过料槽底板与离型膜后会出现光强不足、焦点定位不准且只能固定在某一高度，会导致零件成型过程中出现固化不均匀等现象从而影响零件成型精度。此外，一般数字光固化成型3D打印设备在固化时只能一次整个切片图像，在固化成型大面积零件时会出现翘边，收缩明显，产品边缘固化精度不高等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置及方法，在固化时可非线性调焦多重分区曝光到减小收缩、提高零件边缘强度从而提高成型质量目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明基于非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置，包括投影仪、刮刀、储料缸、铺料驱动***固定架、X轴直线导轨、伺服电机、滚刷、打印平台、压料板、方钢框架、电动调焦的调焦电机、行星减速机、电机保持架、投影仪前支架、X轴步进电机、滚珠丝杠机构、Z轴支承板、伺服电机保持架、L型杆、光栅尺连接板、投影仪后支架、投影仪支架连接件、单丝杆螺母副连接架、光栅尺、光栅尺连接块、光栅尺读数头、读数头固定架、带槽凹型刮刀连接块以及Z轴直线导轨，所述投影仪通过紫外光将打印平台上的材料固化成型，Z轴支承板机械连接固定于方钢框架，打印平台与Z轴直线导轨机械连接，所述Z轴直线导轨与滚珠丝杠机构机械连接；
所述打印平台、Z轴直线导轨、滚珠丝杠机构构成Z轴，伺服电机保持架与伺服电机机械连接，Z轴直线导轨、伺服电机保持架安装在Z轴支承板；所述光栅尺与光栅尺连接块机械连接，所述光栅尺读数头与读数头固定架机械连接；所述X轴直线导轨固定于铺料驱动***固定架，X轴步进电机固定于铺料驱动***固定架，滚刷通过小孔与铺料驱动***固定架构成转动副，刮刀与带槽凹型刮刀连接块机械连接，所述L型杆一端与带槽凹型刮刀连接块机械连接，另一端与X轴直线导轨上的滑块机械连接；
所述X轴直线导轨、铺料驱动***固定架、X轴步进电机、刮刀、带槽凹型刮刀连接块、L型杆共同构成X轴方向的运动；所述投影仪固定于投影仪前支架，投影仪前支架与投影仪后支架通过投影仪支架连接件与两对螺栓螺母机械连接，投影仪前支架与投影仪后支架靠两个与方钢框架接触的突板与之机械连接，所述电动调焦***的调焦电机安装在行星减速机输入端，行星减速机通过电机保持架安装在投影仪后支架上，并通过同步带的传动实现对投影仪调焦光圈的控制，投影仪在曝光固化时根据切片图像面积及精度要求对切片图像进行多重分区曝光从而实现分区域固化，滚刷通过与刮刀的摩擦作用起清洗作用。
作为优选的技术方案，所述打印平台与Z轴直线导轨通过单丝杆螺母副连接架机械连接；所述Z轴直线导轨与滚珠丝杠机构通过单丝杆螺母副连接架机械连接。
作为优选的技术方案，所述伺服电机与滚珠丝杠机构通过联轴器连接，通过伺服电机的控制Z轴移动。
作为优选的技术方案，所述光栅尺与光栅尺连接块通过光栅尺连接板机械连接，光栅尺读数头与读数头固定架机械连接并通过螺纹紧固在Z轴支承板构成位置反馈***。
作为优选的技术方案，所述X轴直线导轨被配置为双X轴直线导轨，且双X轴直线导轨并列设置，所述Z轴直线导轨被配置为双Z轴直线导轨，且双Z轴直线导轨并列设置。
作为优选的技术方案，所述投影仪通过其表面的3个吊装螺纹孔与螺栓的螺纹连接固定于投影仪前支架。
作为优选的技术方案，所述调焦电机安装在与之配套的行星减速机的动力输入端，将行星减速机通过电机保持架安装在投影仪后支架靠近投影仪镜头处。
作为优选的技术方案，所述调焦电机接受控制主板命令后平稳而精确地转动，其角位移经行星减速机进一步细分后传至同步轮。
作为优选的技术方案，所述调焦光圈通过同步带与行星减速机上的同步轮相连，行星减速机接将调焦电机旋转运动进一步细分后带动调焦光圈转动，实现固化光源焦点的移动。
本发明基于非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置的打印方法，包括下述步骤：
打印时，将流动性的打印材料先储存于储料缸中，打印过程铺覆材料时，刮刀的带槽凹型刮刀连接块被L型杆由于与被同步带带动的滑块相连，被X轴步进电机拖动，自靠远离X轴进电机的位置朝着靠近X轴步进电机的方向移动将液料铺覆在打印平台上，此后，刮刀再反向经过打印平台将打印材料刮平，至此完成打印材料的铺覆及刮平，待上述刮刀返回后，电动调焦***将光源焦点下调至固化层底部，待光源焦点下降至固化层底部后投影仪投射出紫外光线固化零件边缘，在固化零件边缘同时，电动调焦***将光源焦点非线性抬升至固化层上表面，光源焦点抬升至固化层上表面后投影仪光强削弱并保持一定的光强，此后，电动调焦***将光源焦点再次下调至固化层底部，待光源焦点下调至固化层底部后投影仪光强增加，投射出强紫外光填充固化零件内部，在填充固化零件内部同时，电动调焦***将光源焦点非线性抬升至固化层上表面，此后，投影仪再次投射出强紫外光将零件边缘及内部整体曝光固化，该固化层曝光完成至下一固化层曝光开始期间，投影仪光强削弱但并不熄灭。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本发明采用步进伺服电机通过行星减速机细化步距角后微调投影仪光圈以达到自动变焦曝光、均匀固化的目的，同时本发明采用将一切片图像根据成型面积及精度要求而分区域地先后多重曝光，达到减小收缩、优化边缘并提高零件边缘硬度的目的。
（2）本发明的固化光源焦点能接受控制主板通过电动调焦***而精确移动，使成型材料在曝光固化过程中能受到固化光源焦点的均匀照射、变焦曝光从而达到在每一层厚中被均匀固化的效果；该种固化方式避免了同类DLP 3D打印设备由于投影焦点只能固定在打印材料的上表面，而在上表面以下的材料会因固化光强不足以及固化顺序的影响而无法保证在一个层厚中的材料固化质量一致的问题，本固化方式进一步提高了打印件在Z轴方向上的成型质量；
（3）本发明打印材料在单层固化过程中不同区域能被分开曝光固化、多次曝光，利用外边缘先固化，内部后固化最后整面加强固化的曝光顺序，达到提高边缘成型质量，减少翘边的有益效果。
（4）本发明DLP投影仪光源在整个曝光固化成型过程中通过调节投影仪光强，即在一固化层曝光固化结束至另一固化层曝光固化开始期间削弱并保持投影仪光强，避免投影仪灯泡因频繁开启及关闭并不断接受大电流、高电压进行预热从而提高了投影仪实用寿命、降低设备后期维护成本以及提高设备稳定性。
附图说明
图1为本发明3D打印装置的轴测图；
图2为本发明分区域连续多重曝光成型***；
图3为本发明单层分区连续多重曝光曝光固化流程图；
图4为本发明投影仪装配体轴测图；
图5为本发明投影仪装配体侧视图；
图6为本发明陶瓷密封圈轴视图；
图7为本发明分区多重曝光流程示意图；
图8为本发明自动变焦流程示图；
图9为本发明Z轴闭环控制移动***正视图。
附图标号说明：
1为投影仪，2为刮刀，3为储料缸，4为铺料驱动***固定架，5为X轴直线导轨，6为伺服电机，7为滚刷，8为打印平台，9为压料板，10为方钢框架，11为调焦电机，12为行星减速机，13为电机保持架，14为投影仪前支架，15为X轴步进电机，16为滚珠丝杠机构，17为Z轴支承板，18为伺服电机保持架，19为L型杆，20为光栅尺连接板，21为投影仪后支架，22为投影仪支架连接件，23为单丝杆螺母副连接架，24为光栅尺，25为光栅尺连接块，26为光栅尺读数头，27为读数头固定架，28为带槽凹型刮刀连接块，29为Z轴直线导轨。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明涉及一种基于分区域连续多重曝光的数字光处理3D打印装置，包括投影仪1、刮刀2、储料缸3、铺料驱动***固定架4、X轴直线导轨5、伺服电机6、滚刷7、打印平台8、压料板9、方钢框架10、调焦电机11、行星减速机12、电机保持架13、投影仪前支架14、X轴步进电机15、滚珠丝杠机构16、Z轴支承板17、伺服电机保持架18、L型杆19、光栅尺连接板20、投影仪后支架21、投影仪支架连接件22、单丝杆螺母副连接架23、光栅尺21、光栅尺连接块25、光栅尺读数头26、读数头固定架27、带槽凹型刮刀连接块28以及Z轴直线导轨29；所述X轴直线导轨5被配置为双X轴直线导轨，且双X轴直线导轨并列设置，所述Z轴直线导轨29被配置为双Z轴直线导轨，且双Z轴直线导轨并列设置。所述投影仪1通过紫外光将打印平台8上的材料固化成型，Z轴支承板17机械连接固定于方钢框架10，打印平台8与Z轴直线导轨29通过单丝杆螺母副连接架23机械连接，并列的Z轴直线导轨29与滚珠丝缸机构16通过单丝杆螺母副连接架23机械连接，打印平台8、单丝杆螺母副连接架23、Z轴直线导轨29、滚珠丝杠机构16构成Z轴运动***，伺服电机保持架18与伺服电机6机械连接， Z轴直线导轨及伺服电机保持架18通过螺旋螺母安装在Z轴支承板17（如图9所示），伺服电机6与滚珠丝杠机构16通过联轴器连接，通过伺服电机6的控制构成Z轴移动，光栅尺24与光栅尺连接块25通过光栅尺连接板20机械连接，光栅尺读数头26与读数头固定架27机械连接并通过螺纹紧固在Z轴支承板17构成位置反馈***；两并列的X轴直线导轨5固定于铺料驱动***固定架4，X轴步进电机15固定于铺料驱动***固定架14，滚刷7通过小孔于铺料驱动***固定架4构成转动副，刮刀2与带槽凹型刮刀连接块28机械连接且可以通过其间的调节弹簧调节水平度，L型杆19与带槽凹型刮刀连接块28机械连接，L型杆19与X轴直线导轨5上的滑块机械连接，并列的X轴直线导轨5、铺料驱动***固定架4、X轴步进电机15、刮刀2、带槽凹型刮刀连接块28、L型杆19共同构成X轴方向的运动机构；所述投影仪1通过其表面的3个吊装螺纹孔与螺栓的螺纹连接固定于投影仪前支架14，投影仪前支架14与投影仪后支架21通过投影仪支架连接件22与两对螺栓螺母机械连接（如图4所示），投影仪前支架14与投影仪后支架21靠两个与方钢框架10接触的突板与之机械连接，配有电动调焦***电动投影仪装配体与Z轴移动机构组成非线性调焦多重分区曝光***（如图2所示），储料缸3靠两个与方钢框架10接触的突板与之机械连接，实现电动调焦的调焦电机11机械连接在行星减速机12的动力输入端，行星减速机12通过电机保持架13安装在投影仪后支架上21，并通过同步带的传动实现对投影仪1调焦光圈的控制（如图5所示）。
所述调焦电机采用具有高定位精度及高静止扭矩的步进伺服电机通过电机保持架安装在行星减速机的动力输入端，行星减速机通过电机保持架机械安装在靠近DLP投影仪调焦光圈一侧，调焦光圈通过同步带及同步轮装置与行星减速机输出端相连，步进伺服电机在接受控制主板的脉冲信后可平稳而精确地转动，其角位移经由行星减速机进一步细分后传至投影仪调焦光圈，从而到达控制主板在曝光固化时自动微调焦距的目的。
所述DLP投影仪在曝光固化成型材料时，根据切片图像面积及精度要求，在曝光固化时，将切片图像不同区域按顺序固化，其非线性多重分区曝光流程固化流程如图3，即通过对每一切片多重分区曝光的方式避免成型材料在曝光时由于大成型面积而出现收缩明显，翘边严重等问题。
所述DLP投影仪在曝光固化成型材料时，通过调节投影仪光强，即在曝光固化材料时增强投影仪光强，而当一固化层曝光固化结束至另一固化层曝光固化开始期间削弱并保持投影仪光强，避免投影仪灯泡因频繁开启及关闭并不断接受大电流、高电压进行预热从而达到提高投影仪实用寿命、降低设备后期维护成本以及提高设备稳定性的目的。
打印前，可以先采用solidworks，UG等CAD软件按照使用要求设计出数字化模型，保存为STL后缀的文件，将上述文件导入到CreationWorkShop等切片软件后进行多重曝光固化顺序、切片层厚、打印速度、平台安全高度、刮刀速度等参数设置，紧接着进行切片处理。切片后生成的打印代码即可与打印机控制主板相连进行打印。
进一步地，打印时，以树脂等为载体包含固体粉末形成具有一定流动性的打印材料，打印前先储存于储料缸3中，打印过程铺覆材料时，刮刀2的带槽凹型刮刀连接块28被L型杆19由于与被同步带带动的滑块相连，被X轴步进电机15拖动，自靠远离X轴进电机的位置朝着靠近X轴步进电机的方向移动将液料铺覆在打印平台上，此后，刮刀再反向经过打印平台将打印材料刮平，至此完成打印材料的铺覆及刮平，待上述刮刀返回后，投影仪1根据切片软件的图像数据进行分区域先后曝光打印平台上的打印材料。
以一陶瓷密封圈（如图4所示）打印成型过程为例。其内外边缘由于装配需要，对精度要求较高，不能接受翘边及收缩严重等缺陷，其分区多重曝光过程如图5所示。具体地，在曝光固化每一图像区域时，具有高定位精度及高静止扭矩的步进伺服电机在接受控制主板的脉冲信后平稳而精确地转动，其角位移经步进减速机进一步细分后通过同步带及同步轮装置与投影仪调焦光圈相连，电动调焦***接受控制主板脉冲信号后带动调焦光圈转动，实现固化光源焦点的移动。以曝光固化上述陶瓷密封圈中某一层为例，在固化一层打印材料时，其分区域多重曝光固化流程如图3所示，其多重分区曝光固化顺序如图7所示，在图7中，最左边的为原始图，依次进行曝光固化边缘、曝光填充内部以及整体加强曝光的处理；其固化光源焦点在Z轴方向上位移与时间关系如图8所示，图8中左部分为成型零单层切片示意图，右部分为光源焦点高度与曝光时间示意图。待一层打印材料固化完成后，在Z轴上，与打印平台8机械连接的Z轴运动***通过伺服电机6的闭环控制实现打印平台的下移，为下一层打印材料的铺覆提供空间，至此一个打印层厚的周期完成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于非线性调焦多重分区曝光的数字光处理3D打印装置的打印方法，其特征在于，装置包括投影仪（1）、刮刀（2）、储料缸（3）、铺料驱动***固定架（4）、X轴直线导轨（5）、伺服电机（6）、滚刷（7）、打印平台（8）、压料板（9)、方钢框架（10）、电动调焦的调焦电机（11）、行星减速机（12）、电机保持架（13）、投影仪前支架（14）、X轴步进电机（15）、滚珠丝杠机构（16）、Z轴支承板（17）、伺服电机保持架（18）、L型杆（19）、光栅尺连接板（20）、投影仪后支架（21）、投影仪支架连接件（22）、单丝杆螺母副连接架（23）、光栅尺（24）、光栅尺连接块（25）、光栅尺读数头（26）、读数头固定架（27）、带槽凹型刮刀连接块（28）以及Z轴直线导轨（29），所述投影仪（1）通过紫外光将打印平台（8）上的材料固化成型，Z轴支承板（17）机械连接固定于方钢框架（10），打印平台（8）与X轴直线导轨（5）机械连接，所述Z轴直线导轨（29）与滚珠丝杠机构（16）机械连接；
所述打印平台（8）、Z轴直线导轨（29）、滚珠丝杠机构（16）构成Z轴，伺服电机保持架（18）与伺服电机（6）机械连接，Z轴直线导轨（29）、伺服电机保持架（18）安装在Z轴支承板（17）；所述光栅尺（24）与光栅尺连接块（25）机械连接，所述光栅尺读数头（26）与读数头固定架（27）机械连接；所述X轴直线导轨（5）固定于铺料驱动***固定架（4），X轴步进电机（15）固定于铺料驱动***固定架（4），滚刷（7）通过小孔与铺料驱动***固定架（4）构成转动副，刮刀（2）与带槽凹型刮刀连接块（28）机械连接，所述L型杆（19）一端与带槽凹型刮刀连接块（28）机械连接，另一端与X轴直线导轨（5）上的滑块机械连接；
所述X轴直线导轨（5）、铺料驱动***固定架（4）、X轴步进电机（15）、刮刀（2）、带槽凹型刮刀连接块（28）、L型杆（19）共同构成X轴方向的运动；所述投影仪（1）固定于投影仪前支架（14），投影仪前支架（14）与投影仪后支架（21）通过投影仪支架连接件（22）与两对螺栓螺母机械连接，投影仪前支架（14）与投影仪后支架（21）靠两个与方钢框架（10）接触的突板与之机械连接，所述调焦电机（11）安装在行星减速机（12）输入端，行星减速机（12）通过电机保持架（13）安装在投影仪后支架（21）上，并通过同步带的传动实现对投影仪（1）调焦光圈的控制，投影仪（1）在曝光固化时根据切片图像面积及精度要求对切片图像进行多重分区曝光从而实现分区域固化，滚刷（7）通过与刮刀（2）的摩擦作用起清洗作用；
所述打印方法包括下述步骤：
打印时，将流动性的打印材料先储存于储料缸（3）中，打印过程铺覆材料时，刮刀（2）的带槽凹型刮刀连接块（28）被L型杆（19）由于与被同步带带动的滑块相连，被X轴步进电机（15）拖动，自靠远离X轴进电机的位置朝着靠近X轴步进电机的方向移动将液料铺覆在打印平台上，此后，刮刀再反向经过打印平台将打印材料刮平，至此完成打印材料的铺覆及刮平，待上述刮刀返回后，电动调焦***将光源焦点下调至固化层底部，待光源焦点下降至固化层底部后投影仪（1）投射出紫外光线固化零件边缘，在固化零件边缘同时，电动调焦***将光源焦点非线性抬升至固化层上表面，光源焦点抬升至固化层上表面后投影仪(1)光强削弱并保持一定的光强，此后，电动调焦***将光源焦点再次下调至固化层底部，待光源焦点下调至固化层底部后投影仪（1）光强增加，投射出强紫外光填充固化零件内部，在填充固化零件内部同时，电动调焦***将光源焦点非线性抬升至固化层上表面，此后，投影仪（1）再次投射出强紫外光将零件边缘及内部整体曝光固化，该固化层曝光完成至下一固化层曝光开始期间，投影仪（1）光强削弱但并不熄灭。
2.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述打印平台（8）与Z轴直线导轨（29）通过单丝杆螺母副连接架（23）机械连接；所述Z轴直线导轨（29）与滚珠丝杠机构（16）通过单丝杆螺母副连接架（23）机械连接。
3.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述伺服电机（6）与滚珠丝杠机构（16）通过联轴器连接，通过伺服电机（6）的控制Z轴移动。
4.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述光栅尺（24）与光栅尺连接块（25）通过光栅尺连接板（20）机械连接，光栅尺读数头（26）与读数头固定架（27）机械连接并通过螺纹紧固在Z轴支承板（17）构成位置反馈***。
5.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述X轴直线导轨（5）被配置为双X轴直线导轨，且双X轴直线导轨并列设置，所述Z轴直线导轨（29）被配置为双Z轴直线导轨，且双Z轴直线导轨并列设置。
6.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述投影仪（1）通过其表面的3个吊装螺纹孔与螺栓的螺纹连接固定于投影仪前支架（14）。
7.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述调焦电机（11）安装在与之配套的行星减速机（12）的动力输入端，将行星减速机（12）通过电机保持架（13）安装在投影仪后支架靠近投影仪镜头处。
8.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述调焦电机（11）接受控制主板命令后平稳而精确地转动，其角位移经行星减速机进一步细分后传至同步轮。
9.根据权利要求1所述的打印方法，其特征在于，所述调焦光圈通过同步带与行星减速机上的同步轮相连，行星减速机接将调焦电机旋转运动进一步细分后带动调焦光圈转动，实现固化光源焦点的移动。
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