CN110978502A - 一种快速光固化3d打印的装置和方法 - Google Patents

一种快速光固化3d打印的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种快速光固化3D打印的方法和装置，通过结合待打印的3D模型的高度、打印子层横截面积及打印设备显示器的显示面积，确定打印过程中的打印比例值，结合打印比例值，变更打印过程中的曝光时间、对打印机的抬升高度及抬升速度，从而缩短了3D打印机打印每层打印子层的时间，而缩短了待打印的3D模型整体的打印时间。通过本发明，对打印参数进行统一设置，避免了因人为差异性产生的打印参数差异导致的打印耗时不一致，同时通过打印参数的统一设定，避免因参数设置出错导致的模型整体打印失败。

Description

一种快速光固化3D打印的装置和方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，更具体地说，涉及一种快速光固化3D打印的装置和方法。
背景技术
光固化3D打印机技术，要求在开始打印前，需要将3D模型文件进行打印子层，并设置相关打印参数，如曝光时间、层厚、抬升高度、抬升速度等。一般参数都是在打印子层软件上进行设置。
正常打印，使用者需要设置的参数较多。不管是新手还是经验丰富的人员，设置的参数都不能使光固化3D打印机的运行达到最优状态，即设置的参数不是最优参数。从而不能实现在快速打印的同时，提高模型的打印精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种快速光固化3D打印的装置和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种快速光固化3D打印的方法，包括步骤：
获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L；
确定待打印的3D模型的打印子层的面积S，根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值；
根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度；
根据所述的曝光时间、所述的打印机的抬升高度及所述的抬升速度完成对打印子层的打印。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种快速光固化3D打印的装置，包括：
数据采集模块，用于获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L；
计算模块，用于根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值；
打印设置模块，用于根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，打印设置模块在设置时，
所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，基础曝光时间是曝光所需的最少时间，基础抬升高度是抬升的最少高度，且基础曝光时间小于常规曝光时间，基础抬升高度小于常规抬升高度。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
实施本发明的快速光固化3D打印的方法和装置，通过结合待打印的3D模型的高度、打印子层横截面积及打印设备显示器的显示面积，确定打印过程中的打印比例值，结合打印比例值，变更打印过程中的曝光时间、对打印机的抬升高度及抬升速度，从而缩短了3D打印机打印每层打印子层的时间，而缩短了待打印的3D模型整体的打印时间。通过本发明，对打印参数进行统一设置，避免了因人为差异性产生的打印参数差异导致的打印耗时不一致，同时通过打印参数的统一设定，避免因参数设置出错导致的模型整体打印失败。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种快速光固化3D打印的方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种快速光固化3D打印的方法中待打印的3D模型的结构示意图。
图3是本发明提供的一种快速光固化3D打印的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种快速光固化3D打印的方法，包括步骤：
S110：获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L。
S120：确定待打印的3D模型的打印子层的面积S，根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值。
S130：根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度。
S140：根据所述的曝光时间、所述的打印机的抬升高度及所述的抬升速度完成对打印子层的打印。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
在本发明所述的快速光固化3D打印的方法中，打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
在图1示出的本发明的快速光固化3D打印的方法第一实施例中，其实施的对象是高度为10cm的待打印3D模型，其形状如图2中的3D图所示。
在3D打印过程中，以下参数会对3D打印速度造成影响。
(1)抬升高度：
抬升高度的影响因素包括：打印子层的打印比例值i、离型膜已经使用了的次数、光固化树脂的液面高度、环境温度及打印失败后用户的反馈。
3D打印模型的横截面越小，抬升高度越低，打印速度更快；离型膜使用次数越少(越新)，抬升高度越低，打印更快；环境温度越高，抬升高度越低，打印更快。
在现有技术中，抬升高度的设置往往是通过多次测试，选取打印成功率比较高、效果较佳的情况进行设定，作为默认的抬升高度。通过上述方式获取的抬升高度往往是最大的抬升高度，需要满足严苛的打印条件。在本申请中，打印子层的打印比例值i对抬升高度的影响被单独考虑，打印比例值以外的因素我们都可以归为其他因素，根据打印子层的打印比例值i，调整抬升高度。而通过前述可知，打印子层的打印比例值i实质是与打印子层的横截面积相关。
在本实施方式中，抬升高度的计算公式为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
基础抬升高度是由当前的树脂液面高度决定的，这个是一个经验数值，通常与树脂液面高度呈正相关；
在本实施方式中，假设打印比例值i所占据的权重为50％，也可以是其他数值范围，比如20％～80％中的任一范围，这一权重为经验值，不同的打印机，这个数值不一样。
最大抬升高度也是经验值，对比某一种打印机，比如为6mm，超过6mm打印失败率就比较高，比如超过20％。
(2)抬升/下降速度：
抬升/下降速度的影响因素包括：液体高度、液体密度及打印子层横截面积。
单层横截面积越小，移动速度越快，打印更快；树脂槽液面低于(没有浸没)打印平台，移动速度快，打印更快。
针对不同的打印机、打印模型结构及打印环境，对抬升/下降速度的影响因素的权重又会有所不同。在本发明中，通过设定，将本实施例的打印场景设置为打印子层横截面积影响打印速度的情况。
假设总的抬升速度V＝V1+V2。其中V1是由打印子层横截面积S决定的打印速度，而V2是由除打印子层横截面积S之外的其他因素决定的打印速度。在本发明的一个实施例中，打印速度V1与打印子层横截面积S线性正相关，即V1＝kS+b，其中k和b为常数。在本发明的另一个实施例中，打印速度V1与打印子层横截面积S非线性正相关。非线性正相关的方式有很多种，例如可以是二次函数关系、三次函数关系或指数函数关系，在此并不限制。通过调整打印子层横截面积S，可以使打印速度达到最佳。上述打印速度包括抬升速度和下降速度，而所述的最佳，是指使打印完成用时最少。
(3)曝光时间：
曝光时间的影响因素包括：层厚、树脂类型及打印子层横截面积。
层厚越薄，曝光越短，打印更快；打印子层横截面积越小；曝光越短，打印更快。
在现有技术中，曝光时间的设置要么没有单独考虑打印子层的面积的影响，要么通过直接测试不同的曝光时间，然后选择一个打印成功率比较高的曝光时间作为默认曝光时间。这些方式获得的曝光时间基本上是最大曝光时间，要满足最严苛的打印要求，比如要满足最大打印面积下对曝光时间的要求。而在本申请中，打印子层的面积对曝光时间的影响被单独考虑，然后根据打印子层的面积，实时调整曝光时间。例如，假设总的曝光时间T＝T1+T2。其中T1是由打印子层横截面积S决定的曝光时间，而T2是由除打印子层横截面积S之外的其他因素决定的曝光时间。在本发明的一个实施例中，曝光时间T1与打印子层的面积S线性正相关，即T1＝kS+b，其中k和b为常数。在本发明的另一个实施例中，曝光时间T1与打印子层的面积S非线性正相关。非线性正相关的方式有很多种，例如可以是二次函数关系、三次函数关系或指数函数关系，在此并不限制。
(4)层厚：
通过设置不同层厚，可以加快打印速度。
(5)不定层厚/智能层厚：
检测到模型是规则变化的物体，如圆柱，方柱，锥形，梭形等等，可以智能增加层厚，使本来一层是0.05mm变成0.15mm，以此加快打印速度。
在本发明中，优选打印的3D模型选取横截面相同的模型。在3D打印过程中，首先通过建模软件建立3D模型，通过建模，确定了待打印的3D模型的高度。在本发明中，3D模型的高度设定为10cm。在打印之前，需进行参数设定，设定打印过程中3D模型的煤层厚度。在3D打印技术领域，设置3D打印时3D模型每层厚度范围为0.05-0.2mm。通常，厚度选取较大时，整体打印过程中需要打印的层数较少，打印速度快，完成整体打印的时间比较短，但是设置较厚的打印层厚时，3D打印的精确程度以及和软件建模的还原度较低；相反，厚度选取较小时，整体打印层数较多，打印速度减慢，整体打印完成的时间较长，且设置较薄的打印层厚时，3D打印的精确程度以及和软件建模的还原度较高。检测到模型是如图2所示的规则物体，可以智能增加层厚，使本来一层是0.05mm变成0.15mm，以此加快打印速度。为保证精确度和还原度，本发明中设置打印层厚为0.05mm。
在确定了3D模型整体高度和层厚时，即可确定完成3D打印的层数，本发明中，完成3D打印的层数＝10cm/0.05mm＝2000层。
由于本实施例中3D模型的截面相同，因此在2000层打印子层中每一层的面积都相同，打印比例值是统一的。即：打印比例值等于待打印的3D模型的每层打印子层的面积与3D打印设备显示装置面积的比值。3D打印设备显示装置由于展示待打印的3D模型的立体图。
在确定了打印比例值后，基于打印比例值i和3D打印的常规设置数据，设定对应于本发明方法的打印参数。打印参数包括对每层打印子层固化所需的曝光时间、打印机抬升高度和抬升速度。
在常规打印过程中，打印的曝光时间、抬升高度及抬升速度也是受打印子层横截面积S的影响，但是在现有技术的打印过程中，为使打印顺利完成，得到完整的3D模型，采取的是最严苛的打印标准，对所有打印子层的打印过程并未考虑待打印的3D模型的不规则性，根据前述可知，曝光时间与打印子层横截面积S呈正相关，曝光时间是按照最大打印子层横截面积S设置，对于模型中的某些打印子层，其横截面积小于最大的打印子层横截面积，实际打印也是按照最大的横截面积设置，因此增大了对于实际面积小于最大面积的打印子层的曝光时间；同时，打印抬升高度也是与打印子层横截面积S呈正相关，在抬升高度也是按照最大打印子层横截面积S设置，对于模型中的某些打印子层，其横截面积小于最大的打印子层横截面积，增大了对于实际面积小于最大面积的打印子层的抬升高度；再者，抬升速度与打印子层横截面积S线性正相关，因此为使全部打印子层均能完成打印，将打印抬升速度设置为打印完成最小面积的打印子层的抬升速度，对于实际面积大于最小横截面积的打印子层，减小了抬升速度。
具体的，在现有技术进行3D打印时，对应10cm高度的3D模型，进行0.05mm厚度打印子层的固化时，其曝光时间设置为8s，抬升高度为9mm，抬升速度为3mm/s。现有技术3D打印时，打印一层打印子层所需时间至少包括曝光时间、打印机抬升时间及打印机下降时间，常规抬升时间等于常规抬升高度与常规抬升速度的比值，由于下降过程是在打印完成之后，只需将打印机移走即可，因此打印机下降时间设定为1s。打印一层打印子层至少所需时间为：8s+1s+(9mm/3mm/s)＝12s。
在本发明提供的打印方法中，曝光时间、打印机抬升高度及抬升速度均采用基础数据，针对本发明的3D模型，基础数据是指完成数据对应操作的最小数值。基础曝光时间为7s，基础抬升高度为3mm，基础抬升速度为2mm/s。采取本发明的打印方法时，
曝光时间只考虑打印子层横截面积S因素的影响。待打印的3D模型中，每一打印子层的横截面积是不相同的。根据前述可知，在现有技术打印过程中，打印子层的面积只考虑全部打印子层横截面积中面积最大的情况，打印每一层的曝光时间是最大的曝光时间。本发明中，考虑了每一层打印子层横截面积S各不相同，曝光时间根据打印子层横截面积S而定，具体的，曝光时间是与打印子层横截面积S呈正相关。因此本发明中考虑了各打印子层横截面积的情况时，对于横截面积不完全相同的3D打印模型，明显缩短了每层打印子层的曝光时间。
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
上述公式中，抬升高度取决于打印比例值i，而打印比例值i取决于打印子层横截面积S，抬升高度是与打印子层横截面积S呈正相关。在打印子层横截面积不同的情况下，本发明中的抬升高度也小于现有技术的抬升高度。
和曝光时间的原理相同，打印速度也受每层打印子层横截面积S的影响。在打印子层横截面积不同的情况下，本发明中的抬升速度也大于现有技术的抬升速度。
采用本发明打印方法固化一层打印子层所需时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度(其中下降距离和下降速度与常规情况相同，其比值仍取1s)。在考虑打印子层横截面面积S的情况下，曝光时间、抬升高度及抬升速度随S而发生变化，针对不同横截面积的打印子层，固化时曝光时间考虑了打印子层横截面积的不同，其曝光时间应小于等于现有技术中的曝光时间；抬升高度考虑了打印子层横截面积的不同，抬升高度小于等于现有技术的抬升高度；抬升速度考虑了打印子层横截面积的不同，抬升速度大于等于现有技术的抬升速度。代入公式可知，打印全部打印子层时，总时长应小于常规打印的固化时间。
采用本发明的方法，除时间上的节省外，提高了打印速度外，其设定数据为统一数据，且设置简单，可避免参数设置出错，提高了打印成功率。
此外，本发明还提供了一种快速光固化3D打印的装置，包括：
数据采集模块10，用于获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L；
计算模块20，用于根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值；
打印设置模块30，用于根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，打印设置模块在设置时，所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，基础曝光时间是曝光所需的最少时间，基础抬升高度是抬升的最少高度，且基础曝光时间小于常规曝光时间，基础抬升高度小于常规抬升高度。
在本发明所述的快速光固化3D打印的装置中，打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
本发明的装置连接于3D打印机，其中数据采集模块10连接到3D打印机的软件建模程序，待打印的3D模型的高度及设定的层厚，从而确定待打印3D模型的打印层数。计算模块20则结合数据采集模块10采集的数据，通过获取到的待打印的3D模型的每层面积与3D打印设备显示装置面积，计算打印比例值。计算完成后，将打印比例值传输到打印设置模块30，打印设置模块30连接3D打印机的打印执行设备，对打印参数的设定，从而控制3D打印机按照本发明方法所述的方式进行3D打印。
实施本发明的快速光固化3D打印的方法和装置，通过结合待打印的3D模型的高度、打印子层横截面积及打印设备显示器的显示面积，确定打印过程中的打印比例值，结合打印比例值，变更打印过程中的曝光时间、对打印机的抬升高度及抬升速度，从而缩短了3D打印机打印每层打印子层的时间，而缩短了待打印的3D模型整体的打印时间。通过本发明，对打印参数进行统一设置，避免了因人为差异性产生的打印参数差异导致的打印耗时不一致，同时通过打印参数的统一设定，避免因参数设置出错导致的模型整体打印失败。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种快速光固化3D打印的方法，其特征在于，包括：
获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L；
确定待打印的3D模型的打印子层的面积S，根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值；
根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度；
根据所述的曝光时间、所述的打印机的抬升高度及所述的抬升速度完成对打印子层的打印。
2.根据权利要求1所述的快速光固化3D打印的方法，其特征在于，所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
3.根据权利要求1所述的快速光固化3D打印的方法，其特征在于，固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
4.根据权利要求1所述的快速光固化3D打印的方法，其特征在于，所述打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
5.一种快速光固化3D打印的装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于获取待打印3D模型的高度H，并根据预设的3D模型打印子层层厚度D确定待打印3D模型的打印子层的数量L；
计算模块，用于根据待打印3D模型的打印子层的面积S，计算打印子层的打印比例值i；所述打印比例值i为待打印的3D模型的打印子层的面积S与3D打印设备显示装置的面积S'的比值；
打印设置模块，用于根据各打印子层的打印比例值i和各打印子层的面积S调节对打印子层进行固化时的曝光时间、打印机的抬升高度及抬升速度。
6.根据权利要求5所述的快速光固化3D打印的装置，其特征在于，打印设置模块在设置时，
所述曝光时间与所述打印子层的面积S正相关；
所述抬升高度为：
抬升高度＝[基础抬升高度+(最大抬升高度-基础抬升高度)*打印比例值i]/权重q；
所述抬升速度与所述打印子层的面积S正相关；
其中，所述基础抬升高度由光固化树脂的液面高度决定，所述基础抬升高度小于最大抬升高度，所述权重q为常数。
7.根据权利要求5所述的快速光固化3D打印的装置，其特征在于，
固化一层打印子层所需的时间为：
固化一层打印子层的时间＝曝光时间+抬升高度/抬升速度+下降的距离/下降速度
其中，所述下降的距离和速度为预设参数，且保持不变。
8.根据权利要求5所述的快速光固化3D打印的装置，其特征在于，所述打印子层的厚度范围为0.05-0.2mm。
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