CN114683545A - 一种光固化3d打印机及其打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，公开了一种光固化3D打印机及其打印方法，其中光固化3D打印机包括料仓、光源组件、摄像机构、控制器以及警报器；料仓具有用于容置液态光敏材料的容置腔；所述光源组件设置在所述容置腔的开口边缘上并用于在所述光敏材料的液面上形成预定光斑，所述预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小；所述摄像机构设置在所述料仓上并用于采集所述容置腔内光敏材料的腔内图像；所述控制器用于接收所述腔内图像并计算所述腔内图像中预定光斑的面积；所述警报器用于在所述预定光斑面积小于等于预定值时发出缺料警报。本发明实现了自动监测料仓内光敏材料余量，降低了人工成本同时避免了因液态光敏材料不足而打印失败。

Description

一种光固化3D打印机及其打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种。

背景技术

光固化3D打印是一种较为成熟的3D打印技术，其主要原理如下：将目标零件的形状分为若干个平面层，以一定波长的光束扫描液态的光敏材料，被扫描到的液态光敏材料固化，而未被扫描到的液态光敏材料保持液态，由此依次得到各个平面层的结构，最终各个平面层累积得到目标零件。

光固化3D打印机在打印目标零件时需要一定时间，尤其是在打印一些大尺寸的目标零件时，往往需要几个小时以上；在此期间，若料仓内的光敏材料不足，则会出现打印失败，造成大量时间和材料的浪费。

因此，现有技术的光固化3D打印机在打印时，往往需要人工对打印过程进行全程监控，在光敏材料不足时及时补料，避免出现光敏材料不足导致打印失败，但这种方式的人工成本高。

发明内容

本发明的目的是：实现自动监测料仓内光敏材料余量，以在光敏材料将要耗尽时提醒工作人员进行补料，降低了人工成本同时能够避免因光敏材料不足而打印失败。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光固化3D打印机，包括料仓、光源组件、摄像机构、控制器以及警报器；料仓具有用于容置液态光敏材料的容置腔；所述光源组件设置在所述容置腔的开口边缘上并用于在所述光敏材料的液面上形成预定光斑，所述预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小；所述摄像机构设置在所述料仓上并用于采集所述容置腔内光敏材料的腔内图像；所述控制器用于接收所述腔内图像并计算所述腔内图像中预定光斑的面积；所述警报器用于在所述预定光斑面积小于等于预定值时发出缺料警报。

进一步地，还包括：打印机构，所述打印机构与所述料仓通过管道连接并用于利用光敏材料打印目标零件。

进一步地，所述容置腔的底部上设有凸台，所述光源组件设置在所述凸台上方且所述光源组件能够在所述凸台的表面上聚焦；所述警报器用于在所述预定光斑呈点状时发出警报。

进一步地，所述凸台的表面包括中部区域和所述中部区域外侧的外周区域，所述光源组件能够聚焦于所述中部区域内，所述外周区域向下倾斜。

进一步地，所述凸台的高度L与所述容置腔的深度H的比值小于等于五分之一而大于等于十分之一。

进一步地，所述光源组件包括安装座、滑座以及射线发生器；所述预定光斑由所述射线发生器形成；所述安装座安装在所述容置腔的开口边缘上，所述安装座内部设有上下延伸的滑动通道，所述安装座的底部设有连通至所述滑动通道下端的通孔；所述滑座滑设在所述滑动通道内，所述射线发生器安装在所述滑座的底部并穿出至所述通孔外。

进一步地，所述安装座包括上下延伸的筒体、盖设在所述筒体上端开口的上盖体以及盖设在所述筒体下端开口的下盖体；所述滑动通道由所述筒体、上盖体以及下盖体围合形成；所述筒体的内壁上设有多个环向间隔设置且上下延伸的肋条，所述滑座的外周上设有与多个肋条一一对应的多个卡槽，所述滑座通过多个肋条和多个卡槽之间的配合滑动设置在滑动通道内；所述通孔开设在所述下盖体上。

进一步地，所述滑座的上侧设有第一永磁体；所述光固化3D打印机还包括设置在所述滑动通道内的上盖体上的第一电磁体和设置在所述滑动通道内的下盖体上的弹性件；所述弹性件处于压缩状态并与所述滑座的下侧相接以对所述滑座施加向上的弹性力，所述第一电磁体能够与所述第一永磁体之间产生相斥磁场并对所述滑座施加向下的磁力。

进一步地，所述滑座的上侧还设有多个第二永磁体，所述第一永磁体处于所述滑座上侧的中部位置，多个所述第二永磁体环绕所述第一永磁体设置；所述光固化3D打印机还包括用于隔绝磁场的隔离膜和设置在所述滑动通道内的上盖体上的多个第二电磁体；所述第一电磁体处于所述上盖体的中部位置，多个所述第二电磁体环绕所述所述第一电磁体设置，且多个所述第二电磁体和多个所述第一永磁体一一对应，对应的所述第一电磁体和第一永磁体之间能够产生磁场；所述隔离膜呈环状，所述隔离膜的上端连接在所述上盖体上而下端连接在所述滑座上。

本发明实施例一种一种光固化3D打印机与现有技术相比，其有益效果在于：

随着3D打印的进行，容置腔内的液态光敏材料逐渐减少，液态光敏材料的液面逐渐下降，光源组件形成在液面上的预定光斑的面积逐渐减小；期间，控制器通过分析并计算摄像机构采集的腔内图像中预定光斑所占的面积，在预定光斑的面积小于预定值时，控制警报器发出缺料警报，以通知工作人员对料仓内容置腔的液态光敏材料进行补料，由此实现了自动监测料仓内光敏材料余量，降低了人工成本同时避免了因液态光敏材料不足而打印失败。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种光固化3D打印方法，应用上述的光固化3D打印机进行3D打印，包括如下步骤：

在料仓的容置腔内填充液态的光敏材料。

设置光源组件，使得所述光源组件在所述光敏材料的液面上形成预定光斑。

周期性采集所述容置腔内光敏材料的腔内图像，并计算所述腔内图像上的预定光斑面积。

当所述预定光斑的面积小于预定值时，向工作人员发出缺料警报。

附图说明

图1是本发明实施例的一种光固化3D打印机的结构图。

图2是本发明实施例的一种光固化3D打印机的剖面图。

图3是本发明实施例的一种光固化3D打印机的光源组件的剖面图。

图4是图3中的A－A方向剖视图。

图5是图4中的B处放大图。

图6是本发明实施例的一种光固化3D打印方法的流程图。

图中，1、料仓；11、容置腔；2、光源组件；21、安装座；211、筒体；211a、肋条；212、上盖体；213、下盖体；213a、通孔；22、滑座；22a、卡槽；23、射线发生器；24、第一永磁体；25、第一电磁体；26、第二永磁体；27、第二电磁体；28、隔离膜；29、弹性件；3、控制器；4、凸台；41、中部区域；42、外周区域；L、光束；D、凸台的高度；H、容置腔的深度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1至图5所示，本发明优选实施例第一方面提供一种光固化3D打印机，包括料仓1、光源组件2、摄像机构、控制器3以及警报器；料仓1具有用于容置液态光敏材料的容置腔11；所述光源组件2设置在所述容置腔11的开口边缘上并用于在所述光敏材料的液面上形成预定光斑，所述预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小；所述摄像机构设置在所述料仓1上并用于采集所述容置腔11内光敏材料的腔内图像；所述控制器3用于接收所述腔内图像并计算所述腔内图像中预定光斑的面积；所述警报器用于在所述预定光斑面积小于等于预定值时发出缺料警报。

基于上述方案，随着3D打印的进行，容置腔11内的液态光敏材料逐渐减少，液态光敏材料的液面逐渐下降，光源组件2形成在液面上的预定光斑的面积逐渐减小；期间，控制器3通过分析并计算摄像机构采集的腔内图像中预定光斑所占的面积，在预定光斑的面积小于预定值时，控制警报器发出缺料警报，以通知工作人员对料仓1内容置腔11的液态光敏材料进行补料，由此实现了自动监测料仓1内光敏材料余量，降低了人工成本同时避免了因液态光敏材料不足而打印失败。

此外，本方案对光敏材料余量的检测是非接触式的，不会对光敏材料的性能和容置腔11的容量等造成影响；同时，本方案可以直接在现有的料仓1上进行改进得到，具体地，在现有料仓1的容置腔11开口处设置光源组件2和设置能够收集腔内图像的摄像机构，并最后调整相关程序，增加警报器即可，普及难度低，经济效益良好。

其中，摄像机构可以是架设在容置腔11开口上方的照相机，警报器可以是发出警示声音的扬声器，也可以是发出警示光的发光体，也可以是向工作人员携带的移动终端发出警示信息的通讯设备，此处不做限制。

其中，为了实现预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小，可以将光源组件2配置为能够发出平行光源组件2的发光器件和能够聚焦的凸透镜，由此，平行光源组件2经过凸透镜后形成逐渐收拢的光束L，逐渐收拢的光束L能够实现预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小。

其中，光源组件2可通过夹持在容置腔11的侧壁上以实现设置在容置腔11开口边缘上。

具体地，为实现3D打印的功能，本实施例的光固化3D打印机还包括打印机构；所述打印机构与所述料仓1通过管道连接并用于利用光敏材料打印目标零件。

其中，打印机构和料仓1之间的管道连通至容置腔11的底部处，以避免光敏材料残留在容置腔11内得不到利用。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述容置腔11的底部上设有凸台4，所述光源组件2设置在所述凸台4上方且所述光源组件2能够在所述凸台4的表面上聚焦；所述警报器用于在所述预定光斑呈点状时发出警报。

本实施方式中，将光源组件2聚焦后形成的焦点面积视为零。上述实施方式的设置，主要考虑到液态光敏材料的液面并非平整的平面，其可能出现部分位置内凹或部分位置外凸，导致形成在液面上的预定光斑面积不能完全准确地反应液面位置；而本实施方式中，当液面下降至与凸台4齐平或以下位置时，腔内图像中，凸台4暴露在外，此时腔内图像中的预定光斑的面积为零，即焦点的面积为零，此时控制器3再控制警报器发出警报，能够保证在发出警报时液态光敏材料的液面已下降至较为危险的高度D。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述凸台4的表面包括中部区域41和所述中部区域41外侧的外周区域42，所述光源组件2能够聚焦于所述中部区域41内，所述外周区域42向下倾斜。

本实施方式中，主要考虑到液态的光敏材料可能有部分残留在凸台4上导致光源组件2无法在凸台4的台面上形成焦点，因此将凸台4设置为中部高而外侧低的结构，积累在凸台4表面上的液态光敏材料随着向下倾斜的外周区域42流下，保证光源组件2能够在中部区域41处形成焦点。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述凸台4的高度DD与所述容置腔11的深度HH的比值小于等于五分之一而大于等于十分之一。凸台4高度D的设置主要影响到发出缺料警报至完全缺料的时间，若凸台4的高度D过大，则会导致发出缺料警报后，容置腔11距离完全缺料的状态仍有一定时间，缺料警报发出的频率较大，对人工成本有一定的提高；若凸台4的高度D过小，则会导致发出缺料警报后，在一段较短的时间内容置腔11就到达了完全缺料的状态，没有为工作人员留下足够的补料时间，发生缺料导致打印失败的风险提高。本实施方式中，通过将凸台4的高度DD与所述容置腔11的深度HH的比值设置为小于等于五分之一而大于等于十分之一，充分考虑了人工成本和打印失败的风险，在保证了工作人员有足够时间进行补料的同时，降低缺料警报的发出频率，降低了人工成本。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述光源组件2包括安装座21、滑座22以及射线发生器23；所述预定光斑由所述射线发生器23形成；所述安装座21安装在所述容置腔11的开口边缘上，所述安装座21内部设有上下延伸的滑动通道，所述安装座21的底部设有连通至所述滑动通道下端的通孔213a；所述滑座22滑设在所述滑动通道内，所述射线发生器23安装在所述滑座22的底部并穿出至所述通孔213a外。

基于上述实施方式，在实际使用的过程中，由于机器振动或其它因素的影响，可能会出现光源组件2无法聚焦到凸台4上的情况出现，因此，需要对光源组件2进行校准。本实施方式通过滑座22的上下滑动，实现对光源组件2的校准，光源组件2能够在凸台4的表面上聚焦形成焦点。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述安装座21包括上下延伸的筒体211、盖设在所述筒体211上端开口的上盖体212以及盖设在所述筒体211下端开口的下盖体213；所述滑动通道由所述筒体211、上盖体212以及下盖体213围合形成；所述筒体211的内壁上设有多个环向间隔设置且上下延伸的肋条211a，所述滑座22的外周上设有与多个肋条211a一一对应的多个卡槽22a，所述滑座22通过多个肋条211a和多个卡槽22a之间的配合滑动设置在滑动通道内；所述通孔213a开设在所述下盖体213上。

本实施方式提供了一种滑座22的上下滑动方式，通过多个肋条211a和多个卡槽22a的设置，保证了滑座22的上下滑动，同时将安装座21分为上盖体212、下盖体213以及筒体211的设置，方便了滑座22和射线发生器23的安装和拆卸。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述滑座22的上侧设有第一永磁体24；所述光固化3D打印机还包括设置在所述滑动通道内的上盖体212上的第一电磁体25和设置在所述滑动通道内的下盖体213上的弹性件29；所述弹性件29处于压缩状态并与所述滑座22的下侧相接以对所述滑座22施加向上的弹性力，所述第一电磁体25能够与所述第一永磁体24之间产生相斥磁场并对所述滑座22施加向下的磁力。

本实施方式能够实现滑座22的自动上下调整，无需人工直接操作滑座22的位置进行调整，具体地，通过调整第一电磁体25的通电参数，可以改变第一电磁体25对第一永磁体24施加的磁力大小，从而使得滑座22克服弹力向下滑动或在弹力作用下向上滑动，直至弹力和磁力恢复平衡。同时，本实施方式的滑座22安装方式也能够一定程度抵御外界振动对滑座22位置的影响，由于本实施方式的滑座22是悬空式设置，当打印机产生振动时，滑座22与安装座21之间的相对位置发生改变，但滑座22会在弹力和磁力的作用下重新恢复与安装座21之间的相对位置。

其中，第一永磁体24可以是竖直设置并内嵌于滑座22的条形磁铁。

进一步地，在一些实施方式中，请参阅图1至图5，所述滑座22的上侧还设有多个第二永磁体26，所述第一永磁体24处于所述滑座22上侧的中部位置，多个所述第二永磁体26环绕所述第一永磁体24设置；所述光固化3D打印机还包括用于隔绝磁场的隔离膜28和设置在所述滑动通道内的上盖体212上的多个第二电磁体27；所述第一电磁体25处于所述上盖体212的中部位置，多个所述第二电磁体27环绕所述所述第一电磁体25设置，且多个所述第二电磁体27和多个所述第一永磁体24一一对应，对应的所述第一电磁体25和第一永磁体24之间能够产生磁场；所述隔离膜28呈环状，所述隔离膜28的上端连接在所述上盖体212上而下端连接在所述滑座22上。

滑座22通过多个肋条211a和多个卡槽22a滑动连接在筒体211内时，实际上肋条211a和卡槽22a之间存在一定间隙，避免卡槽22a和肋条211a之间产生过大的摩擦力导致滑座22无法上下滑动，此时滑座22可能会出现向其中某一侧倾斜的情况，同样会导致光源组件2无法聚焦在凸台4的表面上。

对此，本实施方式通过多个第二电磁体27和多个第二永磁体26的相互配合，对滑座22的倾斜进行调整，具体地，当滑座22出现倾斜时，倾斜处对应的第二电磁体27改变通电参数，使得倾斜处的滑座22在第二电磁体27和第二永磁体26之间的磁力，以及弹力的共同作用下重新恢复平衡。其中，根据实际情况而定，对应的第二电磁体27和第二永磁体26之间可以产生相互吸引的磁力，也可以产生相互排斥的磁力。

其中，隔离膜28的设置能够避免第一电磁体25和第一永磁体24之间的磁场，与对应的第二电磁体27和第二永磁体26之间的磁场不会发生相互干扰。优选地，隔离膜28呈折叠式设计，以避免对滑座22产生拉扯力阻碍滑座22的滑动。

同样地，第二永磁体26可以是竖直设置并内嵌于滑座22的条形磁铁。

如图6所示，本发明实施例第二方面还提供一种光固化3D打印方法，应用第一方面提供的光固化3D打印机进行3D打印，包括如下步骤：

S100：在料仓1的容置腔11内填充液态的光敏材料；

S200：设置光源组件2，使得所述光源组件2在所述光敏材料的液面上形成预定光斑；

S300：周期性采集所述容置腔11内光敏材料的腔内图像，并计算所述腔内图像上的预定光斑面积；

S400：当所述预定光斑的面积小于预定值时，向工作人员发出缺料警报。

由于本实施例的光固化3D打印方法应用了第一方面提供的光固化3D打印机进行3D打印，因此具备第一方面提供的光固化3D打印机的所有有益效果，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光固化3D打印机，其特征在于，包括：

料仓，所述料仓具有用于容置液态光敏材料的容置腔；

光源组件，所述光源组件设置在所述容置腔的开口边缘上并用于在所述光敏材料的液面上形成预定光斑，所述预定光斑的面积随所述光敏材料的液面下降而减小；

摄像机构，所述摄像机构设置在所述料仓上并用于采集所述容置腔内光敏材料的腔内图像；

控制器，所述控制器用于接收所述腔内图像并计算所述腔内图像中预定光斑的面积；以及

警报器，所述警报器用于在所述预定光斑面积小于等于预定值时发出缺料警报。

2.根据权利要求1所述的光固化3D打印机，其特征在于，还包括：

打印机构，所述打印机构与所述料仓通过管道连接并用于利用光敏材料打印目标零件。

3.根据权利要求1所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述容置腔的底部上设有凸台，所述光源组件设置在所述凸台上方且所述光源组件能够在所述凸台的表面上聚焦；所述警报器用于在所述预定光斑呈点状时发出警报。

4.根据权利要求3所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述凸台的表面包括中部区域和所述中部区域外侧的外周区域，所述光源组件能够聚焦于所述中部区域内，所述外周区域向下倾斜。

5.根据权利要求3所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述凸台的高度D与所述容置腔的深度H的比值小于等于五分之一而大于等于十分之一。

6.根据权利要求1所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述光源组件包括安装座、滑座以及射线发生器；

所述预定光斑由所述射线发生器形成；

所述安装座安装在所述容置腔的开口边缘上，所述安装座内部设有上下延伸的滑动通道，所述安装座的底部设有连通至所述滑动通道下端的通孔；

所述滑座滑设在所述滑动通道内，所述射线发生器安装在所述滑座的底部并穿出至所述通孔外。

7.根据权利要求6所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述安装座包括上下延伸的筒体、盖设在所述筒体上端开口的上盖体以及盖设在所述筒体下端开口的下盖体；

所述滑动通道由所述筒体、上盖体以及下盖体围合形成；

所述筒体的内壁上设有多个环向间隔设置且上下延伸的肋条，所述滑座的外周上设有与多个肋条一一对应的多个卡槽，所述滑座通过多个肋条和多个卡槽之间的配合滑动设置在滑动通道内；

所述通孔开设在所述下盖体上。

8.根据权利要求7所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述滑座的上侧设有第一永磁体；

所述光固化3D打印机还包括设置在所述滑动通道内的上盖体上的第一电磁体和设置在所述滑动通道内的下盖体上的弹性件；

所述弹性件处于压缩状态并与所述滑座的下侧相接以对所述滑座施加向上的弹性力，所述第一电磁体能够与所述第一永磁体之间产生相斥磁场并对所述滑座施加向下的磁力。

9.根据权利要求8所述的光固化3D打印机，其特征在于，所述滑座的上侧还设有多个第二永磁体，所述第一永磁体处于所述滑座上侧的中部位置，多个所述第二永磁体环绕所述第一永磁体设置；

所述光固化3D打印机还包括用于隔绝磁场的隔离膜和设置在所述滑动通道内的上盖体上的多个第二电磁体；

所述第一电磁体处于所述上盖体的中部位置，多个所述第二电磁体环绕所述所述第一电磁体设置，且多个所述第二电磁体和多个所述第一永磁体一一对应，对应的所述第一电磁体和第一永磁体之间能够产生磁场；

所述隔离膜呈环状，所述隔离膜的上端连接在所述上盖体上而下端连接在所述滑座上。

10.一种光固化3D打印方法，其特征在于，应用权利要求1至9任一所述的光固化3D打印机进行3D打印，包括如下步骤：

在料仓的容置腔内填充液态的光敏材料；

设置光源组件，使得所述光源组件在所述光敏材料的液面上形成预定光斑；

周期性采集所述容置腔内光敏材料的腔内图像，并计算所述腔内图像上的预定光斑面积；

当所述预定光斑的面积小于预定值时，向工作人员发出缺料警报。

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