一种面成型3d打印方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种面成型3D打印方法和系统，方法包括以下步骤：对要打印的产品进行3D建模，三维模型分割成多层截面图形；在盛液箱中装预定量的液态光固化材料，将打印平台置于盛液箱中并使打印平台位于液态光固化材料的液面之下，且打印平台的初始位置与液态光固化材料的液面的距离等于单层打印厚度；S3、利用数字微型镜片设备将截面图形的第一层投影到打印平台，使得位于打印平台上方的液态光固化材料固化形成第一层截面部件；控制打印平台向下移动单层打印厚度的距离，然后投影第二层界面图形进行打印形成产品的第二层截面部件，如此循环控制打印平台和数字微型镜片设备直至产品打印完成。本发明具有效率高、精度高、成本低的优点。
【专利说明】一种面成型3D打印方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及快速成型【技术领域】，尤其是涉及一种面成型3D打印方法和系统。
【背景技术】
[0002]3D打印(3D Printing)最早由美国麻省理工学院的Jim Bred和Tim Anderson提出，他们基于一台普通的喷墨打印机设计出一台可粘接粉末的设备，该设备也成为最早的3D打印机。2009年3月在美国华盛顿举行的叠层制造发展研讨会(Roadmap for AdditiveManufacturing (RAM) Workshop)上，正式确定使用叠层制造(Additive Manufacturing,缩略词为AM) —词来称呼3D打印技术，并就未来10年快速成型技术的发展做出了规划。目前主要的叠层制造技术包括选择性激光烧结技术(Selective laser sintering,缩略词为SLS ),立体光刻成型技术(Stereolithography, SLA)，熔融沉积成型技术(FusedDeposition Modeling,缩略词为FDM)等。选择性激光烧结技术使用高能量激光束对各种粉末材料进行烧结，所选用的粉末材料包括塑料、金属、陶瓷、玻璃等。立体光刻成型技术采用具有一定光强的激光束照射液态光敏树脂，树脂在光照下迅速固化形成所需形状。目前国际上美国的3D system公司在该领域具有较强的研发实力。熔融沉积成型技术则是通过喷头挤压被加热熔化后的热塑材料成型，该技术由美国的Stratasys公司发明，其在该领域具有较大的市场优势。另外，因为FDM具有成本低的优势，目前国内市场上的3D成型设备以该技术为主。叠层制造技术(AM)在美欧已广泛应用于汽车、家用电器、计算机、航空航天、医学、建筑、科研等领域。AM技术已发展形成一个新产业，统计资料表明，近三年来，AM的市场营销以59%速度递增。
[0003]但是，目前快速成型技术的关键设备的引进价格昂贵，设备维修价格高、响应慢的缺点。而低价格设备的制作精度则非常不理想，例如:1500美元左右的设备，其精度大概是0.25mm0
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种高精度、低成本、高效率的面成型3D打印方法和系统。
[0005]本发明的技术问题通过以下技术手段予以解决:
一种面成型3D打印方法，包括以下步骤:
51、对要打印的产品进行3D建模，将建成的三维模型分割成多层截面图形；
52、在盛液箱中装预定量的液态光固化材料，将打印平台置于盛液箱中并使打印平台位于液态光固化材料的液面之下，且打印平台的初始位置与液态光固化材料的液面的距离等于单层打印厚度；
53、利用数字微型镜片设备将所述截面图形的第一层截面图形投影到打印平台，从而使得位于打印平台上方的液态光固化材料固化形成产品的第一层截面部件；
54、控制打印平台向下移动单层打印厚度的距离，然后再依照步骤S3的方式投影第二层界面图形进行打印形成产品的第二层截面部件，如此循环控制打印平台和数字微型镜片设备直至产品打印完成。
[0006]优选地:
所述步骤S2还包括:在液态光固化材料的液面上方设置透明的压板装置用于压制液面从而保证液面平整。
[0007]所述压板装置与液面接触的表面设有防粘连层。
[0008]所述单层打印厚度为10-100微米。
[0009]一种面成型3D打印系统，其特征在于，包括:盛液箱、打印平台、打印平台驱动单元、图像投影单元、和控制单元；
所述盛液箱用于盛放液态光固化材料；
所述打印平台具有位于所述盛液箱中的工作位；
所述打印平台驱动单元与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动；
所述图像投影单元包括光源、数字微型镜片设备和聚焦透镜，所述数字微型镜片设备与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下利用光源形成投影图像，所述聚焦透镜用于将来自数字微型镜片的投影图像聚焦在所述打印平台上；
所述控制单元用于根据要打印的产品的界面图形控制所述数字微型镜片设备进行投影，以及控制所述驱动单元驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动。
[0010]优选地:
还包括压板装置，该压板装置包括透明压板，该透明压板固定在所述盛液箱中。
[0011]所述透明压板下表面设有防粘连层。
[0012]所述打印平台的每次移动距离为10-100微米。
[0013]所述驱动单元的动力装置为步进电机。
[0014]与现有技术相比，本发明利用投影设备对产品的截面图形进行逐层投影，配合可上下移动的打印平台实现以“面”为成型单位的3D打印，与现有技术通过机电控制喷头进行逐点打印的方式相比，具有以下优点:1)无需采用复杂的控制机电系统，可大幅的降低设备成本；2)由于是通过投影面成型进行打印，因此，相对于逐点打印的方式具有更高的效率，本发明打印同一产品所需的时间仅为普通3D打印机的20% ;3)由于产品是逐层成型，其精度由投影图像决定，因而可轻易实现误差在0.0lmm范围内的高精度打印。
[0015]优选方案中，同游设置压板装置，用于克服由于液体材料的表面张力和液面膨胀导致的液面不平整，从而避免打印的产品表面向上凸起(如图6所示)的问题，获得上表面平整的3D打印产品(如图7所示)。进一步优选方案，在压板装置的下方设置防粘连层，可避免成型的截面部件与压板装置粘结。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明具体实施例的打印方法流程图；
图2是本发明具体实施例的打印系统的原理图；
图3是本发明具体实施例的打印系统的结构图；
图4是图3的弓形板的结构图； 图5是本发明另一具体实施例的打印系统的结构图；
图6是未使用压板装置的打印产品的结构图；
图7是使用压板装置后的打印产品的结构图。
【具体实施方式】
[0017]下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
[0018]如图1所示，本实施例的面成型3D打印方法包括以下步骤:
S1、对要打印的产品进行3D建模，将建成的三维模型分割成多层截面图形。3D建模可由现有的各种商用软件制作，以CAD为例，可通过CAD制作好三维模型，并以STL文件的形式存储，然后对STL文件进行切片获取多层界面图形。切面的数量与要打印产品的尺寸相关，优选控制每层打印的厚度在10-100微米范围内以保证打印精度。
[0019]S2、在盛液箱中装预定量的液态光固化材料，将打印平台置于盛液箱中并使打印平台位于液态光固化材料的液面之下，且打印平台的初始位置与液态光固化材料的液面的距离等于单层打印厚度。经研究实践，液态的材料的表面张力、液面膨胀可能会导致打印的截面部件和产品表面向上凸起，从而影响产品形状，因此，本步骤优选在液态光固化材料的液面上方设置透明的压板装置用于压制液面，保证每层截面部件的表面平整。压板装置与液面接触的表面优选设置防粘连层，例如防粘连薄膜或防粘连涂层，具体如:全氟塑料薄膜或硅胶膜涂层。
[0020]S3、利用数字微型镜片设备将所述截面图形的第一层截面图形投影到打印平台，从而使得位于打印平台上方的液态光固化材料固化形成产品的第一层截面部件。
[0021]S4、控制打印平台向下移动单层打印厚度的距离，然后再依照步骤S3的方式投影第二层界面图形进行打印形成产品的第二层截面部件，如此循环控制打印平台和数字微型镜片设备直至产品打印完成。
[0022]如图2所示，本实施例还提供一种面成型3D打印系统，用于实施前述的打印方法，该3D打印系统包括:盛液箱、打印平台、打印平台驱动单元、图像投影单元、和控制单元。盛液箱用于盛放液态光固化材料；打印平台具有位于盛液箱中的工作位；打印平台驱动单元与控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动；所述图像投影单元包括光源、数字微型镜片设备和聚焦透镜，所述数字微型镜片设备与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下利用光源形成投影图像，所述聚焦透镜用于将来自数字微型镜片的投影图像聚焦在所述打印平台上；所述控制单元600用于根据要打印的产品的界面图形控制所述数字微型镜片设备进行投影，以及控制所述驱动单元驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动，控制单元优选是一台PC机或者单片机，优选配备触摸屏602。
[0023]本发明的面成型3D打印系统更加具体的优选实施例如图3所示，其还包括用于固定前述各个部件的机架，该机架主要由底座501、顶部控制箱502和作为将顶部控制箱502固定于底座501上的固定部件的立柱503。盛液箱100安装在底座501上；而投影设备400则安装在顶部控制箱502中，控制箱502底部开设有供投影设备400的投影镜头投射投影图像的孔。
[0024]打印平台驱动单元的功能在于驱动打印平台200在盛液箱100中上下移动，本领域技术人员可采用现有的技术方案予以实现。作为优选方案，本实施例的打印平台驱动单元包括驱动电机301、用于联动打印平台与驱动电机301的打印平台连接件302、运动轨迹控制部件(图中未示出)及滑块(图中未示出)。运动轨迹控制部件的作用在于运动导向，其具有供滑块上下移动的运动轨迹，该运动轨迹可通过滚柱丝杆、滑轨、滑槽等方式实现；对应的，滑块是用于与运动轨迹控制部件配合的部件，其与驱动电机连接在驱动电机的驱动下沿运动轨迹控制部件的运动轨迹上下运动，滑块还与打印平台连接件302的第一端固定连接，而打印平台连接件302的第二端则与打印平台200连接，从而使得打印平台200能够在驱动电机的驱动下上下移动。如图3所示，本实施例的固定部件采用立柱的形式，立柱503的下端固定在底座501上，上端用于固定顶部控制箱502 ;同时，立柱503采用中空结构，其中空的内部可用于安装驱动电机(优选为步进电机)、走线槽，同时还可用于安装作为运动轨迹控制部件的滚珠丝杆。显然，本实施例采用的立柱形式的固定部件具有结构简洁的优点，但是本发明并不局限于该方案。
[0025]如图4所示，本实施例的打印平台连接件302为一个弓形板，其由一个板材经三次折弯形成，板材底部折弯形成用于支撑固定打印平台200的支撑部3021，板材上部折弯形成延伸至立柱503内的横向连接部3022，横向连接部3022的端部再向下或向上折弯形成用于与滑块固定的滑块固定部3023。本领域技术人员显然还能够通过其他的形式的打印平台连接件302实现打印平台与滑块的连接，本发明也不限于前述的具体方案，但是相对于现有技术可采用的连接方式，前述弓形板的设计具有下述的优势:1)该弓形板可紧贴盛液箱侧壁设置，可避免阻挡投影光线；2)该弓形板同时设置有与打印平台200表面平行的支撑部3021和与滑块侧壁平行的滑块固定部3023，因而，即使采用很薄的板材，安装也非常方便、牢靠，避免采用较厚板材在上下移动过程中对盛液箱中液面造成影响。
[0026]如图5所示，本实施例的盛液箱100中还可设置压板装置700 (图中未示出顶部控制箱及其内的部件)，优选压板装置700在所述容器盒中的位置在前后、左右和上下方向上均可调节，为便于清楚可见，图5中所示的压板装置为未装入容器盒中的状态。压板装置的面积优选大于所述投影图像的面积，所述投影图像全部透射在所述压板装置的覆盖面之内。其包括透明压板，该透明压板与液面接触的表面优选设有防粘连层例，如防粘连薄膜或防粘连涂层，具体如:全氟塑料薄膜或硅胶膜涂层。图6所示为未使用压板装置的打印产品结构图，其上表面向上凸起；图7所示为使用压板装置后的打印产品的结构图，其上表面平難
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[0027]本文所述数字微型镜片设备DMD是一种微机电系统设备，由上百万个微小的镜片组成，这些镜片能够在计算机的控制下以超过5KHz的频率单独开合。光源在发出一束可见光后，该可见光被DMD上开启的微型镜片反射，未开启的微型镜片则不会反射光术。一个微型镜片即形成最后反射图像中的一个像素。DMD被广泛使用在投影仪上，其成本低廉。
[0028]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种面成型3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、对要打印的产品进行3D建模，将建成的三维模型分割成多层截面图形； 52、在盛液箱中装预定量的液态光固化材料，并将打印平台置于盛液箱中并使打印平台位于液态光固化材料的液面之下，且打印平台的初始位置与液态光固化材料的液面的距离等于单层打印厚度； 53、利用数字微型镜片设备将所述截面图形的第一层截面图形投影到打印平台，从而使得位于打印平台上方的液态光固化材料固化形成产品的第一层截面部件； 54、控制打印平台向下移动单层打印厚度的距离，然后再依照步骤S3的方式投影第二层界面图形进行打印形成产品的第二层截面部件，如此循环控制打印平台和数字微型镜片设备直至产品打印完成。
2.如权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤S2还包括:在液态光固化材料的液面上方设置透明的压板装置用于压制液面从而保证液面平整。
3.根据权利要求2所述的3D打印方法，其特征在于，所述压板装置与液面接触的表面设有防粘连层。
4.根据权利要求1、2或3所述的3D打印方法，其特征在于，所述单层打印厚度为10-100 微米。
5.一种面成型3D打印系统，其特征在于，包括:盛液箱、打印平台、打印平台驱动单元、图像投影单元、和控制单元； 所述盛液箱用于盛放液态光固化材料； 所述打印平台具有位于所述盛液箱中的工作位； 所述打印平台驱动单元与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动； 所述图像投影单元包括光源、数字微型镜片设备和聚焦透镜，所述数字微型镜片设备与所述控制单元连接，用于在所述控制单元的控制下利用光源形成投影图像，所述聚焦透镜用于将来自数字微型镜片的投影图像聚焦在所述打印平台上； 所述控制单元用于根据要打印的产品的界面图形控制所述数字微型镜片设备进行投影，以及控制所述驱动单元驱动所述打印平台在所述盛液箱中上下移动。
6.根据权利要求5所述的3D打印系统，其特征在于:还包括压板装置，该压板装置包括透明压板，该透明压板固定在所述盛液箱中。
7.根据权利要求6所述的3D打印系统，其特征在于:所述透明压板下表面设有防粘连层。
8.根据权利要求5、6或7所述的3D打印系统，其特征在于:所述打印平台的每次移动距离为10-100微米。
9.根据权利要求8所述的3D打印系统，其特征在于:所述驱动单元的动力装置为步进电机。
【文档编号】B29C67/00GK103448249SQ201310417403
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】张靖, 金良, 宋轩, 王彬, 潘亚月 申请人:张靖, 金良, 宋轩, 王彬, 潘亚月