采用led阵列微投影光源的光固化3d成型系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，LED阵列光源中各LED的排布为：y方向等距排布，x方向交错等距排布。通过透镜阵列组及光掩膜板将下置LED阵列光源汇聚为密集排布的微投影光束阵列，便于对小结构尺寸零件模型的快速扫描固化。此外，LED阵列光源中的单个LED采用计算机与单片机并口通信独立控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源中需驱动的LED个数，配合XY移动平台控制微投影光束阵列在XY水平方向上运动，从而完成扫描固化。上述光固化成型系统以原有光固化3D成型设备为应用基础，可在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并降低成本。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光固化成型【技术领域】的一种光固化成型系统，具体地，涉及一种采用 LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统。 采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统
【背景技术】
[0002] 随着CAD/CAM技术的发展，利用材料累加原理可实现工件原型的快速制造，其中， 光固化法因其成型精度高以及材料120%利用率成为最受欢迎的快速成型方法。光源是光 固化快速成型技术中最关键的设备之一，其类型、结构形式、发射波长范围、功率大小、长时 间使用过程中的发光稳定性等指标，将直接影响固化的成败以及固化质量、固化效率等，而 国内外主要致力于紫外光敏材料的开发，致使固化用光源几乎全部采用紫外光源如高压泵 灯、紫外激光等，而激光系统（包括激光器、冷却器、电源和外光路）的价格及维护费用昂 贵，导致快速成形设备的制造成本和使用成本过高，在一定程度上限制了紫外光固化快速 成形技术的推广。尽管高压泵灯成本较低，但寿命短、辐射不均匀、发热量大，且污染环境。
[0003] LED因其成本低，体积小，寿命长，发热小，输出功率稳定性好等优点逐渐被考虑应 用到固化光源中，目前，LED在可见光如白光波段的应用已经较为成熟，在紫外光领域的研 发仍处于起步阶段，美国和日本已相继成功研制出大功率紫外LED，其工作波段可集中在常 用固化波段365nm附近，揭示了紫外LED可应用于光固化技术的可能性，仍未大规模投入 市场使用。华中科技大学的谢军等人对光固化快速成形中的单个紫外LED光源系统进行 研究，经过多透镜结构聚焦后的光源光强分布均匀稳定、能够满足紫外光固化过程对光源 的指标要求，具有可操作性，但是因聚焦面上功率较弱，导致制件加工速度较慢，成型效率 远低于紫外激光固化。大连海事大学的许文海提出了一种应用大功率紫外发光二极管（UV LED)空间阵列作为光源的新型固化光源系统，系统中各行LED等距排布在一定半径的弧面 基板上，从而使LED阵列发出的紫外光经过光学系统准直、会聚后得到一条均匀的光带，很 大程度上提高了辐照强度，可实现紫外光固化用线（面）光源的作用。但是单行LED会聚 到20mmX20mm的大尺寸方形光斑区域内，各行等距排布形成长度为10cm的连续福照光带， 此外，该光源系统仅可以调节整体光带的辐照度，来兼顾各种固化材料对紫外辐照度的需 求，辐照面积大，未考虑满足结构精细的小尺寸零件的制作。而相对于紫外光，可见光具有 穿透力好，对人体无害，光源系统廉价等优点，长期以来，可见光固化材料的研究一直是可 见光固化领域的难点，目前，已研制出用于可见光固化的光敏树脂材料，如变性乙烯基酯树 月旨，并证实其固化速度较快，无需添加促进剂和固化剂，在提高生产效率的同时大幅度降低 施工成本。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用LED阵列微投影光源的光 固化3D成型系统，将LED阵列光源作为光固化成型机的固化光源，通过透镜阵列组与光掩 模版装置将其汇聚为可进行扫描固化的微投影光束阵列，通过计算机与单片机通信独立控 制微投影光束阵列，采用从下至上的光源辐照方式进行扫描，在保证成型效率的前提下提 高成型精度并有效降低成本。
[0005] 为实现以上目的，本发明提供一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系 统，包括：LED阵列光源、透镜阵列组、光掩膜版、树脂槽、网版、LED驱动控制装置、XY移动平 台、Z轴升降装置，其中：LED阵列光源由单个LED光源以阵列形式排列固定在一 PCB板上 构成，并置于XY移动平台上；透镜阵列组置于LED阵列光源的上方，用于将LED阵列光源聚 焦为直径为80 μ m?120 μ m的光斑阵列；光掩膜板置于透镜阵列组上方；树脂槽固定在光 掩膜版的正上方，用于存储光固化树脂材料；网版位于树脂槽底板的正上方，用于承载支撑 及固化后的工件模型；LED驱动控制装置为单片机驱动装置，LED驱动控制装置的输入端与 输出端分别与计算机的第一输出端及LED阵列光源的单个LED光源的控制端电连接，同时 计算机与LED驱动控制装置并口通信控制；XY移动平台的底部固定在地面上，XY移动平台 执行机构的控制端与计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源在二维XY平面上 的运动；Z轴升降装置固定在地面上，其直线导轨副的滑块与网版相连接，计算机的第三输 出端与Z轴升降装置的伺服电机控制端电连接，带动网版相对树脂槽向上做一个层厚的移 动。
[0006] 优选地，所述LED阵列光源中各LED光源在y方向为等距排布，在X方向为交错等 距排布。
[0007] 优选地，所述光掩膜版上排布有直径同光斑阵列的微孔阵列，且与光斑阵列 对应，所述光斑阵列透过微孔阵列整合为微投影光束阵列。
[0008] 优选地，所述LED驱动控制装置利用单片机驱动控制LED光源，根据LED辐照度稳 定可调的控制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED光源的驱动电流独立可调， 同时采用计算机与单片机并口通信控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计 算机实时调控LED阵列光源中需驱动的LED光源个数。
[0009] 首先，LED阵列光源发出的光束通过上方透镜阵列组汇聚为光斑直径在80 μ m? 120 μ m的光斑阵列；然后该光斑阵列透过上方光掩膜版中的透光微孔阵列进行进一步光 束整合，使光强分布更为均匀，同时获得直径更为统一的微投影光束阵列；通过XY移动平 台控制微投影光束阵列在二维水平方向上运动，从而保证可扫描到工件原型的全部截面数 据；计算机指令控制LED微投影光束阵列完成支撑的扫描固化，然后进行工件原型二维截 面图形的扫描固化，其中，网版在Z轴升降装置带动下上移一个层厚的距离，从而在已固化 层的表面形成一新的液态树脂层，树脂受重力作用会自动填充间隙，从而无需刮板及补液 装置，通过计算机控制完成该层的扫描固化，并与已固化层粘结，重复上述步骤，直至工件 模型完全成型，然后网版升出树脂液面，将成型后的支撑及工件模型进行剥离。
[0010] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0011] 本发明提供了一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，LED阵列光源 是将单个LED光源以阵列形式排列固定在一 PCB板上构成，各LED在y方向为等距排布、在 X方向为交错等距排布，可最终获得密集排布的微投影光束阵列，便于对小结构尺寸零件模 型的快速扫描固化。其中，LED阵列光源中的单个LED可通过单片机进行独立控制，并采用 计算机与单片机并口通信控制，配合XY移动平台控制微投影光束在二维水平方向上运动， 从而保证完整扫描工件原型的全部截面数据，加上多光束同时扫描，可有效解决因聚焦面 上功率较弱导致制件加工速度较慢的问题，在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并 降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0013] 图1为本发明光固化成型的LED光源系统示意图；
[0014] 图2是本发明光固化成型中LED阵列光源的各LED位置分布图；
[0015] 图中：
[0016] 1为LED阵列光源，2为透镜阵列组，3为微孔阵列，4为光掩膜版，5为微投影光束 阵列，6为树脂槽，7为工件模型，8为支撑，9为网版，10为LED驱动控制装置，11为XY移动 平台，12为Z轴升降装置。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0018] 如图1、图2所示，本实施例提供一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系 统，包括：LED阵列光源1，透镜阵列组2,微孔阵列3,光掩膜版4,树脂槽6,网版9, LED驱动 控制装置10, XY移动平台11，Z轴升降装置12,其中：
[0019] 所述LED阵列光源1是将单个LED光源以阵列形式排列固定在一 PCB板上构成， 并置于XY移动平台11上，为了最终获得密集排布的微投影光束阵列，各LED在y方向为等 距排布，d = e，在X方向为交错等距排布，a = b = c ;
[0020] 所述透镜阵列组2置于LED阵列光源1的上方，用于将LED阵列光源1聚焦为直 径在80 μ m?120 μ m的光斑阵列；
[0021] 所述光掩膜板4置于透镜阵列组2上方，在光掩膜版4上排布有直径同光斑阵列 的微孔阵列3,且与光斑阵列一一对应，光斑阵列透过微孔阵列3后进一步整合为微投影光 束阵列5 ;
[0022] 所述树脂槽6固定在光掩膜版4的正上方，用于存储光固化树脂材料；所述树脂槽 6的底板采用石英玻璃，对可见光的透过率达93 %以上，紫外光透过率更大，保证自下而上 发出的扫描光束阵列透过树脂槽6的底板时光强衰减极少；
[0023] 所述网版9位于树脂槽6的底板正上方，用于承载支撑8及固化后的工件模型7 ;
[0024] 所述LED驱动控制装置10为单片机驱动装置，其输入端与输出端分别与计算机第 一输出端及LED阵列光源1的单个LED光源控制端电连接，利用单片机驱动控制LED光源， 根据LED辐照度稳定可调的控制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED的驱动电 流独立可调；同时采用计算机与LED驱动装置10并口通信控制，在扫描过程中根据每层的 二维截面信息，通过计算机实时调控LED阵列光源1中需驱动的LED个数；
[0025] 所述XY移动平台11的底部固定在地面上，XY移动平台11执行机构的控制端与 计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源1在二维XY平面上的运动；
[0026] 所述Ζ轴升降装置12固定在地面上，计算机的第三输出端与Ζ轴升降装置12的 伺服电机控制端连接，以带动网版9相对树脂槽6向上做一个层厚的移动。
[0027] 本实施例的工作过程：
[0028] 首先，LED阵列光源1发出的光束通过上方的透镜阵列组2汇聚为光斑直径在 80 μ m?120 μ m的光斑阵列；然后该光斑阵列透过上方光掩膜版4中的透光微孔阵列3进 行进一步光束整合，使光强分布更为均匀，同时获得直径更为统一的微投影光束阵列5 ;通 过XY移动平台11控制微投影光束阵列5在二维水平方向上运动，从而保证可扫描到工件 原型的全部截面数据，计算机指令控制LED微投影光束阵列5完成支撑8的扫描固化，然 后进行工件原型二维截面图形的扫描固化；其中，网版9在Z轴升降装置12带动下上移一 个层厚的距离，从而在已固化层的表面形成一新的液态树脂层，树脂受重力作用会自动填 充间隙，从而无需刮板及补液装置，通过计算机控制完成该层的扫描固化，并与已固化层粘 结，重复上述步骤，直至工件模型7完全成型，然后网版9升出树脂液面，将成型后的支撑8 及工件模型7进行剥离。
[0029] 当选用紫外光固化树脂材料成型时，光源为波长在350?400nm的紫外LED阵列 光源；当选用可见光固化树脂材料成型时，只需将固化光源换为相应波长的可见光LED光 源。
[0030] 本发明所述一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，以原有光固化3D 成型设备为应用基础，在保证原型制造精度的条件下提高制造效率并降低成本。
[0031] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【权利要求】
1. 一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征在于，包括：LED阵列光 源（1)、透镜阵列组（2)、光掩膜版（4)、树脂槽（6)、网版（9)、LED驱动控制装置（10)、XY移 动平台（11)、Ζ轴升降装置（12)，其中：LED阵列光源（1)由单个LED光源以阵列形式排列 固定在一 PCB上构成，并置于XY移动平台（11)上；透镜阵列组（2)置于LED阵列光源（1) 的上方，用于将LED阵列光源（1)聚焦为直径在80 μ m?120 μ m的光斑阵列；光掩膜板4 置于透镜阵列组（2)上方；树脂槽（6)固定在光掩膜版（4)的正上方，用于存储光固化树脂 材料；网版（9)位于树脂槽（6)底板的正上方，用于承载支撑（8)及固化后的工件模型（7); LED驱动控制装置（10)为单片机驱动装置，LED驱动控制装置（10)的输入端与输出端分别 与计算机的第一输出端及LED阵列光源（1)的单个LED光源的控制端电连接，同时计算机 与LED驱动控制装置（10)并口通信控制；XY移动平台（11)的底部固定在地面上，XY移动 平台（11)执行机构的控制端与计算机的第二输出端电连接，用于控制LED阵列光源（1)在 二维XY平面上的运动；Z轴升降装置（12)固定在地面上，其直线导轨副的滑块与网版（9) 相连接，计算机的第三输出端与Z轴升降装置（12)的伺服电机控制端电连接，带动网版（9) 相对树脂槽￠)向上做一个层厚的移动。
2. 根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特 征在于，所述LED阵列光源（1)中各LED光源在y方向为等距排布，在X方向为交错等距排 布。
3. 根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征 在于，所述光掩膜版（4)上排布有直径等于光斑阵列的微孔阵列（3)，且与光斑阵列 对 应，所述光斑阵列透过微孔阵列（3)整合为微投影光束阵列（5)。
4. 根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征 在于，所述树脂槽（6)的底板采用石英玻璃材料。
5. 根据权利要求1所述的一种采用LED阵列微投影光源的光固化3D成型系统，其特征 在于，所述LED驱动控制装置利用单片机驱动控制LED光源，根据LED辐照度稳定可调的控 制要求，选用多路可控恒流源驱动方式，使各路LED光源的驱动电流独立可调，同时采用计 算机与单片机并口通信控制，在扫描过程中根据每层的二维截面信息，通过计算机实时调 控LED阵列光源（1)中需驱动的LED光源个数。
【文档编号】B29C67/00GK104108182SQ201410334421
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】习俊通, 朱琳 申请人:上海交通大学