基于投影式的光固化三维打印方法以及打印装置与流程

本发明涉及光固化三维打印技术领域，特别是涉及一种基于投影式的光固化三维打印方法以及打印装置。

背景技术：
快速成型技术是一种离散/堆积成型，将三维数据模型进行切层，得到每一层的轮廓，根据轮廓信息设计加工路径，成型头在控制系统的控制下得到每一层的实体，并逐层堆叠，得到最终实体。投影仪在命名时有多种，基本原理都相同，以DLP投影为例，DLP是“DigitalLightProcession”的缩写，即为数字光处理，也就是说这种技术要先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来。它是基于TI(美国德州仪器)公司开发的数字微镜元件——DMD(DigitalMicromirrorDevice)来完成可视数字信息显示的技术。现有DLP技术，一般为静态DLP投影技术，即DLP投影仪固定在基座上，DLP投影仪并不移动，在每层曝光时，投影出相应的图像，保持相应的曝光时间，完成每层的固化。投影方式有两种，一种是：DLP投影仪放置在树脂槽下方，树脂槽底部是透光材料，从底部投影光进行固化；另一种是：DLP上投影式，即DLP投影仪固定在树脂槽上方，从上方投影特定波长的光至树脂槽液位平面。中国专利ZL201320332935.0公开了一种基于DLP投影光固化三维打印机，其包括：计算机系统，用于处理三维模型；自动控制系统，分别与供料系统、升降系统以及DLP投影系统相连，用于控制DLP投影系统对成型工作池内光固化胶的液面进行照射，以及控制升降系统驱动成型工作池或投影系统做升降移动，以及控制供料系统向成型工作池内供应光固化胶；DLP投影系统，与计算机系统相连，用于将计算机系统分割出的截面图形投影至成型工作池；成型工作池，与供料系统相连，盛放光固化胶；升降系统，用于调整DLP投影系统与成型工作池内光固化胶液面之间的距离；供料系统，用于向成型工作池内供应光固化胶。但是，基于投影式的成型精度受核心芯片DMD分辨率限制，DMD目前最高为1920x1080P，投影幅面越大，单个像素对应的尺寸越大，由于精度与像素尺寸相关，故打印精度越差；其次，DLP投影的光学镜头存在光学畸变，畸变率是按百分比来衡量的，即尺寸越大，畸变值越高；再次，DLP投影的机械安装要求较高，因机械安装也会造成投影的偏差，而偏差值同样是投影尺寸越大，偏差值越大。因此，基于DLP投影技术的3D打印机成型范围一般比较小，主要在于DMD分辨率的限制，使得DLP投影不得不采用小幅面来维持其像素高精度，另外，光源功率的限制使得大幅面的固化效率很低，甚至难以固化。现有DLP投影技术做到中型幅面时，会出现适用树脂材料少(光功率密度低)，效率低、精度差(分辨率及光学投影畸变)等问题。因此，需要一种能实现大幅面投影且精度高的基于投影式的三维打印方法和三维打印装置。

技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于投影式的光固化三维打印方法及打印装置，用于解决现有技术中大幅面图案三维打印精度低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于投影式的光固化三维打印方法，具体指：投影系统在控制系统的控制下逐层扫描打印固化，在打印每层时，采用在水平面内直线移动投影系统所得的投影幅面来完成每层所要打印的整个图案，且使投影幅面按预设路径进行水平直线移动；移动时，控制系统实时获得所述投影幅面所投射区域的坐标位置，且控制所述投影系统投射出与所述坐标位置处对应的局部图案，完成所述局部图案的打印固化。优选的，在打印每层时，所述控制系统需根据所述投影幅面水平移动的速度，以及所述投影幅面所投射区域对应的图案数据对所述投影系统进行灰度调节。优选的，在进行逐层打印前，所述控制系统将每层所要打印的整个图案按与本层对应的所述预设路径分解成多个子图案，使每个子图案与对应所述子图案的打印区域的坐标位置相匹配。优选的，所述投影幅面的运行方式为连续移动式运行或间隙停顿式运行，间隙停顿式运行具体为：所述投影幅面每次移动一个所述局部图案对应区域的间隙，移动到对应局部图案处停留完成此处的曝光固化，然后再移动至下一个局部图案处再次停留曝光固化。本发明还提供一种基于投影式的光固化三维打印装置，其包括：盛放液态树脂的树脂槽，置于树脂槽内与竖直升降机构相连可升降的三维打印平台，以及完成投影扫描的投影系统、控制系统，所述投影系统包括投影仪、带动所述投影仪在同一平面内沿任意方向移动的滑动机构以及检测投影仪实时位置的位置传感器，所述竖直升降机构、所述投影仪以及滑动机构和位置传感器均与所述控制系统相连。优选的，所述投影系统置于所述树脂槽的正上方，所述滑动机构包括X向导轨和Y向导轨，以及可沿所述X向导轨和/或Y向导轨滑动的滑块，驱动所述滑块沿X向导轨滑动的第一电机，驱动所述滑块沿Y向导轨滑动的第二电机，所述投影仪安装在所述滑块上，而且所述树脂槽上还设有与所述控制系统相连的涂覆机构。优选的，所述投影系统置于所述树脂槽的正下方，且所述树脂槽的底面为透明底面，所述滑动机构包括X向导轨和Y向导轨，以及可沿所述X向导轨和/或Y向导轨滑动的滑块，驱动所述滑块沿X向导轨滑动的第一电机，驱动所述滑块沿Y向导轨滑动的第二电机，所述投影仪安装在所述滑块上。优选的，所述投影系统置于所述树脂槽的一侧，在所述投影仪所投射的光路上设置反射镜，通过反射镜将投影仪所投射的光路反射成竖直方向射入树脂槽内。优选的，所述位置传感器为直线编码器，或安装在所述第一电机和第二电机内的电机编码器。优选的，所述投影仪为DLP投影仪、LED投影仪、LCoS投影仪、LCD投影仪、UV(ultraviolet)投影仪其中的一个或几个的阵列。如上所述，本发明的基于投影式的光固化三维打印方法及打印装置，具有以下有益效果：采用在水平面内直线移动投影系统所得的投影幅面，即移动式投影，其能实现大幅面的光固化三维打印，且保证了投影仪自身的打印精度以及高效率，使整个产品的打印精度提高，而移动式投影拥有较大的光功率密度，保证了移动式投影的高效率。附图说明图1显示为利用本发明基于投影式的光固化三维打印方法投影某一层的示意图。图2显示为图1中B1框即投影幅面所投射区域对应的局部图案。图3显示为利用像素来描述本发明的基于投影式的光固化三维打印方法示意图。图4显示为本发明的基于投影式的光固化三维打印装置的示意图。元件标号说明1树脂槽2三维打印平台3DLP投影仪41X向导轨42Y向导轨43滑块44第二电机45第一电机46Y向滑轨47X向滑轨5竖直升降机构6涂覆机构具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。按附图所示，定义XYZ三个方向，XY方向指的是水平方向，Z方向指的是竖直方向，XYZ三个方向两两互相垂直，本说明书中X向指页面的左右方向，Y向指页面的上下方向。本发明提供一种基于投影式的光固化三维打印方法，主要包括以下步骤：1)首先，控制系统将要打印的三维实体进行切片分解，得出切片后每层所要扫描打印的截面图案；2)再次，在进行逐层打印前，控制系统将每层所要打印的整个图案按与本层对应的预设路径分解成多个子图案，使每个子图案与对应子图案的打印区域的坐标位置相匹配，匹配后的数据信息储存在控制系统中；3)投影系统在控制系统的控制下逐层扫描打印固化，在打印每层时，采用在水平面内直线移动投影系统所得的投影幅面来完成每层所要打印的整个图案，且使投影幅面按预设路径进行水平直线移动；移动时，控制系统实时获得投影幅面所投射区域的坐标位置，且控制投影系统投射出与所述坐标位置处对应的局部图案，完成局部图案的打印固化。本发明采用在水平面内直线移动投影系统所得的投影幅面，即移动式DLP投影，其能实现大幅面的光固化三维打印，且保证了投影仪自身的打印精度以及高效率，使整个产品的打印精度提高，而移动式投影拥有较大的光功率密度，保证了移动式投影的高效率。本发明中的投影仪可以为DLP(DigitalLightProcession)投影仪、LED(lightemittingdiode)投影仪、LCoS(liquidcrystalonsilicons)投影仪、LCD(liquidcrystaldisplay)投影仪、UV(ultraviolet)投影仪其中的一个或几个的阵列。上述投影幅面的预设路径一般为：先沿一个方向如X方向运动，从头到尾扫描后，再步进式移动Y方向，一般是在Y向平移一个投影幅面的宽度尺寸，再重复进行X方向的扫描。该预设路径也可以为：环形路径由外向内逐层打印完整个图案；或者折线路径等。预设路径的设置还是根据本层所要打印的整体图案来设置，以提高效率为准。上述投影幅面的运行方式可为连续移动式运行，即投影幅面连续运动，此时需要控制投影幅面的水平移动与投影幅面所投射区域对应的局部图案的同步性，需要精确的控制，以及局部图案的细致划分，该连续移动式扫描效率高。上述投影幅面的运行方式也可以为间隙停顿式运行，间隙停顿式运行具体地为：投影幅面每次移动一个局部图案对应区域的间隙，移动到对应局部图案处停留，此时投影系统进行投射，曝光一定时间，以完成此处的曝光固化，再关闭投影系统，然后移动至下一个局部图案处，再次停留进行投射曝光固化。间隙停顿式运行其控制系统简单，易于实现。具体地：如图1所示，图中A1指光固化三维打印装置所能成型的水平面最大范围，B1指投影系统所投射出的投影幅面的最大范围；图中具有剖面线的C1图案即指本层(按照层厚经过切片后某一层对应的截面图案)所要打印的整个图案。从图中可以看出投影仪出光的最大投影范围远远小于3D打印机的最大成型范围，下面讲述如何用移动投影技术实现该层图案的曝光过程。以投影系统中投影仪左下角点的坐标为投影出投影幅面的坐标，当投影幅面移动到任意位置时，如图1中B1处，此时投影幅面所投射出的图案为图中B1框在整个图案中所截得的图案，如图2所示即为该位置截得的局部图案。投影幅面在移动过程中，投射出的图案会随着位置的变化而不断的刷新变化，即每到一个新的位置，控制系统会控制投影仪投影出该位置截得的局部图案，如图2所示。下面借用像素这一概念来进一步描述本发明的三维打印方法，即移动式扫描打印方法。如下图3所示，A1框即多边形ABCD为光固化三维打印装置水平面最大成型范围，AB方向定义为X方向，AD方向定义为Y方向。五边形即C1框为待打印图案的轮廓，实际打印的区域为五边形内部包络的空间。多边形MNPQ是DLP投影仪(本实施例以DLP投影仪为例)所投射出的投影幅面最大成型范围，图中D1代表一个像素点，像素点由图中的四个折线的顶点连成，假定每个像素点在工作平面是X方向长为c、Y方向长为d的矩形，DLP投影仪分辨率为α×β(其取决于数字微镜元件DMD的分辨率，比如1024x768,1920x1080)，DLP投影仪成像范围即投影幅面(a,b)满足：在A1所示的光固化三维打印装置最大成型范围内，根据DLP投影仪在投影幅面每个像素的尺寸大小(c,d)，将A1框内空间按该像素尺寸划分成相应的像素，而要打印图案所对应的像素点即是需要曝光的。当DLP投影仪投影出的投影幅面移动到某一位置时，该位置所对应的像素点即被曝光，曝光的像素点被点亮并控制其曝光时间，使其满足树脂固化的要求。进一步解释：如图3所示，假设光固化三维打印装置水平面最大成型范围：AB＝m,BC＝n，则可以将整个最大打印区域划分成如图中密集点为顶点的四边形构建的多个像素，整个区域的像素相当于：X方向个像素点，Y方向个像素点。本发明通过投影幅面移动扫描的方式，可以理解为像素数量得到大幅增加，故打印精度得到大大提升。举例说明，DLP投影仪分辨率为1920x1080P的，当DLP投影仪所投射出的投影幅面尺寸是96x54mm时，单个像素尺寸为50μm(＝96/1920mm)，传统的方法若更换镜头，使投影幅面达到192x108mm，则单个像素尺寸精度变为100μm，而使用移动投影幅面的方式，即移动式DLP投影，不论投影幅面多大，分辨率仍然是DLP投影仪的分辨率50μm。相当于是将光固化三维打印的整个幅面，分成了远远超过原有分辨率1920x1080P很多个的像素点，也就可以理解为本发明的像素数量得到大幅增加，故打印精度得到大大提升。如图3所示，假设DLP投影仪投影出的投影幅面B1朝着X正方向直线运动，移动速度为v，多边形M0N0P0Q0构成初始的投影幅面，初始位置M0(0,0)，则投影幅面B1移动一个像素的时间为则要求DLP投影仪投射出的图案刷新频率要足够快，刷新图案的时间要不大于移动一个像素的时间，故DLP投影仪图案的刷新频率要求满足：而在在打印C1所指图案轮廓边界时，可能会出现不足一个像素的情况，此时，通过灰度补偿来实现半个像素或不足半个像素的曝光投影。即：在打印每层时，控制系统需根据投影幅面水平移动的速度，以及投影幅面所投射区域对应的图案数据对DLP投影系统进行灰度调节。也就是指：为保证在整个光固化三维打印加工范围内，任一曝光部分像素点的曝光时间累计达到固化成型所需控制的时间值。灰度的意思是对图像进行灰度处理，无灰度就是纯白色，即DLP投影仪最亮，有灰度的部分(根据灰度等级)，就会变灰(亮度变低)，灰度等级达到饱和程度就是纯白色变成纯黑色。对基于投影式的光固化三维打印来说，经过灰度处理的主要影响是造成DLP投影仪中同一幅图案不同位置亮度的变化，具体与灰度处理算法相关。特别是在靠近图案边界的地方，投影的图案灰度的处理稍微复杂一些，总体来说仍然是投影幅面B1中所截得的图案，根据DLP投影仪的水平移动方式和速度，来控制其图像的灰度特征。灰度补偿用于处理图案边界部分，减少其锯齿，使图案边界平滑过渡。根据光固化树脂的特征，光固化的效果与其固化能量相关。控制系统控制在光固化三维打印装置平面成型范围内任何一个曝光部分的像素的固化时间，保证曝光部分每个像素点达到材料所需固化的时间。如图4所示，本发明还提供一种基于投影式的光固化三维打印装置，其包括：盛放液态树脂的树脂槽1，置于树脂槽1内与竖直升降机构5相连可升降的三维打印平台2，以及液位平衡机构等，该些结构均是现有技术中常用的结构，在此不作详述；以及完成投影扫描的DLP投影系统、控制系统，所述DLP投影系统包括DLP投影仪3、带动所述DLP投影仪3在同一平面内沿任意方向移动的滑动机构以及检测DLP投影仪3实时位置的位置传感器，竖直升降机构5以及所述DLP投影仪3、滑动机构和位置传感器均与所述控制系统相连。本发明的光固化三维打印装置，能使DLP投影仪在一平面内任意向移动，也就是实现了DLP投影仪投射出的投影幅面在打印层上任意移动，这样就能完成大幅面图案的打印固化，提高了整体精度和工作效率。如图4所示为本发明的光固化三维打印装置的一具体实施例，上述DLP投影系统置于树脂槽1的正上方，即DLP投影仪3置于树脂槽的正上方，其为上投影方式。此时本装置还包括设在树脂槽1上的与所述控制系统相连的涂覆机构6。上述滑动机构的具体结构为：包括X向导轨41和Y向导轨42，以及可沿所述X向导轨41和/或Y向导轨滑动42的滑块43，驱动所述滑块43沿X向导轨41滑动的第一电机45，驱动所述滑块43沿Y向导轨42滑动的第二电机44，DLP投影仪3安装在所述滑块43上。具体地，本实施例将滑块43穿设在十字滑动轨上，十字滑动轨包括X向滑轨47和Y向滑轨46，X向滑轨47两端滑动设置在上述Y向导轨上，在第二电机44的带动下沿Y向导轨移动，Y向滑轨46两端滑动设置在上述X向导轨41上，在第一电机45的带动下沿X向导轨41移动，通过十字滑动轨实现了滑块在平面内沿X向和/或Y向运动、XY耦合方向运动。本实施例可通过丝杠导轨将第一电机、第二电机的旋转运动转换成X方向或Y方向的直线运动；也可以通过同步带轮等方式驱动，此为常见技术在此不作详述。本发明中的滑动机构也可以为其他能实现带动DLP投影仪3在同一平面内沿任意方向移动的结构，并不限定为上述结构。为实现精确获得DLP投影仪的坐标位置，上述位置传感器为直线编码器，如光栅尺等；上述位置传感器也可以指电机自身带的编码器来检测DLP投影仪的位置。上述DLP投影仪也可以由LED(lightemittingdiode)投影仪，LCoS(liquidcrystalonsilicons)投影仪,LCD(liquidcrystaldisplay)投影仪，UV(ultraviolet)投影仪的其中一个的阵列替代，或者由几个阵列组合替代。本发明在打印时，首先，受控于竖直升降机构5的三维打印平台2位于树脂液面上，在上面移动扫描固化出第一层，第一层扫描时通过上述滑动机构来带动DLP投影仪3在同一平面内沿任意向运动，即沿X向、Y向或XY耦合向运动，完成该层图案的扫描固化，具体扫描方法如上述的本发明的光固化三维打印方法；接着，三维打印平台2下降一层，树脂的液位保持不变，涂覆机构6使得刚固化的一层上涂上一薄层树脂；DLP投影仪3在上面扫描固化出第二层，并与上一层粘结在一起，第二层的扫描打印也采用移动上述DLP投影仪完成，如此依次固化出模型的各个截面，直至制作出整个模型。本发明的基于投影式的光固化三维打印装置的第二实施例，其与上述实施例不同之处在于：本实施例中的DLP投影系统置于树脂槽的正下方，且树脂槽的底面为透明底面，即本实施例为底部投影方式，本实施例中无需涂覆机构，其由下往上逐层投影打印。本实施中的各机构与上述实施例相同，除了将DLP投影系统置于树脂槽的正下方，DLP投影仪向上照射外。在此对其他结构不再逐一描述。本发明的基于投影式的光固化三维打印装置的第三实施例，其与第一实施例不同之处在于：所述DLP投影系统置于树脂槽的一侧，在DLP投影仪所投射的光路上设置反射镜，通过反射镜将DLP投影仪所投射的光路反射成竖直方向射入树脂槽内。本实施例中的结构也与第一实施例基本相同，除了增加反射镜外，上述滑动机构的设置方向可能由水平向变成竖直向，使DLP投影仪在竖直平面内移动。即上述X向导轨或Y向导轨可能变成Z向导轨，只是方向设置的改变，其具体结构零件还是相同的。在此不作详述。综上所述，本发明的基于投影式的光固化三维打印方法及打印装置，其采用在水平面内直线移动DLP投影系统所得的投影幅面，即移动式DLP投影，其能实现大幅面的光固化三维打印，且保证了DLP投影仪自身的打印精度以及高效率，使整个产品的打印精度提高，而移动式投影拥有较大的光功率密度，保证了移动式投影的高效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。