光敏材料供给方法及基于DLP原理的3D打印机系统与流程

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种光敏材料供给方法及实现该方法的基于DLP原理的3D打印机系统。

背景技术：

3D打印技术，又称为增材制造技术或快速成型技术，是以3D数字模型为基础，采用可粘黏材料，如金属或塑料粉末、塑料线材、光敏树脂等，通过逐层打印的方式来构造实体的技术。其基本步骤为使用计算机构建3D模型，再将3D模型进行切片，以分为成百上千个薄层，最后使用3D打印机逐层打印出来，直至叠加形成实体。与传统的制造技术相比，3D打印技术具有几个突出优势：无需机械加工或任何模具，极大的减少了制造时间和材料成本；由于其逐层加工、累积成型的特点，制造几乎不受结构复杂度的限制；模型设计十分简单，能够根据用户个性化的需求随时更改。

目前，3D打印技术包括熔融沉积技术FDM、三维打印粘结技术3DP、激光选区烧结技术SLS、光固化立体成型技术SLA和数字光处理技术DLP等，这几种打印成型方式各有特点，具有不同的适用范围。其中FDM、3DP、SLS和SLA等快速成型制造技术，无论使用喷头挤出、激光烧结或激光固化材料，都只能在一个小区域打印，由点到线、由线到面，最后逐层叠加；然而DLP投影使用的数字微镜元件DMD是由无数个小镜片阵列组成的，每一个小镜片可以独立控制一个小区域打印，整个元件可以投射出所需形状的光束，每次能够完成一个层面的打印，并且打印时间与面积大小无关，因而打印速度远高于FDM、SLS和SLA等技术。

基于DLP原理的3D打印机一般包括投影系统、成型部件和升降机构三个部分，投影系统为DLP投影装置，动态投射出具有形状特征的光束；在光束作用下，液态的光敏材料直接发生聚合固化或引发剂被激发引发光敏材料聚合固化。按光源位置可将此类3D打印机分为上投影和下投影两种，上投影的打印方式：光直接照射在样品的最上层，不需要将样品与样品池分离，但是由于表面张力导致溶液表面不平整，会影响打印质量，一般需要加一个刮板；工作时必须保证样品台绝对水平，否则样品台与液面不平行，每一层不同部位的厚度都不均一。下投影的打印方式：紫外光穿透样品池底部，使样品台与样品池之间的液态光敏材料固化成型，并且要求样品池底部透光率高，且易与成型样品分离；样品台与样品池底部相对平行，以保证中间液体层厚均一。目前在下投影的打印方式中，都是加入过量的光敏材料到样品池中以满足打印需求，然而这样会导致样品池内的液面高度较高，因而成型样品会浸泡在光敏材料的液体中，当曝光时间过长时，会使得超过预设打印层厚的液体固化，因此会影响打印精度。并且理论上，曝光时间越久，光线穿透深度越深，单次固化打印层厚的实际厚度将越厚，如果能控制光敏材料的液体厚度为一个较低的恒定值，尤其是能够控制液体厚度为单层模型切片的理论打印厚度，那么单次打印的实际层厚将基本不受曝光时间长短的影响，进而可以大大提高z轴的打印精度。因而如和控制样品池内光敏材料的液面高度恒定，一直是目前此类3D打印机需要解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种可以控制3D打印机中的样品池内光敏材料的液面高度恒定的光敏材料供给方法及一种实现该方法的基于DLP原理的3D打印机系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：光敏材料供给方法，用于基于DLP原理的3D打印机上控制打印用光敏材料的供给量，包括如下步骤：

A、建立待打印样品的数字3D模型；

B、对数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i，并且单层模型切片N_i的厚度为h，其中i表示从数字3D模型的底端至顶端方向进行计数时，对应模型切片N_i所在的层次；

C、计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i；

D、从数字3D模型的底端至顶端按照模型切片N_i逐层进行打印，并且在每一层模型切片N_i打印完成后向3D打印机中的样品池内加入体积为V_i的光敏材料，之后再进行下一层模型切片N_i+1的打印，直到整个待打印样品打印完成。

进一步的是：在步骤C中，首先计算出每层模型切片N_i所对应的打印面积S_i，然后根据V_i＝S_i×h计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i。

进一步的是：在步骤D中，每一层模型切片N_i的打印过程依次包括光固化成型阶段、样品提升阶段和光敏材料补充阶段。

进一步的是：在步骤D中，在打印数字3D模型中最底层的模型切片N₁时，设置样品池内光敏材料的液体深度与单层模型切片的厚度h一致。

进一步的是：设置样品池内光敏材料的液体深度为单层模型切片的厚度h的1.1倍～1.2倍。

另外，本发明还提供一种用于实现上述光敏材料供给方法的基于DLP原理的3D打印机系统，包括3D打印机主体、数字3D模型处理系统和光敏材料供给系统，

所述数字3D模型处理系统分别与3D打印机主体和光敏材料供给系统信号连通；

所述数字3D模型处理系统用于建立待打印样品的数字3D模型、对数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i和计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i；

所述光敏材料供给系统可根据每层模型切片N_i所对应的体积V_i逐次向3D打印机主体中的样品池内加入光敏材料。

进一步的是：所述光敏材料供给系统为注射泵。

进一步的是：所述数字3D模型处理系统可分别控制3D打印机主体和光敏材料供给系统。

本发明的有益效果是：本发明通过在对数字3D模型进行切片处理后，直接对每层模型切片N_i进行计算以获取其对应的体积V_i；进而可在每层模型切片打印完成后、下一层模型切片打印前向3D打印机中的样品池内加入相应量的光敏材料，即每次加入光敏材料的量根据相应层的模型切片所对应的体积V_i来控制，这样即可保证在每层模型切片打印时样品池内的光敏材料的液面高度恒定。并且进一步通过设置初始时样品池内的光敏材料的液体深度与单层模型切片的厚度h一致的情况，还可实现在每层模型切片打印的过程中确保样品池内的光敏材料的液体深度均为单层模型切片的厚度，这样可大大的提高模型打印的精度。

附图说明

图1为本发明所述的光敏材料供给方法的流程图；

图2为基于DLP原理的3D打印机系统的连接关系示意图；

图3为基于DLP原理的3D打印机系统的各系统之间的连接关系图；

图4为对数字3D模型进行切片处理的示例图；

图5为图4中第20层模型切片的平面视图；

图中标记为：3D打印机主体1、数字3D模型处理系统2、光敏材料供给系统3、样品池4、提升电机5、紫外投影装置6、供液管7、样品台8、打印样品9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。其中，本发明所述的光敏材料供给方法是用于基于DLP原理的3D打印机上控制光敏材料的供给量，其中的光敏材料实际为一种液体材料，通过DLP原理的3D打印机实现光固化打印成型。

如图1至5中所示，本发明所述的光敏材料供给方法，包括如下步骤：

A、建立待打印样品的数字3D模型；

B、对数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i，并且单层模型切片N_i的厚度为h，其中i表示从数字3D模型的底端至顶端方向进行计数时，对应模型切片N_i所在的层次；

C、计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i；

D、从数字3D模型的底端至顶端按照模型切片N_i逐层进行打印，并且在每一层模型切片N_i打印完成后向3D打印机中的样品池4内加入体积为V_i的光敏材料，之后再进行下一层模型切片N_i+1的打印，直到整个待打印样品打印完成。

在上述步骤A中，对于待打印样品的数字3D模型的建立方式至少可以可采用如下三种方式之一：

第一种、根据待打印样品的实际尺寸或设计尺寸数据，直接运用三维绘图软件绘制出数字3D模型；

第二种、利用三维扫描仪器，扫描已有实体得到其表面信息，然后还原为数字3D模型；

第三种、利用CT、MRI等断层扫描设备，获取已有实体整体结构信息，然后处理还原为数字3D模型。

在上述步骤B中，对于单层切片的厚度h，一般可结合所采用的3D打印机的参数而定，h的取值设置可以为1um-1000um，更优选为10um-100um，如可取h＝20um；当然，不失一般性，也可根据实际情况调整相应的单层切片的厚度h。通过设置单层切片的厚度h后，可将数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i，其中i表示从数字3D模型的底端至顶端方向进行计数时，该模型切片所在的层次。如参照附图4中所示，即是将相应的数字3D模型从低端至顶端按照单层切片的厚度h进行切片处理，而附图5所示的即为其取中i＝20时的模型切片N₂₀，即是从该数字3D模型的底端起的第20层模型切片的平面图；从附图5中所示的情况，该层模型切片N₂₀实际对应的打印区域为中部的黑色圆形部分。

在上述步骤C中，则是根据所获得的模型切片N_i，计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i。当然，针对每层模型切片N_i所对应的体积V_i的计算处理可直接由对数字3D模型进行切片处理的系统或者相应的处理软件直接计算得出。另外，在计算体积V_i时还可通过首先计算出每层模型切片N_i的打印面积S_i，然后根据V_i＝S_i×h计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i。如以附图5中所示的图示为例，可先计算出该模型切片N₂₀所对应的打印面积S₂₀，其中S₂₀即为附图5中所示的模型切片N₂₀中部的黑色圆形部分对应的面积；然后再根据V₂₀＝S₂₀×h最终计算出该层模型切片N₂₀所对应的体积V₂₀。

在上述对模型切片的数据信息获取之后，即可用3D打印机对各层模型切片N_i逐层进行打印。并且，在每打印完一层模型切片N_i后，相应地向3D打印机中的样品池4内加入体积为V_i的光敏材料，之后循环进行下一层模型切片N_i+1的打印，直到所有层的模型切片打印完成，即直到整个待打印样品打印完成为止。

更具体的，每一层模型切片N_i的打印过程可依次包括如下三个阶段：光固化成型阶段、样品提升阶段和光敏材料补充阶段。具体可参照附图1中局部区域所示：其中光固化成型阶段，是通过相应的紫外投影装置6将位于样品池4内的光敏材料进行照射以使其固化成型；而样品提升阶段则是待固化成型阶段完成后再通过相应的提升电机5将以固化成型的打印样品9提升一定的高度，并且一般提升高度为单层模型切片的厚度h；最后，进行光敏材料补充阶段，即当打印样品9被提升后，位于样品池4内的光敏材料的液面将会降低，因此本发明中进一步增加了对样品池4内的光敏材料的补充阶段，即向样品池4内补充相应量的光敏材料，以保持样品池4内的液面高度在打印样品9提升后仍然能恢复原有液面高度；即实现了在对每一层模型切片N_i进行打印的过程中，样品池4内的光敏材料的液面高度始终为恒定状态。

更具体的，本发明还可进一步在步骤D中，在打印数字3D模型中最底层的模型切片N₁时，设置样品池4内光敏材料的液体深度与单层模型切片的厚度h一致。这样，可使得每次打印相应层的模型切片N_i时样品池4内的光敏材料的液体深度均为单层模型切片的厚度h，以此可大大地提高打印机的打印精度。当然，不失一般性，在实际处理过程中，可设置样品池4内的光敏材料的液体深度略高于单层模型切片厚度h，这样可避免因成型表面粘附或材料蒸发等因素导致实际的液体深度出现低于h的情况，进而避免由此导致的打印模型不连续的问题；例如，可设置样品池4内的光敏材料的液体深度为单层模型切片厚度h的1.1倍～1.2倍。当然，在初始打印实物的3D模型时，通过设置样品池4内光敏材料的液体深度与单层模型切片厚度h相等的情况下，对于第一层模型切片N₁的打印，应当将样品台8的底面刚好与样品池内光敏材料的液面相贴。

另外，参照附图2和3中所示，本发明还提供一种可实现上述光敏材料供给方法的基于DLP原理的3D打印机系统；包括3D打印机主体1、数字3D模型处理系统2和光敏材料供给系统3，

所述数字3D模型处理系统2分别与3D打印机主体1和光敏材料供给系统3信号连通；

所述数字3D模型处理系统2用于建立待打印样品的数字3D模型、对数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i和计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i；

所述光敏材料供给系统3可根据每层模型切片N_i所对应的体积V_i逐次向3D打印机主体1中的样品池4内加入光敏材料。

其中，数字3D模型处理系统2，指的是可以对数字3D模型进行相应处理的系统，如建立待打印样品的数字3D模型、对数字3D模型进行切片处理以得到多层模型切片N_i和计算出每层模型切片N_i所对应的体积V_i等，并可在对数字3D模型进行相应的处理后，还可将相应的数据输送给3D打印机主体1以及光敏材料供给系统3。

更具体的，数字3D模型处理系统2在对数字3D模型进行处理后，应当通过数字3D模型处理系统2分别与3D打印机主体1和光敏材料供给系统3的信号连接关系分别将相应的数据输送给3D打印机主体1以及光敏材料供给系统3，以使得相应数据可作为3D打印机主体1进行对实体3D模型打印的数据以及作为光敏材料供给系统3向3D打印机主体1逐次供给光敏材料的数据。当然，不失一般性，还可通过数字3D模型处理系统2直接控制3D打印机主体1和光敏材料供给系统3进行工作，进而实现由数字3D模型处理系统2控制3D打印机主体1和光敏材料供给系统3的同步工作，即确保光敏材料供给系统3在3D打印机主体1打印对应层的模型切片N_i后及时供给相应量的光敏材料量V_i。

本发明所述的3D打印机系统是在常规的基于DLP原理的3D打印机的基础上增加设置有相应的光敏材料供给系统3，同时通过将光敏材料供给系统3与数字3D模型处理系统2进行信号连接，这样可通过数字3D模型处理系统2对数字3D模型进行切片处理并计算各模型切片N_i对应的体积V_i后将相应的数据信息输送给光敏材料供给系统3，进而可精确控制光敏材料供给系统3针对每层模型切片N_i打印完成后向样品池4内加入光敏材料的供给量，进而最终保证在每层模型切片N_i打印时样品池4内的光敏材料的液面高度恒定。

更具体的，本发明还可优选所述光敏材料供给系统3为注射泵，可提高其控制光敏材料供给量的精度。相应的，只需要将数字3D模型处理系统2与注射泵上相应的控制器进行信号连通即可。