一种DLP光固化增材制造表面质量提高方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种dlp光固化增材制造表面质量提高方法，能够有效提高单一dlp光源光固化增材制造的表面质量，减少后续处理工序。

背景技术：

光固化(photocuring)是指单体、低聚体或聚合体基质在光诱导下的固化过程，具有高效、适应性广、经济、节能、环保的特点，一般用于成膜过程，光谱中能量最高的紫外光产生的活化能，能够使不饱和聚酯树脂的c—c键断裂，产生自由基从而使树脂固化；当不饱和聚酯树脂中加入光敏剂后，用紫外线或可见光作能源引发，能使树脂很快发生交联反应。

增材制造(additivemanufacturing，am)俗称3d打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除－切削、组装的加工模式不同，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。近二十年来，am技术取得了快速的发展，“快速原型制造(rapidprototyping)”、“三维打印(3dprinting)”、“实体自由制造(solidfree-formfabrication)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3d打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。

目前光固化增材制造主要有sla(立体光刻成型)和dlp(数字光处理)面固化两种方式，其中sla的原理是利用激光或紫外光束扫描固化光敏树脂，由多条扫描线形成面，面叠加形成三维实体，虽然耗时较长但是表面质量较高，可以直接应用于浇铸系统或者模型开发；dlp是以数字技术投影技术将切片图形整体投影到树脂层上，一次形成固化层，中国专利201810491007.6公开的一种dlp光固化3d打印方法包括以下步骤：s1，将三维模型输入电脑中；s2，将s1中的电脑与dlp光固化3d打印机数据连接，电脑将三维模型形成数控编程，并将数控编程输送至dlp光固化3d打印机中；s3，s2中的dlp光固化3d打印机进行三维打印；s4，将s3中打印好的三维模型从dlp光固化3d打印机中取出；s5，将s4中形成的三维模型放入清洗液中进行清洗；上述方法中采用的dlp光固化3d打印机包括支撑机构、打印机体、第一打印机构、防护机构、第二打印机构和脱模机构；所述打印机体的顶部固定所述第一打印机构，且所述打印机体的顶部安装所述支撑机构；所述支撑机构的顶部滑动连接用于模型脱模的所述脱模机构；所述第一打印机构连接两个用于进行同时打印的所述第二打印机构；所述打印机体的顶部固定用于去除异味和避免打印模型受到干扰的所述防护机构；中国专利201810098843.8公开的一种基于dlp的光固化成型设备包括底座，所述底座的上方设有成型槽，所述成型槽内填充有液态光敏树脂，所述成型槽与底座之间连接有两相对称的第一弹簧，所述底座的上表面关于成型槽对称连接有两块支撑板，两块所述支撑板的上端共同连接有顶板，所述顶板的上表面固定连接有工控机及工控机一侧的控制器，所述顶板的下表面的中心处固定连接有dlp投影系统，所述dlp投影系统的一侧设有升降装置，所述升降装置固定连接在顶板的下表面，所述升降装置远离顶板的一端连接有升降台，所述升降台位于成型槽中，所述底座的侧壁上连接有散热器，所述成型槽的侧壁通过进液管连通至散热器的进液口，所述散热器的出液口通过出液管连通成型槽的侧壁，所述进液管内设有微型水泵；中国专利201710907987.9公开的一种dlp光固化快速成型边缘处理方法包括：将三维模型切片成型；观察成型现象，获取成像面边缘光晕大小和成型模型边缘固化状况；获取模型轮廓线，并按定值调整所述模型轮廓线的宽度，得到带宽度的轮廓边缘线；在所述带宽度的轮廓边缘线所围成的封闭区域内，进行正常绘图填充，在所述带宽度的轮廓边缘线内，按照预设目标灰度进行绘图填充，构成切片图，进行成型；中国专利201710485789.8公开的一种基于dlp光固化的大幅面快速3d打印方法，采用四组dlp投影系统构件一个大型幅面投影系统(简称大幅面投影系统)，大幅面投影系统在计算机统一控制下逐层连续播放365-405nmuv光图像，紫外光图像使得光敏树脂逐层固化，z轴打印平台逐层下降，如此往复迭代从而形成三维物体；为了提高打印速度，通过确定浓度的高压氧气来抑制气泡的产生且形成非固化死区，在死区以及高压氧气的作用下液面能够保持稳定，同时在平衡箱以及液面激光测距仪的作用下，在uv光图像连续曝光下进行快速三维打印；中国专利201710200627.5公开的一种义齿蜡型dlp光固化3d打印方法包括以下步骤：第一、获取义齿蜡型的三维数字模型，利用cad/cam软件将义齿蜡型的三维数字模型按照预定的厚度进行分层，制作多个分层图像；第二、将第一步骤中制作的多个分层图像输入义齿蜡型dlp光固化3d打印机；其中，所述的义齿蜡型dlp光固化3d打印机包括材料腔、工作台、工作台驱动装置、控制单元和光源，所述的工作台设置在材料腔的上方，所述的光源设置在材料腔的下方，所述的光源包括led安装板和led阵列，所述的led阵列安装在所述的led安装板上；所述的材料腔内装有光敏材料液体；所述的工作台与所述的工作台驱动装置连接，所述的工作台驱动装置能够带动所述工作台在前后、左右和上下这三个维度上自由运动；所述的工作台驱动装置和所述的光源分别与所述的控制单元连接，所述的控制单元控制所述的工作台驱动装置进而控制所述的工作台的运动方向、运动距离和运动速度；所述的控制单元还控制所述光源的光强和温度；第三、所述的控制单元控制所述的工作台驱动装置带动所述的工作台进入所述的材料腔，使所述的工作台的底面与所述的材料腔的底部水平内壁面之间的距离为第一步骤中预定的一个分层的厚度，所述的工作台的底面与所述的材料腔的底部水平内壁面之间的空隙充满光敏材料液体；所述的控制单元进一步控制所述光源开启led阵列中的部分led发光二极管，被开启led发光二极管与所述的义齿蜡型dlp光固化3d打印机接收到的多个分层图像中的第一个相对应，led发光二极管发出的光线使所述的工作台的底面与所述的材料腔的底部水平内壁面之间的光敏材料液体光固化，完成第一个分层图像的制作；随后所述的控制单元控制所述的工作台驱动装置带动所述的工作台逐渐上升，每上升一个预定的分层厚度则所述的控制单元控制所述光源开启led阵列中的与对应的分层图像相对应的部分led发光二极管，逐层完成所有分层图像的制作，最终完成义齿蜡型的制作；上述专利和现有技术中的dlp采用的是面光源，面光源的指向性不如激光或紫外激光，由于普通光在透明介质传播时会发生折射、散射等现象，在光进入光敏树脂层时会在成像边缘出现光晕，然而光晕的强度与蔓延距离不可控制，光晕区域的树脂固化会导致模型成形边缘粗糙，整体粗糙度提高，精度降低。基于现有dlp固化增材制造零件表面质量较低的主要原因研发一种dlp光固化增材制造表面质量提高方法，很有社会和经济价值。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种dlp光固化增材制造表面质量提高方法，有效提高dlp光固化增材制造零件表面精度，减小表面粗糙度。

为了实现上述目的，本发明涉及的dlp光固化增材制造表面质量提高方法的工艺过程为：

一、使用计算机对三维数字模型进行切片处理，通过单层三维数字模型切片数据，获得三维数字模型内部区域与三维数字模型轮廓边缘；

二、将三维数字模型的外部轮廓向内部法线方向缩小偏移0.5-1个光束固化宽度，得到光束固化扫描路径，将光束固化扫描路径向内部法线方向偏移0.5-1个光束固化宽度，得到dlp固化内部边界；

三、将三维数字模型置于工作台，使用dlp灯组对dlp固化内部边界的内部进行dlp固化，得到固化区域，同时，在dlp固化内部边界的外部产生由光晕蔓延造成的dlp固化边界，利用扫描振镜控制激光边界扫描灯组的光束使光束沿光束固化扫描路径扫描，得到三维数字模型的外部轮廓区域，外部轮廓区域中的部分区域与dlp固化边界重叠，将固化区域与外部轮廓区域连接。

本发明通过研究单一dlp边缘固化状况，计算得出边缘固化光晕蔓延固化距离，使缩小偏移的光束固化宽度小于光晕蔓延固化距离，以达到三维数字模型的内部区域边界与三维数字模型轮廓边缘扫描影响区域相互重叠。

本发明与现有技术相比，首先对三维数字模型进行切片处理，获取三维数字模型内部区域和边缘轮廓，然后分别对三维数字模型内部区域和边缘轮廓进行数据处理，获取光束固化扫描路径和dlp固化内部边界，最后，在dlp固化内部边界的内部进行dlp固化，得到固化区域，利用扫描振镜控制光束沿光束固化扫描路径扫描，得到三维数字模型的外部轮廓区域，外部轮廓区域中的部分区域与dlp固化边界重叠，将固化区域与外部轮廓区域连接；其原理科学可靠，固化过程简单，在现有dlp光组模块的基础上增加单一光束与扫描振镜模块，通过每层的三维模型切片图形进行处理得到三维数字模型内部区域与轮廓边缘，分别通过dlp光源固化内部区域，扫描振镜控制光束固化轮廓边缘，能够有效提高现有dlp光源光固化增材制造的表面质量，减少后续处理工序。

附图说明：

图1为本发明实施例1涉及的三维数字模型的边缘示意图。

图2为本发明实施例1涉及的三维数字模型dlp光固化后的边界状态示意图。

图3为本发明实施例1涉及的三维数字模型扫描振镜光束固化后的边界状态示意图。

图4为本发明实施例1涉及的三维数字模型固化过程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的dlp光固化增材制造表面质量提高方法的工艺过程为：

使用计算机对三维数字模型切片，得到三维数字模型的外部轮廓1；

根据dlp光束固化状态，确定光束固化宽度；

将三维数字模型的外部轮廓1延向内法线方向偏移半个光束固化宽度，得到光束固化扫描路径2，将光束固化扫描路径2延向内法线方向偏移半个光束固化宽度，得到dlp固化内部边界3；

将三维数字模型置于工作台10，使用dlp灯组8对dlp固化内部边界3的内部进行dlp固化，得到固化区域4，同时，在dlp固化内部边界3的外部产生由光晕蔓延造成的dlp固化边界5；

利用扫描振镜控制激光边界扫描灯组9的光束使光束沿光束固化扫描路径2扫描，得到三维数字模型的外部轮廓区域6，外部轮廓区域6中的部分区域7与dlp固化边界5重叠，将固化区域4与外部轮廓区域6连接。