基于3D打印技术的积分球及其制作方法与流程

本发明涉及光学与激光光谱学领域，尤其涉及一种采用3d打印技术设计与实现的可小型化与一体化、高度与角度可调节的积分球。

背景技术：

积分球是一个空心的三维结构球型腔体，其内表面呈几何球形面，内部材料或覆盖有漫反射的白色中性均匀反射涂层，在不同的应用中也被称之为光度球或通量球等。球壁上，为了应用需求开有几个通光孔。这些确定孔径的通光孔用作入光孔，以及接收光放置需要的光接收通孔。这些通光孔的孔径尺寸由其在光学与激光光谱学领域中使用的具体需求来确定。积分球的内壁应为良好高反射率的漫散射表面。也可以为了特殊用途制备成所需的形状和尺寸。进入积分球的光被内壁多次反射，尤其是漫反射，所需的大波段范围内不同波长的入射光线具有几乎相同的漫反射比，按照漫射朗伯定则，从而在内壁上以及积分球的内部立体空间里面任何地方，形成均匀强度的特定波长与特性的光或者激光的照明。为了获得更高的内部光强，积分球的内壁反射率需要尽可能大、孔径应尽可能小。另外，积分球的孔径比，一般被定义为，积分球开口面积与球总内壁面积之比，这样的孔径比可用来计算在积分球内的功率以及小孔输入以及输出的光功率的比例关系。特别在内壁高反射率条件下，利用了积分球内部漫反射的特性，积分球是用来对光的散射或发射的光进行高效收集的一种光学装置，此外，也用于光学与激光光谱学领域的特定需求，包括在量子计量领域，应用于实现积分球冷却原子钟。

传统的积分球加工，包括金属加工两个半球后，在具有一定粗糙度的均匀内壁，镀铝、银等介质膜，然后集成在一起。或者用特殊专用漫散射材料加工而成。然而，积分球的内壁表面要求的光滑度、积分球的整体结构的对称性与一致性，和其组件的中性要求使得其在制造过程中面临很大的挑战。由于积分球内部要求粗糙度小、形位公差要求高，传统的机加工方式无法加工一体化空心球体，因此需要将球体分为a、b两个半球，分别进行加工，然后再通过螺钉等方式固定在一起，两个半球的贴合缝隙精度要求很高，其漏光也影响反射效果，这样就带来加工成本高、周期长。因此，使用现有的传统方法进行积分球设计与制作时，需要将整体的球体分开加工，精度不易控制，结构调整不便利，积分球结构改进升级加工制造周期长、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种基于3d打印技术的积分球及其制作方法，将3d打印技术应用于小型化、可调节的积分球设计与打印加工中，避免了现有技术对积分球机械加工的复杂方式，不用对球体进行分为两半加工，解决了积分球制作周期长、成本高等技术问题。

与现有的积分球相比，本发明的基于3d打印技术的积分球具有的新颖性和创造性为：

本发明提供的基于3d打印技术制作的积分球可在无屏蔽环境中正常工作，在入射光源不均匀分布或光束偏移所造成的误差，使用积分球作为光学扩散器使得误差变小。本积分球不仅可用于测试光源的光通量、色温、光效等参数，也可用于光学、激光光谱学领域的特定需求，比如量子计量领域，应用与实现积分球原子钟。本发明基于3d打印技术制作的积分球体积小，结构更加紧凑，球体的高度、角度等均可调节，体积可变化。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种积分球，为采用3d打印技术制作的积分球。

进一步地，该积分球的材质包括但不限于增强尼龙、聚四氟乙烯或聚乳酸。

一种积分球的制作方法，采用3d打印技术制作积分球，制作步骤包括：

1)采用3d设计软件对用于3d打印的积分球及其支架进行建模，生成设计文件，再将该设计文件格式转换为3d打印机可读的文件格式，并导入到3d打印机中；

2)3d打印机通过读取设计文件中的积分球的截面信息，用粉状或片状的原材料直接或间接打印积分球实体；间接打印是指将积分球的截面逐层打印出来，再粘合打印出的各层截面来制得积分球实体。

进一步地，间接打印时，通过高功率激光束扫描积分球的各层截面，使各层截面结合在一起制成积分球实体。

进一步地，3d打印机利用支架对积分球进行固定，该支架可沿x、y、z三维方向移动调节和旋转。

进一步地，在利用3d打印机打印积分球前，设置用于支撑积分球的线性支撑结构和用于使积分球贴合打印平台的底板；积分球打印完成后，拆除线性支撑结构和底板。

进一步地，所述原材料包括但不限于增强尼龙、聚四氟乙烯或聚乳酸。

进一步地，将设计文件格式转换为3d打印机可读的stl文件格式。

进一步地，3d设计软件包括但不限于catia或ug；3d打印机选用但不限于闪铸dreamernx3d打印机，采用但不限于flashprint闪铸切片软件。

与现有的积分球制作方法相比，本发明基于3d打印技术制作积分球具有的新颖性和创造性为：

(一)本发明在制作过程中由于采取3d打印技术设计并直接打印，该方法相比现有传统机加工复杂制作，克服了使用现有传统机加工方式将球体分为两半分别加工再组装，加工程序多，周期长、成本高，且通用性差等问题。同时本发明提供的3d打印技术制作的积分球实现了体积进一步缩小，结构也更加紧凑、高度、角度等均可调节。本发明的积分球制作方法适用于所有种类的积分球制作。

(二)本发明实施例采用的工艺技术突破了传统机加工面对加工一体化空心球体的局限，解决了使用现有传统积分球加工方式，将球体分为两半加工、周期长、成本高等技术问题。

(三)对应与制作方法过程和工艺技术，带来制作材料上与传统的积分球材料相比更环保、耗材线径稳定、韧度高。本发明的实施例中，积分球内部采用白色反光聚四氟乙烯，使激光在积分球内部经过多次反射后非常均匀地散射在积分球内部。

(四)制作积分球时，积分球支架在x、y、z三维方向均可移动调节和旋转，使得积分球接收光源更加灵活、便捷。

本发明提出的基于3d打印技术的积分球及其制作方法，将3d打印技术应用于小型化、可调节的积分球设计与打印加工中，避免了现有技术对积分球机械加工的复杂方式，不用对球体进行分为两半加工，解决了现有技术制作积分球所存在的制作周期长、成本高等技术问题。

附图说明

图1a-1c为使用3d设计软件对积分球进行建模的正投影图(前视图，俯视图，左视图)；

图2为为使用3d设计软件对积分球进行建模的立体模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施例中的积分球只用于对本发明进行进一步的说明，本发明在此情形下，不能理解为对本发明保护范围的限制，另外，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

本发明提供一种基于3d打印技术制作的积分球，使用3d打印技术设计并直接打印，该积分球可一体化，可调节尺寸，制作步骤如下：

步骤一：采用3d设计软件(如catia\ug)设计积分球及其支架，生成设计文件，该积分球模型如图1a-1c的正投影图和图2的立体图所示；然后将设计文件格式转换为3d打印机能读的stl文件，导入到3d打印机中；

步骤二：3d打印机通过读取设计文件中的截面信息，用粉状或片状的原材料直接或间接打印积分球；间接打印积分球为先将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而直接打印制造出一个积分球实体。

其中，3d打印机中的积分球支架在x、y、z三维方向上均可移动调节和旋转，使得积分球接收光源更加灵活、便捷。片状或粉末状原材料通过高功率激光束扫描结合在一起，形成坚固的固状结构，即积分球实体。

在制作材料上，所使用的原材料为增强尼龙、聚四氟乙烯、聚乳酸或3d打印中的其他材料，其中聚四氟乙烯的酸碱性呈中性，具有一系列优良的使用性能，包括：耐高温，可长期在200～260℃下使用；耐低温，在-100℃时仍柔软；耐腐蚀，能耐王水和一切有机溶剂；耐老化，塑料中最佳的老化寿命；高润滑，具有塑料中最小的摩擦系数(0.04)，比冰还要光滑；不粘性，具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害，具有生理惰性；优异的电气性能，是理想的c级绝缘材料，报纸厚的一层就能阻挡1500v的高压。也可以采用各种3d打印可用的具体材料按照确定的程序进行打印制作。所以在制作过程、工艺技术、制作材料等方面，本发明的3d技术直接制作的积分球完全不同于复杂的传统的机械加工制作的积分球。

以下列举一个具体的实施例：

本实施例利用3d打印技术直接制作积分球，具体采用闪铸dreamernx3d打印机；原材料包括：pla(聚乳酸)-500g-白色耗材(环保、耗材线径稳定、韧度高)；app采用flashprint；3d建模采用catia；打印模块包括：高度可调节支架、固定三角架。高度可调节支架为由3d打印3只横梁、两只竖梁的u型结构，然后通过螺钉、螺母紧固。固定三角架模块由三角架和螺钉、螺母组成。具体制作步骤如下：

1)构建模型

使用catia建模软件来完成3d建模，即积分球、高度可调节支架、固定三角架三个模块模型的构建，积分球体积为205mm×125mm×217.8mm。

通过catia自主设计好3d模型后，将设计文件导出为3d打印机能读的stl文件。

2)处理模型

将stl文件导入flashprint闪铸切片软件中，物体会显示在屏幕上，通过移动、旋转、缩放等功能调节好模型的空间位置。设置线性支撑，因为积分球模型有悬空的部分，所以需要设置支撑来达到打印效果，支撑类型有树状和线性，由于线性支撑便于打印与拆除，所以这里选择线性支撑。设置底板，打印底板可以使模型更好地贴合在打印平台上，也方便后续打印完成后产品的取出。

3)打印模型

将flashprint软件通过wifi连接方式连接到到dreamernx。打印设置时，有低质量/标准/高质量三种方案可选择，高质量方案的成型效果更好，但速度更慢；低质量的方案则刚刚相反。这里选择高质量模式来打印，喷头温度设置为220℃，打印速度设置为60，其它默认设置即可。将设置完成后的模型导入打印机，完成pla耗材进丝、打印平台调平等操作并等待设备预热完成后，设备就会开始逐层打印以进行3d模型的实体转化。3d打印机通过读取stl文件中的积分球的截面信息，用粉状或片状的原材料直接打印出积分球实体。其中，打印机打出的截面的厚度(即z方向)以及平面方向即x-y方向的分辨率是以dpi(像素/英寸)或者微米来计算的，一般的厚度为100微米。打印完成后，从打印机中取出产品并拆除其支撑与底板，这样就得到了所需的3d打印的积分球产品。

上述公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，不同的打印机、各种不同材料、尺寸的积分球设计和加工替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。