用于提升光固化对比度的光源、树脂池以及3d打印机的制作方法
【专利摘要】本申请提供用于提升光固化对比度的光源，包括基板，设置于所述基板一侧的反光碗，设置于所述基板上且位于所述反光碗的焦点处的发光元件。此外，本申请提供了一种采用上述光源的树脂池，包括透明的底壁，设置于所述底壁上的周壁以及设置于所述底壁外部的如上所述的光源。本申请还提供了采用上述光源或者树脂池的光固化3D打印机。本申请提供的光源、树脂池以及光固化3D打印机的光路短且简洁，不会大量占用3D打印机的内部空间，利于3D打印机的小型化、家庭化。此外，所提供的光源、树脂池以及光固化3D打印机的光照强度、光线均匀度和平行度以及光固化对比度均有显著提升，以使得其能够更为有效的利用能源。
【专利说明】
用于提升光固化对比度的光源、树脂池以及3D打印机
技术领域
[0001] 本发明涉及3D打印机领域，特别涉及用于提升光固化对比度的光源，采用该光源 的树脂池，以及包括所述树脂池的3D打印机。
【背景技术】
[0002] 在3D打印技术中，较为常见的是光固化快速成型技术，其利用液体状态的光敏树 脂(UV)在光照下发生聚合反应，以光源按照待固化实体的截面形状进行照射，使液态光敏 树脂逐层固化成型后累积叠加，最终形成固化实体。
[0003] 目前，一些光固化打印机采用LCD液晶显示单元显示待打印物品的横截面图案，然 后利用光源照射LCD液晶显示单元，光线透过LCD显示单元后，使树脂池中的液态光敏树脂 固化成相应的形状。
[0004] 如图1所示，在本
【申请人】提出的国际专利申请PCT/CN2015/081785(申请日：2015年 6月18日）中记载了一种IXD型3D打印机，其包括具有透镜的LED光源1'、透明树脂池2'、覆设 于树脂池底壁的菲涅尔透镜3'、设置于树脂池内且位于菲涅尔透镜3'上方的LCD液晶显示 单元4'、位于树脂池上方的用于承载固话成形物体的承载单元5'。
[0005] LED光源经过透镜后，光线的平行度得到了一定提升，但是发散现象仍然存在。照 射到LCD液晶显示单元4'的中心部分的光强较大，边缘部分光强较小，中心部分至边缘部分 的光强度呈线性分布，因此照射到整个LCD液晶显示单元4'上的光均匀度较低。经过实验测 试，IXD液晶显示单元4'中间部分光强度比边缘部分光强度大一倍以上。
[0006] 光敏树脂固化时需要以一定光强度的光照射一定时间，为了方便描述，设某种光 敏树脂在3D打印过程中固化一层时所需光强为2000lux，固化时间为1 Os。由于照射至LCD液 晶显示单元4'的光均匀度较低，因此可以假设LCD液晶显示单元4'的中心部分的光强度为 20001ux、边缘部分的光强度为lOOOlux，于是IXD液晶显示单元4'中心部位上方的液态树脂 受到光照射l〇s后固化成型，而边缘部分的树脂的可能处于不完全固化状态，甚至是液态。 在10s时，因整个固化物体的不同部位固化状态不一样，而导致各部位的密度不一致，如此 就降低了光固化成型精度。
[0007] 不仅如此，从图1可知，为了获得一定区域的有效光照面积，LED光源1'与LCD液晶 显示单元4'之间必须满足相隔一定距离。倘若LED光源1'上移一段距离，其发出的光照射在 LCD液晶显示单元4'上的有效光照面积将减小，从而导致可固化物体的横截面尺寸减小，光 源1'至LCD液晶显示单元4'的距离大于150mm。因此，目前的LCD型3D打印机光路系统繁冗， 为了保持光源发射的光线能够具有最大均匀度和有效光照面积，不得不占用3D打印机在竖 直方向上的空间，以导致3D打印机的机身尺寸增大，制造成本增加。
【发明内容】
[0008] 鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于提升光固化对比度的光源，包 括基板，设置于所述基板一侧的反光碗，设置于所述基板上且位于所述反光碗的焦点处的 发光元件。
[0009] 在本发明的一些实施方式中，所述反光碗具有多个且呈阵列式设置于所述基板， 所述发光元件具有多个且设置于所述每一个反光碗的焦点处。
[0010] 在本发明的一些实施方式中，所述的用于提升光固化对比度的光源包括设置于所 述基板另一侧的散热片或者散热扇。
[0011] 为了使得光源能够在最佳温度下工作，在本发明的一些实施方式中，所述基板的 另一侧设置有供液体或气体流动的第一腔室，所述第一腔室具有流入孔和流出孔，以实现 用液体或者气体吸收光源散发出的热量。由于液体的比热容一般大于气体，因此采用液体 更为理想，该液体可以是冷却水。
[0012] 本发明还提供了一种用于提升光固化对比度的树脂池，包括透明的底壁，设置于 所述底壁上的周壁，设置于所述底壁外部的如上所述的任何一种用于光固化3D打印机的光 源。
[0013] 在本发明的一些实施方式中，所述的用于提升光固化对比度的树脂池包括设置于 所述底壁且位于所述树脂池内的LCD液晶显示单元，所述发光元件至所述LCD液晶显示单元 的距离r小于30mm。
[0014]采用反光碗和发光元件(可以采用LED灯)组成的光源能够直接设置在树脂池的底 壁上，因此其可以与LCD液晶显示单元相距小于30mm，甚至可以更具光照强度的需要，将光 源紧紧贴着树脂池底壁设置。
[0015]在本发明的一些实施方式中，所述LCD液晶显示单元与所述底壁之间形成第二腔 室，所述底壁上开设有与所述第二腔室相通的流入孔和流出孔。
[0016] 在本发明的一些实施方式中，所述第二腔室用于容纳冷却液，所述透明的底壁的 折射率与所述冷却液的折射率相同或接近。
[0017] 在本发明的一些实施方式中，所述第一腔室的流入孔和外部进液/气管路连通，所 述第二腔室的流出孔和外部出液/气管路连通，所述第一腔室的流出孔和所述第二腔室的 流入孔通过管路连通;或
[0018] 所述第一腔室的流出孔和外部出液/气管路连通，所述第二腔室的流入孔和外部 进液/气管路连通，所述第一腔室的流入孔和所述第二腔室的流出孔通过管路连通。
[0019] 此外，本发明提供了一种光固化3D打印机，包括如上所述的任何一种光源或者如 上所述的任何一种采用该光源的树脂池。
[0020] 本发明提供的光源、树脂池和光固化3D打印机的有益效果在于：
[0021 ] 1、采用反光碗和发光元件的配合方式，以省略透镜和菲涅尔透镜，使得光路缩短， 光路系统简洁，因此该光源能够直接地设置于树脂池的底壁上，不会再大量占用3D打印机 的内部空间。
[0022] 2、发光元件所发射的光线经由反光碗均匀、平行后，平行光线所占比例增加，光线 之间的平行度也大幅提升。
[0023] 3、采用该种光源、树脂池时，IXD液晶显示单元上的光照强度显著增加，相比于现 有技术能够提高25倍以上。
[0024] 4、光固化对比度显著提升，即光源发射的光线的绝大部分能够照射于LCD显示单 元所呈现的图像上，照射于图像外的光线大幅减小。现有技术的光固化对比度为50:1~ 100:1，本发明为500:1。因此，该光源、树脂池以及采用其的3D打印机固化相同的物体时，消 耗的电能更低，利于桌面化、家庭化，符合国家节能降耗政策。
【附图说明】
[0025]图1为现有的光固化3D打印机结构示意图；
[0026] 图2为本发明一实施方式的光源的结构示意图（单个LED灯）；
[0027] 图3为本发明一实施方式的光源的结构示意图（阵列式LED灯）；
[0028] 图4为本发明一实施方式的具有第一腔室的光源的剖视图；
[0029] 图5为本发明一实施方式的具有第一腔室的光源的俯视图（去除发光元件）；
[0030] 图6为本发明一实施方式的树脂池的结构示意图；
[0031 ]图7为本发明另一实施方式的树脂池的剖视图；
[0032]图8为图7中所述树脂池的立体图。
【具体实施方式】
[0033]为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发 明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各 种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够 更透彻的理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0034]参照图2,本发明一实施方式提供了一种用于提升光固化对比度的光源，其包括基 板1、反光碗2以及发光元件3。反光碗2设置于基板1的一侧(上侧），且反光碗2具有截面呈抛 物线状的周壁以及位于中部焦点处的孔。发光元件3采用LED灯，其设置于基板1上且位于反 光碗2中部焦点处的孔中。因此，设置后的LED灯3发出的发散光线，经过反光碗2的反射作用 后，变成多束平行光线。
[0035]参照图3,为了增强光源的光照强度且保证光源发射的光线为平行光线，可以在基 板1上阵列式地设置多个反光碗2。以图3为例，多个反光碗2阵列式的以8行11列（8 X 11)的 方式连续分布。多个LED灯3设置于每一个反光碗2焦点处。工作时，多个LED灯3产生大量热， 为了解决这一问题，本实施例在基板1的另一侧(下侧)设置了多块散热板4。当然，本领域技 术人员应当能够理解，还可以采用散热扇代替散热板。
[0036]参照图4~5,在本发明的一种实施方式中，基板1内设置有供液体或气体流动的第 一腔室5。该第一腔室5具有流入孔51和流出孔52。因此，向第一腔室5内输送液体或者气体 的时候，该液体或气体就能够吸收多个LED灯3产生的热量，以达到散热的目的。输送液体的 效果要优于输送气体，输送的液体可以为冷水。
[0037]如图6所示，本发明提供了一种采用上述光源的用于光固化3D打印机的树脂池，包 括透明的底壁6,设置于底壁6上的周壁7以及光源。所述光源可以采用上述单个LED灯3或阵 列式的多个LED灯3光源，该光源可以具有散热板4或散热扇或第一容腔5,以实现散热的目 的。应当能够理解，当采用单个LED灯3作为光源时，由于产生的热量较小，也可以不考虑散 热问题，只通过空气自然流动以实现散热即可。
[0038]继续参照图6,在另外一种实施方式中，可以将IXD液晶显示单元8设置在树脂池的 底壁6上。由于树脂池的底壁6是透明的，所以光源发射的光线能够直接照射LCD液晶显示单 元8〇
[0039] 单个LED灯3发出的光强度空间分布可表示为( | ;，其中，1〇为LED灯的 发光面在法线上的光强度，k为何法线方向成任意角度P方向的光强。
[0040] 若忽略LED自身的面积大小，则得到LED光源与LCD显示单元距离为r时，其发射的 光线在LCD液晶显示单元8上的光强分布：
[0042]因此，发光面(LED)发出的光线在LCD显示单元上产生的光照强度随着出射角供的 增大而迅速衰减。
[0043]现有的光固化3D打印机的光路系统至LCD液晶显示单元8的距离较大（即r值较 大），则需要增大光源的发光功率，才能保证LCD液晶显示单元8上的光强度值满足光敏树脂 固化要求。而本实施方式提供的光固化3D打印机的树脂池下部设置的光源具有基板1、反光 碗2以及发光元件3,发光元件3距离LCD液晶显示单元8的距离小于30mm，甚至可以紧紧贴在 树脂池底壁6上。此时，反光碗2提升光线的均匀度，且光线辐射在LCD液晶显示单元8中心处 和边缘的强度基本相当，不会出现随着光线的出射角口的增大而迅速衰减的现象。另外，该 种光源不再需要设置透镜，采用这种光源的树脂池的底壁6上也不再需要覆设菲涅尔透镜。 [0044]图7示意性地显示了本发明另一个实施方式所提供的树脂池，其中，LCD液晶显示 单元8与底壁6之间形成第二腔室9,所述底壁6上开设有与所述第二腔室9相通的流入孔和 流出孔。同样地，可以向第二腔室9内输送液体或者气体的时候，该液体或气体能够吸收LCD 液晶显示单元8产生的热量，以达到散热的目的。输送液体的效果要优于输送气体，输送的 液体可以为冷水。
[0045] 图8所示的为一种和LCD液晶显示单元8匹配的流道冷却基板10。先将流道冷却基 板10安装在树脂池内，然后将LCD液晶显示单元8设置在其上方。流道冷却基板10的整个表 面形成有曲折的供液体流动的流道11。因此，位于流道冷却基板10和LCD显示单元8的之间 的流道11实际上相当于第二腔室9。
[0046] 流道冷却基板10和IXD液晶显示单元8通过胶粘接固定在一起。由于目前采用市场 上现有的LCD液晶显示单元8更为廉价，因此采用胶粘接固定。本领域技术人员应当能够理 解，如果LCD液晶显示单元8为按照流道冷却基板10的尺寸定制，那么可以采用胶粘接和机 械固定双重稳固措施。
[0047] 在一种变形的实施方式中，树脂池的底壁6可以直接设置如图8中所示的流道11， 然后安装IXD液晶显示单元8至树脂池内。
[0048] 在图8所示的实施方式中，采用的冷却液体的折射率和流道冷却基板10的折射率 一致或接近的。这样设置的目的是使其最大程度地提高光固化成型精度，以避免由于折射 率不一致而在光固化成型物体的表面呈现出流道11的痕迹。
[0049] 为了进一步简化光源和树脂池的结构，在一个较为优选的实施方式中，第一腔室5 的流入孔和外部进液/气管路连通，第二腔室9的流出孔和外部出液/气管路连通，并且将第 一腔室5的流出孔和第二腔室9的流入孔通过管路连通。或者，第一腔室5的流出孔和外部出 液/气管路连通，第二腔室9的流入孔和外部进液/气管路连通，第一腔室5的流入孔和所述 第二腔室9的流出孔通过管路连通。
[0050] 如上所示，可以通过一条管路完成对LED灯3和液晶LCD显示单元8进行散热，以使 得光源和包括该光源的树脂池所占用的空间被压缩，那么采用该树脂池的光固化3D打印机 就不必设置庞大的内部空间用于容纳光路系统，光固化3D打印机的制造成本显著降低，更 适于桌面化、家用化。
[0051]本领域技术人员应当能够理解，按照上述描述的光源结构和树脂池结构，可以制 造光固化3D打印机，其可以包括具有竖直设置的导轨框架、设置于所述框架内的如前所述 的任一种结构简单的光源或采用该光源的树脂池、能够沿所述导轨移动且位于所述树脂池 上方的承载单元。本发明提供的光固化3D打印机的光源至LCD液晶显示单元8的距离相较于 现有光固化3D打印机缩小了 5倍以上，光源照射至LCD液晶显示单元8的光强度提高了 25倍 以上，与此同时，其体积大幅减小。
[0052]光固化对比度为以LCD液晶显示单元8显示待打印物体的横截面时，光源发出的照 射至其显示的图案内的光线的光强度数值与照射至图案外的光线的光强度数值之比。光固 化对比度越高，则表明光源的利用率越高。采用上述光源或树脂池的光固化3D打印机的光 线平行度高，其光固化对比度值能够达到500:1，远远高于现有的LCD型光固化3D打印机的 光固化对比度值50:1~100:1。
[0053]以上对本发明的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏 离本发明范围（由所附的权利要求书限定）的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变 化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或 详细说明中的实施范例。
【主权项】
1. 用于提升光固化对比度的光源，其特征在于，包括： 基板； 设置于所述基板一侧的反光碗； 设置于所述基板上且位于所述反光碗的焦点处的发光元件。2. 根据权利要求1所述的用于提升光固化对比度的光源，其特征在于： 所述反光碗具有多个且呈阵列式设置于所述基板； 所述发光元件具有多个且设置于所述每一个反光碗的焦点处。3. 根据权利要求1所述的用于提升光固化对比度的光源，其特征在于，包括： 设置于所述基板另一侧的散热片或者散热扇。4. 根据权利要求1所述的用于提升光固化对比度的光源，其特征在于： 所述基板的另一侧设置有供液体或气体流动的第一腔室，所述第一腔室具有流入孔和 流出孔。5. 用于提升光固化对比度的树脂池，其特征在于，包括： 透明的底壁； 设置于所述底壁上的周壁； 设置于所述底壁外部的如权利要求1~5中任一项所述的用于光固化3D打印机的光源。6. 根据权利要求5所述的用于提升光固化对比度的树脂池，其特征在于，包括： 设置于所述底壁且位于所述树脂池内的LCD液晶显示单元； 所述发光元件至所述IXD液晶显示单元的距离r小于30mm。7. 根据权利要求6所述的用于提升光固化对比度的树脂池，其特征在于： 所述LCD液晶显示单元与所述底壁之间形成第二腔室，所述底壁上开设有与所述第二 腔室相通的流入孔和流出孔。8. 根据权利要求6所述的用于提升光固化对比度的树脂池，其特征在于： 所述第二腔室用于容纳冷却液； 所述透明的底壁的折射率与所述冷却液的折射率相同或接近。9. 根据权利要求7所述的用于提升光固化对比度的树脂池，其特征在于： 所述第一腔室的流入孔和外部进液/气管路连通； 所述第二腔室的流出孔和外部出液/气管路连通； 所述第一腔室的流出孔和所述第二腔室的流入孔通过管路连通;或 所述第一腔室的流出孔和外部出液/气管路连通； 所述第二腔室的流入孔和外部进液/气管路连通； 所述第一腔室的流入孔和所述第二腔室的流出孔通过管路连通。10. 光固化3D打印机，其特征在于，包括： 如权利要求1~4中任一项所述的光源;或 如权利要求5~9中任一项所述的树脂池。
【文档编号】F21V29/503GK105881901SQ201610235883
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】许蓓蓓, 李厚民, 刘振亮, 朱凯强
【申请人】北京金达雷科技有限公司