专利名称：采用投影技术的快速成型的方法
技术领域：
本发明属于制造领域，特别涉及采用现代投影技术和计算机图形处理技术，在液态光敏树脂表面上进行光照固化成型，快速形成三维实体的方法。
背景技术：
快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)是计算机控制技术诞生以来产生的快速化、智能化的新型成型方法，掀起了制造行业的一场革命。围绕采用计算机控制技术产生了一系列快速成型方法。如US4575330公开的技术方案，美国DTM公司研制的SLS(Selective Laser Sintering)法，美国的Scott Crump工程师发明的FDM(Fused Deposition Mfg)法，美国Gropp等公司开发的LOM(Laminated Object Mfg)法，日本三菱公司的SL(Stereolithography)法，以色列的CUBITAL公司提出的SGC(Solid Ground Curing)法，麻省理工学院的Emanuel Sachs等发明的3D Printing法，中国华北工学院提出的变长线扫描SLS方法和高功率激光二极管线阵能量源SLS方法等等。上述发明或技术的一个共同特点是在计算机控制下二维成形，通过叠加形成三维实体。相对于通过传统机械加工(车、削、铣、钻、磨等)手段将零件毛坯上多余材料去除掉的所谓材料去除法(Material Decrease)有了进一步改进，上述这些方法统称材料递增法(Material Increase)。目前，各种方法的关键问题都集中在制造成本、制造速度和制造精度等方面。
在诸多的RP方法中，发展较快、应用较广的是液态光敏树脂选择性固化成型方法。与此相关的方法主要是SL法和SGC法。SL法又称立体光刻法，这种方法使用紫外光束或紫外激光束扫描液态光敏树脂并固化成型。该方法由扫描一条条的线组成面，再叠加成三维实体，因而耗时较长，成型速度较慢。若是用激光束扫描，由于激光管昂贵且寿命有限，此方法的一次性投入和运行成本都较高；紫外光束扫描，虽能降低成本，但光斑较大，使光敏树脂固化成型精度大为降低。SGC法也称为掩膜(Mask)固化法，它使用类似投影胶片的漏光板，通过漏光板产生零件的光影并辐照在液态光敏树脂表面使液态光敏树脂固化成型，这种方法虽能一张张地直接固化树脂面并叠加形成三维实体，提高了成型速度。但成片树脂在固化时收缩集中，造成成型精度较差，更突出的问题是使用该方法需要事先为成型零件的每一层制作一张漏光板，因而程序繁杂、使用成本较高，加上自动化程度较低，因此该方法一直没有被推广使用。
发明内容
本发明的目的是针对SL法和SGC法固化液态光敏树脂成型存在的问题，综合采用现代投影技术、计算机图形处理技术等，将紫外光束或紫外激光束扫描装置用投影机替换，提供一种采用投影技术的快速成型方法。
本发明的采用投影技术快速成型方法的步骤包括从三维实体的“切片”模型数据，经计算机光栅图形处理技术生成可用于直接投影的数字光栅图形数据，经数字图像投影机转化、生成数字光学信号，并经不同的时间和空间形式调整后照射到光敏树脂液面并使被照射的树脂固化成型。这是一个信息、能量和物质结构与形态转化和变化的过程，沿计算机生成照射数据、成型照射光源系统成像和树脂照射与固化流程。
(1).数据获取借助计算机辅助设计软件或实体测量设备等工具获得物体的数字三维实体模型(如采用STL格式表示的三维实体模型)数据，并将此数据输入到成型机的计算机中，对输入的三维实体模型数据进行处理，将三维模型沿三维坐标轴方向中的任意一方向(通常是三维坐标轴中的Z轴方向)分层切片(即采用对应的X-Y平面与三维实体模型相交得到的交线图形)，得到一组二维切片信息，其中每个切片的形状是一个由若干封闭区域(一般用按顺时针方向首尾相连的一组直线段表示，对于其中可能存在的“孔洞”区域则用按逆时针方向首尾相连的一组直线段表示)组成的图形。
(2).成型(2.1)层准备光照前在树脂液槽的液态树脂液面准备好一薄层(一般是0.1～1毫米)待固化的光敏树脂。
刚开始成型前，这一层光敏树脂就是制件托盘之上的一层光敏树脂；待一层光敏树脂固化后，升降机通过驱动托盘适当下降一层距离，以恰好在已固化层之上再准备好一薄层待固化的树脂，一个水平往复运动的刮刀用来消除由于光敏树脂粘性和表面张力产生的树脂层不均匀问题，并保证薄层光敏树脂液面位置的稳定性和液面的平整性。
(2.2)层照射与固化这是本方法涉及的物体成型的关键过程，包含三点内容。
(2.2.1)形成“切片”截面照射图形首先，利用计算机光栅图形处理技术从步骤(1)得到的一组二维切片图形信息中，沿模型分层方向(如Z轴方向)逐个顺序显示切片的子集图形，并将该图形数据通过连接信道直接输出到与计算机连接的投影机；(2.2.2)“切片”图形的面照射投影机将逐个从步骤(2.2.1)获得的切片子集图形数据转变为图形的光学信号，以静态图形直接持续照射到光敏树脂液面，并使光敏树脂固化。计算机与投影机之间的连接信道通常是连接线，整个过程无须机械式地光束扫描。
(2.2.3)减少树脂固化误差的方式在同一光敏树脂层成型过程中，为了减少光敏树脂层的(面)固化误差，可多次重复步骤(2.2.1)和步骤(2.2.2)。
(2.3)层层固化、堆积成型当光敏树脂一层固化成型后，成型机重复进行步骤(2.1)、步骤(2.2)中的步骤，直至整个制件形成。
(3).后处理制件成型后，对制件进行的辅助处理工艺，包括制件的取出、清洗、去除支撑、磨光、表面喷涂等。
所述的投影机是一台投影机或一台以上投影机的组合。
所述的投影机的投影包括LCD模式、DMD模式。
所述的投影机的光源包含高压汞灯、电弧灯、碘钨灯、日光灯、白炽灯、金卤灯、UHP灯、UHE灯或氙灯。
所述的灯的功率是50W～10KW，波长范围为40nm～800nm。
所述的每个辐照平面由若干个不同形状、相互独立的微平面组成，或由无穷个点组成。
所述的每个单层的成型(制件成型顶层相对于光敏树脂液面的位置不变)是通过2次或2次以上，每次光照时间在0.01秒至100秒之间，以使单层光敏树脂完全固化为准。
本发明充分利用了现有快速成型方法的设备，但将其中紫外光束或紫外激光束产生与扫描装置用投影机替换，其快速成型机由3部分组成1、投影机系统采用基于透射式、反射式液晶技术，或数字式微反射镜器件(DMD)的DLP技术等的投影机。
位置固定的单机系统或带步进电机驱动机械可水平移动的单机系统或由多个投影机组合的多机系统。
2、计算机系统具有处理与显示数字三维模型和二值光栅图形能力的计算机系统。
3、其它部分成型过程必备的光敏树脂及其液槽，刮刀、升降机与托盘、光敏树脂自动补偿装置、电源系统以及使上述部分协调工作的连接部件等。
本发明方法的工作流程如图1所示。首先由计算机系统获取要成型物体的三维模型数据，将该三维模型分成一组切片图形的数据，通过投影机系统将切片图形照射到光敏树脂液面上使表层光敏树脂固化，机械控制系统对成型光敏树脂表面进行处理并形成新一层的光敏树脂液面以便于下次成型之用，层层固化直至形成整个物品。本发明快速成型机的结构如图2所示，快速成型机主要由计算机系统、投影机系统、机械控制系统组成。本发明的一种照射图案如图3所示。用于本发明方法的计算机控制软件流程如图4所示，计算机生成照射图案并控制实体成型的流程。
本发明具有如下特点1.计算机生成照射数据(1)利用成熟的计算机光栅图形技术生成“切片”的二值静止点阵图形，并可以简单的对应关系(如一对一)将其直接用于驱动投影机转化为照射光敏树脂液面的光学图像(其实是光点阵列)，无须生成以覆盖“切片”为目的的遍历扫描序列，无须生成控制光束对光敏树脂液面进行线性扫描的指令序列。
(2)采用由数个覆盖“切片”但互不相连的“点”(近似数学上的封闭连通区域)组成的图形照射光敏树脂液面，使各“点”同时独立地固化。通过多次(最少两次，多次不限)上述照射将整个“切片”固化。
2.成型照射光源(1)采用各种基于透射式、反射式液晶(LCD)技术及采用数字式微反射镜器件(DMD)的DLP技术等(但不限于此)的投影成像装置。各种点光源，如高压汞灯、电弧灯、日光灯、金卤灯、UHP灯、UHE灯或氙灯等(不限于此)作为成型光源。
(2)采用投影技术以辐照方式照射、固化光敏树脂，无须进行光束扫描以及无须配套设备，(3)通过调整镜头放大或缩小照射图像，可容易地控制和调节成型的尺寸与精度。
(4)通过并列投影装置与计算机控制配合，容易实现多个投影机的组合与拼接，可方便地调整成型尺寸与精度。
3.照射与固化方法(1)以面照射而不是点或线照射，显著地提高了成型速度。
(2)以静态图形持续照射而不是动态图形瞬时照射，可方便地控制光照射量，对于光源的类型、能量有很大的选择范围。
本发明的方法可应用于建筑设计、机械模具设计、塑料模具设计、样品展示等众多领域。
本发明的快速成型方法，有许多突出的特点，克服了其它快速成型方法难以逾越的弊端，可使快速成型技术达到一个新的水平。下面通过实例具体地说明本发明的特点和效果，但不代表本快速成型方法的全部。
图1.本发明方法的工作流程示意图。
图2.本发明所用快速成型机的结构示意图。
图3.本发明照射图形示意图。
图4.用于本发明方法的计算机控制软件流程图。
附图标记1.投影机 2.物体数字三维模型3.计算机 4.升降机5.刮刀6.液槽7.制件8.托盘9.投影图形10.液面11.“切片”边界 12.“点”13.孔洞 14.未被“点”覆盖的部分具体实施方式
实施例1快速成型机的结构如图2所示，在液槽6中装入50kg DuPont SOMOS 6100光敏固化树脂，在计算机3中装入TGC-1控制软件(TGC-1控制软件流程如图4所示)，可通过计算机显示器显示物体的数字三维模型2；与计算机相连接的投影机1位于托盘8的上方，托盘上的光敏树脂由液槽6提供，为保持托盘6上的光敏树脂液面10与投影机的距离恒定，使投影图形9在光敏树脂液面上的图形大小保持一样，托盘8的升降由升降机4调整；一个水平往复运动的刮刀5安装在液槽6之上，保证薄层光敏树脂液面位置的稳定性和液面的平整性。
照射图形如图3所示，物体覆盖“切片”边界为11，由数个覆盖“切片”但互不相连的“点”12组成的图形照射光敏树脂液面，使各“点”同时独立地固化。通过多次上述照射将整个“切片”固化；未被“点”覆盖的部分为14，物体的孔洞为13。
本发明方法的工作流程如图1所示。
(1)TGC-1控制软件对输入的制件三维模型数据进行处理，将三维模型沿三维坐标轴方向中的Z轴方向分层切片，从而得到一组二维切片信息，其中每个切片的形状是一个由若干区域(其中可能有“孔洞”)组成的图形。
(2)将步骤(1)得到的一组二维切片信息，利用TGC-1控制软件沿模型分层Z轴方向逐一显示每个切片，并将数据通过信号线直接输出到与计算机连接的投影机；投影机将获得的“切片”光栅图形数据转变为图形的光学信号，以静态图形直接持续照射到光敏树脂的液面，并使光敏树脂固化。
(3)当光敏树脂一层固化成型后，成型机重复进行步骤(2)，直至TGC-1控制软件将得到的模型的一组二维切片信息处理、传输完毕，整个制件形成。
制件成型完成后，将制件从液槽中取出、清洗。
投影机参数三片DMD反射方式，分辨率为1024×768，光源功率10KW的高压汞灯，波长40nm～800nm。
控制参数辐照面积200mm×200mm成型物体形状立方体成型物体尺寸100mm×100mm×100mm成型物体形成过程的每层厚度0.1mm成型实体总辐照次数3000次每次辐照时间0.5秒试验结果成型时间40分(含层准备的刮平动作和切换辐照图形所需时间)实体尺寸99.46m×99.46m×99.83mm成型精度X轴0.19％Y轴0.19％Z轴0.11％。
实施例2快速成型机的结构以及快速成型方法如实施例1。
投影机参数三片LCD透射方式，分辨率为800×600，光源500W，碘钨灯，波长40nm～800nm。
控制参数辐照面积150mm×150mm成型形状立方体成型尺寸100mm×100mm×100mm支撑尺寸100mm×100mm×10mm成型物体形成过程的每层厚度0.1mm辐照次数支撑50次成型实体总辐照次数10000次每次辐照时间1.0秒试验结果成型时间270分(含层准备的刮平动作和切换辐照图形所需时间)
实体尺寸99.66mm×9.66mm×99.85mm成型精度X轴0.34％Y轴0.34％Z轴0.15％注支撑是为便于使制件与托盘容易分离或使制件垂悬部分不下坠而在三维模型中设计的支架式的辅助结构。
实施例3快速成型机的结构以及快速成型方法如实施例1。
投影机参数三片LCD反射方式，分辨率为1024×768，光源50W，UHP灯，波长40nm～800nm。
控制参数辐照面积120mm×120mm成型形状立方体成型尺寸100mm×100mm×100mm支撑尺寸100mm×100mm×10mm成型物体形成过程的每层厚度0.1mm辐照次数支撑50次成型实体总辐照次数10000次每次辐照时间1.0秒试验结果成型时间386分(含层准备的刮平动作和切换辐照图形所需时间)实体尺寸99.66mm×9.66mm×99.85mm成型精度X轴0.21％Y轴0.21％Z轴0.13％。
权利要求
1.一种采用投影技术的快速成型的方法，包括数据获取、成型、制件成型后处理，其特征是成型机的投影机将获取的一组物体模型的二维切片信息的图形数字信号，转换为照射到光敏树脂的液面的光学信号，以静态图形直接持续照射，并使光敏树脂固化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的投影机获取的一组物体模型的二维切片信息的图形数字信号，是成型机的计算机对输入的实体三维模型数据进行处理，将三维模型沿三维坐标轴方向中的任意一方向分层切片，从而得到一组二维切片信息，其中每个切片的形状是一个由若干区域组成的图形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的层照射与固化步骤是(1)形成切片截面照射图形将成型机的计算机得到的一组二维切片信息，利用计算机光栅图形处理技术沿模型分层方向逐一显示每个切片，并将数据通过信号线直接输出到与计算机连接的投影机；(2)切片图形的面照射投影机将逐一从步骤(1)获得的切片光栅图形数据转变为图形的光学信号，以静态图形直接持续照射到光敏树脂的液面，并使光敏树脂固化；(3)层层固化、堆积成型当光敏树脂一层固化成型后，成型机重复进行步骤(1)、步骤(2)，直至计算机将得到的模型的一组二维切片信息处理、传输完毕，整个制件形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的同一光敏树脂层成型过程中，步骤(1)显示每个切片的子集图形，并将数据通过信号线直接输出到与计算机连接的投影机；及步骤(2)投影机将步骤(1)获得的切片子集图形数据转变为静止图形的光学信号，直接照射到光敏树脂的液面，并使光敏树脂固化的步骤重复执行在1次以上。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是所述的投影机的投影包括LCD模式、DMD模式。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是所述的投影机是一台投影机或一台以上投影机的组合。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征是所述的投影机的光源包含高压汞灯、电弧灯、碘钨灯、日光灯、白炽灯、金卤灯、UHP灯、UHE灯或氙灯。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是所述的灯的功率是50W～10KW，波长范围为40nm～800nm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的每个层的辐照平面由若干个不同形状、相互独立的微平面组成切片的子集图形。
10.根据权利要求1、3或4所述的方法，其特征是所述的每次光照时间在0.01秒至100秒之间。
全文摘要
本发明属于制造领域，特别涉及采用现代投影技术和计算机图形处理技术，在液态光敏树脂表面上进行光照固化成型，快速形成三维实体的方法。本发明是按照从三维实体的“切片”模型数据，经计算机快速成型处理技术生成可用于直接投影的数字光栅图形数据，经数字图像投影机转化、生成数字光学信号，并以不同时间和空间形式调整后照射到光敏树脂液面并将其固化成型。本发明的方法可应用于建筑设计、机械模具设计、塑料模具设计、样品展示等众多领域。
文档编号G06F17/50GK1769032SQ20041000973
公开日2006年5月10日 申请日期2004年10月29日 优先权日2004年10月29日
发明者谭昊涯, 曹瑞军, 谭东风, 童家仙 申请人:谭昊涯, 童家仙