专利名称：光固化快速成型的树脂液面控制及树脂涂覆的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明属于快速原形制造技术领域，主要涉及光固化快速成型工艺过程中的光敏树脂液面高度的控制及在需要成型工件表面的树脂层涂覆。
二
背景技术：
快速原型制造技术又简称快速成形技术，其核心是基于数字化的新型成形技术，它可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件(工件)，能有效地缩短产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。光固化快速成型是以在特定波长的光辐射下能快速固化的光敏树脂为材料，根据工件的CAD三维模型数据，通过计算机控制的激光光束扫描或可编程光掩模的投影使光敏树脂表层固化而形成工件的一个堆积层。然后，承载工件的工作台按工艺的要求沿垂直方向下移至一个堆积层的距离使已固化的光敏树脂(成型工件堆叠层)表面重新涂覆上一层未固化树脂，重复前述的光固化步骤使新固化树脂的堆积层粘结在前一次固化的堆积层上，这一过程不断重复直至整个工件制造完成为止，用这种方法可以快速制造出任意复杂形状的设计原型。
显然，在上述的光固化过程中，维持树脂液面在同一高度并设法在已固化的树脂表面(工件)均匀地涂覆上一层未固化树脂层并保证其层厚的精度十分非常重要，它直接影响成型工件在垂直方向的尺寸精度，偏差严重会导致整个工件报废。
通常有两种方法用于光固化快速成型工艺的光敏树脂液面高度控制。一种是溢流法，它是一种简单可行的方法，其原理是通过一个连续运行的泵不断地将附槽中的树脂补充到主槽中，当主槽中树脂高于溢流口的高度时多出的树脂会溢流回到附槽，此过程不断的重复从而维持树脂液面在某一固定的高度(由溢流口的高度决定)。由于受树脂粘滞性的影响，树脂溢流时液面有一高度差，当树脂的粘滞度变化(主要是温度的影响)、泵的流量变化、树脂补充口和溢流口设计不合理等都会造成树脂液面高度差变化较大。因此，溢流法多用于对叠层厚度的精度要求不高的场合。另一种是光学测控法，它是一种精度较高的方法。这种方法是利用非敏感波长的激光束照射树脂液面，通过CCD成像器件或PSD(位置传感器)探测树脂液面散射在光斑或反射光束的位置而检测出树脂液面的高度，然后再通过计算机控制马达升举树脂槽或调节树脂槽中活塞位置的方式来维持树脂液面在某一所需的高度。光学测控法比较复杂，且由于不同的树脂材料对光的散射和反射差异很大，这种方法对不同树脂材料的适用性也受到一定的限制，如对透明无色的树脂材料，测量就比较困难。
常用的在已固化树脂层表面涂覆一层未固化光敏树脂的方法是当工件上原涂覆的一层树脂被固化后，承载工件的工作台按工艺的要求沿垂直方向下移某一距离(如要求树脂的涂覆层厚为0.1mm，则下移0.5mm的距离甚至更大)使工件完全浸没于树脂中，然后工作台上移0.4mm使工件表面形成一层0.1mm厚的未固化的树脂层。实际上，由于光固化树脂是一种高粘滞性的材料而不易自然流平，仅用此方法无法获得厚度均匀的树脂涂覆层，通常还必须辅以能作水平运动的刮平装置来加速树脂的流平，刮平装置可以是普通的片式刮刀或是带有负压吸附空腔的刮刀。前者在工作时需要调整刀口位置与树脂液面高度完全一致，利用刀口的刃锋把多余的树脂刮走并加速树脂的流平，由于作刮平运动时刮刀前后的树脂存在压力差和树脂粘滞力的拖曳作用会造成树脂的回流，使树脂涂覆层的均匀度和层厚精度都受到影响，此外由于树脂固化时收缩引起的工件微小翘变、树脂液面高度控制的误差及承载工件的工作台移动的误差都会极易使刮刀在运动时碰到已固化的树脂层从而毁坏工件；后者是把刮平装置做成具有空腔结构的刮刀并调整刀口位置略高于树脂液面(0.1mm～0.3mm)，利用负压原理和树脂表面的张力毛细现象可使刮刀的空腔内存有一定量的树脂，刮刀运动时，刮刀刀口可以把工件上未固化树脂层的凸出部分刮平而刮刀空腔内的树脂则可以把凹陷部分填平，虽然这种结构的刮刀在运动时不会与已固化的树脂层直接接触，但由于刀口与树脂液面之间有一间隙，托架升降引起树脂液面的微小变化，工件下沉时由于树脂粘滞不易流动而引起的凹陷或是刮刀快速运动等原因极容易使刮刀空腔的失去负压而影响工件上未固化树脂层涂覆的均匀性，最终影响工件制作的质量甚至导致失败。同时，上述的工艺过程在工件表面形成未固化树脂涂覆层时托架必须作上下的往返运动，它引起主槽的树脂液面高度变化很大，需要较长的时间等待树脂自然流平，延长了工件的制作时间，降低了工作效率。
另外，上述的树脂液面测控和树脂层涂覆的方法在实际使用中往往各自独立为子系统，树脂液面测控和树脂层涂覆两个子系统间的协调控制比较复杂。因此，现有的方法难以方便地实现树脂液面高度的精确控制和保证树脂涂覆层的均匀度和层厚精度。
三
发明内容
鉴于上述方法和技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种光固化快速成型工艺的树脂液面高度控制和树脂层涂覆方法，其特征在于将树脂液面控制和树脂层涂覆结合在一起，同时实现树脂液面高度控制和树脂层涂覆。本发明包括1.光固化快速成型设备的树脂槽设计为主槽和附槽结构，主槽开有溢流口，当树脂液面高出溢流口时多出的树脂通过溢流口流到附槽中，附槽中树脂可通过泵补充到主槽来维持树脂液面高度。
2.树脂刮平装置设计为带有树脂储存空腔的刮刀，刮刀安装在主槽的树脂液面上方并可以作水平运动。
3.附槽中树脂通过一微量泵注入到刮刀的空腔内暂时储存，然后再经由刮刀流到主槽来维持树脂液面的高度。
4.当刮刀作往复的水平运动时，刮刀的前锋或后锋可将工件中未固化树脂层高于液面的凸出部分刮平而储存在刮刀空腔内的树脂则可以把凹陷部分填平。
本发明采用向可作水平运动刮刀的空腔注入树脂的方法同时实现主槽树脂液面高度控制和工件上树脂层的涂覆，它不但可以克服普通刀片式的刮平方法容易损坏工件和涂层不均匀的缺点，也可以克服负压吸附式刮刀容易失去负压而使树脂涂层均匀度和层厚精度降低的缺点；由于在工件表面形成未固化树脂涂覆层时托架仅需作下降一固化层厚度距离的运动，它对主槽的树脂液面高度影响较小而不需要很长的等待自然流平的时间从而提高了工作效率。
四
图1是本发明的原理图，其中主槽1，附槽2，溢流口3，主槽光固化树脂4，附槽光固化树脂5，微量泵6，柔性树脂输送管7，刮刀8，刮刀空腔光固化树脂9，刮刀移动台10，托架移动台11，工件托架12，主槽树脂液面13，工件14，扫描器15，动态调焦装置16，紫外激光器17，扫描光束18，计算机19，刮刀水平移动方向a，托架垂直移动方向b。
图2是具有主槽和附槽结构的恒温控制树脂槽示意图，其中主槽1用于盛装成型工件的光固化树脂4，附槽2用于盛装在工件成型过程中因维持主槽的树脂液面高度而通过溢流口3流出的多余树脂5，主槽1和附槽2采用夹层结构，夹层内充注导热介质6，导热介质6是使用热容和导热系数较大的热传导油，使在树脂槽不同部位的树脂在加热和光固化的过程中尽可能保持均匀的温度，通过恒温控制装置控制电加热器7可使光固化树脂的工作温度维持在某一设定值。
图3是具有空腔结构的刮刀示意图，图3a为刮刀的外形示意，图3b为刮刀的截面示意，，存放的树脂用于在工件表面进行未固化树脂层的涂覆和向主槽补充树脂来维持树脂液面的高度。
图4是刮刀的安装示意图，刮刀8安装在主槽上方可作水平运动的移动台10上，调节机构可以调整刮刀刀口7的高度与树脂液面6的高度一致，通过计算机19控制刮刀作图中a箭头方向所示的往复水平运动，在工件的表面上涂覆未固化树脂层和加速树脂流平。
图5是工作时光敏树脂的流向示意图，微量泵6抽运附槽2的树脂5按图中A、B箭头方向补充到刮刀8的空腔内，刮刀空腔内存放的树脂由于重力的作用按C箭头的方向流向主槽，刮刀移动时在工件的表面形成一树脂涂敷层，当主槽的树脂4的液面高于溢流口3时，多余的树脂通过溢流口流到附槽2从而维持主槽的树脂液面高度不变，在等待树脂自然流平和光束扫描期间，刮刀停留在靠溢流口的一侧，它可减少因刮刀空腔内的树脂流到主槽时引起的树脂液面梯度的变化。
五
具体实施例方式
参看图1，本发明包括一个具有主槽1、附槽2和溢流口3结构设计的恒温控制树脂槽，主槽1用于盛装工件成型所需的光敏树脂4，附槽2用于盛装在工件成型过程中因维持主槽的树脂液面高度而通过溢流口3流出的多余树脂5；一个微量泵6并通过柔性管道7连接可把附槽2的树脂5输送到刮刀空腔内存放和补充到主槽1，计算机19可以控制微量泵6的开关及流量，当主槽的树脂液面13高于溢流口3时，多余的树脂便通过溢流口3流到附槽2，从而维持主槽的树脂液面在溢流口的高度不变；一个具有密封空腔设计的刮刀8，刮刀的空腔存有一定量的树脂9，用于在工件表面进行未固化树脂层的涂覆和向主槽补充树脂来维持树脂液面的高度，刮刀8安装在主槽液面7的上方并可作水平运动的移动台上，调整刮刀8的刀口高度与树脂液面高度一致，当完成工件表面当前的一层树脂固化后，计算机19控制托架移动台11使工件下移一固化层的距离并且刮刀8作图中a箭头方向所示的往复水平运动，起在工件14的表面上涂覆上新一层的未固化树脂和加速树脂流平的作用。
工作时，主槽的电热恒温装置维持树脂在某一设定的工作温度以便降低树脂的粘滞度，计算机19根据工件设计的分层数据(或支撑数据)控制激光束18在主槽的光敏树脂液面13作二维扫描形成一固化层。在光束扫描的同时，动态调焦装置16也在计算机的控制下根据扫描器反射镜的偏转角度进行动态焦距调整确保光束光斑的大小在整个扫描面不变。当一层树脂扫描固化完成后，计算机根据工艺要求控制移动台带动托架使工件下降一固化层的距离(通常为0.1mm)，同时微量泵开始工作将附槽2的树脂输送到刮刀8的空腔9内存放，计算机19控制刮刀8作往复的水平运动。由于光固化树脂的粘滞性，托架下移后工件的表面的树脂会出现凸出或凹陷的现象，刮刀8的往复水平运动一是加速工件表面凸出的树脂流平，二是向工件表面凹陷部分补充树脂，形成新的一层待固化的树脂层。刮刀通过往复的水平运动来完成一层未固化树脂的涂覆，确保了树脂层涂覆的均匀。刮刀停止运动的停留位置是位于主槽溢流口的一侧，使刮刀作返回运动时可以快速地将由于托架下移或刮刀空腔内存放的树脂在重力的作用下流向主槽引起主槽树脂液面升高而多出来的树脂刮到靠溢流口的位置，加快树脂向溢流口流动并可减少因刮刀空腔内的树脂流到主槽时引起的树脂液面梯度的变化，从而维持树脂的液面高度的稳定。
与现有相互分离的树脂液面控制和树脂层涂覆办法相比，本发明其特征在于将树脂液面控制和树脂层涂覆结合在一起，向刮刀的空腔注入树脂同时实现主槽树脂液面高度控制和在成型工件的表面进行树脂层涂覆，它不但可以克服普通刀片式的刮平方法容易损坏工件和涂层不均匀的缺点，也可以克服负压吸附式刮刀容易失去负压而使树脂涂层均匀度和层厚精度降低的缺点。同时，由于在工件表面形成未固化树脂涂覆层时仅需托架作下降一固化层厚度距离的运动，它对主槽的树脂液面高度的波动影响较小而不需要很长的等待自然流平的时间从而提高了工作效率。
权利要求
1.一种用于光固化快速成型的树脂液面高度控制及树脂层涂覆方法，其特征在于该方法包括下列各步骤(1)当主槽1中树脂液面13高出溢流口3时，多出的树脂通过溢流口3流到附槽2中，实现主槽的树脂液面高度控制；(2)受计算机控制的微量泵6通过柔性管道7将附槽2中树脂注入到刮刀8的空腔中暂时存储；(3)刮刀8在主槽树脂液面13上方做水平运动，在将腔体内存储的树脂注入主槽的同时完成在工件14的表面涂覆上新一层未固化树脂。
2.根据权利要求1所述方法的一种装置，包括恒温控制的树脂槽以及通过柔性管道7与刮刀8连通的微量泵6。
3.根据权利要求1所述方法或权利要求2所述的装置，其特征在于，刮刀8带有内侧和外侧刀锋，内刀锋间留有空隙，树脂通过此空隙流到主槽。
全文摘要
本发明涉及一种光固化快速成型的光敏树脂液面高度控制和树脂层涂覆的方法和装置，该方法是在快速成型过程中将树脂液面高度控制和树脂层的涂覆结合在一起，由计算机控制的微量泵通过柔性管道将附槽中的树脂注入带有空腔的刮刀内，经由刮刀在主槽液面上的水平运动同时完成树脂液面高度控制及在工件表面的树脂层涂覆；本发明不但可以克服普通刀片式的刮平方法容易损坏工件和涂层不均匀的缺点，也可以克服负压吸附式刮刀容易失去负压而使树脂涂层均匀度和层厚精度降低的缺点。同时，由于在工件表面形成未固化树脂涂覆层时仅需托架作下降一固化层厚度距离的运动，它对主槽的树脂液面高度的波动影响较小而不需要很长的等待自然流平的时间从而提高了工作效率。
文档编号B29C67/00GK101024307SQ20071002640
公开日2007年8月29日 申请日期2007年1月19日 优先权日2007年1月19日
发明者李耀棠, 李伟良, 赵光华, 冯洪安, 刘玉鹏, 张俊杰 申请人:中国科学院广州电子技术研究所