三维打印装置及打印方法与流程

本发明属于三维打印机技术领域，更具体地说，是涉及一种三维打印装置及打印方法。

背景技术：

三维打印机是一种累积制造技术，即增材制造快速成型技术的一种机器，它是以数字模型文件为基础，运用特殊粘合材料，通过一层层的打印来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造各种复杂零件、产品、模具等。

目前，现有的三维打印机通常为sla(stereolithographyapparatus；光敏树脂选择性固化)三维打印机，该三维打印机的精度难以达到50微米以下，且在打印过程中需要对打印系统进行手动对焦，手动对焦误差较大，影响投影失焦，无法满足50微米以下精度需要的打印件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三维打印装置，旨在解决现有的打印装置无法满足精度较高的打印件的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：三维打印装置，包括：

固定架；

光源，设置于所述固定架上；

树脂槽，用于盛装待打印成型的光敏树脂；

第一升降组件，滑动竖立于所述固定架上，用于承载并带动所述树脂槽升降；

调焦组件，设置于所述固定架上，用于引导所述光源投射于所述树脂槽中以将所述光敏树脂进行固化处理；

打印平台，活动伸入所述树脂槽中，用于粘结有固化后的所述光敏树脂；

第二升降组件，滑动竖立于所述固定架上，用于承载并带动所述打印平台升降以实现实体零件的连续打印；

控制系统，电性连接于所述光源、所述调焦组件、所述第一升降组件、以及所述第二升降组件；

测距机构，设置于所述调焦组件上，用于实时监测所述光敏树脂液面和所述打印平台的水平位置、并将监测的信息反馈至所述控制系统。

进一步地，所述三维打印装置还包括用于将待打印成型的所述光敏树脂的液面快速压平的绷膜机构，所述绷膜机构设置于所述树脂槽中，且所述绷膜机构与所述控制系统电性连接。

进一步地，所述调焦组件包括一端具有开口的中空壳、设置于所述固定架上并用于支撑所述中空壳的支撑台，内置于所述中空壳内并用于改变所述光源的光路行程的分光镜、以及用于接收经过所述分光镜处理的所述光源、并将该所述光源投射于所述树脂槽内的投射镜头，所述投射镜头设置于所述中空壳的开口位置处，所述测距机构设置于所述支撑台上。

进一步地，所述调焦组件还包括用于采拍所述投射镜头聚焦于所述光敏树脂上的投影图像的相机，所述相机内置于所述中空壳内，且所述相机与所述控制系统电性连接。

进一步地，所述三维打印装置还包括用于支撑所述第一升降组件和所述第二升降组件的支撑板、以及设置于所述支撑板的底端并用于带动所述支撑板滑动的驱动机构。

进一步地，所述驱动机构包括用于支撑所述支撑板的第一滑块、用于推动所述第一滑块沿所述支撑板长度方向移动的第一推动组件、用于支撑所述第一推动组件的第二滑块、以及用于推动所述第二滑块沿着所述支撑板宽度方向移动的第二推动组件，所述第一滑块安装于所述支撑板背对所述第一升降组件的一侧，所述第二滑块安装于所述第一推动组件背对所述第一滑块的一侧。

打印方法，使用如上所述的三维打印装置，包括如下步骤：

s01、利用测距机构采集打印平台的平面坐标和光敏树脂液面的平面坐标；

s02、将所述测距机构监测的信息反馈至控制系统，通过所述控制系统同时控制第一升降组件带动所述树脂槽升降、以及第二升降组件带动打印平台升降，使得所述打印平台的成型面与所述树脂槽中的所述光敏树脂的液面相齐平；

s03、打开光源，通过调焦组件引导所述光源投射于所述树脂槽中以将所述光敏树脂进行固化，并通过第二升降组件带动所述打印平台升降完成实体零件的连续打印。

进一步地，所述步骤s01之后还包括如下步骤：

将绷膜机构安装于所述树脂槽上；

通过所述测距机构采集所述绷膜机构的膜面的平面坐标，将所述测距机构监测的信息反馈至控制系统，通过所述控制系统同时控制第一升降组件带动所述树脂槽升降、以及第二升降组件带动打印平台升降，使得所述绷膜机构的膜面、所述打印平台的成型面、以及所述光敏树脂的液面相互平行。

进一步地，所述调焦组件引导所述光源投射于所述树脂槽之间还包括如下步骤：

步骤a：选取校准图片作为参考，采用步长加倍方法索引投影图像，利用相机检索采拍与校准图片相似的照片；

步骤b：利用相机将采集的照片进行滤波降噪处理；

步骤c：计算相机所采集的照片的亮度系数；

步骤d：计算相机所采集的照片与校准图片的相似度系数；

步骤e：计算相机所述采集的照片的能量值。

进一步地，所述步骤c具体包括如下步骤：

采用投射镜头焦深的1/2为初始步长，开始移动；

每移动一次，通过相机及时捕捉照片，并计算捕捉的照片的亮度系数。

本发明提供的三维打印装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的三维打印装置通过设置测距机构，可实时监测树脂槽中的光敏树脂液面的水平度和打印平台的位置，并将监测的信息反馈至控制系统，控制系统接收到信息反馈后，同时控制第一升降组件与第二升降组件升降，使得所述打印平台的成型面与所述树脂槽中的所述光敏树脂的液面相齐平，随后打开光源，通过调焦组件引导所述光源投射于所述树脂槽中以将所述光敏树脂进行固化，并通过第二升降组件带动所述打印平台升降完成实体零件的连续打印，在本实施例中，通过控制系统、测距机构、第一升降组件、第二升降组件的相互配合，从而可实现打印过程中的自动对焦，大幅提高了对焦精度，可以实现10微米以下精度需求的打印件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提出的三维打印装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提出的图1中三维打印装置的局部立体示意图；

图3为本发明实施例提出的三维打印装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提出的打印方法的流程图；

图5为本发明实施例提出的步长加倍索引方法示意图；

图6为本发明实施例提出的钟摆式移动索引方法示意图；

图7为本发明实施例提出的多点比较爬坡聚焦方法示意图。

其中，图中各附图标记：

1-固定架；11-树脂槽；

2-光源；

3-第一升降组件；31-第一支撑轴；32-安装板；

4-调焦组件；41-中空壳；42-支撑台；43-投射镜头；44-相机；45-分光镜；

5-打印平台；

6-第二升降组件；61-第二支撑轴；62-滑板；

7-测距机构；

8-绷膜机构；

9-支撑板；

10-驱动机构；101-第一滑块；102-第一推动组件；103-第二滑块；104-第二推动组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

如图1～3所示，本实施例提出了一种三维打印装置，请参阅图1与图3，该打印装置包括固定架1，在固定架1上设有光源2，该光源2可提供紫外光线，该打印装置还包括树脂槽11、第一升降组件3、调焦组件4、第二升降组件6、打印平台5、控制系统(附图未作出)、以及测距机构7，该树脂槽11可用于承载待打印成型的光敏树脂，该调焦组件4设置于固定架1上，并通过调焦组件4引导光源2投射于树脂槽11中以将光敏树脂进行固化处理，第一升降组件3、第二升降组件6均滑动的竖立于固定架1上，且第一升降组件3可用于承载并带动树脂槽11升降，该打印平台5活动伸入上述树脂槽11中，第二升降组件6可用于承载并带动打印平台5升降实现实体零件的连续打印，该测距机构7设置于调焦组件4上，该测距机构7可用于实时监测光敏树脂液面和打印平台5的水平位置，并将监测的信息反馈至控制系统，该控制系统与光源2、调焦组件4、第一升降组件3、第二升降组件6电性连接。这样，通过设置测距机构7，可实时监测树脂槽11中的光敏树脂液面的水平度和打印平台5的位置，并将监测的信息反馈至控制系统，控制系统接收到信息反馈后，同时控制第一升降组件3与第二升降组件6升降，使得所述打印平台5的成型面与所述树脂槽11中的所述光敏树脂的液面相齐平，随后打开光源2，通过调焦组件4引导所述光源2投射于所述树脂槽11中以将所述光敏树脂进行固化，并通过第二升降组件6带动所述打印平台5升降完成实体零件的连续打印，在本实施例中，通过控制系统、测距机构7、第一升降组件3、第二升降组件6的相互配合，从而可实现打印过程中的自动对焦，大幅提高了对焦精度，可以实现10微米以下精度需求的打印件。

在本发明中，光机是影响光源的主要部件，而光机里最重要的部件是微显示芯片，它可以是反射液晶屏或者是德州仪器的数字光解调器，反射液晶屏被认为比传统的透射液晶屏有更好的图像的亮度和对比度，它的每个像素会根据施加的电压调节反射光的偏振态；而数字光解调器中每个像素是一个微小的反光镜，它通过偏转微镜面来控制反射光的去向，该数字光解调器中的每个镜片可偏转-10°～10°。这样，较亮的像素就是反射光进入了镜头，相反的就是暗的像素，即图像的灰度则是由镜片偏转的频率来控制，且数字光解调器中的芯片比液晶芯片具有更好的紫外线相容性和更高的对比度。优选地，在本发明中，该光源采用的是数字光解调器，且该数字光解调器的解析度是1920×1080，每个微镜片尺寸是7.6μm×7.6μm，光源波长是405纳米，当然，在本实施例中，该数字光解调器也可设置为其他，此处不作唯一限定。

优选地，请参阅图3，第一升降组件3包括第一支撑轴31和安装板32，该第一支撑轴31上开设有滑道(附图未作出)，该安装板32的一端内置于滑道中，该树脂槽11安装于安装板32上，此外，第一升降组件3还包括第一驱动件(附图未作出)，第一驱动件可驱动安装板32升降，安装板32可带动树脂槽11升降。这样，当需要调节树脂槽11的升降高度时，此时控制系统可控制第一驱动件驱动安装板32升降，以使得树脂槽11升降至合适高度。优选地，上述第一驱动件优选为推杆电机或丝杆电机，当然在本实施中，根据实际情况和具体需求，该第一驱动件也可为其他电机，此处不作唯一限定。

优选地，请参阅图3，第二升降组件6还包括第二支撑轴61，在第二支撑轴61上设有滑板62与第二驱动件(附图未作出)，该打印平台5安装在滑板62上，第二驱动件可驱动滑板62升降，滑板62可带动打印平台5升降。这样，当需要调节打印平台5的升降高度时，此时控制系统可控制第二驱动件驱动滑板62升降，以使得打印平台5升降至合适高度。优选地，上述第二驱动件可以为推杆电机，当然，该第二驱动件也可为其他电机等，此处不作唯一限定。

优选地，上述光源2采用dlp(digitallightprocessing，数字光处理)光源，通过采用dlp光源，从而可使得产品的精度进一步提高，当然，在本实施例中，根据实际情况和具体需求，上述光源2也可选择其他光源，此处不做唯一限定。

进一步地，请参阅图2与图3，作为本发明提供的三维打印装置的一种具体实施方式，该三维打印装置还包括绷膜机构8，该绷膜机构8设置于树脂槽11中，且绷膜机构8与控制系统电性连接。这样，通过设置绷膜机构8，从而可通过绷膜机构8将待打印成型的光敏树脂的液面快速压平，缩短了光敏树脂流平的时间，提高了产品成型的效率。

优选地，上述待打印成型的光敏树脂为树脂槽内打印平台上端的树脂，即在本实施中，该打印平台的上端为图1中的x方向。这样，当打印平台带动已固化成型的树脂向着远离x方向运动时，该绷膜机构可将打印平台上端的树脂进行压迫流平，大幅缩短液面流平的时间，提高了成型效率。

在本实施例中，其打印装置的工作原理如下：

首先，通过设置测距机构7，监测树脂槽11中的光敏树脂液面和打印平台5的水平位置，并将监测的信息反馈至控制系统，控制系统接收到信息反馈后，同时控制第一升降组件3与第二升降组件6升降，使得所述打印平台5的成型面与所述树脂槽11中的所述光敏树脂的液面相齐平，随后打开光源2，通过调焦组件4引导光源2投射于所述树脂槽11中以将所述光敏树脂进行固化，随后打印平台5粘结有经过固化后的光敏树脂，通过第二升降组件6带动打印平台5下降，打印平台5带动经过固化后的光敏树脂下降，随后绷膜机构7会将后续待打印的光敏树脂的液面快速压平，通过调焦组件4对树脂槽11中的光敏树脂进行固化处理，实现光敏树脂的层层固化成型，并通过打印平台实现对实体零件的连续打印。

进一步地，请参阅图2与图3，作为本发明提供的三维打印装置的一种具体实施方式，上述调焦组件4包括中空壳41和支撑台42，该中空壳41一端具有开口(附图未作出)，该支撑台42设置于固定架1上且用于支撑中空壳41，在中空壳41内内置有分光镜45和投射镜头43，该投射镜头43设置于中空壳41的开口位置处，且上述测距机构7设置于支撑台42上。这样，通过设置分光镜45，该分光镜45可以改变光源2的光路行程，通过设置投射镜头43，该投射镜头43可用于接收经过分光镜45处理的光源，并将该光源2投射于树脂槽11内，以将树脂槽11内的光敏树脂进行固化处理。优选地，上述分光镜45与中空壳41长度方向的倾斜夹角为45°，这样，可保证光源2能够完全照射在光敏树脂上，为后续的光敏树脂的固化处理提供了保证。

在本实施例中，请参照图1所示，图1中的x方向代表了中空壳41的长度方向。

进一步地，请参阅图2与图3，作为本发明提供的三维打印装置的一种具体实施方式，所述调焦组件4还包括相机44，该相机44内置于中空壳41内，且该相机44与控制系统电性连接。这样，通过在中空壳41内设有相机44，从而可以采拍投射镜头43聚焦于光敏树脂上的投影图像，并将投影图像信息反馈至控制系统，控制系统从而控制投射镜头43的镜头焦深，完成自动对焦过程。

进一步地，请参阅图3，作为本发明提供的三维打印装置的一种具体实施方式，该三维打印装置还包括支撑板9，该支撑板9可用于支撑第一升降组件3和第二升降组件6，此外，该三维打印装置还包括驱动机构10，该驱动机构10设置于支撑板9的底端，该驱动机构10可用于带动支撑板9滑动。这样，该驱动机构10可带动支撑板9滑动，支撑板9进而带动第一升降组件3和第二升降组件6滑动，为后续不同位置的打印提供了保证。

优选地，在本实施例中，请参阅图2与图3，上述驱动机构10包括第一滑块101和第一推动组件102，第一滑块101安装于支撑板9背对第一升降组件3的一侧，第一滑块101可支撑上述支撑板9，第一推动组件102可推动第一滑块101沿着支撑板9的长度方向移动，此外，上述驱动机构10还包括第二滑块103和第二推动组件104，第二滑块103设置于第一推动组件102上并背对于第一滑块101的一侧，第二推动组件104可推动第二滑块103沿着支撑板9的宽度方向移动，实现驱动机构10带动第一升降组件3和第二升降组件6均可沿支撑板9的长度方向和宽度方向移动，为后续不同位置的打印提供了保证。

在本发明中，通过该装置可实现10微米以下精度需求的打印件，在本实施例中，也可在该装置的基础上，对投射镜头进行调整，使得该装置能够满足10微米至20微米的精度需求，当然，根据实际情况和具体需求，通过对投射镜头进行调整，也可实现20微米至50微米的精度需求，此处不作唯一限定。

在本发明中，还提供了一种打印方法，该打印方法使用有上述的三维打印装置，具体地，该打印方法包括如下步骤：

s01、利用测距机构7采集打印平台5的平面坐标和光敏树脂液面的平面坐标；

s02、将所述测距机构7监测的信息反馈至控制系统，通过所述控制系统同时控制第一升降组件3带动所述树脂槽11升降、以及第二升降组件6带动打印平台5升降，使得所述打印平台5的成型面与所述树脂槽11中的所述光敏树脂的液面相齐平；

s03、打开光源2，通过调焦组件4引导所述光源2投射于所述树脂槽11中以将所述光敏树脂进行固化，并通过第二升降组件6带动所述打印平台5升降完成实体零件的连续打印。

这样，通过设置测距机构7，监测树脂槽11中的光敏树脂液面的水平度和打印平台5的位置，并将监测的信息反馈至控制系统，控制系统接收到信息反馈后，同时控制第一升降组件3与第二升降组件6升降，使得所述打印平台5的成型面与所述树脂槽11中的所述光敏树脂的液面相齐平，随后打开光源，通过调焦组件4引导所述光源2投射于所述树脂槽11中以将所述光敏树脂进行固化，并通过第二升降组件6带动所述打印平台5升降完成实体零件的连续打印，在本实施例中，通过控制系统、测距机构7、第一升降组件3、第二升降组件6的相互配合，从而可实现打印过程中的自动对焦，大幅提高了对焦精度，可以实现10微米以下精度需求的打印件。

具体地，上述测距机构7通过采集打印平台5成型面的平面四角位置的坐标，以及光敏树脂液面的平面四角位置的坐标，并将监测的信息反馈至控制系统，通过控制系统控制第一升降组件3与第二升降组件6，以使得打印平台5的成型面与光敏树脂的液面相齐平，当然，上述测距机构7也可通过测量打印平台5成型面、光敏树脂液面的其他位置以实现两者液面相齐平的效果，此处不作唯一限定。

优选地，上述步骤s01之后还包括如下步骤：

将绷膜机构8安装于所述树脂槽11上；

通过所述测距机构7采集所述绷膜机构8的膜面的平面坐标，将所述测距机构7监测的信息反馈至控制系统，通过所述控制系统同时控制第一升降组件3带动所述树脂槽11升降、以及第二升降组件6带动树脂槽11升降，使得所述绷膜机构8的膜面、以及所述光敏树脂的液面相互平行。

具体地，在本实施例中，该打印平台的层厚为绷膜机构的膜面与打印平台之间的距离。

具体地，上述测距机构7通过采集打印平台5成型面的平面四角位置的坐标，光敏树脂液面、绷膜机构8膜面的平面四角位置的坐标，并将监测的信息反馈至控制系统，通过控制系统控制第一升降组件3与第二升降组件6，以使得绷膜机构8的膜面、光敏树脂的液面相互平行，当然，上述测距机构7也可通过测量打印平台5成型面、光敏树脂液面、绷膜机构8的膜面的其他位置以实现三者相互平行的效果，此处不作唯一限定。

在本实施例中，上述光敏树脂的液面位于绷膜机构8膜面以下，这样，可通过绷膜机构8快速压平后续的待打印成型的光敏树脂，提高了后续固化反应的效率。

优选地，上述调焦组件引导所述光源投射于所述树脂槽之间还包括如下步骤：

步骤a：选取校准图片作为参考，采用步长加倍方法索引投影图像，利用相机44检索采拍与校准图片相似的照片；

步骤b：利用相机44将采集的照片进行滤波降噪处理；

步骤c：计算相机44所采集的照片的亮度系数；

步骤d：计算相机44所采集的照片与校准图片的相似度系数；

步骤e：计算相机44所述采集的照片的能量值。

具体地，上述步骤a中的校准照片为100*100的像素校准照片，采用步长加倍的方法检索投影图像，具体参阅图5，通过相机44采拍照片，并将相片的信息反馈至控制系统，控制系统通过控制投射镜头43不断调焦，以使得相机44拍摄到与标准照片相似，为后续进一步调焦做好了准备。

具体地，上述步骤c中具体包括如下步骤：

采用投射镜头43焦深的1/2为初始步长，开始移动；

每移动一次，通过相机44及时捕捉，并计算捕捉图片的亮度系数。

具体地，采用投射镜头43焦深的1/2作为初始步长，开设摆钟式移动，如图3所示，每移动一次，相机44及时捕捉照片，并计算捕捉的照片的亮度系数，在本实施例中，该亮度系数的临界值为0.3，当捕捉的照片的亮度系数大于等于0.3时，此时进入步骤d中，当捕捉的照片的亮度系数小于0.3时，此时一直执行步骤c，直至捕捉的照片的亮度系数大于等于0.3为止。

具体地，上述步骤d中还包括如下步骤：

采用投射镜头43焦深的1/3为初始步长，执行爬坡聚焦索引模式，如图6与图7所示，当图4中的b大于a时，继续按当前索引方向进行索引，当b小于等于a时，则按照当前索引方向相反的方向进行索引，在本实施例中，上述相似度系数的临界值为0.8，当相似度系数大于0.8时，则进行步骤e，当相似度系数小于等于0.8时，则一直执行步骤d，直至相机44采集的照片的相似度系数大于0.8为止。

具体地，上述步骤e中还包括如下步骤：

以投射镜头43焦深的1/4为初始步长，执行多点比较爬坡聚焦；

当步长小于2微米时，停止索引，则此时的当前点即为焦点。

在本发明中，通过设置测距机构7，可实时监测树脂槽11中的光敏树脂液面的水平度和打印平台5的位置，并将监测的信息反馈至控制系统，通过控制系统、第一升降组件3、第二升降组件6的相互配合，从而可实现打印过程中的自动对焦，大幅提高了对焦精度，可以实现10微米以下精度需求的打印件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。