光固化上液面控制装置的制作方法

本实用新型涉及3d打印领域，尤其是一种光固化上液面控制装置。

背景技术：

光固化三维成形作为3d打印领域的主流技术，具有成形速度快，表面质量好，细节精度高的显著优势，已被广泛应用于齿科、珠宝、汽车等行业。根据固化液面位置的不同，光固化三维成形可分为下液面固化和上液面固化两种方式。下液面固化方式将光学图案作用到透明液池底部，固化后的下液面需从透明液池底部剥离，才可进行下一层固化，其成形高度不受液池深度影响，液池上液面波动亦不影响固化过程，固化层平整度高，但受剥离力的限制，该方式一般用于中小型光固化设备。上液面固化方式将光学图案投射到光敏树脂液池上液面，上液面固化后只需下沉没入液池，液体流动所形成的新上液面即可进行下一层固化，上液面固化后无需从其它固体表面剥离，特别适用于大幅面光固化成形，但上液面自身易受液流扰动影响严重，成形平台下沉与上升运动所导致的扰流与液面波动，需长时间才可平复；这导致两层固化之间需插入长时间等待，显著降低光固化三维成形的整体效率。

另一方面，采用液晶显示器(lcd)、薄膜自发光二极管显示器(oled)、数字光处理器(dlp)、机电扫描振镜(sla)等成像组件将光学图像投射到上液面时，要得到对焦清晰、尺寸准确的成像及曝光、固化效果，需维持精确的上液面液位高度，一旦液位高度发生偏移，不仅会导致光学图像发生离焦模糊，而且会引发几何尺寸偏差等成形缺陷。而光固化三维成形过程中，影响液位高度的因素很多，如光敏树脂的固化收缩、成形工作台升降导致的排空体积变化等，目前，已有光固化三维成形设备中，上液面液位控制主要以固体填充块作为液位调节元件，以激光液位传感器作为液位检测与反馈元件，进而通过负反馈闭环控制实现液位的主动调节，但还存在单点传感器液位检测效果差、填充块作动后液位响应迟缓等缺陷，液位控制精度难以满足高精度三维成形对固化层厚的精度要求。此外，激光液位传感器还存在成本高昂、对透明树脂液位敏感度差的显著缺陷，目前，在大尺寸光固化三维成形领域，还缺少一种方案经济合理、液面扰动平复快、液位控制精度高的上液面控制装置。

技术实现要素：

本实用新型要解决上述现有技术的缺点，提供一种方案经济合理、液面扰动平复快、液位控制精度高的上液面控制装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案：

一种光固化上液面控制装置，包含成型室、升降式成型平台、刚性承压透明顶盖、连通管、液压缸、活塞、压力传感器、直线模组和液面控制器。所述成型室顶部开口有刚性承压透明顶盖，所述成型室底部有升降式成型平台，所述液压缸通过连通管与成型室侧面底部相连，所述活塞位于液压缸内部，且所述活塞通过压力传感器与所述直线模组相连，所述直线模组可带动活塞在液压缸内往复移动，所述活塞与刚性承压透明顶盖，将活塞、连通管、成型室构成的容腔从两端密闭，且该容腔内填充光敏树脂时，活塞侧排空气体，刚性承压透明顶盖侧密闭定量的工作气体，所述液面控制器与直线模组、升降式成型平台，以及压力传感器电连接。

一种光固化上液面控制方法，包括以下步骤：填充光敏树脂时，先将刚性承压透明顶盖从成型室顶部开口移开，将升降式成型平台上升至初始成型高度，并通过直线模组将液压缸内的活塞移动到初始位置；然后向成型室内注入光敏树脂直至液位达到初始液位高度；在注入光敏树脂过程中，成型室内的光敏树脂通过连通管进入活塞封闭的液压缸腔体内，并通过液压缸的透气口将液压缸腔体内的气体排空；继而将刚性承压透明顶盖装回成型室顶部开口，以完全密闭成型室顶部开口，同时将液压缸透气口封闭；此时刚性承压透明顶盖下密闭的工作气体压力为1个单位大气压。

进行第一层光固化之前，液面控制器发出位移信号并通过信号线路施加至直线模组，直线模组通过压力传感器推动活塞下行，并将活塞腔体内的光敏树脂排入成型腔内，直至成型室内光敏树脂液面上升至光固化液位高度。此时液面控制器记录活塞下行行程以及压力传感器读数，并通过活塞下行行程、压力传感器读数、液压缸截面积、成型室截面积、光敏树脂密度等参数，计算得到刚性承压透明顶盖下所密封工作气体的压力，并以其该压力值作为光固化的参考压力值，参考压力值计算关系根据成型室与液压缸两侧压力平衡原则推导如下。设光敏树脂相对水的密度为k，成型室光敏树脂加压后光固化液位高度为h1，液压缸内液位高度为h2，成型室截面积为a1，液压缸截面积为a2，大气压为pe，压力传感器读数为fs，则根据，刚性承压透明顶盖下所密封工作气体的压力，pm可表示为：pm＝pa*(1+kr*(h2-h1)/10.339)+fs/a2,式中压力单位为帕斯卡、液位单位为米、压力单位为牛顿、截面积单位为平方米，h2可根据填充光敏树脂时的初始液位高度与活塞下行行程相减得到，h1可根据填充光敏树脂时的初始液位高度、活塞下行行程、成型室截面积为a1以及液压缸截面积为a2计算得到。

进行第二层以及后续层光固化操作之前，液面控制器发出位移信号至升降式成型平台，以控制升降式成型平台下降一个固化层厚对应的位移；由于上一层光固化操作导致光敏树脂固化体积收缩、升降式成型平台下降导致排空体积变小，使得成型室内的光敏树脂液位降低，工作气体体积膨胀、压力降低，进而导致压力传感器读数fs降低，则液面控制器发出位移信号并通过信号线路施加至直线模组，以推到活塞继续下行，使得液压缸内的光敏树脂被排入成型室内，进而促使成型室内的光敏树脂液位重新上升至h1，判断成型室内光敏树脂液位重新上升至h1的判据为压力传感器读数fs、活塞下行后新的液位高度h2，代入前述公式所得pm重新恢复至参考压力值。

本实用新型的成型室采用刚性承压透明顶盖形成密闭空间，其中密封定量工作气体，在光固化过程中，工作气体的压力始终维持在参考压力值条件下，工作气体体积不变，因此工作气体排空所产生的成型室光敏树脂液面高度也不变，可满足光敏树脂液面清晰成像、曝光对液位高度的控制要求；本实用新型的成型室液位高度，通过工作气体的压力与体积间接控制，无需采用高精度液位传感器，方案成本低、对不同类型光敏树脂、特别是高透明度树脂的适应性强，液位控制精度高。

本实用新型的直线模组推动活塞下行，将液压缸内的光敏树脂排入成型室内，以补偿光固化过程固化收缩、升降式成型平台逐层降低导致排空体积变小等因素，所造成的成型室光敏树脂液位降低；本实用新型采用压力传感器检测直线模组作用到液压缸活塞上的推力，成型室液位是否上升至光固化液位高度，可通过直线模组位移量、压力传感器读数以及液压缸与成型室的结构参数精确判定；本实用新型的直线模组可推动活塞实现精确、定量运动，因此，成型室液位调节分辨率高、控制精度高。

本实用新型的成型室液面处于超过标准大气压的高压环境，在高压气体阻尼及液体表面张力共同作用下，光敏树脂液面发生波动后的被动平复时间，远小于开放大气压环境下的平复时间；本实用新型的工作气体高压环境不依赖其它空气压缩设备，仅通过将液压缸的光敏树脂排入成型室，并压缩工作气体体积而实现；本实用新型成型室的工作气体压力控制与液面高度控制，均通过将液压缸内光敏树脂排入成型室内而实现，机械结构简单、控制精度高。

本实用新型方案经济合理、液面扰动平复快、液位控制精度高，易于在大幅面、高精度、高效率光固化三维成形设备中推广应用。

附图说明

图1为本实用新型实施例的总体结构示意图；

图2为本实用新型实施例的气液流通示意图；

图3为本实用新型实施例的控制信号连接图；

图4为本实用新型实施例的操作流程示意图；

附图标记说明：成型室1，刚性承压透明顶盖2，升降式成形平台3，连通管4，液压缸5，透气孔6，活塞7，压力传感器8，连杆9，直线模组10，光敏树脂11，工作气体12，液面控制器13。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

实施例：

一种光固化上液面控制装置，如图1，成型室1顶部有刚性承压透明顶盖2，成型室1底部有升降式平台3，成型室1侧底部有连通管4，连通管4与液压缸5相连，液压缸5的侧面有透气孔6，液压缸5内有活塞7，活塞7上有压力传感器8，压力传感器8通过连杆9与直线模组10连接；刚性承压透明顶盖2将成型室1顶部开口完全封闭，直线模组10通过连杆9与压力传感器8，推动活塞7在液压缸5中运行；压力传感器8测量连杆9与活塞7之间的压力。

如图2，成型室1内有光敏树脂11，光敏树脂11与刚性承压透明顶盖2之间有工作气体12，光敏树脂11通过连通管4进入液压缸5，并充满由活塞7所封闭液压缸5的内腔，直线模组10通过连杆9、压力传感器8推动活塞下行时，液压缸5内的光敏树脂11部分被排入成型室1内，致使成型室1内的光敏树脂液位上升，进而使得工作气体12体积压缩、压力升高；工作气体12的压力与成型室1内光敏树脂11液位压力之和，与大气压力、直线模组10对活塞7施加的压力以及液压缸5内的光敏树脂11液位压力之和相互平衡；

如图3，液面控制器13与直线模组10连接，液面控制器13与压力传感器8连接，液面控制器13与升降式成形平台3连接；液面控制器13发出位置指令至直线模组10的驱动机构，驱动连杆9推动活塞7下行；液面控制器13检测压力传感器8的输出信号，并根据直线模组位移、光敏树脂密度、液压缸截面积、成型室截面积等数据，计算工作气体12的压力，并通过直线模组10的位移信号，将工作气体12的压力稳定在参考压力值，使工作气体12的体积稳定不变；进而在成型室1内实现光敏树脂11精确的液位高度，同时高于大气压力的工作气体12可快速平复光敏树脂11的液面波动；液面控制器13发出位置指令至升降式成形平台3，以控制成型平台在每一层光固化完成后下降一个层厚的高度。

一种光固化上液面控制方法，如图4中，本实用新型采用液面控制器控制光敏树脂填充，以及成型室工作气体压力、液位高度的实施步骤如下：

s001：从成型室1顶部移除刚性承压透明顶盖2，打开液压缸5的侧面有透气孔6，并通过直线模组10驱动活塞7，移动到比成型室1初始液位高度略低的位置；

s002：从成型室1顶部注入光敏树脂11，直至光敏树脂的液位达到成型室1初始液位高度，并且有过量的光敏树脂从液压缸5的侧面透气孔6溢出；

s003：封闭透气孔6，将刚性承压透明顶盖2装回成型室1顶部，并确保完全气密；

s004：通过直线模组10驱动活塞7下移，直至成型室1内的光敏树脂液位高度上升到光固化液位高度，记录压力传感器8的压力值、直线模组10的位移值等参数，并计算得到成型室1内工作气体12的参考压力值；

s005：进行光固化曝光操作；

s006：将升降式成型平台下降一个层厚高度；

s007：通过直线模组10驱动活塞7下移，直至根据压力传感器8的压力值、直线模组10的位移值实时计算所得，工作气体12的实施压力值恢复至s004中的参考压力值；

s008：判断全部光固化层完成与否，如未完成，返回步骤s005，如已完成，则整个光固化过程结束。

本实用新型在调节光固化初始液位高度时，通过直线模组将液压缸中的光敏树脂排入成型室内，提升成型室内的光敏树脂液面直至光固化液位高度，光敏树脂液面升高压缩成型室内封闭的工作气体、在光固化液面上方形成超过一个单位大气压的高压环境，可缩短光敏树脂液面发生波动后的平复时间；

本实用新型在每一层光固化后、下层光固化前，通过直线模组将液压缸中的光敏树脂排入成型室内，以补偿光敏树脂固化收缩、升降式成型平台下降所导致的成型室内光敏树脂液位下降，确保每一层光固化时的液位高度始终位于设定的液位高度；本实用新型通过压力传感器8的压力值、直线模组10的位移值等参数，实时计算成型室内工作气体的压力，并将其稳定在参考压力值，无需再成型室内的工作气体局部设置高精度气压传感器；

本实施例中采用液压缸与直线模组将光敏树脂排入成型室的方案，也可采用其它定量、定压流体控制方案，如带压力传感的定量泵等。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。