光固化型3d打印設(shè)備及其成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提出一種光固化型3D打印設(shè)備及其成像系統(tǒng)，成像系統(tǒng)包括光源、液晶面板、第一偏振光濾光器、第二偏振光濾光器、聚焦透鏡陣列、投影鏡頭以及控制器。該成像系統(tǒng)的特點(diǎn)是，聚焦透鏡陣列設(shè)置于該液晶面板的入光側(cè)，該聚焦透鏡陣列的每一聚焦透鏡對(duì)應(yīng)該液晶面板的每一像素，每一聚焦透鏡能夠會(huì)聚照射到對(duì)應(yīng)像素的光束，使該光束盡可能多的透過該像素的透光區(qū)域。偏轉(zhuǎn)鏡片布置在該液晶面板的出光側(cè)，該偏轉(zhuǎn)鏡片能夠圍繞垂直于成像系統(tǒng)的光軸的至少一個(gè)轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，以微調(diào)該光束圖像投影到該光敏材料表面的位置?？刂破髅钤摴庠催M(jìn)行多次曝光，在每次曝光時(shí)命令該偏轉(zhuǎn)鏡片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)以將各次曝光的光束圖像投影到該光敏材料表面的不同位置。
【專利說明】光固化型3D打印設(shè)備及其成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光固化型3D打印設(shè)備，尤其是涉及光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、不需要龐大的機(jī)床、不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。
[0003]目前3D打印技術(shù)的成型方式仍在不斷演變，所使用的材料也多種多樣。在各種成型方式中，光固化法是較為成熟的方式。光固化法是利用光敏樹脂被紫外激光照射后發(fā)生固化的原理，進(jìn)行材料累加成型，具有成型精度高、表面光潔度好、材料利用率高等特點(diǎn)。
[0004]圖1示出光固化型3D打印設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。這一 3D打印設(shè)備100包括用于容納光敏樹脂的物料槽110、用于使光敏樹脂固化的成像系統(tǒng)120、以及用于連接成型工件的升降臺(tái)130。成像系統(tǒng)120位于物料槽110上方，并可照射光束圖像使物料槽110液面的一層光敏樹脂被固化。每次成像系統(tǒng)120照射光束圖像致使一層光敏樹脂固化后，升降臺(tái)130都會(huì)帶動(dòng)成型的那層光敏樹脂略微下降，并通過刮板131使固化后的工件頂面均勻鋪展光敏樹脂，等待下一次照射。如此循環(huán)，將會(huì)得到逐層累加成型的三維工件。
[0005]成像系統(tǒng)120普通通常使用的是激光成型技術(shù)或者數(shù)字光處理(Digital LightProcession, DLP)投影技術(shù)。
[0006]激光成型技術(shù)是使用激光掃描設(shè)備進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。但是由于光敏樹脂的特性，激光功功率不能過大，否則會(huì)損傷樹脂。因此，激光移動(dòng)速度被限制在幾米到十幾米/秒，造成成型速度過慢。
[0007]DLP投影成像技術(shù)是使用數(shù)字微鏡元件(Digital Micromirror Device, DMD)控制對(duì)光的反射來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字微鏡元件可視為一鏡面。這面鏡子是由數(shù)十萬乃至上百萬個(gè)微鏡所組成的。每一個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，圖像就由這些像素所構(gòu)成。每一個(gè)微鏡可獨(dú)立受控以決定是否反射光線到投影鏡頭。最終，整面鏡子反射出所需的光束圖像。由于DMD芯片分辨率的限制，造成DLP投影成像技術(shù)成型尺寸較小的缺點(diǎn)，存在瓶頸。
[0008]液晶投影技術(shù)作為一種面陣圖象源，理論上可以投影與DLP投影成像技術(shù)相似的光束圖像，從而可用來構(gòu)造光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)。液晶面板中包含了許多像素，每個(gè)像素可以單獨(dú)控制偏振光的偏振方向，配合液晶面板兩側(cè)的偏振光濾光器可控制某一像素的光線是否通過，因此經(jīng)過液晶面板系統(tǒng)的光束是圖像化的。然而液晶面板使用在光固化型3D打印設(shè)備中有明顯的不足。原因在于光敏樹脂需要的固化光源的波長通常在430nm以下，這一波長范圍的光線對(duì)液晶面板中的液晶是有傷害的，會(huì)縮短液晶的壽命。而且液晶面板不高的透光率，會(huì)使面板壽命進(jìn)一步縮短。
[0009]眾所周知，液晶面板在每一個(gè)像素的周圍有一定面積不透光的黑色掩模區(qū)域，用來覆蓋像素的控制電路(包括薄膜晶體管、布線等)。這部分掩模區(qū)域?qū)p少LCD面板透光能力，從而影響成像系統(tǒng)的亮度和對(duì)比度。透光區(qū)域(即未被掩模覆蓋的區(qū)域)占全部像素面積的比率稱為開口率(aperture ratio)。假設(shè)液晶面板的開口率為60%，意味著有高達(dá)40%的面積無法透光，這對(duì)光亮度的損失是很大的。同時(shí)，這些光線被液晶面板吸收后，將造成液晶過高的溫升，造成液晶面板老化和損壞。
[0010]改善上述問題的一種方式是盡可能提高開口率。這固然有助于減少光損失，但是開口率的提高在技術(shù)上有極限的，依賴于更先進(jìn)的液晶面板制造工藝。因此在光固化型3D打印設(shè)備中，彌補(bǔ)透光率不足的方式是使用更高亮度的光源。然而在光固化型3D打印設(shè)備本就需要較強(qiáng)的投影亮度的情況下，一味提高通過液晶面板的光線亮度，加劇了液晶壽命的縮短。
[0011] 下表1示出在液晶投影技術(shù)中液晶接受到足夠強(qiáng)各種波長的光照射后的壽命比較。
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于包括: 光源，出射一光束； 液晶面板，位于該光源的出光光路上，該液晶面板包含多個(gè)像素； 第一偏振光濾光器，設(shè)置于該液晶面板的入光側(cè)； 第二偏振光濾光器，設(shè)置于該液晶面板的出光側(cè)，該第一偏振光濾光器和該第二偏振光濾光器配合該液晶面板遮擋該光束的一部分，以形成一光束圖像； 聚焦透鏡陣列，設(shè)置于該液晶面板的入光側(cè)，該聚焦透鏡陣列的每一聚焦透鏡對(duì)應(yīng)該液晶面板的每一像素，每一聚焦透鏡能夠會(huì)聚照射到對(duì)應(yīng)像素的光束，使該光束盡可能多的透過該像素的透光區(qū)域，并在該液晶面板的出光側(cè)成像，且像的尺寸小于對(duì)應(yīng)像素的透光區(qū)域的尺寸； 投影鏡頭，布置在該液晶面板與光敏材料表面之間，且位于該像與該光敏材料表面之間，將該光束圖像投影到該光敏材料表面，使該光源通過各聚焦透鏡所成的像在該光敏材料表面形成多個(gè)光斑； 偏轉(zhuǎn)鏡片，布置在該液晶面板與的出光側(cè)，該偏轉(zhuǎn)鏡片能夠圍繞垂直于該成像系統(tǒng)的光軸的至少一轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，以微調(diào)該光束圖像投影到該光敏材料表面的位置；以及 控制器，命令該光源進(jìn)行多次曝光，在每次曝光時(shí)命令該偏轉(zhuǎn)鏡片進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以將各次曝光的光束圖像投影到該光敏材料表面的不同位置。
2.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，該聚焦透鏡陣列覆蓋在該液晶面板上。
3.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，各次曝光的光束圖像在該光敏材料表面所形成的各個(gè)光斑基本上互不重疊，各次曝光的光束圖像所形成的光斑布滿該光敏材料表面。
4.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，其中該像的尺寸小于、等于或略大于該液晶面板的像素尺寸的一半。
5.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，各次曝光的光束圖像包含相同或不同的圖像信息。
6.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，該像的尺寸與該液晶面板的像素尺寸之比大約為1: 2、1:3或1: 4，同時(shí)該光源的曝光次數(shù)為4、9或16次。
7.如權(quán)利要求1、4或6所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)該光源與該聚焦透鏡的距離為LI，該聚焦透鏡到成像面的距離是L2，該聚焦透鏡的前焦距和后焦距分別為f和f’，該光源的尺寸為A，該像的尺寸為d，則滿足以下條件:
f'/L2+f/Ll=l ；
L1/L2=A/d。
8.如權(quán)利要求1所述的光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，其特征在于，該光束的波長在430nm以下。
9.一種光固化型3D打印設(shè)備的成像系統(tǒng)，包括: 光源，出射一光束； 液晶面板，位于該光源的出光光路上，該液晶面板包含多個(gè)像素； 第一偏振光濾光器，設(shè)置于該液晶面板的入光側(cè)；第二偏振光濾光器，設(shè)置于該液晶面板的出光側(cè)，該第一偏振光濾光器和該第二偏振光濾光器配合該液晶面板遮擋該光束的一部分，以形成一光束圖像； 聚焦透鏡陣列，設(shè)置于該液晶面板的入光側(cè)，該聚焦透鏡陣列的每一聚焦透鏡對(duì)應(yīng)該液晶面板的每一像素，每一聚焦透鏡能夠會(huì)聚照射到對(duì)應(yīng)像素的光束，使該光束盡可能多的透過該像素的透光區(qū)域，并在該液晶面板的出光側(cè)成像，且像的尺寸小于對(duì)應(yīng)像素的透光區(qū)域的尺寸； 投影鏡頭，布置在該液晶面板與光敏材料表面之間，且位于該像與該光敏材料表面之間，將該光束圖像投影到該光敏材料表面，使該光源通過各聚焦透鏡所成的像在該光敏材料表面形成多個(gè)光斑； 微位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接該液晶面板，能夠驅(qū)動(dòng)該液晶面板在相互垂直的第一方向和第二方向移動(dòng)，以微調(diào)該光束圖像投影到該光敏材料表面的位置；以及 控制器，命令該光源進(jìn)行多次曝光，在每次曝光時(shí)命令該微位移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以將各次曝光的光束圖像投影到該光敏材料表面的不同位置。
10.一種光固化型3D打印設(shè)備，包括如權(quán)利要求1-19任一項(xiàng)所述的成像系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK203697483SQ201320788005
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】侯鋒 申請(qǐng)人:上海普利生機(jī)電科技有限公司