一種彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)及方法與流程

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本發(fā)明屬于3D打印領域，具體涉及一種彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)及方法。

背景技術：

DLP(Digital Light Procession)全稱為“數(shù)字光投影”技術，基于DLP打印方法與SLA光固化成型方法都是以液態(tài)光敏樹脂為原料，其不同之處在于DLP采用數(shù)字投影儀作為光源，而SLA為激光頭，DLP技術光固化工藝過程分為以下步驟。1、利用CAD技術生成三維實體模型；2、利用計算機軟件將模型進行切片處理；3、利用所產(chǎn)生的二維截面圖像通過數(shù)字投影儀照射到液態(tài)光敏樹脂表面，使表面照射區(qū)域內的一層樹脂固化；4、一層加工完成后，即生成了打印件的一個二維截面，接著打印平臺移動一個層厚的距離，待固化層上填充另一層液態(tài)光敏樹脂，再進行第二層的照射，第二固化層牢牢地粘結在上一個固化層上，如此反復累加便生成了立體三維模型。

彩色光固化立體造型技術是彩色快速成型技術的一個重要組成部分。實用光固化成形的基本材料——光敏樹脂加工的成型件呈現(xiàn)大致透明的形態(tài)，如果對成型件著色，不僅能精確地描述出產(chǎn)品的外部輪廓，還能體現(xiàn)其內部彩色區(qū)域的大致形態(tài)，這樣就可以使成型件更具有立體感。

根據(jù)公開號為CN103692655A、CN104290332A等中國專利可以看出，目前在彩色3D打印方法上，主要有如下三種：

一、采用多管路、多噴頭、多顏色樹脂與紫外激光光源相結合，并且一邊噴涂出不同顏色光敏樹脂一邊進行紫外光照射固化，這種方法只能打印出三種顏色的彩色模型。

二、利用紅、綠、藍三原色機理，通過控制三根液管的流量來使這三根液管中不同顏色的樹脂通過在噴頭中的配比混合，從而打印出彩色3D模型。但是這種技術不僅噴頭結構復雜，而且降低了色彩的真實度，使彩色模型出現(xiàn)有一定色差。

三、用每一打印分層成型后，再對該分層具有染色指令的區(qū)域進行噴墨染色。

這三種方法的前兩種還有一個缺點是利用由線成面的固化方式打印出彩色模型，無法實現(xiàn)以面成型來快速地打印出所需的彩色產(chǎn)品，因此增加了打印時間。第三種方法無疑增加了染色時間，而且噴墨密度也具有不確定性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術中的缺點，提供一種可彩色打印、成型速度快、控制系統(tǒng)簡單、無明顯色差的彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)，包括打印平臺、打印平臺升降單元、樹脂液槽、溫控固化板、計算機控制單元、DLP投影單元和顏色傳感器，打印平臺升降單元、DLP投影單元、溫控固化板、顏色傳感器與計算機控制單元電聯(lián)接，樹脂液槽內部設置有光敏樹脂，光敏樹脂含有的感溫變色顏料膠囊，所述的樹脂液槽設置在打印平臺的下方，樹脂液槽的底部開有一個正方形通孔，通孔內嵌有透明石英玻璃；所述的顏色傳感器設置在通孔的四周，所述的溫控固化板包括可移動的溫度控制單元和照射固化窗口；所述的打印平臺升降單元在計算機控制單元的控制下實現(xiàn)打印平臺的自動升降，所述的溫度控制單元在計算機控制單元的控制下按照設定的位置對光敏樹脂進行溫度控制；所述的DLP投影單元設置于樹脂液槽下方，在計算機控制單元的控制下按照設定的位置對光敏樹脂進行固化。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，所選用的3D打印用光敏樹脂除含有正常組分預聚物、活性稀釋劑、紫外光引發(fā)劑、增塑劑、熱穩(wěn)定劑、流平劑，還含有感溫變色顏料。所述的感溫變色顏料是一種隨溫度上升或下降而反復改變顏色的微膠囊，這種微膠囊化顏料的顆粒呈圓球狀，平均直徑2-7微米，內部是變色物質，外部是一層厚約0.2-0.5微米耐高溫、抗氧化的透明外殼。經(jīng)355nm紫外光源照射后的光敏樹脂內的感溫變色顏料因內部產(chǎn)生強大的收縮應力，導致其中的微膠囊透明外殼溶解或融化，使其喪失可逆變色功能。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，感溫變色基本顏色分為以下20種：紅色、玫瑰紅、桃紅色、朱紅色、橘色、橙色、金黃色、明黃色、草綠色、綠色、墨綠、中綠、孔雀綠、天空藍、土耳其藍、藍色、深藍色、紫羅蘭、黑色、紫色。為了適應20種感溫變色基本顏色，感溫變色基本溫度分為以下20種：25℃-27℃、27℃-29℃、29℃-31℃、31℃-33℃、33℃-35℃、35℃-37℃、37℃-39℃、39℃-41℃、41℃-43℃、43℃-45℃、45℃-47℃、47℃-49℃、49℃-51℃、51℃-53℃、53℃-55℃、55℃-57℃、57℃-59℃、59℃-61℃、61℃-63℃、63℃-65℃。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，該感溫變色顏料添加于光敏樹脂中所占的重量比例為15％-30％。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，所述DLP投影單元設置于樹脂液槽下方，采取自底向上照射的方式對待固化液態(tài)光敏樹脂進行照射固化，DLP投影單元中包括紫外光源、DMD芯片、透鏡組等。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，所述樹脂液槽用于盛放3D打印用光敏樹脂，在其底部開有正方形通孔，通孔內嵌有透明石英玻璃，該透明石英玻璃可透過紫外線，耐高溫，導熱性能良好，硬度大。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，所述石英玻璃上方鍍有聚四氟乙烯薄膜，該聚四氟乙烯薄膜幾乎不溶于所有溶劑，耐高溫，摩擦系數(shù)極低，用于固化模型與石英玻璃上表面之間潤滑作用，充當不沾涂層。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，所述的打印平臺升降單元包括步進電機、導桿和絲桿，所述的步進電機驅動絲杠使得打印平臺沿著導桿上下移動。

上述彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)中，溫度控制單元為LED或LD陣列。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種彩色DLP光固化3D打印方法，包括如下步驟：

S1：啟動打印機、計算機控制單元；

S2：打印平臺升降裝置將打印平臺升降至與樹脂液槽底部間隔一個層厚的距離；

S3：計算機控制單元將彩色三維模型轉換為若干二維截面輪廓，并將每層厚度、輪廓信息傳給DLP投影單元；

S4：計算機控制單元將模型每層二維截面彩色部分的每種顏色對應的溫度范圍信號傳遞給溫度控制單元；

S5：溫度控制單元對打印平臺與樹脂液槽底部上表面之間的液態(tài)光敏樹脂進行不同區(qū)域的溫度控制；

S6：RGB顏色傳感器對打印平臺與樹脂液槽底部上表面之間的液態(tài)光敏樹脂進行檢測并將數(shù)據(jù)傳給計算機控制單元；

S7：判斷顏色數(shù)據(jù)是否符合設定，若符合進行步驟S8，若不符合則從步驟S4重新進行；

S8：計算機控制單元控制溫控板左移使照射固化窗口位于石英玻璃下方與DLP投影單元之間；

S9：計算機控制單元控制DLP投影單元對樹脂液槽內的液態(tài)光敏樹脂進行紫外光照射，固化一層樹脂；

S10：計算機控制單元控制打印平臺升降單元向上移動一個層厚的距離；

S11：判斷DLP投影單元是否完成最后一層截面輪廓的投影，若完成進行步驟13，若沒完成則進行步驟12；

S12：計算機控制單元控制溫控板右移使溫控單元位于石英玻璃正下方與DLP投影單元之間，接著重新進行步驟5；

S13：完成對彩色三維模型的制作，取出模型。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案的有益效果是：

1、本發(fā)明無需多液管混合，可以制作以面成型累加固化且無明顯色差的的彩色模型，大大提高了成型速度；同時控制系統(tǒng)操作簡單，便于自動化生產(chǎn)。

2、本發(fā)明通過在石英玻璃上設置聚四氟乙烯薄膜，起到潤滑作用，充當不沾涂層；同時在石英玻璃的周圍安裝顏色傳感器，在不影響固化的前提下，實現(xiàn)了對顏色的監(jiān)測，并與設計的顏色相比較，對固化過程進行反饋，進而提高了可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的打印系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明的打印系統(tǒng)中樹脂液槽部分的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明的打印系統(tǒng)中溫控板部分的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明方法的步驟流程圖。

附圖標記如下：1、步進電機；2、導桿；3、絲桿；4、打印平臺；5樹脂液槽；6、溫控固化板；7、DLP投影單元；51、顏色傳感器；52、石英玻璃；61、溫度控制單元；62、照射固化窗口。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種彩色DLP光固化3D打印系統(tǒng)及方法，可以實現(xiàn)彩色打印、成型速度快、控制系統(tǒng)簡單、無明顯色差的3D打印。

本實施例涉及的彩色DLP光固化3D打印機如圖1-3所示，在打印平臺升降單元中，步進電機1驅動絲桿3轉動帶動打印平臺4上移，絲桿3兩側設置有兩根導桿2以便打印平臺4上移的過程中趨于穩(wěn)定狀態(tài)。打印平臺4下方設置有樹脂液槽5，樹脂液槽5底部開有一正方形通孔，裝有其上鍍聚四氟乙烯的石英玻璃52以及方孔四周裝有RGB顏色傳感器51。樹脂液槽5下方，安置有一塊溫控固化板6，左側區(qū)域布滿平方微米大小的獨立溫控單元61，右側區(qū)域開有大小與石英玻璃相等的照射固化窗口62。溫控固化板6下方安裝有DLP投影單元7，DLP投影單元7內的高亮光源發(fā)射出355nm的紫外光對DMD芯片進行指定角度照射，發(fā)射紫外光透過透鏡聚焦且通過溫控固化板6上的照射固化窗口62，來對樹脂液槽底部的液態(tài)光敏樹脂進行照射固化。

溫控固化板6安裝于樹脂液槽5的石英玻璃下表面與DLP投影單元之間，且可作平移運動。溫控固化板6左半?yún)^(qū)域為溫度控制單元61，其上分布著若干平方微米大小的溫度控制模塊，每個溫度控制模塊都是獨立的，可對不同平方微米面積的單元區(qū)域進行溫度升降的控制。溫度控制單元61可采用輸出光波為光敏樹脂吸收的LED或LD陣列組成，通過增加LED或LD單元的電流來調節(jié)輸出的光功率，進而被光敏樹脂吸收后轉化為熱，實現(xiàn)高空間分辨的溫度控制,并在短時間內的恒溫狀態(tài)。

當溫控單元區(qū)域位于石英玻璃正下方時，即對樹脂液槽內液態(tài)光敏樹脂進行溫度控制以改變不同區(qū)域的顏色；當照射固化窗口位于石英玻璃正下方時，DLP投影單元此時便通過照射固化窗口對樹脂液槽底層的液態(tài)光敏樹脂進行照射固化，打印出一層彩色樹脂。

經(jīng)溫控單元加熱降溫指定區(qū)域之外區(qū)域的光敏樹脂由于受到附近溫度變化的影響會由于變色顏料的因素而出現(xiàn)顏色變化，但由于未經(jīng)紫外光源的照射固化，光敏樹脂仍有可逆變色功能，不影響之后的打印。

所述打印平臺升降單元，用于對承載打印件的打印平臺進行升降。通過步進電機帶動絲桿旋轉而使打印平臺上移，導桿用于穩(wěn)定打印平臺。

所述顏色傳感器采用RGB顏色傳感器，安裝于樹脂液槽底部石英玻璃周圍，該傳感器通過測量構成物體顏色的三基色的反射比率實現(xiàn)顏色檢測。若干RGB顏色傳感器互相不重疊地對整個打印區(qū)域內的不同小區(qū)域進行顏色檢測，以此完成對整個打印區(qū)域的顏色檢測。每個RGB顏色傳感器對指定區(qū)域的顏色進行逐點檢測，RGB顏色傳感器內置掃描色彩激光器，可小范圍內利用角度的變換以完成對整個指定區(qū)域的顏色反饋。

計算機控制單元用于處理三維模型，將三維模型按順序切片分為一系列具有相同厚度的截面圖形；控制打印平臺升降單元在樹脂液槽與打印平臺之間的液態(tài)光敏樹脂固化后向上抬升一個層厚的距離；控制溫控單元上的溫控單元做好對即將固化的液態(tài)光敏樹脂進行溫度上的準確控制與顏色變換上的精確轉換；控制DLP投影單元在溫控固化板上的照射固化窗口平移到石英玻璃下方時，對顏色轉化成功后的待固化液態(tài)光敏樹脂進行紫外光源照射實現(xiàn)固化。

本發(fā)明還涉及一種彩色DLP固化3D打印用光敏樹脂的材料添加劑——感溫變色顏料。此感溫變色顏料是一種隨溫度上升或下降而反復改變顏色的微膠囊，這種微膠囊化顏料的顆粒呈圓球狀，平均直徑2-7微米，內部是變色物質，外部是一層厚約0.2-0.5微米耐高溫、抗氧化的透明外殼。經(jīng)355nm紫外光源照射后的光敏樹脂內的感溫變色顏料因內部產(chǎn)生強大的收縮應力，導致其中的微膠囊透明外殼溶解或融化，使其喪失可逆變色功能，從而經(jīng)紫外光源照射固化后即可打印出一層彩色的固化二維模型。該感溫變色顏料常應用在注塑和擠塑領域，本發(fā)明將其用于3D打印固化領域，并利用收縮應力將外殼溶解或融化實現(xiàn)感溫變色顏料的有效固化，并且此時顏色不可逆。

如圖4所示，一種彩色DLP光固化3D打印方法，包括以下步驟：