本實(shí)用新型涉及三維打印快速成型領(lǐng)域，涉及一種3D打印機(jī)，尤其涉及一種能實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

3D打印是所見即所得，從三維模型軟件中設(shè)計(jì)的模型直接轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體。傳統(tǒng)機(jī)械加工制造技術(shù)主要為減材制造，包括車削、銑削、鏜削、鉆、刨、研磨、拋光等。一般過(guò)程是加工技師根據(jù)圖紙選用其中幾種加工方法組合，從而進(jìn)行機(jī)械加工。每一種步驟都會(huì)對(duì)材料進(jìn)行去除，同時(shí)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜夾具來(lái)輔組加工。而三維打印技術(shù)屬于增材制造范疇，一般不需要進(jìn)行特殊的工裝夾具，偶爾僅僅只需修改模型，增加支撐部位。大大簡(jiǎn)化了制造的過(guò)程，同時(shí)也可以快速制備復(fù)雜模型。

3D打印技術(shù)主要分為SLA、DLP、FDM、SLS、DED、LOM等。目前的普通三維打印技術(shù)精度普遍在百微米級(jí)別。很多材料可以通過(guò)設(shè)計(jì)亞微米結(jié)構(gòu)來(lái)改變材料的光學(xué)、機(jī)械、聲學(xué)等特性。例如光子晶體、聲子晶體等。傳統(tǒng)的DLP三維打印微立體光刻技術(shù)，是用紫外LED或者汞燈照明DMD芯片，把DMD作為數(shù)字掩模，將DMD的圖像經(jīng)過(guò)投影物鏡放大，投影出來(lái)的系統(tǒng)。目前市面上還沒(méi)有干涉儀監(jiān)控打印面型的設(shè)備推出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)，包括一干涉儀、一照明系統(tǒng)、一DMD系統(tǒng)、一耦合棱鏡、一CCD系統(tǒng)、一中繼調(diào)焦鏡頭以及一投影鏡頭，其中，所述投影鏡頭對(duì)準(zhǔn)液面，液面與成型工件對(duì)應(yīng)，所述耦合棱鏡設(shè)置在投影鏡頭后側(cè)，分別與DMD系統(tǒng)、CCD系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述中繼調(diào)焦鏡頭設(shè)置在耦合棱鏡后側(cè)，所述干涉儀設(shè)置在中繼調(diào)焦鏡頭后側(cè)。

優(yōu)選的，上述光學(xué)系統(tǒng)在液面打印的同時(shí)進(jìn)行面型監(jiān)測(cè)和照度檢測(cè)。

優(yōu)選的，上述干涉儀為單色干涉儀或白光干涉儀。

優(yōu)選的，上述DMD系統(tǒng)由DMD芯片和驅(qū)動(dòng)電路組成。

優(yōu)選的，上述照明系統(tǒng)為L(zhǎng)ED或汞燈或激光。

優(yōu)選的，上述耦合棱鏡由一塊半透半反鏡和X棱鏡組成。

優(yōu)選的，上述投影鏡頭是折射式、折返射式、反射式、折衍式顯微物鏡或者是折射式、折返射式、反射式、折衍射式光刻鏡頭。

優(yōu)選的，上述x棱鏡是波分復(fù)用和偏振復(fù)用系統(tǒng)。

優(yōu)選的，上述干涉儀采用液面為基準(zhǔn)面，監(jiān)測(cè)液面和工件的光程差或者是在中繼調(diào)焦鏡頭內(nèi)增加一塊基準(zhǔn)凸或凹或平面鏡，作為基準(zhǔn)面。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型用干涉光檢測(cè)原理，改善了現(xiàn)有光固化3D打印機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)備成本降低，并可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的成型品質(zhì)。

將液面作為參考面，實(shí)時(shí)檢測(cè)在線打印的工件的打印面，可以達(dá)到監(jiān)控波長(zhǎng)量級(jí)的精度，通過(guò)電子細(xì)分可以進(jìn)一步提高監(jiān)控的精度。普通的3D打印光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)該本實(shí)用新型原理檢測(cè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋修改打印工藝參數(shù)，從而制備高精度工件。使用本實(shí)用新型的原理可以制備球面、非球面、自由曲面成像光學(xué)元件，也可以制備含有微結(jié)構(gòu)的光子晶體，也可以制備更高精密的納米超輕超強(qiáng)材料，也可以制備納米結(jié)構(gòu)的隔振消音材料等。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)的干涉圖樣；

圖3為本實(shí)用新型提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)施例示意圖；

圖4為一種干涉儀原理結(jié)構(gòu)圖；

圖5為X合束棱鏡示意圖；

圖6為X合束薄膜1、2透過(guò)率曲線圖；

圖7為本實(shí)用新型提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)施例示意圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供的一種實(shí)時(shí)監(jiān)控面型的3D打印光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括一干涉儀、一照明系統(tǒng)、一DMD系統(tǒng)、一耦合棱鏡、一CCD系統(tǒng)、一中繼調(diào)焦鏡頭以及一投影鏡頭，其中，投影鏡頭對(duì)準(zhǔn)液面，液面與成型工件對(duì)應(yīng)，耦合棱鏡設(shè)置在投影鏡頭后側(cè)，分別與DMD系統(tǒng)、CCD系統(tǒng)以及照明系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)置，中繼調(diào)焦鏡頭設(shè)置在耦合棱鏡后側(cè)，干涉儀設(shè)置在中繼調(diào)焦鏡頭后側(cè)。光學(xué)系統(tǒng)在液面打印的同時(shí)進(jìn)行面型監(jiān)測(cè)和照度檢測(cè)。干涉儀為單色干涉儀或白光干涉儀。DMD系統(tǒng)由DMD芯片和驅(qū)動(dòng)電路組成。照明系統(tǒng)為L(zhǎng)ED或汞燈或激光。耦合棱鏡由一塊半透半反鏡和X棱鏡組成。投影鏡頭是折射式、折返射式、反射式、折衍式顯微物鏡或者是折射式、折返射式、反射式、折衍射射式光刻鏡頭。x棱鏡是波分復(fù)用和偏振復(fù)用系統(tǒng)。干涉儀采用液面為基準(zhǔn)面，監(jiān)測(cè)液面和工件的光程差或者是在中繼調(diào)焦鏡頭內(nèi)增加一塊基準(zhǔn)凸或凹或平面鏡，作為基準(zhǔn)面。

本實(shí)施例在打印過(guò)程中，干涉儀會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)打印工件的面型，圖2為檢測(cè)的干涉圖樣，通過(guò)反演計(jì)算，得出所打印物品的表面形貌，從而實(shí)時(shí)補(bǔ)正曝光圖形的形狀、灰度等。所檢測(cè)面型誤差在波長(zhǎng)量級(jí)，如果是632.8nm波段的干涉儀，面型檢測(cè)誤差可以達(dá)到150nm左右。通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)所探測(cè)干涉圖樣進(jìn)行細(xì)分，可以使面型精度檢測(cè)達(dá)到30nm。

實(shí)施例2

如圖3所示，是一種改進(jìn)型方案，照明系統(tǒng)經(jīng)過(guò)第一個(gè)45°反射鏡后投射到DMD上，返回經(jīng)過(guò)X合束棱鏡反射進(jìn)入投影光刻系統(tǒng)，投射到液面。液面經(jīng)過(guò)照明后，經(jīng)過(guò)X合束棱鏡返回進(jìn)入CCD相機(jī)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控面曝光強(qiáng)度分布。干涉儀投射632.8nm波段的相干光經(jīng)過(guò)X棱鏡、投影光刻物鏡后經(jīng)過(guò)液面內(nèi)打印成型的面型界面，返回進(jìn)入Zygo干涉儀。經(jīng)過(guò)波前反演計(jì)算，還原已打印的面型。干涉儀可以是菲佐干涉儀，也可以是其他類型的干涉儀，其中使用典型的干涉儀為Zygo干涉儀，其波長(zhǎng)為632.8nm，也可以是使用其他相干或部分相干光源的干涉儀。本實(shí)施例用Zygo干涉儀來(lái)描述。其中基準(zhǔn)面可以為液面，被測(cè)表面為正在成型的工件表面。

如圖4所示，為一種可實(shí)施的干涉儀原理圖，光源經(jīng)過(guò)45°反射鏡透射，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭成準(zhǔn)直光束，經(jīng)過(guò)中繼鏡頭，調(diào)整中繼鏡頭使光束從投影光刻鏡頭輸出成平行光。液面可以看作是地球半徑的球面，作為基準(zhǔn)面，與被測(cè)工件表面形成液體隙，固化的工件折射率與未固化的樹脂折射率材料不一樣，由于液面與空氣界面、樹脂工件界面存在斯涅耳反射，故會(huì)形成牛頓干涉條紋，同時(shí)將其采集為數(shù)字圖像。

本實(shí)施例的整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行以下操作步驟：

1.照明系統(tǒng)開啟；

2.DMD投射當(dāng)前打印的圖形；

3.CCD檢測(cè)液面曝光量、干涉儀檢測(cè)所打印的面型；

4.根據(jù)當(dāng)前亮度分布、面型、目標(biāo)模型，優(yōu)化補(bǔ)正下一幅圖片的形狀、灰度等；

5.投射補(bǔ)正后的下一幅圖，重復(fù)第3步。

該實(shí)施案例中，X合束棱鏡將三個(gè)方向入射的光合束投影進(jìn)入樹脂槽。本實(shí)例為兩個(gè)方向入射合束棱鏡，第三個(gè)方向作為采集窗口。對(duì)X合束棱鏡進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)，其中一個(gè)X合束棱鏡光學(xué)薄膜特性可以如下圖所示。

實(shí)施例3

如圖4所示，投影光刻照明光經(jīng)過(guò)第一個(gè)45°反射鏡后投射到DMD上，返回進(jìn)入合束棱鏡。干涉儀直接進(jìn)入合束棱鏡。530nm照明光源經(jīng)過(guò)45°反射鏡后再進(jìn)入合束棱鏡。三路光經(jīng)合束棱鏡出射進(jìn)入投影光刻系統(tǒng)后，在液面進(jìn)行曝光成型。其中CCD照明光、干涉儀光沿原路返回分別進(jìn)入CCD和干涉儀。

本實(shí)施例的整個(gè)打印系統(tǒng)操作步驟如下：

1.DMD投射當(dāng)前打印圖形；

2.530nm照明系統(tǒng)開啟；

3.CCD檢測(cè)面亮度分布；

4.關(guān)閉530nm照明系統(tǒng)，打開干涉儀；

5.干涉儀檢測(cè)當(dāng)前面型；

6.根據(jù)當(dāng)前亮度分布、面型、目標(biāo)模型，優(yōu)化補(bǔ)正下一幅圖片的形狀、灰度等；

投射補(bǔ)正后的下一幅圖，重復(fù)第1步。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了現(xiàn)有光固化3D打印機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)備成本降低，并可以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的成型品質(zhì)。

將液面作為參考面，實(shí)時(shí)檢測(cè)在線打印的工件的打印面，可以達(dá)到監(jiān)控波長(zhǎng)量級(jí)的精度，通過(guò)電子細(xì)分可以進(jìn)一步提高監(jiān)控的精度。普通的3D打印光學(xué)系統(tǒng)可以根據(jù)該本實(shí)用新型原理檢測(cè)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋修改打印工藝參數(shù)，從而制備高精度工件。使用本實(shí)用新型的原理可以制備球面、非球面、自由曲面成像光學(xué)元件，也可以制備含有微結(jié)構(gòu)的光子晶體，也可以制備更高精密的納米超輕超強(qiáng)材料，也可以制備納米結(jié)構(gòu)的隔振消音材料等。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。