本發(fā)明涉及3d打印及微器件加工，尤其涉及一種快速體成型光固化dlp3d打印系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、增材制造(additive?manufacturing，am)是一種制造技術(shù)，它指的是通過逐層堆積材料來制造物體的過程。3d打印技術(shù)則是增材制造的一種具體實(shí)現(xiàn)方式，是一種快速發(fā)展的技術(shù)，通過逐層沉積材料來構(gòu)建復(fù)雜的幾何特征和結(jié)構(gòu)。目前常見的3d打印技術(shù)包括熔融沉積成型法、噴墨打印、選擇性激光燒結(jié)成型以及光固化3d打印等技術(shù)。其中光固化3d打印技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括打印速度快、精度高以及打印對(duì)象表面光滑等，光固化技術(shù)主要包括立體光固化(stereolithography，sla)和數(shù)字光處理(digital?light?process,dlp)。

2、sla技術(shù)使用激光作為光源，通過控制激光束在光敏聚合物表面掃描，以引起局部聚合。dlp技術(shù)起源于sla，使用投影機(jī)或光束發(fā)射器作為光源，通過將二維平面投影到光敏聚合物表面，利用數(shù)字微鏡設(shè)備(digital?micro-mirror?devices，dmd)和高精度位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了在厘米級(jí)打印區(qū)域中的微米級(jí)分辨率。相比于sla，dlp技術(shù)在打印分辨率和打印速度等方面都表現(xiàn)突出，可以實(shí)現(xiàn)更快速且精密的設(shè)計(jì)，確保了高效生產(chǎn)。雖然dlp的打印速度相較于sla有所提高，但打印時(shí)間仍然較長(zhǎng)，打印一個(gè)較小、簡(jiǎn)單的模型需要幾個(gè)小時(shí)，而更大、更復(fù)雜的模型則需要更長(zhǎng)時(shí)間完成打印。

3、dlp技術(shù)利用逐層的工藝來制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，首先需要使用專門的3d建模軟件創(chuàng)建3d模型，然后發(fā)送到切片軟件，由dmd芯片生產(chǎn)動(dòng)態(tài)位圖圖像，并利用紫外光投影到光敏混合物上。通過紫外光的照射觸發(fā)聚合反應(yīng)，光敏混合物固化形成每一層圖案的形狀。在每一層的光聚合完成后，打印制造平臺(tái)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿z軸方向移動(dòng)。新的圖像誘導(dǎo)進(jìn)一步的光聚合，直到3d結(jié)構(gòu)完全打印出來。

4、現(xiàn)有的dlp打印技術(shù)需要逐層固化光敏材料，層層累計(jì)才能疊積成完整的物體，成型步驟繁多且速度相對(duì)較慢；現(xiàn)有大多數(shù)光固化打印技術(shù)對(duì)光源的控制方式僅用到開關(guān)操作，沒有利用對(duì)光源強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，光源的利用率較低；在面對(duì)微觀尺度下的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，傳統(tǒng)的dlp打印技術(shù)也存在局限性，如打印精度不高、細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力有限等；傳統(tǒng)的dlp打印技術(shù)過程中需要制造平臺(tái)逐層降低來配合，設(shè)備維護(hù)成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為至少一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，本發(fā)明的目的在于提供一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，包括：

4、液槽樣品臺(tái)，包括液槽，所述液槽用于容納打印目標(biāo)對(duì)象成型所需的光固化溶液；

5、dlp顯示投影裝置，用于控制投影光路中每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光源亮度與照射時(shí)間，以產(chǎn)生投影圖案；

6、光學(xué)顯微鏡，用于承接投影光路，以及用于觀察打印目標(biāo)對(duì)象的微觀結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象及特征；其中所述光學(xué)顯微鏡搭載所述液槽樣品臺(tái)，并與所述dlp顯示投影裝置連接，所述投影圖案通過光學(xué)顯微鏡上的光路結(jié)構(gòu)投影至所述液槽，以獲得三維結(jié)構(gòu)的打印目標(biāo)對(duì)象。

7、進(jìn)一步地，所述液槽由膠圈貼在載玻片上制成，膠圈圍成的區(qū)域形成一個(gè)有邊界的腔體。

8、進(jìn)一步地，所述dlp顯示投影裝置包括光學(xué)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)；所述光學(xué)結(jié)構(gòu)包括照明與成像單元；所述控制結(jié)構(gòu)包括主控板、驅(qū)動(dòng)板與dmd驅(qū)動(dòng)板；

9、所述照明與成像單元用于生成和投射光線。通常包括光源和光學(xué)系統(tǒng)，用于確保圖像的亮度以及將圖像投射到液槽中；

10、所述主控板用于總體控制和管理投影裝置的功能。包括與軟件通信、控制開關(guān)、調(diào)整亮度和發(fā)送控制指令等；

11、所述驅(qū)動(dòng)板用于驅(qū)動(dòng)和控制光源及其電動(dòng)組件，確保其按照設(shè)定的模式運(yùn)行；

12、所述dmd驅(qū)動(dòng)板用于專門控制dlp中dmd芯片的微鏡陣列。微鏡通過變化其傾斜角度來調(diào)節(jié)光的反射，從而實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。

13、進(jìn)一步地，所述光學(xué)顯微鏡包括聚光鏡單元，dlp顯示投影裝置產(chǎn)生的投影圖案通過聚光鏡單元的聚焦后，照射到液槽上。

14、進(jìn)一步地，所述液槽樣品臺(tái)還包括二次聚焦單元，所述二次聚焦單元設(shè)置在所述聚光鏡單元和所述液槽之間；投影圖案依次經(jīng)過聚光鏡單元和二次聚焦單元的兩次聚焦后，再照射到液槽上，以實(shí)現(xiàn)微尺度下的打印。

15、進(jìn)一步地，所述二次聚焦單元通過以下方式獲得：

16、采用第一載玻片制作第一液槽，通過所述光固化dlp?3d打印系統(tǒng)在所述第一液槽打印獲得微透鏡；

17、對(duì)所述第一液槽進(jìn)行清洗處理后，將設(shè)有微透鏡的第一載玻片作為二次聚焦單元；光線從第一載玻片的平面射入，并從微透鏡的凸面射出，實(shí)現(xiàn)光線的聚焦。

18、本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：

19、一種快速體成型光固化dlp?3d打印方法，包括以下步驟：

20、制備打印目標(biāo)對(duì)象成型所需的光固化溶液；

21、獲取打印目標(biāo)對(duì)象的三維特征，將打印對(duì)象三維特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度映射，并生成灰度圖像；

22、根據(jù)灰度圖像確定像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光源亮度與照射時(shí)間，獲得投影圖案；

23、將投影圖案投影到光固化溶液上，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象的一次投影打印成型。

24、進(jìn)一步地，所述打印目標(biāo)對(duì)象的三維特征包括打印目標(biāo)對(duì)象的幾何性質(zhì)特征和表面形狀特征；

25、所述獲取打印目標(biāo)對(duì)象的三維特征，將打印對(duì)象三維特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度映射，并生成灰度圖像，包括：

26、利用光源圖像投影灰度的差異，以及不同的灰度值導(dǎo)致不同的固化生長(zhǎng)效果，在3d建模軟件中使用z通道渲染，將打印目標(biāo)對(duì)象的三維特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度映射，并生成灰度圖像。

27、進(jìn)一步地，所述將投影圖案投影到光固化溶液上，包括：

28、調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的物鏡，使物鏡對(duì)焦在用于裝放光固化溶液的玻片的上表面；

29、將投影圖案投射到玻片上，調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡的光路，使得投影圖案與視野中心對(duì)中，以及圖案清晰，以實(shí)現(xiàn)投影面與液槽樣品臺(tái)上的玻片同焦共面。

30、進(jìn)一步地，所述光固化溶液通過以下方式制備：

31、按照預(yù)設(shè)比例對(duì)光引發(fā)劑和光敏混合物進(jìn)行混合，制備獲得光固化溶液。

32、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明使用光源圖像投影灰度的差異精準(zhǔn)控制光源亮度與投影時(shí)間，在一次投影中的不同位點(diǎn)產(chǎn)生不同的光固化效果，實(shí)現(xiàn)更細(xì)致、更精確的打印效果。相較于傳統(tǒng)的dlp逐層打印，本發(fā)明在一次投影中即可完成整個(gè)三維物體的打印，避免了逐層堆疊的過程，簡(jiǎn)化了預(yù)處理及打印流程，提高了成型速度和生產(chǎn)效率。

技術(shù)特征：

1.一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，所述液槽由膠圈貼在載玻片上制成，膠圈圍成的區(qū)域形成一個(gè)有邊界的腔體。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，所述dlp顯示投影裝置包括光學(xué)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)；所述光學(xué)結(jié)構(gòu)包括照明與成像單元；所述控制結(jié)構(gòu)包括主控板、驅(qū)動(dòng)板與dmd驅(qū)動(dòng)板。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)顯微鏡包括聚光鏡單元，dlp顯示投影裝置產(chǎn)生的投影圖案通過聚光鏡單元的聚焦后，照射到液槽上。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，所述液槽樣品臺(tái)還包括二次聚焦單元，所述二次聚焦單元設(shè)置在所述聚光鏡單元和所述液槽之間；投影圖案依次經(jīng)過聚光鏡單元和二次聚焦單元的兩次聚焦后，再照射到液槽上，以實(shí)現(xiàn)微尺度下的打印。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印系統(tǒng)，其特征在于，所述二次聚焦單元通過以下方式獲得：

7.一種快速體成型光固化dlp?3d打印方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印方法，其特征在于，所述打印目標(biāo)對(duì)象的三維特征包括打印目標(biāo)對(duì)象的幾何性質(zhì)特征和表面形狀特征；

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印方法，其特征在于，所述將投影圖案投影到光固化溶液上，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種快速體成型光固化dlp?3d打印方法，其特征在于，所述光固化溶液通過以下方式制備：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種快速體成型光固化DLP?3D打印系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括：液槽樣品臺(tái)，包括液槽，所述液槽用于容納打印目標(biāo)對(duì)象成型所需的光固化溶液；DLP顯示投影裝置，用于控制投影光路中每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光源亮度與照射時(shí)間，以產(chǎn)生投影圖案；光學(xué)顯微鏡，用于承接投影光路，以及用于觀察打印目標(biāo)對(duì)象的結(jié)構(gòu)；其中所述光學(xué)顯微鏡搭載所述液槽樣品臺(tái)，并與所述DLP顯示投影裝置連接，所述投影圖案通過光學(xué)顯微鏡上的光路結(jié)構(gòu)投影至所述液槽。本發(fā)明使用光源圖像投影灰度的差異精準(zhǔn)控制光源亮度與投影時(shí)間，在一次投影中的不同位點(diǎn)產(chǎn)生不同的光固化效果，實(shí)現(xiàn)更細(xì)致、更精確的打印效果，可廣泛應(yīng)用于3D打印及微器件加工技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：喻婷婷,徐蕾,曹曉波,劉浩宇,夏梓航,許廷略
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19