專利名稱：紫外光固化快速成型設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紫外光固化快速成型設備。
技術背景紫外光固化快速成型設備通過軟件把計算機輔助設計CAD的三維數字 模型按照一定的厚度切片，分成一系列二維數字圖形，利用光敏樹脂的 光固化特性，使用合適的光源和光束聚焦掃描方式，在光敏樹脂表面上 依次逐層固化并堆疊上述二維圖形，最終把三維的數字模型以三維固態 實物的形式表現出來。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造 的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下快速生成幾乎任意復雜的 零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性。在目前的紫外光固化快速成型設備中，固化光源普遍使用昂貴的紫外 氣休激光器或紫外固體激光器，光束聚焦裝置和光束掃描裝置使用光束 動態聚焦裝置和振鏡偏轉掃描裝置，雖然有光束質量好、掃描速度快的 優點，但設備的造價昂貴，影響了普及應用；個別紫外光固化快速成型 設備使用大功率氣體放電紫外燈作為固化光源，由于這種光源效率低、 功耗大、壽命短、光束質量差，使得設備的效率、精度和速度等技術指 標都比前一種低，在很多場合不能滿足實用的要求。發明內容本實用新型的目的就是克服現有技術的不足，提出一種紫外光固化 快速成型設備，不但造價便宜、便于普及應用，而且效率、精度和速度 等技術指標滿足實用的要求。 為實現上述目的，本實用新型紫外光固化快速成型設備，包括發出 紫外光的固化光源、光束聚焦裝置、光束掃描裝置、盛裝液態光敏樹脂 的樹脂槽、其托臺浸于樹脂液體內的工件托架和帶動工件托架上下運動 的垂直運動裝置，固化光源發出的紫外光束經光束聚焦裝置和光束掃描 裝置形成投射到工件托架托臺上樹脂液面的聚焦光斑，關鍵是所述固 化光源采用大功率紫外發光二極管，所述光束聚焦裝置為光束固定聚焦 裝置，光束掃描裝置為光束水平面運動掃描裝置，包括Y方向掃描機構和X方向掃描機構，Y方向掃描機構包括Y方向直線軌道、Y方向電機和 設于Y方向直線軌道上并可沿其滑動的Y方向滑塊，樹脂槽上相對的兩 邊設置彼此互相平行的Y方向直線軌道，其中一邊Y方向直線軌道的一 端裝有驅動其上Y方向滑塊滑動的Y方向電機，X方向掃描機構包括X方 向直線軌道、X方向電機和設于X方向直線軌道上并可沿其滑動的X方向 滑塊，X方向直線軌道的兩端分別置于樹脂槽相對兩邊的Y方向滑塊上， 其一端裝有驅動其上X方向滑塊滑動的X方向電機，X方向滑塊上設有光 束固定聚焦裝置。所述大功率紫外發光二極管優選365nm波長的紫外發光二極管，其 功率優選100mW。上述光束固定聚焦裝置可以為紫外顯微物鏡，所述大功率紫外發光 二極管和紫外顯微物鏡均安裝在X方向滑塊上，大功率紫外發光二極管 發出的紫外光經紫外顯微物鏡形成投射到樹脂液面的聚焦光斑。上述光束固定聚焦裝置還可以包括耦合透鏡、柔性紫外光纖和聚焦 透鏡，其中紫外光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向滑塊上，大功率 紫外發光二極管發出的紫外光經耦合透鏡耦合進紫外光纖的輸入端，通 過紫外光纖傳輸，從紫外光纖的輸出端射出，再經聚焦透鏡形成投射到
樹脂液面的聚焦光斑。紫外光纖優選紫外錐度光纖。由于本實用新型的固化光源采用大功率紫外發光二極管，根據紫外 光固化快速成型設備使用的樹脂材料要求，確定所需紫外發光二極管的 優選波長參數和功率參數。根據紫外光固化快速成型設備成型的精度要 求，設計適用于紫外發光二極管的光束固定聚焦裝置和光束水平面運動 掃描裝置。所以，本實用新型不但造價便宜、便于普及應用，而且效率、 精度和速度等技術指標滿足實用的要求。
圖1是本實用新型的結構示意圖；圖2是本實用新型實施例一的光束固定聚焦裝置和光束水平面運動 掃描裝置結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是本實用新型實施例二的光束固定聚焦裝置和光束水平面運動 掃描裝置結構示意圖；具體實施方式
以下結合附圖詳述本實用新型實施例的結構細節 實施例一如圖1所示，本實用新型包括發出紫外光的大功率紫外發光二極管1、 光束固定聚焦裝置2、光束水平面運動掃描裝置3、盛裝液態光敏樹脂的樹脂槽4、其托臺81浸于樹脂液體內的工件托架8和帶動工件托架8上 下運動的垂直運動裝置5。如圖2、圖3所示，大功率紫外發光二極管l 選用365nm波長的紫外發光二極管，其功率為100mW，為便于散熱，大功 率紫外發光二極管1裝有散熱組件11。光束固定聚焦裝置2為紫外顯微 物鏡。光束水平面運動掃描裝置3包括Y方向掃描機構和X方向掃描機 構，Y方向掃描機構包括Y方向直線軌道31、 32， Y方向滑塊33、 34和 Y方向電機35， Y方向直線軌道31、 32上裝有可沿其滑動的Y方向滑塊 33、 34，樹脂槽4上相對的兩邊設置彼此互相平行的Y方向直線軌道31、 32，其中一邊Y方向直線軌道31的一端裝有驅動其上Y方向滑塊33滑 動的Y方向電機35， X方向掃描機構包括X方向直線軌道36、 X方向滑 塊37和X方向電機38， X方向直線軌道36上裝有可沿其滑動的X方向 滑塊37， X方向直線軌道36的兩端分別置于樹脂槽4相對二邊的Y方 向滑塊33、 34上，其一端裝有驅動其上X方向滑塊37滑動的X方向電 機38， Y方向直線軌道31、 32和X方向直線軌道36互相垂直。大功率 紫外發光二極管1和紫外顯微物鏡2均安裝在X方向滑塊37上，X方向 電機38和Y方向電機35選用步進電機，通過控制X方向電機38和Y方 向電機35轉動，由傳動皮帶或滾珠絲杠帶動，驅動X方向滑塊37和Y 方向滑塊33、 34來回滑動，從而，X方向滑塊37可以沿其所處的水平面 移到樹脂槽4上方的任何位置。大功率紫外發光二極管1發出的紫外光束9經紫外顯微物鏡2形成 投射到樹脂液面6的聚焦光斑，經光束水平面運動掃描裝置3的X方向 掃描和Y方向掃描，聚焦光斑處于工件托架托臺81上樹脂液面6的相應 位置，聚焦光斑所到之處，樹脂液體固化，聚焦光斑在樹脂液面6上逐 點掃描，即逐點固化，完成工件7的一層固化。垂直運動裝置5控制工 件托架8在樹脂槽4中逐層向下運動，從樹脂液面6開始，隨著光束9 的逐層掃描以及工件托架8的逐層向下運動，工件7被逐層固化出來。實施例二實施例二和實施例一的不同之處是光束固定聚焦裝置。如圖4所示， 光束固定聚焦裝置包括耦合透鏡21、柔性紫外錐度光纖22和聚焦透鏡
23，其中紫外錐度光纖22的輸出端和聚焦透鏡23安裝在X方向滑塊37 上，大功率紫外發光二極管1、耦合透鏡21和柔性紫外錐度光纖22的輸 入端固定不動，大功率紫外發光二極管1發出的紫外光束9經耦合透鏡 21耦合進紫外錐度光纖22的輸入端，通過紫外錐度光纖22傳輸，從紫 外錐度光纖22的輸出端射出，再經聚焦透鏡23形成投射到樹脂液面6 的聚焦光斑。其余和實施例一相同，此處不多描述。本實用新型主要改進現有紫外光固化快速成型設備的固化光源、光 束聚焦裝置和光束掃描裝置，采用大功率紫外發光二極管作為固化光源， 光束聚焦裝置和光束掃描裝置采用適合紫外發光二極管光束的光束固定 聚焦裝置和光束水平面運動掃描裝置。本實用新型設計描述如下(1) 根據紫外光固化快速成型設備使用的樹脂材料的要求，確定了所需 紫外發光二極管的波長參數和功率參數商品化光固化快速成型樹脂材料的固化波長一般在250 375nm的范 圍，考慮到商品化大功率紫外發光二極管的最短波長，確定選用365nm 的紫外發光二極管。另外，商品化光固化快速成型樹脂材料的臨界暴光量為10mJ/cm2的 量級，對于掃描光斑直徑小于0. lmm和掃描速度大于lm/s的技術要求， 紫外發光二極管的功率必須大于10mW，再考慮到紫外光束在聚焦和傳輸 過程約50%的損耗，確定紫外發光二極管的功率為100mW。(2) 根據紫外光固化快速成型設備成型的精度要求，設計了適用于紫外 發光二極管的光束固定聚焦裝置目前商品化的大功率紫外發光二極管的發光面尺寸約為lxlmm2，光 束的半功率發散角約為土45度，實施例一的光束固定聚焦裝置使用紫外顯 微物鏡，能夠把上述紫外發光二極管的光束聚焦成小于0. lrrnn直徑的光
斑，聚焦效率大于50%，滿足紫外光固化快速成型設備的水平精度要求以 及對固化光功率的要求。實施例二的光束固定聚焦裝置使用柔性紫外錐度光纖，首先把紫外 發光二極管的光束用耦合透鏡耦合進紫外錐度光纖，經過紫外錐度光纖 的傳輸后，光束直徑減小，再把從紫外錐度光纖射出的光束用聚焦透鏡 聚焦成直徑小于O. lmm的光斑，聚焦效率大于50%,滿足紫外光固化快速 成型設備的水平精度要求以及對固化光功率的要求。(3)設計了適合于使用紫外發光二極管及其光束固定聚焦裝置的光束水 平面掃描裝置，包括Y方向掃描機構和X方向掃描機構紫外發光二極管不是相干光源，紫外發光二極管光束在空間的傳輸 不能保持良好的光束質量，因此紫外發光二極管光束的掃描不能使用光 束偏轉掃描的方式；考慮到紫外發光二極管及其光束固定聚焦裝置具有 體積小、重量輕的特點，實際設計如下實施例一把紫外發光二極管及其紫外顯微物鏡安裝在X方向掃描機 構的X方向滑塊上，實現X方向掃描，把X方向掃描機構的X方向直線 軌道安裝在Y方向掃描機構的Y方向滑塊上，實現Y方向掃描。實施例二把紫外發光二極管、耦合透鏡和柔性紫外錐度光纖的輸入 端囪定不動，把柔性紫外錐度光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向掃 描機構的X方向滑塊上，其余和實施例一相同。
權利要求1、紫外光固化快速成型設備，包括發出紫外光的固化光源、光束聚焦裝置、光束掃描裝置、盛裝液態光敏樹脂的樹脂槽、其托臺浸于樹脂液體內的工件托架和帶動工件托架上下運動的垂直運動裝置，固化光源發出的紫外光束經光束聚焦裝置和光束掃描裝置形成投射到工件托架托臺上樹脂液面的聚焦光斑，其特征在于所述固化光源采用大功率紫外發光二極管，所述光束聚焦裝置為光束固定聚焦裝置，光束掃描裝置為光束水平面運動掃描裝置，包括Y方向掃描機構和X方向掃描機構，Y方向掃描機構包括Y方向直線軌道、Y方向電機和設于Y方向直線軌道上并可沿其滑動的Y方向滑塊，樹脂槽上相對的兩邊設置彼此互相平行的Y方向直線軌道，其中一邊Y方向直線軌道的一端裝有驅動其上Y方向滑塊滑動的Y方向電機，X方向掃描機構包括X方向直線軌道、X方向電機和設于X方向直線軌道上并可沿其滑動的X方向滑塊，X方向直線軌道的兩端分別置于樹脂槽相對兩邊的Y方向滑塊上，其一端裝有驅動其上X方向滑塊滑動的X方向電機，X方向滑塊上設有光束固定聚焦裝置。
2、 根據權利要求1所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述Y方向直線軌道和X方向直線軌道互相垂直。
3、 根據權利要求1所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述大功率紫外發光二極管選用365nm波長的紫外發光二極管。
4、 根據權利要求3所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述大功率紫外發光二極管的功率為100mW。
5、 根據權利要求2所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述大功率紫外發光二極管選用365nm波長的紫外發光二極管。
6、 根據權利要求5所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述大功率紫外發光二極管的功率為100mW。
7、 根據權利要求1至6任一項所述的紫外光固化快速成型設備，其特 征在于所述光束固定聚焦裝置為紫外顯微物鏡，所述大功率紫外 發光二極管和紫外顯微物鏡均安裝在X方向滑塊上，大功率紫外發 光二極管發出的紫外光束經紫外顯微物鏡形成投射到樹脂液面的聚 焦光斑。
8、 根據權利要求1至6任一項所述的紫外光固化快速成型設備，其特 征在于所述光束固定聚焦裝置包括耦合透鏡、柔性紫外光纖和聚 焦透鏡，其中紫外光纖的輸出端和聚焦透鏡安裝在X方向滑塊上， 大功率紫外發光二極管發出的紫外光束經耦合透鏡耦合進紫外光纖 的輸入端，通過紫外光纖傳輸，從紫外光纖的輸出端射出，再經聚 焦透鏡形成投射到樹脂液面的聚焦光斑。
9、 根據權利要求8所述的紫外光固化快速成型設備，其特征在于所 述柔性紫外光纖為柔性紫外錐度光纖。
專利摘要紫外光固化快速成型設備，包括大功率紫外發光二極管1、光束固定聚焦裝置2、光束水平面運動掃描裝置3、盛裝液態光敏樹脂的樹脂槽4、其托臺81浸于樹脂液體內的工件托架8和帶動工件托架8上下運動的垂直運動裝置5。紫外發光二極管1發出的紫外光束9經光束固定聚焦裝置2形成投射到樹脂液面6的聚焦光斑，經光束水平面運動掃描裝置3的X方向掃描和Y方向掃描，聚焦光斑掃描工件托架托臺81上樹脂液面6的相應位置。本實用新型通過采用大功率紫外發光二極管作為固化光源，并設計與之相適應的光束固定聚焦裝置和光束水平面運動掃描裝置，使本實用新型造價便宜，便于普及應用，而且效率、精度和速度等技術指標滿足實用的要求。
文檔編號B29C67/00GK201033467SQ20072005241
公開日2008年3月12日 申請日期2007年6月6日 優先權日2007年6月6日
發明者劉玉鵬, 李偉良, 李耀棠 申請人:中國科學院廣州電子技術研究所