專利名稱：一種用于光固化快速成型設備的樹脂液面控制及涂覆裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用于光固化快速成型設備，控制光敏樹脂液面 高度穩定以及在需要成型工件表面形成一層均勻樹脂涂覆層的樹脂液面 控制及涂覆裝置。
技術背景
快速原型制造技術又簡稱快速成形技術，其核心是基于數字化的新 型成形技術，它可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有 一定功能的原型或直接制造零件工件，能有效地縮短產品的研發周期， 是提高產品質量、縮減產品成本的有力工具。光固化快速成型是以在特 定波長的光輻射下能快速固化的光敏樹脂為材料，根據工件的CAD三維 模型數據，通過計算機控制的激光光束掃描或可編程光掩模的投影使光 敏樹脂表層固化而形成工件的一個堆積層。然后，承載工件的工作臺按 工藝的要求沿垂直方向下移至一個堆積層的距離使已固化的光敏樹脂， 即成型工件堆疊層，表面重新涂覆上一層未固化樹脂，重復前述的光固 化步驟使新固化樹脂的堆積層粘結在前一次固化的堆積層上，這一過程 不斷重復直至整個工件制造完成為止，用這種方法可以快速制造出任意 復雜形狀的設計原型。
顯然，在上述的光固化過程中，維持樹脂液面在同一高度并設法在 已固化的樹脂表面，即需要成型的工件，均勻地涂覆上一層未固化樹脂 層并保證其層厚的精度十分非常重要，.它直接影響成型工件在垂直方向 的尺寸精度，偏差嚴重會導致整個工件報廢。
通常有兩種方法用于光固化快速成型設備的光敏樹脂液面高度控 制。 一種是溢流法，它是一種簡單可行的方法，其原理是通過一個連續
運行的泵不斷地將附槽中的樹脂補充到主槽中，當主槽中樹脂高于溢流 口的高度時多出的樹脂會溢流回到附槽，此過程不斷的重復從而維持樹 脂液面在某一固定的高度，由溢流口的高度決定。由于受樹脂粘滯性的 影響，樹脂溢流時液面有一高度差，當樹脂的粘滯度變化，主要是溫度 的影響、泵的流量變化、樹脂補充口和溢流口設計不合理等都會造成樹 脂液面高度差變化較大。因此，溢流法多用于對疊層厚度的精度要求不 高的場合。另一種是光學測控法，它是一種精度較高的方法。這種方法
是利用非敏感波長的激光束照射樹脂液面，通過CCD成像器件或PSD位 置傳感器探測樹脂液面散射光斑或反射光束的位置而檢測出樹脂液面的 高度，然后再通過計算機控制馬達升舉樹脂槽或調節樹脂槽中活塞位置 的方式來維持樹脂液面在某一所需的高度。光學測控法比較復雜，且由 于不同的樹脂材料對光的散射和反射差異很大，這種方法對不同樹脂材 料的適用性也受到一定的限制，如對透明無色的樹脂材料，測量就比較 困難。
常用的在已固化樹脂層表面涂覆一層未固化光敏樹脂的方法是當 工件上原涂嫌的一層樹脂被固化后，承載工件的工作臺按工藝的要求沿 垂直方向下移某一距離，如要求樹脂的涂覆層厚為0. lmin，則下移0.5mm 的距離甚至更大，使工件完全浸沒于樹脂中，然后工作臺上移0.4mm使 工件表面形成一層0. lmm厚的未固化的樹脂層。實際上，由于光固化樹 脂是一種高粘滯性的材料而不易自然流平，僅用此方法無法獲得厚度均 勻的樹脂涂覆層，通常還必須輔以能作水平運動的刮平裝置來加速樹脂 的流平，刮平裝置可以是普通的片式刮刀或是帶有負壓吸附空腔的刮刀。 前者在工作時需要調整刀口位置與樹脂液面高度完全一致，利用刀口的
刃鋒把多余的樹脂刮走并加速樹脂的流平，由于作刮平運動時刮刀前后 的樹脂存在壓力差和樹脂粘滯力的拖曳作用會造成樹脂的回流，使樹脂涂覆層的均勻度和層厚精度都受到影響，此外由于樹脂固化時收縮引起 的工件微小翹變、樹脂液面高度控制的誤差及承載工件的工作臺移動的
誤差都會極易使刮刀在運動時碰到已固化的樹脂層從而毀壞工件；后者 是把刮平裝置做成具有空腔結構的刮刀并調整刀口位置略高于樹脂液面 0. lmra 0. 3mm，利用負壓原理和樹脂表面的張力毛細現象可使刮刀的空 腔內存有一定量的樹脂，刮刀運動時，刮刀刀口可以把工件上未固化樹 脂層的凸出部分刮平而刮刀空腔內的樹脂則可以把凹陷部分填平，雖然 這種結構的刮刀在運動時不會與已固化的樹脂層直接接觸，但由于刀口 與樹脂液面之間有一間隙，托架升降引起樹脂液面的微小變化，工件下 沉時由于樹脂粘滯不易流動而引起的凹陷或是刮刀快速運動等原因極容 易使刮刀的空腔失去負壓而影響工件上未固化樹脂層涂覆的均勻性，最 終影響工件制作的質量甚至導致失敗。同時，上述的工藝過程在工件表 面形成未固化樹脂涂覆層時托架必須作上下的往返運動，它引起主槽的 樹脂液面高度變化很大，需要較長的時間等待樹脂自然流平，延長了工 件的制作時間，降低了工作效率。
另外，上述樹脂液面的髙度控制和樹脂層的涂覆在實際使用中往往 各自獨立為子系統，樹脂液面高度控制和樹脂層涂覆兩個子系統之間的 協調控制比較復雜。因此，現有技術難以方便地實現樹脂液面高度的精 確控制和保證樹脂涂覆層的均勻度和層厚精度。
發明內容
本實用新型的目的就是克服現有技術的不足，提出一種用于光固化 快速成型設備的樹脂液面控制及涂覆裝置，將樹脂液面高度控制和樹脂 層涂覆結合在一起，實現樹脂液面高度的精確控制和保證樹脂涂覆層的 均勻度和層厚精度，并且不易損壞成型工件，提高工作效率。
為實現上述目的，本實用新型一種用于光固化快速成型設備的樹脂液面控制及涂覆裝置，包括涂覆樹脂液面的刮刀、和計算機連接并可使 刮刀作水平往復運動的刮刀移動臺、和計算機連接且用作抽取光敏樹脂 液體的微量泵、盛裝光敏樹脂液體的主槽和附槽，主槽設有溢出口，附 槽設于主槽的外側且和主槽溢出口相通，刮刀移動臺裝有位于主槽樹脂 液面上方的刮刀，該刮刀具有底部開口的空腔，微量泵的進液口置于附 槽內，還包括一柔性管道，其兩端分別連通刮刀的空腔上部和微量泵的 出液口。
上述刮刀和主槽樹脂液面之間的距離可以為0. lmm 0. 5咖。
在一種實施方式中，上述刮刀為中空的立式長方體形，其空腔的底 部開口位于長方體的底面。
為避免光敏樹脂液體在刮刀底部外壁凝結，刮刀的底部外壁可以設 有外側刀鋒。為避免光敏樹脂液體在刮刀的空腔底部開口內壁凝結，刮 刀的空腔底部開口內壁還可以設有內側刀鋒，刮刀的空腔底部開口則為 內側刀鋒之間的空隙。
本實用新型通過微量泵抽取附槽中的樹脂液體，經過一柔性管道注 入到刮刀的空腔，當刮刀作往復水平運動時，刮刀可以把工件上未固化 樹脂層的凸出部分刮平，同時刮刀空腔內的樹脂液體在重力作用下流下， 可以把凹陷部分填平，從而工件表面形成一層均勻的未固化樹脂涂敷層。 主槽開有溢流口 ，當樹脂液面高出溢流口時多出的樹脂液體可以通過溢 流口流到附槽中，附槽中的樹脂液體則可通過微量泵，經過一柔性管道 和刮刀補充到主槽，以此維持主槽的樹脂液面高度不變。
本實用新型由于主槽開有溢流口，并通過一柔性管道，將附槽內的 光敏樹脂液體注入水平往復運動刮刀的空腔，所以，可同時實現主槽樹 脂液面高度控制和工件表面未固化樹脂層的涂覆。它不但可以克服普通 刀片式的刮平方法容易損壞工件和涂層不均勻的缺點，也可以克服負壓
吸附式刮刀容易失去負壓而使樹脂涂層均勻度和層厚精度降低的缺點； 由于在工件表面形成未固化樹脂涂覆層時托架僅霈作下降一固化層厚度 距離的運動，它對主槽的樹脂液面高度影響較小，不需要等待很長的自 然流平時間，從而提高了工作效率。
圖1是本實用新型實施例的結構示意圖2是本實用新型實施例刮刀的外形示意圖3是圖2刮刀的截面示意圖4是圖2刮刀的安裝示意圖；；
圖5是本實用新型實施例光敏樹脂液體的流向示意圖6是應用本實用新型實施例的光固化快速成型設備的工作原理示
意具體實施方式
以下結合附圖詳述本實用新型實施例的結構細節
如圖l所示，本實用新型包括主槽l、附槽2、刮刀8、刮刀移動臺 10、微量泵6和柔性管道7。主槽1設有溢出口3，附槽2設于主槽1的 外側且和主槽溢出口 3相通，主槽1用于盛裝工件成型所需的光敏樹脂 液體4，附槽2用于盛裝在工件成型過程中因維持主槽1樹脂液面13的 高度穩定而通過溢流口 3流出的多余樹脂液體5。
如圖2、圖3所示，刮刀8具有底部開口的空腔9，為中空的立式長 方體形，其空腔9的底部開口91位于長方體的底面。刮刀8的底部外壁 設有外側刀鋒81，刮刀8的空腔底部開口內壁設有內側刀鋒82，刮刀8 的空腔底部開口 91為內側刀鋒82之間的空隙。刮刀8涂覆主槽1的樹 脂液面13，其空腔9內的樹脂液體用于在工件表面進行未固化樹脂層的 涂敷和向主槽1補充樹脂液體來維持主槽1樹脂液面13的高度穩定。
如圖4所示，刮刀移動臺10裝有位于主槽樹脂液面13上方0. lmm 0. 5mm距離的刮刀8，刮刀移動臺10的電機101連接計算機，通過計算 機控制刮刀移動臺10的電機101旋轉，進而控制刮刀8沿刮刀移動臺10 的導軌作水平往復運動。當刮刀8按圖4中a箭頭所示方向作往復水平 運動時，將刮刀空腔9內的樹脂液體注入主槽1的同時，完成在工件表
面上涂敷一層均勻的未固化樹脂層和加速樹脂液體流平。
如圖5所示，微量泵6的進液口61置于附槽2內， 一柔性管道7的 兩端分別連通刮刀8的空腔9上部和微量泵6的出液口 62。微量泵6通 過柔性管道7的連接，可把附槽2的樹脂液體5輸送到刮刀8的空腔9 內，并可補充到主槽l內。微量泵6的電機63連接計算機，通過計算機 控制微量泵6的電機63旋轉，進而控帝IJ微量泵6的開關和抽取樹脂液體 的流量，也即控制通過柔性管道7注入刮刀空腔9的樹脂液體流量。微 量泵6抽運附槽2的樹脂液體5，按圖5中的A、 B箭頭方向補充到刮刀 8的空腔9內，刮刀空腔9內的樹脂液體由于重力的作用按C箭頭的方向 流向主槽l,刮刀8移動時在工件的表面形成一層均勻的樹脂涂敷層。當 主槽1的樹脂4液面高于溢流口 3時，多余的樹脂液體通過溢流口 3按D 箭頭方向流到附槽2，從而維持主槽1的樹脂液面在溢流口 3的高度不變。 在等待樹脂液體自然流平和光束掃描期間，刮刀8停留在靠溢流口 3的 一側，它可減少因刮刀空腔9內的樹脂液體流到主槽1時引起的樹脂液 面梯度變化。
以下詳述應用本實用新型實施例光固化快速成型設備的工作過程 如圖6所示，在工件14的制作過程中，當完成工件14表面當前的 一層樹脂固化后，計算機19控制托架移動臺11使工件14下移一固化層 的距離，并且刮刀8作圖中a箭頭方向所示的往復水平運動，起到在工 件14的表面上涂敷上新一層未固化樹脂和加速樹脂液體流平的作用。在 整個工作過程中，紫外激光器17發出的激光束經動態調焦裝置16和掃 描器15形成掃描主槽1光敏樹脂液面13的激光束18，計算機19根據工 件設計的分層數據或支撐數據控制激光束18在主槽1的光敏樹脂液面13 作二維掃描形成一固化層。在光束掃描的同時，動態調焦裝置16也在計 算機19的控制下根據掃描器15反射鏡的偏轉角度進行動態焦距調整， 確保光束光斑的大小在整個掃描面不變。當一層樹脂掃描固化完成后， 計算機19根據工藝要求控制移動臺11帶動托架12使工件14下降一固 化層的距離，通常為0. lmm，同時微量泵6開始工作，將附槽2的樹脂液 體輸送到刮刀8的空腔9內，計算機19通過刮刀移動臺10控制刮刀8 作往復的水平運動。由于光敏樹脂液體的粘滯性，托架12下移后工件14 表面的樹脂液體會出現凸出或凹陷的現象，刮刀8的往復水平運動一是 加速工件14表面凸出的樹脂液體流平，二是向工件14表面凹陷部分補 充樹脂液體，形成新的一層待固化樹脂層。刮刀8通過往復的水平運動 來完成一層未固化樹脂的涂敷，確保了樹脂層涂敷的均勻。刮刀8停止 運動的停留位置是位于主槽1溢流口 3的一側，使刮刀8作返回運動時， 可以快速地將由于托架12下移或刮刀空腔9內的樹脂液體在重力作用下 流向主槽1引起的主槽1樹脂液面13升高而多出來的樹脂液體刮到靠溢 流口 3的位置，加快樹脂液體向溢流口 3流動，并可減少因刮刀8空腔9 內的樹脂液體流到主槽1時引起樹脂液面梯度的變化，從而維持樹脂液 體的液面高度穩定。
權利要求1、一種用于光固化快速成型設備的樹脂液面控制及涂覆裝置，包括涂覆樹脂液面的刮刀、和計算機連接并可使刮刀作水平往復運動的刮刀移動臺、和計算機連接且用作抽取光敏樹脂液體的微量泵、盛裝光敏樹脂液體的主槽和附槽，主槽設有溢出口，附槽設于主槽的外側且和主槽溢出口相通，刮刀移動臺裝有位于主槽樹脂液面上方的刮刀，該刮刀具有底部開口的空腔，微量泵的進液口置于附槽內，其特征在于還包括一柔性管道，其兩端分別連通刮刀的空腔上部和微量泵的出液口。
2、 根據權利要求1所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特征在于所述刮刀和主槽樹脂液面之間的距離為0. lmra 0. 5mm。
3、 根據權利要求1所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特征在于所 述刮刀為中空的立式長方體形，其空腔的底部開口位于長方體的底 面。
4、 根據權利要求3所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特征在于所 述刮刀和主槽樹脂液面之間的距離為0. lmm 0. 5mm。
5、 根據權利要求1至4任一項所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特 征在于所述刮刀的底部外壁設有外側刀鋒。
6、 根據權利要求5所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特征在于所述刮刀的空腔底部開口內壁設有內側刀鋒，所述刮刀的空腔底部開 口為內側刀鋒之間的空隙。
7、 根據權利要求1至4任一項所述的樹脂液面控制及涂覆裝置，其特 征在于所述刮刀的空腔底部內壁設有內側刀鋒，所述刮刀的空腔 底部開口為內側刀鋒之間的空隙。
專利摘要一種用于光固化快速成型設備的樹脂液面控制及涂覆裝置，包括涂覆樹脂液面的刮刀、和計算機連接并可使刮刀作水平往復運動的刮刀移動臺、和計算機連接且用作抽取光敏樹脂液體的微量泵、盛裝光敏樹脂液體的主槽和附槽，主槽設有溢出口，附槽設于主槽的外側且和主槽溢出口相通，刮刀移動臺裝有位于主槽樹脂液面上方的刮刀，該刮刀具有底部開口的空腔，微量泵的進液口置于附槽內，還包括一柔性管道，其兩端分別連通刮刀的空腔上部和微量泵的出液口。本實用新型可同時完成主槽樹脂液面高度控制和工件表面未固化樹脂層的涂覆，實現樹脂液面高度的精確控制和保證樹脂涂覆層的均勻度和層厚精度，并且不易損壞成型工件，提高工作效率。
文檔編號B29C67/00GK201070835SQ20072005275
公開日2008年6月11日 申請日期2007年6月14日 優先權日2007年6月14日
發明者劉玉鵬, 張俊杰, 李偉良, 李耀棠, 賈啟云, 趙光華 申請人:中國科學院廣州電子技術研究所