一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及3D打印領域，尤其涉及一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印裝置及方法。
【背景技術】
[0002]快速成型技術(又稱快速原型制造技術，Rapid Prototyping ManufacturingJU稱RPM)，又稱3D打印，是基于材料逐層累加的一種高新制造技術，其根據零件或者物體的三維數據模型進行分層，得到每一層的輪廓，同時計算出加工路徑，打印頭根據加工路徑在控制系統的控制下得到每一層的實體，最終通過每一層的堆疊得到總的實體。
[0003]依據打印方式與打印材料的不同，3D打印技術可分為不同的種類。目前主流的3D打印技術有SLA、FDM、3DP、SLS、SLM、L0M等，在這些技術中SLA(光固化成型技術)應用最為廣泛、成型精度相對較高，SLA的光固化成型原理是利用紫外激光固化對紫外光非常敏感的液態樹脂材料予以成形，在計算機控制下經過聚焦的紫外激光束按照零件分層截面信息對液態樹脂表面進行逐點線掃描，被掃描區域的樹脂產生光聚合反應瞬間固化，形成一個薄層，當一層固化后，工作臺下移一個層厚，液態樹脂自動在已固化的零件表面覆蓋一個工作層厚的液態樹脂，緊接著進行下一層掃描固化，如此反復直至整個零件打印完畢。然而，SLA技術使用的是點光源，由點到線再到面的成型方式，成型速度較慢。
[0004]針對現有的SLA光固化成型的問題，提出了DLP投影光固化成型技術，DLP是“Digital Light Process1n”的縮寫，即為數字光處理，也就是說這種技術要先把影像信號經過數字處理，然后再把光投影出來，它是基于TI(美國德州儀器)公司開發的數字微鏡元件--DMD(Digital Micromirror Device)來完成可視數字信息顯示的技術。DLP投影光固化成型技術使用一種較高分辨率的數字光處理器(DLP)來固化液態光聚合物，一層層對液態聚合物進行固化，以此循環往復，直到最終模型的完成。
[0005]在DLP光固化打印過程中影響打印效果的主要因素有兩個:光能量和單層曝光時間。軟件部分將圖像信息傳遞給投影機產生投影光，投影光透過樹脂槽照射到液態樹脂表面，液態樹脂吸收的光能量達到固化所需的能量閾值時會聚合為固態，樹脂所吸收的光能量大小將會影響樹脂的固化精度，光能量與單層曝光時間和輻照度成正比。當單層曝光時間一定時，光能量與輻照度成正比。通常在DLP打印設備中，在打印不同的光敏樹脂材料和選擇不同打印精度的情況下，需要選擇合適的光能量和單層曝光時間，如果光能量不可變，僅通過軟件系統控制投影儀的單層曝光時間，打印層厚越大(打印精度越小)，單層曝光時間也越長，導致打印效率降低，設備的打印精度范圍受到限制。另外為了保護光敏樹脂在非打印階段能夠不受投影光的照射而造成的老化，必須在樹脂槽和投影機之間設置一個復雜的遮擋裝置，但是，基于投影式的光固化打印設備中投影儀的光強固定不變時，僅通過改變單層曝光時間，會出現打印精度范圍小、打印效率低、遮擋裝置復雜的問題。
【發明內容】
[0006]為了克服上述現有技術的不足，本發明公開的一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印裝置，包括投影儀、投影鏡頭、第一偏振片、第二偏振片、樹脂槽、打印平臺、水平旋轉結構和升降機構，所述的投影鏡頭安裝在投影儀上，所述的第一偏振片在投影鏡頭上，所述的第二偏振片在第一偏振片上，所述的第二偏振片與水平旋轉結構連接，所述的樹脂槽在第二偏振片上，所述的樹脂槽在打印平臺下，所述的打印平臺與升降機構連接。
[0007]優選的，所述的第一偏振片的中心軸與投影儀所投光傳播方向平行;所述的第二偏振片的中心軸與投影儀所投光傳播方向平行;第一偏振片與第二偏振片平行放置。
[0008]優選的，所述的第一偏振片的透振方向與第二偏振片的透振方向在復位時相互垂直。
[0009]優選的，所述的水平旋轉結構上設有伺服電機，用于控制第二偏振片的旋轉角度。
[0010]另一方面，本發明還公開了一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印方法，其特征在于，包括以下步驟:
a、通過投影儀投射出設定的圖案光，經過投影鏡頭照射到第一偏振片，再照射到第二偏振片；
b、水平旋轉結構中伺服電機轉動，帶動第二偏振片轉動達到設定角度，使得第一偏振片與第二偏振片的透振方向的夾角達到設定角度；
c、照射到第二偏振片的光部分透過，再穿過樹脂槽照射到打印平臺上，對樹脂槽和打印平臺之間的3D打印材料進行光固化，形成圖案；
d、水平旋轉結構中伺服電機轉動復位，帶動第二偏振片復位，兩層偏振片的透振方向互相垂直；
e、升降機構帶動打印平臺與樹脂槽分隔一定距離，樹脂槽中的3D打印材料填充樹脂槽和打印平臺的間隙，進行再次曝光，重復此過程直至打印結束。
[0011 ]優選的，其中步驟a還包括:將所要打印的三維實體進行分層，得到每層所需投影的圖案。
[0012]優選的，其中步驟b還包括:根據設置的層厚所對應的投影儀光強確定所需偏轉角度。
[0013]偏振片有一個特定的方向指向，與這個方向垂直的電振動被阻擋，而與這個方向平行一致的電振動則可以自由通過。自然光通過偏振片后成為偏振光，當偏振光透過偏振片時，如果偏振光的振動方向與偏振片的透射方向平行一致時就幾乎不受到阻擋，這時偏振片是透明的，如果偏振光的振動方向與偏振片的透射方向相互垂直時，則幾乎完全不能通過。當第二偏振片與第一偏振片的透振方向的夾角為Θ時，自然光1透過第一偏振片后，其強度變為11=10/2，透過第二偏振片后的光強為12，由馬呂斯定律得I2=Ilcos20。
[0014]本發明通過在投影儀所投射的光路上設有兩個偏振片，第一偏振片的中心軸與光傳播方向相互平行，第二偏振片可通過伺服電機控制其圍繞以光傳播方向為軸旋轉，從而改變第一偏振片與第二偏振片的透振方向的夾角，當第二偏振片與第一偏振片的透振方向相互平行時，光強最大；當第二偏振片與第一偏振片的透振方向相互垂直時，則沒有光透過。在打印每層時，軟件系統根據層厚計算相對應的光強，通過控制系統對第二偏振片旋轉一定角度，改變兩偏振片透振方向的夾角，從而改變透過的光強，通過控制光強和單層曝光時間來提高打印精度。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
1.在投影儀投射光路中設置兩個偏振片，通過改變兩偏振片的透振方向的夾角，精確控制透過的光強，從而實現了打印光強的可調；
2.由于光強可調，提高了打印精度、擴大了打印材料種類選擇，同時也提高了工作效率；
3.通過在投影儀投射光路中設置兩個偏振片，既能控制光強，又能防止光的外泄。
[0016]
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明公開的一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印裝置的部分結構示意圖；
圖2是本發明公開的一種基于投影式光強可調節的光固化三維打印裝置的結構示意圖。
[0018]1、投影儀2、投影