一种高效率大尺寸光固化成形设备和成形方法

1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种高效率大尺寸光固化成形设备和成形方法。


背景技术：

2.光固化成形是一种增材制造技术，广泛应用于各行各业，包括航空航天、汽车制造、生物医疗、科学教育等领域。
3.目前常见的光固化3d打印技术主要有立体光固化成形(sla)和数字光处理技术(dlp)两种。sla技术运用由点到线再到面的点扫描方法，利用聚集后的激光束在计算机控制下按照轮廓要求逐点进行扫描，从而得到成形模型。dlp技术运用直接面成形的方法，利用切片软件将三维模型转化为多层二维平面图像，然后控制dlp投影系统将二维图像投影至液态光敏树脂上，在像素位置上光敏树脂将会固化成形。以上两种技术都需要用到刮刀进行浆料的铺覆：在第一层固化完成后，升降台下降一层的高度，通过刮刀的往复运动在固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描，第二个固化层粘结在前一个固化层上，一层层叠加最终成形。dlp技术和sla技术各有各的优势，dlp技术成形速度快但是打印精度较低，而sla技术打印精度高但是成形速度较慢，在光固化打印的过程中无法同时兼顾打印效率和打印精度。
4.随着dlp技术的发展，一种以dlp打印技术为基础的无需刮刀的连续液面生长技术(clip)横空出世，clip技术是2015年由美国carbon3d公司所开发的一种颠覆性的3d打印新技术，其原理主要为使用一种透明透气的特氟龙膜作为树脂槽底部，供光和氧气通过，进入树脂槽的氧气由于氧阻聚效应会抑制离底部最近的一部分树脂固化，形成几十微米厚的“打印死区”，“打印死区”下方的液体形成非自由液面，打印死区能够让打印平台连续拉起，此过程中无需刮刀的往复运动，大大增加了打印效率。
5.clip技术的出现为光固化3d打印注入了新的活力，但现有clip技术采用基于dmd芯片的面投影技术，在打印大尺寸零件时，会存在因分辨率不足而精度下降的问题，难以同时兼备高精度、大尺寸的技术要求，导致无法获得良好的综合打印性能，这个缺点在进行大尺寸打印时更加突出，影响了光固化3d打印在增材制造领域的进一步推广。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种高效率大尺寸光固化成形设备，能够同时满足高精度、大尺寸的技术要求，获得良好的综合打印性能。
7.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种高效率大尺寸光固化成形方法。
8.本发明目的通过以下技术方案实现：
9.一种高效率大尺寸光固化成形设备，包括机架、料缸、成形模块、供氧模块、打印基板、y轴直线移动模组和z轴直线移动模组；
10.料缸固接于机架，用于存储打印用的浆料；
11.打印基板和成形模块由下至上依次设于料缸内；
12.供氧模块连接于成形模块，用于向成形模块供氧，以使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面；
13.成形模块通过沿x轴方向的激光扫描实现由点到线的成形；
14.y轴直线移动模组连接于成形模块，用于驱使成形模块沿y轴方向移动以实现由线到面的成形；
15.z轴直线移动模组连接于打印基板，用于驱使打印基板沿z轴方向移动，以在打印基板上逐层成形打印模型。
16.进一步，成形模块包括成形窗口、固化光源、供氧仓和线成形光学模组；线成形光学模组位于料缸上部且连接于y轴直线移动模组；供氧仓设于线成形光学模组的下方；成形窗口设于供氧仓的下部且位于打印基板上方，与线成形光学模组、供氧仓共同围合形成封闭空间，非自由液面形成于成形窗口与打印基板之间；供氧模块连接于供氧仓；固化光源设于成形窗口上方，用于固化打印在打印基板上的浆料。
17.进一步，供氧仓下部与成形窗口相契合并固定连接。
18.进一步，成形窗口包括渗氧薄膜和多孔玻璃支撑层，供氧仓、多孔玻璃支撑层和渗氧薄膜由上到下依次连接固定，渗氧薄膜对应设于打印基板上方。
19.进一步，线成形光学模组包括激光发生器、激光振镜、场镜和驱动电机，激光发生器设于激光振镜和场镜之间，用于向激光振镜发射激光并通过激光振镜和场镜的依次反射打到打印基板上形成一点，驱动电机用于驱动激光振镜快速旋转以使点在打印基板上快速往复移动形成线。
20.进一步，激光振镜为六棱柱结构，包括首尾连接形成封闭的六片平面振镜，激光振镜的旋转轴与六棱柱的轴线重合。
21.进一步，线成形光学模组可上下调节地连接于机架上部。
22.一种高效率大尺寸光固化成形方法，采用一种高效率大尺寸光固化成形设备，包括以下步骤，
23.将成型模块下端浸没于料缸的浆料中；
24.利用z轴直线移动模组驱使打印基板沿z轴方向移动，调整成形模块与打印基板之间的距离，并通过供氧模块向成形模块供氧，使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面；
25.成形模块沿x轴方向移动，在打印基板上实现由点到线的成形；
26.利用y轴直线移动模组驱使成形模块沿y轴方向移动，在打印基板上实现由线到面的成形；
27.利用z轴直线移动模组驱使打印基板下降一个打印层厚，重复上述打印步骤直至整个打印模型打印完成。
28.进一步，打印相邻上下两层时，y轴直线移动模组驱使成形模块沿y轴方向移动的方向相反。
29.进一步，利用z轴直线移动模组驱使打印基板沿z轴方向移动时，调整成形模块与打印基板之间的距离至大于一个打印死区和一个打印层厚之和。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.本发明利用y轴直线移动模组驱使成形模块沿y轴方向移动以实现由线到面的成形，能够在不降低成形精度的情况下增大打印尺寸；利用z轴直线移动模组驱使打印基板沿z轴方向移动，调整成形模块与打印基板之间的距离，同时利用供氧模块使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面，从而减少液面流平等待时间，采用非自由液面线成形的光固化成形方式，将刮料与出光打印简化为一个步骤，保证高精度的同时实现高效率大尺寸打印。
附图说明
32.图1为一种高效率大尺寸光固化成形设备的平面结构示意图。
33.图2为打印时液面、成型窗口和打印基板的相互位置示意图。
34.图3为线成形光学模组的结构示意图。
35.图4为一种高效率大尺寸光固化成形设备的工作步骤。
36.图中：
37.1-料缸，2-y轴直线移动模组，3-安装隔板，4-整体框架，5-供氧仓，6-线成形光学模组安装块，7-线成形光学模组，8-l型撑杆，9-z轴直线移动模组，10-气阀，11-气管，12-气泵，13-成形窗口；
38.14-固化光源，15-多孔玻璃支撑层，16-渗氧薄膜，17-打印死区，18-打印模型，19-打印基板；
39.20-场镜，21-激光发生器，22-激光振镜。
具体实施方式
40.下面对本发明作进一步详细的描述。
41.一种高效率大尺寸光固化成形设备，包括机架、料缸1、移动模块、成形模块、供氧模块和打印基板19。
42.机架包括整体框架4和安装隔板3，机架由安装隔板3分为上部和下部；
43.料缸1安装于安装隔板3的下方，位于机架下部；
44.移动模块包括y轴直线移动模组2和z轴直线移动模组9；
45.成形模块包括成形窗口13、供氧仓5和线成形光学模组7；
46.成形窗口13包括渗氧薄膜16和多孔玻璃支撑层15，固定于供氧仓5的下部；
47.线成形光学模组7位于料缸1正上部，y轴直线移动模组2与线成形光学模组7连接并带动线成形光学模组7沿y轴方向移动，从而实现在不降低成形精度的情况下增大打印尺寸；
48.供氧仓5安装于线成形光学模组7的正下方，与线成形光学模组7、成形窗口13共同形成封闭空间，固化平面(固化平面为固化光源14照射到的平面，在第一层时为打印基板19的顶面，在打印过程中为已打印模型18的上表面)与成形窗口13间形成非自由液面，从而减少液面流平等待时间，提高打印效率；
49.z轴直线运动模组9沿z轴方向安装于机架后部，贯穿机架上部和下部，z轴直线运动模组9与打印基板19连接并带动打印基板19沿z轴方向移动。
50.打印开始时，成型窗口13浸没于料缸1内的浆料当中，位于浆料液面下0.5毫米的距离，打印基板19位于成型窗口13的正下方，距离成型窗口13有0.1毫米的距离(大约为一个打印死区17加上四个打印层厚)。采用这种结构，成型窗口13和打印基板19之间的液体受到来自成型窗口13下表面和打印模型18或打印基板19上表面的约束，形成非自由液面，不会因机械运动而造成液面的起伏波动从而影响打印质量，从而保证了打印液面的光滑平整，减少了液面流平等待的时间；并且在打印第一层时，由于打印基板19和成型窗口13的距离大于一个打印死区17加一个打印层厚，与打印基板19接触的浆料固化不完全，从而减少了后处理时将打印模型18从打印基板19移出的时间。
51.多孔玻璃支撑层15与渗氧薄膜16大小相同，多孔玻璃支撑层15位于渗氧薄膜16上方，多孔玻璃支撑层15上开有安装孔，用于将供氧仓5、多孔玻璃支撑层15和渗氧薄膜16按顺序由上到下连接固定，所用渗氧薄膜16可以透氧、透紫外光，而透过的氧气进入到树脂液体中可以起到阻聚剂的作用，阻止固化反应的发生，在渗氧薄膜16表面以下形成厚度约为20微米的打印死区17，使光固化反应发生在打印死区17以下的区域内，从而实现连续液面成形技术。
52.安装隔板3为尺寸与机架xy平面契合的一个大平板，安装于机架的中心位置上，将机架划分为了上部和下部，安装隔板3中心处开有方形通孔，大小与料缸1的开口大小相同。在中心方形通孔两侧沿y轴方向开有两个对称的线型通孔，用于线成形光学模组安装块6的安装和移动。
53.线成形光学模组7包括激光发生器21、激光振镜22、场镜20和驱动电机。激光发生器21用于发射激光，并依次通过激光振镜22和场镜20的反射打到打印基板19上形成一点，驱动电机驱动激光振镜22快速旋转，使点在打印基板19上快速往复移动形成线。其中激光振镜22由六片平面振镜组成，形成一个六棱柱，旋转轴与轴线重合，采用这种结构可以很好地避免激光振镜22旋转走空行程的现象，提高了线成形中由点到线的转化速度。
54.y轴直线移动模组2包括步进电机、同步带、导轨滑块和线成形光学模组安装块6。步进电机和同步带安装于机架下部，导轨滑块安装于安装隔板3的下方，位于两线型通孔的外侧，同步带、导轨滑块和线成形光学模组安装块6固定连接，驱动电机驱动双侧同步带转动从而使导轨滑块和线成形光学模组安装块6沿y轴方向移动；
55.z轴直线移动模组9包括伺服电机、丝杆螺母副和导轨滑块，z轴直线移动模组9与两个l型撑杆8固定连接。
56.线成形光学模组安装块6为龙门式结构，整体位置位于机架上部。下端贯穿线型通孔与两侧的滑块固定连接，上端横梁处开有线型通孔，通过螺栓联接使线成形光学模组7固定于横梁中央。采用这种结构可以通过调整螺栓的位置调整线成形光学模组7在z轴方向上的位置，从而使成型窗口13处于合适的高度。
57.供氧模块包括气泵12、气管11和气阀10。气泵12安装于机架上，气泵12吸入氧气通过气管11输入供氧仓5中，气泵12用于调节输入氧气的速率，供氧仓5上部入口处打有安装孔，与线成形光学模组7下端固定连接，供氧仓5中部附有进气口与气管11连接，供氧仓5下部出口大小与成形窗口13大小相契合并与其固定连接。
58.料缸1开口与安装隔板3方形通孔配合固定，料缸1整体位置位于机架的下部。
59.两个l型撑杆8位于料缸1的正上方，打印基板19固定于l型撑杆8的l型下部，被l型
撑杆8承载着在料缸1里做沿z轴的上下运动。
60.一种高效率大尺寸光固化成形方法，采用上述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，包括如下步骤：
61.s1，z轴直线运动模组9带动打印基板19上升，直至打印基板19的上表面距料缸1上表面0.6毫米的距离；
62.s2，在料缸1中添加浆料，并调整成型窗口13位置，直至浆料液面与成型窗口13下表面0.5毫米的距离、成型窗口13下表面与打印基板19上表面0.1毫米的距离；
63.s3，开启气泵12，并通过调节气阀10控制氧气输入速率；
64.s4，将模型导入计算机中，计算激光扫描路径并开启激光。
65.s5，控制y轴直线运动模组2带动线成形光学模组7沿y轴方向由后端扫描至前端，固化光源14会对打印浆料进行固化，从而完成一层的打印；
66.s6，z轴直线运动模组9带动打印基板19下降一个打印层厚；
67.s7，控制y轴直线运动模组2带动线成形光学模组7沿y轴方向由前端扫描至后端，固化光源14会对打印浆料进行固化，从而完成下一层的打印；打印相邻上下两层时，y轴直线移动模组2驱使线成形光学模组7沿y轴方向移动的方向相反，避免了走空程，提高了打印效率。
68.s8，z轴直线运动模组9带动打印基板19下降一个打印层厚；
69.s9，重复s5～s8直至整个模型打印完成。
70.步骤s5中，激光扫描路径主要描述的是沿x轴方向由点到线的成形阶段，y轴直线运动模组2的运动主要描述的是沿y轴方向由线到面的成形阶段。
71.本发明采用非自由液面线成形的光固化成形方式，将刮料与出光打印简化为一个步骤，保证高精度的同时实现高效率大尺寸打印。
72.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：包括机架、料缸、成形模块、供氧模块、打印基板、y轴直线移动模组和z轴直线移动模组；料缸固接于机架，用于存储打印用的浆料；打印基板和成形模块由下至上依次设于料缸内；供氧模块连接于成形模块，用于向成形模块供氧，以使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面；成形模块通过沿x轴方向的激光扫描实现由点到线的成形；y轴直线移动模组连接于成形模块，用于驱使成形模块沿y轴方向移动以实现由线到面的成形；z轴直线移动模组连接于打印基板，用于驱使打印基板沿z轴方向移动，以在打印基板上逐层成形打印模型。2.按照权利要求1所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：成形模块包括成形窗口、固化光源、供氧仓和线成形光学模组；线成形光学模组位于料缸上部且连接于y轴直线移动模组；供氧仓设于线成形光学模组的下方；成形窗口设于供氧仓的下部且位于打印基板上方，与线成形光学模组、供氧仓共同围合形成封闭空间，非自由液面形成于成形窗口与打印基板之间；供氧模块连接于供氧仓；固化光源设于成形窗口上方，用于固化打印在打印基板上的浆料。3.按照权利要求2所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：供氧仓下部与成形窗口相契合并固定连接。4.按照权利要求2所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：成形窗口包括渗氧薄膜和多孔玻璃支撑层，供氧仓、多孔玻璃支撑层和渗氧薄膜由上到下依次连接固定，渗氧薄膜对应设于打印基板上方。5.按照权利要求1所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：线成形光学模组包括激光发生器、激光振镜、场镜和驱动电机，激光发生器设于激光振镜和场镜之间，用于向激光振镜发射激光并通过激光振镜和场镜的依次反射打到打印基板上形成一点，驱动电机用于驱动激光振镜快速旋转以使点在打印基板上快速往复移动形成线。6.按照权利要求5所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：激光振镜为六棱柱结构，包括首尾连接形成封闭的六片平面振镜，激光振镜的旋转轴与六棱柱的轴线重合。7.按照权利要求1所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，其特征在于：线成形光学模组可上下调节地连接于机架上部。8.一种高效率大尺寸光固化成形方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一项所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备，包括以下步骤，将成型模块下端浸没于料缸的浆料中；利用z轴直线移动模组驱使打印基板沿z轴方向移动，调整成形模块与打印基板之间的距离，并通过供氧模块向成形模块供氧，使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面；成形模块沿x轴方向移动，在打印基板上实现由点到线的成形；利用y轴直线移动模组驱使成形模块沿y轴方向移动，在打印基板上实现由线到面的成
形；利用z轴直线移动模组驱使打印基板下降一个打印层厚，重复上述打印步骤直至整个打印模型打印完成。9.按照权利要求8所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备的成形方法，其特征在于：打印相邻上下两层时，y轴直线移动模组驱使成形模块沿y轴方向移动的方向相反。10.按照权利要求8所述的一种高效率大尺寸光固化成形设备的成形方法，其特征在于：利用z轴直线移动模组驱使打印基板沿z轴方向移动时，调整成形模块与打印基板之间的距离至大于一个打印死区和一个打印层厚之和。

技术总结
本发明涉及一种高效率大尺寸光固化成形设备和方法，成形设备包括料缸、成形模块、供氧模块、打印基板、Y轴直线移动模组和Z轴直线移动模组；供氧模块用于使成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面；成形模块通过沿X轴方向的激光扫描实现由点到线的成形，沿Y轴方向移动实现由线到面的成形；打印基板沿Z轴方向移动，在打印基板上逐层成形打印模型。利用Y轴直线移动模组驱使成形模块沿Y轴方向移动以实现由线到面的成形，能够在不降低成形精度的情况下增大打印尺寸；成形模块与打印基板之间的浆料形成非自由液面，能够减少液面流平等待时间，采用非自由液面线成形的光固化成形方式，保证高精度的同时实现高效率大尺寸打印。保证高精度的同时实现高效率大尺寸打印。保证高精度的同时实现高效率大尺寸打印。


技术研发人员：宋长辉 刘子彬 李相龙 陈推新
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/12