[發(fā)明專利]單光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造設(shè)備、系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110049451.4
• 申請(qǐng)日: 2021-01-14
• 公開（公告）號(hào): CN113246466B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭文華;賀晨龍;馬耀軍;王強(qiáng);馬翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B29C64/20
• 分類號(hào): B29C64/20;B29C64/124;B29C64/386;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y50/00;B33Y50/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發(fā)明公開了一種單光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造設(shè)備、系統(tǒng)和方法，該設(shè)備包括光源模塊、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、水平運(yùn)動(dòng)模塊、垂直運(yùn)動(dòng)模塊、液位調(diào)節(jié)模塊、刮刀模塊、成形模塊、料倉(cāng)模塊以及電氣控制模塊；該系統(tǒng)包括云端服務(wù)器、上位機(jī)和下位機(jī)；該方法包括大尺寸面曝光模型切片方法和大尺寸面曝光技術(shù)工藝參數(shù)優(yōu)化方法。本發(fā)明結(jié)合模型切片方法，通過單光源分區(qū)域多次照射的方式拼接成為大尺寸模型切片，實(shí)現(xiàn)了大尺寸模型的打印。與多光源同時(shí)照射方式的大尺寸設(shè)備相比，節(jié)省了光源成本。本發(fā)明避免了由于多個(gè)光源光強(qiáng)一致性調(diào)節(jié)的困難所帶來的模型質(zhì)量下降問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于面曝光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單光源多次照射的大尺寸面曝光增材制造設(shè) 備、系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

面曝光技術(shù)，直譯為數(shù)字光處理(Digital Light Processing，DLP)，是一種使用面光源照 射光敏樹脂材料，使之發(fā)生光固化反應(yīng)進(jìn)而逐層累加的增材制造技術(shù)。首先，使用一系列平 行平面與被打印模型相交得到一組由模型橫截面圖像組成的切片圖。然后，每層切片轉(zhuǎn)化為 一幅二維掩膜圖像被投射到光固化液體表面，用于固化層當(dāng)前層。最后，成形平臺(tái)移動(dòng)一個(gè) 切片層厚的距離繼續(xù)固化下一層，重復(fù)上述步驟直至整個(gè)模型被逐層固化完成。

面曝光技術(shù)作為一種主流的非金屬增材制造技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的使用。面成形的概念 最早由Takagi和Nakajima[1]共同提出。隨后，一些研究者利用投影設(shè)備來產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的掩模圖 像，相繼出現(xiàn)了基于液晶顯示技術(shù)(Liquid Crystal Display，LCD)和基于數(shù)字微鏡設(shè)備(Digital Micromirror Device，DMD)兩種投影設(shè)備構(gòu)成的成像系統(tǒng)。Bertsch等人[2]首先提出了一種 使用液晶顯示屏作為動(dòng)態(tài)遮罩投影的光固化技術(shù)，即面曝光技術(shù)。在該工作中，使用LCD作 為遮罩圖像的動(dòng)態(tài)發(fā)生器一次照射模型的一個(gè)面，逐層實(shí)現(xiàn)模型的制造。國(guó)內(nèi)最早嘗試使用 DMD對(duì)面成型技術(shù)進(jìn)行研究的是國(guó)防科技大學(xué)的諶廷政[3]，他于2004年首次建立了一套基 于DMD的微光學(xué)數(shù)字化灰度掩模制作系統(tǒng)。胥光申[4]采用DMD產(chǎn)生零件的截面視圖，作 為遮罩圖像對(duì)模型切片進(jìn)行曝光固化，實(shí)現(xiàn)了微小復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工。

即便如此，面曝光技術(shù)依然存在一些難以克服的困難。一方面，面曝光技術(shù)受到遮罩圖 像產(chǎn)生器件等硬件的約束[5]，在光源器件進(jìn)行照射過程中，光源發(fā)出的光線并造成的升溫兩 個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致投影器件老化，因此遮罩圖像產(chǎn)生器件僅能承受有限的照射能量，在保證光敏 樹脂能夠發(fā)生光固化反應(yīng)的條件下，投影器件到打印平面存在最大距離約束。另一方面，由 于遮罩圖像產(chǎn)生器件分辨率的限制，投影平面的精度與投影器件到投影平面之間的距離成反 比，因此通過增加投影距離來擴(kuò)大投影區(qū)域面積的方法會(huì)導(dǎo)致打印精度的下降。由于上述原 因，在保證照射能量強(qiáng)度高于光敏樹脂固化強(qiáng)度以及保證遮罩產(chǎn)生器件處于最佳工作溫度的 條件下，單個(gè)投影器件僅能產(chǎn)生有限的投影面積。導(dǎo)致設(shè)備成形尺寸受限，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸 打印[6]。

為了實(shí)現(xiàn)大尺寸面曝光3D打印，解決方案通常有多光源組合曝光和單光源分區(qū)域曝光 兩種方式。多光源組合大尺寸面曝光3D打印方法是通過將多個(gè)光源組合形成大尺寸成形平 面[7]。由于多光源方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不具有成本優(yōu)勢(shì)，單光源移動(dòng)照射方式是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)大尺寸 3D打印的主流方案。單光源移動(dòng)照射又分為以下兩種方式：

1.連續(xù)成像方式：

光源在成形平面上以掃描方式連續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)連續(xù)改變掩膜圖像對(duì)樹脂進(jìn)行固化，保證 光源在移動(dòng)過程中對(duì)樹脂照射強(qiáng)度的累加能夠達(dá)到樹脂所需的固化能量。連續(xù)照射方式雖然 在原理上已經(jīng)得到證明[8]，但是在實(shí)際操作時(shí)還需要考慮掩膜圖像的動(dòng)態(tài)變化與光源運(yùn)動(dòng)速 度的精確匹配，以及層內(nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致的精度問題等，當(dāng)前僅限于理論研究，還未成為成熟 的大尺寸面曝光打印解決方案。

2.分區(qū)域多次成像方式：