阅读说明：本技术 一种上液面光固化三维成形装置及方法 (A kind of upper liquid level photocuring three-dimensional device and method ) 是由 俞红祥 王康恒 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种上液面光固化三维成形装置及方法,包括刚性框架,刚性框架上设有Z向直线模组、悬臂支架,刚性框架上设有溢流槽,溢流槽内设有成型槽,成型槽侧面上部设有溢流口,成型槽侧面底部设有与增压泵连接的连通口,增压泵入口设于溢流槽底部,溢流槽、成型槽内有光敏树脂；Z向直线模组与成形基板连接,成形基板上设有光固化三维成形体,Z向直线模组可驱动成形基板、光固化三维成形体在成型槽内竖直移动并定位；悬臂支架末端设有成像元件,成像元件可将光学图形投射至成型槽内光敏树脂的上液面。本发明结构简单、方案合理、光敏树脂上液面液位控制精度高,易于在大尺寸、高精度光固化三维成形设备中推广应用。(The present invention relates to a kind of upper liquid level photocuring three-dimensional device and methods, including rigid frame, rigid frame is equipped with Z-direction straight line mould group, pole bracket, rigid frame is equipped with overflow launder, forming tank is equipped in overflow launder, forming tank side surface upper part is equipped with overflow port, and forming tank side bottom is equipped with the communication port connecting with booster pump, it is pressurized pump intake and is set to isopipe root, have photosensitive resin in overflow launder, forming tank；Z-direction straight line mould group is connect with forming board, and forming board is equipped with photocuring three-dimensional body that formed, and Z-direction straight line mould group can drive forming board, photocuring three-dimensional body that formed vertical shift and to position in forming tank；Pole bracket end is equipped with image-forming component, and optical figuring can be projected to the upper liquid level of photosensitive resin in forming tank by image-forming component.Rationally, on photosensitive resin liquid level Liquid level precision is high for the configuration of the present invention is simple, scheme, is easy to promote and apply in large scale, high-precision photocuring three-dimensional equipment.)

一种上液面光固化三维成形装置及方法

技术领域

本发明涉及三维打印领域，尤其是一种上液面光固化三维成形装置及方法。

背景技术

光固化三维成形通过特定波长光源照射光敏树脂材料、激发固化反应从而得到固化物，具有成型速度快、成形表面光滑的显著优势，已发展为增材制造技术领域的重要门类之一。光固化三维成形的实现方式主要基于逐层曝光固化、多层累积成形的基本原理，即通过液晶显示器(LCD)、数字光处理器(DLP)、扫描振镜(Galvanic Scan Head)等成像元件，控制光敏树脂薄层的曝光区域以得到片状、图形化固化反应物，进而通过连续逐层曝光，以及单层曝光时光线层间穿透导致的层间粘合作用，得到由多层片状固化物累积而成的光固化三维成形体。

根据逐层曝光对象即光敏树脂薄层位置的不同，光固化三维成形设备可分为上液面固化与下液面固化两种类型，其中上液面光固化是指成像元件直接投射光学图案至液槽的光敏树脂上液面，对上液面薄层曝光固化以得到片状固化物，而后将所得片状固化物下沉没入光敏树脂内，以继续对片状固化物上流平形成的新上液面薄层曝光固化的方式；下液面光固化是指成像元件投射的光学图案穿过液槽透明底，对下液面薄层曝光固化以得到片状固化物，而后将所得片状固化物从液槽透明底剥离，以继续对片状固化物下表流动填充形成的新下液面薄层曝光固化的方式。

现有的上液面光固化设备主要用于大尺寸、低精度光固化应用，这主要源于上液面的固有特性：上液面固化物无需从其它表面剥离，对大尺寸截面固化成形的适应性好，但上液面液位控制的可实现精度低，造成光学图案投射倍率偏移，导致固化尺寸偏差；而下液面光固化设备则偏重于小尺寸，高精度部件应用，这同样源于下液面的固有特性：下液面液位恒定，光学图案投射倍率恒定，固化尺寸准确，但下液面固化后与液槽透明底粘连，固化物从液槽透明底剥离的难度及损伤随固化截面增大而急剧增大，使得该类型设备无法用于大尺寸部件成形。目前，针对大尺寸、高精度光固化三维成形需求，还缺少一种光学图案投射倍率稳定、大截面固化物从成像界面剥离损伤小甚至无需剥离的光固化三维成形方法。

发明内容

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种无需精确液位检测、无需精确定量补液、液位稳定度高的上液面光固化三维成形装置及方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种上液面光固化三维成形装置，包括刚性框架，刚性框架上设有Z向直线模组、悬臂支架，刚性框架上设有溢流槽，溢流槽内设有成型槽，成型槽侧面上部设有溢流口，成型槽侧面底部设有与增压泵连接的连通口，增压泵入口设于溢流槽底部，溢流槽、成型槽内有光敏树脂；Z向直线模组与成形基板连接，成形基板上设有光固化三维成形体，Z向直线模组可驱动成形基板、光固化三维成形体在成型槽内竖直移动并定位；悬臂支架末端设有成像元件，成像元件可将光学图形投射至成型槽内光敏树脂的上液面。

作为优选，光固化控制器分别与增压泵、Z向直线模组、成像元件连接。

一种上液面光固化三维成形方法，Z向直线模组驱动成形基板，以及附着在成形基板上的已固化物下降单层固化厚度所对应高度，成形槽内的光敏树脂在已固化体上表重新流平，形成厚度为单层固化厚度的新上液面液层，成像元件将光学图形投射至新上液面液层，导致被光学图形照射区域发生光固化反应，进而生成与成像元件所投射光学图形形状相同的当前层固化物，且当前层固化物紧密粘合在已固化物上表面，然后再进行下一层的光固化。

更为具体地：

开始光固化前，光固化控制器发出关闭指令至成像元件，以关闭成像元件的光学图形投射；先向成形槽注入足量光敏树脂，直至成形槽内的光敏树脂从溢流口满溢，向溢流槽内注入适量光敏树脂，确保溢流槽内的光敏树脂淹没增压泵入口，且溢流槽内的光敏树脂足够补偿整个光固化过程、成形槽内光敏树脂固化导致的体积收缩；光固化控制器发出启动指令至增压泵，控制增压泵将溢流槽内的光敏树脂缓慢注入成形槽，成形槽的光敏树脂缓慢溢出至溢流槽，从而在成形槽与溢流槽间建立缓慢、稳定的光敏树脂循环；光固化控制器发出位移指令至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板平缓下降，直至没入成形槽光敏树脂上液面单层固化厚度。

进行首层光固化时，光固化控制器维持增压泵启动指令，确保成形槽内的光敏树脂缓慢溢出至溢流槽；光固化控制器***延时，以等待成形基板下降所导致成形槽光敏树脂上液面扰动自然平复；光固化控制器发出首层固化图形数据至成像元件，控制成像元件将首层光学图形投射至成形槽光敏树脂上液面，光固化控制器维持首层光学图形投射并在曝光结束后关闭成像元件，成形基板上单层固化厚度的光敏树脂上液面层被首层光学图形照射、发生固化反应，生成相应形状的首层片状固化物，且首层片状固化物附着在成形基板上，首层光固化结束。

进行后续层光固化时，光固化控制器先发出位移指令至Z向直线模组，控制Z向直线模组驱动成形基板下降单层固化厚度所对应高度；光固化控制器***延时，等待成形基板下降所导致成形槽光敏树脂上液面扰动自然平复，等待期间，光固化控制器维持增压泵工作，自然平复后的成形槽上液面液位高度由成形槽溢流口高度决定；光固化控制器发出当前层固化图形数据至成像元件，控制成像元件将当前层光学图形投射至成形槽光敏树脂上液面，光固化控制器维持当前层光学图形投射并在曝光结束后关闭成像元件，上一层固化物上单层固化厚度的光敏树脂上液面层，其被当前层光学图形照射、发生固化反应，生成相应形状的当前层片状固化物，且当前层片状固化物附着在上一层固化物表面，当前层光固化结束；上述过程逐层实施，成形槽光敏树脂上液面薄层固化生成的片状固化物逐层累加，直至构成完整的光固化三维成形体。

本发明成形槽的光敏树脂上液面液位由成形槽溢流口高度决定，增压泵将溢流槽中的光敏树脂加压、持续注入成形槽，使得成形槽光敏树脂不断从溢流口满溢，进而在成形槽中生成与溢流口高度一致的光敏树脂上液面液位；本发明成形槽的光敏树脂从溢流口满溢后，直接流回溢流槽，而溢流槽中的光敏树脂又继续被增压泵注入成形槽，从而在成形槽与溢流槽间构成光敏树脂流动循环；本发明增压泵的流量低，增压泵从连通口注入成形槽的光敏树脂，在成形槽内构成自下向上的缓慢液流，可避免成形槽光敏树脂长期静置导致的组份分层、沉淀问题；本发明采用溢流口控制成形槽光敏树脂上液面液位的方法，不仅可以解决成形槽内光敏树脂固化收缩所导致的体积减小、液位降低问题，还可补偿成形基板不断没入成形槽所引发的浸没部件体积增大效应。

本发明的上液面光固化三维成形方法，其成形槽光敏树脂上液面的液位控制无需高精度液位传感器，也无需高精度容积补偿机构，仅通过增压泵驱动的光敏树脂液体循环与溢流机制即可实现；本发明的上液面光固化三维成形方法，其成形槽光敏树脂上液面液位稳定，成像元件对上液面的光学图形投射倍率亦稳定、光固化尺寸精度高；本发明结构简单、方案合理、光敏树脂上液面液位控制精度高，易于在大尺寸、高精度光固化三维成形设备中推广应用。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的光敏树脂循环回路图；

图3为本发明的上液面单层光固化示意图；

图4为本发明的控制信号连接图；

附图标记说明：刚性框架1，溢流槽2，成型槽3，光敏树脂4，增压泵5，入口501，出口502，溢流口6，连通口7，Z向直线模组8，成形基板9，光固化三维成形体10，悬臂支架11，成像元件12，已固化物13，新上液面液层14，当前层固化物15，光固化控制器20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

一种上液面光固化三维成形装置，如图1，刚性框架1上有溢流槽2，溢流槽2内有成型槽3，溢流槽2、成形槽3内有光敏树脂4，溢流槽2还内有增压泵5；成型槽3侧面上部有溢流口6，成型槽3侧面底部有连通口7，增压泵5的入口置于溢流槽2底部，增压泵5的出口与成型槽3的连通口7连接；刚性框架1上有Z向直线模组8，Z向直线模组8与成形基板9相连，成形基板9上有光固化三维成形体10，且Z向直线模组8可驱动成形基板9、光固化三维成形体10在成型槽3内竖直移动并定位；刚性框架1上还有悬臂支架11，悬臂支架11末端有成像元件12，成像元件12可将光学图形投射至成型槽3内光敏树脂4的上液面。

如图4，光固化控制器20与增压泵5连接，光固化控制器20与Z向直线模组8连接，光固化控制器20与成像元件12连接；光固化控制器20发出电信号至增压泵5，以控制增压泵5将溢流槽2中的光敏树脂7，通过连通口7加压注入成形槽3；光固化控制器20发出电信号至Z向直线模组8，以控制Z向直线模组8：在光固化开始时驱动成形基板9没入成形槽3的光敏树脂上液面下单层固化厚度，在每层曝光固化结束后驱动成形基板9下降单层固化厚度所对应高度，并在光固化完成后驱动成形基板9将光固化三维成形体10提升出成形槽3；光固化控制器20发出电信号至成像元件12，以控制成像元件12在每层曝光固化期间，将相应层的光学图形投射到成形槽3内光敏树脂4的上液面。

一种上液面光固化三维成形方法：

如图2，增压泵5的入口501从溢流槽2底部抽取溢流槽2内的光敏树脂4，增压泵5的出口502，将溢流槽2内的光敏树脂4加压后通过连通口7注入成型槽3，从连通口7注入成型槽3的光敏树脂4持续增多，使得成型槽3内光敏树脂4的上液面液位到达溢流口6高度，进而导致成型槽3内的光敏树脂4从溢流口6满溢并流回溢流槽2；稳态时单位时间内增压泵5注入成形槽3的光敏树脂体积等于从溢流口6流回溢流槽2的光敏树脂体积，使得成形槽3的光敏树脂4上液面，其液位维持在溢流口6高度，且成形槽3内的光敏树脂4自底向上缓慢流动；

如图3，上一层光固化结束后，Z向直线模组8驱动成形基板9，以及附着在成形基板9上的已固化物13下降单层固化厚度所对应高度，成形槽3内的光敏树脂4在已固化体13上表重新流平，形成厚度为单层固化厚度的新上液面液层14，成像元件12将光学图形投射至新上液面液层14，导致被光学图形照射区域发生光固化反应，进而生成与成像元件12所投射光学图形形状相同的当前层固化物15，且当前层固化物15紧密粘合在已固化物13上表面。

本发明的增压泵除本实施例中直接置于溢流槽内的方式外，亦可置于溢流槽外部，相应的，需以管道将增压泵入口连接至溢流槽底部，并以管道将增压泵出口连接至成形槽连通口，使得增压泵可将溢流槽中的光敏树脂加压注入成形槽。

本发明的溢流槽除本实施例中将成形槽完整包围的结构形式外，亦可采用其它槽体结构，例如与成形槽并列摆放；相应的，成形槽全部溢流口均要通过管道连接至溢流槽，以回收从成形槽满溢的光敏树脂。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。