阅读说明：本技术 一种液面动态整流光固化三维成形装置及方法 (Liquid level dynamic rectification photocuring three-dimensional forming device and method ) 是由 俞红祥 应华 胡和田 周小坚 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种液面动态整流光固化三维成形装置及方法,包括刚性框架,刚性框架上方设有顶板,刚性框架内设有液槽,液槽内设有光敏液态高分子物料,液槽的开口与顶板嵌合,顶板上设有一个升降平台,升降平台与成形基板连接并可控制其没入或升出液槽,成形基板上设有光固化三维成形体,所述液槽为环形液槽,液槽中央设有一个旋转驱动器,旋转驱动器与整流板连接,整流板沿着环形液槽径向设于液槽内,旋转驱动器可驱动整流板绕环形液槽中心旋转,线形成像元件位于整流板旋转方向后方。本发明结构合理、光固化三维成形效果好,易于在高性能、大幅面光固化三维成形装置中推广应用。(The invention relates to a liquid dynamic rectification photocuring three-dimensional forming device and a method, which comprises a rigid frame, wherein a top plate is arranged above the rigid frame, a liquid tank is arranged in the rigid frame, a photosensitive liquid high polymer material is arranged in the liquid tank, an opening of the liquid tank is embedded with the top plate, a lifting platform is arranged on the top plate, the lifting platform is connected with a forming substrate and can control the forming substrate to sink into or lift out of the liquid tank, a photocuring three-dimensional forming body is arranged on the forming substrate, the liquid tank is an annular liquid tank, a rotary driver is arranged at the center of the liquid tank and connected with a rectification plate, the rectification plate is radially arranged in the liquid tank along the annular liquid tank, the rotary driver can drive the rectification plate to rotate around the center. The invention has reasonable structure and good photocuring three-dimensional forming effect, and is easy to popularize and apply in high-performance and large-range photocuring three-dimensional forming devices.)

一种液面动态整流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，尤其是一种液面动态整流光固化三维成形装置及方法。

背景技术

光固化三维成形技术基于光线激发光敏树脂固化反应机制，采用点/线扫描成像元件或面阵成像元件控制曝光区域，以得到片状图案化单层固化物，并通过连续逐层曝光固化以及固化反应过程的层间界面粘合作用，实现从片状单层固化物向三维固化成形体的累积，该技术具有成形速度快、表面光滑、装置简单的优势，已发展为增材制造技术体系的主流类型之一。现有光固化三维成形装置主要分为上液面固化、下液面固化两种类型。其中上液面固化指的是对液槽中光敏树脂上液面进行曝光，生成的单层固化物粘附在成形基板或上一层固化物表面，只需将本层固化物下沉、没入液槽中的光敏树脂，固化物上表光敏树脂流平后形成的薄液层即可继续进行下一层固化。虽然上液面固化所得单层固化物无需从固体成像界面剥离，但在光敏树脂频繁流动及粘滞阻力作用下，上液面平整度及液位稳定度均劣于静止的液槽下液面，使得上液面固化成形体尺寸精度低、轮廓畸变大，主要用于大尺寸、低精度光固化场合。

另一方面，随着增材制造应用场景不断拓展，增材行业对光固化三维成形装置的成形效率、精度、尺寸等方面要求越来越高，这给传统下液面和上液面光固化装置带来了新的技术挑战，主要源于：第一，下液面光固化装置从液槽底部剥离单层固化物时，其与液槽底平面间的剥离力随着光固化面积增大而急剧增大，容易引发剥离失败和剥离损伤，致使下液面光固化装置的有效成形尺寸难以进一步提升；第二，上液面固化装置中光敏树脂液槽的液面平稳度尚依赖重力平复机制，缺乏主动平复手段，这从根源上阻碍了上液面固化装置成形精度与成形效率的进一步提升。此外，下液面光固化装置液槽底膜使用寿命短、更换复杂的问题，上液面光固化装置光敏树脂液位检测困难与控制精度低的问题均未得到有效解决，这些因素进一步劣化了现有光固化三维成形装置的实际效能。目前，针对进一步提升光固化三维成形装置成形尺寸、精度、效率以及使用便利性的迫切需求，还缺少一种可主动控制液面形态、无需精确液位控制、固化成形应力低、剥离力低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，提供一种可主动控制液面形态、无需精确液位控制、固化成形应力低、固化物无需剥离的液面动态整流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：这种液面动态整流光固化三维成形装置，包括刚性框架，刚性框架上方设有顶板，刚性框架内设有液槽，液槽内设有光敏液态高分子物料，液槽的开口与顶板嵌合，顶板上设有一个升降平台，升降平台与成形基板连接并可控制其没入或升出液槽，成形基板上设有光固化三维成形体，所述液槽为环形液槽，液槽中央设有一个旋转驱动器，旋转驱动器与整流板连接，整流板沿着环形液槽径向设于液槽内，旋转驱动器可驱动整流板绕环形液槽中心旋转，线形成像元件位于整流板旋转方向后方。

作为优选，整流板旋转时，整流板前侧堆积形成敏液态高分子物料液团，整流板后侧形成整流液面，线形成像元件可将线形光学图案投射至紧贴整流板旋转方向后侧面的局部液面区域。

作为优选，光固化控制器分别与升降平台、旋转驱动器、线形成像元件连接。

一种液面动态整流光固化三维成形方法，包括以下步骤：成形基板上有已固化物，旋转驱动器驱动整流板对环形液槽中光敏液态高分子物料的上液面实施动态整流，旋转驱动器驱动线形成像元件对紧贴整流板后侧面的整流液面局部区域进行旋转扫描光固化，当前层已扫描部分生成的局部固化物附着在已固化物表面；在局部固化物边缘，旋转驱动器驱动线形成像元件继续对未扫描区域进行逐行线形光固化，并在已固化物表面形成线状固化物；旋转驱动器驱动线形成像元件继续旋转，直至完成本层全部扫描区域的扫描光固化，线状固化物亦紧贴局部固化物边缘，沿旋转方向密集排列扩张至全部扫描区域，所形成的本层固化物完整的附着在已固化物表面。

更为具体地：

首层光固化开始前，光固化控制器发出关闭指令至线形成像元件，以关闭线形成像元件的光学图案投射；先向环形液槽中注入适量光敏液态高分子物料，使得静态液位处于整流板工作液位上限与下限之间；光固化控制器发出位移指令至升降平台，控制升降平台驱动成形基板没入液槽的光敏液态高分子物料中，直至成形基板上表面低于整流板整流液位单层固化厚度所对应高度；光固化控制器发转旋转指令至旋转驱动器，控制旋转驱动器驱动整流板及线形成像元件旋转定位至环形液槽的初始扫描角位置。

进行首层光固化时，光固化控制器发出旋转指令至旋转驱动器，控制旋转驱动器驱动整流板及线形成像元件旋转加速至整流速度，旋转驱动器达到整流速度后，紧贴整流板后方局部区域的光敏液态高分子物料稳定在整流液位，且液面平整光滑；光固化控制器发出启动指令至线形成像元件，并根据旋转驱动器实时角度位置，将首层光固化图案对应转角位置的线形图案数据刷新至线形成像元件；线形成像元件投射的线形光学图案投射到紧贴整流板后方局部区域的整流液面上，并激发被照射区域光敏液态高分子物料光固化反应，所生成线状固化物粘附在成形基板上表面；旋转驱动器驱动线形成像元件连续扫描环形液槽一周，线状固化物亦在成形基板上逐行密集排列一周，所形成的片状首层固化物粘附在成形基板上表面；光固化控制器发出关闭指令至线形成像元件，以关闭线形成像元件的光学图案投射，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升降平台，控制升降平台驱动成形基板下降单层固化厚度所对应高度；期间，光固化控制器维持旋转驱动器转速，旋转驱动器带动整流板匀速旋转，整流板前方堆积的光敏液态高分子物料液团，通过整流板下表面向整流板后方喷射，使得紧贴整流板后方局部区域的液位迅速稳定在与上一层相同的整流液位上；光固化控制器发出启动指令至线形成像元件，并根据旋转驱动器实时角度位置，将当前层光固化图案对应转角位置的线形图案数据刷新至线形成像元件；线形成像元件将对应的光学图案投射到紧贴整流板后方局部区域的整流液面上，并激发被照射区域光固化反应，旋转驱动器驱动线形成像元件连续扫描环形液槽一周，所形成当前层固化物粘附在上一层固化物表面；光固化控制器发出关闭指令至线形成像元件，当前层光固化结束。上述过程逐层顺序实施，线形成像元件旋转扫描所生成的单层固化物逐层累加，直至构成完整的光固化三维成形体。

本发明的旋转驱动器驱动整流板及线形成像元件同步旋转时，线形成像元件只对紧贴整流板后方的线形液面区域进行曝光固化，所生成固化物平整度不依赖于环形液槽的整体液面平整度，所生成固化物厚度不依赖于环形液槽的整体液位高度，而仅与整流板后方局部区域的整流液面平整度与整流液位高度有关；本发明的旋转驱动器驱动整流板匀速旋转时，在流体动力学作用下，整流板前方堆积的光敏液态高分子物料液团，通过整流板下表面向后方喷射并形成平整的整流液面；本发明紧贴整流板后方局部区域的整流液位主要由整流板下表面高度决定，而与液槽整体液位无关。

本发明的线形成像元件与整流板同步旋转时，对紧贴整流板后方的线形液面区域进行逐行扫描光固化，不仅生成的固化物平整度高、尺寸精度高，而且无需维持整个环形液槽的液面平整，无需等待液面自然平复，光固化三维成形效率高；本发明的线形成像元件进行单层光固化时，单层固化物是通过线形图案逐行扫描曝光生成的，单层固化物亦是由线状固化物紧密排列、渐进生成的，因此光敏液态高分子物料固化反应时的体积收缩在单层片状固化物内生成的内应力小、应力变形也小。

本发明的液面动态整流光固化三维成形方法，无需对光敏液态高分子物料的整体液位进行精确控制，不仅光固化成形尺寸精度高，而且光固化三维成形装置造价低；本发明的液面动态整流光固化三维成形方法，利用整流板对液面进行动态整流以确保线形曝光固化区域的局部液面平整，不仅无需液面平复等待时间、成形效率高，而且固化物平整度优于重力自然平复方式；本发明结构合理、光固化三维成形效果好，易于在高性能、大幅面光固化三维成形装置中推广应用。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的总体结构剖视图；

图3为本发明的侧视图；

图4是本发明的液面动态整流示意图；

图5是本发明的单层逐行扫描光固化整体示意图；

图6为本发明的单层逐行扫描光固化俯视图；

图7为本发明的控制信号连接图；

附图标记说明：刚性框架1，顶板2，液槽3，光敏液态高分子物料4，升降平台5，成形基板6，光固化三维成形体7，旋转驱动器8，整流板9，线形成像元件10，已固化物11，局部固化物12，光敏液态高分子物料液团201，整流液面202，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：

一种液面动态整流光固化三维成形装置，如图1、2所示，刚性框架1顶部由顶板2，刚性框架1内由环形液槽3，环形液槽3内有光敏液态高分子物料4，环形液槽3的开口嵌合在顶板2上；升降平台5固定在顶板2上，升降平台5与成形基板6相连，且成形基板6可在升降平台5驱动下没入光敏液态高分子物料4中，或升出环形液槽3，成形基板6上有光固化三维成形体7；刚性框架1中心有旋转驱动器8，旋转驱动器8的旋臂上有整流板9、线形成像元件10，且整流板9位于旋转驱动器8旋转方向前方，线形成像元件10位于旋转驱动器8旋转方向后方；整流板9下部的整流形面***环形液槽3的光敏液态高分子物料4中，且光敏液态高分子物料4的静态液位处于整流板8工作液位的上限与下限之间，线形成像元件10可将线形光学图案投射至紧贴整流板8旋转方向后侧面的局部液面区域。

如图3、4所示，旋转驱动器8驱动整流板9绕环形液槽3中心匀速转动，整流板9整流形面在环形液槽3的光敏液态高分子物料4内匀速滑动；在流体惯量和流动阻力作用下，整流板9前侧面形成正压区域，使得光敏液态高分子物料4在正压区域堆积形成光敏液态高分子物料液团201，整流板9后侧形成负压区域，使得光敏液态高分子物料4与整流板9后侧面分离；整流板9前侧面与后侧面的正压差，驱动光敏液态高分子物料液团201紧贴整流板9下表面向旋转方向后方喷射，形成整流液面202，在喷射惯量作用下，紧贴整流板9后侧面的整流液面202局部区域，其液面光滑平整、液位仅与整流板9下表面高度及其前后侧面的正压差有关，与环形液槽3中光敏液态高分子物料4的总体液位无关。

如图7，光固化控制器20与升降平台5连接，光固化控制器20与旋转驱动器8连接，光固化控制器20与线形成像元件10连接；光固化控制器20发出电信号至升降平台5以控制升降平台5带动成形基板6：在光固化前没入光敏液态高分子物料4中，在光固化层与层之间下降单层固化厚度所对应高度，并在光固化后将光固化三维成形体7提升出环形液槽3；光固化控制器20发出电信号至旋转驱动器8以控制旋转驱动器8，驱动整流板9对光敏液态高分子物料4上液面实施动态整流，驱动线形成像元件10对整流液面202局部区域进行旋转扫描光固化；光固化控制器20发出电信号至线形成像元件10，以控制线形成像元件10按旋转驱动器8实时角度位置，将单层光固化图案对应区域的线形图案投射到整流液面202局部区域。

一种液面动态整流光固化三维成形方法，如图5、6所示，成形基板6上有已固化物11，旋转驱动器8驱动整流板9对环形液槽3中光敏液态高分子物料4的上液面实施动态整流，旋转驱动器8驱动线形成像元件10对紧贴整流板9后侧面的整流液面202局部区域进行旋转扫描光固化，当前层已扫描部分生成的局部固化物12附着在已固化物11表面；在局部固化物12边缘，旋转驱动器8驱动线形成像元件10继续对未扫描区域进行逐行线形光固化，并在已固化物11表面形成线状固化物13；旋转驱动器8驱动线形成像元件10继续旋转，直至完成本层全部扫描区域的扫描光固化，线状固化物13亦紧贴局部固化物12边缘，沿旋转方向密集排列扩张至全部扫描区域，所形成的本层固化物完整的附着在已固化物11表面。

本发明的液面动态整流光固化三维成形方法，其整流液位高度由整流板下表面高度主要决定，整流液位高度偏离整流板下表面高度的偏差值，受控于整流板前后侧正压差，精确调节整流板前后侧正压差即可得到厚度精确可调的光固化液层，进而得到厚度精确可控的单层固化物；本发明整流板对光敏液态高分子物料上液面实施动态整流时，整流板前后侧正压差可通过匀速转动状态下旋转驱动器的负载力矩精确测定，无需采用高精度压力传感器或其它复杂测量方案。

本发明的液面动态整流光固化三维成形方法，其旋转驱动器除本实施例驱动一组整流板与线形成像元件外，也可采用多旋臂同时驱动多组整流板与线形成像元件，并通过多组整流板与线形成像元件同步协作进一步提升扫描光固化速度；本发明的液面动态整流光固化三维成形方法，其液槽除本实施例的环形结构外亦可采用矩形结构，相应的，驱动整流板与线形成像元件的机构为直线模组，整流板与线形成像元件的扫描运动形式为直线往复运动。

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。