具体实施方式

图1为本发明3D打印系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种3D打印系统，所述3D打印系统包括发光单元10、波长转换单元20、扫描镜单元30以及控制单元50，控制单元50与发光单元10、波长转换单元20以及扫描镜单元30电性连接，用于控制其工作。优选地，控制单元50根据光固化材料的类型及固化状态调整发光单元10、波长转换单元20以及扫描镜单元30的工作参数，从而进行3D打印。

所述发光单元10为现有技术中的光源，用于发出激发光，如LED光源、激光二极管光源、激光器光源等。进一步的，所述发光单元10可以为蓝色光源，发出蓝色激发光，可以理解的是，所述发光单元10不限于蓝色光源，所述发光单元也可以是紫光光源、红光光源、绿光光源或白光光源等。本实施方式中，所述发光单元10包括蓝色激光器，用于发出蓝色激光作为所述激发光，可以理解，所述发光单元10可以包括一个、两个或多个蓝色激光器，具体其激光器的数量可以依据实际需要选择。

由于发光单元10的输出功率过小时，在3D打印过程中可能出现层内固化不完全，或者层间结合力差的现象；而发光单元10的输出功率过大时，在3D打印过程中可能出现固化层边缘被衍射固化，或者新打印层与槽底部结合力过大的现象。为解决上述问题，并使得发光单元10能够适应多种不同光固化材料的固化需求，在本发明中，发光单元10的输出功率可调，其范围在0W-4W之间。本领域技术人员可以通过控制单元50控制发光单元10的输出功率。

波长转换单元20用于接收激发光并输出固化光。所述波长转换单元20包括控制部，以及由控制部驱动的荧光粉色轮201或者荧光粉空心色桶202等。

图2为本发明荧光粉色轮的结构示意图。如图2所示，当波长转换单元是荧光粉色轮时，荧光粉色轮可以是反射式色轮或者透射式色轮。反射式色轮具有散热空间充足的优点，其可以通过外加散热组件以提高波长转换单元10的散热效果，散热组件可以为散热叶片。透射式色轮的优点是光路简单，然而由于空间的限制不能外加散热组件，散热效果较差，因此透射式色轮一般适用于接受低功率的发光单元10所发出的激发光。具体的，所述荧光粉色轮201上设有多个环形的荧光粉环区，其中多个荧光粉环区的颜色不同。优选的，所述荧光粉环区中包括一无粉环区。

此时，所述控制部为一设置在滑动轨道上的电机，所述电机的旋转轴与荧光粉色轮中心固定连接，所述电机能够驱动荧光粉色轮绕旋转轴旋转，且所述电机在滑动轨道上滑动时，能够带动荧光粉色轮在其所在平面平移，从而使得固化光能够穿过不同的荧光粉环区。换句话说，波长转换单元20可以通过调节接收激发光的位置以输出不同波长的固化光。

如图1所示，本实施方式以透射式荧光粉色轮作为示例，当光固化材料选用不同的可见光固化树脂，如蓝光固化树脂(适用蓝光固化的光固化材料)、绿光固化树脂及红光固化树脂时，多个所述荧光粉环区可以包括由内到外依次设置的无粉环区2011、绿光荧光粉环区2012和红光荧光粉环区2013，所述发光单元10发出的激发光被引导至所述无粉环区2011时，输出激光(固化光)仍为蓝色，与原激光波长相同，从而使得3D打印系统能够在最小能耗的条件下，打印固化蓝光固化树脂；所述蓝色激光被引导至所述绿光荧光粉环区2012时，输出激光为绿光，波长处于490nm-580nm之间，从而使得3D打印系统能够在最小能耗的条件下，打印固化绿光固化树脂；所述蓝色激光被引导至所述红色荧光粉环区2013时，输出光为红光，波长处于650nm-760nm之间，从而使得3D打印系统能够在最小能耗的条件下，打印固化红光固化树脂。优选地，为获得更加纯净的输出光，可在荧光粉色轮环区的出光面设置滤光层，所述滤光层用于对各输出光进行过滤并得到指定波长范围内的光。本发明通过改变荧光粉色轮的位置可以使蓝色激光被引导至在不同的荧光粉环区上，从而将发光单元10发出的蓝色激光转换为其它颜色的激光，以提高3D打印系统的适用范围，并提高打印产品的质量。

图3为本发明荧光粉空心色桶的结构示意图。如图3所示，当波长转换单元20包括荧光粉空心色桶时，将所述发光单元10的激发光引导至荧光粉空心色桶内的反光镜2020，所述反光镜2020使其沿荧光粉空心色桶直径方向向桶外射出。所述荧光粉空心色桶上设有多个环形的荧光粉环区，其中多个荧光粉环区的颜色不同且沿荧光粉空心色桶的轴线依次排列，优选的，所述荧光粉环区中包括一无粉环区。具体来说，所述控制部能够控制荧光粉空心色桶旋转并沿其轴线方向平移，或者，所述控制部能够控制反光镜2020在荧光粉空心色桶内的位置，使其沿着荧光粉空心色桶的轴线平移，从而使得蓝色激光可以被引导至不同颜色的荧光粉环区上，以将发光单元10发出的激发光调整至合适的波长成为固化光。例如，多个所述荧光粉环区可以包括沿荧光粉空心色桶的轴线依次排列的无粉环区2021、绿光荧光粉环区2022和红光荧光粉环区2023。

光固化材料的固化状态会受到固化光波长的影响，具体来说，不同的光固化材料被不同波长的固化光固化时，其固化深度、速度等参数都有所不同，例如，用相同功率的蓝光和绿光固化蓝光固化树脂时，由于蓝光固化树脂对蓝光的吸收率较高，因此固化效率会更高，其固化时间短，固化可靠性强，若3D打印系统仅能发出绿光，为了缩短固化时间，增加固化材料的结合力，必须提高绿光的功率。本发明通过设置波长转换单元20，使用户选择不同的光固化材料时，将固化光的波长调整至适合所用光固化材料的范围。

扫描镜单元30包括二维扫描镜以及用于驱动二维扫描镜运动的扫描电机，其中，扫描电机的转动频率决定了光斑的扫描速度。在发光单元10输出功率固定的情况下，扫描镜单元30的光斑扫描速度也能够影响3D打印的质量，如若光斑扫描速度过快，在3D打印过程中可能出现层内固化不完全，或者层间结合力差的现象；而若光斑扫描速度过慢，在3D打印过程中可能出现固化层边缘被衍射固化，或者新打印层与槽底部结合力过大的现象，因此，作为优选，本发明中光斑扫描速度为1000mm/s-8000mm/s。

综上，光固化材料的固化效率受多种因素的影响，如光固化材料的类型、扫描镜单元30的光斑扫描速度、发光单元10的输出功率以及固化光的波长等。用户可以根据光固化材料的类型通过控制单元来调整3D打印系统的上述工作参数，所述工作参数包括但不限于发光单元10的输出功率、波长转换单元20所输出的固化光的波长以及扫描镜单元30的光斑扫描速度。

需要补充的是，本发明中3D打印系统的控制单元50还可根据光固化材料的固化状态调整上述工作参数。具体来说，所述3D打印系统还包括检测单元，所述检测单元用于检测光固化材料被固化时的固化状态，例如，所述检测单元可以实时监控每一层光固化材料固化时的表面变化，完全固化的光固化材料表面光亮，无毛须现象，边缘无虚影。当所述检测单元检测到光固化材料出现层内固化不完全的现象时，将检测信号发送给控制单元，控制单元通过调整工作参数来控制其层间结合力，例如，提高发光单元10的输出功率或者降低扫描镜单元30的光斑扫描速度；当所述检测单元检测到光固化材料出现固化层边缘被衍射固化的现象时，将检测信号发送给控制单元，控制单元通过调整工作参数来控制其层间结合力，例如，降低发光单元10的输出功率或者提高扫描镜单元30的光斑扫描速度。

举例来说，当光固化材料为蓝光固化树脂时，用户通过控制单元50调整波长转换单元20中荧光粉色轮201或者荧光粉空心色桶202的位置，使激发光通过其无粉环区，之后调整光斑扫描速度和发光单元10的输出功率至一最优值，如光斑扫描速度为4000mm/s，输出功率为200mW，之后开始打印。在打印过程中，若发现光固化材料的固化出现异常，控制单元进一步调整上述工作参数，以保证打印质量。需要补充的是，若波长转换单元20中没有设置无粉环区，仅有绿光荧光粉环区和红光荧光粉环区，则用户可以通过控制单元50使激发光通过绿光荧光粉环区，并增加输出功率(如250mW)，减少光斑扫描速度(如3500mm/s)以使绿色固化光固化蓝光固化树脂。

所述二维扫描镜为可见光反射镜。具体地，所述二维扫描镜包括X轴振镜和Y轴振镜，其中X轴与Y轴相互垂直，以使得二维扫描镜能够将激光反射至整个平面。所述X轴振镜和Y轴振镜可以为垂直排列的两个一维扫描镜，也可以组成单个二维扫描镜。具体来说，所述发光单元10发出的激发光经波长转换单元20转换后被引导至扫描镜单元30，扫描镜单元30在控制单元50的控制下，将固化光以光斑形式引导至待固化的光固化材料。

为了将激发光和固化光引导至正确的位置，满足不同的聚焦或扩散要求，所述3D打印系统还包括光学整形单元40，所述光学整形单元40包括聚焦镜41、扩束镜42和变焦系统43，其中，所述聚焦镜41用于将发光单元10发出的激发光光束聚集至波长转换单元20，所述扩束镜用于减少经过波长转换单元20后的固化光光束的扩散角；所述变焦系统用于调整输出光斑的尺寸大小。

本发明还提供一种上述3D打印系统的使用方法：选择光固化材料；根据光固化材料的类型及固化状态调节固化光的波长；根据光固化材料的类型调节发光单元10的输出功率以及扫描镜单元30的光斑扫描速度；开始打印。

其中，在调节固化光的波长时，需要使调节后的固化光适于固化相应的光固化材料，即在保证输出功率较小的情况下，调节波长后的固化光仍能快速固化光固化材料，并保证固化后的可靠性；在调节固化光的波长后，对发光单元10的输出功率以及扫描镜单元30的光斑扫描速度进行调节，以避免出现打印时层内固化不完全、层间结合力差、固化层边缘被衍射固化以及新打印层与树脂槽底部结合力过大的现象。

上述3D打印系统及其使用方法统既可用于SLA下投影3D成型，亦可以用于SLA上投影3D成型(如图1中所示)。

以下将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例一

在本实施例中，所述3D打印系统的发光单元10为蓝色半导体激光器，所述波长转换单元20包括控制部，以及由控制部驱动的荧光粉色轮，所述荧光粉色轮包括由内到外依次设置的无粉环区2021、绿光荧光粉环区2022和红光荧光粉环区2023。

将上述3D打印系统装载在3D打印设备上，并在3D打印设备中添加蓝光固化树脂。设置蓝色半导体激光器的输出功率为200mW，扫描镜单元30的光斑扫描速度为4500mm/s，打印层厚0.05mm。

打印开始，蓝色半导体激光器在控制单元40外加电流后发出445nm蓝色激发光，之后激发光通过聚焦镜41被引导至荧光粉色轮无粉环区2021，通过荧光粉色轮后固化光波长仍为445nm，之后再通过扩束镜42后缩小光束发散角，再经变焦系统后发出聚焦光束，聚焦光束依次经过X轴振镜反射、Y轴振镜反射后以光斑形式被引导至光固化材料(蓝光固化树脂)上表面，光固化材料在激光扫描下选择性固化，层层叠加至工件成型，从而得到蓝色的产品。

实施例二

在本实施例中，所述3D打印系统的发光单元10为蓝色半导体激光器，所述波长转换单元20包括控制部，以及由控制部驱动的荧光粉色轮，所述荧光粉色轮包括由内到外依次设置的无粉环区2021、绿光荧光粉环区2022和红光荧光粉环区2023。

将上述3D打印系统装载在3D打印设备上，并在3D打印设备中添加绿光固化树脂。与实施例一相比，本实施例中光固化树脂的类型发生改变，控制单元需调整3D打印系统的工作参数后方可进行3D打印。具体来说，控制单元将蓝色半导体激光器的输出功率从200mW调整至350mW，将扫描镜单元30的光斑扫描速度由4500mm/s调整至3000mm/s，并移动荧光粉色轮201的位置，使激发光被引导至绿光荧光粉环区2012，此时，打印层厚0.06mm。

打印开始，蓝色半导体激光器在控制单元40外加电流后发出445nm蓝色激发光，之后激发光通过聚焦镜41被引导至荧光粉色轮绿光荧光粉环区2022，通过荧光粉色轮后激发光变为波长为520nm-540nm的固化光，之后再通过扩束镜42后缩小光束发散角，再经变焦系统后发出聚焦光束，聚焦光束依次经过X轴振镜反射、Y轴振镜反射后以光斑形式被引导至光固化材料(绿光固化树脂)上表面，光固化材料在激光扫描下选择性固化，层层叠加至工件成型，从而得到绿色的产品。

实施例三

在本实施例中，所述3D打印系统的发光单元10为蓝色半导体激光器，所述波长转换单元20包括控制部，以及由控制部驱动的荧光粉色轮，所述荧光粉色轮包括由内到外依次设置的无粉环区2021、绿光荧光粉环区2022和红光荧光粉环区2023。

将上述3D打印系统装载在3D打印设备上，并在3D打印设备中添加红光固化树脂。与实施例一相比，本实施例中光固化树脂的类型发生改变，控制单元需调整3D打印系统的工作参数后方可进行3D打印。具体来说，控制单元将蓝色半导体激光器的输出功率从200mW调整至500mW，将扫描镜单元30的光斑扫描速度由4500mm/s调整至3000mm/s，并移动荧光粉色轮201的位置，使激发光被引导至红光荧光粉环区2013，此时，打印层厚0.07mm。

打印开始，蓝色半导体激光器在控制单元40外加电流后发出445nm蓝色激发光，之后激发光通过聚焦镜41被引导至荧光粉色轮红光荧光粉环区2013，通过荧光粉色轮后激发光变为波长为650nm-680nm的固化光，之后再通过扩束镜42后缩小光束发散角，再经变焦系统后发出聚焦光束，聚焦光束依次经过X轴振镜反射、Y轴振镜反射后以光斑形式被引导至光固化材料(红光固化树脂)上表面，光固化材料在激光扫描下选择性固化，层层叠加至工件成型，从而得到红色的产品。

综上所述，本发明利用发光单元作为固化光源，并增设波长转换单元以使固化光源的激光波长可调，相比于传统的紫外3D打印，本发明的3D打印系统避免了紫外光所带来的危害，突破了单色光固化的材料限制性，具有安全、环保、发光效率高、光束质量好等优点，并且能够实现多色彩3D打印。