CN111300817B

CN111300817B - 光固化3d打印机及3d打印方法

Info

Publication number: CN111300817B
Application number: CN202010201836.3A
Authority: CN
Inventors: 季节; 张程志; 孔凡震; 孙静波; 郝俊宇
Original assignee: Jining University
Current assignee: Anhui Guangli Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: CN111300817A

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种光固化3D打印机及3D打印方法，光固化3D打印机包括装有光敏树脂的容器，容器底部为透光薄膜，容器底部设置有光机，容器上方设置有打印平台，打印平台通过平台支架连接有升降机构，升降机构连接有用于控制升降速度的打印控制模块，平台支架设置有用于检测打印平台压力的压力传感器，升降机构连接有用于检测升降机构移动位移的位移检测件，压力传感器及位移检测件均与打印控制模块连接，提供一种既能够免除打印平台往复运动，又可以控制透光薄膜变形程度，提高打印成功率的光固化3D打印机及3D打印方法。

Description

光固化3D打印机及3D打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种光固化3D打印机及3D打印方法。

背景技术

3D打印是一种成型工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型。市面上常见的一种光固化3D打印技术称为DLP，每次光机对底层树脂进行照射一段时间，树脂固化后关闭光机，打印平台抬升，然后下降到比原来稍高的位置，光机开启照射进行下一层固化。平台需要上下运动的原因是使液态粘稠的材料填充至固化面，这个动作较为耗时，导致传统DLP的打印速度比较慢。

现有的一类高速DLP打印机，虽然免除了往复运动，平台自开始一直呈缓慢匀速上升状态，只要保证上升过程和打印面播放同步即可完成零件打印。但是，这种方式不适合打印存在连续大面积切片的模型，经常出现打印失败。打印失败的原因是大面积切片中心材料难以流入固化，在打印平台抬升时，下方的透光薄膜会被拔模力拉扯造成变形，造成固化面升高。当透光薄膜变形程度过大后，膜会瞬间弹回，此时透光薄膜平面突然和已固化面脱离，新固化的材料在膜上，无法与打印体胶合，造成打印断层导致打印失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种既能够免除打印平台往复运动，又可以控制透光薄膜变形程度，提高打印成功率的光固化3D打印机及3D打印方法。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：光固化3D打印机包括装有光敏树脂的容器，所述容器底部为透光薄膜，所述容器底部设置有光机，容器上方设置有打印平台，所述打印平台通过平台支架连接有升降机构，升降机构电性连接有用于控制升降速度的打印控制模块，所述平台支架设置有用于检测打印平台压力的压力传感器，升降机构连接有用于检测升降机构移动位移的位移检测件，所述压力传感器及位移检测件均与所述打印控制模块电性连接。

本发明通过压力传感器检测打印过程中打印平台的总受力，去除打印平台自身重力后即为透光薄膜的变形所受到的拔模力，打印控制模块根据拔模力大小实时调整升降机构的升降速度，进而保证升降平台一直上升免除往复运动，且不会是的透光薄膜变形程度过大而回弹，提高打印的成功率。

所述升降机构包括线轨及与线轨的轨道平行的丝杠，平台支架沿线轨移动且与丝杠螺纹连接，丝杠连接有驱动电机，驱动电机电性连接打印控制模块。

所述位移检测件为码盘，所述驱动电机的旋转轴连接码盘，码盘电性连接打印控制模块。

一种3D打印方法，包括以下步骤：

测力步骤：设定透光薄膜的期望受力S，实时计算透光薄膜的实际拔模力F，进入速度调节步骤；

速度调节步骤：若F≤S，则打印平台维持当前速度继续抬升，若F＞S，则降低当前打印平台的抬升速度，进入截面渲染步骤；

截面渲染步骤：计算打印平台的当前高度H，根据当前高度H进行切片并对切片进行图像处理操作，进入打印完成步骤；

打印完成步骤：设定打印完整模型后打印平台的高度L，判断H与L的大小关系，若H＞L，则打印结束，否则进入测力步骤。

所述测力步骤包括以下子步骤：

1-1)：计算打印平台的重力G；

1-2)：压力传感器读取当前压力N，透光薄膜的实际拔模力F为当前压力N与打印平台重力G之差。打印过程中，打印平台上升拔模时，压力传感器检测的压力为检测到打印平台自身重力G加上拔模时打印平台所受到的与拔模力互为反作用的拉力，因此透光薄膜的拔模力F＝N-G；

降低当前打印平台的抬升速度包括以下子步骤：

2-1)：设定打印平台期望抬升速度A，计算打印平台实际抬升速度V；

2-2)打印控制模块计算调整打印平台的抬升速度V的取值范围为0≤V≤A。

打印控制模块采用PID算法计算调整打印平台的抬升速度V。

打印平台实际抬升速度V的计算公式为：

V＝D+P*ΔF+I*∫ΔF+D*dΔF；

式中，Δ+＝S-F；D为上一次的实际抬升速度，初始状态下，D＝0；P为偏差比例，I为积分，D为微分，P、I、D的值基于PID算法进行计算设置。PID算法为一种闭环控制方法，能够有效地纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态，对于PID控制原理及PID各参数调节均属于现有技术，对此不再赘述。打印过程中，由于打印截面的面积不同导致拔模时透光薄膜所受的拔模力不同，若要保持透光薄膜的拔模力在设定范围内波动，就需要调节打印平台的抬升速度来适应不同的拔模力。打印平台的抬升速度取决于丝杠602旋转速度，丝杠602由驱动电机603驱动转动，因此打印控制模块通过PID算法计算调整向驱动电机输入的脉冲频率进而调整驱动电机转速，使得透光薄膜受力保持相对恒定。

所述打印平台的当前高度H等于码盘测量的驱动电机旋转轴的几何位移量。

所述图像处理操作为图像腐蚀处理，包括以下子步骤：

若V＝A，则不进行图像腐蚀处理；

若V＝0，则进行腐蚀像素为K*K的图像腐蚀处理，K为自然数；

若0≤V≤A，则进行腐蚀像素为B*B的图像腐蚀处理，B＝int(K*(A-V)/A)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种光固化3D打印机及3D打印方法，通过压力传感器实时监控计算拔模力的大小，进而根据拔模力的变化调整电机转速既而及时调整打印平台的抬升速度，保证拔模力维持在相对恒定的范围，间接控制透光薄膜的变形程度，防止透光薄膜因受力过大而弹回，既能够免除打印平台往复运动，提高打印效率，节省打印时间，又能够提高打印的成功率。打印过程中根据打印平台速度对各层切片进行相应图像腐蚀处理，避免因为速度变化导致曝光扩散不同引起的尺寸变化，也保证了打印效果。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图。

图2是本发明主视图。

图3是本发明结构原理简图。

图4是本发明电路图。

图5是本发明流程图。

图中：1、容器；2、透光薄膜；3、光机；4、打印平台；5、平台支架；6、升降机构；601、线轨；602、丝杠；603、驱动电机；7、压力传感器；8、码盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1

如图1至图5所示，光固化3D打印机包括装有光敏树脂的容器1，容器1底部为透光薄膜2，容器1底部设置有光机3，容器1上方设置有打印平台4，打印平台4通过平台支架5连接有升降机构6，升降机构6电性连接有用于控制升降速度的打印控制模块，平台支架5设置有用于检测打印平台4压力的压力传感器7，升降机构6连接有用于检测升降机构移动位移的位移检测件，位移检测件为码盘8，压力传感器7及位移检测件均与打印控制模块电性连接。

升降机构包括线轨601及与线轨601的轨道平行的丝杠602，平台支架5沿线轨601移动且与丝杠602螺纹连接，丝杠602连接有驱动电机603，驱动电机603电性连接打印控制模块。驱动电机603的旋转轴连接码盘8，码盘8电性连接打印控制模块。

实施例2

如图1至5所示，基于实施例1中的3D打印机，3D打印方法包括以下步骤：

测力步骤：设定透光薄膜的期望受力S，期望受力S为透光薄膜2能够承受且不会与固化面脱落回弹的最大拔模力，实时计算透光薄膜的实际拔模力F，进入速度调节步骤；测力步骤包括以下子步骤：

1-1：计算打印平台4的重力G；

1-2：压力传感器7读取当前压力N，透光薄膜2的实际拔模力F为当前压力N与打印平台4重力G之差。打印过程中，打印平台4上升拔模时，压力传感器7检测的压力为检测到打印平台4自身重力G加上拔模时打印平台4所受到的与拔模力互为反作用的拉力，因此透光薄膜2的拔模力F＝N-G。

速度调节步骤：若F≤S，则打印平台维持当前速度继续抬升；

若F＞S，则降低当前打印平台的抬升速度，降低当前打印平台的抬升速度包括以下子步骤：

2-1)：设定打印平台期望抬升速度A，期望抬升速度A为确保透光薄膜2不会与固化面脱落时，打印平台4的最大抬升速度，计算打印平台实际抬升速度V；打印控制模块采用PID算法计算调整打印平台的抬升速度V。打印平台实际抬升速度V的计算公式为：

V＝D+P*ΔF+I*∫ΔF+D*dΔF；

式中，ΔF＝S-F；D为上一次的实际抬升速度，初始状态下，D＝0；P为偏差比例，I为积分，D为微分，P、I、D的值基于PID算法进行计算设置。PID算法为一种闭环控制方法，能够有效地纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态，对于PID控制原理及PID各参数调节均属于现有技术，本申请对此并无改进，因此不再赘述。

打印过程中，由于打印截面的面积不同导致拔模时透光薄膜2所受的拔模力不同，若要保持透光薄膜2的拔模力在设定范围内波动，就需要调节打印平台4的抬升速度来适应不同的拔模力。通过压力传感器7实时检测计算透光薄膜的拔模力F，从而计算调整打印平台4的抬升速度V。打印平台4的抬升速度取决于丝杠602旋转速度，丝杠602由驱动电机603驱动转动，因此打印控制模块通过PID算法计算调整向驱动电机603输入的脉冲频率进而调整驱动电机603转速，使得透光薄膜2受力保持在相对恒定的范围。

进入截面渲染步骤。

截面渲染步骤：计算打印平台的当前高度H，根据当前高度H进行切片并对切片进行图像处理操作，打印平台4的当前高度H等于码盘8测量的驱动电机603旋转轴的几何位移量。通过码盘8测出打印平台4的当前高度，从而使对待打印模型进行切片处理，能够在打印平台4速度变化条件下，严格保持平台与光机投影的同步。图像处理操作为图像腐蚀处理，由于光敏树脂具有一定的透光性，如果打印平台4抬升速度过慢，部分光线会产生扩散，使固化面积略大于实际打印的模型，因此通过对当前的投影图像进行腐蚀操作来避免上述问题，包括以下子步骤：

若V＝A，则不进行图像腐蚀处理；

若V＝0，则进行腐蚀像素为K*K的图像腐蚀处理，K为自然数；

若0≤V≤A，则进行腐蚀像素为B*B的图像腐蚀处理，B＝int(K*A-V/A)。

进入打印完成步骤。

Claims

1.一种3D打印方法，其特征在于，光固化3D打印机包括装有光敏树脂的容器(1)，所述容器(1)底部为透光薄膜(2)，所述容器(1)底部设置有光机(3)，容器(1)上方设置有打印平台(4)，所述打印平台(4)通过平台支架(5)连接有升降机构(6)，升降机构(6)电性连接有用于控制升降速度的打印控制模块，所述平台支架(5)设置有用于检测打印平台(4)压力的压力传感器(7)，升降机构(6)连接有用于检测升降机构移动位移的位移检测件，所述压力传感器(7)及位移检测件均与所述打印控制模块电性连接；

3D打印方法包括以下步骤：

测力步骤：设定透光薄膜(2)的期望受力S，实时计算透光薄膜(2)的实际拔模力F，进入速度调节步骤；

速度调节步骤：若F≤S，则打印平台(4)维持当前速度继续抬升，若F＞S，则降低当前打印平台(4)的抬升速度，进入截面渲染步骤；降低当前打印平台(4)的抬升速度包括以下子步骤：

2-1)：设定打印平台(4)期望抬升速度A，计算打印平台(4)实际抬升速度V；

2-2)：打印控制模块计算调整打印平台(4)的抬升速度V的取值范围为0≤V≤A；

截面渲染步骤：计算打印平台(4)的当前高度H，根据当前高度H进行切片并对切片进行图像处理操作，进入打印完成步骤；所述图像处理操作为图像腐蚀处理，包括以下子步骤：

若V＝A，则不进行图像腐蚀处理；

若V＝0，则进行腐蚀像素为K*K的图像腐蚀处理，K为自然数；

若0≤V≤A，则进行腐蚀像素为B*B的图像腐蚀处理，B＝int(K*(A-V)/A)；

打印完成步骤：设定打印完整模型后打印平台(4)的高度L，判断H与L的大小关系，若H＞L，则打印结束，否则进入测力步骤。

2.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述测力步骤包括以下子步骤：

1-1)：计算打印平台(4)的重力G；

1-2)：压力传感器(7)读取当前压力N，透光薄膜(2)的实际拔模力F为当前压力N与打印平台(4)重力G之差。

3.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，打印控制模块采用PID算法计算调整打印平台(4)的抬升速度V。

4.根据权利要求3所述的3D打印方法，其特征在于，打印平台(4)实际抬升速度V的计算公式为：

V＝D+P*ΔF+I*∫ΔF+D*dΔF；

式中，ΔF＝S-F；D为上一次的实际抬升速度，初始状态下，D＝0；P为偏差比例，I为积分，D为微分，P、I、D的值基于PID算法进行计算设置。

5.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述打印平台(4)的当前高度H等于码盘(8)测量的驱动电机(603)旋转轴的几何位移量。

6.根据权利要求1所述的3D打印方法，其特征在于，所述升降机构包括线轨(601)及与线轨(601)的轨道平行的丝杠(602)，平台支架(5)沿线轨(601)移动且与丝杠(602)螺纹连接，丝杠(602)连接有驱动电机(603)，驱动电机(603)电性连接打印控制模块。

7.根据权利要求6所述的3D打印方法，其特征在于，所述位移检测件为码盘(8)，所述驱动电机(603)的旋转轴连接码盘(8)，码盘(8)电性连接打印控制模块。