一种应用于3D打印机的组合光学透镜的制作方法

一种应用于3d打印机的组合光学透镜
技术领域
1.本发明涉及3d打印机技术领域，特别涉及一种应用于3d打印机的组合光学透镜。


背景技术：

2.现有的dlp/lcd光固化3d打印机，目前使用cob uv led紫外385～405nm面光源，该光源中心光强高，边缘光强低于中心光强；导致型材成型过程中，出现成型尺寸误差大、成型成功率低、成型速度慢等缺点。制造点光源阵列精度要求高、装配精度要求高、光学设计难度高；最终投射到lcd或者lcd曝光屏的光能，很容易存在轻微或严重的“田”字形状的亮线或者暗线。目前uv光固化3d打印机行业，不同领域用途的机器对光源光斑的均匀性和能量要求不同，针对消费类的机器来说，一般光源光斑的均匀性要求在80％以上，能量要求在3500uw/cm以上。消费类产品对于成本控制要求较高，目前行业点光源的平凸矩阵平行光光源数量较多、铝基板、支架等制造精度要求高、开模费成本高。
3.综上，目前行业存在的问题是：其一，cob uv led紫外385～405nm点光源的矩阵排列中间的拼接缝易出现网格状亮光斑或者暗光斑，导致整体光斑一致性均匀性低，光能不均匀导致精密低，无法实现快速打印，导致打印效率低、成本高。其二，投射到lcd曝光屏上面的光能如果均匀度不足，则液态树脂盒里接受的cob uv led紫外385～405nm的光能就高低不一，进而导致打印精度下降、光能较低部位的打印时间延长。其三，无法实现整体光斑的均匀性和小角度的要求。其四，单片点光源矩阵透镜太厚，不易注塑。
4.因此，在现有光固化3d打印机技术的基础上，如何提供一种更加先进的应用于3d打印机的组合光学透镜，以产生满足均匀性和小角度要求的光斑，提高型材成型成功率，成为本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提出了一种至少解决上述部分技术问题的应用于3d打印机的组合光学透镜，可使生成的光斑边缘和中心光辐射照度保持一致，提高了型材成型的成功率。
6.本发明实施例提供一种应用于3d打印机的组合光学透镜，包括：光学组件和透镜组件；
7.所述光学组件包括自下而上依次设置的cob uv led紫外385～405nm光源和光学玻璃透镜；所述cob uv led紫外385～405nm光源和光学玻璃透镜外部套设有固定支架；
8.所述光学玻璃透镜底部中心处设有圆形凹槽，所述cob uv led紫外385～405nm光源位于所述圆形凹槽内；
9.所述透镜组件包括自下而上依次设置的菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏；所述菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏紧密贴合；
10.所述菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏之间通过支柱进行固定；所述支柱固定在所述lcd曝光屏外围并贯穿所述菲涅尔光学透镜。
11.进一步地，所述cob uv led紫外385～405nm光源发射385～405nm紫外光。
12.进一步地，所述支柱的数量为多个，多个所述支柱之间呈对称分布。
13.进一步地，所述cob uv led紫外385～405nm光源为紫外发光二极管。
14.进一步地，所述lcd曝光屏采用高透光率的黑白lcd液晶显示屏。
15.进一步地，所述cob uv led紫外385～405nm光源焊接在铝基板上；所述铝基板固定连接铝型材散热器。
16.进一步地，所述固定支架通过螺丝与所述铝型材散热器固定连接。
17.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
18.本发明实施例提供的一种应用于3d打印机的组合光学透镜，包括：光学组件和透镜组件；光学组件包括自下而上依次设置的cob uv led紫外385～405nm光源和光学玻璃透镜；cob uv led紫外385～405nm光源和光学玻璃透镜外部套设有固定支架；光学玻璃透镜底部中心处设有圆形凹槽，cob uv led紫外385～405nm光源位于圆形凹槽内；透镜组件包括自下而上依次设置的菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏；菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏紧密贴合；菲涅尔光学透镜和lcd曝光屏之间通过支柱进行固定；支柱固定在lcd曝光屏外围并贯穿菲涅尔光学透镜。该组合光学透镜可生成小发光角度的平行光，以及高均匀性的光源，具有较高的光能利用率。且光能分布不存在拼接缝，不存在拼接缝导致的光斑一致性下降的问题。在有效降低生产成本的前提下，提升了产品的打印成功率和效率。
19.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
20.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1为本发明实施例提供的应用于3d打印机的组合光学透镜的立体图；
23.图2为本发明实施例提供的应用于3d打印机的组合光学透镜的剖面图；
24.图3为本发明实施例提供的应用于3d打印机的组合光学透镜的俯视图；
25.图4为本发明实施例提供的光能传播示意图。
26.附图中：1-光学组件；2-透镜组件；3-cob uv led紫外385～405nm光源；4-光学玻璃透镜；5-固定支架；6-菲涅尔光学透镜；7-lcd曝光屏；8-支柱。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
28.本发明实施例提供一种应用于3d打印机的组合光学透镜，参照图1、图2和图3所示，包括：光学组件1和透镜组件2；
29.光学组件1包括自下而上依次设置的cob uv led紫外385～405nm光源3和光学玻璃透镜4；cob uv led紫外385～405nm光源3和光学玻璃透镜4外部套设有固定支架5；
30.光学玻璃透镜4底部中心处设有圆形凹槽，cob uv led紫外385～405nm光源3位于圆形凹槽内；
31.透镜组件2包括自下而上依次设置的菲涅尔光学透镜6和lcd曝光屏7；菲涅尔光学透镜6和lcd曝光屏7紧密贴合；
32.菲涅尔光学透镜6和lcd曝光屏7之间通过支柱8进行固定；支柱8固定在lcd曝光屏7外围并贯穿菲涅尔光学透镜6。
33.本实施例提供的应用于3d打印机的组合光学透镜，能够产生385～405nm的cob的平行光光能，实现较小的整体光源发光角度；并且可以有效消除光斑拼接缝的亮线或者暗线，使光斑边缘和中心光辐射照度保持一致，提高了型材成型的成功率，实现高精度的产品打印细节。
34.其中，cob uv led紫外385～405nm光源3为uv光固化385～405nm的cob uv led紫外385～405nm光源，能够发射固化液态的光敏树脂，并设置呈直线分布，以提高光线的能量和照射范围。可选地，可设置成uvled(紫外发光二极管)，具有寿命长、无热辐射、寿命不受开闭次数影响、能量高、照射均匀的优点，可有效提高生产效率，实现高精度的产品打印细节。且发射的紫外光不含有毒物物质，比传统的阵列点光源更安全、更环保。
35.cob uv led紫外385～405nm光源焊接在铝基板上面。铝基板精准固定在铝型材散热器上面。确保cob uv led紫外385～405nm的光源散热。光学玻璃透镜4采用黑色支架或者铝型材固定支架固定；固定支架5通过螺丝固定在铝型材散热器上面。
36.cob uv led紫外385～405nm组合光学透镜应用于3d打印机的组合光学透镜，不管是菲涅尔光学透镜还是光学玻璃透镜，都不容易缩水，进而注塑工艺或压制工艺更加容易实现。
37.可选地，菲涅尔光学透镜采用多个支柱8固定，多个支柱8之间呈对称分布。其支柱8数量可以设置为四个，本实施例对其不作限定。
38.lcd曝光屏7采用高透光率的黑白lcd液晶显示屏作为投影装置，没有被遮挡的385～405光能从黑白lcd穿行后，进入液态树脂盒。采用紫外光在液态光敏树脂表面进行扫描，每次生成一定厚度的薄层，从底部逐层生成物体。通过聚合物由液态向固态转变来完成uv光固化的3d打印。
39.光能透过菲涅尔光学透镜后，光路传播方向垂直于lcd曝光屏7与液态树脂盒内的光固化材料液面的距离小于5cm。投射到lcd曝光屏7上面的光能均匀度较高，进而液态树脂盒里接受的385～405nm的光能高低一致，打印精度较高，缩短打印时间。大角度光能被lcd曝光屏7遮挡掉一部分，不利于高光效的获得；因此平行光既能提高3d打印精度，也能提升光能穿过lcd曝光屏7的能力。
40.3d打印具体实现过程为：参照图4所示，385～405nm的光能从385～405nm的cob uv led紫外385～405nm封装的光源发出，cob uv led紫外385～405nm选择50％光强角度为120
°
的不带一次光学透镜的封装。光能经过光学玻璃透镜4的下平面，形成第一次折射，进入光学玻璃透镜4。光能穿过光学玻璃透镜4，光能穿行大约8mm后从光学玻璃透镜4折射出来，形成第一次汇聚；再在空气中穿行，进入菲涅尔光学透镜，然后折射出来，形成平行光。
特点：高均匀度、高光效。均匀的平行光向高透性的黑白lcd投射。没有被遮挡的385～405nm光能从黑白lcd穿行后，进入液态树脂盒。385～405nm的光能对液态树脂盒的同部位的数值进行固化，指定部位的液态数值变成固体，实现3d打印功能。未受385～405nm光能照射的部位，保持液态树脂不变。
41.首先，根据光线的斯涅尔定律设计出光学玻璃透镜4。其次，光线通过两介质(光学玻璃透镜4和菲涅尔光学透镜6)的界面折射时，确定入射光线与折射光线传播方向；入射光线与通过入射点的界面法线所构成的平面称为入射面，入射光线和折射光线与法线的夹角分别称为入射角和折射角，以θi和θt表示；折射光线在入射面内，入射角和折射角的正弦之比为一常数，用n表示折射率：sinθi/sinθt＝n。最后，3d打印uv光固化的cob uv led紫外385～405nm光源组合光学透镜的焦点与cob uv led紫外385～405nm光源的发光面中心位置重合，从而产生平行光。光学设计完成后，采用蒙特卡洛法进行光线仿真，获得lcd曝光屏7上面得到的385～405nm的光能分布。
42.整个lcd曝光屏7上的光能分布，均匀度在95％以上。lcd曝光屏7(黑白lcd)的照度均匀度＝最小照度值/平均照度值；最小照度值按照逐点计算得出，公式为：uo＝emin/eav。其中，uo为照度均匀度；emin为最小照度值；eav为平均照度值。
43.本实施例提供的应用于3d打印机的组合光学透镜，为专门为385～405nm的cob uv led紫外385～405nm光源设计并制造的组合光学系统，使之应用于3d打印的机器。利用lcd作为光源，实现lcd掩膜光固化：用385～405nm紫外光(和dlp一样)，加上lcd面板(主要是黑白lcd面板)作为选择性透光的技术。可以使大面积的385～405nm的cob uv led紫外385～405nm光源通过光学透镜或者光学反光杯，得到尽量小角度的平行光的385～405nm的能量，再投射向lcd或者lcd曝光屏。可以得到高精准平行光实现高精密打印，拥有更高的光能利用率，利于节能或获得更高的3d打印效率。成型尺寸误差小，成型成功率高，成型速度快。
44.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。