一种光固化3D打印机光源系统及光固化3D打印机的制作方法

一种光固化3d打印机光源系统及光固化3d打印机
技术领域
1.本发明涉及3d打印技术领域，尤其是涉及一种光固化3d打印机光源系统及光固化3d打印机。


背景技术：

2.光固化3d打印机通过利用紫外光或其他特定波长范围的光源照射光敏树脂以引发光化学反应，使被光源照射区域的光敏树脂由液态固化成型，逐层叠加而最终构成三维模型实体。光源系统作为光固化3d打印机的重要组成部分，对于打印精度起着关键性的作用，而目前市面上的光固化3d打印机大多采用直接照射方式，不仅因为发光角度过大导致光源有效利用率低和影响打印精度，还因直接照射方式要求较大的垂直空间以满足光路设计却导致了整机外形较大。


技术实现要素：

3.本发明提供一种光固化3d打印机光源系统及光固化3d打印机，以解决现有的光固化3d打印机打印精度、整机外形受光路设计影响的技术问题，通过对光路设计进行改进，既能有效提高光源利用效率和打印精度，又能实现光固化3d打印机的小体积化。
4.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光固化3d打印机光源系统，包括光源、自由曲面透镜、凹面镜、菲涅尔透镜以及打印屏幕；
5.所述自由曲面透镜的入光平面设于所述光源的出光光路上，所述凹面镜设于所述自由曲面透镜的自由曲面的出光光路上，所述菲涅尔透镜的平整面设于所述凹面镜的出光光路上，所述菲涅尔透镜的齿面朝向所述打印屏幕；
6.所述自由曲面透镜靠近所述菲涅尔透镜的一端设置，所述自由曲面透镜的中心与所述凹面镜的中心位于同一直线上，所述凹面镜的中心与所述菲涅尔透镜的中心位于同一直线上；所述自由曲面透镜的中心与所述凹面镜的中心之间的距离l1、所述凹面镜的中心与所述菲涅尔透镜的中心之间的距离l2、所述菲涅尔透镜的直径m满足：且所述凹面镜的中心到所述菲涅尔透镜的中心之间的光线的反射角α满足：0＜α≤30
°
。
7.作为优选方案，所述自由曲面透镜的中心与所述凹面镜的中心之间的直线与所述菲涅尔透镜所在平面之间形成的夹角β满足：β α＝90
°
。
8.作为优选方案，所述凹面镜靠近所述自由曲面透镜的一端与所述菲尼尔透镜之间的直线距离大于所述凹面镜远离所述自由曲面透镜的一端与所述菲尼尔透镜之间的直线距离。
9.作为优选方案，还包括镜罩，所述镜罩覆盖于所述光源、所述自由曲面透镜、所述凹面镜。
10.作为优选方案，所述镜罩的内表面涂覆有反光材料。
11.作为优选方案，所述光源的直径为1-10mm，所述光源的发光角度为5-45
°
。
12.作为优选方案，所述自由曲面透镜的自由曲面成椭圆形或圆形。
13.作为优选方案，所述自由曲面透镜还包括锥面，所述锥面位于所述入光平面和所述自由曲面之间。
14.作为优选方案，所述菲涅尔透镜的菲涅尔面一侧具有多圈环形槽，另一侧表面为平面，所述环形槽的截面为v形，所述环形槽的槽深为h，h＜0.5mm，所述环形槽的槽宽为w，w＜0.5mm。
15.本发明实施例还提供一种光固化3d打印机，包括如上述的光固化3d打印机光源系统。
16.相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
17.1、通过采用自由曲面透镜并使用大面积的led发光光源，可以提高光源系统的能量，形成矩形光斑；自由曲面透镜和菲涅尔透镜组合的形式可以通过调整菲涅尔透镜的焦距或工作距离，实现入射光束角度的有效控制，此外采用自由曲面透镜和菲涅尔透镜组合形式不会存在拼接误差，不会存在拼接光斑的痕迹，有效提高了光源利用效率和打印精度。
18.2、通过采用凹面镜反射自由曲面透镜发出的光束至打印屏幕，使得光路结构发生改变，从传统的垂直投影模式改进为折路投影模式，在实现投影功能的基础上，从而有效地缩短了光源与打印屏幕之间的直线距离，提高了光源系统的空间布局合理性，进而有利于光固化3d打印机实现小体积化。此外相比于平面反射镜，凹面镜能够将自由曲面透镜放大的光束稍收拢，以避免光束发散角度大和光强弱，有利于通过菲涅尔透镜形成较小入射角度的光束，以提高打印屏幕精度。
19.3、通过限定自由曲面透镜的中心、凹面镜的中心、菲涅尔透镜的中心两两相连成直线，使得自由曲面透镜发出的光束能够照射在凹面镜上，并通过凹面镜反射至菲涅尔透镜以致在打印屏幕上得到成像；另外，由于光源发出的光束经过自由曲面透镜后实现光源放大作用，如采用平面镜进行反光将对光源系统的反光空间、菲涅尔透镜的面积提出较高的要求，也会导致反光空间的增大，因此采用凹面镜实现反光，能稍收拢放大面积的光束，既能保留自由曲面透镜较好的光束均匀性，又能有效利用有限的反光空间，将自由曲面透镜的光束反射至菲涅尔透镜上。
20.4、通过限定自由曲面透镜的中心与所述凹面镜的中心之间的距离、凹面镜的中心与所述菲涅尔透镜的中心之间的距离、菲涅尔透镜的长度三者之间的相互关系，将自由曲面透镜、凹面镜的放置位置、菲涅尔透镜的面积关联起来，实现自由曲面透镜、凹面镜在不同的位置下依然能够将光源的光束传输到打印屏幕上，有效的提高了光源系统在实际设计中对不同器件位置的设计。
附图说明
21.图1是本发明实施例中的光固化3d打印机光源系统的结构示意图；
22.图2是本发明实施例中的光固化3d打印机光源系统的结构示意图；
23.其中，说明书附图中的附图标记如下：
24.1、光源；2、自由曲面透镜；3、凹面镜；4、菲涅尔透镜；5、打印屏幕；6、镜罩。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.请参见图1或图2，本发明实施例提供了一种光固化3d打印机光源系统，包括光源1、自由曲面透镜2、凹面镜3、菲涅尔透镜4以及打印屏幕5；自由曲面透镜2的入光平面设于光源1的出光光路上，凹面镜3设于自由曲面透镜2的自由曲面的出光光路上，菲涅尔透镜4的平整面设于凹面镜3的出光光路上，菲涅尔透镜4的齿面朝向打印屏幕5；
27.自由曲面透镜2靠近菲涅尔透镜4的一端设置，自由曲面透镜2的中心与凹面镜3的中心位于同一直线上，凹面镜3的中心与菲涅尔透镜4的中心位于同一直线上；自由曲面透镜2的中心与凹面镜3的中心之间的距离l1、凹面镜3的中心与菲涅尔透镜4的中心之间的距离l2、菲涅尔透镜4的直径m满足：且凹面镜3的中心到菲涅尔透镜4的中心之间的光线的反射角α满足：0＜α≤30
°
。
28.在本发明实施例中，光源1可以是阵列平行光源，采用分布式区域曝光拼接技术，由许多紫外灯珠整列均匀排布，具有较好的均匀度、准直度；或采用具有更高的均匀性的积分光源；或采用激光发射器等能够发射用于在3d打印过程中液态树脂固化所需波长的光的部件。采用自由曲面透镜2接引光源1发出的光束发出，自由曲面的x方向和y方向具有不同的外形轮廓，自由曲面的x方向和y方向的边缘高度差在2～7mm。由于打印屏幕5大多为长方形，高度差决定矩形光斑的长宽比值，并且在此范围内的高度差，透镜的加工工艺好，非常利于光源1发出光线的穿透，进而形成的光斑较为均匀，并放大光源1的发光面积。
29.在本发明实施例中，通过采用自由曲面透镜2并使用大面积的led发光光源1，可以提高光源系统的能量，形成矩形光斑。自由曲面透镜2和菲涅尔透镜4组合的形式可以通过调整菲涅尔透镜4的焦距或工作距离，实现入射光束角度的有效控制，此外采用自由曲面透镜2和菲涅尔透镜4组合形式不会存在拼接误差，不会存在拼接光斑的痕迹，有效提高了光源利用效率和打印精度。
30.通过采用凹面镜3反射自由曲面透镜2发出的光束至打印屏幕5，使得光路结构发生改变，从传统的垂直投影模式改进为折路投影模式，在实现投影功能的基础上，能够有效地缩短了光源1与打印屏幕5之间的直线距离，提高了光源系统的空间布局合理性，进而有利于光固化3d打印机实现小体积化。此外相比于平面反射镜，凹面镜能够将自由曲面透镜放大的光束稍收拢，以避免光束发散角度大和光强弱，有利于通过菲涅尔透镜形成较小入射角度的光束，以提高打印屏幕精度。
31.另外，本发明通过限定自由曲面透镜2的中心、凹面镜3的中心、菲涅尔透镜4的中心两两相连成直线，使得自由曲面透镜2发出的光束能够照射在凹面镜3上，并通过凹面镜3反射至菲涅尔透镜4以致在打印屏幕5上成像，使得在实际生产过程中，可根据整机的尺寸规格调整光源系统的光路布局，依据整体空间设置自由曲面透镜2、凹面镜3、菲涅尔透镜4之间的位置，使得在不同的位置组合之下仍然能够实现光路布局和投影打印功能。
32.以及，由于光源1发出的光束经过自由曲面透镜2后实现光源1放大作用，如采用平面镜进行反光将对光源系统的反光空间、菲涅尔透镜4的面积提出较高的要求，也会导致反
光空间的增大，因此采用凹面镜3实现反光，能稍收拢放大面积的光束，既能保留自由曲面透镜2较好的光束均匀性，又能有效利用有限的反光空间，将自由曲面透镜2的光束反射至菲涅尔透镜4上。
33.此外，本发明通过限定自由曲面透镜2的中心与凹面镜3的中心之间的距离、凹面镜3的中心与菲涅尔透镜4的中心之间的距离、菲涅尔透镜4的长度三者之间的相互关系，将自由曲面透镜2、凹面镜3的放置位置、菲涅尔透镜4的面积关联起来，实现自由曲面透镜2、凹面镜3在不同的位置下依然能够将光源1的光束传输到打印屏幕5上，有效的提高了光源系统在实际设计中对不同器件位置的设计。
34.本发明通过相关变量多次研究自由曲面透镜2、凹面镜3、菲涅尔透镜4三者之间的位置影响关系，凹面镜3的中心到菲涅尔透镜4的中心之间的光线的反射角α在(0，30
°
]这个区间内能够使得菲涅尔透镜4、凹面镜3之间的空间维持在较小的范围之内，反射角α一旦超过30
°
，要么凹面镜3的直径将增长以实现有效反光，要么菲涅尔透镜4的面积变大以接收倾斜的反射光，这些都将影响最终的成像效果，因此限定凹面镜3的中心到菲涅尔透镜4的中心之间的光线的反射角α满足：0＜α≤30
°
。
35.在本发明实施例中，经过实验测试研究，自由曲面透镜2与菲涅尔透镜4之间位置关系为倾斜，自由曲面透镜2发出的光束需经过凹面镜3的反射作用才能传输至菲涅尔透镜4，而凹面镜3的中心点将自由曲面透镜2的中心光束反射至菲涅尔透镜4，此时的菲涅尔透镜4中心点、凹面镜3中心点、自由曲面透镜2中心点可以构成直角三角形关系，因此自由曲面透镜2的中心与凹面镜3的中心之间的直线与菲涅尔透镜4所在平面之间形成的夹角β满足：β α＝90
°
。
36.在本发明实施例中，凹面镜3的凹面朝向自由曲面透镜2，凹面镜3靠近自由曲面透镜2的一端与菲尼尔透镜之间的直线距离大于凹面镜3远离自由曲面透镜2的一端与菲尼尔透镜之间的直线距离。
37.作为优选方案，为了使得光源1发出的光线能够均匀地、平行地且更多地照射到3d打印机的打印屏幕5上，避免光线产生发散现象，大幅提升光固化对比度，进而提高光固化成型精度。光源系统还设计镜罩6，镜罩6覆盖于光源1、自由曲面透镜2、凹面镜3，既能保证打印屏幕5拥有足够大的有效光照面积，又能简化光路结构设计，使得最大程度缩短3d打印机的垂直方向空间尺寸，简化装配工序，从而降低3d打印机的制造成本。作为优选的，镜罩6的内表面涂覆有反光材料。
38.作为优选方案，光源1的直径为1-10mm，光源1的发光角度为90-120
°
。光源1的直径尺寸在1～10mm，光源1的发光角度在5～45
°
。光源1的直径尺寸大小主要用于控制光源1能量，当光源1尺寸越大，则能量越高，光源1的发光角度越小，光强越大。
39.在实际生产中，可根据实际需要光束发散角度的大小，可以将自由曲面透镜2设定为不同的形状，比如，自由曲面透镜2的外形为椭圆或者圆形。
40.作为优选方案，为了便于注塑或模压拔模，本发明在曲面透镜中设计锥面，锥面位于入光平面和自由曲面之间。
41.作为优选方案，菲涅尔透镜4的菲涅尔面一侧具有多圈环形槽，另一侧表面为平面，环形槽的截面为v形，环形槽的槽深为h，h＜0.5mm，环形槽的槽宽为w，w＜0.5mm。
42.本发明实施例还提供一种光固化3d打印机，包括如上述的光固化3d打印机光源系
统。光固化3d打印机一般包括平台升降机构、成型平台、树脂槽等，光源1透过打印屏幕5在树脂槽底部形成待固化的透射区域，位于成型平台成型面或已固化层底部与树脂槽底部之间的光敏树脂在透射区域固化成型。在逐层成型三维物体的过程中，首先成型的固化层可靠粘结在成型平台的成型面上，每一层固化完成后，成型平台会在平台升降机构的带动下，在树脂槽内进行升降动作，使得已固化层脱离树脂槽底面，同时在已固化层和树脂槽底面之间留出预固化成型的下一层树脂层的高度，以便液态树脂填充进入已固化层与树脂槽底部之间的间隙，为下一层固化做准备，其中为了使打印物体获得较好的表面成型质量，每一层固化层的高度定位需要保证较高的精度。
43.相比于现有技术，本发明实施例的光固化3d打印机采用了上述的光源系统，无需要求较大的垂直空间，能在保证打印精度的同时，还能够有效减少整机的体积和尺寸，有利于光固化3d打印机的小体积化，打造桌面级高精度3d打印机。
44.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。