[发明专利]一种内部立体直接光固化成型3D打印设备及其控制方法

权利要求书

1.一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：主要包括激光扫描模块、成型平台和底座，所述底座是整个装置的基体，其他部分都安装在底座上，主要包括底板、树脂槽、丝杆和光轴，所述树脂槽位于底板顶部中间的凹槽内，为透明亚克力材质；所述底板的左下和右上角通过轴承固定有丝杆，右下和左上角固定有光轴；所述成型平台通过丝杆和光轴安装在底座上；所述激光扫描模块为设备的主要模块安装在成型平台上。

2.根据权利要求1所述的一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：所述成型平台包括底部成型平台、连接件、顶部结构件、丝杆螺母和直线轴承，所述底部成型平台由铝板制成，表面排列密集的圆形通孔，保证液态光敏树脂能够通过底部成型平台；所述顶部结构件由连接件与底部成型平台连接，所述连接件为定长的上下带攻丝的铝制细圆柱，由螺母固定；所述顶部结构件为内外均为正方形的框状，两个丝杆螺母对角固定于顶部结构件的左下与右上角，两个直线轴承对角固定于顶部结构件的右下与左上角。

3.根据权利要求1所述的一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：所述底座上通过轴承固定的丝杆能够在位置上自由转动，对应成型平台上的丝杆螺母，两者相互配合，实现成型平台的上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：所述底座上固定的光轴，对应成型平台上的直线轴承，两者相互配合，实现成型平台的上下移动。

5.根据权利要求1所述的一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：所述激光扫描模块包括四个激光发生器、四组激光振镜、反光镜和安装座，安装座为上下两面均为正方形的壳状长方体，四个所述激光发生器分别固定在安装座的四个侧面上；所述反光镜分为四个，分别固定在安装座内部的下表面；每组激光振镜包括X轴激光振镜和Y轴激光振镜，四个所述Y轴激光振镜分别固定安装在安装座的四个侧面上的中心位置，激光发生器位于其一侧，四个所述X轴激光振镜固定安装在安装座的上表面，X轴激光振镜和Y轴激光振镜的镜面中心点与反光镜的中心点均在同一水平面上。

6.根据权利要求5所述的一种内部立体直接光固化成型3D打印设备，其特征在于：所述激光发生器中心点与Y轴激光振镜和X轴激光振镜的镜面中心点位于同一水平面；每个激光发生器发出的激光束照射到反光镜时会被反射到其右侧边的X轴激光振镜，后又反射到Y轴激光振镜，最后由Y轴激光振镜反射进入树脂槽内的光敏树脂内部，X与Y轴激光振镜同时工作能够改变光束入射的方向和坐标。

7.一种用于内部立体直接光固化成型3D打印设备的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将成型平台与激光扫描模块处于底座的顶端，将树脂槽从底座中取出，倒入定量的液态光敏树脂，之后将树脂槽放回设备底座固定；

(2)通电后，步进电机带动两根丝杆旋转，成型平台和激光扫描模块会在丝杆螺母的带动下下降，直到成型平台底面与树脂槽底面接触后停止；

(3)四个激光发生器发射出相同波长的激光束，此激光束为点光源，每束激光束经过反光镜的反射后照射到一组激光振镜上，每组激光振镜有两个旋转轴，可通过与旋转轴上固定的反光镜随意改变反射光束出射的角度，通过对四束激光束的控制可使其在液态树脂内部相较于一点，单束光的光强度不足以使树脂固化，但此交点的每束的光强度高于此液态光敏树脂固化时所需光强度临界值的四分之一，四束的光强度叠加在此液态光敏树脂可固化光强度之上，所以此点处的树脂会被固化；

(4)在切片软件将3D模型进行切片后所得的G-code文件输入单片机中，由单片机控制激光振镜，四束激光束便可在液态光敏树脂内部由下到上逐层扫描固化成型一个实际物体；

(5)在完成扫描固化成型之后，步进电机再次带动丝杆反向旋转，使成型平台与激光扫描模块上升，直至底座最顶处，此时所打印模型便处于树脂槽外，将模型取出，在补充足够光敏树脂后便可开始下一次打印。

8.根据权利要求7所述的一种用于内部立体直接光固化成型3D打印设备的控制方法，其特征在于：步骤(4)中单片机控制激光振镜的数学模型及其算法：

由于液态光敏树脂内部四束激光束的交点坐标(X,Y,Z)为联动控制，所以单一坐标的改变需要所有激光振镜的角度同时改变；

(1)设：以树脂槽内部为坐标轴，树脂槽底部左上角为坐标原点，四组激光的出射点，选择其中一组出射点坐标分别为：A(Xa,Ya,Za)，出射点对应一组激光振镜，每组激光振镜有x、y两个镜片可单独旋转，此组激光振镜中纵向放置为x激光振镜，横向放置为y激光振镜，两个激光振镜间的距离为e，树脂液面距离y激光振镜激光出射点距离为h(每次加入树脂槽中的液态树脂的量相同，所以h为常数)，B(X1,Y1,Z1)点为液态树脂内部激光所需照射点(即为四束激光交点位置)；

(2)所需控制的量为：两个激光振镜x与y的转动角度θx和θy，当两个激光振镜转动角度为0时，激光束垂直向下照射；激光发生器所发射的光源为点光源，当激光束从空气中照射到透明液态树脂内部时，会发生光的折射，此时的光线路径会发生改变，所以需要提前对控制函数进行补偿：

在折射率为n的液态光敏树脂中，若想让光束穿过内部的点B，则需要先求得补偿过后光束在树脂液面所需照射的点D(Xd,Yd,Zd)：

此点中：

①Zd＝Za-h；

②点D的坐标Xd和Yd与B点坐标的变化转换函数为：

Xd：

使：a1＝(Z1-Zd)²+(Zd-Za)²-2*n，

b1＝2*n*X1+2*n*Xa-2*(Z-Zd)²*Xa-2*(Zd-Za)²*X1，

c1＝(Z-Zd)²*Xa²+(Zd-Za)²*X1²+(Z-Zd)²*(Zd-Za)²-n²-2*n*Xa*X1，

则：

注：此公式总是取其正跟与Xa相加；

Yd：

使：a2＝(Z1-Zd)²+(Zd-Za)²-2*n，

b2＝2*n*Y1+2*n*Ya-2*(Z-Zd)²*Ya-2*(Zd-Za)²*Y1，

c2＝(Z-Zd)²*Ya²+(Zd-Za)²*Y1²+(Z-Zd)²*(Zd-Za)²-n²-2*n*Ya*Y1，

则：

注：此公式总是取其正跟与Ya相加；

由此：激光振镜x与y镜片的转动角度θx和θy的动态数学模型为