用于提升光固化對比度的光源、樹脂池以及3d打印機的制作方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┯糜谔嵘夤袒瘜Ρ榷鹊墓庠矗ɑ?，設(shè)置于所述基板一側(cè)的反光碗，設(shè)置于所述基板上且位于所述反光碗的焦點處的發(fā)光元件。此外，本申請?zhí)峁┝艘环N采用上述光源的樹脂池，包括透明的底壁，設(shè)置于所述底壁上的周壁以及設(shè)置于所述底壁外部的如上所述的光源。本申請還提供了采用上述光源或者樹脂池的光固化3D打印機。本申請?zhí)峁┑墓庠础渲匾约肮夤袒?D打印機的光路短且簡潔，不會大量占用3D打印機的內(nèi)部空間，利于3D打印機的小型化、家庭化。此外，所提供的光源、樹脂池以及光固化3D打印機的光照強度、光線均勻度和平行度以及光固化對比度均有顯著提升，以使得其能夠更為有效的利用能源。
【專利說明】
用于提升光固化對比度的光源、樹脂池以及3D打印機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及3D打印機領(lǐng)域，特別涉及用于提升光固化對比度的光源，采用該光源 的樹脂池，以及包括所述樹脂池的3D打印機。
【背景技術(shù)】
[0002] 在3D打印技術(shù)中，較為常見的是光固化快速成型技術(shù)，其利用液體狀態(tài)的光敏樹 脂(UV)在光照下發(fā)生聚合反應(yīng)，以光源按照待固化實體的截面形狀進行照射，使液態(tài)光敏 樹脂逐層固化成型后累積疊加，最終形成固化實體。
[0003] 目前，一些光固化打印機采用LCD液晶顯示單元顯示待打印物品的橫截面圖案，然 后利用光源照射LCD液晶顯示單元，光線透過LCD顯示單元后，使樹脂池中的液態(tài)光敏樹脂 固化成相應(yīng)的形狀。
[0004] 如圖1所示，在本
【申請人】提出的國際專利申請PCT/CN2015/081785(申請日：2015年 6月18日）中記載了一種IXD型3D打印機，其包括具有透鏡的LED光源1'、透明樹脂池2'、覆設(shè) 于樹脂池底壁的菲涅爾透鏡3'、設(shè)置于樹脂池內(nèi)且位于菲涅爾透鏡3'上方的LCD液晶顯示 單元4'、位于樹脂池上方的用于承載固話成形物體的承載單元5'。
[0005] LED光源經(jīng)過透鏡后，光線的平行度得到了一定提升，但是發(fā)散現(xiàn)象仍然存在。照 射到LCD液晶顯示單元4'的中心部分的光強較大，邊緣部分光強較小，中心部分至邊緣部分 的光強度呈線性分布，因此照射到整個LCD液晶顯示單元4'上的光均勻度較低。經(jīng)過實驗測 試，IXD液晶顯示單元4'中間部分光強度比邊緣部分光強度大一倍以上。
[0006] 光敏樹脂固化時需要以一定光強度的光照射一定時間，為了方便描述，設(shè)某種光 敏樹脂在3D打印過程中固化一層時所需光強為2000lux，固化時間為1 Os。由于照射至LCD液 晶顯示單元4'的光均勻度較低，因此可以假設(shè)LCD液晶顯示單元4'的中心部分的光強度為 20001ux、邊緣部分的光強度為lOOOlux，于是IXD液晶顯示單元4'中心部位上方的液態(tài)樹脂 受到光照射l〇s后固化成型，而邊緣部分的樹脂的可能處于不完全固化狀態(tài)，甚至是液態(tài)。 在10s時，因整個固化物體的不同部位固化狀態(tài)不一樣，而導致各部位的密度不一致，如此 就降低了光固化成型精度。
[0007] 不僅如此，從圖1可知，為了獲得一定區(qū)域的有效光照面積，LED光源1'與LCD液晶 顯示單元4'之間必須滿足相隔一定距離。倘若LED光源1'上移一段距離，其發(fā)出的光照射在 LCD液晶顯示單元4'上的有效光照面積將減小，從而導致可固化物體的橫截面尺寸減小，光 源1'至LCD液晶顯示單元4'的距離大于150mm。因此，目前的LCD型3D打印機光路系統(tǒng)繁冗， 為了保持光源發(fā)射的光線能夠具有最大均勻度和有效光照面積，不得不占用3D打印機在豎 直方向上的空間，以導致3D打印機的機身尺寸增大，制造成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種用于提升光固化對比度的光源，包 括基板，設(shè)置于所述基板一側(cè)的反光碗，設(shè)置于所述基板上且位于所述反光碗的焦點處的 發(fā)光元件。
[0009] 在本發(fā)明的一些實施方式中，所述反光碗具有多個且呈陣列式設(shè)置于所述基板， 所述發(fā)光元件具有多個且設(shè)置于所述每一個反光碗的焦點處。
[0010] 在本發(fā)明的一些實施方式中，所述的用于提升光固化對比度的光源包括設(shè)置于所 述基板另一側(cè)的散熱片或者散熱扇。
[0011] 為了使得光源能夠在最佳溫度下工作，在本發(fā)明的一些實施方式中，所述基板的 另一側(cè)設(shè)置有供液體或氣體流動的第一腔室，所述第一腔室具有流入孔和流出孔，以實現(xiàn) 用液體或者氣體吸收光源散發(fā)出的熱量。由于液體的比熱容一般大于氣體，因此采用液體 更為理想，該液體可以是冷卻水。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種用于提升光固化對比度的樹脂池，包括透明的底壁，設(shè)置于 所述底壁上的周壁，設(shè)置于所述底壁外部的如上所述的任何一種用于光固化3D打印機的光 源。
[0013] 在本發(fā)明的一些實施方式中，所述的用于提升光固化對比度的樹脂池包括設(shè)置于 所述底壁且位于所述樹脂池內(nèi)的LCD液晶顯示單元，所述發(fā)光元件至所述LCD液晶顯示單元 的距離r小于30mm。
[0014]采用反光碗和發(fā)光元件(可以采用LED燈)組成的光源能夠直接設(shè)置在樹脂池的底 壁上，因此其可以與LCD液晶顯示單元相距小于30mm，甚至可以更具光照強度的需要，將光 源緊緊貼著樹脂池底壁設(shè)置。
[0015]在本發(fā)明的一些實施方式中，所述LCD液晶顯示單元與所述底壁之間形成第二腔 室，所述底壁上開設(shè)有與所述第二腔室相通的流入孔和流出孔。
[0016] 在本發(fā)明的一些實施方式中，所述第二腔室用于容納冷卻液，所述透明的底壁的 折射率與所述冷卻液的折射率相同或接近。
[0017] 在本發(fā)明的一些實施方式中，所述第一腔室的流入孔和外部進液/氣管路連通，所 述第二腔室的流出孔和外部出液/氣管路連通，所述第一腔室的流出孔和所述第二腔室的 流入孔通過管路連通;或
[0018] 所述第一腔室的流出孔和外部出液/氣管路連通，所述第二腔室的流入孔和外部 進液/氣管路連通，所述第一腔室的流入孔和所述第二腔室的流出孔通過管路連通。
[0019] 此外，本發(fā)明提供了一種光固化3D打印機，包括如上所述的任何一種光源或者如 上所述的任何一種采用該光源的樹脂池。
[0020] 本發(fā)明提供的光源、樹脂池和光固化3D打印機的有益效果在于：
[0021 ] 1、采用反光碗和發(fā)光元件的配合方式，以省略透鏡和菲涅爾透鏡，使得光路縮短， 光路系統(tǒng)簡潔，因此該光源能夠直接地設(shè)置于樹脂池的底壁上，不會再大量占用3D打印機 的內(nèi)部空間。
[0022] 2、發(fā)光元件所發(fā)射的光線經(jīng)由反光碗均勻、平行后，平行光線所占比例增加，光線 之間的平行度也大幅提升。
[0023] 3、采用該種光源、樹脂池時，IXD液晶顯示單元上的光照強度顯著增加，相比于現(xiàn) 有技術(shù)能夠提高25倍以上。
[0024] 4、光固化對比度顯著提升，即光源發(fā)射的光線的絕大部分能夠照射于LCD顯示單 元所呈現(xiàn)的圖像上，照射于圖像外的光線大幅減小?，F(xiàn)有技術(shù)的光固化對比度為50:1~ 100:1，本發(fā)明為500:1。因此，該光源、樹脂池以及采用其的3D打印機固化相同的物體時，消 耗的電能更低，利于桌面化、家庭化，符合國家節(jié)能降耗政策。
【附圖說明】
[0025]圖1為現(xiàn)有的光固化3D打印機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明一實施方式的光源的結(jié)構(gòu)示意圖（單個LED燈）；
[0027] 圖3為本發(fā)明一實施方式的光源的結(jié)構(gòu)示意圖（陣列式LED燈）；
[0028] 圖4為本發(fā)明一實施方式的具有第一腔室的光源的剖視圖；
[0029] 圖5為本發(fā)明一實施方式的具有第一腔室的光源的俯視圖（去除發(fā)光元件）；
[0030] 圖6為本發(fā)明一實施方式的樹脂池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖7為本發(fā)明另一實施方式的樹脂池的剖視圖；
[0032]圖8為圖7中所述樹脂池的立體圖。
【具體實施方式】
[0033]為了使發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實施例對發(fā) 明作進一步詳細的說明。雖然附圖中顯示了本公開示例性實施例，然而應(yīng)當理解，可以以各 種形式實現(xiàn)本發(fā)明而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠 更透徹的理解本發(fā)明，并且能夠?qū)⒈景l(fā)明的范圍完整的傳達給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0034]參照圖2,本發(fā)明一實施方式提供了一種用于提升光固化對比度的光源，其包括基 板1、反光碗2以及發(fā)光元件3。反光碗2設(shè)置于基板1的一側(cè)(上側(cè)），且反光碗2具有截面呈拋 物線狀的周壁以及位于中部焦點處的孔。發(fā)光元件3采用LED燈，其設(shè)置于基板1上且位于反 光碗2中部焦點處的孔中。因此，設(shè)置后的LED燈3發(fā)出的發(fā)散光線，經(jīng)過反光碗2的反射作用 后，變成多束平行光線。
[0035]參照圖3,為了增強光源的光照強度且保證光源發(fā)射的光線為平行光線，可以在基 板1上陣列式地設(shè)置多個反光碗2。以圖3為例，多個反光碗2陣列式的以8行11列（8 X 11)的 方式連續(xù)分布。多個LED燈3設(shè)置于每一個反光碗2焦點處。工作時，多個LED燈3產(chǎn)生大量熱， 為了解決這一問題，本實施例在基板1的另一側(cè)(下側(cè))設(shè)置了多塊散熱板4。當然，本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)當能夠理解，還可以采用散熱扇代替散熱板。
[0036]參照圖4~5,在本發(fā)明的一種實施方式中，基板1內(nèi)設(shè)置有供液體或氣體流動的第 一腔室5。該第一腔室5具有流入孔51和流出孔52。因此，向第一腔室5內(nèi)輸送液體或者氣體 的時候，該液體或氣體就能夠吸收多個LED燈3產(chǎn)生的熱量，以達到散熱的目的。輸送液體的 效果要優(yōu)于輸送氣體，輸送的液體可以為冷水。
[0037]如圖6所示，本發(fā)明提供了一種采用上述光源的用于光固化3D打印機的樹脂池，包 括透明的底壁6,設(shè)置于底壁6上的周壁7以及光源。所述光源可以采用上述單個LED燈3或陣 列式的多個LED燈3光源，該光源可以具有散熱板4或散熱扇或第一容腔5,以實現(xiàn)散熱的目 的。應(yīng)當能夠理解，當采用單個LED燈3作為光源時，由于產(chǎn)生的熱量較小，也可以不考慮散 熱問題，只通過空氣自然流動以實現(xiàn)散熱即可。
[0038]繼續(xù)參照圖6,在另外一種實施方式中，可以將IXD液晶顯示單元8設(shè)置在樹脂池的 底壁6上。由于樹脂池的底壁6是透明的，所以光源發(fā)射的光線能夠直接照射LCD液晶顯示單 元8〇
[0039] 單個LED燈3發(fā)出的光強度空間分布可表示為( | ;，其中，1〇為LED燈的 發(fā)光面在法線上的光強度，k為何法線方向成任意角度P方向的光強。
[0040] 若忽略LED自身的面積大小，則得到LED光源與LCD顯示單元距離為r時，其發(fā)射的 光線在LCD液晶顯示單元8上的光強分布：
[0042]因此，發(fā)光面(LED)發(fā)出的光線在LCD顯示單元上產(chǎn)生的光照強度隨著出射角供的 增大而迅速衰減。
[0043]現(xiàn)有的光固化3D打印機的光路系統(tǒng)至LCD液晶顯示單元8的距離較大（即r值較 大），則需要增大光源的發(fā)光功率，才能保證LCD液晶顯示單元8上的光強度值滿足光敏樹脂 固化要求。而本實施方式提供的光固化3D打印機的樹脂池下部設(shè)置的光源具有基板1、反光 碗2以及發(fā)光元件3,發(fā)光元件3距離LCD液晶顯示單元8的距離小于30mm，甚至可以緊緊貼在 樹脂池底壁6上。此時，反光碗2提升光線的均勻度，且光線輻射在LCD液晶顯示單元8中心處 和邊緣的強度基本相當，不會出現(xiàn)隨著光線的出射角口的增大而迅速衰減的現(xiàn)象。另外，該 種光源不再需要設(shè)置透鏡，采用這種光源的樹脂池的底壁6上也不再需要覆設(shè)菲涅爾透鏡。 [0044]圖7示意性地顯示了本發(fā)明另一個實施方式所提供的樹脂池，其中，LCD液晶顯示 單元8與底壁6之間形成第二腔室9,所述底壁6上開設(shè)有與所述第二腔室9相通的流入孔和 流出孔。同樣地，可以向第二腔室9內(nèi)輸送液體或者氣體的時候，該液體或氣體能夠吸收LCD 液晶顯示單元8產(chǎn)生的熱量，以達到散熱的目的。輸送液體的效果要優(yōu)于輸送氣體，輸送的 液體可以為冷水。
[0045] 圖8所示的為一種和LCD液晶顯示單元8匹配的流道冷卻基板10。先將流道冷卻基 板10安裝在樹脂池內(nèi)，然后將LCD液晶顯示單元8設(shè)置在其上方。流道冷卻基板10的整個表 面形成有曲折的供液體流動的流道11。因此，位于流道冷卻基板10和LCD顯示單元8的之間 的流道11實際上相當于第二腔室9。
[0046] 流道冷卻基板10和IXD液晶顯示單元8通過膠粘接固定在一起。由于目前采用市場 上現(xiàn)有的LCD液晶顯示單元8更為廉價，因此采用膠粘接固定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當能夠理 解，如果LCD液晶顯示單元8為按照流道冷卻基板10的尺寸定制，那么可以采用膠粘接和機 械固定雙重穩(wěn)固措施。
[0047] 在一種變形的實施方式中，樹脂池的底壁6可以直接設(shè)置如圖8中所示的流道11， 然后安裝IXD液晶顯示單元8至樹脂池內(nèi)。
[0048] 在圖8所示的實施方式中，采用的冷卻液體的折射率和流道冷卻基板10的折射率 一致或接近的。這樣設(shè)置的目的是使其最大程度地提高光固化成型精度，以避免由于折射 率不一致而在光固化成型物體的表面呈現(xiàn)出流道11的痕跡。
[0049] 為了進一步簡化光源和樹脂池的結(jié)構(gòu)，在一個較為優(yōu)選的實施方式中，第一腔室5 的流入孔和外部進液/氣管路連通，第二腔室9的流出孔和外部出液/氣管路連通，并且將第 一腔室5的流出孔和第二腔室9的流入孔通過管路連通?；蛘撸谝磺皇?的流出孔和外部出 液/氣管路連通，第二腔室9的流入孔和外部進液/氣管路連通，第一腔室5的流入孔和所述 第二腔室9的流出孔通過管路連通。
[0050] 如上所示，可以通過一條管路完成對LED燈3和液晶LCD顯示單元8進行散熱，以使 得光源和包括該光源的樹脂池所占用的空間被壓縮，那么采用該樹脂池的光固化3D打印機 就不必設(shè)置龐大的內(nèi)部空間用于容納光路系統(tǒng)，光固化3D打印機的制造成本顯著降低，更 適于桌面化、家用化。
[0051]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當能夠理解，按照上述描述的光源結(jié)構(gòu)和樹脂池結(jié)構(gòu)，可以制 造光固化3D打印機，其可以包括具有豎直設(shè)置的導軌框架、設(shè)置于所述框架內(nèi)的如前所述 的任一種結(jié)構(gòu)簡單的光源或采用該光源的樹脂池、能夠沿所述導軌移動且位于所述樹脂池 上方的承載單元。本發(fā)明提供的光固化3D打印機的光源至LCD液晶顯示單元8的距離相較于 現(xiàn)有光固化3D打印機縮小了 5倍以上，光源照射至LCD液晶顯示單元8的光強度提高了 25倍 以上，與此同時，其體積大幅減小。
[0052]光固化對比度為以LCD液晶顯示單元8顯示待打印物體的橫截面時，光源發(fā)出的照 射至其顯示的圖案內(nèi)的光線的光強度數(shù)值與照射至圖案外的光線的光強度數(shù)值之比。光固 化對比度越高，則表明光源的利用率越高。采用上述光源或樹脂池的光固化3D打印機的光 線平行度高，其光固化對比度值能夠達到500:1，遠遠高于現(xiàn)有的LCD型光固化3D打印機的 光固化對比度值50:1~100:1。
[0053]以上對本發(fā)明的各種實施例進行了詳細說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可在不偏 離本發(fā)明范圍（由所附的權(quán)利要求書限定）的情況下，對實施方案進行各種修改、改變和變 化。對權(quán)利要求范圍的解釋應(yīng)從整體解釋且符合與說明一致的最寬范圍，并不限于示例或 詳細說明中的實施范例。
【主權(quán)項】
1. 用于提升光固化對比度的光源，其特征在于，包括： 基板； 設(shè)置于所述基板一側(cè)的反光碗； 設(shè)置于所述基板上且位于所述反光碗的焦點處的發(fā)光元件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提升光固化對比度的光源，其特征在于： 所述反光碗具有多個且呈陣列式設(shè)置于所述基板； 所述發(fā)光元件具有多個且設(shè)置于所述每一個反光碗的焦點處。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提升光固化對比度的光源，其特征在于，包括： 設(shè)置于所述基板另一側(cè)的散熱片或者散熱扇。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于提升光固化對比度的光源，其特征在于： 所述基板的另一側(cè)設(shè)置有供液體或氣體流動的第一腔室，所述第一腔室具有流入孔和 流出孔。5. 用于提升光固化對比度的樹脂池，其特征在于，包括： 透明的底壁； 設(shè)置于所述底壁上的周壁； 設(shè)置于所述底壁外部的如權(quán)利要求1~5中任一項所述的用于光固化3D打印機的光源。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于提升光固化對比度的樹脂池，其特征在于，包括： 設(shè)置于所述底壁且位于所述樹脂池內(nèi)的LCD液晶顯示單元； 所述發(fā)光元件至所述IXD液晶顯示單元的距離r小于30mm。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于提升光固化對比度的樹脂池，其特征在于： 所述LCD液晶顯示單元與所述底壁之間形成第二腔室，所述底壁上開設(shè)有與所述第二 腔室相通的流入孔和流出孔。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于提升光固化對比度的樹脂池，其特征在于： 所述第二腔室用于容納冷卻液； 所述透明的底壁的折射率與所述冷卻液的折射率相同或接近。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于提升光固化對比度的樹脂池，其特征在于： 所述第一腔室的流入孔和外部進液/氣管路連通； 所述第二腔室的流出孔和外部出液/氣管路連通； 所述第一腔室的流出孔和所述第二腔室的流入孔通過管路連通;或 所述第一腔室的流出孔和外部出液/氣管路連通； 所述第二腔室的流入孔和外部進液/氣管路連通； 所述第一腔室的流入孔和所述第二腔室的流出孔通過管路連通。10. 光固化3D打印機，其特征在于，包括： 如權(quán)利要求1~4中任一項所述的光源;或 如權(quán)利要求5~9中任一項所述的樹脂池。
【文檔編號】F21V29/503GK105881901SQ201610235883
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】許蓓蓓, 李厚民, 劉振亮, 朱凱強
【申請人】北京金達雷科技有限公司