ОПТИЧЕСКАЯ МАШИНА 3D ПРИНТЕРА СО СВЕТОВЫМ ОТВЕРЖДЕНИЕМ, ПРИНТЕР И СПОСОБ ОТОБРАЖЕНИЯ СВЕТА
3D PRINTER OPTICAL MACHINE WITH LIGHT CURING, PRINTER, AND METHOD FOR LIGHT DISPLAY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение относится к области трехмерной печати, в частности, к оптической машине 3D-принтера со световым отверждением, принтеру и способу отображения света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Технология 3D-печати заключается в том, что 3D-объект получается путем послойной печати через 3D-модель. Существующая технология 3D-печати включает в себя технологию лазерного оптического модулятора (LOM) и технологию светового отверждения, при этом технология светового отверждения широко распространена. Технология светового отверждения заключается в том, что смола полимеризуется и отверждается под воздействием света, а не облученная часть не отверждается. Некоторые из существующих 3D-принтеров со световым отверждением используют экран со светоизлучающими диодами (LED) для создания рисунка экспозиции. Экран со светоизлучающими диодами представляет собой дисплейный экран, состоящий из светодиодов, и поэтому соответствующий шаблон экспозиции получается только путем управления световой ситуацией светоизлучающего диода экрана светодиодного дисплея. Этот способ экспонирования должен хорошо контролировать такие параметры, как яркость и компенсация экспозиции светодиодной лампы, иначе это повлияет на качество готового продукта. Некоторые из существующих 3D-принтеров со световым отверждением используют ЖК-экран жидкокристаллического дисплея, но равномерность света относительно низка, что приводит к плохому эффекту отверждения продукта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Ввиду этого необходимо представить оптическую машину 3D-принтера со световым отверждением, принтер и способ отображения света, которые упрощают требования к управлению источником света, улучшают однородность света и улучшают эффект отверждения вещества.
[0004] Описание представляет собой оптическую машину 3D-принтера со световым отверждением, при этом оптическая машина 3D-принтера со световым отверждением содержит:
[0005] множество источников излучения света, которые размещены равномерно и одновременно излучают рассеянный свет;
[0006] решетчатую пластину, которая расположена над источниками излучения света и имеет вертикальные оптические каналы, соответствующие местоположениям прямо над каждым из источников излучения света, каждый из которых расположен в центре оптического канала, определенного вертикальными и непрозрачными боковыми стенками, ограничивающими отражение света;
[0007] оптическое стекло, которое расположено под световодным элементом и имеет ячейки, образованные конденсирующими линзами, сформированные в местоположениях прямо над каждым из оптических каналов;
[0008] передающий жидкокристаллический (ЖК) экран (LCD), который расположен над оптическим стеклом и имеет матрицу пикселей, причем прозрачность каждого из пикселей управляется посредством регулирования напряжения;
[0009] при этом, по меньшей мере, часть рассеянного света, излучаемого источниками излучения света, входит в оптические каналы, часть рассеянного света, входящего в оптические каналы, выходит наружу и входит в ячейки, образованные конденсирующими линзами, часть рассеянного света после коллимирования ячейками, образованными конденсирующими линзами направляется на передающий ЖК-экран, а свет от множества источников излучения света соответственно коллимируется и полностью покрывает передающий ЖК-экран.
[0010] Кроме того, нижняя поверхность оптического стекла является плоской, верхняя поверхность оптического стекла представляет собой множество выпуклых поверхностей, каждая из выпуклых поверхностей соответствует одной ячейке, образованной конденсирующей линзой, при этом оптическое стекло поддерживается решетчатой пластиной и плотно прилегает к верхней поверхности решетчатой пластины.
[0011] Кроме того, решетчатая пластина расположена на определенном расстоянии от источников излучения света.
[0012] Кроме того, источники излучения света расположены на осветительной пластине, а охлаждающая пластина расположена под осветительной пластиной.
[0013] Кроме того, решетчатая пластина и охлаждающая пластина закреплены, передающий ЖК-экран закреплен посредством рамы, а рама и нагревательная пластина закреплены посредством кронштейна.
[0014] Кроме того, передающий ЖК-экран представляет собой постоянный черный жесткий экран.
[0015] Кроме того, передающий ЖК-экран содержит линии развертки и сигнальные линии, линии развертки проходят в поперечном направлении и разнесены в продольном направлении, сигнальные линии проходят в продольном направлении и разнесены в поперечном направлении, квадратные области определены между двумя соседними линиями развертки и двумя соседними сигнальными линиями, прозрачный электрод расположен в квадратной области, контур прозрачного электрода является квадратным и непрерывным, область, соответствующая прозрачному электроду, является минимальным пикселем, а прозрачный электрод электрически соединен с одной из двух линий развертки и одной из двух сигнальных линий.
[0016] Кроме того, передающий ЖК-экран является черно-белым экраном.
[0017] Объект изобретения предоставляет собой 3D-принтер со световым отверждением, при этом 3D-принтер со световым отверждением использует описанную оптическую машину.
[0018] Объект изобретения также предоставляет способ 3D-печати с использованием 3D-принтера со световым отверждением, при этом способ включает следующие этапы:
[0019] управление множеством источников излучения света для одновременного излучения рассеянного излучения света для соответствующего коллимирования соответствующими ячейками, образованными конденсирующими линзами;
[0020] регулирование напряжения в соответствии с формой будущего изделия для управления прозрачностью каждого пикселя передающего ЖК-экрана для получения шаблона передачи, соответствующего форме будущего изделия;
[0021] при этом коллимированный свет выходит из шаблона передачи.
По сравнению с предшествующим уровнем техники, изобретение имеет следующие технические результаты: благодаря наличию передающего ЖК-экрана ситуация передачи решеток пикселей передающего ЖК-экрана может хорошо управляться для получения шаблона передачи, соответствующего форме будущего изделия, и по крайней мере часть рассеянного света, излучаемого источником света, попадает в оптический канал, свет, рассеянный под большим углом, поглощается решетчатой пластиной и не может попасть в оптический канал, эта часть рассеянного света, входящего в оптический канал под немного большим углом, будет поглощаться боковой стенкой оптического канала, и только свет в пределах заданного диапазона углов будет излучаться из оптического канала в ячейку, образованную конденсирующей линзой. Ячейка, образованная конденсирующей линзой, коллимирует эту часть света на передающий ЖК-экран. Свет, излучаемый на передающий ЖК-экран, является относительно вертикальным и однородным. Коллимированный свет может излучаться из шаблона передачи и облучать жидкий светочувствительный полимер с целью отверждения для получения рисунка слоев. Трехмерный объект получается путем непрерывного наложения рисунков слоев. Равномерность коллимированного света высока, поэтому эффект светоотверждения улучшается, а конечный трехмерный объект становится более реалистичным. В процессе отверждения источник света может излучать свет все время без сложного управления под управлением светопропускания передающего ЖК-экрана. 3D-принтер для отверждения может применяться в фотоэлектрической промышленности, индустрии печатных плат (PCB), индустрии печати упаковки, индустрии печати этикеток, цветной бумажной промышленности, полиграфической промышленности, производстве стекла для домашнего применения, производстве стекла для электронной промышленности и т.д, при этом соответствующие процессы могут быть разработаны для различных отраслей и требований клиентов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0022] Фиг.1 представляет собой схему структуры примера осуществления изобретения.
[0023] Фиг.2 иллюстрирует структуру решетчатой пластины согласно примеру осуществления изобретения.
[0024] Фиг.3 иллюстрирует ход лучей в примере осуществления изобретения.
[0025] Фиг.4 иллюстрирует структуру цветного жидкокристаллического экрана, используемого в предшествующем уровне техники.
[0026] Фиг.5 представляет собой эффектное изображение результата использования цветного жидкокристаллического экрана, используемого в предшествующем уровне техники.
[0027] Фиг.6 иллюстрирует структуру примера осуществления передающего ЖК-экрана согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Далее техническое решение в примерах осуществления изобретения будет ясно и полностью описано со ссылками на чертежи в примерах осуществления изобретения. Очевидно, описанные примеры являются только одной частью примеров осуществления изобретения, но не всеми примерами осуществления. Другие примеры, сделанные специалистами в данной области на основе примеров изобретения без творческих усилий, все включены в объем защиты изобретения. Можно понять, что чертежи используются только для подтверждения ссылок и иллюстрации, но не предназначены для ограничения изобретения. Примеры соединений, отображаемые на чертежах, служат только для ясного описания, но не ограничивают способы соединения.
[0029] Следует отметить, что когда считается, что компонент «соединен» с другим компонентом, он может быть напрямую соединен с другим компонентом, или могут существовать промежуточные компоненты одновременно. Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют те же значения, что и те, которые обычно понимаются специалистами в технической области настоящего описания. Следует также отметить, что, если иное не оговорено и не ограничено, термины «устройство», «связь» и «соединение» следует понимать в широком смысле. Например, это может быть фиксированное соединение, разъемное соединение или интегрированное соединение; это может быть механическое соединение, электрическое соединение или внутренняя связь между двумя элементами. Для специалистов в данной области техники конкретное значение приведенных выше терминов в описании может быть понято в конкретных обстоятельствах. Термины, используемые в описании изобретения здесь, используются только с целью описания конкретных примеров осуществления и не предназначены для ограничения изобретения.
[0030] Следует также отметить, что в описании изобретения ориентация или взаимосвязь местоположений обозначены терминами «центральный», «верхний», «нижний», «левый», «правый», «вертикальный», «горизонтальный», «внутренний» и «наружный» основаны на ориентации или соотношении местоположений, показанных на прилагаемых чертежах, только для удобства описания изобретения и упрощения описания, а не для указания или косвенного указания, что устройство или элемент должен иметь определенную ориентацию и быть сконструирован и эксплуатироваться в определенной ориентации, и поэтому его нельзя понимать как ограничение изобретения. Кроме того, термины «первый», «второй» и «третий» используются только в описательных целях и не могут быть истолкованы как указывающие или подразумевающие относительную важность.
[0031] Согласно фиг.1, изобретение представляет собой 3D-принтер со световым отверждением, который содержит охлаждающую пластину 10, осветительную пластину 20, множество источников 30 излучения света, решетчатую пластину 40, оптическое стекло 50 и передающий ЖК-экран 60, расположенные в таком порядке снизу вверх.
[0032] При этом множество источников 30 излучения света равномерно размещены на осветительной пластине 20, источники 30 излучения света могут быть расположены в столбцах матрицы, имеющей одинаковые интервалы между строками и столбцами. Свет, излучаемый каждым из источников 30 излучения света, представляет собой рассеянный свет в широком диапазоне. После того, как источники 30 излучения света размещены на осветительной пластине 20, угол свечения составляет приблизительно 180°. В изобретении множество источников 30 излучения света одновременно излучают рассеянный свет. Источники 30 излучения света излучают свет, имеющий определенную длину волны и используемый для отверждения полимера.
[0033] Охлаждающая пластина 10 используется для улучшения эффекта рассеивания тепла от источников 30 излучения света. При этом решетчатая пластина 40 расположена на определенном расстоянии от источников 30 излучения света, и решетчатая пластина 40 и охлаждающая пластина 10 закреплены. Нижняя поверхность оптического стекла 50 является плоской, верхняя поверхность оптического стекла 50 представляет собой множество выпуклых поверхностей, каждая из выпуклых поверхностей соответствует одной ячейке 51, образованной конденсирующей линзой, а оптическое стекло 50 поддерживается решетчатой пластиной 40 и плотно прилегает к верхней поверхности решетчатой пластины 40. Передающий ЖК-экран 60 закреплен через раму 70, а рама 70 и охлаждающая пластина 10 закреплены через кронштейн 71. Передающий ЖК-экран 60 имеет матрицу пикселей.
[0034] Передающий ЖК-экран 60 представляет собой постоянный черный жесткий экран. Свет не может проходить через передающий ЖК-экран 60 с постоянным черным цветом, когда он не включен, то есть является черным под облучением светоизлучающего источника и непрозрачен. Если машина выходит из строя или останавливается, полимер не будет отвержден, и в процессе отверждения не останется никаких остатков и нитей полимера. Жидкий кристалл передающего ЖК-экрана 60 не изменяется под действием внешней силы, чтобы избежать побеления и утечки света передающего экрана 60 LCD и предотвратить образование остатков.
[0035] Принцип действия передающего ЖК-экрана 60 заключается в том, что жидкий кристалл находится между двумя проводящими стеклянными подложками. Под действием двух электродов верхней и нижней стеклянных подложек молекулы жидких кристаллов искажаются и деформируются, что приводит к изменению прозрачности матрицы пикселей ЖК-экрана. При этом передающий ЖК-экран 60 используется только как окно, пропускающее свет, и не излучает свет сам по себе.
[0036] Как показано на фиг. 2, решетчатая пластина 40 может быть изготовлена из непрозрачного светопоглощающего материала. Решетчатая пластина 40 имеет множество вертикальных оптических каналов 41, равномерно распределенных по источникам 30 излучения света. Равномерно распределенные оптические каналы 41 образованы множеством горизонтально и продольно расположенных вертикальных пластин. Оптический канал 41 окружен вертикальными боковыми стенками 42. Когда свет излучается на боковые стенки 42, он будет ограничен отражением или даже поглощением. Вертикальный оптический канал 41 соответствует местоположению прямо над источником 30 излучения света, а источник 30 излучения света расположен в центре оптического канала 41.
[0037] Ячейка 51, образованная конденсирующей линзой, сформирована прямо над оптическим стеклом 50 и соответствует оптическому каналу 41.
[0038] Свет, излучаемый источником 30 излучения света, сосредоточен внутри угла приблизительно 180°. Если свет концентрируется непосредственно через ячейку 51, образованную конденсирующей линзой, большая часть света не может быть коллимирована в требуемый диапазон углов, и сконцентрированный свет по-прежнему имеет большой угол. Таким образом, на передающем ЖК-экране 60 будет неравномерное освещение. В изобретении рассеянный свет, излучаемый источником 30 излучения света в пределах первого заранее заданного диапазона углов, входит в оптический канал 41, в то время как рассеянный свет, находящийся вне заранее заданного диапазона углов, экранируется решетчатой пластиной 40. Рассеянный свет, попадающий в оптический канал 41, излучается под вторым заранее заданным углом, потому что свет между первым заранее заданным углом и вторым заранее заданным углом поглощается боковой стенкой 42. Как показано на фиг. 3, первый заранее заданный угол равен Ө1 = 2 arctg L1 / d1, где L1 - это расстояние по вертикали между внутренней стороной нижнего торца оптического канала 41 и его центральной линией, а d1 - расстояние между нижним торцом оптического канала 41 и источником 30 излучения света. Второй заранее заданный угол составляет Ө2 = 2 arctg L1 / d2, где L2 - расстояние по вертикали между внутренней стороной верхнего торца оптического канала 41 и его центральной линией, а d2 - это расстояние между верхним торцом оптического канала 41 и источником 30 излучения света.
[0039] Свет, излучаемый из оптического канала 41, будет падать на ячейку 51, образованную конденсирующей линзой, коллимироваться ячейкой 51, образованной конденсирующей линзой, и затем направляться на передающий ЖК-экран 60. Угол коллимации света составляет от 0 до 20 градусов, предпочтительно 7 градусов. Регулируя расстояние между передающим ЖК-экраном 60 и верхним торцом оптического канала 41, свет множества источников 30 излучения света может быть сколлимирован и полностью покрывать передающий ЖК-экран 60, так что каждый пиксель передающего ЖК-экрана 60 может освещаться светом.
[0040] Ситуацией передачи матрицей пикселей передающего ЖК-экрана 60 можно управлять для получения шаблона передачи, соответствующего форме будущего изделия. Коллимированный свет может излучаться из шаблона 601 передачи для облучения жидкого светочувствительного полимера, который затем может быть отвержден для получения послойных шаблонов 101, которые непрерывно накладываются друг на друга для получения трехмерного объекта. Свет, направленный на передающий ЖК-экран 60, является относительно вертикальным и однородным. Размер шаблона 601 передачи на передающем ЖК-экране 60 в основном соответствует размеру отверждаемого послойного шаблона 101, который может улучшить светоотверждающий эффект, и конечный трехмерный объект является более реалистичным. В процессе отверждения источник 30 излучения света может излучать свет все время без сложного управления, только благодаря управлению ситуацией передачи передающего ЖК-экрана 60.
[0041] Кроме того, следует отметить, что некоторые из существующих 3D-принтеров со световым отверждением используют цветной ЖК-экран для выборочного пропускания света. Структура известного цветного ЖК-дисплея, показанная на фиг. 4, включает в себя переднюю поляризационную пластину 301, переднюю стеклянную подложку 302, RGB слой 303, передний электрод 304, жидкокристаллический слой 305, задний электрод 306, заднюю стеклянную подложку 307, заднюю поляризационную пластину 308 и светоизлучающую пластину 309, при этом передний электрод и задний электрод имеют форму полосы. Слой 3031 цвета R, слой 3032 цвета G и слой 3033 цвета B полностью покрывают три электрода соответственно, чтобы сформировать пиксель 400 (пунктирная рамка на фиг. 2). Таким образом, матрица пикселей формируется непрерывно. Эффект можно увидеть на фиг. 2. Каждый пиксель включает в себя три полосообразных субблока, которые по отдельности управляют напряжениями передних и задних соответствующих двух электродов, чтобы реализовать вращение жидкого кристалла в пикселе. Жидкому кристаллу требуется определенное время в процессе вращения, и три электрода, покрытые R, G и B, не могут полностью и синхронно вращаться. Следовательно, когда форма листа изменяется и соответственно изменяется схема экспонирования цветного ЖК-дисплея, край изделия будет шероховатым и недостаточно тонким. Кроме того, свет не может проходить через зазор между двумя соседними полосообразными субблоками, прозрачность отдельного пикселя относительно низкая, и отверждение приведет к образованию большого количества узких полос.
[0042] В конкретном примере осуществления изобретения, как показано на фиг.6, передающий ЖК-экран 60 содержит линии 61 развертки и сигнальные линии 62, линия 61 сканирования проходит в поперечном направлении и расположена продольно с интервалами, сигнальные линии 62 проходят продольно и расположены в поперечном направлении с интервалами, и квадратные области 63 определены между двумя соседними линиями 61 развертки и двумя соседними сигнальными линиями 62. Прозрачный электрод 64 расположен в квадратной области 63, контур прозрачного электрода 64 является квадратным, а прозрачный электрод 64 является непрерывным, при этом область, соответствующая прозрачному электроду 64, является минимальным пикселем, а прозрачный электрод 64 электрически соединен с одной из двух линий 61 развертки и с одной из двух сигнальных линий 62. В частности, прозрачный электрод 64 соединен со стоком транзистора, линия 61 развертки соединена с затвором транзистора, а сигнальная линия 62 i s, соединенный с истоком транзистора. Прозрачный электрод 64 может быть соединен с сигнальной линией 62 на правой стороне и линией 61 развертки на верхней стороне транзистора, таким образом, выполняется такая компоновка матрицы. Конечно, транзистор может быть расположен в любом месте в верхнем левом углу, нижнем правом углу или нижнем левом углу прозрачного электрода 64.
[0043] В конкретном примере осуществления настоящего изобретения минимальный пиксель квадрата соответствует высокой степени прозрачности. Степень прозрачности при длине волны 405 нм высока, а коэффициент контрастности может достигать 500. В процессе изменения шаблона экспонирования весь жидкий кристалл квадратного пикселя вращается одновременно, а край изделия более тонкий. Точность изобретения может достигать 30 * 30 мкм.
[0044] В этом примере осуществления изобретения передающий ЖК-экран 60 представляет собой черно-белый экран, то есть слой RGB удален, так что передающий эффект передающего ЖК-экрана 60 лучше.
[0045] Изобретение также предоставляет способ 3D-печати на основе 3D-принтера со световым отверждением. Способ включает следующие этапы:
[0046] S100: управление множеством источников 30 излучения света для одновременного излучения рассеянного света для коллимирования соответствующими ячейками 51, образованными конденсирующими линзами.
[0047] S200: регулировка напряжения для управления прозрачностью каждого пикселя передающего ЖК-экрана 60 в соответствии с формой будущего изделия для получения шаблона передачи, соответствующего форме будущего изделия.
[0048] При этом коллимированный свет излучается из шаблона передачи. Следует понимать, что указанные выше этапы S100 и S200 могут выполняться одновременно или взаимозаменяемо.
[0049] Техническое решение согласно изобретению может быть применено к фотоэлектрической промышленности, индустрии печатных плат, индустрии печати упаковки, индустрии печати этикеток, индустрии цветочной бумаги, полиграфической промышленности, производства стекла для домашнего применения и производства стекла для электронной промышленности и т.д., и может быть использовано для разработки соответствующих процессов для различных отраслей и требований клиентов.
[0051] В описании и формуле изобретения слова «включать / содержать» и «иметь/включать» и их преобразования используются для указания существования заявленных функций, значений, этапов или компонентов, но не исключают наличие или добавление одной или нескольких других функций, значений, шагов, компонентов или их комбинаций.
[0052] Некоторые особенности изобретения описаны в различных примерах осуществления для ясности. Однако эти особенности также могут быть описаны в сочетании в одном примере осуществления изобретения. Напротив, некоторые особенности настоящего изобретения для простоты описаны только в одном примере осуществления. Однако эти особенности также могут быть описаны в различных примерах осуществления по отдельности или в любой подходящей комбинации.
[0053] Приведенное выше описание является только предпочтительным примером осуществления изобретения и не предназначено для ограничения изобретения. Любые модификации, эквивалентные замены и улучшения, сделанные в соответствии с духом и принципами изобретения, должны быть включены в объем охраны изобретения.