CN112590199B - 一种光固化三维打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维打印技术领域，为解决现有技术中难以实现连续光照固化打印的问题，本发明公开了一种光固化三维打印方法，包括以下步骤：将待打印的固化模型分割为n层；将每层的层图案分拆成m个图组；每个图组分别由离散的图元构成；在打印过程中，利用光束逐个照射m个图组，在对第i个图组进行照射时，在未被照射的一个或几个图组上形成光敏料的通道，通道与正在照射的第i个图组的各图元的边缘接触，使得光敏料经过通道就近回流到第i个图组的各图元区域；被光束照射的光敏料形成固化层；依次打印n层的层图案形成n层固化层并累积形成所述固化模型。本发明提升打印速度和固化模型的强度，还可以能够实现连续光照固化打印。

Description

一种光固化三维打印方法

技术领域

本发明涉及光固化三维打印技术领域，特别是涉及一种光固化三维打印方法。

背景技术

光固化三维（3D）打印技术以数字三维模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造打印物体（固化模型）。大都包括光源（如紫外光源）和结合固化模型的成型平台，成型平台通过驱动机构（如丝杆驱动机构）在打印过程中可以移动，光源发出光束选择性照射光敏树脂形成固化层，层层堆叠形成三维的固化模型。

对于自由液面的光固化打印过程中，选择性光照固化完成一层后，往往需要模型下沉光敏料中层厚深度，然后将光敏树脂液面刮平，再进行下一层光照固化。即使光敏树脂具有很强的自流平能力，也还是需要较长的时间进行光敏树脂能回流，且难以实现连续的光固化过程，打印速度有待提升。约束液面的光固化三维打印过程中，光束是穿过离型膜选择性照射光敏树脂进行层层固化，打印过程中固化层会黏连到离型膜上，往往需要离型膜与固化层进行离型过程来实现光敏树脂的回流，回流速度慢，影响打印速度，对于采用氧气等抑制剂在靠近离型膜的区域的光敏树脂中形成固化死区的方式避免固化层与离型膜黏连，则往往需要特殊的离型膜和相应的材料和打印机结构限制，影响应用范围，且对于较厚模型光敏树脂的回流速度依然较慢，且难以实现连续光照固化打印，打印速度有待提升。而且这些方式中固化层与层之间为平面结合，结合强度往往层内材料之间的结合强度，固化模型的整体强度也有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光固化三维打印方法，能够提升打印速度和固化模型的强度，还可以实现连续光照固化打印。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光固化三维打印方法，包括以下步骤：

（1）将待打印的固化模型分割为n层，其中n为正整数；将每层的层图案分拆成m个图组，m≥2；每个图组分别由离散的图元构成，且不同图组的图元相互交错排列；

（2）在对所述每层的层图案进行打印的过程中，利用光束逐个照射所述的m个图组，在对第i个图组进行照射时，在未被照射的一个或几个图组上形成光敏料的通道，所述通道与正在照射的第i个图组的各图元的边缘接触，使得所述光敏料经过所述通道就近回流到第i个图组的各图元区域；被所述光束照射的光敏料形成固化层，在打印过程中所述固化层与成型面相互远离移动，完成所述层图案的打印，其中，i∈{1,2,3,...,m}；

（3）依次打印n层的层图案形成n层固化层并累积形成所述固化模型。

所述层图案中的不同图组分别固化形成的固化层在所述固化层与所述成型面的相互远离移动的方向上相互之间具有高度差，各相邻层的固化层相互交错累积结合。

当m=2时，在对不同图组的照射进行切换过程中先暂停光束照射，在所述固化层与所述成型面相互远离预设间距后所述光束再开始对另一图组进行照射；当m=3时，所述图组的图元沿设定方向相互交错，所述光束对各图组按顺序循环照射打印，同时所述成型面与固化层连续的相互远离移动；当m≥4时，所述图组的图元图案在层中沿两个方向排列，同一图组中的图元相互隔离，所述光束对各图组按顺序循环照射打印，同时所述成型面与固化层连续的相互远离移动。

当正在打印的所述层图案中包括表层区域时，所述表层区域则被所述光束整体照射成型。

在所述层图案的打印过程中，所述光束照射的光敏料形成固化层结合到成型平台上，所述成型平台与所述成型面的间距增加，完成层图案的打印；所述成型面与所述成型平台的间距采用连续式增加或间断式增加的方式实现增加，当采用连续式增加方式时，对每个图组照射时，所述成型平台与所述成型面的间距同步连续增加，且当该图组完成照射打印时，所述成型平台与所述成型面的间距增加距离为1/m倍的该图组所在层的层厚；当采用断续式增加方式时，对每个图组照射时，所述成型平台与所述成型面的间距保持固定不变，完成一个图组的照射打印后，所述成型平台与所述成型面的间距增加距离为1/m倍的该图组所在层的层厚。

在所述层图案的打印过程中通过增加所述光敏料的压强使得所述光敏料加快回流到所述第i个图组的区域。

将透光件和成型平台分别与缸套密封设置，所述透光件或所述成型平台能够沿所述缸套的内壁滑动，使得所述透光件、所述缸套和所述成型平台形成封闭的打印腔，所述打印腔与料源连通，通过所述料源向所述打印腔内填充设定压强的所述光敏料，实现对所述光敏料的加压；其中，朝向所述透光件一侧的光敏料的表面或所述透光件与所述光敏料接触的表面为所述成型面；打印过程中所述光束透过所述透光件选择性照射所述打印腔内的所述光敏料，随着所述成型面和所述成型平台相互远离移动，打印形成的固化模型结合在所述成型平台上。

所述成型面为透光件对光敏料形成的约束液面，在所述层图案的打印过程中，所述光束透过所述透光件选择性照射光敏料形成固化层结合到成型平台上，所述成型平台与所述成型面的间距增加，完成层图案的打印；所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加，当所述成型面朝向所述光敏料的方向发生变形时，增加所述光敏料的压强，或者减小所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度；当所述成型面朝向远离所述光敏料的方向发生变形时，减小所述光敏料的压强，或者增加所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度。

所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度和所述光敏料的压强的控制方式如下：方式一，打印过程中让所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度设定为允许范围的最大值，然后通过调整所述光敏料的压强，使得所述透光件的变形在预设范围内；当调整所述光敏料的压强不能实现将所述透光件的变形控制在所述预设范围内时，降低所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度，直到通过调整所述光敏料的压强能够实现对所述透光件变形控制在所述预设范围内为止；或者，方式二，保持所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度恒定，通过调整所述光敏料的压强来控制所述透光件的变形处于所述预设范围内。

采用约束液面的方式进行打印，在所述层图案的打印过程中还包括通过形变传感器检测透光件形变状况的步骤。

所述形变传感器为多个应力感测单元，所述多个应力感测单元环周设置在所述透光件底面的周边区域与缸套的端部法兰之间，利用所述应力感测单元检测所述透光件周边的受力分布，结合光敏料的压强和所述固化层与成型面的相互远离移动速度来估算所述透光件的变形情况；或者所述形变传感器包括检测光线发生器和检测光线接收器，所述检测光线发生器和检测光线接收器设置在所述透光件相对光敏料的另一侧，所述检测光线发生器发出的检测光线经过所述透光件反射后被检测光线接收器接收，通过检测光线接收器接收到的光线照射点的位置判断所述透光件的变形情况，或者通过设置在光源与透光件之间微透镜阵列对所述光束进行调整，使得所述光束在所述成型面射出时形成离散且扩散的状态，在所述透光件中离散光束之间的没有光束照射的区域设置所述形变传感器检测所述透光件的变形情况。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过将各层图案分拆成多个相互尽量交错间隔的图组，对每个图组分别分时进行打印的方式实现打印过程与光敏料回流过程同步进行，可以实现连续打印过程。

附图说明

图1是本发明实施方式中基于自由液面的光固化三维打印装置的示意图；

图2a-2c是本发明实施方式中基于自由液面的光固化打印方法的过程示意图；

图2d-2e是本发明实施方式中基于约束液面的光固化打印方法的过程示意图；

图3a-3i是本发明实施方式中将层图案分割为3个图组的方案的打印过程示意图；

图4是本发明实施方式中对光敏料加压的示意图；

图5a-5b是本发明实施方式中将层图案分割为4个图组的方案的示意图；

图6a-6h是本发明实施方式中将层图案分割为4个图组的方案的打印过程示意图；

图7a-7c是本发明实施方式中图组截面为六边形的方案的示意图；

图8a-8b是本发明实施方式中采用下置光源的约束液面打印装置的示意图；

图9a-9b是本发明实施方式中透光板变形的示意图；

图10是本发明实施方式中在打印过程中判断和控制透光件变形量的流程图；

图11是本发明实施方式中通过应力感测单元检测透光件变形的示意图；

图12是本发明实施方式中采用微透镜阵列检测透光件变形的示意图；

图13a-13b是本发明实施方式中通过检测光线发生器和检测光线接收器检测透光件变形的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种光固化三维打印方法，包括以下步骤：将待打印的固化模型分割为n层，每层都形成相应的层图案，其中n为正整数；将每层的层图案分拆成m个相互交错的图组，m≥2；每个图组分别由离散的图元构成，且不同图组的图元相互交错排列，即同一图组中的各图元相互尽量间隔开，不同图组的图元尽量相互接壤排列；在对每层图案进行打印的过程中，利用光束逐个照射所述的m个图组，在对第i个图组进行照射时，在未被照射的的一个或几个图组上形成光敏料进行流动的通道，该通道与正在照射的第i个图组的各图元的边缘接触，使得光敏料经过该通道就近回流到第i个图组的各图元区域，其中，i∈{1,2,3,...,m}；被光束照射的光敏料形成固化层，在打印过程中固化层与成型平台相互远离移动，完成所述层图案的打印；依次打印n层的层图案，固化层与成型面相互远离移动，使各被打印的层的固化层累积形成固化模型。在各层的相应图组的打印过程中形成的固化层与相应图组的离散的图元的形状相对应，即每次光束照射的第i图组形成的固化层可能是离散的小固化层片组合形成的，而与这些小固化层片相接触的其他图组的区域形成了光敏料的通道，由于每个小图元的尺寸很小，这些通道可以在在光束照射的情况下快速流动到第i图组的各图元的中央区域，如此可以实现连续打印，例如光束照射第i个图组时，固化层与成型面可同时相互远离移动，这种相互远离移动可以是连续的且等速，如此第i个图组随固化层与成型面相互远离移可以被连续的打印增厚，不同图组也可在固化层与成型面相互远离移动的过程中进行逐个轮换打印，如此可连续的打印直到完成打印固化模型51，即所要打印的三维物体。固化层可以结合成型平台上，即最开始的固化层直接结合到成型平台上，或者后续的固化层结合到已经结合到成型平台上的固化层上，即间接的结合到成型平台上。则可以控制成型平台与成型面间距的增加（即成型平台与成型面相互远离移动）来实现固化层与成型面的相互远离移动。本发明还示意给出了实现上述三维打印方法的多种三维打印装置。对于自由液面打印方式中，成型面是指光敏料的自由液面，对于约束液面的打印方式中，成型面是指光敏料的约束液面。

图1示意一种基于自由液面的光固化三维（3D）打印装置，在成型平台1的上方设置有光敏料5，光敏料5设置在缸体2内，光束39根据每一层的层图案由光敏料5的液面（成型面）上方选择性向下照射液面，形成固化层，固化层层层堆叠形成固化模型51，固化模型51结合在成型平台1上。图中示意将打印层的层图案分割为由离散图元构成的多个图组，如图1和图2a到图3i所示不同图组的图元相互交错排列，例如图1中分割为两个图组：第一图组61和第二图组62，第一图组61的图元通过第二图组62的图元相互间隔排列，实现两图组的图元的相互交错排列，光束39每次根据相应图组的图案照射一个图组，每层通过两次图组照射完成打印。图1中示意光束39正在照射第一图组61，形成当前层的与第一图组61图案相对应部分的固化层，打印过程中成型平台1可以沿图中箭头向下移动，例如可以在光束39照射的同时成型平台1向下移动，或者照射完成一个图组后再下移一定距离。基于自由液面的打印过程中，成型面是光敏料的自由液面，即图1所示光敏料5的液面。

具体的图2a到图2c示意了打印过程。图2a中类似图1的状态，固化模型51结合到成型平台1上，随成型平台1向下移动，同时光束39对第一图组61进行照射，在第二图组对应的液面位置形成了光敏料5可流动的通道，在固化模型51向下移动的同时，由于不同图组的图元相互交错排列，在每个第一图组61的图元都有第二图组62对应的通道接触，将光敏料5就近回流到每个第一图组61处，即填充到第一图组61每个图元处，可以将每个图元分割的很小，光敏料5由每个图元的边缘处流动到这个图元的中心位置的时间可很短，在光束照射的情况下可能还没聚合固化，即可在光束照射的同时实现了光敏料的回流到位，如此可实现连续打印，即光束39照射的同时成型平台1连续沿箭头向下移动。当成型平台1移动预设距离时，例如层厚的一半的位置时，光束39进行切换，停止对第一图组61的照射，开始对第二图组62的照射，如图2b所示，此时与第一图组61对应的液面处形成通道，光敏料5经此通道传送到第二图组62的各个图元处，同样可实现光束39照射的同时固化模型51连续向下移动，同时光敏料5经第一图组61对应的通道连续的向第二图组62的各个图元进行传送回流，实现连续打印。当然此打印方法不仅适用于自由液面打印过程，也适用于约束液面的打印过程，如图2d和2e示意了采用透光件3对光敏料5液面进行约束的打印过程，图示上方的透光件3对光敏料5的液面进行了约束，当然图中的约束液面也可以是朝下的。基于约束液面的打印过程中，成型面是光敏料被透光件所约束的约束液面，例如图2d或图2e所示光敏料5与透光件3所接触的液面。

图2c示意当光束39由图2b中照射第二图组62的状态切换到照射第一图组61的瞬间状态，图2d示意了类似的情况，只不过是基于约束液面的结构。由图2c或图2d中可以看出，此刻第二图组62的上方还没有形成通道，当光束照射第一图组61时，第一图组61内部的各图元的周边没有通道提供光敏料，这个过程可以先暂停光束39对第一图组61的照射，成型平台1先带动固化模型51移动微小的距离，让第二图组62的上方形成了通道后再让光束39对第一图组61进行照射，如此如图2a或图2e所示在第二图组62的上方形成了通道。

图3a-图3i示意了将层图案分割为3个图组的方案的打印过程，图中每个图组的各图元分别用相同的填充线型示意，图3a示意在成型平台1上设置光敏料5，光束39对当前层图案的第一图组61进行照射，成型平台1可以同时沿图中空心箭头移动或者光敏料5的液面高度同步增加，使得光敏料5在第一图组61的各图元的周边回流到图元处，当成型平台1沿箭头下移的距离或者光敏料5的液面增加的高度达到设定值时，例如层厚的1/3，光束39切换开始对第二图组62进行照射，如图3b所示，第二图组62的各图元可以由图元周边的通道持续提供新的光敏料5，当成型平台1沿空心箭头下移的新增距离或者光敏料5的液面增加的高度达到设定值时，例如层厚的1/3，光束39切换开始对第三图组63进行照射，由于3个图组的图元相互交错排列，如图3c示意刚刚完成切换的瞬间状态，此时第二图组62上方的位置还没有形成通道，但第一图组61的上方已经形成了通道，所以第三图组63内部各图元的上方可以由第一图组61形成的通道进行回流填料，随成型平台1下移或者光敏料5的液面增高，完成对第三图组63的照射成型，如图3d示意随打印进行在第二图组62的上方也开始形成通道。然后光束39再次切换到照射第一图组61，如图3e示意了当光束39刚刚切换到照射第一图组61的状态，图3e到图3h示意的过程是图3d的后续过程，只不过示意增加了透光件3形成约束液面，该约束液面可以朝下，即可以是下置光源的结构。图3e中可看成此时虽然第三图组63的上方依然与透光件3贴合还没有形成通道，但第二图组62的上方已经形成了通道，所以第一图组61的图元可以由第二图组62形成的通道来提供光敏料进行回流填充，实现连续打印过程，如图3f示意随打印过程进行，在第三图组63的上方与透光件3之间产生间隙并开始形成通道。然后光束39切换到照射第二图组62，并利用第三图组63形成的通道提供光敏料对第二图组62进行回流填充，然后光束再切换照射第二图组62如图3g所示，并先利用第三图组63形成的通道回流光敏料，随打印过程进行可进一步利用第一图组61形成的通道回流光敏料，然后再依次切换照射第三图组63和第一图组61分别如图3h和图3i所示，依此规律进行可以实现在光束照射的同时成型平台的连续移动，实现连续打印，可大幅提升打印速度，且可以不用特殊的材料或透光件等。

本实施方式还可以对光敏料5加压，通过增压可以加快光敏料向各图组的图元的回流速度，可进一步提升打印速度和提升打印质量或打印过程的稳定性。可以让透光件和所述成型平台分别与缸套密封设置，透光件和成型平台之一与缸套内壁可滑动，使得透光件、缸套和成型平台形成了封闭的打印腔，打印腔与料源连通，通过料源向打印腔内填充设定压强的光敏料，实现对光敏料的加压。其中，朝向透光件一侧的光敏料的约束液面或受透光件约束的光敏料的约束液面为成型面，或透光件3与固化模型接触的表面或平面，也是透光件3与固化模型离型时的离型面；打印过程中光束透过透光件选择性照射打印腔内的光敏料，随着成型面和成型平台相对远离移动，打印形成的固化模型结合在成型平台上。具体的可以如图4所示，其中，透光件3设置在缸套2的端部，成型平台1在缸套2的内部与缸套2的内部滑动和保持密封，透光件3、缸套2和成型平台1形成了封闭的打印腔，打印腔与料源4连通，通过料源4向打印腔内填充设定压强的光敏料5。成型平台1通过驱动机构15移动。控制器71控制光源37、驱动机构15和料源4，使得三者协调运行。采用图2d-图2e或图3a-图3i所述的方法，光源37根据层图案划分的相应图组图案发出的光束39透过透光件39照射打印腔内的光敏料5，成型平台1可同时由驱动机构15驱动朝远离透光件3的方向移动，在成型平台1上形成固化模型51，打印过程中料源4持续向打印腔内提供光敏料并保持光敏料的压强P，压强传感器43可以用于检测此压强，料箱49用于存储光敏料。透光件3可以采用具有较好刚性的能通过光束39的板材形成，如此利于保持光敏料5的更高的压强，让图组的图元的光敏料回流填充的速度提升，提升打印速度。而且增压的光敏料在图3e到图3i中的通道中可将固化模型51与透光件3相互分离推开，使得被照射固化的图组的图元可快速地与透光件3之间“撕开”并让光敏料回流填充形成新的通道。图2d-图2e或图3a-图3i中的图可以理解为图4局部的A-A剖视图。

图5a是成型平台1与固化模型51的立体结构示意图。图5b示意了图5a中的局部E放大示意图，图中示意将层图案分割为4个图组，即第一图组61、第二图组62、第三图组63和第四图组64，每个图组的各图元分别用相同的填充线型示意，图中可看成4个图组的图元相互交错排列。光束39可依次对这4个图组进行循环交替地依次逐个照射，在每个图组的照射过程中图组图元的周边总能有通道提供光敏料进行回流填充。具体的如图6a-图6h示意的打印过程，设某层的层图案如图6a所示，可将当前层的层图案近似理解为设置在成型面32上，图6b中示意利用平行于成型面32的网格线68将轮廓线69所代表的层图案进行划分，将层图案分割为若干个细小的矩形（如正方形）图元，然后将各图元分组形成多个图组，例如类似图5b所示形成4个图组，同一图中中的图元尽量相互间隔，不同图组的图元尽量相互接壤，利于每个图组的图元都有机会获得旁边其他图组形成的通道提供光敏料。图6c中示意光束对第一图组61进行照射，图6d示意光束切换到对第二图组62进行照射，图6e和图6f分别示意对第三图组63和第四图组64进行照射。图6g示意相当于图5b的俯视图中的4个图组组合拼接形成了层图案，只不过不同图组之间在沿成型面和成型平台相互远离的方向上，如垂直于成型面或成型平台的方向上，具有高度差，各图组之间的高度差之和可能等于一个层的层厚。由图2a到图2e，图3a到图3i，以及图5a到图6h中的实施例可以看出，不同图组之间在沿成型面和成型平台相互远离的方向上，如垂直于成型面或成型平台的方向上，具有高度差，使得相邻的固化层之间交错累积结合，如此可大幅提升层与层之间的结合强度。

层图案还可以采用其他的的网格或图案进行分割，例如图7a示意采用六边形图案进行分割，每个图元划分成六边形，将六边形的图元分组，例如图示形成三个图组，图7b示意形成4个图组，图7c示意对于具有内部中空的层图案的图组划分。当然也可以用三角形对各层的层图案进行划分，各图组的图元可以呈多边形，如所示的矩形（如正方形或长方形），六边形或三角形等，或者还可以采用圆形。

总体上，通过将各层图案分拆成多个相互尽量交错间隔的图组，对每个图组逐个依次分别分时进行打印的方式实现打印过程与光敏料回流过程同步进行，可以实现连续打印过程，此过程类似半色调原理利用几种基本颜色像素形成彩色图案的过程。将每个层图案分成m个图组，m是大于1的整数，各图组分别由离散图元构成，m个图组合并后刚好拼接成原层图案。每个图组照射时长大约为每层照射时长的1/m，每个图组照射过程中成型平台与成型面间距增加了大约1/m层厚距离。当m个图组都打印完成后，完成了一个层的打印。当m=2时，可以在切换时少许暂停光束照射，然后切换光束对另一图组进行照射，如此可让上次光照的图组对应的固化部分层图形少许远离成型面，形成通道；当m=3时，图组则可线性排列（包括曲线排列）可以实现连续按图组轮换打印，同时成型面与固化层可连续的相互远离移动；当m=4（或大于4）时，则可以实现各分组图元图案为离散图案，且同一图组中的图元可完全相互隔离，可以对各图组的图元依次按顺序照射成型面与固化层连续的相互远离移动，实现连续打印。例如当矩形划分时，如图5a-5b或图6a-图6h所示，可以对4个图组的相互靠近的4个图元顺时针或逆时针按序列连续依次光照打印；如果是六角形划分，如图7a-图7c所示，则除了顺时针或逆时针序列，还可以是对角切换的各图组的图元的序列连续打印。另外需说明的是不同图组的光照之间可以有交叠，提升不同图组之间的结合紧密性。

对固化模型的外表面层进行光照固化时，针对外露的表面部分转换为针对这部分根据层图案进行整部分的照射，如果整个层图案都是外露的表面层，则可以对整层的层图案进行照射打印，避免不同图组的凹凸交错结构外露，提升模型的表面光滑度。例如图3i和图6h中所示的表层区域66，表层区域66是固化模型的表面被分割到相应层图案中的区域，当正在打印的层图案中包括了表层区域66时，表层区域66则可被光束整体照射成型，该层图案中其他的区域可依然如前述的方式按图组逐个依次打印，如此打印方式可提升固化模型表面的光滑度。

本方法可以不需特殊的透光件或光敏料的情况下即可实现连续光照固化打印，大幅提升了对不同光敏料材料的适应性，具有更广的应用范围，可大幅提升打印速度；并由于连续打印避免了成型平台往复移动来进行离型而导致模型层与层之间的台阶，也可避免成型平台每次往复运动由于机械间隙等因素导致重复定位偏差给模型的层与层之间形成的错位，可有效提升打印精度；采用本方法打印的固化模型51的各层之间沿成型平台与成型面相互远离移动的方向（例如垂直与成型面的方向）是犬牙凹凸交错状结合一起的，而不是平面与平面的结合，更利于提升固化模型层与层之间的结合强度，提升整个模型的强度；可以采用刚性的透光件，如高强度的透光板材，通过加压的方式确保固化层与透光件连续分离，可以避免使用离型膜等易损件，也可能不使用抑制剂或润滑液等消耗品，提升设备的可靠性，并降低应用成本；本方法可通过软件设计调整根据不同模型进行打印过程优化，随软件设计方法的改进，可持续提升基于此方法进行打印的性能。

图8a和图8b示意采用下置光源的约束液面打印方法，图8a中透光件3采用透明的半透膜材料，如聚四氟乙烯薄膜，可以让氧气等抑制剂52通过，抑制剂52经过透光件3进入光敏料5中，让靠近透光件3的一层光敏料在光束照射的情况下也不会聚合固化，形成一层固化抑制层（固化死区）。使得固化模型51不会与透光件3黏连，如此可以进一步减小图中成型平台1向上远离透光件3的移动过程中固化模型与透光件之间的作用力，并进一步加快光敏料的回流和填充速度，提升打印速度，或者在透光件3于光敏料侧的表面设置透光的润滑层来降低光敏料固化时与透光件的粘结作用。还可以设置封闭腔77将缸套2封闭，提升光敏料5的压强，进一步提升回流和打印速度。图8b也示意另一种下置光源的结构，缸套2与透光件3固连密封，成型平台1与缸套2的内壁滑动密封配合，即在成型平台1相对缸套运动的同时，还保持与缸套2之间的配合密封。缸套2、透光件3和成型平台1形成了密封的打印腔，料源4与此打印腔连通，打印过程中，料源4向打印腔提供一定压强P的光敏料5，光束39由下向上透过透光件3根据层图案分割形成的相应图组照射光敏料5，成型平台1由驱动机构15驱动朝远离透光件3的方向以速度v连续移动，在成型平台1上形成固化模型51。

对于图4或图8a和图8b所示约束液面的打印方式，在透光件3与成型平台1之间设置或填充光敏料5，光照固化形成的固化模型51可能会粘附到透光件3上，以及当固化模型51远离透光件3移动时，由于光敏料5可能回流填充的速度跟不上而导致固化模型与成型面之间产生真空，使得两者难以快速分离，为了加快固化模型51与透光件3的分离，可对光敏料5进行加压。例如图8a和图8b中透光件3受到光敏料5向下的压力，同时还受到固化模型51随成型平台1向上移动时对透光件3产生的拉力（粘结力和真空吸附作用），两作用力方向相反，当两作用力大小相当时，透光件3上总体受力较小，当两作用力大小相差很大时，透光件可能会由于受力过大而损坏，或者变形过大也会影响打印精度。可设置透光件的形变传感器73，控制器71通过形变传感器73探测到透光件3的变形状态，控制工作腔内光敏料5的压强P和成型面与固化层相互远离的速度v，例如成型面固定的情况下，则是如图4和图8a或图8b中示意的成型平台1的移动速度v，尽量提升光敏料的压强和速度v，尽量加快光敏料5回流填充到固化模型51与透光件3之间的区域，又可适当控制透光件3不会变形过大。具体过程参考图9a、图9b和图10。

如图9a所示，当固化模型51随成型平台1沿箭头向上移动的速度v对透光件产生的拉力大于光敏料5的压强P作用到透光件3上的压力，则透光件3或成型面32朝向光敏料5的方向变形，即如图9a示向上鼓起，由透光件3自身的弹性变形产生的向下作用力来平衡。例如透光件3向上的变形量为h，假设向上变形为正，则控制器71检测到此信息后控制料源4增加光敏料的压强P，或者控制驱动机构15减小成型平台1的移动速度v，直到透光件3的变形量回复到预设的范围内。如果光敏料5的压强P对透光件3产生的压力大于固化模型51以速度v移动对透光件3产生的拉力，则透光件3或成型面32可能会朝远离光敏料5的方向变形，即如图9b示向下弯曲变形，由透光件3自身的弹性变形产生的向上作用力来平衡。例如透光件3向下的变形量为h，假设向下变形为负，则控制器71检测到此信息后控制驱动机构15增加成型平台1的移动速度v，或者控制料源4减小光敏料5的压强P，直到透光件3的变形量恢复到预设的范围内。进一步的，当调整了成型平台1的移动速度时，还可能同步控制光源37，控制其光照投影的层图案的图组的图案与成型平台1的移动位置相对应，以及控制光照强度调整光固化速度以与成型平台的移动速度匹配。即本发明打印方法通过检测成型面32或透光件3的变形，当变形超出预设的范围，则调整光敏料5的压强或成型平台1的移动速度或位移，成型面32的变形符合预设范围，成型面32的变形可以通过形变检测器73进行检测，具体检测方法可参考图11，图12，图13a或图13b所示实施例。如此通过光敏料5的压强和成型平台1的移动速度两者对透光件3产生作用力的平衡，即保持了成型面32的平整，最佳的保持平面状态，确保光固化成型精度，又尽可能的提升了光敏料5的压强，让光敏料5可以更加快速的回流填充到固化模型51与成型面32之间的间隙，提升打印速度。控制过程中可以优先让成型平台1的位移速度尽量大，以尽可能的提高打印速度，且尽量让此打印速度保持恒定，然后调整光敏料5的压强，使得透光件3的变形在预设范围（阈值范围）内。当调整光敏料压强不能实现将透光件3的变形调整到阈值范围内时，适当降低成型平台1的位移速度，直到通过调整光敏料5的压强可以实现对透光件3变形控制到阈值范围内为止。如此控制方案利于实现打印速度的最大化。或者保持成型平台1移动速度v恒定，通过调整光敏料5的压强来控制透光件3的变形处于预设范围内。

图10示意了打印过程的一种流程图。步骤80开始打印，对打印装置初始化，例如成型平台1移动到初始打印位置，导入三维模型信息等，还可能启动料源4和光源37等；步骤81进行连续打印过程，光束39透过透光件3根据各层的各图组图案信息照相光敏料形成固化层，成型平台1以速度v连续远离透光件3移动，同时料源4动态调整光敏料5的压强P；步骤83，动态调整透光件3的变形量，如果变形量为正，则增加P和减小v两者至少选择一种策略执行，如果变形量为负，则减小P和增加v两者至少选择一种策略执行；步骤84判断透光件3的变形量是否超出预设范围，如果超出，则表明打印过程或控制过程出现状况，则报警和暂停打印进行检修，如更换透光件3；步骤85判断是否打印结束，没有结束则持续提供新的三模型各层的各图组的图案信息给光源37进行照射成型，直到固化模型51完成整个模型的打印；步骤89停止打印，可以停止光照。

图11示意了透光件3的成型面设置透明的润滑层57使得固化模型51不会与成型面32粘合，当光束39连续照射光敏料，成型平台1连续移动的过程中，可加快光敏料5填充回流到固化模型51与透光件3之间。图中还示意透光件3底面的周边区域与缸套2的端部法兰之间环周设置多个应力感测单元17，利用应力感测单元17的检测透光件3的周边受力分布，结合当时光敏料的压强P和成型平台的移动速度v来间综合估算透光件3的变形，根据此估算来调整光敏料压强P。图中还示意设置力传感器18，用于检测成型平台1在打印过程中的受力情况，结合当时光敏料的压强P和成型平台的移动速度v来间综合估算透光件3的变形，根据此估算来调整光敏料压强P。或者将应力感测单元17和力传感器18两者的信号结合，估算透光件3的变形，进行调整光敏料5的压强P。

图12示意还可以采用微透镜阵列38设置在光源37与透光件3之间，对光束39进行调整，光束39在成型面32射出时形成离散且扩散的状态，即将光束39处理成若干个离散扩散光束34在成型面32表面朝向光敏料5照射，且至少部分的离散扩散光束34在打印层厚δ区域内相互有交叠，在打印层厚δ区域内相互交叠的离散扩散光束34之间形成没有光束照射的区域，这些区域可以作为光敏料5的流道46。离散扩散光束34可与层图案中各图组的图元相对应，例如每个微透镜对应一个图元，光束39根据各图组的图元信息顺序照射各个图组，则每个离散扩散光束34（即相当于每个图元）的周围不仅有流到46，还有临近的其他图组形成的通道，如此不仅大幅减少了固化模型51与成型面32的接触面积，减小两者的粘结作用，还大幅提升了光敏料向正在打印的图组回流的速度，可进一步提升打印速度。微透镜阵列38可以与透光件3为分别的两个部件，如图中实施例所示，当然也可以是集成为一个零件。在图示实施例中进一步示意了在透光件3中离散光束之间的没有光束的区域还可能设置透光件3的形变传感器73，例如可以检测透光件3各处的应变或应力来分析出透光件3的变形情况。形变传感器73与透光件3集成一体结构紧凑，且能检测透光件3整体各处的变形。

图13a-图13b示意了一种对透光件3的变形进行检测的方法，检测光线发生器73a，接收器73b在透光件3的下方（在透光件的相对光敏料的另一侧）左右相对设置，可以设置在光束39照射区域之外，检测光线发生器73a发出的检测光线75照射到透光件3反射后被检测光线接收器73b接收到。当透光件3没有变形时，检测光线75在透光件3上的反射点是x1，在检测光线接收器73b上的y1点上被接收到。当透光件3向下凸出变形时，如图13a所示，检测光线75在点x2被透光件3反射，投射到检测光线接收器73b上的y2点处。当透光件3向上（朝成型平台1的方向）凸出变形，如图13b所示，透光件3上的反射点由x1变为x3，光束投射到检测光线接收器73b的y3点处。从而，检测光线接收器73b通过检测接收到的光线照射点的位置，例如由y1变化到y2，或者由y1变化到y3，可以推测出透光件3的变形方向和变形大小。此方案中检测光线75不会对成型光束39产生影响，且不与透光件3接触，检测过程不干扰打印过程。检测光线75可以是对光敏料不能聚合反应的光线，如采用与成型光束39不同波长的光线，或者是对透光件3（离型膜或离型板）不透明的光线，或者是让检测光线75与透光件3之间的角度设置让检测光线75在透光件3表面为全反射。

成型平台1，缸套2，和透光件3都可能分别是单体件也可能是组装件，以透光件3为例，透光件3一般采用透光的有机薄膜材料，如行业常用的离型膜，如聚四氟乙烯薄膜（特氟龙薄膜）或PET薄膜等，具有弹性，也可能是光学玻璃等较高强度透光板材（如玻璃，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），COC（Cyclic olefin copolymer,环烯烃共聚物）或石英等），或两者贴合形成的复合材料结构，也可能由透光材料与固定安装结构件或密封件等组装而成。

本实施方式所述的光敏料5可以为光敏树脂，或任何可以引发聚合反应的树脂液体或浆料，还可以在光敏树脂液体中混合粉末材料或其他液体材料，如陶瓷粉末，金属粉末，塑料粉末或其他的粉末材料进行混合，还可以在树脂中混合细胞，药物，颜料等。

本实施方式所述的光源37可以根据具体的光敏料特性采用355nm或405nm的紫外光，进行紫外光固化，或405nm到600nm的可见光等不同的光源，进行可见光固化。光成像装置可以采用DLP（Digital light Processing）光源，激光扫描（Laser）， 或LED屏，LCD屏等多种方式实现，也可以利用手机屏幕，IPAD屏幕，其他显示屏等屏幕作为成像光源，当然还可以配合相应的镜组调整光束。

本实施方式叙述采用“上方”，“下方”，“左”，“右”等方位性词语，是基于具体附图的方便性描述，不是对本发明的限制。实际应用中，由于结构整体在空间的变换，实际的上方或下方位置可能会与附图的不同。但这些变换都应是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光固化三维打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待打印的固化模型分割为n层，其中n为正整数；将每层的层图案分拆成m个图组，m≥2；每个图组分别由离散的图元构成，且不同图组的图元相互交错排列；

在对所述每层的层图案进行打印的过程中，利用光束逐个照射所述的m个图组，在对第i个图组进行照射时，在未被照射的一个或几个图组上形成光敏料的通道，所述通道与正在照射的第i个图组的各图元的边缘接触，使得所述光敏料经过所述通道就近回流到第i个图组的各图元区域；被所述光束照射的光敏料形成固化层，在打印过程中所述固化层与成型面相互远离移动，完成所述层图案的打印，其中，i∈{1,2,3,...,m}，所述层图案中的不同图组分别固化形成的固化层在所述固化层与所述成型面的相互远离移动的方向上相互之间具有高度差，各相邻层的固化层相互交错累积结合；

依次打印n层的层图案形成n层固化层并累积形成所述固化模型。

2.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，当m=2时，在对不同图组的照射进行切换过程中先暂停光束照射，在所述固化层与所述成型面相互远离预设间距后所述光束再开始对另一图组进行照射；当m=3时，所述图组的图元沿设定方向相互交错，所述光束对各图组按顺序循环照射打印，同时所述成型面与固化层连续的相互远离移动；当m≥4时，所述图组的图元图案在层中沿两个方向排列，同一图组中的图元相互隔离，所述光束对各图组按顺序循环照射打印，同时所述成型面与固化层连续的相互远离移动。

3.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，当正在打印的所述层图案中包括表层区域时，所述表层区域则被所述光束整体照射成型。

4.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，在所述层图案的打印过程中，所述光束照射的光敏料形成固化层结合到成型平台上，所述成型平台与所述成型面的间距增加，完成层图案的打印；所述成型面与所述成型平台的间距采用连续式增加或间断式增加的方式实现增加，当采用连续式增加方式时，对每个图组照射时，所述成型平台与所述成型面的间距同步连续增加，且当该图组完成照射打印时，所述成型平台与所述成型面的间距增加距离为1/m倍的该图组所在层的层厚；当采用断续式增加方式时，对每个图组照射时，所述成型平台与所述成型面的间距保持固定不变，完成一个图组的照射打印后，所述成型平台与所述成型面的间距增加距离为1/m倍的该图组所在层的层厚。

5.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，在所述层图案的打印过程中通过增加所述光敏料的压强使得所述光敏料加快回流到所述第i个图组的区域。

6.根据权利要求5所述的光固化三维打印方法，其特征在于，将透光件和成型平台分别与缸套密封设置，所述透光件或所述成型平台能够沿所述缸套的内壁滑动，使得所述透光件、所述缸套和所述成型平台形成封闭的打印腔，所述打印腔与料源连通，通过所述料源向所述打印腔内填充设定压强的所述光敏料，实现对所述光敏料的加压；其中，朝向所述透光件一侧的光敏料的表面或所述透光件与所述光敏料接触的表面为所述成型面；打印过程中所述光束透过所述透光件选择性照射所述打印腔内的所述光敏料，随着所述成型面和所述成型平台相互远离移动，打印形成的固化模型结合在所述成型平台上。

7.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，所述成型面为透光件对光敏料形成的约束液面，在所述层图案的打印过程中，所述光束透过所述透光件选择性照射光敏料形成固化层结合到成型平台上，所述成型平台与所述成型面的间距增加，完成层图案的打印；所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加，当所述成型面朝向所述光敏料的方向发生变形时，增加所述光敏料的压强，或者减小所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度；当所述成型面朝向远离所述光敏料的方向发生变形时，减小所述光敏料的压强，或者增加所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度。

8.根据权利要求7所述的光固化三维打印方法，其特征在于，所述成型面与所述成型平台的间距连续式增加的速度和所述光敏料的压强的控制方式如下：方式一，打印过程中让所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度设定为允许范围的最大值，然后通过调整所述光敏料的压强，使得所述透光件的变形在预设范围内；当调整所述光敏料的压强不能实现将所述透光件的变形控制在所述预设范围内时，降低所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度，直到通过调整所述光敏料的压强能够实现对所述透光件变形控制在所述预设范围内为止；或者，方式二，保持所述成型面与所述成型平台的间距增加的速度恒定，通过调整所述光敏料的压强来控制所述透光件的变形处于所述预设范围内。

9.根据权利要求1所述的光固化三维打印方法，其特征在于，采用约束液面的方式进行打印，在所述层图案的打印过程中还包括通过形变传感器检测透光件形变状况的步骤。

10.根据权利要求9所述的光固化三维打印方法，其特征在于，所述形变传感器为多个应力感测单元，所述多个应力感测单元环周设置在所述透光件底面的周边区域与缸套的端部法兰之间，利用所述应力感测单元检测所述透光件周边的受力分布，结合光敏料的压强和所述固化层与成型面的相互远离移动速度来估算所述透光件的变形情况；或者所述形变传感器包括检测光线发生器和检测光线接收器，所述检测光线发生器和检测光线接收器设置在所述透光件相对光敏料的另一侧，所述检测光线发生器发出的检测光线经过所述透光件反射后被检测光线接收器接收，通过检测光线接收器接收到的光线照射点的位置判断所述透光件的变形情况，或者通过设置在光源与透光件之间微透镜阵列对所述光束进行调整，使得所述光束在所述成型面射出时形成离散且扩散的状态，在所述透光件中离散光束之间的没有光束照射的区域设置所述形变传感器检测所述透光件的变形情况。

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