[0001] 本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种多自由度光固化3D打印装置及方法。

[0002] 光固化3D打印技术是利用光的选择性照射控制液态光敏树脂发生光聚合反应进行工作的，借助成型平台运动通过层层堆叠实现复杂结构样品的制造，具有成型速度快、分辨率高和成本低等优点，是最早实现商业化的3D打印技术，应用十分广泛。

[0003] 根据成型方式不同，目前商业化的光固化3D打印可以分为上拉式和下沉式两种。上拉式光固化3D打印机通过离型膜控制打印的层厚，而下沉式光固化打印机通过刮刀重涂实现层厚内液面的快速流平。上拉式可以精确控制层厚，打印分辨率高，但是受重力和离型力的影响较大，需要设计大量的支撑结构，并且材料选择受限。下沉式基本可以适用于所有材料，可以有效减少支撑设计，但是受刮刀重涂过程的影响，层厚控制不精确，打印件会出现边缘塌陷或前缘凸起现象，打印精度较差。

[0004] 另外，上述两种光固化3D打印机打印过程都是沿Z轴方向上逐层进行的，在打印悬垂结构时，需要设计大量的支撑结构。大量的支撑结构一方面导致材料的浪费，另一方面去除支撑结构和打磨抛光样品表面增加了零件的制作成本和时间。

[0005] 因此，现有技术还有待于改进和发展。

[0037] 本发明提供一种多自由度光固化3D打印装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0038] 本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

[0039] 如图1或图2所示，本发明提供一种多自由度光固化3D打印装置，包括：

[0040] 机械臂组件10，包括固定部和活动部；

[0041] 光源组件20，包括投影模块21和离型膜22；所述光源组件20与所述活动部可拆卸连接；

[0042] 料槽30，所述料槽30用于存储光敏打印浆料；

[0043] 打印平台40，所述打印平台40设置于所述料槽30内；所述打印平台40用于承载打印物体100；

[0044] 所述光源组件20浸没于所述光敏打印浆料中，通过控制所述离型膜22与所述打印物体100之间的间距控制打印层厚，并按照目标图形投影进行逐层光固化完成3D打印。

[0045] 本实施方式中，利用具有多自由度的机械臂组件结合固定于所述机械臂组件末端的光源组件，配合所述料槽可实现多自由度下沉式打印，不需要添加额外的支撑结构；并且，该多自由度光固化3D打印装置可提高打印精度；同时，可消除重力影响和减小离型力。

[0046] 具体地，所述多自由度光固化3D打印装置与传统的带有刮刀的下沉式光固化3D打印装置相比，多自由度的机械臂组件可以使得在打印过程中，离型膜与打印物体之间可以以任意的角度逐层打印打印件，不需要额外添加支撑结构，简化了模型处理以及后处理拆除支撑结构的步骤。并且，相比于传统带有刮刀的下沉式光固化3D打印机，所述多自由度光固化3D打印装置通过设置离型膜可以精确控制打印的层厚，并且可以避免因刮刀重涂引起的打印件边沿形貌失真的问题，从而提高打印的精度；同时，相较于上拉式的光固化3D打印装置，所述多自由度光固化3D打印装置基于下沉式打印的原理，消除了打印零件自身重力的影响，因此具有更高的打印成功率，可以打印更大的零件；而且利用多自由度的机械臂还可实现投影平面拼接打印，一方面减小了离型力，可进一步提高打印成功率及材料适用范围；另一方面增大了打印幅画，提高了打印零件尺寸范围。

[0047] 在一些实施方式中，所述光源组件20包括与所述活动部连接的光源组件安装法兰23、与所述光源组件安装法兰23连接的投影模块21、与所述光源组件安装法兰23连接且套设于所述投影模块21上的密封安装支架24；所述离型膜22设置于所述密封安装支架24背离所述光源组件安装法兰23的一端。利用所述光源组件安装法兰23将所述投影模块21和所述密封安装支架24进行固定，便于拆卸和更换；并且，在所述密封安装支架24背离所述光源组件安装法兰23的一侧设置离型膜，可以精确控制打印的层厚，并且可以避免因刮刀重涂引起的打印件边沿形貌失真的问题，从而提高打印的精度。

[0048] 在一些实施方式中，所述投影模块21为UV LCD显示装置或UV DLP显示装置，利用所述光固化光源实现曝光功能，使得光敏打印浆料完成固化。

[0049] 在一些实施方式中，如图2所示，所述投影模块21为UV DLP显示装置时，所述离型膜22靠近所述UV DLP显示装置的一侧设有玻璃窗25；所述玻璃窗25固定于所述密封安装支架24的内侧。

[0050] 在一些实施方式中，如图3所示，所述投影模块21为UV LCD显示装置时，即为UV LED灯珠，所述离型膜22靠近所述UV LED灯珠的一侧设有LCD屏幕26；所述LCD屏幕26固定于所述密封安装支架24的内侧。

[0051] 在一些实施方式中，所述多自由度光固化3D打印装置还包括底板50；所述固定部与所述底板50固定连接；利用所述底板50为所述机械臂组件提供装载平台。

[0052] 在一些实施方式中，所述底板50上设有可旋转底座51，所述料槽30设置于所述可旋转底座51上；所述可旋转底座51用于带动所述料槽30和所述打印平台40旋转一定角度。

[0053] 在一些实施方式中，所述可旋转底座51替换为多自由度机械臂组件(图未示)；所述多自由度机械臂组件用于带动所述打印平台40旋转一定角度。

[0054] 在一些实施方式中，所述机械臂组件10包括与所述底板50连接的机械臂安装法兰11、与所述机械臂安装法兰11转动连接的转动部12、与所述转动部12活动连接的第一机械臂13、与所述第一机械臂13活动连接的第二机械臂14、与所述第二机械臂14活动连接的第三机械臂15。利用多个机械臂组成多自由度的机械臂组件，使得在打印过程中，可通过多自由度的机械臂组件控制离型膜与打印物体之间的角度和距离，实现逐层打印打印件；同时多自由度的打印方式不需要额外添加支撑结构，简化了模型处理以及后处理拆除支撑结构的步骤。

[0055] 在一些实施方式中，所述光源组件20与所述第三机械臂15背离所述第二机械臂14的一端连接，使得投影模块实现多自由度的活动。

[0056] 在一些实施方式中，所述多自由度3D打印装置还包括辅助机械臂组件，所述打印平台40设置于所述辅助机械臂组件的末端，利用所述辅助机械臂组件控制所述打印平台的活动。

[0057] 在一些实施方式中，所述料槽30包括多个，用于存储不同的光敏打印浆料；然后结合所述辅助机械臂组件带动所述打印平台31的运动，可实现在不同的光敏打印浆料中实现由不同材料组成的打印件的打印。

[0058] 除此之外，本发明还提供一种基于多自由度光固化3D打印装置的打印方法，包括步骤：

[0059] 步骤S10：根据打印件的模型结构，对所述打印件的三维数字模型进行多向切片，并对超过光源组件单次幅面的切片每层的切片图案进行分割处理；

[0060] 步骤S20：向料槽中加入光敏打印材料，利用机械臂组件投影模块浸入浆料中，并移动至第一打印区域；

[0061] 步骤S30：控制机械臂组件使光源组件处于第一打印区域的打印方向，使机械臂组件末端的离型膜位于打印平台上方一个层厚的位置；投影模块按照设定的曝光参数以及设定的曝光路径进行拼接曝光；控制机械臂组件沿打印方向运动大于一个层厚的一定距离，确保当前打印层与离型膜完全分离；控制机械臂组件沿打印方向运动直到离型膜位于上一层打印平面上方一个层厚的位置；重复上述步骤直至完成第一打印区域的打印；

[0062] 步骤S40：使待打印的第二打印区域处于机械臂的工作区间内，重复上述步骤完成第二打印区域的打印；

[0063] 步骤S50：重复上述步骤，完成目标打印件其他待打印区域的打印。

[0064] 在本实施方式中，先对目标打印件的三维数字模型进行连续切片，并匹配打印速度，然后利用具有多自由度的机械臂组件结合固定于所述机械臂组件末端的投影模块，配合所述料槽可实现多自由度打印，不需要添加额外的支撑结构；并且，该多自由度光固化3D打印装置可提高打印精度；同时，可消除重力影响和减小离型力。

[0065] 在一些实施方式中，所述离型膜为透氧膜。

[0066] 在一些实施方式中，由于材料特性不同，每种材料对离型膜的粘附力不同，为了保证打印成功率，需要确定单次曝光的最小离型面积。因此在所述步骤S10之前，还包括对单次离型面积进行确定。具体地，通过设计不同的离型面积的图案，测试离型力的大小，确定单次离型的面积；根据单次离型面积对单层图案进行分割，确定拼接投影的顺序。

[0067] 在一些实施方式中，所述基于多自由度光固化3D打印装置的打印方法主要包括准备阶段、打印阶段。所述准备阶段包括：根据目标打印件的模型尺寸，对目标打印件的三维数字模型进行切片，并匹配打印速度；同时，向料槽中加入光敏打印材料；然后将机械臂末端的投影模块浸入浆料中，并移动至开始打印的位置，该位置为打印平台的表面与离型膜的下表面平齐。所述打印阶段包括：控制机械臂组件使离型膜匀速向背离所述打印平台方向移动，同时所述投影模块进行连续曝光，完成目标打印件的打印。

[0068] 下面进一步举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

[0069] 实施例1

[0070] 本实施例提供一种多自由度光固化3D打印装置及打印方法，该装置结构与前述多自由度光固化3D打印装置相同，结构示意图如图1所示。打印方法包括如下步骤：

[0071] 准备阶段：

[0072] 1)模型预处理：根据打印件的结构特点，对打印件的三维数字模型进行多向切片，并对超过光源组件单次幅面的切片层的切片图案进行分割处理；多向切片的示意图如图4所示，将示例的具有悬垂结构的打印件分成三部分进行切片处理，打印顺序依次为A区、B区和C区；其中A区的打印方向为垂直方向，B区的打印方向为水平方向，C区的打印方向为中轴线方向；对超过光源组件单次幅面的A部分进行分割处理，分割处理示意图如图5所示；根据光源组件单次幅面的大小将每层切片图案分割成4部分，打印时依次进行显示；

[0073] 2)向料槽中加入光敏打印材料；

[0074] 3)将机械臂末端投影模块浸入浆料中，并移动至开始打印位置(该位置指打印平台的表面与离型膜的下表面齐平)；

[0075] 打印阶段：

[0076] 1)A区域打印：控制机械臂组件让光源组件处于垂直方向，使末端离型膜位于打印平台上方一个层厚的位置；投影模块按照设定的曝光参数以及设定的曝光路径进行拼接曝光；控制机械臂向上运动大于一个层厚的一定距离，确保当前打印层与离型膜完全分离；控制机械臂向下运动直到离型膜位于上一层打印平面上方一个层厚的高度；然后重复上述步骤直至完成A区域打印；

[0077] 2)B区域打印：利用可旋转底座进行旋转，使待打印的B区域处于机械臂组件的工作区间内，控制机械臂组件让光源组件处于水平方向，使末端离型膜距离打印件一个层厚的位置；投影模块按照设定的曝光参数进行曝光；控制机械臂水平运动大于一个层厚的一定距离，确保当前打印层与离型膜完全分离；控制机械臂水平运动直到离型膜位于上一层打印平面上方一个层厚的位置；然后重复上述步骤直至完成B区域打印；

[0078] 3)C区域打印：利用可旋转底座进行旋转，使待打印的C区域处于机械臂组件的工作区间内，控制机械臂组件让光源组件处于打印形状的轴线方向，使末端离型膜距离打印件一个层厚的位置；投影模块按照设定的曝光参数进行曝光；控制机械臂组件沿轴线运动大于一个层厚的一定距离，确保当前打印层与离型膜完全分离；控制机械臂沿轴线运动直到离型膜位于上一层打印平面上方一个层厚的位置；然后重复上述步骤直至完成C区域打印；

[0079] 所述光源组件的投影模块的为UV LCD显示装置，其结构示意图如图3所示；可以根据材料种类和打印件模型的结构特点选择相应的尺寸大小，在保证离型力和不发生结构干涉的前提下尽可能提高打印速度。

[0080] 利用本实施例所述方法，通过控制机械臂与投影拼接图案的配合，可实现比光源组件单次投影幅面更大的零件打印；结合多向切片，可以在不添加支撑的情况下实现具有悬垂结构的打印；通过底座旋转，可以实现多方向的构建。

[0081] 实施例2

[0082] 本实施例提供一种多自由度光固化3D打印装置，该装置结构与实施例1区别在于光源组件的投影模块的为UV DLP显示装置，其结构示意图如图2所示；打印方法与实施例1相同。

[0083] 实施例3

[0084] 本实施例提供一种多自由度光固化3D打印装置，如图6所示，该装置结构与实施例1区别在于底板设有辅助机械臂组件和另一个料槽，且打印平台安装于辅助机械臂组件的末端，其余结构与实施例1相同。

[0085] 基于双机械臂多材料下沉式光固化3D打印装置，打印方法包括如下步骤：

[0086] 准备阶段：

[0087] 1)模型预处理：根据打印件的模型结构特点尺寸，对打印件的三维数字模型进行多向切片，然后并对超过光源组件单次幅面的切片每层的切片图案进行分割处理；

[0088] 2)向料槽中加入光敏打印材料；

[0089] 3)将机械臂末端投影模块浸入光敏树脂A中，并移动至开始打印位置(该位置指打印平台的表面与离型膜的下表面齐平)；打印阶段：

[0090] 1)控制机械臂A、B，使离型膜及打印平台均伸入光敏树脂A内部，且机械臂A末端离型膜位于机械臂B末端打印平台上方一个层厚的高度位置；

[0091] 2)投影模块按照设定的曝光参数进行曝光；

[0092] 3)控制机械臂向上运动离开光敏树脂A的料槽；

[0093] 4)将机械臂A末端的离型膜以及机械臂B末端的打印平台及打印件移动至清洁槽中，清洁离型膜和打印件；

[0094] 5)控制机械臂A、B，使离型膜及打印平台均伸入光敏树脂B内部，并移动至离型膜位于上一层打印平面上方一个层厚的高度；

[0095] 6)投影模块按照设定的曝光参数进行曝光；

[0096] 7)重复步骤(3)到(6)，直至完成可切换材料的多材料样品的打印，如图6所示。

[0097] 利用本实施例所述方法，通过控制双机械臂实现多材料样品的光固化3D打印。

[0098] 实施例4

[0099] 本实施例提供一种高速、连续的多自由度光固化3D打印装置，其装置结构与实施例2中多自由度光固化3D打印装置基本相同，但离型膜为透氧膜，其光源组件的结构示意图如图7所示。打印方法包括如下步骤：

[0100] 准备阶段；

[0101] 1)模型预处理：根据打印件的模型尺寸，对三维数字模型进行连续切片，并匹配相应的打印速度；

[0102] 2)向料槽中加入光敏打印材料；

[0103] 3)将机械臂末端投影模块浸入浆料中，并移动至开始打印位置(该位置指打印平台的表面与透氧膜的下表面齐平)；

[0104] 打印阶段：

[0105] 4)控制机械臂，使末端透氧膜以匀速向上移动，同时投影模块按照设定的曝光参数进行连续曝光，直至完成打印。

[0106] 利用本实施例的装置和打印方法进行打印，零件表面不会出现明显层纹，表面光洁度更高，与传统的逐层打印方式相比，在打印方向上的粗糙度明显降低。

[0107] 综上所述，本发明提供的一种多自由度光固化3D打印装置及方法，多自由度光固化3D打印装置包括：机械臂组件，包括固定部和活动部；光源组件，包括投影模块和离型膜；所述光源组件与所述活动部可拆卸连接；料槽，所述料槽用于存储光敏打印浆料；打印平台，所述打印平台设置于所述料槽内；所述打印平台用于承载打印物体；所述光源组件浸没于所述光敏打印浆料中，通过控制所述离型膜与所述打印物体之间的间距控制打印层厚，并按照目标图形投影进行逐层光固化完成3D打印。本发明利用多自由度的机械臂组件，使得在打印过程中，离型膜与打印物体之间可以以任意角度逐层打印打印件，这增加了打印物体的设计自由度；同时多自由度的打印方式不需要额外添加支撑结构，简化了模型处理以及后处理拆除支撑结构的步骤。相较于传统的带有刮刀的下沉式光固化3D打印机，多自由光固化3D打印装置可以通过离型膜精确控制层厚，并且可以避免因刮刀重涂引起的打印件边沿形貌失真的问题，从而提高打印的精度。并且，相较于上拉式的光固化3D打印，多自由度光固化3D打印装置可以消除重力影响，并通过单次小面积离型减小离型力。

[0108] 应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。