CN104786508A - 3d打印设备及其成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供3D打印设备及其成像系统，该成像系统包括：具有多个像素的显示面板，存储液态可光固化材料的存储装置，控制显示面板成像的控制装置；其中可光固化材料显示面板为主动式发光面板。该成像系统无需偏振片，以避免偏振片吸收光源系统发射的光；另一方面，由于没有背光，而是直接地利用显示面板发出的光形成图像投影，因此光路缩短，降低光损耗，从而提升了光的利用率，降低了整个系统的功耗。

Description

3D打印设备及其成像系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及3D打印设备及其成像系统。

背景技术

三维（3D）打印是新型快速成型制造技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，将金属粉末、陶瓷粉末、塑料和细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。它能够克服传统的机械加工无法实现的特殊的结构障碍，实现复杂结构部件的简单化生产。

目前，3D打印技术主要包括热熔塑胶基础技术、激光烧结成型技术、光固化液态树脂选择区域固化成型技术等。其中光固化方法是利用可光固化材料被光照射之后发生固化的原理，进行材料累加成型。

现有的用于3D打印设备的成像系统通常利用液晶面板来固化可光固化材料，如图1所示意性地示出的，常规的成像系统包括作为背光的光源系统1和液晶屏2，液晶屏2两侧还具有偏振片201、202，液晶屏2发射的光投射可光固化材料的表面3使可光固化材料固化。一般情况下，偏振片201、202对光源系统1发射的光有较大的吸收，导致光源系统1发射的光的利用率低，系统功耗大。另外，长期的近紫外光照射会加速液晶材料的老化，从而影响3D打印设备的寿命。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的实施例提供了能够解决上述问题的用于3D打印设备的成像系统及包含该成像系统的3D打印设备。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于3D打印设备的成像系统，所述成像系统可包括：显示面板，所述显示面板包括多个像素；存储装置，所述存储装置设置在所述显示面板的光路中，用于存储液态的可光固化材料；控制装置，所述控制装置控制显示面板进行成像；其中，所述显示面板在可光固化材料的界面上成像，并使可光固化材料在所述界面处固化，形成对应的图案，且所述显示面板是主动发光式面板。

由于该成像系统无需偏振片，避免了偏振片对成像系统内光源发射的光的吸收；另一方面，由于没有背光，而是直接地利用显示面板发出的光形成图案，因此光路变短，损耗降低，从而提升光的利用率，降低整个系统的功耗。相应地，成像系统的损耗得以减小，间接提高了输出功率，减小了可光固化材料的固化时间，可提高3D打印效率。

根据本发明的一个实施例，成像系统还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列设置在所述显示面板与所述存储装置之间的光路中，用于调节所述光路。

进一步地，所述微透镜阵列包括在所述显示面板的发光表面上设置的多个微透镜，所述微透镜远离显示面板的一侧为凸面，且任一所述微透镜的中心可与相对应的像素的中心在显示面板上的投影重合。

微透镜可以对显示面板的每个像素发出的光分别进行会聚或准直，这样，可以增强每个像素发出的光的方向性，减轻显示面板的各个像素之间的光发散导致的串扰，提高3D打印产品的质量或品质。不仅如此，由于微透镜对各个像素发射的光的会聚作用，所以可以较快地对液态的可光固化材料进行固化，进一步缩短曝光时间，提高3D打印设备的生产效率。

根据本发明的另一实施例，所述微透镜的焦平面与可光固化材料发生固化的界面可处于同一平面。这样，不仅可提高成像系统在可光固化材料发生固化的界面处的成像质量，还可进一步缩短曝光时间，并进一步提高3D打印设备的打印效率。

根据本发明的另一实施例，上述3D打印设备的显示面板还包括挡光矩阵，所述挡光矩阵设置在所述显示面板的发光表面的与非像素区域对应的位置。挡光矩阵可以反射或吸收光，减轻像素边缘处的漏光现象，从而减轻显示面板的像素的漏光现象对成像的影响。

进一步地，所述挡光矩阵的厚度可以是所述像素厚度的1-3倍。该挡光矩阵可以实现对像素边缘的光的较好的阻挡或吸收，进一步减轻显示面板的像素的漏光现象对成像的影响。

根据本发明的用于3D打印设备的成像系统的实施例，所述显示面板包括发光二极管显示面板，所述发光二极管显示面板包括多个由发光二极管单元组成的像素。

根据本发明的另一实施例，所述发光二极管单元的发光光谱范围是400nm至420nm。

根据本发明的另一实施例，所述发光二极管的发光材料包括氮化镓或氮化铝。

根据本发明的另一实施例，用于3D打印设备的成像系统中的显示面板可以包括有机发光二极管显示面板。

根据本发明的另一实施例，有机发光二极管的发光层材料的特性满足条件：

ΔE=2.79~ 3.14

其中，ΔE为有机发光二极管发光层的材料的基态与激发态的能级差。

根据本发明的另一实施例，显示面板包括等离子显示面板。

根据本发明的另一实施例，所述控制装置控制所述显示面板成像，使其像素仅包括打开和关闭两种状态。

本发明的实施例还提供了一种3D打印设备，所述3D打印设备包括根据本发明的用于3D打印设备的成像系统各种实施例中的任一种的成像系统。

应用包括本发明的各实施例提供的成像系统的3D打印设备进行3D打印操作时，由于光路变短，损耗降低，从而得以提升光的利用率，降低整个系统的功耗。相应地，成像系统的损耗得以降低，便可提高输出功率，减小可光固化材料的固化时间，从而提高3D打印效率。

附图说明

现在，将通过具体实施例的方式参照附图描述本发明的构思。

图1是示意性地说明现有技术中的用于3D打印设备的成像系统的结构图；

图2是示意性地说明根据本发明的一个实施例的用于3D打印设备的成像系统的结构图；

图3示意性地说明根据本发明的用于3D打印设备的成像系统的实施例中的显示面板的像素结构平面视图；

图4是示意性地说明根据本发明的另一实施例中的可光固化材料发生固化的界面与显示面板的发光表面上的微透镜之间的位置关系的图；

图5是示意性地说明根据本发明的另一实施例的用于3D打印设备的成像系统的结构图；

图6是示意性地说明根据本发明的又一实施例的用于3D打印设备的成像系统中的其上设置有挡光矩阵和微透镜的单个像素的截面图。

具体实施方式

下面，参照附图通过举例的方式来说明根据本发明实施例的成像系统的具体示例。附图是示意性的，并未按比例绘制，且只是为了说明本发明的实施例而并不意图限制本发明的保护范围。

图2示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于3D打印设备成像系统。该成像系统包括显示面板2、存储装置3和控制装置（附图中未示出）。显示面板2包括多个像素；存储装置3设置在显示面板2的光路中，用于存储液态的可光固化材料4；控制装置控制显示面板2进行成像；显示面板2在可光固化材料的界面上成像，并使所述可光固化材料在所述界面处固化，形成对应的图案，显示面板2是主动发光式面板。

在3D打印操作中，可先将产品的三维CAD实体数据模型或曲面数据模型文件在计算机中转换成标准文件格式，例如.stl文件格式，再用计算机软件从.stl文件切出设定厚度的一系列片层。然后，利用每一片层的信息形成二维数据图形。二维数据图形经过计算机的图像处理之后通过控制装置即可在显示面板2上显示与每一片层的二维数据图形相对应的图像。显示面板上显示该图像的形状的区域可以为发光区域，例如，其可以为白色区域，不显示该图像的形状的区域可以不发光，例如其可以为黑色区域。也就是说，显示面板2的亮的区域可以是显示图像的成型区域，显示面板2的暗的区域中的发光元件不发光。相应地，只是存储装置3中的可光固化材料4的液面上与该成型区域相对应的区域可以被显示面板2发出的光固化。这样，通过显示面板2可将与每一片层的二维数据图形相对应的图像投影到可光固化材料4上，对可光固化材料4进行曝光固化。

此外，在根据本发明的用于3D打印设备成像系统的实施例中，存储装置3的底部可以是透明的，以使从显示面板2发射的光透射通过。可光固化材料4包括经受光的照射之后可以被固化的材料，例如光固化树脂。

在根据本发明的用于3D打印设备成像系统的实施例中，与传统的应用液晶面板的成像系统相比，由于显示面板2无需背光和偏光片，所以避免了偏振片对成像系统内光源发射的光的吸收，另一方面，由于没有背光，而是直接地利用显示面板发出的光形成图案，因此光路变短，损耗降低，从而提升光的利用率，降低整个系统的功耗。相应地，成像系统的损耗得以减小，进而提高了输出功率，减小了可光固化材料的固化时间，提高3D打印效率。

在根据本发明的用于3D打印设备的成像系统的实施例中，显示面板2的像素排布可以按矩阵的形式排列。例如，图3示出了以矩阵方式排列的显示面板2的多个像素，图中的每个圆形可表示一个像素21。

在另一实施例中，成像系统还包括微透镜阵列，微透镜阵列设置在显示面板与存储装置之间的光路中，用于调节所述光路。微透镜可以对显示面板的每个像素发出的光进行会聚或准直，这样，可以减轻显示面板的各个像素的光发散，减轻光串扰，提高成像系统的成像质量。同时，由于微透镜对每个像素发射的光的会聚或准直作用，液态的可光固化材料的固化速度被加快，进一步缩短了3D打印的操作时间。

在一个实施例中，微透镜阵列包括在显示面板的发光表面上设置的多个微透镜。微透镜远离显示面板的一侧为凸面，且任一微透镜的中心与相对应的像素的中心在显示面板上的投影重合。例如，如图4所示意性地示出的，在显示面板的每个像素21上方，设置了微透镜22，微透镜22的中心与像素21的中心在显示面板上的投影重合。当然，应当理解这种重合不是绝对的，而是允许存在适当的误差。微透镜22可以为聚光透镜，可对像素21发射的光进行会聚或准直。像素21发射的光经过微透镜22之后会聚于焦平面23处。如图4所示，d1为微透镜22的焦距，d2为微透镜22的顶端到微透镜焦平面23的距离。

在一个实施例中，d2也可以是可光固化材料发生固化的界面距微透镜顶端的距离，即微透镜22的焦平面23可以与可光固化材料发生固化的界面处于同一平面。这样，不仅可提高成像系统在可光固化材料发生固化的界面处的成像质量，还可进一步缩短曝光时间，提高3D打印设备的生产效率。

需注意，图4仅仅是示意性地说明一个实施例中的可光固化材料发生固化的界面与显示面板的发光表面上的微透镜之间的位置关系的图，其并不表示微透镜22与像素21之间的实际的结构关系。例如，微透镜22可以被设置在显示面板的内部（例如，直接地设置在像素21之上），或者，微透镜22也可被设置在显示面板的玻璃基板的表面上，只要微透镜22能够起到对像素21发射的光进行准直或会聚以减轻相邻像素之间的光串扰即可。

图5更加清楚地示意性地说明了根据本发明的另一实施例的用于3D打印设备的成像系统的结构图。在该实施例中，显示面板的每个像素21上方可设置有微透镜22。微透镜22可以为聚光透镜，可对像素21发射的光进行会聚或准直。进一步地，微透镜22的焦平面可以与可光固化材料4发生固化的界面处于同一平面，不仅可提高成像系统在可光固化材料发生固化的界面处的成像质量，同时，可进一步缩短曝光时间，提高3D打印设备的打印效率。

根据本发明的又一实施例，上述各实施例中的用于3D打印设备的成像系统中的显示面板还可包括挡光矩阵，该挡光矩阵可设置在显示面板的发光表面的与非像素区域对应的位置。挡光矩阵是能够反射或吸收光的材料形成的图案，例如黑矩阵等。在根据本发明的实施例的用于3D打印被的成像系统的显示面板中，可以仅设置所述挡光矩阵，也可以同时设置所述挡光矩阵和所述微透镜阵列。例如，作为一种示例，如图6所示，可沿着显示面板的每个像素21的周边，在显示面板的发光表面的与非像素区域25对应的位置上设置一层较厚的挡光矩阵24，同时，在挡光矩阵24之上设置微透镜22。通过在显示面板的发光表面上设置挡光阵，可以减轻像素边缘处的漏光现象，从而减轻显示面板的像素的漏光现象对成像的干扰。

进一步的，挡光矩阵的厚度可以比一般的显示装置中的黑矩阵的厚度更厚，例如，挡光矩阵的厚度可以是每个像素厚度的1-3倍。该厚度的挡光矩阵可以阻挡或吸收像素边缘的光，减轻显示面板的像素的漏光现象对成像的干扰。同样地，挡光矩阵可以被设置在显示面板的内部（例如，其被直接地设置在各个像素之上），或者，其也可被设置在显示面板的玻璃基板的表面上。

根据本发明的用于3D打印设备的成像系统的实施例，显示面板2的像素包括LED(Light Emitting Diode，发光二极管)单元。当然，显示面板2中的像素中的发光元件也可以用任何其它的能够发射可以让可光固化材料4固化的光的发光元件。

LED能够发射近紫外光，即利用紫外固化的原理对可光固化材料4进行固化。LED的发光材料包括氮化镓或氮化铝。LED可包括近紫外LED和深紫外LED，近紫外LED的发光波长可以大于380nm，深紫外LED的发光波长可以小于300nm。各种紫外LED可能具有不同的中心波长，例如，采用氮化镓的深紫外LED的中心波长可以是282nm，采用氮化铝的深紫外LED可以具有210nm的中心波长。中心波长较短的紫外LED具有较长的寿命，并具有单色性好、体积小、响应速度快和可靠性高的特点。

在一个实施例中，显示面板中的LED单元的发光光谱范围为400nm至420nm。利用波长较长的紫外光进行照射，进一步提高系统的光的利用率，因为短波长的紫外光更容易地被成像系统中的诸如玻璃之类的材料吸收。

根据本发明的再一实施例，用于3D打印设备的成像系统中的显示面板包括OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）显示面板。

进一步地，可选择发光光谱在紫外光和近紫外光范围内的OLED元件。根据不同的应用标准，紫外光光谱可能被分成若干个光谱范围，例如UV-A：250nm-280nm，UV-B：280nm-320nm，UV-C：320nm-390nm，UV-V：395-445nm等。OLED元件发射的紫外光应当与具体的可光固化材料4匹配对应。对于OLED元件所用的材料（发光层的材料），可以在根据具体的可光固化材料4确定了要使用的紫外光的波长之后，根据材料的基态与激发态的能级差ΔE（即能隙）来确定所用的材料是否满足能隙范围。其中可以根据以下等式（1）来计算材料的能隙：

ΔE=hν =hc/λ = 1241/λ                （1）

其中h为普朗克常数，ν为光的频率，c为光速，λ为吸收光谱的波长。

例如，对于UV-V：395nm-445nm 范围的光谱，该波长所需能级差为：ΔE= 1241/λ = 1241/445 ～ 1241/395 = 2.79 ～ 3.14 。因此，只需根据ΔE来选取相应的OLED的发光层材料即可。换言之， OLED的发光层材料的特性满足以上等式（1）。

根据本发明的又一实施例，显示面板包括等离子显示面板。

根据本发明的另一实施例，用于3D打印设备的成像系统中的控制装置控制显示面板成像，使其像素仅包括打开和关闭两种状态。也就是说，显示面板的每个像素仅包括亮或暗两种状态，而无需进行灰阶亮度的调整。显示面板的每个像素可以被控制装置独立地控制接通或关断，以根据利用每一片层的信息形成的二维数据图形在显示面板上显示正确的图像信息。

本发明的实施例还提供了一种3D打印设备，包括根据本发明的用于3D打印设备的成像系统的前述的各种实施例中的任一种的成像系统。因此，包括在本发明的各个实施例中描述的成像系统的3D打印设备也具有相应的特征和优点。

上述3D打印设备还包括升降杆和冷却装置。如图2所示，根据本发明的3D打印设备的实施例还可包括具有托板的升降杆5以及冷却装置6。在每次曝光固化一层液态可光固化材料4之后，可上下机械地移动的升降杆5上升一个层厚度的高度，被固化的可光固化的材料层也随升降杆5的托板上升，进而显示面板2继续对进入存储装置3的底部的液态可光固化材料4进行曝光固化。如此，依次完成对所有片层的打印，直到完成整个产品的3D打印。冷却装置6可以对显示面板2进行冷却，保持显示面板2不过高的工作温度，以延长其使用寿命。冷却装置6可以是诸如风扇的任何适当的降温装置。

尽管已经参照附图详细地描述了本发明的示例性实施例，但是这样的描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。上面以及权利要求中描述的不同实施例也可以加以组合。本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时，根据对于附图、说明书以及权利要求的研究，能够理解并实施所公开的实施例的其他变型，这些变型也落入本发明的保护范围内。

在权利要求中，词语“包括”并不排除其他部件或步骤的存在。在相互不同的从属权利要求中陈述了若干技术手段的事实并不意味着这些技术手段的组合不能有利地加以利用。

Claims (14)

1.一种用于3D打印设备的成像系统，其特征在于，所述成像系统包括：

显示面板，所述显示面板包括多个像素；

存储装置，所述存储装置设置在所述显示面板的光路中，用于存储液态的可光固化材料；

控制装置，所述控制装置控制所述显示面板进行成像；

其中所述显示面板在所述可光固化材料的界面上成像，并使所述可光固化材料在所述界面处固化，形成对应的图案，且所述显示面板是主动发光式面板。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列设置在所述显示面板与所述存储装置之间的光路中，用于调节所述光路。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，所述微透镜阵列包括在所述显示面板的发光表面上设置的多个微透镜；

所述微透镜远离所述显示面板的一侧为凸面，且任一所述微透镜的中心与相对应的所述像素的中心在所述显示面板上的投影重合。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述微透镜的焦平面与所述可光固化材料发生固化的界面处于同一平面。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的成像系统，其特征在于，所述显示面板还包括挡光矩阵，所述挡光矩阵设置在所述显示面板的发光表面的与非像素区域对应的位置。

6.根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，所述挡光矩阵的厚度是所述像素厚度的1-3倍。

7.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述显示面板包括发光二极管显示面板，所述发光二极管显示面板包括多个由发光二极管单元组成的像素。

8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述发光二极管单元的发光光谱范围是400nm至420nm。

9.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于，所述发光二极管的发光材料包括氮化镓或氮化铝。

10.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述显示面板包括有机发光二极管显示面板。

11.根据权利要求10所述的成像系统，其特征在于，所述有机发光二极管的发光层材料的特性满足条件：

ΔE=2.79~ 3.14

其中，ΔE为所述有机发光二极管发光层材料的基态与激发态的能级差。

12.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述显示面板包括等离子显示面板。

13.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述控制装置控制所述显示面板成像，使其像素仅包括打开和关闭两种状态。

14.一种3D打印设备，其特征在于，所述3D打印设备包括权利要求1-13中的任一项所述的成像系统。