一种光固化树脂液位控制装置及方法
技术领域
本发明属于机电、液压控制技术领域，具体涉及一种光固化树脂液位控制装置及方法。
背景技术
为了提高树脂光固化三维打印技术的打印速度，现有技术中如图1所示，通常使用成像元件如DLP投影机、激光扫描成像机等光机设备1，将待加工图像投射到由重力作用形成的液槽2的上液面3，在工作平台4实现单层固化，并通过升降机5的步进下降，配合成像元件的逐层投射，实现三维物体的逐层叠加成形。这样的技术方案既可以提升三维打印的工作效率，又可以规避大成形面与固态成像面的剥离难题。
但是在实际的三维打印过程中，光固化树脂由液体转化为固体时，存在一定比例的体积收缩，导致树脂液面下降。因此，在每层投影之前，务必要及时补液，以维持树脂液位恒定，从而确保各层光固化的均匀性。现有技术中会引入填充块和刮刀，来协同解决上述问题。如图2所示，到打印一层之后，工作平台下降一个打印层的高度，此时直线致动器6控制填充块7浸入液槽中液体的相对深度，填充块排开的液体体积用于补偿液面层固化所导致的体积收缩，即进行补液，并调整液面至原始位置；同时，刮刀8刮过上液面，用于强迫液体表层流动，促进液面平坦化。
填充块和刮刀的使用虽然可以使得液面平坦化，但也同样会引入新的技术问题。首先填充块只作用在液槽的局部区域，其浸入的体积变化量要扩散到整个液面，需要较长的等待时间，液体粘度越高则等待时间越长；其次，液位的精确控制还需要精确的液位传感器与直线致动器配合，通过负反馈控制才能实现，而液体特别是高透明度液体的液位精确测量难度高、代价大；并且刮刀工作时，其与液体直接接触，容易产生泡沫、纹波以及材料污染。
因此，为了避免由于引入填充块所带来的技术问题，必须使用其它方式控制树脂液料液位或进行补液。目前，在光固化三维打印技术领域，还缺少一种方案简便、结构简单，或者不使用填充块和刮刀的技术方案，来实现快速补料，和打印液面的快速平坦化。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种方案简便、结构简单，能实现光固化三维打印树脂液位控制，且液面快速平坦化的液槽装置。
本发明的技术方案如下：
一种光固化树脂液位控制装置，包含连通式液槽、升降台、打印基板、成像元件、恒压控制器、液槽盖；所述连通式液槽包含第一开口侧和第二开口侧，所述第一开口侧与第二开口侧通过连通通道连通；所述第一开口侧上部设置有成像元件，所述升降台和打印基板设置在第一开口侧内部；所述第二开口侧设置有恒压控制器和液槽盖，所述液槽盖位于第二开口侧上部；当连通式液槽内液料液面高于连通通道的水平高度时，成像元件与第一开口侧内液料液面之间的空间为第一压力室，所述液槽盖与第二开口侧内液料液面之间的空间为第二压力室；所述第一压力室内密封有定量的工作气体；所述恒压控制器连接有进气管和排气管，所述进气管与排气管与第二压力室连接；所述恒压控制器通过调节第二压力室的气压，控制第一压力室内工作气体的气压。
优选的，所述成像元件选自LCD显示器、OLED显示器、DLP投影装置或激光束扫描装置中的至少一种。
优选的，所述工作气体选自空气、氮气或惰性气体中的至少一种。
优选的，所述第一压力室内设置至少一个气压检测器，所述气压检测器测量工作气体的气压。
优选的，所述至少一个气压检测器与恒压控制器电连接。
优选的，所述工作气体，在光固化工作过程中气压恒定。
优选的，所述工作气体，在光固化工作过程中的气压值为1.1至3个大气压。
本发明还提供了一种光固化树脂液位控制方法，包括如下步骤：
S01.在第一压力室中密封固定量的工作气体；
S02.控制第二压力室内的气压，将第一开口侧内液料的液面调节至目标液位；
S03.测量此时第一压力室内工作气体的气压，并记录为工作气压值；
S04.光固化工作时，实时测量工作气体的气压，并与工作气压值进行比较；
S05.通过控制第二压力室的气压，调节第一压力室的实时气压，使其趋近工作气压值至保持恒定。
优选的，第一压力室与第二压力室位于连通式液槽的两端。
优选的，所述工作气压值为1.1至3个大气压。
优选的，所述第二压力室内的气压由恒压控制器控制。
优选的，所述第一压力室内工作气体的气压由气压检测器测量。
优选的，所述恒压控制器记录工作气压值，并将所述工作气压值与实时测量到的工作气体的气压进行比较。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：技术方案简便、结构简单，不使用填充块和刮刀装置，可有效实现快速补料和打印液面的快速平坦化；并且在调节过程中抑制了机构大幅度动作，或液体剧烈流动对液面平稳性的不利影响，液位控制精度高、液面稳定时间短。
附图说明
图1为现有技术中三维打印光固化工艺的装置结构示意图；
图2为现有技术中三维打印光固化工艺中填充块和刮刀装置的工作原理示意图；
图3本发明一种光固化树脂液位控制装置实施例结构示意图；
图4本发明一种光固化树脂液位控制方法的实施步骤；
附图标号：光机设备1、液槽2、上液面3、工作平台4、升降机5、直线致动器6、控制填充块7、刮刀8、连通式液槽9、升降台10、打印基板11、成像元件12、恒压控制器13、液槽盖14、第一开口侧15、第二开口侧16、连通通道17、第一压力室18、第二压力室19、进气管20、排气管21、气压检测器22。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细描述。
本发明提供的一种光固化树脂液位控制装置，如图3所示，主体为连通式液槽9，包含第一开口侧15和第二开口侧16，第一开口侧15与第二开口侧16通过连通通道17连通。第一开口侧15上部设置有成像元件12，第一开口侧15内部设有升降台10和打印基板11。第二开口侧16设置有恒压控制器13和液槽盖14，所述液槽盖14位于第二开口侧16上部。
当连通式液槽9加入光固化树脂后，光固化树脂可在连通式液槽9内流动。当连通式液槽9内的液料液面高于连通通道17的水平高度时，成像元件12与第一开口侧15内液料液面之间的空间为第一压力室18；液槽盖14与第二开口侧16内液料液面之间的空间为第二压力室19。其中，压力室18内密封有定量的工作气体，密封气体选自空气、氮气或惰性气体中的至少一种。
在一个或多个实施例中，所述成像元件12选自LCD显示器、OLED显示器、DLP投影装置或激光束扫描装置中的至少一种。光固化工作时，成像元件12向第一开口侧15内的液料液面投射激光图像或紫外光图像；被投射的图像经工作气体18，照射到第一开口侧15内液料的液面表面；进而，被光照射的区域进行光固化；随后升降台10控制打印基板11下降一个打印层的高度，准备下一个打印层的打印。
在一个或多个实施例中，如图3所示，工作气体18密封于第一开口侧15内液料液面与成像元件12之间。工作气体18处于密封状态下，气体总量在打印过程中保持不变。在光固化工作过程中，工作气体18的气压值为1.1至3个大气压，有利于提高第一开口侧15内液料液面的均匀性与平整性。与此同时，工作气体18的存在，还可以防止打印过程中液料在光固化时与成像元件下表面的黏连，提升了打印效率与打印效果。
如图3所示，在第二开口侧16处，恒压控制器13连接有进气管20和排气管21。进气管20与排气管21与第二压力室19连接；恒压控制器13通过控制进气管20与排气管21的进气或排气，控制第二压力室内19的气压。
根据连通器其原理，第一压力室18内工作气体的气压，等于第二压力室19内的气压与第一第二开口侧内液面差导致的压力之和。并且，由于工作气体总量不变，在温度恒定的情况下，根据理想气体状态方程，工作气体的气压与体积成反比。因此，恒压控制器13可以通过调节第二压力室19的气压，控制第一压力室内18工作气体的气压。由于第一开口侧内径或者截面积可测量、计算获得，因此在调节工作气体气压的同时，可以对工作气体的体积进行定量控制，进而对第一开口侧15内液料的液位进行控制。
在一个或多个实施例中，如图3所示，恒压控制器13通过进气管20向第二压力室19进气；并推动液料向第一开口侧15流动；工作气体气压增大体积减小，同时第一开口侧15内的液料液面高度上升。在其它实施例中，恒压控制器13通过排气管21向第二压力室19排气；并拉动液料向第二开口侧16流动；工作气体气压减小体积增大，同时第一开口侧15内的液料液面高度下降。
在上述实施例中，恒压控制器13通过调节第二压力室19的气压，控制第一压力室18内工作气体的气压，在对液料液位进行控制的过程中，即可完成光固化树脂的补液等操作，从而免去填充块等装置，也消除了使用填充块装置所带来的技术问题；还可以根据连续光固化工作过程中不同的光固化工作液位高度，及时调整第一开口侧15内液料的液面高度。
为了准确调整第一开口侧15内液料的液面高度，可以在第一压力室18内设置至少一个气压检测器22。在一个或多个实施例中，所述气压检测器22测量工作气体的气压数值并与恒压控制器13电连接；在光固化工作工程中，气压检测器22将工作气体气压数据传输给恒压控制器13，恒压控制器13根据工作气体的实时气压数据，换算工作气体的体积及第一开口侧15内液料的液位高度数据，实时控制第二压力室19的气压，从而控制第一开口侧15内液料的液面至光固化工作液位高度处。
类似的，液料光固化后体积缩小，并会引起打印基板11附近液面的下降，以及第一压力室18内工作气体的气压下降。因此在补液操作中，为了保证第一开口侧15内液料的光固化工作液位在工作过程中保持固定，可以实时测量工作气体的气压，并通过恒压控制器13实时控制工作气体气压恒定得以实现。
在一个或多个实施例中，如图3所示，所述第一压力室内18侧设置至少一个气压检测器22，气压检测器22测量工作气体的气压数值。优选的，气压检测器22与恒压控制器13电连接。在光固化工作工程中，气压检测器22将工作气体气压数据传输给恒压控制器13，恒压控制器13根据工作气体的实时气压数据，实时控制第二压力室19的气压，从而控制工作气体在光固化工作过程中气压恒定。
在上述实施例中，光固化工作液位的调整是通过光固化树脂自身的流动实现，不仅可以有效实现快速补料，而且伴随着液料的流动、重力作用，以及工作气体的压力，还可以促使第一开口侧15内的液料液面实现快速平坦化，省去使用刮刀装置即相关步骤，提升了打印效率。
本发明还提供了一种光固化树脂液位控制方法，所述方法包含如下步骤：
S01.在第一压力室中密封固定量的工作气体；
S02.控制第二压力室内的气压，将第一开口侧内液料的液面调节至目标液位；
S03.测量此时第一压力室内工作气体的气压，并记录为工作气压值；
S04.光固化工作时，实时测量工作气体的气压，并与工作气压值进行比较；
S05.通过控制第二压力室的气压，调节第一压力室的实时气压，使其趋近工作气压值至保持恒定。
具体的，如图3所示，第一压力室18与第二压力室19位于连通式液槽9的两端；第二压力室19内的气压由恒压控制器13控制；第一压力室18内工作气体的气压由气压检测器22测量；恒压控制器13记录工作气压值，并将所述工作气压值与实时测量到的工作气体气压进行比较。
在一个或多个实施例中，如图3所示，光固化树脂液位控制方法，包含如下步骤：
S01.向连通式液槽9内加入适量光固化树脂，并将固定量的工作气体18密封于第一开口侧15的上部，即第一压力室18内；
S02.封闭液槽盖14后，恒压控制器13通过向第二压力室19进气或抽气，将第一开口侧15内液料的液面调节至目标液位；
S03.第一压力室18内的气压检测器22测量工作气体的气压，并将气压数值传递给恒压控制器13，恒压控制器13记录工作气体此时的气压为工作气压值；
S04.光固化工作时，气压检测器22实时测量工作气体的气压，并将气压数值传递给恒压控制器13，恒压控制器13在接收到工作气体实时气压数值后，与工作气压值进行比较，并将压力差换算为进气量；
S05.恒压控制器13通过进气管20向第二压力室19进适量气体，控制第二压力室19的气压，从而调节第一压力室18的实时气压，并使其趋近工作气压值至保持恒定。
优选的，工作气压值为1.1至3个大气压。由于光固化树脂带有一定的粘度，因此提高工作气压值，有利于提高第一开口侧15内液料液面的均匀性与平整性。
在打印完成后，恒压控制器13通过控制排气管21，缓慢释放第二压力室19内的气体，直至第一开口侧15与第二开口侧16内的液料面高度达到自然平衡。
以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。
