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面曝光3d打印机光强检测补偿系统研究与实现

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西安交通大学学报 2017年第8期51卷 77-83页

作者：邱志惠陈号黄祺戴晨雨西安交通大学机械工程学院西安710049 苏州秉创科技有限公司江苏苏州215152

针对面曝光3d打印设备投影仪光强分布不匀的问题,提出了一套完整的修正方案,通过在上位机软件中添加灰度掩膜的方式实施光强补偿。利用紫外光传感器、Arduino控制板、步进电机等搭建自动化数据采集设备;设计算法剔除测量误差,提升传感... 详细信息

针对面曝光3d打印设备投影仪光强分布不匀的问题,提出了一套完整的修正方案,通过在上位机软件中添加灰度掩膜的方式实施光强补偿。利用紫外光传感器、Arduino控制板、步进电机等搭建自动化数据采集设备;设计算法剔除测量误差,提升传感器测量精度至±10-5 W/cm2。本系统可根据传感器反馈逼近直接获取离散的补偿掩膜灰度数据,建立灰度分布数学模型并利用Qt setPixel函数完成掩膜绘制,在简化计算、提高校准效率方面效果显著。经仪器检测及实际打印验证,提出的投影仪光强检测及补偿方案能够有效消除数字投影仪光强分布误差,将所测投影仪光强极差由5×10-4 W/cm2缩小至5×10-5 W/cm2以下。对于文中选用的树脂材料,可在0.1mm成形精度等级降低投影仪光强不匀造成的负面影响。

关键词：面曝光3d打印 dLP投影仪光强补偿

面曝光3d打印成形室约束石英基板防粘附工艺研究

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面曝光3D打印成形室约束石英基板防粘附工艺研究

作者：王影西安理工大学

学位级别：硕士

面曝光3d打印是通过生成层面的轮廓掩膜,一次曝光完成实体零件一个层面的固化,从而可以显著提高成型效率。面曝光3d打印工艺过程中主要问题是,树脂反复在石英玻璃表面形成固化层并在剥离过程中发生剥离失效,从而导致零件加工失败。考虑... 详细信息

面曝光3d打印是通过生成层面的轮廓掩膜,一次曝光完成实体零件一个层面的固化,从而可以显著提高成型效率。面曝光3d打印工艺过程中主要问题是,树脂反复在石英玻璃表面形成固化层并在剥离过程中发生剥离失效,从而导致零件加工失败。考虑到树脂材料力学性能及机构变形等因素对成型精度的影响,克服粘附力的外力不宜过大。因此,尽可能减小固化树脂层与树脂槽基底之间的粘附力是目前解决上述问题的基本思路。由于固化树脂层在基底的粘附,目前使用的树脂槽需要经常更换,这成为制约此类3d打印设备进一步推广的主要问题。为了进一步减小固化层与基底界面间的粘附力,同时提高功能膜层的使用寿命,考虑透光性的要求,通过控制合成二氧化硅纳米小球结构尺寸,获得纳米刻蚀结构可以起到增透的效果。本文提出了在玻璃基底本体直接加工纳米阵列结构,经过表面处理获得低表面功能膜的方法,并对功能膜层制备、功能膜层的防粘附性能及其透光性进行了研究。主要工作及结果如下:通过纳米二氧化硅小球合成、单层小球密排以及转移刻蚀工艺的系统研究,实现了防粘附功能表面准周期纳米结构的制备。通过系统研究溶胶-凝胶法制备纳米小球工艺中各工艺要素的影响规律,实现了满足粒径尺寸及尺寸一致性要求的纳米二氧化硅小球的可控制备;为了实现纳米小球的刻蚀掩膜功能,研究了在玻璃表面单层纳米小球排布工艺,实现了单层纳米小球大面积紧密排布;研究了刻蚀工艺参数影响玻璃表面所刻蚀的纳米结构几何尺寸、形状、均匀性的机理和规律,实现了纳米小球到石英玻璃基底表面的转移刻蚀。对所制功能膜的防粘附性能进行了表征和试验测试,对表面具有不同粒径及不同形貌纳米结构的基底表面进行了测试表征。结果表明,纳米结构影响树脂与基底的接触方式,适当的纳米结构有利于减小界面粘附力,同时表面亚波长结构可以提高光的透过率;对制备了功能膜层的基底表面的粘附力进行了初步的实验测量,并采用基底经过处理的成形室进行了零件打印试验,对功能膜层的防粘附效果进行了初步评价。

关键词：面曝光3d打印界面粘附纳米小球纳米结构刻蚀光透过率

融合智能信息处理的面曝光3d打印关键技术研究

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融合智能信息处理的面曝光3D打印关键技术研究

作者：赵立东北京工业大学

学位级别：硕士

3d打印技术在制造复杂结构时不增加制造成本,兼具节省材料、适于个性化制造等特点,近年来成为制造领域的研究热点。然而打印速度慢、打印质量不确定等问题一直制约3d打印技术的普及。基于数字光处理(dLP)的面曝光3d打印技术是一种重要... 详细信息

3d打印技术在制造复杂结构时不增加制造成本,兼具节省材料、适于个性化制造等特点,近年来成为制造领域的研究热点。然而打印速度慢、打印质量不确定等问题一直制约3d打印技术的普及。基于数字光处理(dLP)的面曝光3d打印技术是一种重要的3d打印技术,其一次成型一层能有效提升打印速度。但由于光源等问题的约束,限制了最大曝光尺寸。论文针对面曝光无法打印大尺寸物体以及因打印质量不确定造成的材料浪费问题开展研究。论文主要工作包括:1.提出了一种多光源组合大尺寸面曝光3d打印方法。首先建立不同灰度与输出能量之间的关系,确定投影映射函数;其次通过多光源组合形成大尺寸成型曝光平面,自动获取光源组合模式;进一步综合光源组合模式、投影映射函数等,通过全局优化得到最优图像灰度分布,使成型曝光平面光照强度和均匀度最佳;最后根据光源组合模式进行切片分割,融合图像灰度分布,得到不同光源对应的切片图像进行打印。2.提出了一种基于视觉的面曝光成型状态自动监视方法。首先探究相机位置与投影曝光图像的最佳定量化表达;进一步分析光敏树脂材料与光照相互作用机理,分析材料成型状态和光学反射特性的定量关系,以此为依据实现基于视觉的成型状态自动监视;然后对视觉监视图像进行分类,自动识别成型良好/不好状态;最后根据成型状态识别结果进行打印控制。该方法初步探索基于视觉的3d打印过程监控机制,可以及时终止无效打印,提高树脂利用率。3.设计并实现了基于dLP的面曝光3d打印控制系统。从结构上阐述了硬件系统里每个子系统的设计原理,并对主要设计部件的选型进行论证。在软件系统设计中,依据现有面曝光打印的操作流程,阐述了模型处理、切片处理、参数设置和打印控制等主要模块的设计原理,最终设计并开发成控制系统软件。

关键词：面曝光3d打印大尺寸打印多光源光照均匀化视觉监视 3d打印过程监控

PEGdA水凝胶在液相中的变形及在面曝光3d打印中的应用研究

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PEGDA水凝胶在液相中的变形及在面曝光3D打印中的应用研究

作者：周峰华南理工大学

学位级别：硕士

水凝胶是一种由高分子长链相互作用,或单体交联而成的、具有三维网络结构的材料。水凝胶具有物质传输特性,当它处于液相中时,分子量较小的物质可在凝胶内外化学势差的驱动下进出凝胶。由于凝胶高分子网络和物质分子是不可压缩的,物质的... 详细信息

水凝胶是一种由高分子长链相互作用,或单体交联而成的、具有三维网络结构的材料。水凝胶具有物质传输特性,当它处于液相中时,分子量较小的物质可在凝胶内外化学势差的驱动下进出凝胶。由于凝胶高分子网络和物质分子是不可压缩的,物质的进出会导致凝胶的膨胀或收缩变形。因此,研究该变形对于理解真实物理场下凝胶的成型状态或使用状态具有工程指导意义。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGdA)水凝胶是一种具有良好生物相容性的材料,广泛用于制备生物支架,生物支架凝胶的结构较为复杂,一般设计有特殊的孔隙结构,采用面曝光3d打印(MP-SLA)可制备结构复杂的水凝胶。根据面曝光3d打印的原理,在打印结束前,凝胶仍浸泡在光固化溶液中,因此凝胶会在打印过程中产生变形。本文旨在研究PEGdA水凝胶在光固化溶液中,以及面曝光3d打印时由于物质传输特性引起的变形特性,本文的主要研究工作如下:(1)参考Lucantonio和Caccavo等人的凝胶变形理论,根据Flory-Rehner提出的系统混合自由能,建立一套完整的、描述凝胶在多物质液相环境下变形的模型,使用COMSOL Multiphysics软件进行有限元建模,实现变形预测。(2)对用于制备PEGdA水凝胶的光固化溶液,以及凝胶的物性参数进行实验测量和计算,以得到模型所需的参数,进而实现对PEGdA水凝胶在光固化溶液中的变形仿真计算。(3)研究三种不同配比PEGdA水凝胶在光固化溶液中9小时内的瞬态变形行为,实验测量凝胶的变形、质量以及各物质在凝胶中的含量变化,与仿真计算结果对比,验证凝胶在多物质液相中变形的仿真模型的可行性;分析凝胶在溶液中的变形特性和趋势,横向对比分析配比对变形的影响。(4)研究分析凝胶形状和体积对瞬态变形行为的影响,给出调控PEGdA水凝胶在光固化溶液中的变形量的方法;研究分析凝胶在溶液中的稳态变形,给出主动补偿变形量的方法,以满足凝胶使用时所需的目标尺寸。(5)借鉴生死单元法,设计自定义的网格单元激活控制函数,扩展模型,使其可用于仿真面曝光3d打印时,多层凝胶在溶液中的变形。通过对比打印的圆柱凝胶半径测量值和仿真结果,验证模型的正确性;分析打印过程中凝胶层与层之间的相互作用,以及打印凝胶的整体变形特点。(6)根据打印原理和朗伯-比尔定律,研究分析凝胶每层打印层厚和打印时间参数对由于物质传输导致的凝胶整体变形趋势的影响。

关键词： PEGdA水凝胶多物质液相凝胶变形有限元仿真面曝光3d打印

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视觉监视的面曝光3d打印关键技术和系统

视觉监视的面曝光3D打印关键技术和系统

作者：秦媛媛北京工业大学

学位级别：硕士

近年来,世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新的增长点。我国也连续发布多个国家战略文件,力争在3d打印领域占据技术制高点。3d打印技术具有制造环节简单、制造复杂结构不增加成本等优点,然而打印产品质量不确定是制约其普及和推... 详细信息

近年来,世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新的增长点。我国也连续发布多个国家战略文件,力争在3d打印领域占据技术制高点。3d打印技术具有制造环节简单、制造复杂结构不增加成本等优点,然而打印产品质量不确定是制约其普及和推广应用的重要因素之一。论文针对面曝光打印产品质量不确定问题开展研究。主要工作包括:1.设计了一套成型过程异常监视和反馈控制方案。首先对光敏树脂材料固化过程的放热性进行研究,得到光敏树脂固化过程中的温度变化趋势;其次根据固化过程中的温度变化,找到相应热致变色颜料作为成型状态指示剂,以视觉方式放大成型状态的变化;进一步设计了视觉监视方案,对比分析了正常成型和异常成型状态曲线,提出了相应的特征提取和分类算法;最后基于视觉监视结果,设计了打印反馈控制方案。2.基于视觉监视的面曝光3d打印系统设计。系统包括硬件系统和软件系统。其中硬件系统分为视觉监视单元、机械运动单元以及打印单元三部分。首先讨论了上曝光和下曝光设备的优缺点,选择了上曝光方案;其次分别介绍了三个硬件模块的设计原理和设计方案;最后介绍了软件系统的三个主要模块包括模型处理模块、打印控制模块和视觉监视模块。3.基于视觉监视的面曝光3d打印系统实现。基于C#Win Form框架下的Creation Workshop编程实现了可以搭载视觉监视3d打印系统的软件系统。最后进行了打印测试,测试结果表明引入本文提出的视觉监视模块可以提高打印产品的成品合格率。另外加入成型状态指示剂基本不影响打印产品的力学性能。

关键词：面曝光3d打印视觉监视与反馈控制温度变化成型状态指示剂样本分布加权特征提取分类