一种用于光固化快速成形设备的紫外LED聚焦装置

摘要

本发明公开了一种用于光固化快速成形设备的紫外LED聚焦装置，该装置包括位于同一光路上的紫外LED和聚焦系统，紫外LED位于致冷片上，紫外LED发出的光线经过聚焦系统聚焦，聚焦形成的光斑直径D≤0.3mm。上述聚焦系统为非球面聚焦透镜、球面聚焦透镜或自聚焦透镜，其光学数值孔径NA为0.5～0.6，工作面上聚焦光斑直径D≤0.3mm。本发明以紫外发光二极管替代紫外灯，降低热效应对材料的影响，延长了连续点燃的寿命，可大幅度降低光固化快速成形机的制造成本和使用成本。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种用于光固化快速成形设备的紫外LED聚焦装置，可以应用于机械、仪器仪表、计算机、汽车、航空航天、建筑、医疗工程领域的原型件的快速制造。

背景技术

光固化(StereoLithography，SL)快速成形技术(Rapid Prototyping，RP)是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。以光敏树脂为成形材料，用紫外光或其它光源照射，引发光化学反应，使被曝光的液态光敏树脂固化成形，通过一层层固化叠加成形制作出原型件。目前，国内外均有不少公司和大学正在研究SL方法。

目前，SL成形机上大多以半导体泵浦固体紫外激光器发出的激光作为能源进行树脂材料的光固化成形。激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，是进行材料加工的理想光源。由于激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵，增加了快速成形机的制造成本和使用成本。

目前已有紫外灯等低廉能源代替昂贵激光器的快速成形系统，中国发明专利CN 1086978C，公开了一种“非激光光源线扫描光固化成型方法及装置”该专利以紫外灯为光源，利用光导纤维输出光能。但由于紫外灯的使用寿命短，热效应对成形材料影响大、光能量损耗大等缺点，以紫外灯为光源进行光固化快速成形加工的性价比相对较低。另外，紫外灯发出的光除了紫外波长的光线外，还混有其它波长的光线，使得聚焦光斑很难达到0.5mm以下，以紫外灯为光源进行光固化加工，成型件的精度不高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于光固化快速成形设备的紫外LED聚焦装置，该装置成本更低，精度更高。

本发明提供的一种用于光固化快速成形设备的紫外LED聚焦装置，其特征在于：该装置包括位于同一光路上的紫外LED和聚焦系统，紫外LED位于致冷片上，紫外LED发出的光线经过聚焦系统聚焦，聚焦形成的光斑直径D≤0.3mm。

上述聚焦系统可以为非球面聚焦透镜、球面聚焦透镜或自聚焦透镜，其光学数值孔径NA为0.5～0.6，工作面上聚焦光斑直径D≤0.3mm。

本发明以紫外发光二极管(UV LED)为光源的新型低成本光源及其光学装置，在满足一定精度要求的前提下，可大幅度降低光固化快速成形机的制造成本和使用成本。具体而言，本发明具有以下特点：

1、以紫外发光二极管替代半导体泵浦固体紫外激光器，从而使快速成形装备的制造成本和使用成本大幅度降低。

2、以紫外发光二极管替代紫外灯，降低热效应对材料的影响。

3、以紫外发光二极管替代紫外灯，延长了连续点燃的寿命。

4、光学系统的数值孔径NA≥0.5。

5、工作面上聚焦光斑直径D≤0.3mm。

6、采用自动调焦装置，根据制件工艺要求，自动调整工作台上聚焦光斑直径大小，提高制件制作效率。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明采用非球面透镜聚焦示意图。

图3是本发明采用球面透镜组聚焦示意图。

图4是本发明采用自聚焦透镜聚焦示意图。

图5是采用本发明装置的光固化快速成形设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明紫外LED聚焦装置4包括位于同一光路上的紫外发光二极管(LED)1和聚焦系统3，为减少温度对波长的影响，紫外LED1附在致冷片2上。紫外LED1发出的光线经过聚焦系统3聚焦后，形成直径D≤0.3mm的光斑5。

如图2所示，聚焦系统3由两片处于同光轴的非球面聚焦透镜6和6’构成，光学数值孔径NA为0.5～0.6。紫外发光二极管(LED)1发出的光线经倒置的非球面聚焦透镜6扩束成平行光，再经非球面聚焦透镜6’聚焦成直径D≤0.3mm的光斑5。

如图3所示，聚焦系统3由两套处于同光轴的球面聚焦透镜组7和7’构成，光学数值孔径NA为0.5～0.6。紫外发光二极管(LED)1发出的光线经倒置的球面聚焦透镜组7扩束成平行光，再经球面聚焦透镜组7’聚焦成直径D≤0.3mm的光斑5。

如图4所示，聚焦系统3由两片处于同光轴的自聚焦透镜8和8’构成，光学数值孔径NA为0.5～0.6。紫外发光二极管(LED)1发出的光线经倒置的自聚焦透镜8扩束成平行光，再经自聚焦透镜8’聚焦成直径D≤0.3mm的光斑5。

如图5所示，本发明紫外LED聚焦装置4位于二维扫描装置9上，在二维扫描装置9的带动下，紫外LED聚焦装置4发出的光聚焦于液槽10的工作面11上，对工作面11上光敏树脂进行扫描，通过层层固化，最终完成制件12的固化成形。

实例：

紫外发光二极管(LED)1，波长＝365nm，功率≥100mW。

聚焦系统3采用非球面聚焦系统进行光学聚焦，非球面聚焦透镜6的孔径＝25mm，焦距＝35mm，非球面聚焦透镜6’的孔径＝25mm，焦距＝25mm。该系统光学数值孔径NA为0.5，工作面上聚焦光斑直径D≤0.3mm。