СТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКАЯ МАШИНА
STEREOLITHOGRAPHIC MACHINE

Настоящее изобретение относится к моделирующей плите для стереолитографической машины, а также к стереолитографической машине, содержащей указанную плиту.
Настоящее изобретение также относится к инструменту для очистки вышеупомянутой моделирующей плиты.
Как известно, технология стереолитографии делает возможным изготовление трехмерных объектов посредством наложения друг на друга последовательности слоев, полученных посредством жидкой смолы, которая затвердевает, когда подвергается заданной стимуляции.
Каждый слой объекта получается посредством селективной стимуляции смолы таким образом, чтобы побудить ее затвердевать в точках, которые составляют соответствующее сечение объекта, подлежащего изготовлению.
Как известно, стереолитографическая машина обычно содержит резервуар, приспособленный для содержания жидкой смолы, устройство, приспособленное для стимуляции слоя жидкой смолы, имеющего заданную толщину, и подвижную моделирующую плиту, которая поддерживает трехмерный объект во время его формирования.
Для создания первого слоя объекта поверхность плиты подводится к уровню вышеупомянутого жидкого слоя, подлежащего стимуляции, таким образом первый слой объекта формируется на плите и прилипает к ней.
Для создания каждого последующего слоя плита перемещает объект из предшествующего положения для того, чтобы позволить смоле восстановить жидкий слой, который будет служить для формирования последующего слоя.
Затем плита перемещает объект назад в такое положение, что последний слой находится напротив слоя жидкой смолы, таким образом, последний затвердевает, при этом прилипая к предыдущему слою.
Стереолитографические машины известного типа заключают в себе такой недостаток, что нелегко удалить готовый объект с моделирующей плиты.
В частности, так как объект прилипает к плите и является очень хрупким, он должен отсоединяться посредством использования острого металлического режущего элемента, который скользит по плите для отделения объекта от поверхности самой плиты.
Эта операция приводит к риску деформирования или разрушения объекта, и, следовательно, она должна выполняться вручную и с большой осторожностью, с двойным недостатком увеличения затрат на оплату труда и риском производственного брака.
Режущий элемент представляет собой другой недостаток, заключающийся в том, что некоторые поверхностные частицы удаляются с плиты.
Помимо повреждения плиты, это вызывает другой недостаток, представленный тем, что вышеупомянутые частицы загрязняют остаточную жидкую смолу, имеющуюся в резервуаре, таким образом влияя на бездефектность объектов, которые затем изготавливаются.
Дополнительные недостатки вносятся стереолитографическими машинами, в которых устройство стимуляции расположено под резервуаром, который выполнен с дном, которое является прозрачным для стимуляции.
В этом варианте устройство стимуляции выполнено таким образом, чтобы побуждать слой смолы, расположенный рядом с дном самого резервуара, затвердевать, таким образом объект формируется под моделирующей плитой, и при создании каждого последующего слоя плита постепенно поднимается со дна резервуара.
Вертикальные перемещения плиты вызывают протекание смолы от центра плиты к ее боковым сторонам, и наоборот, в зависимости от направления перемещения.
Вследствие вязкости смолы и, как следствие, трудности ее протекания, перемещение плиты оказывает определенное давление на дно резервуара, которое увеличивается пропорционально вязкости смолы, скорости перемещения плиты и близости плиты ко дну резервуара.
В частности, во время формирования первых слоев моделирующая плита располагается на расстоянии от дна резервуара порядка нескольких сотых миллиметра.
Следовательно, во время формирования первых слоев давления, определяющие перемещения плиты, являются такими высокими, что необходимо ограничивать скорость плиты с неудобством значительного увеличения затрат на обработку.
Проблема, описанная выше, решается в итальянской патентной заявке VI2008A000311 на имя того же заявителя, который подал настоящую заявку.
Этот документ раскрывает стереолитографическую машину, содержащую плиту, выполненную со сквозными отверстиями, которые, обеспечивая возможность протекания смолы от одной поверхности плиты к другой, предотвращают протекание смолы к боковым сторонам плиты. Следовательно, предпочтительно, наличие отверстий уменьшает величину давления, оказываемого на дно резервуара, и делает возможным увеличить скорость перемещения плиты даже во время формирования первых слоев.
Кроме того, отверстия предохраняют плиту от прилипания ко дну резервуара, создавая так называемый "эффект присоски", подробно описанный в вышеупомянутом документе известного уровня техники.
Однако плита с отверстиями заключает в себе те же недостатки, описанные выше со ссылкой на удаление объекта и на очистку плиты, а также добавляет новые недостатки.
В действительности, известно, что для того, чтобы заставить слои прилипать к поверхности плиты, является необходимым стимулировать слой смолы слегка больше, чем строго необходимо.
Следовательно, когда используется плита с отверстиями, часть смолы, принадлежащая первым слоям объекта, затвердевает внутри отверстий и остается налипшей в них, таким образом затрудняя последующее удаление плиты в конце цикла обработки.
В частности, если объект удаляется посредством вышеупомянутого острого металлического режущего элемента, имеет место неудобство, заключающееся в том, что части смолы, которые затвердели в отверстиях, отделяются от остальной части объекта и остаются налипшими в отверстиях.
Следовательно, после удаления объекта является необходимой дополнительная операция для удаления смолы, которая налипла в отверстиях.
В отличие от другого варианта осуществления, описанного выше, дополнительный другой вариант осуществления стереолитографической машины имеет устройство стимуляции, расположенное над резервуаром и выполненное таким образом, чтобы побуждать поверхностный слой смолы затвердевать.
В этом варианте осуществления объект формируется над плитой, которая постепенно опускается по мере продолжения формирования объекта.
Даже если этот другой вариант осуществления не заключает в себе недостатки, относящиеся к давлению, оказываемому на дно резервуара, тем не менее, он заключает в себе недостатки, относящиеся к удалению объекта с плиты и к очистке последней, описанные со ссылкой на предыдущий другой вариант осуществления.
Настоящее изобретение предназначено для преодоления всех недостатков известного уровня техники, которые приведены выше.
В частности, первой целью изобретения является обеспечение моделирующей плиты для стереолитографических машин, которая обеспечивает возможность удаления готового объекта более удобным образом, чем обеспечено плитами известного типа.
Дополнительной целью изобретения является обеспечение плиты, которую легко очищать.
Также цель изобретения заключается в обеспечении плиты, которая, когда используется на стереолитографической машине, снабженной устройством стимуляции, расположенным под резервуаром, способствует протеканию смолы от центра плиты к ее боковым сторонам, и наоборот, по сравнению с плитами известного типа.
Цели, описанные выше, достигаются посредством моделирующей плиты для стереолитографической машины согласно п.1 формулы изобретения и посредством стереолитографической машины согласно п.9 формулы изобретения.
Дополнительные очистительные особенности и подробности изобретения описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительно, облегчение удаления объекта с плиты означает уменьшение необходимости рабочих операций и уменьшение количества производственного брака.
Кроме того, облегчение очистки плиты означает уменьшение риска загрязнения смолы и, таким образом, также означает обеспечение соответствующих преимуществ.
Также предпочтительно, что более легкое протекание смолы обеспечивает возможность применения скоростей перемещения плиты, которые являются аналогичными скоростям, достигаемым с помощью плит с отверстиями известного типа.
Следовательно, является возможным уменьшить время обработки одного объекта и, таким образом, уменьшить его стоимость.
Указанные цели и преимущества совместно с другими, которые будут отмечены ниже, показаны в описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые приведены с помощью неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
- на фиг.1 показано аксонометрическое изображение стереолитографической машины, которая является предметом изобретения;
- на фиг.2 показан вид сбоку в разрезе машины, показанной на фиг.1;
- на фиг.2а показан увеличенный узел фиг.2;
- на фиг.3 показано аксонометрическое изображение моделирующей плиты, которая является предметом изобретения;
- на фиг.4 показан вид сбоку в разрезе узла плиты, показанной на фиг.3;
- на фиг.4а и 4b подробно показан вид сбоку в разрезе нескольких различных вариантов выполнения плиты, показанной на фиг.4;
- на фиг.5 показано аксонометрическое изображение инструмента для очистки плиты согласно изобретению;
- на фиг.6 показан частичный разрез инструмента, показанного на фиг.5;
- на фиг.7 показано применение инструмента согласно фиг.5 с плитой согласно фиг.3;
- на фиг.8 показан вид сбоку в разрезе узла согласно фиг.7.
Как показано на фиг.1, стереолитографическая машина 1 согласно изобретению содержит резервуар 2, приспособленный для содержания жидкого вещества 3, приспособленного для затвердевания, когда подвергается селективной стимуляции 4, показанной на фиг.2.
Вышеупомянутая селективная стимуляция 4 образуется посредством средств 5 излучения, которые передают ее по направлению к резервуару 2.
Предпочтительно, но необязательно, жидкое вещество 3 представляет собой светочувствительную смолу, и средства 5 излучения содержат лазерный излучатель, связанный со сканирующим средством 5а любого известного типа, подходящим для направления лазерного луча на точки слоя смолы 3, подлежащей затвердеванию.
Очевидно, что различные варианты осуществления изобретения могут включать в себя другие известные типы средств 5 излучения при условии, что они могут побуждать жидкое вещество 3 затвердевать.
Машина 1 также содержит моделирующую плиту 6, выполненную с рабочей поверхностью 7, обращенной к указанным средствам 5 излучения и приспособленной для поддерживания формирующегося трехмерного объекта А.
Машина 1, описанная выше, делает возможным изготовить трехмерный объект А посредством наложения друг на друга множества слоев Е указанной затвердевшей смолы 3, имеющих заданную толщину.
В частности, первые слои прилипают к рабочей поверхности 7 плиты 6, тогда как последующие слои прилипают к предыдущим слоям.
Предпочтительно, но необязательно, машина 1 выполнена таким образом, чтобы формировать объект А под моделирующей плитой 6, как показано на фиг.1 и 2.
В частности, средства 5 излучения расположены под резервуаром 2, который имеет дно 2а, которое является прозрачным для стимуляции 4.
Очевидно, в этом случае, что плита 6 расположена с рабочей поверхностью 7, обращенной ко дну 2а резервуара 2.
В соответствии с другим вариантом выполнения стереолитографической машины согласно изобретению, не показанным здесь, средства 5 излучения расположены над резервуаром 2.
В этом втором другом варианте осуществления моделирующая плита 6 расположена с рабочей поверхностью 7, обращенной вверх, и трехмерный объект А формируется над плитой.
Плита 6 содержит множество канавок 8, выполненных в рабочей поверхности 7 вдоль соответствующих траекторий формирования, параллельных друг другу и, предпочтительно, прямолинейных, как показано на фиг.3.
Во время формирования первых слоев Е объекта А, расположенных рядом с рабочей поверхностью 7 плиты 6, стимулирование 4 не доходит до смолы 3', расположенной в канавках 8, и, следовательно, она остается жидкой, таким образом определяя соответствующее количество каналов, расположенных между затвердевшим объектом А и плитой 6, как показано на фиг.2а.
В конце цикла обработки соответствующий вытянутый элемент 16, принадлежащий очищающему инструменту 14, показанному на фиг.5, может вставляться и скользить в каждом канале из вышеупомянутых каналов.
Вытянутый элемент 16 может оказывать толкающее действие на трехмерный объект А для того, чтобы отсоединить его от рабочей поверхности 7, как показано на фиг.8.
Следовательно, вышеупомянутые канавки 8 облегчают отсоединение готового объекта А от рабочей поверхности 7, таким образом достигая одну из целей изобретения.
Предпочтительно, вышеупомянутое толкающее действие заключает в себе меньше рисков повреждения объекта А, чем известные технологии, в соответствии с которыми объект А удаляется, используя острый инструмент.
Кроме того, предпочтительно, инструмент 14 не имеет режущую кромку и, следовательно, не может повредить плиту 6.
Более того, так как объект А удаляется полностью, он не оставляет твердых остатков внутри канавок 8, таким образом достигая дополнительной цели для облегчения очистки плиты 6.
Канавки 8 предпочтительно проходят до периферийного края рабочей поверхности 7, открываясь на уровне латеральной поверхности моделирующей плиты 6, как ясно видно на фиг.3.
Понятно, что вышеупомянутый открытый конец обеспечивает возможность протекания смолы 3 из канавок 8 в латеральную область плиты 6, и наоборот, во время вертикального перемещения самой плиты 6.
Предпочтительно, оба конца канавок 8 являются открытыми на уровне латеральной поверхности плиты 6, преимущественно обеспечивая возможность протекания смолы 3 в обоих направлениях.
Следовательно, если плита 6 расположена с рабочей поверхностью 7, обращенной ко дну 2а резервуара 2, смола 3 может протекать по канавкам 8 от центра плиты 6 к ее боковым сторонам, и наоборот.
Следовательно, изобретение достигает цели облегчения протекания смолы 3, особенно, когда плита 6 расположена очень близко ко дну 2а резервуара 2.
Предпочтительно, облегченное протекание смолы 3 делает возможным уменьшение давления, оказываемого на дно 2а резервуара 2 во время вертикального перемещения плиты 6.
Следовательно, предпочтительно, является возможным выбирать скорости перемещения плиты 6, которые являются эквивалентными скоростям перемещения, возможным, например, с имеющими отверстия плитами известного типа, и в любом случае превышают скорости перемещения, обеспечивающиеся другими известными типами плиты.
Предпочтительно, канавки 8 имеют глубины 9, превышающие толщину слоев Е, которые составляют трехмерный объект А, например, порядка десятых миллиметра или больше.
Предпочтительно, это делает возможным предотвратить забивание первых слоев объекта А в канавках 8, если затвердевание происходит частично в них вследствие потребностей обработки или неправильного позиционирования плиты 6.
Первый случай является наиболее обычным и происходит вследствие того, что для обеспечения адгезии первых слоев Е к рабочей поверхности 7 плиты 6 используется стимуляция 4, интенсивность которой больше интенсивности, строго необходимой для затвердевания слоя, имеющего заданную толщину.
Бόльшая интенсивность стимуляции вызывает частичное затвердевание смолы 3', расположенной в канавках 8, как показано на фиг.2а.
Количество канавок 8, их ширина и их взаимные расстояния на плите 6 представляют собой параметры, которые могут выбираться производителем исходя из рабочих характеристик машины 1, на которой должна использоваться плита 6.
Обычно, более вязкая смола 3 будет требовать больше канавок 8 для обеспечения оптимального протекания смолы 3.
Бόльшее количество канавок 8 также облегчает удаление объекта А с плиты 6.
С другой стороны, уменьшенное количество канавок 8 увеличивает площадь рабочей поверхности 7, таким образом улучшая адгезию объекта А во время обработки.
В качестве примера было установлено, что канавки 8 приблизительно с шириной в один миллиметр, расположенные с взаимным расстоянием около одного миллиметра, представляют собой хороший компромисс во многих обстоятельствах.
Однако является очевидным, что в особых случаях будет возможным использовать даже только одну канавку 8.
Канавки 8 предпочтительно выполнены с одинаковым поперечным сечением 11 вдоль прямолинейной траектории Х.
В частности и как показано на фиг.4, вышеупомянутое поперечное сечение 11 является прямоугольным.
В соответствии с другим вариантом выполнения плиты согласно изобретению, обозначенной на фиг.4а ссылочной позицией 6', поперечное сечение 11' имеет область 12, ширина которой превышает ширину 10 того же самого сечения на уровне рабочей поверхности 7.
Другими словами, поперечное сечение 11' отличается наличием поверхности поднутрения, которая, предпочтительно, облегчает адгезию трехмерного объекта А к канавке 8 во время цикла обработки.
Поднутрение является достаточно небольшим, чтобы не затруднять удаление готового трехмерного объекта А с плиты 6.
Предпочтительно, но необязательно, вышеупомянутое поперечное сечение 11 имеет форму трапеции, с длинным основанием, определяющим дно 2а канавки 8, и коротким основанием 10, соответствующим отверстию канавки 8 на рабочей поверхности 7.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, обозначенным на фиг.4b ссылочной позицией 6", профиль поперечного сечения 11" отличается наличием углубления 13 на одном или обоих краях, которые ограничивают поперечное сечение 11" латерально.
Предпочтительно, указанное углубление 13 дополнительно улучшает адгезию трехмерного объекта А к плите 6 во время цикла обработки.
Глубина вышеупомянутого углубления 13, предпочтительно, ограничена несколькими десятыми миллиметра таким образом, чтобы не затруднять последующее удаление объекта А.
Очевидно, что другие варианты осуществления могут иметь отличительную особенность предшествующих двух вариантов осуществления, объединенных друг с другом.
Очищающий инструмент 14, показанный на фиг.5, содержит поддерживающее тело 15, от которого отходят один или более взаимно параллельных вытянутых элементов 16, каждый из которых выполнен так, чтобы скользить внутри соответствующей канавки 8 плиты 6.
Вытянутые элементы 16 расположены в соответствии с базовой плоскостью Y и отличаются наличием взаимных расстояний, которые являются такими же, как взаимные расстояния между соответствующими канавками 8.
Скольжение вытянутых элементов 16 внутри соответствующих канавок 8 плиты 6 делает возможным прикладывать толкающее действие на трехмерный объект А, что, предпочтительно, вызывает его удаление с рабочей поверхности 7, как показано на фиг.7 и 8.
Предпочтительно, но необязательно, инструмент 14 имеет количество вытянутых элементов 16, равное количеству канавок 8 плиты 6, таким образом, чтобы обеспечивать возможность удаления трехмерного объекта А только за один проход.
Однако очевидно, что инструмент 14 может иметь любое количество вытянутых элементов 16, даже меньшее, чем количество канавок 8.
Как показано на фиг.6, ширина 17 каждого вытянутого элемента 16 относительно направления, параллельного базовой плоскости Y, предпочтительно является одинаковой и, по существу, равной ширине соответствующей канавки 8 плиты 6.
Таким образом, предпочтительно, каждый вытянутый элемент 16 имеет максимальную ширину, совместимую с соответствующей канавкой 8, таким образом обеспечивая возможность лучшего распределения толкающего действия на трехмерный объект А.
Толщина 18 вытянутых элементов 16 относительно направления, ортогонального к базовой плоскости Y, предпочтительно является одинаковой вдоль направления формирования вытянутых элементов 16.
Кроме того, толщина 18 предпочтительно не превышает глубину 9 соответствующей канавки 8 таким образом, чтобы, предпочтительно, сделать возможной удобную вставку вытянутых элементов 16 между трехмерным объектом А и плитой 6.
Также является предпочтительным, чтобы толщина 18 вытянутых элементов 16 была меньше, чем глубина 9 канавок 8, для того, чтобы облегчить проникновение вытянутых элементов 16, даже когда смола 3 частично затвердевает в канавках 8, как описано выше.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, не показанным здесь, вытянутые элементы 16 имеют увеличивающееся поперечное сечение от конца по направлению к поддерживающему телу 15, таким образом служа в качестве клиньев.
Вытянутые элементы 16 предпочтительно имеют закругленные концы 16а, которые, предпочтительно, облегчают их вставку в соответствующие канавки 8, как показано на фиг.8.
Вытянутые элементы 16 предпочтительно выполнены из гибкого материала, в частности пластикового материала, с преимуществом обеспечения возможности прикладывания большего постепенного усилия на объект А во время удаления с плиты 6 для того, чтобы уменьшить риск его повреждения.
Вытянутые элементы 16 из пластикового материала обеспечивают дополнительное преимущество, заключающееся в том, что их твердость меньше, чем твердость материалов, обычно использующихся для моделирующих плит, обычно, таких как алюминий или другие материалы с аналогичной твердостью.
Уменьшенная твердость вытянутых элементов 16 предохраняет их от удаления с поверхности плиты 6 некоторых металлических частиц, которые могут загрязнять смолу 3 во время последующих циклов обработки, и также от повреждения плиты 6.
Инструмент 14, очевидно, может быть полностью выполнен из пластикового материала, с преимуществом уменьшения затрат.
Для этой цели глубина 9 канавок 8, предпочтительно, должна превышать 0,5 мм и, предпочтительно, быть порядка 1 мм, таким образом, толщина инструмента 14 является совместимой с использованием пластикового материала.
Также очевидно, что в различных вариантах осуществления изобретения инструмент 14 может быть выполнен из любого материала.
Очевидно, что плита 6 и инструмент 14 согласно изобретению могут поставляться в комплекте, предназначенном для применения в стереолитографической машине 1, в которой объединены преимущества обеих составных частей.
На практике, после завершения изготовления трехмерного объекта А, он может быть без труда удален с плиты 6 без его повреждения, используя очищающий инструмент 14.
В частности, концы 16а вытянутых элементов 16 вставляются в соответствующие канавки 8 плиты 6 и затем скользят в канавках 8, как показано на фиг.7.
Во время операции скольжения инструмент 14 поддерживается слегка наклонным так, чтобы толкать трехмерный объект А наружу плиты 6 до тех пор, пока он не отсоединится.
Предпочтительно, так как трехмерный объект А толкается на уровне его основания, он остается неповрежденным во время отделения от плиты 6, не оставляя твердого остатка смолы 3, налипшего в канавках 8, как показано на фиг.8.
Следовательно, предпочтительно, моделирующая плита 6 не требует дополнительных операций очистки до использования для изготовления нового трехмерного объекта.
Вышеприведенное ясно показывает, что моделирующая плита и стереолитографическая машина согласно изобретению достигают всех поставленных целей.
В частности, моделирующая плита с канавками особенно облегчает извлечение готового объекта с самой плиты, особенно при использовании инструмента согласно изобретению.
Использование инструмента согласно изобретению обеспечивает почти безупречную очистку моделирующей плиты.
Кроме того, канавки плиты способствуют протеканию смолы во время цикла обработки, ограничивая нагрузку на дно резервуара и, таким образом, делая возможным увеличение скорости обработки.
В любом случае, дополнительные варианты изобретения, даже если они не описаны здесь и не показаны на чертежах, должны все рассматриваться как охраняемые настоящим патентом при условии, что они подпадают под объем притязаний нижеследующей формулы изобретения.
Там, где технические признаки, упомянутые в каком-либо пункте формулы изобретения, сопровождаются ссылочными обозначениями, эти ссылочные обозначения были вставлены с единственной целью улучшения понимания формулы изобретения, и, соответственно, такие ссылочные обозначения не имеют какого-либо ограничивающего действия на защиту каждого элемента, обозначенного в качестве примера такими ссылочными обозначениями.