УЛУЧШЕННЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ДВУХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ МАШИНЕ
IMPROVED METHOD FOR CONTROL OF FUNCTIONING OF AT LEAST TWO SOURCES OF LIGHT EMISSION IN STEREOLITHOGRAPHY APPARATUS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к способу управления функционированием по меньшей мере двух источников светового излучения в стереолитографической машине, предназначенному для действия на уровне области перекрытия слоев, которая определена на рабочей поверхности стереолитографической машины для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии.
Изобретение также относится к устройству и компьютерному программному продукту, которые выполнены с возможностью выполнения этапов указанного способа, соответствующего изобретению.
Уровень техники
Как известно, процесс стереолитографии заключается в изготовлении трехмерного объекта путем последовательного наложения множества слоев, принадлежащих самому объекту.
Каждый слой объекта получают путем отверждения материала в жидком или пастообразном состоянии, которое происходит за счет селективного воздействия светового излучения на материал.
В типичном случае, материал представляет собой компаунд на основе пластмассы, который полимеризуется под воздействием светового излучения.
Отверждение каждого последовательного слоя объекта получают посредством его контакта с предыдущим отвержденным слоем, который служит опорой для последующего слоя.
Процессом управляют посредством вычислительного устройства, в которое загружают первый набор данных, отражающих трехмерную геометрию объекта, подлежащего изготовлению.
Вычислительное устройство определяет геометрию различных слоев объекта, и соответствующим образом осуществляет управление стереолитографическим устройством.
В частности, вычислительное устройство по очереди подразделяет каждый слой на множество смежных линий сканирования, которые в дальнейшем будут именоваться просто «линии», на уровне которых должен быть активирован источник светового излучения, чтобы получить отверждение указанного материала. С этой целью линии обычно задаются таким образом, чтобы их толщина была равна ширине пучка светового излучения на уровне рабочей поверхности. Другими словами, ширина указанных линий равна разрешению указанного пучка на указанной рабочей поверхности.
Также известно, что размер объектов, которые может изготавливать стереолитографическая машина, зависит от размера упомянутой рабочей поверхности, на которую может воздействовать пучок светового излучения, а прежде всего - от расстояния между источником светового излучения и самой рабочей поверхностью.
Очевидно, что чем больше это расстояние, тем больше расходимость пучка светового излучения, который падает на рабочую поверхность, в то время как степень разрешения указанного пучка на уровне указанной поверхности, как следствие, снижается. Поэтому качество объекта, который может быть изготовлен посредством стереолитографического процесса, пропорционально расстоянию между источником светового излучения и рабочей поверхностью стереолитографической машины.
Поэтому, чтобы получить высокую степень разрешения объекта, необходимо как можно больше уменьшать указанное расстояние. Однако это требование ограничивает поле действия пучка светового излучения на рабочей поверхности.
Кроме того, известно, что пучок светового излучения, создаваемый указанным источником, обычно направляется на рабочую поверхность посредством оптических элементов.
В частности, хорошо известно, что указанные оптические элементы по природе своей вносят вклад в дальнейшее сужение поля действия пучка светового излучения на рабочей поверхности.
Поэтому, как уже было сказано, указанный набор факторов сильно ограничивает размер трехмерных объектов, которые могут быть изготовлены с использованием стереолитографических машин, оснащенных одним источником светового излучения.
Чтобы преодолеть указанное ограничение, и, таким образом, сделать возможным изготовление более крупных трехмерных объектов при одновременном сохранении высокого разрешения на объекте, была сконструирована стереолитографическая машина 1, оснащенная по меньшей мере двумя источниками 2, 3 светового излучения, смежными друг к другу, каждый из которых выполнен в возможностью воздействия на определенный участок 102 и 103 общей рабочей поверхности 100, как это схематически показано на фиг. 1а и 1b, иллюстрирующих существующий уровень техники.
Из указанных чертежей, иллюстрирующих существующий уровень техники, очевидно и должно быть понятно специалистам в данной области, что указанные два (или более) участков 102 и 103 рабочей поверхности 100 должны частично перекрывать друг друга, таким образом, чтобы была определена так называемая область 101 перекрытия, на уровне которой могут действовать оба источника 2 и 3 светового излучения. Такая схема фактически неизбежна для получения соединения между двумя (или более) смежными участками каждого из различных слоев, причем указанные смежные участки определяются за счет отверждения при помощи указанных смежных источников 2 и 3 светового излучения.
Указанное соединение обычно получают путем активирования обоих смежных источников 2 и 3 светового излучения на уровне одних и тех же точек материала, который должен быть отвержден в пределах области 101 перекрытия.
Однако, к сожалению, первый недостаток, свойственный такому подходу, заключается в возможном нежелательном эффекте расширения, в направлениях x и/или y, получаемого слоя в окрестности указанных точек. Эффект расширения может, в свою очередь, неблагоприятным образом распространяться на уровень краев самого слоя, приводя к тому, что указанный слой формируется способом, который не является ни точным, ни правильным. С другой стороны, - опять же к сожалению, если два источника 2 и 3 светового излучения настроены неправильно, они могут оказаться неспособными в различных точках слоя выполнить указанное соединение, и таким образом положат начало промежутку неотвержденного материала, который, в свою очередь, вызовет ослабление всей структуры изготовляемого объекта.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении всех недостатков, которые были описаны в отношении способа активирования двух смежных источников светового излучения, соответствующего существующему уровню техники, в целях получения указанного соединения.
В частности, одна задача настоящего изобретения заключается в создании способа для активирования двух смежных источников светового излучения, принадлежащих одной и той же стереолитографической машине, для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии, который дает возможность получать большую однородность толщины каждого слоя, изготовленного при помощи нескольких смежных источников светового излучения, по сравнению с результатами, которые могут быть получены известными способами.
Кроме того, другая задача настоящего изобретения заключается в создании способа для активирования указанных источников светового излучения, который дает возможность получать более прочное и более стабильное соединение между участками одного и того же слоя, изготовленного при помощи указанных смежных источников светового излучения.
Указанные задачи изобретения решаются посредством способа для управления функционированием двух смежных источников светового излучения в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения.
Данный способ касается управления функционированием по меньшей мере двух источников светового излучения, принадлежащих стереолитографической машине и выполненных с возможностью действия на уровне участка области перекрытия, которая определена на рабочей поверхности стереолитографической машины для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии, при этом указанный способ для каждой из линий с характерной длиной L, которые определяют каждый слой указанного трехмерного объекта в пределах указанного участка, включает активирование следующих элементов: первого источника из указанных двух источников светового излучения для первого отрезка указанной линии с длиной X; второго источника из указанных двух источников светового излучения для оставшегося второго отрезка указанной линии с длиной У, при этом значение длины X первого отрезка выбирают из интервала 0≤X≤L, а значение Y вычисляют, как равное L-X. Способ характеризуется тем, что значение длины X первого отрезка выбирают в интервале 0≤X≤L случайным образом, так, чтобы создать соединительную линию ломаного типа между двумя участками каждого слоя, определенными, соответственно, первыми отрезками указанных линий и вторыми отрезками указанных линий.
Указанные задачи изобретения также решаются посредством устройства для управления указанными смежными источниками светового излучения в соответствии с пунктом 7 формулы изобретения.
Данное устройство предназначено для управления функционированием двух источников светового излучения, принадлежащих стереолитографической машине и выполненных с возможностью действия на уровне участка области перекрытия, которая определена на рабочей поверхности стереолитографической машины для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии, содержащее вычислительное устройство, содержащее обрабатывающий блок и память, выполненную с возможностью доступа к ней обрабатывающего блока; средства, выполненные с возможностью получения первого набора данных, отражающих геометрию трехмерного объекта, и с возможностью загрузки данных в память; средства, выполненные с возможностью подразделения трехмерного объекта на множество слоев; средства, выполненные с возможностью определения положения каждого из слоев на указанной рабочей поверхности; средства, выполненные с возможностью идентификации в пределах участка области перекрытия каждой из линий с характерной длиной L, которые определяют каждый из слоев; средства, выполненные с возможностью определения для каждой из линий с характерной длиной L значения длины X первого отрезка в интервале 0≤X≤L; средства, выполненные с возможностью вычисления длины второго отрезка для каждой из линий с характерной длиной L; средства, выполненные с возможностью формирования данных, касающихся активирования указанных двух источников светового излучения, так, чтобы первый источник из указанных двух источников светового излучения активировать на протяжении первого отрезка каждой из линий, а второй источник из указанных двух источников светового излучения активировать на протяжении оставшегося второго отрезка. Устройство характеризуется тем, что средства, выполненные с возможностью определения значения длины X первого отрезка, представляют собой средства для генерации случайных чисел в интервале 0≤X≤L.
Преимуществом является то, что возможность выполнения соединения между участками одного слоя, определенного при помощи двух смежных источников светового излучения, без необходимости обеспечения их перекрытия, позволяет сократить общее время, которое требуется стереолитографическому процессу для изготовления трехмерного объекта.
Краткое описание чертежей
Указанные задачи и преимущества наряду с другими, которые будут определены ниже, будут рассмотрены в описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые представлены в виде примеров, не носящих ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1а и 1b иллюстрируют существующий уровень техники, схематически изображая соответственно на горизонтальной и боковой проекциях разбиение рабочей поверхности стереолитографической машины, оснащенной двумя смежными источниками светового излучения.
Фиг. 2 в аксонометрии изображает пример трехмерного объекта, подлежащего изготовлению посредством стереолитографии.
Фиг. 3 на горизонтальной проекции изображает слой трехмерного объекта с фиг. 2, расположенный на уровне рабочей поверхности, представленной на фиг. 1а и 1b, к которому применен способ, соответствующий настоящему изобретению в его предпочтительном варианте осуществления.
Фиг. 4 изображает фрагмент двух смежных линий на уровне области перекрытия слоя с фиг. 3.
Фиг. 5 на горизонтальной проекции изображает слой трехмерного объекта фиг. 2, расположенный на уровне рабочей поверхности, представленной на фиг. 1а и 1b, к которому применен способ, соответствующий настоящему изобретению согласно первому альтернативному варианту осуществления.
Фиг. 6 на горизонтальной проекции изображает слой трехмерного объекта с фиг. 2, расположенный на уровне рабочей поверхности, представленной на фиг. 1а и 1b, к которому применен способ, соответствующий настоящему изобретению согласно второму альтернативному варианту осуществления.
Осуществление изобретения
Далее на примере трехмерного объекта, изображенного на фиг. 2, и обозначенного там как 200, будет раскрыт соответствующий настоящему изобретению способ для управления функционированием двух источников 2 и 3 светового излучения, принадлежащих стереолитографической машине и выполненных с возможностью действия на уровне области 101 перекрытия, определенной на рабочей поверхности 100 стереолитографической машины 1.
В частности, в предпочтительном варианте, указанный способ управления двумя источниками 2 и 3 светового излучения применим в пределах области 101 перекрытия на участке 104 заранее заданной ширины, более узком, чем область 101 перекрытия, как показано на фиг. 3.
Однако нельзя исключать, что в других вариантах осуществления изобретения ширина участка 104 может по существу совпадать с шириной области 101 перекрытия.
Следует подчеркнуть, что для большей ясности чертежей трехмерный объект 200 намеренно представлен с сильно упрощенной геометрией по сравнению с теми объектами, которые обычно изготовляют посредством стереолитографии.
Однако должно быть очевидно, что описываемый ниже процесс может быть применен аналогичным образом к трехмерному объекту любой геометрии.
Для определения этапов способа, предлагаемого в настоящем изобретении, в соответствии с рассматриваемым предпочтительным вариантом его осуществления, следует обращаться к фиг. 3, которая на горизонтальной проекции изображает один из слоев 201 трехмерного объекта 200 на уровне рабочей поверхности 100.
Согласно способу, который является предметом настоящего изобретения, для каждой из линий 210 с характерной длиной L, которые определяют каждый отдельный слой 201 трехмерного объекта 200 в пределах участка 104 области 101 перекрытия, первый источник 2 светового излучения активируется для первого отрезка 211 линии 210 с длиной X, а второй источник 3 светового излучения активируется для оставшегося второго отрезка 212 той же самой линии 210 с длиной Y=L-X.
На фиг. 3 толщина линий 210 была увеличена по отношению к их фактическому размеру, чтобы облегчить понимание идеи, на которой базируется способ, соответствующий настоящему изобретению.
Значение длины X первого отрезка 211 в соответствии с изобретением выбирается в пределах 0≤X≤L. Очевидно, чтобы решить вышеуказанные задачи изобретения, как будет разъяснено ниже, важно, чтобы значение длины X различалось для разных линий 210, принадлежащих одному и тому же слою 201, прежде всего между смежными линиями 210, как показано на фиг. 4.
Предпочтительно, но не обязательно, чтобы выбор длины X для каждой линии 210 производился случайным образом.
Как можно видеть на фиг. 3, указанный способ активирования источников 2 и 3 светового излучения делает возможным создание соединительной линии 220 ломаного типа между двумя (или более) участками 202 и 203 каждого слоя 201.
В частности, как можно всегда видеть на фиг. 3, указанная соединительная линия 220 имеет форму гребенки, у которой зубья и впадины в обоих участках имеют разные длины, но в любом случае определены идеально комплементарным образом. Такая особенность дает возможность решить вышеуказанные задачи изобретения, в частности делает возможным получение более прочного и более стабильного соединения между различными участками 202 и 203 одного и того же слоя 201 по сравнению с соединениями, которые получают способами, известными в уровне техники.
Кроме того, указанное соединение дает возможность избежать перекрытия действия двух источников 2 и 3 светового излучения на участке 104 области 101 перекрытия, как это имеет место в известных технических решениях, и, следовательно, исключить какой-либо недостаток однородности по толщине каждого из слоев 201, о чем шла речь выше.
Более конкретно, соответствующий настоящему изобретению способ содержит этапы, которые будут рассмотрены ниже. Во-первых, согласно способу, производят получение первого набора данных, отражающих геометрию трехмерного объекта 200. Вслед за этим, согласно способу, трехмерный объект подразделяется на множество слоев 201. Далее, в соответствии со способом, необходимо определить положение, которое каждый из указанных слоев 201 должен занять на уровне рабочей области 100. В частности, способ устанавливает, какая часть каждого слоя 201 должна быть определена исключительно посредством первого источника 2 светового излучения, какая часть - исключительно посредством второго источника 3 светового излучения, и, наконец, какая часть слоя 201 должна попасть в пределы участка 104 области 101 перекрытия, при этом, как уже говорилось, ширина участка 104 в предпочтительном случае меньше ширины области 101 перекрытия.
В результате, согласно способу по изобретению, для той части каждого слоя 201, которая попадает в пределы участка 104 области перекрытия 101, определяется каждая из указанных линий 210 с характерной длиной L. Как можно понять из примера фиг. 3, разные линии 210 могут иметь различные длины L.
Согласно способу, соответствующему настоящему изобретению, как уже говорилось, на этом этапе для каждой из линий 210 с характерной длиной L определяется значение длины X первого отрезка 211 в интервале 0≤X≤L. Как говорилось выше, это значение в указанном интервале предпочтительно выбирать случайным образом.
Согласно изобретению, для каждой линии 210 с характерной длиной L вслед за этим вычисляется длина У второго отрезка 212, так что Y=L-X.
Наконец, способ по изобретению включает этап формирования данных, касающихся активирования двух источников 2 и 3 светового излучения таким образом, что первый источник активируется на протяжении первого отрезка 211 каждой из линий 210, а второй из указанных двух источников 2 и 3 светового излучения активируется на протяжении оставшегося второго отрезка 212.
Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по изобретению перед формированием указанных данных для активирования двух источников 2 и 3 светового излучения также определяется средняя линия 300 участка 104 области 101 перекрытия, которая, как можно видеть из фиг. 3, по существу ортогональна линиям 210 части слоя 201 в пределах того же участка 104.
Средняя линия 300 дает возможность выбрать среди всех линий 210 с характерной длиной L исключительно подмножество 213 тех же линий 210, которые пересекают указанную среднюю линию 300.
Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения способ также содержит этап выбора внутри указанного подмножества 213 пересекающих линий только подмножества 214 линий 210, которые проходят по всей ширине участка 104 области 101 перекрытия. Только в конце такого выбора согласно способу производится активирование двух источников 2 и 3 светового излучения вышеописанным способом исключительно на уровне линий 210, принадлежащих последнему подмножеству 214. Что касается остальных линий 210, которые присутствуют на участке 104 и которые исключены из указанной выборки, то согласно способу настоящего изобретения для их определения активируется исключительно один или другой из двух источников 2 и 3 светового излучения. В частности, в предпочтительном варианте выбор того, который из двух источников 2 и 3 светового излучения должен быть использован для формирования каждой из этих исключенных линий 210, зависит от положения, куда попадает рассматриваемая линия 210 относительно средней линии 300. В примере, показанном на фиг. 3, для определения указанных исключенных линий 210 в целях удобства будет выбран источник 2 светового излучения, расположенный слева.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг. 5, нельзя, впрочем, исключать, что согласно способу активируются оба источника 2 и 3 светового излучения рассмотренным выше образом для всех линий 210, принадлежащих подмножеству 213 пересекающих линий, без дополнительного выбора линий 210, проходящих по всей ширине участка 104.
В данном случае линиями 210, исключенными из подмножества 213 пересекающих линий, будут те линии, которые подлежат определению посредством активирования только одного из источников 2 и 3 светового излучения. Также в данном случае выбор одного или другого источника 2 и 3, который должен быть активирован, предпочтительно осуществляется в соответствии с положением каждой из исключенных линий относительно средней линии.
Более того, согласно другому альтернативному варианту осуществления способа по изобретению, представленному на фиг. 6, оба источника 2 и 3 светового излучения могут быть активированы вышеописанным образом для всех линий 210 каждого из слоев 201, которые попадают в пределы участка 104 области 101 перекрытия без осуществления каких-либо дополнительных операций выбора, о которых шла речь выше.
Если снова обратиться к предпочтительному варианту осуществления изобретения, который более детально проиллюстрирован на фиг. 4, то согласно способу для каждой пары смежных линий 210а и 210b, принадлежащих подмножеству 214 линий, проходящих по всей ширине участка 104, значения, соответствующие длинам X первых отрезков 211 указанных двух линий 210а и 210b, выбираются таким образом, что первый отрезок 211 первой линии 210а на протяжении которого предусмотрено действие источника 2 светового излучения, и второй отрезок 212 второй линии 210b, на протяжении которого предусмотрено действие источника 3 светового излучения, пересекают среднюю линию 300. Эта дополнительная подробность способа, который является предметом настоящего изобретения, дает возможность гарантировать идеальное чередование действия первого источника 2 светового излучения и второго источника 3 светового излучения по обеим сторонам средней линии 300 для смежных линий 210а и 210b. Как следствие, данная особенность дает возможность дополнительно улучшить результат соединения двух участков одного и того же слоя 201, получаемого посредством указанных источников 2 и 3 светового излучения.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, впрочем, нельзя исключать, что в соответствии со способом значение длины X выбирается исключительно случайным образом, не гарантируя также чередования действия двух источников 2 и 3 светового излучения по обеим сторонам средней линии 300.
В целях упрощения этапы способа, который является предметом изобретения, до настоящего момента были описаны в отношении стереолитографической машины 1, содержащей два источника 2 и 3 светового излучения. Однако нельзя исключать, что этот же самый способ можно использовать для управления функционированием более чем двух источников излучения, расположенных парами смежно друг с другом и принадлежащих одной и той же стереолитографической машине 1.
Очевидно, что данный способ должен быть использован для активирования каждой пары смежных источников светового излучения управляемым образом.
В предпочтительном варианте вышеописанный способ реализуется посредством устройства, содержащего вычислительное устройство, не показанное на чертежах, но известное как таковое, оснащенное обрабатывающим блоком и памятью, к которой может иметь доступ обрабатывающий блок.
Указанное устройство содержит средства, выполненные с возможностью получения первого набора данных, отражающих геометрию трехмерного объекта 200, и с возможностью загрузки этих данных в память.
Устройство содержит также средства, выполненные с возможностью подразделения трехмерного объекта 200 на множество слоев 201.
Устройство содержит также средства, выполненные с возможностью определения положения каждого из слоев 201 на рабочей поверхности 100.
Также устройство содержит средства, выполненные с возможностью идентификации в пределах участка 104 области 101 перекрытия, принадлежащей указанной рабочей поверхности 100, каждой из линий 210 с характерной длиной L, которые определяют каждый из различных слоев 201.
В соответствии с изобретением устройство содержит средства, выполненные с возможностью определения для каждой из линий 210 с характерной длиной L значения длины X первого отрезка 211 указанной линии 210 в интервале 0≤X≤L
Выбор значения X предпочтительно производится случайным образом.
Кроме того, в соответствии с изобретением устройство содержит средства, выполненные с возможностью вычисления длины У второго отрезка 212 указанной линии 210, равного Y=L-X, для каждой из линий 210 с характерной длиной L Наконец, соответствующее изобретению устройство содержит средства, выполненные с возможностью формирования данных, касающихся активирования по меньшей мере двух источников 2 и 3 светового излучения, принадлежащих стереолитографической машине 1, таким образом, чтобы первый из указанных двух источников 2 и 3 светового излучения активировался на протяжении первого отрезка 211 каждой из линий 210, а второй из указанных двух источников 2 и 3 светового излучения активировался на протяжении оставшегося второго отрезка 212 той же самой линии 210.
В предпочтительном варианте указанное устройство конфигурируется посредством компьютерного программного продукта, включающего средства поддержки данных с программными блоками, реализованными так, что при их исполнении в указанном вычислительном устройстве они определяют вышеописанные средства устройства.
В соответствии с вышеизложенным должно быть понятно, что рассмотренные способ, устройство и компьютерный программный продукт решают все поставленные задачи изобретения.
В частности, изобретение решает задачу создания способа для активирования по меньшей мере двух смежных источников светового излучения, принадлежащих одной и той же стереолитографической машине, для изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии, причем указанный способ делает возможным получение более однородной толщины каждого слоя, получаемого при помощи нескольких источников светового излучения, по сравнению с известными техническими решениями.
Изобретение также решает задачу создания способа для активирования указанных смежных источников светового излучения, который позволяет получить более прочное и стабильное соединение участков одного и того же слоя, полученных при помощи указанных источников светового излучения.