СПОСОБ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЛА
METHOD FOR CREATION OF SPATIAL BODY

Изобретение в целом относится к стереолитографическому аппарату для создания пространственного тела путем послойного отверждения светочувствительного материала, а также в целом относится к способу ускорения производственного процесса за счет методики измерения с пространственным разрешением и временным разрешением; отличающемуся тем, что аппарат содержит:
- опорный слой;
- источник излучения для генерирования соответствующего излучения, необходимого для отверждения;
- датчик; и
- по меньшей мере один источник пассивного излучения для генерирования измерительного излучения.
В частности, изобретение относится к способу для создания пространственного тела в процессе стереолитографии, в котором осуществляют отверждение светочувствительного материала посредством излучения.
В стереолитографических системах - см., например, ЕР 2 173 538 В1 - происходит преобразование светочувствительной текучей среды в слой пространственного тела под действием подходящего излучения, например, ультрафиолетового излучения.
Настоящее изобретение относится к ускорению такого процесса стереолитографии посредством способа оптического измерения с возможностью применения в такой системе.
Под стереолитографией обычно понимают процесс, обеспечивающий возможность создания пространственного тела путем размещения отдельных слойных образований друг возле друга. Указанный основной принцип также известен под названиями «быстрое изготовление прототипов», «трехмерная печать», «аддитивное производство» и т.п.
Помимо управляемых лазерных источников, в процессах стереолитографии также применяют и иные источники излучения, при этом указанные источники излучения создают слойные образования путем применения систем экспонирования через фотошаблон, так называемых микросхем микроэлектромеханических систем или цифровой обработки света, или дисплеев. Преимущество систем поэлементного экспонирования состоит в единовременном создании всего слойного образования целиком, тогда как в лазерных системах лазерный луч должен перемещаться вдоль контуров слоя. В связи с этим, отверждение светочувствительного материала происходит на опорном слое или опорной плоскости: она может представлять собой участок поверхности основания или иной подходящий заданный участок и, в зависимости от применения, может иметь твердую, гибкую или текучую форму. После отверждения слоя его нужно как можно более осторожно отделить от опорного слоя путем относительного перемещения между опорным слоем и несущим участком, с которым созданный слой должен быть сцеплен. После успешного отделения созданного слоя, новый материал, хорошо подходящий для отверждения, подают между опорным слоем и слоем, сформированным последним по времени; например, это можно обеспечить путем простого подъема вверх несущего участка. Затем можно осуществить отверждение светочувствительного материала, поступившего в указанное пространство, посредством излучения. Для создания желаемого трехмерного объекта указанные отдельные шаги способа повторяют до тех пор, пока не будут сформированы все слои, необходимые для формирования тела или объекта.
Недостатками такого процесса стереолитографии являются большая продолжительность процесса и длительные периоды ожидания, возникающие во время отделения слоя. Указанные периоды составляют большую часть общей продолжительности процесса. Дополнительные недостатки состоят в невозможности обнаружения ошибок экспонирования и возможном отсутствии сцепления с несущим участком; кроме того, задание начального положения, а также нулевого положения, системы представляет трудность.
Из предшествующего уровня техники известно интегрированное измерение усилий отрыва в процессе стереолитографии во время отделения созданного слоя от опорного слоя на несущей платформе. Один пример такого способа раскрыт в ЕР 2 043 845 В1, согласно которому датчик усилия прикреплен на строительной платформе или несущей платформе. Указанный датчик позволяет измерять усилия отрыва, возникающие во время отделения либо одного только что сформированного слоя компонента, либо компонента, от опорного слоя. Это позволяет ускорить процесс строительства. Датчик усилия, раскрытый в ЕР 2 043 845 В1, который может быть выполнен, например, в виде тензодатчиков, измеряет в вышеописанном устройстве сумму усилий, возникающих в созданных слоях вовремя их удаления. Связанный с этим недостаток состоит в том, что можно определить только сумму усилий, возникающих во время отделения нескольких слоев компонента, а не усилие на отделение того или иного компонента или того или иного слоя. Кроме того, суммарное возникающее усилие на отделение можно измерить только как функцию от времени. Кроме того, также невозможно вынести какие-либо суждения или сделать какие-либо выводы касательно зависимости указанного усилия от геометрии слоев от дельно взятого тела, в связи с чем также невозможно вынести суждение относительно того, будут ли, в случае одновременного создания нескольких тел, все эти тела построены надежно и полностью. Более того, известные способы не позволяют делать какие-либо выводы касательно процесса полимеризации слоя или тела.
Таким образом, целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и обеспечение возможности простого, быстрого, безотказного, бесперебойного, экономичного, а также самопроверяемого создания пространственных тел за счет улучшенной методики (аппарат, способ).
В частности, целью изобретения является создание способа того рода, речь о котором шла в начале, позволяющего постоянно выносить точное суждение о состоянии процесса и облегчающего одновременное создание нескольких тел в процессе стереолитографии, отличающегося тем, что он также позволяет определять состояние отдельно взятых процессов или созданных тел/слоев соответственно. А именно, должна быть обеспечена возможность измерения взаимодействия между опорным участком/слоем и соответствующими сформированными слоями.
В соответствии с настоящим изобретением, предлагаемый способ для создания пространственного тела, прежде всего, отличается тем, что измерительное излучение вводят в опорный слой и, в результате внутреннего отражения, оно преимущественно остается в пределах опорного слоя, и тем, что датчик обнаруживает измерительное излучение с пространственным разрешением (или локальным разрешением) и временным разрешением. Это обеспечивает возможность непрерывного отслеживания и измерения процесса создания слоя и, как следствие, способа трехмерной печати или хода его выполнения, по существу выборочно или по участково, и тем самым, в частности, также позволяет устранить периоды необоснованного ожидания.
В связи с вышеизложенным, особое преимущество состоит в том, что при деформации опорного слоя происходит нарушение внутреннего отражения, причем произойдет выход измерительного излучения из опорного слоя. Это обеспечивает возможность особо точного определения хода процесса, в частности - также по участкам.
Преимущество в части улучшения измерения также состоит в том, что датчик измеряет выходящее измерительное излучение на нескольких измерительных участках одновременно.
В части осуществления измерения, преимущество также состоит в том, что опорный слой является гибким и, по меньшей мере, частично проницаемым для измерительного излучения. Следствием того, что опорный слой сформирован гибким, является то, что деформация указанного опорного слоя станет результатом воздействия усилий, что повлияет на измерительное излучение в части точного измерения.
В частности, преимущества могут быть получены, если опорный слой будет состоять из кремнийорганического соединения. В части выполнения измерения также предпочтительно, чтобы все отражение происходило в пределах опорного слоя.
Один особо преимущественный вариант осуществления предлагаемого способа отличается тем, что в качестве измерительного излучения применяют инфракрасное излучение. Таким образом, если датчик дополнительно выполнен с возможностью измерения теплового излучения, возникающего во время отверждения слоя по меньшей мере одного тела на опорном слое, это позволяет эффективно контролировать отверждение.
В предлагаемом способе или в относящемся к нему стереолитографическом аппарате могут быть предусмотрены по меньшей мере два источника измерительного излучения, т.е. источника пассивного излучения, и по меньшей мере один соответствующий измерительный датчик.
Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, можно делать выводы, по меньшей мере, качественного характера о наличии промежуточной фазы в пределах фотореактивного вещества на основании обнаружения вышедшего из опорного слоя измерительного излучения в зависимости от места и времени. Указанная промежуточная фаза, которая под действием по меньшей мере одного ингибитора (например, кислорода), по меньшей мере не имеет реакционной способности или обладает ею в очень малой степени, образует своего рода «инертную» смазочную пленку. Это позволяет уменьшить обычно возникающие в ходе процесса силы сцепления в большей степени и/или почти полностью устранить их. Поскольку выходящее измерительное излучение связано с силами сцепления, способ по настоящему изобретению позволяет делать выводы касательно наличия промежуточной фазы, как с пространственным разрешением, так и с временным разрешением, в ходе процесса.
Далее настоящее изобретение будет более подробно разъяснено на примерах предпочтительных вариантов осуществления и чертежей. На чертежах подробно и схематически раскрыто следующее:
Фиг. 1 - схематический вид примера стереолитографической системы, иллюстрирующего предлагаемый способ;
Фиг. 2 - вид стереолитографической системы, модифицированной по сравнению с вышеуказанной;
Фиг. 3 - принципиальная схема устройства, иллюстрирующая измерение паразитного излучения;
Фиг. 3а - устройство, упрощенное по сравнению с Фиг. 3;
Фиг. 4 - дополнительный вариант осуществления с измененным положением источника пассивного (измерительного) излучения;
Фиг. 4а - вариант осуществления, представленный на Фиг. 4, но без отдельной основы;
Фиг. 5 - схематический пример данных об излучении, обнаруживаемом датчиком;
Фиг. 6 - схематический вид части системы в разрезе с измененным устройством измерения;
Фиг. 7а - принципиальная схема устройства измерения для определения наличия промежуточной фазы, причем можно, например, предположить, что усилия очень малы; и
Фиг. 7b - принципиальная схема, в которой промежуточная фаза имеет высоту h, причем h<H, и происходит выход измерительного излучения.
На Фиг. 1 раскрыт пример осуществления стереолитографической системы 1, частично в разрезе, в котором указанная система 1 служит для создания одного или нескольких пространственных тел 3 (см. также Фиг. с 2 по 4) из отдельных слоев, отверждаемых по участково посредством актиничного излучения светочувствительного материала 9, содержащегося в желобе 2, образующем приемное пространство 14. Светочувствительный материал 9, содержащийся в приемном пространстве 14, представляет собой текучую среду, причем в данном контексте термин «текучая среда» означает текучие среды любой вязкости, в том числе - суспензии пастообразные вещества.
Один или несколько источников 10, 11 пассивного излучения размещены с возможностью обнаружения разности излучения, возникающей из-за деформации опорного слоя 80, по меньшей мере одним датчиком 5. Согласно Фиг. 1, основание 8 и опорный слой 80, в том числе - соответствующие стенки, образуют желоб 2, служащий приемным пространством 14 для светочувствительного текучего материала 9. В данном случае "источник пассивного излучения" означает источник излучения, служащий средством измерения, при чем его излучение неспособно отверждать светочувствительный материал 9 из-за своей интенсивности и/или применяемой длины волны. Источник 60 регулируемого излучения, в частности - источник света, расположен, например, под желобом 2, причем испускаемый луч источника 60 света отражает, например, зеркало 7. В данном случае зеркало 7 может быть выполнено с возможностью отражения только излучения источника 60 света, будучи при этом проницаемым для волн с длиной в других диапазонах. Согласно Фиг. 1, предусмотрен, например, оптический элемент 61, например, линза, перед источником 60 излучения, при этом образованный тем самым блок излучения в целом обозначен номером позиции 6. Например, источник 60 излучения выполнен с возможностью испускания как обычного света, так и ИК- или УФ-излучения.
Несущий участок 4 выполнен с возможностью перемещения посредством привода 12, например - привода от шагового двигателя, относительно приемного пространства 14. Предпочтительно, чтобы желоб 2 был выполнен с возможностью точного выравнивания в одну линию и по центру относительно одного или нескольких источников, например, 10, 11, пассивного света, а также относительно блока 6 излучения, когда он введен в стереолитографическую систему, а также с возможностью занятия им определенного положения относительно одного или нескольких источников пассивного света, находящихся в пространстве 15 системы, при этом данное положение является предпочтительным для указанного способа измерения. Также предпочтительно, чтобы датчик мог занимать любое положение в пространстве 15 системы, пригодное для способа измерения. Желоб 2 как таковой также может быть выполнен с возможностью отклонения траектории луча одного или нескольких источников 10 и/или 11 пассивного света (см. также Фиг. 6), для компактного размещения источников 10, 11 пассивного света в том или ином варианте осуществления.
Согласно Фиг. 1, пассивное излучение введено в опорный слой 80 сбоку для равномерного распределения, например - за счет внутреннего полного отражения (см. Фиг. 3) в пределах опорного слоя 80. Блок 13 управления, например - управляющее вычислительное устройство, управляет перемещениями несущего участка 4 и всеми последовательностями процесса, необходимыми для создания тела 3 в системе 1, а также источником 60 или 6 света, а также фиксирует пассивное измерительное излучение посредством по меньшей мере одного датчика 5 для оценки данного излучения.
В отличие от Фиг. 1, на Фиг. 2 раскрыт вариант конструкции стереолитографической системы 101, в котором источники 110, 111 пассивного излучения расположены под желобом 2 в пространстве 15 системы и облучают нижнюю сторону желоба 2, а также, предпочтительно, равномерно освещают ее. В данном случае, указанный по меньшей мере один датчик 5 также расположен в пространстве 15 системы и обнаруживает отражение или паразитное излучение с нижней стороны желоба 2, образованной, по меньшей мере, опорным участком 80 и, в соответствующих случаях, основанием 8. В указанном варианте, пассивное излучение необязательно вводят в опорный слой 80 или желоб 2, при этом желоб 2 не должен быть полностью проницаем для пассивного излучения; в данном случае необходимо обеспечить только некоторую способность опорного слоя 80 отражать пассивное излучение. Датчик 5 может характеризоваться возможностью обнаружения всего опорного слоя 80, а также возможностью обнаружения измерительного излучения под опорным слоем.
В отличие от вариантов осуществления на Фиг. 1 и Фиг. 2, система, например, 1, также может содержать датчик 5, выполненный с возможностью обнаружения процессов экзотермического отверждения, возбужденных источником 5 излучения. Далее, это обеспечивает возможность, поменьшей мере, астичного обнаружения состояния полимеризации сформированного слоя, например, 30, 31, 32, а также возможность сделать выводы о возможном процессе отделения созданного слоя, например, 30, 31, 32, путем получения данных об излучении посредством датчика 5. В качестве датчика 5 может применяться камера, в частности камера на приборах с зарядовой связью.
В качестве датчика 5 также возможно применение приемника ИК-излучения, который выявляет теплоту полимеризации, возникающую в процессе стереолитографии. В таком варианте реализации, вывод о состоянии процесса делают на основании теплоты полимеризации.
На Фиг. 3 раскрыт детальный вид в разрезе приемного пространства 14, в котором созданы два тела 60, 70. Для лучшего понимания, на указанной Фиг. 3 опорный слой 80 и пассивное излучение источников 10, 11 пассивного излучения, введенное в него и переносимое засчет внутреннего полного отражения, схематически представлены зигзагообразным и геометрическими траекториями луча. На Фиг. 3 также показана деформация эластичного опорного слоя 80, вызванная усилиями F1 и F2 на отделение, действующими на телах 60 и/или 61. В связи с этим, необязательное основание 8 служит только в качестве опоры для эластичного опорного участка 80. В раскрытом варианте усилия F1 и F2 на отделение отличны друг от друга, так как тело 60 имеет площадь поперечного сечения, которая по существу больше, чем у тела 70, в связи с чем в данном примере F1>F2, причем результатом этого также является разная деформация опорного слоя 80.
Следствием разной деформации также является нарушение полного отражения в пределах опорного слоя 80 в зависимости от места, и, соответственно, выход излучений 40, 50 из опорного слоя 80 происходит в определенной зависимости от возникающего усилия F1, F2 на отделение. В связи с этим, для оптимального регулирования полного отражения в пределах опорного слоя 80 источники 10, 11 пассивного света могут быть размещены приблизительно под углом а в пространстве 15 системы, при этом источники 10, 11 пассивного излучения могут быть расположены без ограничений в любых пространственных координатах. В данном случае датчик 5 обнаруживает положение, а так же связанный современем характер изменения (режим интенсивности) паразитного излучения 40 или 50, зависящего от соответствующего усилия, например - F1 или F2.
На Фиг. 3а раскрыт вариант осуществления системы 1 без отдельного основания 8, а также его схематический вид в разрезе. В данном случае эластичный опорный слой 80 одновременно образует основание желоба 2. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что не происходит
уменьшение паразитных излучений 40, 50, представленных на указанной Фиг. 3а, следующим слоем. Кроме того, опорный слой 80 поэластичности и толщине может быть выполнен с возможностью обеспечения желаемой емкости желоба 2 (на Фиг. 1 и Фиг. 2) по светочувствительной текучей среде 9 и, в случае одновременного «мембранного» поведения опорного слоя 80, способствующего отделению тел 60, 70, минимизации усилий F1, F2 на отделение. Например, более толстый опорный слой 80 позволяет облегчить ввод пассивного излучения в указанный опорный слой 80 и регулировать положение желоба 2 или источников 10, 11 пассивного излучения в пространстве 15 системы (см. Фиг. 2) с меньшей точностью.
Фиг. 4 также иллюстрирует вид в разрезе приемного пространства 14 системы, в которой источники 110, 111 пассивного излучения размещены под желобом 2 в некоем положении в пространстве 15 системы и более или менее равномерно освещают, по меньшей мере, опорный слой 80, а также необязательное основание 8. Под действием усилий F1, F2 на отделение, зависящих от площади поперечного сечения сформированного тела/тел 60 и/или 70, будет деформирован по меньшей мере эластичный опорный слой 80, как показано. Например, на данном изображении вновь показано, что тело 60 имеет большую площадь поперечного сечения, чем тело 70, в связи с чем можно предположить, что усилие F1 на отделение превышает усилие F2 на отделение. Под действием усилий F1, F2 на отделение так же произойдет деформация эластичного опорного слоя 80 в зависимости от места, следствием чего станет изменение освещения источниками 110, 111 пассивного излучения в зависимости от величины деформации, по меньшей мере, опорного слоя. Деформация обуславливает разный характер отражения желобом 2 или опорным слоем 80, и/или основанием 8, связанный со временем и зависящий от места, который, в свою очередь, может быть обнаружен датчиком 5.
На Фиг. 4а раскрыт вариант конструкции, в основе которого лежит система по Фиг. 4, в котором основание 8 вновь отсутствует, как и в случае на Фиг. 3а по сравнению с Фиг. 3. В данном случае так же следует исходить из того, что опорный слой 80 является достаточно твердым для того, чтобы выдерживать нагрузку от текучей среды 9 и сформированных тел 60, 70. Кроме того, как и на Фиг. 4, лучи источников 110 и 111 излучения схематически представлены на 202 и 203. И на конец, так же проиллюстрировано соответствующее излучение 50 или 40.
Фиг. 5 иллюстрирует пример зависящего от пространства и времени изменения распределения интенсивности пассивного излучения, обнаруживаемого датчиком 5 и обусловленного, например, воздействиям и усилий F1, F2, а также вызванной ими и зависящей от времени места деформацией опорного участка 80 и, в соответствующих случаях, основания 8 желоба 2, определяемого по выходящему излучению (см. Фиг. 3, Фиг. 3а) или изменению отражения (см Фиг. 4 и Фиг. 4а) в измерительном пространстве 15, обнаруживаемому по меньшей мере одним датчиком 5. В связи с этим, например, на участке, обнаруживаемом датчиком 5, и в зависимости от происходящей деформации эластичного опорного слоя 80, возникают области 61, 71, зависящие от отличных друг от друга распределений интенсивности в соответствующих телах 60, 70; указанные распределения интенсивности будут обнаружены в зависимости от времени и пространства (места) датчиком 5, при этом они связаны с возникающими усилиями F1, F2 на отделение. Если датчик 5 выполнен, например, в виде инфракрасной камеры, и если в качестве пассивного излучения применяют инфракрасное излучение, датчик 5 будет осуществлять сбор данных о неком измерительном участке измерительного пространства 15 в виде изобразительной информации или видеоинформации, представляющей геометрическую характеристику поперечных сечений, и о распределении интенсивности в соответствии с возникающими усилиями F1, F2 на
отделение, либо на заранее заданных шагах с временным разрешением, либо непрерывно. В данном случае, например, в областях 72, в которых деформация будет отсутствовать или будет меньше, датчик 5 может обнаружить меньшее пассивное излучение, в связи с чем они будут представлены в более темном цвете на общем изображении, зафиксированном датчиком 5, чем, например, области 61, 71, в которых происходит деформация эластичного опорного слоя 80.
Очевидно, что специалист в данной области техники сможет без труда внести различные модификации и изменения в основу вариантов осуществления изобретения, раскрытого в настоящем документе.
На Фиг. 6 схематически раскрыт, с частичной иллюстрацией желоба 2, вариант осуществления, в котором источники 210, 211 излучения, расположенные под желобом 2, вводят излучение в восходящем направлении в основание 8 желоба 2, при этом основание 8, в свою очередь, вновь образовано опорным слоем 80. В указанном опорном слое 80, на траектории луча источников 210, 211 излучения прикреплены или сформированы расположенные под косым углом зеркала или светопроводящие элементы 212 или 213, предпочтительно выполненные непосредственно из материала опорного участка, для преломления измерительного излучения, испускаемого источниками 207, 211 излучения и, тем самым, ввода указанного излучения в основание 8 или опорный слой 80. Несмотря на то, что это не проиллюстрировано подробно на Фиг. 6, указанный ввод может, как и на Фиг. 3, происходить под углом с возможностью обеспечения полного отражения в опорном слое 80 (не проиллюстрировано на Фиг. 6).
Кроме того, как и на Фиг. 1 - Фиг. 5, датчик 5 может быть расположен на нижней стороне, а также может быть прикреплен блок 13 управления, как раскрыто на Фиг. 1 и Фиг. 2.
Фиг. 7а изображает детальный вид в разрезе приемного пространства 14, в котором созданы два тела 60, 70. Светочувствительный материал 9
содержит промежуточную фазу 9', как показано на Фиг. 7а. Реакционная способность указанной промежуточной фазы 9' ниже, чем у материала 9. Указанная разность реакционной способности, ведущая к образованию промежуточной фазы 9' в фотореактивном материале 9, может быть достигнута за счет химических ингибиторов, например - кислорода. В данном случае, как раскрыто на Фиг. 7а, значение толщины Н промежуточного слоя 9' (например 30, 50, 100 микрометров и т.п.) таково, что промежуточный слой 9' препятствует созданию усилий F1, F2 на отделение, по меньшей мере, насколько это возможно, или даже полностью подавляет их создание /полностью препятствует ему. При отсутствии усилий на отделение, в идеальном случае не происходил бы выход измерительного излучения. Таким образом, можно сделать вывод о наличии достаточного промежуточного слоя.
Фиг. 7b, как и Фиг. 7а, изображает детальный вид в разрезе приемного пространства 14, при чем науказанной принципиальной схеме представлен случай, в котором промежуточный слой 9' имеет толщину h. В данном случае h меньше, чем Н (h<H). Кроме того, на представленной принципиальной схеме в качестве примера представлен граничный случай, в котором h промежуточного слоя 9' упало до предельного значения h, например - из-за израсходования ингибитора или каких-либо факторов процесса, в связи с чем впервые возникают измеримые усилия F1 и F2 на отделение. На основании этого можно сделать выводы о том, чтобы л достигнут граничный случай толщины промежуточного слоя, в соответствующих случаях - с пространственным и временным разрешением, для запуска, если это необходимо, относящихся к процессу шагов для регенерациии/или активного восстановления промежуточного слоя 9'. Например, это можно осуществить путем дополнительной и/или увеличенной подачи поменьшей мере одного ингибитора, путем изменения концентрации ингибитора (например - обогащенного кислородом воздуха), путем соответствующего изменения
таких факторов процесса, как энергия воздействия, сроки ожидания, скорость подъема и т.п., и/или путем систематического введения перерывов.
Указанные изменения, каждое по отдельности или совместно, способствуют увеличению протяженности промежуточного слоя 9' по высоте. Раскрытый способ измерения также позволяет обнаруживать с пространственным и временным разрешением изменения промежуточного слоя 9', например - путем систематической подачи ингибиторов с пространственным (локальным) разрешением, которая будет происходить только в той области, в которой нужно увеличить или регенерировать промежуточный слой. Указанную систематическую подачу так же можно осуществлять в зависимости от геометрической протяженности тела или в зависимости от участка воздействия. Таким образом, раскрытый способ измерения позволяет локально обнаруживать толщину промежуточного слоя 9' и систематически увеличивать ее в зависимости от протяженности тела, которое должно быть создано.