УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКАЯ МАШИНА
ADVANCED STEREOLITHOGRAPHY MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к стереолитографическим машинам, в особенности к машинам, формирующим трехмерные объекты посредством отверждения жидкого вещества.
Уровень техники
Как известно, технология стереолитографии позволяет создавать трехмерные объекты последовательным наложением друг на друга множества слоев вещества, первоначально находящегося в жидком состоянии.
Каждый слой трехмерного объекта формируется путем электромагнитного воздействия на соответствующий слой вышеупомянутого жидкого вещества, что приводит к выборочному отверждению слоя вследствие полимеризации областей, соответствующих формируемому объекту.
Согласно известному варианту вышеуказанный процесс осуществляется посредством стереолитографических машин, которые в большинстве случаев включают ванну, установленную на опорной плите и предназначенную для содержания жидкой светочувствительной смолы.
Машина также включает излучатель, предназначенный для направления светового луча в ванну для отверждения слоя жидкой светочувствительной смолы вышеописанным способом.
Формируемый трехмерный объект поддерживается модельной плитой, расположенной напротив ванны и перемещаемой посредством механического привода перпендикулярно поверхности ванны.
После отверждения очередного слоя объекта модельная плита перемещается относительно ванны, что способствует образованию нового слоя жидкой смолы и, соответственно, нового слоя объекта, соприкасающегося с ранее отвержденным слоем.
Согласно известной технологии, каждый слой трехмерного объекта формируется при отверждении слоя смолы, прилегающего ко дну ванны.
Это достигается за счет испускания светового луча снизу ванны, выполненной светопроницаемой, через сквозное отверстие в опорной плите, которое оставляет часть дна ванны открытой для воздействия светового луча.
Данная технология связана с таким недостатком, как предрасположенность смолы к прилипанию ко дну ванны, что затрудняет постепенное поднятие объекта.
Для устранения указанного недостатка на нижнюю внутреннюю поверхность ванны наносится силиконовое или другое аналогичное покрытие, способствующее отделению затвердевшей смолы.
Однако светопроницаемость известных типов покрытия в процессе работы постепенно снижается под воздействием света, что является недостатком.
При значительном ухудшении светопроницаемости покрытия возникает необходимость замены ванны, для чего ванна устанавливается на опорной плите с возможностью ее снятия. Крепление ванны на опорной плите выполнено посредством стопорного механизма, позволяющего прочно удерживать ванну на опорной плите и снимать ее в случае износа.
В частности, стопорный механизм должен обеспечивать точное размещение ванны на опорной плите в заранее определенном правильном положении для получения равномерной толщины слоев в процессе отверждения.
Только что упомянутый необходимый элемент обеспечивает также предотвращение поднятия ванны вместе с модельной плитой после отверждения каждого слоя вследствие так называемого «эффекта всасывания», имеющего место из-за вязкости смолы и приводящего к прилипанию затвердевшего слоя ко дну ванны.
Упомянутые выше стереолитографические машины известных типов обладают недостатком, связанным с необходимостью частой замены ванны, а в некоторых случаях замена требуется даже после одного цикла работы.
Очевидно, что частая смена ванны ведет к дополнительным расходам и, как следствие, влияет на конечную стоимость трехмерного объекта.
Более того, ограниченный срок эксплуатации ванны влияет на получение максимально возможного количества слоев трехмерного объекта и, таким образом, ограничивает максимальную высоту объекта, которая может быть достигнута.
В соответствии с другим известным типом конструкции, описанной в европейской патентной заявке EP 0379068, ванна перемещается относительно плиты посредством привода от электродвигателя с целью предотвращения локализации светового луча в ограниченной зоне ванны, что замедляет процесс ухудшения ее светопроницаемости.
Ванна снабжена фланцевой частью, помещенной между парой упорных подшипников, что позволяет ванне перемещаться в горизонтальной плоскости и в тоже время препятствует ее вертикальному перемещению.
Данной системе присущ недостаток, заключающийся в зависимости управления положением ванны относительно опорной плиты от электродвигателя, который не способен удерживать ванну в неподвижном положении в случае, например, различных воздействий и вибраций во время процесса построения объекта.
Более того, снятие ванны с опорной плиты требует разборки части машины, в силу чего процедура замены становится достаточно сложной.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в устранении всех вышеуказанных недостатков, присущих стереолитографическим машинам известных типов.
Кроме того, настоящим изобретением предусматривается создание стереолитографической машины, позволяющей увеличить срок эксплуатации ванны по сравнению с машинами известных типов, с сохранением аналогичных геометрических характеристик формируемых трехмерных объектов.
Изобретением также предусматривается возможность получения трехмерных объектов, высота которых превышает высоту объектов, производимых на машинах известных типов.
Дополнительной целью изобретения является обеспечение стабильного и устойчивого положения ванны на опорной плите.
Еще одна дополнительная, но не последняя, цель изобретения заключается в облегчении снятия ванны с целью ее замены в случае необходимости.
Вышеперечисленные цели достигаются путем создания стереолитографической машины в соответствии с основным пунктом формулы изобретения.
Дополнительные отличительные признаки и особенности изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы.
Преимущество настоящего изобретения состоит в более длительном сроке эксплуатации ванны, что позволяет использовать одну и ту же ванну в большем количестве рабочих циклов по сравнению с машинами известных типов.
Вследствие этого, и это также является преимуществом, становится возможным распределение стоимости одной ванны на большее количество трехмерных объектов и, таким образом, снижения их стоимости.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является возможность формирования более высоких трехмерных объектов, что делает машину в соответствии с настоящим изобретением более универсальной в использовании по сравнению с машинами известных типов.
Краткое описание графических материалов
Указанные цели и преимущества изобретения совместно с приведенными далее в настоящем документе другими целями и преимуществами проиллюстрированы в описании предпочтительного варианта изобретения нижеприведенным примером, не имеющим ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на рисунке 1 представлена аксонометрическая проекция стереолитографической машины, являющейся предметом настоящего изобретения;
- на рисунке 2 представлена частичная аксонометрическая проекция стереолитографической машины на рис.1;
- на рисунке 3 представлен вид частичного разреза машины на рис.1;
- на рисунке 4 представлен увеличенный вид детали на рис.3;
- на рисунке 5 представлен вид поперечного разреза детали машины на рис 1;
- на рисунке 6 представлена другая аксонометрическая проекция части стереолитографической машины, приведенной на рис.1;
- на рисунках 7 и 8 представлен вид сбоку двух различных рабочих положений части машины, показанной на рис.6.
Осуществление изобретения
Стереолитографическая машина, являющаяся предметом настоящего изобретения и обозначенная в качестве единой совокупности позицией 1 на рисунке 1, состоит из несущей рамы 2, на которой закреплена опорная плита 4, поддерживающая ванну 3, служащую в качестве резервуара для жидкого вещества.
Стереолитографическая машина 1 также включает стопорный механизм 5, служащий для закрепления ванны 3 на опорной плите 4 таким образом, чтобы обеспечить не менее одного устойчивого положения покоя ванны 3.
Предусмотрено также излучающее устройство 6, которое предназначено для направления электромагнитного излучения 6а с заданными характеристиками по направлению к ванне 3 в момент, когда ванна находится в вышеуказанной устойчивой позиции для получения выборочного отверждения жидкого вещества.
В предпочтительном, но не обязательном варианте в качестве указанного жидкого вещества применяется светочувствительная смола, которая полимеризуется под воздействием светового излучения, а в качестве электромагнитного излучения 6а с заданными характеристиками применяется луч лазера.
Настоящее изобретение особенно целесообразно для стереолитографической машины 1, в которой слой смолы, подвергающийся излучению, прилегает ко дну 3а ванны 3.
В данном случае дно 3а ванны 3 проницаемо для электромагнитного излучения и опорная плита 4, снабженная сквозным отверстием 4а, обращена ко дну 3а в момент, когда ванна 3 находится в вышеуказанной устойчивой позиции, а дно 3а доступно для воздействия электромагнитного излучения.
Стереолитографическая машина 1 также включает модельную плиту 29, не приведенную на чертежах, предназначенную для поддержания трехмерного объекта в процессе его формирования.
Указанная модельная плита 29 обращена рабочей плоскостью к опорной плите 4 и связана с рамой 2 посредством силового устройства 30, предназначенного для перемещения модельной плиты 29 в соответствии с направлением движения Z ортогонально к опорной плите 4.
Кроме того, стереолитографическая машина 1 включает механизм перемещения 7, функционально связанный с опорной плитой 4 посредством первого приводного устройства 8.
Механизм перемещения 7 и первое приводное устройство 8 установлены таким образом, чтобы перемещать ванну 3 относительно опорной плиты 4 в соответствии с заданной траекторией перемещения.
Указанное перемещение позволяет изменять положение ванны 3 относительно рабочей зоны излучающего устройства 6, которая постоянно соответствует области сквозного отверстия 4а опорной плиты 4.
В предпочтительном варианте возможность вышеописанного перемещения позволяет использовать ванну 3 большего размера по сравнению с рабочей зоной излучающего устройства 6, перемещающуюся после формирования каждого отдельного слоя трехмерного объекта, распределяя, таким образом, воздействие электромагнитного излучения по большей площади, нежели чем дно 3а ванны 3.
Как следствие, перемещение ванны 3 позволяет увеличить количество воздействий на дно 3а, приводящих к потере светопроницаемости, таким образом достигается цель увеличения срока полезного использования ванны по сравнению со сроком эксплуатации ванн в стереолитографических машинах известных типов.
В предпочтительном варианте вышеупомянутый объект формируется без необходимости расширения рабочей зоны излучающего устройства 6, вследствие чего ограничиваются габаритные размеры и стоимость машины 1.
Более того, возможность использования одной и той же ванны 3, выдерживающей большее количество воздействий, способствует производству трехмерных объектов, состоящих из большего количества слоев, то есть более высоких объектов, чем это позволяют машины известных типов, при этом реализуется другая цель изобретения.
Механизм перемещения 7 и соответствующее первое приводное устройство 8 в предпочтительном, но не обязательном варианте устанавливаются так, чтобы способствовать возникновению поступательного перемещения ванны 3 в направлении первого направления перемещения X.
В предпочтительном варианте механизм перемещения 7 снабжен двумя соосно расположенными контактными элементами 9 и 10, каждый из которых в отдельности установлен напротив соответствующей боковой стенки ванны 3, когда она находится в неподвижном положении на опорной плите 4 и ее расположение задает вышеуказанное первое направление перемещения X.
В предпочтительном, но не ограничивающем варианте, расстояние между двумя контактными элементами 9 и 10 равно длине ванны 3 для того, чтобы обеспечить точное перемещение последней в обе стороны вдоль первого направления перемещения X.
Контактные элементы 9 и 10 в предпочтительном варианте соединены с соответствующими оконечностями толкателя 11, подвижно связанного с рамой 2 стереографической машины 1 в соответствии с вышеуказанным первым направлением перемещения X.
Это дает возможность применения единственного силового привода для перемещения обоих контактных элементов 9 и 10 и ведет к возникновению преимущества ввиду упрощения конструкции машины 1.
Очевидно, что в различных вариантах изобретения контактные элементы 9 и 10 могут перемещаться независимо друг от друга.
В предпочтительном, но не ограничивающем варианте, вышеуказанный электродвигатель 8а функционально связан с толкателем 11 посредством реечной передачи 12, обеспечивающей точное перемещение в обе стороны вдоль первого направления перемещения X.
Контактный элемент 10 в предпочтительном исполнении связан с соответствующей оконечностью толкателя 11 посредством шарнирного соединения с возможность поворота в горизонтальной плоскости и, таким образом, освобождать ванну 3, что обеспечивает возможность ее легкого извлечения путем плавного выдвижения вдоль первого направления перемещения X.
В различных вариантах изобретения, не приведенных в настоящем документе, механизм перемещения 7 и соответствующее первое приводное устройство 8 установлены таким образом, чтобы способствовать поступательному перемещению ванны 3 также в соответствии со вторым направлением перемещения, связанным с указанным первым направлением перемещения X.
В предпочтительном варианте сочетание поступательных перемещений ванны 3 в соответствии с вышеуказанными двумя направлениями перемещения позволяет увеличить размеры ванны, что ведет к повышению срока ее полезного использования.
Очевидно, что поступательные перемещения в соответствии с двумя вышеуказанными направлениями перемещения могут осуществляться как одновременно, так и последовательно, на усмотрение производителя.
Совершенно очевидно, что в различных дополнительных вариантах настоящего изобретения, не описанных в настоящем документе, механизм перемещения 7 и первое приводное устройство 8 могут быть установлены так, чтобы также осуществлять вращение ванны 3 в дополнение к вышеописанным поступательным движениям.
В предпочтительном варианте и в соответствии с рисунком 2, на котором рама 2 и ванна 3 не представлены для большей ясности, опорная плита 4 снабжена направляющим устройством 13, которое препятствует перемещению ванны 3 в заданном направлении Y параллельно опорной плите 4 и перпендикулярно вышеописанному первому направлению перемещения X.
В предпочтительном варианте направляющее устройство 13 позволяет поддерживать ванну 3 постоянно выровненной соответственно первому направлению перемещения X во время ее перемещения посредством механизма перемещения 7.
В предпочтительном варианте в соответствии с рисунком 3 и детализацией на рисунке 4, вышеупомянутое направляющее устройство 13 содержит противодействующие элементы 14, каждый из которых подвижно связан с опорной плитой 4 посредством пружинящих элементов 16, действующих в вышеописанном заданном направлении Y так, что противодействующие элементы 14 постоянно упираются в соответствующую стенку ванны 3.
Противодействующие элементы 14 могут размещаться любым образом и в любом количестве, однако предпочтителен вариант их парной установки относительно соответствующей стенки ванны 3.
Стопорный механизм 5 включает второе приводное устройство 17, осуществляющее приведение стопорного механизма 5 в активное состояние, при котором ванна 3 фиксируется на опорной плите 4, или в состояние покоя, при котором ванна 3 находится в свободном положении относительно опорной плиты и может быть перемещена механизмом перемещения 7 в новое положение.
В предпочтительном варианте и в соответствии с рисунком 3, стопорный механизм 5 включает два прижимных элемента 18, установленных вблизи двух соответствующих стенок ванны 3. Прижимные элементы 18 приведены на рисунке в состоянии покоя, что очевидно ввиду их положения в верхней позиции.
Как показано в увеличенном масштабе на рисунке 5, каждый прижимной элемент 18 подвижно связан с опорной плитой 4 и взаимодействует с противолежащей поверхностью 22 опорной плиты 4 для запирания прилежащих стенок ванны 3.
Каждый прижимной элемент 18 предпочтительно включает опорный элемент 19, установленный перпендикулярно опорной плите 4 и связанный с ней посредством направляющих 15.
Конструкция второго приводного устройства 17 для перемещения прижимных элементов 18 представлена на рисунке 6, на котором для большей ясности рама 2 не показана.
Второе приводное устройство 17 включает перемещаемые двигателем параллельно опорной плите 4 ползуны 23, в предпочтительном, но не ограничивающем варианте перемещающиеся параллельно направлению X.
Ползун 23 выполнен с поверхностью 23а, наклонной по отношению к опорной плите 4, и подвижно связан с одним концом опорного элемента 19, предпочтительно посредством роликового подшипника 31.
Каждый опорный элемент 19 предпочтительно перемещается в центральной прорези соответствующего ползуна 23, в предпочтительном варианте с возможностью обеспечения совмещения центра ползуна 23 с опорным элементом 19.
Очевидно, что перемещение ползуна 23 в соответствующем рабочем направлении вызывает перемещение прижимного элемента 18 в направлении, перпендикулярном опорной плите 4.
Перемещение ползуна 23 из исходного положения, приведенного на рисунке 7, в рабочее положение, приведенное на рисунке 8, вызывает приближение прижимных элементов 18 к ванне 3 до момента, пока последняя не будет прижата к плоскости 22, которая, в соответствии с описанием различных вариантов, выступает поверхностью опорной плиты 4. Вышеуказанное перемещение ползуна приводит, таким образом, к запиранию ванны 3.
В предпочтительном варианте каждый прижимной элемент 18 функционально связан с двумя ползунами 23, установленными по одному на каждом конце прижимного элемента 18.
В предпочтительном варианте, управление каждым прижимным элементом 18 с применением двух ползунов 23 позволяет достичь равномерного воздействия прижимного элемента 18 по всей его длине.
В предпочтительном варианте и в соответствии с видом на рисунке 6, все ползуны 23 функционально связаны с единой поводковой пластиной 32, выполненной с возможностью перемещения вдоль нижней поверхности опорной плиты 4 посредством установленных роликовых подшипников 33 и перемещаемой электродвигателем 17а.
В предпочтительном варианте возможность одновременного приведения в действие всех ползунов 23 позволяет достичь синхронизации и в силу этого получить однородное прижимающее усилие по всей длине кромок ванны 3, предотвращая перемещение или деформацию последней на этапе прижатия.
В предпочтительном варианте стопорный механизм 5, описанный выше, имеет компактные размеры и позволяет задать предельные габаритные размеры машины 1, главным образом в нижней области под опорной плитой 4, где размещается излучающее устройство 6.
Использование механического привода для перемещения прижимных элементов 18 позволяет избежать применения гидравлических или пневматических устройств, приводящих к существенному усложнению конструкции.
В предпочтительном варианте ползуны 23 позволяют получить медленное постепенное перемещение, отличное от перемещения в случае применения других видов привода, например соленоидного привода.
Конструкция вышеописанного стопорного механизма 5, в котором перемещение прижимных элементов осуществляется перпендикулярно к опорной плите 4, обеспечивает надежное запирание ванны 3 и ее точную посадку на опорной плите 4.
Этот отличительный признак изобретения является исключительным преимуществом для типа стереолитографических машин, описанного в настоящем документе, в которых жидкое вещество отверждается на уровне слоя, прилегающего ко дну 3а ванны 3.
Размещение ванны 3 на поверхности опорной плиты 4 обеспечивает точное позиционирование ее дна 3а по отношению к модельной плите 29 и, в силу этого, позволяет формировать слои равномерной толщины.
В случае применения в машине 1 лазерного луча, луч фокусируется с высокой точностью и на предельно минимальном расстоянии от дна 3а ванны 3, поэтому точность установки дна 3а в заданном положении играет исключительно важную роль для получения хороших результатов.
Также очевидно, что в различных вариантах настоящего стопорный механизм 5 может иметь иную конструкцию, отличающуюся от вышеописанной, при условии, что она предназначена для обеспечения фиксации ванны 3 на опорной плите 4 и ее снятия с плиты 4.
Количество, порядок размещения и направление перемещения прижимных элементов 18 могут отличаться от вышеуказанных данных.
В предпочтительном варианте каждый прижимной элемент 18 включает два упора 20, 21, представленные более детально на рисунке 5 и выступающие с противоположных сторон опорного элемента 19 параллельно опорной плите 4.
Упоры 20, 21 снабжены соответствующими контактными элементами 20а, 21а установленными так, что они размещены соответственно напротив ванны 3 и базовой поверхности 24, относящейся к опорной плите 4 в случае, когда прижимной элемент 18 установлен в рабочем положении.
Наличие двух упоров 20 и 21 позволяет распределять нагрузки, которым подвергается опорный элемент 19 в процессе прижатия ванны 3 с возникновением изгибающих моментов преимущественно в направляющих опорного элемента 19 и, таким образом, увеличить срок эксплуатации направляющих.
Опорная плита 4 в предпочтительном, но не ограничивающем варианте, включает подъемный узел 25, установленный для поднятия ванны 3 относительно опорной плиты 4.
В предпочтительном варианте подъемный узел 25 предотвращает трение дна 3а ванны 3 с поверхностью опорной плиты 4 в процессе перемещения.
В предпочтительном варианте и в соответствии с видом на рисунке 2, подъемный узел 25 включает одну пару подвижных элементов 26, каждый из которых установлен внутри соответствующего паза 27, выполненного в опорной плите 4.
На рисунке 4 в увеличенном масштабе можно видеть, что каждый подвижный элемент 26 связан с упругим элементом 28, способным приводить к самопроизвольному поднятию подвижного элемента 26 над поверхностью опорной плиты 4.
Очевидно, что упругий элемент 28 устанавливается так, чтобы обеспечить поднятие ванны 3 вместе с жидким веществом, содержащимся в ней.
Подвижный элемент 26 предпочтительно включает плашку 34, снабженную сквозным отверстием 35 и подвижно связанную с соответствующей осью 36 в опорной плите 4.
Ось 36 выполнена с увеличенной головкой 36а, ограничивающей рабочий ход перемещения вверх соответствующей плашки 34.
Высота плашки 34 меньше высоты паза 27, поэтому, когда ванна 3 опускается, плашка 34 утапливается в соответствующем пазу 27, вследствие чего ванна 3 устанавливается на поверхность опорной плиты 4.
Функционально ванна 3 устанавливается на опорную плиту 4 путем ее перемещения под прижимные элементы 18 в соответствии с первым направлением перемещения X и с поднятым контактным элементом 10, до момента достижения стенкой ванны другого контактного элемента 9.
Путем поворота на соответствующей оси шарнира контактный элемент 9 опускается и таким образом достигается компоновка машины в объеме, представленном на рисунке 1.
При установке ванны 3 подъемный узел 25 удерживает ванну 3 приподнятой относительно поверхности опорной плиты 4, как показано на рисунке 3.
Перед началом формирования очередного слоя трехмерного объекта ванна 3 фиксируется путем установки прижимного элемента 18 в рабочее положение, показанное на рисунке 8.
Таким образом, ванна 3 прижимается к поверхности опорной плиты 4 для ее фиксации на плите и предотвращения ее поднятия, которое может быть вызвано «эффектом всасывания», описанным ранее, а также для предотвращения любого перемещения, параллельного опорной плите, которое может повлиять на равномерность и целостность формируемого слоя.
После окончания формирования слоя трехмерного объекта стопорный механизм 5 разблокирует ванну 3, которая вследствие этого приподнимается посредством подъемного узла 25.
Механизм перемещения 7 постепенно сдвигает ванну 3 в первом направлении перемещения X для изменения ее положения относительно сквозного отверстия 4а опорной плиты 4, которым определяется область воздействия электромагнитного излучения 6а.
В процессе перемещения направляющее устройство 13 обеспечивает точное выравнивание ванны 3 относительно опорной плиты 4, воздействуя на противоположные стенки ванны 3.
В предпочтительном варианте изобретения механизм перемещения 7, стопорный механизм 5, излучающее устройство 6 и модельная плита 29 управляются посредством единого логического управляющего устройства, координирующего все их действия и не описанного в настоящем документе по причине общеизвестности этого устройства, как такового.
Вышесказанное ясно демонстрирует, что стереолитографическая машина, описанная в настоящем документе, достигает всех целей изобретения.
Существенной особенностью изобретения является возможность перемещения ванны в процессе формирования трехмерного объекта, что позволяет распределить воздействие электромагнитного излучения на различные участки дна ванны.
Благодаря этому, воздействие излучения, вследствие которого ванна становится светонепроницаемой, распределяется по дну ванны с поверхностью, большей, чем в стереолитографических машинах известного типа, что увеличивает продолжительность полезного использования ванны.
Более продолжительный срок эксплуатации ванны, помимо прочего, позволяет формировать трехмерные объекты, содержащие большее количество слоев, вследствие чего объекты могут иметь высоту, превышающую достигаемую на машинах известного типа.
Кроме того, фиксация ванны при размещении ее на опорной плите обеспечивает идеальную обездвиженность ванны в процессе формирования очередного слоя объекта.
Возможность отделения ванны от опорной плиты, более того, позволяет осуществлять ее легкое снятие для замены без необходимости разборки машины.
В ходе практической реализации конструкция стереолитографической машины, являющейся предметом настоящего изобретения, может претерпеть дополнительные изменения, которые следует, тем не менее, и несмотря на то, что они не указаны на чертежах и в настоящем документе, считать предусмотренными настоящим патентом при условии, что они не выходят за пределы объема настоящего изобретения, изложенного в приведенной далее формуле.
В тех случаях, когда технические признаки, предусмотренные любым пунктом настоящего изобретения, сопровождаются номерами позиций, такие ссылочные позиции включены исключительно в целях повышения ясности и понятности формулы изобретения и, соответственно, такие ссылочные позиции никоим образом не имеют ограничительных последствий в части объема правовой охраны каждого такого элемента, указанного посредством такой отсылки.