МАШИНА ДЛЯ СТЕРЕОЛИТОГРАФИИ С УЛУЧШЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ БЛОКОМ
STEREOLITHOGRAPHY MACHINE WITH IMPROVED OPTICAL UNIT

Область техники, которой относится изобретение
Изобретение относится к машине для стереолитографии, способной создавать трехмерные объекты посредством наложения множества слоев, причем каждый слой получают путем селективного отверждения жидкого вещества в областях, соответствующих объему создаваемого объекта.
Уровень техники
Машина для стереолитографии известного типа содержит контейнер с жидким веществом, главным образом, светочувствительной смолой в жидком или пастообразном состоянии.
Машина также содержит источник, главным образом, люминесцентного типа, испускающий излучение, пригодное для отверждения жидкого вещества.
Оптический блок обеспечивает передачу указанного излучения в направлении базовой поверхности, размещенной внутри контейнера, соответствующем положению слоя подлежащего отверждению объекта.
Образуемый трехмерный объект поддерживает моделирующая пластинка, которая может перемещаться вертикально по отношению к контейнеру так, что можно разместить последний отверждаемый слой объекта в положении, смежном с указанной базовой поверхностью.
В этом случае, после отверждения каждого из слоев, моделирующую пластинку перемещают так, чтобы еще раз разместить отвержденный слой рядом с базовой поверхностью, после чего процесс повторяют для следующего слоя.
Машины для стереолитографии указанного типа разделяют на два варианта, раскрытые, например, в итальянской заявке с номером VI2010A000004 на патент для промышленного изобретения, от имени автора настоящего изобретения.
Согласно первому из указанных вариантов осуществления, базовую поверхность располагают у основания контейнера, прозрачного для излучения.
В этом случае, жидкое вещество облучают снизу, а трехмерный объект формируют под моделирующей пластинкой.
Согласно второму варианту осуществления, базовую поверхность располагают на уровне свободной поверхности жидкого вещества.
Во втором случае, жидкое вещество облучают сверху, а трехмерный объект формируют над моделирующей пластинкой.
В обоих вариантах излучение может проходить к различным точкам базовой поверхности с использованием разных оптических блоков известного типа.
Первый тип оптического блока содержит матрицу из зеркал, управляемых индивидуально так, чтобы спроектировать изображение слоя объекта на заранее установленной поверхности.
В частности, каждое зеркало может принимать два разных положения, активное положение, в котором излучение отражается в направлении соответствующей точки на базовой поверхности, и пассивное положение, в котором излучение отражается в направлении области разброса.
Указанные матрицы из зеркал способны облучать всю базовую поверхность одновременно, таким образом, становится возможным получение каждого слоя за одно воздействие и, следовательно, особенно быстрым образом.
Однако, матрицы из зеркал имеют ограниченное разрешение, что влечет за собой недостаток, проявляющийся в получении объектов с неровными гранями.
Другой недостаток упомянутых выше систем заключается в том, что генерируемое ими изображение имеет равномерную интенсивность свечения на всей его поверхности.
Это приводит к тому, что указанные системы не позволяют модулировать мощность света в различных областях базовой поверхности.
Во втором типе оптического блока, излучение направляют к единственной точке базовой поверхности и указанную точку перемещают по такой траектории, чтобы постепенно облучить ту часть базовой поверхности, которая соответствует объему объекта.
По сравнению с описанным выше типом оптического блока этот оптический блок предлагает преимущество, заключающееся в возможности направления светового луча к любой точке на базовой поверхности, создавая непрерывные траектории и, таким образом, получая объекты без дефектов, характерных для оптических блоков описанного выше типа.
Кроме того, этот тип оптических блоков, преимущественно, позволяет изменять интенсивность свечения в различных областях базовой поверхности.
Согласно известному варианту осуществления оптического блока второго описанного выше типа, источник лазерного излучения выполнен с возможностью перемещения в двух перпендикулярных осях посредством механического устройства.
Этот вариант осуществления обладает теми недостатками, что перемещения светового луча происходят медленно и что, кроме того, механическое устройство, используемое для перемещения светового луча, несет в себе риск поломки и, по этой причине, необходимо соответствующее техническое обслуживание.
Согласно другому варианту осуществления оптического блока, для направления светового луча используют неподвижный источник и одну пару гальванометрических зеркал, расположенных последовательно один за другим.
Каждое зеркало моторизируют, чтобы обеспечить его вращение вокруг соответствующей оси вращения, перпендикулярной оси другого зеркала, так что комбинация этих вращений позволяет направлять луч к любой точке базовой поверхности.
В сравнении с ранее описанной известной системой, проиллюстрированная выше система предлагает преимущества, позволяющие перемещать луч очень быстро, благодаря меньшей инерции гальванометрических зеркал, и обеспечить большую надежность, благодаря использованию меньшего количества механических компонентов.
Несмотря на объясненные выше преимущества, только что раскрытый оптический блок требует, чтобы два зеркала были выстроены в линию во время конструирования машины, чтобы получить правильное отражение светового луча.
Фактически, с целью направления луча соответственно положениям зеркал, необходимо, чтобы луч падал на оба зеркала на уровне, соответствующем осям вращений.
Вышеупомянутая операция выстраивания в линию обладает недостатком, заключающимся в том, что такая операция является сложной и и увеличивает стоимость машины для стереолитографии.
Указанный недостаток также возникает, во время использования, при поломке одного или обоих зеркал, что требует их замены и корректного их выстраивания в линию.
Другим недостатком является тот факт, что гальванометрические зеркала относительно дороги, это существенно влияет на стоимость самой машины для стереолитографии.
Оптический блок на основе гальванометрических зеркал также обладает другим недостатком - он относительно громоздкий.
Высокая стоимость и большой размер делают стереолитографическую машину непригодной для мелкосерийного производства, что может быть востребовано в малом предпринимательстве.
Кроме того, гальванометрические зеркала содержат некоторые механические компоненты, подвергающиеся износу, которые ограничивают их преимущества в сравнении с механическими устройствами перемещения, упомянутыми выше.
Гальванометрические зеркала, кроме того, отличаются немалой инерцией, что влияет на скорость отклонения светового луча и, следовательно, также сказывается на продолжительности всего процесса.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение ставит своей целью преодоление всех вышеупомянутых недостатков, присущих известному уровню техники.
В частности, одной из целей изобретения является обеспечение машины для стереолитографии, предлагающей те же преимущества, что и машины для стереолитографии известного типа на основе гальванометрических зеркал, и которая, кроме того, более проста в производстве и в использовании по сравнению с последними.
В частности, одной целью настоящего изобретения является исключение описанной выше операции выстраивания зеркал в линию, как во время производства, так и во время использования.
Указанные цели достигаются в машине для стереолитографии, сконструированной в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения.
Кроме того, характеристики изобретения проиллюстрированы в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Преимущественно, отсутствие необходимости в выстраивании зеркал в линию существенно упрощает конструкцию машины для стереолитографии согласно изобретению по сравнению с машинами известного типа, что, следовательно, снижает стоимость.
Можно считать, что указанное преимущество обеспечивается также тогда, когда, во время использования, необходимо заменить оптический блок, что приводит к сокращению затрат на обслуживание машины.
Кроме того, преимуществом является также то, что машина для стереолитографии согласно изобретению имеет меньшие общие размеры, чем машины известного типа с эквивалентными потенциальными возможностями.
Оба преимущества, проиллюстрированные выше, делают машину для стереолитографии согласно изобретению пригодной также для мелкосерийного производства, для которого не подходят машины известного типа.
Краткое описание чертежей
Указанные цели и преимущества вместе с другими, проиллюстрированными ниже, будут понятны из следующего описания некоторых предпочтительных вариантов осуществления изобретения, раскрытых посредством неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показана машина для стереолитографии согласно изобретению;
- на фиг. 2 показана деталь машины для стереолитографии, изображенной на фиг. 1.
Осуществление изобретения
Машина для стереолитографии, являющаяся объектом настоящего изобретения, обозначенная целиком номером 1 на фиг. 1, позволяет получать трехмерный объект 15 посредством процесса, согласно которому множество слоев накладывают один на другой, указанные слои получают через селективное воздействие на жидкое вещество 14 заранее установленным излучением 3а, пригодным для его отверждения. Предпочтительно указанное жидкое вещество 14 является жидкой светочувствительной смолой, а заранее установленное излучение 3а является лазерным светом с частотой в видимой или ультрафиолетовой области.
Очевидно, в вариантах конструкции изобретения, жидкое вещество 14 может быть веществом любого типа, жидким или пастообразным, отвергающимся при воздействии заранее установленного излучения 3а.
Аналогично указанный источник 3 излучения 3а может испускать тип излучения 3а, отличный от упомянутого выше, отверждающий жидкое вещество 14.
Машина 1 для стереолитографии содержит контейнер 2 для указанного жидкого вещества 14 и моделирующую пластинку 16, пригодную для поддержки формируемого объекта 15 и моторизированную относительно вертикального перемещения по оси Z.
Машина 1 содержит также источник 3, пригодный для испускания заранее установленного излучения 3а, и оптический блок 4, пригодный для направления излучения 3а к любой точке на базовой поверхности, расположенной внутри контейнера 2 на уровне объема, занятого жидким веществом 14.
Предпочтительно, указанная базовая поверхность является плоской и расположена у дна 2а контейнера 2.
В этом случае оптический блок 4 выполнен с возможностью направления заранее установленного излучения 3а в направлении снизу вверх, так что оно падает на дно 2а.
Кроме того, дно 2а прозрачно для излучения 3а, так что последнее может падать на жидкое вещество 14, расположенное у дна, и отверждать его.
Согласно этому варианту осуществления изобретения, трехмерный объект 15 создают под моделирующей пластинкой 16, что показано на фиг. 1.
Согласно варианту осуществления изобретения, не проиллюстрированному в настоящем документе, наоборот, оптический блок выполнен с возможностью направления излучения 3а сверху в низ на свободную поверхность жидкого вещества 14 в контейнере 2.
В этом случае объект создают над моделирующей пластинкой 16.
В обоих вариантах осуществления машина 1 для стереолитографии содержит логический блок 6 управления, выполненный с возможностью управления оптическим блоком 4 и/или источником 3 так, чтобы селективно облучать жидкое вещество 14 излучением 3а на уровне заранее заданной части базовой поверхности.
В частности, указанная заранее заданная часть соответствует части объема, соответствующей, время от времени, каждому слою трехмерного объекта 15.
Согласно изобретению оптический блок 4 содержит микро-опто-электро-механическую систему 7 в интегрированной технологической схеме, известную под аббревиатурой МОЭМС.
Как известно, устройства МОЭМС производят с использованием той же технологии, что используется в микроэлектронике для создания интегрированных схем, например, путем отложения твердого осадка, фотолитографии, гравировки и т.п.
Указанная микро-опто-электро-механическая система 7, возможный вариант осуществления которой схематично показан на фиг. 2 в виде неограничивающего примера, содержит миниатюризованное зеркало 8, связанное с опорной конструкцией 9 через шарнирные соединения 7b, сконфигурированные так, чтобы определять две различные оси X, Y вращения зеркала 8 относпительно конструкции 9, пересекающие друг друга и, предпочтительно, взаимно перпендикулярные.
Указанная микро-опто-электро-механическая система 7 также содержит привод 7а известного типа, пригодный для перемещения зеркала 8 вокруг каждой из двух указанных осей X и Y, независимо от перемещения вокруг другой оси.
Указанный привод 7а может быть электростатическим, магнитным, термомеханическим или любого другого известного типа, который может быть получен посредством указанной технологии МОЭМС.
Зеркало 8 располагают по отношению к источнику 3 и контейнеру 2 так, что оно может отражать предварительно установленное излучение 3а таким образом, чтобы направлять его к любой точке базовой поверхности через соответствующую комбинацию поворотов вокруг двух осей X, Y.
Поэтому изобретение делает возможным использование одного зеркала 8 для направления излучения 3а к любой точке базовой поверхности.
Следовательно, исключается необходимость выстраивания в нескольких зеркал друг с другом, как в случае известного из уровня техники решения, описанного выше, тем самым, достигается цель упрощения производства машины 1 для стереолитографии и, следовательно, уменьшается ее стоимость.
Очевидно, указанное преимущество обеспечивается также в случае замены микро-опто-электро-механической системы 7 или ее части во время использования, тем самым, уменьшают затраты на ремонт и обслуживание машины 1.
Тем не менее, преимущественно, раскрытая выше микро-опто-электро-механическая система 7 не требует высокой точности углового позиционирования во время сборки.
На самом деле, любое незначительное изменение углового положения микро-опто-электро-механической системы 7 включает в себя только перемещение базовой поверхности по отношению к контейнеру 2, без значительных искажений формы базовой поверхности и ее заранее заданной части, подвергающейся облучению.
Преимущественно, микро-опто-электро-механическая система 7 имеет низкую стоимость по сравнению с системой на основе гальванометрических зеркал, что позволяет дополнительно сократить стоимость машины 1 для стереолитографии.
Кроме того, преимущественно, микро-опто-механическая система 7 имеет более низкую инерцию, чем гальванометрические зеркала, тем самым, делая возможным получение более высоких угловых скоростей и, тем самым, сокращая время, необходимое для создания трехмерного объекта 15, по сравнению с машинами для стереолитографии известного типа, при достижении той же формы объекта.
Также преимущественно, микро-опто-электро-механическая система 7 имеет меньшие общие размеры по сравнению с обычными общими размерами оптических блоков с гальванометрическими зеркалами с аналогичной потенциальной возможностью, таким образом, система позволяет уменьшить общие размеры машины 1 для стереолитографии.
Следовательно, изобретение делает возможным производство машины 1 для стереолитографии, пригодной, благодаря сокращению затрат и ограничению общих размеров, также для использования в областях, в которых машины для стереолитографии известного типа не применимы.
Кроме того, преимущество предлагаемой микро-опто-электро-механической системы 7 заключается в потреблении меньшего количества энергии, по сравнению с системой с гальванометрическими зеркалами известного типа, имеющей эквивалентные потенциальные возможности.
Уменьшенное энергопотребление в комбинации с ее компактностью позволяют подавать энергию на машину 1 для стереолитографии от батарейки, что делает ее портативной.
Кроме того, следует понимать, что раскрытая выше машина 1 для стереолитографии имеет все преимущества, типичные для систем, использующих оптические блоки с гальванометрическими зеркалами, в частности, с одинаковой точностью и возможностью модулирования энергии излучения 3а в различных областях объекта 15.
Предпочтительно, как показано на фиг. 2, шарнирные сочленения 7b содержат подвижную раму 10, поддерживающую зеркало 8 с возможностью поворота вокруг оси X вращения и связанную с опорной конструкцией 9 с возможностью поворота вокруг оси Y вращения.
Такой тип соединения обеспечивает независимые повороты зеркала 8 относительно каждой из упомянутых выше осей X и Y вращения.
Кроме того, предпочтительно, зеркало 8, раму 10 и опорную конструкцию 9 получают в виде единого элемента и связывают друг с другом в соответствующих соединительных областях 11 и 12, принадлежащих шарнирным сочленениям 7b, и достаточно тонких, чтобы быть гибкими относительно соответствующих осей X и Y вращения, тем самым, позволяя зеркалу 8 поворачиваться относительно рамы 10 и далее относительно опорной конструкции 9.
В частности, каждая из указанных соединительных областей 11, 12 работает как пружина кручения, которая может быть деформирована до определенной степени, в зависимости от управляющего напряжения устройства.
Очевидно, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения микро-опто-электро-механическая система 7 может быть любой формы, обеспечивающей возможность вращения зеркала 8 вокруг двух осей, независимых и пересекающих друг друга.
Привод 7а, перемещающий зеркало 8, предпочтительно выполнен с возможностью вращения последнего вокруг каждой из осей X, Y на основании значения управляющего сигнала, посылаемого логическим блоком 6 управления и представляющего угловое положение, которое должно принять зеркало 8.
В частности, логический блок 6 управления выполнен с возможностью перемещения зеркала 8 так, чтобы излучение 3а падало внутрь на заранее заданную часть, соответствующую слою формируемого объекта 15, следуя одной или нескольким непрерывным траекториям.
Предпочтительно, но не обязательно, указанное перемещение осуществляют по единственной непрерывной траектории, покрывающей всю поверхность заранее заданной части.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения микро-опто-электро-механическая система 7 и соответствующий привод 7а сконфигурированы так, чтобы сгенерировать цикличное перемещение зеркала 8, чтобы излучение 3а постепенно облучало всю базовую поверхность на каждом цикле.
Например, указанное цикличное перемещение может содержать колебание зеркала 8 относительно одной из двух осей X, Y, альтернативно, в двух направлениях вращения, предпочтительно, достигаемое использованием резонансной частоты соответствующих соединительных областей 11 или 12, вместе с вращением на другой оси согласно одному направлению.
В этом случае, излучение 3а падает на базовую поверхность 5 и описывает зигзагообразную траекторию, которая с каждым из сегментов пересекает базовую поверхность 5 в одном из ее измерений и, в то же время, перемещается относительно другого измерения.
В последнем варианте осуществления логический блок 6 управления выполнен с возможностью изменения интенсивности излучения от источника 3 во время указанного цикличного перемещения зеркала 8.
В частности, когда точка атаки находится внутри заранее заданной части базовой поверхности 5, интенсивность излучения от источника 3 увеличивают так, чтобы отвердить жидкое вещество 14 в этой точке, в то время как в случае, если точка атаки находится вне заранее заданной части, интенсивность уменьшают, чтобы предотвратить отверждение соответствующей части жидкого вещества 14.
Раскрытая выше микро-опто-электро-механическая система 7, предпочтительно, принадлежит интегрированной схеме, снабженной контактами для электрического соединения с машиной 1, снабженной соответствующим соединителем или базой, выполненной таким образом, чтобы вмещать указанные контакты, и позволить интегрированной схеме быть механически зафиксированной в машине 1.
Предпочтительно, указанный соединитель или база относятся к такому типу, что их вставка требует приложения небольших усилий.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, микро-опто-электро-механическая система 7 может быть приварена непосредственно на опору электронной схемы, предотвращая использование соединителя или базы.
Оптический блок 4, предпочтительно, содержит одну или более линз 13, предназначенных для фокусировки излучения 3а на базовой поверхности 5.
Предпочтительно, указанная линза 13 является, так называемой, линзой типа «ровного поля», чтобы сфокусировать излучение 3а на плоскости базовой поверхности.
С точки зрения эксплуатации, микро-опто-электро-механическую систему 7 располагают в машине 1 для стереолитографии так, что зеркало 8 выстраивают в линию с излучением 3а, производимым источником 3.
Предпочтительно, положения источника 3 и микро-опто-электро-механической системы 7 такие, что, когда зеркало 8 не повернуто, а именно, когда соединительные области 11, 12 не подвергнуты скручиванию, излучение 3а отражают к центральной точке базовой поверхности 5.
Однако, согласно вышесказанному, любые незначительные угловые смещения микро-опто-электро-механической системы 7 не оказывают влияния на функциональность машины 1.
Что касается производства реального трехмерного объекта 15, его производят с помощью известной процедуры, аналогичной той, что используют в оптических блоках с гальванометрическими зеркалами и которая известна.
Согласно представленному выше описанию, следует понимать, что машина для стереолитографии согласно изобретению позволяет достичь всех поставленных целей.
В частности, замена двух гальванометрических зеркал, каждое из которых перемещается по единственной оси, микро-опто-электро-механической системой (МОЭМС) позволяет использовать одно зеркало, перемещающееся на двух независимых осях.
Наличие одного зеркала позволяет избежать процедуры выстраивания зеркал, что необходимо в машинах, снабженных гальванометрическими зеркалами, как во время производства машины, так и после осуществления любого ремонта или обслуживания зеркал, не ограничивая при этом потенциальные возможности машины.
Микро-опто-электро-механическая система, кроме того, является более экономичной, мене громоздкой, и потребляет меньше энергии, чем гальванометрические системы, что делает возможным производство машин для стереолитографии, пригодных для мелкосерийного производства, и которые даже могут быть портативными.
Другие варианты осуществления изобретения, даже не раскрытые в настоящем документе и не проиллюстрированные на чертежах, подпадают под правовую защиту согласно настоящему патенту, если они входят в объем представленной ниже формулы изобретения.
Технические элементы, упомянутые в любом из пунктов формулы изобретения, сопровождаются номерами позиций, номера позиций включены с единственной целью - повысить ясность формулы изобретения, и, соответственно, такие номера позиций не ограничивают объем правовой защиты каждого элемента, идентифицированного путем приведения в качестве примера таких номеров позиций.