Устройство и способ для увеличения сцепления составляющего слоя с несущим объектом
APPARATUS AND METHOD FOR INCREASING ADHESION OF COMPONENT LAYER WITH BEARING OBJECT

Настоящее изобретение относится к способу для сцепления объекта с подложкой объекта в процессе стереолитографии, при этом объект формируют путем отверждения светочувствительного вещества под действием отверждающего излучения, при котором в по меньшей мере одной частичной зоне подложки объекта на подложку объекта направляют дополнительное излучение в направлении, отличном от направления отверждающего излучения, для прикрепления объекта с возможностью сцепления. Настоящее изобретение также относится к устройству для выполнения данного способа.
Известные способы и устройства, направленные на увеличение сцепления составляющих слоев в начале стереолитографического процесса. Примером служит техника, раскрытая в WO 2010/045951, при которой свет дополнительно вводят сверху в фотореактивное вещество через рабочую платформу со светопроницаемым дном. Как следствие, дополнительное излучение улучшает сцепление первых составляющих слоев. При этом данное известное решение имеет ряд недостатков: например, источник света расположен в самой рабочей платформе, и его перемещение происходит вместе с ней, несмотря на то, что источник света используют только для первых составляющих слоев. Для этого нужна подача электричества в рабочую платформу. Кроме того, выполнение источника света за одно целое с рабочей платформой существенно увеличивает ее себестоимость и не позволяет создать систему с возможностью разового применения. Кроме того, рабочую платформу нельзя поместить (или можно поместить, но с трудом) одновременно с расположенным на ней компонентом в очистительную установку или что-либо подобное, так как очищающая жидкость может проникнуть в рабочую платформу и загрязнить источник света.
Из US 2015/290874 А1 известно устройство, в котором световой рисунок направляют вокруг ванны на расположенный поверх нее объект. В данном случае используют зеркало, одновременно служащее и для облучения дна ванны.
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении трудностей и проблем, известных из уровня техники, для лучшего и более экономичного включения в концепцию оборудования для создания трехмерных объектов и для улучшения сцепления первых слоев объекта в процессе построения.
Для решения этой задачи, способ по настоящему изобретению предусматривает, в частности то, что подача дополнительного излучения происходит сбоку от в целом плоской проницаемой для излучения подложки объекта и его преломление в подложке объекта.
Устройство по настоящему изобретению отличается тем, что источник дополнительного излучения расположен сбоку на некотором расстоянии от подложки объекта, и тем, что подложка объекта, по меньшей мере, частично проницаема для дополнительного излучения.
Таким образом, при данной технике стереолитографии, сцепление объекта с подложкой объекта достигается за счет дополнительного излучения. Источники света не расположены в подложке объекта; источники света могут быть расположены на ограниченном расстоянии от нее и могут быть размещены, например, вокруг подложки объекта, при этом подложка объекта содержит множество отверстий или окон, по меньшей мере, частично светопроницаемых, с возможностью прохождения через них света внутрь и/или наружу. Например, подложка объекта может быть выполнена с возможностью перемещения независимо от источника дополнительного света и/или источника основного света, при этом оба источника света могут быть размещены и выполнены с возможностью облучения подложки объекта или ввода света на зону, содержащую, по меньшей мере, первый и/или первые два, пять, десять или двадцать составляющих слоев.
В настоящем описании под «светом» или «излучением» понимают электромагнитное излучение любого типа, например, также ультрафиолетовое излучение или инфракрасное излучение. Источники света содержат по меньшей мере один излучатель, например, светодиод, могущий испускать излучение в по меньшей мере одном определенном диапазоне длины волны; предпочтительно, источники света содержат множество источников излучения, например, множество светодиодов с разными длинами волны и режимами излучения с возможностью покрытия всего диапазона длины волны, например, от 365 нм до 405 нм, и/или выборочной обработки. Предпочтительно, для ввода в рабочую платформу используют некую длину волны, обеспечивающую более глубокое отверждение фотореактивного вещества. Это может быть достигнуто, например, за счет того, что центральная длина волны будет находиться в диапазоне длины волны, в котором мощность применяемого фотоинициатора ниже (например, 405 нм). В этом случае центральная длина волны может отличаться, например, в УФ-диапазоне, на 5 нм, 10 нм, 20 нм, 40 нм или более в зависимости от применяемого фотоинициатора, от основного излучения, применяемого для отверждения фотореактивного вещества. Кроме того, источники света можно регулировать по времени и/или по интенсивности и независимо друг от друга.
Что касается конструкции, рабочая платформа предпочтительно выполнена с возможностью ввода излучения с наибольшей возможной эффективностью и наименьшим возможным рассеиванием излучения. В частности, рабочая платформа может быть выполнена с возможностью функционирования в качестве «световода» и содержать, например, камеру, в которой расположена по меньшей мере, частично отражающая поверхность (например, зеркальный лист, зеркальная пластина и т.п.) или, например, локально-регулируемое зеркало. Ввод излучения в рабочую платформу или подложку объекта можно осуществлять так, чтобы можно было достигнуть локальных максимумов интенсивности; это возможно, например, за счет изменения положения подложки объекта, изменения угла падения излучения и/или локального изменения преломляющего зеркала в подложке объекта, изменения тока светодиода, за счет цифрового микрозеркального устройства (ЦМУ), присутствующего в источнике основного света.
Предпочтительно, оба источника света можно использовать и для других целей, например, для освещения внутреннего пространства, для сигнализации стадии процесса (например, завершения объекта, паузы в процессе и прекращения процесса), для отверждения остального фотореактивного вещества и для дополнительного облучения сформированных компонентов, а также, например, в качестве источника света в комбинации с камерой для 3D-сканирования сформированного компонента. Для этого, например, по меньшей мере один из применяемых источников света, в зависимости от желаемой функции, может быть соответственно конструктивно выполнен из по меньшей мере одного источника излучения (светодиода) с некой центральной длиной волны и/или может быть оснащен оптической системой, и с возможностью целевого приведения в действие индивидуально или секциями (например, согласно горизонтальным или вертикальным рядам матрицы светодиодов) посредством контроллера в зависимости от интенсивности, длительности излучения, необязательно - в зависимости от диаграммы излучения (например, разметки), и положения ввода излучения. Это позволяет осуществлять ввод излучения в рабочую платформу в зависимости от местоположения, интенсивности и времени, а также обеспечивает возможность облучения или ввода излучения в разных положениях матрицы светодиодов и/или применения разных излучателей или длин волн. Таким образом, обеспечена возможность, например - при применении по меньшей мере одной панели УФ-светодиодов, приведения в действие только той зоны, излучение которое можно подвести в подложку объекта в соответствующем положении; позднее, например, после завершения трехмерного тела и соответствующих этапов последующей обработки (очистки объекта и т.п.), сформированный объект можно подвергнуть дополнительному облучению, например, путем приведения в действие всех УФ-светодиодов или всех применяемых панелей, например, с помощью источника дополнительного света и, необязательно, источника основного света.
С точки зрения создания простой недорогой конфигурации предпочтительно, чтобы дополнительное излучение было получено из отверждающего излучения. С другой стороны, во многих случаях также удобно использовать излучение, независимое от отверждающего излучения, в качестве дополнительного излучения. Кроме того, предпочтительно, чтобы подача дополнительного излучения в подложку объекта происходила через световод. Также можно обеспечить возможность регулирования дополнительного излучения в зоне сцепления во время процесса создания сцепления.
Что касается предложенного устройства, преимущество, в частности, состоит в том, что источник дополнительного излучения образован световодом. В этом случае, удобство также состоит в том, что световод соединен с источником основного стереолитографического излучения с возможностью проведения света.
Другое преимущество состоит в том, что создан источник дополнительного излучения, независимый от источника основного излучения.
Дополнительное удобство состоит в том, что подложка объекта выполнена частично проницаемой для излучения и, по меньшей мере, частично отражающей для преломления дополнительного излучения в зону сцепления для объекта. Подложка объекта также может содержать зеркальную поверхность. В этом случае дополнительное преимущество состоит в том, что зеркальная поверхность выполнена с возможностью диффузного отражения. При этом, подложка объекта также может быть выполнена с расположенным с возможностью перемещения преломляющим зеркалом. И наконец, предпочтительно, чтобы подложка объекта имела адгезионную основу, по меньшей мере, частично проницаемую для излучения.
Изобретение будет разъяснено ниже на предпочтительных примерах его осуществления, не являющихся ограничивающими, и на примере чертежей, где:
Фиг. 1 изображает схематический вид примера осуществления стереолитографического устройства;
Фиг. 2, 3 и 4 изображают виды вариантов осуществления такого устройства, модифицированные по сравнению с устройством на Фиг. 1;
Фиг. 5 и Фиг. 5а изображают варианты изобретения в части формы облучения; и
Фиг. с 6 по 10 изображают варианты ввода излучения в рабочую платформу;
i
Фиг. 1 изображает пример осуществления стереолитографического устройства 1, частично - в разрезе, при этом устройство 1 выполнено с возможностью послойного формирования из отдельных слоев 3, 3, по меньшей мере одного трехмерного тела или объекта 3, создаваемого путем выборочного перевода в твердое состояние или отверждения фотореактивного вещества 5, расположенного в ванне 7, причем параметры слоя формируют с помощью источника 9 основного света и (необязательно) с помощью преломляющего зеркала 11. Источник 9 основного света может представлять собой регулируемый лазер, предпочтительно - цифровое устройство поэлементной проекции на маску. Источником 9 основного света можно управлять посредством устройства 13 управления. Фоточувствительное вещество 5 представляет собой жидкость, при этом термин «жидкость» означает все жидкости любой вязкости, в том числе - пастообразные вещества, а также жидкости с наполнителями или окрашенные жидкости. Источник 9 основного света состоит из, например, излучателя 9' (например, УФ-светодиода) и устройства 9'' облучения через маску, например - ЦМУ (цифрового микрозеркального устройства) или устройства ЦОО (цифровой оптической обработки возможностью поэлементного формирования изображения.
i
Сформированные слои 3, отвержденные источником 9 основного света, сцеплены с рабочей платформой 15, служащей в качестве подложки объекта, а также, по меньшей мере, частично проницаемой для излучения по меньшей мере одного расположенногосбокуисточника17 дополнительного света, которая может быть выполнена по меньшей мере, частично отражающей для обеспечения возможности выхода, в результате отражения, дополнительного излучения источника 17 дополнительного света в нисходящем направлении через, по меньшей мере, частично прозрачную основу 19 рабочей платформы 15. Под дополнительным излучением понимают излучение, также подходящее для отверждения фотореактивного вещества 5, имеющее по меньшей мере одну центральную длину волны (например, 405 нм) и источник излучения по меньшей мере одного типа (например, светодиод), которое можно регулировать посредством устройства 13 управления, предпочтительно - независимо от источника 9 основного света. В примере осуществления на Фиг. 1 дополнительное излучение преломляет, например, рефлектор 21 (например, зеркало, отражающая фольга или внутреннее пространство как таковое), расположенный в пределах рабочей платформы 9 в пространстве 23 дополнительного излучения или образованный им.
Согласно Фиг. 1, источник 9 основного света расположен под ванной 7 в отделении 25 установки и может быть размещен, например, на раме 27 с возможностью перемещения.
Согласно Фиг. 1, источник 17 дополнительного излучения размещен с возможностью ввода дополнительного излучения в рабочую платформу 15 в, по меньшей мере, определенной зоне, например - в начале процесса построения (например, на первые 2, 5, 10 или 20 слоев), и, по меньшей мере, только временно входит в непосредственное соприкосновение с рабочей платформой 15, предпочтительно будучи размещен на расстоянии А (например, 0.1 мм, от 1 мм до 10 мм - в зависимости от варианта осуществления) от рабочей платформы 15. Рабочую платформу 15 можно поднимать или опускать посредством привода 27 и с помощью устройства 13 управления, например -относительно ванны 7, по мере продвижения процесса.
Как видно из Фиг. 1, источник 17 дополнительного излучения может быть прикреплен, например, к раме 27 установки в подходящем месте, и испускает дополнительное излучение, например, через защитное окно 29, при этом между источником 17 дополнительного излучения и рабочей платформы 15 также могут быть размещены оптические элементы (линзы, рассеивающие пластины, световоды и т.п.).
Соответствующее размещение и применение множества источников 17 дополнительного излучения или разделение дополнительного излучения позволяет обеспечить почти кольцевое облучение рабочей платформы 15 за счет бокового ввода с множества сторон.
В отличие от Фиг. 1, на Фиг. 2 раскрыт вариант осуществления стереолитографического устройства 101, в котором по меньшей мере один источник 17 дополнительного излучения размещен, например - в раме 27, под рабочей платформой 15, при этом дополнительное излучение проводит по меньшей мере один световод 31 (например-световой стержень), по меньшей мере, частично проницаемый для дополнительного излучения с необязательной возможностью преломления на 90°, как раскрыто на Фиг. 2, для ввода дополнительного излучения в рабочую платформу 15 с по меньшей мере одной стороны. Оптический волновод 31 может быть разъемно соединен с рамой 27 или источником 17 дополнительного света. Такая схема защищает источник 17 дополнительного света от загрязнения и обеспечивает геометрическую и оптическую (например, круглую, прямоугольную, линзообразную и т.п.) конфигурацию выводящей поверхности световода 31, а также ввод под определенным углом за счет его геометрической конфигурации; предпочтительно, геометрия световода 31 выполнена так, чтобы число рассеянных пучков, которые могут появляться, было как можно меньше. Световод 31, предпочтительно выполненный как одно целое, может быть снабжен оболочкой, слоем лака и т.п., непроницаемыми для дополнительного излучения и/или не отражающими его, для предотвращения появления рассеянного излучения и максимизации испускания дополнительного излучения с лицевой стороны 31'.
На Фиг. 3 раскрыт дополнительный вариант осуществления стерео литографического устройства 102, в котором происходит преломление дополнительного излучения с одной стороны, например -снизу, с помощью краевой части 33 ванны 7, в частности, предпочтительно с по меньшей мере одной краевой частью 33 ванны 7, по меньшей мере, частично проницаемой для дополнительного излучения и состоящей из по меньшей мере одной части, которая действует как световод для дополнительного излучения, тем самым обеспечивая возможность его ввода сбоку в рабочую платформу 15 в по меньшей мере одной точке. Для минимизации или предотвращения распространения рассеянного излучения в ванне 7 и/или через ванну 7, могущего привести к нежелательной активации фоточувствительного вещества 5, предпочтительно, чтобы краевая часть 33 ванны 7 могла быть защищена по меньшей мере одной непрозрачной боковой стенкой, например, по меньшей мере одной частично отражающей боковой стенкой и/или слоями лака, например, 35, 37, так чтобы имело место только боковое облучение в рабочую платформу 15 через лицевую сторону 33'.
Стереолитографическое устройство 103 на Фиг. 4 содержит подвижный и (необязательно)фокусируемый источник 9 основного света (показанный здесь как системное устройство) с возможностью перемещения посредством блока 13 управления и с помощью по меньшей мере одного линейного двигателя 39, который может быть прикреплен, например - к раме 27, с возможностью перемещения в соответствующую точку X в отделении 25 установки и/или с возможностью фокусирования посредством устройства 13 управления для ввода основного излучения в рабочую платформу 15 в качестве «дополнительного излучения» с помощью светового волновода 33. В другом варианте, например, можно использовать изображение со специальным облучением, например, частичное изображение или изображение в краевой зоне, см. Фиг. 5 и 5а, для необязательного проведения основного излучения, излучаемого через источник 9 основного света, через систему, по меньшей мере, частично подвижных зеркал в световод 33, при этом излучаемое изображение не должно быть обязательно сфокусировано. После успешного ввода излучения в оптический волновод 33, источник 9 основного света перемещают посредством блока 13 управления, например - обратно в исходное положение, с помощью линейного блока 39. Источник 9 основного излучения предпочтительно выполнен с возможностью фокусирования и перемещения, в частности - предпочтительно с возможностью ввода основного излучения непосредственно в световод 33, например, путем перемещения преломляющего зеркала (не показано) или путем отведения преломляющего зеркала с перемещением или без перемещения источника 9 основного света.
На Фиг. 5 и Фиг. 5а раскрыты возможные примеры фотошаблона 41 или 41', служащего для ввода основного излучения в по меньшей мере один оптический волновод 33 (см. Фиг. 4) и, тем самым, облучения рабочей платформы 15 основным излучением, с возможностью, например, использования зоны 47 или 47' для ввода, а также с возможностью наличия параметров 45 или 45' слоя, по меньшей мере, частично, для формирования составляющего слоя 3i и, необязательно, не облучаемой зоны 43, 43'. Ввод основного излучения в оптический волновод происходит посредством облучаемой зоны 47, 47'; в этом случае длина вводимой волны может соответствовать длинам волн, применяемым для отверждения слоя, например, она может составлять 388 нм; предпочтительно, источник 9 основного света выполнен с возможностью испускания второго излучения с другой длиной волны (например, 405 нм), применяемого, по меньшей мере, для облучения рабочей платформы 15.
На Фиг. 6 раскрыт предпочтительный вариант осуществления рабочей платформы 151, в которой сформировано пространство 23 дополнительного излучения, могущее иметь, по меньшей мере, частично диффузно-отражающую частично изогнутую поверхность, например, отражающую фольгу 21' или покрытие, направляющую поступающее сбоку дополнительное излучение, настолько равномерно, насколько это возможно, на, по меньшей мере, частично прозрачную основу 19. В этом случае, окно 39 может сбоку закрывать пространство 23 дополнительного излучения, по меньшей мере, частично и может быть, по меньшей мере, частично проницаемо для дополнительного излучения для обеспечения возможности ввода излучения. Источником 17 дополнительного излучения служит, например, по меньшей мере один светодиод (например, УФ-светодиод) или лампа (например, УФС-лампа), защищенная защитным окном 29.
На Фиг. 7 раскрыт дополнительный вариант рабочей платформы 152 с подвижным рефлектором 21'' (например, зеркалом), выполненным с возможностью наклона под углом α (например, 45°) к основе 19 для обеспечения возможности облучения основы 19. В этом случае источник 17 дополнительного света предпочтительно имеет путь, по меньшей мере, частично коллимированного пучка.
Фиг. 8, как и Фиг. 7, изображает схематический вид варианта осуществления рабочей платформы 153 из нескольких частей, панели 17 светодиодов, в частности - с отдельными светодиодами 17', 17'', 17''' и т.п., применяемыми для создания дополнительного излучения, которая может быть выполнена из светодиодов по меньшей мере одного типа с некой центральной длиной волны, при этом предпочтительно, чтобы она была выполнена из светодиодов разных типов с разными центральными длинами волны, например, 365, 405, 388 нм. Рабочая платформа 153 выполнена, например, как одно целое, однако может быть необязательно выполнена составной и с возможностью отделения чашеобразной нижней части 49 от рабочей платформы 153 вместе с дополнительными окнами 39, 39' и держателем 20'. Чашеобразная нижняя часть 49 также может быть образована как одно целое, например, прозрачной пластмассовой деталью.
На Фиг. 9 раскрыт вариант осуществления рабочей платформы 154, содержащей зеркало 21''', расположенное с наклоном под углом β к основе 19 в пространстве 23 дополнительного излучения. Данный вариант содержит, например, оптическую систему 51, выполненную с возможностью коллимирования дополнительного излучения.
И наконец, Фиг. 10 иллюстрирует пример осуществления рабочей платформы 154, в котором дополнительное излучение - см. светодиодное устройство 17 - в свою очередь вводят с боку в полую рабочую платформу 154, а именно - через оптический волновод 33', с полным отражением излучения, вводимого светодиодным устройством 17.