СТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК B29C35/08 

Изобретение относится к области переработки полимеров, преимущественно к области конструирования стереолитографических установок. Стереолитографические установки (СУ) находят применение при моделировании изделий и оснастки, а также изготовлении изделий машиностроения, судостроения, авиационной, медицинской, оборонной промышленности.

Известны конструкции стереолитографических установок, в которых формируется деталь и изделие из фотополимеризующейся композиции под действием луча УФ-лазера. В качестве композиции используются обычно реакционноспособные олигомеры, а УФ-лазеры представляют собой гелий-кадмиевые или аргоновые газоразрядные приборы. В качестве аналогов предлагаемого изобретения выбрано семейство СУ, выпускаемых за рубежом, с управлением луча лазера поворотным зеркалом за счет угловых перемещений луча лазера с отражением от зеркал. Облучение поверхности полимерной композиции достигается сверху или снизу в зависимости от конструкции СУ. Существуют СУ с нижним или верхним расположением лазеров, а также с использованием светодиодов. При этом невозможно изготавливать крупногабаритные изделия из-за угловых ограничений в перемещении луча.

В качестве аналога выбрана стереолитографическая установка SLA-250 фирмы "3D Systems" (патент США N 4575330), состоящая из гелий-кадмиевого ультрафиолетового лазера (с длиной волны 325 нм) с воздушным охлаждением (с верхним расположением); оптической системы фокусирования луча; системы сканирования (наведения) лазерного луча, состоящая из системы гальванических зеркал с электронным управлением; ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой; управляющего компьютера с программным обеспечением для обработки данных трехмерных геометрических изображений.

На SLA-250 проводится изготовление изделий с габаритными размерами 250 • 250 • 250 мм. Луч лазера подается через систему поворотных зеркал сверху вниз на зеркало и, отражаясь от него, попадает на поверхность наружного слоя полимерной композиции.

В качестве прототипа принята СУ SLA-500 (патент США N 5133987, 1992 г.), состоящая из аргонового ультрафиолетового лазера (с длиной волны 351 нм) с водяным охлаждением (с нижним расположением); оптической системы фокусирования луча, в которой на пути лазерного луча между системой поворотных (динамических) зеркал и поверхностью фотополимеризующейся композиции установлено промежуточное зеркало, позволяющая изготавливать изделия с размерами 500 • 500 • 500 мм; системы сканирования (наведения) лазерного луча, включающей элементы гальванического процессирования с электронным управлением с двумя сканирующими зеркалами, двухосевой гальванометр со сканирующими головками; ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой; управляющего компьютера с программным обеспечением для обработки данных трехмерных геометрических изображений.

Существенным недостатком в известной конструкции являются сложность в юстировке лазера, невозможность получения крупногабаритных деталей, т.к. наведение лазерного луча проводится электронным управлением через систему гальванических элементов путем поворота динамических зеркал относительно собственной оси, и луч, отклоняясь от промежуточного зеркала, находящегося вверху на большую величину, имеет недопустимую угловую погрешность отклонения от поверхности композиции и плохо отверждает ее. Размеры промежуточного зеркала соответствуют размерам ванны. Регулировка такого большого зеркала не позволяет компенсировать угловые погрешности поворотных динамических зеркал.

Задачей изобретения является расширение технических возможностей СУ, где в качестве наведения лазерного луча используется безынерционная механическая система обрабатывающего центра (ОЦ 1-22), что позволяет упростить юстировку лазера, а также изготавливать крупногабаритные детали, что позволяет использовать стандартное оборудование на базе трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ.

Технический результат достигается изменением управления лазерным лучом за счет применения безынерционной механической системы обрабатывающего центра и установкой штативов с зеркалами и с кварцевой линзой на ОЦ 1-22. Штативы с зеркалами устанавливают на стол станка. Одно из них перемещается по оси Y, другое по оси X и Y, на котором установлена кварцевая линза позволяющая точно отрегулировать фокусное расстояние до поверхности фотоотверждающейся композиции.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция стереолитографической установки отличается тем, что в качестве наведения лазерного луча применяется безынерционная механическая система обрабатывающего центра, а в прототипе - система гальванического прецессирования с электронным управлением, состоящая из 2-х сканирующих зеркал, 2-осевого гальванометра со сканирующими головками.

Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид стереолитографической установки (СУ). СУ представляет собой универсальный обрабатывающий центр ОЦ 1-22 (1). Рядом, отдельно от него, на специальной наверочной плите для юстировки лазера расположен гелий-кадмиевый ультрафиолетовый лазер (2) верхнего расположения, перед которым установлен модулятор, прерывающий при необходимости луч лазера (на чертеже не показан). Штатив с зеркалом (3) установлен на столе, который может перемещаться по оси Y (фиг. 2). Штатив с зеркалом (4) и фокусирующей (кварцевой) линзой (5) установлен на столе, который может перемещаться по оси X и Y. Зеркала находятся во взаимно разных плоскостях под углом 45^o друг к другу. Основание с технологической платформой (6) установлено в вертикальный шпиндель, обеспечивающий перемещение по оси Z. Ванна (7) установлена неподвижно на кронштейн-подставку (8), который закреплен к станине, с регулировкой уровня фотоотверждающейся композиции. Габариты ванны 800 • 500 • 500 мм. Управляющий компьютер, который обеспечивает работу исполнительных органов СУ, на чертеже не показан.

Стереолитографическая установка работает следующим образом.

При работе СУ луч лазера попадает на зеркало (3), отражается от него на зеркало (4) и через фокусирующую линзу (5) достигает поверхности жидкой фотоотверждающейся композиции. Штатив с зеркалом (3) перемещается по оси Y (оси зеркал (3) и (4) совпадают). Перемещение по оси X и Y проводится совместно штативом с зеркалом (4) и линзой (5), а также штативом с зеркалом (3), т. е. в данном случае зеркала (3) и (4) перемещаются по криволинейной геометрической поверхности синхронно по заданной программе. Прерывание луча проводится механическим модулятором.

После того как создание слоя завершится, происходит перемещение технологической платформы (6) на заданную величину вниз. Цикл повторяется до тех пор, пока послойно не будет изготовлена вся деталь.

Наведение сканирования луча лазера осуществляется безынерционной механической системой обрабатывающего центра, обеспечивающей точность сканирования 0,005-0,01 мм. Основным рабочим элементом системы является устройство типа "винт-гайка", в котором трение скольжения заменено на трение качения. На поверхности гайки и винта имеются углубления, где устанавливаются калиброванные шарики, которые гасят инерционные движения по всей длине хода винта. Устройство подключается к электродвигателю постоянного тока и управляется датчиком угловых перемещений типа BE-178 A, преобразующим поворот угла вала в число электрических импульсов по четырем последовательностям, которые сдвинуты относительно друг друга на 90^o. Две последовательности определяют начало отсчета и используются при выходе в нулевую точку с точностью до 0,001 мм. Другие четыре последовательности имеют по 1000 импульсов, что обеспечивает перемещение с дискретностью до 0,001 мм. Система отслеживает величину перемещения, т.е. число импульсов с датчика. При совпадении заданного числа импульсов со считанным происходит останов перемещения. Датчик содержит оптическую головку и блок формирования импульсов.

Лазерный луч может перемещаться с различным "шагом" по горизонтали и по вертикали. Под "шагом" по горизонтали понимается расстояние между параллельными штрихами сканирующего луча. "Шаг" по вертикали - единичное перемещение шпинделя с технологической платформой по оси Z.

Компьютерная модель, генерируемая трехмерным геометрическим редактором рассекается на поперечные сечения с необходимой толщиной слоя и разделяется на блоки с результирующей толщиной. Файлы тонких слоев проверяются на замкнутость контуров, узкие полости, перегибы геометрических фигур, включая и технологические поддержки.

При этом определяются:
точка привязки (нулевая) точка на поверхности ФПК по осям X, Y, а также максимальные координаты X, Y;
расстояние по оси (Z) для опускания технологической подложки, равной толщине слоя;
метод построения (одиночное или перекрестное движение лазера);
области затрудненного затекания;
траектории движения луча лазера;
время задержки и время стояния в точке;
оболочковый контур для создания пограничного контура внешней линии и создания сплошной поверхности сцепления линии с предыдущим слоем;
расстояние по оси Z для опускания технологической платформы, обеспечивающей полное затекание жидкости на предыдущий слой, равный толщине слоя;
расстояние по оси Z для поднятия технологической платформы, обеспечивающей толщину последующего слоя;
правильность поднятия технологической платформы на нужную высоту с регулировкой плоскости.

Проведенное сравнение принципов работы СУ с известными конструкциями стереолитографических установок зарубежного производства, применяющегося для фотохимических реакций, показало их значительные различия. В стереолитографических установках фирмы "3D Systems" управление системой сканирования проводится за счет поворотных перемещений лазерного луча электронным управлением системой гальванических зеркал, что не позволяет изготавливать крупногабаритные детали. На предлагаемой установке возможно изготовление крупногабаритных габаритных деталей. Значительно упрощается юстировка лазера и оптической системы наведения, что позволяет использовать стандартное оборудование на базе трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ.

Эффективность изобретения:
совмещение процесса проектирования и изготовления опытных образцов в единый технологический цикл.

возможность внесения исправлений в первоначальный замысел, оценка его перспективности на уровне программного продукта без изготовления дорогостоящих пресс-форм;
качественно новый этап в области создания объемных прототипов и моделей.

Стереолитографическая установка состоит из лазера (2) системы сканирования, оптической системы, ванны (7) для фотополимеризующейся композиции, управляющего компьютера, а в качестве системы наведения лазерного луча используется безынерционная механическая система трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ. Система выполнена в виде съемных штативов с зеркалами (4). Штативы с зеркалами (4) устанавливаются на стол станка. Одно из них перемещается по оси Y, другое - по оси X и Y. Перемещение зеркал осуществляется одновременно с перемещением кварцевой линзы (5), дающей возможность точно отрегулировать фокусное расстояние до поверхности фотоотверждающейся композиции. Прерывание луча производится с помощью механического модулятора. После формирования слоя производится перемещение технологической платформы на заданную величину вниз и цикл повторяется до тех пор, пока послойно не будет изготовлено все изделие. Описываемая установка позволяет упростить юстировку лазера и изготавливать крупногабаритные изделия. 2 ил.

Стереолитографическая установка, состоящая из лазера, системы сканирования, оптической системы, ванны для жидкой фотополимеризующейся композиции, управляющего компьютера, отличающаяся тем, что в качестве системы сканирования (наведения лазерного луча) используется безинерционная механическая система трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ, которая выполнена в виде съемных штативов с зеркалами, синхронно перемещающихся в соответствии с управляющей программой.