УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОСЛОЙНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2009 года по МПК B23K26/12 B23K26/16 H01S3/02 

Данное изобретение относится к устройству для послойного изготовления трехмерного объекта.

Такие устройства известны из уровня техники, например, в виде устройств для стереолитографии, для лазерного спекания и т.д.

Так, например, заявителю известно устройство для послойного изготовления объекта с помощью лазерного спекания, содержащее опору для размещения объекта относительно рабочей поверхности и устройство для нанесения затвердевающего под действием электромагнитного излучения порошка. Устройство имеет лазер. Лазерный луч, формируемый лазером, фокусируется с помощью фокусирующего устройства с линзами на одной точке рабочей поверхности и приводит к затвердеванию порошка. При этом, в частности, при применении пластмасс в качестве порошка из порошка улетучиваются летучие продукты разложения и реакций, которые осаждаются на линзе и тем самым все больше уменьшают ее прозрачность в процессе изготовления. Это приводит к тому, что пропускная способность лазерного луча уменьшается, за счет чего уменьшается его интенсивность на рабочей поверхности. На основании уменьшающейся интенсивности ухудшается качество объекта, подлежащего изготовлению. Для исключения этого перед линзой расположено защитное стекло, которое обдувается из нескольких форсунок азотом. Однако поскольку по защитному стеклу проходит поток азота лишь частично и между соплами нет потока, то в этих местах оседают загрязнения. Поэтому защитное стекло после процесса изготовления каждого объекта приходится извлекать и очищать.

Для решения этой проблемы в патентной публикации ЕР 0785838 предложено устройство, в котором фокусирующее устройство, находящееся в непосредственной близости с поверхностью линзы так, что обращено к рабочей поверхности, имеет кольцевое сопло, которое со стороны выхода направлено к поверхности линзы таким образом, что выходящий поток проходит по касательной к поверхности линзы в направлении к середине (центру), а со стороны входа соединено с возможностью отключения с источником газа, находящимся под давлением, например азота.

Поэтому в основу данного изобретения положена задача создания устройства для послойного изготовления трехмерного объекта, которое эффективно предотвращает загрязнение, служащего для пропускания электромагнитного излучения к рабочей поверхности окна связи.

Задача решена с помощью устройства согласно п.1 формулы изобретения, соответственно способа согласно п.17 формулы изобретения. Модификации изобретения охарактеризованы в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

В этом устройстве для вводного окна связи для пропускания электромагнитного излучения предусмотрен нагревательный элемент для повышения температуры линзы во время изготовления трехмерного объекта. За счет повышенной температуры предотвращается накапливание загрязнений на окне связи.

Другие признаки и цели изобретения следуют из приведенного ниже подробного описания примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - блок-схема одного варианта выполнения устройства для послойного изготовления трехмерного объекта;

фиг.2 - линзовый модуль, содержащийся в устройстве согласно фиг.1, в разнесенной изометрической проекции;

фиг.3 - разрез линзового модуля согласно фиг.2;

фиг.4 - разрез линзового модуля с нагревательным элементом согласно второму варианту выполнения; и

фиг.5 - деталь разреза согласно фиг.5, в увеличенном масштабе.

Фиг.6 - деталь разреза согласно фиг.5.

Ниже приводится описание устройства для послойного изготовления трехмерного объекта согласно первому варианту выполнения данного изобретения со ссылками на фиг.1-4.

Как показано на фиг.1, устройство для послойного изготовления объекта имеет открытый сверху резервуар 1. В этом резервуаре 1 расположена перемещаемая в осевом направлении опора 2, которая удерживает сформированный вертикально объект 3. Опора 2 устанавливается в вертикальном направлении так, что соответствующий подлежащий упрочнению слой объекта 3 лежит в рабочей плоскости 4. Кроме того, предусмотрено устройство 5 для нанесения затвердеваемого с помощью электромагнитного излучения порошкового конструктивного материала. Устройство имеет лазер 6. Создаваемый лазером 6 лазерный луч 7 отклоняется с помощью отклоняющего устройства 8, которое управляется управляющим устройством 9, и фокусируется с помощью фокусирующего устройства 10 в заданной точке в рабочей плоскости 4.

Зона устройства, в которой формируется объект 3, называется обычно “строительным пространством”.

Фокусирующее устройство 10 содержит линзовый модуль 11, который более детально показан на фиг.2 и 3.

Линзовый модуль 11 содержит удерживающее кольцо 12, входную линзу 11, которая удерживается в удерживающем кольце 12 и через которую лазерный луч 7 входит в лазерный модуль 11, оправу 14 объектива, которая на обращенной к рабочей плоскости 4 стороне насажена на удерживающее кольцо 12, и выходную линзу 15, которая удерживается оправой 14 объектива и через которую лазерный луч 7 выходит из лазерного модуля 11.

Для выходной линзы 15, которая расположена на обращенной к рабочей плоскости 4 стороне линзового модуля и поэтому подвергается опасности загрязнения, предусмотрен нагревательный элемент 16, который расположен вокруг края выходной линзы 15. Нагревательный элемент 16 содержит электрические провода 17, которые выводятся из линзового модуля 11 через прорезь 18 в оправе 14 объектива.

В данном варианте выполнения изобретения этот нагревательный элемент 16 содержит проволочную намотку 20.

Ниже приводится пример выполнения нагревательного элемента 16 и его расположения на выходной линзе 15.

Из имеющего лаковую изоляцию медного провода толщиной, например, 0,1 мм формируют в форме, соответствующей наружному диаметру выходной линзы, проволочную намотку 20 и с помощью соединительного материала, например эпоксидной смолы, соединяют в блок. Затем полученный таким образом нагревательный элемент 16 приклеивается на цилиндрической наружной кромке выходной линзы. Концы проволочной намотки 20 выводятся из линзового модуля в качестве электрических проводников 17 через прорезь 18 в оправке 14 объектива.

При работе устройства для послойного изготовления трехмерного объекта на электрические проводники 17 подают электрическую энергию, которая посредством проволочной намотки 20 преобразуется в тепло. Это тепло отводится на выходную линзу 15, так что ее температура повышается. За счет повышения температуры выходной линзы 15, например, на более чем около 100°С значительно снижается загрязнение выходной линзы 15 конденсатами.

Как показано на фиг.5 и 6, второй вариант выполнения устройства для послойного изготовления трехмерного объекта отличается от первого варианта выполнения выполнением нагревательного элемента.

Согласно второму варианту выполнения нагревательный элемент 16 образован из слоя 21 электрически проводящего материала, например металл, графит и т.д., который образован посредством вакуумного напыления или печати на краю выходной линзы 15, не служащем для фокусирования лазерного луча 7. В качестве альтернативного решения можно также наклеивать на край линзы металлическую или графитную фольгу или покрытую проводящим материалом несущую фольгу.

Для увеличения электрического сопротивления проводящий слой 21 может быть структурирован, например, так, что он выполняется в форме меандра.

Этот вариант выполнения можно преимущественно применять также на линзах с некруговым краем.

Подключение электрических проводников 17 к нагревательному элементу 16 можно выполнять в указанных выше вариантах выполнения изобретения, например, посредством прямого вывода кабеля, зажимания или пайки внутри оправы 14 объектива с механически более прочными кабелями, контактирования с помощью клемм в корпусе и т.д.

Во всех вариантах выполнения изобретения можно регулировать температуру выходной линзы. Это можно выполнять посредством измерения температуры с помощью дополнительно предусмотренного датчика температуры и соответствующего регулирования подводимой электрической энергии. В качестве альтернативного решения можно использовать зависимость от температуры сопротивления нагревательного элемента, чтобы посредством измерения тока и напряжения определять температуру без дополнительного датчика температуры.

Линзовый модуль содержит в указанных выше вариантах выполнения изобретения две линзы. Однако в качестве альтернативного решения можно применять также линзовые модули только с одной линзой или же с более чем двумя линзами. Если в указанном вначале устройстве перед линзой находится защитное стекло для предотвращения загрязнения линзы, то может быть предусмотрен нагревательный элемент также для защитного стекла, такой как предусмотрен для линзы в указанных выше вариантах выполнения изобретения.

В целом изобретение можно применять для каждого окна связи, служащего для передачи электромагнитного излучения в направлении трехмерного объекта, подлежащего изготовлению.

Кроме того, может быть дополнительно предусмотрено устройство, которое, как указывалось во вступительной части, обдувает газом, например азотом, окно для ввода излучения. В этом случае можно по сравнению с известным из уровня техники способом уменьшить подачу газа.

Хотя изобретение было пояснено в указанных выше вариантах выполнения на основании лазерного спекания, его можно с преимуществом применять также в других устройствах для послойного изготовления трехмерного объекта посредством упрочнения с помощью электромагнитного излучения материала, в которых имеется окно связи для передачи электромагнитного излучения к подлежащему изготовлению трехмерному объекту.

Изобретение относится к послойному изготовлению трехмерных объектов (3) посредством упрочнения материала с помощью электромагнитного излучения и может быть использовано в стереолитографии или для лазерного спекания. Устройство содержит источник (6) электромагнитного излучения (7), пространство построения для изготовления трехмерного объекта (3) и окно связи для пропускания электромагнитного излучения (7) в пространство построения. При этом устройство снабжено нагревательным элементом (16) для нагревания окна связи. Технический результат - предотвращение скопления загрязнений на окне связи. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для послойного изготовления трехмерного объекта (3) посредством затвердевания материала, который затвердевает с помощью электромагнитного излучения (7), содержащее источник (6) электромагнитного излучения (7), пространство построения для изготовления трехмерного объекта (3) и окно связи для пропускания электромагнитного излучения (7) в пространство построения, отличающееся тем, что оно содержит нагревательный элемент (16) для нагревания окна связи.

2. Устройство по п.1, в котором окно связи имеет служащую для фокусирования электромагнитного излучения (7) линзу.

3. Устройство по п.1, в котором окно связи имеет защитное стекло.

4. Устройство по п.1, в котором нагревательный элемент (16) прикреплен к окну связи.

5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором нагревательный элемент (16) имеет проволочную намотку (20), которая расположена вокруг края окна связи.

6. Устройство по п.1, в котором нагревательный элемент (16) содержит слой (21) из электрически проводящего материала, который нанесен вакуумным напылением или напечатан на краю окна связи.

7. Устройство по п.6, в котором электрически проводящий материал является металлом или графитом.

8. Устройство по п.1, в котором нагревательный элемент (16) содержит электрически проводящую фольгу (21), которая нанесена на край окна связи.

9. Устройство по п.8, в котором электрически проводящая фольга (21) является металлической или графитовой фольгой или покрытой проводящим материалом несущей фольгой.

10. Устройство по любому из пп.6-9, в котором электрически проводящий слой или фольга (21) структурированы.

11. Устройство по п.10, в котором электрически проводящий слой или фольга (21) выполнены в форме меандра.

12. Устройство по любому из пп.1-4 или 6-9, в котором окно связи удерживается в оправе (14), и нагревательный элемент (16) содержит электрические проводники (17), которые выведены наружу через прорезь (18) в оправе (14).

13. Устройство по любому из пп.1-4 или 6-9, в котором температура окна связи является регулируемой.

14. Устройство по п.13, в котором температура окна связи определяется с помощью дополнительно предусмотренного датчика температуры.

15. Устройство по п.13, в котором температура окна связи определяется посредством измерения тока и напряжения нагревательного элемента (16).

16. Устройство по любому из пп.1-4 или 6-9, содержащее устройство для обдува окна связи газом.

17. Способ послойного изготовления трехмерного объекта (3) посредством затвердевания материала, затвердеваемого с помощью электромагнитного излучения (7), в котором испускаемое источником (6) электромагнитное излучение (7) пропускают через окно связи в служащее для изготовления трехмерного объекта (3) пространство построения, отличающийся тем, что нагревают окно связи во время послойного изготовления трехмерного объекта (3).

18. Способ по п.17, в котором регулируют температуру окна связи.

19. Способ по п.18, в котором температуру окна связи определяют с помощью дополнительно предусмотренного датчика температуры.

20. Способ по п.18, в котором температуру окна связи определяют посредством измерения тока и напряжения нагревательного элемента.

21. Способ по любому из пп.17-20, в котором окно связи дополнительно обдувают газом.