УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ И СПОСОБ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G03F7/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для быстрого прототипирования и способу прототипирования и к светочувствительной среде для такого способа и такому устройству.

Предпосылки создания изобретения

Что касается изготовления механических прототипов и особенно во время процессов технологического проектирования, то в последние годы внедряются различные способы быстрого прототипирования (БП) различных видов, в которых трехмерные объекты изготавливают с помощью последовательных слоев поперечных сечений, формируемых при определенном освещении, посредством спекания, отвердевания или нанесения материала и т.д. на каждом поперечном сечении. Отдельные поперечные сечения формируют, например, как рассчитанные компьютером проектные решения. Преимущество быстрого прототипирования заключается в том, что изготовление дорогостоящих пресс-форм для конструкции установки становится ненужным для ее изготовления, точно так же, как почти полностью могут быть исключены сложные и трудоемкие модификации пресс-формы.

Кроме того, делаются доступными различные способы относительно недорогого и быстрого изготовления прототипа или пресс-форм нулевой серии, основанных на изготовленном быстром прототипе.

Способ быстрого прототипирования одного вида используют, например, в стереолитографических устройствах, также называемых SLA-установками. Такой способ основан на получении отдельных слоев или поперечных сечений прототипа, изготавливаемого с помощью светочувствительной среды и отвердевающего в один монолитный прототип при управляемом компьютером освещении.

Например, в патенте США №6658314 раскрыто устройство упомянутого выше вида, в которой модулем упругости отвердевающего трехмерного материала можно избирательно управлять на основе регулирования длины волны излучения. Проблема, связанная с этим способом, заключается в том, что управление, например, модулем упругости или отвердеванием может быть очень сложным, а получаемые свойства окончательного объекта могут изменяться от слоя к слою.

Сущность изобретения

Изобретение относится к способу освещения, по меньшей мере, одной среды для быстрого прототипирования (СБП), в котором указанное освещение осуществляют, по меньшей мере, двумя одновременно индивидуально модулируемыми световыми пучками (ИМСП), проецируемыми на указанную среду для быстрого прототипирования (СБП), и в котором указанную среду для быстрого прототипирования освещают световыми пучками (ИМСП), имеющими, по меньшей мере, два различных содержания длин волн (СДВ1, СДВ2).

В соответствии с изобретением достигаются несколько существенных преимуществ. Одно из этих преимуществ основано на реализации того, что флуктуация окончательного отвердевания может быть минимизирована или сделана управляемой при использовании многолучевого освещения. При некоторых применениях это преимущество может быть получено вследствие того, что применительно к каждому слою время сканирования может поддерживаться в пределах приемлемой временной погрешности. Следующее преимущество, которое может быть получено в соответствии с изобретением, заключается в том, что различие в физических, оптических, электрических, химических, магнитных или любых других релевантных свойствах, в том числе в сочетании их, между различными слоями окончательного объекта может поддерживаться небольшим просто вследствие того, что этапы освещения, на которых освещают отдельные слои с различным содержанием длин волн, могут быть осуществлены за очень короткое время или даже могут совпадать во времени.

К быстрому прототипированию обычно относят способы быстрого изготовления, такие как быстрая обработка, быстрое изготовление и, конечно, быстрое прототипирование в обычном понимании.

Термин «одновременно» означает, что индивидуально модулируемые световые пучки являются действующими совместно в данное время, по меньшей мере до некоторой степени в одно и то же время, в том случае, если релевантный пиксел находится во включенном состоянии.

Заявитель отмечает, что изобретение способствует использованию более чем двух различных содержаний длин волн и тем самым предоставляет возможность получения трех или более различных свойств, достигаемых с помощью различного содержания длин волн.

При определенных условиях такое экспонирование будет становиться очень сложным, если не невозможным, вследствие того, что в соответствии с предшествующим уровнем техники проблема, связанная с предсказуемостью достигаемых свойств, усложняется с ростом числа этапов освещения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения указанное освещение осуществляют, по меньшей мере, пятью, предпочтительно, по меньшей мере десятью или более предпочтительно, по меньшей мере, двадцатью одновременно индивидуально модулируемыми световыми пучками (ИМСП), проецируемыми на указанную среду для быстрого прототипирования (СБП).

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения число одновременно индивидуально модулируемых световых пучков должно быть большим, насколько это возможно, например больше 100, 500 или 1000, для получения требуемой предсказуемости свойств окончательного объекта.

Согласно варианту осуществления изобретения указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка модулируют посредством, по меньшей мере, одного пространственного модулятора света.

Пространственным модулятором света реализуется предпочтительный способ получения большого количества требуемых одновременно индивидуально модулируемых световых пучков.

Согласно варианту осуществления изобретения указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка модулируют посредством, по меньшей мере, одного пространственного модулятора света в соответствии с сигналами управления освещением (СУО).

Обычно сигналы управления освещением могут быть сформированы блоком управления (БУ) освещением, содержащим средство для обработки данных. Такое средство для обработки данных может содержать, например, процессор растровых изображений.

Согласно варианту осуществления изобретения указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) имеют, по меньшей мере, два различных содержания длин волн.

Согласно обеспечивающему преимущество варианту осуществления изобретения предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) в количестве, превышающем 100 или даже большем, можно было одновременно проецировать с различным содержанием длин волн. Эта особенность может способствовать быстрому экспонированию вспышкой всего слоя объекта или, по меньшей мере, части его и, кроме того, получению единообразного и прогнозируемого свойства конечного экспонированного слоя как с учетом, так и без него, содержания длин волн и различным образом экспонированных точек освещения.

Заявитель считает необходимым отметить, что такое использование, по меньшей мере, двух различных содержаний длин волн при многолучевом применении облегчает экспонирование вспышкой или в качестве альтернативы также и сканирующее экспонирование, при этом освещение с двумя или более различными содержаниями длин волн может быть получено при одном сканирующем перемещении. Кроме того, экспонирование вспышкой и сканирующее экспонирование можно сочетать.

Согласно варианту осуществления изобретения указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения.

Согласно варианту осуществления изобретения указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения путем сканирующего относительного перемещения между модулируемыми световыми пучками и средой для быстрого прототипирования (СБП).

Согласно варианту осуществления изобретения указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения путем короткого воздействия модулируемых световых пучков на среду для быстрого прототипирования (СБП).

Согласно варианту осуществления изобретения указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) имеют первое содержание длин волн (СДВ1) на первом этапе освещения (ЭО1), и при этом указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) имеют следующее содержание длин волн (СДВ2) на втором этапе освещения (ЭО2).

Кроме того, изобретение предоставляет возможность разделения освещения на два или большее количество этапов освещения, но все же при сохранении требуемой предсказуемости свойств, таких как распределения свойств по отдельным слоям конечного объекта быстрого прототипирования и совместно полученные свойства всех слоев.

Согласно варианту осуществления изобретения указанную среду для быстрого прототипирования (СБП) освещают в различных точках модуляции (ТМ).

Заявитель отмечает, что точка освещения может быть получена с помощью одного или нескольких пучков подсветки.

Согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит жидкокристаллический дисплей, жидкий кристалл с диспергированным полимером, легированный свинцом титанат цирконата лантана, дисплей на ферроэлектрических жидких кристаллах или ячейки Керра.

Согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит электромеханические световые клапаны основанные на отражении, такие как пространственные модуляторы света с цифровыми микрозеркальными устройствами.

Пространственные модуляторы света с цифровыми микрозеркальными устройствами могут быть, например, типа DLP и изготовлены Texas Instruments.

Согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит просветные электромеханические световые клапаны.

Просветные электромеханические световые клапаны могут изготовлены, например, в соответствии с концепцией, изложенной в Международной заявке PCT/DK98/00155, включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Просветные электромеханические световые клапаны и упомянутые выше отражательные пространственные модуляторы света являются особенно предпочтительными в сочетании с положениями настоящего изобретения вследствие способности этих систем проецировать значительное эффективное количество энергии к конечным точкам освещения на среде для быстрого прототипирования.

Согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) обеспечивают, по меньшей мере, одним источником освещения (ИО).

Согласно варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) обеспечивают, по меньшей мере, одним источником освещения (ИО) через компоновку световодов.

Компоновка световодов может содержать, например, соответствующую инжекционную и/или коллимирующую оптику, оптические волокна, изготовленные по индивидуальному заказу линзы и т.д. Компоновка световодов может быть спроектирована, например, в соответствии с положениями Международной заявки PCT/DK 98/00154, включенной в настоящую заявку посредством ссылки.

Согласно варианту осуществления изобретения указанное освещение с различным содержанием длин волн приводит к различным свойствам конечного объекта (101), зависящим от применяемого содержания длин волн.

Различными свойствами могут быть, например, прочность, упругость, хрупкость и т.д. Примерами таких свойств могут быть физические, оптические, электрические, химические, магнитные или любые другие релевантные свойства, включая любые сочетания их.

Согласно варианту осуществления изобретения указанное освещение создают послойно.

Согласно варианту осуществления изобретения указанным послойным освещением создают объект (101, 102), являющийся результатом отвердения указанной среды для быстрого прототипирования, достигаемого с помощью указанного освещения.

Согласно варианту осуществления изобретения одно из указанных различных содержаний длин волн применяют для освещения объекта (101) и при этом по меньшей мере одно другое содержание длин волн применяют для освещения, по меньшей мере, одной поддерживающей структуры (102).

Согласно варианту осуществления изобретения указанная поддерживающая структура (102) является удаляемой или легко удаляемой вследствие освещения с указанным, по меньшей мере, одним другим содержанием длин волн.

Согласно варианту осуществления изобретения указанный источник освещения (ИО) представляет собой один или несколько монохроматических лазеров, один или несколько широкополосных источников освещения, таких как лампы с короткой дугой, или любое сочетание их.

Согласно варианту осуществления изобретения указанный источник освещения (ИО) представляет собой источник ультрафиолетового света.

Согласно варианту осуществления изобретения временная разность между этапами освещения различается меньше чем на 500%, предпочтительно меньше чем на 100%, и наиболее предпочтительно меньше чем на приблизительно 10%.

В обычных одноточечных системах быстрого прототипирования продолжительность освещения на этапах освещения может существенно различаться. Согласно варианту осуществления изобретения такие временные разности могут различаться меньше чем на 10% или даже на 1%, в результате чего достигается необходимая предсказуемость свойств удобным и надежным способом.

Кроме того, изобретение относится к системе для быстрого прототипирования, содержащей осветительный блок (ОБ), по меньшей мере, один источник освещения (ИО), по меньшей мере, один блок управления (БУ), при этом указанная система для быстрого прототипирования содействует освещению среды для быстрого прототипирования (СБП) по любому из пунктов 1-22.

Кроме того, изобретение относится к применению управления длиной волны с целью получения различающихся свойств объекта, освещаемого в многолучевой системе для быстрого прототипирования.

Кроме того, изобретение относится к способу быстрого прототипирования, в соответствии с которым прототип (101) создают путем освещения светочувствительного материала (100А, 100 В, 100С), и при этом указанное освещение включает в себя управление содержанием длин волн.

Слово «прототип» не ограничено изготовлением уникального объекта, но оно также может охватывать изделия различного, большого или небольшого, размера или даже единственный слой. Поэтому к быстрому прототипированию обычно относят способы быстрого изготовления, такие как быстрая обработка, быстрое изготовление и, конечно, быстрое прототипирование в обычном понимании.

Освещение может поступать от различных источников монохроматического света, например лазеров, или от источника света с большим разнообразием длин волн. Используемый свет может быть ультрафиолетовым, инфракрасным или в видимой области. Предпочтительно, чтобы используемые длины волн могли быть в области от 300 нм до 800 нм.

В случае управления содержанием длин волн подразумевается, что содержание длин волн может быть управляемым, чтобы свет имел одну, две или несколько различных длин волн, или может быть иное содержание компонент длин волн.

В случае двух источников света может быть предпочтительно, чтобы каждый источник света имел свою длину волны для образования необходимых длин волн согласно изобретению. В случае источника света, имеющего большое разнообразие длин волн, по меньшей мере, две необходимые различные длины волны могут быть выбраны с помощью, например, дифракционной решетки или фильтров, предназначенных для выбора двух необходимых длин волн.

Кроме того, заявитель отмечает, что управление содержанием длин волн света, применяемого для освещения, влечет за собой появление не только, по меньшей мере, двух различных длин волн света, но также, например, двух различных спектральных профилей, обеспечивающих точно такое же содержание длин волн, но имеющих разные весовые коэффициенты.

Общие принципы конструктивного исполнения устройства для быстрого прототипирования раскрыты в патенте ЕР 1156922. Модификации, делающие такие установки пригодными для применения в соответствии с положениями этого изобретения, поясняются ниже со ссылками, например, на фиг.4а, 4b и фиг.5.

Дополнительные основные положения, относящиеся к осветительной системе, раскрыты в Международных заявках PCT/DK 98/00155 и PCT/DK 98/00154. Чтобы получать необходимое содержание с различающимися длинами волн, такие системы могут быть дополнены, например, фильтрами, что поясняется на фиг.4а и 4b, или экспонирующая система может содержать один или несколько фильтров, которые могут заменяться во время работы установки, как показано и пояснено, например, в сочетании с фиг.5.

Согласно варианту осуществления изобретения предложено устройство для быстрого прототипирования, предназначенное для изготовления трехмерных объектов с помощью аддитивной обработки поперечных сечений, содержащих целиком или частично светочувствительный материал, при этом указанное устройство содержит, по меньшей мере, один источник света для освещения поперечного сечения светочувствительного материала, по меньшей мере, одним пространственным модулятором света из индивидуально управляемых модуляторов света, в котором, по меньшей мере, один источник света оптически связан со множеством световодов, расположенных относительно узла пространственных модуляторов света таким образом, что каждый световод освещает подучасток поперечного сечения.

Изобретение предоставляет благоприятную возможность проектирования определенной системы для быстрого прототипирования, предназначенной для обращения с прототипами любого размера, поскольку число излучателей света и, следовательно, отдельных охватываемых участков можно увеличивать или уменьшать до тех пор, пока оно не будет согласовано с размером прототипа, о котором идет речь. Таким образом, становится возможным простое проектирование осветительной системы, предназначенной для установки для быстрого прототипирования, конструируемой в виде модульной системы, имеющей некоторое количество осветительных модулей, которые могут быть соответствующим образом добавлены или встроены в конструкцию системы. В принципе, такая гибкость может быть использована для технологической разработки способа быстрого прототипирования для получения крупногабаритных прототипов и более ориентированного на заказчика способа быстрого прототипирования для получения небольших моделей.

Кроме того, наличие нескольких излучателей света обеспечивает благоприятную возможность для использования источников света в виде точечных элементов. По сравнению с существующей технологией с абсолютным минимальным размером точки 80 мкм в случае применения системы согласно изобретению можно получать диаметр аккуратного пятна освещения до 10 мкм. Это является большим преимуществом при изготовлении прототипов, для которых требуются высокие характеристики точности. Это включает в себя, например, изготовление приспособлений, когда прототип снабжают металлическим покрытием после изготовления до того, как используют при формовании приспособления.

В некоторых областях этой технологии применяют протяженный источник света, такой как, например, люминесцентная лампа или эксимерная лампа, чтобы иметь возможность создавать прототипы определенных размеров. Однако согласно законам оптики сам по себе протяженный источник света только обеспечивает благоприятную возможность для создания протяженной точки освещения, которая, в свою очередь, существенно ограничивает возможность получения деталей прототипа. Не говоря уже о том, что протяженные источники света имеют относительно большие потери.

Согласно изобретению определение света, формирующего пучки, является широким и включает в себя электромагнитное излучение как в пределах, так и вне видимого спектра.

Кроме того, заявитель отмечает, что предпочтительно относить способ к освещению и изготовлению объекта, содержащего один или несколько слоев, хотя обычно несколько слоев являются предпочтительными.

В качестве альтернативы, для регулирования формы точки освещения значительная часть оптики должна использоваться в сочетании с протяженными источниками света. Конечно, это делает систему более дорогой наряду с тем, что также требуется большая степень точности при контроле оптики.

Кроме того, применение многочисленных излучателей света может создавать благоприятную возможность для повышения воздействия освещения на протяжении всего освещаемого поперечного сечения, поскольку каждый подучасток всего поперечного сечения может быть освещен отдельным излучателем света или даже источником света. Это является преимуществом, поскольку становится возможным адаптировать эффект засветки к отдельному прототипу таким образом, что будет создаваться оптимальный эффект засветки. В Международной заявке PCT/DK 98/00154, включенной в настоящую заявку посредством ссылки, эта технология описана в общих чертах.

Жидкость (текучий фоточувствительный полимер) со способностью при облучении электромагнитным излучением, например светом с одной или несколькими длинами волн (например, 436 нм) или в одном определенном диапазоне длин волн (например, 400-450 нм), отвердевает (полимеризируется) таким образом, что отвердевший полимер может быть снова растворен в жидкости, например в воде или спирте, и в то же время при облучении электромагнитным излучением, например светом с одной или несколькими другими длинами волн (например 365 нм) или в другом диапазоне длин волн (например 350-400 нм, ультрафиолетовый свет), отвердевает (полимеризируется) таким образом, что отвердевший полимер не может быть непосредственно растворен в одной или нескольких жидкостях, которые, как упоминалось выше, могут быть использованы для растворения отвердевшего фоточувствительного полимера.

Жидкость применяют в случае формирования последовательных слоев поперечных сечений для получения трехмерных объектов в установке, используемой при быстром прототипировании, быстром изготовлении, быстрой обработке и других аналогичных технологиях.

Примерами являются установки для освещения фоточувствительных полимеров от компаний 3D Systems Inc., Envisiontec GmbH, Sony и Dicon A/S. Можно обратиться к патенту, раскрывающему быстрое прототипирование, ЕР 1156922 от Dicon A/S.

Освещаемой жидкостью может быть фоточувствительный полимер с инициируемой катионной полимеризацией.

Жидкость помещают в контейнер или сосуд, в котором ее подвергают воздействию электромагнитного излучения.

Способы экспонирования светом, описанные выше, касаются разделения света на длины волн или диапазоны длин волн. Конечно, способ может быть распространен на разделение света на более чем две различные длины волны или на более чем два диапазона длин волн.

Одной из задач осуществления изобретения может быть разрешение проблемы удаления структур, поддерживающих трехмерные объекты, таким образом, чтобы они могли бы быть удалены из-под полученных объектов путем растворения в жидкости и смывания. В известном смысле это открывает возможность автоматизации процесса, чтобы удаление поддерживающих структур могло происходить без привлечения ручного труда.

Альтернативной задачей в рамках объема изобретения может быть модификация и дифференциация других релевантных свойств с помощью отвердения.

Экспонирование светом с различными длинами волн может происходить несколькими способами, например:

путем использования нескольких различных источников света, каждый из которых излучает свет на иных длинах волн или в иных диапазонах длин волн. Примером являются светоизлучающие диоды.

Путем использования одного или нескольких источников света, которые излучают в широком диапазоне, разделяемом соответствующим образом на различные длины волн или диапазоны длин волн. Примером является ртутная газоразрядная лампа (дуговая лампа высокого давления).

Разделение света на различные длины волн или диапазоны длин волн может происходить, например:

с помощью просветных модулирующих свет модулей, типа упомянутых, например, в патенте США №6529265, с покрытием микролинз каждого модуля соответствующей структурой таким образом, чтобы через некоторые покрытые линзы обеспечивалась возможность прохождения света с одной или несколькими конкретными длинами волн или в одном или нескольких диапазонах длин волн, тогда как другие линзы были бы покрыты таким образом, чтобы обеспечивалась возможность прохождения света с одной или несколькими другими (дополнительными) длинами волн или в одном или нескольких других диапазонах длин волн (дополнительных). Например, каждые две линзы могут покрыты фильтром одного типа, а остальные фильтром другого типа (см. фиг.4а и фиг.4b).

Путем размещения одного или нескольких модулей на сканирующей линейке поверхность жидкости за одно сканирующее перемещение может быть освещена на нескольких различных длинах волн, зависящих от того, должен ли затвердеть материал объекта или должны быть образованы поддерживающие структуры. Очевидно, что можно сканировать несколько раз и осуществлять освещение с иными длинами волн при каждом сканировании.

Путем покрытия всех линз в одном или нескольких модулях фильтром одного типа и всех линз в одном или нескольких других модулях фильтром другого типа и размещения модулей на одной или нескольких сканирующих линейках таким образом, чтобы модули упомянутых выше двух видов осуществляли сканирование одного и того же участка, можно при удвоении модулей (создании избыточности) освещать поверхность жидкости за одно сканирующее перемещение на нескольких различных длинах волн, зависящих от того, должно ли произойти отвердение материала объекта или образование опорных структур. Очевидно, что можно осуществлять сканирование на жидкость несколько раз и при каждом сканировании освещать на иных длинах волн. В рамках объема изобретения также можно осуществлять покрытие более чем двумя фильтрами, для получения, например, трех или даже более различных окончательных свойств.

Кроме того, возможно, чтобы одна и та же поверхность могла быть освещена на двух или нескольких этапах освещения, при этом на первом этапе освещения один или несколько модулей освещают светом на одной или нескольких конкретных длинах волн или в одном или нескольких диапазонах длин волн, тогда как на другом этапе освещения тот же самый модуль или модули освещают на одной или нескольких других (дополнительных) длинах волн или в одном или нескольких других (дополнительных) диапазонах длин волн. Экспонирование светом с другими длинами волн или в других диапазонах длин волн можно осуществлять, например, вводя различные фильтры куда-либо между источником света и жидкостью, например между источником света и модулем и модулями (см. фиг.5), или используя различные источники света с различными длинами волн для каждого этапа освещения.

Кроме того, в этом случае модули могут быть размещены на сканирующей линейке, аналогично тому, как было упомянуто выше.

Путем покрытия и освещения, упомянутых выше, и в то же время размещения одного или нескольких модулей таким образом, чтобы поверхность жидкости могла быть освещена без сканирующего перемещения, делается возможным экспонирование поверхности жидкости вспышкой сразу на нескольких различных длинах волн или в нескольких диапазонах длинах волн.

Путем размещения одного или нескольких модулей таким образом, чтобы поверхность жидкости могла быть освещена без сканирующего перемещения, и в то же время освещения поверхности при двух или нескольких отдельных экспонированиях, упомянутых выше, с введением различных фильтров куда-либо между источником света и жидкостью, или путем использования различных источников света с иными длинами волн для каждого освещения, также делается возможным экспонирование поверхности жидкости вспышкой с несколькими различными длинами волн или в нескольких диапазонах длин волн.

Путем покрытия отражательного, модулирующего свет модуля, типа аналогичного, например, цифровому микрозеркальному устройству от TI, матрицей, состоящей из различных зеркал с различными покрытиями, которые отражают на различных длинах волн или в различных диапазонах длин волн. Например, каждые два зеркала могут быть покрыты фильтром одного типа, который отражает на одной длине волны или в одном диапазоне длин волн, а остальные зеркала (другие «каждые два») могут быть покрыты фильтром другого типа, который отражает на другой длине волны или в другом диапазоне длин волн. Зеркала располагают таким образом, чтобы они освещали поверхность фоточувствительного полимера, когда они наклонены в одном направлении, и не освещали поверхность, когда они наклонены в другом направлении.

Когда зеркала наклонены в одном направлении, то в силу этого поверхность жидкости освещается на одной или другой длине волны или в диапазоне длин волн в зависимости от того, будет ли полимеризоваться материал объекта или материал поддерживающей структуры. Положение зеркал регулируется с помощью поэлементно-адресуемой информации, в соответствии с которой на частях слоя по аддитивной технологии образуются изображения.

В принципе аналогичным образом это делает возможным экспонирование поверхности жидкости вспышкой сразу на нескольких различных длинах волн или в различных диапазонах длин волн без осуществления сканирующего перемещения, производимого на части ее.

Можно также представить себе, что одна и та же поверхность жидкости освещается на двух или нескольких отдельных этапах освещения, при этом на одном этапе освещения зеркала освещаются светом с одной длиной волны или в одном диапазоне длин волн, а на другом этапе освещения или других этапах освещения они освещаются светом с другой длиной волны/длинами волн или в другом диапазоне/диапазонах длин волн. Экспонирование светом с различными длинами волн или в различных диапазонах длин волн может быть осуществлено, например, при введении различных фильтров куда-либо между источником света и жидкостью или при использовании различных источников света с иными длинами волн для каждого освещения.

Аналогичный принцип делает возможным экспонирование поверхности жидкости вспышкой сразу на нескольких различных длинах волн или в различных диапазонах длин волн без осуществления сканирующего перемещения, производимого на части ее.

Кроме того, две возможности, упомянутые в двух абзацах несколько выше, начинающихся с «Путем покрытия отражательного…» и «Можно также…», могут быть объединены со сканирующим перемещением модулирующего свет модуля таким образом, чтобы этот принцип мог быть использован не только применительно к экспонированию вспышкой, но также применительно к сканированию по всем большим поверхностям.

Описание фигур

Ниже изобретение будет описано подробно со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1-6 - различные варианты осуществлений изобретения.

Подробное описание

На фиг.1 показан принцип образования объекта 101 быстрым прототипированием по последовательным слоям поперечного сечения; в данном случае образуется чашка.

Различные слои 100А, 100В, 100С и т.д. освещают поочередно снизу вверх. Участки, которые освещают, отвердевают, а участки, которые не освещают, сохраняются жидкими, и таким образом завершается конечная структура.

Поддерживающую структуру 102 на фиг.1 вводят для стабилизации структуры. Предпочтительно, чтобы эта поддерживающая структура могла быть легко удалена после создания конечного изделия.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа получения поддерживающих структур менее или иначе отвердевшими и тем самым более легко удаляемых после изготовления изделия. С этой целью для освещения светочувствительной среды 2 может быть использована единственная длина волны или точно определенный узкий или широкий диапазон длин волн.

Один способ получения иного отвердевания может быть получен, например, при условии, что отвердевающая светочувствительная среда имеет иные механические свойства, если освещение осуществляют с иным содержанием длин волн, вследствие чего, например, отбрасываемые поддерживающие структуры остаются мягкими и легко удаляемыми, а оставляемая часть прототипа будет твердой.

Другой способ получения иного отвердевания может быть получен, например, при условии, что отвердевающая светочувствительная среда имеет иные химические или физические свойства, если освещение осуществляют с иным содержанием длин волн, вследствие чего, например, отбрасываемые поддерживающие структуры, освещенные с одним содержанием длин волн, могут быть удалены, например, растворителем, аналогичным воде или спирту, и при этом оставляемая часть прототипа является устойчивой к такому растворителю.

В патентном документе ЕР 1156922, включенном в настоящую заявку посредством ссылки, содержатся сведения об устройстве для быстрого прототипирования, показанной на фиг.2.

Показанное устройство для быстрого прототипирования (БП) содержит неподвижную часть, наиболее важный компонент которой представляет собой контейнер 1, предназначенный для удержания соответствующего количества жидкого материала 2 для быстрого прототипирования.

Материал для быстрого прототипирования представляет собой материал, из которого будет изготовляться прототип методом быстрого прототипирования, такой как эпоксидная смола, акрилаты, или другие материалы для быстрого прототипирования, или любой материал, который может отвердевать иным образом при экспонировании с иным содержанием длин волн. Кроме того, неподвижная часть сконструирована с направляющей 4, которая для решения различных задач может быть расположена между неподвижной частью и подвижным осветительным устройством 3. Осветительное устройство может также содержать соответствующую направляющую (непоказанную), например, для вертикального перемещения.

Установка для быстрого прототипирования также содержит другие, управляемые компьютером средства (непоказанные), предназначенные для управления относительным перемещением осветительного устройства 3, соответствующего отвечающей требованиям системе автоматизированного проектирования, принадлежащей к осветительной системе установки для быстрого прототипирования.

Кроме того, осветительное устройство 3 снабжено осветительной системой, наиболее важные компоненты которой будут описаны ниже.

Осветительное устройство 3 содержит компоновку 6 источника света, установленную на подставке 5, содержащую известное необходимое средство освещения совместно с источником питания и охлаждающим средством. В показанном примере в качестве источника света представлен источник ультрафиолетового света. Источник света вместе с его агрегатами и охлаждающим средством может быть стационарным или переносным.

Компоновка 6 источника света оптически связана со жгутами 7 оптических многомодовых волокон. Эти жгуты 7 разделены на восемь отдельных волокон 8, при этом каждым волокном освещается узел микрозатворов, например, из 588 микромеханических световых клапанов. Поэтому совместно восемь отдельных волокон освещают осветительное устройство 9, содержащее восемь узлов микрозатворов, при этом каждый образует отдельный участок всего узла микрозатворов.

Кроме того, заявителем этого изобретения сама конструкция и ориентация этих световых клапанов описаны в Международных заявках PCT/DK 98/00154 и PCT/DK 98/00155, и они включены в настоящую заявку посредством ссылки.

Каждый отдельный участок содержит некоторое количество световых клапанов, которые могут индивидуально управляться электрически посредством подключенных схем управления (непоказанных). В случае показанного требуемого решения узлом световых клапанов может быть, например, жидкокристаллический дисплей. Однако микромеханические затворы являются предпочтительными.

Весь участок световых клапанов освещается одним-единственным световодом 8, расположенным таким образом, что световой пучок, исходящий из световода 8, может обеспечивать оптической энергией все световые клапаны, занимающие отдельный участок.

Следует отметить, что на подучастки световой пучок обычно проходит через коллимирующую оптику таким образом, что световой пучок, который проходит на пространственный модулятор света, является энергетически однородным по всему участку модулятора.

Микрозатворы в осветительных модулях 9 предназначены для осуществления сканирования в показанном осветительном узле на протяжении линии сканирования от 25 до 30 см.

Из примера очевидно, что в отличие от существующих способов используемая длина линии сканирования, то есть один из максимальных размеров прототипа, изготавливаемого методом быстрого прототипирования, может быть получена по желанию, поскольку «локальное» освещение от отдельных осветительных модулей может быть ориентировано в любом направлении на поверхность освещения. Это может быть сделано, например, путем изменения применяемой экспонирующей линейки, используемой для освещения светочувствительной среды. Наряду с этим также сразу очевидно, что способ освещения посредством одного центрального источника света и связанных световодов обеспечивает очень большое преимущество в части конструирования, которое, как и следует ожидать, проявляется в финансовом отношении и в качестве законченной конструкции. Поэтому показанная конструкция является чрезвычайно устойчивой и любые дефектные элементы или поврежденные модуляторы света могут быть легко заменены.

Кроме того, установка снабжена схемами управления (непоказанными), предназначенными для обеспечения относительного позиционирования по координате Z (вертикального перемещения) и взаимной ориентации осветительной системы и материала 2.

При использовании длин волн в определенном диапазоне согласно предшествующему уровню техники осуществляется обычное отвердевание.

На фиг.3а и 3b показан следующий вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым поясняется освещение слоя 100Е объекта 101, показанного на фиг.1.

Светочувствительный материал может содержать, например, эпоксидную смолу, акрилат или любую смесь их.

Осветительным устройством 3, описанным выше, например, применительно к уже описанному устройству из фиг.2, освещается часть слоя 100Е, предназначенного для образования части конечного требуемого прототипа, с одним содержанием длин волн, например 436 нм, в одном направлении, как показано на фиг.3а.

Часть слоя 100Е, предназначенную для образования части поддерживающей структуры 102, освещают с другим содержанием длин волн в обратном направлении, как показано на фиг.3b. Например, содержание длин волн может быть 350-400 нм.

На фиг.4а и 4b показан следующий вариант осуществления изобретения, применимый в рамках объема изобретения.

Видами на фиг.4а и 4b иллюстрируется пространственный модулятор света (ПМС) в виде микромеханического затвора - устройства 400 на основе микроэлектромеханической системы. Показанный пространственный модулятор света может быть освещен, например, одним из световодов 8 из фиг.2. Поэтому устройство, изображенное на фиг.2, может содержать, например, 6×8=48 пространственных модуляторов света показанного выше вида.

Показанный пространственный модулятор света может способствовать осуществлению различающегося освещения за одно-единственное сканирующее перемещение относительно каждого слоя вместо поясненных выше двух.

Основополагающий пример пространственного модулятора 400 света на основе микроэлектромеханической системы содержит базовую пластину 420 с подведенными световыми каналами и некоторое количество затворов, приводимых в действие электрически. К каждому затвору подводится излучение микролинз, скомпонованных в матрицу 410 микролинз 411А, 411В, 412А, 412В и т.д. Некоторое количество микролинз, 411В, 412В и т.д., снабжено оптическими фильтрами.

Как показано на фиг.4b, световой пучок 401 проходит через линзу 411А «неизменным» (то есть с обычными оптическими потерями) и образует пучок 402, тогда как соседняя микролинза 411В вызывает фильтрацию светового пучка 403 с образованием спектрально-модифицированного светового пучка 404.

Очевидно, что программное управление переключением отдельных затворов может, например, при прогрессивном сканировании облегчить задачу освещения «пикселов» прототипа через, например, 411А, 412А и т.д. и освещения «пикселов» поддерживающей структуры, например, через 411В, 412В и т.д.

Очевидно, что в упомянутом выше примере можно применять два или более оптических фильтров для получения трех или более различных результирующих свойств.

На фиг.5 показан следующий альтернативный вариант осуществления изобретения, применимый в установке из фиг.2, где рассмотренные выше модифицированные (с фильтрами) пространственные модуляторы света заменены обычными пространственными модуляторами света, например на основе цифровых микрозеркальных устройств, жидкокристаллическими или другими серийно выпускаемыми устройствами.

Согласно этому варианту осуществления компоновка 6 источника света модифицирована с включением двух различных фильтров 50 и 51, расположенных относительно источника 52 света, в результате чего оптически обеспечивается выходное излучение узла источника света, в котором содержание длин волн зависит от применяемого фильтра 50, 51.

Очевидно, что три или более оптических фильтров упомянутого выше вида могут быть применены в вышеупомянутом примере для получения более чем двух различных результирующих свойств.

Поэтому, например, один фильтр 50 может быть применен при сканировании в направлении, указанном на фиг.3а, и другой при сканировании в другом направлении, указанном на фиг.3b.

В рамках объема изобретения фиг.6а и 6b иллюстрируется одно из нескольких основных положений для тех случаев, когда освещение осуществляют, например, в системе, показанной на фиг.1 и фиг.3а-3b.

В своей основе система содержит источник освещения (ИО), предпочтительно, чтобы им был источник ультрафиолетового света, например, в виде лампы с короткой дугой. Источником света определяется число световых пучков, имеющих первое содержание длин волн (ИМПС1), индивидуально управляемых посредством узла световодов (УС) и осветительного блока (ОБ). Осветительный блок (ОБ) может содержать, например, один или несколько пространственных модуляторов света, таких как цифровое микрозеркальное устройство или просветные микромеханические модуляторы света.

Осветительный блок (ОБ) управляется блоком управления (БУ), формирующим необходимые данные управления.

На фиг.6а слой среды для быстрого прототипирования (СБП) освещают на первом этапе освещения в одном направлении модулированными световыми пучками (ИМСП1), имеющими первое содержание длин волн. Во время твердения освещенные точки среды приобретают необходимые механические или химические свойства.

На фиг.6b тот же самый слой экспонируют на следующем этапе освещения, теперь точки освещения (ТМ) среды экспонируют модулированными световыми пучками (ИМСП2), имеющими другое содержание длин волн, соответствующее требуемым механическим или химическим свойствам.

Заявитель отмечает, что использование нескольких модулируемых осветительных пучков происходит в течение очень короткого времени, и обычно имеется одинаковая временная задержка между каждым этапом освещения, в результате чего достигается необходимая предсказуемость свойств конечного получаемого объекта.

На фиг.6с показан альтернативный вариант осуществления изобретения, где на одном этапе освещения весь слой экспонируют индивидуально модулируемыми световыми пучками ИМСП1 и ИМСП2 с двумя или, по желанию, с дополнительными различными содержаниями длин волн путем сканирования, например, посредством системы 3, соответствующей системе, показанной на фиг.2.

Такое сканирование может быть облегчено тем, что система способна одновременно осуществлять освещение с двумя различными содержаниями длин волн.

На фиг.6d показан следующий альтернативный вариант осуществления изобретения, где весь слой среды для быстрого прототипирования подвергают короткому воздействию индивидуально модулируемых световых пучков ИМСП1 и ИМСП2 с двумя или, по желанию, с дополнительными различными содержаниями длин волн, осуществляя как одно дискретно модулируемое экспонирование вспышкой всего поперечного сечения.

Кроме того, поясненные выше способы могут включать в себя использование нескольких осветительных блоков в одной осветительной головке или сканирующей линейке, показанной, например, на фиг.2, или двух или более отдельно перемещающихся экспозиционных головок.

Изобретение относится к способу освещения, по меньшей мере, одной среды для быстрого прототипирования (СБП), в котором указанное освещение осуществляют, по меньшей мере, двумя одновременно индивидуально модулируемыми световыми пучками (ИМСП), проецируемыми на указанную среду для быстрого прототипирования (СБП), и в котором указанную среду для быстрого прототипирования освещают световыми пучками (ИМСП), имеющими, по меньшей мере, два различных содержания длин волн (СДВ1, СДВ2). Причем указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения или путем сканирующего относительного перемещения между модулируемыми световыми пучками и средой для быстрого прототипирования (СБП), или путем экспонирования вспышкой модулируемых световых пучков на среду для быстрого прототипирования (СБП). Технический результат - разрешение проблемы удаления структур, поддерживающих трехмерные объекты, таким образом, чтобы они могли бы быть удалены из-под полученных объектов путем растворения в жидкости и смывания. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ освещения, по меньшей мере, одной среды для быстрого прототипирования (СБП), в котором указанное освещение осуществляют, по меньшей мере, двумя одновременно индивидуально модулируемыми световыми пучками (ИМСП), проецируемыми на указанную среду для быстрого прототипирования (СБП), и в котором указанную среду для быстрого прототипирования освещают световыми пучками (ИМСП), имеющими, по меньшей мере, два различных содержания длин волн (СДВ1, СДВ2), причем указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения или путем сканирующего относительного перемещения между модулируемыми световыми пучками и средой для быстрого прототипирования (СБП) или путем экспонирования вспышкой модулируемых световых пучков на среду для быстрого прототипирования (СБП).

2. Способ по п.1, в котором указанное освещение осуществляют, по меньшей мере, пятью, предпочтительно, по меньшей мере, десятью или более предпочтительно, по меньшей мере, двадцатью, более предпочтительно, по меньшей мере, сотней и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, тысячью одновременно индивидуально модулируемыми световыми пучками (ИМСП), проецируемыми на указанную среду для быстрого прототипирования (СБП).

3. Способ по п.1, в котором указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка модулируют посредством, по меньшей мере, одного пространственного модулятора света.

4. Способ по п.1, в котором указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка модулируют посредством, по меньшей мере, одного пространственного модулятора света в соответствии с сигналами управления освещением (СУО).

5. Способ по п.1, в котором указанное освещение осуществляют на одном этапе освещения.

6. Способ по п.1, в котором указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) имеют первое содержание длин волн (СДВ1) на первом этапе освещения (ЭO1) и в котором указанные, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) имеют следующее содержание длин волн (СДВ2) на втором этапе освещения (ЭO2).

7. Способ по п.1, в котором указанную среду для быстрого прототипирования (СБП) освещают в различных точках модуляции (ТМ).

8. Способ по п.3, в котором, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит жидкокристаллический дисплей, жидкий кристалл с диспергированным полимером, легированный свинцом титанат цирконата лантана, дисплей на ферроэлектрических жидких кристаллах или ячейки Керра.

9. Способ по п.3, в котором, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит отражательные электромеханические световые клапаны, основанные на отражении, такие, как пространственные модуляторы света с цифровыми микрозеркальными устройствами.

10. Способ по п.9, в котором, по меньшей мере, один пространственный модулятор света содержит просветные электромеханические световые клапаны.

11. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) обеспечивают, по меньшей мере, одним источником освещения (ИО).

12. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, два одновременно индивидуально модулируемых световых пучка (ИМСП) обеспечивают, по меньшей мере, одним источником освещения (ИО) через компоновку световодов.

13. Способ по п.1, в котором указанное освещение с различным содержанием длин волн приводит к различным свойствам объекта (101), зависящим от применяемого содержания длин волн.

14. Способ по п.1, в котором указанное освещение создают послойно.

15. Способ по п.14, в котором указанным послойным освещением создают объект (101, 102), являющийся результатом отвердения указанной среды для быстрого прототипирования, достигаемого с помощью указанного освещения.

16. Способ по п.1, в котором одно из указанных различных содержаний длин волн применяют для освещения объекта (101) и при этом, по меньшей мере, одно другое содержание длин волн применяют для освещения, по меньшей мере, одной поддерживающей структуры (102).

17. Способ по п.16, в которой указанная поддерживающая структура (102) является удаляемой или легко удаляемой вследствие освещения с указанным, по меньшей мере, одним другим содержанием длин волн.

18. Способ по п.11, в котором указанный источник освещения (ИО) представляет собой один или несколько монохроматических лазеров, один или несколько широкополосных источников освещения, таких, как лампы с короткой дугой, или любое сочетание их.

19. Способ по п.11, в котором указанный источник освещения (ИО) представляет собой источник ультрафиолетового света.

20. Способ по п.6, в котором временная разность между этапами освещения различается меньше чем на 500%, предпочтительно меньше чем на 100% и наиболее предпочтительно меньше чем на приблизительно 10%.

21. Способ по п.1, в котором способ включает в себя освещение и изготовление объекта, содержащего один или несколько слоев.

22. Система для быстрого прототипирования, содержащая осветительный блок (ОБ), по меньшей мере, один источник освещения (ИО), по меньшей мере, один блок управления (БУ), при этом указанная система для быстрого прототипирования содействует освещению среды для быстрого прототипирования (СБП) по любому из пп.1-21.