Настоящее изобретение относится к стереолитографической машине, предназначенной для изготовления трехмерного объекта путем наложения множества слоев исходного материала в жидком или пастообразном состоянии, который отверждают, выборочно подвергая воздействию светового луча.
Стереолитографическая машина известного типа содержит контейнер, предназначенный для хранения исходного материала.
Указанная машина также содержит светоизлучающее устройство, выполненное с возможностью испускания светового пучка, который имеет, по существу, круглое сечение и является коллимированным, т.е. содержит, по существу, параллельные лучи.
Каждый слой трехмерного объекта отверждают на уровне заданной плоской области воздействия, которая принадлежит наружной поверхности исходного материала, на которую падает световой луч.
Область воздействия может принадлежать дну контейнера, который содержит исходный материал, или свободной поверхности самого исходного материала в зависимости от того, откуда приходит световой луч - снизу или сверху относительно контейнера.
Указанная машина также содержит светоотражающие средства, которые выборочно отклоняют световой пучок к любой точке области воздействия.
В общем, светоотражающие средства представляют собой два зеркала с гальванометрическим приводом, которые могут поворачиваться относительно взаимно перпендикулярных осей таким образом, чтобы имелась возможность отклонения светового пучка в соответствующих взаимно перпендикулярных плоскостях.
Указанная машина также содержит, так называемый, F-Theta объектив, расположенный между светоотражающими средствами и областью воздействия.
Указанный F-Theta объектив заставляет коллимированный световой пучок сходиться таким образом, чтобы он фокусировался на плоской области воздействия независимо от направления падающего светового пучка.
У раскрытой выше машины есть недостаток, заключающийся в ее чрезвычайной дороговизне, и поэтому сфера ее применения ограничена профессиональной и промышленной областью, что делает машину непригодной для решения более широкого круга задач. Основная причина этого недостатка - это наличие F-Theta объектива, который существенно влияет на общую стоимость машины.
Другой недостаток F-Theta объектива связан с тем фактом, что его размер связан с размером области воздействия, и, следовательно, с максимальным размером трехмерного объекта, который может быть изготовлен.
Стоимость указанных объективов увеличивается более, чем пропорционально размеру области воздействия, которую объективы позволяют реализовать; увеличение размера области воздействия приводит к значительному увеличению стоимости F-Theta объектива, и таким образом стоимости машины.
Кроме того, в силу высокой стоимости F-Theta объективов, они присутствуют на рынке лишь в виде ограниченного числа стандартных исполнений, каждое из которых рассчитано на получение квадратной области воздействия конкретного размера.
Вследствие этого изготовитель стереолитографической машины должен выбирать размер области воздействия из ограниченного числа заданных размеров, в чем и заключается недостаток, так как невозможно выпускать оптимизированные стереолитографические машины для всех возможных задач.
Более того, по оптическим причинам минимальное сечение светового пучка, который фокусируется указанным F-Theta объективом, увеличивается в степени, которая, по существу, пропорциональна фокусному расстоянию объектива, и, следовательно, размеру области воздействия, что, таким образом, ухудшает разрешение изображения, которое можно различить в области воздействия, и, следовательно, ухудшает разрешение на объекте.
Следствием этого является недостаток, заключающийся в том, что, увеличение размера области воздействия может быть получено только за счет значительного увеличения стоимости машины, и ухудшения разрешения на объекте.
В силу указанных недостатков производители стереолитографических машин предпочитают использовать F-Theta объективы с коротким фокусным расстоянием, принимая область воздействия соответственно уменьшенного размера, поскольку это дает возможность ограничить стоимость машины по отношению к тому уровню разрешения, который может быть получен.
Как следствие, существует недостаток, заключающийся в том, что указанные машины накладывают ограничение на размер объектов, которые могут быть изготовлены.
Согласно различным известным технологиям, раскрытым в документе US 5,151,813, на котором основана преамбула пункта 1 формулы изобретения, машина содержит динамический объектив, расположенный перед отражающим устройством. Объектив является перемещаемым в фокусном направлении при этом луч сканируют по области воздействия так, чтобы всегда поддерживать луч сфокусированным на области воздействия для любого направления падения, определяемого отражающим устройством.
Целью настоящего изобретения является преодоление вышеупомянутых недостатков, которые являются типичными для стереолитографических машин известного типа.
В частности, первая цель настоящего изобретения заключается в создании стереолитографической машины, предназначенной для применения в более широком круге задач, а не только в строго профессиональных и промышленных задачах.
В частности, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать стереолитографическую машину, стоимость которой при том же размере области воздействия и том же разрешении светового пучка была значительно меньше, чем машины известного типа.
Также цель изобретения состоит в том, чтобы предложить производителю возможность более гибкого выбора размера области воздействия по сравнению с выбором, который имеет место для машин известного типа.
Вышеуказанные цели достигнуты благодаря стереолитографической машине, выполненной в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретений.
Дополнительные характеристики и подробности изобретения раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Преимуществом изобретения является то, что повышенная эксплуатационная перспектива машины согласно изобретению обеспечивает возможность повышения гибкости и более широкого распространения стереолитографического моделирование по сравнению с машинами известного типа.
Другим преимуществом является то, что уменьшенная стоимость соответствующей изобретению машины делает особенно выгодным увеличение размера области воздействия, так что становится возможным изготовление трехмерных объектов, которые крупнее тех объектов, которые можно получать на стереолитографических машинах известного типа.
Еще одним преимуществом является то, что более высокая гибкость при выборе размера области воздействия позволяет оптимизировать машину, исходя из намеченной области ее применения.
Указанные цели и преимущества наряду с другими целями и преимуществами, о которых пойдет речь ниже, иллюстрируются на предпочтительных вариантах осуществления изобретения, которые раскрыты на примерах, не имеющих ограничительного характера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически в аксонометрии изображена стереолитографическая машина, соответствующую настоящему изобретению;
на фиг. 2 на боковой проекции в разрезе представлена стереолитографическая машина по фиг. 1 в рабочей конфигурации;
на фиг. 3 и 4 на боковой проекции в разрезе изображен увеличенный фрагмент стереолитографической машины по фиг. 1 в двух соответствующих рабочих конфигурациях;
на фиг. 5 схематически изображены рабочие области машины фиг. 1.
Соответствующая настоящему изобретению стереолитографическая машина, в целом обозначенная позицией 1 на фиг. 1, предназначена для изготовления трехмерного объекта путем наложения множества слоев, получаемых посредством отверждения исходного материала 3 в жидком или пастообразном состоянии, который находится в контейнере 2.
Указанные слои поддерживаются моделирующей платформой 18, приводимой в движение вдоль вертикальной оси Z, и предназначенной для размещения любого отвержденного слоя трехмерного объекта в таком положении, чтобы он служил опорой для последующего слоя.
Также предусмотрено светоизлучающее устройство 5, выполненное с возможностью испускания светового пучка 6.
Предпочтительно данное светоизлучающее устройство 5 содержит лазерный источник и коллиматор светового пучка 6.
Предпочтительно данное светоизлучающее устройство 5 также содержит устройство, предназначенное для получения коллимированного пучка, который в сечении имеет симметричную форму относительно двух взаимно ортогональных осей симметрии, предпочтительно - круговую или, по существу, круговую.
Следует отметить, что в дальнейшем, при ссылках на диаметр характеристического поперечного сечения светового пучка будет подразумеваться диаметр круга, площадь которого равна площади указанного общего поперечного сечения.
Стереолитографическая машина 1 кроме того содержит светоотражающее устройство 7, предназначенное для отклонения светового пучка 6 и управляемое таким образом, чтобы вынуждать световой пучок 6 падать на любую точку области 8 воздействия, принадлежащей наружной поверхности 4 исходного материала 3.
Предпочтительно вышеуказанные требования выполняются при использовании светоотражающего устройства 7, содержащего два зеркала 7а, 7b, которые вращаются независимо друг от друга с заданными угловыми амплитудами вокруг соответствующих взаимно перпендикулярных осей Х1, Х2 вращения.
Предпочтительно каждое зеркало 7а, 7b вынуждают вращаться вокруг соответствующей оси вращения посредством соответствующего гальванометрического электродвигателя.
Согласно варианту осуществления изобретения, который не представлен на прилагаемых чертежах, светоотражающее устройство 7 содержит только одно зеркало, которое вращается вокруг двух независимых взаимно ортогональных осей.
В этом случае указанное зеркало предпочтительно относить к так называемой микро-опто-электромеханической системе (МОЭМС).
В варианте осуществления, представленном на прилагаемых чертежах, указанная область 8 воздействия примыкает ко дну контейнера 2.
В данной конфигурации световой пучок 6 падает на контейнер 2 со стороны дна, причем дно контейнера является прозрачным, что позволяет световому пучку 6 достигать исходного материала 3.
Согласно варианту осуществления изобретения, который не представлен на прилагаемых чертежах, световой пучок 6 падает на верхнюю сторону самого контейнера 2, и, таким образом, область 8 воздействия принадлежит свободной поверхности исходного материала 3. В этом случае машина предпочтительно содержит выравнивающее устройство, предназначенное придавать указанной свободной поверхности плоскую форму.
В любом случае площадка пересечения светового пучка 6 с областью воздействия, которую на техническом языке называют «пятном», определяет размер области исходного материала 3, которая отверждается, и, таким образом, определяет разрешение на трехмерном объекте.
Машина 1 содержит устройство 19 логического управления, схематически изображенное на фиг. 2, и выполненное с возможностью управления светоотражающим устройством 7 таким образом, чтобы выборочно направлять световой пучок 6 на любую точку рабочей области 10, принадлежащей области 8 воздействия.
Следует отметить, что, хотя область 8 воздействия определена границами работы светоотражающего устройства 7, рабочая область 10 определяется устройством 19 логического управления и, поэтому может быть ограничена частью области 8 воздействия.
Стереолитографическая машина 1 также оснащена оптическим устройством 11, выполненным с возможностью фокусирования светового пучка 6 на фокальной поверхности 12, которая определяется точками, в которых световой пучок 6 в разных направлениях, определяемых светоотражающим устройством 7, имеет минимальное поперечное сечение.
Очевидно, что указанная фокальная поверхность 12 определяется комбинированным действием оптического устройства 11, который определяет расстояние фокусирования светового пучка 6 от светоотражающего устройства 7, и действием самого светоотражающего устройства 7, которое определяет направление фокусирования.
Очевидно, что после фокальной поверхности 12 вдоль направления распространения светового пучка 6 площадь сечения светового пучка 6 увеличивается относительно площади его минимального сечения.
Что касается лазерного светового пучка, то известно, что распределение энергии в каждом сечении пучка описывается функцией Гаусса.
В дальнейшем световой пучок, обладающий указанным свойством, будет именоваться «гауссовым пучком».
Как известно, характеристическое поперечное сечение гауссова пучка стандартно определяется, как площадь волнового фронта, в которой интенсивность энергии больше или равна 1/е2 максимальной интенсивности, присутствующей в центре пучка, где е - основание натуральных логарифмов.
В соответствии с другим определением сечение гауссова пучка - это площадь волнового фронта, в которой интенсивность энергии больше или равна половине максимальной интенсивности.
Следует отметить, что в дальнейшем настоящее описание изобретения не зависит от определения, которое дается для сечения пучка, и, в частности, оно не ограничивается конкретно одним из двух определений, которые были приведены выше.
Также известно, что минимальное сечение сходящегося гауссова пучка, которое на техническом языке называют «перетяжкой» имеет площадь, которая больше нуля.
Следовательно, в отношении гауссова пучка термин «фокус» указывает не на единственную точку, а на минимальное сечение.
В частности, площадь минимального сечения 15 светового пучка 6, полученная путем фокусирования гауссова пучка, зависит от разных параметров, среди которых, в частности, фокусное расстояние оптического устройства 11 и сечение коллимированного лазерного пучка, согласно известной формуле:
где wF - диаметр минимального сечения пучка («перетяжки»), λ - длина волны, f - фокусное расстояние оптического устройства 11, М2 - коэффициент качества пучка, который отражает фактическое распределение по сравнению с идеальным случаем гауссова распределения, и wL - диаметр сечения коллимированного пучка, который падает на оптическое устройство 11.
Также известно, что диаметр w гауссова пучка как функция характеристического расстояния z от сечения с минимальным диаметром wF может быть выражен следующей формулой:
Указанная формула (2) подчеркивает, что гауссов пучок сходится к сечению с минимальным диаметром wF, и расходится от данного сечения таким образом, что это происходит, по существу, пропорционально расстоянию z, за исключением окрестности минимального сечения, в котором геометрическая форма пучка круглая (аналогично шейке песочных часов).
Согласно изобретению оптическое устройство 11, которое создает фокусирование светового пучка 6, находится между светоизлучающим устройством 5 и светоотражающим устройством 7.
Оптическое устройство 11 расположено перед светоотражающим устройством 7 в соответствии с направлением распространения светового пучка 6, причем последний всегда падает в одну и ту же точку оптического устройства 11, независимо отточки падения луча на рабочую область 10.
Следовательно, имеется возможность использовать оптическое устройство 11, выполненное на основе обыкновенного объектива или набора линз 17, расположенных последовательно, например, линз сферического, двояковыпуклого или плоско-выпуклого типа, что в любом случае гораздо более экономично, чем F-Theta объектив.
Аналогично F-Theta объективу оптическое устройство 11 является элементом неподвижного типа, и, следовательно, не требуется никакого устройства для перемещения оптического устройства 11, чтобы подстраивать фокус, что является преимуществом, и вносит вклад в простоту конструкции машины.
С другой стороны, неподвижная конструкция оптического устройства 11 не позволяет фокусировать световой пучок 6 на рабочей области 10.
Фактически оптическое устройство 11 фокусирует световой пучок 6 на постоянном расстоянии от светоотражающего устройства 7 независимо от направления падения светового пучка 6, которое определяется самим светоотражающим устройством 7. Поэтому фокальная поверхность 12 имеет сферическую, а не плоскую форму, с центром на уровне светоотражающего устройства 7, что можно видеть на фиг. 2, которая схематически в разрезе изображает машину 1, причем плоскость разреза проходит через центр рабочей области 10.
Следует подчеркнуть, что на фиг. 2 светоотражающее устройство для наглядности изображено лишь схематически.
Очевидно, что указанная сферическая фокальная поверхность 12 не может совпадать с рабочей областью 10, которая является плоской. Следовательно, в машине 1, соответствующей настоящему изобретению, площадь пятна изменяется в зависимости от точки падения пучка на рабочую область 10, из чего следует, что площадь участка исходного материала 3, который отверждается, изменяется от точки к точке.
В частности, размер пятна увеличивается по мере того, как расстояние между фокальной поверхностью 12 и рабочей областью 10, измеренное в направлении распространения светового пучка 6, увеличивается. Это происходит в соответствии с формулой (2).
В общем, вышеописанная ситуация не позволяет осуществлять достаточно однородное отверждение с хорошим разрешением трехмерного объекта, который требуется получить.
Однако было установлено, что путем надлежащей настройки формы светового пучка 6, фокальной поверхности 12 и рабочей области 10 можно ограничить указанный недостаток на приемлемом уровне, по меньшей мере для тех областей применения, которые не относятся к строго профессиональным или промышленным.
Поэтому изобретение также содержит задание светового пучка 6, фокальной поверхности 12 и рабочей области 10 посредством надлежащего выбора светоизлучающего устройства 5 и оптического устройства так, чтобы отношение максимального диаметра пятна к диаметру wF минимального сечения 15 не превышало 1,15.
Таким образом, максимальная вариация диаметра пятна по всей рабочей области 10 ограничивается 15%.
Наблюдения показывают, что указанная вариация размера пятна практически делает незначительной любую разницу в отверждении исходного материала 3 в рабочей области 10, что таким образом дает возможность получить машину 1, характеристики которой совместимы с требованиями для ее применения в областях, которые не относятся к строго профессиональным или промышленным.
В соответствии с вышесказанным следует понимать, что изобретение решает задачу создания стереолитографической машины 1, которая с точки зрения стоимости и характеристик особенно пригодна для применения в областях, которые не относятся к строго профессиональным или промышленным.
Предпочтительно указанное отношение диаметров заключено в интервале от 1,10 до 1,15, что дает дополнительное преимущество машине 1 в отношении характеристик. Наблюдения показывают, что изменение отношения в указанном интервале может быть получено с помощью оптических устройств 11, стоимость которых значительно меньше, чем стоимость оптического устройства на основе F-Theta объектива.
Расположение оптического устройства 11 перед светоотражающим устройством 7 дает позволяет решить задачу обеспечения большей гибкости при выборе размера рабочей области 10 по сравнению с машинами известного типа.
Фактически в машине 1 по настоящему изобретению размер рабочей области 10 для светоотражающего устройства 7, которое имеет заданную амплитуду а углового перемещения, зависит от расстояния светоотражающего устройства 7 от области 8 воздействия, которое может быть легко изменено, а также зависит от наличия объектива с подходящим фокусным расстоянием.
Напротив, в машинах известного типа, где используется F-Theta объектив, размер рабочей области 10 определяется объективом, который присутствует на рынке в ограниченном числе исполнений, о чем уже шла речь выше.
Светоизлучающее устройство 5 и оптическое устройство 11 предпочтительно выбирают путем определения диаметра wF и коэффициента М2 качества пучка, а также фокусного расстояния f оптического устройства 11, что дает возможность минимизировать минимальный диаметр wF пучка всегда при условии, чтобы диаметр пятна сохранялся в пределах указанных выше значений.
Минимизация минимального диаметра wF при неизменности остальных условий означает также минимизацию максимального диаметра пятна, и, следовательно, разрешения, которое может быть получено на машине 1.
Если предположить, что оптическое устройство 11 не вносит никаких аберраций, то указанную минимизацию wF можно осуществить, используя формулы (1) и (2), причем в формуле (2) величина z должна быть равна значению максимального расстояния zmax между фокальной поверхностью 12 и рабочей областью 10, а отношение w(zmax)/wF должно быть равно максимальному отношению, о котором шла речь выше.
На самом деле оптическое устройство 11 никогда не работает без аберраций. Аберрация, которая значима в данном контексте - это, в частности, сферическая аберрация, которая в дальнейшем будет именоваться просто термином «аберрация».
Как известно, аберрация приводит к увеличению площади фокусирования лучей данного пучка.
В случае гауссова пучка, подверженного аберрации, его геометрия может быть описана посредством более сложных формул по сравнению с формулами (1) и (2), которые в целях упрощения в настоящем документе не приводятся, однако известны из литературы.
В данном случае достаточно отметить, что при прочих равных условиях для гауссова пучка более высокая аберрация означает увеличение минимального диаметра wF, а также увеличение длины L участка пучка, который отвечает условию изменения диаметра, о котором шла речь выше.
Следовательно, если, с одной стороны, увеличение минимального диаметра wF предполагает, что аберрацию следует ограничивать как можно сильнее, то, с другой стороны, более высокая аберрация позволяет уменьшить диаметр wL после оптического устройства 11 и как следствие - также уменьшить диаметр wF. Какой из этих двух эффектов будет преобладать, зависит от конкретной схемы, выбранной для машины 1, и поэтому это не может быть известно заранее.
Поэтому предпочтительно аберрацию используют в качестве дополнительного неизвестного фактора при расчете для минимизации минимального диаметра wF, принимая во внимание то, что для данного фокусного расстояния f на рынке, как правило, присутствуют несколько объективов со значениями аберрации, отличающимися друг от друга.
Преимущество состоит в том, что использование аберрации в качестве неизвестного фактора при расчете во многих случаях дает возможность получать минимальный диаметр wF, который меньше, чем диаметр, который мог бы быть получен, если рассматривать оптическое устройство 11 с заранее известной аберрацией, например, с минимальной аберрацией, которая доступна на рынке для данного фокусного расстояния.
К указанному преимуществу может быть добавлен тот факт, что, как правило, стоимость оптического устройства 11 снижается при увеличении аберраций. Поэтому, если расчет дает более высокие аберрации, чем минимально доступные на рынке для данного фокусного расстояния, то соответствующий оптическое устройство 11 будет стоить меньше, чем оптическое устройство с минимальными аберрациями, что благоприятно скажется на общей стоимости машины.
Что касается фокальной поверхности 12, то ее предпочтительно выбирают так, чтобы она пресекала область 8 воздействия, и чтобы получить первый участок 13, расположенный внутри исходного материала 3, и второй участок 14, расположенный снаружи исходного материала 3.
Следовательно, когда световой пучок 6 направлен на первый участок 13 фокальной поверхности 12, он падает на рабочую область 10, прежде чем достигает своего минимального сечения 15, что схематически показано на фиг. 4. Таким образом, используется участок светового пучка 6, расположенный перед минимальным сечением 15.
И наоборот, когда световой пучок 6 направлен на второй участок 14 фокальной поверхности 12, он достигает рабочей области 10 после прохождения через минимальное сечение 15, как показано на фиг. 3. Таким образом, используется участок светового пучка 6, расположенный после минимального сечения 15.
Преимущество состоит в том, что при прочих равных условиях указанная схема дает возможность уменьшить максимальное расстояние zmax между фокальной поверхностью 12 и рабочей областью 10, позволяя уменьшить минимальный диаметр wF.
Предпочтительно фокальная поверхность 12 расположена так, чтобы максимальная площадь пятна, получаемого, когда световой пучок 6 направлен на первый участок 13, была равна максимальной площади пятна, получаемого, когда световой пучок направлен на второй участок 14.
Преимущество состоит в том, что вышеописанная конфигурация позволяет минимизировать минимальный диаметр wF для рабочей области 10 заданного размера.
Выполнение вышеуказанных условий означает расположение фокальной поверхности 12 относительно рабочей области 10 таким образом, чтобы сумма максимального расстояния между первым участком 13 и рабочей областью 10 и максимального расстояния между вторым участком 14 и рабочей областью 10, измеренного вдоль направления распространения светового пучка 6, была равна длине L участка светового пучка 6, которая отвечает условию максимального диаметра, как было показано выше.
На практике из-за аберраций указанный участок светового пучка 6 не расположен симметрично относительно минимального сечения 15, как было бы при отсутствии аберраций, а смещен по ходу луча назад относительно минимального сечения 15.
Предпочтительно светоотражающее устройство 7 построено таким образом, чтобы пересечение между фокальной поверхностью 12 и рабочей областью 10 представляло собой окружность 16, что схематически показано на фиг. 5 наряду с областью 8 воздействия и рабочей областью 10.
Окружность 16 получена путем расположения наружной поверхности 4 так, чтобы она была ортогональна биссектрисам 9 для всех рабочих углов а светоотражающего устройства 7 вокруг каждой из двух осей Х1, Х2.
Указанное условие позволяет получить пятно, которое может изменяться осесимметричным образом относительно биссектрисы 9, т.е. может иметь одинаковую геометрию для всех направлений падения пучка, которые образуют с биссектрисой 9 одинаковый угол.
Вследствие этого появляется благоприятная возможность минимизировать максимальный размер пятна в рабочей области 10 для конкретной площади последней.
И еще преимущество заключается в том, что указанная осевая симметрия позволяет упростить числовое представление трехмерного объекта, которое используется для планирования траектории светового пучка во время фактического построения самого объекта.
Предпочтительно устройство 19 логического управления выполнено таким образом, чтобы рабочая область 10 имела форму круга, соосного с указанной окружностью 16.
Вышеописанная конфигурация позволяет минимизировать максимальное расстояние zmax между рабочей областью 10 и фокальной поверхностью 12, и, таким образом, позволяет уменьшить максимальный размер пятна при той же самой площади рабочей области 10.
Очевидно, что результат, о котором шла речь выше, получен путем расположения фокальной поверхности 12 так, что указанное пятно обладает максимальной площадью одновременно на уровне центра и на уровне периметра рабочей области 10.
В общем случае, когда светоотражающее устройство 7 определяет область 8 воздействия, имеющую форму квадрата, определение круглой рабочей области 10 означает исключение определенных частей области 8 воздействия, расположенных на уровне вершин, и таким образом значительное сокращение максимального расстояния zmax.
Вследствие этого появляется благоприятная возможность уменьшить размер пятна по сравнению с размером, который был бы получен при использовании рабочей области, совпадающей целиком с квадратной областью 8 воздействия.
Предпочтительно круговая рабочую область 10 определена так, чтобы она была вписана в область 8 воздействия, как схематически показано на фиг. 5, и, таким образом, была максимизирована площадь рабочей области 10 для данной области 8 воздействия, и максимально возможным образом было использовано разрешение светоотражающего устройства 7.
Например, наиболее широко используемые машины известного типа оснащены светоотражающим устройством, которое работает с угловой амплитудой 40°, и F-Theta объективом с фокусным расстоянием 160 мм. Данная комбинация обеспечивает рабочую область 20 размером 110×110 мм, и круглое пятно диаметром приблизительно 40 мкм.
При использовании настоящего изобретения можно было бы получить круговую рабочую область 10 диаметром 180 мм, и пятно диаметром приблизительно 60 мкм.
Фиг. 5 на качественном уровне иллюстрирует то, о чем шла речь выше. В частности, можно видеть, что рабочая область 10 значительно больше рабочей области 20 известной машины, хотя меньше, чем область 8 воздействия.
Следовательно, если согласиться с небольшим снижением разрешения, то можно удвоить площадь рабочей области 10, и при этом не придется увеличивать стоимость машины, а напротив она будет меньше по сравнению с машинами известного типа.
Следует понимать, что уменьшенная стоимость машины, соответствующей настоящему изобретению, делает последнюю особенно пригодной для применения в более широком круге задач, чем те строго профессиональные или промышленные задачи, на которые ориентированы машины известного типа, а точнее для тех задач, для которых основным условием, которое должно быть выполнено, является стоимость машины, в то время как разрешение считается второстепенной характеристикой.
С другой стороны, с машиной известного типа, чтобы получить рабочую область, площадь которой может быть сопоставима с указанным выше диаметром 180 мм, необходимо использовать F-Theta объектив с фокусным расстоянием приблизительно 250 мм, соответствующий квадратной рабочей области размером приблизительно 160×160 мм.
Однако указанный F-Theta объектив значительно дороже F-Theta объектива, который упоминался в предыдущем случае, и к тому же позволяет получать пятно, размер которого может быть сопоставим с размером, который можно получать на машине, соответствующей настоящему изобретению.
На практике диаметр рабочей области 10 предпочтительно должен составлять 170-190 мм. Такой интервал пригоден для широкого круга задач, и к тому же позволяет получать разрешение и рабочую область, которая может быть сопоставима с размером, который можно получить с F-Theta объективом с фокусным расстоянием приблизительно 250 мм, но при значительно более низких затратах.
Все вышесказанное ясно демонстрирует, что раскрытая выше стереолитографическая машина решает все задачи настоящего изобретения.
В частности, конкретная конфигурация оптического устройства и светоизлучающего устройства позволяет радикально уменьшить стоимость машины по сравнению с машинами известного типа, и делает машину пригодной для применения в широком круге задач, а не только в профессиональных или промышленных задачах.
Более того, предложенная схема машины позволяет делать размер рабочей области независимым от конкретного оптического устройства, увеличивая, таким образом, гибкость конструкции машины, и давая возможность расширять рабочую область, не увеличивая чрезмерно стоимость машины.
Кроме того, в изобретении предложен способ выполнения стереолитографической машины, содержащий следующее: определяют конфигурации рабочей области; определяют расстояние между светоотражающим устройством и рабочей областью; вычисляют значения определенных конструктивных параметров светоизлучающего устройства и оптического устройства таким образом, чтобы минимизировать величину диаметра минимального сечения, при условии, что значение отношения максимального диаметра пересечения между световым пучком и рабочей областью по всей рабочей области, с одной стороны, к диаметру минимального сечения, с другой стороны, не превышает 1,15, при этом в число указанных конструктивных параметров по меньшей мере входят: диаметр и коэффициент качества пучка, падающего на оптическое устройство, а также фокусное расстояние оптического устройства; выбирают светоизлучающее устройство и оптическое устройство в соответствии со значениями указанных конструктивных параметров.
Группа изобретений относится к стереолитографической машине и способу выполнения стереолитографической машины. Машина содержит: контейнер (2) с исходным материалом (3), определяющий ограничивающую его наружную поверхность (4); светоизлучающее устройство (5) с возможностью испускания светового пучка (6); светоотражающее устройство (7), предназначенное для отклонения светового пучка (6) в направлении области (8) воздействия, принадлежащей наружной поверхности (4); устройство (19) логического управления, предназначенное для управления светоотражающим устройством (7) таким образом, чтобы световой пучок (6) мог выборочно падать на рабочую область (10), принадлежащую области (8) воздействия. Также машина содержит оптическое устройство (11), предназначенное для фокусирования светового пучка (6) на фокальной поверхности (12), где световой пучок (6) обладает минимальным сечением (15). Оптическое устройство (11) расположено между светоизлучающим устройством (5) и светоотражающим устройством (7), причем светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) выполнены таким образом, что отношение максимального диаметра пересечения световым пучком (6) рабочей области (10) к диаметру (wF) минимального сечения (15) не превышает 1,15. Способ выполнения стереолитографической машины включает операции для подбора значений конструктивных параметров светоизлучающего устройства и оптического устройства. Технический результат, достигаемый при использовании группы изобретений, заключается в обеспечении выбора размеров области воздействия по сравнению с выбором в машинах известного типа. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Стереолитографическая машина (1), содержащая:
- контейнер (2), содержащий исходный материал (3) в жидком или пастообразном состоянии, определяющий наружную поверхность (4), ограничивающую указанный исходный материал;
- светоизлучающее устройство (5), выполненное с возможностью испускания светового пучка (6);
- светоотражающее устройство (7), предназначенное для отклонения светового пучка (6) и управляемое таким образом, чтобы световой пучок (6) падал на любую точку области (8) воздействия, принадлежащей наружной поверхности (4);
- устройство (19) логического управления, выполненное с возможностью управления светоотражающим устройством (7) таким образом, чтобы световой пучок (6) выборочно падал на любую точку рабочей области (10), принадлежащей указанной области (8) воздействия;
- оптическое устройство (11), выполненное с возможностью фокусирования светового пучка (6) на фокальной поверхности (12), определяемой точками, где световой пучок (6) имеет минимальное сечение (15) вдоль различных направлений, определяемых светоотражающим устройством (7), причем указанное оптическое устройство (11) расположено между светоизлучающим устройством (5) и светоотражающим устройством (7);
отличающаяся тем, что указанное оптическое устройство (11) выполнено таким образом, что указанная фокальная поверхность (12) является сферической, при этом светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) выполнены таким образом, что отношение максимального диаметра пересечения между световым пучком (6) и рабочей областью (10), по всей рабочей области (10), с одной стороны, к диаметру (wF) минимального сечения (15), с другой стороны, не превышает 1,15.
2. Стереолитографическая машина (1) по п. 1, отличающаяся тем, что указанное оптическое устройство (11) является неподвижным.
3. Стереолитографическая машина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) выполнены таким образом, что указанное отношение находится между 1,10 и 1,15.
4. Стереолитографическая машина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) выполнены таким образом, чтобы минимизировать указанный диаметр (wF) минимального сечения (15) при конкретной заданной конфигурации рабочей области (10) и конкретном заданном расстоянии между рабочей областью (10) и светоотражающим устройством (7).
5. Стереолитографическая машина (1) по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что фокальная поверхность (12) расположена так, чтобы пересекать рабочую область (10) таким образом, что первый участок (13) фокальной поверхности (12) был расположен внутри исходного материала (3), а второй участок фокальной поверхности (12) был расположен снаружи исходного материала (3).
6. Стереолитографическая машина (1) по п. 5, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) выполнены таким образом, что максимальная площадь пересечения светового пучка (6) и рабочей области (10), когда световой пучок (6) направлен на первый участок (13), равна максимальной площади пересечения светового пучка (6) и рабочей области (10), когда световой пучок (6) направлен на второй участок (14).
7. Стереолитографическая машина (1) по п. 5, отличающаяся тем, что светоотражающее устройство (7) выполнено таким образом, что линия пересечения фокальной поверхности (12) и рабочей области (10) представляет собой окружность (16).
8. Стереолитографическая машина (1) по п. 7, отличающаяся тем, что устройство (19) логического управления выполнено таким образом, что рабочая область (10) является круговой и концентрической с указанной окружностью (16).
9. Стереолитографическая машина (1) по п. 8, отличающаяся тем, что указанная круговая рабочая область (10) вписана в область (8) воздействия.
10. Стереолитографическая машина (1) по п. 9, отличающаяся тем, что диаметр круговой рабочей области (10) заключен между 170 мм и 190 мм.
11. Стереолитографическая машина (1) по любому из пп. 1, 2, 6, 8-10, отличающаяся тем, что оптическое устройство (11) представляет собой объектив или набор последовательно расположенных линз (17).
12. Стереолитографическая машина (1) по любому из пп. 1, 2, 6, 8-10, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) выполнено с возможностью испускания коллимированного светового пучка (6).
13. Стереолитографическая машина (1) по п. 12, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) содержит лазерный излучатель.
14. Стереолитографическая машина (1) по п. 12, отличающаяся тем, что светоизлучающее устройство (5) выполнено таким образом, что сечение указанного коллимированного светового пучка (6) является симметричным относительно двух взаимно ортогональных осей симметрии.
15. Способ выполнения стереолитографической машины (1) по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что содержит следующее:
- определяют конфигурации рабочей области (10);
- определяют расстояние между светоотражающим устройством (7) и рабочей областью (10);
- вычисляют значения определенных конструктивных параметров светоизлучающего устройства (5) и оптического устройства (11) таким образом, чтобы минимизировать величину диаметра (wF) минимального сечения (15), при условии, что значение отношения максимального диаметра пересечения между световым пучком (6) и рабочей областью (10) по всей рабочей области (10), с одной стороны, к диаметру (wF) минимального сечения (15), с другой стороны, не превышает 1,15, при этом в число указанных конструктивных параметров по меньшей мере входят: диаметр (wL) и коэффициент (М2) качества пучка (6), падающего на оптическое устройство (11), а также фокусное расстояние (f) оптического устройства (11);
- выбирают светоизлучающее устройство (5) и оптическое устройство (11) в соответствии со значениями указанных конструктивных параметров.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что указанные конструктивные параметры содержат параметр, представляющий аберрации оптического устройства (11).
| US 5151813 A, 29.09.1992 | |||
| JP H05309747 A, 22.11.1993 | |||
| US 6426840 B1, 30.07.2002 | |||
| RU 2011119605 A, 27.11.2012 | |||
| RU 2011119622 A, 27.11.2012. |
