СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОСТЕРЕОЛИТОГРАФИЧЕСКОЙ 3D-ПЕЧАТИ Российский патент 2022 года по МПК B29D11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к изготовлению изделий из полимерных материалов, а именно, к микростереолитографической 3D-печати оптических элементов толщиной до 1 мм, и может быть использовано в медицинских целях при производстве индивидуальных контактных линз для пациентов с деформацией роговицы, либо для изготовления контактных линз с особыми свойствами, например, используемых в системах дополненной реальности.

Уровень техники

Фотополимерная печать – активно развивающееся направление изготовления трехмерных (3D) объектов при помощи 3D-принтеров. В основе заявляемого способа лежит явление фотополимеризации - необратимое отвердевание фоточувствительного жидкого полимера (фоторезиста) под воздействием светового излучения с длиной волны в ультрафиолетовом диапазоне. В зависимости от источника излучения среди общего класса технологий микростереолитографической 3D-печати различают технологии печати SLA, DLP и LCD. В классической технологии печати SLA (англ. Stereolithorgraphy apparatus - стереолитография) в качестве источника света используется лазер, который поточечно засвечивает фоторезист в соответствии с заданной 3D-моделью изготавливаемого изделия. В технологии печати DLP (англ. Digital light processing – цифровая обработка света) в качестве источника света используется DLP-проектор, в котором изображение формируется при отражении света от матричного подвижного DMD-зеркала (англ. Digital micromirror device – цифровое микрозеркальное устройство), затем двумерное изображение проецируется в объём фоторезиста, что приводит к послойному отвердеванию в процессе изготовления. Технология печати LCD (англ. Liquid crystal display – жидкокристаллический дисплей) повторяет DLP-печать, только в качестве проектора используется дисплей с ЖК-матрицей. Все три технологии активно используются для производства оптических элементов. Большинство оптических элементов, работающих на пропускание света, таких как контактные линзы, имеют две рабочие поверхности, форма которых определяет оптические свойства элементов. Как следствие, возможность производства рабочей поверхности с высокой вариативностью заданной формы и низкой шероховатостью является важным требованием к способам изготовления оптических элементов.

Из уровня техники известен способ производства контактных линз с помощью трехмерной (3D) печати способом DLP [US20180001581A1]. Способ позволяет производить линзы со сложной геометрией с учетом нарушения зрения у конкретного пациента, включая астигматизм (нарушение зрения, вызванное измененной формой роговицы глаза), или с особенностями геометрии роговицы, в т. ч. ее деформацией. Изобретение основано на использовании слайсера - программы, конвертирующей 3D-модель объекта в формате STL в серию последовательных чёрно-белых изображений с последующим разбиением модели на слои. Каждый слой был охарактеризован определённым изображением (2D проекцией), которое транслировалось в зависимости от положения платформы построения. Для постобработки изделие погружали в резист, вынимали и позволяли смоле растечься равномерно по всей поверхности, после чего проводили дополнительное экспонирование ультрафиолетовым светом (УФ). В данном изобретении плоско-выпуклую конструкцию контактной линзы изготавливают способом формования, при этом отсутствует детальное описание процесса изготовления линзы на 3D-принтере.

Из уровня техники известен способ изготовления оптических элементов с помощью струйной 3D-печати [WO2014108364A1], включающий нанесение не менее одной капли содержащего силикон материала на подложку и последующее экспонирование ультрафиолетовым излучением. Вышеупомянутый способ позволяет получить качественные оптические элементы средних размеров. При этом данное решение обладает рядом существенных недостатков. Так как геометрия изготовленного элемента определяется минимальным размером капли, в этой связи производство оптических элементов с диаметром менее 0.8 мм будет затруднительно. Кроме того, известный способ не позволяет изготавливать тонкие оптические элементы со сложной формой внешней поверхности, в частности, контактные линзы толщиной до 500 мкм выпукло-вогнутой формы и большого радиуса кривизны (около 8 мм).

Из уровня техники известен способ струйной 3D-печати оптических элементов [US9579829B2] с использованием предварительно изготовленных форм. Данный подход позволяет несколько расширить набор оптических поверхностей, которые возможно изготовить данным способом. Струйная 3D-печать позволяет использовать одновременно несколько сопел для подачи материалов, отличающихся по своим характеристикам, что дает возможность изготавливать оптические элементы, например ГРИН (от англ. GRIN – gradient index) линзы с различными показателями преломления в зависимости от координат. Однако данное изобретение характеризуется недостатками, связанными со струйной 3D-печатью, представленными при описании изобретения [WO2014108364A1].

Из уровня техники известен способ изготовления объектов с криволинейной поверхностью с использованием полимеров двойного отвердевания [US20200376746A1]. Используемый жидкий полимер состоит из двух компонент: фоточувствительной и термочувствительной. Сначала с помощью стереолитографической 3D-печати воздействуют на фоточувствительную компоненту полимера и изготавливают элемент, который обладает высокой эластичностью и может принимать произвольную форму под воздействием собственного веса либо за счёт внешнего воздействия. Эластичный элемент размещают в заранее изготовленной форме с криволинейной поверхностью, после чего элемент нагревают, воздействуя на термочувствительную компоненту полимера, и в результате получают изделие с заданной формой поверхности. Однако данный способ является двухэтапным, что увеличивает время и усложняет способ изготовления оптических элементов.

Наиболее близким к заявленному решению является способ 3D-печати оптических элементов [ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 43, 40662–40668], основанный на использовании DLP 3D-печати без платформы построения. Таким образом, поверхность линзы формируют при воздействии на исходный полимерный материал УФ-излучением в течение одного этапа экспонирования, при этом оптическая система установки вносит вибрацию в процесс проектирования экспонирующего изображения для достижения эффекта сглаживания поверхности изготавливаемого изделия. Оптическую систему размещают между проектором и областью экспонирования, при этом с помощью проектора формируют изображение, характеризующееся различной интенсивностью отдельных пикселей, зависящих от геометрии оптического элемента. Изобретение позволяет изготавливать образцы с шероховатостью поверхности 1 нм.

Однако данное решение позволяет создавать оптические элементы с криволинейной формой только одной его рабочей поверхности – например, плоско-выпуклые или плоско-вогнутые линзы. Данный способ не реализуем в случае необходимости получения, например, бифокальной линзы большого размера (диаметром в несколько сантиметров) из-за ограничения глубины цвета в связи с использованием DLP проектора. В большинстве случаев интенсивность света может меняться в диапазоне от 0 до 255 с единичным шагом.

Таким образом, в настоящее время известно множество способов изготовления трехмерных оптических элементов. Способы крупносерийного производства хорошо зарекомендовали себя и не имеют существенных недостатков. Тем не менее, существующие способы не позволяют быстро изготавливать образцы со сложной геометрией и оптическим качеством поверхности, в т. ч. для использования в персонализированной медицине.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является возможность изготовления оптических элементов произвольной формы с высоким качеством рабочей поверхности, характеризующихся шероховатостью не более сотен нм.

Краткая сущность заявляемого изобретения

Технический результат заключается в обеспечении возможности изготовления оптических элементов произвольной формы толщиной от единиц мкм до 1 мм и шероховатостью поверхности не более 100 нм.

Технический результат достигается способом изготовления оптических элементов сложной формы с использованием микростереолитографической 3D-печати, включающим изготовление кюветы, у которой часть внутренней поверхности дна имеет выпуклую и/или вогнутую форму, соответствующую форме первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента; заполнение кюветы фоторезистом (фоточувствительным полимером); формирование оптического элемента при воздействии на фоточувствительный полимер ультрафиолетовым излучением с заданным распределением интенсивности в объеме печатаемого оптического элемента, обеспечивающим формирование требуемой формы второй (верхней) рабочей поверхности оптического элемента; очистку изготовленного оптического элемента от жидкого неполимеризованного фоторезиста; обработку оптического элемента способом вакуумного прессования для сглаживания неровностей на верхней поверхности оптического элемента, образованных под действием ультрафиолетового излучения.

Кроме того, в способе распределение дозы экспонирования при печати оптического элемента может задаваться с помощью одного изображения, пиксели которого имеют различный уровень интенсивности, соответствующий заданной геометрии оптического элемента; а также с помощью последовательного экспонирования серией различных чёрно-белых изображений, суммарная интенсивность пикселей которых в течение времени их экспонирования соответствует итоговому требуемому распределению полученной дозы.

В заявляемом способе очистку изготовленного оптического элемента от жидкой компоненты полимера можно проводить с помощью потока сжатого воздуха.

Кроме того, обработка изготовленного оптического элемента может быть осуществлена посредством нанесения на его вторую рабочую поверхность жидкого фоточувствительного полимера – материала изготовления оптического элемента, в количестве, обеспечивающем заполнение дефектов и сглаживание шероховатой поверхности, с последующим нанесением плёнки, прозрачной для УФ-излучения, и экспонированием УФ-излучением до затвердевания жидкой фракции фоточувствительного полимера.

При изготовлении кюветы часть внутренней поверхности дна кюветы выпуклой и/или вогнутой формы может быть сформированна эластичной мембраной толщиной от 1 мкм до 5 мм под внешним воздействием, реализуемым с ее внешней стороны. В качестве внешнего воздействия может выступать давление рабочей среды или температура рабочей среды. Крепление мембраны со стороны внутренней поверхности дна кюветы может быть осуществлено с использованием адгезивных материалов.

Обработка оптического элемента способом вакуумного прессования может быть осуществлена внутри кюветы.

В заявляемом способе форма первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента задается дном кюветы, а форма второй рабочей поверхности определяется распределением интенсивности света, распространяемого в фотополимерной матрице, из которой формируется оптический элемент.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется иллюстративным материалом, где на фиг. 1 и 2 представлено схематичное изображение кюветы, выполненной из прозрачного для УФ-излучения материала, заполненной фоточувствительным полимером (фоторезистом), дно которой имеет выпуклую или вогнутую поверхность, на которой сформирован оптический элемент, стрелками показано направление УФ-излучения; на фиг. 3 представлен график зависимости интенсивности УФ-излучения в радиальном направлении, центр области печати соответствует значению r=0; на фиг. 4 представлена часть кюветы в одном из вариантов ее реализации, предполагающих формирование выпуклой или вогнутой поверхности части ее дна с помощью эластичного элемента под воздействием внешней среды, например, воздуха, подаваемого под избыточным давлением (для формирования выпуклой поверхности), или вакуума (для формирования вогнутой поверхности), при этом форма эластичного элемента может быть отрегулирована величиной давления среды воздействия; на фиг. 5 показан вид сверху на дно кюветы с четырьмя отверстиями, два из которых закрыты эластичным элементом, имеющим выпуклую форму; на фиг. 6 схематично продемонстрирован ход лучей на границе кюветы и жидкого фотополимера; на фиг. 7 представлены этапы обработки оптического элемента, в результате которой получают гладкую поверхность – без дефектов, образующуюся после экспозиции УФ-излучения в результате преломления лучей на границе двух сред; на фиг. 8 представлена 3D-модель формы, используемой для изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы, общий вид; на фиг. 9 представлен поперечный разрез формы фиг.8; на фотографии фиг. 10 представлено изображение двух изготовленных из ABS пластика форм, предназначенных для изготовления кювет, помещенных в камеру с парами ацетона для формирования гладких поверхностей; на фиг. 11 представлен пример изображения, транслируемого с помощью проектора, для изготовления контактной линзы; на фиг. 12 представлена изготовленная с помощью заявляемого способа контактная линза; на фиг. 13 представлена схема установки для 3D-печати с проектором.

Позициями на чертежах обозначены: 1 – кювета, 2 – пучки света, формирующие оптический элемент, 3 – изготавливаемый объект (линза), 4 – жидкий фотополимер (резист), 5 – источник света в УФ-диапазоне, 6 – эластичная прозрачная для УФ-излучения мембрана (эластичный элемент), 7 – место крепления мембраны со стороны дна кюветы, 8 – устройство подачи среды воздействия на мембрану для формирования требуемой кривизны ее поверхности, при этом стенки устройства со стороны УФ-излучателя выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала, с обеспечением герметичности при повышении или понижении давления среды; 9 - источник повышенного или пониженного давления среды (воздуха), 10 - поток воздуха, 11 – отверстие, выполненное в дне кюветы под мембрану; 12 – основа дна кюветы; 13 – вторая рабочая поверхность линзы, сформированная с помощью 3D-печати двухфокусной контактной линзы перед ее обработкой, 14 – преломление лучей на границе двух сред; 15 – эластичная прозрачная для УФ-излучения плёнка, плотно прилегающая к изготовленному образцу контактной линзы за счёт давления воздуха; 16 – дефект контактной линзы, заполненный жидким фотополимером, 17 – двухфокусная контактная линза после ее обработки, 18 – проектор, формирующий экспонирующее изображение, 19 – управляющий компьютер.

Осуществление изобретения

Ниже представлено более детальное описание каждого этапа способа изготовления оптических элементов с использованием микростереолитографической 3D-печати.

В основе заявляемого способа 3D-печати лежит процесс фотополимеризации – необратимого отвердевания жидкого полимера под воздействием источника света в ультрафиолетовом диапазоне. В качестве источника света может быть использован лазер для осуществления 3D-печати способом SLA или проектор для осуществления 3D-печати способом DLP или LCD.

Принципиальным отличием технологии DLP по сравнению с SLA является то, что при использовании проектора процесс полимеризации фотополимера осуществляется одновременно по всему объему формируемой из данного резиста линзы. Изображение формируется с помощью цифрового микрозеркального устройства. Микрозеркала, имеющие размер приблизительно 16х16 мкм, при определённом угле наклона отражают свет таким образом, чтобы он попал на линзу, а затем на экран, в то время как при противоположном угле наклона свет попадает на светопоглотитель и на экран не проецируется. Интенсивность света отдельного пикселя может быть отрегулирована за счёт поворотов зеркал с частотой в десятки килогерц и различной широтно-импульсной модуляцией. Таким образом, создаются пиксели, которые впоследствии становятся «вокселями» (англ. voxels – volume pixels, объёмные пиксели) – элементарными объёмами напечатанного объекта. Размер пикселя на поверхности печати может достигать двух микрон, что позволяет изготавливать структуры с высокой точностью. Таким образом, точность изготовленной геометрии оптического объекта определяется с помощью минимальных индивидуальных кластеров пикселей 3х3.

При моделировании процесса полимеризации было сделано допущение о том, что распространение излучения от проектора в резисте подчиняется закону экспоненциального поглощения Бугера-Ламберта-Бера. В соответствии с данным законом при нормальном падании света на поглощающую среду (фотополимер) интенсивность света максимальна на поверхности фотополимера и экспоненциально затухает при проникновении вглубь материала. Глубина полимеризации С_d определяется как максимальная толщина слоя фотополимера, при которой интенсивность света инициирует реакцию фотополимеризации. Глубина полимеризации С_d вычисляется следующим образом:

где D_p – глубина проникновения, на которой интенсивность пучка уменьшается в раз,

I –интенсивность пучка света,

t – время экспонирования,

Е_с – критическая энергия полимеризации.

Параметры D_p и Е_с можно определить экспериментально. При мощности проектора и максимальной глубины цвета пикселей для полимеризации слоя высотой в 2 мм требуется порядка одного часа. При этом, для тонких оптических элементов (до 1 мм) экспонирование будет занимать не более одной минуты.

Одна из рабочих поверхностей (первая) изготавливаемых оптических элементов (оптических линз) формируется за счёт печати на неплоской поверхности, которая может быть реализована в заранее изготовленной кювете определённой формы, выполненной из прозрачного для УФ-излучения материала. Кювета может иметь различные варианты исполнения – в виде устройства, как показано на фиг.1 или 2, в виде единого устройства с выпуклой или вогнутой поверхностью на дне кюветы. Возможно изготовление кюветы с эластичной мембраной (фиг. 4, 5), предназначенной для формирования вогнутой и/или выгнутой части поверхности дна. Контроль формы поверхности мембраны, соответствующей первой рабочей поверхности линзы, может быть реализован с помощью изменения давления воздуха. При этом необходимо использовать эластичную и прозрачную для УФ-излучения мембрану, а также создать условия пониженного или повышенного давления воздуха.

Таким образом, для изготовления оптической линзы с заданной геометрией ее рабочих поверхностей изготавливают кювету, содержащую участок поверхности, имеющий форму, отображающую форму первой рабочей поверхности изготавливаемой линзы. Кювета может быть изготовлена различными способами, например, путём отливки из полидиметилсилоксана в форму, изготовленную способом термоэкструзионной 3D-печати из пластика, например, АБС (акрилонитрил бутадиен стирол) с последующим сглаживанием ее поверхности в парах растворителя, например, ацетона. После чего кювету заполняют фотополимером с последующим осуществлением 3D-печати линзы, для чего кювету с фотополимером размещают над источником УФ-излучения и проводят УФ-экспонирование заранее подготовленным изображением, обеспечивающим формирование второй рабочей поверхности оптического элемента.

Форма второй рабочей (верхней) поверхности оптического элемента определяется распределением интенсивности ультрафиолетового излучения. В случае, например, использования DLP 3D-печати доза экспонирования регулируется глубиной цвета каждого пикселя транслируемого проектором изображения и общим временем экспонирования.

В процессе экспонирования в жидком полимере формируется твердый оптический элемент, который после экспонирования проходит этапы очистки и постобработки способом вакуумного прессования.

При 3D-печати оптических элементов необходимо добиться низкой шероховатости поверхности изготовляемых изделий, чтобы избежать рассеяния света на неоднородностях поверхности. В случае DLP 3D-печати интенсивность света от отдельного пикселя уменьшается с увеличением расстояния от центра изображения в соответствии с законом Гаусса в радиальном направлении. При этом микрозеркала DMD-чипа расположены на конечном расстоянии друг относительно друга, что означает ступенчатое распределение интенсивности в проецируемом изображении. Два вышеупомянутых фактора дают существенный вклад в неоднородность распределения интенсивности светового поля, транслируемого проектором. Аналогичные трудности возникают в случае LCD-проектора. Поэтому при использовании проектора в микростереолиграфической 3D-печати сложно изготовить оптический элемент с высококачественной второй рабочей поверхностью без использования дополнительных этапов по сглаживанию поверхности. Например, при использовании проектора с размером пикселя 10 мкм для изготовления объекта толщиной 100 мкм, шероховатость второй рабочей поверхности может достигать 500 нм.

Качество второй рабочей поверхности можно существенно улучшить, используя постобработку способом вакуумного прессования. Жидкий полимер наносят на поверхность полученного образца линзы, заполняя все дефекты и неровности, затем на обработанную поверхность наносят плёнку или мембрану, обладающую эластичными свойствами, прижимая ее с небольшим усилием к обработанной поверхности, например, путём создания прижимающего давления, оказываемого на мембрану с помощью насоса (фиг. 6 и фиг. 7), либо путём изготовления отверстий в изделии вне области рабочих поверхностей и вакуумном прижиме мембраны с помощью насоса, размещенного с противоположной стороны изделия. Далее осуществляют дополнительное экспонирование полученного образца светом в УФ-диапазоне для полимеризации жидкой части резиста под пленкой, после чего пленку удаляют с поверхности образца.

Формирование светового поля с определённым распределением интенсивности.

Выше было отмечено, что при трансляции изображения с определённой мощностью проектора и временем экспонирования доза отдельного пикселя может быть отрегулирована за счёт поворота микрозеркал DMD чипа с определённой частотой. Количество возможных значений дозы от отдельного пикселя в таком случае дискретно и определяется глубиной цвета проектора. Как правило, количество таких значений равно 256, и значение дозы для отдельного пикселя меняется в диапазоне от 0 до 255. Данные значения также называют оттенками серого. Зная мощность проектора и время экспонирования изображения, каждому значению оттенка серого можно поставить в соответствие глубину полимеризации, тем самым аппроксимируя любую форму объекта с определённой точностью. Удобнее всего работать в линейном приближении зависимости толщины слоя от времени экспонирования - в таком случае распределение значений оттенков серого соответствует распределению высот вокселей. Для использования такого приближения подбирают фотополимер с определёнными параметрами или учитывают нелинейность зависимости высоты вокселя от времени и интенсивности экспонирования.

Для работы с изображениями, анимацией и интерфейсами при осуществлении заявляемого способа может быть использован открытый язык программирования “Processing” (https://processing.org/). Он позволяет создавать двухмерный массив, где в качестве индексов используются координаты x и y, определяющие положение пикселя на изображении, а в качестве значения элемента массива – оттенок серого. Одним из достоинств такого подхода является возможность быстро сформировать изображение объекта, зная математическую формулу второй рабочей поверхности. Если объект имеет большую площадь и сложную форму, точность аппроксимации может оказаться недостаточной. В этом случае может быть использовано несколько изображений для компенсации ограниченной глубины цвета проектора.

Вышеупомянутый подход также может быть использован в случае применения способа SLA.

Настоящий способ формирования изображений является одним из наиболее эффективных для 3D-печати без разбиения детали на слои. В качестве альтернативы возможно использование множества изображений, состоящих только лишь из белого и черного цвета.

Дополнительные поправки, связанные с 3D-печатью на криволинейной поверхности

Для реализации заявляемого способа может быть изготовлено калибровочное изделие на плоской поверхности кюветы, прилегающей к нижней поверхности изделия, с эталонной произвольной верхней рабочей поверхностью путём экспонирования подготовленным заранее распределением УФ-излучения. Для получения объекта (образца оптической линзы) с такой же, как у калибровочного изделия, эталонной верхней рабочей поверхностью, но с требуемой формой нижней поверхности, могут быть учтены следующие поправки.

1) Учёт различной высоты, на которой формируется воксель.

Вертикальное расстояние между кюветой или эластичной мембраной и верхней эталонной рабочей поверхностью в каждой точке меньше на определенную величину по сравнению с аналогичным расстоянием у калибровочного изделия. Таким образом, необходимо уменьшить высоту каждого вокселя на определенную высоту, что можно сделать за счёт регулирования оттенков серого или времени экспонирования.

Эту поправку можно учесть, рассчитав разницу высот для каждого вокселя отдельно. Для этого, например, можно взять изображение, использующееся для УФ-экспонирования калибровочного объекта, и перевести его в двумерную таблицу, значения в ячейках которой будут соответствовать яркости пикселя, а также взять таблицу, значения в ячейках которой будут соответствовать карте высот криволинейного дна кюветы для изготовления изделия, привести значения второй таблицы к значениям первой поэлементным вычитанием второй таблицы, соответствующей карте распределения высоты дна кюветы, из первой таблицы, соответствующей значениям яркости пикселей.

Способ позволяет производить учёт различных углов падения УФ-излучения на границу раздела кюветы и фоторезиста при печати итогового изделия, различного размера изображения пикселей вдоль границы раздела кюветы/фоторезиста и различных углов преломления на границе кюветы/фоторезиста.

УФ-экспонирующее изображение формируется объективом проектора на нижней плоской поверхности кюветы. Далее лучи по расходящимся траекториям распространяются в сторону границы раздела кювета/фоторезист. Лучи, соответствующие разным пикселям, падают под различными углами по отношению к плоской нижней стороне кюветы. Это приводит к различной поверхностной плотности УФ-излучения на границе раздела кювета/фоторезист, вблизи которой и формируется итоговое изделие, к неравномерности распределения дозы излучения, полученной при экспонировании, что в итоге ведет к неравномерности толщины итогового изделия при равномерной картине УФ-экспонирования, а также к различным направлениям роста изделия по отношению к нормали к поверхности кювета/фоторезист, что требует компенсации.

Для того чтобы компенсировать данные эффекты, необходимо сначала напечатать плоский объект с использованием чёрно-белого изображения (без оттенков серого) и измерить его толщину. Затем необходимо напечатать такой же объект на криволинейной поверхности с тем же временем экспонирования, измерить профиль поверхности и найти точку, в которой толщина объекта наименьшая. Далее необходимо создать компенсационную маску с оттенками серого, чтобы толщина образца была такая же, как и у плоского напечатанного объекта и попиксельно прибавлять её к изображению для экспонирования, что и будет обеспечивать компенсацию. В случае неравномерности толщины итогового изделия в ходе калибровки можно внести дополнительную компенсацию в накладываемую маску.

Пример технологического процесса изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы.

Изначально может быть изготовлена форма для жидкого ПДМС (от англ. “Polydimethylsiloxane” – Полидиметилсилоксан), для последующего изготовления кюветы. Форма, модель которой представлена на фиг.8, была изготовлена с использованием 3D-печати способом FDM (англ. Fused deposition modelling – моделирование способом наплавленного осаждения): радиус кривизны вогнутого участка в центре составил 8.6 мм, диаметр 14.2 мм. Печать формы была произведена с использованием в качестве материала АБС-пластика. Изготовленную из АБС-пластика форму обрабатывали для сглаживания неровностей ее поверхности, для чего образцы формы размещали в герметичной ёмкости с парами ацетона. (фиг. 10).

Для получения кюветы форму заполняли ПДМС полимером и оставляли на сутки до застывания полимера. Все компоненты для ПДМС полимера были тщательно перемешаны, а итоговый полимер был предварительно помещён в камеру дегазации во избежание появления пузырей. Затвердевший ПДМС извлекали из формы.

Существуют и другие способы изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы, необходимой для 3D-печати оптических элементов. Например, форма для кюветы из ПДМС может быть напечатана с помощью стандартных SLA или DLP способов, с последующей постобработкой способом вакуумного прессования для сглаживания поверхности. Допустимо изготовление кюветы с помощью стереолитографической 3D-печати – в таких случаях необходимо использовать прозрачный для УФ-излучения фотополимер.

Пример реализации кюветы с частью поверхности ее дна выпуклой формы, сформированной с помощью эластичной мембраны

При изготовлении кюветы использовали ПДМС мембрану толщиной 300 микрон, радиусом 19.2 мм, которую прикрепляли к поверхности дна кюветы в зоне предварительно выполненного отверстия диаметром 5 мм по его периметру с помощью адгезивного материала. Для регулирования давления среды воздействия на мембрану для формирования выпуклой поверхности использовался поршневой механизм. Как следствие, основные геометрические параметры определялись объёмом воздуха, подаваемого с помощью поршневого механизма, который для формирования требуемой кривизны поверхности мембраны составил 1.3 мл. Таким образом была получена кювета, не дне которой была сформирована полусфера с радиусом кривизны 8.6 мм.

Изготовление контактной линзы.

В качестве примера была изготовлена контактная линза (выпукло-вогнутая) толщиной 500 мкм, диаметром 14.5 мм, с радиусом кривизны 8.6 мм и с шероховатостью поверхности 54 нм. При изготовлении линзы был использован 3D-принтер – Autodesk Ember с площадью печати 64х40 мм². Длина волны источника света – 405 нм. Технологический процесс изготовления контактной линзы с использованием заранее изготовленной кюветы включал в себя следующие этапы:

1. Создание изображений, используемых для градиентной засветки (см. фиг. 11). С этой целью был использован открытый язык программирования “Processing”;

2. Подготовка кюветы, её расположение ровно в центре области печати;

3. Заполнение кюветы жидким фотополимером;

4. Трансляция изображения в течение 7 секунд;

5. Постобработка способом вакуумного прессования.

Вся процедура занимала около 10 минут. При этом DLP 3D-печать позволила изготовить несколько оптических элементов одновременно. Данные факторы указывают на высокую скорость и низкие трудозатраты при создании прототипов или мелкосерийном производстве. На фиг. 12 изображен готовый продукт.

Изобретение относится к изготовлению изделий из полимерных материалов, а именно к микростереолитографической 3D-печати оптических элементов сложной формы, и может быть использовано в медицинских целях при производстве индивидуальных контактных линз для пациентов с деформацией роговицы либо для изготовления контактных линз с особыми свойствами, например, используемых в системах дополненной реальности. Способ включает: изготовление кюветы, у которой часть внутренней поверхности дна имеет выпуклую и/или вогнутую форму, соответствующую форме первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента, заполнение кюветы фоторезистом, формирование оптического элемента при воздействии на фоточувствительный полимер ультрафиолетовым излучением с заданным распределением интенсивности в объеме печатаемого оптического элемента, обеспечивающим формирование требуемой формы второй рабочей поверхности оптического элемента, очистку изготовленного оптического элемента от жидкого неполимеризованного фоторезиста и обработку оптического элемента способом вакуумного прессования для сглаживания неровностей на верхней поверхности оптического элемента, образованных под действием ультрафиолетового излучения. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности изготовления оптических элементов произвольной формы толщиной от единиц мкм до 1 мм и шероховатостью поверхности не более 100 нм. 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ изготовления оптических элементов сложной формы с использованием микростереолитографической 3D-печати, включающий

- изготовление кюветы, у которой часть внутренней поверхности дна имеет выпуклую и/или вогнутую форму, соответствующую форме первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента;

- заполнение кюветы фоторезистом;

- формирование оптического элемента при воздействии на фоточувствительный полимер ультрафиолетовым излучением с заданным распределением интенсивности в объеме печатаемого оптического элемента, обеспечивающим формирование требуемой формы второй рабочей поверхности оптического элемента,

- очистку изготовленного оптического элемента от жидкого неполимеризованного фоторезиста;

- обработку оптического элемента способом вакуумного прессования для сглаживания неровностей на верхней поверхности оптического элемента, образованных под действием ультрафиолетового излучения.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что распределение дозы экспонирования при печати оптического элемента задают с помощью одного изображения, пиксели которого имеют различный уровень интенсивности, соответствующий заданной геометрии оптического элемента.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что распределение дозы экспонирования при печати оптического элемента задают с помощью последовательного экспонирования серией различных чёрно-белых изображений, суммарная интенсивность пикселей которых в течение времени их экспонирования соответствует итоговому требуемому распределению полученной дозы.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что очистку изготовленного оптического элемента от жидкой компоненты полимера проводят с помощью потока сжатого воздуха.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что обработку изготовленного оптического элемента осуществляют посредством нанесения на его вторую рабочую поверхность жидкого фоточувствительного полимера – материала изготовления оптического элемента, в количестве, обеспечивающем заполнение дефектов и сглаживание шероховатой поверхности, с последующим нанесением плёнки, прозрачной для УФ-излучения, и экспонированием УФ-излучением до затвердевания жидкой фракции фоточувствительного полимера.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что часть внутренней поверхности дна кюветы, имеющая выпуклую и/или вогнутую форму, сформирована эластичной мембраной толщиной от 1 мкм до 5 мм под внешним воздействием, реализуемым с ее внешней стороны.

7. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что обработку оптического элемента способом вакуумного прессования осуществляют внутри кюветы.

8. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют давление рабочей среды или температуру рабочей среды.

9. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что крепление мембраны со стороны внутренней поверхности дна кюветы осуществляют с использованием адгезивных материалов.