CN104039533A - 具有改进的光学单元的立体成型机 - Google Patents

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Abstract

一种立体成型机(1)，包括：用于流体物质(14)的容器(2)；预定辐射(3a)的源(3)，该辐射适于将流体物质(14)固化；光学单元(4)，适于将辐射(3a)朝向流体物质(14)中的参考表面(5)引导；以及逻辑控制单元(6)，被配置成控制光学单元(4)和/或源(3)以使参考表面(5)的预定部分暴露。光学单元(4)包括微光机电***(MOEMS)(7)，微光机电***(7)设置有与致动装置(7a)相关联的镜(8)，致动装置用于环绕入射在彼此上并且彼此独立的至少两个旋转轴(X，Y)的旋转，镜(8)被布置成使得其能够通过环绕两个轴(X，Y)的旋转的相应组合来将所述辐射(3a)朝向参考表面(5)的每个点引导。

Description

具有改进的光学单元的立体成型机
技术领域
本发明涉及适于借助多个叠加层制造三维物体的类型的立体成型机，其中，每个层通过对与待制造的物体的体积相对应的区域中的流体物质进行选择性固化而获得。
背景技术
已知类型的立体成型机包括含有流体物质的容器，该流体物质通常为液态或糊状的感光树脂。
立体成型机还包括通常为发光型的源，该源发射适于将流体物质固化的辐射。
光学单元设置用于将所述辐射朝向布置在容器内部的参考表面传送，参考表面对应于物体的待固化的层的位置。
正在形成的三维物体通过模型板来支撑，可以相对于容器竖直地移动模型板，以使得可以将物体的最后固化的层布置在与所述参考表面相邻的位置中。
这样，一旦每个层被固化，就移动模型板以使得再次将固化的层布置成与参考表面相邻的固化层，在此过程后，可以针对连续的层重复此过程。
该类型的立体成型机被分成例如在针对工业发明的意大利专利申请No.VI2010A000004中所描述的两个主要实施方式，该申请以本发明的同一申请人的名义进行申请。
发明内容
根据所述实施方式中的第一实施方式，参考表面被布置成与容器的底部相邻，所述容器的底部对辐射来说是可透过的。
在该情况下，从下方辐照流体物质，并且在模型板下方形成三维物体。
根据第二实施方式，将参考表面布置在流体物质的自由表面的水平处。
在该第二情况下，从上方照射流体物质，并且在模型板上方形成三维物体。
在这两个实施方式中，可以使用不同已知类型的光学单元将所述辐射传送至参考表面的不同点。
第一类型的光学单元包括镜矩阵，可以单独地控制所述镜以使得将物体的层的图像投射到预定表面上。
特别地，每个镜可以呈现两个不同的位置：主动位置和被动位置，所述辐射从主动位置朝向参考表面的相应点反射，所述辐射从被动位置朝向分散区域反射。
所述镜矩阵能够同时照明整个参考表面，从而可以借助于单个暴露来获得每个层，并且因此以特别快的方式来获得每个层。
然而，所述镜矩阵具有限制性的限定，其具有获得有不规则边缘的物体的不便。
上面提到的***的另外的缺点在于***生成的图像在其整个表面上具有均匀的发光强度。
因此，这导致了该***的不允许在参考表面的不同区域中调制光功率的不便。
在第二类型的光学单元中，辐射被传送至参考表面的单个点，并且移动该点以使得逐渐地照明与物体的体积相对应的参考表面的整个部分。
与以上所描述类型的光学单元相比，该光学单元提供了可以将光束朝向参考表面上的任意点引导的优点，从而使光束覆盖连续的轨迹，并且因此获得没有由先前所描述类型的光学单元引起的不规则性的物体。
此外，这类型的光学单元有利地使得可以修改参考表面的不同区域中的发光强度。
根据上述第二类型的光学单元的已知实施方式，设置了借助于机械装置在两个正交轴上移动的激光光源。
该实施方式造成如下缺点：光束的移动相当慢，并且此外，用于移动光束的机械装置有着损坏的风险并且因此需要一定量的维修。
根据光学单元的不同实施方式，使用一个接另一个串联布置的一对电流计式镜和固定的源来导引光束。
将每个镜机动化，以使得镜能够环绕与另一镜的轴正交的相应旋转轴而旋转，从而使这两个镜的旋转的组合使得可以将光束朝向参考表面的任意点引导。
与先前描述的已知***相比，上面刚说明的***提供了以下优势：该***使得能够非常快地移动光束，这是由于电流计式镜的惯性较小；并且该***确保更可靠，这是由于所使用的机械部件的数量较少。
尽管以上阐述的优势，但是刚描述的光学单元需要在立体成型机的装配期间使两个镜对准成以便获得对光束的恰当反射。事实上，为了使光束方向对应于镜的位置，必须在相应的旋转轴的水平处将光束入射到两个镜上。
上面提到的对准操作造成了以下缺点：该操作特别复杂并且使立体成型机的成本增加。
所述缺点还会发生在以下情况中：在使用期间，一个或两个镜发生损坏，后果是必须将其都替换并且使其恰当地对准。
另外的缺点是电流计式镜相对较昂贵，这大大地影响了立体成型机的成本。
基于电流计式镜的光学单元造成的另外的缺点是体积相对较大。
高成本和大尺寸使立体成型机不适合用于可能被小型行业的业务所需要的小型系列应用。
此外，电流计式镜具有一些容易遭受磨损的机械部件，并且因此，相比于上面提到的机械运动装置，限制了电流计式镜的优点。
此外，电流计式镜的特征是不可忽略的惯性，所述惯性影响光束的偏移速度并且因此还影响整个处理时间。
本发明意在克服所有上面提到的在已知技术中典型的缺点。
特别地，本发明的一个目的是提供如下立体成型机：该立体成型机提供了由基于电流计式镜的使用的已知类型的立体成型机提供的相同优点，并且此外，该立体成型机与电流计式镜相比制造和使用更简单。
特别地，本发明的一个目的是避免在制造期间和使用期间进行上述使镜对准的操作。
所述目的通过根据主权利要求构造的立体成型机来实现。
在各个从属权利要求中示出了本发明的另外的详细特征。
有利地，与已知类型的立体成型机相比，没有必要对准镜的事实大大地简化了本发明的立体成型机的构造，从而导致了较低的成本。
可以理解的是，当有必要在使用期间替换光学单元时也可以确保该优点，从而导致机械维修成本的降低。
此外，谈到优点，与具有相同潜能的已知类型的立体成型机相比，本发明的立体成型机具有更小的整体尺寸。
以上所示出的两个优点还使本发明的立体成型机方便用于非常小型系列的应用，已知类型的立体成型机并不适用于非常小型系列的应用。
附图说明
根据以下对本发明的一些优选实施方式的描述，所述目的和优点以及以下示出的其他目的和优点将变得明显，通过非限制性示例参照附图描述了优选实施方式，在附图中：
图1示出了根据本发明的立体成型机；以及
图2示出了图1中示出的立体成型机的细节。
具体实施方式
在图1中作为整体由1表示的作为本发明的主题的立体成型机使得可以借助于根据将多个层彼此叠加的过程来产生三维物体15，所述层是通过选择性地将流体物质14暴露于适于使流体物质14固化的预定辐射3a而获得的。
优选地，该流体物质14是液体感光树脂，并且预定辐射3a是具有在可见或紫外范围内的频率的激光。
明显地，在本发明的构造变型中，流体物质14可以是任意种类的流体或糊剂，只要其在暴露于预先确定的辐射3a时适于固化即可。
类似地，辐射3a的所述源3可以发射一类与上面提到的辐射不同的辐射3a，只要该辐射可以使流体物质14固化即可。
立体成型机1包括用于所述流体物质14的容器2和模型板16，模型板16适于支撑正在形成的物体15并且根据垂直运动轴Z机动化。
立体成型机1还包括：适于发射预定辐射3a的源3；和光学单元4，光学单元4适于将辐射3a朝向布置在容器2内部的、在由流体物质14占用的体积的水平处的参考表面上的任意点引导。
优选地，所述参考表面为平面并且被布置成使得其与容器2的底部2a相邻。
在该情况下，光学单元4被配置成将预定辐射3a从底部朝向顶部引导，使得辐射3a入射到底部2a上。
此外，底部2a对辐射3a来说是可透过的，使得辐射3a可以照射在底部附近布置的流体物质14并且可以使流体物质14固化。
根据本发明的该实施方式，如图1中所示出的，三维物体15形成在模型板16下方。
然而，根据本文未示出的本发明的变型实施方式，光学单元被配置成在容器2中存在的流体物质14的自由表面上将辐射3a从顶部朝向底部引导。
在该情况下，物体形成在模型板16上方。
在两种变型实施方式中，立体成型机1包括逻辑控制单元6，该逻辑控制单元6被配置成控制光学单元4和/或源3以在参考表面的预定部分的水平处选择性地将流体物质14暴露于辐射3a。
更具体地，所述预定部分对应于时时与三维物体15的每个层相对应的体积的部分。
根据本发明，光学单元4包括微光机电***7，该微光机电***在集成电路技术中已知首字母缩写词为“MOEMS”。
众所周知，MOEMS装置是使用在微电子学中用于制造集成电路的相同技术如通过固态沉积、光刻以及蚀刻等制造的。
在图2中通过非限制性示例示意性地示出了微光机电***7的可能的实施方式，该微光机电***包括小型化镜8，该镜8与支撑结构9通过铰接装置7b相关联，该铰接装置被配置成限定镜8相对于支撑结构9的旋转的两个不同轴X、Y，轴X、Y互相入射在彼此上并且优选地彼此正交。
所述微光机电***7还包括为本身已知类型的致动装置7a，该致动装置适于环绕两个轴X和Y中的每个轴来移动镜8，且环绕X和Y轴中的一个轴的运动独立于环绕另一个轴的运动。
致动装置7a可以为静电的、磁的、热机械的类型或者可以借助于所述MOEMS技术获得的任意其他已知的类型中的任一种。
相对于源3和容器2布置镜8，使得镜8可以反射预定辐射3a以通过环绕两个轴X、Y的旋转的相应组合将辐射3a朝向参考表面的任意点引导。
因此，本发明使得可以使用单个镜8来将辐射3a朝向参考表面的任意点引导。
从而避免了上述已知技术的情况中的将若干个镜彼此对准的需要，因而实现了简化立体成型机1的制造并且因此降低其成本的目的。
明显地，在使用期间替换微光机电***7或者微光机电***7的部分的情况下也可以确保该优点，因而使得可以降低立体成型机1的维修成本。
仍然有利地，上面描述的微光机电***7在装配期间不需要角度定位的高精度。
事实上，在微光机电***7的布置中，任何微小的角度变化仅涉及参考表面相对于容器2的运动，然而并没有产生参考表面的形状和被暴露的预定部分的形状的相当大的变形。
仍然有利地，与基于电流计式镜的***相比，微光机电***7具有较低的成本，这增加了使立体成型机1的成本降低的另外的优点。
此外，有利地，微光机电***7具有与电流计式镜相比较小的惯性，从而使得与已知类型的立体成型机相比可以获得较高的角度速度并且因此减少了制造三维物体15所需的时间，而同时仍然获得了相同形状的物体。
仍然有利地，与具有有着同样潜能的电流计式镜的光学单元的典型整体尺寸相比，微光机电***7具有较小的整体尺寸，因而使得可以减小立体成型机1的整体尺寸。
从而，本发明使得可以制造以下立体成型机1：由于其降低的成本和有限的整体尺寸，立体成型机1适于还用于已知类型的立体成型机并不适用的应用中。
由微光机电***7提供的另外的优点在于，与具有有着等同潜能的已知类型的电流计式镜的***相比，微光机电***7吸收少很多的能量。
降低的能耗，结合可观的紧凑性，使得能够对立体成型机1电池供电，从而使其可携带。
此外，可以理解的是，上面描述的立体成型机1具有是使用具有电流计式镜的光学单元的***中的典型特征的所有优点，尤其是具有相同的精度并且具有可以调制在物体15的不同区域中的辐射3a的功率的优点。
优选地，并且如图2中所示出的，铰接装置7b包括可移动框架10，该可移动框架10环绕旋转轴X旋转地支撑镜8并且与根据旋转轴Y的支撑结构9旋转地相关联。
该类型的连接使得可以获得镜8根据上面提到的旋转轴X和Y中的每个轴的独立旋转。
此外，优选地，镜8、框架10和支撑结构9被获得为一体件并且通过相应连接区域11、12彼此连接，连接区域11、12属于铰接装置7b并且足够薄以能够根据各个旋转轴X和Y而弹性屈服，以使得镜8能够相对于框架10旋转并且使得框架10能够相对于支撑结构9旋转。
特别地，连接区域11、12中的每个区域操作为可以取决于装置的标准电压变形到一定程度的扭转弹簧。
明显地，在本发明的变型实施方式中可以以任何形状实现微光机电***7，只要镜8可以环绕彼此独立并且入射在彼此上的两个轴旋转即可。
关于移动镜8的致动装置7a，致动装置7a优选地被配置成基于由逻辑控制单元6发出并且表示镜8必须呈现的角度位置的控制信号的值将镜8环绕每个轴X、Y进行旋转。
特别地，逻辑控制单元6被配置成移动镜8以使得辐射3a遵循一个或更多个连续轨迹落在与待产生的物体15的层相对应的预定部分内。
优选地但并非必要地，根据覆盖整个预定部分的单个连续轨迹来执行所述运动。
根据本发明的变型实施方式，微光机电***7和相应的致动装置7a被配置成生成镜8的周期运动，使得辐射3a可以在每个周期渐进地刺激整个参考表面。
例如，所述周期运动可以包括镜8根据两个旋转轴X、Y中之一交替地在两个旋转方向上的振荡，所述振荡优选地通过采用相应的连接区域11、12的谐振频率来获得，其与根据单个方向的其他轴上的旋转相结合。
以此方式，辐射3a入射到参考表面5上并且描绘了Z字形轨迹，该轨迹的段中的每一段在其尺寸之一中穿过参考表面5并且同时根据其他尺寸移动。
在此最后一个变型实施方式中，逻辑控制单元6被配置成在镜8的周期运动期间修改源3的强度。
特别地，当入射点在参考表面5的预定部分内时，增大源3的强度以使得流体物质14在该点固化，而当入射点在预定部分外时，减小强度以避免使流体物质14的相应部分固化。
上面描述的微光机电***7优选地属于集成电路，该集成电路设置有用于电连接至立体成型机1的管脚，立体成型机1设置有相应的连接器或基板，所述基板被配置成容置所述管脚并且使得集成电路能够被机械地固定到立体成型机1。
优选地，该连接器或基板是需要有限量的力来***的类型。
在本发明的变型实施方式中，可以将微光机电***7直接焊接到支撑电路上，从而避免了使用连接器或基板。
关于光学单元4，其优选地包括：被配置成将辐射3a聚焦到参考表面5上的一个或更多个透镜13。
优选地，所述透镜13是所谓的“平场”型，使得将辐射3a聚焦到平的参考表面上。
从操作角度来看，将微光机电***7布置在立体成型机1中使得镜8与由源3产生的辐射3a对准。
优选地，源3和微光机电***7的位置使得当镜8在没有旋转的情况下即当连接区域11、12并未受到扭转时，辐射3a朝着参考表面5的中心点反射。
然而，根据以上所述，微光机电***7的任何微小的角度未对准不会影响立体成型机1的功能性。
关于真实的三维物体15的制造，这用与使用具有电流计式镜并且本身已知的光学单元的过程相类似的过程来实现。
根据上面提供的描述，可以理解的是，本发明的立体成型机1使得能够实现所有的所设定的目的。
特别地，将电流计式镜替换为微光机电***(MOEMS)使得可以使用在两个独立的轴上移动的单个镜，而不是使用每个镜在单个轴上移动的两个镜。
单个镜的存在使得可以避免对镜的对准，所述对准在设置有电流计式镜的机器中在机器制造阶段以及对镜进行任意维修之后都是有必要的，然而并不会限制机器的潜能。
此外，与电流计式***相比，微光机电***7更经济、体积更小并且能量消耗更少，这使得可以制造适于小型系列制造的以及甚至可以是便携式的立体成型机1。
本发明的即使本文并未描述并且也未在附图中示出的另外的变型实施方式只要落入下面表达的权利要求的范围内，就可以认为所述变型实施方式全部受本发明保护。
在任何权利要求中所提到的技术特征伴随有附图标记之处，已经出于增加权利要求的可理解性的目的将这些附图标记包括进来，并且因此这些附图标记对通过示例由这些附图标记所标识的每个元件的保护不具有任何限制性的影响。

Claims (11)

1.一种立体成型机(1)，包括：
-用于流体物质(14)的容器(2)，所述流体物质(14)适于通过暴露于预定辐射(3a)而被固化；
-所述预定辐射(3a)的源(3)；
-光学单元(4)，所述光学单元(4)适于选择性地将所述辐射(3a)朝向布置在所述容器(2)内部的参考表面(5)的任意点引导；
-逻辑控制单元(6)，所述逻辑控制单元(6)被配置成控制所述光学单元(4)和/或所述辐射源(3)以使得将所述参考表面(5)的预定部分暴露于所述辐射(3a)，
其特征在于，所述光学单元(4)包括微光机电***(MOEMS)(7)，所述微光机电***(7)设置有：
-镜(8)，所述镜(8)通过铰接装置(7b)与支撑结构(9)相关联，所述铰接装置(7b)被配置成为所述镜(8)限定入射在彼此上的至少两个旋转轴(X，Y)；
-致动装置(7a)，所述致动装置(7a)适于使所述镜(8)环绕所述两个轴(X，Y)中的每个轴移动，而环绕所述两个轴(X，Y)中的一个轴的运动与环绕所述两个轴(X，Y)中的另一个轴的运动无关，
所述镜(8)相对于所述辐射源(3)和所述容器(2)布置成使得能够通过环绕所述两个轴(X，Y)的旋转的相应的组合来将所述辐射(3a)朝向所述参考表面(5)的每个点引导。
2.根据权利要求1所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述两个旋转轴(X，Y)互相正交。
3.根据前述权利要求的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述铰接装置(7b)包括框架(10)，所述框架(10)环绕所述旋转轴的第一轴(X)旋转地支撑所述镜(8)，所述框架(10)环绕所述旋转轴的第二轴(Y)与所述支撑结构(9)旋转地相关联。
4.根据权利要求3所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述铰接装置(7b)包括：布置在所述镜(8)与所述框架(10)之间、环绕所述第一旋转轴(X)进行弹性屈服的第一连接区域(11)；以及布置在所述框架(10)与所述支撑结构(9)之间、环绕所述第二旋转轴(Y)进行弹性屈服的第二连接区域(12)。
5.根据前述权利要求的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述致动装置(7a)被配置成环绕所述两个轴(X，Y)的每个轴旋转所述镜(8)，以使得响应于控制信号而将所述镜(8)布置在角度位置，所述控制信号由所述逻辑控制单元(6)发射并且具有表示所述角度位置的值。
6.根据权利要求5所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述逻辑控制单元(6)被配置成移动所述镜(8)，使得所述辐射(3a)在所述参考表面(5)上的入射点限定覆盖整个所述预定部分的连续轨迹。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述控制装置(7a)被配置成产生所述镜(8)的周期运动，使得所述辐射(3a)能够在每个周期入射到整个所述参考表面(5)上，所述逻辑控制单元(6)被配置成选择性地修改所述辐射源(3)的强度，以使得当所述辐射(3a)落在所述预定部分内时所述强度高于当所述辐射(3a)落在所述预定部分外时的强度。
8.根据前述权利要求的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述微光机电***(7)属于设置有用于电连接的管脚的集成电路，所述立体成型机(1)包括：被配置成容置所述管脚以使得机械地固定所述集成电路的相应连接装置。
9.根据前述权利要求的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述辐射源(3)是激光发射器。
10.根据前述权利要求的任一项所述的立体成型机(1)，其特征在于，所述光学单元(4)包括至少一个透镜(13)，所述至少一个透镜(13)被配置成将所述辐射(3a)聚焦到所述参考表面(5)上。
11.微光机电***(MOEMS)(7)在包括有用于流体物质(14)的容器(2)和辐射源(3)的立体成型机(1)中的用途，所述微光机电***(7)设置有镜(8)，所述镜(8)环绕入射在彼此上并且彼此独立的至少两个旋转轴(X，Y)旋转，以便选择性地将所述辐射朝向布置在所述容器(2)内部的参考表面(5)的任意点引导。
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