ES2842103T3 - Método para exponer un material fotopolimerizable para solidificación del material capa por capa para construir un objeto 3D - Google Patents

Abstract

Método para exponer un material fotopolimerizable para solidificación del material capa por capa para construir un objeto 3D, que comprende las siguientes etapas: - dividir la imagen que se va a exponer en un número de subimágenes con una distancia interna de al menos un píxel, - aumentar la resolución del material solidificado al utilizar métodos de subpixelación que divide cada píxel de las subimágenes en subpíxeles, y - exponer las subimágenes con mayor resolución secuencialmente sobre el material fotopolimerizable por medio de un proyector de luz electrónico al utilizar el desplazamiento de imagen mientras el proyector de luz está en movimiento en relación con el material expuesto.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para exponer un material fotopolimerizable para solidificación del material capa por capa para construir un objeto 3D

La invención se refiere a un método para exponer un material fotopolimerizable, para solidificación del material capa por capa, con el fin de construir un objeto 3D a partir del material polimerizable.

Antecedentes:

Se conocen bien en el mercado diversas impresoras 3D que utilizan proyectores electrónicos de modulador espacial (que utilizan, por ejemplo, tecnología DLP). La energía lumínica de los proyectores se utiliza para curar materiales sensibles a la luz en capas para formar un objeto 3D. Dichos métodos se describen en “Automatic Fabrication-Improving Productivity in Manufacturing” de Marshall Burns, 1993 (ISBN 0-13-119462-3)

Este proceso utiliza tradicionalmente una relación nominal 1:1 en la resolución desde la imagen proyectada hasta la resolución de X e Y solidificada. Por lo tanto, las áreas de construcción grandes se obtienen al aumentar el tamaño de píxel utilizando, por ejemplo, aumento en la óptica o al mover el proyector en un modo de flash y etapa donde una imagen de exposición estática se mueve después de la exposición de cada imagen (FIGURA # 1) en un patrón para cubrir un área de construcción más grande. Las impresoras 3D similares, también conocidas como máquinas SLM, que utilizan un haz láser como fuente de luz electrónica tendrán una resolución máxima determinada por la conformación y forma del haz láser.

Aunque está aumentando la demanda de áreas de construcción más grandes, existe el requisito de obtener la misma alta resolución (tamaño de píxel pequeño), como es el caso de áreas de construcción pequeñas, o incluso una resolución aumentada. Se desarrollan algunos métodos, tales como el uso de movimiento mecánico de alta frecuencia de la unidad de exposición o de la mesa para crear una resolución más alta, pero el tamaño del área del edificio aún no aumenta.

Objeto de la invención

La invención se refiere a un proceso y un dispositivo para exponer un material fotopolimerizable para la solidificación de material capa por capa para construir un objeto 3D. El uso típico será en impresoras 3D, máquinas de prototipos rápidas, máquinas de fabricación rápida y equipos de proceso de construcción capa por capa similares.

El objeto de la invención es proporcionar un proceso capaz de aumentar la resolución del material solidificado en comparación con la imagen estática de la luz proyectada, suministrada por un proyector de luz electrónico, al utilizar el desplazamiento de imágenes mientras el proyector de luz está en movimiento en relación con el material expuesto. La técnica de desplazamiento de imágenes permite la posibilidad de mejorar la resolución más allá de lo que está limitado por el tamaño de píxel nativo (FIGURA # 2). Están presentes varios métodos para la subpixelación, como se describe, por ejemplo, en la patente de Robin Pagan/MIVA technologies (EP2116901). El uso de proyectores de luz de desplazamiento de imágenes para construir objetos 3D se describe en la pat. No. EP1344633/JP03792168). El desplazamiento de la imagen se sincroniza mediante una señal de activación procedente del controlador de movimiento.

Se logra el objeto de la invención por medio de las características de las reivindicaciones de patente.

La imagen proyectada sobre el material durante el movimiento se desplazará sobre el material de tal manera que el patrón de imagen expuesto sobre el material será similar a la tira de datos almacenada en el ordenador de la máquina. Dicha tira de datos contendrá varias imágenes, cada imagen similar a una imagen instantánea expuesta desde el proyector, unidas juntas formando una tira de imagen continua, similar a una tira de película sin fisuras (FIGURA # 3)

Esta técnica resolverá el problema principal que no se resuelve con otras técnicas conocidas:

• El área de construcción puede en teoría ser infinita, ya que ya no está limitada por el tamaño de la imagen, sino por el tamaño (longitud a lo largo del eje x) de la máquina donde se monta el proyector de luz. Esto permitirá la posibilidad de exponer varios objetos 3D pequeños o un objeto 3D grande. El proyector de luz se moverá en relación con el material a lo largo del eje x hacia adelante y hacia atrás sobre el material que se va a solidificar (FIGURA # 4). Esta técnica se puede utilizar para máquinas donde el proyector de luz electrónico se coloca en la parte superior o inferior, de modo que el material se pueda fotopolimerizar tanto desde arriba como desde abajo, dependiendo de la aplicación y el concepto de la máquina (FIGURA # 5). Como la imagen instantánea del proyector de luz se mantiene pequeña, el tamaño de píxel también se mantiene pequeño. Por tanto, la resolución aún puede ser alta.

Además, al utilizar la técnica de desplazamiento de imágenes, se obtienen más ventajas:

• El área de construcción (la distancia a lo largo del eje x) puede ser programare por el usuario (FIGURA # 6) a través del control de SW de la máquina y el archivo de datos, y de esta manera la distancia x y, por tanto, la velocidad de construcción se puede ajustar dinámicamente para adaptarse al tamaño del objeto 3D que se va a construir. Esto implicará que la velocidad de construcción aumentará en comparación con los proyectores de luz que solo tienen un tamaño de imagen estático y, por lo tanto, tienen un área de construcción estática independiente del objeto 3D real que se va a construir

• Con el fin de aumentar aún más el área de construcción, se puede agregar un eje y a la máquina (FIGURA # 7), de modo que el proyector de luz se mueva a lo largo del eje y en etapas con relación al material después de haberse desplazado a lo largo del eje, haciendo que el área de construcción sea aún más grande.

• Con el fin de acelerar aún más el proceso de construcción, se pueden agregar múltiples proyectores de luz (FIGURA • 8 y FIGURA # 9) montados sobre la máquina para que su movimiento sea paralelo a lo largo del eje x.

• La resolución de píxeles se puede aumentar incluso más que el tamaño de píxel nativo en la imagen proyectada al utilizar métodos de subpixelación como, por ejemplo, el método patentado por la técnica de Robin Pagan/MIVA technologies. La función de subpixelación solo se puede utilizar cuando se implica el desplazamiento de imágenes. La técnica de Multiplexación Óptica descrita por Robin Pagan permite la funcionalidad de un ajuste de resolución dinámica (nivel de nivel de multiplexación óptica) a través de la interfaz SW de la máquina

• La implementación de la resolución dinámica descrita anteriormente no afectará el tiempo de exposición, ya que una resolución más alta solo requerirá más datos de imagen para ser presentados al proyector de luz. Por lo tanto, el tiempo de construcción del objeto 3D no aumentará incluso cuando se aumente la resolución. Este es un tema muy importante, ya que las configuraciones tradicionales de máquina de etapa y repetición necesitarán tener menos resolución y, por lo tanto, un tamaño de imagen estático más pequeño para lograr una resolución más alta.

La invención proporcionará un área de construcción seleccionable por el usuario y una resolución definida por el usuario a través de comandos SW y archivos de datos. No se requiere cambio de hW para obtener estas importantes funcionalidades.

Descripción detallada de las figuras

La invención se describirá ahora con más detalle por medio de ejemplos mostrados en las figuras acompañantes.

La Figura 1 ilustra un ejemplo de una técnica de exposición de la técnica anterior.

La Figura 2 ilustra una técnica de subpixelación.

La Figura 3 ilustra una etapa de dividir una imagen para exponerla en subimágenes.

La Figura 4 muestra un ejemplo de una configuración para un proyector de luz electrónico de desplazamiento de acuerdo con la invención.

La Figura 5 muestra dos ejemplos diferentes de imágenes de exposición sobre un material polimerizable.

La Figura 6 ilustra el control del movimiento relativo del proyector de luz electrónico y el material fotopolimerizable. La Figura 7 muestra ejemplos de realizaciones para aumentar el área de construcción a lo largo de la dirección y del material fotopolimerizable.

La Figura 8 muestra otra realización de un método y aparato de acuerdo con la invención.

La Figura 9 muestra otro ejemplo de realización de un método y aparato de acuerdo con la invención.

La Figura 1 describe cómo una imagen 106 de patrón expuesta grande se divide en 3 imágenes 103, 104, 105 (en este ejemplo), donde cada una de las imágenes se expone secuencialmente utilizando el procedimiento de “etapa y flash” mediante un proyector de luz electrónico al proporcionar una imagen con una altura de imagen definida, una cierta altura 102 de imagen. El número 101 de referencia indica la dirección del movimiento relativo entre el proyector electrónico y el material expuesto entre la exposición de cada imagen

La Figura 2 describe los niveles de subpixelación que están disponibles en un proyector de desplazamiento que utiliza tecnología de multiplexación óptica. 201 muestra cómo se describirá un objeto en ángulo de 45 grados que utiliza 4 píxeles nativos, mientras que 202 describe cómo se describirá el mismo objeto cuando cada uno de los 4 píxeles se divida en 4 subpíxeles. 203 describe cómo se describirá el mismo objeto cuando cada píxel nativo se divide en 16 subpíxeles (4x4). Es claro a partir de esta ilustración que la técnica de subpixelación proporciona una mejor resolución.

La Figura 3 describe cómo una imagen 303 de patrón expuesta grande se divide en múltiples imágenes (mostradas como 304, 305, 306, 307 en esta Figura) que tienen una distancia interna de una fila 302 de píxeles. En oposición al procedimiento de “etapa y flash”, el proyector de luz electrónico se mueve con relación al material expuesto de forma continua, mientras que el proyector expone una nueva imagen cada vez que el movimiento relativo ha alcanzado 1 píxel. Un controlador de movimiento proporciona señales de sincronización al proyector cada vez que se configura una nueva imagen.

La Figura 4 describe la configuración para un proyector 402 de luz electrónico desplazable que proporciona un haz 403 de luz y un patrón expuesto al material 405 sensible a la luz colocado sobre la mesa 406. El proyector 402 de luz electrónico se mueve con relación al material 405 expuesto, mientras que la señal 401 de sincronización es proporcionada por el controlador de motor para permitir que el proyector configure la siguiente imagen en una secuencia de imágenes.

La Figura 5 describe dos conceptos de máquina diferentes en los que el proyector 502 de luz electrónico proporciona una imagen 501 expuesta al medio 504 sensible a la luz. El medio 505 sensible a la luz se puede colocar en la parte superior del material 505 de soporte como se muestra en la parte superior de la Figura 5, o el medio 504 sensible a la luz se puede colocar en la parte inferior del material 505 de soporte como se muestra en la parte inferior de la Figura # 5. En este caso, el proyector se colocará en la parte inferior de la máquina proporcionando un haz de luz que apunta hacia arriba. El proyector se moverá en relación con los medios sensibles a la luz en una forma 503 unidimensional.

La Figura 6 muestra cómo el movimiento proporcionado por el movimiento relativo del proyector 602 de luz electrónico y el medio 604 sensible a la luz se puede programar al cambiar el área de movimiento y los datos de imagen. El PC 607 controla el controlador 606 de movimiento y, por lo tanto, el área 603 de movimiento operada por el motor 605. De la misma manera, la imagen de patrón correspondiente proporcionada por el proyector de luz electrónico puede tener un tamaño programable para que el área de movimiento no sea mayor que el tamaño de imagen del patrón expuesto, ahorrando de esta manera tiempo de exposición.

La Figura 7 describe dos configuraciones de máquina diferentes que pueden ser soportadas utilizando un proyector 701 de luz electrónico de desplazamiento con movimiento relativo sobre un medio 705 sensible a la luz. La imagen superior muestra cómo una configuración donde el movimiento está inicialmente en la dirección 702 x, luego un cambio en la dirección 704 y, antes de que el movimiento sea a lo largo de la dirección 702 x negativa nuevamente. Esto mejorará el área de construcción a lo largo de la dirección y y se puede aumentar aún más al agregar más cambios en la dirección y si es necesario. La imagen inferior muestra una configuración en la que no hay dirección y, pero el proyector 701 de luz electrónico se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje 703 x en relación con el medio 705 sensible a la luz. Esto proporcionará una solución más simple y rentable para áreas de construcción más pequeñas.

La Figura 8 muestra una tercera configuración donde múltiples (en este ejemplo dos) proyectores 801 de luz electrónicos desplazables se mueven con relación al medio 803 sensible a la luz hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje 802 x. Esta configuración disminuirá el tiempo de construcción (tiempo de exposición) en comparación con el uso de un solo proyector de luz electrónico como se muestra en la Figura 7

La Figura 9 muestra una cuarta configuración en la que múltiples (en este ejemplo dos) proyectores 901 de luz electrónicos de desplazamiento se mueven con relación al medio 904 sensible a la luz, primero a lo largo del eje 902 x positivo, luego un cambio a lo largo del eje 903 y mientras no hay exposición, y luego a lo largo del eje 902 x negativo. Esta configuración aumentará el área de construcción y disminuirá el tiempo de construcción (tiempo de exposición) en comparación con las configuraciones con proyectores de luz electrónicos de desplazamiento único y eje único (solo eje x).

Abreviaturas

DMD Dispositivo de Microespejos Digitales

DLP Procesamiento de Luz Digital

SLM Modulación de Luz Espacial

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Método para exponer un material fotopolimerizable para solidificación del material capa por capa para construir un objeto 3D, que comprende las siguientes etapas:

- dividir la imagen que se va a exponer en un número de subimágenes con una distancia interna de al menos un píxel, - aumentar la resolución del material solidificado al utilizar métodos de subpixelación que divide cada píxel de las subimágenes en subpíxeles, y

- exponer las subimágenes con mayor resolución secuencialmente sobre el material fotopolimerizable por medio de un proyector de luz electrónico al utilizar el desplazamiento de imagen mientras el proyector de luz está en movimiento en relación con el material expuesto.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el material fotopolimerizable se puede mover con relación al proyector de luz y, adicionalmente, se utiliza una señal de sincronización para controlar el movimiento relativo.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se expone la siguiente subimagen de la secuencia cuando el movimiento relativo excede un píxel.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el movimiento es proporcionado por un motor, y la señal de sincronización del motor o un controlador de motor activa el cambio de la subimagen.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende mover el material fotopolimerizable a lo largo de un eje x.

6. Método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que se agrega un eje y, de tal manera que el proyector de luz se desplaza a lo largo del eje y en etapas con relación al material después de haberse desplazado a lo largo del eje x.

7. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, que utiliza múltiples proyectores de luz con movimiento paralelo.