Устройство для изготовления трехмерных объектов

 

Изобретение относится к области макетирования трехмерных объектов и может быть использовано для изготовления моделей деталей и узлов механизмов и машин. Техническим результатом является повышение точности воспроизведения объектов. Устройство содержит контейнер с жидкой средой, способной изменять физическое состояние под воздействием выбранного излучения, перфорированную платформу для закрепления изготавливаемого объекта, систему перемещения перфорированной платформы и контейнера, источник излучения и управляющий компьютер и отличается тем, что оно снабжено системой разделения излучения на пучки и отклоняющимися системами, при этом управляющий компьютер предназначен для создания компьютерного образа изготавливаемого объекта в виде набора поперечных сечений. 3 ил.

Изобретение относится к области быстрого макетирования трехмерных объектов по компьютерным данным (Rapid Prototyping), в частности к лазерной стереолитографии.

Изобретение может быть использовано во многих отраслях промышленности для изготовления мастер-моделей деталей и узлов машин и механизмов, а также для получения копий потребительских товаров с целью их визуализации. Кроме того, подобные модели могут быть использованы в качестве оснастки при изготовлении реальных деталей.

Известно устройство /1/ для изготовления трехмерных объектов путем формирования поперечных сечений объекта на поверхности жидкой среды, способной изменять свое физическое состояние под действием выбранного синергетического излучения, бомбардировкой пучком частиц или химическим воздействием.

Известно также улучшенное устройство /2/ для изготовления трехмерных объектов путем формирования поперечных сечений объекта на поверхности жидкой среды, способной изменять свое физическое состояние под действием выбранного синергетического излучения, бомбардировкой пучком частиц или химическим воздействием, в котором информация об объекте используется для уменьшения искажений, возникающих при изготовлении объекта, увеличении разрешения, прочности, точности, скорости воспроизведения объекта даже с очень сложной формой.

Последнее устройство из всех аналогов наиболее близко к заявляемому образцу и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком подобной системы является то, что при изготовлении достаточно больших объектов (например больше 250•250•250 мм) возможно возникновение искажений формы и размера воспроизводимого сечения за счет изменения размеров пятна излучения при несовпадении плоскости воспроизведения (поверхность жидкой среды) и фокальной поверхности оптической схемы.

На фиг.1 представлен ход пучка излучения - 1, плоскость воспроизведения сечения (поверхность жидкой среды) - 2, фокальная поверхность оптической схемы - 3, δ- отклонение между плоскостью воспроизведения сечения и фокальной поверхностью оптической схемы, R - расстояние между отклоняющей системой и поверхностью жидкой среды, а - максимальное отклонение луча.

Величина δ тем больше, чем больше максимальное отклонение луча (а) и может быть уменьшена увеличением расстояния R между отклоняющей системой и поверхностью жидкой среды. Таким образом, разработчики устройств для изготовления копий трехмерных объектов методом лазерной стереолитографии вынуждены существенно увеличивать расстояние R, чтобы обеспечить нужную точность при увеличении максимально возможного габарита изготавливаемого объекта. Этого можно достичь либо увеличением габарита устройства, либо введением в оптическую схему дополнительных элементов.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности изготавливаемых методом лазерной стереолитографии изделий без значительного увеличения габаритных размеров устройства и повышение производительности установки.

Эта цель достигается благодаря тому, что площадь воспроизведения сечения разделяется на n= i•j частей в двух взаимно перпендикулярных направлениях (фиг.2).

На фиг. 2 представлено поперечное сечение изготавливаемого объекта - 1, разделенное на n частей - 2, зоны сшивки отдельных сечений - 3, i и j - число участков разбиения по горизонтали и вертикали соответственно, a•b - общая площадь сечения.

Каждая из частей сечения воспроизводится на поверхности жидкой среды отдельным пучком излучения, управляемым отдельной отклоняющей системой.

При этом из-за уменьшения максимального отклонения луча а от вертикали достигается требуемая точность воспроизведения без увеличения расстояния R (фиг. 1). Кроме того, увеличивается производительность установки, т.к. существует физический предел скорости отклонения луча, обусловленный масс-инерционными характеристиками элементов системы отклонения. Применение одновременно нескольких систем отклонения позволяет обеспечить большую производительность установки, не достигая предела скорости отклонения.

Предлагается устройство, отличающееся тем, что оно снабжено системой разделения излучения на n отдельных пучков и системой перестройки длины волны излучения.

На фиг.3 представлена схема предлагаемого устройства, состоящего из контейнера с жидкой средой, способной изменять физическое состояние под воздействием выбранного излучения - 1; перфорированной платформы, на которой закреплен изготавливаемый объект с системой перемещения этой платформы по вертикали - 2; n систем отклонения излучения в двух взаимно перпендикулярных направлениях по горизонтали - 3; источника выбранного излучения - 4; системы разделения излучения на n отдельных пучков - 5; управляющего компьютера - 6; системы вертикального перемещения контейнера с жидкой средой - 7; системы перестройки длины волны излучения - 8; блока управления устройством - 9.

Компьютерный образ изготавливаемого объекта, созданный в какой-либо системе CAD, представляется в виде набора поперечных сечений плоскостями, перпендикулярными выбранной вертикальной оси. Форма внешнего контура и внутренней штриховки каждого поперечного сечения объекта программно разделяется на n частей. Каждая из этих частей воспроизводится на поверхности жидкой среды отдельным пучком, полученным в результате разделения пучка источника 4 с помощью системы разделения излучения 5, управляемым одной из отклоняющих систем 3, на которую передается информация о форме внешнего контура и внутренней штриховке каждой части сечения. Пограничная сшивка отдельных частей сечения также выполняется на программном уровне и после воспроизведения необходимых траекторий на поверхности жидкой среды образуется твердая пленка, имеющая форму целого поперечного сечения изготавливаемого объекта. Эта пленка, прикрепленная к платформе, погружается в жидкую среду на глубину, равную толщине следующего слоя, и на поверхности воспроизводится форма следующего сечения. Твердая пленка следующего сечения прочно слипается с предыдущей за счет изменения физического состояния среды. Таким образом, после завершения воспроизведения всего набора поперечных сечений в жидкой среде образуется твердая копия изготавливаемого объекта.

Система перестройки длины волны излучения источника - 8 (фиг.3) позволяет увеличивать производительность устройства. Увеличение производительности работы устройства основано на зависимости коэффициента поглощения среды от длины волны излучения. Таким образом, управляя длиной волны излучения в соответствующем диапазоне, можно управлять глубиной проникновения излучения в среду, а следовательно, и толщиной формируемого слоя. Большинство изготавливаемых объектов имеют форму, содержащую участки с одинаковой формой сечений. Подобные участки можно формировать с большей толщиной слоя, что позволит изготавливать объект за меньшее число шагов.

Литература 1. Пат. США 4.575.330 от 11.03.86.

2. Пат. США 5.059.359 от 22.10.91.

Формула изобретения

Устройство для изготовления трехмерных объектов, содержащее контейнер с жидкой средой, способной изменять физическое состояние под воздействием выбранного излучения, перфорированную платформу для закрепления изготавливаемого объекта, систему перемещения перфорированной платформы по вертикали, систему вертикального перемещения контейнера с жидкой средой, источник излучения и управляющий компьютер, отличающееся тем, что оно снабжено системой разделения излучения на пучки и отклоняющими системами, при этом управляющий компьютер предназначен для создания компьютерного образа изготавливаемого объекта в виде набора поперечных сечений, форма и внутренняя штриховка каждого из которых разделены на части, система разделения излучения на пучки предназначена для разделения пучка излучения источника излучения на отдельные пучки, на отклоняющие системы, предназначенные для управления пучками, передается информация о форме и внутренней штриховке каждого из поперечных сечений компьютерного образа изготавливаемого объекта, поверхность жидкой среды предназначена для воспроизведения отдельным пучком частей формы и внутренней штриховки поперечных сечений компьютерного образа изготавливаемого объекта и образования на упомянутой поверхности твердой пленки, имеющей форму соответствующего поперечного сечения, перфорированная платформа предназначена для закрепления к ней упомянутой твердой пленки, слипающиеся твердые пленки позволяют изготавливать трехмерный объект.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3