Способ получения трехмерного объекта и стереолитографическая машина, реализующая такой способ

Изобретение относится к способу послойного получения трехмерного объекта (11) с помощью стереолитографической машины (1). Машина содержит контейнер (2) с текучим веществом (3), способным к отверждению под действием заранее определенного излучения (4а), устройство (4) для испускания заранее определенного излучения (4а) и для отверждения слоя текучего вещества (3), прилегающего к дну (2а) контейнера (2). При этом машина содержит также модельную платформу (5) для обеспечения опоры отвержденному слою (6), связанную с приводным средством (7), способным перемещать ее перпендикулярно дну (2а) контейнера (2), и выравниватель (8), приводимый в контакт с текучим веществом (3). Способ послойного получения трехмерного объекта содержит следующие операции: избирательно облучают слой текучего вещества (3), чтобы получить отвержденный слой (6), выводят отвержденный слой (6) из текучего вещества (3) и перераспределяют текучее вещество (3) в контейнере (2) перемещением выравнивателя (8) таким образом, что он проходит между модельной платформой (5) и контейнером (2). Технический результат, достигаемый при использовании способа и машины по изобретению, обеспечивает получение трехмерного объекта более быстрым послойным отверждением текучего вещества. 2 н. и. 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к стереолитографическому способу, а также к стереолитографической машине, использующей такой способ.

Уровень техники

Как известно, стереолитографическая технология применяется для производства трехмерных объектов последовательным нанесением ряда слоев фоточувствительной жидкой смолы, способной полимеризоваться под действием светового облучения.

В частности, каждый слой смолы наносится на предшествующий слой изготавливаемого трехмерного объекта и избирательно отверждается в точках, соответствующих объему собственно объекта.

Стереолитографическая машина согласно известному варианту осуществления содержит подходящий контейнер для упомянутой жидкой смолы, снабженный прозрачным дном.

Имеется также источник света, обычно лазерный излучатель или проектор, способный избирательно облучать с целью отверждения слой жидкой смолы, прилегающий к дну контейнера.

Машина также содержит модельную платформу, способную служить опорой отвержденным слоям трехмерного объекта и связанную с приводным средством, способным перемещать платформу в направлении, перпендикулярном дну контейнера.

В традиционном стереолитографическом способе с использованием машины вышеописанного типа вначале модельную платформу располагают на расстоянии от дна контейнера, равном толщине отверждаемого слоя.

Затем слой жидкой смолы, прилегающий к дну контейнера, избирательно облучается излучающим устройством с целью отверждения.

Модельная платформа выполнена так, чтобы отвержденный слой прилипал к ней, в то время как дно контейнера, напротив, снабжено покрытием, снижающим подобную адгезию.

Затем модельную платформу отодвигают от дна контейнера, чтобы вывести отвержденный слой из жидкой смолы и таким образом дать возможность восстановиться толщине жидкого слоя смолы, необходимого для изготовления следующего слоя объекта.

В самом деле, подъем платформы с отвержденным слоем оставляет в жидкой смоле впадину, заполняемую самопроизвольным течением самой жидкой смолы.

Это выравнивание восстанавливает толщину слоя жидкой смолы, необходимую для отверждения нового слоя объекта, а кроме того, в процессе последующего опускания модельной платформы предотвращает образование в жидкой смоле ловушек с воздушными пузырями, которые могли бы повлиять на сплошность следующего слоя трехмерного объекта.

По окончании упомянутого выравнивания модельная платформа снова погружается в жидкую смолу, и отверждается следующий слой объекта.

Вышеописанный способ имеет тот недостаток, что общее время изготовления трехмерного объекта значительно удлиняется за счет времени ожидания выравнивания жидкой смолы после отверждения каждого слоя объекта.

А поскольку количество слоев, образующих объект, изготавливаемый по стереолитографической технологии, может достигать нескольких сотен, то можно понять, что вышеупомянутые времена ожидания приводят к значительному увеличению времени изготовления.

Очевидно, что эти времена ожидания пропорциональны вязкости жидкой смолы. Поэтому вышеупомянутый недостаток особенно важен, когда используются смолы так называемого «гибридного» типа, содержащие частицы керамики или другие материалы в форме частиц в смеси с полимерным компонентом.

Упомянутые гибридные смолы подходят для изготовления объектов с высокой механической стойкостью, но, с другой стороны, вязкость этих смол намного превышает вязкость прочих смол, обычно используемых в стереолитографии.

В известном варианте осуществления, раскрытом в WO 2010/045950, предусмотрены подвижный контейнер и фиксированная выравнивающая лопатка, контактирующая со смолой.

Перед отверждением каждого слоя контейнер перемещают так, чтобы выравнивающая лопатка заполнила впадину, оставленную поднятой модельной платформой.

Этот вариант осуществления имеет тот недостаток, что он требует определенного пространства для перемещения контейнера, а следовательно, приводит к увеличению общих размеров машины.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть все недостатки вышеозначенных известных технических решений.

В частности, задача изобретения заключается в том, чтобы предложить стереолитографический способ и стереолитографическую машину, позволяющие получить трехмерный объект послойным отверждением текучего вещества быстрее, чем при использовании вышеописанного способа известного типа.

Следующая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы ограничить общие размеры машины, в сравнении с машинами известного типа.

Вышеупомянутые задачи решаются способом послойного получения трехмерного объекта в соответствии с п. 1 формулы.

Вышеописанные задачи решаются также стереолитографической машиной в соответствии с п. 7 формулы.

Дальнейшие характеристики и детали настоящего изобретения раскрыты в соответствующих зависимых пунктах формулы.

Способ и машина, являющиеся предметами изобретения, обеспечивают преимущество, позволяя получить трехмерный объект за общее время, которое существенно не зависит от вязкости используемого текучего вещества.

Поэтому изобретение имеет то преимущество, что особенно подходит для применения с текучими веществами высокой вязкости, такими, например, как вышеупомянутые гибридные смолы или даже еще более вязкие текучие пастообразные вещества.

Еще одно преимущество состоит в том, что уменьшение общих размеров машины облегчает ее применение.

Краткое описание чертежей

Упомянутые задачи и преимущества, наряду с другими, освещаемыми ниже, проиллюстрированы в описании нескольких предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые приведены в качестве неограничивающих примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых на ФИГ.1-6 схематически показана на виде сбоку стереолитографическая машина согласно настоящему изобретению в различных операционных фазах.

Осуществление изобретения

Способ согласно настоящему изобретению раскрыт со ссылкой на стереолитографическую машину, в целом обозначенную на ФИГ.1 позицией 1; машина содержит контейнер 2 с текучим веществом 3, способным к отверждению под действием заранее определенного облучения 4а.

Термин «текучее вещество» определяется здесь как обозначающий вещество, которое может быть распределено в контейнере 2 так, чтобы поверхность вещества была существенно плоской, например, такой, как поверхность жидкого или пастообразного вещества.

Текучее вещество 3 предпочтительно, но не обязательно, представляет собой фоточувствительную полимерную жидкую смолу, а заранее определенное излучение - световое излучение.

В частности, упомянутая смола относится к описанному выше так называемому «гибридному» типу и содержит смесь полимерного компонента и частиц керамики или других материалов в форме частиц, способных повысить механическую стойкость отвержденной смолы.

Однако способ и машина согласно настоящему изобретению могут использоваться с текучим веществом любого типа при условии, что оно способно к отверждению под действием заранее определенного излучения.

Машина 1 также содержит устройство 4, которое может испускать заранее определенное излучение 4а и способно избирательно облучать имеющий заранее заданную толщину и прилегающий к дну 2а контейнера 2 слой текучего вещества 3 для его отверждения.

Излучающее устройство 4 предпочтительно расположено под контейнером 2 и сконфигурировано так, чтобы направлять заранее определенное излучение 4а на дно 2а контейнера 2, которое прозрачно для излучения, см. ФИГ.2.

Если текучее вещество 3 представляет собой фоточувствительную смолу, излучающее устройство 4 предпочтительно содержит световой лазер, связанный с устройством, способным направлять световой луч на любую точку вышеупомянутого слоя текучего вещества 3. В одном из непоказанных здесь вариантов осуществления настоящего изобретения излучающее устройство 4 содержит проектор, способный создавать световой образ, соответствующий предназначенной к отверждению площади поверхности слоя текучего вещества 3.

Стереолитографическая машина 1 также содержит модельную платформу 5, обращенную к дну 2а контейнера 2 и способную служить опорой формируемому трехмерному объекту 11.

Модельная платформа 5 связана с приводным средством 7, способным перемещать ее относительно дна 2а в модельном направлении X, перпендикулярном этому дну 2а.

В частности, модельная платформа 5 выполнена так, чтобы текучее вещество 3 прилипало к ней после отверждения.

Напротив, дно 2а контейнера 2 предпочтительно выполнено из материала, предотвращающего упомянутую адгезию.

В способе согласно настоящему изобретению модельная платформа 5 погружается в текучее вещество 3 до тех пор, пока не окажется на расстоянии от дна 2а, равном толщине отверждаемого слоя.

Затем слой текучего вещества 3 избирательно облучается для получения отвержденного слоя 6, прилипающего к модельной платформе 5, как показано на ФИГ.2 и 3.

После этого модельную платформу 5 поднимают, отводя отвержденный слой 6 от дна 2а до тех пор, пока он не выйдет из текучего вещества 3, как показано на ФИГ. 4.

После того как вышеупомянутое перемещение отвело отвержденный слой 6 от дна 2а, в текучем веществе 3, содержащемся в контейнере 2, образуется впадина 3а до уровня, на котором прежде находилась модельная платформа 5 и/или формируемый трехмерный объект 11.

Для заполнения вышеупомянутой впадины 3а в способе согласно настоящему изобретению текучее вещество 3 перераспределяется в контейнере 2 подталкиванием текучего вещества 3 к впадине 3а с помощью выравнивателя 8, когда указанный выравниватель перемещается в контакт с текучим веществом 3.

В частности, упомянутый выравниватель 8 связан с непоказанным здесь, но по сути известным приводным средством для перемещения выравнивателя, находящегося в контакте с текучим веществом 3, относительно дна 2а контейнера 2 в направлении Y с целью вышеописанного перераспределения текучего вещества 3.

В ходе упомянутого перемещения выравниватель 8 проходит между модельной платформой 5 и контейнером 2, т.е. под модельной платформой 5.

Таким образом, нет необходимости перемещать контейнер 2 для проведения операции выравнивания и благодаря этому можно ограничить общие размеры машины 1.

Затем модельную платформу 5 снова опускают, и вышеописанные операции повторяются для отверждения следующего слоя объекта 11.

Можно понять, что вышеописанный выравниватель 8 дает возможность заполнить впадину 3а намного быстрее, чем в раскрытом ранее известном способе, в котором заполнение происходило самопроизвольным перераспределением текучего вещества.

Поэтому время ожидания выравнивания текучего вещества 3 после отверждения каждого слоя объекта значительно снижено; таким образом, достигается цель снижения общего времени изготовления, в сравнении со временем, требуемым в известных способах.

В частности, чем выше вязкость используемого текучего вещества 3, тем короче общее время изготовления.

Поэтому способ согласно настоящему изобретению особенно подходит, когда в качестве текучего вещества 3 используется гибридная смола высокой вязкости, как объяснено выше.

Далее, предпочтительно перераспределять текучее вещество 3 в интервале между отверждением двух последовательных слоев, при этом выравниватель 8 перемещают только в одном направлении, противоположном направлению перемещения в предыдущем процессе перераспределения, как можно видеть на ФИГ.5.

В частности, после отверждения очередного слоя выравниватель 8 проходит под модельной платформой 5 и, зайдя за нее, занимает позицию со стороны, противоположной той, в которой он останавливался после отверждения предыдущего слоя.

Это дает то преимущество, что операция перераспределения текучего вещества 3 не требует возврата выравнивателя 8 в исходное положение и потому особенно быстра.

Выравниватель 8 располагается в контакте с поверхностью текучего вещества 3 в зоне, где уровень текучего вещества 3 выше, чем во впадине 3а, чтобы выравниватель мог подталкивать текучее вещество 3 к впадине 3а.

Выравниватель 8 предпочтительно содержит лопатку 9, расположенную на расстоянии от дна, вытянутую, главным образом, в продольном направлении. Длина лопатки предпочтительно соответствует ширине контейнера 2.

На ФИГ.4 лопатка 9 показана сбоку, поэтому ее только что упомянутое продольное направление перпендикулярно плоскости чертежа.

Чтобы подталкивать текучее вещество 3, вышеупомянутую лопатку 9, находящуюся в контакте с текучим веществом 3, перемещают в направлении Y, перпендикулярном вышеупомянутому продольному направлению, как показано на ФИГ.5.

Перемещение лопатки 9 позволяет выровнять текучее вещество 3 так, чтобы получить слой по существу однородной толщины, как показано на ФИГ.6.

Очевидно, что лопатка 9 может иметь любую форму, даже и отличающуюся от показанной на ФИГ.4, при условии, что она подходит для контакта с поверхностью содержащегося в контейнере 2 текучего вещества 3 с целью выравнивания его слоя.

В одном из непоказанных здесь вариантов осуществления настоящего изобретения контейнер 2 может перемещаться относительно модельной платформы 5 в направлении Y, перпендикулярном продольному направлению лопатки 9.

В этом случае перераспределение текучего вещества 3 происходит в результате сочетания перемещений лопатки 9 и контейнера 2.

Изложенное ясно показывает, что настоящее изобретение решает все поставленные задачи.

В частности, применение выравнивателя для заполнения впадины, образующейся в текучем веществе после отверждения каждого слоя объекта, позволяет сократить время ожидания перед отверждением следующего слоя.

Следовательно, общее время, необходимое для получения трехмерного объекта, значительно сокращается в сравнении со временем, требуемым при использовании известных стереолитографических способов, причем упомянутое сокращение времени увеличивается с возрастанием вязкости используемого текучего вещества.

Далее, тот факт, что выравниватель проходит между модельной платформой и контейнером, позволяет ограничить общие размеры машины.

Способ и машина, являющиеся предметами настоящего изобретения, могут подвергаться дальнейшим изменениям; все они, даже те, которые не описаны в настоящем документе и не проиллюстрированы на чертежах, должны считаться защищенными настоящим патентом, если входят в объем нижеследующей формулы изобретения.

Там, где после упомянутых в каком-либо пункте Формулы технических особенностей следуют ссылочные позиции, эти ссылочные позиции включены единственно с целью увеличения понятности пунктов Формулы, и, соответственно, такие ссылочные позиции не оказывают никакого ограничивающего влияния на защиту какого-либо элемента, идентифицированного в качестве примера такой ссылочной позицией.

1. Способ послойного получения трехмерного объекта (11) с помощью стереолитографической машины (1), содержащей:
- контейнер (2) для текучего вещества (3) в жидком или пастообразном состоянии, способного к отверждению под действием заранее определенного излучения (4а);
- средство (4) для испускания заранее определенного излучения (4а), способное избирательно облучать слой текучего вещества (3), имеющий заранее заданную толщину и прилегающий для отверждения к дну (2а) контейнера (2);
- модельную платформу (5) для обеспечения опоры отвержденному слою (6);
- приводное средство (7) для перемещения модельной платформы (5) относительно дна (2а), по меньшей мере, в модельном направлении (X), перпендикулярном дну (2а);
- выравниватель (8), расположенный в контакте с текучим веществом (3);
при этом способ содержит следующие операции:
- избирательно облучают указанный слой текучего вещества (3) таким образом, чтобы получить отвержденный слой (6);
- поднимают отвержденный слой (6) для того, чтобы переместить его от дна (2а), чтобы он вышел из текучего вещества (3),
отличающийся тем, что
- перераспределяют текучее вещество (3) в контейнере (2), чтобы заполнить впадину (3а), образованную указанным подъемом отвержденного слоя (6), причем процесс перераспределения осуществляют перемещением выравнивателя (8) между модельной платформой (5) и контейнером (2) из первой зоны контейнера (2), в которой уровень текучего вещества (3) выше, чем во впадине (3а), в направлении указанной впадины (3а).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выравниватель (8) содержит лопатку (9), вытянутую по существу в продольном направлении.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перемещение выполняют смещением лопатки (9) в направлении перемещения (Y), перпендикулярном указанному продольному направлению.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе каждого перераспределения текучего вещества (3), происходящего в интервале между отверждением двух последовательных слоев, указанное перемещение производят только в одном направлении перемещения (Y), чтобы выравниватель (8) переходил с одной стороны модельной платформы (5) на другую.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перемещение выравнивателя (8) в ходе каждой из операций перераспределения производят в направлении, противоположном направлению перемещения в предыдущей операции перераспределения.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что текучее вещество (3) представляет собой смесь полимерного компонента и материала в форме частиц либо пастообразное вещество.

7. Стереолитографическая машина (1), содержащая:
- контейнер (2) для текучего вещества (3) в жидком или пастообразном состоянии, способного к отверждению под действием заранее определенного излучения (4а);
- средство (4) для испускания заранее определенного излучения (4а), способное избирательно облучать слой текучего вещества (3), имеющий заранее заданную толщину и прилегающий для отверждения к дну (2а) контейнера (2);
- модельную платформу (5) для обеспечения опоры отвержденному слою (6);
- приводное средство (7) для перемещения модельной платформы (5) относительно дна (2а), по меньшей мере, в модельном направлении (X), перпендикулярном дну (2а),
отличающийся тем, что содержит
- выравниватель (8), выполненный с возможностью, при перемещении его в контакт с текучим веществом (3), подталкивания текучего вещества (3), чтобы перераспределить указанное текучее вещество (3) в контейнере (2);
- приводные средства, выполненные с возможностью перемещения выравнивателя (8) в контакт с текучим веществом (3) между модельной платформой (5) и контейнером (2) таким образом, чтобы выравниватель (8) подталкивал текучее вещество (3) к впадине (3а), образованной в текучем веществе (3), для заполнения указанной впадины.

8. Стереолитографическая машина по п. 7, отличающаяся тем, что выравниватель (8) содержит, по меньшей мере, одну лопатку (9), вытянутую по существу в продольном направлении.

9. Стереолитографическая машина по п. 8, отличающаяся тем, что приводные средства выполнены с возможностью перемещения лопатки (9) в направлении (Y), перпендикулярном указанному продольному направлению.

10. Стереолитографическая машина по п. 8, отличающаяся тем, что приводные средства выполнены с возможностью перемещения лопатки (9) перпендикулярно дну (2а), а также погружения ее в текучее вещество (3) и вывода из него.

11. Стереолитографическая машина по п. 8, отличающаяся тем, что лопатка (9) выполнена таким образом, чтобы ее перемещение позволяло получить слой текучего вещества (3) по существу однородной толщины.

12. Стереолитографическая машина по п. 11, отличающаяся тем, что лопатка (9) расположена на расстоянии от дна (2а).

13. Стереолитографическая машина по любому из пп. 8-12, отличающаяся тем, что текучее вещество (3) представляет собой смесь полимерного компонента и материала в форме частиц либо пастообразное вещество.