利用光固化立體成型將物體嵌入結構內的系統和方法與流程

2023-08-06 15:52:06 4

本文獻涉及製造三維物體的印表機，更具體地涉及利用光固化立體成型來製造這種物體的印表機。

背景技術：

數字三維物體製造，又被稱為數字增材製造，其為由數字模型製造實際任何形狀的三維實體物體的過程。一些數字增材製造系統利用噴射器，該噴射器呈層狀地噴射光聚物材料液滴以形成通過間或的紫外光固化的三維物體。其他系統利用光固化立體成型，其為將紫外線雷射器聚焦在液體光聚物池中以使液體光聚物層固化從而製造三維固態物體的增材製造工藝。光固化立體成型工序涉及利用三維數學模擬或計算機輔助設計(CAD)程序來生產待製造的物體的數字圖象數據。數字圖象數據模型則被切分成極薄的層，通常厚度為0.1毫米左右。用於每個圖像的數據被用於定位液體光聚物印表機的液池、聚焦雷射以及使雷射束從雷射器運動通過池以每次一層地建造物體。池定位的一部分是使一罐液體光聚物定位其上的平臺下降以利用薄面層的液體光聚物淹沒每個所形成的層，然後將其暴露於紫外線雷射器以固化物體的另一層。該工序繼續，直到物體的全部層固化，固化層的堆疊限定三維物體。

利用光固化立體成型的現有三維印表機在所採用的光聚物材料以及製造零件的速度和精度方面具有嚴重限制。材料的受限選擇以及受限的精度可以使得所製造的物體具有低的強度和耐用性。因此，一些零件不能利用光固化立體成型技術製造，從而使用傳統方法生產零件。因此，能夠快速生產耐用物體的光固化立體成型系統將是有利的。

技術實現要素：

一種利用光固化立體成型由液體光聚物形成三維物體的改進方法，該方法提高了所製造的物體的強度和耐用性，同時還提高了光固化立體成型工序的速度。該方法包括利用控制器操作至少一個致動器以使平臺在包含液體光聚物的罐內運動，利用控制器操作操作地連接至紫外線(UV)放射源的至少一個致動器，以便在控制器操作UV放射源以發射UV射線並且固化液體光聚物的一部分以形成三維結構的層時使UV放射源運動，控制器參照層的圖像數據操作至少一個致動器，利用控制器操作至少一個致動器以使平臺下降到罐內，從而以預定深度將所形成的層浸沒在液體光聚物內，利用控制器操作至少一個致動器，以便在控制器操作UV放射源以發射UV射線並且固化液體光聚物的一部分以形成三維物體的下一層並且保留下一層的對應於物體的截面的一部分的未固化部分時使UV放射源運動，控制器參照下一層的圖像數據操作至少一個致動器，利用控制器操作至少一個致動器以將物體放置在下一層的未固化部分內，該物體具有延伸到液體光聚物之外的暴露區域，利用控制器操作第一致動器以使平臺進一步下降至液體光聚物的罐內，以使液體光聚物能夠在物體的外表面處包圍該物體，利用控制器確認形成在包圍物體的外表面的液體光聚物與物體的外表面之間的分界面處的彎液面，以及利用控制器操作至少一個致動器以便在控制器參照確認的彎液面操作UV放射源以固化包圍的液體光聚物的一部分並且將包圍的液體光聚物的固化部分結合至物體和三維結構的外表面時使UV放射源運動。

一種由液體光聚物形成三維物體的改進的光固化立體成型系統，其具有提高的耐用性，同時還增大了光固化立體成型工序的速度。該系統包括包含大量液體光聚物的罐，構造成發射UV射線以固化液體光聚物的暴露於UV射線的部分的紫外線(UV)放射源，構造成設置在液體光聚物的下一層未固化部分內的物體，該物體具有延伸到液體光聚物之外的暴露區域，機械臂，操作地連接至位於包含液體光聚物的罐內的平臺、UV放射源和機械臂的至少一個致動器，至少一個致動器構造成使平臺在包含液體光聚物的罐內運動、以使UV放射源運動以及使機械臂運動，從而將物體放置在液體光聚物的下一層的未固化部分內，以及操作地連接至至少一個致動器和UV放射源的控制器。控制器被構造成：操作至少一個致動器以使平臺在液體光聚物的罐內運動，操作至少一個致動器以使UV放射源運動，同時控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的一部分並且形成三維結構的層，操作至少一個致動器以使平臺下降到所述罐內，從而以預定深度將所的層浸沒在液體光聚物中，操作至少一個致動器以使UV放射源運動，同時利用控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的下一層的一部分並且保留下一層的對應於物體的截面的未固化部分，操作至少一個致動器以使機械臂運動，從而將物體放置在下一層的未固化部分內，操作至少一個致動器以使平臺降下至罐內，從而使得液體光聚物能夠包圍物體的外表面，確認形成在物體的外表面與包圍物體的外表面的液體光聚物之間的分界面處的彎液面，以及操作至少一個致動器以使UV放射源運動，同時控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的包圍物體的外表面的部分，從而將液體光聚物的固化部分結合至物體的外表面。

附圖說明

在以下結合附圖的說明中闡明了通過將預製造物體嵌入待形成的物體內來形成三維物體的光固化立體成型系統的前述方面和其他特徵。

圖1A示出利用光固化立體成型用於形成三維結構以容納嵌入物體的系統。

圖1B示出將待被嵌入的物體放置在所形成的結構內並且將物體與結構結合的圖1A的系統。

圖2是待嵌入的物體與圖1中示出的結構之間的接口的放大圖，其示出接口處的液體光聚物中的彎液面。

圖3示出具有輔助定位待嵌入在結構中的物體的定位的另外的部件的圖1A和圖1B的系統。

圖4示出具有用於在物體的開口內形成結構的另外的部件的圖1A和圖1B中示出的系統的部件。

圖5是用於利用光固化立體成型形成具有嵌入物體的三維結構的工序的流程圖。

圖6A至6D示出圖3的系統的用途，以在物體上形成結構以及然後在圍繞物體完成結構之前重定向物體。

具體實施方式

為了大致理解本文中公開的系統和方法的環境以及對於系統和方法的細節，對附圖做出參照。在附圖中，相同的附圖標記指代相同的元件。

圖1A示出用於利用光聚物材料形成三維結構的系統，光聚物材料嵌入有預製造物體以給予強度和耐用性。系統10包括至少一個致動器34、控制器26和罐38，致動器34操作地連接至平臺14和紫外線放射(UV)源18，控制器26操作地連接至至少一個致動器34和紫外線放射源18。平臺14定位在包含液體光聚物12的罐38內並且構造成通過至少一個致動器34在罐38內豎直地運動。控制器26產生操作UV放射源以發射UV射線的信號。控制器26還產生操作至少一個致動器34以使平臺14在罐38內運動以及使UV放射源運動以在罐中的液體光聚物的表面處或附近暴露液體光聚物的一部分的信號。暴露於UV射線的液體光聚物固化以形成硬質材料。如圖1A所示，液體光聚物12的部分已被暴露以在罐38中形成三維結構20。當控制器26操作至少一個致動器以使平臺14降低時，放置在平臺14的水平面16上的結構20浸沒在液體光聚物中以使得液體光聚物的薄層能夠覆蓋結構。當液體光聚物的這一薄層暴露於UV放射源18時，固化部分粘附到結構20的在前形成的部分上。至少一個致動器34是操作地連接至系統10的部件並且構造成使部件響應於來自控制器26的信號而運動的一個或更多個致動器。致動器34可以包括步進電機、機動化凸輪、蝸輪等以能夠實現致動器與其連接的部件的受控運動。

如圖1B所示，結構20已形成有U形截面。該形狀由控制器26形成，控制器26利用來自CAD/CAM文件等的結構的圖像數據來操作至少一個致動器34以使平臺14運動並且選擇性地暴露液體光聚物的部分以形成結構20。當該結構達到預定形狀和尺寸時，控制器26操作至少一個致動器34以使機械臂運動，從而夾持已被預製造的物體22以裝配在結構20內。如本文獻中所使用的，機械臂是配置成用於運動以及用於響應於驅動臂的致動器來夾緊和操縱物品的部件。控制器26還操作至少一個致動器34以使物體運動至與結構20的內部接合。在物體22的這種運動期間，控制器26可以操作至少一個致動器34以使物體22旋轉，從而便於物體22的表面與結構20的內部的互補結構對準。在一些實施例中，物體22由更加耐用並且比已固化光聚物具有更大強度的材料製成。物體22可以形成有其他特徵以增強結構20最終形態。在將物體插入結構20內之前預加熱物體22增強物體22與結構20之間的結合。熱使結構20軟化以便能夠實現物體22與結構20之間的更好接觸。另外，更高的溫度也可以部分地固化物體與結構之間的光聚物的薄層，從而強化其之間的結合。一旦物體22就位，控制器26操作至少一個致動器34以使結構20和物體22降低，因此液體光聚物的薄層形成在結構20與物體22的分界面處。控制器26然後可以操作至少一個致動器34以使UV放射源運動越過罐38，同時操作UV放射源18以使在該分界面處的液體光聚物暴露於UV射線。固化的光聚物將物體22結合至結構20。一旦物體22結合至結構20，控制器繼續操作至少一個致動器34和UV放射源18以將固化光聚物材料的另外的層結合至物體22，從而完成結構20。

在結構20的完成期間出現的一個問題是由液體光聚物在結構20與物體22之間的分界面處形成的彎液面。這種彎液面30在圖2中示出。彎液面30中的接近物體的表面的曲線根據接觸角、物體22的表面的定向、UV源18與物體22之間的距離以及物體表面的局部幾何形狀而更高或更低。如果幾何形狀和接觸角已知，則關於液體光聚物在彎液面處固化的問題可以通過確定彎液面的形狀來解決。該信息可被控制器26用於調整被用於使UV源18運動並且操作UV源18的圖像數據。

用於解決彎液面問題的另一個方案是結合光學傳感器40，光學傳感器40產生結構20與物體22的分界面處的彎液面的圖像數據。這種系統300在圖3中示出。採用用於相同部件的相同附圖標記，系統300示出為具有如上所述用於系統10的多個部件。除這些部件之外，系統300包括第二機械臂50和光學傳感器40。由光學傳感器40產生的圖像數據通過控制器26處理以測量彎液面30。該信息可被控制器26用於調整被用於使UV源18運動並且操作UV源18的圖像數據。如果機械臂52不能轉動或者調整物體22在結構內的位置，則控制器26操作至少一個致動器34以使第二機械臂50運動從而轉動或者調整物體22在結構內的位置。

解決由彎液面30引起的問題的又一個方法是處理物體22或設計其表面構造以能夠在物體22與液體12的分界面處形成大約90度的接觸角。優化物體22的表面的設計的一個方法是形成具有小曲率的物體22的表面。小曲率幫助使物體22與液體12的分界面處的彎液面變小。幫助使彎液面30變小的其他表面處理包括使表面變糙以及利用改變物體22的表面能的化學製品或等離子體/電暈放電來處理物體表面。化學處理包括利用噴塗器或輥子施用器施加底塗層。

在結構20的完成期間出現的另一個問題是由物體22的延伸至液體光聚物與物體22的分界面的上方的部分產生的陰影。該陰影可以不利地影響陰影內光聚物的固化。為了解決該問題，控制器可以操作致動器34以使UV源18運動至消除陰影的各個位置，因為在UV源適當的復位之後能夠建立用於在前陰影區域的視準線。可替代地，多個UV源18可以圍繞結構20和物體22定位，以從各個角度照射並固化光聚物，以免由物體22的延伸至光聚物表面以上的部分產生陰影。可替代地或另外，控制器26可以操作致動器34以使平臺14旋轉，使得陰影運動至已經固化的其他區域，因此在前位於陰影內的未固化光聚物可以通過UV源18的操作來固化。

一些物體22可以形成有開口70，如圖4所示。利用如上關於圖1A所述的用於相同部件的相同附圖標記，在圖4中示出系統400。在該系統中，控制器26操作地連接至UV源18、噴射器60和在反射鏡64中終止的構件62。控制器操作至少一個致動器34以使噴射器60運動，從而向開口70內釋放液體光聚物。控制器26然後可以操作至少一個致動器34以使構件62運動，從而將反射鏡64插入在與開口70連通的腔室內。控制器26可以操作至少一個致動器34以使UV源18運動至使得由源18發射的UV射線能夠朝向反射鏡64傳播並且衝擊反射鏡64的位置。反射鏡64反射UV射線以使得腔室中的液體光聚物能夠暴露於UV射線並被固化。可替代地，代替反射鏡64的是，光纖可被用於向物體22的內部內的預定位置傳遞UV光。因此，可以嵌入在結構20中的物體22可被構造用於多種不同的目的和應用。

圖5中示出用於將物體嵌入在三維結構中的方法200。在對該方法的說明中，工序執行一些任務或功能的聲明指的是執行存儲在操作地連接至控制器或處理器的存儲器中的程序指令的控制器或通用處理器，以便操控數據或操作印表機中的一個或更多個部件以執行任務或功能。上述控制器26可以是這種控制器或處理器。可替代地，可以利用一個以上的處理器以及相關電路和部件執行控制器26，其中的每一個構造成形成在此說明的一個或更多個任務或功能。

工序200可以開始以使平臺在液體光聚物的罐內下降至用於形成固化光聚物層的預定水平(塊204)。工序確定液體光聚物的一部分是否保持未固化(塊208)，並且如果否定，則固化該層(塊212)。固化層是用於結構的最後層(塊216)，然後工序完成(塊268)。否則，工序繼續以使平臺下降以將液體光聚物定位在固化層之上，以用於形成下一層。

如果層的一部分保持未固化(塊208)，則所形成的層選擇性地暴露於UV射線，以形成與待嵌入的物體的橫截面形狀相符的固化和未固化區域(塊220)。工序確定用於插入物體的結構是否已充分地完成(塊224)，並且如果是否定的，則用於容納物體的結構的形成繼續(塊204至224)。一旦該結構準備容納物體，物體被插入結構內並且使平臺下降以使得液體光聚物層能夠覆蓋物體與結構之間的分界面(塊228)。工序確定物體是否需要旋轉以恰當地裝配(塊232)，並且操作一個或更多個機械臂以在結構內旋轉或者定位物體(塊236)。工序然後使光聚物在物體與結構的分界面處固化(塊244)以將物體結合至結構。如果物體具有開口(塊248)，噴射器被操作以在開口中釋放液體光聚物(塊252)，構件運動以將反射鏡定位在與開口連通的腔室內(塊256)，UV源被操作以從反射鏡反射UV射線以暴露液體光聚物並且對其進行固化(塊260)。如果物體沒有開口，則工序確定圍繞物體結構形成是否已完成(塊264)，如果其已完成，則工序確定是否形成另外的結構(塊204至216)。如果沒有其他結構要形成，則該結構完成(塊268)。否則，工序繼續圍繞物體形成結構(塊204至216)。

圖3的系統也可以用於以圖6A至圖6D中描述的方式與嵌入的預製造物體形成零件。如圖6A所示，預製造物體22可以定位在平臺14上，控制器26操作致動器34以使物體下降至罐38中的光聚物內。控制器26可以反覆地操作UV源18以固化鄰近物體22的光聚物並且操作致動器34以使平臺14下降，直到結構20形成在物體22的上端部上。該工序產生具有帽的物體22，如圖6B所示。控制器26然後操作致動器34以提升物體22和結構20到罐38之外，因此機械臂50和52中的一者或兩者可被控制器操作以重定向物體22和結構20以及將其放置在平臺14上，如圖6C所示。在所示出的示例中，物體重取向是物體的倒置，但也可以執行其他重定向。控制器26操作UV源18和致動器34以延伸在前形成的結構20。可以反覆地執行致動器的降下平臺以及使UV放射源運動的操作，直到物體22如圖6D中所示地包封在結構20內為止。當然，控制器26也可以操作UV源18和致動器34以選擇的方式圍繞物體22形成結構。一旦已經圍繞物體22形成最後的結構20，則機械臂50、52可被操作以從平臺14提升物體22和結構20。