CN101909861A - 分层生产方法和用于其中的照射系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在储液器(2)中分层生产有形物体(5)的系统(1)中的照射系统，所述照射系统包括图像形成元件(21)、图像投射系统(22、23)和微透镜阵列(7)。所述照射系统(20)还包括控制器(24)，该控制器用于控制微透镜阵列(7)，以进行相对于图像投射系统(22、23)的至少一部分的运动(9)，并控制图像形成元件(21)，以与所述运动同步地形成随时间变化的二维图像，这样，当所述运动也相对于正在构造中的物体(5)时，微光点(17)绘出并固化液体层(10)的预定区域。

Description

分层生产方法和用于其中的照射系统

技术领域

本发明涉及一种用于分层生产有形物体的方法。本发明还涉及一种用于分层生产有形物体的系统中的照射系统。

背景技术

一种用于实施这种方法的已知系统例如是德国的想象技术公司(Envision Technologies GmbH)销售的名为“Perfactory”的设备。该已知设备用于通常称为快速原型技术(RP)或快速制造技术(RM)的分层制造技术(LMT)领域中，以生产有形物体。快速原型技术(RP)和快速制造技术(RM)称为“快速”的原因是它们不需要设计和制造模具。

Perfactory的照射系统包括数字微镜器件(DMD)。就Perfactory而言，待生产的物体的工作区域尺寸通常为例如3cm×4cm，DMD对此通常采用1280×1024像素。这些物体相对小。当需要生产较大物体时，也需要较大的工作区域，例如30cm×40cm的量级。另外，当需要以与较小物体相同的精度生产较大物体时，需要相应较高的像素量。然而，当前无法实现采用这么高的DMD像素量。因此，无法利用Perfactory为较大物体生产小产品细节。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种解决方案，根据这种解决方案，为了生产较大尺寸的产品，能够以高分辨率固化较大的层工作区域，而且无需增加生产中使用的照射系统的图像形成元件的分辨率。

因此，根据本发明的第一方面，提供了根据权利要求1所述的方法。

在根据本发明的第一方面的方法中，通过利用照射系统照射预定区域来进行上述固化处理，该照射系统包括可控制以形成随时间变化的二维图像的图像形成元件、图像投射系统以及包含布置在二维直平面中的各微透镜的微透镜阵列，所述图像投射系统配置成用于将所述二维图像投射到微透镜阵列上，以使得各微透镜分别将入射到其上的辐射以分离的对应集中微光点的形式投射到液体层的预定区域上，其中对于方法周期中的至少一个，控制所述微透镜阵列，以相对于图像投射系统的至少一部分并相对于正在构造中的物体进行与所述直平面平行的运动，同时同步地控制所述图像形成元件，以形成随时间变化的二维图像，这样，在所述微透镜阵列的运动期间，所述微光点绘出(行经)并固化所述液体层的所述预定区域。

这样，微光点在液体层上“写入”，以固化液体层的预定区域。为了获得高分辨率，分离的集中微光点可以相对大的距离彼此分离地布置，因为在上述“写入”过程中经过一定的时间总能到达微光点之间的中间空间。

应注意，倘若对根据权利要求1的方法进行改动，即图像形成元件和/或图像投射系统可控制地与微透镜阵列一起相对于正在构造中的物体运动，而非使微透镜阵列相对于图像投射系统的至少一部分以及相对于正在构造中的物体运动，本发明的上述目的也可利用该方法达到。因此，在该改动方法中，举例来说，整个照射系统可控制地相对于正在构造中的物体运动，这种运动例如通过使整个照射系统相对于环境运动同时使正在构造中的物体相对于环境保持固定或通过使正在构造中的物体相对于环境运动同时使整个照射系统相对于环境保持固定而实现。然而，与这种改动方法相比，根据权利要求1的方法具有如下优点：它仅需要以高精度运动很少的量(也就说，基本上仅需运动微透镜阵列的量)。这与运动例如整个照射系统的较大量相比或与运动正在构造中的物体相比，可以更简单地实现且消耗较少能量。

另外，根据本发明的第二方面，提供了根据权利要求5所述的照射系统。

应注意，可利用(透明)构造形状应用根据本发明的方法和根据本发明的照射系统，其中，当液体层贴近构造形状时，进行液体层的预定区域的固化，且其中，在一个方法周期中，所获得的固体层与所述构造形状分离。构造形状可例如为储液器的透明底部，其中，在一个方法周期中，照射系统的辐射从下方入射到液体层上，从而固化正在生产中的物体的最下方的层。或者，构造形状可例如这样设置，以使得在一个方法周期中固化正在生产中的物体的最上方的层、而不是最下方的层。在此情况下，举例来说，可例如将可竖直运动的产品保持件设置在所述正在生产中的物体下方，而举例来说，可将照射系统设置成使得照射系统的辐射从上方、而不是从下方入射到液体层上。事实上，当使用构造形状时，可将根据本发明的方法和根据本发明的照射系统应用于相对于重力以任何方位运作的分层生产中。然而，在不使用构造形状的情况下，例如在当液体层形成储液器中液体的最上层时固化所述液体层的预定区域的情况下，根据本发明的方法和根据本发明的照射系统也可适用。

从属权利要求中描述了本发明的具体实施方式。

参照下文描述的实施方式将了解及明晰本发明的这些和其他方面。

附图说明

下文将参照附图中的示意性图式，仅以举例的方式描述本发明的其他细节、方面和实施方式。

图1以侧剖视图的形式示意性示出了在一个系统中使用的根据本发明的照射系统的一个实施方式的实例，该系统用于根据本发明的方法的一个实施方式的实例中。

图2A以平面图的形式示意性示出了图1中的照射系统的微透镜阵列的一部分。

图2B以侧剖视图的形式示意性示出了图2A中的微透镜阵列部分。

图3以平面图的形式示意性示出了图1中的照射系统的微透镜阵列的一个微透镜，其中指示了微透镜阵列的运动路径。

图4A以平面图的形式示意性示出了图1中的照射系统的微透镜阵列在微透镜阵列的另一种运动路径开始时的一个实例。

图4B再次示出了图4A的微透镜阵列，然而，此时微透镜阵列处于上述微透镜阵列的另一种运动路径结束时。

具体实施方式

首先参照图1，图1示出了用于分层生产有形物体5的系统1的一个实例。该系统1可执行根据本发明的有形物体分层生产方法的一个实例。图中示出了正在生产的有形物体5。举例来说，该有形物体可以是一个制品的原型或模型或者其他合适种类的物体。

系统1包括装有液体3的储液器2。系统1还包括照射系统20。照射系统20配置成用于照射液体3的液体层10的预定区域，从而固化上述预定区域，以获得有形物体5的固体层14，所述固体层因而具有预定形状。

为此，在示出的实例中，储液器2具有底板4，照射系统20发出的辐射18可透过该底板。底板4还可充当构造形状，其中，当所述液体层贴近该构造形状时，进行液体层预定区域的固化。在该实例中，照射系统的辐射从下方入射到液体层上，从而固化正在生产中的物体5的最下方的层。

在根据本发明的方法的方法周期中，所获得的固体层与底板4分离。在示出的实例中，这种分离通过用于保持正在生产中的产品5的载板11而实现。如图1中的双向箭头15所示，载板11可在载板致动器12的作用下相对于储液器2上下运动。首先形成的有形物体5的固体层附着在载板11的下侧。连续形成的固体层中的每一个分别附着在先前形成的固体层上。每次在固化新的一层后，载板与附着在其上的固化层一起向上运动，因此最后形成的固体层每次均与底板4分离。在分离过程中，液体3将在分离的固体层14与底板4之间流动，从而在其间形成新的液体层10。

照射系统20包括图像形成元件21，图像投射系统22、23和微透镜阵列7。图像形成元件12可控制，以形成随时间变化的二维图像。微透镜阵列7包括布置在直平面二维场中的各微透镜8。图像投射系统22、23配置成用于将二维图像投射到微透镜阵列7上，这样，每个微透镜8分别将入射到其上的辐射18以分离的对应集中微光点17的形式投射到液体层10的预定区域上。图像形成元件、图像投射系统和微透镜阵列可以是各种类型的构件，诸如照射系统领域中已知的各种类型的构件。

作为本发明的一个特定技术特征，微透镜阵列7可控制，以执行与所述直平面平行并且相对于图像投射系统22、23的至少一部分的运动。微透镜阵列7的这种运动由图1中的双向箭头9指示。

作为本发明的另一特定技术特征，照射系统20还包括控制器24，该控制器用于控制微透镜阵列7以执行所述运动9，并用于控制图像形成元件21以与所述运动9同步地形成随时间变化的二维图像，这样，当所述运动9也相对于正在生产的有形物体进行时，微光点17绘出且固化液体层10的预定区域。

如下所述，从上文得知，所描述的包括上述照射系统20的系统1可用在根据权利要求1所述的方法中。

现在参照图2A和2B。图2A以平面图的形式示出了图1中的微透镜阵列7在照射过程中的瞬时点处的一部分。所示出的部分包括在图2A中央示出的微透镜8以及围绕中央微透镜8的八个微透镜8部分。在图2A的实例中，附图标记18和19与通过图像形成元件21、例如借助于数字微镜器件(DMD)形成的随时间变化的二维图像的“像素”相对应。图2A中的涂黑圆18与在瞬时点处产生辐射时的像素相对应，而图2A中的空心圆19与在瞬时点处未产生辐射时的像素相对应。在图2B中示出了中央微透镜8将入射到其上的辐射18以对应的集中微光点17的形式投射在液体层10的预定区域上。在平面图中，集中微光点17将相对于其对应的微透镜8大体位于中央位置。

如上所述，在一个方法周期中，可控制微透镜阵列执行所述运动9，同时同步地控制图像形成元件21，以形成随时间变化的二维图像，这样，在所述运动9的过程中，微光点17绘出并固化液体层10的预定区域。在所述运动9的过程中，在示出的实例中，所发出的辐射的轨迹的一部分在辐射到达微透镜阵列之前相对于液体层10保持固定。这意味着，在所述运动9期间，图2A中的涂黑圆18和空心圆19相对于微透镜阵列7运动。然而，这也意味着微光点17确实将相对于液体层10运动，因为微光点17将相对于它们对应的微透镜8保持处于大体中央的位置。

为了避免相邻微透镜8之间的串扰，所述控制可包括随时间变化针对一些像素停止投射辐射，对于这些像素，将在相邻微透镜8之间的过渡区处或附近入射对应辐射。图2A中的空心圆19就表示上述情况。

图3示出了所述运动9的许多可能性中的一个的实例。其中，微透镜8以及它的对应微光点17相对于液体层10沿着一个或多或少类似“障碍滑雪”的运动路径30运动。在此情况下，微光点17可绘出液体层10的或多或少类似连续方形的二维区域部分。微光点17可与微透镜阵列7的其他微透镜8的其他微光点17一起绘出并固化液体层10的预定区域。

优选但非必需地，可实施该方法，以使得对于方法周期中的至少一个周期，图像投射系统将二维图像投射到微透镜阵列上，从而使与二维图像对应的辐射沿着与所述直平面大体正交的方向入射到微透镜阵列7上。在示出的实例中，这一点可以这样实现，即图像投射系统包括可实现该效果的附加透镜23。该附加透镜23可配置成使得其可以与或不与微透镜阵列7一起运动。所述大体正交入射的辐射的一个优点在于，它确保了微光点17将相对于它们对应的微透镜8准确地处于中央位置，进而改善了物体5的生产精度。

优选地，该方法可利用微透镜阵列实施，所述微透镜阵列的微透镜以等距行和等距列布置，这些行和列相互垂直，于是可实施该方法，以使得对于所述方法周期中的至少一个周期，所述微透镜阵列的运动是相对于行和列方向倾斜的直线运动。这种情况在图4A和4B中举例说明。图4A示出了微透镜阵列7，该微透镜阵列的微透镜8以等距行和等距列布置，这些行和列相互垂直。附图标记40表示液体层10的工作区域。液体层10必须被固化的预定区域包含在该工作区域40中。图4A中的箭头99表示相对于行和列方向倾斜的直线运动。图4A示出了在一个方法周期期间运动开始时的情况，而图4B示出了运动结束时的情况。在此情况下，图像投射系统22、23可配置成使得二维图像仅投射在工作区域40中。因此，在图4A和4B中，微光点17(由涂黑圆表示)将仅在工作区域40中出现。在工作区域40外将不会出现微光点。示出的空心圆16中的每一个仅仅表示一个位置，如果图像投射系统22、23已将辐射投射在对应微透镜8上，则在该位置处将出现微光点。请注意，图4A和4B中所有位于工作区域40内的圆均为涂黑圆17。这仅仅出于示例性的目的。事实上，工作区域中的某个特定位置是否必须为微光点取决于待生产的物体5的预定几何形状。

在图4B中，附图标记33表示由微透镜阵列7相对于液体层10的运动99而导致的圆16和17的运动路径。微光点17的运动路径形成这些运动路径33的一部分，并且包含在工作区域40中。可清楚地了解，归因于运动99的倾斜方向，微光点17将能够仅进行一次运动99就到达整个工作区域40。可选择多个倾斜角度。通过选择微光点的表面积和运动99的倾斜度，并通过使这些表面积与该倾斜度相匹配，可调整物体5的生产精度。而且，也可以此方式调整所需的工作区域的尺寸。因此，该方法在高精度以及可利用同一微透镜阵列实现各种物体尺寸方面非常有效。另外，该方法实用且可靠，因为倾斜运动是一种能够简单实现的运动。

更优选地，可实施该方法，以使得所述运动99的倾斜被预定，以使得当微透镜阵列7已在它的行方向上行进了与预定整数个连续列相对应的距离时，微透镜阵列7也已在它的列方向上行进了与预定整数个连续行相对应的距离。这事实上就是图4A和4B的实例所描述的情况，并可在图中看到，圆16或17的各运动路径33彼此一致，以形成这些运动路径33的直线链。以此方式可非常有效地实现使这些运动路径覆盖全部工作区域。也就是说，仅需进行一次简单且短的运动99。

仅作为非常多的可能性中的一种的示例性描述，提供下面的实际例子。在此实例中，工作区域具有480×360毫米的尺寸。图像形成元件以具有1024×768像素的DMD为基础，以覆盖该工作区域。微透镜阵列具有以280×181列和行方式布置的等距透镜。每个透镜的尺寸为2×2毫米。因此，微透镜阵列的透镜区域的尺寸为560×362毫米。微透镜阵列的约240×180列和行将覆盖工作区域。每个微透镜与DMD的约4×4像素相对应。微光点的直径约为50微米。所述直线相对运动99的倾斜被预定，以使得当微透镜阵列已在它的行方向上行进了与40个连续列相对应的80毫米距离时，微透镜阵列也已在它的列方向上行进了与1个行对应的2毫米距离。

应注意，倘若对该方法进行如下改动，即，使图像形成元件和/或图像投射系统可控制地与微透镜阵列一起相对于正在构造中的物体运动，而非使微透镜阵列相对于图像投射系统的至少一部分以及相对于正在构造中的物体运动，也可获得上文参照图4A和4B描述的执行这些类型的倾斜直线运动所产生的有益效果。因此，在该改动方法中，举例来说，整个照射系统可控制地相对于正在构造中的物体运动，这种运动例如通过使整个照射系统相对于环境运动同时使正在构造中的物体相对于环境保持固定或通过使正在构造中的物体相对于环境运动同时使整个照射系统相对于环境保持固定而实现。

另外，应注意，上述照射系统也可用在其它用于生产有形物体的方法中，这些其它方法相对于上述方法进行改动。其中一种改动在于，仅执行一个这种方法周期来生产物体的仅仅一个单层，而不是重复地执行上述方法周期。另一种改动在于，向正在构造中的物体施加一个箔片，接着部分地照射该箔片，而非提供含有液体的储液器，也非产生液体层。这种照射可直接导致箔片的受照射部分固化。或者，这种照射可导致箔片的受照射部分在显影剂(例如水)中不可溶，这样，可通过向受照射的箔片施加这种显影剂而获得所需的物体的层。

Claims (7)

1.一种用于分层生产有形物体(5)的方法，该方法包括：

提供含有液体(3)的储液器(2)；以及

重复执行方法周期，每个方法周期包括如下步骤：

固化所述液体(3)的液体层(10)的预定区域，以获得所述有形物体(5)的固体层(14)，所述固体层因而具有预定形状，以及

与所述固体层(14)平行且相邻地产生所述液体(3)的相继液体层(10)，以执行相继的所述方法周期而类似地固化所述相继液体层的预定区域，从而获得附着在所述固体层(14)上的相继的所述固体层；

其中，所述固化通过利用照射系统(20)照射所述预定区域而进行，所述照射系统(20)包括可控制以形成随时间变化的二维图像的图像形成元件(21)、图像投射系统(22、23)以及包含布置在二维直平面中的各微透镜(8)的微透镜阵列(7)，所述图像投射系统配置成用于将所述二维图像投射到所述微透镜阵列上，以使得各微透镜(8)分别将入射到其上的辐射(18)以分离的对应集中微光点(17)的形式投射到所述液体层(10)的所述预定区域上；以及

其中，对于所述方法周期中的至少一个，控制所述微透镜阵列(7)，以相对于所述图像投射系统(22、23)的至少一部分并相对于正在构造中的所述物体(5)进行与所述直平面平行的运动(9；99)，同时同步地控制所述图像形成元件(21)，以形成所述随时间变化的二维图像，这样，在所述微透镜阵列(7)的所述运动(9)期间，所述微光点(17)绘出并固化所述液体层(10)的所述预定区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述方法周期中的至少一个，所述图像投射系统(22、23)将所述二维图像投射到所述微透镜阵列(7)上，以使得与所述二维图像对应的辐射沿着与所述直平面正交的方向入射到所述微透镜阵列上。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列(7)的所述透镜(8)以等距行和等距列布置，这些行和列相互垂直，而且其中，对于所述方法周期中的至少一个，所述微透镜阵列的所述运动(99)是相对于所述行和列的方向倾斜的直线运动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述运动(99)的所述倾斜被预定，以使得当所述微透镜阵列(7)已沿其行方向行进了与预定整数个连续列相对应的距离时，所述微透镜阵列(7)也已沿其列方向行进了与预定整数个连续行相对应的距离。

5.一种用于在含有液体(3)的储液器(2)中分层生产有形物体(5)的系统(1)中的照射系统，所述照射系统(20)配置成用于照射所述液体(3)的液体层(10)的预定区域，以固化所述预定区域，从而获得所述有形物体(5)的固体层(14)，所述固体层因而具有预定形状，其中：

所述照射系统(20)包括：

可控制以形成随时间变化的二维图像的图像形成元件(21)，图像投射系统(22、23)，以及

微透镜阵列(7)，所述微透镜阵列包括布置在二维直平面中的各微透镜(8)；

所述图像投射系统(22、23)配置成用于将所述二维图像投射到所述微透镜阵列(7)上，以使得各微透镜(8)分别将入射到其上的辐射(18)以分离的对应集中微光点(17)的形式投射到所述液体层(10)的所述预定区域上；

所述微透镜阵列(7)可控制，以进行与所述直平面平行且相对于所述图像投射系统(22、23)的至少一部分的运动(9)；且

所述照射系统(20)还包括控制器(24)，所述控制器用于控制所述微透镜阵列(7)，以进行所述运动(9；99)，并用于控制所述图像形成元件(21)，以与所述运动同步地形成所述随时间变化的二维图像，这样，当所述运动(9；99)也相对于正在构造中的所述有形物体(5)时，所述微光点(17)绘出并固化所述液体层(10)的所述预定区域。

6.根据权利要求5所述的照射系统，其特征在于，所述图像投射系统(22、23)配置成用于将所述二维图像投射到所述微透镜阵列(7)上，以使得与所述二维图像对应的辐射沿着与所述直平面大体正交的方向入射到所述微透镜阵列上。

7.一种用于分层生产有形物体(5)的系统，包括根据权利要求5或6所述的照射系统(20)、其中含有液体(3)的储液器(2)、用于保持正在构造中的产品(5)的产品保持件(11)以及用于使所述产品保持件(11)相对于所述储液器(2)运动的致动器(12)。

Images