CN107530972A - 具有改进的光学单元的立体光固化成型机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立体光固化成型机(1)，包括：容器(2)，所述容器(2)用于流体物质(15)，该流体物质(15)适于通过暴露于预定辐射(3a)而被凝固；激光源(3)，该激光源(3)易于发射所述预定辐射(3a)的光束；矢量扫描光学单元(4)，该矢量扫描光学单元(4)被配置为通过所述预定辐射根据期望的矢量数据图像来执行布置在所述容器(2)内部的参考表面(5)的矢量扫描；存储器，该存储器用于存储表示在所述参考表面上待扫描的图像的所述矢量数据图像；逻辑控制单元(6)，该逻辑控制单元(6)被配置为根据所述矢量数据图像，以将所述参考表面(5)的预定部分暴露于所述辐射(3a)的方式来控制所述矢量扫描光学单元(4)和/或所述激光源(3)；其中所述矢量扫描光学单元(4)包括第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)，其相对于所述预定辐射的行进路径一个接一个地串联布置，每个MOEMS系统包括：镜子(9)，该镜子(9)具有被包括在约2mm与约8mm之间的直径，通过铰接装置(11)与支撑结构(10)相关联，该铰接装置(11)被构造成为所述镜子(9)限定旋转轴线(X1、X2)；致动器(12)，该致动器(12)适合于使所述镜子(9)以准静态方式围绕所述旋转轴线(X1、X2)以角速度移动，使得当所述激光源(3)在所述矢量扫描期间发射所述预定辐射(3a)时，所述激光束在所述参考表面(5)上的对应标记速度被包括在约0.5m/s和约3m/s之间；并且其中·第一MOEMS系统(7)的镜子(9)的旋转轴线(X1)入射到第二MOEMS系统(8)的镜子(9)的旋转轴线(X2)上。

Description

具有改进的光学单元的立体光固化成型机
技术领域
本发明涉及一种适用于通过多个重叠层制造三维物体的立体光固化成型机(stereolithography machine)，其中每层通过在与待制造的物体的体积对应的区域中使流体物质选择性凝固而获得。
背景技术
已知类型的立体光固化成型机包括容器，在容器中存在流体物质，所述流体物质通常为液体或糊状状态的感光树脂。
该机器还包括源，其通常为发光型并且发射适于使流体物质凝固的辐射。光学单元用于将所述辐射朝向布置在容器内的参考表面输送，该参考表面对应于待凝固的物体的层的位置。
正在形成的三维物体由可相对于容器垂直移动的模型板以下述方式支撑：使得物体的最后的凝固层被布置在与所述参考表面相邻的位置中。
以这种方式，一旦每个层已经被凝固，模型板就以下述方式移动：即，将凝固层布置成再次与参考表面相邻，之后可以对连续层重复该过程。
上述类型的立体光固化成型机分为例如在同一申请人的名义下的意大利专利申请no.VI2010A000004中所描述的两个主要实施例。
根据所述实施例中的第一个实施例，参考表面被布置成使得其与容器的底部相邻，其对辐射是透明的。在这种情况下，从下方照射流体物质，并且在模型板下方形成三维物体。根据本发明的第二实施例，参考表面布置在流体物质的自由表面的水平面上。在该第二种情况下，从上方照射流体物质，并且在模型板上方形成三维物体。在这两个实施例中，可以借助于已知类型的不同光学单元将辐射朝着参考表面的不同点输送。在光学单元的一个实施例中，固定源和一个接一个地串联布置的一对电流计镜用于引导光束。
每个电流计镜被机动化，使得其可以围绕与另一个电流计镜的轴线正交的相应旋转轴线旋转，以使得它们的旋转的组合能够使光束指向参考表面的任何点。
上述这种光学单元提供了下述优点：由于电流计镜的惯性较小，其允许光束被非常快速地移动，并且由于所使用的机械部件数量更少，所以其更可靠。
尽管有所述优点，但电流计镜的成本相对较高，这显著影响立体光固化成型机的成本。
基于电流计镜的光学单元造成了相对笨重的另外的缺陷。
高成本和相当大的整体尺寸使得包括电流计镜的立体光固化成型机不适合于任何小批量生产——即小公司可能需要的类型。
此外，电流计镜包括一些受磨损的机械部件，因此限制了它们的优点，特别是由于其替换的高成本。
此外，电流计镜的惯性不可忽略，并且影响光束的偏离速度，从而影响整体处理时间。
申请人已经提出了解决这个问题的第一个解决方案，就是找到一种光学单元，它提供基于使用电流计镜的已知类型的立体光固化成型机所提供的一些优点，而且与后者相比制造和使用起来更简单。以申请人的名义在WO 2013/093612中公开了该解决方案，其中立体光固化成型机包括：用于流体物质的容器；预定辐射源，其适于使流体物质凝固；光学单元，其适于使辐射指向流体物质中的参考表面；以及逻辑控制单元，其被配置为控制光学单元和/或光源以便暴露参考表面的预定部分。光学单元包括微光机电系统，该微机电系统设置有与致动器装置相关联的镜子，所述镜子用于围绕彼此入射并且彼此独立的至少两条旋转轴线旋转，使得其可以通过围绕两个轴的旋转的相应组合而使辐射指向参考表面的每个点。
然而，申请人已经发现，用可以沿着两个轴定向或旋转的单个MOEMS来替换电流计镜并不能解决参考现有技术所公开的所有问题，而且还带来更多的问题。
在激光扫描的技术领域中，通常可以进行两种类型的激光扫描：光栅扫描和矢量扫描。在光栅扫描中，沿着相互间隔开并且彼此平行且相对较长(通常至少与在扫描方向上被扫描的部件的外部尺寸一样长)的一系列直线顺序地扫描激光束；因此，激光束必须沿着每个扫描线仅在一个方向上移动，并且扫描系统通常被布置成使得沿着每条扫描线的移动通过单个镜子的移动来实现。在矢量扫描中，沿着一系列直线或矢量顺序地扫描激光束，所述一系列直线或矢量的长度可以从非常短(例如，小于1mm)变化到相对较长，并且其相对于彼此的定向可以变化，使得在一般情况下需要两个镜子的协调运动来扫描矢量。一个矢量的结束点通常与下一个矢量的起点重合。
本发明特别涉及矢量扫描，其具有通常在光栅扫描中不起作用的挑战。申请人已经发现，为了获得对要由立体光固化成型机制造的三维物体的更好的控制，使用矢量扫描以获得更准确和精确的结果。此外，矢量扫描允许制造三维物体的“轮廓”。要制造的三维物体在逐层处理中被分层，其中在每个层中限定外部边界或图案，激光器必须在该外部边界或图案内扫描和并且使树脂聚合。然而，为了获得更好的表面特性，不仅扫描了边界的“内部”，而且还优选地执行边界的轮廓化(即，激光束点跟随每个层的图案边界的轮廓)。只有通过在立体光固化成型机中使用矢量扫描，才能进行轮廓化。
对于选择矢量扫描的这种类型的立体光固化成型机，可以沿着两个不同的轴移动或旋转的单个MOEMS系统不是优选的。这样的镜子的惯性动量太大，以至于无法以相对较高的速度移动。这使得生产时间低下。此外，双轴MOEMS镜对镜子本身的大小而言具有固有的限制，这是由于镜子必须围绕两个入射轴移动。因此，激光点的大小也受制约，增加了立体光固化成型机的成本。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种立体光固化成型机，其包括：
·容器，该容器用于流体物质，该流体物质适合于通过暴露于预定辐射而被凝固；
·激光源，该激光源易于发射所述预定辐射的光束；
·矢量扫描光学单元，该矢量扫描光学单元被配置为通过所述预定辐射根据期望的矢量数据图像来执行对布置在所述容器内的参考表面的矢量扫描；
·存储器，该存储器用于存储表示在所述参考表面上待扫描的图像的所述矢量数据图像；
·逻辑控制单元，该逻辑控制单元被配置为根据所述矢量图像，以将所述参考表面的预定部分暴露于所述辐射的方式来控制所述矢量扫描光学单元和/或所述激光源；
其中所述矢量扫描光学单元包括第一和第二微光机电系统(MOEMS)，所述第一和第二微光机电系统相对于所述预定辐射的行进路径一个接一个地串联布置，每个MOEMS系统包括：
·镜子，该镜子的直径在约2mm与约8mm之间，通过铰接装置与支撑结构相关联，其被构造成为所述镜子限定旋转轴线(X1、X2)；
·致动器，该致动器适合于使所述镜子以准静态方式围绕所述旋转轴线(X1、X2)以角速度移动，使得当所述激光源在所述矢量扫描期间发射所述预定辐射时，所述激光束在所述参考表面上的对应标记速度被包括在约0.5m/s和约3m/s之间；
并且其中
·第一MOEMS系统的镜子的旋转轴线入射到第二MOEMS系统的镜子的旋转轴线。
也就是说，第一和第二微光机电系统(MOEMS)相对于激光源以及相对于容器被布置成使得顺序地入射在第一和第二镜子上的预定辐射的激光束可以通过所述镜子围绕所述两个入射轴线的旋转的对应组合而指向参考表面的点，以根据所述矢量数据图像来执行矢量扫描。
本发明的立体光固化成型机中的矢量扫描光学单元包括两个MOEMS镜，致动器使每个MOEMS镜围绕轴线移动。每个MOEMS镜都是仅围绕单个轴线可旋转的。优选地，每个镜子的致动器是静电致动型或电磁致动型。这两种致动在本领域中都是已知的，在下文中不再详述。每个MOEMS镜具有单个旋转轴线，但是第一MOEMS镜的旋转轴线入射到第二MOEMS镜的旋转轴线，即，双轴彼此不平行。由激光源发射的激光束被一个接一个地串联的MOEMS镜反射，然后反射到立体光固化成型机中的材料的工作表面(参考表面)上，“绘出”光束轨迹。在该轨迹期间，激光束的辐射照射参考表面所属的液体的一部分，使得这些部分变得“更硬”(聚合或固化)。因此，参考表面是根据给定图案或图像而凝固的“工作层”。需要对多个工作表面或层进行图案化以形成三维物体。例如，两个MOEMS镜位于参考表面上方，并且聚焦的激光束垂直向下行进到工作表面上。有利地，两个MOEMS镜被布置成使得它们在两个正交方向上移动激光束，该激光束在参考表面上形成“光点(spot)”。在沿着优选地垂直于MOEMS镜的两条旋转轴线的第三轴线——诸如垂直轴线Z——相互隔开一定距离的所有表面或层上执行该矢量扫描，以便形成3维物体。根据三维打印技术中已知的技术，根据不同的矢量数据图像对每个表面或层进行矢量扫描，以实现3维(3D)物体。
限定由激光束扫描的图案的矢量数据图像是由计算机或处理器处理的文件，诸如CAD文件(例如，CAD程序实现.stl文件)，其中包含关于要在工作表面上被扫描的图像的信息。矢量图像限定了作为图像的外部或外边界的轮廓或边界以及激光束必须经过(“扫描”)的边界的“内部”，以便使将实现3D物体的液体凝固。
根据本发明，如所提及的，通过包括两个MOEMS系统的矢量扫描光学单元来扫描激光束。MOEMS或微光机电系统包括与微光学相结合的MEMS，其涉及使用集成的机械系统、光学系统和电气系统在非常小的大小的规模上感测或操纵光信号。这些器件通常使用微光学和标准微机械加工技术，使用诸如硅、二氧化硅、氮化硅和砷化镓等材料来制造。MOEMS包括MEMS和微光学这两个主要技术。
MEMS——微机电——系统是非常小的器件的技术。优选地，使用半导体器件制造中的诸如例如材料层的沉积，通过光刻(photolithography)和蚀刻进行图案化以产生所需的形状的工艺技术来制造MOEMS。
优选地，本发明的MOEMS镜是反射镜，更优选地以硅实现。优选地，使用CMOS技术实现本发明的扫描单元中的MOEMS镜。
如上所述，由于上述优点，申请人仅对矢量扫描光学单元感兴趣。
选择可沿单轴移动的两个MOEMS镜而不是可沿双轴移动或旋转的单个MOEMS镜的原因在于，这两个单轴MOEMS镜的效率高于可绕双轴旋转的单个MOEMS镜的效率。在双轴MOEMS镜中，定义镜子的“物体”区域的部分专用于轴向移动。因此，对于占用的相同面积，在双轴MOEMS镜中，激光束可以入射的镜子的有效大小小于单轴MOEMS镜的情况。此外，双轴MOEMS镜比单轴MOEMS镜重，因此具有较高的角惯性。此外，单轴MOEMS镜的尺寸更好地可控并且其旋转更稳定，该尺寸是本发明的如下所述的相关参数。
申请人还认识到，为了获得使用两个单轴MOEMS镜的矢量扫描光学单元，将对每个MOEMS镜施加“准静态”运动。
MOEMS镜可以分为两类：谐振MOEMS镜和准静态MOEMS镜(在文献中有时也称为静态或偏摆镜)。通常，MOEMS镜被机械地设计成以准静态或谐振模式工作。谐振MOEMS镜是以共振频率致动的镜子。谐振频率是如下频率：在该频率下，对于低激励电平，机体显示出非常大的反应(振幅运动或振荡)。对于MOEMS镜，该频率是对于给定的激活电平扫描振幅最大的频率。
准静态MOEMS镜意味着镜子远离其机械谐振频率而被致动的，因此扫描角和致动信号之间的关系基本上是线性的。准静态MOEMS镜是在线性区域中被致动的镜子，其中在致动信号(例如电压信号)与围绕单轴的角位移之间存在线性关系，准静态MOEMS镜可绕所述单轴旋转。因此，已知将要放置MOEMS镜并且必须保持的角度位置，该镜子可以通过施加一定的连续致动信号而被驱动以保持该特定位置。通常，准静态模式操作从静态(使镜子倾斜并且保持到位)直至几百赫兹。在该频率范围内，镜子将遵循致动信号形状。谐振致动模式是以等于镜子的谐振频率的信号频率来致动MOEMS镜的模式。因为镜面扫描振幅以机械谐振频率放大，所以镜面运动将充当机械振荡器，并且将遵循正弦运动(而不是直线运动)。
申请人已经意识到，为了获得对包含在图像矢量数据文件中的图像进行矢量扫描所需的精确控制，必须使用两个准静态MOEMS镜，使得控制单元可以发送预定的电压信号，所述预定的电压信号对应于两个MOEMS镜分别围绕X1和X2轴倾斜的精确角度，这取决于所使用的MOEMS镜的线性特性。
以这种方式，可以精确地控制由致动器发送到第一和第二MOEMS镜的信号或一对信号(通过由控制单元发出的对应信号所导出的信号)，两个MOEMS镜的定位所处的第一和第二角度(每个MOEMS镜围绕其轴X1或X2以特定角度倾斜，其值由致动器/控制单元发送的信号确定)相关联，因此要扫描的参考表面内的精确空间点也与这样的信号或一对信号相关联。
由于执行矢量扫描的事实，可以获得复杂的路径或轨迹，以根据图像数据中存在的图像，通过扫描光学器件将激光束引导至参考表面上。通过激光束从第一点到第二点扫描参考表面上的给定路径的时间取决于MOEMS镜的角速度，即，取决于MOEMS镜改变其位置(即，角度)的速度，在该速度下，使第一点与新位置(即，新角度)相关联，参考表面中的新点与所述新位置(即，新角度)相关联，使得光束从第一点起以给定速度朝第二点移动。由于下述原因，不是所有的速度都可以使用。
在光栅扫描中，由于镜子的“高速度”以及因此光束到表面的“高速度”，所以激光束通常会不止一次地扫描表面的相同部分，因为它以高速扫描表面的在基本上相互平行的“线”中的一部分。对于这种类型的扫描，要么激光源非常强——通常避免这种情况，要么需要比激光通道能够更适当地使容器中的液体凝固。
申请人已经意识到，在向立体光固化成型机施加的矢量扫描中，可选方案一方面平衡了快速执行扫描的要求，另一方面尽可能地限制于图像的相同部分的一次(或极少地，一次以上)“凝固”(即，激光“绘制”相同的图案仅一次)，选择单轴MOEMS镜的运动的特定角速度范围。事实上，更强的激光源也可以结合较高速度移动的镜子工作，然而本发明的立体光固化成型机是针对相对“低价格”的市场，其中优选地不使用高功率昂贵的激光器。因此以下述方式选择MOEMS镜的角速度：使得激光束到工作或参考表面上的“扫掠”速度被包括在可以在激光束的单次扫描中沿给定图案聚合或固化的间隔中。
根据本发明的镜子使用这种特定的角速度，当所述激光源正在执行矢量扫描时，参考表面中的激光束的相应激光速度被包括在约0.5m/s和约3m/s之间，为此，获得了在利用激光束大致单次“绘制”中固化的精度与制造速度的期望折衷。也就是说，镜子以下述方式致动：使得它们以对应的激光束速度在0.5m/s-3m/s的间隔内的角速度移动。参考表面上的该激光速度取决于扫描光学元件与表面本身之间的距离以及MOEMS镜的角速度。给定参考表面上所需的激光速度，即，激光束移动到参考表面上的速度，本领域技术人员可以导出MOEMS镜必须被倾斜的角速度，这取决于立体光固化成型机的构造特性。这种“扫掠”速度称为“标记速度”，其表示激光束扫描感兴趣的参考表面并且对容器所包含的液体执行硬化的速度。
仍然为了保持本发明的立体光固化成型机的价格相对较低，第一和第二MOEMS系统的单轴MOEMS镜的尺寸也是相关的。太宽的镜子导致笨重机器的实现和镜子本身的不稳定性。在一些情况下，镜子可以相对较大并且因此可以具有相当大的机械惯性。因此，可能需要相当长的时间来将扫描镜完全加速到其所需的速度。已经发现，忽略镜子的有限加速时段在某些情况下可能导致激光点的不可接受的较大跟随误差。
太小的镜子尺寸对必须由激光源使用和发射的辐射束施加严格的限制。因此，申请人已经发现，在这种情况下，合适的折衷是MOEMS镜直径被包括在大约2mm与大约8mm之间。在本上下文中，术语“直径”不仅涉及圆形镜子，而且涉及其它镜子的几何形状。在后一种情况下，直径是在垂直于MOEMS镜的旋转轴的方向上的最大尺寸。
MOEMS镜的这种尺寸适应于已经选择的速度，即，也是考虑到这些MOEMS镜必须移动以使得到参考表面上的激光束速度没有困难地被包括在约0.5m/s和约3m/s之间来选择MOEMS镜的这些尺寸。
根据上述方面，本发明可以包括作为替代或组合的一个或多个以下特征。
有利地，所述致动器被配置成使所述第一和/或所述第二MOEMS系统的所述镜子围绕所述旋转轴线(X1、X2)以角速度移动，使得当所述激光源不发射所述预定辐射以改变所述参考表面中的图像扫描的位置时，所述参考表面上的所述激光束的对应定位速度被包括在约8m/s与约10m/s之间。
要扫描并保存在文件中的图像可以形成连续的形状，即，被限制在单个封闭边界内的单一形式，或由分离的封闭边界界定的多个分离形状。为了使激光束扫描不同的分离形状，光束应该从一个位置移动到另一个通常相对较远的位置，以再次开始扫描。各种形状之间的距离可以足够长，需要对MOEMS镜进行重新定位。因此，在从待扫描的形状的第一部分重新定位并移动到要被扫描的形状的、远离第一部分的另一个第二部分的过程中，激光器被关断并且MOEMS镜被移动。这种重新定位的移动以优选地高于对应于执行激光的“扫掠”的激光速度——标记速度——的角速度执行，并且更优选地，该角速度使得激光束在参考表面上的在关断激光器的最后一点与在表面上的再次接通激光器的新点之间移动的对应速度被包括在约8m/s和约10m/s之间。换句话说，在犹如未关断激光束的情况下计算重新定位速度。激光束在参考面上的这种速度称为“定位速度”，它是在“犹如”激光器连续接通的情况下激光束在这两个点之间的速度。然而，激光束被关断以避免表面的不应受到激光辐射的部分的聚合。
关于标记速度，激光的定位速度取决于镜子上的角速度和扫描光学元件与参考表面之间的距离。
有利地，所述第一和第二微光机电系统的所述两个旋转轴线(X1、X2)彼此正交。
也就是说，优选地，第一MOEMS系统的镜子围绕X轴旋转，并且第二MOEMS系统的镜子围绕Y轴旋转，使得两个镜子的旋转组合允许激光束到达液体材料的(X、Y)表面中的任何位置。
在优选实施例中，所述激光源被配置为发射波长被包括在约405nm±10nm之间的所述预定辐射。
在3D打印机中可以使用不同的激光源。在本发明中，使用激光源的相当“异常”的波长，即，能够在紫光区(violet region)中发射的激光源。该激光器被归类为“蓝色”激光器。在这种波长下的激光器通常比适合于发射仍然在UV范围内的不同波长的辐射束的激光器便宜。此外，当光学器件的镜子必须以所要求保护的波长的入射辐射工作时，光学器件的镜子涂层也更便宜。
优选地，所述激光源被配置为发射在参考表面处具有辐照度的所述预定辐射，该辐照度被包括在约10mJ/cm2和约200mJ/cm2之间。
如上所述，在这样的预定辐射下激光束的功率应该足够高以使液体材料聚合，以使得液体材料在被扫描——即，经受激光束辐射——的地方变得凝固，并且激光束的功率不是那么高，以使得激光源的成本不至于变得太高而阻碍包括这样昂贵的激光器在内的3D打印机的商业化。申请人已经发现，所要求保护的功率的范围是同时考虑到两个相反需求的良好折衷。然而，优选不是调节和固定功率，而是调节和固定辐照度。容器中参考表面处的光量以强度单位或能量单位定义。由术语辐照度描述的参考表面处的光强度是瞬时曝光的量度，其是用于确定激光器功率的该值是否能聚合容器中所包含的液体的相关值。
在优选实施例中，根据本发明的立体光固化成型机包括容纳所述激光源和串联布置的所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)的密封容器，所述密封容器包括以对所述预定辐射透明的材料来实现的窗口，使得所述辐射可以离开所述容器。
申请人已经发现，激光辐射，特别是在为约405nm±10nm的所要求波长下的激光辐射，可能由于“污垢”或由于可能沉积到MOEMS镜上的任何异物而引起潜在问题。在感兴趣的波长下的这些外来颗粒或材料(其可以简单地是灰尘)导致静电荷的累积，这可能增加MOEMS镜本身的温度，直至发生MOEMS镜的损坏。可以通过清洁镜子来避免这种损坏，但是MOEMS镜的尺寸和技术特性不允许对MOEMS镜进行简单且容易的清洁。因此，申请人优选地实现围绕激光源和MOEMS镜的密封容器，使得外来颗粒不会意外地沉积在镜子上，被容器的密封壁阻挡。
有利地，所述微光机电系统(MOEMS)中的每一个的所述致动器是电磁或静电型，并且被构造成使所述镜子围绕所述轴线(X1、X2)旋转，以响应于接收到由所述逻辑控制单元发射的并且具有代表角位置的值的控制信号而将所述镜子布置在所述角位置中。
致动器正在命令反光镜并且固定它们必须旋转的角度。如上所述，它们优选为电磁或静电型。
优选地，所述逻辑控制单元被配置为移动所述第一和第二微光机电系统两者的所述镜子，使得所述辐射在所述参考表面上的入射点限定根据所述图像数据完全地覆盖所述预定部分的连续轨迹。
必须理解，3D物体的每层的矢量数据图像可以由封闭边界界定的单个部分或由多个分离的部分形成。在后一种情况下，从一个部分移动到分离的部分，激光器被关断。激光器仅在树脂必须被聚合的情况下才能绘制出图案，然后激光器可以在被关断的情况下以定位速度从待聚合的矢量图像的两个分离部分“跳出(jump)”。该过程比光栅扫描更快，因为不需要图像的未被聚合的“扫描”部分。
优选地，所述光学单元包括被配置为将所述辐射聚焦在所述参考表面上的至少一个透镜。
更优选地，所述至少一个透镜包括平场扫描透镜。
平场扫描透镜是偏光激光束的焦平面为平坦表面的专用透镜系统。
有利地，所述流体物质包括可固化树脂。更优选地，该树脂包括(甲基)丙烯酸酯化的单体和/或低聚物。甚至更优选地，这种树脂另外还包含光引发剂、和/或着色剂和/或填料。
具有这些特性的这种可固化树脂当使用具有高于要求保护的波长范围(例如，约405nm±10nm)的发射物的激光器进行固化时效果特别好。
有利地，所述激光源包括功率控制器，以变化由所述激光源发射的所述预定辐射的功率，所述功率控制器连接到所述逻辑控制单元，取决于所述辐射束在所述参考表面上的位置，所述逻辑控制单元易于改变所发射的功率。
通常期望在参考表面上传送预定的曝光图案(即，每单位面积的能量)。在最简单的情况下，优选的曝光图案是在限定待扫描的图像的边界内的恒定曝光以及在这些边界之外的零曝光。然而，在许多实际的情况下，优选的曝光图案不是均匀的图案。例如，在暴露区域的边界处的较高的暴露通常是有益的。为此，期望通过激光功率控制器来调节激光功率，以尽可能接近地实现最佳曝光。
激光功率控制器控制激光束在参考表面处的辐照度，使得所述辐照度保持被包括在约10mJ/cm2与约200mJ/cm2之间。另外，在待扫描的图案的“中心”中，激光束的辐照度优选不同于在待扫描的图案的边界处的辐照度。
在优选实施例中，所述功率控制器包括大小控制器，以变化由所述激光源发射的所述预定辐射束的大小，所述大小沿着垂直于所述辐射的行进方向的平面的横截面而被测量。
光束大小优选地取决于要扫描的图像的大小或图像的部分的大小而改变(例如，图像可以包括在一个方向上具有非常小的尺寸的部分)。激光束的功率和大小一起被控制，功率越高，光束的大小越大。用非常小的大小的激光束扫描整个图像需要很长的处理时间。因此，优选通过光束大小控制器来改变光束的尺寸。
附图说明
所述目的和优点以及下面强调的其它目的和优点将从通过参考附图的非限制性实施例提供的本发明一些优选实施例的以下描述中变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明实现的立体光固化成型机；
图2示出了图1所示的立体光固化成型机的细节；
图3示出了图1的立体光固化成型机的另一视图；以及
图4示出了在本发明中使用的MOEMS镜的对所施加的电压的响应(倾斜角)的线性部分的曲线图。
具体实施方式
作为本发明的主题的立体光固化成型机，在图1和图3中整体上以1表示，可以通过多个相互层叠的层(图3中可见)的过程制造三维物体16，所述层通过将流体物质15选择性地暴露于适于固化它的预定辐射3a而获得。
优选地，所述流体物质15是感光性液体树脂。优选地，该树脂是可以使用UV范围内的辐射固化的聚合物树脂。优选地，该树脂包括：
(甲基)丙烯酸酯化的单体和/或低聚物，其进一步包含加光敏剂和/或着色剂，和在一些情况下，包含加填料。
用于暴露流体物质的辐射由激光源3发射，优选地发射在紫色波长(例如，405nm±10nm)的波长范围内的辐射。当给定的辐照度的激光束撞击树脂时，上述树脂被凝固。优选地，对于被包括在约10mJ/cm2和约200mJ/cm2之间的辐照度，发生物质或树脂15的固化。
立体光固化成型机1包括用于所述流体物质15的容器2和适于支撑物体16的模型板17，所述模型板17被形成并且机动化以使得其根据垂直运动轴线Z移动。
机器1还包括矢量扫描光学单元4，该矢量扫描光学单元4适于在由流体物质15占据的体积水平下，使由激光源3发射的辐射3a——即激光束指向布置在容器2内部的参考表面5的任何点。
优选地，所述参考表面5限定一个平面并且被布置成使其与容器2的底部2a相邻。
在这种情况下，矢量扫描光学单元4被配置成使预定辐射3a从底部指向顶部，使得预定辐射3a入射到底部2a。此外，底部2a优选对辐射3a是透明的，使得后者可以撞击位于底部本身附近的流体物质15，以便固化所述流体物质15。
根据本发明的这个实施例，如图1所示，三维物体16在模型板17的下方形成。
根据本发明的变型实施例(参见图3)，光学单元4被配置成使辐射3a从上到下指向存在于容器2中的流体物质15的自由表面。在此情况下，物体在模型板17上制成。
在操作中，机器1涉及树脂(层)的涂层的形成以及在这些层的特定部分中的固化，以形成物体，特别是3D物体。该过程可以被看作是以平台17浸没在树脂的上表面下方一层厚度开始。然后通过由源3发射的激光束，根据预定图案聚合树脂涂层。该初始层对应于待形成的3D物体的初始横截面。在该第一层中初始形成期望的图案之后，平台17沿着Z轴移动，并且形成新的树脂层厚度。在形成这个新层之后，根据不同的图案产生新的曝光等等。
由激光源发射的激光束3a的位置由控制电路6确定，控制电路6可以是例如计算机，计算机又将控制矢量扫描光学单元4，该矢量扫描光学单元4被包括用于当激光束3a撞击目标或参考表面5时控制激光束3a的方向。在本发明的该优选实施例中，控制单元6包括用于扫描光学器件4的控制微处理器，并且还包括用于以逐片(slice-by-slice)形式存储数据库的系统，以限定正在生产的3D物体的尺寸。该数据库包括图像文件，例如由CAD程序形成的文件，在图像文件中存储有在不同截面或层中创建的图案或图像。诸如个人计算机的常规个人计算机工作站适于用作本发明的优选实施例中的控制单元6。控制单元6根据要在当前层中产生的3D物体的横截面，通过光学单元4产生用于引导激光束3a跨过目标表面5的信号。
控制单元6优选地通过在控制单元6本身上运行的软件运行，并且其例如还可以控制平台17在Z方向上的移动。
此外，当激光源3a接通时，控制单元6向激光功率控制系统150产生信号，以指示由激光源3a传送的期望的功率水平，具体地，以指示为了固化表面5中所包含的树脂在表面5上所需的辐照度。此外，其还优选地根据当前树脂层的3D物体的片的数据库表示，生成指示激光源3被接通或关断的时间的信号。根据本发明的优选实施例，控制单元6控制激光功率控制系统150，以向激光器3产生对应于待传送的瞬时功率的时变信号。该控制可以是模拟控制或通过脉冲宽度调制控制。根据本发明的优选实施例的扫描光学器件4和激光功率控制系统150控制激光束的矢量扫描和激光源3的功率，以实现树脂对激光能量的期望暴露。
此外，激光功率控制系统150控制由激光源3发射的激光束3a的大小。优选地，激光功率和激光束大小不是独立地被控制，即激光束的功率也——优选以成比例的方式——影响激光束的大小。
根据本发明，矢量扫描光学单元4包括第一和第二微光机电系统7和8，在集成电路技术领域中已知缩写为“MOEMS”。众所周知，MOEMS器件采用与在微电子技术中用于生产集成电路的相同的技术制造，例如通过固相沉积、光刻、雕刻等。
所述第一和第二微光机电系统7和8中的每一个，其可能的实施例在图2中通过示例而无限制地示意性地示出，包括微镜9，优选地反射镜，其与通过铰接装置11构造的支撑结构10相关联，铰接装置11被构造为每个微光机电系统7和8限定镜子9相对于结构10的旋转轴X1和X2(诸如垂直轴X和Y)。
如在图1中所观察到的，所述两个微光机电系统7和8一个接一个地串联布置，使得源自激光源3的辐射3a按顺序入射到第一微光机电系统7的镜子9和第二微光机电系统8的镜子9。
根据本发明，两个微光机电系统7和8相对于激光源3和容器2被布置成使得源自所述微光机电系统8的辐射3a可以通过两个镜子9围绕各个轴线X1和X2的旋转的相应组合而指向所述参考表面5的每个点。
特别地，两个微光机电系统7和8被布置在源3与参考表面5之间，使得两条旋转轴线X1和X2优选地彼此正交。
所述两个微光机电系统7或8中的每一个还包括本身已知的类型的致动器12，其适于使镜子9相对于另一个微光机电系统7或8的镜子9的移动以独立方式围绕其自身的轴线X1或X2移动。
所述致动器12优选为电磁或静电型。
致动器12由控制单元6控制，特别地设置镜子9必须以准静态方式倾斜的位置，即角度。此外，致动器12由控制单元6控制，使得它们围绕它们各自的旋转轴线X1和X2施加到镜子9上的运动——或角速度——根据要由激光束实现的并且诸如矢量数据文件的存储在数据库中的图案的数据来确定。命令镜子9移动的角速度使得在矢量扫描期间激光束在表面5上的速度被包括在约0.5m/s和约3m/s之间，优选为约1.5m/s和约2.5m/s之间。此外，致动器12以下述方式控制镜子9：使得镜子9的每个移动在镜子本身的工作空间的线性区域中执行。如图4所示，当经受电压信号时，每个镜子9根据其电压信号的值(幅度)相对于其旋转轴线X1或X2倾斜。也就是说，倾斜幅度与命令信号的电压幅度线性相关。为了在准静态状态下工作，致动器向镜子发送信号，使得它们在工作空间中工作，其中电压幅度与镜子倾斜的角度之间存在线性对应关系。
关于设置所述微光机电系统7和8中的每一个的镜子9移动的致动器12，其被配置成使得其基于由逻辑控制单元6发送的并且表示镜子9必须占据的角位置的控制信号的值使镜子9围绕轴线X1或X2旋转。
第一和第二MOEMS系统7、8的每个镜子9沿着垂直于它们各自的旋转轴线X1和X2的轴线的尺寸被包括在大约2mm与大约8mm之间，优选地为大约2.5-4.5mm。
优选地，微光机电系统7和8中的每一个的镜子9和支撑结构10以单件形式获得，并且通过属于铰接装置11的相应连接区域13相互连接，并且足够细以根据旋转轴线X1或X2弹性屈服，以允许镜子9相对于支撑结构10旋转。
特别地，所述连接区域13中的每一个用作扭转弹簧，其能够变形到取决于装置的标准电压的程度。
显然，在本发明的变型实施例中，微光机电系统7和8可以制成为任何形状，只要对于它们中的每一个，对应镜子9相对于支撑结构10可围绕轴线旋转即可。
特别地，逻辑控制单元6被配置成使得两个微光机电系统7和8的镜子9两者以下述方式移动：使得激光辐射3a根据数据库中的矢量数据跟随一个或多个连续轨迹落入对应于要制作的物体16的层的预定部分内。
控制单元6命令致动器12使镜子9以准静态方式移动，即，矢量扫描单元移动镜子，使得激光束在表面5中执行“矢量”路径，并且发送的信号与镜子被定位的角度之间的关系基本上是线性的。
优选地但不是必须地，所述移动根据完全地覆盖表面5的预定部分的单一连续轨迹进行。
激光源3被接通，并且仅在根据矢量数据图像文件待聚合的图案或图像的边界内照亮表面5。激光束3a根据作为轨迹的“矢量”移动到表面5上。只有当这样的轨迹与待聚合的树脂——即，待凝固的被包括在表面5的部分的边界内的树脂——的部分相遇时，激光源3才接通。在待聚合的这些区域或部分之外，关断激光器，即，如果必须对激光器进行重新定位，并且激光束在重新定位期间将在表面5的不将被聚合的区域中进行扫掠，则优选地关断激光器。
激光源3的功率在根据矢量数据图像待聚合的部分的边界内增加。这种功率的增加通常意味着激光束本身的尺寸增加，即，沿着垂直于激光束的行进方向的平面的横截面的尺寸增加。
激光束大小的这种增加意味着在用预定义的激光辐射3a覆盖在所关注中的层中待聚合的部分的边界内的所有区域时，需要激光束的更少数量的“扫掠”路径或轨迹。
此外，优选地，当激光束接近由要聚合的图像数据限定的部分的外边界时，激光束在表面5上的速率或速度保持在约0.5m/s和约3m/s之间的所选择的速度，这是期望的扫描速度(＝标记速度)，但是激光源3的功率减小。以这种方式，激光束大小也减小，并且可以在待聚合的图像的边界处进行更精确的聚合。
仅在重新定位激光器时——即，当表面5的不同区域需要聚合时，激光束的速度改变，例如由于在表面5中待聚合的图像包括分离的部分或不能通过激光束3a的连续线或轨迹连接到表面5上的部分。
重新定位激光器的速度等于被包括在约8m/s和约10m/s之间的速度，即，犹如在激光束仍然接通的情况下计算该速度，并且将计算光束投射到参考表面5的速度。然而，在激光器重新定位中，激光源被关断。
优选地，激光束在表面5上的大小被包括在15μm与300μm之间。
上述微光机电系统7和8中的每一个优选地属于设置有与机器1电连接的引脚的集成电路，机器1设置有相应的连接器或插座，该相应的连接器或插座被配置为容纳所述引脚，并且还适于允许集成电路机械地固定到机器1。
优选地，所述连接器或插座是具有低插入力的类型。
在本发明的变型实施例中，微光机电系统7和8可以直接焊接到支撑电子电路上，避免使用连接器或插座。
根据在附图中未示出的变型实施例，微光机电系统7和8两者都布置在单个气密的容器内，所述单个气密的容器包括透明窗口，该透明窗口布置成允许由微光机电系统7和8反射的预定的辐射3a离开容器外部。
有利地，上述密封容器导致光学单元4的寿命显著增加。
实际上，本发明的申请人已经观察到，预定的激光辐射3a使周围的灰尘沉积在辐射入射的表面上。当预定辐射3a是具有在本发明的立体光固化成型中使用的紫外范围内的约405nm±10nm的频率的激光束时，该效果特别显著。
上述效果特别有害于微光机电系统7和8的非常小的表面，其被灰尘迅速覆盖，从而导致其反射效果的恶化。由于微光机电系统7和8的极度易脆性，不可能对其进行清洁，所以上述效果必须通过增加预定辐射3a的功率来补偿，这仍然导致对微光机电系统7和8的加热增加，从而加速其劣化。
气密的容器防止上述影响。特别地，可以更容易地清洁透明窗口，从而防止上述缺陷。
同样有利地，气密的容器允许将两个微光机电系统7和8并入单个集成电路中，优选地具有共同的支撑结构10。
关于光学单元4，优选地包括被配置为将辐射3a聚焦在参考表面5上的一个或多个透镜14。
优选地，所述透镜14是所谓的“平场”("flat field")型，其将辐射3a聚焦在平面参考表面5上。这种透镜14可以包括F-theta透镜或类似的光学元件。
实际上，微光机电系统7和8布置在立体光固化成型机1中，使得镜子9彼此对准，并与由激光源3产生的辐射3a对准。
优选地，光源3的位置和两个微光机电系统7和8的位置使得当镜子9处于不存在旋转的状态下时——即当微光机电系统7和8两者的连接区域13都不经受扭转时，辐射3a朝向参考表面5的中心点反射。

Claims (13)

1.一种立体光固化成型机(1)，包括：
·容器(2)，所述容器(2)用于流体物质(15)，所述流体物质(15)适合于通过暴露于预定辐射(3a)而被凝固；
·激光源(3)，所述激光源(3)易于发射所述预定辐射(3a)的光束；
·矢量扫描光学单元(4)，所述矢量扫描光学单元(4)被配置为通过所述预定辐射根据期望的矢量数据图像来执行对布置在所述容器(2)内部的参考表面(5)的矢量扫描；
·存储器，所述存储器用于存储表示在所述参考表面上待扫描的图像的所述矢量数据图像；
·逻辑控制单元(6)，所述逻辑控制单元(6)被配置为根据所述矢量数据图像，以将所述参考表面(5)的预定部分暴露于所述辐射(3a)的方式来控制所述矢量扫描光学单元(4)和/或所述激光源(3)；
其中所述矢量扫描光学单元(4)包括第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)，所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)相对于所述预定辐射的行进路径一个接一个地串联布置，每个MOEMS系统包括：
·镜子(9)，所述镜子(9)具有被包括在约2mm和约8mm之间的直径，通过铰接装置(11)与支撑结构(10)相关联，所述铰接装置(11)被构造成为所述镜子(9)限定旋转轴线(X1、X2)；
·致动器(12)，所述致动器(12)适合于使所述镜子(9)以准静态方式围绕所述旋转轴线(X1、X2)以角速度移动，使得当所述激光源(3)在所述矢量扫描期间发射所述预定辐射(3a)时，所述激光束在所述参考表面(5)上的对应标记速度被包括在约0.5m/s和约3m/s之间；
并且其中
·所述第一MOEMS系统(7)的镜子(9)的旋转轴线(X1)入射到所述第二MOEMS系统(8)的镜子(9)的旋转轴线(X2)。
2.根据权利要求1所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述致动器(12)被构造成使所述第一和/或第二MOEMS系统(7、8)的所述镜子(9)围绕所述旋转轴线(X1、X2)以角速度移动，使得当所述激光源(3)不发射所述预定辐射(3a)以改变扫描所述图像的位置时，所述参考表面(5)上的所述激光束的对应定位速度被包括在约8m/s和约10m/s之间。
3.根据权利要求1或2所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)的所述两条旋转轴线(X1、X2)彼此正交。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述激光源(3)被配置为发射波长被包括在约405nm±10nm之间的所述预定辐射(3a)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述激光源(3)被配置为发射在所述参考表面(5)处具有辐照度的所述预定辐射(3a)，所述辐照度被包括在约10mJ/cm2和约200mJ/cm2之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，包括容纳所述激光源(3)和串联布置的所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)的密封容器，所述密封容器包括以对所述预定辐射(3a)透明的材料来实现的窗口，使得所述辐射可以离开所述容器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)中的每一个的所述致动器(12)是电磁或静电型，并且被构造为以下述方式来使所述镜子(9)围绕所述轴线(X1、X2)旋转：响应于接收到由所述逻辑控制单元(6)发射并且具有代表角位置的值的控制信号，将所述镜子(9)布置在所述角位置处。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述逻辑控制单元(6)被配置为移动所述微光机电系统(MOEMS)(7、8)两者的所述镜子(9)，使得所述参考表面(5)上的所述辐射(3a)的入射点限定根据所述图像数据完全地覆盖所述预定部分的连续轨迹。
9.根据前述权利要求中任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述矢量扫描光学单元(4)包括至少一个透镜(14)，所述至少一个透镜(14)被配置为将所述预定辐射(3a)聚焦在所述参考表面(5)上。
10.根据权利要求9所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述至少一个透镜(14)包括平场扫描透镜。
根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述流体物质(15)包括可固化树脂。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述第一和第二微光机电系统(MOEMS)(7、8)属于公共集成电路。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述激光源(3)包括功率控制器(150)，以变化由所述激光源(3)发射的所述预定辐射(3a)的功率，所述功率控制器(150)连接到所述逻辑控制单元(6)，所述逻辑控制单元易于取决于所述辐射束在所述参考表面(5)上的位置而改变所述预定辐射(3a)的所发射的功率。
13.根据权利要求12所述的立体光固化成型机(1)，其中，所述激光源功率控制器(150)包括大小控制器，以变化由所述激光源(3)发射的所述预定辐射(3a)的所述激光束的大小，所述大小沿着垂直于所述辐射的行进方向的平面的横截面而被测量。
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