CN108351498A - 用于制造三维物体的曝光光学器件和设备 - Google Patents

用于制造三维物体的曝光光学器件和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种曝光光学器件(20)，作为用于设备(1)的装备和/或改型光学器件，该设备用于借助于电磁辐射(22)的作用在与待制造的物体的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料(15)制造三维物体(2)。所述设备包括能够发射电磁辐射(22)的辐射源(21)，所述电磁辐射适合于在入射到所述建造材料(15)的施加在所述设备(1)的工作面(7)中的层的与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置上时引起建造材料(15)在这些位置上的固化。曝光光学器件(20)至少包括一个具有第一焦距f1的物方的第一透镜系统(23)和一个具有第二焦距f2的像方的第二透镜系统(24)，这些透镜系统能够布置在由辐射源(21)发射的辐射(22)的光束路径中。第一透镜系统(23)的焦平面和第二透镜系统(24)的焦平面在这两个透镜系统之间的一个平面中重合。第一透镜系统(23)的焦距f1等于或大于第二透镜系统(24)的焦距f2。曝光光学器件(20)被设计成并且能布置成使得电磁辐射(22)基本垂直入射到工作面(7)上。

Description

用于制造三维物体的曝光光学器件和设备
技术领域
本发明涉及一种用于通过逐层施加和选择性地固化建造材料来制造三维物体的设备、特别是涉及包括在该设备中的曝光光学器件。
背景技术
这种类型的设备例如用于快速成型、快速制模或增材制造。这种方法的一个例子以名称“选择性激光烧结或激光熔化”而为人所知。在该方法中，重复施加建造材料的薄层，并且通过用激光束的选择性照射使每个层中的建造材料选择性地固化。
为了加速固化过程，WO2015/091485中公开的设备包括半导体激光器，其被分组成模块化的激光器阵列并且发射面状激光辐射。通过选择性地面状照射施加到在建造区中的建造材料的薄层，建造材料在与待制造物体的相应的层中的横截面相对应的那些位置处固化。
为了对由模块发射的激光辐射进行成像，提供了布置在辐射源与建造区之间的光学器件，在所述建造区上实现建造材料的固化。该光学器件包括布置在建造区上方的透镜，用于将激光辐射成像到建造区上。
图7显示了这种透镜设备的光束路径。激光器阵列的三个激光器元件L1-L3发射朝向建造区104的、以光束锥形式的准直辐射101-103。这些光束锥通过透镜105聚焦并且在建造区中产生像点B1-B3，所述像点是激光器元件L1-L3的缩小像。由于阵列的各单个激光器应当以缩小的方式成像到建造区，所以透镜105被布置为与激光二极管L1-L3相比更接近建造区104，这会导致在边缘区域中光束强烈倾斜的入射，在每个单位面积上能量输入减少。另外，成像的精确度取决于辐射源到建造区的距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于这种设备的替代或改进的曝光光学器件。特别是，在一个平面内发射的光束锥到工作面的成像应该具有尽可能小的几何像差。
该目的通过根据权利要求1所述的曝光光学器件、根据权利要求10所述的设备以及根据权利要求15所述的曝光光学器件的应用来实现。本发明的进一步发展在各个从属权利要求中给出。该设备还可以通过以下和从属权利要求中给出的曝光光学器件的特征进一步发展，反之亦然。这适用于相应的根据本发明的应用。
根据本发明的曝光光学器件作为用于制造三维物体的设备的装备和/或改型光学器件，该设备借助于电磁辐射的作用在与待制造的物体的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料制造三维物体，所述设备包括能够发射电磁辐射的辐射源，所述电磁辐射适合于在入射到所述建造材料的施加在所述设备工作面中的层的与待制造的物体的横截面相对应的位置上时引起建造材料在这些位置上的固化。曝光光学器件至少包括一个具有第一焦距f1的物方的第一透镜系统和一个具有第二焦距f2的像方的第二透镜系统，这些透镜系统能够布置在由辐射源发射的辐射的光束路径中。第一透镜系统的焦平面和第二透镜系统的焦平面在这两个透镜系统之间的一个平面中重合，并且第一透镜系统的焦距f1等于或大于第二透镜系统的焦距f2。曝光光学器件被设计并且可以布置成使得电磁辐射基本垂直入射到工作面上。
这种双远心成像允许将辐射源发出的面状辐射成像到工作面上。由此可以快速且简单地选择性地在与物体的在相应层中的横截面相对应的位置固化建造材料。由于双远心成像，放大或缩小比例和因此被照射区域的大小尽可能与光源到工作面的距离无关。另外，实现了低光学畸变，这允许多个模块与相关联的光学器件的横向布置。由于激光辐射在工作面上基本上垂直入射，所以确保激光辐射的强度分布在要照射的区域上基本均匀。
优选地，第二透镜系统包括至少两个曲面，其中它们中的至少一个是非球面形的并且优选是凹入的。例如，非球面用于校正几何像差诸如光学畸变或像场弯曲。
优选地，第二透镜系统包括至少两个曲面并且这两个表面之间的最小距离和/或中心厚度大于焦距f2的四分之一，优选大于焦距f2的一半。结果，第二透镜系统的主平面靠近透镜系统的面向工作面的表面。
优选地，第二透镜系统包括至少两个曲面，其中至少一个曲面是球面形的，并且曲率半径R适用：
R<f2*(n-1)，
其中f2是第二透镜系统的焦距，并且n是透镜材料的折射率。结果，球面的焦距小于整个第二透镜系统的焦距。
第一透镜系统优选包括两个球面或一个平面和一个球面。结果，由辐射源发射的平行辐射由第一透镜系统会聚在一个焦平面中。
优选地，商f2/f1对应于选定的放大或缩小比例。因此，尤其可以以简单的方式来定义要被照射的面积的大小以及因此单位面积能量输入。
优选地，商f2/f1具有至少0.05、优选至少0.1、特别优选至少0.15和/或至多1、优选至多0.5、特别优选至多0.3的值。缩小的成像会导致较小的像素尺寸和较高的单位面积能量输入。
优选地，两个透镜系统中的至少一个、更优选地每个透镜系统由单个透镜形成。这有利于透镜在设备中的装入和对准。
替代地，至少其中一个透镜系统可以由至少两个透镜组成。特别是当使用具有两个不同的曲面的透镜系统时，透镜系统的制造可以得到简化，并且可以根据需要组合不同的曲面。
根据本发明的设备用于借助于电磁辐射的作用在与待制造的物体的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料制造三维物体，并且所述设备包括适合于发射电磁辐射的辐射源。建造材料的固化在一个工作面中实现并且该设备具有曝光光学器件，该曝光光学器件至少包括一个具有第一焦距f1的物方的第一透镜系统和一个具有第二焦距f2的像方的第二透镜系统，这些透镜系统布置在由辐射源发射的辐射的光束路径中。第一透镜系统的焦平面和第二透镜系统的焦平面在这两个透镜系统之间的一个平面中重合，第一透镜系统的焦距f1等于或大于第二透镜系统的焦距f2，并且曝光光学器件被设计成和可布置成使得电磁辐射基本垂直入射到工作面上。结果，上面针对曝光光学器件阐述的效果可以在包括曝光光学器件的用于制造三维物体的设备中实现。
优选地，辐射源由激光器、特别是VCSEL形成，所述激光器被分组为模块，每个模块优选地包括至少两个激光器阵列。借助于这种设置，可以实现用于面状照射的辐射源。使用VCSEL可以快速切换激光器。除了众所周知的表面发射器(垂直腔表面发射激光器-VCSEL)之外，术语VCSELs还类似于WO2015/091485的定义指VECSEL(光学泵浦半导体激光器-垂直外腔表面发射激光器)，该定义也适用于本申请中。总之WO2015/091485的公开内容应被理解为本申请的公开内容的一部分。
优选地，曝光光学器件可移动地布置在设备的处理室中。因此，曝光光学器件可以根据当前的固化位置在工作面上移动。
优选地，第二透镜系统的焦距f2小于最小自由工作距离。这限定在曝光光学元件和工作面之间的距离。
优选地，所述辐射源和/或布置在所述辐射源和所述曝光光学器件之间的另外的曝光光学器件被配置为使得所述辐射基本垂直入射到所述第一透镜系统上。通过远心成像，激光束作为具有在光束轴之间的恒定间距的平行光束到达工作面。
根据本发明的曝光光学系统的应用用于在设备中借助于电磁辐射的作用在与待制造的物体的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料制造三维物体，所述设备包括适合于发射电磁辐射的辐射源，并且建造材料的固化在工作面中实现。因此，通过使用曝光光学器件可以实现上面针对曝光光学器件和设备阐述的效果。
附图说明
本发明的其他特征和有利之处参照附图由示例性实施例的描述得出。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于逐层制造三维物体的设备的部分剖视示出的示意图。
图2示出了图1所示设备的示意俯视图。
图3示出了图1所示激光器模块的示意剖视图。
图4示出了该设备中使用的曝光光学器件的透镜和光束路径的布置的示意图。
图5示出了图4的第一透镜的示意剖视图。
图6示出了图4的第二透镜的示意剖视图。
图7示出了现有技术中使用的曝光光学器件的透镜布置和光束路径布置的示意图。
具体实施方式
以下，参照图1对本发明的一个实施例的设备1进行说明。在图1中所示的设备是激光烧结设备或激光熔化设备1。为了建造物体2，该设备包括具有室壁4的处理室3。
在处理室3中设置具有容器壁6的向上敞开的容器5。工作面7由容器5的上部开口限定，其中工作面7优选地设计为工作平面。工作面7的位于开口内的、可用于建造物体2的区域被称为建造区8。
在容器5中布置有支撑体10，该支撑体能够在竖直方向V上移动，基板11安装在支撑体上，该基板从下方密封容器5并因此形成其底部。基板11可以是相对于支撑体10单独构成的板，其固定在支撑体10上，或者可以与支撑体10一体地形成。取决于所使用的粉末和工艺，在基板11上还可以安装建造平台12，在建造平台上建造物体2。然而，物体2也可以建造在基板11本身上，其然后用作建造平台。在图1中，要在容器5中在建造平台12上形成的物体2在工作面7的下方示出，该物体处于中间状态并且具有多个已经固化的层并且由保持未固化的建造材料13包围。
激光烧结设备1还包括用于可通过电磁辐射固化的建造材料15的存储容器14和可沿水平方向H移动以将建造材料15施加到建造区8上的施加装置16。
此外，辐射源21被布置在处理室3中，该辐射源在下面参照图3更详细地描述。辐射源21产生电磁辐射22，该电磁辐射适合于：在其入射到建造材料的施加在建造区8上的层的与待制造的物体的横截面相对应的位置上时促成建造材料层在这些位置处固化。曝光光学器件20布置在辐射22的光束路径中，该曝光光学器件将辐射22聚焦到建造区8上并且因此产生辐射源21(其用作要成像的物)在建造区8上的在比例上缩小的像。
为此，曝光光学器件20至少包括布置在物方(即面向辐射源21)的第一透镜23(参见图4和图5)和布置在像方(即面向建造区8)的第二透镜24(参见图4和图6)。在这种情况下，物方指的是作为要被成像的物体的辐射源、而不是将由设备制造的三维物体。
曝光光学器件20被设计成和在辐射22的光束路径中布置成，使得电磁辐射22基本上垂直地入射到工作面7上，如下面参考图4-6更详细描述的。曝光光学器件20本身和透镜23、24也在下面参照图4-6更详细地描述。
此外，激光烧结设备1包括控制单元29，通过该控制单元可以以协调的方式控制设备1的各个部件以便实施建造过程。控制单元也可以部分或完全布置在设备外部。控制单元可以包括CPU，其运行由计算机程序(软件)控制。计算机程序可以与设备分开存储在存储介质上，从存储介质出发计算机程序可以被加载到设备中、特别是控制单元中。
图2示出了激光烧结设备或激光熔化设备1的示意俯视图，其包括被布置为可在水平方向M上移动越过建造区8的辐射源21和曝光光学器件20。辐射源21和曝光光学器件20可以优选作为整体移动。辐射源21和曝光光学器件20被如此设计和布置在设备1中，使得建造区8中的建造材料15的层的选择性固化通过由辐射源21和曝光光学器件20构成的单元在方向M上(即在建造区域8的长度上)的一次或几次移动实现。
如图3所示，辐射源21被设计为激光器模块35。激光器模块35包括以激光器阵列25分组的激光器，该激光器优选地被设计为半导体激光器、特别是半导体激光二极管、更优选地被设计为垂直腔面发射激光器(VCSEL)或垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)。
激光器和曝光光学器件20被设计和布置成使得一个激光器阵列25的至少一个激光器、优选地至少两个激光器在一个时间点照射工作面7中的一个像素。像素被定义为可以在工作面7中被照射的最小面积元素。更优选地，一个整个激光器阵列28的激光被成像到工作面7中的一个像素上。
图4示出了曝光光学器件20中的透镜23、24的布置。物平面34(待成像的物体的平面)由这样的平面限定，在该平面中模块35的激光器发射出激光。物方的第一透镜23在辐射22的光束路径中靠近物平面34布置并且具有第一主平面26和第一焦距f1。如图4和5所示，第一透镜23具有面向物平面34的球面形凸面30和背离物平面的平面31。第一透镜23适合于将平行入射光束(光束锥)的中心光线聚焦在焦平面28中，该焦平面位于距第一透镜23的主平面26的距离f1处，即第一透镜是会聚透镜。第一透镜23的像方的数值孔径优选小于0.25、更优选小于0.15。因此，实现了待成像的辐射22的良好分辨率。
第二透镜24在辐射22的光束路径中与第一透镜23间隔一定距离地布置。第二透镜具有第二主平面27和第二焦距f2。第二主平面布置在与工作面7的工作距离(自由工作距离FWD)处。
如图4和6所示，第二透镜24具有面向第一透镜23的非球面32和面向工作面7的球面33，该球面33为凸面并且其曲率半径R适用于：
R<f2*(n-1)，
其中n是透镜24的透镜材料的折射率，使得单单球面33的焦距小于透镜24的总焦距f2。
非球面32是具有大的负焦距的凹面。非球面32与球面33之间的中心厚度d大于焦距f2的四分之一、优选大于焦距f2的一半。由此，透镜23的主平面27位于球面33附近，并且非球面32位于主平面27和焦平面28之间。因此非球面可以很好地用于减小像差、如光学畸变和像场弯曲。
透镜23、24以这样的方式布置在辐射22的光束路径中，使得它们的焦平面在一个共同的平面28中重合。为了获得由辐射源21发射的辐射在工作面7中的缩小的像，如此选择透镜23、24使得它们的焦距f1和f2适用：
f1>f2。
缩小比例由商f2/f1给出并且至少为0.05、优选至少为0.1，特别优选至少为0.15和/或至多1、优选至多为0.5、特别优选至多为0.3。缩小的成像导致工作面7中的较小的像素尺寸和较大的单位面积能量输入。
第二透镜24的焦距f2应该这样选择，使得f2<FWD，其中FWD表示自由工作距离。
物平面34和工作面7之间的总距离Z被计算为
Z≥s+f1+2*f2，
其中s表示物平面34与第一透镜23的主平面26之间的距离，并且可以选择为非常小。例如，s可以是大约1mm。
利用如上所述设计和布置的曝光光学器件，可以实现电磁辐射22大致垂直地入射到工作面7上。这意味着实现了模块的激光器元件到工作面的远心(telecentric)成像，其中来自激光器元件的每个光束锥被聚焦到工作面的像素上，使得聚焦到工作面上的光束锥的中心轴基本上垂直于工作面，而与激光器元件距曝光光学器件的光轴的距离无关。
以下描述上述激光烧结设备或激光熔化设备1的运行。为了施加建造材料15的层，首先将支撑体10下降对应于期望的层厚度的量。然后，通过将施加装置16在工作面7上移动来施加一层建造材料15。施加至少在待制造的物体2的整个横截面上进行、优选在整个建造区8上、即在工作面7的可通过支撑体的竖直运动而下降的区域上进行。
随后，用激光辐射22选择性地照射要制造的物体2的横截面，使得粉末形式的建造材料15在与待制造的物体2的横截面相对应的那些位置处固化。
为此目的，每个待曝光像素在一个时间点由至少一个激光器照射、优选由至少两个激光器照射、优选由整个激光器阵列25照射。当这样做时，辐射源21和曝光光学器件20沿着方向M移动越过建造区8，并且辐射源21的激光器根据要固化的位置而切换。
在此，辐射作用在层的要固化的所有位置上，使得粉末颗粒在这些位置处通过由辐射引入的热量部分地或完全地熔化，使得它们在冷却后彼此连接作为固体存在。
施加建造材料15的层和选择性固化的步骤被重复，直到物体2被制成并且可以从建造空间移除。
参照图1和图3描述的辐射源被设计为一个激光器模块。在替代实施例中，辐射源包括至少两个激光器模块，其中优选地每个模块被分配一个曝光光学器件。此外，这些模块可以布置为级联和/或重叠的。
图4和图5所示的第一透镜23包括球面30和平面31。替代地，透镜23也可以具有两个球面、优选凸面。
上述曝光光学器件包括两个透镜。然而，还可以提供另外的光学元件以将由辐射源发射的辐射成像到工作面。此外，第一透镜和/或第二透镜也可以被设计为透镜系统、即由至少两个单独的透镜形成。
替代地，辐射源也可以布置在处理室外部。为此处理室的顶部有一个窗口用于辐射的耦入。此外，曝光光学器件也可以布置在处理室外部。
另外，还可以在工作面上方设置辐射加热器，用于加热建造材料的待固化的层的表面到工作温度。或者，也可以使用不用于曝光的激光器以进行预热，并且例如以降低的功率运行这些激光器。
尽管通过激光烧结设备或激光熔化设备描述了本发明，但本发明不限于激光烧结或激光熔化。本发明可应用于通过逐层施加和借助于电磁辐射选择性地固化粉末形式的建造材料来制造三维物体的任何方法。
优选地，粉末形式的材料被用作适合于在电磁辐射的影响下形成连体结构的建造材料。为此目的，可以使用各种不同类型的粉末、特别是塑料粉末、金属粉末、陶瓷粉末、沙子、填充粉末或混合粉末。

Claims (15)

1.一种曝光光学器件(20)，作为用于设备(1)的装备和/或改型光学器件，该设备用于借助于电磁辐射(22)的作用在与待制造的物体的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料(15)制造三维物体(2)，
所述设备(1)包括能够发射电磁辐射(22)的辐射源(21)，所述电磁辐射适合于在入射到所述建造材料(15)的施加在所述设备的工作面(7)中的层的与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置上时引起建造材料(15)在这些位置上的固化，并且
曝光光学器件(20)至少包括一个具有第一焦距f1的物方的第一透镜系统(23)和一个具有第二焦距f2的像方的第二透镜系统(24)，这些透镜系统能够布置在由辐射源(21)发射的辐射(22)的光束路径中，其特征在于：
第一透镜系统(23)的焦平面和第二透镜系统(24)的焦平面在这两个透镜系统之间的一个平面中重合，
第一透镜系统(23)的焦距f1等于或大于第二透镜系统(24)的焦距f2，并且
曝光光学器件(22)被设计成并且能布置成使得电磁辐射(22)基本垂直入射到工作面(7)上。
2.根据权利要求1所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述第二透镜系统(24)包括至少两个曲面(32、33)，所述曲面中的至少一个是非球面形的并且优选是凹入的。
3.根据权利要求1或2所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述第二透镜系统(24)包括至少两个曲面(32、33)，并且在所述两个曲面之间的最小距离和/或中心厚度(d)大于焦距f2的四分之一、优选地大于该焦距f2的一半。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述第二透镜系统(24)包括至少两个曲面(32、33)，所述曲面中的至少一个是球面形的，并且其曲率半径R适用：
R<f2*(n-1)，
其中f2是第二透镜系统的焦距，并且n是透镜材料的折射率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述第一透镜系统(23)包括两个球面(30、31)或包括一个平面和一个球面。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，商f2/f1对应于选定的放大或缩小比例。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，商f2/f1的值为至少0.05、优选至少0.1、更优选至少0.15和/或至多为1、优选至多为0.5、更优选至多为0.3。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述两个透镜系统(23、24)中的至少一个、优选每个透镜系统由单个透镜构成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的曝光光学器件(20)，其特征在于，所述透镜系统(23、24)中的至少一个由至少两个透镜构成。
10.一种用于制造三维物体(2)的设备(1)，该设备用于借助于电磁辐射(22)的作用在与待制造的物体(2)的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料(15)制造三维物体，
所述设备(1)包括能够发射电磁辐射(22)的辐射源(21)，所述电磁辐射适合于在入射到所述建造材料(15)的施加在所述设备的工作面(7)中的层的与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置上时引起建造材料(15)在这些位置上的固化，并且
所述设备具有曝光光学器件(20)，该曝光光学器件至少包括一个具有第一焦距f1的物方的第一透镜系统(23)和一个具有第二焦距f2的像方的第二透镜系统(24)，这些透镜系统布置在由辐射源(21)发射的辐射(22)的光束路径中，其特征在于：
第一透镜系统(23)的焦平面和第二透镜系统(24)的焦平面在这两个透镜系统之间的一个平面中重合，
第一透镜系统(23)的焦距f1等于或大于第二透镜系统(24)的焦距f2，并且
曝光光学器件(22)被设计和布置成使得电磁辐射(22)基本垂直入射到工作面(7)上。
11.根据权利要求10所述的设备(1)，其特征在于，所述辐射源(21)由多个激光器、尤其是VCSEL形成，所述激光器被分组为模块(35)，每个模块优选包括至少两个激光器阵列。
12.根据权利要求10或11所述的设备(1)，其特征在于，所述曝光光学器件(21)可移动地布置在所述设备(1)的处理室(3)中。
13.根据权利要求10至13中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第二透镜系统(24)的焦距f2小于最小自由工作距离(FWD)。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，所述辐射源(21)和/或布置在所述辐射源和所述曝光光学器件之间的另外的曝光光学器件被设计成，使得所述辐射基本垂直入射到所述第一透镜系统(23)上。
15.一种根据权利要求1至9中任一项所述的曝光光学器件(21)的应用，用于在设备(1)中借助于电磁辐射(22)的作用在与待制造的物体(2)的在相应的层中的横截面相对应的位置上通过选择性逐层固化建造材料(15)制造三维物体(2)，所述设备包括能够发射电磁辐射(22)的辐射源(21)，所述电磁辐射适合于在入射到所述建造材料(15)的施加在所述设备的工作面(7)中的层的与待制造的物体(2)的横截面相对应的位置上时引起建造材料(15)在这些位置上的固化。
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