CN108472867A - 制造三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在立体平版印刷过程中制造三维物体(3)的方法。根据所述方法，光敏材料(9)通过辐射被固化，测量辐射被耦合到参考层(80)中并且由于内部反射而主要保留在参考层(80)内，并且通过传感器(5)位置分辨和时间分辨检测测量辐射。

Description

制造三维物体的方法
本发明一般涉及通过逐层固化光敏材料层制造三维物体的立体平版印刷装置，以及其还一般涉及一种通过空间分辨和时间分辨测量技术加快制造过程的方法；其中该装置包括以下：
-参考层；
-用于生成固化所需的特定辐射的辐射源；
-传感器；以及
-至少一个用于生成测量辐射的无源辐射源。
本发明特别涉及一种在立体平版印刷过程中制造三维物体的方法，其中光敏材料被辐射固化。
在立体平板印刷系统中，参见示例EP2173538B1，在合适的辐射(例如紫外线辐射)的作用下，光敏流体被转变成三维物体的层。本发明通过可以用于此种系统的光学测量方法解决这种立体平板印刷过程的加速。
立体平版印刷术通常被理解为通过彼此相邻地布置各个层形成来制造三维物体的过程。这种基本原则也被称为快速成型、3D打印、叠层制造等等。
除了可控的激光源，辐射源也在立体平版印刷过程中使用，所述辐射源通过使用数字掩模曝光系统(也称为MEMS或DLP芯片，或显示器)创建层形成。基于像素的曝光系统的优点在于整个层形成是一次制造完成的，而在基于激光的系统中，激光束必须沿着层的几何形状移动。在这方面，光敏材料的固化发生在参考层或参考面：这可以是一个基板或其它合适的定义的区域的表面区域，并根据应用它可以具有实心的、柔性的，或流体形式。在层凝固后，所述层通过所述参考层和所创建的层要黏附的承载区域之间的相对移动必须尽可能小心地与所述参考层分离。在成功分离所创建的层之后，将适合于凝固的新材料供入参考层和最近形成的层之间；这可以例如通过承载区域的简单提升运动来确保。然后，流入到其中的光敏材料可以再次通过辐射固化。为了创建所需的三维对象，所描述的各个方步骤将重复，直到所述物体或所述对象的形成所需要的所有层将已被生成。
这样的立体平版印刷过程的缺点是在层的分离期间出现长过程时间和等待时间。所述时间构成整个过程时间的很大一部分。此外，其缺点是曝光错误不能被检测到，并且可能会存在承载区域没有黏附；系统的起始位置以及零位置的设置也是有问题的。
现有技术中已知的是，在从承载台的参考层分离所创建的层期间，在立体平版印刷过程中整体地测量黏着力。在EP2043845B1中描述了这种方法的一个示例，其中力传感器固定在建造台或承载台上。所述传感器实现对在仅刚刚形成的组件层或组件从参考层脱离期间发生的黏着力的测量。由此，在建造过程可以被加速。在EP2043845B1中所描述的力传感器(其可以是例如实施为应变仪)测量所描述的装置中在去除制造的层期间在制造的层处生成的力的总和。在这方面，不利的是，只能检测到在几个组件层分离期间发生的力的总和，而不能检测到某个组件层或特定层的分离力。其也仅可能根据时间测量发生的分离力的总和。此外，也不可能就各个物体的层面几何形状对力的依赖性作出任何陈述并得出任何结论，因此也不能对以下实际情况作出陈述：在同时制造几个物体的情况下是否所有体会实际上被可靠地并完全地建造。此外，在公知的方法中没有对层或物体的聚合过程的结论。
因此，本发明的目的是消除上述的缺点，并通过改进的技术(装置，方法)来实现简单、快捷、无故障、连续的、经济以及自检的三维物体制造。
特别地，本发明的目的在于提供在开头提到的那种方法，其中对过程状态的精确陈述是持续可能的，并且其中在立体平版印刷过程中的同时制造几个物体变得容易，其中也分别地启用各个过程或制造的物体/层的状态。更详细地，其将可以感测参考区域/层和分别形成的层之间的相互作用。
根据本发明，用于制造三维物体的本方法最主要的特征为，测量耦合到参考层中并且由于内部反射主要保留在参考层内的辐射，并且由传感器空间分辨(或位置分辨)和时间分辨检测测量辐射。通过以这种方式进行，能够连续地监控和感测层制造过程(以及因此3D打印方法或其过程)实际上有选择地或逐个区域地进行，并且，以这样的方式，特别是避免不必要的等待时间。
在这方面，如果由于所述参考层的变形，内部反射被干扰(其中测量辐射将从参考层出现)，其将是特别有利的。通过这种方式，特别是在区域方面特别精确地检测过程的进展是可能的。
为了改善测量，如果传感器同时测量在几个测量区域中出现的测量辐射则其是进一步优选的。
为了实施测量，如果参考层是柔性的并且至少部分对测量辐射透明，将更有优势。由于参考层的柔性形成的结果，所述参考层的变形将在力的作用下产生，由此测量辐射相对于精确测量而受到影响。
如果参考层由硅树脂组成，则可以进一步获得特别有利的结果。为了实施测量，如果在参考层内发生全反射，则也是优选的。
本方法的特别有利的实施方式的特征在于使用红外线作为测量辐射。从而如果传感器额外地适于测量参考层上的至少一个物体的层的凝固过程中发生的热辐射，固化可以以有利的方式来控制。
在本方法或在所属的立体平版印刷装置中提供至少两个测量辐射源，即无源辐射源和至少一个相关联的测量传感器。
此外，根据本发明，通过检测来自参考层的耦合输出、位置和时间相关的测量辐射可以至少定性地得出关于在光敏物质内存在中间相的结论。所述中间相-通过至少一种抑制剂(例如氧)-至少部分不具有或仅具有非常小的反应性，形成一种“惰性”润滑膜。由此，通常在所述过程期间发生的黏着力可以很大程度上减小和/或可以几乎完全减小。由于出现的测量辐射与黏着力相关，通过本发明方法可以得出关于在所述过程期间中间相以空间分辨和时间分辨的方式存在的结论。
本发明将在下文通过优选实施方式以及参考附图更进一步被说明。在附图中，示出了细节和示意形式：
图1是示出本方法的立体平版印刷系统的示例的示意图；
图2是修改后的立体平版印刷系统的比较图；
图3是示出测量杂散辐射的装置的示意图；
图3a是与图3相比简化的装置；
图4是改变无源(测量)辐射源的位置的进一步实施方式；
图4a是图4中示出但没有单独的基板的实施方式；
图5示意了由传感器检测的辐射信息的示例；
图6示意了具有修改后的测量装置的系统一部分的剖面；
图7a是针对中间相存在的确定的测量装置的示意图，其中举例来说假定力很小；以及
图7b是具有高度h的中间相的示意图，其中h<H，并且测量辐射被耦合输出。
图1示出了立体平版印刷系统1的一种实施方式的部分剖面示例，其中所述系统1用于由各个层制造一个或多个三维物体3(还参见图2至图4)，其中各个层通过形成容纳空间14的槽2内包含的光敏材料9的光化辐射按区域凝固被固化。在容纳空间14中包含的光敏材料9为流体，其中术语“流体”在此应代表具有任何粘度的流体，包括悬浮液和糊状物质。
一个或多个无源辐射源10、11被配置以使得由参考层80的变形引起的辐射变化可以被至少一个传感器5检测到。根据图1，基板8和参考层80包括附属壁形成槽2，其用作光敏流体材料9的容纳空间14。这里“无源辐射源”将意味着这种辐射源被用作测量装置，其中(不管是通过其强度和/或还是通过使用的波长)其辐射不能够凝固光敏流体材料9。可控辐射源，特别是光源60例如布置在槽2的下方，其中光源60的发射光线例如通过镜7偏转。这里，镜7可以设计成使得其只会反射光源60的辐射，但是对其他波长范围是可渗透的。根据图1，例如在辐射源60的前面布置有光学元件61(例如透镜)，而由此辐射单元作为一个整体指定为6。例如，辐射源60可例如发射常规光线，但也可发射IR或UV辐射。
承载区域4可以通过致动器12(例如步进电机驱动)相对于容纳空间14移动。槽2被有利地设计成使得其对于一个或多个无源光源(例如10、11)和对于在插入到立体平版印刷系统中时的辐射单元6精确地对齐并且居中，以及对于存在于系统空间15中的一个或多个无源光源其能够占用特定位置，该位置对于测量方法是优选地。有利的是，传感器也可占用用于测量方法的系统空间15的任何位置。槽2自身也可以被调整以使得其能够偏转一个或多个无源光源10和/或11的射线路径，也参见图6，例如以便实现在某个实施方式中无源光源10，11的空间节省布置。
根据图1，无源辐射从侧面耦合到参考层80中，以便例如通过内部全反射(参见图3)在参考层80内均匀地扩散。控制单元13(例如控制计算机)，控制承载区域4的移动以及制造系统1中的所述物体3所需的全部过程序列以及还有光源60或6，并且其还经由至少一个传感器5获取无源测量辐射以对其进行评估。
与图1相比，图2示出了立体平版印刷系统101的设计变型，其中无源辐射源110，111位于系统空间15中的槽2下方并且照射槽2的底侧以及优选地均匀地照亮它。这里，所述至少一个传感器5也位于系统空间15中，并且其检测来自槽2的底部侧的反射或杂散辐射，其中该槽2至少由参考区域80形成，如果可应用的，也可以由基板8形成。在所述实施方式中，无源辐射不必须耦合到参考层80或槽2中，并且槽2也不必对于无源辐射完全透明；针对无源辐射仅必须提供参考层80的一定反射能力。
与根据图1和图2的实施方式相比，所述系统(例如1)还可以包括传感器5，其能够检测辐射源5发起的放热凝固过程。然后，这允许至少部分检测所形成的层(例如，30、31、32)的聚合状态，并且通过经由传感器5接收辐射还可以得出关于所创建的层(例如，30、31、32)的可能的分离过程的结论。
图3示出了容纳空间14的详细剖面，其中制造了两个物体60，70。为了更好地理解，参考层80和被耦合到其中以及通过内部全反射输送的无源辐射源10、11的无源辐射通过示例性锯齿形几何射线路径在所述图3中被示意地表示。图3还示出了由在物体60和/或70处的分离力F1和F2导致的弹性参考层80的变形。在这方面，(可选的)基板8只用作支撑弹性参考区域80。在示出的表示中，由于物体60具有比体70实质上更大的横截面面积，因此分离力F1和F2是不同的，并且因此，在本示例中其应用F1>F2，其中由此也导致参考层80的变形不同。
因此，由不同变形，参考层80内的全反射也作为位置的函数被干扰，并且相应地，与分别发生分离力F1，F2存在某种关系，辐射40，50被从参考层80耦合输出。在这方面，对于参考层80的全反射的最佳的调整，无源光源10、11的位置可以布置为例如在系统空间15中成角度α，但当然无源辐射源10、11可以在所有空间坐标系中自由放置。这里，传感器5检测杂散辐射40或50的位置以及与时间相关的行为(强度的变化过程)，其中杂散辐射40或50取决于各自的力(例如，F1或F2)。
图3a示出了没有单独的基板8的系统1的实施方式，并且还以示意性的剖视图示出。这里，弹性参考层80同时构成槽2的基板。这具有的优点是，图3a中表示的杂散辐射40，50不会被进一步层结构减弱。另外，参考层80可以在其弹性和厚度方面被设计，以使得光敏流体9的槽2(图1和图2中)的期望承载容量被获得，并且这种参考层80的同时“生成膜”的行为的情况促进物体60，70的分离以及最小化分离力F1，F2。例如，对于较厚的参考层80，可以更容易地将无源辐射耦合到所述参考层80中，并且系统空间15(参见图2)内的槽2或无源辐射源10、11的位置可以不太精确的方式进行调整。
图4还示出了系统的容纳空间14的剖面，其中无源辐射源110，111布置在系统空间15槽2下方的位置并且差不多均匀地照射参考层80以及可选基板8。由于取决于形成的物体60和/或70的横截面面积的分离力F1，F2，至少弹性参考层80将如图所示变形。在表示中，再次示出了物体60具有比物体70具有更大的横截面面积，因此可以假定，分离力F1大于分离力F2。由于分离力F1，F2，弹性参考层80将被再次取决于位置变形，并且根据至少所述参考层的变形的大小，无源辐射源110、111的照明将跟着变化。通过变形实现了槽2或参考层80和/或基板8的不同的时间相关且依赖于位置的反射行为，其又可以由传感器5检测。
图4a示出了基于根据图4的系统的设计变型，其中基板8再次被省略，与图3有关的图3a的情况类似。此外，在此再次从实际情况进行，参考层80是足够坚固以能够承载流体9和形成的物体60，70。此外，类似于图4，所述辐射源110和111的射线是在202和203示意地表示。最后，再次各自的辐射50或40中也被示出。
图5示出了由传感器5检测并且例如由力F1和F2的影响引起的无源辐射的强度分布的空间相关和时间相关的变化的示例。由其导致的参考层80(如果可用的话，其具有槽2的基板8)的时间相关和位置相关的变形，在测量空间15中通过耦合输出的辐射(参见图3和图3a)或通过反射变化(参见图4或图4a)由至少一个传感器5感测。在这方面，例如在由传感器5感测的区域以及取决于弹性参考层80发生的变形，会呈现区域61、71，所述区域61、71取决于各自物体60、70的不同强度分布；所述强度分布将由传感器5以时间相关和空间(位置)相关的方式检测并且它们与发生的分离力F1，F2有关。例如，在传感器5被实施为红外相机以及红外辐射用作无源辐射的情况中，传感器5将获取测量空间15的某测量区域作为图像信息或视频信息，其表示横截面面积的几何特性和根据发生的分离力F1和F2的强度分布，该表示可以按照预定时间分辨步长或连续进行。在此，例如在其中将不会或很少发生变形的区块72中，由传感器5检测到较少的无源辐射，并且因此其将在由传感器5获取的总图像中以比例如区块61，71(其中弹性参考层80发生变形)中的颜色更深的颜色呈现。
不言而喻，本领域技术人员可容易地根据此处所公开的本发明的实施方式做出各种修正以及改进。
在图6中，示意性地示出了槽2的部分，在该实施方式中被提供在槽2下方的辐射源210、211将辐射向上耦合进槽2的基板8，反过来基板8再次由参考层80构成。在所述参考层80中，在辐射源210，211中的射线路径被附着或形成有倾斜布置的镜或光导元件212或213，其优选地直接由参考区域的材料制成，以便偏转由辐射源210，211发射的测量辐射，以及由此将所述辐射耦合到基板8或参考层80。即使这没有在图6中详细示出，所述耦合到其中可以再次类似于图3所示，能够以一角度来实施以使得获得参考层80的全反射(未在图6示出)。
此外，如图1至图5所示，传感器5可以再次被提供在底侧，以及控制单元13可以被附接，如图1至图2所示。
图7a示出了制造两个物体60，70的穿过容纳空间14的详细剖面。如图7a所示，光敏材料9包括如图7a所示的中间相9'。所述中间相9'具有比材料9低的反应性。所述反应性的区别(将导致在光敏材料中中间相9'的形成)例如可以通过化学抑制剂(例如氧)而获得。这里，如图7a所示，中间层9'的厚度H具有这样的值(例如30、50、100微米等)使得所述中间层9'至少尽可能地(如果其不会完全抑制/防止这种形成的话)防止生成分离力F1，F2。由于没有分离力，理想情况下不会发生任何测量辐射的耦合输出。因此，可以得出关于是否存在足够的中间层的结论。
图7b示出了如图7a所示的穿过容纳空间14的详细剖面，其中在所述示意图中示出了中间层9'具有厚度h的情况。这里，h小于H(h<H)。在示出的示意图中还示出了示例性可能的临界情况，其中例如所述中间层9'已由抑制剂或由过程因素的消耗下降到一个限度值h，使得可测量的分离力F1和F2第一次发生。因此，如果可应用空间分辨和时间分辨的方式，则可以得出关于已经达到中间层厚度的临界情况的结论，以便如果必要的话启动与过程相关的步骤以再生和/或主动再创建中间层9'。例如，这可以通过以下中的一者或多者来实施：至少一种抑制剂的额外和/或增加供给；改变抑制剂浓度(例如富氧空气)；例如曝光能量、等待时间、提升速度等的过程因素的对应变化；和/或暂停的系统指令。
所述变化单独地或组合地使得中间层9'的高度延伸增加。通过所描述的测量方法，例如由抑制剂的系统和空间分辨的(位置)供给的中间层9'的改变(其仅会在中间层将特别地增加或再生的区域实施)也可以以空间分辨和时间分辨的方式检测。所述系统的供给也可以取决于物体的几何延伸或取决于暴露面积来实施。因此，通过所描述的测量方法，中间层9'的厚度可以被位置检测并取决于将被制造的体的延伸以系统的方式被增加。

Claims (12)

1.一种用于在立体平版印刷过程中制造三维物体(60，70)的方法，其中光敏材料(9)通过辐射被固化，其特征在于，测量辐射被耦合到参考层(80)中，并且由于内部反射主要保留在所述参考层(80)内，并且通过传感器(5)空间分辨和时间分辨检测所述测量辐射。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于所述参考层(80)的变形，所述内部反射受到干扰，其中测量辐射从所述参考层(80)出现。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述传感器(5)在多个测量区域中同时检测出现的测量辐射(80)。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述参考层(80)是柔性的并且对于所述测量辐射是至少部分透明的。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述参考层(80)由硅树脂构成。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述参考层(80)内发生全反射。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用红外线作为所述测量辐射。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用照相机，特别是CCD照相机作为传感器(5)。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用IR检测器作为传感器(5)，该IR检测器检测在所述立体平版印刷过程中产生的聚合热。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，基于所述聚合热得出关于所述过程状态的结论。
11.根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述传感器(5)检测整个参考层(80)。
12.根据权利要求1至11中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述传感器(5)检测所述参考层(80)下方的所述测量辐射。
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