CN112638624B - 立体光刻设备以及用于校准立体光刻设备的方法 - Google Patents

立体光刻设备以及用于校准立体光刻设备的方法 Download PDF

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Abstract

一种立体光刻设备包括构建平台(8)，所述构建平台(8)经由球形接头(12)连接至可运动的框架(11)。所述球形接头(12)允许所述构建平台的沿所有方向的有限范围的运动。锁定机构(13)被构造成固定地锁定所述球形接头(12)，用以校准所述构建平台(8)的相对于所述曝光装置(6)的取向角，以使得所述构建平台的下表面(9)平行于所述曝光装置(6)的第二上表面(7)。所述球形接头(12)包括附接至所述构建平台(8)的球形构件(14)以及连接至所述框架(11)的承窝构件(16；16‑1，16‑2)。竖直引导件(18)布置于所述框架(11)中。所述承窝构件(16)被布置成可在所述引导件(18)内部并且沿着所述引导件(18)竖直地运动，以允许所述承窝构件(16)的相对于所述框架(11)的有限的竖直运动。所述锁定机构(13)被构造成还固定地锁定所述承窝构件(16；16‑1，16‑2)，用以校准所述构建平台的竖直位置，以确定所述构建平台(8)的相对于所述曝光装置(6)的第二上表面(7)的零水平。

Description

立体光刻设备以及用于校准立体光刻设备的方法
技术领域
本发明涉及立体光刻3D打印技术，所述立体光刻3D打印技术也被称为立体光刻增材制造。特别地，本发明涉及用于“自下而上”制造三维物体的立体光刻设备。进一步，本发明涉及一种用于校准立体光刻设备的方法。
背景技术
立体光刻技术为3D打印技术或增材制造技术，其中使用光学辐射来使合适的原材料光聚合以产生所期望的物体。所述原材料以树脂的形式开始工艺。使用桶来保持一定量的树脂，并且使构建平台沿竖直方向运动，以使得要产生的物体逐层生长至所述构建平台的构建表面上。本说明书特别地涉及立体光刻的所谓的“自下而上”的变型，其中在制造进行时，光聚合光学辐射来自桶下方并且所述构建平台远离剩余的树脂向上运动。
所述立体光刻设备包括用于保持用于在立体光刻3D打印工艺中使用的光敏性可光固化聚合物的桶。所述桶具有由柔性膜材料制成的透明底部。所述设备进一步包括工作台，所述工作台具有水平的第一上表面，所述桶可放置于所述水平的第一上表面上。所述工作台具有开口。所述设备进一步包括布置于所述工作台的开口处的曝光装置，所述曝光装置用于从所述桶下方提供要3D打印的打印层的电磁辐射图案。所述曝光装置包括第二上表面，所述第二上表面与所述工作台的所述第一上表面齐平。所述曝光装置包括构建平台，所述构建平台具有下表面，可以在所述下表面上构建要3D打印的物体。所述设备进一步包括升降机机构，所述升降机机构包括可运动的框架，所述框架可在包含第一位置和第二位置的极限位置之间沿竖直方向运动，在所述第一位置中，所述构建平台的下表面处于距所述桶的底部一定距离处，在所述第二位置中，所述构建平台的下表面被按压抵靠所述桶的底部。
为了形成具有精确的形状和尺寸的三维物体，所述构建平台的下表面必须被定向成精确地平行于所述曝光装置的第二上表面。进一步，所述升降机机构的竖直运动的零水平必须精确地处于其中所述构建平台的下表面与所述桶的透明底部完全接触的同一水平处，所述桶的透明底部继而被按压抵靠所述曝光装置的第二上表面。这是因为所述打印工艺必须精确地从零水平开始而不是在零水平之上开始。另一方面，所述升降机机构的零水平一定不能处于比所述第二上表面的水平低的水平处，以使得所述构建平台不与所述曝光装置碰撞。
发明目的
本发明的目的是满足并且解决上述挑战。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种立体光刻设备，包括：
-用于保持用于在立体光刻3D打印工艺中使用的光敏性聚合物树脂的桶，所述桶具有由柔性膜材料制成的透明底部，
-工作台，所述工作台具有水平的第一上表面，所述桶可放置于所述水平的第一上表面上，所述工作台具有开口，
-布置于所述工作台的开口处的曝光装置，所述曝光装置用于从所述桶下方提供要3D打印的打印层的电磁辐射图案，所述曝光装置包括第二上表面，所述第二上表面与所述工作台的所述第一上表面齐平，
-具有下表面的构建平台，可以在所述下表面上构建要3D打印的物体，以及
-包括可运动的框架的升降机机构，所述框架可在包含第一位置和第二位置的极限位置之间沿竖直方向运动，在所述第一位置中，所述构建平台的下表面处于距所述桶的底部一定距离处，在所述第二位置中，所述构建平台的下表面被按压抵靠所述桶的底部。根据本发明，所述构建平台经由球形接头连接至所述框架，所述球形接头容许所述构建平台的沿所有方向的有限范围的运动，并且锁定机构被构造成固定地锁定所述球形接头，用以校准所述构建平台的相对于所述曝光装置的取向角，以使得所述构建平台的下表面与所述曝光装置的第二上表面平行。所述球形接头包括附接至所述构建平台的球形构件，所述球形构件具有凸形球形外表面，以及连接至所述框架的承窝构件，所述承窝构件具有凹形球形内表面，所述凹形球形内表面适于在其中接收所述球形构件的凸形球形外表面。竖直引导件布置于所述框架中，所述承窝构件被布置成可在所述引导件内部并且沿着所述引导件竖直地运动，以允许所述承窝构件的相对于所述框架的有限的竖直运动，并且所述锁定机构被构造成固定地锁定所述承窝构件，用以校准所述构建平台的竖直位置，以确定所述构建平台的相对于所述曝光装置的第二上表面的零水平。
本发明的优点在于，可锁定至期望的位置的可竖直地运动的球形接头提供调节和固定所述构建平台的倾斜取向同时它提供调节和固定零水平。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述设备包括竖直地延伸通过所述引导件的轴，所述轴包括所述球形构件。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述球形构件与所述轴为整体的。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述轴包括下部凸缘部分，所述下部凸缘部分具有附接部，所述构建平台可附接至所述附接部。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述承窝构件具有圆柱形外周，并且所述引导件具有圆柱形内表面，所述圆柱形内表面适于以滑动配合接收所述承窝构件的圆柱形外周。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述承窝构件被分成两个承窝构件半部。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述引导件被分成包括第一引导件半部和第二引导件半部的两个引导件半部。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述框架包括第一框架部分和第二框架部分，所述第一框架部分附接至支架，可通过所述升降机机构使所述支架运动，所述第一引导件半部形成于所述第一框架部分中，所述第二框架部分可移除地附接至所述第一框架部分，所述第二引导件半部形成于所述第二框架部分中。所述第一框架部分和所述第二框架部分可通过所述锁定机构锁定至彼此。
根据第二方面，本发明提供一种用于校准根据第一方面所述的立体光刻设备的方法。所述方法包括步骤：在所述框架处于所述第一位置处时，解锁所述锁定机构以容许所述构建平台的相对于所述框架的自由转动和竖直运动；将所述框架降低至所述第二位置，以使得所述构建平台的下表面抵靠所述曝光装置的上表面并且所述下表面变得与所述第二上表面精确地对准并且平行，用以校准所述构建平台的位置，以确定所述构建平台的相对于所述曝光装置的第二上表面的零水平；以及锁定所述锁定机构，以将所述构建平台相对于所述框架固定地锁定于校准位置中。
在所述立体光刻设备的实施例中，所述设备为用于制造牙科物体的3D打印机。它可以为用于创建具有真正的精度和效率的牙科夹板、模型、外科手术引导件、临时的填充物以及正畸模型的3D打印机。
应当理解的是，上述发明的方面和实施例可以彼此以任何组合使用。多个方面和实施例可以组合在一起以形成本发明的另一个实施例。
附图说明
被包含以提供对本发明的进一步的理解并且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起有助于解释说明本发明的原理。在图中：
图1a示出根据本发明的实施例的立体光刻设备的局部轴测图，所述构建平台处于第一位置中，
图1b示出图1a的立体光刻设备，所述构建平台处于第二位置中，
图2为图1的横截面II-II，
图3为根据本发明的实施例的立体光刻设备的侧视示意图，
图4为图1的立体光刻设备的细节的轴测局部分解图，其中示出包含所述球形接头的所述框架的细节，
图5为图4的横截面V-V，
图6为图5的横截面VI-VI，以及
图7为图6的横截面VII-VII。
具体实施方式
图1a、1b以及3示出可以被用于三维物体的“自下而上”的三维打印的立体光刻设备。
立体光刻设备包括用于保持用于在立体光刻3D打印工艺中使用的光敏性可光固化聚合物的桶1。桶1具有由柔性膜材料制成的透明底部2。膜材料可以为薄的FEP(氟化乙烯丙烯)膜。膜的厚度为大约0.1mm，并且它像“鼓膜”一样被高度收紧至桶1的边缘(还参见图2)以形成桶1的透明底部2。
立体光刻设备包括具有水平的第一上表面4的工作台3，桶1可放置于所述水平的第一上表面4。在图1a、1b、2以及3中可以看到桶1被放置于工作台3上。参考图2，工作台具有开口5。曝光装置6布置于工作台3的开口5处。曝光装置6从桶1的下方提供要打印和固化的打印层的电磁辐射图案。曝光装置6包括与工作台3的第一上表面4齐平的平坦的第二上表面7。在一个实施例中，曝光装置6可以为LCD显示器，所述LCD显示器的上表面为所述平坦的第二上表面7。在曝光装置6的另一个未示出的实施例中，电磁辐射图案可以由投影仪装置投影于透明的网目板上，由此所述平坦的第二上表面7为网目板的上表面。
参考图1a、1b以及3，立体光刻设备包括构建平台8，所述构建平台8具有平坦的下表面9，可以在所述平坦的下表面9上构建要3D打印的物体。
图3示意性地示出包括可运动的框架11的升降机机构10，框架11可沿竖直方向运动。升降机机构10包括能够提供精确的定位的线性致动器，比如滚珠丝杠机构等等。框架11可在包含第一位置I和第二位置II的极限位置之间运动。在图1a中所示的第一位置I中，构建平台的平坦的下表面9处于距桶1的底部2一定距离处。在图1b中所示的第二位置II中，构建平台8的平坦的下表面8被按压抵靠桶1的透明底部2，并且因此所述平坦的下表面8也抵靠曝光装置6的平坦的第二表面7，其中透明底部8处于它们之间。
构建平台8经由球形接头12连接至框架11。球形接头12容许构建平台8的沿所有方向的有限范围的运动。锁定机构13被构造成固定地锁定球形接头12，用以校准构建平台8的相对于曝光装置6的取向角，以使得构建平台8的平坦的下表面9可以被定向成精确地平行于曝光装置6的平坦的第二上表面7。
图4至7示出球形接头12的结构。球形接头12包括可以附接至构建平台8(图7至7中未示出)的球形构件14。球形构件14具有凸形球形外表面15。承窝构件16；16-1、16-2连接至框架11。承窝构件16；16-1、16-2具有凹形球形内表面17，所述凹形球形内表面17适于在其中接收球形构件14的凸形球形外表面15。
竖直引导件18布置于框架11中。承窝构件16被布置成可在引导件18内部并且沿着引导件18竖直地运动，以允许承窝构件16的相对于框架11的有限的竖直运动。锁定机构13被构造成固定地锁定承窝构件16；16-1、16-2，用以校准构建平台的竖直位置，以确定构建平台8的相对于曝光装置6的平坦的第二上表面7的零水平。
所述设备包括竖直地延伸通过引导件18的轴19，所述轴19包括球形构件14。球形构件14与轴19为整体的。轴19包括具有附接部的下部凸缘部分20，构建平台8可附接至所述附接部。承窝构件16具有圆柱形外周，并且引导件18具有圆柱形内表面，所述圆柱形内表面适于以滑动配合接收承窝构件的圆柱形外周，以便使得能够实现仅仅沿竖直方向的运动。
承窝构件16被分成两个承窝构件半部16-1、16-2。引导件18也被分成包括第一引导件半部18-1和第二引导件半部18-2的两个引导件半部18-1、18-2。
框架11包括第一框架部分21，所述第一框架部分21附接至支架22，可通过升降机机构10使支架22运动。第一引导件半部18-1形成于第一框架部分21中。框架11进一步包括可被可移除地附接至第一框架部分21的第二框架部分23。第二引导件半部18-2形成于第二框架部分23中。第一框架部分21和第二框架部分22可通过锁定机构13锁定至彼此。
锁定机构13包括在引导件18的第一侧处的两个固定螺钉24，所述两个固定螺钉24用于将第一框架部分21和第二框架部分23固定在一起。锁定机构13进一步包括在引导件18的第二侧处的收紧螺钉25。第二侧与第一侧相对。在将第一框架部分21和第二框架部分23接合在一起时，锁定机构13同时将球形接头12和承窝构件16固定地夹紧。
在如附图中所公开和示出的用于校准立体光刻设备的方法中，所述方法包括以下步骤。当框架11处于图1中所示的第一位置I处时，解锁锁定机构13，以容许构建平台8的相对于框架11的自由转动和竖直运动。然后，将框架11降低至图2中所示的第二位置II，以使得构建平台8的平坦的下表面9抵靠曝光装置6的平坦的上表面7，并且下表面9变得与平坦的第二上表面7精确地对准并且平行，用以校准构建平台8的倾斜角和位置并且确定构建平台8的相对于曝光装置6的平坦的第二上表面7的零水平。在该位置中，锁定所述锁定机构13以将构建平台8相对于框架11固定地锁定于校准位置中。
在使用立体光刻设备开始制造3D物体之前，需要偶尔执行校准程序。每当在设备中进行某些改变以使得可以假定零水平已经改变时，例如更换LCD显示器，维护升降机机构等等，都应当执行校准过程。
对于本领域中的技术人员而言显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式实施本发明的基本思想。因此，本发明以及它的实施例不限于上述示例，相反它们可以在权利要求的范围内变化。

Claims (11)

1.一种立体光刻设备，包括：
-用于保持用于在立体光刻3D打印工艺中使用的光敏性可光固化聚合物的桶(1)，所述桶具有由柔性膜材料制成的透明底部(2)，
-工作台(3)，所述工作台(3)具有水平的第一上表面(4)，所述桶(1)能放置于所述水平的第一上表面上，所述工作台具有开口(5)，
-布置于所述工作台的开口(5)处的曝光装置(6)，所述曝光装置用于从所述桶的下方提供要打印的打印层的电磁辐射图案，所述曝光装置包括第二上表面(7)，所述第二上表面与所述工作台(3)的所述第一上表面(4)齐平，
-具有下表面(9)的构建平台(8)，能在所述下表面上构建要3D打印的物体，
-包括可运动的框架(11)的升降机机构(10)，所述框架(11)能在包含第一位置(I)和第二位置(II)的极限位置之间沿竖直方向运动，在所述第一位置中，所述构建平台的下表面(9)处于距所述桶(1)的底部(2)一定距离处，在所述第二位置中，所述构建平台(8)的下表面(8)被按压抵靠所述桶(1)的底部(2)，以及
-锁定机构(13)，
其中所述构建平台(8)经由球形接头(12)连接至所述框架(11)，所述球形接头容许所述构建平台的沿所有方向的有限范围的运动，并且所述锁定机构(13)被构造成固定地锁定所述球形接头(12)，用以校准所述构建平台的相对于所述曝光装置的取向角，以使得所述构建平台的下表面(9)与所述曝光装置的第二上表面(7)平行，
其中所述球形接头(12)包括附接至所述构建平台(8)的球形构件(14)，所述球形构件具有凸形球形外表面(15)，以及连接至所述框架(11)的承窝构件(16；16-1，16-2)，所述承窝构件(16；16-1，16-2)具有凹形球形内表面(17)，所述凹形球形内表面适于在其中接收所述球形构件(14)的凸形球形外表面(15)，以及
其中竖直的引导件(18)布置于所述框架(11)中，所述承窝构件(16)被布置成能在所述引导件(18)内部并且沿着所述引导件竖直地运动，以允许所述承窝构件(16)的相对于所述框架(11)的有限的竖直运动，并且其中所述锁定机构(13)被构造成固定地锁定所述承窝构件(16；16-1，16-2)，用以校准所述构建平台的竖直位置，以确定所述构建平台(8)的相对于所述曝光装置(6)的第二上表面(7)的零水平。
2.根据权利要求1所述的立体光刻设备，其特征在于，所述设备包括竖直地延伸通过所述引导件(18)的轴(19)，所述轴(19)包括所述球形构件(14)。
3.根据权利要求2所述的立体光刻设备，其特征在于，所述球形构件(14)与所述轴(19)为整体的。
4.根据权利要求2或3所述的立体光刻设备，其特征在于，所述轴(19)包括下部凸缘部分(20)，所述下部凸缘部分具有附接部，所述构建平台(8)能附接至所述附接部。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的立体光刻设备，其特征在于，所述承窝构件(16)具有圆柱形外周，并且所述引导件(18)具有圆柱形内表面，所述圆柱形内表面适于以滑动配合接收所述承窝构件(16)的圆柱形外周。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的立体光刻设备，其特征在于，所述承窝构件(16)被分成两个承窝构件半部(16-1，16-2)。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的立体光刻设备，其特征在于，所述引导件(18)被分成包括第一引导件半部(18-1)和第二引导件半部(18-2)的两个引导件半部(18-1，18-2)。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的立体光刻设备，其特征在于，所述锁定机构(13)包括用于同时固定地夹紧所述球形接头(12)和所述承窝构件(16)的单个收紧螺钉(25)。
9.根据权利要求7所述的立体光刻设备，其特征在于，所述框架(11)包括：
附接至支架(22)的第一框架部分(21)，能通过升降机机构(10)使所述支架运动，所述第一引导件半部(18-1)形成于所述第一框架部分(21)中，以及
能移除地附接至所述第一框架部分(21)的第二框架部分(23)，所述第二引导件半部(18-2)形成于所述第二框架部分(23)中，
其中所述第一框架部分(21)和所述第二框架部分(22)能通过所述锁定机构(13)锁定至彼此。
10.根据权利要求9所述的立体光刻设备，其特征在于，所述锁定机构(13)包括：
在所述引导件(18)的第一侧处的固定螺钉(24)，所述固定螺钉用于将所述第一框架部分(21)和所述第二框架部分(23)固定在一起，以及
在所述引导件(18)的第二侧处的收紧螺钉(25)，所述第二侧与所述第一侧相对，所述收紧螺钉用于将所述第一框架部分(21)和所述第二框架部分(23)接合在一起并且用于同时固定地夹紧所述球形接头(12)和所述承窝构件(16)。
11.一种用于校准根据权利要求1至10中的任一项所述的立体光刻设备的方法，所述方法包括步骤：
-在所述框架(11)处于所述第一位置(I)处时，解锁所述锁定机构(13)以容许所述构建平台(8)的相对于所述框架(11)的自由转动和竖直运动，
-将所述框架(11)降低至所述第二位置(II)，以使得所述构建平台(8)的下表面(9)抵靠所述曝光装置(6)的上表面(7)并且所述下表面变得与所述第二上表面(7)精确地对准并且平行，用以校准所述构建平台的位置，以确定所述构建平台(8)的相对于所述曝光装置(6)的第二上表面(7)的零水平，
-锁定所述锁定机构(13)，所述锁定机构同时将所述构建平台(8)相对于所述框架(11)固定地锁定于校准取向角和零水平位置中。
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