CN115485123A - 增材制造用于灯具的透明透镜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造三维透镜(90)的方法：包括将透镜模板输入到控制器(200)中；根据该透镜模板将透镜材料(25)的第一层(27)沉积到工作表面(70)上；并将该透镜材料(25)的另外的丝状层(27)连续沉积到该第一层(27)上。透镜材料(25)的层(27)的该沉积根据该透镜模板完成，以便建立具有用于透射光的特定透射散射轮廓的该三维透镜(90)。

Description

增材制造用于灯具的透明透镜的方法
相关申请的交叉引用
本非临时专利申请要求于2020年5月6日提交的美国专利申请第63/020,574号的优先权和权益。所述申请的全部内容特此以引用方式并入本文。
技术领域
本公开在由能源部授予的合作协议#DE-EE0008722下在政府支持下进行。政府具有本发明的某些权利。本公开涉及一种使用增材制造工艺制造用于灯具的透明透镜的方法。更具体地，本公开涉及一种使用熔融沉积模型化(FDM)制造用于灯具的透明聚酰胺透镜的方法。
背景技术
用于灯具或LED固定装置的硅酮类透镜的生产是使用已知模制或挤出技术进行的。使用这种模制技术以产生不同形状和/或大小的透镜需要使用不同模具和模具工具。这导致这种透镜的生产成本高，并且当在不同形状和/或大小的透镜之间移动生产时，产生大量的前置时间。因此，这些模制透镜的设计自由度非常有限，这是因为每个不同透镜需要一组新的模具。
这些仅仅是当前制造用于灯具的透明透镜的方法中存在的一些缺点。
发明内容
一种制造用于灯具的三维透镜的方法的实施方案使用增材制造工艺。该方法包括：将透镜模板输入到控制器中，根据透镜模板将透明聚酰胺材料的第一丝状层沉积到工作表面上；及根据透镜模板将透明聚酰胺材料的另外的丝状层连续沉积到第一层上以建立三维透镜。透镜模板进一步包括透射光的透射散射轮廓。
在实施方案中，该方法进一步包括至少一种后印刷工艺。在实施方案中，将一种或多种填料添加到透明聚酰胺材料以便控制透射光的柔和度。在实施方案中，透明聚酰胺材料着色一颜色。在实施方案中，三维透镜包括一个或多个光滑表面。在另一实施方案中，三维透镜中的至少一部分建立在支撑材料上，并且在完成透明聚酰胺材料的沉积之后去除支撑材料。在其它实施方案中，该第一丝状层和该另外的丝状层基本上彼此平行。
制造三维透镜的方法的另一实施方案包括：将透镜模板输入到控制器中，根据透镜模板将透镜材料的第一层沉积到工作表面上；并且根据透镜模板将透镜材料的另外的层连续沉积到第一层上以建立三维透镜。透镜模板进一步包括透射光的透射散射轮廓。
在实施方案中，三维透镜用于灯具。在实施方案中，该方法进一步包括至少一种后印刷工艺。在实施方案中，三维透镜中的至少一部分建立在支撑材料上，并且在完成透镜材料的沉积之后去除支撑材料。在实施方案中，该第一层和该另外的层基本上彼此平行。在实施方案中，该透镜材料是透明聚酰胺。在实施方案中，该透明聚酰胺材料包括一种或多种填料，以便控制透射光的柔和度。在实施方案中，透明聚酰胺材料着色一颜色。
附图说明
以上简要概述的本发明的更具体的描述可参考实施方案进行，这些实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施方案，因此不应被视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他同样有效的实施方案。因此，为了进一步理解本发明的实质和目的，可参考以下具体实施方式，该具体实施方式可结合附图阅读，在附图中：
图1是沉积印刷材料的FDM印刷装置的示例的示意图；
图2a至图2c是在FDM印刷过程的各个阶段期间材料沉积的示意图；
图3a是沉积在工作表面上的印刷材料层的示意图；
图3b是另一示意图
图4是非印刷丙烯酸透镜的透射散射的描绘；
图5a示出了印刷光滑表面的透射散射图案的示例，其中FDM印刷装置的喷嘴设置为+45°；
图5b示出了印刷粗糙表面的透射散射图案的示例，其中FDM印刷印装置的喷嘴设置为-45°；
图5c是绘示各种印刷参数对光透射散射的影响的图表；
图6是由裸眼睛看到的参考标记；并且
图7a至图7c绘示变化印刷某些参数如何改变印刷透镜的光学特性的三个示例。
具体实施方式
以下描述涉及一种增材制造用于灯具的透明聚酰胺透镜的方法的各种实施方案。显而易见的是，这些实施方案仅仅是示例，并且可能存在实现本文所讨论的本发明方面的多种变型和修改。在整个本说明书中使用了若干术语来结合附图描述本发明的突出特征。除非特别指出，否则可能包括“第一”、“第二”、“内部”、“外部”等的这些术语并非旨在过度限制本发明的范围。如本文所用，术语“约”或“大约”可指所要求或所公开的值的80％至125％的范围。关于附图，它们的目的是描绘增材制造用于灯具的透明聚酰胺透镜的方法的突出特征而不是特定按比例提供。
图1至图2中示出了用于熔融细丝制造或熔融沉积建模(FDM)的装置的示意性示例。将丝状材料20馈入FDM印刷机10中，其中将所述丝状材料加热、熔化并且通过定位在挤出头30上的一个或多个喷嘴40挤出。随后根据预定模板将熔化的丝状材料或“印刷材料”25(或透镜材料)沉积在层27中以形成三维透镜90。预定模板或操作指令被预载入到FDM印刷机10的控制器200中并且指定印刷的透镜90的印刷参数，例如形状、厚度和组合物。为了将生产切换到不同形状和/或大小的透镜，将新的指令集输入到控制器200中，并且可能改变一个或多个喷嘴40。这意味着在能够制造不同形状的透镜之前，生产上存在相对短的中断，并且透镜的设计自由度增加。相反，当使用模制工艺时，将生产改变为不同形状的透镜需要完全重组和/或创建新模具。这会大大增加滞后时间和成本，这进而降低了设计自由度。
在所述实施方案中，透镜由透明聚酰胺材料组成，所述透明聚酰胺材料与传统上用于模具透镜的丙烯酸材料相比，具有抗冲击性，具有高玻璃化转变温度，并且还具有高光透射率。这种材料的示例是尼龙和脂肪族非晶形聚酰胺(ISO 1874命名法PA PACM12)。下表1比较了脂肪族非晶形聚酰胺(AAP)的某些性质与典型丙烯酸材料的某些性质。
表1
Figure BDA0003922136830000041
与立体光刻印刷技术相比，透明聚酰胺透镜的FDM印刷还提供了若干益处，如由于紫外线曝露而降低或没有产物降解，并且对广泛化学物质的抗性增加。FDM印刷透明聚酰胺透镜的所有这些性质对于产生用于被分类为危险的环境中的透镜灯具来说尤其合乎需要。
参考图1，印刷材料25的层27可以直接沉积到工作表面70上或沉积到支撑材料60上，或两者的任何组合。可以在印刷过程期间使用支撑材料60，以便在建立层27以形成三维透镜90时支撑印刷材料25。挤出头30被配置成沿着挤出头轴线移动X为了打印透镜90。如图所示，透镜90是凹透镜，然而几乎任何形状、大小和配置的透镜可以使用这一印刷工艺形成。
如图2a至图2c所示，在印刷过程的各个阶段描绘透镜90。图2a示出了印刷过程中的早期时间点，其绘示形成透镜90的一部分的材料层(使用水平线指示)27的沉积，其中支撑材料60放置成在建立层以形成透镜90时支撑印刷材料25。图2b绘示印刷过程中的时间点，其中透镜90的大约50％被印刷并且图2c绘示完整或几乎完整的透镜90。如可见，挤出头30和喷嘴40沿着引导件12移动并且沿着挤出头轴线X移动。返回参考图1，可见，引导件12能够沿着轴线Y和Z移动挤出头30和喷嘴40。如图3a示意性所示，印刷材料25沉积在连续层27中并且根据预定模板或操作指令沿着轴线Y建立。在一些实施方案中，层27的端部可以是圆形的或以其它方式包括在每个层27之间界定凹陷或凹口29的半径28。当透镜材料25沿着Y轴建立时，其还可以沿着Z轴建立，如图3b所示。图3b示出了绘示沿Z轴线移动的引导件12，并且使得透镜材料25能够通过喷嘴通过挤出头30沉积的顶部示意图。以这种方式制造三维透镜90。
一旦印刷透镜90，随后就可经历一个或多个后印刷或修整步骤，以便满足最终透镜规格。后印刷步骤可以包含但不限于溶剂清洗、抛光、蚀刻、砂磨、研磨或冲压。在一些实施方案中，印刷材料25可由一种或多种颜色或甚至多于一种材料组成。印刷材料可以进一步包含填料或其它添加剂，以便控制透射光的柔和度。
使用FDM印刷透镜90使得能够在传统的非印刷丙烯酸透镜上生产具有特定透射散射性质的透镜90。印刷透镜90的光学性质可以通过调整印刷过程的变量(而不是改变印刷材料的类型)来改变，例如喷嘴直径和光栅角。透射散射是来自物体表面的光散射的物理观察。图4绘示非印刷丙烯酸透镜上的位置处的透射散射。沿着X轴和Y轴指示透镜上的测量的位置。透射区域的中心展示约15％至20％的透射，并且存在最小的光散射。相反，图5a至图5b中示出使用FDM制造的透镜90的实施方案的透射散射。如先前所提及，FDM印刷透镜可以被配置成展示不同水平的透射散射。图5a示出具有光滑表面的透镜的实施方案，并且在所测量的位置处展示+45°透射散射。图5b包括粗糙表面并且在测量的位置处展示-45°透射散射。类似于图4，在X轴和Y轴上指示透镜上的测量的位置，并且光透射率范围在约0％至20％透射内。光透射散射可由各种印刷参数进一步控制，以获得如图5c中所提及的透明(晶体透明)或浑浊透镜(漫射或较软光)。举例来说，总透射可是直接传输的函数，其中未使用透镜或漫射透射，其中透镜用于影响光透射散射。
现在将参考图6至图7c讨论光透射的影响。图6绘示由裸眼看到的参考标记110。图7a绘示放置在透明尼龙、FDM印刷透镜90a下方的图6的参考标记110。透镜90a用0.4mm喷嘴印刷，所述喷嘴相对于工作表面70以0°的光栅角定向。如可见，当通过透镜90a观察时，这一组合产生图6的参考标记110的稍微粒状图像。图7b的透镜90b使用比图7a中的更大直径的喷嘴(0.8mm)，但相同的光栅角。如可见，当观察透镜90b时，这一组合导致参考标签110的更加条纹状图像。最后，图7c绘示使用与图7b相同的喷嘴但具有+45°和-45°的光栅角的透明尼龙、FDM印刷透镜90c。结果是在通过图7c的透镜90c观察时参考标签110的稍微像素化图像。因此，这些透镜90a、90b、90c中的每一者如在通过它们观察标签110时所经历那样展示不同光透射散射图案。这示出了可快速用于印刷具有不同光学特性的各种不同透镜90的多种变化。
另外的实施方案包括上文所述并且在本文提交的任何和所有展示和其他材料中描述的任何一个实施方案，其中该实施方案的一个或多个部件、功能或结构可与上述不同实施方案的一个或多个部件、功能或结构互换、由其替换或由其增强。
应当理解，对本文所述的实施方案的各种改变和修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。可在不脱离本公开的精神和范围并且在不削弱本公开预期优点的情况下进行此类改变和修改。因此，旨在由所附权利要求涵盖此类改变和修改。
尽管前述说明书中已公开了本公开的若干实施方案，但本领域的技术人员应当理解，可构想与本公开相关的许多修改和其他实施方案，并且具有前述说明书和相关附图中呈现的教导的益处。因此，应当理解，本公开不限于上文公开的具体实施方案，并且许多修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求书的范围内。此外，尽管本文以及随后的权利要求中使用了特定术语，但它们仅以一般和描述性意义而使用，而不是为了限制本公开的目的。

Claims (15)

1.一种使用增材制造工艺制造用于灯具的三维透镜的方法，所述方法包括：
将透镜模板输入到控制器中；
根据所述透镜模板将透明聚酰胺材料的第一丝状层沉积到工作表面上；以及
根据所述透镜模板将所述透明聚酰胺材料的另外的丝状层连续沉积到所述第一丝状层上以建立所述三维透镜
其中所述透镜模板包括用于透射光的透射散射轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括至少一种后印刷工艺。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将一种或多种填料添加到所述透明聚酰胺材料以便控制所述透射光的柔和度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述透明聚酰胺材料着色一颜色。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维透镜包括一个或多个光滑表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维透镜中的至少一部分建立在支撑材料上，并且其中在所述沉积完成之后去除所述支撑材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一丝状层和所述另外的丝状层基本上彼此平行。
8.一种制造三维透镜的方法，所述方法包括：
将透镜模板输入到控制器中；
根据所述透镜模板将透镜材料的第一层沉积到工作表面上；以及
根据所述透镜模板将所述透镜材料的另外的层连续沉积到所述第一层上以建立所述三维透镜，
其中透射光的透射散射轮廓是所述透镜模板的一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述透镜用于灯具。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述透镜材料是透明聚酰胺材料。
11.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括至少一种后印刷工艺。
12.根据权利要求10所述的方法，其中将一种或多种填料添加到所述透明聚酰胺材料以便控制所述透射光的柔和度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述透明聚酰胺材料着色一颜色。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述三维透镜中的至少一部分建立在支撑材料上，并且其中在完成所述透镜材料的所述沉积之后去除所述支撑材料。
15.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一层和所述另外的层基本上彼此平行。
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