CZ28840U1

CZ28840U1 - Lighting unit, especially for 3D SLA-type printers

Info

Publication number: CZ28840U1
Application number: CZ2015-31532U
Authority: CZ
Inventors: Václav Prajzler; Pavel Kulha; Jiří Šilhánek
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Elektrotechnická; MPM Production, s.r.o.
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2015-11-16

Description

Oblast technikyTechnical field

Předkládaná osvitová jednotka pro 3D tiskárny řeší problém osvícení fotopolymeru pro výrobu tištěných motivů pomocí 3D tiskárny.The present 3D printing unit solves the problem of photopolymer illumination for the production of printed motifs using a 3D printer.

Dosavadní stav technikyBackground Art

3D tiskárny jsou zařízení, která slouží k vytváření trojrozměrných objektů z vhodných materiálů. V současnosti je používáno pět základních typů 3D tiskáren a to tiskárny SLA, Stereolithography apparatus, FDM, Fusing Deposition Modeling, SLM, Selective Laser Melting, SLS, Selective Laser Sintering a tiskárny PolyJet. Tiskárna SLA pracuje na principu vytváření objektů pomocí postupného vytvrzování polymerů pomocí viditelného a ultrafialového záření. UV. Zdrojem viditelného a UV záření může být data projektor nebo laser. Zaměřením záření na konkrétní místo pak vzniká vrstva částečně vytvrzeného polymeru. Na ni se nanáší další vrstvy. Princip tiskáren FDM spočívá ve výrobě 3D objektu vrstvu po vrstvě natavováním tenkého drátu z plastového materiálu. Nejběžněji používané proužky materiálu mají průměr 0 1 mm nebo 0 3 mm a jsou z materiálů PLA - Polylactic acid, což je kyselina polymléčná, nebo z materiálu ABS, Acrylonitrile butadiene styrene. Princip metod SLM a SLS spočívá v nanášení prášku v tenkých vrstvách, který je přímo natavován a spékán výkonným laserovým paprskem.3D printers are devices that are used to create three-dimensional objects from appropriate materials. At present, five basic types of 3D printers are used, namely SLA, Stereolithography apparatus, FDM, Fusing Deposition Modeling, SLM, Selective Laser Melting, SLS, Selective Laser Sintering and PolyJet printers. The SLA works on the principle of creating objects by gradually curing polymers with visible and ultraviolet light. UV. The source of visible and UV radiation can be data projector or laser. By targeting the radiation to a particular location, a layer of partially cured polymer is formed. Additional layers are applied to it. The principle of FDM printers consists in producing a 3D object layer by layer of melting a thin wire of plastic material. The most commonly used material strips have a diameter of 0 mm or 0 mm and are made of PLA - Polylactic acid, which is polylactic acid, or ABS, Acrylonitrile butadiene styrene. The principle of SLM and SLS methods lies in the application of powder in thin layers, which is directly melted and sintered with a powerful laser beam.

3D tiskárny FDM, SLM, SLS pracují na jiném technologickém principu než tiskárny SLA a nepoužívají pro vytváření 3D motivů osvitové jednotky a fotocitlivý polymer. Tiskárny PolyJet používají k tisku piezoelektrické tiskové hlavice a jsou vybaveny dvěma nebo více tiskovými tryskami, které nanáší zároveň různé materiály a na pracovní ploše je materiál vytvrzován UV zářením.FDM, SLM, SLS 3D printers operate on a different technology principle than SLA printers and do not use the imagesetter and photosensitive polymer to create 3D motifs. PolyJet printers use piezoelectric printheads and are equipped with two or more print nozzles that apply different materials simultaneously and UV-cure on the desktop.

Princip doposud používaných osvitových jednotek u SLA 3D tiskáren spočívá ve vytvrzování fotocitlivého polymeru UV zářením, který vytváří požadovanou 3D strukturu. UV záření je generováno data projektorem nebo laserem. Projektor promítá požadovaný motiv celým spektrem výbojky, tedy i na vlnové délce 365 až 420 nm, které umožňuje vytvrdit použitý UV polymer, který pak vytváří danou 3D strukturu. Při vytváření 3D motivu je osvícená polymemí vrstva o tloušťce cca 10 až 100 pm a k vytvoření 3D motivu dochází tedy vrstvu po vrstvě. V případě použití laseru je 3D motiv opět vytvářen pomocí vytvrzování UV polymeru, ale vytvrzení je provedeno pomocí laseru, který pracuje jen s jednou vlnovou délkou. Výhodou tohoto řešení je vyšší rozlišení z důvodu menšího rozměru stopy lasem a přesnějšího mechanického nastavení místa osvitu. Nevýhodou jsou vyšší náklady na výrobu a údržbu.The principle of so far used exposure units in SLA 3D printers is the curing of the photosensitive polymer by UV radiation, which creates the desired 3D structure. UV radiation is generated by projector or laser data. The projector projects the desired motif through the entire spectrum of the lamp, ie at the wavelength of 365 to 420 nm, which allows to cure the UV polymer used, which then creates the given 3D structure. When creating a 3D motif, the illuminated polymer layer is about 10 to 100 µm thick, thus creating a 3D motif layer by layer. When using a laser, the 3D motif is again created by curing the UV polymer, but the curing is done with a laser that operates with only one wavelength. The advantage of this solution is a higher resolution because of the smaller footprint of the lasso and the more precise mechanical adjustment of the exposure spot. The disadvantage is higher production and maintenance costs.

Tiskárna FDM vytváří požadované 3D motivy ve vrstvách pomocí odvíjení a natavení plastových vláken nebo drátků z cívky. Nevýhodou tiskáren FDM je velmi špatná kvalita povrchu tisku a také nízká rychlost tisku 3D motivů. SLM a SLS tiskárny pro vytvoření trojrozměrných motivů používají vysoko výkonových laserů, které taví jemné kovové prášky. Rozdíl mezi SLM a SLS je pouze v míře natavení materiálu v bodě dopadu laserového záření. SLM tiskárny využívají úplného roztavení materiálu a je tedy použitelná pro větší spektrum materiálů. Nevýhodou SLS a SLM tiskáren je vetší hrubost povrchu, neschopnost vyrobit motivy s většími detaily a velmi vysoké provozní a pořizovací náklady.The FDM printer creates the desired 3D motifs in layers by unwinding and fusing plastic fibers or wires from the spool. The disadvantage of FDM printers is the very poor print surface quality as well as the low printing speed of 3D motifs. SLM and SLS printers use three-dimensional high-power lasers to melt fine metal powders. The difference between SLM and SLS is only at the rate of melting of the material at the point of impact of the laser radiation. SLM printers utilize full melting of the material and are therefore usable for a larger range of materials. The disadvantage of SLS and SLM printers is greater surface roughness, inability to produce motifs with greater detail, and very high operating and acquisition costs.

Dosavadní osvitové jednotky v 3D tiskárnách typu SLA jsou tedy velmi finančně nákladné, náročné na údržbu a spotřebu energie. Tyto osvitové jednotky také neumožňují dosáhnout vysokého rozlišení při krátkých dobách tisku. Pro dosažení vysokého rozlišení je nutné, aby se zjednodušila následná úprava výrobků pro odstranění podpůrných struktur, nutnost broušení povrchu a také aby se zvýšila celková přesnost vyráběných 3D motivů.The existing imagesetters in 3D printers of the SLA type are therefore very costly, demanding on maintenance and energy consumption. These imagesetters also do not allow high resolution at short print times. In order to achieve a high resolution, it is necessary to simplify the subsequent treatment of the products to remove the support structures, the need for surface grinding and also to increase the overall accuracy of the 3D motifs produced.

Pouze tiskárny typu SLA používají osvitové jednotky selektivně vytvrzující fotopolymer, u jiných typů 3D tiskáren je osvit neselektivní a je využit například k zatvrzení již selektivně nane-1 CZ 28840 Ul sené vrstvy tiskovou hlavicí, nebo je v případě SLS/SLM osvit o vysoké intenzitě používán k roztavení pevného materiálu.Only SLA type printers use selectively curing photopolymer imagesetters; in other types of 3D printers, the image is non-selective and is used, for example, to harden already selectively nane-1 print layers or is used in SLS / SLM to melt the solid material.

Osvitové jednotky s datovými DLP, Digital Light Processing, projektory mají ve většině případů rozlišení maximálně 1920 x 1080 pixelů. Vzhledem k nutnosti vysokého světelného výkonu osvitové jednotky, má projektorevá lampa velice omezenou životnost 1000 hodin. Nevýhodou tohoto řešení je také složitější konstrukce projektoru, nízké rozlišení, vysoké výrobní a provozní náklady.DLP, Digital Light Processing, data projectors in most cases have a resolution of up to 1920 x 1080 pixels. Due to the high light output of the imagesetter, the projector lamp has a very limited lifetime of 1000 hours. The disadvantage of this solution is also the more complex projector design, low resolution, high production and operating costs.

Osvitové jednotky s UV laserem mohou mít vyšší mechanické rozlišení, než DLP osvitové jednotky, ale mají nižší kvalitu na okrajích osvitové plochy, tato nepřesnost je způsobena deformací tvaru laserového paprsku na okrajích osvitové plochy. Nevýhodou této osvitové jednotky je nízká životnost, vysoká pořizovací cena a limity fotopolymeru, který při použití laseru musí být velmi citlivý pro použitou vlnovou délku, protože osvit konkrétního místa, které je vytvrzováno trvá pouze v řádu milisekund.UV laser imaging units can have a higher mechanical resolution than DLP imagesetters, but have lower quality at the edges of the exposure area, this inaccuracy being caused by the distortion of the laser beam shape at the edges of the exposure area. The disadvantage of this imagesetter is the low lifetime, high purchase price and limits of the photopolymer, which, when using a laser, must be very sensitive to the wavelength used, since the exposure of a particular site that is cured takes only a few milliseconds.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky zejména dosud používaných osvitových jednotek 3D tiskáren typu SLA odstraňuje nová osvitová jednotka, a to ve dvou základních variantách.The above-mentioned drawbacks, especially of the previously used 3D printers of the SLA type, are removed by the new exposure unit in two basic variants.

Podstatou osvitové jednotky, která je umístitelná pod osvěcovaným a vytvrzovaným fotopolymerem, je, že její osvitový zdroj je tvořen zdrojem UV záření o vlnové délce v rozmezí 365 nm až 405 nm. Tento zdroj UV záření je opatřen stínítkem z materiálu pohlcujícího UV záření a překrývá proti zdroji UV záření umístěný LCD panel s odstraněným barevným filtrem. Rozlišení LCD panelu je minimálně 200 bodů na palec a jeho úhlopříčka je v rozmezí 5 až 15 palců. LCD panel je propojen s řídicí jednotkou a je překryt okénkem z křemenného skla o tloušťce v rozmezí 2 až 8 mm, které tvoří základnu nádržky pro fotopolymer. Jeho homí plocha je překryta vrstvou silikonového gelu o tloušťce 0,5 až 4 mm, na které je umístěna nepřilnavá, pro UV záření propustná, fluoropolymerová fólie o tloušťce 0,1 až 0,6 mm. Její spodní strana je chemicky upravena pro upevnění na vrstvu silikonového gelu se sílou potřebnou k odlepení 1 cm² plochy od zatvrzeného fotopolymeru maximálně 3 N. Obvodový rám nádržky pro fotopolymer je uspořádán nad okénkem z křemenného skla a je k němu pevně uchycen.The essence of the exposure unit, which can be placed under the illuminated and cured photopolymer, is that its exposure source is a source of UV radiation with a wavelength in the range of 365 nm to 405 nm. This UV light source is provided with a UV-absorbing screen and overlaps the UV-located LCD panel with the color filter removed. The LCD panel resolution is at least 200 dots per inch and its diagonal is between 5 and 15 inches. The LCD panel is connected to the control unit and is covered with a quartz glass window between 2 and 8 mm thick, forming the base of the photopolymer reservoir. Its upper surface is covered with a layer of silicone gel 0.5 to 4 mm thick, on which a non-stick, UV-permeable, fluoropolymer film having a thickness of 0.1 to 0.6 mm is placed. Its underside is chemically adapted to be attached to a layer of silicone gel with a force required to peel 1 cm ^{2 of the} surface of the hardened photopolymer to a maximum of 3 N. The peripheral frame of the photopolymer reservoir is arranged above the quartz glass window and is firmly attached thereto.

Ve druhém základním provedení je osvitová jednotka umístěná nad osvěcovaným a vytvrzovaným fotopolymerem. Podstatou nového řešení je, že její osvitový zdroj je tvořen zdrojem UV záření o vlnové délce v rozmezí 365 nm až 405 nm, který je opatřen stínítkem z materiálu pohlcujícího UV záření a překrývá proti zdroji UV záření umístěný LCD panel s odstraněným barevným filtrem. Rozlišení LCD panelu je minimálně 100 bodů na palec a jeho úhlopříčka je v rozmezí 9 až 65 palců. LCD panel je propojen s řídicí jednotkou a je překryt okénkem z křemenného skla o tloušťce v rozmezí 2 až 8 mm. Na okénku je umístěna nepřilnavá, pro UV záření propustná, fluoropolymerová fólie o tloušťce 0,1 až 0,6 mm, která je po celém svém obvodu, za účelem dokonalého napnutí v rovině, mechanicky upevněna. Síla potřebná k odlepení 1 cm² plochy zatvrzeného fotopolymeru je maximálně 3 N.In the second basic embodiment, the exposure unit is positioned above the illuminated and cured photopolymer. The essence of the new solution is that its exposure source is a source of UV radiation with a wavelength in the range of 365 nm to 405 nm, which is provided with a UV-absorbing screen and overlaps the UV-located LCD panel with the color filter removed. The LCD panel resolution is at least 100 dots per inch and its diagonal is between 9 and 65 inches. The LCD panel is connected to the control unit and is covered with a quartz glass window with a thickness of 2 to 8 mm. A non-stick, UV-permeable, fluoropolymer film having a thickness of 0.1 to 0.6 mm is placed on the window, mechanically fixed on its entire circumference for perfect tension in the plane. The force required to peel 1 cm ² of the hardened photopolymer is at most 3 N.

V jednom možném provedení okénko z křemenného skla a fluoropolymerová fólie svou plochou plně překrývají plochu LCD panelu.In one possible embodiment, the quartz glass window and the fluoropolymer film completely cover the surface of the LCD panel with its surface.

Podstatou nového řešení je nahrazení doposud používaného projektoru nebo laseru, který slouží pro osvit a vytvrzení fotopolymeru novou osvitovou jednotkou se speciálně upraveným LCD panelem. Nová osvitová jednotka využívá optického zdroje pracujícího na vlnové délce 365 až 405 nm a LCD panelu s vysokým rozlišením. LCD panely mají v současnosti maximální rozlišení 7680 x 4320 což je šestnáctinásobek maximálního rozlišení DLP projektorů používaných v osvitových jednotkách. Výhody tohoto řešení jsou: nižší náklady na výrobu osvitové jednotky, zvýšení rozlišení osvitového obrazu, výrazně prodloužená životnost světelného zdroje, možnost znásobení rozlišení povrchu vytvrzovaného polymeru interpolací (Posunu LCD panelu o vzdálenost menší než pixel a následné osvícení stejné vrstvy jiným obrazem. Jednonásobná interpolaceThe essence of the new solution is to replace the previously used projector or laser, which is used for exposure and curing of the photopolymer with a new exposure unit with a specially adapted LCD panel. The new imaging unit uses an optical source operating at the wavelength of 365 to 405 nm and a high-resolution LCD panel. LCD panels currently have a maximum resolution of 7680 x 4320, which is sixteen times the maximum resolution of DLP projectors used in imagesetters. The advantages of this solution are: lower costs of producing the image unit, increasing the resolution of the image, significantly prolonging the life of the light source, multiplying the resolution of the surface of the cured polymer by interpolation (LCD panel shift by less than pixel and subsequent illumination of the same layer by another image.

-2CZ 28840 Ul efektivně zdvojnásobí rozlišení kontury osvíceného obrazu resp. povrchu modelu) a úspora energie.-2C 28840 Ul doubles effectively the resolution of the illumination of the illuminated image. model surface) and energy saving.

Pomocí nové osvitové jednotky je možné vyrobit 3D motivy s menšími detaily, většími rozměry a velice hladkým povrchem.With the new imagesetter, it is possible to produce 3D motifs with smaller details, larger dimensions and a very smooth surface.

Objasnění výkresůClarifying drawings

Příklady provedení osvitové jednotky podle předkládaného řešení jsou uvedeny na přiložených výkresech. Na Obr. 1 je uveden příklad uspořádání, kdy je osvitová jednotka umístěná pod osvětlovaným a vytvrzovaným fotopolymerem a na Obr. 2 je příklad provedení při jejím umístění nad osvětlovaným a vytvrzovaným fotopolymerem.Examples of embodiments of the exposure unit according to the present invention are shown in the accompanying drawings. FIG. 1 is an example of an arrangement where the exposure unit is positioned under the illuminated and cured photopolymer, and FIG. 2 is an exemplary embodiment when placed over an illuminated and cured photopolymer.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Nejprve bude popsán příklad provedení, které počítá se zdrojem osvitu umístěným pod nádržkou s vytvrzovaným fotopolymerem, Obr. 1. Toto řešení je jednodušší a nákladově levnější, ale není jej možné použít pro tisk větších a objemnějších modelů, maximální rozměr modelu cca 15 cm². Tisk větších modelů při osvitu ze spodní strany není možný z důvodu nebezpečí posunům již vytvrzených částí modelu díky tlaku své vlastní váhy a také z důvodu větší síly potřebné k odlepení zatvrzené vrstvy od teflonové fólie.First, an exemplary embodiment is provided which provides for the source of exposure placed below the cured photopolymer reservoir, FIG. 1. This solution is simpler and cheaper, but it is not possible to use it for printing larger and larger models, maximum size of the model is about 15 cm ² . Print of larger models at the bottom is not possible due to the danger of shifting the already hardened parts of the model due to the pressure of their own weight and also because of the greater force required to peel the hardened layer from the Teflon film.

Osvitová jednotka obsahuje zdroj I bodového UV záření o vlnové délce 365 až 405 nm, kterým je v konkrétním provedení například UV led dioda s fokusační čočkou. Tento zdroj i UV záření je opatřen stínítkem 2, které je vyrobeno z materiálu pohlcující UV záření a zabraňuje nežádoucímu šíření UV záření do okolí. Uhel ramen stínítka 2 je dán vzdáleností bodového zdroje i UV záření od LCD panelu 3 umístěného proti zdroji 1 UV záření. LCD panel 3 je upravený tak, že neobsahuje barevný filtr, který by jinak zabránil průchodu UV záření. LCD panel 3 má vysoké rozlišení, a to vyšší než 200 bodů na palec, a velikost úhlopříčky 5 až 15 palců. Tento LCD panel 3 je propojen s řídicí jednotkou, která na výkrese není vyznačena. LCD panel 3 je překryt okénkem 4 z křemenného skla. Toto okénko 4 slouží jako základ nádržky 7 s fotopolymerem 8 a zajišťuje rovnost vrstvy pro vytváření 3D motivu. Tloušťka křemenného skla je 2 až 8 mm pro zachování mechanické odolnosti a dobré průchodnosti UV záření. Geometrické rozměry, tedy délka a šířka okénka 4, jsou dány rozměry LCD panelu a nádržky 7. Je však vhodné aby jeho rozměry přesahovaly velikost LCD panelu 3, aby bylo možno tisknout 3D motivy a aby byl využit celý LCD panel 3. Dále by pak okénko 4 nemělo být o moc větší než LCD panel 3 z důvodu úspory fotopolymeru 8, který slouží k vytváření 3D motivů. Horní plocha okénka 4 je překryta vrstvou 5 silikonového gelu o tloušťce 0,5 až 4 mm. UV propustná vrstva 5 silikonového gelu zajišťuje vyrovnané a pružné upevnění fluoropolymerové fólie 6, která je nutná k šetrnému odlepení zatvrzené vrstvy fotopolymeru 8 od této fluoropolymerové fólie 6. Požadavky na tuto vrstvu 5 silikonového gelu jsou nepřilnavost, tedy nelepivost, a propustnost pro UV záření. V konkrétním provedení může být vyrobena odléváním či nanesením. Průhledná fluoropolymerová fólie 6 o tloušťce 0,1 až 0,6 mm, umístěná na vrstvě 5 silikonového gelu, slouží k zajištění nepřilnavosti se zatvrzenou vrstvou fotopolymeru 8. Jelikož fluoropolymerová fólie 6 je nepřilnavá a tedy nelepitelná, musí být z lepené strany chemicky ošetřená, například sodíkem. Požadavky na fluoropolymerovou fólii 6 jsou propustnost UV záření, co možná největší nepřilnavost se zatvrzeným fotopolymerem 8, a síla potřebná k odlepení 1 cm² plochy musí být maximálně 3 N. Jako fluoropolymerové fólie 6 lze použít fólie z materiálů PFA, Perfluoroalkoxy-Teflon®, FEP, Fluorinated ethylene propylene, nebo PCTFE, Polychlorotrifluoroethene. Nádržka 7 slouží k uchování fotopolymeru 8, ze kterého je vytvářen 3D tiskový motiv a je tvořen z materiálu, který nekontaminuje použitý fotopolymer a zajistí utěsnění nádržky 7 proti úniku, v uvedeném příkladu je opět použit silikonový gel.The imaging unit contains a source of I spot UV radiation at a wavelength of 365 to 405 nm, which in a particular embodiment is, for example, a UV led diode with a focusing lens. This source and UV radiation is provided with a screen 2, which is made of UV absorbing material and prevents unwanted UV radiation from spreading to the surroundings. The angle of the shield arms 2 is determined by the distance of the point source and the UV radiation from the LCD panel 3 placed against the UV source 1. The LCD panel 3 is adapted to contain a color filter that would otherwise prevent the passage of UV light. The LCD panel 3 has a high resolution of over 200 dots per inch and a diagonal size of 5 to 15 inches. This LCD panel 3 is connected to a control unit not shown in the drawing. The LCD panel 3 is covered with a quartz glass window 4. This window 4 serves as the base of the photopolymer 8 reservoir 7 and ensures a layer layer for creating a 3D motif. The thickness of the quartz glass is 2 to 8 mm to maintain the mechanical resistance and good permeability of UV radiation. The geometric dimensions, that is, the length and width of the window 4, are determined by the dimensions of the LCD panel and the reservoir 7. However, it is desirable that its dimensions exceed the size of the LCD panel 3 in order to print 3D motifs and use the entire LCD panel 3. Furthermore, the window 4 should not be much larger than the LCD panel 3 to save photopolymer 8, which is used to create 3D motifs. The upper surface of the window 4 is covered with a layer 5 of silicone gel 0.5 to 4 mm thick. The UV-permeable layer 5 of the silicone gel provides a balanced and resilient attachment of the fluoropolymer film 6, which is required to gently peel off the hardened layer of the photopolymer 8 from the fluoropolymer film 6. The requirements for this silicone gel layer 5 are non-stick, i.e. non-tackiness, and UV-permeable. In a particular embodiment, it can be made by casting. A 0.1 to 0.6 mm thick fluoropolymer film 6, located on the silicone gel layer 5, serves to provide non-adherence to the hardened layer of photopolymer 8. Since the fluoropolymer film 6 is non-stick and therefore non-stick, it must be chemically treated from the bonded side, for example with sodium. The requirements for the fluoropolymer film 6 are UV transmittance, as much non-adhesion as possible with the hardened photopolymer 8, and the peel force of 1 cm ^{2 of the} surface must be a maximum of 3 N. PFA, Perfluoroalkoxy-Teflon®, can be used as the fluoropolymer film 6 FEP, Fluorinated Ethylene Propylene, or PCTFE, Polychlorotrifluoroethene. The reservoir 7 serves to store the photopolymer 8 from which the 3D printing motif is formed and is formed of a material that does not contaminate the used photopolymer and ensures that the leak-proof reservoir 7 is sealed, in which case a silicone gel is used again.

Schéma provedení osvitové jednotky pro tuto variantu řešení 1 je uvedeno na Obr. 1. Osvitová jednotka je tvořená optickým zdrojem i, který pracuje na vlnové délce 365 až 405 nm, tato vlno-3 CZ 28840 Ul vá délka umožňuje vytvrdit fotopolymery, které jsou fotocitlivé na tyto vlnové délky 365 až 405 nm a jsou používané pro 3D tisk. Stínítko 2 zabraňuje nežádoucímu šíření světla o vlnové délce 365 až 405 nm, aby nedošlo k nežádoucímu osvícení polymemích materiálů a také aby nedošlo k poškození zdraví obsluhy. Optické záření vycházející z optického zdroje 1 dopadá na LCD panel 3 s vysokým rozlišením a bez barevného filtru, na kterém je zobrazen požadovaný vytvářený motiv. Světlo prochází přes okénko 4 z křemenného skla, které propustí světlo o vlnové délce 365 až 405 nm a prochází přes silikonový gel 5, který slouží k postupnému a šetrnému oddělení zatvrzeného fotopolymeru 8 od nepřilnavé průhledné fluoropolymerové fólie 6, vyrobené například z materiálu PFA - Perfluoroalkoxy, což je vinyl ether, nebo z FEP - Fluorinated ethylene propylene fólie, na které jsou 3D motivy vytvářeny. Nádržka 7 slouží jako zásobník fotopolymeru 8, ze kterého jsou 3D motivy vytvářeny a nádržka 7 musí být z materiálů, který nekontaminuje použitý fotopolymer 8.A schematic of an embodiment of the exposure unit for this variant of solution 1 is shown in FIG. 1. The imaging unit consists of an optical source i, which operates at a wavelength of 365 to 405 nm, this wave-3 allows the curing of photopolymers that are photosensitive to these wavelengths of 365 to 405 nm and are used for 3D printing . Screen 2 prevents unwanted propagation of light at a wavelength of 365 to 405 nm to prevent unwanted illumination of polymeric materials and also to prevent damage to operator health. The optical radiation emanating from the optical source 1 impinges on the high-resolution LCD panel 3 and without the color filter on which the desired generated motif is displayed. The light passes through the quartz glass window 4, which transmits light at a wavelength of 365 to 405 nm and passes through a silicone gel 5 which serves to gradually and gently separate the hardened photopolymer 8 from the non-stick transparent fluoropolymer film 6 made, for example, from PFA - Perfluoroalkoxy , which is a vinyl ether, or from a FEP - Fluorinated ethylene propylene film on which 3D motifs are created. The reservoir 7 serves as a reservoir of the photopolymer 8 from which the 3D motifs are formed and the reservoir 7 must be made of materials that do not contaminate the photopolymer 8 used.

Ve druhé variantě, Obr. 2, je řešení, které počítá se zdrojem I osvitu umístěným nad nádržkou 7 s fotopolymerem 8. Osvitová jednotka opět obsahuje zdroj I bodového UV záření o vlnové délce 365 až 405 nm, stínítko 2 zabraňující nežádoucímu šíření UV záření do okolí a LCD panel 3 upravený tak, aby neobsahoval barevný filtr zabraňující průchodu UV záření. LCD panel 3, propojený s řídicí jednotkou, má vysoké rozlišení, vyšší než 100 bodů na palec, a velikost úhlopříčky 9 až 65 palců. LCD panel 3 je překryt okénkem 4 z křemenného skla, které slouží k zajištění rovnosti vrstvy tištěného motivu, případně i pro upevnění fluoropolymerové fólie 6 po stranách. Tloušťka křemenného skla je volena 2 až 8 mm pro zachování mechanické odolnosti a dobré průchodnosti UV záření. Na okénku 4 je umístěna nepřilnavá, pro UV záření propustná, fluoropolymerová fólie 6 o tloušťce 0,1 až 1 mm, která slouží k zajištění nepřilnavosti se zatvrzenou vrstvou fotopolymeru a také umožní průchod UV záření. Požadavky na fluoropolymerovou fólii jsou propustnost UV záření, co možná nej lepší nepřilnavost se zatvrzeným fotopolymerem 8, tedy síla potřebná k odlepení 1 cm² plochy musí být maximálně 3 N. Pro konkrétní provedení je vhodná z materiálů, stejně jako u první varianty, PFA, FEP, PCTFE. Pokud jde o velikost okénka 4 z křemenného skla a fluoropolymerové fólie 6, je vhodné, aby svou plochou plně překrývaly plochu zvoleného LCD panelu 3, a to z důvodu využití plného obrazu pro osvit nádržky s fotopolymerem, kdy tato nádržka je externí, je tedy umístěná vně osvitové jednotky a na Obr. 2 není znázorněna.In a second variant, FIG. 2, is a solution that takes into account the source I of the illumination placed above the reservoir 7 with the photopolymer 8. The exposure unit again contains a source of I spot UV radiation with a wavelength of 365 to 405 nm, a screen 2 preventing undesired propagation of the UV radiation and an LCD panel 3 modified so that it does not contain a color filter to prevent the passage of UV light. The LCD panel 3, connected to the controller, has a high resolution, greater than 100 dots per inch, and a diagonal size of 9 to 65 inches. The LCD panel 3 is covered with a quartz glass window 4 which serves to ensure the flatness of the printed motif layer, possibly also for fixing the fluoropolymer film 6 on the sides. The thickness of the quartz glass is chosen to be 2 to 8 mm to maintain the mechanical resistance and good UV resistance. The window 4 is provided with a non-stick, UV-permeable, fluoropolymer film 6 having a thickness of 0.1 to 1 mm, which serves to provide non-adherence to the hardened layer of the photopolymer and also to allow the passage of UV radiation. The requirements for the fluoropolymer film are UV permeability, as much as possible non-adherence to the hardened photopolymer 8, i.e. the force required to peel 1 cm ^{2 of the} surface must be a maximum of 3 N. For particular embodiments, it is suitable from materials as well as the first variant, PFA. FEP, PCTFE. Regarding the size of the quartz glass window 4 and the fluoropolymer film 6, it is desirable to have a full area over the area of the selected LCD panel 3, because of the full image for photopolymer container exposure, which is external, so located outside the imagesetter and in FIG. 2 is not shown.

Toto řešení v 3D tiskárnách je složitější než první varianta, protože vyžaduje posun tiskové platformy ponořené ve fotopolymeru 8 a také je nutné neustále vyrovnanou hladinu fotopolymeru 8. Samotná osvitová jednotka je ale jednodušší a neobsahuje vrstvu se silikonovým gelem potřebnou ve výše uvedeném řešení, a to díky tomu, že fluoropolymerová fólie 6 je napnutá pomocí mechanického uchycení tak, aby byla v dokonalé rovině. Mechanické uchycení je provedeno například kovovým rámečkem 9. Toto řešení také umožňuje vysokou pružnost, které je zajištěno pružností samotnou fluoropolymerovou fólií 6. Dále řešení umožňuje tisknout neomezeně velké modely, jelikož tlak na vytištěný model je vyrovnán ponořením vytvrzené části modelu do nevytvrzeného fotopolymeru 8 a separace vrstvy od fluoropolymerové fólie 6 je šetrnější z důvodu větší pružnosti fólie, která není lepená silikonovým gelem. Nevýhodou je nutnost udržovat stejnou hladinu fotopolymeru 8, jelikož fotopolymer 8 v nádržce 7 není nikdy možné zcela využít a je tedy toto řešení náročnější na množství použitého fotopolymeru 8.This solution in 3D printers is more complicated than the first option because it requires a shift of the print platform submerged in the photopolymer 8 and also a constant level of photopolymer 8 is needed. However, the image unit itself is simpler and does not contain the silicone gel layer needed in the above solution, due to the fact that the fluoropolymer film 6 is stretched by a mechanical attachment so as to be in a perfect plane. The mechanical grip is made, for example, by a metal frame 9. This solution also allows for high resilience, which is ensured by the flexibility of the fluoropolymer foil 6 alone. the layer of fluoropolymer film 6 is more gentle due to the greater flexibility of the film which is not bonded by the silicone gel. A disadvantage is the need to maintain the same level of photopolymer 8, since the photopolymer 8 in the reservoir 7 can never be fully utilized and is therefore more demanding on the amount of photopolymer 8 used.

Schéma tohoto provedení osvitové jednotky je uvedeno na Obr. 2. Optický zdroj i pracuje na vlnové délce 365 až 405 nm. Tato vlnová délka umožňuje vytvrdit fotopolymery fotocitlivé na vlnovou délku 365 až 405 nm, které jsou používané pro 3D tisk. Stínítko 2 zabraňuje nežádoucímu šíření světla o vlnové délce 365 až 405 nm. Optické záření vycházející z optického zdroje i dopadá na LCD panel 3 s vysokým rozlišením a bez barevného filtru, na kterém je zobrazen požadovaný vytvářený motiv, světlo prochází přes okénko 4 z křemenného skla, které propustí světlo o vlnové délce 365 až 405 nm a přes nepřilnavou průhlednou fluoropolymerovou fólii 6 vyrobenou například z materiálu PFA, Perfluoroalkoxy, tedy vinyl ether, nebo je z materiálu FEP, Fluorinated ethylene propylene. Tato fluoropolymerová fólie 6 obepíná okénko 4 z křemenného skla. Na fluoropolymerovou fólii 6 jsou 3D motivy vytvářeny. Kovový rámeček 9A schematic of this embodiment of the imagesetter is shown in FIG. 2. The optical source i operates at a wavelength of 365 to 405 nm. This wavelength makes it possible to cure photopolymer photosensitive to the wavelength of 365 to 405 nm, which are used for 3D printing. Screen 2 prevents unwanted light propagation at 365 to 405 nm. The optical radiation emanating from the optical source impinges on the high-resolution LCD panel 3 and without the color filter on which the desired motif is displayed, the light passes through the quartz glass window 4 which transmits light of 365 to 405 nm and over non-stick a transparent fluoropolymer film 6 made of, for example, PFA, Perfluoroalkoxy, i.e. a vinyl ether, or FEP, Fluorinated ethylene propylene. This fluoropolymer film 6 surrounds the quartz glass window 4. 3D motifs are created on the fluoropolymer film 6. Metal Box 9

-4CZ 28840 Ul slouží k upnutí fluoropolymerové fólie 6 a současně umožňuje připojení k externí nádržce s fotopolymerem, kdy tato nádržka není součástí osvitové jednotky.-4C 28840 Ul is used to clamp the fluoropolymer film 6 while allowing it to be attached to an external photopolymer reservoir when the reservoir is not part of the imagesetter.

Průmyslová využitelnostIndustrial usability

Předkládané řešení je využitelné pro 3D tisk polymemích struktur pomocí 3D tiskáren typu SLA. Toto řešení umožňuje výrobu struktur s větším rozlišením a tedy s jemnějšími detaily než doposud bylo u komerčně dostupných 3D tiskáren možné. Také náklady na výrobu a provozní náklady jsou u předkládané osvitové jednotky nižší než u doposud používaných osvitových jednotek s projektory.The presented solution is usable for 3D printing of polymer structures using SLA-type 3D printers. This solution allows the production of structures with higher resolution and thus with finer details than previously available in commercially available 3D printers. Also, the cost of manufacturing and operating costs for the present imagesetter is lower than that of imagesetters used to date.

Tato osvitová jednotka je sice určena zejména pro tiskárny typu SLA, ale nevylučuje se její použití v jiných typech tiskáren, například v kombinovaných PolyJet tiskárnách, kde jeden typ materiálu může být nanášen tiskovými hlavicemi a jiný fotopolymer poté zatvrzen pomocí předkládané osvitové jednotky.Although this image unit is mainly designed for SLA printers, it is not excluded for use with other types of printers, such as polyJet printers, where one type of material can be applied by printheads and another photopolymer is then hardened with the present exposure unit.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

An imaging unit, in particular for 3D SLA printers, positioned below an illuminated and cured photopolymer, characterized in that its exposure source is comprised of a UV radiation source (1) having a wavelength in the range 365 nm to 405 nm, wherein the source (1) ) The UV radiation is provided with a screen (2) of a UV absorbing material and overlaps the LCD panel (3) with the color filter removed against the UV source (1), where the LCD panel resolution (3) is at least 200 dots per inch and its diagonal in the range of 5 to 15 inches, this LCD panel (3) is connected to the control unit and is covered by a quartz glass window (4) in the range of 2 to 8 mm forming the base of the reservoir (7) for the photopolymer (8) and wherein the upper surface is covered by a layer (5) of silicone gel having a thickness of 0.5 to 4 mm, on which a non-adhesive UV-permeable, fluoropolymer film (6) having a thickness of 0.1 to 0.6 mm, the outer side is chemically adapted to be attached to a layer (5) of silicone gel with a force required to peel 1 cm ^{2 of} surface from the hardened photopolymer up to 3 N, the peripheral frame of the photopolymer container (7) being arranged above the window (4) and is firmly attached to it.

An exposure unit, in particular for 3D SLA printers, positioned above an illuminated and cured photopolymer, characterized in that its exposure source comprises a UV radiation source (1) having a wavelength in the range 365 nm to 405 nm, wherein the source (1) ) The UV radiation is provided with a screen (2) of a UV absorbing material and overlaps the LCD panel (3) with the color filter removed against the UV source (1), where the LCD panel resolution (3) is at least 100 dots per inch and its diagonal 9 to 65 inches, this LCD panel (3) is connected to the control unit and is covered by a 2 to 8 mm thick quartz glass window (4) on which a non-adhesive UV-permeable, fluoropolymer film is placed (6) of a thickness of 0.1 to 0.6 mm, which is mechanically fixed on its entire circumference for perfect tension in the plane and where the force required to peel off 1 cm ² of the hardened surface of the photo of the polymer (8) is at most 3 N.

An imaging unit according to claim 2, characterized in that the quartz glass window (4) and the fluoropolymer film (6) completely overlap the surface of the LCD panel (3).

2 drawings