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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungssystem und insbesondere einen 3D-Drucker und ein durch den 3D-Drucker verwendetes Linsenmodul.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gegenwärtig können 3D-Drucker verschiedene gegenstände drucken, wie beispielsweise kleine Schmuckstücke oder ein großes 3D-Haus. Herkömmliche 3D-Drucker werden durch einen Computer derart gesteuert, dass er sich entlang einer Bahn bewegt, die ein Profil eines Elements mit einer vorgegebenen Form ist. Herkömmliche 3D-Drucker führen unter Verwendung eines Ultraviolettlasers einen punktweisen und schichtweisen Scanvorgang bezüglich flüssigem lichtempfindlichem Harz aus. Die gescannte Flüssigharzschicht erzeugt eine Photopolymerisation, so dass sie sich verfestigt und eine Querschnittschicht eines Elements bildet. Der schichtweise Scanvorgang wird kontinuierlich wiederholt, bis das gesamte Element vollständig hergestellt ist. Der 3D-Drucker steuert Bewegungen eines Reflektors und eines Linsenmoduls über einen Steuermechanismus, so dass eine Bewegung eines Brennpunktes eines Lichtstrahls gesteuert werden kann, um einen punktweisen Druckvorgang zu realisieren. Allerdings hat der 3D-Drucker eine langsamere Druckgeschwindigkeit und eine relativ geringere Effizienz, so dass es schwierig ist, einen Druckvorgang zum Drucken eines Werkstücks mit einem ultra-großen Format zu realisieren.
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US 2011/0310493 A1 beschreibt ein optisches Objektivsystem für ein fotografisches Objektiv mit: einer ersten Linse, einer zweiten Linse und einer dritten Linse, die sequentiell von einer Seite eines Objekts zu einem Bildsensor angeordnet sind, wobei die erste Linse eine positive (+) Brechkraft und eine Einfallsfläche hat, die ist zum Objekt konvex, die zweite Linse hat eine negative (-) Brechkraft und ist zum Bildsensor konvex, die dritte Linse weist eine negative (-) Brechkraft auf und mindestens eine von einer Einfallsfläche und einer Austrittsfläche davon ist asphärisch, und wobei ein Blickwinkel (Theta) des optischen Linsensystems und eine Brennweite (f) des optischen Linsensystems die folgende Ungleichung erfüllen: 1,0 < |tan theta|/f < 2,0.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Daher ist es notwendig, einen 3D-Drucker und ein durch den 3-D-Drucker verwendetes Linsenmodul bereitzustellen, die eine hohe Druckeffizienz aufweisen.
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Ein Linsenmodul weist entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander und koaxial angeordnet auf: eine erste Linse, die eine Meniskuslinse ist und eine erste gekrümmte Oberfläche und eine zweite gekrümmte Oberfläche aufweist, eine zweite Linse, die eine Meniskuslinse ist und eine dritte gekrümmte Oberfläche und eine vierte gekrümmte Oberfläche aufweist, eine dritte Linse, die eine Meniskuslinse ist und eine fünfte gekrümmte Oberfläche und eine sechste gekrümmte Oberfläche aufweist, wobei die ersten bis sechsten gekrümmten Oberflächen entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind und die Krümmungsradien der ersten bis sechsten gekrümmten Oberflächen -200 ±5%, - 100 ± 5%, -80 ± 5%, -150 ± 5%, -100 ± 5% und -70 ± 5% in der Einheit Millimeter betragen.
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Gemäß einer Ausführungsform betragen die Mittendicken der ersten bis dritten Linsen 5 ± 5%, 4 ± 5% bzw. 3 ± 5% in der Einheit Millimeter.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Linse ein Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von (1,62/56) ± 5% auf, weist die zweite Linse ein Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von (1,60/45) ± 5% auf und weist die dritte Linse ein Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von (1,63/55) ± 5% auf.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Gesamtlänge des Linsenmoduls 30 Millimeter und ist ein Außendurchmesser des Linsenmoduls kleiner oder gleich 90 Millimeter.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Linsenmodul ferner eine vierte Linse auf, die entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts hinter der dritten Linse angeordnet ist, wobei die vierte Linse eine flache Linse ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die vierte Linse eine Schutzlinse mit einer Mittendicke von 5 ± 5% Millimeter, wobei die vierte Linse ein Verhältnis zwischen dem Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von (1,51/64) ± 5% aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Linsenmodul eine Brennweite von 2200 Millimetern, einen Eintrittspupillendurchmesser von 30 Millimetern und eine Bearbeitungswellenlänge von 1064 Nanometern bis 630 Nanometern auf.
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Ein 3D-Drucker weist entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht aufeinanderfolgend angeordnet auf: einen Laser, einen Strahlaufweiter, einen ersten Schwingspiegel, einen zweiten Schwingspiegel, ein vorstehend erwähntes Linsenmodul und eine Formplattorm, wobei der Laser, der Strahlaufweiter und der erste Schwingspiegel koaxial angeordnet sind, der zweite Schwingspiegel parallel zum ersten Schwingspiegel angeordnet ist und der zweite Schwingspiegel, das Linsenmodul und die Formplattorm nacheinander und koaxial angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der 3D-Drucker ferner einen Führungsbügel, der benachbart zur Formplattorm angeordnet ist, und ein Ziehelement auf, das auf dem Führungsbügel gleitend montiert ist, wobei die Formplattorm eine Aufnahmenut definiert, und wobei ein Ende des Ziehelements in der Aufnahmenut der Formplattorm beweglich angeordnet ist.
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Aufgrund der Anordnungen und der Parameterkonfiguration der drei Linsen des Linsenmoduls, wodurch veranlasst wird, dass das Linsenmodul eine extra lange Brennweite erhält, wodurch die Druckeffizienz des 3D-Druckers stark verbessert wird, wird ermöglicht, einen Druckvorgang zum Drucken eines ultra-großformatigen Werkstücks auszuführen.
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Figurenliste
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Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der Erfindung deutlich, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, der Fokus richtet sich vielmehr auf die Veranschaulichung der Prinzipien verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines 3D-Druckers gemäß einer Ausführungsform;
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Linsenmoduls des 3D-Druckers von 1;
- 3 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen einer geometrischen Aberration des Linsenmoduls von 2;
- 4 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen einer Modulationsübertragungsfunktions(M.T.F)charakteristik des Linsenmoduls von 2;
- 5 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen eines Astigmatismus des Linsenmoduls von 2; und
- 6 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen einer Verzerrung des Linsenmoduls von 2.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Obwohl die Erfindung hierin unter Bezug auf spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wird, soll die Erfindung nicht auf die dargestellten Details beschränkt sein. Vielmehr können innerhalb des Umfangs der Erfindung und des Bereichs von Äquivalenten der Ansprüche verschiedene Modifikationen in den Details vorgenommen werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass ein hierin verwendetes negatives Vorzeichen bedeutet, dass sich der Strahl von links nach rechts ausbreitet. Wenn der Schnittpunkt zwischen der sphärischen Fläche und der optischen Hauptachse als Bezugspunkt genommen wird, hat, wenn der Mittelpunkt der sphärischen Fläche sich links vom Schnittpunkt befindet, der Krümmungsradius einen negativen Wert, wenn dagegen der Mittelpunkt der sphärischen Fläche sich rechts vom Schnittpunkt befindet, hat der Krümmungsradius einen positiven Wert. Zusätzlich wird im Hinblick auf den sich von links nach rechts ausbreitenden Strahl eine Seite links von der Linse als Objektseite bezeichnet und die andere Seite rechts von der Linse als Bildseite bezeichnet. Eine positive Linse zeigt an, dass eine Mittendicke der Linse größer ist als diejenige an einem Umfang der Linse, und eine negative Linse zeigt an, dass eine Mittendicke der Linse größer ist als diejenige an einem Umfang der Linse.
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Gemäß 1 weist der 3D-Drucker 100 gemäß einer Ausführungsform entlang einer Ausbreitungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander auf: einen Laser 10, einen Strahlaufweiter 20, einen ersten Schwingspiegel 30, einen zweiten Schwingspiegel 40, ein Linsenmodul 50 und eine Formplattform 55. Der 3D-Drucker 100 weist ferner einen benachbart zur Formplattform 55 angeordneten Führungsbügel und ein auf dem Führungsbügel 60 gleitend montiertes Ziehelement 70 auf. Der Laser 10, der Strahlaufweiter 20 und der erste Schwingspiegel 30 sind koaxial angeordnet. Der zweite Schwingspiegel 40 erstreckt sich parallel zum ersten Schwingspiegel 30. Der zweite Schwingspiegel 40, das Linsenmodul 50 und die Formplattform 55 sind nacheinander und koaxial angeordnet, und die Formplattform 55 ist über dem Linsenmodul 50 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform definiert die Formplattform 55 eine Aufnahmenut 551, wobei die Aufnahmenut 551 ein flüssiges Härtungsmittel zum Ausbilden eines Werkstücks aufnimmt. Ein Ende des Ziehelements 70 ist in der Aufnahmenut 551 der Formplattform 55 beweglich angeordnet. Der erste Schwingspiegel 30 ist ein X-Schwingspiegel, der zweite Schwingspiegel 40 ist ein Y-Schwingspiegel.
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Gemäß 2 beträgt eine Gesamtlänge des Linsenmoduls 50 30 Millimeter, und ein maximaler Außendurchmesser beträgt 90 Millimeter. Das Linsenmodul 50 weist entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander und koaxial angeordnet eine erste Linse L1, eine zweite Linse L2, eine dritte Linse L3 und eine vierte Linse L4 auf. Die erste Linse L1, die zweite Linse L2 und die dritte Linse L3 sind alle Meniskuslinsen. Die vierte Linse L4 ist eine flache Linse. Die erste Linse L1 weist eine erste gekrümmte Oberfläche S1 und eine zweite gekrümmte Oberfläche S2 auf. Die zweite Linse L2 weist eine dritte gekrümmte Oberfläche S3 und eine vierte gekrümmte Oberfläche S4 auf. Die dritte Linse L3 weist eine fünfte gekrümmte Oberfläche S5 und eine sechste gekrümmte Oberfläche S6 auf. Die vierte Linse L4 weist eine siebente gekrümmte Oberfläche S7 und eine achte gekrümmte Oberfläche S8 auf. Gegenüberliegende gekrümmte Oberflächen jeder der Linsen dienen als eine Lichteinfallfläche bzw. eine Lichtaustrittsfläche. Die ersten bis achten gekrümmten Oberflächen S1 bis S8 sind entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet. Die konvexen Richtungen der ersten gekrümmten Oberfläche S1, der zweiten gekrümmten Oberfläche S2, der dritten gekrümmten Oberfläche S3, der vierten gekrümmten Oberfläche S4, der fünften gekrümmten Oberfläche S5 und der sechsten gekrümmten Oberfläche S6 sind gleich und sind alle entlang der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts konvex (d.h. zur Bildseite konvex). Die siebente Oberfläche S7 und die achte Oberfläche S8 sind ebene Flächen. In der dargestellten Ausführungsform ist die vierte Linse L4 ein Schutzglas. Es wird darauf hingewiesen, dass die vierte Linse L4 weggelassen werden kann.
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Die erste Linse L1 weist ein Verhältnis zwischen Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von 1,62/56 auf. Die erste gekrümmte Oberfläche S1 der ersten Linse L1 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -200 Millimetern. Die zweite gekrümmte Oberfläche S2 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -100 Millimetern. Die erste Linse L1 hat eine Mittendicke d1 (eine Dicke der Linse entlang einer optischen Achse) von 5 Millimetern. Die vorstehend erwähnten Parameter der ersten Linse L1 haben einen Toleranzbereich von 5%, d.h. die vorstehend erwähnten Parameter können innerhalb eines Bereichs von ± 5% variieren.
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Die zweite Linse L2 weist ein Verhältnis zwischen Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von 1,60/45 auf. Die dritte gekrümmte Oberfläche S3 der zweiten Linse L2 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -80 Millimetern. Die vierte gekrümmte Oberfläche S4 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -150 Millimetern. Die zweite Linse L2 hat eine Mittendicke d2 von 4 Millimetern. Die vorstehend erwähnten Parameter der zweiten Linse L2 haben einen Toleranzbereich von 5%.
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Die dritte Linse L3 weist ein Verhältnis zwischen Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von 1,63/55 auf. Die fünfte gekrümmte Oberfläche S5 der dritten Linse L3 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -100 Millimetern. Die sechste gekrümmte Oberfläche S6 ist zur Bildseite konvex und hat einen Krümmungsradius von -70 Millimetern. Die dritte Linse L3 hat eine Mittendicke d3 von 5 Millimetern. Die vorstehend erwähnten Parameter der dritten Linse L3 haben einen Toleranzbereich von 5%.
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Die vierte Linse L4 weist ein Verhältnis zwischen Brechungsindex und der Abbe'schen Zahl von 1,51/64 auf. Der Krümmungsradius der siebten gekrümmten Oberfläche S7 und der achten Fläche S8 betragen ∞. Die vierte Linse L4 hat eine Mittendicke d4 von 3 Millimeter. Die vorstehend erwähnten Parameter der vierten Linse L4 haben einen Toleranzbereich von 5%.
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Durch die vorstehend erwähnte Konfiguration ergeben sich die folgenden optischen Parameter des Linsenmoduls 50: eine Brennweite von 2200 Millimetern, ein Eintrittspupillendurchmesser von 30 Millimetern, ein Sichtfeld von 50 Grad, eine Bearbeitungswellenlänge von 1064 bis 630 Nanometern. Das Linsenmodul 50 bewirkt, dass eine Größe des durch den 3D-Drucker 10 bearbeitbaren Werkstücks weiter vergrößert werden kann. Wenn das Werkstück ein Zylinder ist, hat das Werkstück ein Volumen V = Φ·L (L stellt eine Länge des zu bearbeitenden Werkstücks dar), wobei der Durchmesser Φ einen Maximalwert von 2 Metern haben kann. Wenn der Querschnitt des Werkstücks ein Quadrat ist, hat das Werkstück ein Volumen V = S*L, wobei die Fläche S einen Maximalwert von 1,4·1,4 Quadratmetern haben kann. Die durch einen experimentellen Test erzielte Wirkung des Linsenmoduls 50 ist in den 3 bis 6 dargestellt.
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3 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen der geometrischen Aberration des Linsenmoduls 50, DBJ stellt einen Sichtwinkel in der Einheit Grad dar. IMA stellt einen Abbildungsdurchmesser der Bildoberfläche in der Einheit Millimeter dar. 3 zeigt eine Skalenlänge von 400 Millimetern. Aus dem in 3 dargestellten Strahlfleckdiagramm ist ersichtlich, dass der Diffusionsbereich des Strahlflecks des Linsenmoduls 50 im Brennpunkt relativ klein ist und eine ideale Auflösung erreicht, wobei der geometrische Strahlfleck im vollen Sichtfeld jeweils nicht mehr als 0,04 Millimeter beträgt.
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4 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen der Modulationsübertragungsfunktions(M.T.F)charakteristik des Linsenmoduls 50. Die horizontale Koordinate stellt eine Auflösung in der Einheit Zeilenpaar pro Millimeter dar. TS stellt ein Sichtfeld in der Einheit Grad dar. Wenn der Wert der M.T.F-Charakteristik 0,3 beträgt, gibt es 7 Zeilenpaare pro Millimeter, was der Auflösung von 0,07 Millimeter gleicht und somit einem idealen Wert entspricht.
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5 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen eines Astigmatismus des Linsenmoduls 50 gemäß der Ausführungsform von 1. Die vertikale Koordinate +Y in 5 stellt einen Wert des Sichtfeldes dar, die Einheit der horizontalen Koordinate ist Millimeter. 6 zeigt ein graphisches Diagramm zum Darstellen einer Verzerrung des Linsenmoduls 50 gemäß der Ausführungsform von 6. Die vertikale Koordinate +Y in 6 stellt einen Wert des Sichtfeldes dar, die Einheit der horizontalen Koordinate ist ein Prozentsatz. Aus 5 und 6 ist ersichtlich, dass die Aberration des Linsenmoduls 50 innerhalb der Brennweite liegt, so dass das System 1064 Nanometer als Bearbeitungswellenlänge verwenden kann und 630 Nanometer (sichtbares Licht) als optische Länge eines Überwachungssystems verwenden kann. Offensichtlich kann eine Wellenlänge von 630 Nanometer als die Wellenlänge des Bearbeitungssystems und des Überwachungssystems verwendet werden, wobei die Aberration ideal ist.
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Gemäß 1 wird, wenn der 3D-Drucker 100 arbeitet, der Laserstrahl vom Laser 10 emittiert und erreicht den ersten Schwingspiegel 30, nachdem er den Strahlaufweiter 20 durchlaufen hat, wobei der erste Schwingspiegel 30 den Laserstrahl zum zweiten Schwingspiegel 40 reflektiert und der zweite Schwingspiegel 40 den Laserstrahl zum Linsenmodul 50 reflektiert. Der Laserstrahl durchläuft das Linsenmodul 50 und ist achromatisch und erreicht dann die Formplattform 55, um das flüssige Härtungsmittel in der Aufnahmenut 551 zu härten, wodurch eine gehärtete Schicht mit einer vorgegebenen Form auf dem Ziehelement 70 ausgebildet wird. Während des Prozesses hebt das Ziehelement 70 die gehärtete Schicht kontinuierlich an und veranlasst der Laserstrahl, dass das flüssige Härtungsmittel kontinuierlich eine weitere gehärtete Schicht auf der ausgebildeten gehärteten Schicht bildet, wodurch schließlich ein Druckvorgang zum Drucken des Werkstücks ausgeführt wird. Das durch Drucken ausgebildete Werkstück weist mehrere gehärtete Schichten auf.
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Aufgrund der Anordnungen und der Parameterkonfiguration der ersten bis vierten Linsen des Linsenmoduls 50 erhält das Linsenmodul 50 eine extra lange Brennweite, wodurch die Druckeffizienz des 3D-Druckers 100 verbessert wird, was die Ausführung eines Druckvorgangs zum Drucken eines Werkstücks mit einem ultra-großen Format ermöglicht. Gleichzeitig erzielt das Linsenmodul 50 auch einen achromatischen Effekt, und das Linsenmodul 50 verwendet lediglich vier Linsen, wodurch die Vielfalt optischer Materialien stark vereinfacht wird.
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Außerdem wird, weil der 3D-Drucker 100 einen ersten Schwingspiegel 30 und einen zweiten Schwingspiegel 40 verwendet, die veranlassen, dass der Laserstrahl entlang der X-Achse und der Y-Achse gescannt wird, eine Ablenkung des Laserstrahls erreicht. Der Laserstrahl kann sich entlang einer vorgegebenen Bahn bewegen, was die Druckgeschwindigkeit wesentlich verbessert. Der 3D-Drucker 100 kann nicht nur verschiedene komplizierte Profile drucken, sondern auch ein Werkstück mit einer komplizierten inneren Struktur drucken.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn das flüssige Härtungsmittel durch einen festen Körper ersetzt wird, der Laser 10, der Strahlaufweiter 20, der erste Schwingspiegel 30, der zweite Schwingspiegel 40 und das Linsenmodul 50 über der Formplattform 55 angeordnet werden können, wodurch veranlasst wird, dass die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls im Wesentlichen nach unten verläuft. Es wird darauf hingewiesen, dass die Formplattform 55 Strukturen mit einer anderen Form aufweisen kann. Wenn der 3D-Drucker 100 ein andersartiger Drucker ist, können der Führungsbügel 60 und das Ziehelement 70 weggelassen werden.
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Die vorstehenden und andere Merkmale der Erfindung, die verschiedene neuartige Details der Konstruktion und Kombinationen von Teilen und andere Vorteile beinhalten, wurden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und sind in den Ansprüchen dargelegt.
