ES2823849T3 - Aparato generador de objetos tridimensionales y procedimiento para calibrarlo - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para calibrar una potencia óptica adaptado para ser realizado por un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) que comprende un generador de luz láser (120) para generar un haz lineal y una lente convergente de campo plano (140), y una ruta de escaneo de campo plano es formada cuando el haz lineal pasa a través de la lente convergente de campo plano (140), comprendiendo el procedimiento: probar un sensor óptico de campo plano (20), un fotodetector (110) y un controlador (30), donde el sensor óptico de campo plano (20) está posicionado en la ruta de escaneo de campo plano, el fotodetector (110) se coloca entre el generador de luz láser (120) y la lente convergente de campo plano (140), y el controlador (30) está conectado eléctricamente al sensor óptico de campo plano (20), al fotodetector (110) y al láser generador de luz (120); usar el sensor óptico de campo plano (20) para detectar una potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente de campo plano (140) y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador (30); usar el fotodetector (110) para detectar una potencia óptica del haz lineal que no pasa a través de la lente convergente de campo plano (140) y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador (30); y utilizar el controlador (30) para calibrar una potencia óptica del generador de luz láser (120) en base a la señal detectada del sensor óptico de campo plano (20) y la señal detectada del fotodetector (110).
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato generador de objetos tridimensionales y procedimiento para calibrarlo
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un aparato óptico y a un procedimiento para calibrar el aparato óptico. Más particularmente, la presente descripción se refiere a un aparato generador de objetos tridimensionales (3d ) y a un procedimiento para calibrar el aparato generador de objetos 3D.
Descripción de la técnica relacionada
La fabricación aditiva, la impresión tridimensional (3D) y la creación rápida de prototipos son tecnologías para generar objetos 3D rápidamente. La información 3D para generar un objeto 3d se puede realizar mediante software (como cAd ) o un escáner de objetos 3D.
La estereolitografía es un procedimiento y un aparato para hacer un objeto 3D imprimiendo sucesivamente capas delgadas de un material curable una encima de la otra. Se utiliza un rayo móvil programado que brilla sobre una superficie o capa de líquido curable por UV para formar una sección transversal sólida del objeto en la superficie del líquido. A continuación, el objeto se mueve, de una manera programada, alejándose de la superficie del líquido por el espesor de una capa, y a continuación se forma la siguiente sección transversal y se adhiere a la capa inmediatamente anterior definiendo el objeto. Este procedimiento continúa hasta que se forma todo el objeto.
El documento US 2015/145177 A1 describe un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) según el preámbulo de la reivindicación 1. No se describen medidas para estabilizar la potencia óptica en la ruta de escaneo de campo plano.
El documento US 6 129884 A describe un aparato generador de objetos tridimensionales (3D), donde la potencia óptica de una fuente de energía láser se controla basándose en la señal de un fotodetector que detecta la potencia óptica en la ruta de escaneo de campo plano. El control de la salida del láser se produce en base a una combinación de suministro de una cantidad regulada de voltaje a un modulador acústico-óptico (AOM) ubicado entre la fuente de energía láser y un elemento de conversión de frecuencia ubicado más adelante.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Es un objeto de la presente invención permitir que un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) genere un objeto tridimensional (3D) con mayor precisión, particularmente en condiciones más constantes.
Este problema se resuelve mediante un procedimiento según la reivindicación 1 y mediante un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) según la reivindicación 5. Las realizaciones ventajosas adicionales son el tema de las reivindicaciones dependientes.
Según un aspecto de la presente descripción, un procedimiento para calibrar una potencia óptica adaptado para ser realizado por un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) que comprende un generador de luz láser para generar un haz lineal y una lente convergente de campo plano, donde se forma una ruta de escaneo de campo plano cuando el haz lineal pasa a través de la lente convergente de campo plano, el procedimiento comprende: probar un sensor óptico de campo plano, un fotodetector y un controlador, donde el sensor óptico de campo plano se coloca en la ruta de escaneo de campo plano, el fotodetector se coloca entre el generador de luz láser y la lente convergente de campo plano, y el controlador está conectado eléctricamente al sensor óptico de campo plano, al fotodetector y al generador de luz láser; usar el sensor óptico de campo plano para detectar una potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente de campo plano y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador; usar el fotodetector para detectar una potencia óptica del haz lineal que no pasa a través de la lente convergente de campo plano y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador; y usar el controlador para calibrar o ajustar una potencia óptica del generador de luz láser en base a la señal detectada del sensor óptico de campo plano y la señal detectada del fotodetector, particularmente para proporcionar una potencia óptica constante.
Según un aspecto relacionado de la presente descripción, un aparato generador de objetos tridimensionales (3D)
incluye un componente óptico transparente, un módulo generador de luz láser y un controlador. El componente óptico transparente incluye una región de trabajo. El módulo de generación de luz láser incluye un emisor de luz para emitir un haz puntual, un espejo poligonal, una lente convergente de campo plano y un sensor óptico de campo plano. El espejo poligonal puede girar alrededor de un eje para (re)dirigir el haz puntual en un haz lineal. La lente convergente de campo plano se coloca entre el módulo generador de luz láser y el componente óptico-transparente, y el rayo lineal que ha pasado a través de la lente convergente de campo plano forma una ruta de escaneo de campo plano, y la región de trabajo está dentro de la cobertura de la ruta de escaneo de campo plano. El sensor óptico de campo plano está dispuesto entre la lente convergente de campo plano y el componente óptico transparente y está posicionado en la ruta de escaneo de campo plano, donde el sensor óptico de campo plano está configurado para detectar una potencia óptica del haz lineal y genera una señal detectada basada en la potencia óptica del haz lineal que ha pasado por la lente convergente de campo plano. Además, se coloca un fotodetector entre el módulo de generación de luz láser y la lente convergente de campo plano, donde el fotodetector está configurado para detectar una potencia óptica del rayo lineal que no pasa la lente convergente de campo plano y generar una señal detectada. El controlador está conectado eléctricamente al módulo de generación de luz láser, al sensor óptico de campo plano y al fotodetector, y el controlador recibe la señal detectada del sensor óptico de campo plano y la señal detectada del fotodetector y calibra o ajusta la potencia óptica del haz puntual en base a la señal detectada del sensor óptico de campo plano y la señal detectada del fotodetector.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las características de la invención que se cree que son novedosas se establecen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas. Sin embargo, la invención en sí misma puede entenderse mejor haciendo referencia a la siguiente descripción detallada de la invención, que describe una realización ejemplar de la invención, tomada junto con los dibujos acompañantes, en los que:
La figura 1 es una vista esquemática de un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) según la presente descripción;
La figura 2 es una vista en sección del aparato generador de objetos 3D según la presente descripción;
La figura 3 es una vista superior del aparato generador de objetos 3D según la presente descripción;
La figura 4 es una vista en sección del aparato generador de objetos 3D según la presente descripción; y La figura 5 es un diagrama de bloques de circuito del aparato generador de objetos 3D según la presente descripción.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se describirá una realización preferida de la presente invención con referencia a los dibujos.
Se hace referencia a la figura 1 y figura 2; La figura 1 es una vista esquemática de un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) según la presente descripción; la figura 2 es una vista en sección del aparato generador de objetos 3D según la presente descripción. El aparato generador de objetos 3D (se omite su número de referencia) incluye un componente óptico transparente 100, un módulo generador de luz láser 160, un sensor óptico 20 de campo plano y una carcasa 4. La carcasa 4 tiene un espacio de acomodación 40 y una abertura 42 que se comunica con el espacio de acomodación 40. El componente óptico transparente 100 se coloca en la abertura 42. Más particularmente, el aparato generador de objetos 3D puede incluir además un adhesivo colocado entre el componente óptico transparente 100 y la carcasa 4 para fijar el componente óptico transparente 100 en la carcasa 4. La carcasa 4 incluye además al menos un carril de deslizamiento 44, como puede verse en la figura 1, donde el carril de deslizamiento 44 está posicionado en una superficie interior enfrentada al componente óptico transparente 100, y el módulo generador de luz láser 160 está ensamblado con el carril de deslizamiento 44, de modo que el módulo generador de luz láser 160 puede moverse a lo largo del carril de deslizamiento 44.
El componente óptico transparente 100 incluye una región de trabajo 102 y una región periférica 104 que rodea el área de trabajo 102. Un medio fluido 5 (tal como resina fotocurable) para producir un objeto 3D es dispuesto sobre el componente óptico transparente 100 y en la región de trabajo 102. La región periférica 104 del componente óptico transparente 100 está, por ejemplo, conectada a la carcasa 4.
Se hace referencia a la figura 4. El módulo de generación de luz láser 160 incluye un fotodetector 110, una lente de enfoque 112, un generador de luz láser 120, una lente convergente de campo plano 140 y un reflector 150. El generador de luz láser 120 está configurado para generar un haz lineal. La lente convergente de campo plano 140 colocada entre el generador de luz láser 120 y el componente óptico transparente 100 permite que el haz lineal pase a través de él y a continuación se forma una ruta de escaneo de campo plano.
La región de trabajo 102 está dentro de una cobertura de la ruta de escaneo de campo plano, por lo que el objeto 3D se puede generar dentro del medio fluido 20 que es curado selectivamente por el rayo lineal generado por el generador de luz láser 120 llevado al enfoque selectivo prescrito por una información del modelo 3D que ingresa al aparato generador de objetos 3D.
El generador de luz láser 120 incluye un emisor de luz 122 y un conjunto de ajuste de luz 124. El emisor de luz 122 es, por ejemplo, un diodo láser y está configurado para emitir un rayo puntual (un rayo de luz que puede enfocarse en un punto muy pequeño). El conjunto de ajuste de luz 124 incluye un colimador 1240, un componente convergente 1242 y un espejo poligonal 1244. El conjunto de ajuste de luz 124 recibe el haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 y transmite el haz que está colimado (por el colimador 1240) y convergido (por el componente convergente 1242) al espejo poligonal 1244. El espejo poligonal 1244 está posicionado en la trayectoria óptica del haz ajustado y puede girar alrededor de un eje 1246 para dirigir el haz ajustado sobre la lente convergente de campo plano 140 y el reflector 150 y producir el haz lineal. El emisor de luz 122, el colimador 1240 y el componente convergente 1242 pueden ensamblarse dentro de un cilindro 130 fijado sobre una envoltura del módulo de generación de luz láser 160.
El sensor óptico de campo plano 20 se coloca, por ejemplo, sobre el componente óptico transparente 100, y el sensor óptico de campo plano 20 y el generador de luz láser 120 están dispuestos en el mismo lado del componente óptico transparente 100. El sensor óptico de campo plano 20 puede colocarse dentro de la región de trabajo 102 o la región periférica 104, y está configurado para detectar la potencia óptica (también denominada potencia láser) del haz lineal que pasa a través de la lente convergente de campo plano 140. El sensor óptico 20 de campo plano está hecho, por ejemplo, de un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un dispositivo semiconductor de metal-óxido complementario (CMOS).
El fotodetector 110, la lente de enfoque 112 y el reflector 150 se colocan entre el generador de luz láser 120 y la lente convergente de campo plano 140.
El reflector 150 y la lente de enfoque 112 se colocan entre el espejo poligonal 1244 y el fotodetector 110 para formar un camino ópti
campo plano. Más particularmente, el reflector 150 puede montarse en la envoltura del módulo generador de luz láser 160, y la lente de enfoque 112 está dispuesta entre el reflector 150 y el fotodetector 110 y puede colocarse de manera que el punto focal de la lente de enfoque 112 esté en el fotodetector 110 para derivar la potencia del láser con una mayor precisión. En la práctica, el reflector 150 redirige una parte del haz lineal desde el espejo poligonal 1244 a la lente de enfoque 112 colocada antes del fotodetector 110, y a continuación el haz lineal se enfoca sobre el fotodetector 110. El fotodetector 110 detecta la potencia óptica del rayo lineal que no pasa a través de la lente convergente de campo plano 140, y a continuación genera una señal detectada basada en la potencia óptica detectada del rayo lineal que no pasa a través de la lente convergente de campo plano 140.
Se hace referencia a la figura 5, el fotodetector 110 y el sensor óptico de campo plano 20 están conectados eléctricamente al controlador 40. El controlador 40 está además conectado eléctricamente al emisor de luz 122. El controlador 40 puede controlar la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 basándose en la potencia óptica del haz lineal detectado por el sensor óptico de campo plano 20. Sin embargo, el controlador 40 también puede controlar la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 basándose en una diferencia entre la potencia óptica del haz lineal detectado por el sensor óptico de campo plano 20 y la detectada por el fotodetector 110.
El controlador 30 puede tener una tabla de búsqueda que proporcione datos relacionados para establecer la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 en base a la(s) potencia(s) óptica(s) del haz lineal detectado por el sensor óptico de campo plano 20 y/o detectado por el fotodetector 110; así, el controlador 30 puede obtener la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 según la tabla de búsqueda, mientras que la potencia óptica del haz lineal es detectada por el sensor óptico de campo plano 20 y/o detectada por el fotodetector 110.
Cabe señalar que la lente convergente de campo plano 140 cambia sus propiedades de transmitancia y refracción con la edad. El controlador 30 puede determinar si la lente convergente de campo plano 140 envejece o no basándose en la potencia óptica detectada por el sensor óptico de campo plano 20 y la detectada por el fotodetector 110, ya que el sensor óptico de campo plano 20 está configurado para detectar la potencia óptica del haz lineal que pasa a través de la lente convergente de campo plano 140 y el fotodetector 110 está configurado para detectar la potencia óptica del haz lineal que no pasa a través de la lente convergente del láser de campo plano 140. Más particularmente, cuando la lente convergente de campo plano 140 envejece, la potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente
convergente de campo plano 140 es menor que la que no pasa a través de la lente convergente de campo plano 140, ya que las propiedades del material y el coeficiente de refracción de la lente convergente de campo plano 140 cambian. Por tanto, el controlador 40 puede determinar si la lente convergente de campo plano 140 envejece o no basándose en la diferencia entre la señal captada con el sensor y la señal detectada. Si la lente convergente de campo plano 140 envejece, el controlador 30 puede calibrar la potencia óptica del haz puntual emitido por el emisor de luz 122 para hacer que la potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente 140 de campo plano envejecida sea constante para estabilizar la calidad del objeto 3D.
Además, el controlador 30 puede generar una señal de advertencia cuando la potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente 20 de láser de campo plano es menor que una potencia óptica preestablecida para indicar al usuario que la lente convergente 140 de campo plano es inadecuada para transmitir un haz lineal. El procedimiento de calibración para calibrar la potencia óptica del haz lineal del aparato de generación de objetos 3D puede realizarse antes de que se realice un procedimiento de generación de objetos 3D; sin embargo, el procedimiento de calibración también se puede realizar mientras se realiza el procedimiento de generación de objetos 3D o después de que se haya realizado el procedimiento de generación de objetos 3D.
El procedimiento de calibración para calibrar la potencia óptica del aparato generador de objetos 3D comienza con la activación del generador de luz láser 120 para generar el haz lineal mediante un controlador 30, el haz lineal se proyecta a la región de trabajo 102. El sensor óptico de campo plano 20 a continuación detecta la potencia óptica del haz lineal y envía la señal detectada en base a la potencia óptica detectada al controlador 30.
A continuación, el controlador 30 obtiene la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 basándose en la tabla de búsqueda y la señal detectada. Cuando la potencia óptica del haz lineal detectado por el sensor óptico de campo plano 20 es menor que la potencia óptica preestablecida para curar el medio fluido 5 y la potencia óptica del rayo puntual emitido por la luz emitida 122 es mayor que una potencia óptica de operación normal, el controlador 30 aumenta la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122. Por el contrario, cuando la potencia óptica del haz lineal detectado por el sensor óptico de campo plano 20 es mayor que la potencia preestablecida y la potencia óptica del haz puntual emitido por la luz emitida 122 es mayor que la potencia óptica de operación normal, el controlador 30 disminuye la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122. Por lo tanto, la potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente de campo plano 120 se puede calibrar para que sea constante, y se estabiliza la calidad para generar el objeto 3D.
Además, el controlador 30 puede emitir una señal de advertencia cuando la fotopotencia del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 es menor que la fotopotencia de operación normal para indicar al usuario que el medio fluido 5 no puede ser bien curado.
Además, el controlador 30 puede calibrar la potencia óptica del haz puntual emitido desde el emisor de luz 122 basándose en la señal detectada generada por el sensor óptico de campo plano 20 y la señal detectada generada por el fotodetector 110.
En resumen, la presente invención proporciona un procedimiento para calibrar la potencia óptica de un aparato generador de objetos 3D que incluye el componente óptico transparente 100, la lente convergente de campo plano 120 y un generador de luz láser que incluye un emisor de luz 112. El procedimiento comienza con proporcionar el sensor óptico de campo plano 20 y el controlador 30; el sensor óptico de campo plano 20 se coloca en el componente óptico transparente 100, y el controlador 30 está conectado eléctricamente al sensor óptico de campo plano 20 y al emisor de luz 122. El sensor óptico de campo plano 20 detecta la potencia óptica del haz lineal generado por el generador de luz láser 120 y que pasa a través de la lente convergente de campo plano 140 y genera una señal detectada. El controlador 30 calibra la potencia óptica del haz puntual emitido por el emisor de luz 122 basándose en la señal detectada cuando la potencia óptica del haz lineal que pasa a través de la lente convergente de campo plano 140 es diferente de la potencia óptica preestablecida para hacer que la potencia óptica del haz lineal que pasa a través de la lente convergente de campo plano 140 para curar el medio fluido 5 sea constante.
Claims (7)
1. Un procedimiento para calibrar una potencia óptica adaptado para ser realizado por un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) que comprende un generador de luz láser (120) para generar un haz lineal y una lente convergente de campo plano (140), y una ruta de escaneo de campo plano es formada cuando el haz lineal pasa a través de la lente convergente de campo plano (140), comprendiendo el procedimiento:
probar un sensor óptico de campo plano (20), un fotodetector (110) y un controlador (30), donde el sensor óptico de campo plano (20) está posicionado en la ruta de escaneo de campo plano, el fotodetector (110) se coloca entre el generador de luz láser (120) y la lente convergente de campo plano (140), y el controlador (30) está conectado eléctricamente al sensor óptico de campo plano (20), al fotodetector (110) y al láser generador de luz (120);
usar el sensor óptico de campo plano (20) para detectar una potencia óptica del haz lineal que ha pasado a través de la lente convergente de campo plano (140) y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador (30);
usar el fotodetector (110) para detectar una potencia óptica del haz lineal que no pasa a través de la lente convergente de campo plano (140) y enviar una señal detectada basada en la potencia óptica detectada al controlador (30); y
utilizar el controlador (30) para calibrar una potencia óptica del generador de luz láser (120) en base a la señal detectada del sensor óptico de campo plano (20) y la señal detectada del fotodetector (110).
2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende, además: usar el controlador (30) para aumentar la potencia óptica del haz lineal generado por el generador de luz láser (120) cuando la potencia óptica basada en la señal detectada es mayor que una potencia óptica de operación normal y menor que una potencia óptica preestablecida.
3. El procedimiento de la reivindicación 2, donde el controlador (30) detecta una señal de advertencia cuando la potencia óptica basada en la señal detectada es menor que la potencia óptica de operación normal.
4. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el controlador (30) hace que la potencia óptica del haz lineal sea una constante.
5. Un aparato generador de objetos tridimensionales (3D) que comprende:
un componente óptico transparente (100) que comprende una región de trabajo (102); un módulo de generación de luz láser (160) que comprende:
un emisor de luz (122) para emitir un haz puntual;
un espejo poligonal (1244) que puede girar alrededor de un eje para dirigir el haz puntual en un haz lineal; una lente convergente de campo plano (140) colocada entre el módulo de generación de luz láser (160) y el componente óptico transparente (100), donde se forma una ruta de escaneo de campo plano después de que el haz lineal ha pasado a través de la lente convergente de campo plano (140), y la región de trabajo (102) está dentro de una cobertura de la ruta de escaneo de campo plano,
caracterizado porque
un sensor óptico de campo plano (20) está dispuesto entre la lente convergente de campo plano (140) y el componente óptico transparente (100) y se coloca en la ruta de escaneo de campo plano, donde el sensor óptico de campo plano (20) está configurado para detectar una potencia óptica del haz lineal que ha pasado por la lente convergente de campo plano (140) y para generar una señal detectada basada en la potencia óptica del haz lineal que ha pasado por la lente convergente de campo plano (140);
un fotodetector (110) colocado entre el módulo de generación de luz láser (160) y la lente convergente de campo plano (140), donde el fotodetector (110) está configurado para detectar una potencia óptica del haz lineal que no pasa por la lente convergente de campo plano (140) y generar una señal detectada; y un controlador (30) conectado eléctricamente al módulo de generación de luz láser (160), al sensor óptico de campo plano (20) y al fotodetector (110),
donde el controlador (30) recibe la señal detectada del sensor óptico de campo plano (20) y la señal detectada del fotodetector (110) y calibra la potencia óptica del haz puntual en base a la señal detectada del sensor óptico de campo plano (20) y la señal detectada del fotodetector (110).
6. El aparato de la reivindicación 5, que comprende, además:
un reflector (150) colocado entre el módulo de generación de luz láser (160) y el fotodetector (110) para redirigir
una parte del haz lineal desde el espejo poligonal (1244) hacia el fotodetector (110); y
un componente convergente (112) colocado entre el reflector (150) y el fotodetector (110) de modo que un punto focal del componente convergente (112) esté en el fotodetector (110).
7. El aparato de la reivindicación 5 o 6, donde el sensor óptico de campo plano (20) está hecho de un dispositivo de carga acoplada o un semiconductor de metal-óxido complementario.
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