ES2958307T3

ES2958307T3 - Un director de haz

Info

Publication number: ES2958307T3
Application number: ES16849132T
Authority: ES
Inventors: Charles Bibas; Nianquing Zhou; Deon Hugo
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-14
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2024-02-07
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: MX2017016129A; JP2018520379A; WO2017052702A2; WO2017052702A3; EP3308212C0; PH12017502210B1; EP3308212B1; CA2983200A1; KR20180016596A; JP6869900B2; CN107850773B; HRP20231016T1; US9435998B1; EA201890040A1; EA034729B1; PH12017502210A1; EP3308212A4; KR20190067826A; BR112017026606B1; PL3308212T3

Abstract

Un director de haz que comprende; un primer reflector montado hacia el centro de una plataforma giratoria horizontal, la plataforma giratoria mediante un actuador, el director de haz configurado para recibir un haz vertical desde una fuente de haz perpendicular a la plataforma clasificable y el primer reflector configurado para girar el haz como plataforma gira y refleja el haz horizontalmente hacia un segundo reflector montado en la plataforma giratoria; el segundo reflector está configurado para reflejar el haz verticalmente hacia una superficie de trabajo de modo que cuando el haz se activa y el actuador gira la plataforma, el haz vertical golpea el primer reflector giratorio, gira el haz a medida que gira la plataforma y refleja el haz hacia el segundo reflector. que refleja el haz hacia la superficie de trabajo; Luego, la viga sigue una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y traza un arco en la superficie de trabajo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un director de haz

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a aparatos y a métodos para dirigir un haz que pueda imprimir, trazar, dibujar, gra bar, soldar y sinterizar objetos. Se refiere además a la creación de objetos tridimensionales colocando capas de material posteriores unas sobre otras.

CONTEXTO

Los direccionadores de haz en impresoras y escáneres tridimensionales (3-D) contienen servomotores galvanométricos y actuadores lineales para accionar y dirigir espejos y cristales con el fin de desviar y dirigir los haces. Por lo tanto, la velocidad de impresión y escaneo está limitada principalmente por el galvanómetro y la velocidad del actuador.

Un servomotor galvanométrico está limitado a una velocidad máxima de exploración de aproximadamente 2,5 KHz. Los servomotores del galvanómetro también tienen un error de posicionamiento de aproximadamente 5-10 micro radianes. Este error se hace más prominente a medida que aumenta la distancia objetivo del espejo impulsado por el servomotor del galvanómetro. Además, un servomotor galvanómetro tiende a estremecerse cuando alcanza su destino y, por lo tanto, presenta un establecimiento de ruido no deseado.

Los actuadores lineales se pueden usar para eliminar errores del galvanómetro. Sin embargo, si se utilizan actuadores lineales, entonces su ciclo de velocidad hacia delante y hacia atrás es limitado debido a la lenta aceleración y desaceleración causada por su inercia.

Otro método común de escaneo e impresión láser es el uso de espejos poligonales. Los espejos de polígono se pueden usar para dirigir el haz en una dimensión, mientras que la segunda dimensión se puede implementar me diante un actuador lineal o un galvanómetro. Aunque los espejos en forma de polígonos mejoran la limitación de velocidad del galvanómetro, contribuirán a la distorsión adicional debido a su geometría, mientras tiene lugar el mapeo no lineal del haz desde la entrada al campo de salida. Además, todos los espejos en forma de polígono deben ser completamente idénticos. Tanto el galvanómetro de eje X-Y como las técnicas de espejos de polígono sufren más distorsiones debido a la imperfección de la lente f-theta. El uso de f-theta contribuye con dos errores adiciona les:

1. El ángulo de haz sobre el área normal de la superficie crecerá a medida que se aleja del centro de la lente, causando una formación de haz elíptico en lugar de un círculo. 2. Los errores de conversión óptica de f-theta crecerán a medida que el haz se aleje del centro de la lente; la conversión óptica de tan (theta) crecerá no li neal a medida que theta crece. El documento DE 8601209 U1 divulga un dispositivo para iluminar un objeto, que comprende un primer espejo giratorio y un segundo espejo giratorio, que comprende una superficie re flectante, angular, inclinada, rotacional-estacionaria, siendo idénticos el eje de rotación del primer espejo y el segundo espejo, una fuente de haz alineada con el eje de rotación del primer y segundo espejo. El documen to JP H01237123 A divulga una impresora 3D, que comprende un primer espejo giratorio y un segundo espe jo giratorio, siendo idénticos los ejes de rotación del primer espejo y del segundo espejo, de modo que cuando gira el primer espejo, el segundo espejo gira con la misma velocidad angular.

El objeto de esta invención es mitigar los problemas discutidos anteriormente.

RESUMEN

Esta invención se refiere a una impresora tridimensional ya un método de impresión tridimensional. En la reivindica ción 1 se define una realización principal. En la reivindicación 3 se define otra realización principal. En las reivindica ciones dependientes se definen realizaciones adicionales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La invención se describirá ahora adicionalmente con referencia a los dibujos adjuntos:

FIG. 1: muestra una representación no reivindicada del direccionador de haz que recibe un haz vertical y el recorrido del haz subsiguiente.

FIG. 2: muestra una representación no reivindicada del direccionador de haz que recibe un haz horizontal y la tra yectoria que sigue el haz.

FIG. 3A: muestra una representación no reivindicada de la invención en la que el segundo reflector se puede des plazar con relación al primer reflector y la trayectoria que sigue el haz.

FIG. 3B: muestra una vista inferior de la representación no reivindicada de la figura 3A con una ranura de salida radial.

FIG. 4: muestra otra representación no reivindicada de la invención que recibe un haz horizontal y la trayectoria del haz.

FIG. 5: muestra otra representación no reivindicada de la invención con la fuente del haz dirigida hacia abajo dentro del direccionador de haz.

FIG. 6: muestra otra representación no reivindicada de la invención en la que la fuente del haz está dirigida vertical mente hacia arriba y unida al direccionador de haz.

FIG. 7: muestra el direccionador de haz instalado en una impresora 3-D.

FIG. 8: muestra otra representación no reivindicada en la cual los espejos están conectados por un brazo.

FIG. 9: muestra otra representación no reivindicada que usa un prisma romboidal.

FIG. 10: muestra otra representación con el segundo reflector siendo una superficie reflectante anular inclinada. FIG. 11: muestra otra representación con el reflector de cono con actuador de radio variable.

FIG. 12: muestra otra representación no reivindicada con una configuración de doble brazo.

FIG. 13: muestra el doble brazo desde abajo con agujeros de índice (muescas).

FIG. 14: muestra un diagrama de bloques de cómo se puede controlar el direccionador de haz.

FIG. 15: muestra un diagrama de un esquema simplificado para el localizador del brazo índice.

FIG. 16: muestra otra representación de un reflector anular inclinado que permite la impresión de 360° completos. FIG. 17: muestra otra vista de la FIG. 16 en una representación en la que es posible la impresión de 360° completos. FIG. 18: muestra otra representación de un reflector anular inclinado que permite la impresión de 360° utilizando un prisma como segundo reflector.

FIG. 19: muestra otra vista de la FIG. 18 en una representación en la que es posible la impresión de 360° completos utilizando un prisma como segundo reflector.

FIG. 20: muestra otra representación con un reflector de cono con actuador de radio variable utilizando un prisma como segundo reflector y que tiene una utilización de 360°.

DESCRIPCION DE DIBUJOS

La presente invención se describirá con referencia a los dibujos. Varios refinamientos y sustituciones son posibles basados en los principios y enseñanzas de este documento.

Con referencia a la FIG. 1, el direccionador de haz105tiene un orificio115en la parte superior de la carcasa110y una lente de enfoque112situada en el soporte118. El primer espejo106Eestá situado hacia el centro del disco de rotor giratorio109. El disco de rotor109es girado por el motor1o8. El primer espejo106Eestá orientado hacia el segundo espejo106Fy configurado para reflejar el enfoque (el haz se establece para enfocar en la superficie de trabajo) el haz107Ahacia el segundo espejo106F. El segundo espejo106Festá situado hacia el borde del disco del rotor109y está montado en un ángulo en el disco del rotor109y configurado para reflejar un haz hacia la super ficie de trabajo113que, en el caso de la FIG. 7 es la superficie de construcción de una impresora tridimensional. Cuando se activa, el haz107entra al direccionador de haz105a través del orificio115y pasa a través de la lente112para enfocar. El haz de enfoque107Agolpea luego el primer espejo106E. El motor108gira el disco de rotor109y el primer espejo106Ey el segundo espejo106Fmontado en el disco de rotor109. El haz de enfoque107Agira entonces y se refleja hacia el segundo espejo106F. Desde el segundo espejo106F, el haz107Ase refleja verticalmente y luego deja al direccionador de haz105a través de la abertura111como se muestra en la FIG. 2. El haz107Acontinúa luego a la superficie de trabajo113como se muestra en la FIG. 7, siguiendo una trayectoria curva relativa a la superficie de trabajo y trazando un arco en dicha superficie.

En la FIG. 2 se muestra otra representación del direccionador de haz105. En este caso, el direccionador de haz105tiene un tercer espejo fijo106Dmontado en un ángulo sobre el soporte118. El tercer espejo106Destá dirigido ha cia la lente112y está configurado para reflejar el haz horizontal107a través de la lente112hacia el primer espejo106E. Una vez que el tercer espejo106Drefleja el haz horizontal107verticalmente hacia el segundo espejo106Fa través de la lente112, el haz de enfoque107Asigue la misma trayectoria que se describió anteriormente y también sale del direccionador de haz105a través de la abertura111. El haz107Acontinúa luego a la superficie de trabajo113como se muestra en la FIG. 7, siguiendo una trayectoria curva relativa a la superficie de trabajo y trazando un arco en dicha superficie.

En la FIG. 3A, la representación se muestra con la carcasa110, el tercer espejo106Dy el soporte118con la lente112eliminada para ilustrar mejor una característica adicional de la invención. En esta configuración, el segundo espejo106Fes ajustable con relación al primer espejo106E. Como se muestra en la FIG. 3A, se realiza con un deslizamiento radial116accionado por el actuador radial120. Como se puede ver en la FIG. 3B, el haz de enfoque107Asale a través de la rendija radial de salida117. Al ajustar la distancia que recorre el haz107Adesde el primer al segundo espejo, el haz de enfoque107Asigue una trayectoria curva de radios ajustables en relación con la su perficie de trabajo113mostrada en la FIG. 7. Para mantener el haz enfocado en la capa113, es necesario colimar el haz107Ao el ángulo del cono debe ser de 45 grados.

La figura 4 muestra otra representación de la invención. En este caso, el direccionador de haz105está orientado boca abajo si se compara como se encuentra en la FIG. 2 con motor108y disco de rotor109hacia la parte superior. El segundo espejo106Festá orientado de manera diferente en comparación con el segundo espejo106Fen la FIG.

2. En la FIG. 4 el segundo espejo106Festá hacia la parte superior y refleja el haz107alejado del disco de rotor109hacia abajo, hacia la superficie de trabajo113.

En la FIG. 5 el tercer espejo106Des eliminado. La fuente de haz114está dentro del direccionador de haz105y está dirigida verticalmente hacia abajo hacia el primer espejo106E. El haz de enfoque107Asigue la misma trayec toria en el cabezal de impresión105como se discutió anteriormente.

En la FIG. 6 se muestra el direccionador de haz105similar al direccionador de haz que se muestra en la FIG. 5. En esta configuración, se retira el tercer espejo106Dy una fuente de haz externa vertical114dirigida hacia arriba hacia el primer espejo106Ey la carcasa110unida del direccionador de haz105.

Un objeto que se crea mediante una impresora 3-D se compone de pequeñas secciones de material que se calienta mediante un haz que incide sobre el material. El material luego se endurece a medida que el mismo se enfría. Se puede crear pequeñas secciones curvas mediante esta invención, debido a la acción de giro de los espejos y al haz que sigue a continuación una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y traza arcos en dicha superfi cie. Al activar y desactivar el haz (modulando el haz), las pequeñas secciones curvas pueden usarse para construir un objeto impreso.

La modulación del haz se realiza mediante control informático. Se carga una imagen digital del objeto a imprimir en la computadora. El software en la computadora luego calcula los diferentes patrones de capas posteriores que se deben generar e imprimir para construir el objeto capa por capa.

Con referencia a la FIG. 7, el direccionador de haz105se usa como cabezal de impresión para una impresora (3-D)101y se instala en un sistema de posicionamiento de una impresora 3-D. El sistema de posicionamiento en este caso es un sistema de pórtico de eje X-Y accionado por un actuador. La primera etapa del eje y104Ay la segunda etapa del eje y104Bestán soportadas por dos pilares103en sus extremos. Entre los pilares103se encuentra una superficie de trabajo113(la superficie de construcción de la impresora 3-D).

La etapa del eje x102es perpendicular al primer eje y104Ay a la segunda etapa del eje y104B. La etapa del eje x102se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de las etapas del eje y. El direccionador de haz105ubicado en la etapa del eje x102y se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la etapa del eje x102.

El espejo inferior106Aestá situado en el pie del pilar103y está orientado en un ángulo hacia el espejo superior106By configurado para reflejar el haz107hacia el espejo superior106Bque está situado hacia la parte superior del pilar103. El espejo superior106Bestá configurado para reflejar el haz107hacia el espejo106Cde la etapa del eje x. El espejo de la etapa del eje X106Cestá configurado para reflejar un haz hacia el direccionador de haz105. Debe apreciarse que existen numerosas otras disposiciones de espejos por las cuales el haz107puede dirigirse hacia el cabezal de impresión.

En esta representación, el direccionador de haz105como se ilustra en la FIG. 2 se usa como cabezal de impresión. Por lo tanto, el haz107se dirigirá hacia el tercer espejo106Dcomo se muestra en la FIG. 2.

Con referencia a la FIG. 7 cuando la fuente de haz se activa, el haz107golpea el espejo inferior106Ay se refleja hacia arriba hacia el espejo superior106B. El haz107se refleja luego hacia el espejo de etapa X106Cmediante el espejo superior106B. Luego el espejo de etapa X106Crefleja el haz107hacia el tercer espejo106Ddel direccio nador de haz105mostrado en la FIG. 2.

El haz107sigue entonces la trayectoria en el direccionador de haz105de la FIG. 2 hasta que el haz de enfoque107Asale del direccionador de haz105como se muestra en la FIG 7.

El haz de enfoque107Agolpea la superficie de trabajo113(superficie de construcción de la impresora 3-D) en el punto107Bcomo se muestra en la FIG. 7. Dado que el haz de enfoque107Agira por el primer espejo106E, el haz de enfoque107Asigue entonces una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y traza un arco en dicha superficie113.

Después de cada rotación del disco de rotor109, el direccionador de haz105es movido por un ancho de haz en la dirección del eje X por el sistema de posicionamiento. El haz ahora imprimirá una nueva curva al lado de la anterior. Esto continuará hasta que se llegue al final del objeto a imprimir en la dirección del eje X. El direccionador de haz105se moverá entonces sobre un ancho de curva por el sistema de posicionamiento en la dirección del eje Y. El direccionador de haz se desplazará hacia atrás en la dirección del eje X hacia el extremo opuesto del objeto que se va a imprimir en la dirección del eje X. Otro aspecto de la invención es mover X e Y simultáneamente mientras el cabezal de impresión105está imprimiendo.

Una vez más, cuando se alcanza este extremo, el direccionador de haz volverá a moverse sobre un ancho de curva en la dirección del eje Y y una vez más se moverá a lo largo del eje X en la dirección opuesta. Esta acción de impri mir hacia adelante y atrás continuará hasta que se complete una capa entera del objeto. Cuando se complete la primera capa, la superficie de trabajo (o la superficie de construcción de una impresora 3D) se reducirá en la direc ción del eje z por un grosor de capa, y se aplicará una nueva capa de polvo sobre la capa actual y el proceso de impresión comenzará de nuevo para la nueva capa. Por lo tanto, el objeto se construirá imprimiendo capas posterio res una sobre otra.

En la FIG. 8 se muestra otra representación en la que en lugar de usar un disco de rotor109se reemplaza con un brazo125. El brazo125sujeta el segundo espejo106Fhorizontalmente en posición con respecto al primer espejo106E.

En la FIG. 9 se muestra que en lugar del disco de rotor109, se usa la plataforma prisma de rotor121Bsobre la cual está montado el prisma romboidal121A. El primer lado angulado del prisma 106E<p>y el segundo lado angulado del prisma106FPen este caso actúan como primer y segundo espejo106Ey106F.

En la FIG. 10 se muestra que el segundo espejo106Ftiene una superficie reflectante anular inclinada132(confor mada similar a un corte horizontal de un cono) que está soportada por el elemento de superficie reflectante anular131. La superficie reflectante anular inclinada132rodea horizontalmente al primer espejo106E, es estacionaria y tiene el mismo eje vertical que el eje de rotación del primer espejo106E. El primer espejo106Ees girado por el motor108que se mantiene en posición mediante el soporte del motor133. La superficie reflectante anular132tiene un diámetro grande y un diámetro pequeño. El diámetro grande se dirige hacia la superficie de trabajo, forma un ángulo con respecto al eje de rotación del primer espejo106Ey está configurado para reflejar el haz de enfoque107Averticalmente hacia la superficie de trabajo. Cuando el haz de enfoque107Agolpea el primer espejo106Ey el motor108gira el primer espejo106E, el primer espejo106Erota el haz107Amientras gira y refleja el haz a la su perficie reflectante anular inclinada132que refleja el haz de enfoque107Aa la superficie de trabajo; el haz sigue una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y traza un arco en dicha superficie.

En la FIG. 11 hay una representación en la que el segundo espejo106Ftiene forma de cono y el reflector de cono129Aes la superficie reflectante del cono interior del miembro de cono129. El reflector de cono129Arodea al pri mer reflector106Ey tiene el mismo eje vertical que el eje de rotación del primer espejo106E. El reflector de cono129Aes rotacionalmente estacionario. El diámetro mayor del reflector de cono129Aestá dirigido hacia la superficie de trabajo y configurado para reflejar un haz desde el primer reflector hacia la superficie de trabajo.

El miembro de cono129tiene una base de soporte126con una primera varilla guía127A, y una segunda varilla guía127B. La varilla roscada124descansa sobre la base de soporte126. El soporte del motor133mantiene el motor108en su lugar y tiene un primer orificio guía128Aa través del cual va la varilla guía127A, el segundo orificio guía128Ba través del cual va la varilla guía127By el orificio roscado128Ca través del cual pasa el eje roscado124. La rosca del orificio roscado128Cse aplica a la rosca del eje roscado124. El motor de cono123está conecta do al árbol roscado124y gira el árbol roscado124. El motor108está conectado y gira el primer espejo106E. Cuando se activa el motor de cono123, la varilla roscada124gira y se acopla con la rosca del orificio roscado128Cy desplaza verticalmente el reflector de cono129Acon relación al primer espejo106E, mientras que las varillas guía127Ay127Bestabilizan y guían el soporte de motor133. Durante el desplazamiento del cono reflector129Arelativo al primer espejo106E, el haz de enfoque107Agolpea el reflector de cono129Ay la distancia (radio) que recorre el haz de enfoque107Adesde el primer espejo106Ehasta el reflector cónico129Acambia. Conforme la distancia recorrida desde el eje de rotación del primer espejo106Eque el haz107Aabandona, el elemento de cono129sufre cambios. El haz de enfoque107Atraza arcos de radios variables en la superficie de trabajo con el eje de rotación del primer espejo106Ecomo el origen de los radios. Para mantener el haz enfocado en la capa113, es necesario colimar el haz107Ao el ángulo del cono debe ser de 45 grados.

En la representación preferida en la FIG. 12, el primer espejo rotativo vertical106Ees giratorio sobre sí mismo por el motor108y recibe un haz de enfoque vertical107A. El primer espejo106Ehace rotar el haz vertical mientras gira y refleja el haz horizontalmente a un segundo espejo106Fen el extremo del brazo125. El brazo125tiene un miem bro estabilizador opuesto, un brazo falso125Acomo contrapeso y proporciona una mayor estabilidad durante la rotación. Los brazos125Ay125están montados en el soporte del brazo125B. El segundo espejo106Frefleja lue go el haz de enfoque107Averticalmente hacia la superficie de trabajo113en la FIG. 7.

El haz107puede ser de cualquier longitud de onda o tipo de haz, por ejemplo, láser, luz, rayos X o un haz de luz infrarroja. También podría ser un haz de partículas, como por ejemplo una molécula, átomo, ion, protón, neutrón, isótopo, electrón o cualquier otra partícula subatómica.

El haz107también podría ser transportado al direccionador de haz105desde una fuente de haz fuera del direccionador de haz a través de una fibra de haz. En esta invención, la velocidad de impresión está limitada en gran medida solo por la velocidad de rotación del motor108. No hay acción de parada/arranque que cause aceleración y desace leración durante la cual se pierde el tiempo de impresión. Dado que el disco de rotor109, el brazo125por sí mismo y el brazo125en combinación con el brazo falso125Asiguen girando a una velocidad constante, no hay necesidad de ralentizar o invertir la velocidad.

La calidad de impresión de la invención se mejora a medida que el haz golpea la superficie de trabajo113(objetivo) perpendicularmente y por lo tanto mitiga los errores relacionados con f-theta, galvanómetro y/o espejos de polígono. Algunos de los errores f-theta se producen cuando un haz golpea la superficie objetivo en un ángulo. En sistemas de escaneo y impresión donde el haz se dirige al desviarlo desde un espejo hacia el objetivo, el haz golpea al objetivo en un ángulo. Esto causa distorsión f-theta donde el diámetro del haz cambia de círculo a forma elíptica.

Considere una lente ordinaria con un eje de lente imaginaria en la misma dirección en que el haz se desplaza a través de la lente y el eje de la lente atraviesa el centro de la misma. Defina un ángulo entre el eje de la lente y la trayectoria de un haz que se origina en el centro de la lente como theta. En estas lentes ordinarias, la longitud del foco es en forma de una sección de la superficie de una esfera con el punto donde el eje pasa a través de la lente como el origen de la esfera. Si se proyecta una imagen de la lente en la superficie interior de una esfera, estará enfocada. Esto se debe a que la longitud del camino que sigue el haz en cualquier ángulo de theta siempre será el mismo, como se mencionó que es el radio de una esfera.

Sin embargo, si la imagen se proyecta sobre una superficie plana, es una cuestión diferente. Si una lente ordinaria se dirige hacia una superficie plana y la lente se enfoca en la región de la superficie plana donde el haz golpea la superficie perpendicularmente, la imagen se desenfocará más cuanto más lejos se mueva del punto donde el haz golpea la superficie plana perpendicularmente. A medida que el ángulo theta aumenta, la imagen se desenfocará más.

La distancia que debe recorrer el haz para golpear la superficie plana aumenta a medida que aumenta el ángulo del haz entre el eje de la lente y la trayectoria del haz. Es decir, a medida que el ángulo theta aumenta la distancia que debe recorrer el haz también aumenta. Como la trayectoria del rayo es más larga, excede la distancia focal de la lente. Esto da como resultado un rayo y una imagen fuera de foco. Esto se puede corregir con una lente F-theta. Sin embargo, las lentes F-theta son caras y la solución f-theta no está libre de errores.

En esta invención, sin embargo, el haz se dirige de forma ortogonal directa por encima del objetivo. El camino hacia el objetivo permanece constante y el haz siempre está enfocado. Por lo tanto, no es necesario un lente de corrección F-theta y se ahorra dinero.

Además, la mejora de la calidad y velocidad de impresión se obtiene eliminando los errores del galvanómetro ya que la rotación del motor108se mantiene a una velocidad constante en comparación con los errores de inversión del galvanómetro y los errores de posicionamiento.

Esta invención se puede implementar en impresoras 3-D, cortadores de material, marcado de materiales y escáne res de muchas configuraciones diferentes. Por ejemplo, puede implementarse en impresoras y escáneres donde los movimientos y/o controles del sistema se basan generalmente en coordenadas polares relativas al centro de una superficie de construcción. Los componentes de estos tipos de escáneres e impresoras pueden incluir generalmente una superficie de construcción giratoria; una cabeza de impresión/escaneo colocada sobre la superficie de construc ción; un sistema de posicionamiento acoplado al cabezal de impresión/escaneado y configurado para mover el ca bezal de impresión/escaneado sobre la superficie de construcción en función de las coordenadas polares relativas a un centro.

Esta invención tiene muchas aplicaciones adicionales. Por ejemplo, también se puede usar para crear patrones de recortes en materiales, marcado de materiales, sinterizado de materiales, fusión de materiales, endurecimiento de materiales, grabado de materiales, revestimiento de materiales, placas litográficas y máscaras que pueden usarse en la fabricación de electrónica y dispositivos electrónicos como, por ejemplo, circuitos integrados. Esta invención también podría adaptarse para su uso en impresoras 3-D ordinarias con un sistema de posicionamiento X/Y donde la superficie de construcción es una superficie plana, desplazada a lo largo del eje Z hacia y desde el cabezal de impresión, y en las que el material de construcción se deposita en la superficie construida y se acumula capa por capa.

La carcasa del direccionador de haz puede estar hecha de metal, plástico acrílico, vidrio o cualquier material ade cuado que sea resistente. El rotor del direccionador de haz puede estar hecho de un material sólido ligero o aleación tal como aluminio, madera, vidrio, acrílico, ABS, grafito, fibra de carbono o cualquier material ligero adecuado. Cuando el direccionador de haz está hecho de vidrio, plástico transparente o cualquier material transparente ade cuado, se puede incorporar un prisma romboidal en la estructura como una sola pieza y, por lo tanto, se elimina la necesidad de espejos.

Los reflectores están generalmente hechos de espejos o material pulido como aluminio, níquel y otros materiales reflectantes adecuados o prismas hechos de vidrio o plástico o material similar. Las dimensiones de los reflectores dependen del diámetro del haz. Como ejemplo, un diámetro de haz de 3 mm requerirá un tamaño de espejo de 4.5 mm por 4.5 mm para acomodar el tamaño del haz.

Cuando se fabrica un prisma y se corta como un prisma romboidal, la dimensión de la sección transversal es gene ralmente un 50% más grande que el diámetro del haz. De este modo, con un diámetro del haz de 3 mm, se utiliza un prisma romboidal con una sección transversal de 5 mm por 5 mm. La longitud del prisma romboidal determinará el radio del arco que se imprimirá. Como se puede ver en la FIG. 9, en el caso de un prisma romboidal con una longi tud de 40 mm, la longitud del trayecto del haz107Aserá de 40 mm. El radio del arco que se imprime también es de 40 mm.

El motor que se puede usar es un motor de corriente continua sin escobillas (bldc) con salida de tacómetro o reali mentación de efecto Hall para estabilizar la velocidad de rotación. La salida del motor se ve influenciada por la iner cia del rotor.

La lente de enfoque es de tipo plano-convexo o cualquier otra lente de enfoque de tipo adecuado con una distancia focal de aproximadamente 100 mm.

Las dimensiones del cabezal de impresión son escalables y para este caso particular como se muestra en la FIG. 1 y Fig.2 es:

1. Altura: 130 mm.

2. Ancho: 100 mm.

3. Profundidad: 100 mm.

4. Diámetro del disco: 80 mm.

5. Espesor del disco: 3 mm.

La FIG. 15 muestra cómo se realiza la función de localización del brazo índice utilizando un emisor y detector infra rrojo integrado en un solo paquete, el TCND5000 de VISHAY SEMICONDUCTOR. Esta es una combinación de detector sensor de infrarrojos que consiste en un emisor led y un fotodiodo. La MPU Primaria (que no sea el contro lador basado en MPU dedicado, que se tratará más adelante) controlará las señales de salida del localizador de índices ópticos. Cuando no hay un brazo presente o cuando el detector está frente a las muescas grabadas125Do125E, la tensión de salida se aproximará a 0 voltios y se calculará mediante:

Vout = I dark_current * R1;(cuando no hay rotor o cuando está por encima de la muesca -> entonces I dark_current; de lo contrario I_ reflective cuando el detector de infrarrojos detecta el haz de infrarrojos del emisor) ;Cuando el detector mira al cuerpo del brazo, la superficie reflectante aumentará la corriente del fotodiodo con la misma fórmula: ;Vout = I_reflective * R1

//Incluso si la superficie refleja el 20% de la intensidad en el peor caso

// La corriente del fotodiodo superará los 10 micro amperios

En este caso, Vout será aproximadamente 5+.

Cuando el rotor (doble brazo en este caso) está girando, la MPU Primaria leerá las señales y detectará el patrón para el cabezal o para la cola. Además, la distancia en el tiempo entre los pulsos proporcionará las RPM del rotor.

Los procedimientos de calibración para el Emisor y el Receptor permitirán un ajuste fino de la supervisión del brazo por parte de la MPU Primaria superando las desviaciones de las especificaciones de la hoja de datos. Véase la soli citud de patente de EE.UU. de referencia 14/538.924.

R2 está configurando la corriente del emisor. Elegido a 870 ohmios.

C1 reducirá el ruido. Elegido a 5PF; Tenga en cuenta que un valor más alto para C1 puede aumentar el tiempo de respuesta.

AD8615 es un opamp de corriente de desviación baja (amplificador operacional) por DISPOSITIVOS ANALÓGICOS AGND es el circuito de tierra

-Vs es la entrada de fuente de alimentación negativa AD8615

Vs es el AD8615 y la entrada de la fuente de alimentación positiva

Aunque se puede emplear una configuración de rotor o brazo de tamaño completo, la configuración de doble brazo en la FIG. 12 y FIG. 13 es más estable. Reduce la inercia y proporciona la velocidad máxima, es simétrica con res pecto al eje de rotación y, por lo tanto, más equilibrada. El brazo falso125Aactúa como contrapeso y proporciona estabilidad durante la rotación. Se presta a una fácil fabricación a partir de una variedad de materiales como el alu minio. En la Fig. 12, los reflectores106Ey106Festán pulidos a un grado de espejo y pueden ser recubiertos con plata para mantener la alta energía del láser y protegerlos contra los arañazos.

En la FIG. 13 se muestra la representación del doble brazo desde abajo. El receptáculo del eje del motor125Creci be el eje del motor108. Los orificios del índice (muescas)125Dy125Eestán situados en los brazos125Ay125respectivamente. Se usan en combinación con un localizador de índice para determinar la posición de rotación del brazo doble.

Se puede usar un motor108BLY174S-24V-12000 de ANAHEIM AUTOMATION para un brazo doble (125y125Ajuntos) con una longitud de 30 mm.

Como se muestra en la FIG. 14, el motor seleccionado es un motor bldc de 3 fases con sensores de efecto Hall para un mejor control de la velocidad del motor. El motor está conectado al controlador del motor bldc, de modo que pue de detectar la velocidad de rotación del motor y controlar la velocidad del mismo. El controlador de motor bldc tam bién está utilizando la unidad de microprocesador (MPU), TMS320F28069M de TEXAS INSTRUMENT, INC. Esto permite el control de velocidad de bucle cerrado del motor. La MPU TMS320F28069M también maneja el controlador de hardware DRV8312, fabricado por TEXAS INSTRUMENT, INC. El TMS320F28069M es una MPU dedicada, parte del controlador del motor, encargada de mantener el circuito cerrado de las rotaciones del motor por minuto. El loca lizador de índice de motor es una combinación de emisor y detector óptico en un paquete, el TCND5000 de VISHAY SEMICONDUCTOR. Esta es una combinación de detector sensor infrarrojo que consiste en un emisor led y un fotodiodo que entrega un tiempo de respuesta de aproximadamente 15 nanosegundos. El sensor óptico se colocará a 6 mm del rotor rotativo. El sensor detectará la presencia de un brazo (125o125A) y los orificios de índice (muescas)125Dy125Een el brazo.

Como se muestra adicionalmente en la FIG. 14, la señal de salida del localizador del índice del motor está conecta da a la MPU Primaria que será leída por la misma. La MPU Primaria debe distinguirse de la parte dedicada de la MPU del controlador del motor, encargada de mantener el circuito cerrado de las rotaciones del motor por minuto. El localizador de índice proporciona la MPU Primaria con la posición de rotación del brazo doble. La MPU Primaria está conectada al modulador láser que controla el disparo del láser. La MPU Primaria tiene una imagen tridimensional del objeto que se va a imprimir cargado en su memoria. La MPU Primaria calcula o carga una porción de las capas horizontales del objeto 3-D que se imprimirán una sobre la otra para construir el objeto 3-D.

La MPU Primaria envía una señal al controlador de motor bldc para establecer la velocidad del motor. Detecta la posición del brazo con el localizador del índice del motor. Usando la ubicación del brazo (y la ubicación X/Y del ca bezal de impresión) y la capa específica que se debe imprimir, del objeto a imprimir, genera una señal de salida al modulador láser que dispara el láser.

Una opción más económica será usar un motor paso a paso en lugar de usar un motor de corriente continua sin escobillas (bldc) con salida de tacómetro o retroalimentación de efecto Hall. Esto eliminará el uso de un controlador de motor bldc, que puede detectar la velocidad de rotación del motor y controlar la velocidad del mismo. El motor paso a paso también eliminará la necesidad de un localizador de índice.

En la FIG. 16, el elemento de superficie reflectante anular131tiene un cojinete136en su centro. El cojinete interior136del árbol hueco138pasa sobre el mismo y tiene un primer espejo106Emontado en un ángulo de su extremo como se muestra en la FIG. 17. El cojinete136facilita la rotación del eje hueco138. El primer engranaje de espejo138Aengrana con el engranaje del motor137y está unido al eje hueco138A. El engranaje del motor137está co nectado al eje del motor108como se ve en la FIG. 16. En funcionamiento, el motor108hace girar el eje hueco138Aa través de los engranajes137y138A. El primer espejo106Egira con el eje hueco138A. El haz de enfoque107Aentra en el eje hueco138y choca con el primer espejo106Eque gira el haz107Ay la refleja hacia la superfi cie reflectora anular inclinada132que refleja el haz de enfoque107Ahacia abajo sobre la superficie de trabajo113como se muestra en la FIG. 7. Esta representación hace posible la impresión de 360° completos.

En la FIG. 18, el elemento de superficie reflectante anular131tiene un cojinete136en su centro. El cojinete interior136del eje hueco138pasa sobre el mismo y tiene un primer espejo106Emontado en un ángulo de su extremo como se muestra en la FIG. 19. El cojinete136facilita la rotación del eje hueco138. El primer engranaje de espejo138Aengrana con el engranaje del motor137y está unido al eje hueco138A. El engranaje del motor137está co nectado al eje del motor108como se ve en la FIG. 18. En funcionamiento, el motor108hace girar el eje hueco138Aa través de los engranajes137y138A. El primer espejo106Egira con el eje hueco138A. El haz de enfoque107Aentra en el eje hueco138y choca rotando el primer espejo106Eque gira el haz107Ay lo refleja a través de la pared del prisma134a la pared reflectora135que a su vez refleja el haz de enfoque107Ahacia abajo sobre la superficie de trabajo113como se muestra en la FIG. 7. Esta representación hace posible la impresión de 360° com pletos.

La FIG. 20 muestra una representación similar a la figura 11 donde se logra una exploración de 360° y donde el segundo reflector es un prisma en forma de cono, donde107Ase refleja fuera del espejo106Ey se refleja hacia y a través de la pared del prisma134y luego se refleja fuera de la pared interior del prisma135hacia y a través de la pared del prisma inferior139.

Los reflectores que pueden usarse incluyen espejos, prismas, cristales y otros elementos reflectantes. Los reflecto res también se pueden incorporar en la carcasa de un miembro aerodinámico para facilitar la rotación y el flujo de aire sobre los reflectores. Un ejemplo sería el de una carcasa con forma de disco.

Aunque la invención se ha mostrado y descrito con respecto a ciertas representaciones, es obvio que los equivalen tes y las modificaciones se les ocurrirán a otros expertos en la materia tras la lectura y la comprensión de la especifi cación. La presente invención incluye todos los equivalentes y modificaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una impresora tridimensional (101), que comprende:

una superficie de trabajo (113);

un cabezal de impresión que comprende un direccionador de haz (105);

un sistema de posicionamiento (104A), (104B), (103) posicionado sobre él cabezal de impresión que com prende un direccionador de haz, el sistema de posicionamiento en este caso es un sistema de pórtico de eje X-Y accionado por un actuador para mover el cabezal de impresión sobre la superficie de trabajo; en el que el direccionador de haz comprende:

una fuente de haz (114) para generar un haz (107A);

un primer reflector giratorio (106E) configurado para recibir un haz desde una fuente de haz en el que el cabezal de impresión está posicionado de manera que la fuente de haz esté alineada con un eje de rota ción del primer reflector y recibir un haz a lo largo de un eje de rotación del primer reflector;

un accionador (108) para girar el primer reflector sobre el eje de rotación, mediante el cual el primer reflec tor gira y refleja el haz en un ángulo constante con respecto al primer eje de rotación, en el que el acciona dor está posicionado sobre y gira sobre el eje de rotación del primer reflector; y

un segundo reflector (106F) que mira constantemente al primer reflector en un ángulo constante; el segun do reflector configurado para reflejar el haz hacia una superficie de trabajo en un ángulo constante al mis ma, y un eje del segundo reflector alineado con un eje de rotación del primer reflector

por lo que cuando el haz se activa y el actuador gira el primer reflector, el haz golpea el primer reflector gi ratorio girando y reflejando el haz hacia el segundo reflector, que a su vez refleja el haz hacia la superficie de trabajo; el haz sigue una trayectoria curva en relación con la superficie de trabajo y dibuja un arco en di cha superficie

en el que el segundo reflector comprende una superficie reflectora anular, inclinada, rotacionalmente esta cionaria (132), que rodea al primer reflector; el segundo reflector en un ángulo con respecto al eje de rota ción del primer reflector; en donde la superficie reflectora anular tiene un diámetro grande y un diámetro pequeño, el diámetro grande dirigido hacia la superficie de trabajo por lo que cuando el haz se activa y el actuador gira el primer reflector; el haz vertical golpea el primer reflector giratorio que gira y refleja el haz a la superficie reflectora anular del segundo reflector, que a su vez refleja el haz a la superficie de trabajo.

2. Una impresora de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el segundo reflector refleja el haz del primer re flector paralelo al eje de rotación del primer reflector y perpendicular a la superficie de trabajo.

3. Un método de impresión tridimensional que incluye dirigir un haz hacia una superficie de trabajo (113) con un direccionador de haz(105), el direccionador de haz formando parte de un cabezal de impresión colocado en un sistema de posicionamiento (104A), (104B), (103) de una impresora tridimensional; el sistema de posicionamiento en este caso es un sistema de pórtico de eje X-Y accionado por un actuador para mover el ca bezal de impresión sobre la superficie de trabajo, el método comprende:

generar un haz (107A) con una fuente de haz (114) del direccionador de haz;

girar un primer reflector (106E) del direccionador de haz alrededor de un eje de rotación con un actuador (108), en el que la fuente de haz y el haz esté alineados con un eje de rotación, y el accionador está colo cado sobre y gira alrededor del eje de rotación del primer reflector;

dirigir el haz hacia el primer reflector a lo largo del eje de rotación del primer reflector;

proporcionar un segundo reflector (106F) que mira constantemente al primer reflector en un ángulo cons tante a medida que gira el primer reflector; en el que un eje del segundo reflector está alineado al eje de ro tación del primer reflector;

reflejar el haz con el primer reflector en un ángulo constante al eje de rotación hacia el segundo reflector; reflejar el haz con el segundo reflector hacia una superficie de trabajo de una impresora tridimensional; de modo que cuando el haz se activa y el actuador gira el primer reflector; el haz golpea el primer reflector giratorio que gira y refleja el haz al segundo reflector, que a su vez refleja el haz a la superficie de trabajo en un ángulo constante al mismo; luego el rayo sigue una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y dibuja un arco en dicha superficie;

en el que el segundo reflector comprende una superficie reflectante anular inclinada (132) que rodea el pri mer reflector; siendo rotacionalmente estacionario y teniendo un eje central igual que el eje de rotación del primer reflector; en el que la superficie reflectora anular incluye un diámetro grande y un diámetro pequeño, el diámetro grande dirigido hacia la superficie de trabajo; de modo que cuando el haz se activa y el actua dor gira el primer reflector, el haz vertical incide sobre el primer reflector giratorio que gira y refleja el haz hacia la superficie anular reflectante del segundo reflector, que a su vez refleja el haz hacia la superficie de trabajo; luego, el haz sigue una trayectoria curva con respecto a la superficie de trabajo y traza un arco en dicha superficie.

4. El método de la reivindicación 3, en el que el segundo reflector refleja el haz paralelo al eje de rotación del primer reflector y perpendicular a la superficie de trabajo.