ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ DESCRIPTION
Διαδικασία απομάκρυνσης υποστηρίξεων κατά τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων με τη μέθοδο του φωτοπολυμερισμού με τη χρήση δύο ή περισσοτέρων Process of removing supports during the creation of three-dimensional models by the photopolymerization method using two or more
ρητινών resins
Η εφεύρεση αναφέρεται στη διαδικασία απομάκρυνσης των υποστηρίξεων κατά τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων με τη μέθοδο του φωτοπολυμερισμού με τη χρήση δύο ή περισσοτέρων ρητινών. Η εφεύρεση χρησιμοποιείται κατά τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων με τη μέθοδο του φωτοπολυμερισμού με τη χρήση δύο ή περισσοτέρων ρητινών είτε με την τεχνολογία της στερεολιθογραφίας (stereolithography - SLA) είτε με την τεχνολογία της ψηφιακής επεξεργασίας φωτός (digital light processing - DLP) είτε με οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία που βασίζεται στην μέθοδο του φωτοπολυμερισμού με τη χρήση δύο ή περισσοτέρων ρητινών. The invention refers to the process of removing supports during the creation of three-dimensional models by the photopolymerization method using two or more resins. The invention is used in the creation of three-dimensional models by the method of photopolymerization using two or more resins either with the technology of stereolithography (stereolithography - SLA) or with the technology of digital light processing (digital light processing - DLP) or with any other technology based on the photopolymerization method using two or more resins.
Η δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων με την διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης χρησιμοποιεί τη λογική προσθήκης διαδοχικών στρώσεων υλικού κάτω από την καθοδήγηση και των έλεγχο κάποιου ηλεκτρονικού υπολογιστικού συστήματος. Αυτά τα μοντέλα μπορούν να έχουν σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα και γεωμετρία και παράγονται από κάποιο τρισδιάστατο μοντέλο το οποίο έχει σχεδιαστεί με κάποιο συμβατό σχεδιαστικό λογισμικό, μέσω κάποιου τρισδιάστατου εκτυπωτή ή μέσω κάποιας ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής και τη βοήθεια κάποιου φωτογεωμετρικού λογισμικού. Ανεξάρτητα ποιος από τους παραπάνω τρόπους έχει χρησιμοποιηθεί, το αρχείο του τρισδιάστατου μοντέλου θα πρέπει να μετατραπεί σε μορφή η οποία είναι κατανοητή από το λογισμικό ελέγχου του τρισδιάστατου εκτυπωτή ο οποίος θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του τρισδιάστατου μοντέλου. Πριν την εκτύπωση του τρισδιάστατου μοντέλου από το αρχείο το οποίο μπορεί να επεξεργαστεί ο τρισδιάστατος εκτυπωτής, θα πρέπει αυτό να ελεγθεί για λάθη και παραλήψεις και να γίνουν οι απαραίτητες διορθώσεις όπου απαιτούνται με χρήση λογισμικού. Εν συνεχεία μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται ο «τεμαχισμός» του μοντέλου ώστε το μοντέλο να χωριστεί σε λεπτές στρώσεις που αντιστοιχούν στο πάχος που θα έχει η κάθε μια φυσική στρώση κατά τη διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης του μοντέλου. Αυτές οι λεπτές στρώσεις ενώνονται ώστε να παράγουν τη γεωμετρία του φυσικού τρισδιάστατου μοντέλου. Η ανάλυση ενός τρισδιάστατου εκτυπωτή είναι το ελάχιστο πάχος που μπορεί να έχει κάθε στρώση (άξονας Ζ) και η ανάλυση στους άξονες X - Υ. Μετριέται συνήθως σε micrometers (μm). Η κατασκευή ενός μοντέλου μπορεί να διαρκέσει από μερικές ώρες μέχρι μερικές μέρες ανάλογα με την μέθοδο κατασκευής, το μέγεθος του αντικειμένου, την πολυπλοκότητα του καθώς και την επιθυμητή ακρίβεια. Κάποιες τεχνικές επιτρέπουν την χρήση περισσοτέρων του ενός υλικού κατασκευής, τη χρήση διαφόρων χρωμάτων και χρωματικών συνδυασμών ταυτόχρονα και έτσι δεν απαιτείται επιπλέον βάψιμο του τελικού τρισδιάστατου μοντέλου. Κάποιες τεχνικές απαιτούν την κατασκευή υποστηρίξεων οι οποίες υποστηρίζουν τα διάφορα χαρακτηριστικά του αντικειμένου κατά τη διάρκεια κατασκευής του έτσι ώστε να μην υποστούν καταρρεύσεις, αλλοιώσεις, παραμορφώσεις κτλ. Αυτές οι υποστηρίξεις θα πρέπει μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής του τρισδιάστατου μοντέλου να απομακρυνθούν μηχανικά ή με τη χρήση διαλυμάτων αφού έχει ολοκληρωθεί η διαδικασία κατασκευής. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι κατασκευής οι οποίες κατά κύριο λόγο διαφοροποιούνται στο πως εναποτίθενται τα διάφορα στρώματα υλικού για να δημιουργήσουν το τελικό τρισδιάστατο μοντέλο και στα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται. Κάθε μέθοδος έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της και η επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου θα πρέπει να γίνεται με βάση τις ανάγκες που υπάρχουν σε κάθε περίπτωση. Η μέθοδος του φωτοπολυμερισμού είναι μια από τις πιο σύγχρονες μεθόδους η οποία δίνει εξαιρετικά αποτελέσματα. Στον φωτοπολυμερισμό ένα δοχείο με υγρό πολυμερές (ρητίνη) εκτίθεται σε ελεγχόμενο φωτισμό κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες και το εκτιθέμενο υγρό πολυμερές σκληραίνει. Η τράπεζα κατασκευής εν συνεχεία κινείται προς τα κάτω (άξονας Ζ) με μικρά βήματα τα οποία εξαρτώνται από την ακρίβεια που απαιτείται και το υγρό πολυμερές εκτίθεται ξανά στον ελεγχόμενο φωτισμό. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται μέχρι να «κτισθεί» ολόκληρο το μοντέλο. Το υγρό πολυμερές εν συνεχεία αποστραγγίζεται από το δοχείο και αφήνει το στερεό μοντέλο. Η συγκεκριμένη μέθοδος δίνει πολύ καλά αποτελέσματα σε αντικείμενα με περίπλοκη γεωμετρία και αντικείμενα που έχουν πολύ μεγάλη λεπτομέρεια. Για να επιτευχθεί αυτό κατά τη δημιουργία του μοντέλου κατασκευάζονται ταυτόχρονα υποστηρίξεις για να υποστηρίξουν τις πολύπλοκες γεωμετρίες αντικειμένου κατά τη διάρκεια κατασκευής του έτσι ώστε να μην υποστούν καταρρεύσεις, αλλοιώσεις, παραμορφώσεις κτλ. Η απομάκρυνση τους γίνεται μέχρι και σήμερα είτε με το χέρι, είτε με ψεκασμό νερού υπό πίεση ώστε να αποκολληθούν, είτε με άλλα μηχανικά εργαλεία. Ο χρόνος ο οποίος απαιτείται για αυτή την απομάκρυνση πολλές φορές ξεπερνά το χρόνο κατασκευής, ενώ σε πολλές περιπτώσεις είναι αδύνατη η πλήρης απομάκρυνση των υποστηρίξεων λόγω της περίπλοκής γεωμετρίας του αντικειμένου, του μικρού μεγέθους του αντικειμένου ενώ συχνά υπάρχουν καταστροφές στο τρισδιάστατο μοντέλο λόγω κακών χειρισμών κατά την διαδικασία απομάκρυνσης των υποστηρίξεων. Στην εφεύρεση η οποία περιγράφεται έχουμε τη χρήση δύο ή περισσοτέρων ρητινών με διαφορετική σύνθεση η κάθε μια, με διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Η ρητίνη ή οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του κυρίως σώματος του τρισδιάστατου μοντέλου δεν είναι υδροδιαλυτή / τές ενώ η ρητίνη ή οι ρητίνες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των υποστηρίξεων είναι υδροδιαλυτή / τές. Έτσι είτε κατά την διάρκεια κατασκευής του τρισδιάστατου μοντέλου είτε μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής του, το μοντέλο εμβαπτίζεται σε δοχείο το οποίο περιέχει νερό ή μίγμα νερού με αντίστοιχο διαλυτικό και αυτό έχει ως συνέπεια οι υποστηρίξεις της κατασκευής να διαλύονται από το νερό ή το μίγμα νερού με αντίστοιχο διαλυτικό λόγω του ότι η / οι ρητίνη / νες κατασκευής τους είναι υδροδιαλυτές, ενώ το κυρίως σώμα του τρισδιάστατου μοντέλου να παραμένει αναλλοίωτο λόγω του ότι η / οι ρητίνη / νες κατασκευής τους δεν είναι υδροδιαλυτές. Αυτό έχει ως συνέπεια να μην απαιτείται απομάκρυνση των υποστηρίξεων με το χέρι, με ψεκασμό νερού υπό πίεση ή με άλλες μηχανικές μεθόδους μειώνοντας κατά πολύ το συνολικό χρόνο κατασκευής, αυξάνοντας έτσι την παραγωγικότητα, μειώνοντας το κόστος κατασκευής και αυξάνοντας επιπλέον την ποιότητα του τελικού μοντέλου λόγω καλύτερου φινιρίσματος και έλλειψης μηχανικών καταπονήσεων που αυτό υφίσταται κατά τη διαδικασία της μηχανικής απομάκρυνσης των υποστηρίξεων του. The creation of 3D models with the process of 3D printing uses the logic of adding successive layers of material under the guidance and control of an electronic computer system. These models can have almost any shape and geometry and are produced from a 3D model designed with compatible design software, through a 3D printer, or through a digital camera with the help of photogeometric software. No matter which of the above methods is used, the 3D model file should be converted into a format that is understandable by the 3D printer control software that will be used to build the 3D model. Before printing the 3D model from the file that can be processed by the 3D printer, it should be checked for errors and omissions and the necessary corrections made where required using software. Afterwards, through appropriate software, the model is "sliced" so that the model is divided into thin layers that correspond to the thickness that each natural layer will have during the 3D printing process of the model. These thin layers are joined together to produce the geometry of the physical 3D model. The resolution of a 3D printer is the minimum thickness that each layer can have (Z axis) and the resolution in the X - Y axes. It is usually measured in micrometers (μm). The construction of a model can last from a few hours to a few days depending on the construction method, the size of the object, its complexity as well as the desired accuracy. Some techniques allow the use of more than one construction material, the use of various colors and color combinations at the same time and thus no additional painting of the final 3D model is required. Some techniques require the construction of supports that support the various features of the object during its construction so that they do not undergo collapse, alteration, deformation, etc. These supports should be removed mechanically or with the completion of the construction of the 3D model use of solutions after the manufacturing process has been completed. There are various manufacturing methods which mainly differ in how the various layers of material are deposited to create the final 3D model and in the materials used. Each method has its advantages and disadvantages and the choice of the most suitable method should be made based on the needs that exist in each case. The photopolymerization method is one of the most modern methods which gives excellent results. In photopolymerization a container of liquid polymer (resin) is exposed to controlled light under specific conditions and the exposed liquid polymer hardens. The build table then moves down (Z-axis) in small steps that depend on the accuracy required and the liquid polymer is again exposed to the controlled illumination. This process is repeated until the entire model is "built". The liquid polymer is then drained from the container and leaves the solid model. This particular method gives very good results on objects with complex geometry and objects that have a lot of detail. In order to achieve this during the creation of the model, supports are simultaneously built to support the complex geometries of the object during its construction so that they do not undergo collapses, alterations, deformations, etc. Their removal is done to this day either by hand or with water spray under pressure to detach them, or with other mechanical tools. The time required for this removal often exceeds the construction time, while in many cases it is impossible to completely remove the supports due to the complex geometry of the object, the small size of the object, while there are often damages to the 3D model due to poor handling by the process of removing supports. In the invention described we have the use of two or more resins with a different composition, each with different physical and chemical properties. The resin or resins used to make the main body of the 3D model are not water soluble while the resin or resins used to make the supports are water soluble. Thus, either during the construction of the three-dimensional model or after the completion of its construction, the model is immersed in a container containing water or a mixture of water with a corresponding solvent and this has the consequence that the supports of the construction are dissolved by the water or water mixture with a corresponding solvent due to the fact that the resins of their construction are water-soluble, while the main body of the 3D model remains unchanged due to the resins of their construction not being water-soluble. This results in no need to remove the supports by hand, pressurized water spray or other mechanical methods greatly reducing overall build time, thus increasing productivity, reducing manufacturing costs and further increasing the quality of the final model due to better finish and lack of mechanical stresses that it undergoes during the process of the mechanical removal of its supports.
Για να γίνει καλύτερα κατανοητή ολόκληρη η διαδικασία, παρουσιάζεται στα Σχέδια 1 μέχρι και 4 ένας ενδεικτικός αλλά μη δεσμευτικός εξοπλισμός ο οποίος κατασκευάζει τρισδιάστατα μοντέλα με τη μέθοδο του φωτοπολυμερισμού με τη χρήση δύο ή περισσοτέρων ρητινών. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε χρήση δύο ρητινών, μιας υδροδιαλυτής η οποία χρησιμοποιείται για την κατασκευή των υποστηρίξεων του τρισδιάστατου μοντέλου και μιας μη υδροδιαλυτής που χρησιμοποιείται για την κατασκευή του σώματος του τρισδιάστατου μοντέλου, αλλά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και περισσότερες των δύο ρητινών οι οποίες όσες ήταν υδροδιαλυτές θα χρησιμοποιούνταν για την κατασκευή των υποστηρίξεων ενώ όσες δεν ήταν υδροδιαλυτές θα χρησιμοποιούνταν για την κατασκευή του σώματος του τρισδιάστατου μοντέλου. Στο δοχείο Α τοποθετείται η υδροδιαλυτή ρητίνη και στο δοχείο Β η μη υδροδιαλυτή ρητίνη. Στα δοχεία C και D έχουμε διάλυμα το οποίο καθαρίζει το τρισδιάστατο μοντέλο έτσι ώστε να «δένουν» καλύτερα οι στρώσεις του αντικειμένου όταν η μία στρώση είναι υδροδιαλυτή και η άλλη μη υδροδιαλυτή. Όλα τα δοχεία είναι τοποθετημένα πάνω στην περιστρεφόμενη τράπεζα I. Πάνω σε σταθερό άξονα βρίσκονται οι πλάκες G και Η οι οποίες με τη βοήθεια ειδικού μηχανισμού κινούνται πάνω κάτω. Στην κάτω επιφάνεια αυτών των πλακών χτίζονται τα τρισδιάστατα μοντέλα. Οι δύο πλάκες G και Η κατεβαίνουν στο εσωτερικό των δοχείων Α και Β όπου βρίσκονται οι ρητίνες. Οι ρητίνες φωτοπολυμερίζονται με τη χρήση των φωτεινών δεσμών που εκπέμπονται από τους εκπομπείς φωτεινών δεσμών Ε και F. Η εκπομπή είναι στοχευμένη μόνο στα σημεία τα οποία θέλουμε να πολυμεριστούν ώστε να σκληρύνουν και να «χτίσουν» την πρώτη στρώση του τρισδιάστατου μοντέλου μας. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλου λογισμικού που συνοδεύει το μηχάνημα. Εν συνεχεία οι πλάκες ανεβαίνουν βηματικά προς τα επάνω και το βήμα είναι τόσο όσο έχουμε καθορίσει εμείς μέσω του λογισμικού του μηχανήματος ανάλογα με την ακρίβεια που επιθυμούμε να επιτύχουμε. Η διαδικασία συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο μέχρι να έχουμε στρώση όπου θα πρέπει να γίνει εναλλαγή φωτοπολυμεριζόμενης και μη φωτοπολυμεριζόμενης στρώσης. Εκεί η περιστρεφόμενη βάση I περιστρέφεται κατά 90 μοίρες και τα τρισδιάστατα αντικείμενα εμβαπτίζονται στο διάλυμα που περιέχουν τα δοχεία C και D ώστε να καθαριστούν ώστε να δέσουν καλύτερα η στρώση από μη υδροδιαλυτή ρητίνη με τη στρώση από υδροδιαλυτή ρητίνη. Εν συνεχεία και αφού στεγνώσει το αντικείμενο η βάση I περιστρέφεται ακόμα 90 μοίρες για να χτιστεί η επόμενη στρώση που αποτελείται από υδροδιαλυτή ρητίνη αν η προηγούμενη στρώση ήταν μη υδροδιαλυτή και το αντίθετο. Αν η εν λόγω μηχανή έχει περισσότερα ζεύγη δοχείων αντίστοιχα η περιστροφή γίνεται κατά 45° ή 60° ή όποιες μοίρες απαιτούνται ώστε να επιτυγχάνεται η ίδια διαδικασία και το αντίστοιχο αποτέλεσμα. Η διαδικασία συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο μέχρι να ολοκληρωθεί η κατασκευή του τρισδιάστατου μοντέλου. In order to better understand the whole process, an illustrative but non-binding equipment is shown in Figures 1 through 4 which makes three-dimensional models by the photopolymerization method using two or more resins. In this particular case we are using two resins, a water-soluble one which is used to make the supports of the 3D model and a non-water-soluble one which is used to make the body of the 3D model, but more of the two resins could be used which were water soluble ones would be used to make the supports while those that were not water soluble would be used to make the body of the 3D model. The water-soluble resin is placed in container A and the non-water-soluble resin in container B. In containers C and D we have a solution that cleans the 3D model so that the layers of the object "bond" better when one layer is water-soluble and the other non-water-soluble. All containers are placed on the rotating table I. On a fixed axis are the plates G and H which, with the help of a special mechanism, move up and down. On the lower surface of these plates the 3D models are built. The two plates G and H are lowered into the containers A and B where the resins are located. The resins are photopolymerized using the light beams emitted by light beam emitters E and F. The emission is targeted only at the points that we want to polymerize in order to harden and "build" the first layer of our 3D model. This is achieved through appropriate software that comes with the machine. Then the plates are raised step by step and the step is as much as we have determined through the software of the machine according to the precision we wish to achieve. The process continues in the same way until we have a layer where a photopolymerizable and non-photopolymerizable layer should be alternated. There the rotating base I is rotated 90 degrees and the three-dimensional objects are immersed in the solution contained in containers C and D to be cleaned to better bond the non-water soluble resin layer with the water soluble resin layer. Then, after the object has dried, the base I is rotated another 90 degrees to build the next layer consisting of water-soluble resin if the previous layer was non-water-soluble, and vice versa. If the machine in question has several pairs of containers respectively, the rotation is done by 45° or 60° or whatever degrees are required to achieve the same process and the corresponding result. The process continues in the same way until the construction of the 3D model is complete.
Με την ολοκλήρωση της διαδικασίας κατασκευής το τρισδιάστατο μοντέλο εμβαπτίζεται σε δοχείο με νερό ή μίγμα νερού με αντίστοιχο διαλυτικό όπου τα υποστηρίγματα τα οποία είχαν δημιουργηθεί κατά την κατασκευή διαλύονται μιας και ήταν κατασκευασμένα από υδροδιαλυτή ρητίνη. Ενδεικτικά, στα Σχέδια 5 μέχρι και 8 παρουσιάζονται κάποια τρισδιάστατα μοντέλα τα οποία έχουν κατασκευαστεί με την μέθοδο του πολυμερισμού ρητινών. Το κομμάτι του αντικειμένου (σημείο 1, στα Σχέδια από 5 έως και 8) αντιστοιχεί στο μέρος το οποίο είναι κατασκευασμένο από μη υδροδιαλυτή ρητίνη και το οποίο θα παραμείνει καθώς αποτελεί το κυρίως τρισδιάστατο μοντέλο και το κομμάτι του αντικειμένου (σημείο 2, στα Σχέδια από 2 έως και 8) αντιστοιχεί στο μέρος το οποίο είναι κατασκευασμένο από υδροδιαλυτή ρητίνη και το οποίο θα διαλυθεί καθώς αποτελεί τις υποστηρίξεις του τρισδιάστατου μοντέλου που θέλουμε να απομακρύνουμε ύστερα από την διαδικασία κατασκευής του τρισδιάστατου μοντέλου. Upon completion of the manufacturing process, the 3D model is immersed in a container of water or a mixture of water with a corresponding solvent, where the supports that were created during the manufacturing process dissolve since they were made of water-soluble resin. As an example, Figures 5 to 8 show some three-dimensional models that have been manufactured using the resin polymerization method. The part of the object (point 1, in Drawings from 5 to 8) corresponds to the part which is made of non-water soluble resin and which will remain as the main three-dimensional model and the part of the object (point 2, in Drawings from 2 to 8) corresponds to the part which is made of water-soluble resin and which will dissolve as it constitutes the supports of the 3D model that we want to remove after the 3D model manufacturing process.