RU2119430C1

RU2119430C1 - Stereolithographic plant

Info

Publication number: RU2119430C1
Application number: RU95122554A
Authority: RU
Inventors: В.И. Кодолов; Ю.В. Бондарь; А.Ю. Бондарь
Original assignee: Ижевский государственный технический университет
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: stereolithographic plants. SUBSTANCE: plant consists of laser 2, scanning system, optical system, bath 7 for photopolymerized composition, control computer. System of laser beam guidance is used in the form of inertialess mechanical system of three-dimensional forming NC machines. The system is made in the form of removable mountings with mirrors 4. Mountings with mirrors 4 are installed on machine table. One of them is moved along axis Y, while the other, along axes X and Y. Mirrors are moved simultaneously with movement of quartz lens 5 allowing accurate regulation of focal distance to surface of photosetting composition. Beam chopping is effected with the help of mechanical modulator. After formation of layer, process platform is displaced through a preset value downward and cycle is repeated until the article is formed layer by layer. EFFECT: simplified laser alignment and manufacture of large articles. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области переработки полимеров, преимущественно к области конструирования стереолитографических установок. Стереолитографические установки (СУ) находят применение при моделировании изделий и оснастки, а также изготовлении изделий машиностроения, судостроения, авиационной, медицинской, оборонной промышленности. The invention relates to the field of polymer processing, mainly to the field of design of stereolithographic installations. Stereolithographic installations (SU) are used in modeling products and equipment, as well as in the manufacture of engineering products, shipbuilding, aviation, medical, and defense industries.

Известны конструкции стереолитографических установок, в которых формируется деталь и изделие из фотополимеризующейся композиции под действием луча УФ-лазера. В качестве композиции используются обычно реакционноспособные олигомеры, а УФ-лазеры представляют собой гелий-кадмиевые или аргоновые газоразрядные приборы. В качестве аналогов предлагаемого изобретения выбрано семейство СУ, выпускаемых за рубежом, с управлением луча лазера поворотным зеркалом за счет угловых перемещений луча лазера с отражением от зеркал. Облучение поверхности полимерной композиции достигается сверху или снизу в зависимости от конструкции СУ. Существуют СУ с нижним или верхним расположением лазеров, а также с использованием светодиодов. При этом невозможно изготавливать крупногабаритные изделия из-за угловых ограничений в перемещении луча. Known designs of stereolithographic installations in which a part and an article are formed from a photopolymerizable composition under the action of a UV laser beam. As a composition, usually reactive oligomers are used, and UV lasers are helium-cadmium or argon gas-discharge devices. As analogues of the present invention, a family of SUs manufactured abroad is selected with the control of the laser beam by a rotary mirror due to the angular movements of the laser beam with reflection from the mirrors. The surface irradiation of the polymer composition is achieved from above or below, depending on the design of the SU. There are control systems with lower or upper lasers, as well as using LEDs. At the same time, it is impossible to produce large-sized products due to angular restrictions in the movement of the beam.

В качестве аналога выбрана стереолитографическая установка SLA-250 фирмы "3D Systems" (патент США N 4575330), состоящая из гелий-кадмиевого ультрафиолетового лазера (с длиной волны 325 нм) с воздушным охлаждением (с верхним расположением); оптической системы фокусирования луча; системы сканирования (наведения) лазерного луча, состоящая из системы гальванических зеркал с электронным управлением; ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой; управляющего компьютера с программным обеспечением для обработки данных трехмерных геометрических изображений. As an analogue, the stereolithography unit SLA-250 of the company "3D Systems" (US patent N 4575330), consisting of a helium-cadmium ultraviolet laser (with a wavelength of 325 nm) with air cooling (with an upper arrangement), was chosen; optical beam focusing system; scanning systems (guidance) of the laser beam, consisting of a system of galvanic mirrors with electronic control; stainless steel bathtubs with a lifting technological platform; a control computer with software for processing data of three-dimensional geometric images.

На SLA-250 проводится изготовление изделий с габаритными размерами 250 • 250 • 250 мм. Луч лазера подается через систему поворотных зеркал сверху вниз на зеркало и, отражаясь от него, попадает на поверхность наружного слоя полимерной композиции. SLA-250 is manufacturing products with overall dimensions of 250 • 250 • 250 mm. The laser beam is fed through a system of rotary mirrors from top to bottom on the mirror and, reflected from it, enters the surface of the outer layer of the polymer composition.

В качестве прототипа принята СУ SLA-500 (патент США N 5133987, 1992 г.), состоящая из аргонового ультрафиолетового лазера (с длиной волны 351 нм) с водяным охлаждением (с нижним расположением); оптической системы фокусирования луча, в которой на пути лазерного луча между системой поворотных (динамических) зеркал и поверхностью фотополимеризующейся композиции установлено промежуточное зеркало, позволяющая изготавливать изделия с размерами 500 • 500 • 500 мм; системы сканирования (наведения) лазерного луча, включающей элементы гальванического процессирования с электронным управлением с двумя сканирующими зеркалами, двухосевой гальванометр со сканирующими головками; ванны из нержавеющей стали с подъемной технологической платформой; управляющего компьютера с программным обеспечением для обработки данных трехмерных геометрических изображений. As a prototype adopted SU SLA-500 (US patent N 5133987, 1992), consisting of an argon ultraviolet laser (with a wavelength of 351 nm) with water cooling (with a lower location); an optical beam focusing system, in which an intermediate mirror is installed on the path of the laser beam between the system of rotary (dynamic) mirrors and the surface of the photopolymerizable composition, which makes it possible to manufacture products with dimensions of 500 • 500 • 500 mm; laser beam scanning (guidance) systems, including electronically controlled galvanic processing elements with two scanning mirrors, a two-axis galvanometer with scanning heads; stainless steel bathtubs with a lifting technological platform; a control computer with software for processing data of three-dimensional geometric images.

Существенным недостатком в известной конструкции являются сложность в юстировке лазера, невозможность получения крупногабаритных деталей, т.к. наведение лазерного луча проводится электронным управлением через систему гальванических элементов путем поворота динамических зеркал относительно собственной оси, и луч, отклоняясь от промежуточного зеркала, находящегося вверху на большую величину, имеет недопустимую угловую погрешность отклонения от поверхности композиции и плохо отверждает ее. Размеры промежуточного зеркала соответствуют размерам ванны. Регулировка такого большого зеркала не позволяет компенсировать угловые погрешности поворотных динамических зеркал. A significant drawback in the known design is the difficulty in aligning the laser, the inability to obtain large parts, because The laser beam is guided electronically through a system of galvanic cells by rotating dynamic mirrors about its own axis, and the beam, deviating from the intermediate mirror at the top by a large amount, has an unacceptable angular error of deviation from the surface of the composition and does not cure it well. The dimensions of the intermediate mirror correspond to the dimensions of the bathtub. Adjusting such a large mirror does not compensate for the angular errors of rotary dynamic mirrors.

Задачей изобретения является расширение технических возможностей СУ, где в качестве наведения лазерного луча используется безынерционная механическая система обрабатывающего центра (ОЦ 1-22), что позволяет упростить юстировку лазера, а также изготавливать крупногабаритные детали, что позволяет использовать стандартное оборудование на базе трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ. The objective of the invention is to expand the technical capabilities of the control system, where the inertialess mechanical system of the processing center (OC 1-22) is used as a laser beam guidance, which allows to simplify the laser alignment, as well as to produce large-sized parts, which allows the use of standard equipment based on three-coordinate milling machines with CNC.

Технический результат достигается изменением управления лазерным лучом за счет применения безынерционной механической системы обрабатывающего центра и установкой штативов с зеркалами и с кварцевой линзой на ОЦ 1-22. Штативы с зеркалами устанавливают на стол станка. Одно из них перемещается по оси Y, другое по оси X и Y, на котором установлена кварцевая линза позволяющая точно отрегулировать фокусное расстояние до поверхности фотоотверждающейся композиции. The technical result is achieved by changing the control of the laser beam through the use of an inertia-free mechanical system of the processing center and the installation of tripods with mirrors and a quartz lens on the OC 1-22. Tripods with mirrors are mounted on the machine table. One of them moves along the Y axis, the other along the X and Y axis, on which a quartz lens is mounted that allows you to precisely adjust the focal length to the surface of the photocurable composition.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция стереолитографической установки отличается тем, что в качестве наведения лазерного луча применяется безынерционная механическая система обрабатывающего центра, а в прототипе - система гальванического прецессирования с электронным управлением, состоящая из 2-х сканирующих зеркал, 2-осевого гальванометра со сканирующими головками. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype allows us to conclude that the claimed design of the stereolithographic installation is characterized in that the inertialess mechanical system of the processing center is used as a laser beam guidance, and in the prototype there is an electronically controlled galvanic precession system consisting of 2 scanning mirrors, 2-axis galvanometer with scanning heads.

Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed invention meets the criteria of the invention of "novelty."

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид стереолитографической установки (СУ). СУ представляет собой универсальный обрабатывающий центр ОЦ 1-22 (1). Рядом, отдельно от него, на специальной наверочной плите для юстировки лазера расположен гелий-кадмиевый ультрафиолетовый лазер (2) верхнего расположения, перед которым установлен модулятор, прерывающий при необходимости луч лазера (на чертеже не показан). Штатив с зеркалом (3) установлен на столе, который может перемещаться по оси Y (фиг. 2). Штатив с зеркалом (4) и фокусирующей (кварцевой) линзой (5) установлен на столе, который может перемещаться по оси X и Y. Зеркала находятся во взаимно разных плоскостях под углом 45^o друг к другу. Основание с технологической платформой (6) установлено в вертикальный шпиндель, обеспечивающий перемещение по оси Z. Ванна (7) установлена неподвижно на кронштейн-подставку (8), который закреплен к станине, с регулировкой уровня фотоотверждающейся композиции. Габариты ванны 800 • 500 • 500 мм. Управляющий компьютер, который обеспечивает работу исполнительных органов СУ, на чертеже не показан.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a General view of a stereolithographic installation (SU). SU is a universal processing center OC 1-22 (1). Next to it, separately from it, on a special plate for laser alignment, there is a top-position helium-cadmium ultraviolet laser (2), in front of which a modulator is installed, interrupting the laser beam if necessary (not shown in the drawing). A tripod with a mirror (3) is mounted on a table that can move along the Y axis (Fig. 2). A tripod with a mirror (4) and a focusing (quartz) lens (5) is mounted on a table that can move along the X and Y axis. The mirrors are in mutually different planes at an angle of 45 ^{o to} each other. The base with the technological platform (6) is installed in a vertical spindle, which provides movement along the Z axis. The bath (7) is fixedly mounted on the support bracket (8), which is fixed to the bed, with the adjustment of the level of the photocurable composition. Bath dimensions 800 • 500 • 500 mm. The control computer, which ensures the operation of the executive bodies of the control system, is not shown in the drawing.

Стереолитографическая установка работает следующим образом. Stereolithographic installation works as follows.

При работе СУ луч лазера попадает на зеркало (3), отражается от него на зеркало (4) и через фокусирующую линзу (5) достигает поверхности жидкой фотоотверждающейся композиции. Штатив с зеркалом (3) перемещается по оси Y (оси зеркал (3) и (4) совпадают). Перемещение по оси X и Y проводится совместно штативом с зеркалом (4) и линзой (5), а также штативом с зеркалом (3), т. е. в данном случае зеркала (3) и (4) перемещаются по криволинейной геометрической поверхности синхронно по заданной программе. Прерывание луча проводится механическим модулятором. During the operation of the SU, the laser beam hits the mirror (3), is reflected from it onto the mirror (4), and through the focusing lens (5) reaches the surface of the liquid photocurable composition. The tripod with the mirror (3) moves along the Y axis (the axis of the mirrors (3) and (4) coincide). Moving along the X and Y axis is carried out jointly by a tripod with a mirror (4) and a lens (5), as well as a tripod with a mirror (3), i.e., in this case, the mirrors (3) and (4) move synchronously on a curved geometric surface according to a given program. The beam is interrupted by a mechanical modulator.

После того как создание слоя завершится, происходит перемещение технологической платформы (6) на заданную величину вниз. Цикл повторяется до тех пор, пока послойно не будет изготовлена вся деталь. After the creation of the layer is completed, the technological platform (6) moves down a predetermined amount. The cycle is repeated until the entire part is made in layers.

Наведение сканирования луча лазера осуществляется безынерционной механической системой обрабатывающего центра, обеспечивающей точность сканирования 0,005-0,01 мм. Основным рабочим элементом системы является устройство типа "винт-гайка", в котором трение скольжения заменено на трение качения. На поверхности гайки и винта имеются углубления, где устанавливаются калиброванные шарики, которые гасят инерционные движения по всей длине хода винта. Устройство подключается к электродвигателю постоянного тока и управляется датчиком угловых перемещений типа BE-178 A, преобразующим поворот угла вала в число электрических импульсов по четырем последовательностям, которые сдвинуты относительно друг друга на 90^o. Две последовательности определяют начало отсчета и используются при выходе в нулевую точку с точностью до 0,001 мм. Другие четыре последовательности имеют по 1000 импульсов, что обеспечивает перемещение с дискретностью до 0,001 мм. Система отслеживает величину перемещения, т.е. число импульсов с датчика. При совпадении заданного числа импульсов со считанным происходит останов перемещения. Датчик содержит оптическую головку и блок формирования импульсов.The laser beam is guided by the inertialess mechanical system of the machining center, which ensures a scanning accuracy of 0.005-0.01 mm. The main working element of the system is a screw-nut type device in which sliding friction is replaced by rolling friction. On the surface of the nut and screw there are recesses where calibrated balls are installed that absorb inertial movements along the entire length of the screw travel. The device is connected to a DC motor and is controlled by a BE-178 A type angular displacement transducer, which converts the rotation of the shaft angle into the number of electrical pulses in four sequences that are 90 ^o offset from each other. Two sequences determine the origin and are used when reaching the zero point with an accuracy of 0.001 mm. The other four sequences have 1000 pulses, which provides movement with a resolution of up to 0.001 mm. The system monitors the amount of movement, i.e. the number of pulses from the sensor. When the specified number of pulses coincides with the read one, the movement stops. The sensor contains an optical head and a pulse forming unit.

Лазерный луч может перемещаться с различным "шагом" по горизонтали и по вертикали. Под "шагом" по горизонтали понимается расстояние между параллельными штрихами сканирующего луча. "Шаг" по вертикали - единичное перемещение шпинделя с технологической платформой по оси Z. The laser beam can move with different "steps" horizontally and vertically. Horizontal "step" refers to the distance between parallel strokes of the scanning beam. "Step" vertically - a single movement of the spindle with the technological platform along the Z axis.

Компьютерная модель, генерируемая трехмерным геометрическим редактором рассекается на поперечные сечения с необходимой толщиной слоя и разделяется на блоки с результирующей толщиной. Файлы тонких слоев проверяются на замкнутость контуров, узкие полости, перегибы геометрических фигур, включая и технологические поддержки. The computer model generated by the three-dimensional geometric editor is dissected into cross sections with the required layer thickness and divided into blocks with the resulting thickness. Files of thin layers are checked for closed loops, narrow cavities, excesses of geometric shapes, including technological support.

При этом определяются:
точка привязки (нулевая) точка на поверхности ФПК по осям X, Y, а также максимальные координаты X, Y;
расстояние по оси (Z) для опускания технологической подложки, равной толщине слоя;
метод построения (одиночное или перекрестное движение лазера);
области затрудненного затекания;
траектории движения луча лазера;
время задержки и время стояния в точке;
оболочковый контур для создания пограничного контура внешней линии и создания сплошной поверхности сцепления линии с предыдущим слоем;
расстояние по оси Z для опускания технологической платформы, обеспечивающей полное затекание жидкости на предыдущий слой, равный толщине слоя;
расстояние по оси Z для поднятия технологической платформы, обеспечивающей толщину последующего слоя;
правильность поднятия технологической платформы на нужную высоту с регулировкой плоскости.In this case, the following are determined:
anchor point (zero) point on the surface of the FPK along the X, Y axes, as well as the maximum coordinates of X, Y;
the distance along the axis (Z) for lowering the technological substrate equal to the thickness of the layer;
construction method (single or cross laser motion);
areas of difficult flow;
trajectories of the laser beam;
delay time and standing time at the point;
shell contour to create a boundary contour of the outer line and create a continuous surface of adhesion of the line to the previous layer;
the distance along the Z axis for lowering the technological platform, providing full flow of fluid to the previous layer, equal to the thickness of the layer;
distance along the Z axis to raise the technological platform, providing the thickness of the subsequent layer;
the correctness of raising the technological platform to the desired height with the adjustment of the plane.

Проведенное сравнение принципов работы СУ с известными конструкциями стереолитографических установок зарубежного производства, применяющегося для фотохимических реакций, показало их значительные различия. В стереолитографических установках фирмы "3D Systems" управление системой сканирования проводится за счет поворотных перемещений лазерного луча электронным управлением системой гальванических зеркал, что не позволяет изготавливать крупногабаритные детали. На предлагаемой установке возможно изготовление крупногабаритных габаритных деталей. Значительно упрощается юстировка лазера и оптической системы наведения, что позволяет использовать стандартное оборудование на базе трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ. A comparison of the operating principles of the SU with the known designs of stereolithographic installations of foreign manufacture used for photochemical reactions showed their significant differences. In stereolithographic installations of 3D Systems, the scanning system is controlled by rotary movements of the laser beam by electronically controlling a system of galvanic mirrors, which does not allow the manufacture of large-sized parts. On the proposed installation, it is possible to manufacture large-sized overall parts. The alignment of the laser and the optical guidance system is greatly simplified, which makes it possible to use standard equipment based on three-coordinate CNC milling machines.

Эффективность изобретения:
совмещение процесса проектирования и изготовления опытных образцов в единый технологический цикл.The effectiveness of the invention:
Combining the design and manufacture of prototypes in a single technological cycle.

возможность внесения исправлений в первоначальный замысел, оценка его перспективности на уровне программного продукта без изготовления дорогостоящих пресс-форм;
качественно новый этап в области создания объемных прототипов и моделей.the possibility of making corrections to the initial plan, evaluating its prospects at the level of a software product without the manufacture of expensive molds;
a qualitatively new stage in the field of creating volumetric prototypes and models.

Claims

A stereolithographic installation consisting of a laser, a scanning system, an optical system, a bath for a liquid photopolymerizable composition, a control computer, characterized in that a non-inertial mechanical system of three-coordinate CNC milling machines is used as a scanning system (laser beam guidance), which is made in the form of removable tripods with mirrors moving synchronously in accordance with the control program.