RU2783178C1

RU2783178C1 - Method for manufacturing optical elements using microstereolithography 3d printing

Info

Publication number: RU2783178C1
Application number: RU2021139424A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Грунин; Павел Владимирович Евдокимов; Михаил Андреевич Кик; Леонид Борисович Лейтес; Александр Кириллович Петров; Роман Александрович Середенко; Андрей Анатольевич Федянин; Артём Вячеславович Четвертухин; Мария Олеговна Ягодина
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-11-09

Abstract

FIELD: polymer materials.

SUBSTANCE: invention relates to the manufacture of products made of polymer materials, namely microstereolithography 3D printing of optical elements of complex shape, and can be used for medical purposes in the production of individual contact lenses for patients with corneal deformity or for the manufacture of contact lenses with special properties, for example, used in augmented reality systems. The method includes: making a cuvette in which part of the inner surface of the bottom has a convex and/or concave shape corresponding to the shape of the first working surface of the manufactured optical element, filling the cuvette with a photoresist, forming an optical element when exposed to a photosensitive polymer with ultraviolet radiation with a given intensity distribution in the volume of the printed optical element, providing the formation of the required shape of the second working surface optical element, cleaning of the manufactured optical element from liquid unpolymerized photoresist and processing of the optical element by vacuum pressing to smooth out irregularities on the upper surface of the optical element formed under the action of ultraviolet radiation.

EFFECT: providing the possibility of manufacturing optical elements of arbitrary shape with a thickness from units of microns to 1 mm and a surface roughness of no more than 100 nm.

9 cl, 13 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к изготовлению изделий из полимерных материалов, а именно, к микростереолитографической 3D-печати оптических элементов толщиной до 1 мм, и может быть использовано в медицинских целях при производстве индивидуальных контактных линз для пациентов с деформацией роговицы, либо для изготовления контактных линз с особыми свойствами, например, используемых в системах дополненной реальности.The invention relates to the manufacture of products from polymeric materials, namely, microstereolithographic 3D printing of optical elements up to 1 mm thick, and can be used for medical purposes in the manufacture of individual contact lenses for patients with corneal deformity, or for the manufacture of contact lenses with special properties , such as those used in augmented reality systems.

Уровень техникиState of the art

Фотополимерная печать – активно развивающееся направление изготовления трехмерных (3D) объектов при помощи 3D-принтеров. В основе заявляемого способа лежит явление фотополимеризации - необратимое отвердевание фоточувствительного жидкого полимера (фоторезиста) под воздействием светового излучения с длиной волны в ультрафиолетовом диапазоне. В зависимости от источника излучения среди общего класса технологий микростереолитографической 3D-печати различают технологии печати SLA, DLP и LCD. В классической технологии печати SLA (англ. Stereolithorgraphy apparatus - стереолитография) в качестве источника света используется лазер, который поточечно засвечивает фоторезист в соответствии с заданной 3D-моделью изготавливаемого изделия. В технологии печати DLP (англ. Digital light processing – цифровая обработка света) в качестве источника света используется DLP-проектор, в котором изображение формируется при отражении света от матричного подвижного DMD-зеркала (англ. Digital micromirror device – цифровое микрозеркальное устройство), затем двумерное изображение проецируется в объём фоторезиста, что приводит к послойному отвердеванию в процессе изготовления. Технология печати LCD (англ. Liquid crystal display – жидкокристаллический дисплей) повторяет DLP-печать, только в качестве проектора используется дисплей с ЖК-матрицей. Все три технологии активно используются для производства оптических элементов. Большинство оптических элементов, работающих на пропускание света, таких как контактные линзы, имеют две рабочие поверхности, форма которых определяет оптические свойства элементов. Как следствие, возможность производства рабочей поверхности с высокой вариативностью заданной формы и низкой шероховатостью является важным требованием к способам изготовления оптических элементов. Photopolymer printing is an actively developing area of manufacturing three-dimensional (3D) objects using 3D printers. The proposed method is based on the phenomenon of photopolymerization - the irreversible hardening of a photosensitive liquid polymer (photoresist) under the influence of light radiation with a wavelength in the ultraviolet range. Depending on the radiation source, among the general class of microstereolithographic 3D printing technologies, there are SLA, DLP and LCD printing technologies. In the classic SLA printing technology (Stereolithorography apparatus - stereolithography), a laser is used as a light source, which illuminates the photoresist point by point in accordance with a given 3D model of the manufactured product. DLP (Digital light processing) printing technology uses a DLP projector as a light source, in which an image is formed by reflecting light from a matrix moving DMD mirror (Digital micromirror device), then a two-dimensional image is projected into the volume of the photoresist, which leads to layer-by-layer solidification during the manufacturing process. LCD printing technology (eng. Liquid crystal display - liquid crystal display) repeats DLP printing, only a display with an LCD matrix is used as a projector. All three technologies are actively used for the production of optical elements. Most optical elements that transmit light, such as contact lenses, have two working surfaces, the shape of which determines the optical properties of the elements. As a consequence, the ability to produce a working surface with a high variability of a given shape and low roughness is an important requirement for methods for manufacturing optical elements.

Из уровня техники известен способ производства контактных линз с помощью трехмерной (3D) печати способом DLP [US20180001581A1]. Способ позволяет производить линзы со сложной геометрией с учетом нарушения зрения у конкретного пациента, включая астигматизм (нарушение зрения, вызванное измененной формой роговицы глаза), или с особенностями геометрии роговицы, в т. ч. ее деформацией. Изобретение основано на использовании слайсера - программы, конвертирующей 3D-модель объекта в формате STL в серию последовательных чёрно-белых изображений с последующим разбиением модели на слои. Каждый слой был охарактеризован определённым изображением (2D проекцией), которое транслировалось в зависимости от положения платформы построения. Для постобработки изделие погружали в резист, вынимали и позволяли смоле растечься равномерно по всей поверхности, после чего проводили дополнительное экспонирование ультрафиолетовым светом (УФ). В данном изобретении плоско-выпуклую конструкцию контактной линзы изготавливают способом формования, при этом отсутствует детальное описание процесса изготовления линзы на 3D-принтере. The prior art method for the production of contact lenses using three-dimensional (3D) printing method DLP [US20180001581A1]. The method allows the production of lenses with complex geometry, taking into account visual impairment in a particular patient, including astigmatism (visual impairment caused by an altered shape of the cornea of the eye), or with features of the geometry of the cornea, including its deformation. The invention is based on the use of a slicer - a program that converts a 3D model of an object in STL format into a series of sequential black and white images, followed by splitting the model into layers. Each layer was characterized by a certain image (2D projection), which was broadcast depending on the position of the construction platform. For post-processing, the article was immersed in the resist, removed, and the resin was allowed to spread evenly over the entire surface, after which additional exposure to ultraviolet light (UV) was performed. In the present invention, a plano-convex contact lens design is manufactured by a molding process, and there is no detailed description of the lens manufacturing process on a 3D printer.

Из уровня техники известен способ изготовления оптических элементов с помощью струйной 3D-печати [WO2014108364A1], включающий нанесение не менее одной капли содержащего силикон материала на подложку и последующее экспонирование ультрафиолетовым излучением. Вышеупомянутый способ позволяет получить качественные оптические элементы средних размеров. При этом данное решение обладает рядом существенных недостатков. Так как геометрия изготовленного элемента определяется минимальным размером капли, в этой связи производство оптических элементов с диаметром менее 0.8 мм будет затруднительно. Кроме того, известный способ не позволяет изготавливать тонкие оптические элементы со сложной формой внешней поверхности, в частности, контактные линзы толщиной до 500 мкм выпукло-вогнутой формы и большого радиуса кривизны (около 8 мм). In the prior art, a method for manufacturing optical elements using inkjet 3D printing [WO2014108364A1] is known, which includes applying at least one drop of a silicone-containing material to a substrate and subsequent exposure to ultraviolet radiation. The above method allows to obtain high-quality optical elements of medium size. However, this solution has a number of significant drawbacks. Since the geometry of the manufactured element is determined by the minimum droplet size, in this regard, the production of optical elements with a diameter of less than 0.8 mm will be difficult. In addition, the known method does not allow to manufacture thin optical elements with a complex outer surface shape, in particular, convex-concave contact lenses up to 500 μm thick and with a large radius of curvature (about 8 mm).

Из уровня техники известен способ струйной 3D-печати оптических элементов [US9579829B2] с использованием предварительно изготовленных форм. Данный подход позволяет несколько расширить набор оптических поверхностей, которые возможно изготовить данным способом. Струйная 3D-печать позволяет использовать одновременно несколько сопел для подачи материалов, отличающихся по своим характеристикам, что дает возможность изготавливать оптические элементы, например ГРИН (от англ. GRIN – gradient index) линзы с различными показателями преломления в зависимости от координат. Однако данное изобретение характеризуется недостатками, связанными со струйной 3D-печатью, представленными при описании изобретения [WO2014108364A1]. The prior art method of inkjet 3D printing of optical elements [US9579829B2] using pre-made molds. This approach allows us to somewhat expand the set of optical surfaces that can be fabricated by this method. Inkjet 3D printing allows you to use several nozzles simultaneously to feed materials that differ in their characteristics, which makes it possible to manufacture optical elements, such as GRIN (from the English. GRIN - gradient index) lenses with different refractive indices depending on the coordinates. However, this invention is characterized by disadvantages associated with inkjet 3D printing, presented in the description of the invention [WO2014108364A1].

Из уровня техники известен способ изготовления объектов с криволинейной поверхностью с использованием полимеров двойного отвердевания [US20200376746A1]. Используемый жидкий полимер состоит из двух компонент: фоточувствительной и термочувствительной. Сначала с помощью стереолитографической 3D-печати воздействуют на фоточувствительную компоненту полимера и изготавливают элемент, который обладает высокой эластичностью и может принимать произвольную форму под воздействием собственного веса либо за счёт внешнего воздействия. Эластичный элемент размещают в заранее изготовленной форме с криволинейной поверхностью, после чего элемент нагревают, воздействуя на термочувствительную компоненту полимера, и в результате получают изделие с заданной формой поверхности. Однако данный способ является двухэтапным, что увеличивает время и усложняет способ изготовления оптических элементов.The prior art method of manufacturing objects with a curved surface using dual-curing polymers [US20200376746A1]. The liquid polymer used consists of two components: photosensitive and thermosensitive. First, using stereolithographic 3D printing, they affect the photosensitive component of the polymer and produce an element that has high elasticity and can take an arbitrary shape under the influence of its own weight or due to external influence. The elastic element is placed in a prefabricated shape with a curved surface, after which the element is heated, acting on the thermosensitive component of the polymer, and as a result, a product with a given surface shape is obtained. However, this method is two-stage, which increases the time and complicates the method of manufacturing optical elements.

Наиболее близким к заявленному решению является способ 3D-печати оптических элементов [ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 43, 40662–40668], основанный на использовании DLP 3D-печати без платформы построения. Таким образом, поверхность линзы формируют при воздействии на исходный полимерный материал УФ-излучением в течение одного этапа экспонирования, при этом оптическая система установки вносит вибрацию в процесс проектирования экспонирующего изображения для достижения эффекта сглаживания поверхности изготавливаемого изделия. Оптическую систему размещают между проектором и областью экспонирования, при этом с помощью проектора формируют изображение, характеризующееся различной интенсивностью отдельных пикселей, зависящих от геометрии оптического элемента. Изобретение позволяет изготавливать образцы с шероховатостью поверхности 1 нм. Closest to the claimed solution is the method of 3D printing of optical elements [ ACS Appl. mater. Interfaces 2019, 11, 43, 40662–40668] based on the use of DLP 3D printing without a build platform. Thus, the surface of the lens is formed by exposing the initial polymer material to UV radiation during one exposure stage, while the optical system of the installation introduces vibration into the process of designing the exposure image to achieve the effect of smoothing the surface of the manufactured product. The optical system is placed between the projector and the exposure area, while using the projector, an image is formed, characterized by different intensities of individual pixels, depending on the geometry of the optical element. The invention makes it possible to produce samples with a surface roughness of 1 nm.

Однако данное решение позволяет создавать оптические элементы с криволинейной формой только одной его рабочей поверхности – например, плоско-выпуклые или плоско-вогнутые линзы. Данный способ не реализуем в случае необходимости получения, например, бифокальной линзы большого размера (диаметром в несколько сантиметров) из-за ограничения глубины цвета в связи с использованием DLP проектора. В большинстве случаев интенсивность света может меняться в диапазоне от 0 до 255 с единичным шагом. However, this solution makes it possible to create optical elements with a curvilinear shape of only one of its working surfaces, for example, plano-convex or plano-concave lenses. This method is not implemented if it is necessary to obtain, for example, a large bifocal lens (several centimeters in diameter) due to the limitation of color depth due to the use of a DLP projector. In most cases, the light intensity can be varied from 0 to 255 in single steps.

Таким образом, в настоящее время известно множество способов изготовления трехмерных оптических элементов. Способы крупносерийного производства хорошо зарекомендовали себя и не имеют существенных недостатков. Тем не менее, существующие способы не позволяют быстро изготавливать образцы со сложной геометрией и оптическим качеством поверхности, в т. ч. для использования в персонализированной медицине.Thus, many methods for manufacturing three-dimensional optical elements are currently known. Methods for large-scale production have proven themselves well and do not have significant drawbacks. However, the existing methods do not allow rapid production of samples with complex geometry and optical quality of the surface, including those for use in personalized medicine.

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является возможность изготовления оптических элементов произвольной формы с высоким качеством рабочей поверхности, характеризующихся шероховатостью не более сотен нм.The technical problem solved by the claimed invention is the possibility of manufacturing optical elements of arbitrary shape with a high quality of the working surface, characterized by a roughness of not more than hundreds of nm.

Краткая сущность заявляемого изобретенияBrief summary of the claimed invention

Технический результат заключается в обеспечении возможности изготовления оптических элементов произвольной формы толщиной от единиц мкм до 1 мм и шероховатостью поверхности не более 100 нм. The technical result consists in providing the possibility of manufacturing optical elements of arbitrary shape with a thickness from a few microns to 1 mm and a surface roughness of not more than 100 nm.

Технический результат достигается способом изготовления оптических элементов сложной формы с использованием микростереолитографической 3D-печати, включающим изготовление кюветы, у которой часть внутренней поверхности дна имеет выпуклую и/или вогнутую форму, соответствующую форме первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента; заполнение кюветы фоторезистом (фоточувствительным полимером); формирование оптического элемента при воздействии на фоточувствительный полимер ультрафиолетовым излучением с заданным распределением интенсивности в объеме печатаемого оптического элемента, обеспечивающим формирование требуемой формы второй (верхней) рабочей поверхности оптического элемента; очистку изготовленного оптического элемента от жидкого неполимеризованного фоторезиста; обработку оптического элемента способом вакуумного прессования для сглаживания неровностей на верхней поверхности оптического элемента, образованных под действием ультрафиолетового излучения. The technical result is achieved by a method for manufacturing optical elements of complex shape using microstereolithographic 3D printing, including the manufacture of a cuvette, in which part of the inner surface of the bottom has a convex and/or concave shape corresponding to the shape of the first working surface of the manufactured optical element; filling the cuvette with photoresist (photosensitive polymer); optical element formation when the photosensitive polymer is exposed to ultraviolet radiation with a given intensity distribution in the volume of the printed optical element, which ensures the formation of the desired shape of the second (upper) working surface of the optical element; cleaning the manufactured optical element from the liquid non-polymerized photoresist; processing the optical element by vacuum pressing to smooth out irregularities on the upper surface of the optical element, formed under the action of ultraviolet radiation.

Кроме того, в способе распределение дозы экспонирования при печати оптического элемента может задаваться с помощью одного изображения, пиксели которого имеют различный уровень интенсивности, соответствующий заданной геометрии оптического элемента; а также с помощью последовательного экспонирования серией различных чёрно-белых изображений, суммарная интенсивность пикселей которых в течение времени их экспонирования соответствует итоговому требуемому распределению полученной дозы.In addition, in the method, the distribution of the exposure dose during printing of the optical element can be set using one image, the pixels of which have a different intensity level corresponding to the given geometry of the optical element; and also by sequential exposure of a series of different black-and-white images, the total intensity of the pixels of which during the exposure time corresponds to the final required distribution of the received dose.

В заявляемом способе очистку изготовленного оптического элемента от жидкой компоненты полимера можно проводить с помощью потока сжатого воздуха.In the claimed method, the purification of the manufactured optical element from the liquid component of the polymer can be carried out using a compressed air stream.

Кроме того, обработка изготовленного оптического элемента может быть осуществлена посредством нанесения на его вторую рабочую поверхность жидкого фоточувствительного полимера – материала изготовления оптического элемента, в количестве, обеспечивающем заполнение дефектов и сглаживание шероховатой поверхности, с последующим нанесением плёнки, прозрачной для УФ-излучения, и экспонированием УФ-излучением до затвердевания жидкой фракции фоточувствительного полимера. In addition, the processing of the manufactured optical element can be carried out by applying to its second working surface a liquid photosensitive polymer - the material for manufacturing the optical element, in an amount that ensures the filling of defects and smoothing the rough surface, followed by applying a film transparent to UV radiation and exposing UV radiation until the liquid fraction of the photosensitive polymer solidifies.

При изготовлении кюветы часть внутренней поверхности дна кюветы выпуклой и/или вогнутой формы может быть сформированна эластичной мембраной толщиной от 1 мкм до 5 мм под внешним воздействием, реализуемым с ее внешней стороны. В качестве внешнего воздействия может выступать давление рабочей среды или температура рабочей среды. Крепление мембраны со стороны внутренней поверхности дна кюветы может быть осуществлено с использованием адгезивных материалов.When manufacturing a cuvette, a part of the inner surface of the bottom of the cuvette of a convex and/or concave shape can be formed by an elastic membrane with a thickness of 1 μm to 5 mm under external influence from its outer side. The pressure of the working medium or the temperature of the working medium can act as an external influence. The membrane can be fixed from the side of the inner surface of the bottom of the cuvette using adhesive materials.

Обработка оптического элемента способом вакуумного прессования может быть осуществлена внутри кюветы.The processing of the optical element by vacuum pressing can be carried out inside the cuvette.

В заявляемом способе форма первой рабочей поверхности изготавливаемого оптического элемента задается дном кюветы, а форма второй рабочей поверхности определяется распределением интенсивности света, распространяемого в фотополимерной матрице, из которой формируется оптический элемент.In the claimed method, the shape of the first working surface of the manufactured optical element is set by the bottom of the cuvette, and the shape of the second working surface is determined by the intensity distribution of the light propagated in the photopolymer matrix from which the optical element is formed.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Изобретение поясняется иллюстративным материалом, где на фиг. 1 и 2 представлено схематичное изображение кюветы, выполненной из прозрачного для УФ-излучения материала, заполненной фоточувствительным полимером (фоторезистом), дно которой имеет выпуклую или вогнутую поверхность, на которой сформирован оптический элемент, стрелками показано направление УФ-излучения; на фиг. 3 представлен график зависимости интенсивности УФ-излучения в радиальном направлении, центр области печати соответствует значению r=0; на фиг. 4 представлена часть кюветы в одном из вариантов ее реализации, предполагающих формирование выпуклой или вогнутой поверхности части ее дна с помощью эластичного элемента под воздействием внешней среды, например, воздуха, подаваемого под избыточным давлением (для формирования выпуклой поверхности), или вакуума (для формирования вогнутой поверхности), при этом форма эластичного элемента может быть отрегулирована величиной давления среды воздействия; на фиг. 5 показан вид сверху на дно кюветы с четырьмя отверстиями, два из которых закрыты эластичным элементом, имеющим выпуклую форму; на фиг. 6 схематично продемонстрирован ход лучей на границе кюветы и жидкого фотополимера; на фиг. 7 представлены этапы обработки оптического элемента, в результате которой получают гладкую поверхность – без дефектов, образующуюся после экспозиции УФ-излучения в результате преломления лучей на границе двух сред; на фиг. 8 представлена 3D-модель формы, используемой для изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы, общий вид; на фиг. 9 представлен поперечный разрез формы фиг.8; на фотографии фиг. 10 представлено изображение двух изготовленных из ABS пластика форм, предназначенных для изготовления кювет, помещенных в камеру с парами ацетона для формирования гладких поверхностей; на фиг. 11 представлен пример изображения, транслируемого с помощью проектора, для изготовления контактной линзы; на фиг. 12 представлена изготовленная с помощью заявляемого способа контактная линза; на фиг. 13 представлена схема установки для 3D-печати с проектором.The invention is illustrated by illustrative material, where in Fig. 1 and 2 show a schematic representation of a cuvette made of a material transparent to UV radiation, filled with a photosensitive polymer (photoresist), the bottom of which has a convex or concave surface on which an optical element is formed, arrows show the direction of UV radiation; in fig. 3 shows a graph of the intensity of UV radiation in the radial direction, the center of the print area corresponds to the value r=0; in fig. Figure 4 shows a part of the cell in one of its embodiments, which involves the formation of a convex or concave surface of a part of its bottom using an elastic element under the influence of an external environment, for example, air supplied under excess pressure (to form a convex surface) or vacuum (to form a concave surface). surface), while the shape of the elastic element can be adjusted by the pressure of the exposure medium; in fig. 5 shows a top view of the bottom of the cuvette with four holes, two of which are closed with an elastic element having a convex shape; in fig. 6 schematically shows the path of rays at the boundary of the cuvette and liquid photopolymer; in fig. 7 shows the stages of processing the optical element, as a result of which a smooth surface is obtained - without defects, formed after exposure to UV radiation as a result of the refraction of rays at the boundary of two media; in fig. 8 shows a 3D model of the mold used to make a cuvette transparent to UV radiation, general view; in fig. 9 is a cross section of the shape of FIG. 8; in the photograph of Fig. 10 is an image of two ABS molds for making cuvettes placed in an acetone vapor chamber to form smooth surfaces; in fig. 11 shows an example of an image transmitted by a projector for making a contact lens; in fig. 12 shows a contact lens made using the proposed method; in fig. 13 shows a diagram of a 3D printing setup with a projector.

Позициями на чертежах обозначены: 1 – кювета, 2 – пучки света, формирующие оптический элемент, 3 – изготавливаемый объект (линза), 4 – жидкий фотополимер (резист), 5 – источник света в УФ-диапазоне, 6 – эластичная прозрачная для УФ-излучения мембрана (эластичный элемент), 7 – место крепления мембраны со стороны дна кюветы, 8 – устройство подачи среды воздействия на мембрану для формирования требуемой кривизны ее поверхности, при этом стенки устройства со стороны УФ-излучателя выполнены из прозрачного для УФ-излучения материала, с обеспечением герметичности при повышении или понижении давления среды; 9 - источник повышенного или пониженного давления среды (воздуха), 10 - поток воздуха, 11 – отверстие, выполненное в дне кюветы под мембрану; 12 – основа дна кюветы; 13 – вторая рабочая поверхность линзы, сформированная с помощью 3D-печати двухфокусной контактной линзы перед ее обработкой, 14 – преломление лучей на границе двух сред; 15 – эластичная прозрачная для УФ-излучения плёнка, плотно прилегающая к изготовленному образцу контактной линзы за счёт давления воздуха; 16 – дефект контактной линзы, заполненный жидким фотополимером, 17 – двухфокусная контактная линза после ее обработки, 18 – проектор, формирующий экспонирующее изображение, 19 – управляющий компьютер.Positions in the drawings indicate: 1 - cuvette, 2 - beams of light forming an optical element, 3 - manufactured object (lens), 4 - liquid photopolymer (resist), 5 - light source in the UV range, 6 - elastic transparent for UV radiation membrane (elastic element), 7 – membrane attachment point from the side of the cuvette bottom, 8 – device for supplying the medium to the membrane to form the required curvature of its surface, while the walls of the device on the side of the UV emitter are made of a material transparent to UV radiation, with the provision of tightness when the pressure of the medium increases or decreases; 9 - source of increased or reduced pressure of the medium (air), 10 - air flow, 11 - hole made in the bottom of the cuvette under the membrane; 12 – cell bottom base; 13 - the second working surface of the lens, formed using 3D printing of a two-focus contact lens before its processing, 14 - refraction of rays at the boundary of two media; 15 - elastic film transparent to UV radiation, tightly adhering to the manufactured contact lens sample due to air pressure; 16 - contact lens defect filled with liquid photopolymer, 17 - two-focus contact lens after its processing, 18 - projector that forms the exposure image, 19 - control computer.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Ниже представлено более детальное описание каждого этапа способа изготовления оптических элементов с использованием микростереолитографической 3D-печати.Below is a more detailed description of each step of the method for manufacturing optical elements using microstereolithographic 3D printing.

В основе заявляемого способа 3D-печати лежит процесс фотополимеризации – необратимого отвердевания жидкого полимера под воздействием источника света в ультрафиолетовом диапазоне. В качестве источника света может быть использован лазер для осуществления 3D-печати способом SLA или проектор для осуществления 3D-печати способом DLP или LCD. The proposed method of 3D printing is based on the process of photopolymerization - the irreversible hardening of a liquid polymer under the influence of a light source in the ultraviolet range. The light source can be a laser for SLA 3D printing or a projector for DLP or LCD 3D printing.

Принципиальным отличием технологии DLP по сравнению с SLA является то, что при использовании проектора процесс полимеризации фотополимера осуществляется одновременно по всему объему формируемой из данного резиста линзы. Изображение формируется с помощью цифрового микрозеркального устройства. Микрозеркала, имеющие размер приблизительно 16х16 мкм, при определённом угле наклона отражают свет таким образом, чтобы он попал на линзу, а затем на экран, в то время как при противоположном угле наклона свет попадает на светопоглотитель и на экран не проецируется. Интенсивность света отдельного пикселя может быть отрегулирована за счёт поворотов зеркал с частотой в десятки килогерц и различной широтно-импульсной модуляцией. Таким образом, создаются пиксели, которые впоследствии становятся «вокселями» (англ. voxels – volume pixels, объёмные пиксели) – элементарными объёмами напечатанного объекта. Размер пикселя на поверхности печати может достигать двух микрон, что позволяет изготавливать структуры с высокой точностью. Таким образом, точность изготовленной геометрии оптического объекта определяется с помощью минимальных индивидуальных кластеров пикселей 3х3. The fundamental difference of DLP technology compared to SLA is that when using a projector, the photopolymer polymerization process is carried out simultaneously throughout the entire volume of the lens formed from this resist. The image is formed using a digital micromirror device. Micromirrors, having a size of approximately 16x16 microns, at a certain angle of inclination reflect light in such a way that it hits the lens and then onto the screen, while at the opposite angle the light hits the light absorber and is not projected onto the screen. The light intensity of an individual pixel can be adjusted by turning the mirrors with a frequency of tens of kilohertz and various pulse-width modulation. Thus, pixels are created, which later become "voxels" (English voxels - volume pixels, volumetric pixels) - the elementary volumes of the printed object. The pixel size on the print surface can be up to two microns, which makes it possible to produce structures with high precision. Thus, the accuracy of the manufactured geometry of the optical object is determined using the minimum individual 3x3 pixel clusters.

При моделировании процесса полимеризации было сделано допущение о том, что распространение излучения от проектора в резисте подчиняется закону экспоненциального поглощения Бугера-Ламберта-Бера. В соответствии с данным законом при нормальном падании света на поглощающую среду (фотополимер) интенсивность света максимальна на поверхности фотополимера и экспоненциально затухает при проникновении вглубь материала. Глубина полимеризации С_d определяется как максимальная толщина слоя фотополимера, при которой интенсивность света инициирует реакцию фотополимеризации. Глубина полимеризации С_d вычисляется следующим образом:When modeling the polymerization process, it was assumed that the propagation of radiation from the projector in the resist obeys the exponential absorption law of Bouguer-Lambert-Beer. In accordance with this law, when light is normally incident on an absorbing medium (photopolymer), the light intensity is maximum on the surface of the photopolymer and decays exponentially as it penetrates deep into the material. The polymerization depth C _d is defined as the maximum thickness of the photopolymer layer at which the light intensity initiates the photopolymerization reaction. The depth of polymerization C _d is calculated as follows:

где D _p – глубина проникновения, на которой интенсивность пучка уменьшается в

раз,where D _p is the penetration depth at which the beam intensity decreases in

once,

I –интенсивность пучка света, I is the intensity of the light beam,

t – время экспонирования, t is the exposure time,

Е _с – критическая энергия полимеризации. E _c is the critical energy of polymerization.

Параметры D _p и Е _с можно определить экспериментально. При мощности проектора и максимальной глубины цвета пикселей для полимеризации слоя высотой в 2 мм требуется порядка одного часа. При этом, для тонких оптических элементов (до 1 мм) экспонирование будет занимать не более одной минуты.The parameters D _p and E _c can be determined experimentally. With the power of the projector and the maximum color depth of the pixels, it takes about one hour to cure a layer 2 mm high. At the same time, for thin optical elements (up to 1 mm), exposure will take no more than one minute.

Одна из рабочих поверхностей (первая) изготавливаемых оптических элементов (оптических линз) формируется за счёт печати на неплоской поверхности, которая может быть реализована в заранее изготовленной кювете определённой формы, выполненной из прозрачного для УФ-излучения материала. Кювета может иметь различные варианты исполнения – в виде устройства, как показано на фиг.1 или 2, в виде единого устройства с выпуклой или вогнутой поверхностью на дне кюветы. Возможно изготовление кюветы с эластичной мембраной (фиг. 4, 5), предназначенной для формирования вогнутой и/или выгнутой части поверхности дна. Контроль формы поверхности мембраны, соответствующей первой рабочей поверхности линзы, может быть реализован с помощью изменения давления воздуха. При этом необходимо использовать эластичную и прозрачную для УФ-излучения мембрану, а также создать условия пониженного или повышенного давления воздуха.One of the working surfaces (first) of manufactured optical elements (optical lenses) is formed by printing on a non-planar surface, which can be realized in a prefabricated cuvette of a certain shape, made of a material transparent to UV radiation. The cuvette can have different versions - in the form of a device, as shown in figure 1 or 2, in the form of a single device with a convex or concave surface at the bottom of the cuvette. It is possible to manufacture a cell with an elastic membrane (Fig. 4, 5), designed to form a concave and/or convex part of the bottom surface. Control of the shape of the membrane surface corresponding to the first working surface of the lens can be realized by changing the air pressure. In this case, it is necessary to use a membrane that is elastic and transparent to UV radiation, as well as to create conditions for reduced or increased air pressure.

Таким образом, для изготовления оптической линзы с заданной геометрией ее рабочих поверхностей изготавливают кювету, содержащую участок поверхности, имеющий форму, отображающую форму первой рабочей поверхности изготавливаемой линзы. Кювета может быть изготовлена различными способами, например, путём отливки из полидиметилсилоксана в форму, изготовленную способом термоэкструзионной 3D-печати из пластика, например, АБС (акрилонитрил бутадиен стирол) с последующим сглаживанием ее поверхности в парах растворителя, например, ацетона. После чего кювету заполняют фотополимером с последующим осуществлением 3D-печати линзы, для чего кювету с фотополимером размещают над источником УФ-излучения и проводят УФ-экспонирование заранее подготовленным изображением, обеспечивающим формирование второй рабочей поверхности оптического элемента.Thus, to manufacture an optical lens with a given geometry of its working surfaces, a cuvette is made containing a surface area having a shape that reflects the shape of the first working surface of the manufactured lens. The cuvette can be made in various ways, for example, by casting polydimethylsiloxane into a mold made by thermal extrusion 3D printing from plastic, such as ABS (acrylonitrile butadiene styrene), followed by smoothing its surface in solvent vapors, such as acetone. After that, the cuvette is filled with a photopolymer, followed by 3D printing of the lens, for which the cuvette with a photopolymer is placed above a UV radiation source and UV exposure is carried out with a pre-prepared image, which ensures the formation of the second working surface of the optical element.

Форма второй рабочей (верхней) поверхности оптического элемента определяется распределением интенсивности ультрафиолетового излучения. В случае, например, использования DLP 3D-печати доза экспонирования регулируется глубиной цвета каждого пикселя транслируемого проектором изображения и общим временем экспонирования. The shape of the second working (upper) surface of the optical element is determined by the intensity distribution of ultraviolet radiation. In the case of DLP 3D printing, for example, the exposure dose is controlled by the color depth of each pixel of the projected image and the total exposure time.

В процессе экспонирования в жидком полимере формируется твердый оптический элемент, который после экспонирования проходит этапы очистки и постобработки способом вакуумного прессования.During exposure, a solid optical element is formed in the liquid polymer, which, after exposure, undergoes the stages of cleaning and post-processing by vacuum pressing.

При 3D-печати оптических элементов необходимо добиться низкой шероховатости поверхности изготовляемых изделий, чтобы избежать рассеяния света на неоднородностях поверхности. В случае DLP 3D-печати интенсивность света от отдельного пикселя уменьшается с увеличением расстояния от центра изображения в соответствии с законом Гаусса в радиальном направлении. При этом микрозеркала DMD-чипа расположены на конечном расстоянии друг относительно друга, что означает ступенчатое распределение интенсивности в проецируемом изображении. Два вышеупомянутых фактора дают существенный вклад в неоднородность распределения интенсивности светового поля, транслируемого проектором. Аналогичные трудности возникают в случае LCD-проектора. Поэтому при использовании проектора в микростереолиграфической 3D-печати сложно изготовить оптический элемент с высококачественной второй рабочей поверхностью без использования дополнительных этапов по сглаживанию поверхности. Например, при использовании проектора с размером пикселя 10 мкм для изготовления объекта толщиной 100 мкм, шероховатость второй рабочей поверхности может достигать 500 нм. When 3D printing optical elements, it is necessary to achieve a low surface roughness of manufactured products in order to avoid light scattering on surface inhomogeneities. In the case of DLP 3D printing, the intensity of light from an individual pixel decreases with increasing distance from the center of the image according to Gauss's law in the radial direction. In this case, the micromirrors of the DMD chip are located at a finite distance relative to each other, which means a stepped intensity distribution in the projected image. The above two factors make a significant contribution to the inhomogeneity of the intensity distribution of the light field transmitted by the projector. Similar difficulties arise in the case of an LCD projector. Therefore, when using a projector in microstereo 3D printing, it is difficult to produce an optical element with a high-quality second working surface without using additional surface smoothing steps. For example, when using a projector with a pixel size of 10 µm to produce an object with a thickness of 100 µm, the roughness of the second working surface can reach 500 nm.

Качество второй рабочей поверхности можно существенно улучшить, используя постобработку способом вакуумного прессования. Жидкий полимер наносят на поверхность полученного образца линзы, заполняя все дефекты и неровности, затем на обработанную поверхность наносят плёнку или мембрану, обладающую эластичными свойствами, прижимая ее с небольшим усилием к обработанной поверхности, например, путём создания прижимающего давления, оказываемого на мембрану с помощью насоса (фиг. 6 и фиг. 7), либо путём изготовления отверстий в изделии вне области рабочих поверхностей и вакуумном прижиме мембраны с помощью насоса, размещенного с противоположной стороны изделия. Далее осуществляют дополнительное экспонирование полученного образца светом в УФ-диапазоне для полимеризации жидкой части резиста под пленкой, после чего пленку удаляют с поверхности образца. The quality of the second working surface can be significantly improved using post-processing by vacuum pressing. The liquid polymer is applied to the surface of the resulting lens sample, filling all defects and irregularities, then a film or membrane with elastic properties is applied to the treated surface, pressing it with little effort against the treated surface, for example, by creating a pressing pressure applied to the membrane using a pump (Fig. 6 and Fig. 7), or by making holes in the product outside the working surfaces and vacuum pressing the membrane using a pump located on the opposite side of the product. Next, additional exposure of the resulting sample to light in the UV range is carried out to polymerize the liquid part of the resist under the film, after which the film is removed from the surface of the sample.

Формирование светового поля с определённым распределением интенсивности.Formation of a light field with a certain intensity distribution.

Выше было отмечено, что при трансляции изображения с определённой мощностью проектора и временем экспонирования доза отдельного пикселя может быть отрегулирована за счёт поворота микрозеркал DMD чипа с определённой частотой. Количество возможных значений дозы от отдельного пикселя в таком случае дискретно и определяется глубиной цвета проектора. Как правило, количество таких значений равно 256, и значение дозы для отдельного пикселя меняется в диапазоне от 0 до 255. Данные значения также называют оттенками серого. Зная мощность проектора и время экспонирования изображения, каждому значению оттенка серого можно поставить в соответствие глубину полимеризации, тем самым аппроксимируя любую форму объекта с определённой точностью. Удобнее всего работать в линейном приближении зависимости толщины слоя от времени экспонирования - в таком случае распределение значений оттенков серого соответствует распределению высот вокселей. Для использования такого приближения подбирают фотополимер с определёнными параметрами или учитывают нелинейность зависимости высоты вокселя от времени и интенсивности экспонирования.It was noted above that when broadcasting an image with a certain projector power and exposure time, the dose of an individual pixel can be adjusted by rotating the micromirrors of the DMD chip with a certain frequency. The number of possible dose values from a single pixel is then discrete and determined by the color depth of the projector. Typically, the number of such values is 256, and the dose value for an individual pixel varies from 0 to 255. These values are also called grayscale. Knowing the power of the projector and the exposure time of the image, each value of the grayscale can be associated with the depth of polymerization, thereby approximating any shape of the object with a certain accuracy. It is most convenient to work in a linear approximation of the dependence of the layer thickness on the exposure time - in this case, the distribution of grayscale values corresponds to the distribution of voxel heights. To use this approximation, a photopolymer with certain parameters is selected or the non-linearity of the dependence of the voxel height on time and exposure intensity is taken into account.

Для работы с изображениями, анимацией и интерфейсами при осуществлении заявляемого способа может быть использован открытый язык программирования “Processing” (https://processing.org/). Он позволяет создавать двухмерный массив, где в качестве индексов используются координаты x и y, определяющие положение пикселя на изображении, а в качестве значения элемента массива – оттенок серого. Одним из достоинств такого подхода является возможность быстро сформировать изображение объекта, зная математическую формулу второй рабочей поверхности. Если объект имеет большую площадь и сложную форму, точность аппроксимации может оказаться недостаточной. В этом случае может быть использовано несколько изображений для компенсации ограниченной глубины цвета проектора. To work with images, animation and interfaces in the implementation of the proposed method, the open programming language “Processing” (https://processing.org/) can be used. It allows you to create a two-dimensional array, where the x and y coordinates that determine the position of the pixel in the image are used as indexes, and the value of the array element is the shade of gray. One of the advantages of this approach is the ability to quickly form an image of an object, knowing the mathematical formula of the second working surface. If the object has a large area and complex shape, the accuracy of the approximation may be insufficient. In this case, multiple images can be used to compensate for the projector's limited color depth.

Вышеупомянутый подход также может быть использован в случае применения способа SLA.The above approach can also be used in case of applying the SLA method.

Настоящий способ формирования изображений является одним из наиболее эффективных для 3D-печати без разбиения детали на слои. В качестве альтернативы возможно использование множества изображений, состоящих только лишь из белого и черного цвета. This imaging method is one of the most efficient for 3D printing without layering. Alternatively, multiple images consisting of only white and black can be used.

Дополнительные поправки, связанные с 3D-печатью на криволинейной поверхностиAdditional corrections related to 3D printing on a curved surface

Для реализации заявляемого способа может быть изготовлено калибровочное изделие на плоской поверхности кюветы, прилегающей к нижней поверхности изделия, с эталонной произвольной верхней рабочей поверхностью путём экспонирования подготовленным заранее распределением УФ-излучения. Для получения объекта (образца оптической линзы) с такой же, как у калибровочного изделия, эталонной верхней рабочей поверхностью, но с требуемой формой нижней поверхности, могут быть учтены следующие поправки.To implement the proposed method, a calibration product can be made on the flat surface of the cuvette adjacent to the lower surface of the product, with a standard arbitrary upper working surface by exposing a pre-prepared distribution of UV radiation. To obtain an object (optical lens sample) with the same reference upper working surface as the calibration product, but with the required shape of the lower surface, the following corrections can be taken into account.

1) Учёт различной высоты, на которой формируется воксель.1) Accounting for the different heights at which the voxel is formed.

Вертикальное расстояние между кюветой или эластичной мембраной и верхней эталонной рабочей поверхностью в каждой точке меньше на определенную величину по сравнению с аналогичным расстоянием у калибровочного изделия. Таким образом, необходимо уменьшить высоту каждого вокселя на определенную высоту, что можно сделать за счёт регулирования оттенков серого или времени экспонирования. The vertical distance between the cuvette or elastic membrane and the upper reference working surface at each point is less by a certain amount compared to the same distance for the calibration product. Thus, it is necessary to reduce the height of each voxel by a certain height, which can be done by adjusting the grayscale or exposure time.

Эту поправку можно учесть, рассчитав разницу высот для каждого вокселя отдельно. Для этого, например, можно взять изображение, использующееся для УФ-экспонирования калибровочного объекта, и перевести его в двумерную таблицу, значения в ячейках которой будут соответствовать яркости пикселя, а также взять таблицу, значения в ячейках которой будут соответствовать карте высот криволинейного дна кюветы для изготовления изделия, привести значения второй таблицы к значениям первой поэлементным вычитанием второй таблицы, соответствующей карте распределения высоты дна кюветы, из первой таблицы, соответствующей значениям яркости пикселей. This correction can be taken into account by calculating the height difference for each voxel separately. To do this, for example, you can take an image used for UV exposure of a calibration object and convert it into a two-dimensional table, the values in the cells of which will correspond to the brightness of the pixel, and also take a table, the values in the cells of which will correspond to the height map of the curved bottom of the cuvette for of the manufacture of the product, bring the values of the second table to the values of the first one by element-by-element subtraction of the second table, corresponding to the map of the distribution of the height of the cuvette bottom, from the first table, corresponding to the values of the brightness of the pixels.

Способ позволяет производить учёт различных углов падения УФ-излучения на границу раздела кюветы и фоторезиста при печати итогового изделия, различного размера изображения пикселей вдоль границы раздела кюветы/фоторезиста и различных углов преломления на границе кюветы/фоторезиста.The method makes it possible to take into account different angles of incidence of UV radiation at the cuvette/photoresist interface when printing the final product, different pixel image sizes along the cuvette/photoresist interface, and different refraction angles at the cuvette/photoresist interface.

УФ-экспонирующее изображение формируется объективом проектора на нижней плоской поверхности кюветы. Далее лучи по расходящимся траекториям распространяются в сторону границы раздела кювета/фоторезист. Лучи, соответствующие разным пикселям, падают под различными углами по отношению к плоской нижней стороне кюветы. Это приводит к различной поверхностной плотности УФ-излучения на границе раздела кювета/фоторезист, вблизи которой и формируется итоговое изделие, к неравномерности распределения дозы излучения, полученной при экспонировании, что в итоге ведет к неравномерности толщины итогового изделия при равномерной картине УФ-экспонирования, а также к различным направлениям роста изделия по отношению к нормали к поверхности кювета/фоторезист, что требует компенсации.The UV exposure image is formed by the projector lens on the bottom flat surface of the cuvette. Further, the rays propagate along divergent trajectories towards the cuvette/photoresist interface. Rays corresponding to different pixels fall at different angles with respect to the flat bottom side of the cuvette. This leads to a different surface density of UV radiation at the cuvette/photoresist interface, near which the final product is formed, to uneven distribution of the radiation dose obtained during exposure, which ultimately leads to uneven thickness of the final product with a uniform UV exposure pattern, and also to different directions of product growth with respect to the normal to the cuvette/photoresist surface, which requires compensation.

Для того чтобы компенсировать данные эффекты, необходимо сначала напечатать плоский объект с использованием чёрно-белого изображения (без оттенков серого) и измерить его толщину. Затем необходимо напечатать такой же объект на криволинейной поверхности с тем же временем экспонирования, измерить профиль поверхности и найти точку, в которой толщина объекта наименьшая. Далее необходимо создать компенсационную маску с оттенками серого, чтобы толщина образца была такая же, как и у плоского напечатанного объекта и попиксельно прибавлять её к изображению для экспонирования, что и будет обеспечивать компенсацию. В случае неравномерности толщины итогового изделия в ходе калибровки можно внести дополнительную компенсацию в накладываемую маску.In order to compensate for these effects, you must first print a flat object using a black and white image (no grayscale) and measure its thickness. Then you need to print the same object on a curved surface with the same exposure time, measure the surface profile and find the point where the thickness of the object is the smallest. Next, you need to create a grayscale compensation mask so that the sample thickness is the same as that of a flat printed object and add it pixel by pixel to the image for exposure, which will provide compensation. In case of uneven thickness of the final product during the calibration, additional compensation can be made in the applied mask.

Пример технологического процесса изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы.An example of a technological process for manufacturing a cuvette transparent to UV radiation.

Изначально может быть изготовлена форма для жидкого ПДМС (от англ. “Polydimethylsiloxane” – Полидиметилсилоксан), для последующего изготовления кюветы. Форма, модель которой представлена на фиг.8, была изготовлена с использованием 3D-печати способом FDM (англ. Fused deposition modelling – моделирование способом наплавленного осаждения): радиус кривизны вогнутого участка в центре составил 8.6 мм, диаметр 14.2 мм. Печать формы была произведена с использованием в качестве материала АБС-пластика. Изготовленную из АБС-пластика форму обрабатывали для сглаживания неровностей ее поверхности, для чего образцы формы размещали в герметичной ёмкости с парами ацетона. (фиг. 10).Initially, a mold for liquid PDMS (from the English “Polydimethylsiloxane” - Polydimethylsiloxane) can be made, for the subsequent manufacture of a cuvette. The mold, the model of which is shown in Fig. 8, was made using FDM (Fused deposition modeling) 3D printing: the radius of curvature of the concave section in the center was 8.6 mm, the diameter was 14.2 mm. The mold was printed using ABS plastic as the material. The form made of ABS plastic was processed to smooth out the irregularities of its surface, for which the form samples were placed in a sealed container with acetone vapor. (Fig. 10).

Для получения кюветы форму заполняли ПДМС полимером и оставляли на сутки до застывания полимера. Все компоненты для ПДМС полимера были тщательно перемешаны, а итоговый полимер был предварительно помещён в камеру дегазации во избежание появления пузырей. Затвердевший ПДМС извлекали из формы.To obtain a cuvette, the mold was filled with PDMS polymer and left for a day until the polymer solidified. All components for the PDMS polymer were thoroughly mixed, and the final polymer was previously placed in a degassing chamber to avoid bubbles. The solidified PDMS was removed from the mould.

Существуют и другие способы изготовления прозрачной для УФ-излучения кюветы, необходимой для 3D-печати оптических элементов. Например, форма для кюветы из ПДМС может быть напечатана с помощью стандартных SLA или DLP способов, с последующей постобработкой способом вакуумного прессования для сглаживания поверхности. Допустимо изготовление кюветы с помощью стереолитографической 3D-печати – в таких случаях необходимо использовать прозрачный для УФ-излучения фотополимер.There are other ways to make a UV-transparent cuvette required for 3D printing of optical elements. For example, a PDMS cuvette mold can be printed using standard SLA or DLP techniques, followed by vacuum press post-processing to smooth the surface. It is possible to manufacture a cuvette using stereolithographic 3D printing - in such cases it is necessary to use a photopolymer transparent to UV radiation.

Пример реализации кюветы с частью поверхности ее дна выпуклой формы, сформированной с помощью эластичной мембраныAn example of the realization of a cuvette with a part of the surface of its bottom of a convex shape, formed with an elastic membrane

При изготовлении кюветы использовали ПДМС мембрану толщиной 300 микрон, радиусом 19.2 мм, которую прикрепляли к поверхности дна кюветы в зоне предварительно выполненного отверстия диаметром 5 мм по его периметру с помощью адгезивного материала. Для регулирования давления среды воздействия на мембрану для формирования выпуклой поверхности использовался поршневой механизм. Как следствие, основные геометрические параметры определялись объёмом воздуха, подаваемого с помощью поршневого механизма, который для формирования требуемой кривизны поверхности мембраны составил 1.3 мл. Таким образом была получена кювета, не дне которой была сформирована полусфера с радиусом кривизны 8.6 мм.The cuvette was fabricated using a PDMS membrane 300 microns thick and 19.2 mm in radius, which was attached to the surface of the cuvette bottom in the area of a pre-made hole 5 mm in diameter around its perimeter using an adhesive material. A piston mechanism was used to control the pressure of the impact medium on the membrane to form a convex surface. As a result, the main geometrical parameters were determined by the volume of air supplied by the piston mechanism, which was 1.3 ml to form the required curvature of the membrane surface. Thus, a cell was obtained, at the bottom of which a hemisphere with a radius of curvature of 8.6 mm was formed.

Изготовление контактной линзы.Manufacturing of contact lenses.

В качестве примера была изготовлена контактная линза (выпукло-вогнутая) толщиной 500 мкм, диаметром 14.5 мм, с радиусом кривизны 8.6 мм и с шероховатостью поверхности 54 нм. При изготовлении линзы был использован 3D-принтер – Autodesk Ember с площадью печати 64х40 мм². Длина волны источника света – 405 нм. Технологический процесс изготовления контактной линзы с использованием заранее изготовленной кюветы включал в себя следующие этапы:As an example, a contact lens (convex-concave) with a thickness of 500 µm, a diameter of 14.5 mm, a radius of curvature of 8.6 mm, and a surface roughness of 54 nm was made. In the manufacture of the lens, a 3D printer was used - Autodesk Ember with a print area of 64x40 mm ² . The wavelength of the light source is 405 nm. The technological process of manufacturing a contact lens using a prefabricated cuvette included the following steps:

1. Создание изображений, используемых для градиентной засветки (см. фиг. 11). С этой целью был использован открытый язык программирования “Processing”;1. Creation of images used for gradient illumination (see Fig. 11). For this purpose, the open programming language “Processing” was used;

2. Подготовка кюветы, её расположение ровно в центре области печати;2. Preparation of the cuvette, its location exactly in the center of the print area;

3. Заполнение кюветы жидким фотополимером;3. Filling the cuvette with liquid photopolymer;

4. Трансляция изображения в течение 7 секунд;4. Image broadcast for 7 seconds;

5. Постобработка способом вакуумного прессования.5. Post-processing by vacuum pressing.

Вся процедура занимала около 10 минут. При этом DLP 3D-печать позволила изготовить несколько оптических элементов одновременно. Данные факторы указывают на высокую скорость и низкие трудозатраты при создании прототипов или мелкосерийном производстве. На фиг. 12 изображен готовый продукт. The whole procedure took about 10 minutes. At the same time, DLP 3D printing made it possible to manufacture several optical elements at the same time. These factors indicate high speed and low labor costs for prototyping or small-scale production. In FIG. 12 shows the finished product.

Claims

1. A method for manufacturing optical elements of complex shape using microstereolithographic 3D printing, including

- manufacture of a cuvette, in which part of the inner surface of the bottom has a convex and/or concave shape corresponding to the shape of the first working surface of the manufactured optical element;

- filling the cuvette with photoresist;

- formation of the optical element when the photosensitive polymer is exposed to ultraviolet radiation with a given intensity distribution in the volume of the printed optical element, which ensures the formation of the desired shape of the second working surface of the optical element,

- purification of the manufactured optical element from liquid non-polymerized photoresist;

- processing the optical element by vacuum pressing to smooth out irregularities on the upper surface of the optical element formed under the action of ultraviolet radiation.

2. The method according to claim 1, characterized in that the exposure dose distribution during printing of the optical element is set using one image, the pixels of which have a different intensity level corresponding to the given geometry of the optical element.

3. The method according to claim 1, characterized in that the distribution of the exposure dose during printing of the optical element is set by successively exposing a series of different black-and-white images, the total intensity of the pixels of which during their exposure corresponds to the final required distribution of the received dose.

4. The method according to p. 1, characterized in that the purification of the manufactured optical element from the liquid component of the polymer is carried out using a compressed air stream.

5. The method according to claim 1, characterized in that the processing of the manufactured optical element is carried out by applying to its second working surface a liquid photosensitive polymer - the material for manufacturing the optical element, in an amount that ensures the filling of defects and smoothing the rough surface, followed by the application of a transparent film for UV radiation, and by exposure to UV radiation until the liquid fraction of the photosensitive polymer solidifies.

6. The method according to claim 1, characterized in that a part of the inner surface of the bottom of the cuvette, having a convex and / or concave shape, is formed by an elastic membrane with a thickness of 1 μm to 5 mm under external influence, implemented from its outer side.

7. The method according to claim 5, characterized in that the processing of the optical element by the vacuum pressing method is carried out inside the cuvette.

8. The method according to p. 6, characterized in that the pressure of the working medium or the temperature of the working medium is used as an external influence.

9. The method according to p. 6, characterized in that the membrane is fastened from the side of the inner surface of the bottom of the cuvette using adhesive materials.