TWI600527B

TWI600527B - 具有改良式光學單元的光固成型機

Info

Publication number: TWI600527B
Application number: TW103131521A
Authority: TW
Inventors: 艾托瑞莫利齊奧寇斯塔貝伯爾
Original assignee: 艾托瑞莫利齊奧寇斯塔貝伯爾
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2017-10-01
Also published as: US20150076740A1; TW201511928A; US9969129B2; ITVI20130229A1

Description

具有改良式光學單元的光固成型機

本發明相關於適合藉由複數個疊層製造立體物體的形式的光固化成型機，在該複數疊層中每一層係經由對應於待製造的物體的體積的區域中的流體物質的選擇性的固化被得到。

一已知形式的光固化成型機包含一容器，在該容器中有流體物質，該流體物物質一般是一在液體或漿糊狀態的光敏性樹脂。

該機亦包含一般發光型的並放射適合固化流體物質的來源的輻射。

一光學單元向一配置於容器內部的基準面提供輸送該輻射，該基準面對應於待固化的物體的曾的位置。

被形成的立體物體被一造型板支撐，該造型板能相對於容器被垂直移動，以此方式以使物體的最後的固化層被配置於一鄰接該基準面的位置。

以此方式，一旦每一層已被固化，造型板以此方式被移動而配置固化層，因而它再鄰接基準面，之後，程序能被重複於下一層。

上述型式的的光固化成型機被區分為兩個主實施例，該兩個主實施例如被敘述於義大利專利申請號VI2010A000004，其申請人同於本發明的申請人。

依據該等實施例的第一個，基準面被配置成鄰接於容器的底部，該底部對輻射是透明的。

在此情形中，流體物質係從下方被照射且立體物體係在造型板之下被形成。

依據發明的第二實施例，基準面係配置成與流體物質的自由表面等高。

在此第二情形中，流體物質從上方幅照且立體係於造型板之上形成。

在兩個實施例中，輻射係可藉由已知型式的不同光學單元向基準面的不同點傳送。

一第一型式的光學單元包含一陣列的鏡子，該等鏡子能以投射物體的層的影像於預定的表面上的方式被個別控制。

特別是，每一鏡子能承擔兩個不同的位置：一主動位置，其中輻射被反射向基準面的一對應點；以及一被動位置，其中輻射被反射向一分散區域。

該陣列的鏡子能同時照亮基準面的整體，使能經由一單一的曝曬且因此以一特別快速的方式得到每一層。

然而，陣列的竟具具有有限的界定，具有由此產生的缺點，即具有不規則的邊緣的物體被得到。

該系統進一步的限制係在於它們產生的影像具有均勻的光強度於其整個表面上。

因此，缺點出現，該系統不容許光功率被調整於基準面的不同區域中。

在一第二型式的光學單元中，輻射被傳送至基準面的一單一點上且該點係以能前進地照亮對應於物體的體積的基準面的整個部分。

較之於先前敘述的光學單元，後者提供優點：光束能被導引向基準面的任何點，使它跟隨連續的軌跡且如此得到不呈現由上述的型式的光學單元所導致的不規則性的物體。

更且，此型式的光學單元有利地使能更改基準面的不同區域中的光強度。

上述的第二型式的光學單元的一已知實施例包含一雷射源，該雷射源藉由一機械裝置移動於兩個垂直軸上。

此實施例造成缺點：光速的移動較慢，更且，機械移動裝置可能容易遭受故障且因此需要某種程度的維修。

在光學單元的一不同的實施例中一固定源及一對先後串聯配置的檢流鏡被用來引導光束。

每一鏡子被機動化，因而它分別能繞著垂直於另一鏡子的軸的轉動軸轉動，因而它們的轉動的組合使能引導光束向基準面的任何點。

較之於先前所述的已知系統，上面剛敘述的系統提供優點：由於檢流鏡的較低慣性，該系統容許光束被很快速移動，且由於較少數目的被使用的機械構件，該系統較可靠。

儘管該優點，檢流鏡的價格相對高昂，其大為影響光固化成型機的價格。

一基於檢流鏡的光學單元造成體積相對大的進一步缺點。

高價位以及大的總尺寸使光固化成型機不適合小系列製造，亦即小公司可能需要的種類的製造。

更且，檢流鏡包含一些機械構件，較之於上面所述的機械移動裝置，該等機械構件容易遭受磨損且因此限制它們的優點。

更且，檢流鏡的慣性係不容忽視並影響光束的偏向的速度且因此總處理時間。

本發明意欲克服所有典型上係習知技術的上述缺點。

特別是，本發明的目的係提供一光固化成型機，提供基於檢流鏡的使用的已知型式的光固化成型機所提供的相同優點且更是較後者更簡單於製造及使用。

本發明的另一目的係提供一光固化成型機，較之於具有等效潛力的已知型式的光固化成型機，具有縮小的總尺寸且較低的製造成本。

該目的的達成有利地讓本發明的光固化成型機亦方便於小系列的製造，對於該等小系列製造，已知型式的光固化成型機係不適合的。

該等目的藉由依據獨立申請專利範圍項所製造的光固化成型機被達成。

本發明的進一步細節係顯示於對應的附屬項中。

所述的目的和優點，連同顯示如下的其它，參照附圖，通過非限制性實例所提供的本發明的一些較佳實施例，將是顯而易見的，其中：

1‧‧‧光固化成型機

2‧‧‧容器

2a‧‧‧容器底部

3‧‧‧輻射源

3a‧‧‧輻射

4‧‧‧光學單元

5‧‧‧基準面

6‧‧‧邏輯控制單元

7、8‧‧‧微光機電系統(MOEMS)

9‧‧‧微鏡

10‧‧‧支撐結構

11‧‧‧鉸接手段

12‧‧‧致動手段

13‧‧‧連接區域

14‧‧‧透鏡

15‧‧‧流體物質

16‧‧‧立體物體

17‧‧‧造型板

第1圖顯示依據本發明的一光固化成型機；以及第2圖顯示第1圖中所顯示的光固化成型機的細節。

本發明的主題係光固化成型機，在第1圖中其整體被標示為1，使能依據複數層彼此被疊層，藉由一方法，製造一立體物體16，該等層係藉由選擇性曝曬一流體物質15於適合固化它的預先界定的輻射3a被得到。

較佳地，該流體物質15係一光敏性液態樹脂且預先界定輻射3a係一在可見光或紫外光頻率的範圍發射的雷射光。

顯然地，在本發明的變化實施例中流體物質15能為任何型式，液體或漿體，只要當曝曬於預先界定輻射3a時它適合固化。

相似地，輻射3a的輻射源3能發射不同於上述的輻射的輻射3a，只要它能固化流體物質15。

光固化成型機1包含一用於該流體物質15以及一造型板17以及一適合支撐物體16的造型板17，該物體16被形成並機動化，因此它依據一垂直移動軸Z移動。

光固化成型機1更包含一適合發射預先界定輻射3a的輻射源3以及一適合引導輻射3a向一基準面5的任何點的光學單元4，該基準面5於由流體物質15所佔據的體積的高度，被配置在容器2內部。

較佳地，該基準面5係平面且配置成鄰近容器2的底部2a。

在此情形中，光學單元4以從底部至頂部引導預先界定輻射 3a的方式被設置，因而輻射3a係入射在底部2a上。

更且，底部2a對輻射3a係透明的，因此輻射3a能撞擊位於鄰近底部本身的流體物質15，以便固化該流體物質15。

依據本發明的此實施例，如第1圖中能被看到，立體物體16係在造型板17之下製造。

依據本發明的一變化實施例，在此未圖示，光學單元係以從頂部至底部引導輻射3a於呈現在容器2中的流體物質15的自由表面上的方式被設置。

在此情形中，物體係在造型板17之上被製造。

在該等變化實施例的兩者中，光固化成型機1包含一邏輯控制單元6，該邏輯控制單元6被設置成控制光學單元4和/或輻射源3，以便在基準面5的一預先界定的部分的高度選擇性地曝曬流體物質15於輻射3a。

更詳細的說，該預先界定的部分對應體積的部分，該體積的部分不時對應立體物體16的每一層。

依據本發明，光學單元4包含兩個微光機電系統7和8，該微光機電系統在積體電路技術的領域中被熟知為首字母縮略字“MOEMS”。

如已知，MOEMS裝置係使用用於積體電路的製造的微電子的相同技術製造，例如藉由固相沈積、光固化成型、蝕刻等製造。

該等微光機電系統7和8的每一個，其一可能的實施例係經由非限制性的實例概略顯示於第2圖，包含一微鏡9，該微鏡9經由鉸接手段11結合一支撐結構10，該鉸接手段11設置成相對於支撐結構10界定轉動軸X1及X2予每一個微光機電系統。

如從第1圖中能被觀察，該兩個微光機電系統7和8被先後串聯配置，因而起始於輻射源3的輻射3a依序入射在第一微光機電系統7的微鏡9以及第二微光機電系統8的微鏡9上。

依據本發明，兩個微光機電系統7和8係以起始於該等微光機電系統8的第二個微鏡的輻射3a能藉由分別繞著軸X1以及X2的兩個微鏡9的轉動的一對應組合被引導向該基準面5的每一點的方式相對於輻射源3以及容器2配置。

特別地，兩個微光機電系統7和8以兩個轉動軸X1和X2係較佳彼此垂直的方式被配置於輻射源3和基準面5之間。

該兩個微光機電系統7和8的每一個更包含就其本身而言為習知的致動手段12，該致動手段12適合以相對於另一微光機電系統7或8的微鏡的移動獨立的方式將微鏡9繞著它自己的軸X1或X2移動。

該致動手段12能是靜電的、磁性的、熱機的型式或任何其它能藉由該MOEMS技術得到的已知型式。

有利地，微光機電系統7和8係比基於檢流鏡的系統便宜，其甚至更減少光固化成型機1的成本.

更且，有利地，微光機電系統7和8具有比檢流鏡低的慣性，假設物體的幾何相同，較之於習知的光固化成型機，其使能得到較高的角速度並如此減少需要製造立體物體16的時間。

更有利地，微光機電系統7和8比具有有著相等潛力的檢流鏡的光學單元具有遠較小的總尺寸，其使能減少光固化成型機1的總尺寸。

因此，由於其減少的成本及其有限的總尺寸，本發明讓製造一適合甚至被使用在習知的光固化成型機不合適的應用的光固化成型機1成為可能。

一由微光機電系統7和8提供的進一步優點係在於它們比具有有著相等潛力的習知型式的檢流鏡的系統吸收遠較少的能量。

減少的能量消耗連同可觀的簡潔性容許光固化成型機1電池供電，如此讓它成為可攜式。

更且，應理解的是上述的光固化成型機1提供典型上使用具有檢流鏡的系統的所有優點，特別是它們的精確性以及在物體16的不同區域中的功率的調制的可能性。

較佳地，微光機電系統7和8的每一個的微鏡9以及支撐結構10以一單一件被得到並經由對應的連接區域13連接彼此，該連接區域13屬於鉸接手段11且薄到足以繞著轉動軸X1或X2彈性屈曲，以此方式而容許微鏡9相對於支撐結構10轉動。

特別地，連接區域13的每一個工作為一扭力彈簧，該扭力彈簧能變形至一取決於裝置的標準電壓的程度。

顯然地，在本發明的變化實施例中，假設對於微光機電系統7和8的每一個，對應的微鏡9能相對於支撐結構10繞著一軸轉動，微光機電系統7和8能被製造成任何形狀。

至於設定該微光機電系統7和8的每一個的微鏡9移動的致動手段12，該等手段12係較佳設置成基於一由邏輯控制單元6所傳送並代表微鏡9必需承擔的角位置的控制信號的值，它們繞著軸X1或X2轉動該微鏡9。

特別地，邏輯控制單元係以移動兩個微光機電系統7和8的兩個微鏡9的方式被設置，該移動的方式係輻射3a沿著一或一個以上的連續軌跡前進而落在對應於待製造的物體16的層的預先界定的位置。

較佳但未必，該移動依據一覆蓋預先界定的部分的單一連續軌跡。

依據本發明的一變化實施例，微光機電系統7和8以及對應的致動手段12係配置成產生微鏡9的一週期性運動，該運動係使得輻射3a在每個週期能不斷地激發整個基準面5。

例如，該週期運動可包含交替地於兩個轉動方向依據微光機電系統7和8其中之一的一微鏡9的轉動軸X1或X2的微鏡9的擺振，該擺振較佳係藉由利用對應的連接區域13的共振頻率得到，該共振頻率係結合依據在其軸X1或X2上的單一轉動方向的另一微光機電系統7或8的微鏡9的轉動。

以此方式，輻射3a係入射於形成一鋸齒軌跡形狀的基準面5上，在每段，該鋸齒軌跡於其維度之一橫過基準面5，且同時依據另一維度移動。

在後者的實施例中，在微鏡9的該週期運動期間，邏輯控制單元6係設置成修飾輻射源3的強度。

特別地，當入射點係在基準面5的預先界定的部分的內部時輻射源3的強度以固化在該點的流體物質15的方式增加，而當入射點在預先界定部分的外部時強度係以避免固化流體物質15的對應部分的方式減少。

上述的微光機電系統7和8的每一個屬於一具有用於電性連接至光固化成型機1的接腳的積體電路，該光固化成型機1具有一對應的連接器或插座，該連接器或插座係以包覆該等接腳且亦適合容許積體電路被機械性固定於光固化成型機1的方式設置。

較佳地，該連接器或插座係具有低插入力的型式的。

在本發明的變化的實施例中，微光機電系統7和8能被直接焊接於支撐的電子電路上，避免使用連接器或插座。

依據一變化實施例，其並未顯示在圖式中，兩個微光機電系統7和8被配置在一包含透明窗的單一密封容器的內部，該窗係以容許被微光機電系統7和8反射的預先界定的輻射3a射出到容器外部的方式配置。

有利地，上述密封的容器產生光學單元4的壽命的大量的增加。

事實上，本發明的申請人觀察到預先界定的輻射3a使周遭的灰塵沈積在輻射入射的表面上。當預先界定的輻射3a係一具有使用在一光固化成型中的典型範圍中的頻率的雷射光束，此效果係特別顯著。

上述效果特別不利於微光機電系統7和8的很小表面，因此使它們的反射效果惡化，因為由於微光機電系統7和8的極端脆弱性，不可能清潔它們，上述效果必須藉由增加預先界定的輻射3a的功率被補償，然而其導致增加微光機電系統7和8的熱量，如此加速它們的惡化。

密封容器防止上述效果。特別地，透明窗能更容易被清潔，防止上述的缺點。

亦有利地，密封容器容許將兩個微光機電系統7和8併入一較佳具有一般的支撐結構10的單一積體電路。

至於光學單元4，此較佳包含一個或一個以上的透鏡14，該 (等)透鏡係設置成聚焦輻射3a於基準面5上。

較佳地，該透鏡14係所謂的“平場”型式的，也就是如此，聚焦輻射3於一平面基準面5。

實施上，微光機電系統7和8係以微鏡9彼此對齊並與由輻射源3所產生的輻射3a對齊的方式配置於光固化成型機1中。

較佳地，輻射源3及兩個微光機電系統7和8係定位成當微鏡9係在無轉動的狀況下，亦即，當兩個微光機電系統7和8的連接區域13沒受到扭力時，輻射3a係被反射向基準面5的中心點。

有關實際的立體物體16的製造，此依據完全相似於使用於具有檢流鏡的光學單元且其本身而言為已知的程序的程序。

依據上面所述，能理解的是本發明的光固化成型機容許所有的設定目的被達成。

特別地，本發明達成提供一較之於具有相等潛力的習知光固化成型機具有減少的總尺寸及較低的生產成本的光固化成型機的目的。

更且，微光機電系統係比檢流系統更經濟、較不笨重且較省能源，如此容許適合小系列製造、甚置是可攜式的光固化成型機的製造。

本發明的另外的變化實施例，雖然未在此敘述且未圖示於圖式中，但若它們落在陳述於下的申請專利範圍項的範圍之內，所有必須被認為受到本發明保護。