TWI659821B - 具有改良的光學單元之立體平版印刷機 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種立體平版印刷機(1),其包含:●容器(2),該容器(2)用於流體物質(15),該流體物質(15)適合經由暴露於預定放射(3a)而固化;●雷射源(3),該雷射源(3)易於發射該預定放射(3a)的光束;●向量掃描光學單元(4),該向量掃描光學單元(4)經配置以藉助於該預定放射而根據所期望向量資料圖像,來實施佈置在該容器(2)內部的參考表面(5)的向量掃描;●記憶體,該記憶體用以儲存代表著在該參考表面上要被掃描的圖像的該向量資料圖像;●邏輯控制單元(6),該邏輯控制單元(6)經配置用於根據該向量資料圖像,以將一預定部分的該參考表面(5)暴露於該預定放射(3a)這樣的方式,來控制該向量掃描光學單元(4)及/或該雷射源(3);其中該向量掃描光學單元(4)包含第一和第二微光機電系統(MOEMS)(7,8),該第一和第二微光機電系統(7,8)以相對於該預定放射(3a)的行進路徑而一個接另一個串聯地來佈置,每個MOEMS系統包含: ●鏡子(9),該鏡子(9)具有包含在約2mm和約8mm之間的直徑,該鏡子(9)經由關節構件(11)關聯到支撐結構(10),該關節構件(11)經配置以便針對該鏡子(9)定義出旋轉軸(X1、X2);●致動器(12),該致動器(12)適合將該鏡子(9)以準靜態方式繞該旋轉軸(X1、X2)而以一角速度移動,以使得當該雷射源(3)在該向量掃描期間正在發射該預定放射(3a)時,在該參考表面(5)上的雷射光束的對應打標速度是包含在約0.5m/s和約3m/s之間;及其中●第一MOEMS系統(7)的鏡子(9)的旋轉軸(X1)是入射於第二MOEMS系統(8)的鏡子(9)的旋轉軸(X2)。

Description

具有改良的光學單元之立體平版印刷機
本發明關注一類適合藉助於複數個疊加層而產生三維物體的立體平版印刷機,經由流體物質的選擇性固化而在對應於所要產生的物體的體積的區域中,來在疊加層中得到每個層。
已知種類的立體平版印刷機包含容器,在容器中有流體物質,普遍是在液態或糊狀態的光敏感樹酯。
這印刷機也包含普遍是發光種類的源極且該源極發射適合固化流體物質的放射。光學單元提供用於傳送該放射朝向佈置在容器內部的參考表面,該參考表面相當於要被固化的物體的層的位置。
以這樣的方式來由造型板支撐所形成的三維物體(該造型板能相對於容器垂直地移動):允許物體的最後固化層被佈置在相鄰於該參考表面的位置。
如此,一旦每個層已經固化,以這樣的方式來移動造型板:排列已固化的層以便它再次相鄰於參考表面,在移動之後,流程可以重複用於接下來的層。
上述種類的立體平版印刷機被分成兩種主要實施例,這兩種主要實施例例如是在同一申請人名義的義大利專利案第VI2010A000004號中描述。
根據所述實施例的第一者,將佈置參考表面以使得它是相鄰於對放射透明的容器的底部。在這種情況,流體物質是從下面照射且三維物體是在造型板下方形成。根據本發明的第二實施例,在流體物質的自由表面的水平處佈置參考表面。在這第二種情況下,流體物質是從上面照射且三維物體是在造型板上方形成。在這兩種實施例中,能藉助於已知種類的不同光學單元來朝向參考表面的不同點傳遞放射。在光學單元的實施例中,使用一個接另一個串聯地佈置的一對檢流器鏡子與固定源,來引導光束。
將每個檢流器鏡子電動化以使得它能夠繞正交於另一檢流器鏡子的軸的相對旋轉軸來旋轉,以使得它們旋轉之組合對於引導光束朝向參考表面的任一點將變得可能。
這上述光學單元提供這些好處:它允許非常快速地移動光束,這是因為檢流器鏡子的低慣性,並且它是更可靠的,這是因為使用了較小數量的機械元件。
雖然有所述好處,但檢流器鏡子的花費是相對高的,其顯著地影響到立體平版印刷機的花費。
基於檢流器鏡子的光學單元帶來的進一步缺點是相對笨重。
高花費與可觀的整體尺寸將使得包含檢流器鏡子的立體平版印刷機不適合任何小批量生產,即小公司可能所需的那種生產。
再者,包含一些機械元件的檢流器鏡子易於磨損而因此限制它們的好處,特別是因為它們替換的高花費。
再者,檢流器鏡子的慣性是無法忽略且影響光束偏差的速度而因此影響整體處理時間。
申請人已提出這問題的第一解決方案,那就是找出光學單元,該光學單元提供由基於檢流器鏡子之使用的已知種類的立體平版印刷機所提供的一些好處且再者相較於後者是更簡單生產及使用。這解決方案是在同一申請人名義的WO 2013/093612中描述,其中描述出立體平版印刷機包含:用於流體物質的容器;適合固化流體物質的預定放射源;適合在流體物質中引導放射朝向參考表面的光學單元;及配置用以控制光學單元及/或源以便暴露一預定部分參考表面的邏輯控制單元。光學單元包含提供具有與致動器構件相關的鏡子的微光機電系統,該致動器構件用於繞至少兩個彼此入射及獨立的旋轉軸旋轉,其經佈置以使得它能夠經由繞兩軸旋轉的對應組合來引導放射朝向參考表面的每個點。
但是,申請人已發現將檢流器鏡子替換為能被導向或沿兩軸旋轉的單一MOEMS是無法解決參照先前技術所描述的所有問題且再者造成進一步的問題。
在雷射掃描的技術領域中,有兩種的雷射掃描能普遍地實施:光柵掃描和向量掃描。在光柵掃描中,沿著一系列直線來依序地掃描雷射光束,該一系列直線是分隔開且彼此平行,及該一系列直線是相對地長(典型地至少與以掃描方向進行掃描之部分的外部尺寸一樣長);因此,雷射光束必須僅僅以沿著每個掃描線的一個方向來移動,及典型地佈置掃描系統以使得沿著每個掃描線的移動是由單一鏡子的移動所影響。在向量掃描中,沿著一系列直線或向量來依序地掃描雷射光束,該等向量的長度能從非常短(例如,小於1mm)變化到相對長,及該等向量的方向能相對於彼此變化,以使得普遍地它需要兩個鏡子的協調移動以掃描向量。一個向量的終點常常與下一個向量的起點相重合。
本發明尤其關注向量掃描,向量掃描具有在光柵掃描中普遍地不能發生作用的挑戰。申請人已發現為了得到由立體平版印刷機所製造的三維物體的更好控制,要使用向量掃描以便得到更精準和準確的結果。此外,向量掃描允許要被製造的三維物體的「輪廓化」。要被製造的三維物體是在層接層的處理中被分開,其中在每個層中定義出外部邊界或圖案,在該外部邊界或圖案內雷射必須掃描和聚合樹脂。但是,為了得到更好的表面特性,不僅是掃描邊界的「內部」,還有較佳地實施邊界的輪廓化(即,雷射光束光點將針對每個層跟隨 圖案的邊界的輪廓)。這輪廓化只有藉由在立體平版印刷機中使用向量掃描成為可能。
針對這種在其中選擇向量掃描的立體平版印刷機,並不希望單一MOEMS系統是可移動的或沿著兩個不同軸是可旋轉的。這種鏡子具有太大的慣性動量以相對高的速度移動。這降低了生產時間。進一步地,雙軸MOEMS鏡子具有在鏡子本身的尺寸上的固有限制,這是因為事實上它必須繞兩個入射軸移動。因此,雷射光點的尺寸也受到限制,增加立體平版印刷機的花費。
根據第一方面,本發明涉及一種立體平版印刷機,其包含:●容器,該容器用於流體物質,該流體物質適合經由暴露於預定放射而固化;●雷射源,該雷射源易於發射該預定放射的光束;●向量掃描光學單元,該向量掃描光學單元經配置以藉助於該預定放射而根據所期望向量資料圖像,來實施佈置在該容器內部的參考表面的向量掃描;●記憶體,該記憶體用以儲存代表著在該參考表面上要被掃描的圖像的該向量資料圖像;●邏輯控制單元,該邏輯控制單元經配置用於根據該向量資料圖像,以將一預定部分的該參考表面暴露於該放射這樣的方式,來控制該向量掃描光學單元及/或該雷射源; 其中該向量掃描光學單元包含第一和第二微光機電系統(MOEMS),該第一和第二微光機電系統以相對於該預定放射的行進路徑而一個接另一個串聯地來佈置,每個MOEMS系統包含:●鏡子,該鏡子具有包含在約2mm和約8mm之間的直徑,該鏡子經由關節構件關聯到支撐結構,該關節構件經配置以便針對該鏡子定義出旋轉軸(X1、X2);●致動器,該致動器適合將該鏡子以準靜態方式繞該旋轉軸(X1、X2)而以一角速度移動,以使得當該雷射源在該向量掃描期間正在發射該預定放射時,在該參考表面上的雷射光束的對應打標速度是包含在約0.5m/s和約3m/s之間;及其中●第一MOEMS系統的鏡子的旋轉軸是入射於第二MOEMS系統的鏡子的旋轉軸。
這就是說,以這樣的方式來相對於雷射源和容器佈置第一和第二微光機電系統(MOEMS):可以將依序入射在第一和第二鏡子上的預定放射的雷射光束經由繞兩個入射軸的鏡子旋轉的對應組合引導到參考表面的點,以根據向量資料圖像來實施向量掃描。
在本發明的立體平版印刷機中的向量掃描光學單元包含兩個MOEMS鏡子,由致動器來繞軸移動兩個MOEMS鏡子之每個鏡子。每個MOEMS鏡子是僅僅 繞單一軸可旋轉的。較佳地,每個鏡子的致動器是靜電致動型或電磁致動型二者之一。這兩種致動在本領域皆是已知而不在下面進一步描述。每個MOEMS鏡子具有單一旋轉軸,但第一MOEMS鏡子的旋轉軸是入射於第二MOEMS鏡子的旋轉軸,也就是這兩個軸不是彼此平行。由雷射源所發射的雷射光束是由MOEMS鏡子一個接另一個串聯地所反射及然後反射到在立體平版印刷機中材料的工作表面(參考表面)上,以「劃」光束軌跡。在這軌跡,雷射光束的放射照亮參考表面屬於的一部分液體,以使得這樣的部分變成「更硬」(聚合或固化)。參考表面因此為根據給定圖案或圖像所固化的「工作層」。複數個工作表面或層需要被圖案化以形成三維物體。例如,兩個MOEMS鏡子是放在參考表面上面及聚焦的雷射光束垂直向下地繼續前往到工作表面上。有利地,佈置兩個MOEMS鏡子以使得它們以兩個正交方向移動雷射光束,這雷射光束在參考表面上形成「光點」。在所有表面或層上實施這向量掃描,以便形成三維物體,這所有表面或層是沿著像是垂直軸Z的第三軸而一個接另一個分開一段距離,這第三軸較佳地是垂直於MOEMS鏡子的兩個旋轉軸。根據不同的向量資料圖像,來向量掃描每個表面或層,根據三維印刷領域的已知技術,來實現三維(3D)物體。
定義出要由雷射光束掃描的圖案的向量資料圖像是由電腦或處理器處理的檔案,像是CAD檔案(例 如,CAD程式實現.stl檔案),其中包含關於在工作表面中要被掃描的圖像的資訊。向量圖像定義出輪廓或邊界和到該邊界的「內部」,該輪廓或邊界為圖像的外面或外部邊界,雷射光束必須穿過(「掃描」)該內部以固化液體,3D物體要從該液體實現。
根據本發明,如所述,藉助於包含兩個MOEMS系統的向量掃描光學單元來掃描雷射光束。MOEMS或微光機電系統包含與微光學合併MEMS,該微光學涉及使用整合的機械、光和電的系統,來感測或處理在非常小尺寸規模的光學信號。這些裝置通常是使用微光學和標準微加工技術而使用像是矽、二氧化矽、氮化矽和砷化鎵等的材料來製造。MOEMS包含兩個主要技術,MEMS和微光學。
MEMS(微機電)系統是非常小裝置的技術。較佳地,MOEMS是使用在半導體裝置製造中的處理技術來製造,像是例如材料層的沉積、由光刻的圖案化及蝕刻以產生所需形狀。
較佳地,本發明的MOEMS鏡子是反射鏡子,更佳地是以矽來實現。較佳地,在本發明的掃描單元中的MOEMS鏡子是使用CMOS技術來實現。
如所述,針對上述好處,申請人僅僅對向量掃描光學單元感興趣。
選擇兩個MOEMS鏡子而每個是沿著單一軸可移動的,而不選擇單一MOEMS鏡子而該單一 MOEMS鏡子是沿著兩個軸可移動的或可旋轉的是在於以下事實:兩個單一軸MOEMS鏡子的效率是高於可繞兩個軸旋轉的單一MOEMS鏡子的效率。在兩個軸MOEMS鏡子中,定義出鏡子的「物件」的區域的部分是專用於軸向移動。因此,針對所佔據的相同區域,在兩個軸MOEMS鏡子中,在其上雷射光束能入射的鏡子的有效尺寸是小於單一軸MOEMS鏡子的情況。此外,兩個軸MOEMS鏡子是重於單一軸MOEMS鏡子,因此具有較高的角慣性。進一步地,單一軸MOEMS鏡子的尺寸是較好控制的且它的旋轉是更穩定的,這些尺寸是如下所詳述的本發明的相關參數。
申請人也已認識到,為了得到使用兩個單一軸MOEMS鏡子的向量掃描光學單元,要施加每個MOEMS鏡子的「準靜態」運動。
能將MOEMS鏡子分成兩種類別:共振MOEMS鏡子和準靜態(在文獻中有時候也稱為靜態或轉向鏡子)MOEMS鏡子。一般地,MOEMS鏡子是機械地設計以在準靜態或共振模式兩者之一中工作。共振MOEMS鏡子是在共振頻率處致動的鏡子。共振頻率是主體針對低激發水平顯示非常大反應(振幅運動或振盪)所在的頻率。針對MOEMS鏡子,它是掃描振幅針對給定的致動水平為最大值所在的頻率。
準靜態MOEMS鏡子意味鏡子是遠離於它的機械共振頻率致動,且因此在掃描角度和致動信號之間 的關係是基本上線性。準靜態MOEMS鏡子是在線性區域中致動的鏡子,在該線性區域中有在致動信號(例如,電壓信號)和繞單一軸的角位移之間的線性關係,準靜態MOEMS鏡子是繞該單一軸可旋轉的。因此,知道MOEMS鏡子要放在及必須要保持的角位置,能藉由施加一定連續的致動信號來驅動鏡子以保持這樣特定位置。典型地,準靜態模式操作從靜態(傾斜鏡子和保持位置)向上進到幾百Hz。在這頻率範圍中,鏡子將按照致動信號形狀。共振致動模式是MOEMS鏡子用與鏡子的共振頻率相等的信號頻率來致動的模式。因為鏡子掃描振幅是在機械共振頻率放大,鏡子運動將充當機械振盪器及然後將按照正弦運動(且不是線性運動)。
申請人已認識到,為得到需要向量掃描在圖像向量資料檔案中所包含的圖像的精準控制,兩個準靜態MOEMS鏡子必須要使用,以使得控制單元能發送預定電壓信號,精準角度對應到該預定電壓信號,在該精準角度處兩個MOEMS鏡子是分別地繞X1和X2軸傾斜,取決於所使用MOEMS鏡子的線性特性。
如此,精準控制是可能的,對於由致動器所發送到第一和第二MOEMS鏡子的信號或幾個信號(由控制單元所發射的對應信號所得到的信號),因為是與兩個MOEMS鏡子成為定位在的第一和第二角度有關(每個MOEMS鏡子是繞它的軸(X1或X2)傾斜特定角度,該角度的值是由致動器/控制單元所發送的信號決 定),所以要掃描的在參考表面內的精準空間點也是與這樣的信號或幾個信號有關。
由於是實施向量掃描這事實,所以能得到複雜的路徑或軌跡以根據呈現在圖像資料中的圖像由掃描光學將雷射光束引導到參考表面上。用於從第一點到第二點由雷射光束來掃描在參考表面上的給定路徑的時間是取決於MOEMS鏡子的角速度,也就是取決於它們改變它們與第一點有關的位置(即,角度)到與在參考表面中新點有關的新位置(即,新角度)的速度,以使得光束是以給定的速度從第一點朝向第二點移動。並非能使用所有的速度,這是由於以下原因。
在光柵掃描中,因為鏡子的「高速度」及因此光束到表面上的「高速度」,雷射光束一般將掃描表面的相同部分超過一次,因為它是以大體彼此平行的「線」高速掃描表面的部分。針對這種的掃描,雷射源是非常強大(通常是避免)或適當地固化容器中的液體多於所需的雷射通道二者之一。
申請人已認識到,在運用於立體平版印刷機的向量掃描中,一方面是平衡針對快速掃描執行的需求且另一方面是盡可能限制圖像的相同部分的一個(或僅極少是超過一個)「固化」(也就是,雷射只有一次「劃」相同圖案)的最佳解決方案,是針對單一軸MOEMS鏡子的移動來選擇特定的角速度範圍。確實,更強大的雷射源也能和以更高速度移動的鏡子一起工作,但是本發 明的立體平版印刷機是針對相對為「低價格」市場,較佳是不使用高功率而貴的雷射。因此以這樣的方式選擇MOEMS鏡子的角速度:雷射光束到工作或參考表面上的「掃過」速度是包含在雷射光束沿著給定圖案的單一「掃過」中將可能聚合或固化的間隔中。
使用鏡子的(根據本發明)這特定角速度,當雷射源正在實施向量掃描時,在參考表面中的雷射光束的對應雷射速度是包含在約0.5m/s和約3m/s中,針對這速度將得到在精準、基本上用雷射光束進行單一「劃」中的固化及生產速度之間所希望的妥協。也就是,以這樣的方式致動鏡子:它們以對應雷射光束速度是在0.5m/s至3m/s間隔內針對的角速度來移動。到參考表面上的這雷射速度是取決於在掃描光學與表面自身之間的距離及取決於MOEMS鏡子的角速度。給定到參考表面上的所希望雷射速度,也就是雷射光束移動到參考表面上的速度,本領域具有通常知識者能得到MOEMS鏡子必須要傾斜的角速度,這取決於立體平版印刷機的結構特性。這「掃過」速度叫做「打標速度」,其指示出雷射光束正在掃描感興趣的參考表面及正在實施包含在容器中的液體的硬化所在的角速度。
仍然保持本發明的立體平版印刷機的價格相對低,還有第一和第二MOEMS系統的單一軸MOEMS鏡子之每一者的尺寸相關聯。太寬的鏡子將導致笨重機器的成真及鏡子自身的不穩定。在一些情況下,鏡子可 以是相對大的且因此能具有大量機械慣性。因此,它可能要花相當長的一段時間,來將掃描鏡子加速到它們完整所希望的速度。已發現到,忽略鏡子的有限加速時間能在一些情況下導致雷射光點的以下無法接受的大誤差。
太小的鏡子尺寸施加嚴格限制到必須使用和由雷射源所發射的放射光束。申請人已因此發現到,在這種情況,合適的妥協是MOEMS鏡子直徑包含在約2mm與約8mm之間。在本發明上下文中,術語「直徑」指的不只是圓形鏡子還有其他鏡子的幾何形狀。在後者情況,直徑是垂直於MOEMS鏡子的旋轉軸的方向的最大尺寸。
MOEMS鏡子的尺寸是適於已選擇的速度,也就是選擇而同時也考慮,這些MOEMS鏡子必須移動以使得到參考表面上的雷射光束速度是包含在約0.5m/s與約3m/s之間而沒有困難。
根據上述方面的本發明可以包含(無論是作為替代或組合)以下特性中之一或更多者。
有利地,致動器經配置以一角速度而繞旋轉軸(X1、X2)移動第一及/或第二MOEMS系統的鏡子,以使得當雷射源針對圖像的掃描沒有發射預定放射以改變在參考表面中的位置時,在參考表面上的雷射光束的對應定位速度是包含在約8m/s與約10m/s之間。
要被掃描及在檔案中儲存的圖像能形成連續形狀,也就是封閉在單一封閉邊界內的單一形態,或由分開封閉邊界所劃界的複數個分開形狀。為了使雷射光束掃描不同分開形狀,光束應該從一個位置移動到另一個(常常是相對遠的位置)以再次開始掃描。在各種形狀之間的距離可以是夠長而需要MOEMS鏡子的重新定位。因此,在重新定位和從要被掃描的形狀的第一位置移動到遠離第一位置而要被掃描的形狀的另一第二位置的處理中,將關閉雷射及移動MOEMS鏡子。重新定位的移動是實施在一速度,該速度是較佳地高於對應於實施雷射「掃過」所在的雷射速度(打標速度)的角速度,及更較佳地這角速度使得雷射光束移動在參考表面上的最後點(關閉雷射所在)與在表面上的新點(再次開啟雷射所在)之間所在的對應速度是包含在約8m/s與約10m/s之間。換句話說,彷彿沒有關閉雷射光束,來計算重新定位速度。在參考表面上的雷射光束的速度叫做「定位速度」且它是「彷彿」雷射為連續開啟而在這兩點之間的雷射光束的速度。但是,將關閉雷射光束以避免不應受到雷射放射的表面部分的聚合。
至於打標速度,雷射的定位速度是取決於在鏡子上的角速度及取決於在掃描光學與參考表面之間的距離。
有利地,第一和第二微光機電系統的兩個旋轉軸(X1、X2)是互相正交。
也就是,較佳地第一MOEMS系統的鏡子繞X軸旋轉且第二MOEMS系統的鏡子繞Y軸旋轉,以使得兩個鏡子的選轉組合允許雷射光束到達在液體材料的(X,Y)表面中的任一位置。
在較佳實施例中,雷射源經配置以發射波長是包含在約405nm±10nm之間的預定放射。
能在3D列印機器中使用不同雷射源。在本發明中,是使用雷射源的比較「不尋常」波長,也就是雷射源能夠在紫光區域中放射。這雷射分類為「藍光」雷射。這波長的雷射普遍是便宜於適合發射不同波長而仍在UV範圍內的放射光束的雷射。進一步地,用於光學的鏡子的塗層也是更便宜的,在它們必須與這要求波長的入射放射一起工作時。
較佳地,雷射源經配置以發射在參考表面處具有一輻照的預定放射,該輻照是包含在約10mJ/cm2與約200mJ/cm2之間。
如所述,在這樣的預定放射的雷射光束的功率應該足夠高以聚合液體材料以使得它在被掃描處就成為固體(即,是受到雷射光束放射),且該功率應該不高到使得雷射源的花費成為太高而妨礙包含這樣貴的雷射的3D印表機的商業化。申請人已發現到,所要求功率的範圍是考慮到兩個相對需求的良好妥協。但是,較佳地不是功率,而是輻照被調整和固定。在容器中的參考表面處的光量是定義為強度單位或能量單位二者擇一。 在參考表面處的光強度(由術語輻照描述)是短時間暴露的測量,該測量是用於決定是否雷射的功率值能聚合包含在容器中的液體的相關值。
在較佳實施例中,根據本發明的立體平版印刷機包含密封的容器,該密封的容器收容雷射源及串聯佈置的第一和第二微光機電系統(MOEMS),該密封的容器包含以透明於預定放射的材料來實現的窗,以使得該放射能離開該容器。
申請人已發現到,雷射放射(尤其是約405nm±10nm之間的要求波長的雷射放射)可導致因為「灰塵」或因為可附著在MOEMS鏡子上的任何外來物質的潛在問題。感興趣波長的這些外來顆粒或物質(能簡單地是灰塵)導致靜電荷的積累,這靜電荷的積累增加MOEMS鏡子的溫度直到發生MOEMS鏡子的損害。能藉由鏡子的清潔來避免這損害,但是MOEMS鏡子的尺寸和技術特性不允許簡單又容易的鏡子的清潔。因此,申請人已較佳地認識到圍繞雷射源和MOEMS鏡子的密封的容器使得外來顆粒不能意外地附著在鏡子上,由容器的密封牆阻擋著。
有利地,微光機電系統(MOEMS)中之每一者的致動器是電磁的或靜電的,以便以這樣的方式來繞軸(X1、X2)旋轉鏡子:回應於由邏輯控制單元所發射及具有代表角位置之值的控制信號的接收,將它佈置在該角位置。
致動器正在命令鏡子和固定要旋轉它們所在的角度。如所述,它們較佳地為電磁的或靜電的種類。
較佳地,邏輯控制單元經配置以便移動第一和第二微光機電系統兩者的鏡子,以使得在參考表面上的放射的入射點定義出根據圖像資料來完全覆蓋預定部分的連續軌跡。
應理解的是,能藉由單一部分(由封閉邊界來劃界)或藉由多個分開部分,來形成用於3D物體的每層的向量資料圖像。在後者的情況,從一個部分移動到分開的一個部分,將關閉雷射。雷射僅在樹酯必須被聚合處劃圖案:然後它能以定位速度從要聚合的向量圖像的兩個分開部分進行「跳」(關閉著)。因為不需要「掃過」圖像的不要聚合部分,所以這處理是快於光柵掃描。
較佳地,光學單元包含至少一個透鏡,該至少一個透鏡經配置以便將放射聚焦於參考表面上。
更較佳地,該至少一個透鏡包含平場掃描透鏡。
平場掃描透鏡是一種專門的透鏡系統,在這系統中偏向雷射光束的焦平面是平坦表面。
有利地,流體物質包含可固化樹酯。更較佳地,這樹酯包含(甲基)丙烯酸酯單體及/或低聚體。甚至更較佳地,這種樹酯額外地包含光引發劑,及/或著色劑及/或填充劑。
當使用具有上述要求波長範圍(例如,約405nm±10nm)中的發射的雷射固化後,具有這些特性的這可固化樹酯將工作得特別好。
有利地,雷射源包含功率控制以變化由雷射源所發射的預定放射的功率,該功率控制是連接到邏輯控制單元,取決於在參考表面上的放射光束的位置,該邏輯控制單元是易於改變所發射的功率。
通常希望,在參考表面上傳遞預定的暴露(即,每單位面積的能量)圖案。在最簡單的情況,較佳的暴露圖案是在劃界要掃描的圖像的邊界內為常規暴露而在這些邊界外為零暴露。在許多實際的情況,卻是,這較佳的暴露圖案不是均勻的圖案。例如,在暴露區域的邊界處的較高暴露將通常是有益的。為此目的,是希望藉助於雷射功率控制來調整雷射功率,以便盡可能達到最佳暴露。
雷射功率控制將控制在參考表面處的雷射光束的輻照,以使得它是維持包含在約10mJ/cm2與約200mJ/cm2之間。此外,在要掃描圖案的「中央」之雷射光束的輻照是較佳地不同於在要掃描圖案的邊界處。
在較佳的實施例中,功率控制包含尺寸控制以變化由雷射源所發射的預定放射的光束尺寸,該尺寸是沿著垂直於放射的行進方向的平面在一橫截面中測量。
取決於要掃描圖像的尺寸或取決於部分圖像的尺寸(例如,圖像可包含在一個方向上具有非常小尺寸的部分),來較佳地改變光束尺寸。雷射光束的功率和尺寸是一起控制的,功率越高,則光束的尺寸越大。用非常小尺寸的雷射光束掃描全部圖像需要長的處理時間。因此,較佳的是,藉助於光束尺寸控制器來改變光束的尺寸。
1‧‧‧印刷機
2‧‧‧容器
2a‧‧‧底部
3‧‧‧雷射源
3a‧‧‧預定放射
4‧‧‧向量掃描光學單元
5‧‧‧參考表面
6‧‧‧邏輯控制單元
7‧‧‧微光機電系統
8‧‧‧微光機電系統
9‧‧‧鏡子
10‧‧‧支撐結構
11‧‧‧關節構件
12‧‧‧致動器
13‧‧‧連接區域
14‧‧‧透鏡
15‧‧‧流體物質
16‧‧‧物體
17‧‧‧造型板
150‧‧‧雷射功率控制系統
X1‧‧‧軸
X2‧‧‧軸
X‧‧‧軸
Y‧‧‧軸
Z‧‧‧軸
從參照附圖而通過非限制性的示例所提供的本發明的一些較佳實施例的接下來描述,這些目標和好處以及下面所強調的其他者將是明顯的,其中:圖1顯示出根據本發明來實現的立體平版印刷機;圖2顯示出在圖1中所示的立體平版印刷機的細節;圖3顯示出圖1的立體平版印刷機的另一視圖;及圖4顯示出在本發明中所使用的MOEMS鏡子對於施加電壓的響應(傾斜角度)的線性部分的圖形。
本發明對象的立體平版印刷機(在圖1和圖3中被整體標示為1)將使得經由處理來產生三維物體16變成可能,根據該處理將複數個層(可見於圖3中)疊加在彼此上,經由流體物質15對適合固化它的預定放射3a的選擇性暴露來得到該等層。
較佳地,流體物質15是一種光敏感的液體樹酯。較佳地,這樹酯是一種使用在UV範圍中的放射而可固化的聚合樹酯。樹酯較佳地包含:(甲基)丙烯酸酯單體及/或低聚體,進一步附加包含光引發劑,及/或著色劑及(在一些情況)填充劑。
由雷射源3來發射對流體物質暴露的放射,較佳地發射在紫光波長(例如,405nm±10nm)的波長範圍中的放射。當在給定輻照的雷射光束被入射在上述樹酯上時,硬化上述樹酯。較佳地,流體物質15(或樹酯)的固化發生於包含在10mJ/cm2與約200mJ/cm2之間的輻照。
立體平版印刷機1包含用於流體物質15的容器2及造型板17,該造型板17適合支撐所形成的物體16及電動化以使得它根據垂直移動軸Z來移動。
印刷機1另外包含向量掃描光學單元4,該向量掃描光學單元4適合引導由雷射源3所發射的預定放射3a(也就是,引導雷射光束)朝向佈置在容器2內部的參考表面5的任一點,在由流體物質15所佔據的體積的水平處。
較佳地,參考表面5定義出一平面且被佈置以使得它是相鄰於容器2的底部2a。
在這種情況,向量掃描光學單元4以這樣的方式來配置:引導預定放射3a從底部到頂部,以使得它入射在底部2a上。再者,底部2a較佳地是透明於預定放 射3a,以使得雷射能擊中位在靠近底部自身的流體物質15,以便固化該流體物質15。
根據本發明的這實施例,三維物體16是在造型板17下方製作,如能在圖1所見。
根據本發明的變化實施例(見圖3),向量掃描光學單元4以這樣的方式來配置:引導預定放射3a從頂部到底部而在呈現在容器2中的流體物質15的自由表面上,以使得它入射在底部2a上。在這種情況,物體是在造型板17上方製作。
在操作中,印刷機1涉及樹酯(層)塗層的形成及在這些層的特定部分中的固化以形成物體,尤其是3D物體。處理可被看作是,開始於將造型板17沉浸在樹酯的上表面下方到一個層厚度。然後通過由雷射源3所發射的雷射光束而根據預定圖案將樹酯塗層聚合。初始層對應於要形成的3D物體的初始橫截面。在這第一層中的所希望圖案的初始形成之後,造型板17是沿著Z軸移動且形成樹酯層厚度的一個新的量。在這新層的形成之後,新的暴露發生並依此類推,根據不同的圖案。
由控制單元6來決定由雷射源所發射的預定放射3a的位置,該控制單元6可為(例如)電腦,該電腦接著又控制所包含的向量掃描光學單元4用以控制預定放射3a的方向當它撞擊目標或參考表面5。在本發明的這較佳實施例,控制單元6包含用於向量掃描光學單元4的控制微處理器及進一步包含系統,該系統用於儲存資 料庫(以片接片的形式)以定義出所產生的3D物體的尺寸。這資料庫包含圖像檔案(像是由CAD程式形成的檔案),其中儲存有在不同的橫截面或層中要產生的圖案或圖像。在本發明的較佳實施例中,傳統的個人電腦工作站(像是個人電腦)是適合用作控制單元6。控制單元6產生信號,以根據在當前層中要產生的3D物體的橫截面來引導預定放射3a(藉助於向量掃描光學單元4)跨越參考表面5。
控制單元6是較佳地由軟體操作,該軟體是在控制單元6自身上操作且(例如)也可控制在Z方向上的造型板17的移動。
此外,控制單元6產生信號到雷射功率控制系統150以指示出當開啟時由雷射源3要傳遞的功率的所希望水平,尤其是為了固化在其中所包含的樹酯而在參考表面5上的所希望輻照。進一步地,它較佳地也產生指示次數的信號,該次數是雷射源3針對樹酯的當前層而根據3D物體的片的資料庫代表要開啟或關閉的次數。根據本發明的較佳實施例,控制單元6控制雷射功率控制系統150以產生隨時間變化的信號(對應於要傳遞的瞬時功率)到雷射源3。控制可以是類比控制或藉助於脈寬調變控制。根據本發明的較佳實施例的向量掃描光學單元4及雷射功率控制系統150控制雷射光束的向量掃描及雷射源3的功率,以達到對雷射能量的樹酯的所希望暴露。
進一步地,雷射功率控制系統150控制由雷射源3所發射的預定放射3a的尺寸。較佳地,雷射功率及雷射尺寸並不是獨立地控制,即雷射光束的功率也影響到雷射光束的尺寸,較佳地是以成比例的方式。
根據本發明,向量掃描光學單元4包含第一和第二微光機電系統7和8(在積體電路技術領域中是已知為首字母縮寫「MOEMS」)。如已知,MOEMS裝置是使用用於針對積體電路製造的微電子的相同技術來製作,例如經由固體沉積、光刻、刻印等。
第一和第二微光機電系統7和8中之每一者(以示例的方式而非限定示意地呈現在圖2中的可能實施例)包含經由關節構件11關聯到支撐結構10的微鏡子9(較佳為反射鏡子),該關節構件11經配置以針對每個微光機電系統7和8來相對於結構10定義出鏡子9的旋轉軸X1和X2(例如垂直軸X和Y)。
如在圖1中可觀察到,兩個微光機電系統7和8是一個接另一個串聯地來佈置,以使得起源自雷射源3的預定放射3a是依序入射在第一微光機電系統7的鏡子9和第二微光機電系統8的鏡子9上。
根據本發明,兩個微光機電系統7和8是以這樣的方式來相對於雷射源3和容器2佈置:能經由繞各別軸X1和X2兩者的旋轉的對應組合來引導預定放射3a(起源自微光機電系統中之第二微光機電系統8)朝向參考表面5的每個點。
尤其是,兩個微光機電系統7和8是以這樣的方式來佈置在雷射源3和參考表面5之間:兩個旋轉軸X1和X2是較佳地彼此正交。
兩個微光機電系統7或8中之每一者進一步包含致動器12(是本身已知的種類),該致動器12是適合相對於另一微光機電系統7或8的鏡子9的移動而以獨立的方式而繞鏡子自己的軸X1或X2移動鏡子。
致動器12較佳地為電磁的或靜電的種類。
致動器12是由控制單元6控制,以設定(尤其是)位置,也就是鏡子9必須要以準靜態方式傾斜所在的角度。進一步地,致動器12是由控制單元6控制,以使得它們施加在鏡子9上而繞它們各別旋轉軸X1和X2的移動(或角速度)是根據由雷射光束要實現和儲存在資料庫的圖案的資料(像是向量資料檔案)來決定。命令鏡子9移動所在的這角速度將使得在向量掃描期間雷射光束到參考表面5上的速度是包含在約0.5m/s和約3m/s之間,較佳地在約1.5m/s和約2.5m/s之間。進一步地,致動器12將使得它們以這樣的方式來控制鏡子9:鏡子9的每個移動是實施在鏡子它們的工作空間的線性區域中。如在圖4中顯示,每個鏡子9(當受到電壓信號)相對於它的旋轉軸X1或X2傾斜,這取決於這種電壓信號的值(大小)。也就是,傾斜振幅是線性依賴於命令信號的電壓振福。為了在準靜態系統中工作,致動器發送信號到鏡子以使得它們在工作空間中工作,在 該工作空間中在電壓振幅和鏡子傾斜所在的角度之間有線性對應。
至於設定使微光機電系統7和8中之每一者的鏡子9移動的致動器12,它經配置以使得它基於由邏輯控制單元6所發送且代表鏡子9必須呈現的角位置的控制信號的值來繞軸X1或X2旋轉該鏡子9。
第一和第二MOEMS系統7,8的每個鏡子9沿著垂直於它們各別旋轉軸X1和X2的軸具有尺寸是包含在約2mm和約8mm之間且較佳為約2.5-4.5mm。
較佳地,微光機電系統7和8中之每一者的鏡子9和支撐結構10是以單件得到且經由相對連接區域13來彼此連接,該相對連接區域13屬於關節構件11且足夠小以根據旋轉軸X1或X2來彈性地產生,以允許相對於支撐結構10的鏡子9的旋轉這樣的方式。
尤其是,連接區域13中之每一者可作為能變形到一程度的扭力彈簧,該程度取決於裝置的引導電壓。
明顯地,在本發明的變化實施例,微光機電系統7和8能製作為任何形狀,提供出針對它們中之每一者對應鏡子9能相對於支撐結構10繞軸旋轉。
尤其是,邏輯控制單元6是以這樣的方式來配置:移動兩個微光機電系統7和8的兩個鏡子,而以這樣的方式來移動:預定放射3a落在預定部分內,該預定部分對應於要製作的物體16的層,根據在資料庫中的向量資料,跟隨一或更多個連續軌跡。
控制單元6命令致動器12以準靜態方式來移動鏡子9,也就是向量掃描單元移動鏡子,以使得雷射光束在參考表面5中實施「向量」路徑及在所發送信號和定位鏡子所在的角度之間的關係是基本上線性的。
較佳但不必須地,移動是根據單一連續軌跡發生,該單一連續軌跡完整地覆蓋參考表面5的預定部分。
開啟雷射源3及該雷射源3僅照明根據向量資料圖像檔案要聚合而在圖案或圖像的邊界內的參考表面5。預定放射3a根據「向量」(也就是軌跡)來移動到參考表面5上。僅當這種軌跡滿足要聚合的樹酯部分時(即,要固化包含在參考表面5的部分的邊界內的樹酯),開啟雷射源3。在要聚合的這些區域或部分外,關閉雷射,也就是如果雷射必須要重新定位且雷射光束在重新定位期間將掃過不要聚合的參考表面5的區域,則較佳地是關閉雷射。
雷射源3的功率在根據向量資料圖像要聚合的部分或部位的邊界內是增加的。這種功率的增加普遍意味著雷射光束自身的尺寸(也就是沿著垂直於雷射光束的行進方向的平面的橫節面的尺寸)的增加。
這種雷射光束尺寸的增加,意味著為了用預定放射3a來覆蓋在有關層中要聚合的部分的邊界內的全部區域,將需要較少次數的「掃過」雷射光束的路徑或軌跡。進一步地,較佳地,當雷射光束接近要聚合而 由圖像資料定義的部分的外部邊界時,到參考表面5上的雷射光束的速度或速率是維持在約0.5m/s和約3m/s之間的選擇速度,該選擇速度是所希望的掃描速度(=打標速度),但是雷射源3的功率是減少的。如此,雷射光束尺寸也是減少的且可以在要聚合的圖像的邊界處實施更準確的聚合。
從打標速度改變雷射光束的速度僅在雷射是重新定位時,也就是在參考表面5的不同區域是需要聚合時,這是(例如)因為在參考表面5中要聚合的圖像包含分開的部分或部位,該分開的部分或部位是不能由到參考表面5上的預定放射3a的連續線或軌跡來加入。
雷射的重新定位的速度等於包含在約8m/s和約10m/s之間的速度,也就是彷彿仍開啟著雷射光束,來計算這速度,且將計算到參考表面5上的光束的光點的速度。但是,在雷射重新定位中,雷射源是關閉的。
較佳地,到參考表面5上的雷射光束的尺寸是包含在約15μm和約300μm之間。
上述微光機電系統7和8中之每一者較佳地屬於用於電連接到印刷機1而提供有的引腳的積體電路,該印刷機1提供有對應連接器(或插口),該對應連接器以容納引腳這樣的方式來配置及也適合允許積體電路是機械地固定於印刷機1。
較佳地,連接器或插口是具有低插入力的種類。
在本發明的變化實施例中,可以將微光機電系統7和8直接焊接到支撐電子電路上,以避免連接器或插口的使用。
根據未呈現於圖式中的變化實施例,微光機電系統7和8兩者皆佈置在包含透明窗的單一氣密封容器內,該透明窗以這樣的方式來佈置:允許由微光機電系統7和8所反射的預定放射3a離開容器外。
有利地,上述氣密封容器將導致向量掃描光學單元4的壽命的可觀增加。
事實上,本發明申請人已觀察到,預定放射3a將引起環境灰塵附著在放射入射的表面上。當預定放射3a是具有在約405nm±10nm的紫光範圍(用於本發明的立體光刻)中的頻率的雷射光束時,這影響是尤其顯著。
上述影響尤其不利於微光機電系統7和8的非常小表面(這非常小表面快速地被灰塵覆蓋),因此引起它們反射效果的惡化。因為不可能清潔它們(因為微光機電系統7和8的極端脆弱性),所以上述影響必須經由增加預定放射3a的功率來補償(這預定放射3a的功率仍將引起微光機電系統7和8的增加加熱),因此加速它們的惡化。
氣密封容器避免上述影響。尤其是,能更容易地清潔透明窗,以避免上述缺點。
也有利地,氣密封容器允許兩個微光機電系統7和8結合成單一積體電路,較佳地具有共同支撐結構10。
至於向量掃描光學單元4,這較佳地包含一或更多個透鏡14,該一或更多個透鏡14經配置以便將預定放射3a聚焦在參考表面5上。
較佳地,透鏡14是所謂「平場」種類(這種類就是將預定放射3a聚焦在平面參考表面5上)。這種透鏡14可包含F-theta透鏡或類似光學。
實務上,微光機電系統7和8是以這樣的方式來佈置在立體平版印刷機1中:將鏡子9彼此對準且與由雷射源3所產生的預定放射3a對準。
較佳地,是雷射源3和兩個微光機電系統7和8的位置,使得當鏡子9是在沒有旋轉的情況時(也就是,當微光機電系統7和8兩者的連接區域13不是受到扭力時),預定放射3a被反射朝向參考表面5的中央點。

Claims (14)

  1. 一種立體平版印刷機(1),其包含:一容器(2),該容器(2)用於一流體物質(15),該流體物質(15)適合經由暴露於預定放射(3a)而固化;一雷射源(3),該雷射源(3)易於發射該預定放射(3a)的一光束;一向量掃描光學單元(4),該向量掃描光學單元(4)經配置以藉助於該預定放射而根據一所期望向量資料圖像,來實施佈置在該容器(2)內部的一參考表面(5)的一向量掃描;一記憶體,該記憶體用以儲存代表著在該參考表面上要被掃描的一圖像的該向量資料圖像;一邏輯控制單元(6),該邏輯控制單元(6)經配置用於根據該向量資料圖像,以將一預定部分的該參考表面(5)暴露於該預定放射(3a)這樣的方式,來控制該向量掃描光學單元(4)及/或該雷射源(3);其中該向量掃描光學單元(4)包含一第一和一第二微光機電系統(MOEMS)(7,8),該第一和該第二微光機電系統(7,8)以相對於該預定放射(3a)的一行進路徑而一個接另一個串聯地來佈置,每個MOEMS包含:一鏡子(9),該鏡子(9)具有包含在約2mm和約8mm之間的一直徑,該鏡子(9)經由關節構件(11)關聯到一支撐結構(10),該關節構件(11)經配置以便針對該鏡子(9)定義出一旋轉軸(X1、X2);一致動器(12),該致動器(12)適合將該鏡子(9)以準靜態方式繞該旋轉軸(X1,X2)而以一角速度移動,以使得當該雷射源(3)在該向量掃描期間正在發射該預定放射(3a)時,在該參考表面(5)上的雷射光束的一對應打標速度是包含在約0.5m/s和約3m/s之間。
  2. 如請求項1所述之立體平版印刷機(1),其中該致動器(12)經配置以將該第一微光機電系統(MOEMS)(7)及/或該第二微光機電系統(MOEMS)(8)的該鏡子(9)繞該旋轉軸(X1,X2)而以一角速度移動,以使得當該雷射源(3)沒在發射該預定放射(3a)以改變針對該圖像的掃描的位置時,在該參考表面(5)上的該雷射光束的一對應定位速度是包含在約8m/s和約10m/s之間。
  3. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該第一和該第二微光機電系統(MOEMS)(7,8)的該兩個旋轉軸(X1,X2)是互相正交的。
  4. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該雷射源(3)經配置以發射波長是包含在約405nm±10nm之間的該預定放射(3a)。
  5. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該雷射源(3)經配置以發射在該參考表面(5)處具有一輻照的該預定放射(3a),該輻照是包含在約10mJ/cm2和約200mJ/cm2之間。
  6. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其包含一密封的容器,該密封的容器收容該雷射源(3)及串聯佈置的該第一和該第二微光機電系統(MOEMS)(7,8),該密封的容器包含以透明於該預定放射(3a)的一材料來實現的一窗,以使得該放射能離開該密封的容器。
  7. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該第一和該第二微光機電系統(MOEMS)(7,8)中之每一者的該致動器(12)是電磁的或靜電的種類,及該致動器(12)經配置以便以這樣的方式來繞該軸(X1,X2)旋轉該鏡子(9):回應於接收到由該邏輯控制單元(6)所發射及具有代表一角位置之一值的一控制信號,將它佈置在該角位置。
  8. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該邏輯控制單元(6)經配置以便移動該第一和該第二微光機電系統(MOEMS)(7,8)兩者的該鏡子(9),以使得在該參考表面(5)上的該預定放射(3a)的入射點定義出根據圖像資料來完全覆蓋該預定部分的一連續軌跡。
  9. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該向量掃描光學單元(4)包含至少一個透鏡(14),該至少一個透鏡(14)經配置以便將該預定放射(3a)聚焦於該參考表面(5)上。
  10. 如請求項9所述之立體平版印刷機(1),其中該至少一個透鏡(14)包含一平場掃描透鏡。
  11. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該流體物質(15)包含一可固化樹酯。
  12. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該第一和該第二微光機電系統(MOEMS)(7,8)屬於一共同積體電路。
  13. 如請求項1或2所述之立體平版印刷機(1),其中該雷射源(3)包含一功率控制(150)以改變由該雷射源(3)所發射的該預定放射(3a)的一功率,該功率控制(150)是連接到該邏輯控制單元(6),取決於在參考表面(5)上的放射光束的一位置,該邏輯控制單元是易於改變該預定放射(3a)的該所發射的功率。
  14. 如請求項13所述之立體平版印刷機(1),其中該雷射源功率控制(150)包含一尺寸控制以改變由該雷射源(3)所發射的該預定放射(3a)的該雷射光束的一尺寸,該尺寸是沿著垂直於該放射的一行進方向的一平面在一橫截面中測量。
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