Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD OF STEREOLITHOGRAPHY OF PHOTOPOLYMER DROPS WITH SUBSEQUENT CURING THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/112466
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the technology of 3D printing of digital models, in particular to the field of technologies of full-color three-dimensional printing by curing photopolymers, and is aimed at developing new printers which make it possible to heighten the print resolution of 3D models while reducing the time required for the production of a single 3D model. According to a method, a model layer is first printed, and then the material in the layer is cured before the next layer is printed. The method makes it possible to select a support production technology, namely: from printing supports made of a photopolymer and printing from water-soluble materials cured by cooling or drying through to the possibility of entirely dispensing with supports in the three-dimensional printing of items of any complexity and configuration.

Inventors:
VINOGRADOV, Yury Evgenievich (Prospekt Mira, 91/3-433Moscow, 5, 129085, RU)
VIGDORCHIKOV, Oleg Valentinovich (ul. Pobedy, 4/5-7Elektrosta, Moskovskaya oblast 2, 144012, RU)
MEDZHULUMYAN, Ruben Danilievich (prospekt Pobedy, 7/5-59Tver, 170000, RU)
Application Number:
RU2017/000924
Publication Date:
June 13, 2019
Filing Date:
December 08, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
VINOGRADOV, Yury Evgenievich (Prospekt Mira, 91/3-433Moscow, 5, 129085, RU)
VIGDORCHIKOV, Oleg Valentinovich (ul. Pobedy, 4/5-7Elektrosta, Moskovskaya oblast 2, 144012, RU)
MEDZHULUMYAN, Ruben Danilievich (prospekt Pobedy, 7/5-59Tver, 170000, RU)
International Classes:
B29C64/112; B33Y10/00
Domestic Patent References:
WO2014013312A12014-01-23
WO2012143786A12012-10-26
Foreign References:
EP1876012A12008-01-09
Attorney, Agent or Firm:
VINOGRADOV, Yury Evgenievich (Prospekt Mira, 91/3-433Moscow, 5, 129085, RU)
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

1. Способ стереолитографии каплями фотополимера с последующим отверждением, включающий управляемое перемещение печатающей многоструйной головки принтера над рабочим столом принтера по двум направлениям, разогрев фотополимера посредством нагревателей с контролируемой температурой, увеличение расстояния между рабочим столом и головкой перед нанесением последующего слоя фотополимера, отличающийся тем, что для нанесения слоя используют печатающую головку, распределяют прозрачный фотополимер и, как минимум - один окрашенный фотополимер, по соплам печатающей головки, наносят и смешивают капли фотополимера в месте их нанесения, чтобы суммарный объём капель окрашенных фотополимеров и прозрачного фотополимера был одинаков для печати каждого элемента печатаемой детали, наносят материал поддержек в объёме, соответствующем суммарному объёму фотополимера в каждой из точек печати поддержек, нанесённый печатающей головкой материал отверждают перед печатью последующего слоя.

2. Способ по пункту 1, отличающийся тем, что в качестве поддержек в нужном месте водорастворимый материал, отверждаемый охлаждением или высыханием, наносят так, чтобы после отверждения объём нанесённого твердого вещества соответствовал суммарному объёму полимеризированного фотополимера для каждой точки печати детали и поддержки.

3. Способ по пункту 1, отличающийся тем, что наносят элементы детали в ванне с инертной жидкостью, плотность которой больше, чем плотность фотополимера, в которой быстро не растворяется жидкий фотополимер, а уровень жидкости находится на уровне напечатанного предыдущего слоя.

Description:
Способ стереолитографии каплями фотополимера с

последующим их отверждением

Изобретение относится к технологии трехмерной печати цифровых моделей, в частности, к области технологий печати отверждением фотополимеров.

Предложенный способ предназначен для реализации на его основе 3D принтеров повышенной производительности, размерной точности с многоцветной трехмерной печатью.

Известны технологии трехмерной печати, при которой производится засветка фотополимера, например, между прозрачным дном технологической ванны с фотополимером и рабочим столом (или напечатанной частью детали), а напечатанная часть изготавливаемой детали остаётся ниже уровня фотополимера в технологической вешне. И тогда, при печати последующего слоя детали сквозь уже отверждённую часть детали, засвечивается фотополимер на другой стороне детали, увеличивая, тем самым, толщину детали сверх того, что описано заданной цифровой моделью. При размере лазерного пятна меньше 30 мкм, даже у профессиональных принтеров минимальная толщина стенки гарантируется только в пределах 0.4-Ю.6 мм. Это обстоятельство определяется принципиальными противоречиями вследствие того, что фотополимер должен быть прозрачен для лазерного луча. Но прозрачной для лазерного луча оказывается также и напечатанная часть детали, что противоречит соблюдению точности её размеров, ибо фотополимер за напечатанной частью детали, также засвечивается и перестаёт засвечиваться только после создания печатаемой детали толщиной около 0.3-Ю.6 мм.

Кроме того, распределение энергии в лазерном луче соответствует Гауссовой кривой, и при печати последующих слоёв энергией в краях Гауссовой кривой распределения энергии в луче в плоскости поперечного сечения - также засвечиваются и прилегающие к напечатанной детали области фотополимера.

К подобным недостаткам стоит отнести экспозицию и отверждение фотополимера, который еще в жидкой форме обтекает в технологической ванне уже напечатанную часть детали, что приводит к изменению (увеличению) размеров печатаемой детали сверх нормативных размеров заданной цифровой модели. Это ведет к «заплыванию» малых отверстий, которые были отображены в заданной цифровой модели детали.

Известен способ послойного изготовления трехмерного объекта посредством стереолитографии (RU 26105056 приоритет от 15.07.2013, конв. приоритет 16.07.2012 IT VI2012A000172, ДВС СРЛ, IT).

Этот способ содержит следующие операции:

- перемещение опорной поверхности близко ко дну контейнера, содержащего жидкую субстанцию, таким образом, чтобы обеспечить ее размещение в определенном рабочем положении;

- избирательное облучение слоя жидкой субстанции определенным излучением, чтобы обеспечить его затвердевание на опорной поверхности. Недостатком известного решения является низкая скорость печати из-за длительного времени перемещения луча по всем точкам слоя или длительной времени экспозиции проектором или матрицей всей площади засвечиваемого слоя, низкая разрешающая способность печати.

Задача данного технического решения заключается в разработке нового способа прототипирования на 3 D-принтере. Технический результат заявленного технического решения заключается в повышении разрешающей способности 3D принтеров, ускорении их работы при 3D прототипировании, обеспечении возможности полноцветной цветопередачи и по поверхности, и по всей толщине (объему) напечатанной детали.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что способ стереолитографии каплями фотополимера с последующим их отверждением основывается на управляемом перемещении печатающей головки принтера над рабочим столом принтера по двум направлениям с увеличением расстояния между рабочим столом и головкой перед нанесением последующего слоя фотополимера, на разогреве фотополимера посредством нагревателей с контролируемой температурой, а кроме того, согласно изобретения, для нанесения слоя используют печатающую головку, а для печатающей головки предварительно распределяют прозрачный фотополимер и, как минимум - один окрашенный фотополимер, по соплам печатающей головки, далее наносят и смешивают капли фотополимера в месте их нанесения так, чтобы суммарный объём капель окрашенных фотополимеров и прозрачного фотополимера был одинаков для печати каждого элемента печатаемой детали, наносят материал поддержек в объёме, соответствующем суммарному объёму фотополимера в каждой из точек печати поддержек, отверждают нанесённый материал перед печатью последующего слоя.

Заявленный способ позволяет в качестве поддержек в нужном месте наносить фотополимер или водорастворимый материал, отверждаемый охлаждением или высушиванием, и наносить его так, чтобы после отверждения объём твердого вещества соответствовал суммарному объёму полимеризированного фотополимера для каждой точки печати детали и поддержки. Также и вопрос обеспечения поддержек в заявленном способе может быть решен путем нанесения элементов детали в технологической ванне с инертной технической жидкостью, плотность которой больше плотности фотополимера, и в которой быстро не растворяется жидкий фотополимер, а уровень технической жидкости находится на уровне уже напечатанного предыдущего слоя. Таким образом, предварительное распределение прозрачного фотополимера и, как минимум - одного окрашенного фотополимера, по соплам печатающей головки позволяет осуществлять трехмерную печать изделия (детали) в полноцветном варианте - как всей внешней поверхности детали, так и по всему объёму (толщине) детали.

В заявленном способе нанесение и смешивание капли фотополимера в местах их нанесения, при условии, что суммарный объём капель окрашенных фотополимеров и прозрачного фотополимера был одинаков для печати каждого элемента печатаемой детали, позволяет избежать коробления деталей и обеспечить их монолитность и целостность, что, в итоге, значительно повышает качество печатаемого изделия. Нанесение материала поддержек в объёме, соответствующем суммарному объёму фотополимера, в каждой из точек печати поддержек, отверждение материала, нанесённого печатающей головкой, перед печатью другого слоя необходимо для того, чтобы поддержки соответствовали высоте нового слоя детали над основанием, с которого печатаются поддержки.

Заявленный способ 3D прототипирования предполагает нанесение материала печатаемой детали и поддержек, и только затем - последующее отверждение нанесённого материала.

При такой технологии засвечивается именно тот объём фотополимера, который нанесён в каждом месте нового слоя фотополимера, а все предыдущие слои будут уже отверждены к этому моменту времени, и паразитная засветка от лазера или от общего засвечивающего источника, например, ультрафиолетового источника света - никак не сможет изменить геометрию ранее нанесённых слоёв (если капля из печатающей головки 3 D принтера не успела растечься по напечатанной части детали).

Кроме того, преимуществом заявленного способа является то, что после печати деталь не нужно отмывать и очищать от остатков на ней фотополимера.

Таким образом, перед началом печати специальной программой формируют файл с образами слоёв-срезов детали, включая поддержки. Этот файл отображает слои 3 D-модели и является основой для управления элементами принтера при трехмерной печати.

Фотополимер в горячем виде, при температуре от 50°С до 60°С, становится гораздо более текучим и может наноситься на нужные места печатающей головкой 3 D принтера.

Современные головки имеют более 180 активных многоцветных сопел, а разрешающая способность современных головок (1440 dpi) позволяет иметь точность печати не менее 16 мкм.

Скорость печати 3D принтера в заявленном способе возрастает многократно, пропорционально числу сопел в головке. Соответственно, за один проход головки печатаются 180 и более фрагментов, а не один, как при лазерном сканировании.

Если сравнивать засветку слоя фотополимера проектором и засветку лазерным лучом, то время экспонирования проектора приходится увеличивать, пропорционально увеличению площади засветки проектором по отношению к площади пятна лазерного луча, или увеличивать яркость источника света. Технически в существующих технологиях 3D печати не удаётся поднять яркость источника света так, чтобы свет не разрушал модулятор света, и чтобы скорость печати при засветке проектором или матрицей стала больше, чем скорость засветки лазерным лучом.

Заявленный способ позволяет увеличить скорость печати, относительно известных способов печати (LCD-технологии, DLP- технологии, SLA технологии), которые уже достигли максимальной скорости печати.

Выигрыш в скорости трехмерной печати при использовании заявленного способа - до 180 раз превышает скорость печати в сравнении с существующими технологиями печати на 3D принтере.

Формирование поддержек из водорастворимого материала позволяет формировать поддержки в трудно доступных полостях детали с легким последующим удалением поддержек.

При 3D прототипировании моделей с особо трудно доступными полостями или с горизонтально выступающими фрагментами детали, возможен иной способ печати, когда наносят элементы детали в ванне с технической жидкостью, которая инертна к фотополимеру, и в которой быстро не растворяется жидкий фотополимер, т.к. плотность такой жидкости больше, чем плотность фотополимера, а уровень технической жидкости в ванне находится на уровне уже напечатанного предыдущего слоя.

При печати в такой технологической ванне не требуется планировать поддержек, ибо выступающая часть детали печатается на поверхности жидкости, но напечатанная выступающая часть является продолжением напечатанной детали, и после отверждения напечатанный на поверхности жидкости фрагмент детали сам становится полноценной поддержкой для следующих слоёв детали. Засветка вообще не зависит от ширины захвата головкой плоскости печати слоя, она выполняется источниками ультрафиолетового излучения, и под печатающую головку заданной производительности всегда можно подобрать источник ультрафиолетового излучения необходимой мощности.