ES2916577T3 - Dispositivo de estereolitografía y un procedimiento para ajustar un dispositivo de estereolitografía - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de estereolitografía (100), que comprende: una fuente de luz (101) para emitir luz para endurecer un material fotopolimerizable (121); un sensor (103) para determinar un valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida; y una unidad de control (105) para ajustar la corriente eléctrica a través de la fuente de luz (101) hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcance un valor objetivo predeterminado; en el que el aparato de estereolitografía (100) está diseñado para redirigir la luz desde la fuente de luz (101) al sensor (103) a través de un dispositivo reflector digital (113) que sirve para proyectar un patrón de luz (123) sobre el material fotopolimerizable (121), y en el que el dispositivo de estereolitografía (100) está adaptado para acoplar la luz solo durante un cierto período de tiempo predefinido durante un proceso de calibración, de modo que el sensor (103) esté expuesto a la iluminación solo durante este período de tiempo.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de estereolitografía y un procedimiento para ajustar un dispositivo de estereolitografía
La presente invención se refiere a un dispositivo de estereolitografía y a un procedimiento para ajustar un aparato de estereolitografía.
La estereolitografía (SLA) es un procedimiento de impresión tridimensional en el que se crea gradualmente una pieza de trabajo a partir de un baño líquido hecho de un fotopolímero, o la pieza de trabajo se crea en un baño líquido por medio de una plataforma de construcción. La plataforma de construcción se introduce primero en el baño líquido y se retira del baño líquido después de que se hayan formado las capas individuales. A continuación, la plataforma de construcción se vuelve a introducir en el baño líquido hasta que se produce el objeto deseado. Se proyecta un patrón de luz sobre el fotopolímero en cada etapa. El fotopolímero se endurece en los puntos donde incide el patrón de luz. De esta manera, la pieza de trabajo se puede crear por capas con la forma deseada.
Una fuente de luz ultravioleta (por ejemplo, LED) del dispositivo de estereolitografía se ve afectada por los efectos del envejecimiento durante la vida útil requerida, de modo que la intensidad de la luz disminuye con una corriente eléctrica constante. Otros componentes en la trayectoria de la luz, tales como prismas, lentes, varillas mezcladoras de luz y dispositivos reflectores electrónicos también muestran efectos de degradación debido a la alta exposición a la luz ultravioleta, que se manifiesta en una intensidad de exposición reducida en el sitio de construcción. Sin embargo, para la calidad del proceso de construcción es de crucial importancia que la intensidad de la luz permanezca constante durante toda la vida útil del dispositivo de estereolitografía.
El documento EP 18 190700.7 se refiere a un procedimiento para la construcción por capas de un cuerpo moldeado por endurecimiento estereolitográfico de material fotopolimerizable en capas sucesivas por exposición a la luz por medio de una unidad de exposición.
El documento EP 1894704 A1 se refiere a una técnica para obtener una uniformidad de pared mejorada y precisión de características en un sistema de proyección de imágenes, que se obtiene a partir del tamaño proyectado de los píxeles.
El documento WO 2013/170311 A1 se refiere a un dispositivo para fabricar un objeto. El dispositivo comprende una fuente de radiación, como por ejemplo, un diodo emisor de luz. Un prisma dirige la radiación hacia un modulador de luz espacial (Spatial Light Modulator, SLM por sus siglas en inglés), tal como un sistema microelectromecánico DLP (MEMS).
El documento EP 3470 210 A1 (estado de la técnica según el artículo 54(3) del CPE) se refiere a un dispositivo de impresión 3D. El dispositivo de impresión 3D comprende una fuente de luz 110 y un dispositivo reflector digital. Parte de la luz incide en los primeros microespejos, que dirigen esta parte hacia el líquido de trabajo para endurecerlo y crear el objeto de impresión 3D.
El documento US 2018/186066 A1 se refiere a un dispositivo para fabricar un artículo tridimensional. Un alternador 10 está configurado para proyectar una imagen de píxeles en un plano de construcción. Un sensor registra la intensidad de cada píxel en todo el plano de construcción.
Hasta ahora, el problema se ha ignorado o se ha resuelto con la compensación de envejecimiento, en la que el tiempo de exposición y/o el amperaje de la fuente de luz se ajustan con el tiempo mediante una característica almacenada permanentemente. Sin embargo, la característica almacenada no tiene en cuenta la variación individual de los componentes utilizados. Por lo tanto, el control de la intensidad de la luz a través de las características de envejecimiento de la fuente de luz y el comportamiento de envejecimiento impredecible de la trayectoria de la luz restante es impreciso.
Por lo tanto, el objeto técnico de la presente invención es mantener una intensidad de luz en un dispositivo de estereolitografía con alta precisión durante su vida útil.
Este objeto se soluciona mediante un objeto según las reivindicaciones independientes. Realizaciones ventajosas son el objeto de las reivindicaciones dependientes, la descripción y las figuras.
Según un primer aspecto, este objeto se logra mediante un dispositivo de estereolitografía con una fuente de luz para emitir luz para endurecer un material fotopolimerizable; un sensor para determinar un valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida; y una unidad de control para ajustar la corriente eléctrica a través de la fuente de luz hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcanza un valor objetivo predeterminado, estando configurado el dispositivo de estereolitografía para desviar la luz de la fuente de luz al sensor a través de un dispositivo reflector digital que se utiliza para proyectar un patrón de luz sobre el material fotopolimerizable. Dado que el sensor no muestra ningún signo de envejecimiento, la intensidad de la luz se puede regular exactamente al valor objetivo especificado de la intensidad de la luz por medio de un circuito de control cerrado (Closed Loop). De este modo, los signos de envejecimiento por medio de la desgasificación al irradiar o calentar las piezas de plástico, influencias ambientales generales o depósitos durante el proceso de fabricación de otros componentes, tales como prismas, lentes, varillas de mezcla de luz y el dispositivo reflector digital (DMD), pueden compensarse dentro de la trayectoria de la luz. Se consigue una intensidad de luz constante en el tiempo y una mayor vida útil del dispositivo de estereolitografía. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la luz se puede dirigir a una trayectoria de luz de desacoplamiento según sea necesario, y se aumenta la vida útil del sensor.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, el dispositivo reflector digital está dispuesto adyacente a una superficie de prisma. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que se puede reducir el tamaño del dispositivo de estereolitografía.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, el dispositivo de estereolitografía está diseñado para proyectar un patrón de luz predeterminado a través del dispositivo reflector digital sobre el sensor. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la cantidad de luz se puede dosificar con precisión en el sensor.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, el dispositivo de estereolitografía comprende una superficie reflectora para desviar la luz hacia el sensor. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el sensor se puede colocar de manera flexible en diferentes posiciones dentro del dispositivo de estereolitografía.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, la superficie reflectora está dispuesta adyacente a una pantalla prismática. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la pantalla prismática define una abertura de salida predeterminada y se reduce la luz dispersa no deseada.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, el sensor está diseñado específicamente para detectar luz ultravioleta. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el sensor tiene una larga vida útil.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, el sensor está formado por un fotodiodo. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el sensor es económico y al mismo tiempo tiene pocos signos de envejecimiento.
En otra realización técnicamente ventajosa del dispositivo de estereolitografía, la unidad de control comprende un controlador para controlar la corriente a través de la fuente de luz, tal como un controlador PID o un controlador PI. De este modo, se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el circuito de control se regula de manera rápida y eficiente.
Según un segundo aspecto, este objeto se logra mediante un procedimiento para ajustar un dispositivo de estereolitografía, que comprende las etapas de emitir luz para la fotopolimerización de un material fotopolimerizable por medio de una fuente de luz; una determinación de un valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida; y un ajuste de la corriente eléctrica a través de la fuente de luz hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcanza un valor objetivo predeterminado. Mediante el procedimiento se logran las mismas ventajas técnicas que el dispositivo de estereolitografía del primer aspecto, donde la luz de la fuente de luz se redirige al sensor mediante un dispositivo reflector digital que se usa para proyectar un patrón de luz sobre el material fotopolimerizable. De este modo, también se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la luz se puede dirigir a una trayectoria de luz de desacoplamiento según sea necesario, y se aumenta la vida útil del sensor.
En otra realización técnicamente ventajosa del procedimiento, el dispositivo reflector digital proyecta un patrón de luz predeterminado sobre el sensor. De este modo, también se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la luz que incide sobre el sensor se puede dosificar.
En otra realización técnicamente ventajosa del procedimiento, la luz se desvía hacia el sensor a través de una superficie reflectora. De este modo, también se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el sensor se puede disponer de manera flexible en diferentes posiciones dentro del dispositivo de estereolitografía.
En otra realización técnicamente ventajosa del procedimiento, la corriente se controla al valor objetivo por un controlador, tal como un controlador PID.
De este modo, también se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que el circuito de control se controla de manera rápida y eficiente.
En otra realización técnicamente ventajosa del procedimiento, la luz se conduce a través de una pantalla prismática. De este modo, también se logra la ventaja técnica, por ejemplo, de que la pantalla prismática define una abertura de salida predeterminada y la determinación del valor real se lleva a cabo de manera comparable para diferentes mediciones. Los ejemplos de realización de la invención se representan en los dibujos y se describen con más detalle a continuación.
Muestran:
Fig. 1 una representación esquemática de un dispositivo de estereolitografía; y
Fig. 2 un diagrama de bloques de un procedimiento para ajustar un dispositivo de estereolitografía.
La figura 1 muestra una representación esquemática de un dispositivo de estereolitografía 100. El dispositivo de estereolitografía 100 se usa para producir piezas de trabajo por medio de un proceso de impresión tridimensional (impresión 3D). Para ello, la pieza de trabajo se encuentra en un baño líquido de un material fotopolimerizable como, por ejemplo, un fotopolímero, que se fabrica gradualmente. Un patrón de luz específico 123 se proyecta sobre el material fotopolimerizable 121 en cada etapa. En los puntos en los que el patrón de luz 123 golpea el material fotopolimerizable, este se endurece y se solidifica. De esta manera, la pieza de trabajo se puede fabricar capa por capa con la forma deseada.
La máquina de estereolitografía 100 comprende una fuente de luz 101 como, por ejemplo, un LED ultravioleta (LED UV), que se utiliza para generar la luz que endurece el material. Además, el dispositivo de estereolitografía 100 comprende un circuito de control cerrado (Closed Loop) con el que se mide la intensidad de la luz y se realiza una compensación de la intensidad de la luz en base a los datos de medición obtenidos. De esta manera, se puede implementar un circuito de control cerrado que permite ajustar con precisión la intensidad de la luz durante toda la vida útil del dispositivo de estereolitografía 100 utilizando un valor de referencia predeterminado y con el que se pueden compensar los efectos de envejecimiento de los componentes ópticos. Además, la resistencia del diodo emisor de luz se puede medir con un sensor de temperatura y el suministro de corriente se puede ajustar en consecuencia, de modo que también se aumenta la vida útil del diodo emisor de luz. Por ejemplo, si la temperatura medida aumenta, la resistencia del diodo emisor de luz disminuye. En este caso, fluiría una corriente demasiado alta a través del diodo emisor de luz.
Para ello, la luz emitida por la fuente de luz 101 se dirige a una trayectoria de luz de desacoplamiento 107 por medio, por ejemplo, de un dispositivo reflector digital (dispositivo microespejo digital, DMD) 113. El dispositivo microespejo digital 113 comprende una pluralidad de actuadores microespejos dispuestos en una matriz, que se pueden controlar individualmente mediante tensiones eléctricas y se pueden inclinar. Cada uno de estos actuadores microespejos puede por lo tanto dirigir la luz incidente sobre el sensor 103 en la dirección del material fotopolimerizable 121 o en la dirección de la trayectoria de luz de desacoplamiento 107. De esta manera, se pueden generar los patrones de luz 123 que solidifican el material fotopolimerizable 121.
Como resultado, toda la luz o solo patrones de luz específicos pueden dirigirse al sensor 103. La luz solo se puede acoplar durante un cierto período de tiempo predefinido durante un proceso de calibración, de modo que el sensor 103 solo se expone a la iluminación durante este período. El proceso de calibración se puede realizar, por ejemplo, después de cada capa (corte, Slice) durante un proceso de construcción, después de un número específico de capas (iteraciones), después de cada componente o después de cada proceso de mantenimiento o servicio.
La luz desacoplada se dirige al sensor 103 a través de una superficie reflectora 109 en el dispositivo de sujeción 115 de la pantalla prismática 117. La pantalla prismática 117 define una abertura de salida superficial predeterminada en la superficie del prisma 111, de modo que la trayectoria de luz de desacoplamiento 107 se delimita lateralmente y se reduce la luz dispersa no deseada. La luz es desviada hacia el sensor 103 por la superficie reflectora 109, de modo que puede disponerse directamente sobre el prisma 111. Como resultado, el sensor 103 también puede estar dispuesto en puntos dentro del dispositivo de estereolitografía 100 que no están en la dirección de propagación original de la trayectoria de luz de desacoplamiento 107.
El sensor 103 está diseñado de modo que es específicamente adecuado para la luz utilizada en el procedimiento de estereolitografía y la medición no se deteriora durante la vida útil. Para ello, el sensor 103 está formado, por ejemplo, por un fotodiodo. En general, sin embargo, también se pueden usar otros sensores 103.
La imprecisión de la medición se compensa mediante el valor real medido de la intensidad de la luz que se alimenta a un controlador PID (controlador proporcional-integral-derivativo) 119, que está dispuesto en una unidad de control 105, como una variable de referencia durante el proceso de medición. El controlador PID es una combinación de un controlador de acción proporcional (controlador P), un controlador de acción integral (controlador I) y un controlador de acción diferencial (controlador D).
El controlador de acción proporcional multiplica la desviación de control por su factor de amplificación. El controlador de acción integral suma la desviación de control a lo largo del tiempo y multiplica la suma (es decir, la integral) por un factor. El controlador de acción diferencial evalúa (diferencia) el cambio en una desviación de control y, por lo tanto, calcula su velocidad de cambio. El circuito controlado por PID permite un ajuste preciso y rápido de la corriente al valor objetivo predeterminado. En general, sin embargo, también se pueden usar otros controladores para controlar la intensidad de la luz.
El valor objetivo se puede almacenar específicamente para el dispositivo como un valor digital en una memoria de datos no volátil 125 durante la fabricación del dispositivo de estereolitografía 100, como una memoria flash, por ejemplo. El valor real de la intensidad de la luz también se puede registrar digitalmente y comparar con el valor objetivo almacenado. Dependiendo de la desviación entre el valor real y el valor objetivo, la corriente eléctrica a través de la fuente de luz 101 puede aumentar o disminuir hasta que el valor real de la intensidad de la luz corresponda al valor objetivo almacenado. El valor de corriente se puede ajustar, por ejemplo, mediante modulación de ancho de pulso o modulación de amplitud.
Por tanto, la intensidad de la luz es controlada por el controlador electrónico PID o el controlador PI 119 por medio de un control de corriente para la fuente de luz 101 al valor objetivo requerido. De esta manera, una compensación de envejecimiento y un proceso de calibración a través del controlador PID 119 se pueden realizar de manera rápida y eficiente. En general, sin embargo, también son posibles otros mecanismos de control de bucle cerrado para regular la intensidad de la luz del dispositivo de estereolitografía 100 a un valor objetivo predeterminado.
Durante la medición, el controlador PID 119 controla la intensidad de la luz de la fuente de luz 101 hasta que alcanza el valor objetivo predeterminado. Este valor objetivo sirve como valor de referencia y se determina, por ejemplo, durante la calibración inicial del dispositivo de estereolitografía 100 en producción. El valor de corriente requerido para alcanzar el valor objetivo es devuelto por la unidad de control 105 al dispositivo de estereolitografía 100 y se usa como un nuevo valor de referencia para la corriente.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un procedimiento para ajustar el dispositivo de estereolitografía 100. En la etapa S101, la fuente de luz 101 emite luz para endurecer el material fotopolimerizable 121. A continuación, el sensor 103 determina el valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida en la etapa S102. En la etapa S103, la corriente eléctrica a través de la fuente de luz 101 aumenta o disminuye hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcanza el valor objetivo predeterminado. El procedimiento permite que la intensidad de la luz para endurecer el material fotopolimerizable 121 se ajuste al tamaño deseado de manera precisa y constante a lo largo del tiempo. Dado que el sensor 103 está sujeto a poco deterioro relacionado con la edad, la intensidad de la luz puede ajustarse a un valor predeterminado con gran precisión.
Todas las características explicadas y mostradas en relación con realizaciones individuales de la invención se pueden proporcionar en diferentes combinaciones en el objeto según la invención para obtener al mismo tiempo sus efectos ventajosos.
Todas las etapas del procedimiento se pueden implementar mediante aparatos que sean adecuados para llevar a cabo la etapa del procedimiento respectivo. Todas las funciones realizadas por características físicas pueden ser una etapa de procedimiento de un procedimiento.
El ámbito de protección de la presente invención viene dado por las reivindicaciones y no está limitado por las características explicadas en la descripción o mostradas en las figuras.
Lista de referencia
100 dispositivo de estereolitografía
101 fuente de luz
103 sensor
105 unidad de control
107 trayectoria de luz de desacoplamiento
109 superficie reflectora
111 prisma
113 dispositivo reflector digital / dispositivo microespejo digital
115 dispositivo de sujeción
117 pantalla prismática
119 controlador PID
121 material fotopolimerizable
123 patrón de luz
125 almacenamiento de datos

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de estereolitografía (100), que comprende:
una fuente de luz (101) para emitir luz para endurecer un material fotopolimerizable (121);
un sensor (103) para determinar un valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida; y
una unidad de control (105) para ajustar la corriente eléctrica a través de la fuente de luz (101) hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcance un valor objetivo predeterminado;
en el que el aparato de estereolitografía (100) está diseñado para redirigir la luz desde la fuente de luz (101) al sensor (103) a través de un dispositivo reflector digital (113) que sirve para proyectar un patrón de luz (123) sobre el material fotopolimerizable (121), y en el que el dispositivo de estereolitografía (100) está adaptado para acoplar la luz solo durante un cierto período de tiempo predefinido durante un proceso de calibración, de modo que el sensor (103) esté expuesto a la iluminación solo durante este período de tiempo.
2. Dispositivo de estereolitografía (100) según la reivindicación 1, en el que el dispositivo reflector digital (113) está dispuesto adyacente a una superficie prismática.
3. Dispositivo de estereolitografía (100) según la reivindicación 1 o 2, en el que el dispositivo de estereolitografía (100) está diseñado para proyectar un patrón de luz predeterminado a través del dispositivo reflector digital (113) sobre el sensor (103).
4. Dispositivo de estereolitografía (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo de estereolitografía (100) comprende una superficie reflectora (109) para desviar la luz hacia el sensor (103).
5. Dispositivo de estereolitografía (100) según la reivindicación 4, en el que la superficie reflectora (109) está dispuesta adyacente a una pantalla prismática (117).
6. Dispositivo de estereolitografía (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el sensor (103) está diseñado específicamente para detectar el espectro de luz utilizado en el dispositivo de estereolitografía.
7. Dispositivo de estereolitografía (100) según la reivindicación 6, en el que el sensor (103) está formado por un fotodiodo.
8. Dispositivo de estereolitografía (100) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de control (105) comprende un controlador (119) para controlar la corriente a través de la fuente de luz (101).
9. Procedimiento de ajuste de un dispositivo de estereolitografía (100), con las etapas de:
- emitir (S101) luz para endurecer un material fotopolimerizable (121) por medio de una fuente de luz (101); - determinar (S102) un valor real de la intensidad luminosa de la luz emitida; y
- ajustar (S103) la corriente eléctrica a través de la fuente de luz (101) hasta que el valor real de la intensidad de la luz alcance un valor objetivo predeterminado;
en el que la luz se desvía desde la fuente de luz (101) al sensor (103) mediante un dispositivo reflector digital (113) utilizado para proyectar un patrón de luz (123) sobre el material fotopolimerizable (121), y el desacoplamiento de la luz se produce solo durante un determinado periodo de tiempo predefinido durante un proceso de calibración, de modo que el sensor (103) se expone a la iluminación solo durante ese período de tiempo.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que el dispositivo reflector digital (113) proyecta un patrón de luz predeterminado sobre el sensor (103).
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 9 o 10, en el que la luz se desvía hacia el sensor (103) a través de una superficie reflectora (109).
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que la corriente es controlada al valor objetivo por un controlador (119).
13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que la luz se guía a través de una pantalla prismática (117).
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