RU2186681C2 - Method for stratified synthesis of articles and device for its realization - Google Patents
Method for stratified synthesis of articles and device for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2186681C2 RU2186681C2 RU99121101/12A RU99121101A RU2186681C2 RU 2186681 C2 RU2186681 C2 RU 2186681C2 RU 99121101/12 A RU99121101/12 A RU 99121101/12A RU 99121101 A RU99121101 A RU 99121101A RU 2186681 C2 RU2186681 C2 RU 2186681C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- matrix
- feeder
- layer
- substrate
- board
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способу и устройству для послойного изготовления изделий, предметов и деталей из материалов, поддающихся плавлению. The invention relates to the field of engineering, and in particular to a method and apparatus for the layer-by-layer production of products, objects and parts from materials amenable to melting.
Известен способ получения твердых полимерных моделей с помощью технологии стереолитографии, заключающийся в послойном отверждении жидкого фоточувствительного полимера с помощью ультрафиолетового лазера путем сканирования по CAD-данным компьютерного проектирования модели в виде набора тонких слоев. Данную технологию предлагает фирма 3D Systems (США). Данный способ позволяет получать только модели, используемые затем для создания литьевых и пресс-форм, по которым в дальнейшем получают металлические или пластмассовые детали. A known method of producing solid polymer models using stereolithography technology, which consists in layer-by-layer curing of a liquid photosensitive polymer using an ultraviolet laser by scanning according to CAD data of a computer-aided design of the model in the form of a set of thin layers. This technology is offered by 3D Systems (USA). This method allows you to get only the model, then used to create injection molds and molds, which subsequently receive metal or plastic parts.
Известен также способ быстрого прототипирования, запатентованный в 1985 г. фирмой Helisys Inc. (США) под названием LOM-технология (Laminated Objekt Manufakturing - производство слоистых объектов), позволяющий создавать трехмерные твердотельные объекты непосредственно по CAD-данным из различных листовых материалов. Для создания отдельных слоев используются специально разработанные листовые и связующие материалы, а также технология скрепления слоев друг с другом, разграничения сечений деталей и излишков материала, поддерживающих частей и сечений деталей. Данная технология в основном используется во вспомогательном производстве и частично производстве некоторых (простых по применению) деталей. There is also known a rapid prototyping method, patented in 1985 by Helisys Inc. (USA) under the name LOM-technology (Laminated Objekt Manufakturing - production of layered objects), which allows you to create three-dimensional solid objects directly from CAD data from various sheet materials. To create individual layers, specially designed sheet and binder materials are used, as well as the technology of bonding the layers to each other, delimiting the sections of parts and excess material, supporting parts and sections of parts. This technology is mainly used in auxiliary production and partially in the production of some (easy to use) parts.
Близким по функциональной сущности к заявляемому является способ изготовления моделей (прототипов деталей), разработанный фирмой Sanders Prototype Inc. (Великобритания). В патенте США N 5506607, МПК В 41 I 2/01, 09.04.96 г. вышеуказанной фирмы 3-мерную модель прототипа, полученную с использованием CAD-проектирования изготовляют путем векторного вычерчивания послойно наносимых затвердевающих (застывающих) веществ. Слои формируются путем выталкивания капель вещества в жидкой или тягучей фазе на плоскость из одной или более форсунок. Форсунки и платформа подвижны относительно Х, У, Z системы координат. Капли осаждаются вдоль векторов во время соответствующего движения в плоскости X, Y. Платформа, двигаясь по оси Z вниз, позволяет послойно сформировать 3-мерную модель прототипа. В патенте США N 5740051, МПК G 06 F 19/00, 1998 г. 3-мерную модель получают аналогично капле образующим материалом путем формирования вектора из совпадающих капель. Требуемое направление, указываемому вектору, который определяет расположение наружной поверхности, определяется плоскостью слоя. Получение капель регулируется по времени, для того чтобы заранее перекрывать осаждаемые капли в желаемом направлении и размягчать с предварительно осажденными каплями для получения необходимой поверхности. Расстояние от места образования капли до места размещения капли последовательно образующихся слоев регулируется. Шаги повторяются до момента окончания изготовления изделия. Close in functional essence to the claimed is a method of manufacturing models (prototype parts), developed by Sanders Prototype Inc. (Great Britain). In US patent N 5506607, IPC B 41 I 2/01, April 9, 1996, of the aforementioned company, a 3-dimensional prototype model obtained using CAD design is produced by vector drawing layer-by-layer applied hardening (hardening) substances. Layers are formed by dropping droplets of a substance in a liquid or viscous phase onto a plane of one or more nozzles. The nozzles and platform are movable with respect to the X, Y, Z coordinate systems. Drops are deposited along the vectors during the corresponding movement in the X, Y plane. The platform, moving along the Z axis down, allows you to layer by layer form a 3-dimensional prototype model. In US patent N 5740051, IPC G 06 F 19/00, 1998, a 3-dimensional model is obtained similarly to a drop by forming material by forming a vector from matching drops. The required direction, indicated by the vector, which determines the location of the outer surface, is determined by the plane of the layer. The preparation of the droplets is timed so as to pre-overlap the deposited droplets in the desired direction and soften with the pre-deposited droplets to obtain the desired surface. The distance from the place of formation of the droplet to the place of placement of the droplet of successively formed layers is adjustable. The steps are repeated until the end of the manufacture of the product.
Наиболее близким по функциональной сущности к заявляемому является способ ранее разработанный фирмой Sanders Prototype Inc. и опубликованный в рекламном проспекте (в Приложении указан адрес источника и копия проспекта). Для изготовления модели из термопластичного материала в данной технологии используются две струйные головки, наносящие поочередно в виде микрокапель материал модели (термопластик), и поддерживающий материал в виде легко растворимого воска, при этом каждый тонкий слой, получаемый по CAD-данным модели, прокатывается для выравнивания валиком. The closest in functional essence to the claimed is a method previously developed by Sanders Prototype Inc. and published in the brochure (the Appendix contains the source address and a copy of the brochure). To manufacture a model from a thermoplastic material, this technology uses two inkjet heads, which apply model material (thermoplastics) in the form of microdroplets in turn and the supporting material in the form of easily soluble wax, while each thin layer obtained by the CAD data of the model is rolled for alignment roller.
Недостатком способа-прототипа является ограничение на используемые материалы, невозможность изготовления изделий из разных тугоплавких материалов, низкая производительность. The disadvantage of the prototype method is the restriction on the materials used, the inability to manufacture products from different refractory materials, low productivity.
Известно устройство для послойного синтеза моделей с использованием системы проектирования (CAD), содержащей стол с расположенной на нем подложкой и систему управления (см. патент США N 5740051, МПК G 06 F 19/00, 1998 г.)
Недостатком устройства прототипа является отсутствие обратных связей, визуального контроля каждого слоя, отсутствие модульности, масштабируемости и параллельности процесса изготовления.A device is known for layer-by-layer synthesis of models using a design system (CAD) containing a table with a substrate located on it and a control system (see US patent N 5740051, IPC G 06 F 19/00, 1998)
The disadvantage of the prototype is the lack of feedback, visual control of each layer, the lack of modularity, scalability and parallelism of the manufacturing process.
Задачей данного изобретения является создание способа непосредственного изготовления изделий, предметов, деталей из любых поддающихся плавлению материалов, используя СAD-данные проектирования, минуя стадии изготовления оснастки, изготовления деталей на разном оборудовании, а также их сборки в изделие или иной предмет, а также разработка устройства для реализации вышеизложенного способа. The objective of this invention is to provide a method for the direct manufacture of products, objects, parts from any meltable materials, using CAD design data, bypassing the stages of manufacturing equipment, manufacturing parts on different equipment, as well as assembling them into a product or other item, as well as developing a device to implement the above method.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в п.1. формулы изобретения, а именно, способ послойного синтеза изделий с использованием компьютерного проектирования (СAD-данных) путем сканирования в плоскости X-Y и нанесения на подложку частиц материала при одновременном нагревании и последующей деформации частиц, отличающийся тем, что в качестве частиц используют материал в виде микрошариков, нанесение которых ведут сверху вниз путем вибрации и нагрева до температуры, близкой к плавлению микрошариков, и ориентации их на подложку с помощью оптической системы слежения, при этом пространство, незанятое деталями, заполняют послойно микрошариками из легкоплавкого материала, а на границе, разделяющей поверхность детали от удаляемого материала, создают "буферный слой" путем сублимации малых микрошариков из материала детали. The problem is solved using the signs specified in
Поставленная задача решается с помощью признаков, входящих в п.2. формулы изобретения, характеризующих устройство, а именно, устройство для послойного синтеза изделий с использованием системы проектирования (CAD), содержащее стол с расположенной на нем подложкой и систему управления, отличающееся тем, что оно снабжено питателем для подачи микрошариков к подложке и матрицей, управляющей осаждением микрошариков на подложку. The problem is solved using the signs included in
Согласно п. 3. , формулы питатель выполнен в виде решетки с каналами, к которым присоединен магазин с кассетами для подачи из них и обратного приема разных материалов в виде микрошариков с помощью насосов, установленных в начале и конце питателя, при этом с нижней стороны питателя находится плата управления полетом микрошариков. According to paragraph 3., the feeder is made in the form of a grate with channels, to which a magazine with cassettes is attached for feeding and returning different materials in the form of beads using pumps installed at the beginning and end of the feeder, while on the bottom of the feeder there is a microsphere flight control board.
Согласно п. 4. формулы матрица выполнена из четырех плат. На 1-й установлены инжекционные лазеры в виде регулярно расположенных узлов, в центре узлов размещены фотодиодные матрицы, при этом для связи с питателем каждый узел содержит 4 лазерных диода, сверху над каждым узлом размещены фокусирующие линзы с отверстием в центре. в которых располагаются объективы, снизу к 1-ой плате крепится плата охлаждения, к которой снизу крепится плата юстировки, а к плате юстировки снизу крепится плата управления матрицей, к которой крепится система трубочек с радиатором и насосом. According to
Согласно п.5. формулы матрица установлена на подвижном основании с помощью гибкой подвески, а основание имеет приводы с датчиками обратной связи для управления сканированием матрицы и подвижно связано с четырьмя опорами стола. According to
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг.1 представлена общая схема устройства,
на фиг.2 представлена одна из четырех опор стола,
на фиг.3 представлено устройство магазина,
на фиг.4 представлено устройство питателя,
на фиг.5 представлен поперечный разрез питателя,
на фиг.6 представлен продольный разрез питателя,
на фиг.7 показано движение микрошарика от кварцевой пластины к подложке или "наращиваемому" слою,
на фиг. 8 показано движение микрошарика от подложки или "наращиваемого" слоя к кварцевой пластине,
на фиг.9 представлено устройство узла питателя платы управления питателем (вид сверху),
на фиг.10 представлено устройство узла питателя платы управления питателя (вид снизу),
на фиг.11 представлен разрез конструкции от подложки до подвижного основания со взаимным расположением его основных частей,
на фиг.12 представлено устройство узлового модуля излучения (УМИ),
на фиг.13 представлено устройство фотодиодной матрицы (ФМ),
на фиг.14 представлена группа УМИ ввиде матрицы 8х8,
на фиг.15 представлена фокусирующая линза и ее геометрия (вид сверху), а также ее поперечный разрез с объективом,
на фиг.16 представлена группа узловых модулей охлаждения (УМО) ввиде матрицы 8х8,
на фиг.17 представлено устройство УМО (вид сверху),
на фиг.18 представлена группа узловых модулей юстировки (УМЮ) ввиде матрицы 8х8,
на фиг.19 представлено устройство УМЮ (вид сверху),
на фиг.20 представлена группа узловых модулей управления (УМУ) ввиде матрицы 8х8,
на фиг.21 представлено устройство УМУ (вид снизу),
на фиг.22 представлено устройство системы охлаждения, связанное с платой охлаждения,
на фиг.23 представлен вид элементов датчиков обратной связи, прикрепленных снизу матрицы,
на фиг. 24 представлено устройство управления сканированием матрицы, расположенное на подвижном основании,
на фиг.25 представлен геометрический вид блока с "выращенным изделием", находящимся внутри блока,
на фиг.26 показано геометрическое сечение блока,
на фиг. 27 показана картина слоя с нанесенными микрошариками из разных материалов (вид снизу),
на фиг. 28 показана таблица с координатами начала изготовления каждого нового слоя,
на фиг.29 показана траектория движения матрицы от слоя к слою,
на фиг.30 показано положение кварцевой пластины узла питателя при наблюдении с разных позиций при коррекции полета микрошариков,
на фиг. 31 показаны корректирующие воздействия, прилагаемые к летящему микрошарику,
на фиг. 32 показана картина лучей фокусирующей линзы и принимающего объектива,
на фиг. 33 показано положение большого микрошарика в фокусе линзы перед нанесением на подложку,
на фиг.34 показано положение малого микрошарика перед сублимацией на подложку,
на фиг.35 показана картина распределения материала большого микрошарика при деформации его на подложке,
на фиг. 36 показана картина распределения материала малого микрошарика при сублимации его на подложку,
на фиг. 37 показана первая фаза процесса нанесения большого микрошарика на подложку (нагрев),
на фиг. 38 показана вторая фаза процесса нанесения большого микрошарика на подложку (деформация),
на фиг. 39 показана третья фаза процесса нанесения большого микрошарика на подложку (диффузионное приваривание),
на фиг.40 показана первая фаза процесса сублимации малого микрошарика на подложку (нагрев),
на фиг.41 показана вторая фаза процесса сублимации малого микрошарика на подложку (сублимация),
на фиг.42 показана третья фаза процесса сублимации малого микрошарика на подложку (напыление),
на фиг. 43 показана диаграмма условий сублимации малых микрошариков на подложку,
на фиг.44-49 показана траектория движения матрицы при нанесении микрошариков.The invention is illustrated by the following drawings:
figure 1 presents a General diagram of a device
figure 2 presents one of the four pillars of the table,
figure 3 presents the device store
figure 4 presents the device feeder
figure 5 presents a cross section of the feeder,
figure 6 presents a longitudinal section of the feeder,
Fig.7 shows the movement of the bead from the quartz plate to the substrate or "stackable" layer,
in FIG. 8 shows the movement of a bead from a substrate or “stackable” layer to a quartz plate,
figure 9 presents the device node of the feeder feeder control board (top view),
figure 10 presents the device node feeder feeder control board feeder (bottom view),
figure 11 presents a section of the structure from the substrate to the movable base with the relative position of its main parts,
on Fig presents the device nodal radiation module (UMI),
on Fig presents the device of the photodiode array (FM),
on Fig presents a group of UMI in the form of an 8x8 matrix,
on Fig presents a focusing lens and its geometry (top view), as well as its cross section with the lens,
on Fig presents a group of nodal cooling modules (UMO) in the form of an 8x8 matrix,
on Fig presents the device UMO (top view),
on Fig presents a group of nodal modules alignment (UMJ) in the form of an 8x8 matrix,
on Fig presents the device UMYU (top view),
on Fig presents a group of nodal control modules (UMU) in the form of an 8x8 matrix,
on Fig presents the device of the MIND (bottom view),
on Fig presents the device of the cooling system associated with the cooling board,
on Fig presents a view of the elements of the feedback sensors attached to the bottom of the matrix,
in FIG. 24 shows a matrix scanning control device located on a movable base,
on Fig presents a geometric view of the block with the "grown product" located inside the block,
on Fig shows a geometric section of a block,
in FIG. 27 shows a picture of a layer coated with beads of different materials (bottom view),
in FIG. 28 shows a table with the coordinates of the start of production of each new layer,
on Fig shows the trajectory of the matrix from layer to layer,
on Fig shows the position of the quartz plate of the node feeder when observing from different positions when correcting the flight of the beads,
in FIG. 31 shows the corrective actions applied to the flying bead,
in FIG. 32 shows a beam pattern of a focusing lens and a receiving lens,
in FIG. 33 shows the position of a large bead in the focus of the lens before application to the substrate,
on Fig shows the position of the small bead before sublimation to the substrate,
on Fig shows a picture of the distribution of the material of a large bead when it is deformed on a substrate,
in FIG. 36 shows a picture of the distribution of the material of a small microsphere when it is sublimated onto a substrate,
in FIG. 37 shows the first phase of the process of applying a large bead onto a substrate (heating),
in FIG. 38 shows the second phase of the process of applying a large bead onto a substrate (deformation),
in FIG. 39 shows the third phase of the process of applying a large bead to a substrate (diffusion welding),
on Fig shows the first phase of the process of sublimation of a small bead onto a substrate (heating),
on Fig shows the second phase of the process of sublimation of a small bead onto a substrate (sublimation),
on Fig shows the third phase of the process of sublimation of a small bead onto a substrate (sputtering),
in FIG. 43 shows a diagram of the conditions of sublimation of small beads onto a substrate,
on Fig.44-49 shows the trajectory of the matrix when applying microspheres.
Устройство для послойного синтеза изделий с использованием системы проектирования (CAD 1) фиг.1 содержит стол 2 с расположенной на нем подложкой 3 и систему управления 4, отличающееся тем, что оно снабжено питателем 5 фиг.4 для подачи микрошариков 6 фиг.6 к подложке 3 и матрицей 7 фиг.11, управляющей осаждением микрошариков 6 на подложку 3. A device for layer-by-layer synthesis of products using the design system (CAD 1) of FIG. 1 comprises a table 2 with a
Питатель 5 фиг.4 выполнен в виде решетки 8 с каналами 9 фиг.5, к которым присоединен магазин 10 с кассетами 11 фиг.3 для подачи из них и обратного приема разных материалов в виде микрошариков 6 с помощью насосов 12, установленных в начале и конце питателя 5 фиг.4, при этом с нижней стороны питателя находится плата управления 13 полетом микрошариков 6, части которой показаны на фиг.4, 5, 6, 9, 10. The
Матрица 7 фиг. 11 выполнена из четырех плат 14, на 1-й плате 15 фиг.14 установлены инжекционные лазеры 16 в виде регулярно расположенных узлов 17 фиг. 12, в центре узлов 17 размещены фотодиодные матрицы 18 фиг.13, при этом для связи с питателем 5 каждый узел 17 содержит 4 лазерных диода 19 фиг.12, сверху над каждым узлом 17 размещены фокусирующие линзы 20 с отверстием в центре 21, в которых располагаются объективы 22 фиг.15. снизу к 1-й плате 15 крепится плата охлаждения 23, положение которой в устройстве показано на фиг.11, отдельный вид фиг.16, устройство узла платы охлаждения фиг.17, к которой снизу крепится плата юстировки 24, положение которой в устройстве показано на фиг.11, отдельный вид фиг.18, устройство узла платы юстировки фиг. 19, снизу крепится плата управления 25 матрицей 7, положение которой в устройстве показано на фиг.11, отдельный вид фиг.20, устройство узла платы управления фиг.21, к которой крепится система трубочек 26 с радиатором 27 и насосом 28 фиг.22.
Матрица 7 установлена на подвижном основании 29 с помощью гибкой подвески 56 фиг.11, а основание имеет приводы 58 и 59 с датчиками обратной связи 62 и 63 для управления сканированием матрицы 7 фиг.24 и подвижно связано с четырьмя опорами 33 фиг.2 стола. The
Стол 2 выполняет базовую или статическую функцию конструкции для поддержания ее прочности и устойчивости от вибрации внутренних частей конструкции. Стол стоит на 4 опорах - винтах 33 с достаточным диаметром, как для устойчивости, так и для высокоточного движения подвижного основания 29 по оси Z за счет использования очень малого шага винта фиг.2 и лазерных датчиков 34. Table 2 performs the basic or static function of the structure to maintain its strength and stability against vibration of the internal parts of the structure. The table stands on 4 supports - screws 33 with a sufficient diameter, both for stability and for high-precision movement of the moving
Подложка 3 представляет собой плоскую кварцевую плиту, с двух сторон имеющую скошенные края, которые служат направляющими при движении относительно стола, при этом внутри скосов стола могут быть встроены ролики в качестве опоры качения, а с торцов стола фиксаторы для жесткого прижима подложки к столу. С нижней стороны подложки 3 по четырем углам на небольших участках нанесены дифракционные решетки, служащие для измерения вертикальных перемещений подвижного основания 29 относительно неподвижной подложки 3. На нижней поверхности подложки с высокой точностью нанесены маркерный знаки, располагаемые в плоскости X-Y с шагом, например, 32 мм и служащие для высокоточной привязки геометрических фокусов линз матрицы ИЛ 7 перед началом послойного синтеза каждого нового блока. Блок синтезируемого изделия (детали) 35 создается путем послойного и точного нанесения с деформированием и диффузионным привариванием микрошариков 6 из разных материалов к нижней стороне подложки 3 в направлении роста слоев сверху вниз, т.е. матрица ИЛ 7 обращена рабочей поверхностью к блоку 35 снизу вверх и всегда к "растущей" нижней стороне блока 35. После окончания синтеза подложка 3 вместе с блоком 35 выкатывается с помощью опоры качения питателя 5 в направлении Y для последующего освобождения изделия (детали) от легко удаляемого ненужного материала блока (нагревом, растворением или другим способом), при этом освобожденная и чистая подложка 3 возвращается в исходную позицию на стол 2. Для сокращения времени может использоваться другая - ранее подготовленная подложка. The
Система управления 4 фиг.11 представляет собой "сэндвич" 14, состоящий из следующих субблоков:
Матрица ИЛ 7
Плата охлаждения 23
Плата юстировки 24
Плата управления 25
Матрица ИЛ 7 расположена на плате 15 размером 256•256 мм и состоит из узловых модулей излучения (УМИ) фиг.14, расположенных в виде матрицы 8х8. Каждая ячейка матрицы содержит свой индивидуально управляемый УМИ, имеющий размеры 32•32 мм. УМИ состоит из кристаллов или сборок ИЛ 16 в количестве 8 шт. и размером, примерно 9•9 мм фиг.12, располагаемых в плоскости X-Y на тонкой и прочной подложке с высокой теплопроводностью, к которой снизу прижимается соответствующий узел охлаждения. С левого края подложки расположены четыре лазерных диода 19 ЛД1, ЛД2, ЛД3, ЛД4, предназначенных для непрерывной связи с четырьмя линейками фотодиодов 30 ЛФ1, ЛФ2, ЛФ3, ЛФ4 для управления кварцевыми пластинами в окнах платы управления питателем 13. В центре подложки фиг. 13 расположена фотодиодная матрица ФМ 18 размером 10•10 мм в виде радиально расположенных восьми линеек фотодиодов ЛФ11, ЛФ12, ЛФ13, ЛФ14, ЛФ15, ЛФ16, ЛФ17, ЛФ18, чувствительных к ИК излучению, ИЛ 16 по 8 фотодиодов на линейку. Они предназначены для управления попаданием микрошарика в нужную точку путем подачи корректирующего импульса на пьезоприводы от платы управления 25 в зависимости от фототока соответствующей линейки. Для просмотра "растущего" слоя и анализа изображения на мониторе компьютера предназначены три чувствительных фотодиода R, G, B для передачи цвета, находящихся в центре ФМ, в углах ФМ находятся светодиоды или другие источники R, G, B подсветки. В четырех углах подложки УМИ находятся отверстия 01, 02, 03, 04, предназначенные для крепления винтами В1, В2, В3, В4 фиг.19, проходящими через эти отверстия, с верхней стороны фокусирующей линзы 20, которая по периметру имеет квадратную форму, в углах - отверстия для крепления и с левого края пазы (Паз1, Паз2) для прохождения излучения лазерных диодов 19 ЛД1, ЛД2, ЛД3, ЛД4 фиг.15. В центре линзы проходит отверстие 012 диаметром 11-12 мм 21, в которое свободно вставляется объектив 22 для просмотра микроучастка "растущей" поверхности блока. Объектив 22 крепится с боков юстировочными винтами, проходящими через отверстия 010, 020, 030, 040, расположение в углах ФМ. В качестве сигнальных и питающих электрических цепей используются отверстия под каждым элементом УМИ (ЛД, ФМ и ИЛ) и проходящие вертикально насквозь через плату охлаждения, плату юстировки и плату управления, в которые вставляются проводящие столбики (медные). Со стороны матрицы ИЛ к столбикам припаиваются (привариваются) элементы УМИ, с нижней стороны платы управления столбики припаиваются к печатным проводникам.The
Cooling Board 23
The
Плата охлаждения 23 имеет габариты 256•256 мм и крепится снизу к матрице ИЛ. Плата охлаждения состоит из узловых модулей охлаждения (УМО), которые расположены в виде матрицы 8•8 фиг.16. Каждая ячейка матрицы в виде УМО имеет размеры 32•32 мм и является индивидуальным охладителем для расположенного сверху таких же размеров узлового модуля матрицы ИЛ. УМО представляет собой участок платы охлаждения фиг.17 и имеет систему канавок, замкнутых по периметру бортиком, которым плотно прижимается к тонкой и прочной подложке матрицы ИЛ. Сквозь УМО в соответствующих местах проходят отверстия для котировочных винтов к плате юстировки и отверстия для проводящих столбиков к плате управления. Эти отверстия имеют вокруг себя возвышающий участок 36 фиг.17 для непопадания охлаждающей жидкости (ОЖ), циркулирующей по системе канавок. Все возвышающие элементы УМО (бортики, участки) должны иметь плотный контакт с вышележащей поверхностью подложки матрицы ИЛ. Возможно применение прокладки соответствующей геометрии. Для подачи в УМО ОЖ имеются входные 37 и выходные 38 отверстия ОЖ1, ОЖ2 фиг.17, проходящие через плату юстировки и плату управления к насосу 28 и радиатору 27, прикрепленные с нижней стороны платы управления фиг.22. The cooling board 23 has dimensions of 256 • 256 mm and is attached from below to the IL matrix. The cooling board consists of nodal cooling modules (UMO), which are located in the form of a
Плата юстировки 24 имеет габариты 256х256 мм и крепится к плате охлаждения. Плата юстировки состоит из узловых модулей юстировки (УМЮ), которые расположены в виде матрицы 8х8 фиг.18. Каждая ячейка матрицы имеет размеры 32•32 мм и предназначена для перемещения линзы, укрепленной винтами В1, В2, В3, В4, по координатам X, Y, Z в пределах не более 1 мм. Этого достаточно, чтобы установленную линзу на винты В1, В2, В3, В4 достаточно грубо, потом в программном режиме очень точно (до 1 мкм) откорректировать ее положение и фокус по маркерным знакам, расположенным на подложке 3. Соответственно отверстия 01, 02, 03, 04 должны иметь диаметр больше, чем диаметр винтов. Перемещение в плоскости X-Y осуществляется с помощью микродвигателей с редуктором МДРх и МДРу фиг.19. МДРх с помощью винтов х-х перемещает рамку 39 по координате Х в пределах 1 мм. Над рамкой 39 размещена механически связанная рамка 40, на которой находится МДРу, передвигающий с помощью винтов у-у по координате Y в пределах 1 мм рамку, на которой размещены МДР1, МДР2, МДР3, МДР4. Индивидуально вращая винты В1, В2, В3, В4, они точно располагают фокус линзы по координате Z. Управление микродвигателями осуществляется с помощью платы управления 25. Вся эта микроконструкция располагается так, что ее центральная часть и бока с ОЖ1, ОЖ2 не должны ею заниматься, т.к. через них проходят различные функциональные отверстия.
Плата управления 25 имеет габариты 256•256 мм и крепится к плате юстировки. Плата управления состоит из узловых модулей управления (УМУ), которые расположены в виде матрицы 8•8 фиг.20. Каждая ячейка матрицы имеет размеры 32•32 мм и предназначена для основного управления матрицей ИЛ 7. Практически она является основным ядром управления всей конструкции, не считая внешнего компьютера, передающего файлы для послойного синтеза и принимающего видеофайлы для просмотра и анализа качества слоев, а также устройства управления подвижным основанием 29, магазином 10 и насосами 12. УМУ имеет печатный монтаж с расположенными на нем компонентами управления (для размещения в габаритах 32•32 мм узла платы управления компоненты должны быть бескорпусными и паятся методом поверхностного монтажа) фиг.21: микроконтроллером МК1, в электрически стираемое ПЗУ которого записываются программы юстировки оптики, управления полетом микрошариков, нагрева микрошариков и их деформирования с диффузионным привариванием, сублимации, проверки насыщенности каналов питателя микрошариками и формирования изображения слоев для просмотра на внешнем компьютере; RAM - памяти для хранения файлов слоев 16 Кб: Улд - усилителей лазерных диодов ЛД1, ЛД2, ЛД3, ЛД4; Уфм - усилителей считывания фотодиодной матрицы. В центре расположен микродвигатель с редуктором для юстировки объектива 22 фиг.15. С боков расположены отверстия 37 для подачи охлаждающей жидкости ОЖ1 под давлением от насоса 28 фиг.22 и отверстия 38 для приема нагретой после циркуляции по плате охлаждения жидкости ОЖ2 и повторным ее охлаждением через радиатор 27 фиг.22. Радиатор и насос вместе с трубочками, исходящими от центра, навешен снизу к плате управления путем приварки соответствующих концов трубочек к отверстиям 37 и 38. Т.к. весь блок матрицы ИЛ находится в постоянном движении в плоскости X-Y (сканирование по Х и Y на величину окна 32 мм) с частотой по Х от 10 до 150 Гц, то применяется второй контур охлаждения с помощью компрессора, установленного на подвижном основании 29 над центром матрицы ИЛ с обдувом, например, холодным воздухом подвижного радиатора 27. The
Питатель 5 изображен на фиг.4. С левой стороны питатель имеет боковую крышку 41, в центре которой имеется отверстие для подсоединения насоса 12, а с правой - конусообразный рассекатель 42 для равномерной подачи в каждый канал питателя микрошариков 6 в газовом потоке с помощью насоса 12 из связанного с рассекателем магазина 10. Магазин 10 предназначен для хранения кассет с микрошариками 6 определенного материала и их поочередной подачи в питатель 5 с помощью насоса 12, установленного в конце питателя 5 и освобождения каналов питателя 5 от остатков микрошариков 6 с помощью насоса 12, установленного в начале питателя 5 перед магазином 10 обратно в кассету. Подача разных материалов осуществляется путем перемещения магазина 10 вдоль оси Y по отношению к питателю 5 и установки нужной кассеты напротив отверстия 43 фиг.3. Перемещение магазина 10 производится двигателем с редуктором 44 относительно винта 45. Питатель 5 с помощью стоек 46 прикрепляется к рамке 47 подвижного основания 29, которая в свою очередь имеет возможность перемещаться в плоскости X-Y основания 29 на величину большую окна матрицы ИЛ 7 (более 32 мм) с помощью привода 48 по Х и привода 49 по Y. Это необходимо для полного обслуживания нижней "наращиваемой" поверхности блока 35. The
Поперечный разрез питательного элемента показан на фиг.5, а продольный на фиг.6. Питатель 5 представляет собой решетку из 8 профильных направляющих 8, в углублениях профиля которого расположены шарики 50, катающиеся внутри профиля и служащие в качестве опоры качения по "наращиваемой" подложке. В углублениях решетки между направляющими 51 расположены окна 52 фиг.9, в которых расположены прозрачные кварцевые пластины 53 (Пл) фиг.10, прикрепленные с помощью пьезоприводов Пр1, Пр2, Пр3, Пр4 к плате управления 13 и предназначение для периодического перемещения (вибрации) микрошариков 6 от кварцевой пластины 53 к поверхности "растущего" блока 35 с частотой от 10 до 1000 кГц, а также коррекции полета микрошариков. Каждое окно решетки и обслуживающие его пьезоприводы Пр1, Пр2, Пр3, Пр4 с транзисторами Т1, Т2, Т3, Т4 образуют узел питателя 54 (УП) платы управления 13 питателя 5 фиг.9. С обратной стороны УП фиг.10 параллельно окну по оси Х на определенном расстоянии друг от друга находятся линейки фотодиодов ЛФ1, ЛФ2, ЛФ3, ЛФ4 или заменяющие их фоточувствительные приемники в виде полосок, предназначенные для приема управляющих сигналов от соответствующих данному узлу лазерных диодов 19, расположенных на матрице ИЛ 7. Между окном и пластиной в нем раположеной каждого УП платы управления 13, а также между решеткой с профильными направляющими и "растущим" блоком 35 должен быть зазор величиной в два раза меньше диаметра малых микросфер (D2/2), предназначенный для ограничения движений микрошариков только в области каналов решетки фиг.6. A cross section of the nutrient element is shown in Fig. 5, and a longitudinal one in Fig. 6. The
Подвижное основание 29 связано со столом 2 четырьмя приводами 55 и с матрицей ИЛ 7 гибкой подвеской в виде четырех пружин 56, располагаемых со стороны матрицы ИЛ 7 на определенном расстоянии по углам фиг.24 (вид со стороны подвижного основания 29), четырех управляемых и программируемых фиксаторов 57 уровня Z для матрицы ИЛ 7 относительно плоскости X-Y реперных знаков подложки 3. Сканирование матрицы ИЛ 7 для послойного синтеза осуществляется с помощью привода 58 по Х и привода 59 по Y фиг.24. Для правильной и точной отработки перемещений матрицы ИЛ в пределах окна 32х32 мм используются зеркальные пластинки 60 и 61, прикрепленные к нижней поверхности платы управления 3, 4, и датчики 62 по Х и 63 по Y фиг.24 (линейка лазерных диодов и линейка фотодиодов в виде открытой оптопары). При этом зеркальные пластинки 60 имеют квадратную форму со стороной окна 32 мм и представляют собой решетку из очень узких зеркальных полосок с шагом 1 мкм, и где полоски для датчика по Х взаимно перпендикулярны полоскам для датчика по Y. Пластинки 61 имеют треугольную форму в пределах окна 32•32 мм и сплошную зеркальную поверхность и также взаимно перпендикулярны фиг.23. Фиксаторы уровня Z предназначены для отслеживания координаты Z для матрицы ИЛ аналогичным способом, но датчики и пластинки здесь перпендикулярны основанию 29. Пластинки 64 служат через шарик 65 опорой качения для матрицы ИЛ 7 относительно основания 29. Управление всеми этими функциями осуществляет микроконтроллер МК2. Четыре привода 55 предназначены для точного и медленного смещения подвижного основания 29 вниз по оси Z и по окончании послойного синтеза блока 35 и его выталкивания, быстрого перемещения подвижного основания 29 вверх в исходную позицию. Привод 55 состоит фиг.2 из двигателя с редуктором 66, гайки 67 и роликового подшипника 68, связывающего подвижную гайку с неподвижным относительно ее основанием 29. Четыре датчика 34 по углам подвижного основания 29 предназначены для высокоточного (1 мкм) перемещения плоскости X-Y основания 29 относительно плоскости X-Y подложки 3. Датчик 34 включает в себя лазерный диод, фотодиод и прозрачную пластинку с дифракционной решеткой, которая повернута относительно дифракционной решетки подложки, что приводит при относительных смещениях по оси Z между ними к появлению переменного фототока на фотодиоде. The
Пример способа послойного синтеза
Объем, занимаемый изделием (деталью), ограничен объемом параллелепипеда с координатами X1, Y1, Z1; X1, Y2, Z1; X2, Y1, Z1; X2, Y2, Z1; X1, Y1, Z2; X1, Y2, Z2; X2, Y1, Z2; X2, Y2, Z2 фиг.25. Объем блока имеет несколько больший объем за счет технологического припуска dX, dY, dZ. Параллелепипед с блоком рассекается на k+n слоев перпендикулярных оси Z с толщиной слоя h равной в нашем случае 20 мкм. Такая толщина соответствует толщине деформированного микрошарика с диаметром равным примерно 60 мкм и занимаемой круглой площадкой (подобно сферической капле, упавшей на поверхность и сплющенной до предельного диаметра) диаметром Dспл.=100 мкм фиг.35, что в нашем случае является дискретным шагом или точностью синтезируемого изделия (детали), хотя сама дискретность шага устройства послойного синтеза гораздо выше (в нашем случае это 1 мкм). Поэтому для повышения точности изготовления деталей необходимо уменьшать диаметр микрошариков. Каждый слой, выделенный из объема блока, является сечением плоскостью, перпендикулярной оси Z, и поэтому в плоскости сечения образуются разные замкнутые контуры рассеченных деталей, состоящих из разных материалов (m1, m2, m3... mу, где mу - удаляемый материал, например, легкоплавкий пластик, но достаточно прочный в твердом состоянии и имеющий темный цвет для хорошего поглощения лазерного излучения) фиг. 26. Поэтому программно каждый слой, начиная с 1+n до k, состоит из m бинарных файлов, где каждой позиции деформированного или сублимированного микрошарика соответсвует значение бита 0 или 1 в зависимости от присутствующего в данном месте данного материала m фиг.27. При этом, если угол между нормалью, проведенной изнутри детали к микроучастку поверхности детали, граничащему с удаляемым материалом mу и нормалью проведенной к подложке 1 (ось Z) меньше 90o (а1, а2 фиг.43), то каждому файлу из материала m для деформирующихся микрошариков (60 мкм) создается дублирующий файл для сублимирующихся микрошариков (20 мкм), который в свою очередь отрабатывается всегда первым (возможно не один раз для создания надежного буфера для деформирующихся микрошариков второго файла). Если угол находится в диапазоне от 90 до 180o, включая и эти значения (а3, а4 фиг.43), то дублирующийся файл не создается. Слои технологического припуска от 1 до 1+n и от k до k+n соответствуют также бинарным файлам, но однородным (полное заполнение удаляемым материалом mу), которые соответствуют слоям только из деформируемых микрошариков и где каждый бит равен 1. Для получения более сглаженной поверхности деталей в блоке каждый последующий слой получается смещением на полшага (в нашем случае 50 мкм) в направлениях, показанных на фиг.29, и с позицированием по координатам, показанных на фиг.28, при этом начало каждого четвертого слоя и соответственно файлов m начинается с одной и той же координаты, т.е. с возвратом в исходную точку. В данном случае получаются волнообразные поверхности деталей, что может быть выгодно при сопряжениях. Высота периодических неровностей составляет при диаметре микрошарика 60 мкм, примерно, мкм
при диаметре микрошарика 6 мкм высота неровностей составляет 0,7 мкм, что соответствует высокому классу чистоты.An example of a method of layer synthesis
The volume occupied by the product (part) is limited by the volume of the box with coordinates X1, Y1, Z1; X1, Y2, Z1; X2, Y1, Z1; X2, Y2, Z1; X1, Y1, Z2; X1, Y2, Z2; X2, Y1, Z2; X2, Y2, Z2 Fig.25. The block volume has a slightly larger volume due to technological allowance dX, dY, dZ. A parallelepiped with a block is cut into k + n layers perpendicular to the Z axis with a layer thickness h equal in our case to 20 μm. Such a thickness corresponds to the thickness of a deformed microsphere with a diameter of approximately 60 μm and a circular area (like a spherical drop falling on the surface and flattened to the maximum diameter) with a diameter of Dpl = 100 μm of Fig. 35, which in our case is a discrete step or the accuracy of the synthesized products (parts), although the discreteness of the step of the layer-by-layer synthesis device is much higher (in our case, it is 1 μm). Therefore, to increase the accuracy of manufacturing parts, it is necessary to reduce the diameter of the microspheres. Each layer selected from the block volume is a section with a plane perpendicular to the Z axis, and therefore different closed contours of dissected parts consisting of different materials (m1, m2, m3 ... mу, where mу is the material to be removed, are formed in the section plane , fusible plastic, but strong enough in the solid state and having a dark color for good absorption of laser radiation) Fig. 26. Therefore, programmatically, each layer, starting from 1 + n to k, consists of m binary files, where each position of the deformed or sublimated microsphere corresponds to a bit value of 0 or 1, depending on the present material m in this place m of Fig. 27. Moreover, if the angle between the normal drawn from the inside of the part to the micro-section of the surface of the part adjacent to the material to be removed mу and the normal drawn to the substrate 1 (Z axis) is less than 90 o (a1, a2 of Fig. 43), then for each file from the material m for deformable beads (60 μm) creates a duplicate file for sublimated beads (20 μm), which in turn is always processed first (possibly more than once to create a reliable buffer for deformable beads of the second file). If the angle is in the range from 90 to 180 o , including these values (a3, a4 of Fig. 43), then a duplicate file is not created. Layers of technological allowance from 1 to 1 + n and from k to k + n also correspond to binary files, but homogeneous (complete filling with removed material mу), which correspond to layers only from deformable microspheres and where each bit is 1. To obtain a smoother surface of details in the block, each subsequent layer is obtained by a half-step offset (in our case, 50 μm) in the directions shown in Fig. 29 and with positioning in the coordinates shown in Fig. 28, with the beginning of every fourth layer and, accordingly, files m starting from the same coordinate, i.e. with return to the starting point. In this case, wavy surfaces of the parts are obtained, which can be advantageous with mates. The height of periodic irregularities with a diameter of the microsphere is 60 microns, approximately microns
with a diameter of a microsphere of 6 microns, the height of the irregularities is 0.7 microns, which corresponds to a high class of purity.
Способ послойного синтеза в предлагаемом устройстве заключается в периодической вертикальной подаче микрошариков с частотой от 10 до 1000 кГц для высокой производительности установки (рост слоев 1 мм/мин) и нагреве их до определенной температуры достаточной, чтобы при ударе о "наращиваемую" поверхность микрошарик деформировался до необходимых размеров в плоскости X-Y и образовал достаточно прочную связь с предыдущей поверхностью. Для периодического перемещения микрошариков от кварцевых пластин 53 и коррекции их полета используются пьезоприводы и схемы управления питателя 5, при этом с помощью ФМ 18 определяется положение летящего микрошарика в данный момент и в вычисленный момент времени дается корректирующий импульс на соответствующие пьезоприводы фиг.30, 31. Коррекция осуществляется за несколько тактов, так что при частоте подачи микрошариков 1000 кГц закрепиться, деформируясь на "растущей" поверхности, сможет примерно 100 тыс. микрошариков, что достаточно для заполнения окна размером 32•32 мм с шагом 100 мкм и с толщиной слоя 20 мкм в течение 1 с. Для нагрева микрошариков используется оптическая схема, показанная на фиг.32, с помощью которой осуществляется два температурных режима; в первом и достаточно длительном, примерно 90%, за счет относительно редких импульсов УМИ матрицы ИЛ происходит прогрев и анализ отраженного от микрошарика и проецируемого на ФМ УМИ с помощью объектива 22 инфракрасного излучения, по которому происходит поиск положения микрошарика в полете и его коррекция - позицирование в нужные координаты (фиг.7 - температура микрошарика повышается - он приближается к фокусу и фиг.8 - температура микрошарика понижается - он удаляется от фокуса), во втором - пакет коротких импульсов приводит за счет удара о "наращиваемую" поверхность к деформации микрошарика или сублимации. Диффузионное приваривания микрошарика показано на фиг.35, когда микрошарик будет в фокусе линзы фиг.33, и сублимация, когда необходимо испарить малый микрошарик (для нашего случая 20 мкм, что дает на поверхности примерно круглое пятно диаметром 100 мкм и толщиной, примерно 1 мкм фиг.36) в фокусе фиг.34. The method of layer-by-layer synthesis in the proposed device consists in periodic vertical supply of microspheres with a frequency of 10 to 1000 kHz for high installation productivity (layer growth of 1 mm / min) and heating them to a certain temperature sufficient so that upon impact on the "build-up" surface, the microspheres are deformed to necessary dimensions in the XY plane and formed a fairly strong bond with the previous surface. For the periodic movement of the microspheres from the
Процесс деформации и диффузионного приваривания микрошарика (60 мкм) делится на три временные фазы, общая продолжительность которых при частоте 1000 кГц (т.е. из миллиона циклов перемещений микрошарика от пластины 53 к "растущему" слою после коррекций в худшем случае может быть только 100 тыс. полезных и 9 мкс для каждого цикла будет подготовительным) равна примерно 1 мкс, а при частоте 10 кГц - 100 мкс и 900 мкс - подготовительное время (время заполнения окна 32•32 мм одним слоем равно 100 с), что может использоваться на первом этапе отработки послойного синтеза. На фиг.37 показана фаза 1, при которой микрошарик после коррекций его полета приближается с допустимой погрешностью в плоскости X-Y к фокусу линзы 20. В момент пересечения фокуса отрабатывается рассчетный и найденный опытным путем пакет импульсов лазерного излучения строго на поверхность микрошарика с поглощающим покрытием, при этом он нагревается за счет быстрого поглощения излучения до температуры, не доходящей до плавления, и в момент касания поверхности заканчивается фаза 1. На фиг.38 показана фаза 2, при которой микрошарик за счет удара о поверхность начинает деформироваться путем "твердого" течения контактирующего с поверхностью вещества в радиальном направлении в плоскости X-Y с вариацией по координате Z и заполняя неровность. При этом пакет импульсов по длительтельности должен быть такой, чтобы диаметр деформированного на поверхности микрошарика (60 мкм) был меньше 100 мкм. Т.о., при Dcпл. меньше 100 мкм заканчивается фаза 2 ("твердое" течение прекращается, но энергия от удара еще не рассеялась). На фиг.39 показана фаза 3, при которой включаются одиночные импульсы, добавляющие деформированному микрошарику энергию для последующего "твердого" течения вещества до диаметра 100 мкм, при этом включается адаптивный режим нагрева за счет обратной связи с помощью ФМ УМИ матрицы ИЛ, где радиальные линейки фотодиодов ЛФ11-ЛФ18 фиксируют увеличение диаметра. Как только Dспл. будет равно 100 мкм, то закончится фаза 3. The process of deformation and diffusion welding of a bead (60 μm) is divided into three time phases, the total duration of which at a frequency of 1000 kHz (i.e., out of a million cycles of movements of the bead from
Процесс сублимации малого микрошарика (20 мкм) также делится на три временные фазы. На фиг.40 показана фаза 1, при которой микрошарик после коррекции его полета приближается с допустимой погрешностью в плоскости X-Y к фокусу линзы 20. В момент пересечения фокуса отрабатывается рассчетный и найденный опытным путем пакет импульсов лазерного излучения строго на поверхность микрошарика с поглощающим покрытием, при этом он нагревается за счет быстрого поглощения излучения до температуры испарения, после чего заканчивается фаза 1. На фиг.41 показана фаза 2, при которой возникает плазменное облако диаметром меньше 100 мкм и за счет силы удара, полученной микрошариком первоначально от пластины 53, облако движется к поверхности. На этом заканчивается фаза 2. На фиг.42 показана фаза 3, при которой облако осаждается на поверхность в виде пятна диаметром 100 мкм. После окончания осаждения заканчивается фаза 3. The process of sublimation of a small bead (20 μm) is also divided into three time phases. Fig. 40 shows
Заполнение окон 32х32 мм деформированными микрошариками происходит одновременно по всем окнам матрицы ИЛ 7 путем периодического сканирования матрицы ИЛ в направлении Yj и Yi фиг.44, 45, 46 (в этом же направлении перемещается питатель 5, чтобы линза 20 всегда сканировала только через середину пластины 53. но т.к. размер пластины 53 по Х меньше этого же размера окна, то заполнение окон происходит неполностью фиг.44, для полного заполнения окна необходимо три прохода матрицы ИЛ 4 фиг.44, 45, 46). Каждое УМИ обрабатывает свое окно индивидуально и только после отработки последнего окна материалом m происходит переход к другому материалу m. После отработки материала mу происходит перемещение питателя 5 по координате Х влево на определенную величину для дозаполнения окна 32•32 мм слева фиг.45. После отработки материалов m и mу происходит перемещение питателя 5 вправо по координате Y на определенную величину для дозаполнения окна 32•32 мм справа фиг.46. После полного заполнения всех окон происходит переход к заполнению следующего слоя, при этом матрица ИЛ 7 смещается в плоскости X-Y в направлении (2.2) фиг. 29 на полшага (50 мкм) и отработка идет в три прохода, но в обратном направлении фиг.47, 48,49. Через четыре слоя цикл повторяется. Filling of windows 32x32 mm with deformed beads occurs simultaneously across all the windows of the
Работа устройства послойного синтеза
Для начала работы устройства его приводят в исходное состояние, выполняя следующие пункты:
1. Кассеты с заранее заполненными микрошариками, каждая определенного типа, вставляют в направляющие магазина 10.Layer synthesis device operation
To start the operation of the device, it is returned to its original state by following the steps below:
1. Cartridges with pre-filled beads, each of a certain type, are inserted into the guides of the store 10.
2. Устанавливают подложку 3 с нанесенными маркерными знаками. 2. Install the
3. Запускают программу, ранее записанную в ЭСПЗУ МК2 настройки подвижного основания 29, т.е. с помощью приводов 55 и датчиков 34 по четырем углам опускают основание 29 на 20 мкм вниз вместе с матрицей ИЛ 7 и питателем 5, который подпружинен и поэтому все время находится в контакте с подложкой 3. 3. Run the program previously recorded in the EEPROM MK2 settings of the
4. Программно с помощью четырех фиксаторов 57 уровня Z настраивают плоскость матрицы ИЛ 7 параллельно относительно основания 29 и запоминают эти значения для последующего постоянного отслеживания уровня Z в процессе работы устройства. 4. Software using four
5. Запускают программу юстировки оптики, ранее записанную в ЗСПЗУ всех 8•8=64 микроконтроллеров МК1 и настраивают все 64 оптические схемы, состоящие из линз 20 и объективов 22, т.е. привязывают фокусы линз с точность до 1 мкм по координатам X, Y, Z к маркерным знакам, расположеных снизу на подложке 3. При этом все фокусы линз всегда находятся на определенном расстоянии Н от подложки 3 или текущего слоя блока 35 фиг.33,34. 5. Run the optics alignment program, previously recorded in the RAM of all 8 • 8 = 64 MK1 microcontrollers and configure all 64 optical circuits consisting of 20 lenses and 22 lenses, i.e. tie the foci of the lenses with an accuracy of 1 μm along the coordinates X, Y, Z to the marker marks located below on the
6. Смещают матрицу ИЛ 7 с помощью привода 58 по Х с отработкой смещения МК2 с помощью датчика 63 по Х фиг.24 в начальную координату in фиг.44 (Y не меняется), при этом смещаются все 64 окна матрицы ИЛ и устанавливаются в относительный ноль. 6. The
7. Загружают в RAM каждого УМУ части первого бинарного файла (в данном случае первым всегда загружается файл удаляемого материала mу), при этом изображение слоя размером 256•256 мм, которому соответствует бинарный файл, делится на равные окна 32•32 мм в количестве 8•8=64 окон (при шаге 100 мкм на одно окно необходимо 320•320=102400 бит, где значение бита 1 соответствует присутствию деформированного микрошарика с данным материалом m в данных координатах Xi, Yj окна, что занимает в памяти RAM 102400/8=12,8 Кб). 7. Download into RAM of each UMU part of the first binary file (in this case, the file of the deleted material mу is always loaded first), while the image of a layer of size 256 • 256 mm, which corresponds to the binary file, is divided into equal windows 32 • 32 mm in the amount of 8 • 8 = 64 windows (at a step of 100 μm, one window requires 320 • 320 = 102400 bits, where the value of
8. Устанавливают программно микроконтроллером МК2 кассету с необходимыми микрошариками напротив отверстия 43 путем перемещения магазина 10 двигателем 44 вдоль оси Y. 8. Install the cartridge with the necessary microspheres by the microcontroller MK2 using the necessary microspheres opposite the
9. С помощью микроконтроллера МК2 и приводов 48 по Х и 49 по Y фиг.4 смещают питатель 5 так (шаг смещения 100 мкм), чтобы все 64 кварцевые пластины 53 платы питателя своим центром по Y были совмещены с осью, проходящей через центры всех 64 линз 20. Это связано с тем, что размер пластины 53 меньше размера окна (для функциональной необходимости). 9. Using the microcontroller MK2 and
10. Запускают программу проверки насыщенности каналов питателя микрошариками всех 64 МК1, работа которой заключается в анализе поля зрения объектива 22 с помощью ФМ 18 (ЛФ11-ЛФ18) на попадание в него микрошариков с прогреванием их короткими импульсами ИЛ, предварительно включив насос 12, и вибрацию микрошариков с помощью пьезоприводов Пр1, Пр2, Пр3, Пр4 и при фиксации микрошариков во всех 64 узлах питателя переходят к непосредственному послойному синтезу блока 35. 10. Run the program to check the saturation of the channels of the feeder with microspheres of all 64 MK1, the work of which is to analyze the field of view of the
Работа устройства послойного синтеза заключается в следующем:
1а. Находясь в позиции in,0 фиг.44 во всех окнах фокуса линз 20 с помощью коротких импульсов ИЛ каждого 9МИ прогревают соответствущие области, в которые периодически попадают микрошарики (пункт 10). Запускают программу управления полетом микрошариков (одновременно во всех 64 микроконтроллерах МК1), которая по разности фототоков пар фотодиодных линеек ЛФ11-ЛФ15, ЛФ12-ЛФ16, ЛФ13-ЛФ17, ЛФ14-ЛФ18 корректирует с помощью пьезоприводов Пр1, Пр2, Пр3, Пр4 направление полета микрошарика через фокус линзы. Далее за счет изменения температуры микрошарика вычисляется следующий момент его пролета в направлении подложки через фокус. В момент пролета микрошарика через фокус включается программа нагрева микрошарика до температуры, близкой к плавлению, после чего он под действием удара о поверхность деформируется и после доработками короткими импульсами принимает сплюснутую форму с образованием прочной связи за счет диффузии в приграничной с подложкой зоне, все это фиксируется фотодиодными линейками ЛФ11-ЛФ18 (для каждого типа материала микрошарика должна быть своя температура нагрева и соответственно длительность пакета импульсов ИЛ, числовые значения которых в виде данных должны быть ранее записаны в ЭСПЗУ МК1 и к содержимому которых должна обращаться программа). На этом программа заканчивает свою работу и посылает сигнал в микроконтроллер МК2 в ранее (при установке начальных условий) очищенную ячейку N внутреннего ОЗУ, наращивая ее на 1. Когда значение ячейки достигнет определенного числа, равного числу задействованных УМИ (окна, в которых отсутствует данный материал, т.е. биты окна равны 0 - не заполняются микрошариками), ячейка Х в МК2 (счетчик перемещений по X, ранее обнуленный) нарастится на 1, и матрица ИЛ 7 с помощью привода 58 по Х сместится в позицию in+1,0, и произойдет переход на начало пункта 1а с одновременным обнулением ячейки N.The operation of the layered synthesis device is as follows:
1a. Being in the in position, 0 of Fig. 44, in all the windows of the focus of the
2а. После достижения по координате Х позиции in+m,0 значение ячейки Y MK2 (счетчик перемещений по Y, ранее обнуленный) нарастится на 1 и матрица ИЛ 7 с помощью привода 59 по Y сместится в позицию in+m,1, при этом питатель 5 сместится на шаг (100 мкм) в направлении смещения матрицы ИЛ 7. Далее повторно отрабатывается процедура пункта 1а, но только в обратном направлении (счетчик Х уменьшает свое значение на 1), т.е. матрица ИЛ 7 смещается в позицию in,1. Происходит циклический переход к пункту 2а до тех пор, пока матрица ИЛ 7 не сместится в позицию in,j. 2a. After reaching the position in + m, 0 in the X coordinate, the value of the Y MK2 cell (the Y movement counter, previously zeroed) will increase by 1 and the
3а. После первого прохода матрица ИЛ 7 сместится в позицию in-1,j, где с помощью процедур 1а и 2а отработает второй проход, но в обратном направлении первому (счетчик Y уменьшает свое значение на 1) фиг.45, перейдя в позицию in-1,0. Соответственно сместится в обратном направлении питатель 5. 3a. After the first pass, the
4а. После второго прохода матрица ИЛ 7 сместится в позицию in+m+1,0, где с помощью процедур 1а и 2а отработает третий проход, но в обратном направлении второму (счетчик Y увеличивает свое значение на 1) фиг.46, перейдя в позицию in+m+1,j. Соответственно сместится питатель 5. 4a. After the second pass, the
На этом завершится неполная отработка ("наращивание") слоя одним материалом (если это слой технологического припуска, то он будет полностью отработан микрошариками удаляемого материала mу). После отработки микрошариков их остатки с помощью насоса 12 фиг.3 будут удалены из каналов питателя 5 обратно в кассету с этим же материалом. Далее кассета с другим материалом смещением магазина 10 по Y установится напротив отверстия 43. После чего включается пункты 7 и 10. This will complete the incomplete working out ("building up") of the layer with one material (if this is a technological allowance layer, it will be completely worked out by the microballs of the material to be removed mу). After working off the beads, their residues using the
5а. Перейдя в позицию in+m,j и с помощью процедур 1а, 2а, 3а, 4а завершится отработка очередного материала, но в обратном направлении указанным процедурам фиг. 47, 48, 49, т.е. каждым нечетным по счету материалом будет происходить циклический возврат к пункту 1а, но с учетом завершения слоя матрица ИЛ 7 будет смещаться на полшага (50 мкм) фиг.29 и через каждые четыре слоя матрица ИЛ 7 будет возвращаться в исходную по Х позицию, но разную по Y (начало с пункта 1а или 5а в зависимости от четности или нечетности по счету бинарных файлов). 5a. Moving to the position in + m, j and using the procedures 1a, 2a, 3a, 4a, the development of the next material will be completed, but in the opposite direction to the indicated procedures of FIG. 47, 48, 49, i.e. each odd material will cycle back to step 1a, but taking into account the completion of the layer, the
При углах а1 и а2 фиг.43 и контакте микрошариков с удаляемым материалом в первую очередь всегда отрабатывают программу сублимации малых микрошариков (D2=20 мкм) и по необходимости несколько раз для прочного контакта в последующем с деформированными микрошариками. Для анализа качества "наращиваемых" слоев используют программу создания видеофайлов, которая записана в каждый из 64 МК1 и работает путем сканирования каждого окна по тому же принципу, как и при синтезе слоев (той же траектории обхода поверхности блока 35). При этом в каждой позиции последовательно включается R, G, B подсветка ФМ фиг.13 и через объектив 22 с R, G, B фотодиодов, находящихся в центре ФМ, последовательно через АЦП МК1 снимаются цифровые значения фототока, которые затем сразу записываются в соответствующем графическом формате в видеофайл внешнего компьютера для последующего просмотра и анализа. At angles a1 and a2 of Fig. 43 and the contact of the microspheres with the material to be removed, the sublimation program of small microspheres (D2 = 20 μm) is always always worked out first and, if necessary, several times for lasting contact with deformed microspheres. To analyze the quality of "stackable" layers, a video file creation program is used, which is recorded in each of 64 MK1 and works by scanning each window according to the same principle as in the synthesis of layers (the same trajectory traversing the surface of block 35). In this case, in each position, the R, G, B backlight of the FM of Fig. 13 is turned on sequentially and through the
После окончания послойного синтеза блока 35 выкатывают по направляющим питателя 5 подложку 3 с блоком 35, удаляют ненужный материал и на этом заканчивают изготовление изделия (детали). After the completion of the layer-by-layer synthesis of the
Для изготовления более габаритных изделий на подвижном основании 29 (соответственно с большой площадью и габаритами стола 2) наращивают число модулей размерами 256х256 мм (в крупную матрицу ИЛ) в необходимом количестве с зазором между модулями 32 мм для согласования их общей работы и сохранения необходимой точности работы всего оборудования. Для предотвращения окисления при работе с металлами все оборудование может помещаться в закрытый от внешней среды объем с инертной газовой средой (аргон), при этом с помощью прозрачной крышки над ИЛ 7 фиг.11 осуществляется раздел охлаждаемого воздуха (для охлаждения радиатора) от инертной среды питателя 5. For the manufacture of larger products on a moving base 29 (respectively, with a large area and dimensions of table 2), the number of modules with dimensions of 256x256 mm (into a large matrix of IL) is increased in the required quantity with a gap between the modules of 32 mm to coordinate their overall work and maintain the required accuracy all equipment. To prevent oxidation when working with metals, all equipment can be placed in a closed volume with an inert gas medium (argon), and with the help of a transparent cover above
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121101/12A RU2186681C2 (en) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99121101/12A RU2186681C2 (en) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99121101A RU99121101A (en) | 2002-01-10 |
| RU2186681C2 true RU2186681C2 (en) | 2002-08-10 |
Family
ID=20225587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99121101/12A RU2186681C2 (en) | 1999-10-06 | 1999-10-06 | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2186681C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2479020C2 (en) * | 2008-01-08 | 2013-04-10 | Стратасис, Инк. | Replaceable cartridge for system of layer-by-layer extrusion settlement |
| RU2528838C2 (en) * | 2008-09-15 | 2014-09-20 | Дюрр Системз Гмбх | Production of structural element of glazing plant and appropriate structural element of glazing plant |
| RU2746710C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-04-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for assembling and soldering laser diode matrix |
| US11072094B2 (en) | 2004-12-03 | 2021-07-27 | Pressco Ip Llc | Method and system for wavelength specific thermal irradiation and treatment |
| RU2752692C2 (en) * | 2017-04-06 | 2021-07-29 | ЭФФЬЮЖНТЕК АйПи ПТИ. ЛТД. | Spraying device |
| RU2778827C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-08-25 | Ярослав Владимирович Резчик | Method for synthesising articles in layers |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60335098D1 (en) * | 2002-04-17 | 2011-01-05 | Stratasys Inc | MOLDING PROCESSES FOR STORED DEPOSITION MODELING |
-
1999
- 1999-10-06 RU RU99121101/12A patent/RU2186681C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11072094B2 (en) | 2004-12-03 | 2021-07-27 | Pressco Ip Llc | Method and system for wavelength specific thermal irradiation and treatment |
| RU2479020C2 (en) * | 2008-01-08 | 2013-04-10 | Стратасис, Инк. | Replaceable cartridge for system of layer-by-layer extrusion settlement |
| RU2528838C2 (en) * | 2008-09-15 | 2014-09-20 | Дюрр Системз Гмбх | Production of structural element of glazing plant and appropriate structural element of glazing plant |
| US9370792B2 (en) | 2008-09-15 | 2016-06-21 | Duerr Systems Gmbh | Production method for a paint plant component and corresponding paint plant component |
| RU2752692C2 (en) * | 2017-04-06 | 2021-07-29 | ЭФФЬЮЖНТЕК АйПи ПТИ. ЛТД. | Spraying device |
| RU2746710C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-04-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for assembling and soldering laser diode matrix |
| RU2778827C1 (en) * | 2021-10-11 | 2022-08-25 | Ярослав Владимирович Резчик | Method for synthesising articles in layers |
| RU2828910C1 (en) * | 2024-04-27 | 2024-10-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) | Method for additive formation of articles from tungsten and composites based on it |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8826511B2 (en) | Spacer wafer for wafer-level camera and method of manufacturing same | |
| US11014288B2 (en) | Production line for making tangible products by layerwise manufacturing | |
| JP6840540B2 (en) | Modeling equipment | |
| CN109843551B (en) | Method of printing 3D parts using local thermal cycling | |
| US8153183B2 (en) | Adjustable platform assembly for digital manufacturing system | |
| EP1935620B1 (en) | Optical modeling apparatus and optical modeling method | |
| US10471658B2 (en) | Sheet substrate retention device for securing a sheet substrate to a vacuum platen in an additive manufacturing system | |
| EP3294528B1 (en) | Additive manufacturing apparatus and method | |
| US20020104973A1 (en) | Surface scanning system for selective deposition modeling | |
| US20170304897A1 (en) | Machine and method for powder-based additive manufacturing | |
| EP2851179B1 (en) | Device for printing simultaneously three dimensional objects | |
| JP2018518400A (en) | Method and apparatus for three-dimensional modeling of an object having a high resolution background | |
| JP4183119B2 (en) | Stereolithography equipment | |
| EP3470209A1 (en) | Selective curing additive manufacturing method | |
| US11993007B2 (en) | Measuring system for a device for the generative manufacturing of a three-dimensional object | |
| RU2186681C2 (en) | Method for stratified synthesis of articles and device for its realization | |
| JP7096265B2 (en) | Printer unit and method for 3D printing equipment | |
| TW202012149A (en) | Shaping system | |
| JPH08294742A (en) | Method and device for making prototype containing part and support | |
| US12017298B2 (en) | Irradiation devices with optical modulators for additively manufacturing three-dimensional objects | |
| CN111983896B (en) | High-precision alignment method for 3D exposure machine | |
| CN1671536A (en) | Method and device for forming a body having a three-dimensional structure | |
| US11958250B2 (en) | Reclamation system for additive manufacturing | |
| US20230054516A1 (en) | Irradiation devices with optical modulators for additively manufacturing three-dimensional objects | |
| CN111989210B (en) | Device for layering of three-dimensional objects |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051007 |