полимерный трехмерный объект сложной формы, составленный из слоев, способ изготовления полимерного трехмерного объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Полимерный трехмерный объект сложной формы, составленный из слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения, и присоединенных один к другому в процессе формирования, отличающийся тем, что объект составлен из m неплоских непрерывно переходящих друг в друга слоев толщиной h, основания которых состоят из конечного числа N_m "точек" линейного размера L_m, положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением (1)

Z_n,m = (m-1)h + hn_m/N_m,

где Z_n,m - координата Z "точки" n слоя m;

m - номер слоя, m = 1, 2, 3 и т.д.;

h - толщина слоя;

n_m - номер "точки" по последовательности построения слоя m;

N_m - сумма "точек" слоя m.

2. Полимерный трехмерный объект сложной формы по п.1, отличающийся тем, что под понятием "точка" подразумевается площадь пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимера.

3. Способ изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы, составленного их слоев, включающий помещение фотополимера между подложкой, на которой выращивается объект, и разделительной средой, прозрачной к инициирующему отверждение фотополимера излучению, облучение фотополимера излучением, инициирующим его отверждение, вертикальное перемещение подложки в ходе изготовления объекта, отличающийся тем, что облучение фотополимера осуществляют сканирующим лучом инициирующего излучения при непрерывном в ходе инициирующего облучения вертикальном перемещении подложки со скоростью, определяемой по формуле (2)

W_п = W_ск h/N_m d,

где W_п - скорость движения подложки (мм/с);

W_ск - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при отверждении слоя m > 1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча, инициирующего отверждение фотополимера,

при этом при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

W_ск1,n = W_ск1,1-(W_ск1,1-W_ск)n₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1 - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при отверждении слоя m > 1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

4. Способ изготовления полимерного трехмерного объекта по п.3, отличающийся тем, что вертикальное перемещение подложки с объектом осуществляют в инертную по отношению к фотополимеру и трехмерному объекту среду.

5. Устройство для изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы, составленного из слоев, содержащее сосуд с разделительной средой, подложку, на которой формируется объект, привод вертикального перемещения подложки, источник излучения, прерыватель излучения и ЭВМ, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит антиадгезионный слой, нанесенный на поверхность разделительной среды, сканатор пространственного перемещения облучающего средства и дозатор для поддержания необходимого уровня жидкого фотополимера, а привод подъема подложки снабжен механизмом, обеспечивающим переменную скорость ее подъема, причем управляющий процессом формирования объекта программный интерфейс ЭВМ обеспечивает одновременность операций сканирующего облучения слоя жидкого фотополимера и перемещения подложки с переменной скоростью, определяемой по формуле (2)

W_п = W_ск h/N_m d,

где W_п - скорость движения подложки (мм/с);

W_ск - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при отверждении слоя m > 1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча, инициирующего отверждение фотополимера,

а при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

W_ск1,n = W_ск1,1-(W_ск1,1-W_ск)n₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1 - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча, инициирующего отверждение фотополимера (мм/с), при отверждении слоя m > 1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит слой среды, инертной по отношению к фотополимеру и объекту, нанесенный на поверхность фотополимера и не соприкасающийся с антиадгезионным слоем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления физических носителей формы по геометрической или математической модели, в частности к изготовлению трехмерных объектов сложной формы из отверждающейся под воздействием излучения жидкой среды путем последовательного наращивания слоев и может быть использовано для изготовления моделей деталей машин и механизмов, архитектурных, геодезических и других макетов, манекенов, анатомических моделей, формообразующих элементов пресс-форм и штампов, литейных деталей, клише, а также других подобных объектов в медицине, электронике, автомобилестроении, авиационно-космической промышленности, искусстве и т.д.

Известный полимерный объект сложной формы, полученный путем фотоотверждения участков слоя жидкой фотополимеризующейся среды (фотополимера), состоит из последовательно сформированных и приполимеризованных друг к другу параллельных полимерных слоев

(Кодама. Метод автоматического изготовления трехмерных пластмассовых моделей из фотоотверждающегося полимера. Приборы для научных исследований, 1981, 11, с.178-182) - [1].

(J. P.Kruth. Material Increas Manufacturing by Rapid Prototiping Techniques., Annals of CIRP Vol. 40/2/p.603-614,1991) - [2].

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому полимерному трехмерному объекту сложной формы является известный способ изготовления моделей из жидкого фотоотверждающегося полимера и устройство для его осуществления, которые выбраны авторами в качестве прототипа, т.к. известный способ и устройство позволяют получать полимерные трехмерные объекты сложной формы составленные из слоев (авторское свидетельство СССР N 1277058 A1, МКИ: G 03 F 7/16, 1986) - [3].

Известный полимерный трехмерный объект сложной формы составлен из плоских параллельных слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения, и присоединенных один к другому в процессе формирования [3].

Однако известный полимерный трехмерный объект обладает низкой прочностью к сдвиговым нагрузкам, направленным вдоль слоев. Это связано с тем, что объект составлен из параллельных слоев присоединенных друг к другу. Прочность сцепления между слоями ниже, чем прочность материала слоя, поэтому при сдвиговых нагрузках возникает вероятность расслоения объекта. Особенно это актуально при изготовлении и эксплуатации крупноформатных полимерных объектов с толщиной полимерного слоя 1 мм и больше.

Технической задачей предлагаемого полимерного трехмерного объекта является повышение прочности объекта и, соответственно, его качества.

Поставленная задача решается полимерным трехмерным объектом сложной формы, составленным из слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения и присоединенных один к другому в процессе формирования, согласно изобретения, объект составлен из m неплоских, непрерывно переходящих друг в друга слоев толщиной h, основания которых состоят из конечного числа N_m, "точек" линейного размера L_m, положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением (1):

(1) Z_n,m-(m-l)h+hn_m/N_m,

где Z_n,m - координата Z "точки" n слоя m;

m - номер слоя; m = 1, 2, 3 и т.д.

h - толщина слоя;

n_m - номер "точки" по последовательности построения слоя m;

N_m - сумма "точек" слоя m.

Предпочтительно в полимерном трехмерном объекте сложной формы под понятием "точка" подразумевается площадь пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимера.

Отличительными признаками является то, что объект составлен из m неплоских, непрерывно переходящих друг в друга слоев толщиной h, основания которых состоят из конечного числа N_m "точек" линейного размера L_m, положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением (1):

(1) Z_n,m = (m-1)h+hn_m/N_m,

где Z_n,m - координата Z "точки" n слоя m;

m - номер слоя; m = 1, 2, 3 и т.д.

h - толщина слоя;

n_m - номер "точки" по последовательности построения слоя m;

N_m - сумма "точек" слоя m.

Предпочтительно в полимерном трехмерном объекте сложной формы под понятием "точка" подразумевается площадь пятна светового луча, инициирующего отверждение фотополимера.

То, что полимерный трехмерный объект составлен из непрерывно переходящих друг в друга неплоских, горизонтально ориентированных относительно друг друга слоев позволяет снизить вероятность расслоения объекта при его поперечном нагружении и тем самым повысить прочность объекта и, соответственно, его качество.

Предлагаемый полимерный трехмерный объект сложной формы может быть изготовлен только предлагаемым способом.

Известные способы изготовления трехмерных объектов сложной формы заключаются в предварительном создании геометрической или математической модели объекта; представлении ее в виде набора параллельных слоев заданной толщины; последовательном формировании с помощью актиничного излучения изображения каждого слоя на поверхности жидкого фотополимера, отверждающегося под действием данного излучения; пакетировании слоев по мере их изготовления в растущий таким образом полимерный объект [1,2].

В качестве прототипа авторами выбран известный способ изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы [3].

Известный способ изготовления трехмерного объекта сложной формы включает в себя: создание геометрической модели объекта, определение оптимального направления разбивки модели на слои исходя из минимального числа сечений, отличающихся конфигурацией; изготовление для каждого отличающегося формой слоя негатива-маски; последовательное выполнение для каждого слоя цикла дискретных операций, который включает в себя: формирование слоя жидкого фотополимера заданной толщины между подложкой и разделительной средой прозрачной к инициирующему излучению за счет вертикального возвратно-поступательного движения подложки, позиционирование маски между источником излучения и разделительной средой, облучение через маску слоя фотополимера и получение, таким образом, всего полимерного слоя объекта, который приполимеризовывается к ранее сформированным слоям объекта и т.д.

Известный способ позволяет изготавливать полимерные трехмерные объекты сложной формы, составленные из плоских параллельных слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения.

Однако по известному способу процесс изготовления объекта является совокупностью отдельных, последовательно выполняемых друг за другом операций, что приводит к увеличению времени изготовления объекта и, соответственно, снижению экономичности процесса. Кроме того, при получении объекта по известному способу образование полимерного слоя сопровождается возникновением адгезии между полимером и материалом разделительного слоя, величина которой пропорциональна площади полимерного слоя. Формирование нового слоя жидкого фотополимера происходит при отрыве подложки с полимерным слоем от поверхности разделительной среды. При этом возможно возникновение дефектов (микротрещин) в полимерном слое, разрывов по границе между слоями и деформация объекта.

Технической задачей предлагаемого способа является ускорение процесса изготовления трехмерного полимерного объекта и улучшение его качества.

Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы составленного из слоев, включающим помещение фотополимера между подложкой, на которой выращивается объект и разделительной средой, прозрачной к инициирующему отверждение фотополимера излучению, облучение фотополимера излучением, инициирующим его отверждение, вертикальное перемещение подложки в ходе изготовления объекта, согласно изобретения облучение фотополимера осуществляют сканирующим лучом инициирующего излучения при непрерывном, в ходе инициирующего облучения, вертикальном перемещении подложки со скоростью, определяемой по формуле (2):

(2) W_n = W_скh/N_md,

где: W_п - скорость движения подложки (мм/сек);

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча инициирующего отверждение фотополимера;

при этом при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

(3) W_ск1,n = W_ск1,1 - (W_ск1,1-W_ск)n₁N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1 - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

Предпочтительно вертикальное перемещение подложки с объектом осуществляют в инертную по отношению к фотополимеру и трехмерному объекту среду.

Отличительными признаками является то, что облучение жидкого фотополимера осуществляют сканирующим лучом инициирующего излучения при одновременном непрерывном вертикальном перемещении подложки со скоростью, определяемой по формуле (2):

(2) W_n = W_скh/N_md,

где W_n - скорость движения подложки (мм/сек);

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча инициирующего отверждение фотополимера;

при этом при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

(3) W_ск1,n= W_ск1,1 - (W_ск1,1 - W_ск)n₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_{ск 1,1} - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании слоя m>1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

Предпочтительно вертикальное перемещение подложки с объектом осуществляют в инертную по отношению к фотополимеру и трехмерному объекту среду.

Осуществляемый по предлагаемому способу процесс имеет высокую скорость за счет того, что облучение слоя жидкого фотополимера сканирующим лучом, инициирующего полимеризацию излучения при одновременном непрерывном вертикальном перемещении подложки делает процесс непрерывным и проходящим в одну стадию.

Изготовленный по предлагаемому способу объект имеет высокую прочность к поперечным деформациям, т. к. никакое его поперечное сечение не может проходить по границе между полимерными слоями объекта, оно всегда проходит в основном через материал полимерного слоя и лишь пересекает границу между слоями. При изготовлении полимерного объекта по предлагаемому способу снижается вероятность образования микротрещин в слоях и разрывов между ними, т. к. объект в ходе процесса своего изготовления всегда контактирует с поверхностью разделительной среды только одной точкой, что сводит к минимуму адгезию между полимером и материалом разделительной среды.

Изготовленный по предлагаемому способу объект имеет более высокое качество за счет того, что в процессе формирования объект попадает в инертную по отношению к нему среду, например, жидкую, которая ограничивает доступ кислорода к поверхности объекта и обеспечивает однородное протекание процесса деполимеризации в поверхностных и внутренних слоях объекта, кроме того, объект перемещаемый в жидкую среду претерпевает меньшие деформации под действием силы тяжести по сравнению с объектом, который вытягивается в воздух.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Подложку, помещенную в жидкий фотополимер, на которой выращивают заданный трехмерный объект, математическая модель которого предварительно рассчитана, совмещают с поверхностью разделительной среды прозрачной к инициирующему полимеризацию фотополимера излучению, а затем одновременно начинают непрерывное вертикальное движение подложки от поверхности разделительной среды и облучение жидкого фотополимера, который непрерывно подсасывается в пространство между формирующимся на подложке полимерным объектом и поверхностью разделительной среды, сканирующим лучом инициирующего полимеризацию излучения. Вертикальное перемещение подложки с объектом осуществляют предпочтительно в инертную по отношению к фотополимеру и трехмерному объекту среду, например, жидкую.

Предлагаемый полимерный трехмерный объект сложной формы может быть изготовлен по предлагаемому способу только при помощи предлагаемого устройства.

Известные устройства для изготовления трехмерных объектов сложной формы, содержат реактор для жидкого фотополимера; платформу, на которой выращивается объект; средство облучения, состоящее из устройства сканирующего лазерный луч, или световод, или из лампы и маски; разделительную среду, контактирующую с фотополимером, через которую осуществляется его облучение, механизм вертикального возвратно-поступательного перемещения платформы [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для изготовления моделей и форм из жидкого фотополимера [3].

Известное устройство для изготовления известным способом известного объекта содержит сосуд для жидкого фотополимера, дно которого прозрачно для инициирующего излучения и является разделительной средой между жидким фотополимером и инициирующим излучением, подложку, на которой формируется полимерный объект, привод для ее возвратно-поступательного вертикального перемещения, источник излучения, состоящий из Уф лампы, облучающее средство в виде отражателя, прерыватель излучения в виде затвора, маску, помещающуюся между дном реактора и затвором и управляющую процессом ЭВМ, связанную своим выходом с осветителем, шаговым двигателем и средством контроля толщины отверждающегося полимерного слоя.

Известное устройство позволяет изготавливать полимерные трехмерные объекты сложной формы, составленные из плоских параллельных слоев, последовательно сформированных из жидкого фотополимера, отверждающегося под воздействием излучения.

Однако оно не обеспечивает высокого качества и скорости изготовления объекта. Это связано с тем, что при использовании набора предварительно изготовленных масок, требуется устройство позиционирования маски относительно платформы, на которой выращивается трехмерный объект. Неизбежные погрешности, возникающие при изготовлении и позиционировании масок, приводят к смещению полимерных слоев в объекте друг относительно друга, что снижает качество модели. Необходимо отметить, что в известном устройстве отсутствует антиадгезионный слой на поверхности разделительной среды, что может приводить к нарушениям целостности формирующегося полимерного объекта.

Известное устройство рассчитано на воспроизведение цикла изготовления каждого полимерного слоя объекта, состоящего из отдельных, последовательно выполняемых операций и не позволяет ускорить процесс за счет проведения синтеза трехмерного полимерного объекта в непрерывном режиме. Необходимость предварительного изготовления набора позиционирующихся в устройстве масок также увеличивает время изготовления объекта и усложняет процесс в целом.

Технической задачей предлагаемого устройства является ускорение процесса изготовления объекта и улучшение качества объекта.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства изготовления полимерного трехмерного объекта сложной формы составленного из слоев, включающего сосуд с разделительной средой, подложку, на которой формируется объект, привод вертикального перемещения подложки, источник излучения, облучающее средство, прерыватель излучения и ЭВМ, согласно изобретения оно дополнительно содержит антиадгезионный слой, нанесенный на поверхность разделительной среды, сканатор пространственного перемещения облучающего средства и дозатор для поддержания необходимого уровня жидкого фотополимера, а привод подъема подложки снабжен механизмом, обеспечивающим переменную скорость ее подъема, причем управляющий процессом формирования объекта программный интерфейс ЭВМ обеспечивает одновременность операций сканирующего облучения слоя жидкого фотополимера и перемещения подложки с переменной скоростью, определяемой по формуле (2):

(2) W_п = W_скh/N_md,

где W_п - скорость движения подложки (мм/сек);

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча инициирующего отверждение фотополимера;

при этом при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

(3) W_ск1,n = W_ск1,1 - (W_ск1,1 - W_скn₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1 - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании слоя m>1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит слой среды инертной по отношению к фотополимеру и объекту, нанесенный на поверхность фотополимера и не соприкасающийся с антиадгезионным слоем.

Отличительными признаками является то, что предлагаемое устройство содержит антиадгезионный слой, нанесенный на поверхность разделительной среды, сканатор пространственного перемещения облучающего средства и дозатор для поддержания необходимого уровня жидкого фотополимера, а привод подъема подложки снабжен механизмом, обеспечивающим переменную скорость ее подъема, причем управляющий процессом формирования объекта программный интерфейс ЭВМ обеспечивает одновременность операций сканирующего облучения слоя жидкого фотополимера и перемещения подложки с переменной скоростью, определяемой по формуле (2):

(2) W_n = W_скh/N_md,

где W_n - скорость движения подложки (мм/сек);

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча инициирующего отверждение фотополимера;

при этом при формировании первого слоя скорость сканирования луча непрерывно изменяется по следующему закону (3):

(3) W_ск1,n = W_ск1,1 - (W_ск1,1-W_ск)n₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1, - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1 -го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании слоя m>1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит слой среды инертной по отношению к фотополимеру и объекту, нанесенный на поверхность фотополимера и не соприкасающийся с антиадгезионным слоем.

Наличие механизма, обеспечивающего перемещение подложки с переменной скоростью и программного интерфейса ЭВМ, задающего одновременное перемещение подложки с определенной скоростью и облучение слоя жидкого фотополимера сканирующим лучом инициирующего излучения позволяет проводить непрерывный процесс изготовления полимерного объекта и, таким образом, ускорить его. Использование сканатора позволяет отказаться от устройств изготовления и позиционирования масок, что упрощает устройство и улучшает качество объекта за счет повышения точности воспроизведения объектом заданной геометрии. Формирование антиадгезионного слоя между разделительной средой и жидким фотополимером позволяет снизить адгезию полимерного слоя объекта к поверхности разделительной среды, уменьшить нагрузки на объект и исключить вероятность его разрушения в процессе изготовления.

Кроме того, наличие над слоем фотополимера слоя жидкости, инертной по отношению к фотополимеру и объекту, ускоряет процесс изготовления объекта и улучшает качество объекта за счет того, что препятствует контактированию отверждающегося слоя фотополимера с кислородом воздуха, ингибирующего процесс отверждения фотополимера, а также уменьшает искажения объекта в процессе его изготовления из-за его деформации под собственным весом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен изготавливаемый объект в проекции и поперечном сечении; на фиг.2 изображен общий вид и детализация геометрической математической модели первого слоя цилиндрической части объекта; на фиг.3 изображена проекция внешней грани слоев геометрической математической модели формирующих конусоидальную часть объекта на плоскость X,Y с детализацией перехода от цилиндра к конусу; на фиг.4 изображено начальное положение элементов устройства при формировании первого слоя объекта; на фиг.5 схематично изображена система для изготовления объекта.

Пример конкретного исполнения предлагаемых объекта, способа и устройства.

В качестве конкретного примера трехмерного объекта 1 сложной формы (фиг. 1) взят макет фигуры цилиндра, переходящего в конус с вертикальной перегородкой внутри цилиндра, проходящей через центры его оснований. Объект составлен из 100 неплоских, переходящих друг в друга слоев высотой h, сформированных из жидкого фотополимера под действием инициирующего излучения и присоединенных один к другому в процессе формирования объекта. Основания слоев состоят из конечного числа N_m, "точек" линейного размера L_m; положение центра любой "точки" объекта по координате Z описывается уравнением (1):

Z_n,m = (m-1)h+hn_m/N_m,

где Z_n,m - координата Z "точки" n слоя m;

m - номер слоя; m = 1, 2, 3 и т.д.

h - толщина слоя;

n_m - номер "точки" по последовательности построения слоя m;

N_m - сумма "точек" слоя m.

Точка объекта, центр которой имеет координату по оси Z_n,m = (m - 1)h + h1/N_m, является первой "точкой" слоя m. Точка объекта с координатой центра Z_n,m = (m - 1)h+hn_m/N_m = mh является последней "точкой" слоя m. Таким образом, совокупность "точек" объекта 1, центры которых лежат по координате Z в интервале от (m - 1) h до mh включительно образует слой m объекта 1. При этом координаты центров, как первой и последней, так и соседних "точек" объекта 1 могут различаться более чем на L_m, но приращение по Z координате от центра "точки" n к центру "точки" n+1 равно h1/N_m.

В соответствии с геометрией макета фигуры слои, формирующие стенку цилиндра 2 и перегородку 3, располагаются один над другим. Основания слоев, из которых состоит боковая поверхность конуса 4, смещены друг относительно друга таким образом, что проекция этих слоев на плоскость X,Y представляет собой спираль, при этом шаг спирали определяется соотношением общей высоты конусной части объекта 1 и высотой полимерного слоя h. Стенки цилиндрической и конусоидальной частей, а также перегородка объекта 1 могут быть сплошными или с технологическими отверстиями.

Пример осуществления способа изготовления трехмерного объекта 1, представляющего собой макет фигуры цилиндра, переходящего в конус с вертикальной перегородкой внутри цилиндра, проходящей через центры оснований цилиндра. По реальному объекту строят в масштабе математическую геометрическую модель с габаритами, соответствующими габаритам изготавливаемого объекта 1. Далее в зависимости от диаметра цилиндра и высоты конусоидальной части объекта, характеристики жидкого фотополимера, из которого изготавливают объект 1, а также спектра и интенсивности излучения, инициирующего отверждение жидкого фотополимера, на геометрической модели подбирают оптимальное количество слоев, из которых будет изготовлен объект, и высоту каждого слоя. Так, в качестве жидкого фотополимера для изготовления объекта 1 с требуемыми габаритами, например, диаметр цилиндра 100 мм, высота цилиндра 50 мм, высота конуса 50 мм, выбирают известный жидкий фотополимер, состоящий, например из олигоэфиракрилата, инициированного 4-фтор-3,6-ди-трет-бутил-бензохиноном-1,2 и триэтиламином. В качестве излучения воздействующего на жидкий фотополимер, выбирают излучение He-Ne лазера мощностью 20 мВт с диаметром луча 1 мм.

В соответствии с этим геометрическую модель разделяют на 100 неплоских переходящих друг в друга слоев толщиной h = 1 мм, основания которых состоят из N_m, "точек" линейного размера 1 мм и затем определяют порядок построения "точек" в каждом слое, т. е. координаты геометрического центра каждой "точки".

Первый слой геометрической модели цилиндрической части объекта 1 имеет строение, как показано на фиг. 2. Координата Z центра первой "точки" в соответствии с формулой (1) равна: Z_1,1 = (1 - 1)h + h1/N₁ = h/N₁. "Точки" слоя от n = 1 до n = i образуют половину окружности первого слоя стенки цилиндра; от n = i + 1 до n = j - первый слой внутренней стенки объекта 1; от n = j+1 до n = N₁ - вторую половину окружности первого слоя стенки цилиндрической части объекта 1. В координатах X,Y центры соседних по номерам "точек" i и i+1 отстоят друг от друга на L_m, а центры также соседних "точек" j и j+1 находятся на расстоянии равном диаметру цилиндра. По Z координате центры обеих пар "точек" отличаются друг от друга на одну и ту же величину h/N_m. При заданных геометрических параметрах модели N₁ = 412, Z_1,1 = 0,0024 мм, i = 157, j = 98. Строение остальных слоев цилиндрической части геометрической модели объекта 1 аналогично. Порядок построения слоев конусоидальной части геометрической модели объекта 1, начинающейся со слоя n = 51, показан на фиг. 3 на примере построения 51-го слоя. Для 51-го слоя геометрической модели объекта 1 N₅₁ = 409, Z_1,51 = 50,0024 мм.

После определения координат каждой "точки" приступают к непосредственному формированию слоев и объекта 1.

В сосуд 5 (см. фиг 4) с прозрачным дном 6, например, из силикатного стекла, на поверхность которого нанесен антиадгезионный слой 7, например, перфторированная жидкость марки РЖН с помощью дозатора наливают слой жидкого фотополимера 8. На поверхность фотополимера наливают слой инертной по отношению к фотополимеру и объекту жидкости 9, плотность которой ниже плотности фотополимера, например, воду. Подложку 10, на которой выращивают объект 1, опускают до касания с поверхностью антиадгезионного слоя 7. Далее одновременно осуществляют две операции: облучение жидкого фотополимера с помощью сканатора 11 лучом инициирующего излучения, например, излучением He-Ne лазера 12 и подъем подложки 10. Сканирование проводят следующим образом. При закрытой шторке 14, прерывающей инициирующее излучение, включают указанный источник излучения и облучающее средство 15. на пример, зеркало, задающее вертикальное направление отраженному лучу, перемещается сканатором 11 таким образом, чтобы отраженный луч инициирующего излучения попал в точку слоя жидкого фотополимера, соответствующую первой "точке" первого слоя объекта 1. Затем открывают шторку 14 и начинают перемещение облучающего средства по дуге окружности диаметром 100 мм до половины окружности, что соответствует X,Y координате "точки" i первого слоя математической модели объекта 1. Далее сканатор 10 перемещает облучающее средство 15 по прямой линии, проходящей через центр окружности до точки, где окружность должна закончиться. После этого шторку 14 закрывают и облучающее средство 15 позиционируют в X,Y координатах соответствующих "точке" j для продолжения облучения по дуге второй половины окружности. Шторку 14 открывают и возобновляют облучение со скоростью сканирования соответствующей участку первого слоя формируемого объекта 1. В то время, когда шторка 14 закрыта и облучения слоя жидкого фотополимера 8 не происходит, подъем подложки 10 и подачу в сосуд 5 жидкого фотополимера не производят. При изготовлении первого слоя объекта 1 из описанного жидкого фотополимера скорость сканирования изменяется по эмпирическому закону W_ск1,n = 2W_ск/(h_n + 1) где h_n - толщина слоя в "точке" n и, соответственно, скорость подъема подложки меняется по следующей формуле W_n = 2W_ск1/N_md(h_n +1). В результате реакции фотоотверждения формируется первый слой цилиндрической части полимерного объекта 1, который является основанием для последующих. Для обеспечения возможности подъема формируемого объекта 1 относительно сосуда 5 в подложке 10 закреплены проволочные элементы (на чертежах не показаны), выступающие за его нижнюю поверхность на толщину первого слоя. В процессе формирования слоя эти элементы заполимеризовываются в нем.

При изготовлении остальных слоев объекта 1 скорость сканирования луча задают 5,0 мм/с, подъем подложки при формировании цилиндрической части объекта осуществляют со скоростью 0,012 мм/с. Скорость подачи жидкого фотополимера в слой 8 задают 3,9 мл/с. Пространственные параметры сканирования инициирующего излучения при изготовлении остальных слоев цилиндрической части объекта 1 оставляют, как и для первого слоя.

Начиная с 51-го слоя, формируют конусоидальную часть объекта 1. При этом, начиная с первой "точки" 51-го слоя, облучающее устройство 15 перемещают сканатором 11 по спирали с шагом спирали 0,5 мм. В ходе изготовления конусоидальной части объекта скорость сканирования и скорость подачи жидкого фотополимера оставляют неизменной, а скорость подъема подложки 10 изменяют от слоя к слою и определяют в соответствии с формулой (2).

В описанном выше процессе формирования объекта 1 каждая "точка" слоя приполимеризовывается к ранее сформированной части объекта, образуя неразъемное соединение и единую структуру (см. фиг. 1). При необходимости объект после изготовления может быть дополнительно подвергнут процедуре доотверждения с использованием источников излучения или тепла.

В зависимости от механизма полимеризации жидкого фотополимера процесс изготовления объекта 1 может осуществляться на воздухе или с использованием инертной среды.

Съем изготовленного объекта 1 с подложки 10 осуществляется до или после процедуры доотверждения вместе с заполимеризованными в первый слой проволочными элементами, выступающие части которых удаляют после съема объекта 1 любым известным способом.

Описанным способом возможно изготавливать объекты практически любых форм и размеров.

Пример конкретного исполнения устройства, предназначенного для изготовления трехмерного объекта 1, представляющего собой, например, макет фигуры цилиндра, переходящего в конус.

Устройство (см. фиг.4) состоит из блока 16, содержащего ЭВМ для формирования математической модели объекта 1, программного интерфейса 17 для автоматического управления технологической установкой, на которой непосредственно изготавливается объект 1. Технологическая установка включает в себя сосуд 5 с прозрачной для инициирующего излучения разделительной средой 6, на поверхность которой нанесен разделительный слой вещества 7, снижающего адгезию полимерного слоя формирующегося объекта 1 к материалу разделительной среды 6, слой инертной по отношению к фотополимеру и объекту среды 9, подложку 10, на которой выращивается объект 1, а также исполнительные элементы: привод 18, обеспечивающий вертикальное перемещение с переменной скоростью подложки 10, дозатор 13, выполненный, например, в виде насоса, с помощью которого поддерживается уровень жидкого фотополимера 8, залитого в сосуд 5. Источник излучения 12 с облучающим средством 15 в виде оптической системы, отражающей или фокусирующей инициирующее излучение, прерыватель инициирующего излучения 14, выполненный, например, в виде шторки и сканатор 11 пространственного перемещения облучающего средства 15 в координатах X,Y. Сканатор 11 может быть зеркальным, либо в виде каретки, перемещающей облучающее средство 15 или источник излучения 12 с облучающим средством 15 в координатах X,Y.

Вышеописанное устройство работает следующим образом. В блок 16, содержащий ЭВМ, вводят информацию об объекте 1 и формируют математическую геометрическую модель объекта. Формирование математической модели включает в себя создание в памяти ЭВМ числовых массивов и формул, описывающих криволинейную поверхность объекта 1. Указанную модель строят в том же масштабе, что и объект 1. Затем геометрическую математическую модель разбивают на неплоские, переходящие друг в друга слои толщиной h, основания которых состоят из конечного числа N_m, "точек" линейного размера L_T, который совпадает с диаметром луча, инициирующего отверждение жидкого фотополимера 8, при этом положение любой "точки" математической модели по координате Z описывают уравнением (1):

(1) Z_n,m = (m-1)h+hn_m/N_m,

где Z_n,m - координата Z "точки" n слоя m;

m - номер слоя; m = 1, 2, 3 и т.д.

h - толщина слоя;

n_m, - номер "точки" по последовательности построения слоя m.

N_m - сумма "точек" слоя m.

После этого для каждого слоя определяют траекторию движения луча в плоскости X, Y и скорость подъема подложки 10, которая связана со скоростью сканирования, толщиной слоя, площадью горизонтального сечения модели и диаметром луча, инициирующего отверждение жидкого фотополимера 8 по формуле (2):

(2) W_n = W_скh/N_md,

где W_n - скорость движения подложки (мм/сек);

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при отверждении слоя m>1;

h - толщина слоя;

N_m - сумма "точек" слоя m;

d - диаметр луча инициирующего отверждение фотополимера.

По результатам расчетов в блоке 16 подготавливают программу управления исполнительными элементами технологической установки приводом 18, сканатором 11, источником излучения 12, прерывателем излучения 14 и дозатором 13 жидкого фотополимера 8, которую передают в программный интерфейс 17 ЭВМ автоматического управления технологической установкой. Программный интерфейс 17 осуществляет интерпретацию и обработку программы управления и выдает скоординированные команды, регулирующие последовательность срабатывания исполнительных элементов технологической установки, непосредственно участвующих в изготовлении объекта 1 и управляющие режимами их работы. В соответствии с этими командами дозатор 13 подает в сосуд 5 заданный объем жидкого фотополимера 8 для создания на поверхности антиадгезионного слоя 7 разделительной среды 6 слоя жидкого фотополимера. После этого на поверхность фотополимера наливают слой жидкости 9 инертной по отношению к фотополимеру и объекту. Затем привод 18, обеспечивающий вертикальное движение подложки 10, опускает ее в слой жидкого фотополимера 8 до контакта с поверхностью антиадгезионного слоя 7. Включается источник излучения 12, сканатор 11 перемещает облучающее средство 15 таким образом, чтобы луч инициирующего излучения попал в заранее выбранную точку на границе между подложкой 10 и антиадгезионным слоем 7, причем эта точка является первой "точкой" первого слоя объекта 1. После этого одновременно открывается шторка 14, сканатор 11 начинает перемещение облучающего устройства 15 в плоскости X,Y и привод 18 осуществляет подъем подложки 10 с приполимеризовывающимся к ней слоем полимера. Скорость сканирования луча при формировании первого слоя непрерывно изменяется по закону (3):

(3) W_ск1,n = W_ск1,1 - (W_ск1,1 - W_ск)n₁/N₁,

где W_ск1,n - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя в "точке" n;

W_ск1,1 - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании 1-го слоя при n = 1;

W_ск - скорость сканирования луча инициирующего отверждение фотополимера (мм/сек) при формировании слоя m>1;

n₁ - номер "точки" по последовательности построения 1-го слоя;

N₁ - сумма "точек" 1-го слоя.

После формирования первого слоя скорость сканирования и скорость подачи жидкого фотополимера в сосуд 5 становится постоянной. Если X,Y координаты "точки" n отличаются от X,Y координат "точки" n-1 на величину, превышающую размер "точки" L_T при Z=const, то подложка 10 останавливается, шторка устройства 14 опускается, сканатор 11 переводит облучающее средство 15 в положение, соответствующее попаданию луча в точку слоя жидкого фотополимера с координатами X,Y "точки" n и процесс формирования объекта возобновляется.

Как видно из полученных результатов предлагаемым способом, который реализуется с помощью предлагаемого устройства, могут быть получены полимерные трехмерные объекты различной конфигурации, обладающие высоким качеством.

Литература.

1. Кодама. Метод автоматического изготовления трехмерных пластмассовых моделей из фотоотверждающегося полимера. Приборы для научных исследований.- 1981, 11, с. 178-182.

2. Kruth J. P. Material Increas Manufacturing by Rapid Prototiping Techniques. Annals of CIRP. -Vol. 40/2 p.603-614,1991.

3. Авторское свидетельство СССР N 1277058 A1, G 03 F 7/16, 1986.