Sistema de iluminación para su utilización en un aparato de estereolitografía.

Sistema de iluminación (30) que comprende:

- una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) (34),

teniendo cada LED, por lo menos, una primera superficie (36)de emisión de luz y una segunda superficie (37), siendo, por lo menos, una de las primera y segunda superficiessustancialmente plana;

-una pluralidad de vías de acceso eléctrico (56) conectadas de forma selectiva a los LED respectivos, de tal maneraque cada LED puede ser controlado individualmente; y

- una superficie de nivelación (46, 52),

en el que la superficie de nivelación es sustancialmente plana y en contacto de nivelación, por lo menos, con unasuperficie (37, 36) sustancialmente plana de cada LED, de tal manera que un conjunto bidimensional de LED seextiende en un plano paralelo a la superficie de nivelación,

caracterizado porque la superficie de nivelación (52) está dotada de un cuerpo de soporte (50), en el que unasuperficie del cuerpo de soporte (50) está dotada de ranuras definidas por medio de nervios intermedios (54), encuyas ranuras están, por lo menos parcialmente, encajadas las vías de acceso eléctrico (56), mientras que los LED(34) están dispuestos sobre los nervios intermedios (54) que proporcionan la superficie de nivelación (52).

Sistema de iluminación para su utilización en un aparato de estereolitografía La invención se refiere al sector de la estereolitografía y, más particularmente, a un sistema de iluminación para su utilización en un aparato de estereolitografía.

La estereolitografía, conocida asimismo como impresión en 3D, es una tecnología de fabricación rápida de prototipos para producir piezas con una precisión elevada. En una ejecución simple, la estereolitografía puede utilizar una cuba llena de resina líquida de un fotopolímero que se endurece con la luz y un láser UV controlado mediante ordenador para endurecer la resina, una capa cada vez. El proceso de construcción es esencialmente cíclico. Para cada capa que corresponde a una rodaja de la pieza a fabricar, el punto del haz láser traza la configuración de la sección transversal respectiva sobre la superficie de la resina líquida. La exposición a la luz láser endurece o solidifica la configuración trazada y la adhiere a la capa situada debajo. Una vez se ha endurecido una capa, la pieza en fabricación, que puede reposar sobre una plataforma elevadora sumergida en la cuba de resina de fotopolímero, puede ser bajada en el grosor de una única capa, de tal manera que su capa superior queda situada de nuevo justo debajo de la superficie de la resina, permitiendo la fabricación de la capa siguiente. La secuencia de etapas continúa hasta que se acaba la pieza.

En vez de un láser, el aparato de estereolitografía puede estar dotado de un sistema de iluminación que comprende conjuntos bidimensionales de LED y lentes, para proporcionar una iluminación selectiva de la resina de fotopolímero. El sistema de iluminación como un conjunto, puede estar dispuesto de manera que sea desplazable con respecto a la posición de la pieza a fabricar, mientras que los LED pueden estar conectados rígidamente entre sí y con las lentes. Las lentes pueden servir para representar imágenes de las superficies emisoras de luz de los LED sobre la superficie de la resina de fotopolímero. Preferentemente, cada LED está asociado con su propio punto imagen conjugado, de tal modo que un conjunto que comprenda un cierto número de LED puede producir muchos puntos imagen. Durante la producción, el sistema de iluminación puede ser desplazado realizando un escaneado con respecto a la cuba que contiene la resina de fotopolímero, mientras que los LED individuales pueden ser conectados y desconectados de forma selectiva, de modo que iluminen la superficie de la resina de acuerdo con la configuración en sección transversal de la capa a solidificar. Comparado con un láser, un sistema de iluminación basado en iluminación por LED es relativamente económico. Además, ofrece una precisión igualmente elevada con mayores velocidades de fabricación.

La fabricación de un sistema de iluminación fiable de una forma económica ha resultado ser problemática. El motivo principal de ello es que un sistema de iluminación capaz de iluminar una resina de fotopolímero con precisión elevada, de tal manera que permita reproducir incluso los detalles muy finos de la pieza a fabricar, debe ser capaz de producir puntos imagen suficientemente brillantes, con dimensiones bien definidas en posiciones bien definidas. El requisito de un brillo suficiente lleva a un sistema óptico con una gran apertura numérica, dado que una apertura numérica elevada permite que el sistema óptico recoja más luz de los LED. Sin embargo, una apertura numérica elevada puede estar acompañada por una elevada sensibilidad de las dimensiones del punto imagen a las posiciones exactas de los LED.

Es un objetivo de la presente invención dar a conocer un sistema de iluminación por LED que puede ser fabricado económicamente, cuyo diseño permite que sea utilizado en combinación con un sistema óptico que tenga una gran apertura numérica.

El documento U.S.A. A-2005/057641 da a conocer las características del preámbulo de la reivindicación 1.

A este fin, la invención da a conocer un sistema de iluminación adecuado para ser utilizado en un aparato de estereolitografía con las características de la reivindicación 1.

Para obtener la precisión deseada en la dirección z, los LED se ponen en contacto para su nivelación con una superficie de nivelación sustancialmente plana. El término “sustancialmente plano” se refiere a superficies que tienen una planitud superficial inferior a 10 µm aproximadamente, y preferentemente inferior a 5 µm. Dicho grado de planitud superficial se puede conseguir, por ejemplo, mediante pulido óptico. La superficie de nivelación puede estar dotada, por ejemplo, de un elemento portador mecánico o un cuerpo de soporte, o mediante un conjunto de una serie de lentes, tal como se describirá más adelante. Se debe tener en cuenta que una superficie de nivelación puede estar constituida por una serie de superficies de nivelación independientes que se extienden en el mismo plano. De este modo, el término superficie de nivelación no debe ser considerado que signifique necesariamente una superficie única y continua. Ver, por ejemplo la figura 2 y el comentario posterior de la misma.

Para obtener una precisión de posicionado suficiente en el plano x-y, es decir el plano del conjunto bidimensional de los LED, o para mejorar la precisión de posicionado de los mismos, el sistema de iluminación según la invención puede ser fabricado utilizando LED en forma de chips, pero sin empaquetar: los denominados chips desnudos. La idea subyacente está en relación con el hecho de que los LED corrientes montados en superficie están englobados en un paquete IC, cuyo paquete, cuando es manipulado por un robot de recogida y posicionado, sirve de referencia.

Dado que las dimensiones exteriores del paquete IC pueden superar en mucho la tolerancia de posicionado deseada de los LED envasados en su interior, puede ser imposible que el robot posicione los LED de montaje en superficie con la precisión deseada. No obstante, sin la presencia entorpecedora de un paquete IC, un robot de recogida y posicionado puede determinar la posición precisa de un chip desnudo, y posicionarlo convenientemente. Comparado, por ejemplo, con la utilización de un conjunto monolítico, la fragmentación en chips de la oblea permite una utilización muy eficiente del material de la misma y contribuye de este modo a un proceso de fabricación económico. La supresión del paquete IC significa asimismo disponer una barrera térmicamente aislante entre el propio LED y el cuerpo de soporte al que está acoplado térmicamente el LED. Por consiguiente, la temperatura de funcionamiento del LED puede ser más baja, lo cual es beneficioso para su vida útil y para el rendimiento luminoso.

Según un aspecto de la invención, la superficie de nivelación está dispuesta mediante un cuerpo de soporte sustancialmente rígido que comprende, por lo menos, una primera capa, cuya capa proporciona la superficie de nivelación, y cuya capa comprende un material que tiene una conductividad térmica, por lo menos, de 150 W/mK.

Es un hecho conocido que los LED presentan sensibilidad del rendimiento luminoso a la temperatura y, de hecho, se degradan permanentemente con una temperatura excesiva. Para favorecer la duración de un conjunto de LED, e igualmente importante: la homogeneidad de su rendimiento luminoso, se debe tener cuidado en asegurar que los LED no se calientan de forma excesiva y/o desigual. Con este fin, una superficie de nivelación a la que están acoplados térmicamente los LED, puede comprender preferentemente un material que tenga una gran conductividad térmica, por ejemplo > 150 W/mK, tal como cobre o aluminio. En algunas realizaciones, el cuerpo de soporte puede comprender una serie de capas. El cuerpo de soporte puede comprender, por ejemplo, una base de Invar recubierta con una capa de cobre relativamente delgada que proporciona la superficie de nivelación. La capa de cobre que posee una conductividad térmica > 150 W/mK, puede estar en contacto con las segundas superficies de los LED y permite que los LED evacuen su calor. La capa de cobre difunde el calor y lo transfiere a la base de Invar que tiene una conductividad térmica menor pero un coeficiente de dilatación térmica más favorable (es decir, menor) . La base de Invar limita los cambios en las posiciones relativas de los LED debidos a un calentamiento igual o desigual de la base por los LED. En general, cualquier capa base de este tipo tiene preferentemente un coeficiente lineal de dilatación térmica (es decir, el incremento fraccional de longitud por grado de cambio de temperatura) de 5.10-6/K o menor.

Como alternativa, o adicionalmente a la selección de materiales, un cuerpo de soporte sustancialmente rígido puede estar dispuesto con... [Seguir leyendo]

1. Sistema de iluminación (30) que comprende:

- una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) (34) , teniendo cada LED, por lo menos, una primera superficie (36) de emisión de luz y una segunda superficie (37) , siendo, por lo menos, una de las primera y segunda superficies sustancialmente plana; -una pluralidad de vías de acceso eléctrico (56) conectadas de forma selectiva a los LED respectivos, de tal manera que cada LED puede ser controlado individualmente; y

- una superficie de nivelación (46, 52) , en el que la superficie de nivelación es sustancialmente plana y en contacto de nivelación, por lo menos, con una superficie (37, 36) sustancialmente plana de cada LED, de tal manera que un conjunto bidimensional de LED se extiende en un plano paralelo a la superficie de nivelación, caracterizado porque la superficie de nivelación (52) está dotada de un cuerpo de soporte (50) , en el que una superficie del cuerpo de soporte (50) está dotada de ranuras definidas por medio de nervios intermedios (54) , en cuyas ranuras están, por lo menos parcialmente, encajadas las vías de acceso eléctrico (56) , mientras que los LED

(34) están dispuestos sobre los nervios intermedios (54) que proporcionan la superficie de nivelación (52) .

2. Sistema de iluminación, según la reivindicación 1, en el que la superficie de nivelación (46, 52) tiene una planitud superficial, por lo menos de 10 µm, más preferentemente, por lo menos de 5 µm.

3. Sistema de iluminación, según la reivindicación 1 ó 2, en el que los LED (34) son chips desnudos.

4. Sistema de iluminación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos una superficie sustancialmente plana de cada LED (34) está conectada a la superficie de nivelación (46, 52) por medio de un adhesivo.

5. Sistema de iluminación, según la reivindicación 4, en el que el adhesivo comprende separadores, comprendiendo dichos separadores esferas de cristal o de polistireno.

6. Sistema de iluminación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el cuerpo de soporte (50) comprende, por lo menos una primera capa, cuya capa proporciona la superficie de nivelación (52) , y cuya capa comprende un material que tiene una conductividad térmica, por lo menos de 150 W/mK.

7. Sistema de iluminación, según la reivindicación 6, en el que el cuerpo de soporte (50) comprende una segunda capa que comprende un material que tiene un coeficiente de dilatación térmica de 5.10-6 o menor.

8. Sistema de iluminación, según cualquiera de las reivindicaciones 6-7, en el que tanto los LED (34) como las vías de acceso eléctrico (56) están dispuestas en la superficie de nivelación, de tal modo que las vías de acceso eléctrico se extienden, por lo menos parcialmente, entre los LED, de tal modo que las vías de acceso eléctrico están dispuestas por medio de tecnología de película gruesa, por ejemplo, serigrafía.

9. Sistema de iluminación, según cualquiera de las reivindicaciones 1, 6 ó 7, en el que las vías de acceso eléctrico

(56) están dispuestas en forma de placa de circuito impreso.

10. Sistema de iluminación, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que los LED (34) son del tipo de chip desnudo, teniendo superficies (36) de emisión de luz sustancialmente planas y teniendo sus conexiones eléctricas en sus respectivas segundas superficies (37) , y en el que un plano lateral (46) de un conjunto (40) de la serie de lentes proporciona la superficie de nivelación (46) , de tal modo que las superficies (36) de emisión de luz de los LED están en contacto para su nivelación con el plano lateral del conjunto de la serie de lentes.

11. Sistema de iluminación, según la reivindicación 10, en el que las vías de acceso eléctrico (56) a las que están conectados los LED (34) en sus segundas superficies (37) están, por lo menos parcialmente, dispuestas en forma de placa de circuito impreso (50) .

12. Sistema de iluminación, según la reivindicación 10-11, en el que las lentes (44) del conjunto (40) de la serie de lentes están dispuestas coincidiendo con la disposición de los LED (34) , de tal modo que la superficie (36) de emisión de luz de cada LED está asociada principalmente con una lente (44) del conjunto (40) de la serie de lentes.

13. Aparato de estereolitografía (1) que comprende un sistema de iluminación (30) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.