專利名稱：三維物體表面涂層輻射固化最佳化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維(3D)物體表面涂層輻射固化的最佳化，具體地說，涉及三維物體表面涂層的紫外(UV)線固化。
背景技術(shù)：
當(dāng)今復(fù)雜三維物體表面涂層采用可調(diào)式UV燈或UV燈系統(tǒng)與反射器進(jìn)行UV固化的最佳化是一種復(fù)雜的過程，通常要用探索技術(shù)藉試差法來進(jìn)行。這類最佳化過程費(fèi)時(shí)且易出錯(cuò)誤。即使探索性最佳化能滿足固化的最低要求，但最佳化仍不能提供清楚的固化方法說明，不能為過程控制與靈敏度分析提供信息。結(jié)果當(dāng)今復(fù)雜三維物體表面涂層UV固化方法最佳化的現(xiàn)狀，是化費(fèi)了很大的努力而通常產(chǎn)生的是性能欠佳，浪費(fèi)了時(shí)間與精力，得到的是低質(zhì)量與不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。
三維物體表面涂層的最佳化的問題是已知的，在應(yīng)用中經(jīng)常遇到。人們對(duì)此一般性問題一些具體方面的部分解決方法進(jìn)行了深入討論。請(qǐng)參閱R.Stowe撰寫的“Practical Aspects of Irradiance and Dose and UV Curing”一書，RadTech 98，Chicago，April 19-22，1998，pp 640-645，Chicago，RadTechinternational North America，Northbrook，IL 1998，Schneider M.KleinW.& Schroder C.撰寫的書“Optimized positioning of UV Lamps for theTreatment 3D Workpiece”，“RadTech Europe 99”Nov.8-10，1999，BerlinRadtech Europe，Nyon，schwelz，1999，pp.711-716敘述了UV固化最佳化的努力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種方法，它提供了復(fù)雜三維物體表面涂層的輻射固化，較佳為UV固化最佳化的系統(tǒng)方法。本發(fā)明避免了前面所述現(xiàn)今技術(shù)特定最佳化方法所具有的缺陷與費(fèi)用。本發(fā)明不受光源、3D物體的尺寸與幾何形狀以及它們之間相互位置的限制。本發(fā)明方法具有更佳的時(shí)效性，同時(shí)能使幅射照與輻射化學(xué)最佳化，且很自然地能給出工藝生產(chǎn)設(shè)計(jì)與控制參數(shù)。本發(fā)明可以針對(duì)不同產(chǎn)品與用途使用，這些產(chǎn)品與用途要求處理復(fù)雜3D幾何形狀物體的表面涂層。
本發(fā)明輻射固化三維物體涂層的方法，包括(a)提供至少兩個(gè)被用來輻射固化涂層的光源的輻射輸出的模型；(b)提供表面對(duì)輻射固化至少一種響應(yīng)特性的模型；(c)根據(jù)輻射輸出模型選擇光源的輻射輸出；(d)確定在涂層固化期間光源的至少一個(gè)空間位置；(e)確定在涂層固化期間三維物體的至少一個(gè)空間位置；(f)基于確定的所述光源空間位置，模擬至少所述兩個(gè)光源的輻射輸出；(g)對(duì)應(yīng)于所模擬的輻射輸出與所確定的涂層固化期間三維物體的空間位置，決定預(yù)計(jì)的至少兩個(gè)光源投射在三維物體表面涂層上的輻射是否對(duì)于固化三維物體上的涂層合用；(h)如果所述的輻射輸出合用，將輻射輸出模型中用的光源數(shù)、在輻射輸出模型中所用的為光源確定的位置、選定的輻射輸出與為三維物體確定的位置加以儲(chǔ)存。如果所述輻射輸出不合適，改變方法中的至少一個(gè)參數(shù)，采用新的參數(shù)組合，重復(fù)上述步驟(c)-(h)。該至少一個(gè)參數(shù)可以要選用的新的光源數(shù)，再重復(fù)步驟(c)-(h)。該至少一個(gè)方法參數(shù)可以限定在表面涂層固化期間光源的運(yùn)動(dòng)，也可以限定在表面涂層固化期間所述三維物體的運(yùn)動(dòng)，再重復(fù)步驟(c)-(h)。具有在步驟(h)中儲(chǔ)存的光源數(shù)、輻射輸出強(qiáng)度、光源位置以及三維物體的位置的固化裝置可以制造出來，隨后用來固化在三維物體上的表面涂層。
附圖簡要說明

圖1所示為本發(fā)明方法的流程圖。
本發(fā)明最佳實(shí)施方式圖1所示為本發(fā)明方法的流程圖。本方法涉及模擬對(duì)復(fù)雜三維物體上表面涂層進(jìn)行輻射固化的方法，此方法優(yōu)選使用于地復(fù)雜3D物體上可UV激活的表面涂層進(jìn)行的UV固化。本發(fā)明所用的光源與涂層材料是熟知的，并不作為本發(fā)明的一部分。
本發(fā)明采用模擬固化過程中各步驟的數(shù)學(xué)模型，然后采用所述的數(shù)學(xué)模型對(duì)過程進(jìn)行模擬，決定以輻射劑量與輻射強(qiáng)度表示的輻射輸出，對(duì)三維物體上的表面涂層較好是，UV激活的表面涂層進(jìn)行固化。
開始時(shí)，方法10采用一個(gè)光源的光學(xué)輸出模型12與涂層特性模型14。所述的光源光學(xué)輸出12是就光源系統(tǒng)測(cè)得的一組幅射分光數(shù)據(jù)，用于過程的模擬。這類里的測(cè)量是采用市售輻射分光裝置進(jìn)行。這組數(shù)據(jù)由各個(gè)光源發(fā)出的光在空間各點(diǎn)處的光譜輻照度組成。例如，各個(gè)光源可以放置在空間某個(gè)固定點(diǎn)，測(cè)量儀器可以移動(dòng)到一個(gè)平面上的各個(gè)格點(diǎn)，該平面垂直于光源發(fā)射光的主方向，且離光源有一個(gè)固定距離。另外，在不同光源功率下還測(cè)得輻照度數(shù)據(jù)。當(dāng)模擬要求許多不同光源時(shí)，在模擬中使用各種UV光源的各自一組數(shù)據(jù)。涂層特性模型14采用的數(shù)據(jù)包括恰當(dāng)聚合、固化、處理、修飾、或其他處理三維物體上表面涂層所要求的光輻照度(w/m2)和輻射劑量(J/m2)的范圍(最大到最小)。這些數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)連同光源的光學(xué)輸出12用于模擬中。
修改光源參數(shù)的步驟16采用輸出與光源功率關(guān)系的數(shù)據(jù)，使得各光源的模擬輸出設(shè)定在或者是預(yù)置的起始功率，或者是在本發(fā)明下面敘述的方法所決定的功率。該數(shù)據(jù)用來為隨后建立各光源光學(xué)輸出模型選擇合適的光源輸入數(shù)據(jù)設(shè)置(或用來例如使用某種形式內(nèi)插法進(jìn)行預(yù)測(cè))，或使用光源數(shù)、光源類型，三維物體位置、取向、運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度等改變的結(jié)果來選擇光源的新的功率，然后利用這個(gè)功率選擇(或預(yù)測(cè))適當(dāng)?shù)墓庠摧斎霐?shù)據(jù)組。
修改光源參數(shù)的步驟16指出光源的位置并設(shè)定光源的運(yùn)動(dòng)，或者采用模擬中(例如開始模擬時(shí))一組預(yù)定的光源數(shù)、各光源的位置及各光源的運(yùn)動(dòng)，或者采用新的光源數(shù)與強(qiáng)度的結(jié)果。每個(gè)光源以“X”“Y”與“z”坐標(biāo)連同一組角度取向定位。在模擬空間的新的起始點(diǎn)，各光源所要求的運(yùn)動(dòng)被儲(chǔ)存起來，隨后被用來計(jì)算投射到3D物體上的輻射劑量與輻照度。光源定位與光源運(yùn)動(dòng)設(shè)定的步驟16模擬光源的物理布局與運(yùn)動(dòng)，模擬光源不得超過的物理邊界，模擬光源由于其他一些限制條件而不能放置的空間區(qū)域，并且考慮對(duì)每個(gè)光源的速度與加速的可能限制。
修改3D物體參數(shù)的步驟18是對(duì)應(yīng)于涂層特性14，基于3D器件被模型化成為模擬空間中的一組表面，對(duì)3D物體進(jìn)行定位并設(shè)定3D物體的運(yùn)動(dòng)。例如可以采用市售的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件程序形成一組表面。3D物體或者是預(yù)先定位(例如在模擬開始時(shí))且被賦予預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，或者以“X”、“Y”、“Z”與角度取向以類似于步驟16光源定位方式加以定位，且被賦予一個(gè)由在步驟16決定新的光源數(shù)和/或強(qiáng)度修正的前面任何最佳化結(jié)果所給出的新運(yùn)動(dòng)。
步驟20模擬使用光源的輸入光對(duì)3D器件進(jìn)行輻照，此時(shí)使用的輸入數(shù)據(jù)是步驟16的新光源位置和運(yùn)動(dòng)與步驟18的3D物體的位置和運(yùn)動(dòng)。在步驟20的模擬中，所有光源的集合輸出采用試圖建立所述光源的幾何光學(xué)與物理光學(xué)的模型的數(shù)學(xué)算式進(jìn)行擬合。例如可用的數(shù)學(xué)算式描繪從光源面上各點(diǎn)發(fā)射到空間各點(diǎn)的光線，其約束條件是光線傳播受物理光學(xué)定律控制。步驟20考慮的是在計(jì)算所述系統(tǒng)中許多光源集合輸出發(fā)射的輻照度場(chǎng)過程中各個(gè)光源的運(yùn)動(dòng)。
方法10從采用在步驟20光源輸出對(duì)3D物體的模擬輻照直到步驟22，在該步驟，判斷在步驟14建立的固化3D物體表面涂層的模型的輻射劑量與輻照度是否合用。在步驟22，采用光源的輸出數(shù)據(jù)組、定了位的光源、確定了的光源運(yùn)動(dòng)、定了位的3D物體、確定了的3D物體的運(yùn)動(dòng)，用于建立眾多光源集合光學(xué)輸出的模型的同一算式，現(xiàn)在就計(jì)算這些眾多光源投射到3D物體表面集合影響產(chǎn)生的光的最大輻照度與最小輻照度，計(jì)算中要考慮到部分或全部光源正在移動(dòng)，且所述3D物體也在移動(dòng)。如前所述，這個(gè)計(jì)算采用的是與原來確定該光源光學(xué)輸出12時(shí)所用的相同光學(xué)模型算式，不同的是，是計(jì)算投射到3D物體表面上每一點(diǎn)部分的光的輻射強(qiáng)度，因?yàn)楣庠磁c部分運(yùn)動(dòng)和位置的變化被計(jì)算。輻照度分布(作為時(shí)間的函數(shù))可以計(jì)算，最大輻照度與最小輻照度然后可以計(jì)算。就對(duì)于被模擬的光源光譜輸出有代表性的各個(gè)不同波長，進(jìn)行輻射強(qiáng)度的計(jì)算。
同時(shí)，也計(jì)算3D物體上各點(diǎn)和各波長處的總的輻射劑量(定義為輻照度對(duì)于輻照時(shí)間的積分)。
然后，在步驟22中，計(jì)算的輻射劑量與三維物體表面各點(diǎn)處最大與最小輻照度在各個(gè)波長與步驟14的涂層特性進(jìn)行比較。如果3D表面上有任何一點(diǎn)不能滿足涂層的要求，則步驟22就未完滿完成。反之，如果3D物體上所有點(diǎn)都滿足涂層的要求，則就從步驟22的判斷輻射劑量與輻照度，進(jìn)入到步驟24。在這一步驟中，光源數(shù)、光源強(qiáng)度、光源位置、3D物體位置以及光源與3D物體的運(yùn)動(dòng)被作為實(shí)際過程條件儲(chǔ)存起來，用來在實(shí)際操作中對(duì)三維物體表面涂層進(jìn)行固化。本方法從步驟24進(jìn)入到終點(diǎn)26。
如果輻射劑量與輻射強(qiáng)度在步驟22被判斷不合用，則本方法進(jìn)入步驟28。在步驟28中確定新的光源數(shù)、光源與3D物體的位置、取向、運(yùn)動(dòng)與強(qiáng)度。步驟28這些新的數(shù)據(jù)信息被用來修改步驟16和18中的數(shù)據(jù)，然后重復(fù)步驟20的模擬操作。
上述步驟16、18、20、22和28反復(fù)進(jìn)行直至在步驟22產(chǎn)生合用的輸出。
如上所述，反復(fù)過程完成以后，就真正完成最佳化的模擬操作，這時(shí)候模擬后的三維物體上各點(diǎn)被認(rèn)為適當(dāng)進(jìn)行了固化，然后就進(jìn)行實(shí)際的固化過程，此時(shí)使用模擬最佳化獲得的在步驟24儲(chǔ)存的一些參數(shù)來進(jìn)行光源布置、提供物體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，諸如機(jī)器人等，來進(jìn)行實(shí)際三維物體表面涂層的固化(來進(jìn)行優(yōu)選用UV固化24)。
雖然本發(fā)明已用它的一些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但應(yīng)該明白，在不偏離本發(fā)明所附的權(quán)利要求中所限定的精神與范圍條件下，可做出許多更改，只要所有這類更改是在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種輻射固化三維物體上涂層的方法。所述方法包括(a)提供至少兩個(gè)被用來輻射固化涂層的光源的輻射輸出的模型；(b)提供表面涂層對(duì)輻射固化的至少一種響應(yīng)特性的模型；(c)基于輻射輸出模型選擇光源的輻射輸出；(d)確定在涂層固化期間光源的至少一個(gè)空間位置；(e)確定在涂層固化期間三維物體的至少一個(gè)空間位置；(f)基于確定的所述光源空間位置，模擬至少所述兩個(gè)光源的輻射輸出；(g)對(duì)應(yīng)于所模擬的輻射輸出與所確定的涂層固化期間三維物體的空間位置。決定預(yù)計(jì)的至少兩個(gè)光源投射在三維物體表面涂層上的輻射對(duì)于固化三維物體上的涂層是否合用；以及(h)如果所述輻射輸出合用，將輻射輸出模型中使用的光源數(shù)、在輻射輸出模型中所用的為光源確定的位置、選定的輻射輸出與為三維物體確定的位置加以儲(chǔ)存。
2.如權(quán)利要求1的方法，包括如果所述輻射輸出不合用，則改變所述方法的至少一個(gè)參數(shù)，重復(fù)步驟(c)-(h)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于所改變的參數(shù)是新的光源數(shù)，隨后重復(fù)步驟(c)-(h)。
4.如權(quán)利要求1的方法，包括確定在表面涂層固化期間光源的運(yùn)動(dòng)；確定在表面涂層固化期間三維物體的運(yùn)動(dòng)；重復(fù)步驟(c)-(h)。
5.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于至少一個(gè)方法參數(shù)限定表面涂層固化期間光源的運(yùn)動(dòng)或限定表面涂層固化期間三維物體的運(yùn)動(dòng)；重復(fù)步驟(c)-(h)。
6.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于至少一個(gè)方法參數(shù)限定表面涂層固化期間光源的運(yùn)動(dòng)或限定表面涂層固化期間三維物體的運(yùn)動(dòng)；重復(fù)步驟(c)-(h)。
7.如權(quán)利要求4的方法，其特征在于至少一個(gè)方法參數(shù)限定表面涂層固化期間光源的運(yùn)動(dòng)或限定表面涂層固化期間三維物體的運(yùn)動(dòng)；重復(fù)步驟(c)-(h)。
8.如權(quán)利要求1的方法，包括制造固化裝置，所述裝置用的是在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
9.如權(quán)利要求2的方法，包括制造固化裝置，所述裝置存有在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置、和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
10.如權(quán)利要求3的方法，包括制造固化裝置，所述裝置使用在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
11.如權(quán)利要求4的方法，包括制造固化裝置，所述裝置使用在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
12.如權(quán)利要求5的方法，包括制造固化裝置，所述裝置使用在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
13.如權(quán)利要求6的方法，包括制造固化裝置，所述裝置使用在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
14.如權(quán)利要求7的方法，包括制造固化裝置，所述裝置使用在步驟(h)儲(chǔ)存的光源數(shù)、光源輻射強(qiáng)度、光源位置和三維物體位置；隨后固化三維物體上的表面涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輻射固化三維物體上涂層的方法。所述方法包括(a)提供至少兩個(gè)被用來輻射固化涂層的光源的輻射輸出模型(12)；(b)提供表面涂層對(duì)輻射固化至少一種響應(yīng)特性的模型(14)；(c)根據(jù)輻射輸出模型選擇光源的輻射輸出(16)；(d)確定在涂層固化期間光源的至少一個(gè)空間位置(18)；(e)確定在涂層固化期間三維物體的至少一個(gè)空間位置(18)；(f)基于確定的所述光源空間位置模擬至少所述兩個(gè)光源的輻射輸出(20)；(g)對(duì)應(yīng)于所模擬的輻射輸出與所確定的涂層固化期間三維物體的空間位置，決定(22)預(yù)計(jì)的至少兩個(gè)光源投射在三維物體表面涂層上的輻射對(duì)于固化三維物體上的涂層是否合用；(h)如果所述的輻射輸出合用(24)，將輻射輸出模型中所用的光源數(shù)、在輻射輸出模型中所用的為光源確定位置、選定的輻射輸出與為三維物體確定的位置加以儲(chǔ)存。
文檔編號(hào)C08F2/46GK1845796SQ03810695
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月12日
發(fā)明者J·K·岡三 申請(qǐng)人:熔融Uv體系股份有限公司