CN101326046A - 建造三维产品的设备以及建造三维产品的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，该设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末(2)的存储器以及粉末喷洒系统(16)；打印系统(26)，用于输送液体；建造室(10)，包括外壁、内壁和可沿建造室的内壁移动的建造平台；和粉末回收系统；其中建造室包括由内壁和外壁之间的上部限定的空间，这个空间与粉末回收系统相通和/或建造平台其能够将未使用的粉末直接从建造室向下(直接)释放到粉末回收系统。本发明还提供一种利用所述设备建造三维产品的方法。

Description

建造三维产品的设备以及建造三维产品的方法
技术领域
本发明涉及一种以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，以及利用所述设备建造这种产品的方法。
背景技术
目前逐渐要求利用工程CAD(计算机辅助设计)数据制造高强度、技术上有用的三维产品。
已经提出了很多种技术，大多数生产的是易破损并且短期或中间使用的产品。
在US4575330中，描述了一种液态和软膏状感光性树脂的激光寻址方法。虽然所述方法非常成功，但是这种技术要求实验室标准的后期处理以及成熟的操作，结果生成艺术型的光滑表面，但是一定程度限制了对产品的直接使用。
另一种技术是挤压沉积(extrusion deposition)，例如在US6869559中所描述的，在最终的产品中获得非常良好的性能，例如热塑性能。然而，这个过程很慢，并且要求湿处理来取走支撑结构。
在US5136515中，描述了采用可固化流体的直接喷射系统。虽然具有快速处理系统，但是所有的都要求后处理程序以及取走/处理支撑结构。
在US4938816中，描述了一种基于粉末的系统，其中利用高能CO2激光来烧结粉末。对这种基于粉末的系统十分感兴趣，因为当形成三维产品时系统可自我支撑。虽然激光烧结可生产出接近真实的热塑性塑料的高强度产品，这个过程很慢并且所产生的表面质量很粗糙。
另一种基于粉末的系统采用粘合剂喷射技术，大部分是基于含水的喷射材料，并且已经在US5204055中加以描述。这种系统更快，但是生产出易破损的模型，要求做进一步渗透处理来实现高强度。
在WO02/064354中，描述了一种三维结构打印方法，其中粉末材料的连续层涂敷在彼此上，借此各个粉末层包含了活泼(reactive)或活性(active)成份，这种成份对接触产生反应，以便按所要求的方式形成固体薄板，重复进行一直到形成所期望的固体产品。
用于建造三维产品的很多方法通常都在这种设备中实施，所述设备包括：粉末喷洒系统、用于输送粘合剂材料的打印系统、用于形成所期望产品的建造室、和粉末清除系统，由此使来自粉末喷洒系统的多余粉末经由设置在粉末喷洒系统和建造室一端的开口缝隙进入到粉末回收系统。这种设备例如已经在US2001/0045678A1或WO03016067A2中描述。
一旦制造完成，成形的三维产品必须从粉末层取走。这是非常艰难的过程，必须非常小心使得在移动同时不破坏该三维产品。下文的现有技术描述了几种方式：
US2004/084814描述了用于包含粉末的3D打印机的复杂的粉末清除系统，其中利用压力气体的抽空和导入系统来将形成的物体从粉末层取走。
US2002/0090410描述了另一种采用工艺处理室的复杂的粉末清除系统，工艺处理室内设有空气的吹气入口和抽吸出口。
US2001/0045678中描述了粉末清除段，其中粉末层内的成形产品被移动导粉末清除段。WO2005/025780描述了位于激光烧结(SLS)类型机器内的粉末清除装置，再次示出了粉末抽吸区域以及冷却段。优选的，冷却装置不包含在本发明内。
然而，由于三维产品的制造和取出的过程中，多余粉末使得粉末喷洒系统变得非常凌乱，使生产过程复杂化，所以就为这种机器设计留下了很多改进的空间。另外，还有很多不能重新使用的废弃材料。而且，当采用可完全固化的流体树脂时，为了防止树脂配发装置(例如喷墨打印头)受到污染，就需要控制机构。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种建造三维产品的设备，这种设备相对简单，并且同时实现了干净的生产过程，由此可以以高效的方式重新使用未使用的粉末材料。在将可完全固化的流体输送到粉末层、以结合到/结合于粉末形成的高性能精确分层的物体时，这种设备特别有用。
现在已经发现，当采用建造室时已经实现了上述目的，所述建造室相当大的部分与粉末回收系统接触，特别是粉末回收系统被围绕建造室的表面所覆盖，这种表面是过滤器或者滤网，剩余的粉末穿过所述表面很容易的被推送到粉末回收装置内。而且该表面具有便于使用者加工的形状，例如从成形的三维产品上去除更多的粉末。优选的，这种设备不需要复杂的通过通向回收系统的入口和抽吸端口进行吸气的系统，所述回收系统包含抽吸或真空清除未使用的粉末的步骤，这具有诱使机器内部发生紊乱的风险。优选的，主要通过重力来回收未使用的粉末。建造在建造室的侧壁上包含开口的设备很容易堵塞，并且需要复杂的真空系统来排空未使用的粉末。因此，优选仅在建造室的上部和底部包含与粉末回收系统相通的开口。这实现了通过重力非常容易并平缓的回收未使用的粉末。优选建造室设置在粉末回收系统内。
因此本发明提供一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，该设备包括：
粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；
打印系统，用于输送液体；
建造室，包括上部、底部、内壁和位于底部结构上的建造平台，所述建造平台可沿建造室的内壁移动；和
粉末回收系统；
其中：建造室的建造平台设有可开启的(即可以打开)、可折叠或可取走的部件，其能够将未使用的粉末直接从建造室向下释放到粉末回收系统，和
建造室包括外壁，建造室上部的位于内壁和外壁之间的空间包括与粉末回收系统相通的开口。
本发明还提供一种设备，其中将建造室封装到粉末回收系统内。
优选的，内壁、外壁上部的之间大于25％的空间与粉末回收系统相通。优选，所述空间的至少50％、更优选为至少75％与粉末回收系统相通。
接着，在层式制造以及接下来从三维产品上去除粉末的过程中，相当大的部分与粉末回收系统接触。优选，所述空间和粉末回收系统之间的连通是直接的。
在说明书的其余部分，设置在内壁上部和外壁上部之间的空间也被称为“建造室的建造外壁的上部”或者甚至称为“建造的外壁”。
本发明还提供了一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，该设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；用于输送液体的打印系统；建造室，包括外壁、内壁和可沿建造室的内壁移动的建造平台；和粉末回收系统；其中建造室包括通过建造室的内壁和外壁之间的上部限定的空间，该空间与粉末回收系统相通，和/或建造平台能够将未使用的粉末(直接)从建造室向下释放到粉末回收系统。本发明进一步提供了利用所述设备建造三维产品的方法。
本发明还涉及一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，所述设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；所述粉末喷洒系统优选包括滚轮或者用于散布并压实粉末的喷洒压实器(也定义为粉末再涂器)；用于输送液态的打印系统；在其内部建造产品的建造室，所述建造室包括：外壁、内壁和可沿建造室的内壁移动的建造平台；和粉末回收系统；其中建造平台能够将未使用的粉末从建造室向下释放到粉末回收系统。
本发明还涉及一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，所述设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；用于输送液体的打印系统；在其内部建造产品的建造室，所述建造室包括：外壁、内壁和可沿建造室的内壁移动的建造平台；和粉末回收系统；其中多于25％的“建造室的建造外壁的上部”与粉末回收系统相通。
另外，本发明还涉及一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，所述设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；用于输送液体的打印系统；在其内部建造产品的建造室，所述建造室包括：外壁、内壁和可沿建造室的内壁移动的建造平台；和粉末回收系统；其中多于25％的建造室的外壁与粉末回收系统相通；并且其中建造平台能够将未使用的粉末向下释放到粉末回收系统内。
在另一个实施例中，本发明涉及一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，所述设备包括：粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；用于输送液体的打印系统；建造室，其中粉末喷洒系统优选包括滚轮涂抹器/压实器，滚轮涂抹器/压实器实施涂抹功能的一端通过例如活动的、优选成形的刮具或刷子或真空装置进行清洗，由此不再需要直接来自建造站表面的溢出流。在这种情况下，再涂器直接在坚固的表面而不是在粉末回收槽内上运行。为了避免树脂输送机构被再涂器喷出的多于粉末污染，该方法特别重要。
在上述实施例中，建造室优选设有环绕区域，优选位于与建造室顶部表面在同一高度的位置，其包括滤网或者过滤器表面，由此将任意/所有的粉末溢出流安全并干净的擦拭到粉末回收装置内。
优选所述建造室能够直接将未使用的粉末沿简单向下的方向释放到粉末回收系统内。这意味着未使用的粉末可从建造平台上释放，同时建造平台保持在建造室内部。换句话说，在未使用的粉末从建造平台上释放之前，建造平台不需要从建造室取走。
本发明设备的使用有利于改进三维产品建造的生产过程。而且，提供了一种制造三维产品的相当简单的设备，由此不再需要支撑装置，未使用的粉末可以充分循环。
在本发明的上下文中，未使用的粉末被定义为不包含在建造完成的产品内的粉末，即可包括新的粉末以及循环的粉末。
在根据本发明的不同实施例中，多于25％的建造室的外壁与粉末回收系统相通。这意味着未使用的粉末可很容易的从建造平台取走并进入粉末回收系统内。优选，至少50％的建造室外壁与粉末回收系统相通。更优选，至少75％的建造室外壁与粉末回收系统相通。
适当的，多于25％、优选至少50％、以及最优选75％的建造室外壁与粉末回收系统直接相通，这意味着未使用的粉末材料可直接从建造室进入粉末回收系统。
在建造室内，多个产品可同时形成，所述产品可在形状和/或组成上有所不同。
本设备的优点在于粉末回收系统的相当大的部分与建造室直接相通，由此一旦产品制造完成并从建造平台取走时产生用于清洁产品的足够的空间。为了清洁目的，所述空间可包含用于激发或者移动产品以便移除任何多于粉末的机械装置。
该建造平台适当的具有正方形、矩形、圆形或椭圆形的形状。
根据本发明的设备的打印系统适当的包括一个或多个喷嘴。
优选，打印系统包括多个喷嘴。更优选，喷嘴形成喷墨打印机或者包含一套与喷墨打印头基本等同的喷嘴的装置的一部分。优选，喷嘴按照压电喷墨技术原理运行。优选，打印系统包括两个或多个打印头。根据本发明使用的喷墨打印头的适当的示例包括那些可购买的产品，例如Xaar(Leopard，XJ-系列，Omnidot-系列)和Spectra/Dimatix(Nova、Galaxy、SL-系列、M等级)和Trident(Pixeljet，UltraJet)。
优选，喷嘴开口的尺寸在10到100μm之间，和/或所喷墨滴的尺寸在5到100μm之间，虽然喷嘴开口可小于1μm，甚至小到几个毫微米，由此允许喷射相应尺寸的墨滴。
本发明设备的粉末输送系统包括一个或多个用于输送粉末的存储器。优选，粉末输送系统包括多个用于输送粉末的存储器。
可以理解，不同类型的粉末材料可用在各个层内。因此，各个存储器每一个都包含不同类型的粉末材料。优选，各个存储器包含相同类型的粉末材料。
建造室的建造平台适当的包括设有开口的上部结构和可打开或取走以便通过上部结构的开口释放未使用粉末的底部结构。优选的，上部结构包括网盘、格板、格栅或者百叶式结构。
建造平台的底部结构适当的包括可开启、可折叠或者可取走的部件。可折叠部件适当的包括挡板。优选，底部结构包括可开启的部件，例如通过围绕它们的转动轴打开的部件。优选，可开启、可折叠或者可取走的部件可以发生振荡以便进一步帮助将粉末从成形物体上移除或分离。
建造平台可适当连接到环绕表面上，环绕表面覆盖并保护设备的其余部分，粉末可渗透这种表面。环绕表面实现了很容易的获取来自建造室的溢出粉末，通过过滤/擦刷将溢出粉末导引到设备的下部。建造平台可连接到用于机械激发或者移动平台的装置上，由此实现了将多余未使用的粉末从建成的产品上移除。
根据本发明的设备可适当的包括用于使建造产品固化的装置。优选，这种用于固化产品的装置是基于电磁辐射的系统。
适当的，基于电磁辐射的系统包括UV灯、或者可视或红外线辐射装置、或者微波装置。优选UV源是UV光线发射装置阵列(LED)，例如可从Phoseon Inc购买的产品，如RX10或者RX20。
优选，所涂敷树脂、或者粉末、或者涂敷的树脂-粉末的组合适于对这种固化装置的射线以可以实现快速固化(优选每一层小于10秒)的方式发生反应。
优选，用于固化建造产品的装置固定到粉末喷洒系统上。更优选用于固化的装置、用于粉末喷洒的装置以及用于涂敷可完全固化树脂的装置整体集成在承载架内，由此大大简化设计。
本发明设备的粉末回收系统适当的包括用于输送未使用粉末的管道和用于穿过管道移动未使用粉末的粉末承载螺纹孔，或者它包括用于输送未使用粉末的管道和用于穿过管道移动未使用粉末的真空泵。在另一个实施例中，粉末回收系统包括用于移动未使用粉末的输送带。
在本发明非常有吸引力的实施例中，设备装配有用于容纳打印头净化流体的容器。一旦出现在容器内，流体可固化并且接下来很容易处理，例如由于环境因素这种装置非常有吸引力。优选，这种容器是透明的，可采用基于电磁辐射的系统来实施流体的固化。还具有将喷射流体转化为可安全处理固体的其它激发方法，例如通过一些化学或热学手段。
粉末回收系统适当的包括用于过滤或筛分未使用粉末的过滤器或滤网。
优选，打印系统和粉末喷洒系统连接到相同的导引装置上。除了较低的硬件成本外，实现了平行功能，即增大建造速度和由于两者精确线性度产生的较高精度。
本发明还涉及一种根据产品模型以连续横截面层的方式建造三维产品的方法或工艺，所述方法包括步骤：
-限定粉末材料层；
-以与模型的各个横截面层相对应的方式向限定的粉末材料层涂敷液态试剂；
-重复这些步骤以形成连续层，以便获得三维产品；
-选择性的固化所获得的三维产品；和
-复原(固化的)三维产品；
其中该方法采用根据本发明的设备。
通过本发明方法形成的产品可直接输送为可手持的产品。
这种产品具有不同颜色、机械、光学和电学及其它性能，例如硬度、刚性、透明度和导电性、包含DNA特性的生物相容性、磁性等。
优选的，本发明的方法中粉末材料包括第一活性成份，液态试剂包括第二活性成份，第二活性成份能够或者与第一活性成份发生反应，或者促使第一活性成份自身发生反应。
当液态试剂与粉末结合时，液态试剂和粉末发生反应以形成固体结构。在树脂与粉末接触后立即进行固化，或者在暴露于电磁或超声波照射(例如UV固化步骤)后进行固化。
优选的，第二活性成份用作促进第一活性成份交叉结合的催化剂。优选的，粉末基本上包括第一活性成份。反应可以以粉末颗粒的膨胀和增粘形式进行，接着于液态试剂进行实际的化学反应。已经发现，由于活性粉末和液态试剂发生化学反应来形成新的化学成份，所以本发明的系统使得所形成的颗粒相对坚固。化学粘结也形成在各个层之间，由此不再依靠于现有技术系统中所依靠的机械联结。所生产的颗粒是无空隙的，并且粉末不会残留在结构内。一旦与液态试剂接触，粉末就经受快速分解。这就生成了粘稠的、几乎稳定的树脂，树脂在固化完成之前一直保持其形状。
优选的，液态试剂另外包括低粘度的稀释剂，优选为可固化的稀释剂。采用这种稀释剂使得液态试剂能够从小孔喷嘴中冲印，不再需要提高温度，由此实现了更高的分辨率。另外，它改良了液体到粉末体内的浸入，由此实现了反应物更为均匀的分布，同时还实现了粉末的快速聚合，由此提高了分辨率并进一步容许液态试剂与粉末的表面和内部稳定的发生反应。
所有粉末层可以是相同配方。然而，不同的粉末材料还可用于不同层，或者不同粉末材料可用在相同层内。
还可使用不同的液态试剂，或者在相同层的不同位置上，或者在不同层上。可利用经过粉末层上方的线性喷嘴阵列来涂敷液态试剂。由此，或者在相同的粉末层上方或者在随后的层上方，将不同液体供应到不同喷嘴和/或在各自连续的道次(passes)中涂敷不同的液态试剂。由此，在特定层或不同的各个层内实现强度和柔性的不同特性。该方法包括通过照射固化颗粒的步骤。可以一个象素接一个象素、一行接一行、或一层接一层和/或在形成几层之后、和/或在形成所有的层之后照射颗粒。
所形成的层适当的具有最大为300μm的厚度，通常它们是至多200μm。可以实现降至80μm或50μm的薄层，并且甚至可实现具有厚度范围在1到30μm的更薄的层。粉末优选包括单独的粉末颗粒，颗粒大多数具有1到70μm之间的尺寸。更优选，粉末包括单独的粉末颗粒，大多数颗粒具有20到50μm之间的尺寸，进一步优选为20到40μm。粉末越细，所形成物体能实现的分辨率和精度就越精细。
这种粉末尺寸的组合还有助于实现不同特性。这种性质的例子包括粉末分解速度、最终的机械强度。
优选，粉末包括活性有机物或者有机金属聚合物、低聚体或者单体，并且液态试剂包括可固化的树脂。粉末还包含有机物或有机物过滤器、色素、毫微粒、染料和/或表面活性剂。
粉末可以是：热塑材料(例如聚乙烯醇缩乙醛)、表面处理粉末(例如处理过的聚丙烯、ABS或聚碳酸酯)、或者热硬化粉末(例如环氧粉末)。
粉末还可包括具有表面活性的处理过的填充料，例如环氧硅氧烷处理过的填充料，如二氧化硅。粉末还包括丙烯酸盐、环氧化的、胺化的、羟化有机物或者无机颗粒，可以这种形式呈现或者作为与聚合体的合成物。
适合的粉末的示例包括聚丙烯酸、聚乙烯(丙烯腈-丁二烯)、聚乙烯(丙烯胺)、带有功能性丙烯酸组合的聚丙烯酸树脂、聚丁二烯、环氧功能化丁二烯、聚乙烯(丙烯酸缩水甘油基(甲基苯丙胺))、聚四呋氢喃、聚己酸内酯二醇、HEMA、HEA、顺酐类聚合物，例如：苯乙烯-顺丁烯二酸酐、聚乙烯丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯(4-乙烯基苯酚)、这些化合物的共聚物/混合物，并且这些化合物中任意一个都以覆盖合适的环氧、乙烯醚、丙烯酸盐/异丁烯酸盐、羟基、胺或者乙烯基团而终止。
液态试剂可包括能够经受浓缩反应的化合物，浓缩反应通过热硬化反应(例如环氧/胺或者异氰酸盐/多羟基化合物/胺)或者通过电磁触发的阳离子系统(例如)来触发，其中阳离子系统例如为：环氧正离子光敏引发剂(锍、碘或者芳茂铁)、盐或者完全固化的系统，例如丙烯酸盐、氨基甲酸酯丙烯酸树脂、环氧-丙烯酸盐、正基光敏引发剂、苯甲酮、非黄变型光引发剂、烷基硼酸碘盐。
液态试剂适当的是环氧、丙烯酸、异氰酸盐、环氧-丙烯酸盐、氨基或者基于羟基的化合物。所述液态试剂可以是纯液体、稀释剂体或者水中的乳状液。合适的液态试剂的示例包括一个或多个选择性的带有二醇/三元醇/多羟基化合物moieties、环氧缩水甘油基、环氧化的聚丁二烯、脂肪族/芬芳胺、异丁烯酸盐、丙烯酸盐、苯乙烯/取代苯乙烯、丙烯腈、乙烯醚、烯烃(例如橡胶基质)环氧丙烷、有机酸或有机酯、卤化有机酸、丙烯醚环氧化物、硅氧烷环氧化物或氧杂环丁烷、烯丙基诺卜醇醚环氧化物和脂环族环氧醇的脂环族环氧化物。这些化合物可以是单一或者多功能的。
液态试剂包含陶瓷胶状的或极小的颗粒、有机微或极小颗粒、微小或极小金属以及它们的合金。液态试剂在室温下粘度适于在2到超过500mPas之间，并且在高的操作温度下具有低很多的粘度。优选，在喷射温度时液态试剂的粘度2到30mPas之间。低熔点金属合金可例如通过喷射直接输送到粉末之上/之内，由此生成与液态可固化试剂连续或co-juxta定位的金属网。
液态试剂可打印或微量喷射到粉末上。两种或多种液态试剂可从相邻打印头同时打印或喷射，由此液态试剂或者在空中混合，或者在活性粉末的表面上/四周混合。
优选，稀释剂体积占据液体总体体积的30％到60％，更优选占30％到40％。优选，第一活性成分重量占据总体重量的30％到80％，更优选占据50％到70％。
该方法使其自身非常方便的生产来自计算机控制的数字图像，特别适合用于CAD系统。因此，模型优选为数字模型。由此为了生产三维产品，可利用CAD软件设计产品，数字信息可转换为一系列数字形式的薄片，薄片的数字图像用于控制将液体依次输送到粉末的连续层上。这种技术可用于快速凸版照相以及甚至更小规模的快速生产。
所生产的物体可用作实际技术上的功能部件或者用于提供实际生产之前CAD文件的检验。这种技术还适于用作串联式生产的电学领域分层的密封材料，并用于形成缩微印刷的电子装置和光学装置。这项技术在形成具有偏光或波导效果的多层结构的薄膜时也很有用。
应当理解的是，可以以具有复杂形状的层状块体或个体的形式建造三维产品。通过在形成的过程中沿着层改变包括层厚度的多种特性，可选择在微小级别上进行，就有可能在完成的产品中渗透至少一种功能。这种功能可呈多种形式，示例包括电路和光学构件。在电路的例子中，本发明的技术提供了生产极小尺寸的复杂电路的方法。预制的电路可嵌入层内。在光学构件的例子中，本发明实现了构件的光学特性一层接一层并沿着层改变，并且每层的厚度可变化，由此能够生产复杂的光学多层膜。还可能将构件建造到基片上，基片就作为最后完成产品的一部分而保留。这种基片可以是玻璃或者塑料片，其例如可形成光学构件的一部分。
优选，在粉末回收系统中施加负压。由此，可以减小或避免打印头的粉末污染。
根据本发明的方法能够形成具有改良机械性能和颜色模式的产品。根据本发明所获得的产品具有高强度、平滑的表面质量，制造后很短的时间就可以使用，不会产生废料，实现了未使用粉末材料的高效的重新使用。
采用在WO02/064354A1实施例11中描述的粉末Mowital B60T(通过冰冷地面产生45微米的更细的颗粒分布)以及可完全固化的可喷射树脂，狗骨状部件由30层粉末制成，每层100μm。利用SpectraNovajet，在将可完全固化的树脂恰当设计涂敷成粉末层之后，利用UVLED阵列、设置在粉末层表面上方5mm的Phoseon RX10(5秒)固化所生成的粉末树脂合成物。利用新的粉末对上述层进行再次涂敷，利用适当设计量的喷射橡胶进行涂敷并且利用UV LED装置固化。这个顺序重复进行，以生成由30层制成的狗骨。在制造完成后，立刻将成形物体没有损坏的从粉末层取走(优选小于30秒，更优选小于10秒)。通过该过程实现高的拉伸强度(＞25MPa)。杨氏模量估测为1.43MPa，其可以与很多工程聚合体相比较。
根据本发明的方法或设备使得不需要进一步的处理就可获得工程聚合体。
优选，建造室利用子框架连接到打印承载架，子框架优选利用抑制向子框架的振动传递的装置连接到机器框架上。
优选，打印头在建造室内部的宽度上延伸，即位于建造室内壁之间的空间。
适当的，粉末喷洒系统采用单独的扫描装置，扫描装置包括位于逆向转动的滚轮后的计量装置，其中计量装置容纳来自固定粉末箱体的(粉末漏斗)特定量的粉末。为了防止粉末污染喷射打印头，粉末箱体可远离打印系统。
打印系统适当的从粉末喷洒器的相对方向扫描粉末层，并且包括精确液滴生成系统，例如位于要求的喷墨打印头或连续打印头上的液滴。优选，打印系统包括多于一个打印头，更优选多于两个打印头。当不扫描时，打印头可停放在不受固化机构(例如分散的电磁或超声辐射影响)的装置内。当堵塞时，可按照需求在停放的装置内清洗/净化打印头。打印系统的箱体装置远离粉末箱体装置进行适当的设置。
用于提供电磁辐射(辐射装置)的装置可适当的设置在粉末层上方，具有用于操作粉末喷洒器和液体试剂配发器的间隙。
建造室的建造平台设有底部结构，可打开底部结构以方便穿过网盘、格板、格栅或百叶式结构来取走未使用的粉末。建造平台的振动可用于取走更多的未使用的粉末材料。在取走未使用的粉末后，建造平台可向上移动来输送完成的产品。
未使用的粉末可被转移到用于输送粉末材料的一个或多个存储器中。所述存储器通过药筒可重新装载新的粉末。
根据本发明建造的产品具有合适的大于20MPa的拉伸强度，优选大于30MPa，更优选大于40MPa。产品还呈现出良好的表面质量。优选，它们具有表面平滑特性，例如小于50μm的表面差异，优选小于10μm，更优选小于1或2μm。表面粗糙度的测量在10mm长的样品上进行，将产品表面放大2000倍来确定表面的平滑度。表面粗糙度的最大高度和最小高度之间的差异标注为微米(微波)。微波优选小于1μm。
附图说明
图1是设备的侧视图；
图2是设备的顶视图；
图3a是承载架(carriage)侧视图(扫描打印头)；
图3b是承载架顶视图(扫描打印头)；
图3c是承载架侧视图(固定打印头条码)；
图3d是承载架顶视图(固定打印头条码)；
图4是框架-子框架；
图5是设备变形的剖视图；
图6是设备变形的三维剖视图。
图1到4中附图标记注释：
标记  说明
1     建造室
2     粉末存储器
3     粉末定量加料器
4     网盘(粗过滤网，将粉末从部件分离)
5     百叶式结构
6     承载架
7     细过滤网(将粉末与污染物分离以便再次使用)
8     建造室内壁
9     建造室外壁
10    建造平台
11    建造平台密封
12    未使用的粉末流
13    带有过滤器的通气孔
14    振动阻尼
15    粉末定量加料器存储容器
16    粉末喷洒滚轮
17    产品检测区域
18    三维产品
19    粉末补充斜道
20    框架
21    子框架
22    盖体
23    打印头支座
24    粉末喷洒器清洁器
25    UV灯
26    打印头
27    粘合剂存储器
28    打印头清洁器
29     电子控制箱
30     打印头存储器
31     粉末高度传感器
32     粉末输送螺纹孔
具体实施方式
在图1和2中，粉末输送系统包括：用于输送粉末材料2的存储器；通向过滤网7的粉末输送系统32，过滤网通到粉末定量加料器3；喷洒系统，其包括用于将粉末涂敷到建造室1的滚轮16。建造室1包括内壁8和外壁9、建造平台10，建造平台例如通过活塞可沿建造室的内壁移动。建造平台由包括格栅的上部和包括可折叠挡板的下部构成。
该设备还包括连接到打印头存储器30的粘合剂存储器27，用于输送通过打印头26涂敷于各个粉末层上的液态试剂。在建造室1的内壁和外壁的上部之间构成的空间的至少75％包括与粉末回收系统直接接触，由此经过建造室1的上部(顶部)边界，未使用(溢出的)的粉末循环到粉末喷洒系统。粉末回收系统被围绕建造室的多孔盖体覆盖，由此在重新涂敷过程中可以很容易获取溢出的粉末。该设备还设有用于使建造的产品固化的装置25。
图3a和3b显示了装备有扫描打印头的承载架。
图3c和3d显示了带有固定打印头条码的承载架。
对图4的解释：在三维产品的生产过程中，从机器框架传递到建造室的振动扰乱建造室内的粉末层。同样移动打印头产生的振动将会导致建造室迅速加速。为了抑制这种类型的振动以及机器外部所可能带来的影响，利用刚性子框架将建造室连接到打印承载架。子框架通过柔性橡胶元件连接到机器框架，柔性橡胶元件抑制向子框架的振动传递。同样，打印头所产生的振动也通过子框架加以抑制。所有的电子设备、粘合剂供给以及盖体都安装在机器框架上。带有打印头、UV灯、粉末定量加料器、粉末循环系统以及建造室的承载架安装在子框架上。
图5和6显示了根据本发明建造的具有与图1和2不同设计的设备。所使用的附图标记与图1到4中的不同。
图5显示了根据本发明的设备的横剖面示意图。在图5中，粉末输送系统包括：用于输送粉末材料1的存储器和粉末喷洒系统2，粉末喷洒系统包括用于将粉末涂敷到建造室3的滚轮。建造室3包括壁4和建造平台5，建造平台通过活塞6可沿着建造室的内壁移动。建造平台由包括格栅的上(顶)部7和包括可折叠挡板的下部8构成。该设备还包括用于输送液态试剂的存储器9，通过打印头10向各个粉末层涂敷液态试剂。通过确保未使用(溢出)的粉末返回到粉末喷洒系统2的建造室3的上(顶)边界，建造室3外壁的至少75％与粉末回收系统11直接接触。该设备还设有用于固化所建造产品的装置12。在图6中，显示了图1中设备的三维横剖视图。
从这些视图中可以清晰的看到，本发明可提供能够实现未使用粉末材料的高效回收的简单设备。
而且，当使用本发明的设备时，可有效实现造完既可使用的快速制造产品的生产。
实际中，本发明的方法可以例如按照下述方式实施：
计算机系统所准备的包含多个分层(以bitmap/tiff或者其它格式)的打印工作被载入机器的软件系统。这可包含由计算机准备的多个分层(以bitmap/tiff或者其它格式)。所用软件的输入可以是3D几何CAD文件。计算机系统可从3D CAD文件输入作为STL文件(可采用ASCII和二进制模型)的3D无颜色的几何数据。接着软件以特定的缓冲目录输出一系列2D位图，由此可打印在3D彩色打印机上的每一层都对应于缓冲区中独立位图。位图可以以至少16节(65536色)的颜色信息存储RGB，它们可具有最小300DPI的分辨率。可以在z方向上分割3D颜色模型。机器软件(打印机驱动器)以子图形式剥离每张图像，并且可设置为系统准备的子图。系统能够堆叠包含位图的一个工作-文件内的多个部分。每个位图可包括一个分层，可输入机器内。
接下来，将准备粉末层。可移动的水平建造平台将承载制造产品的粉末和液态试剂。可移动的建造室能够通过打开建造平台的挡板来释放为使用的粉末。通过这种方式，未使用的粉末被传送到粉末回收系统。所建造的产品在顶部被取出建造室。所使用的粉末通过粉末回收系统循环再利用。
在粉末层准备过程中，通过漏斗承载架将粉末喷洒在建造平台上，漏斗承载架包括用于使粉末层上的粉末喷洒最佳化的反转滚轮。将多余/过载粉末推向建造平台的边缘或侧部，进入多孔的周围介质，多孔介质将多余粉末过滤到粉末回收系统。本结构推动了未使用粉末的最高效回收。可以以手动或者自动方式将未使用的粉末输送到漏斗承载架。
在准备好计算机文件和粉末层后，液态试剂的打印操作开始。产品被分成具有预定厚度的一叠横截面(也称为打印分层)，其一个接一个的被送往打印头控制器。打印头驱动器将数字信息转化为打印机承载架的运动信息，并移动到第一行，并打印建成第一图像部分的所有子图像。接下来，打印头移动返回位于承载架上的“开始”位置，并循环，直到图像被完全打印。当完成时，打印承载架移动返回到其初始位置，沉积成最新的一层。打印操作可包括利用多个打印头打印，由此提供具有不同色彩的液态试剂(例如青色、洋红、黄和黑)或者固化时间不同的液态试剂。可通过单独的存储器向每个打印头提供液态试剂。
如果利用电磁射线来触发固化反应的话，那么在照射之前(在沉积并打印完成每一层后进行)，打印头将移动到位于百叶式闭合箱体内的备用位置，以便通过分散的电磁辐射来防止打印头固化。电磁辐射源将打开几秒钟，其后重复层的再涂敷过程，直到获取最后的微粒。
很清楚的是，可根据不同客户的要求来安装这种设备。例如，为了获得具有不同颜色、机械、光学和电子性能(例如硬度、刚性、透明度和导电性，或者它们的组合)的产品，设备可具有位于相同粉末上的多于一个的树脂配发打印头。这些性质可以在宏观区域上变化(即大于例如1)或者以宏观方式变化，由此单独树脂滴在所有x、y、z方向上均有差异。这方面可参照例如WO03016030。

Claims (30)

1、一种用于以连续横截面层的方式建造三维产品的设备，该设备包括：
粉末输送系统，包括一个或多个用于输送粉末的存储器以及粉末喷洒系统；
打印系统，用于输送液体；
建造室，包括上部、底部、内壁和位于底部结构上的建造平台，所述建造平台可沿建造室的内壁移动；和
粉末回收系统；
其中：建造室的建造平台设有可开启的、可折叠或可取走的部件，其能够将未使用的粉末直接从建造室向下释放到粉末回收系统，和
所述建造室包括外壁，建造室上部的位于内壁和外壁之间的空间包括与粉末回收系统相通的开口。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于；将建造室封装到粉末回收系统内。
3、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：内壁和外壁的上部之间大于25％的空间与粉末回收系统相通。
4、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述空间的至少50％与粉末回收系统相通。
5、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述空间的至少75％与粉末回收系统相通。
6、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述空间和粉末回收系统之间的联通是直接的。
7、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述打印系统包括一个或多个喷嘴。
8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于：多个喷嘴形成喷墨打印机或者包含一套与喷墨打印头基本等同的喷嘴的装置的一部分。
9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于：喷嘴按照压电喷墨技术原理运行。
10、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述打印系统包括两个或多个打印头。
11、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：粉末输送系统包括多个用于输送粉末的存储器。
12、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：所述建造平台包括设有开口的上部结构和可打开或取走以便通过上部结构的开口释放未使用粉末的底部结构。
13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于：上部结构包括网盘、格板、格栅或者百叶式结构。
14、根据权利要求12或13所述的设备，其特征在于：底部结构包括可开启、可折叠或者可取走的部件。
15、根据前述任意一项权利要求所述的设备，还包括：用于固化所建造产品的装置。
16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于：用于固化所建造产品的装置是基于电磁辐射的系统。
17、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：粉末回收系统包括用于输送未使用粉末的管道和用于穿过所述管道移动未使用粉末的粉末承载螺纹孔，或者它包括用于输送未使用粉末的管道和用于穿过管道移动未使用粉末的真空泵。
18、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：粉末回收系统包括用于过滤或筛选未使用粉末的过滤器或滤网。
19、根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于：打印系统和粉末喷洒系统连接到相同的导引装置。
20、一种根据产品模型以连续横截面层的方式建造三维产品的方法，所述方法包括步骤：
-限定粉末材料层；
-以与模型的各个横截面层相对应的方式向限定的粉末材料层涂敷液态试剂；
-重复这些步骤以形成连续层，以便获得三维产品；
-选择性的固化由此获得的三维产品；和
-复原(固化的)三维产品；
其中该方法采用根据前述任意一项权利要求限定的设备。
21、根据权利要求20所述的方法，其特征在于：粉末材料包括第一活性成份，液态试剂包括第二活性成份，第二活性成份能够或者与第一活性成份发生反应，或者促使第一活性成份自身发生反应。
22、根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于：所述模型是数字模型。
23、根据权利要求20-22中任意一项所述的方法，其特征在于：粉末材料层的至少一个包括与其它层(其它多层)类型不同的粉末材料。
24、根据权利要求20-23中任意一项所述的方法，其特征在于：多种不同的液态试剂涂敷到至少一层粉末材料上。
25、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述不同的液态试剂在单独道次中进行涂敷。
26、根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述不同的液态试剂在连续道次中进行涂敷。
27、根据权利要求20-26中任意一项所述的方法，其特征在于：所述液态试剂还包括低粘度的稀释剂。
28、根据权利要求20-27中任意一项所述的方法，其特征在于：在粉末回收系统中施加负压。
29、根据权利要求1-19中任意一项所述的设备，其特征在于：建造室利用子框架连接到打印承载架，子框架优选利用抑制向子框架的振动传递的装置连接到机器框架上。
30、根据权利要求1-19中任意一项或29所述的设备，其特征在于：打印头在位于建造室内壁之间的空间的整个宽度上延伸。
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