CN101489765B - 用于分层制造有形物体的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于分层制造有形物体(5)的方法的方法循环，该方法循环包括下列连续步骤：使液体(3)的层(10)的预定区域凝固，所述液体层与结构成形器(6)相邻，以得到具有预定形状的固体层(14)；使所述固体层从所述结构成形器分离；以及使分离的固体层和所述结构成形器相对于彼此运动到预定位置，以使所述液体流入分离的固体层与所述结构成形器之间。向诸如液体(3)之类的至少一种流体施加减小的压力。

Description

用于分层制造有形物体的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于分层制造有形物体的方法，该方法包括：

设置容纳液体的贮液器；

设置结构成形器；以及

重复执行多个方法循环，每个方法循环都包括以下连续步骤：

·使所述液体的层的预定区域凝固，所述液体层与所述结构成形器相邻，从而得到所述有形物体的固体层，所述固体层因而具有预定形状；

·使所述固体层与所述结构成形器分离；以及

·使分离的固体层和所述结构成形器相对于彼此运动到相对于彼此的预定位置，以使所述液体流入分离的固体层与所述结构成形器之间，从而得到与所述结构成形器相邻的液体层，所得到的液体层包含流入的液体，并且将在连续的这种方法循环中使用，以使其预定区域凝固，从而得到粘附至所述固体层的连续的这种固体层。

本发明还涉及一种用于分层制造有形物体的系统。本发明另外涉及用于该系统的控制器。

背景技术

这种方法已公知。例如，由DE10256672A1已知贮液器包括上侧具有分离层的透明底板。在底板上方的空间中，具有能够上下运动的承载板。承载板在其上下运动期间能够到达液位下方至液位上方的范围内的位置。有形物体的首先形成的固体层粘附至承载板的下侧。连续形成的固体层均分别粘附至先前形成的固体层。

每次在新层凝固后，使承载板与粘附于其上的较早凝固层一起向上运动，使得最后所形成的固体层与底板的分离层分离。每次这样分离后，都使已分离的固体层运动到距底板的分离层一定距离的预定位置，用于使液体流进已分离的固体层与底板的分离层之间。通过使包含该流入液体的层的预定区域凝固，而得到有形物体的连续固体层。

承载板的向上分离运动需要在该承载板上施加外力。该外力导致正被制造的有形物体的内应力增加。尤其是在具有变化横截面的物体中，垂直拉伸应力可能局部变得很高。如果这些应力太高，则物体会变形、损坏或断裂。对于公知的方法，由于快速分离需要大的外力，所以有形物体中的内应力在快速分离期间也会很大。因而，公知方法的缺点在于，仅有限种类的物体能被快速地形成。而其它种类的物体，尤其是那些横截面急剧变化的物体不能通过公知的方法快速地形成。

发明内容

本发明的目的是使得能够更快地制造有形物体。

因此，根据本发明的第一方面，初始所述类型的方法的特征在于，在执行至少一个这种方法循环期间，向包括所述贮液器中的所述液体的至少一种流体至少临时地施加相对于外部环境减小的压力，所述至少一种流体与正制造的物体的在所述至少一个这种方法循环之前执行的多个方法循环中凝固的层接触。

在根据本发明的第一方面的该方法中，在执行至少一个这种方法循环期间，向至少一种流体(例如贮液器中的液体)至少临时地施加相对于外部环境减小的压力，其中所述至少一种流体与正制造的物体的在所述至少一个这种方法循环之前执行的多个方法循环中凝固的层接触。施加这种减小的压力的有益效果如下进行说明。

在从所述结构成形器快速分离最后形成的固体层期间，存在这样一段时期，其中所述液体(树脂)与固体层和结构成形器之间的间隙中的力/压力不平衡。于是，在所述间隙中产生减小的压力(真空或气液的)，从而产生使液体流入扩展的间隙中的力。因而，在所述间隙中的(低)压力与由至少一种流体施加在被接触的层上的(高)压力之间存在压差(注意，对于公知的方法，液位上方及其邻接的空间中的压力为通常的环境压力，即，大气压力)。所述压差的存在造成必然会需要大量的外力作用来使固体层与结构成形器分离，尤其是对于具有(急剧地)变化横截面的物体而言更是如此。然而这种大量外力作用的施加会在所述分离期间造成物体中的内应力增加。

通过向至少一种流体施加减小的压力，所述压差也减小。因此，降低了所需外力作用中克服所述压差必需的那部分外力作用，因此，使得所需外力作用的那部分外力作用有助于使所述物体中的所述内应力增加的程度降低。在给定最大许可内应力水平的情况下，这使得所述外力的更大一部分来用来克服分离期间产生的其它类型的阻力。换言之，施加减小的压力导致外力的用于克服所述压差而消耗的部分较小，并由此而使得外力的可用来实现加速分离的部分较大。因此，能够使制造有形物体的方法中的分离步骤加速，甚至(实际上尤其是)对于横截面变化较大的物体来说也是如此。

另外，施加减小的压力具有另外的有益效果，这些有益效果在以下进行说明。根据该方法，分离步骤之后是定位步骤，在定位步骤中，使分离的固体层与结构成形器相对于彼此运动到相对于彼此的预定位置，以使所述液体流入分离的固体层与所述结构成形器之间。通常紧接着分离完成之后，在该相对运动中会产生所谓的“过冲”。也就是说，在定位步骤的初始阶段，分离的固体层与结构成形器运动分开得比预期的更远。在定位步骤的稍后阶段中必须通过运动来抵消该过冲，而使分离的固体层和结构成形器再次靠近。在该抵消运动期间，已同时进入分离的固体层与结构成形器之间的间隙的剩余液体必须被重新挤出该间隙。该挤出耗费时间，尤其是在结构成形器具有柔性时。

通过向所述至少一种流体施加减小的压力，至少获得了如下两个优点。首先，在分离步骤的初始阶段期间必须克服的对应地减小的压差导致过冲程度减小。这种较小过冲的发生在本质上就已经加快了定位步骤，这是由于在定位步骤中需要抵消的过冲很小。其次，除了第一个优点之外，施加减小的压力也加快了对剩余液体进行的所述挤出，这是由于在挤出时需要克服的压差较小。

因此，在该制造有形物体的方法中，不仅分离步骤能够加速，而且定位步骤也能够加速。

另外，根据本发明的第二方面，提供了一种用于分层制造有形物体的系统，该系统包括：

贮液器，该贮液器用于在其中容纳液体；

结构成形器，其用于与所述贮液器中的所述液体接触；

凝固装置，其用于使所述液体的层的预定区域凝固，所述液体层与所述结构成形器相邻，以得到所述有形物体的固体层，所述固体层因而具有预定形状；

分离装置，其用于使所述固体层与所述结构成形器分离；

移动装置，其用于使分离的固体层和所述结构成形器相对于彼此运动到相对于彼此的预定位置，以使所述液体流入分离的固体层与所述结构成形器之间，从而得到与所述结构成形器相邻的液体层，所得到的液体层包含所流入的液体，并且将被用来在其预定区域进行凝固，从而得到粘附至所述固体层的连续的这种固体层；

其特征在于，还包括：

限定内部空间的减压室，其用于容纳包括贮液器中的所述液体的至少一种流体；

压力控制装置，其用于在所述至少一种流体接触正制造的物体的层时，向所述至少一种流体施加相对于外部环境减小的压力；以及

控制器，其布置成用于控制所述凝固装置、所述分离装置、所述移动装置以及所述压力控制装置的操作。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于这种系统的控制器。

本发明的具体实施方式在从属权利要求中阐述。

将在下文所描述的实施方式中说明并清楚本发明的这些及其他方面。

附图说明

以下参照附图仅以实施例的方式来描述本发明进一步的细节、方面和实施方式。

图1示意性地示出了根据本发明的系统的实施方式的实施例的侧剖视图。

图2示意性地示出了图1的系统在根据本发明的方法的阶段期间的部分视图。

具体实施方式

参照图1和图2，图1和图2示出了用于分层制造有形物体5的系统1的实施例。系统1能够执行用于分层制造有形物体的方法的实施例。示出了正在被制造的有形物体5。该有形物体可例如是制成品或其它合适类型的物体的原型或模型。

系统1包括贮液器2，在所示的实施例中，贮液器2填充有直至液位4的液体3。系统1还包括结构成形器(construction shape)6，该结构成形器6位于贮液器2中的液位4的下方。在所示的实施例中，结构成形器6包括贮液器2的底部平台7以及位于平台7顶部上的储如橡胶类层或树脂层的防粘接层8。然而，可代之以采用许多其它类型或形状的结构成形器。

系统1还包括凝固装置9，该凝固装置9用于使液体层10的预定区域凝固，所述液体层10与结构成形器6面向液位4的一侧11相邻，从而得到有形物体5的固体层14，因而固体层14具有预定的形状。

凝固装置9能够利用任何合适的化学或物理处理使液体层10的预定区域凝固。凝固装置9可例如使液体中的组分发生形成固体反应产品的化学反应。例如，液体3可以是液态树脂，该液态树脂能够通过电磁辐射而固化，例如能够通过投射合适波长的光而激发聚合的光敏聚合物。该液体能够通过合适类型的能量转化为固体，凝固装置9可以包括能以选择的方式向预定区域提供能量的能量源。该能量源可例如包括电磁辐射源。凝固装置9可包括能够发出光15的光源，光15通过凝固装置9的投射单元以与固体层14的期望形状和大小相对应的图案投射到液体层10的预定区域上。为了使光或其它辐射15能够进入贮液器2，结构成形器6可包括对辐射射线15来说透明的窗。

系统1还包括分离装置，该分离装置用于将所述固体层14从所述结构成形器6分离。在所示的实施例中，该分离装置包括位于结构成形器6上方的承载板20。如图1中的双向箭头25所示，承载板20可通过承载板致动器21的作用而相对于结构成形器6上下运动。承载板20在其运动期间能够到达从液位4下方至液位4上方范围内的位置。有形物体5的首先形成的固体层24粘附至承载板20的下侧。连续形成的固体层34均分别粘附至先前形成的固体层。每次在新层凝固后，使承载板与粘附于其上的凝固层一起向上运动，从而使得每次最后所形成的固体层与结构成形器6分离。

每次这样分离后，分离的固体层14进一步运动到距结构成形器6一定距离的预定位置，用于使液体流入分离的固体层14与结构成形器6之间。然后，通过使包含该流入液体的类似液体层的预定区域类似地凝固，得到有形物体5的连续固体层。用于该定位运动的移动装置包括可通过承载板致动器21而运动的承载板20。

很显然，用于分层制造有形物体的方法为一种循环方法，其中所描述的按时间顺序发生的凝固步骤、分离步骤以及定位步骤均包括在该方法的单个循环中。

系统1还包括限定了内部空间36的减压室41。内部空间36容纳有至少一种流体，在该情形下不仅容纳有贮液器2中的液体3，而且还容纳有位于液位4上方的气态流体。在所示的实施例中，减压室41的大致气密的边界包括将承载板20与贮液器2的侧壁连接的边界40。由于承载板20可相对于贮液器2沿方向25运动，这些边界40如图所示包括折壁。应注意，也可以采用其它布置。例如，内部空间36可容纳两种以上不同的流体。减压室41的内部空间36甚至可仅用液体3完全填充。

系统1还包括压力控制装置42，压力控制装置42用于在所述至少一种流体接触正制造的物体的层时，向该至少一种流体施加相对于外部环境来说减小的压力。在该实施例中，压力控制装置42包括活塞43、气缸44和活塞致动器45，活塞43可通过活塞致动器45沿图1的双向箭头26所示的方向在气缸44内运动。

图2示出了在从结构成形器6对最后形成的层14进行所述分离的初始阶段期间的状况。在该分离为快速分离时，存在这样一段时间，其中液体(树脂)3与固体层14和结构成形器6之间的间隙35中的力/压力不平衡。于是，在所述间隙35中产生减小的压力(真空或气液的)，而产生使液体3流入扩展的间隙35中的力。间隙35的该状况如图2所示。因而，在间隙35中的压力与内部空间36的其余部分的压力之间存在压差。如果所述压差较大，则必然会需要大量的外力作用使固体层14与结构成形器6分离。而该外力的施加又会在所述分离期间造成物体中的内应力增加。

通过借助于压力控制装置42使内部空间36中的气态流体的压力减小，所述压差也减小。因此，所述需要的外力作用和所述内应力的增加均降低。例如，通过控制液位4上方的气态流体的压力水平，使其朝向间隙35中的压力水平越来越低，从而使物体5中的内应力的增加越来越缓和。在给定最大许可内应力水平的情况下，这使得所述外力的更大一部分可用来克服分离期间产生的其它类型的阻力。换言之，施加减小的压力导致外力的用于克服所述压差而消耗的部分较小，并由此而使得外力的可用来获得加速分离的部分较大。因此，能够使制造有形物体的方法中的分离步骤加速，甚至(在实际上尤其是)对于横截面变化较大的物体来说也是如此。

如上所述，在所示的实施例中，压力控制装置42包括位于气缸44中的活塞43。然而，也可应用其它装置来控制内部空间36中的压力，例如泵系统。应用活塞-气缸布置的优点在于，在内部空间36减压期间，已蒸发的液体组分基本保留在内部空间36中。从而，防止了液体通过沸腾而变质或液体的大多数挥发性组分损失过多。无论是互相结合或与上述应用的活塞-气缸布置结合，使蒸发影响最小化的其它方式均包括：在压力控制室41中以气态形式喷射液体3的至少一种组分，以及设计压力控制室41使得内部空间36的体积尽可能小。

图2中的虚线51是代表距结构成形器6一定距离的预定位置。在分离的固体层14的定位运动中，该层相对于结构成形器6运动，使得层14的底侧最终到达预定位置51。当液体3完全流入分离的固体层14与结构成形器6之间时，得到与结构成形器6的一侧11相邻的新的液体层50。通过使该新的液体层50的新的预定区域凝固，得到有形物体5的新的固体层，该新的固体层从而具有预定形状。

应注意，通常，紧接着分离完成之后，在层14与结构成形器6的相对运动中会产生所谓的“过冲”。也就是说，在定位步骤的初始阶段，分离的固体层与结构成形器运动分开得比预期的更远。在定位步骤的稍后阶段中必须通过运动来抵消该过冲，从而使分离的固体层和结构成形器再次靠近。在该抵消运动期间，已同时进入分离的固体层与结构成形器之间的间隙的过剩液体必须被重新挤出该间隙。该挤出耗费时间，尤其是在结构成形器具有柔性时。

通过向所述至少一种流体施加减小的压力，至少获得了如下两个优点。首先，在分离步骤的初始阶段期间必须克服的对应地减小的压差导致过冲程度减小。这种较小过冲的发生在本质上就已经加快了定位步骤，这是由于在定位步骤中需要抵消的过冲很小。其次，除了第一个优点之外，施加减小的压力也加快了对剩余液体进行的所述挤出，这是由于在挤出时需要克服的压差较小。

从上述能够推断出，通过在执行分离步骤期间至少临时地施加所述减小的压力能够加速方法循环的分离步骤。还能够推断出，通过在执行定位步骤期间至少临时地施加所述减小的压力能够加速方法循环的定位步骤。

优选的是，施加到所述至少一种流体的减小的压力小于大气压力的75％，更优选小于大气压力的50％，甚至更优选小于大气压力的25％。

通常已公知，至少在分离步骤的初始阶段之后，液体仅慢慢地流到至少部分分离的固体层与结构成形器之间的间隙中。这是由于液体的粘性以及所述间隙的狭窄性共同作用的结果。因此，该方面对物体的制造速度具有负面影响。因此，优选的是，至少在至少一个这种方法循环的所述分离步骤的一部分之后，至少临时增加所述减小的压力。这样，在由此获得的增大的压差的影响下，促使液体更为快速地流进所述间隙中。

在图1所示的实施例中，系统1还包括控制器60。在所示的实施例中，控制器60经由线路61以通信方式与压力控制装置42(在本实施例中与活塞-气缸布置)连接。这样，压力控制装置42的操作由控制器60控制。

在所示的实施例中，控制器60还经由线路62以通信方式与承载板致动器21连接，用于控制承载板致动器21的操作。另外，控制器60经由线路63以通信方式与凝固装置9连接，用于控制凝固装置9的操作。

控制器60可以实施为任何合适的方式。通过控制器60，能够使承载板致动器21、活塞致动器45和凝固装置9的操作控制互相调节，以控制物体的制造。

任选地，该系统还可被布置成基于施加在承载平台20上的力或与该力相关的参数的确定值来控制物体的制造。为此，控制器60可例如接收来自测量所述力的传感器的测量值。然而，也可以这样，即：控制器60不接收所测量值，而是接收根据例如作用在物体5上的力的模型而确定的值。例如，控制器60可包括其中存储有该模型的存储器，并可例如从以通信方式与控制器连接的计算机接收代表物体的3D数字模型的切片的数据。随后可将该数据输入力模型，以计算该力(例如作为时间的函数)，并基于所算出的力控制系统1。基于该力的这样确定的值，能够及时监测例如分离步骤或定位步骤的进程，从而，活塞致动器45和/或承载板致动器21和/或凝固装置9的操作控制能够进一步得到改善，以加快制造。

本发明也可以在用于在计算机系统上运行的计算机程序中执行，该计算机程序至少包括在可编程设备(例如计算机系统)上运行时用于执行根据本发明方法的步骤的代码部分，或能够使可编程设备执行根据本发明的装置或系统的功能。这种计算机程序可设置在例如光盘驱动器(CD-ROM)或磁盘之类的数据载体上，该数据载体存储有可加载在计算机系统的存储器中的数据，所述数据代表计算机程序。数据载体还可以是数据线路，例如电话线或无线线路。

在前述的说明中，已参照本发明的实施方式的具体实施例描述了本发明。然而应清楚，在不脱离所附权利要求阐述的本发明的较宽的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，贮液器可以比图1所示的贮液器更高或更低。另外，所述物体可以具有任何合适的大小和形状。

而且，该方法和系统可布置成使得在各方法循环期间使正制造的物体的上层(而不是下层)凝固。于是，承载板可以位于正制造的物体下方，而不是上方，同时，例如凝固装置的光源可以位于正制造的物体的上方，而不是下方。

另外，可采用各种分离运动，也就是说，不仅仅采用所示的分离运动，在所示的分离运动中，在该分离运动期间最后的凝固层与结构成形器保持为平行。例如，可采用其中物体和结构成形器之间接触的不同局部区域在不同的时刻分离的分离运动。分离运动也可以与示出的相对方向不同。

而且，本发明不限于在非可编程硬件中实施的物理装置或单元，而且可以应用在能够通过按照合适的程序代码操作而执行期望的装置功能的可编程装置或单元。另外，这些装置在物理上可被分布在多个设备上，而在功能上可作为单一装置进行操作。例如，控制器60可包括控制活塞致动器45或泵系统的操作的单独设备、控制承载板致动器21的操作的另一设备、以及控制凝固装置9的操作的又一设备。

而且，在功能上形成为单独装置的装置可以集成在单个物理装置中。例如，控制器60可以实施成单个集成电路。

然而，其他修改、变型和替换也是可能的。因而，说明书和附图应当视为说明性的而不是限制性的。

在权利要求中，置于括号中的任何附图标记都不应理解为对权利要求的限制。词语“包括”并不排除存在除了权利要求中列出的部件或步骤之外的部件或步骤。而且，词语“一个”不应理解为“只有一个”，而是用于说明“至少一个”，且并不排除有多个。特定手段记载在互不相同的权利要求中这一事实并不表示不能利用这些手段的组合。

Claims (13)

1.一种用于分层制造有形物体(5)的方法，该方法包括：

设置容纳液体(3)的贮液器(2)；

设置结构成形器(6)；以及

重复执行多个方法循环，每个方法循环都包括以下连续步骤：

·使所述液体(3)的层的预定区域凝固，所述液体层(10)与所述结构成形器(6)相邻，从而得到所述有形物体(5)的固体层(14)，所述固体层因而具有预定形状；

·使所述固体层(14)与所述结构成形器(6)分离；以及

·使分离的固体层(14)和所述结构成形器(6)相对于彼此运动到相对于彼此的预定位置，以使所述液体(3)流入分离的固体层(14)与所述结构成形器(6)之间，从而得到与所述结构成形器(6)相邻的液体层，所得到的液体层包含流入的液体(3)，并且将在连续的这种方法循环中使用，以使其预定区域凝固，从而得到粘附至所述固体层(14)的连续的这种固体层；

其特征在于：

在执行至少一个这种方法循环期间，向包括所述贮液器中的所述液体(3)的至少一种流体至少临时地施加相对于外部环境减小的压力，所述至少一种流体与正制造的物体的在所述至少一个这种方法循环之前执行的多个方法循环中凝固的层接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在执行所述至少一个这种方法循环的至少所述分离步骤期间，至少临时地施加所述减小的压力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在执行所述至少一个这种方法循环的至少所述运动步骤期间，至少临时地施加所述减小的压力。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述施加减小的压力期间，将所述液体(3)的至少一种组分以气态形式喷入容纳所述至少一种流体的减压室中。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少在所述至少一个这种方法循环的所述分离步骤的一部分之后，至少临时地增加所述减小的压力，以促使液体流入至少部分地分离的固体层(14)与所述结构成形器(6)之间。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，向所述至少一种流体施加的所述减小的压力小于大气压力的75％。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，向所述至少一种流体施加的所述减小的压力小于大气压力的50％。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，向所述至少一种流体施加的所述减小的压力小于大气压力的25％。

9.一种用于分层制造有形物体(5)的系统，该系统包括：

贮液器(2)，该贮液器(2)用于在其中容纳液体(3)；

结构成形器(6)，其用于与所述贮液器中的所述液体接触；

凝固装置(9)，其用于使所述液体(3)的层的预定区域凝固，所述液体层(10)与所述结构成形器(6)相邻，以得到所述有形物体(5)的固体层(14)，所述固体层因而具有预定形状；

分离装置(21)，其用于使所述固体层(14)与所述结构成形器(6)分离；

移动装置(21)，其用于使分离的固体层(14)和所述结构成形器(6)相对于彼此运动到相对于彼此的预定位置，以使所述液体(3)流入分离的固体层(14)与所述结构成形器(6)之间，从而得到与所述结构成形器(6)相邻的液体层，所得到的液体层包含所流入的液体(3)，并且将被用来在其预定区域进行凝固，从而得到粘附至所述固体层(14)的连续的这种固体层；

其特征在于，还包括：

限定内部空间(36)的减压室(41)，其用于容纳包括贮液器中的所述液体(3)的至少一种流体；

压力控制装置(42)，其用于在所述至少一种流体接触正制造的物体的层时，向所述至少一种流体施加相对于外部环境减小的压力；以及

控制器(60)，其布置成用于控制所述凝固装置(9)、所述分离装置(21)、所述移动装置(21)以及所述压力控制装置(42)的操作。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述压力控制装置(42)包括位于气缸(44)中的活塞(43)。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述控制器(60)布置成基于为了使所述固体层(14)与所述结构成形器(6)进行所述分离和/或所述运动而施加的力的确定值或者与所述力相关的参数的确定值来控制所述有形物体(5)的制造。

12.一种在根据权利要求9或10所述的系统(1)中使用的控制器。

13.一种在根据权利要求11所述的系统(1)中使用的控制器。

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