CN101578169A - 用于快速制造的三维物体的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成经表面处理的三维物体的方法(10)，所述方法包括：溶剂平滑化(16)快速制造的三维物体的外表面；和将所述溶剂平滑化的外表面的至少一部分进行介质喷砂(22)。

Description

用于快速制造的三维物体的表面处理方法
背景
本发明总体上涉及三维(3D)物体如原型、模具和产品质量部件(production-quality part)的快速制造。具体而言，本发明涉及对快速制造的3D物体进行表面处理的方法。
3D物体的制造和测试通常在许多工业中用于研制新产品、机器和方法。有各种用于构造3D物体的快速制造技术，所述技术的每一种在计算机控制下从几何计算机模型研制物体。这些技术一般将所需物体的数字图示(例如计算机辅助设计(CAD))切分或划分成水平层，然后通过重复施加材料而逐层地构造物体。术语“快速制造”在本文中是指通过一种或多种层基添加技术构造3D物体。示例性的快速制造技术包括熔融沉积造型、喷墨、选择性激光烧结，和立体平版印刷法(stereolithographic process)。
通过快速制造技术构造的3D物体通常显现出“阶梯状”外观，特别是在弯曲或成角度的外表面处。阶梯状效果是由具有直角边缘剖面的截面形状的层次化引起的，并且随着层厚度增加而更加显著。尽管阶梯状效果通常不影响3D物体的强度，但是它可能显著降低所需的美感性。各种抛光技术已被用于改善快速制造的3D物体的表面光洁度(surface finish)。然而，现在正需要向快速制造的3D物体提供令人愉悦的美观表面的表面处理技术。
概述
本发明涉及用于形成经表面处理的3D物体的方法。本方法包括用溶剂基平滑操作使快速制造的3D物体的外表面平滑，和将溶剂平滑化的外表面的至少一部分进行介质喷砂。
附图简述
图1是用于形成经表面处理的3D物体的方法的流程图。
图2是进行蒸气平滑处理之后的3D物体的照片，其中3D物体具有平滑、有光泽的外表面并且含有可观察到的表面缺陷。
图3是进行介质喷砂处理之后的3D物体的照片，其中3D物体具有平滑、光滑的(satiny)外表面，其中不再观察到表面缺陷。
详述
图1是用于形成具有平滑、光滑外表面的3D物体的方法10的流程图。方法10包括步骤12-24，并且首先涉及用快速制造技术构造3D物体的至少一部分(步骤12)。适用于步骤12的快速制造技术的实例包括层基添加技术，比如熔融沉积造型、喷墨、选择性激光烧结、立体平版印刷法，和它们的组合。优选地，用快速制造技术构造整个3D物体。
在一个实施方案中，快速制造技术涉及将3D物体的数字图示(例如.STL文件)切分成水平层。然后依照所使用的快速制造技术，可以通过重复施加构造材料由用于构造3D物体的水平层逐层地产生线栅(raster)或矢量路径(vector path)。所使用的构造材料的种类可以取决于用于构造3D物体的具体的快速制造系统。快速制造技术还可以以单一构造工序或多个构造工序进行。
当使用涉及沉积过程(例如熔融沉积造型和喷墨)的快速制造技术时，3D物体的悬垂部分或空腔可以由支撑结构来支撑。支撑结构可以采用沉积构造材料的相同的快速制造技术和系统来构造，并且可以在构造工序完成之后被移除。当3D物体的数字图示被切分成水平层时，也可以通过重复施加支撑材料而逐层地产生和构造支撑结构的层。
当快速制造工序完成时，可以在快速制造的3D物体上进行一种或多种预平滑处理(步骤14)。合适的预平滑处理的实例包括支撑结构移除、多个物体的粘合、向3D物体的外表面上添加模具(die)或着色剂(其可以在平滑步骤的过程中被扫入3D物体的近表面材料中)、预清洁步骤，和它们的组合。
然后对快速制造的3D物体进行溶剂基平滑处理(步骤16)，其中使用溶剂将3D物体外表面的至少一部分平滑。如以上所讨论的，在使用快速制造技术构造之后，由于具有直角边缘剖面的截面形状的层次化，3D物体可能表现出阶梯状外形。溶剂基平滑处理使3D物体外表面的至少一部分平滑，同时基本上保持3D物体的形状和细微特征。这向3D物体的外表面提供减少或消除阶梯状外观的平滑、有光泽的光洁度。
平滑处理首先包括由适宜地使与3D物体外表面的接触最小化的支架支撑3D物体。3D物体的外表面与外来组件之间的接触点通常在平滑处理的过程中形成外表面上的缺陷。因此，减小在3D物体外表面上的接触面积相应地减小所产生的缺陷的密集度。
用于在平滑系统中支撑3D物体的合适技术公开于Priedeman，Jr.等，美国出版物2005/0173838中。此外，用于支撑3D物体的特别合适的技术涉及用单个的钩形构件悬挂3D物体，这平衡被悬挂的3D物体，并且提供钩形构件与3D物体外表面之间的单个接触点。备选地，对于复杂的3D物体，可以使用多个钩形构件以吊索般的方式悬挂3D物体。
用于步骤16的特别合适的溶剂基平滑处理包括采用蒸气平滑系统将快速制造的3D物体进行蒸气平滑。蒸气平滑系统包含使3D物体暴露的外表面区域平滑的溶剂蒸气，从而减小或消除阶梯状效果。适宜地选择用于蒸气平滑的溶剂以使其与用于形成3D物体的构造材料相容。用于蒸气平滑的合适溶剂的实例包括：二氯甲烷、正丙基溴、全氯乙烯、三氯乙烯、丙酮、甲基乙基酮、二甲基乙酰胺、二甲苯、甲苯、水、醇，和它们的组合。
在步骤16中使用的合适的蒸气平滑系统的实例公开于Priedeman等，美国专利申请2005/0173838中。蒸气平滑系统通过在封闭室内将3D物体暴露于溶剂蒸气中而适宜地工作。所述室可以被保持在溶剂的沸点温度以上。尽管溶剂处于蒸气状态，但是它不影响3D物体。然而，因为3D物体最初处于显著低于溶剂的沸点温度的温度(例如室温)，所以溶剂冷凝在3D物体的外表面上。冷凝的溶剂渗入3D物体暴露的外表面，从而溶解暴露的外表面处的材料。这导致材料软熔(reflow)并且分散到外表面的更宽的区域上。当3D物体加热到室的温度时，冷凝的溶剂再蒸发。然后分散的材料保持在新分散的位置，这导致具有有光泽的光洁度的基本上平滑的表面。
蒸气平滑依赖于数个相互影响的参数，比如3D物体承受冷凝溶剂的暴露时间、所使用的溶剂的种类和浓度、用于3D物体的构造材料、3D物体的外表面积，和3D物体特征的细度。同样地，蒸气平滑处理的持续时间可以变化。用于蒸气平滑处理的合适持续时间的实例在约10秒至约5分钟的范围内，其中尤其合适的持续时间在约30秒至约1分钟的范围内。
在一个实施方案中，可以在蒸气平滑处理之前将3D物体冷却(例如低于室温)。这增加溶剂蒸气与3D物体之间的温差，从而提高蒸气平滑处理过程中的溶剂冷凝速率。这个实施方案尤其适用于具有低沸点温度的溶剂(例如二氯甲烷)，并且增加蒸气平滑处理的可重复性。例如，对于保持在16℃(60°F)的环境温度的3D物体，与保持在27℃(80°F)的环境温度相比，具有约40℃(104°F)沸点温度的二氯甲烷提供不同的蒸气平滑结果。同样，将3D物体冷却到更低的温度(例如介于0℃(32°F)至4℃(40°F)之间)增加蒸气平滑结果的一致性和可预测性。
蒸气平滑处理还可以以多个、连续的蒸气平滑步骤进行。例如，在初始的蒸气平滑处理之后，可以检查3D物体以确定平滑的程度。如果需要另外的平滑，则可以将部分平滑的3D物体进行一次或多次另外的蒸气平滑处理。当蒸气平滑处理完成时，则可以将平滑化的3D物体冷却和干燥。
在步骤16的备选实施方案中，溶剂基平滑处理可以包括将快速制造的3D物体浸渍或浸没到含液体溶剂的浴中，或用液体溶剂喷射快速制造的3D物体。合适溶剂的实例包括上述用于蒸气平滑处理的那些，并且适宜地选择所使用的溶剂以使其与用于形成3D物体的构造材料相容。液体溶剂渗入3D物体暴露的外表面，从而溶解暴露的外表面处的材料。这导致材料软熔并且分散到外表面的更宽的区域上。使3D物体在液体溶剂中适宜地暴露足以在外表面的至少一部分上提供平滑、有光泽的光洁度的持续时间。然后将3D物体干燥(例如风干)以使溶剂从平滑的外表面上蒸发掉，从而防止进一步的溶剂基平滑。
在一个实施方案中，在溶剂基平滑处理的过程中监测3D物体外表面的镜面反射率。表面的镜面反射率是指表面的反射镜式反射率，其中来自单一入射方向的光线被反射到单一出射方向上。在溶剂基平滑处理之前，3D物体的外表面是粗糙的，从而表现出漫反射率，其中来自单一入射方向的光线被反射到许多出射方向上。然而，平滑处理增加外表面的光泽度，从而增加外表面的镜面反射率。
外表面的镜面反射率可以采用在平滑处理循环之间监测镜面反射率的各种镜面反射率监测系统监测。备选地，对于不阻碍实时监测的平滑系统(例如蒸气平滑系统)，监测可以在平滑处理的过程中进行。在一个实施方案中，在3D物体的一个或多个外表面位置处监测镜面反射率。备选地，或另外地，可以横跨3D物体监测镜面反射率的均一性。当外表面的镜面反射率达到用于平滑处理的预定水平时，可以停止平滑处理并且将平滑的3D物体干燥。
以上所讨论的溶剂基平滑处理向3D物体的外表面提供平滑、有光泽的光洁度。此外，溶剂基平滑处理还降低3D物体在外表面处的孔隙率。在方法10的步骤12的构造工序的过程中，可能在3D物体的层中形成小的多孔区域，这对于3D物体物理性能可能是有害的。然而，表面材料在溶剂基平滑操作过程中的溶解和软熔降低3D物体在外表面处的孔隙率。这相应地增加3D物体的结构完整性和密封性。
相反，备选的平滑技术，比如砂磨和直接介质喷砂不提供有光泽的光洁度，并且不降低3D物体的孔隙率。此外，平滑技术如手动或动力砂磨费时并且如果不连续监测，则可能去除过多的材料(例如砂磨掉周边层而暴露内部线栅图案)。使用切削介质(例如氧化铝和玻璃珠)的直接介质喷砂可以提供快速的表面平滑。然而，从外表面消除阶梯状外观所需的持续喷砂也可能去除3D物体的周边层并且破坏细微特征。此外，不同于溶剂基平滑处理，砂磨和直接介质喷砂不适合于到达3D物体的内部特征(例如空腔)，并且不完全和定向的平滑可能产生在美学上不令人愉悦的表面光洁度。
在平滑处理完成之后，则可以检查平滑化的3D物体的表面缺陷(步骤18)。平滑、有光泽的外表面可能引起一种或多种来自各种来源的表面缺陷。例如，3D物体和平滑支架之间的接触可能导致在平滑处理的过程中支架的一部分熔融到3D物体的表面中。不幸的是，外表面的有光泽的光洁度突出了这种表面缺陷，从而导致缺陷易于被肉眼观察到。这有损于平滑化的3D物体的美感性。
如果在3D物体上发现一种或多种表面缺陷，则可以通过将磨料(例如锉或砂纸)在缺陷上摩擦足以消除缺陷的持续时间而将缺陷消除(步骤20)。然而，缺陷消除处理还降低外表面在消除了缺陷的位置处的有光泽的光洁度。这些光泽降低的区域也易于被观察为暗淡、无光泽的表面区域。这也有损于平滑化的3D物体的美感性。
为了改善平滑化的3D物体的美感性，将平滑化的3D物体放置在介质喷砂系统中并且进行介质喷砂以从外表面上消除有光泽的光洁度(步骤22)。这形成具有平滑、光滑的光洁度而非有光泽的光洁度的抛光外表面。可以使用各种不同种类和尺寸的喷砂介质以改变3D物体外表面的纹理(texturization)。合适的喷砂介质的实例包括盐类(例如碳酸氢钠和氯化钠)、胡桃壳、干冰、纳米粒子、可商购的抛光介质，和它们的组合。在一个实施方案中，喷砂介质是导致洁净的3D物体的高纯度喷砂介质(例如干冰和高纯度碳酸氢钠)。合适的介质喷砂系统的实例包括在Alexander，美国专利7,134,945中所公开的那些。
介质喷砂的持续时间和强度可以根据所需的外表面纹理和所使用的喷砂介质(例如不同的材料和粒度)而变化。然而，因为预先在溶剂基平滑操作中消除了阶梯状外观，所以介质喷砂处理的持续时间和强度适宜地限于从外表面上基本上消除有光泽的光洁度。例如，可以将外表面的各个区域进行几秒钟介质喷砂以消除在给定区域的有光泽的光洁度。这降低了消除3D物体的周边层和破坏细微特征的风险。
介质喷砂处理也可以以多个连续的喷砂步骤进行。例如，在初始介质喷砂处理之后，可以检查3D物体以确定喷砂的程度。如果需要另外的介质喷砂，则可以对3D物体进行一次或多次另外的介质喷砂处理。
在一个实施方案中，在介质喷砂处理的过程中监测平滑化的3D物体外表面的镜面反射率。如以上所讨论的，在溶剂基平滑处理之后，3D物体的外表面是有光泽的，从而表现出高镜面反射率(除了表面缺陷处以外)。然而，介质喷砂处理降低外表面的光泽度，从而降低镜面反射率(即增加漫反射率)。外表面的镜面反射率可以在介质喷砂处理的循环之间采用监测镜面反射率的各种镜面反射率监测系统监测。在一个实施方案中，在3D物体的一个或多个外表面位置处监测镜面反射率。备选地，或另外地，可以横跨3D物体监测镜面反射率的均一性。当外表面的镜面反射率达到用于介质喷砂处理的预定水平时，则可以停止介质喷砂处理。
在备选实施方案中，方法10的步骤18和20中的一个或两个被省略。步骤22的介质喷砂处理还适合于消除在步骤16的溶剂基平滑处理过程中形成的较小的表面缺陷。这提供基本上不含有可观察到的表面缺陷的平滑、光滑的外表面，同时还减少表面处理3D物体所需的时间。
当介质喷砂处理完成时，则可以清洁(例如洗涤)平滑化的3D物体以移除来自介质喷砂的任何残余颗粒(步骤24)。所得到的3D物体具有表现出美学上令人愉悦的平滑、光滑的光洁度的外表面。此外，外表面具有与溶剂平滑化表面类似的降低的孔隙率。然而，与溶剂平滑化表面的有光泽的光洁度相反，通过方法10获得的光滑的光洁度减少或消除在任何缺陷消除位置的溶剂基平滑处理的过程中所得到的可观察到的表面缺陷。
如果所得到的3D物体的外表面没有表现出所需的美感性，则可以重复步骤16-24一次或多次(如由箭头26所示)。因此，3D物体可以经历多次溶剂基平滑和介质喷砂处理，直至获得所需的美感性。这增加了方法10满足各种需要的灵活性。
实施例
在以下实施例中更具体地描述本发明，该实施例仅意在作为例证，因为在本发明范围内的许多修改和变化对于本领域的技术人员将是明显的。依照以下程序制备了表现出平滑、光滑外表面的经表面处理的3D物体。首先使用白色的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)聚合物，在以商品名“FDMTITAN”可商购自明尼苏达州Eden Prairie的Statasys公司的熔融沉积造型系统中，以逐层的方式构造3D物体(依照方法10的步骤12)。然后将3D物体从熔融沉积造型系统中移出并且允许其冷却到室温。在这个实施例中，没有进行方法10的步骤14下的预平滑处理(例如，不需要移除支撑材料)。
然后通过线构件将3D物体悬挂，所述线构件贯穿用于插入蒸气平滑系统的3D物体的孔眼。蒸气平滑系统如在Priedeman，Jr.等，美国出版物2005/0173838中所述被构造，并且包括保持在70℃(即溶剂的沸点)的正丙基溴的蒸气室。将悬挂的3D物体在两个30秒的循环中插入蒸气平滑系统中，然后干燥并且冷却到室温(依照方法10的步骤16)。然后从3D物体的孔眼中移除线构件，并且检查3D物体的表面缺陷(依照方法10的步骤18)。
图2是进行蒸气平滑处理之后的3D物体的照片。如所显示的，3D物体含有基本上消除了任何阶梯状外观的平滑、有光泽的外表面。在图2中，通过沿3D物体外表面的各种位置处的光反射，有光泽的光洁度是可见的。然而，如进一步显示的，3D物体的孔眼还包含塑料材料中的表面缺陷。在蒸气平滑处理的过程中，表面塑料材料的软熔导致塑料材料的部分在线构件上流动。因此随后的线构件的移除形成3D物体孔眼26处的外表面中的缺陷，这易于被肉眼观察到并且有损于3D物体的美感性。
使用研磨锉消除表面缺陷(依照方法10的步骤20)。尽管这相对于表面缺陷改善了3D物体的美感性，但是缺陷的去除还消除了缺陷位置处外表面的有光泽的光洁度。尽管未在图2中显示，但是相对于外表面的其它部分(它们保持着有光泽的光洁度)，这种有光泽的光洁度的损失也易于被肉眼观察到。这也有损于3D物体的美感性。
然后将3D物体放置在标准文丘里(venturi)型苏打喷砂机中。然后将工作压力设定为276千帕斯卡(40磅/平方英寸)，并且用小苏打(即碳酸氢钠)粉末将3D物体喷砂120秒(依照方法10的步骤22)。这允许小苏打将3D物体外表面的各个区域喷砂数秒。在苏打喷砂处理之后，则用水洗涤所得到的3D物体以移除残留的小苏打颗粒(依照方法10的步骤24)。
图3是进行苏打喷砂处理之后的3D物体的照片。如所显示的，3D物体包含表现出镜面漫射外观和舒适的蜡质触感的平滑、光滑的外表面。此外，因为有光泽的光洁度被消除，位于孔眼处的缺陷消除位置不再易于被肉眼观察到。因此，所得到的3D物体显示出美学上令人愉悦的外表面。
尽管参照优选的实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种用于形成经表面处理的三维物体的方法，所述方法包括：
用溶剂基平滑处理使快速制造的三维物体的外表面平滑；和
将溶剂平滑化的外表面的至少一部分进行介质喷砂。
2.权利要求1所述的方法，其中所述溶剂基平滑处理包括蒸气平滑处理。
3.权利要求1所述的方法，其中所述溶剂基平滑处理采用选自以下溶剂中的溶剂：二氯甲烷、正丙基溴、全氯乙烯、三氯乙烯、丙酮、甲基乙基酮、二甲基乙酰胺、二甲苯、甲苯、水、醇，和它们的组合。
4.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在使所述外表面平滑之前将所述快速制造的三维物体冷却到低于室温。
5.权利要求1所述的方法，所述方法还包括用钩形构件悬挂所述快速制造的三维物体。
6.权利要求1所述的方法，所述方法还包括将所述溶剂平滑化的外表面研磨而消除至少一种表面缺陷。
7.权利要求1所述的方法，其中所述介质喷砂包括用碳酸氢钠喷砂。
8.权利要求1所述的方法，所述方法还包括监测所述外表面的镜面反射率。
9.权利要求8所述的方法，所述方法还包括当所述镜面反射率达到预定水平时进行操作，所述操作选自：停止所述溶剂基平滑处理和停止所述介质喷砂。
10.一种用于形成经表面处理的三维物体的方法，所述方法包括：
用快速制造技术构造三维物体的至少一部分，所述三维物体具有外表面；
用溶剂基平滑处理使所述外表面平滑；和
将所述溶剂平滑化的外表面的至少一部分进行介质喷砂。
11.权利要求10所述的方法，其中所述溶剂基平滑处理包括蒸气平滑处理。
12.权利要求10所述的方法，所述方法还包括在使所述外表面平滑之前将所述快速制造的三维物体冷却到低于室温。
13.权利要求10所述的方法，所述方法还包括监测所述外表面的镜面反射率。
14.权利要求10所述的方法，其中所述介质喷砂包括用碳酸氢钠喷砂。
15.一种用于形成经表面处理的三维物体的方法，所述方法包括：
用快速制造技术构造三维物体的至少一部分，所述三维物体具有外表面；
用平滑处理提高所述外表面的镜面反射率；和
用介质喷砂处理降低所述外表面的所述镜面反射率。
16.权利要求15所述的方法，其中所述平滑处理包括溶剂基平滑处理。
17.权利要求16所述的方法，其中所述溶剂基平滑处理包括蒸气平滑处理。
18.权利要求15所述的方法，其中所述平滑处理降低所述三维物体在所述外表面的孔隙率。
19.权利要求15所述的方法，所述方法还包括监测所述外表面的所述镜面反射率。
20.权利要求15所述的方法，其中所述介质喷砂处理包括用碳酸氢钠喷砂。
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