CN102026797A - 制造三维物体的方法及使用所述方法的设备 - Google Patents

Abstract

制造三维物体(W)的方法和设备，所述物体由在环境温度下为液态且在刺激作用下能够永久固化的基材(M)的多重叠加层(L)构成，该方法包括下述操作：在前层(L)上铺展所述液态基材(M)的层(L1)，使所述层(L1)在一个或多个预定区域(K)内暴露于所述刺激，对所述三维物体(W)的各相继层重复所述铺展操作和所述暴露，在所述刺激之前将所述层(L)冷却至低于所述环境温度的预定操作温度，以使所述基材(M)固化。

Description

制造三维物体的方法及使用所述方法的设备

技术领域

本发明涉及制造层状三维物体的方法，其技术术语被称为“立体固化成型(stereolithography)”。

本发明还涉及使用所述方法的立体固化成型机。

背景技术

已知立体固化成型广泛用于快速原型制作三维物体，甚至是复杂物体，其允许在非常短的时间内制造所述物体且实际上不需使用任何特殊设备。

通常而言，立体固化成型技术包括首先虚拟地将待复制的物体的几何形状划分为具有预定厚度的多个层，然后通过将一层放置在另一层顶部以制造物体的立体固化设备来实际制造。

所述层由能够在合适刺激作用下永久固化的液态树脂制成。

更具体地，将树脂以对应于待复制物体的一层的厚度铺展在支撑表面上，然后使其在对应于物体体积的区域中选择性暴露在刺激下。

通常使用塑性树脂，且其固化通过暴露在激光束下聚合而实现。

根据第一个已知的结构形式，立体固化成型机包括含有液态树脂的槽，支撑待制造物体的垂直移动的平台浸入该槽中。

降低平台，直至用其厚度对应于随后层所需厚度的液态层覆盖物体的各层。

然后使液态层在对应于待制造物体的体积的区域上受刺激，以使其固化并附着于下层上。

对于相继的各层，制造三维物体的方法类似地进行，同时所述平台逐步降低。

上述已知技术的缺点在于其很难控制层的厚度。

实际上，各层厚度的降低(通常仅为几分之一的毫米)以及液态基料的粘度阻碍了液态树脂在待制造的物体上的分布。因此，层的厚度常常缺乏均匀性，这导致最终制造的物体的尺寸不精确。已知各种用于限制上文提及的局限的装置，其主要基于使用使液态树脂表面水平的刮刀，但它们均没有以令人满意的方式解决该问题。

上述已知技术具有的另一个局限为需要为待制造的物体制备一定数量的支撑并将其布置在平台上。

支撑必须承担物体的固定载荷，尤其是在其具有向外凸出的部分的情况下，且必须支撑在特定物体构型下首先与物体自身主体分离的部分。

作为实例，图1的深色区域示意性图示了根据已知技术制造的普通三维物体，其由W表示，而阴影区域显示了上文提及的支撑，用S表示。

支撑还可对抗层聚合期间所产生的应力，由于层本身厚度的减少，这种应力将使其以不能接受的方式变形。

然而，支撑的局限在于它们需要额外的设计阶段，这增加了物体的总体生产时间和成本。支撑的另一个局限在于它们不能再用于制造其它物体并因此被废弃，由此进一步增加了物体的成本。

此外，当待制造物体特别复杂时，不可能制造支撑，这实际上限制了立体固化成型技术的应用性。

根据已知技术，支撑与三维物体同时通过立体固化成型机产生，因此构成了后者的组成部分。

显然，除了已经描述的缺点之外，上述技术还具有另一局限，即必须机械性地除去支撑，因此进一步增加了物体的成本。

此外，除去支撑涉及破坏物体的风险，这是另一个局限。

除了上述之外，还存在另一个局限，即物体制造减速，因为对基材的刺激必须在对应支撑的区域内进行。

在克服上文提及的局限的尝试中，开发了另一种技术，其使用在室温下呈胶状形式且因此就尺寸角度而言基本稳定的树脂。

根据该构造技术，加热胶状树脂以使其液化，以使其可在待制造物体上铺展。

因此，与现有情况不同的是，不将物体浸入液态树脂中。

一旦在物体上铺展，树脂冷却下来并形成在室温下相对稳定的胶状物层，然后利用类似于已经描述的选择性刺激程序而聚合。

对相继的层重复该方法，直至完成该物体，最后将其加热以实现非聚合树脂的液化并因此得到最终物体。

有利的是，上述技术可避免使用用于待制造物体的支撑，其实际上通过周围胶状树脂来支撑。

然而，上文提及的技术具有一系列缺点，其中由于各沉积层冷却需要时间，导致该技术很慢。另一局限为由于在铺展各层期间和在制造过程结束时，树脂经受了双重热循环，导致其产生了局部劣化，损害了物体的机械性能。

上文提及的即过量树脂不能再用于制造其它物体的局限和已经提及的该技术缓慢的局限一起进一步增加了最终物体的成本。

此外，与前面描述的第一种已知技术类似的是，该第二种已知技术也未解决控制层厚的问题，且甚至可能使其恶化。实际上，在铺展各层期间，树脂的粘度非常高，这可在层本身的表面上产生不规则性。

发明内容

本发明意欲克服上文所列出的已知技术的全部缺陷。

特别地，本发明的第一目的为实现一种用于制造通过多重叠加层形成的三维物体的方法并开发实施该方法的设备，其不需要使用用于待制造的三维物体的支撑。

本发明的另一目的为提出一种相对于已知技术可更快速地制造具有相同几何形状的三维物体的方法和设备。

本发明的另一目的为，就尺寸而言，获得比用已知技术可获得的那些物体更精确的三维物体。

本发明的另一个目的(但不是最低目的)是确保制造物体所用的基材在制造过程中不过度劣化。

上述目的通过用于制造根据权利要求1的三维物体的方法，以及通过使用所述方法的设备并根据权利要求13进行而实现。

作为本发明主题的方法和设备的其它细节描述在对应的从属权利要求中。

有利的是，与利用上述第一种已知技术获得的相同物体的成本相比，缺少支撑可降低最终三维物体的成本。

还有利的是，缺少支撑可制造比可通过已知方法获得的那些物体在几何形状上更复杂的物体。

还有利的是，基材不劣化的事实允许过量材料再用于制造其它物体。

此外，有利的是，与上述第二种已知技术相比，所减少的制造时间和再利用过量基材的可能性可以降低物体的成本。

此外，与已知技术相比，通过作为本发明主题的方法所达到的更高精确度可有利地满足更多市场部门的需要。

附图说明

所述目的和优点以及下文中更突出的其它内容将在本发明方法和设备的优选实施方案的说明书中详细说明，其参考附图通过非限制性实施例来提供，其中：

图1显示属于现有技术的三维物体的示意图；

-图2显示作为本发明主题的设备的示意图；

-图3-9显示作为本发明主题的方法的不同操作阶段。

具体实施方式

技术术语已知为“立体固化成型”的本发明方法特别适合快速原型制作三维物体W。

如上文所述，该方法包括通过将基材M的多个层L进行叠置而制造三维物体W。

上文所提及的基材M在环境温度下为液体，但在合适的刺激下可以改变其分子结构从而永久固化。

上文提及的基材M优选但不是必需为当暴露于预定辐照源如激光时通过聚合而固化的光聚合物。

上述类型材料众所周知且广泛用于立体固化成型领域，因此不在此处更详细描述。

还显而易见的是，在本发明的构造变化方案中，可选择对不同于激光的某种刺激敏感的基材M，条件是其可在刺激区域内引起基材M的永久固化。

特别参考图2示意性示出且作为整体由附图标记1所示的设备，来描述作为本发明主题的方法。

可观察到，设备1包括用于支撑待制造的三维物体W的装置2，其优选包括平台2a。

设备1还配有用于分配基材M的装置3，适于将各层L沉积在三维物体W的前一层上且优选但不是必需包含分配喷嘴6。

此外，存在适于发射上文提及的刺激的装置4，其能选择性固化对应于待获得的三维物体W的体积的层L的预定区域K，为了简单起见用深色区域指示。

发射装置4优选包括可有利地固化基材M的恰好限定的区域K的激光发生器9，因此有助于获得尺寸精确的物体W。

根据本发明，设备1包括用于冷却沉积层L的装置5，以使其保持在低于环境温度的预定操作温度下。

所述冷却装置5优选与所述支撑装置2相连，以便有利地布置为与层L直接接触并因此保证有效冷却。

此外，所述冷却装置5优选包括有利地具有有限的整体尺寸和高冷却效率的Peltier元件10。但是显然，在本文没有显示的本发明其它构造变化方案中，冷却装置5的位置和类型可不同于此处描述和说明的那些。

优选但不是必需还存在用于使层L水平的装置7，其优选包括用于机械移除材料的工具8，如切刀8a。

由于存在动力装置，支撑装置2、分配装置3、发射装置4和整平(levelling)装置7可彼此相对移动，此处虽未图示说明，但这本身是本领域技术人员已知的。

如图4所示，用于制造三维物体W的本发明方法包括将液态基材M的层L1铺展在前层L上的第一操作。

在上述操作期间，基材M优选在环境温度下，以使其有利地自发呈液态而不必加热。

作为本发明主题的方法还包括将所述层L1在对应于待获得的三维物体W的体积(在附图中由深色区域表示)的预定区域K内选择性暴露于预先确定的刺激。

对三维物体W的后续各层L重复上文提及的铺展和选择性暴露。

根据本发明，该方法包括另一操作：将层L冷却至低于环境温度的预定操作温度，以使基材M的层L固化，并且它们能呈稳定形式。

如上所述固化的层L能够支撑后续层，且因此消除对用于待制造的三维物体W的支撑的需要，如此实现本发明的第一目的。只要基材M保持在操作温度下，则层L保持所述稳定形式。

操作温度优选但不是必需足够低以引起基材M暂时固化。

显然，在本发明的构造变化方案中，可采用一定的操作温度，在该操作温度下即使不完全固化基材M，但也显著增加其粘度，例如赋予其胶状物的稠度。

所述操作温度优选在层L的暴露和铺展操作的整个持续期间对层L保持恒定，直至完成三维物体W。

此外，各后续层L1的冷却优选通过与前层L接触而自发进行，如此实现基材M的几乎瞬时固化。根据此处未显示的本发明的构造变化方案，基材M选择性地并仅在对应于物体W的体积的区域中铺展，可有利地减少物体W的制造时间并因此减少相关成本。

例如当新层L1非常薄且通过与前层L接触冷却时，则可采用所述选择性铺展操作，特别是如果基材M冷却非常快速的话。

冷却作用优选利用Peltier元件10获得，所述元件有利地确保了高效且同时确保了恰好限定的整体尺寸。

然而明显的是，在本发明的构造变化方案中，层L的冷却可利用冷却流体，低温气体射流或以任何其它已知方式而实现。

如图5所示，本发明方法优选包括以下操作：在铺展后续层之前，且优选但不是必需在刺激之前使得最后沉积的层L1水平。

所述整平操作允许以实现所需厚度且获得均匀表面的方式从层L1中移除过量材料。

实际上，由于层L1是冷的且因此是稳定的，所以可例如利用机械方法以高精度来移除基材M。

此外，层L1保持在整平操作之后获得的厚度。

为此，与可用已知方法获得的精确度相比，所述整平操作实现了增加三维物体W的整体尺寸精度的目的。

显然，基材M的稳定性越大，则所获得的精确度越高，尤其是当所述基材M冷却至变为固体时。

关于层L的铺展，优选利用可有利地精确控制所用基材M的量的分配装置6而进行。

作为本发明主题的方法还包括以下操作：优选通过将层L在环境温度下暴露，除去未受刺激的基材M1。

在该温度下，未受刺激的基材M1回到液态，同时受刺激的材料K由于其聚合状态而保持固态。

上文明显说明，在实施本发明方法的整个工艺持续期间，基材M没有在高于环境温度下受热。

为此，与上述第二种已知方法不同，基材M不经受劣化，因此实现了本发明目的之一。

显然，除去未受刺激的材料M1甚至可在高于环境温度下进行，因此使得材料M1的液化加速。

与第二种上述已知方法不同，本发明方法不需要用于稳定基材M的时间。

实际上，所述稳定由于当基材M与前层L接触时实际上瞬时冷却，而不是如同所述已知方法通过在环境温度下暴露而发生。

为此，与上文提及的已知方法相比，本发明方法实现了确保更快速的制造物体W。

如图7所示，本发明方法优选但不是必需包括与平台2a直接接触来铺展基层L0，且所述基层不经受刺激。

未受刺激的基层L0有利地防止物体W粘附于平台2a，因此在制造一旦完成时便于收集。

实际上，在除去上文提及的未受刺激的材料M1期间，基层L0变为液态且使物体W与平台2a分离。

就操作角度而言，且如图4所示，液态下基材M的一个层L1利用分配喷嘴6沉积在前一层L上。

当基材M接触前面铺展且通过Peltier元件10保持冷却的层L时，基材M几乎瞬时固化。

如图5所示，冷却的层L1利用切刀8a整平。然后，如图6所示，利用激光发生器9，使层L1在对应于待获得的三维物体W体积的预定区域K中经受选择性刺激。

如图3所示，继续利用该方法进行后续层L的处理，其中相对于分配装置3、发射装置4和整平装置7，以对应于待获得的层L1的厚度的距离降低平台2a。

叠置一定数量所述层L之后的情况示于图7，显示在构成待制造的三维物体W的预定区域K(以深色区域表示)的平面上经受刺激的基材M。

如图8所示，收集图9表示的最终三维物体W通过将基材M冷却至环境温度以使得未受刺激的材料M1回到液态而进行。

位于平台2a和物体W之间的未受刺激的层LO(参见图3)的存在有利于所述收集。

图中所示箭头说明平台2a、激光发生器9、分配喷嘴6和切刀8a在所述各操作期间的移动。

特别地，平台2a优选在垂直方向上驱动，而喷嘴6、切刀8a和激光发生器9则在一个轴或在互相垂直的两个轴上水平移动。

然而，明显的是，在本发明的构造变化方案中，上文提及的装置2a、6、8a和9的相对移动可不同于此处所示的那些，例如可包括仅相对于其它装置在平台2a的三个轴上移动。

如上文所述，在任何情况下，所述装置的动力手段本质上是本领域技术人员已知的。

上文表明本发明的方法和设备实现了所设定的目的。

特别地，基材的冷却使其固化并支撑了待制造的三维物体，因此消除了对特殊支撑的需要。

此外，基材的冷却几乎瞬时发生，其消除了任何等待时间且使本发明方法特别快速。

此外，由于基材不在高于环境温度下受热，因此其不劣化，由此任何过量材料可再用于随后的制造循环。

除了上文所述之外，通过冷却获得的基材的硬化使得其适于机械加工，以获得与可用已知方法获得的那些相比具有更精确厚度的层。

在构造阶段，作为本发明主题的方法和设备可进行其它变化或改变，例如所用基材的类型和因此用于实现所述材料永久固化的刺激的类型。

其它构造变化方案可涉及用于设备各部分相对移动的机理。

在任何情况下，如果上文所提及的改变或变化方案落入如所附权利要求的范围之内，则即使它们未在此处描述，也未在附图中说明，也必须认为它们受本发明专利的保护。

如果在任何权利要求中提及的技术特征之后有附图标记，则那些附图标记仅用于增加对权利要求的可理解性，因此这类附图标记对通过这类附图标记作为实例标示的每个元素的解释不具有任何限制作用。

Claims (20)

1.一种制造三维物体(W)的方法，其中所述物体由基材(M)的多重叠加层(L)构成，所述基材(M)在环境温度下为液态且在刺激作用下能够永久固化，该方法包括下述操作：

-在前一层(L)上铺展所述液态基材(M)的层(L1)；

-使所述层(L1)在一个或多个预定区域(K)内选择性暴露于所述刺激；

-对所述三维物体(W)的各后续层重复所述铺展操作和所述暴露，

所述方法特征在于，其包括在所述刺激之前将所述层(L)冷却至低于所述环境温度的预定操作温度以使所述基材(M)固化的操作。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述冷却操作持续所述层(L)的所述暴露和铺展操作的整个期间。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于，每个所述层(L)的所述冷却通过与前一层(L)接触而自发进行。

4.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述冷却操作利用Peltier元件(10)进行。

5.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，其包括在铺展所述后续层之前使每一个所述层(L)水平的操作。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，所述整平操作在所述刺激之前进行。

7.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述基材(M)的所述铺展在预定区域内选择性地进行。

8.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，每一个所述层(L)的所述铺展利用分配喷嘴(6)进行。

9.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述基材(M)为光聚合物且所述刺激利用预定辐照来实现。

10.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，其包括用于除去未受刺激的基材(M1)的操作。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述除去操作通过将所述层(L)暴露于所述环境温度而实现。

12.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，其包括在铺展所述三维物体(W)的第一层之前铺展基层(L0)的操作。

13.一种用于制造三维物体(W)的设备(1)，其中所述三维物体(W)包括基材(M)的多重叠加层(L)，所述基材(M)在环境温度下为液态且在刺激作用下能够永久固化，该设备包括：

-用于支撑待制造的所述三维物体(W)的装置(2)；

-适于在所述三维物体(W)的前一层(L)上铺展所述基材(M)的各层(L)的分配装置(3)；

-适于发射所述刺激的装置(4)，

所述设备特征在于，其包含用于冷却所述层(L)且使其保持在低于所述环境温度的预定操作温度下的装置(5)。

14.根据权利要求13的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(5)与所述支撑装置(2)相连。

15.根据权利要求13或14的任一项的设备(1)，其特征在于，所述冷却装置(5)包括一个或多个Peltier元件(10)。

16.根据权利要求13-15中任一项的设备(1)，其特征在于，所述分配装置(3)包括分配喷嘴(6)。

17.根据权利要求13-16中任一项的设备(1)，其特征在于，其包括用于使所述层(L)水平的装置(7)。

18.根据权利要求17的设备，其特征在于，所述整平装置(7)包括用于机械移除材料的工具(8)。

19.根据权利要求18的设备，其特征在于，所述工具(8)为切刀(8a)。

20.根据权利要求13-19中任一项的设备，其特征在于，所述发射装置(4)包括激光发生器(9)。

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