CN102481728B - 用于制造三维物体的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过选择性固化造形材料而制造三维物体(7)的方法，在所述方法中，掩模(9)由至少一个辐射源(5)面式辐射。本发明提出，所述掩模(9)距造形平面(6)一距离地布置，利用光学成像系统(13)在所述造形平面(6)上生成所述掩模(9)的像。

Description

用于制造三维物体的方法与装置

技术领域

本发明涉及通过选择性固化造形材料而制造三维物体的方法，在该方法中，掩模由至少一个辐射源面式(areally)辐射。

背景技术

由现有技术可知用于制造三维物体的各种不同的创建方法，例如激光烧结或选择性掩模烧结(SMS)工艺。利用这些热学方法，借助于加式制造方法(additive production method)由CAD数据直接生产三维物体。所述物体被分层创建，这是通过造形材料的各层被依次彼此上下地施涂而实现的。在每次施涂下一个层之前，相应的层中与所制造的物体对应的部位被固化。借助于辐射源局部加热粉末分层原料而实现固化。因为射线以目标化的方式被引入到所期望的区域中，所以任何性质的精确限定的物体结构都可以生成。在这种情况中，层厚度是也可调的。这种方法尤其适用于通过依次生成多个薄、单独构造的层而制造三维物体。

在这种层构造方法中所采用的材料例如是树脂、塑料、金属或陶瓷。实现这种层构造方法的单元也称为“层制造”或“快速造型”单元。

另外在选择性掩模烧结中，粉末被施加为层并且选择性被熔融。然而，与激光烧结相反，并非采用点式激光源，所使用的是面式作用的辐射源(通常红外辐射器)，其面式辐射掩模。因而在一个步骤中实现一个整个目标平面的局部熔融，并且层的曝光时间与部件的复杂性无关。

由IR吸收材料(例如色剂(toner))制成的掩模大体上被印制到诸如玻璃板的透光式掩模载体上，其中所述透光式掩模载体然后在造形室中布置的粉末床(powder bed)直接上方安置。造形平面内的所有未由掩模覆盖的区域然后被曝光并且熔融。通过热量传导到粉末中并且进入到部分制造的部件内，在冷却之后形成层。

换句话说，红外辐射器透过掩模加热粉末床的表面，并且使得颗粒局部熔融。在固化之后，所述颗粒形成了正被制造的部件的层。该过程逐层反复，根据生成的目标平面在每个曝光步骤中采用相应结构化的掩模。换句话说，在每个曝光步骤之后，掩模从掩模载体被擦除，并且掩模载体印制有新的掩模。

同时，造形平台在每次曝光之后降低期望的层厚度，并且所降低的造形空间由新的粉末充满并由与油墨辊刀(ductor blade)类似的分料器被施涂。与此同时地，掩模载体从造形空间被移出，并且配备新的掩模。该过程然后再次开始，直至所有层都已经被曝光并且物体因而已经被完全制造。

由于多个光源的采用并且由于衍射效应，在掩模之后产生不同的阴影区，例如核心阴影(core shadow)和半阴影以及由于采用不同波长区所造成的所谓的“有色阴影”。使用已知的所有造形技术，因此形成阴影的掩模必须直接布置在所要曝光的层的前方或上方。换句话说，在现有技术中所有已知的方法中，采取措施以最小化掩模与造形层之间的间隔。

为了减小该间隔，例如已经提出了不将掩模施加到掩模载体的上侧上而是施加到掩模载体的下侧上。除了这甚至不允许完全消除衍射效应的事实以外，利用该方法作为解决方案的不利之处在于遮蔽材料(色剂)掉落到部件上并且污染目标层。

在所有已知的方法中的另一不利之处在于，掩模由于辐射而是非常热的；例如，可以出现150℃与190℃之间的温度。然而，遮蔽材料的材料稳定性是低的，从而已经使用过一次的遮蔽材料通常无法二次使用。

发明内容

本发明的目的在于考虑现有技术已知的方法的不足优化三维物体的制造。该目的通过根据权利要求1的方法以及根据权利要求15的设备实现。

因此，提出了一种通过选择性固化造形材料而制造三维物体的方法，在所述方法中，掩模由至少一个辐射源面式辐射，该方法的特征在于掩模距造形平面一距离地布置，并且借助于光学成像系统在所述造形平面上生成所述掩模的像。

同时提出了一种用于通过选择性固化造形材料而制造三维物体的设备，掩模由至少一个辐射源面式辐射，所述设备包括具有掩模的掩模系统；至少一个辐射源；以及用于接收造形平面的造形室，所述设备的特征在于所述掩模距所述造形平面一距离地布置，借助于借助于光学成像系统在所述造形平面上生成所述掩模的像。

针对本发明可实现的制造方法的背景技术，还描述了新颖的造形材料以及该材料的应用(权利要求22和25)。提出了用于通过选择性固化而制造三维物体的造形材料，所述造形材料具有至少一个这样的材料特性，其可以根据所使用的射线通过材料的辐射而被激活。

在从属权利要求中说明了本发明的有利实施例。结合该方法以下所述的优点和实施例也应用于对根据本发明的系统进行修正并且反之亦然。

本发明的核心思想在于通过将掩模距造形平面一距离地布置而避免上述问题。换句话说，提出了增加一方面造形平面与另一方面由至少一个辐射源面式辐射的掩模之间的间隔。这根据本发明通过采用光学成像系统(其例如形式为透镜系统)而实现。本发明使得可以实现一种改型的掩模烧结方法，在所述方法中，利用距造形平面一距离布置的掩模，在单个步骤内结合掩模的辐射以及与之相关地整个目标平面的熔融。因此，掩模阴影并未像现有系统那样被成像到造形平面上。实际上，掩模的像被投影到造形平面上。与传统的方法相反，特别大量的能量被传输并且被用于掩模投影。因而与现有方法相比可以增加解析与成像精度。

术语“光学成像系统”在本文中理解为设置用于实现光像的光学系统。换句话说，通过将自物体的一点发出的电磁射线结合，借助于光学系统在成像点生成像。针对本发明而言，这意味着光学成像系统在造形平面内生成掩模的像，所述像位于造形室内。换句话说，光学成像系统的采用允许掩模布置在几乎任何位置。

为了利用自射线源发出的射线面式辐射掩模，还设置一方面与掩模并且另一方面与光学成像系统相互作用的曝光系统，从而实现根据本发明的效果。

曝光系统、光学成像系统与掩模的位置优选彼此相互协调，从而由面式辐射的掩模所发出的大部分非期望的射线(弥散传播、弥散反射)并不行进到光学成像系统中。与光学成像系统的有限孔径结合，因而基本上消除了不期望的阴影的形成。光学成像系统的采用还用于增加像的对比度。另外，由于不同波长所导致的像差、例如色差可以借助于光学成像系统被补偿。

换句话说，在掩模借助于光学成像系统被投影到造形平面上时，随之而来的是掩模像放大的、减小的或调整的转移到用作为投影表面的造形平面上。本发明因而一方面允许非常小的、高解析的物体并且另一方面允许具有低解析度的非常大的物体在单层制造单元中被制造。由于投影可以造成的放大或缩小，所以本发明与不同的掩模解析度结合实现了特别通用的加式制造方法。

如果掩模减小，则造形平面内的能量密度然后同时也通过光学成像系统增加。换句话说，掩模用作为“放大器”，从而每单位时间引入到造形平面中的能量以及每单位面积引入到造形平面内的能量可以单独地被控制、尤其增加。

在本发明的上下文中，“掩模”理解为允许选择性透过射线的结构。换句话说，每个掩模包括透明区(“开口”)以及不透明区，并且由于射线源发出的射线透照至少一次，所述射线在透照时被至少部分地吸收。

本发明与所使用的掩模技术无关。所利用的掩模因而一方面可以是已经提到的色剂掩模，其中色剂作为遮蔽材料被印制到用作为掩模载体的玻璃板等上。然而，除色剂掩模外，LCD掩模或根据电子纸(e-paper)技术其作用的掩模也可以被使用。例如，此后将认为色剂掩模被采用。

掩模优选由至少部分吸收性遮蔽材料制成。在另一实施例中，非指向性地、即以弥散的方式反射输入的射线的遮蔽材料被采用。换句话说，在掩模上实现入射的射线的至少部分吸收或弥散式反射。

掩模可以被施涂到透光式或反射式掩模载体上。换句话说，掩模载体本身可以像掩模那样被透照，或者面式辐射掩模的射线在掩模上弥散式反射。在这种镜系统被采用时，掩模被透照两次，这是因为第一次透照掩模的射线在掩模载体上被反射并且然后在再次离开掩模之前二次透照掩模。因为在这种情况中掩模被透照两次，所以遮蔽材料的光密度可以低于一次透照中所需的情况。因此，可以采用不同的遮蔽材料，或者与透光式掩模载体的情况相比，更少的遮蔽材料需要被施涂到掩模载体上。

特别有利地，掩模载体的温度可调。这一方面可以通过“被动”温度控制实现，例如使用由金属制成的掩模载体，在所述掩模载体中，由于高导热率，所以由于遮蔽材料所吸收的能量快速散热并且传递到掩模载体中并且因而冷却掩模。可选地或附加地，可以实现掩模载体的“主动”温度控制。为了能够降低遮蔽材料上的总温度应力，掩模载体的主动冷却是尤其可行的。当然，可选地，同样可以加热掩模载体。

如果遮蔽材料上的温度应力低，则该遮蔽材料可以多次使用、即多次熔融操作。

在本发明的另一有利实施例中，至少一个辐射源可移动地布置。这尤其在以下情况中是特别有利的，即通过辐射源的移动可以在造形平面上实现每单位面积的能量的特别均匀的量。

如果可以同时采用或彼此可选地采用的多个辐射源设置的话，则可以实现多个其它优点。

对此，可以增加像中引入的总能量或能量密度。由于特别大量的能量可以每单位时间引入到造形平面内，所以熔融以及因而造形过程被加速。

尽管根据传统的投影系统可以实现仅仅相对低的功率级别，但是根据本发明的技术以完全不同的功率级别尺度工作。在实施根据本发明的方法时为了熔融传统的塑料例如聚酰胺所使用的能量密度例如因而是在从1至10每平方厘米瓦的范围内、优选是在从2至5每平方厘米瓦的范围内。

另一方面，对于传统的单位，能量密度大体上是在从0.001至0.05每平方厘米瓦的范围内。

投影系统(光学成像系统)的最后一个部件优选传输至少一千瓦的辐射功率级别。在本发明的优选实施例中，造形平面接收2至5千瓦的能量。

借助于本发明，可以增加入射到造形平面上的能量通量。如果在这种情况中采用频谱窄带的辐射源的话，则解析精度或成像精度、即掩模被成像到造形平面上的精度可以显著增加。另一方面，在宽带的辐射源被采用时，更多的能量可以以解析精度为代价被传输。窄带与宽带辐射源都设置的层制造单元的操作因此可以针对不同的要求而调整。这种层制造单元是特别通用的。

此外，如果采用多个辐射源的话，则为了避免像差，则源的尺寸尽可能的小是特别有利的。优选采用与理想的点源尽可能相对应的那些辐射源。

此外，在多个辐射源被采用时，可以将不同量的能量引入到像的不同的子区域中。因而，选择性曝光是可行的。

如果多个辐射源同时是具有不同功率级别和/或具有不同波长或波长谱的源，则各种其它曝光改型可以实现。然后，不仅可以使得像的特定的子区域由多个辐射源辐射，如果不同类型的辐射源可采用的话。因而，可以控制引入到像的子区域中的能量的大小。此外，每个曝光步骤的最大功率级别是单独可调的，并且在制造三维物体时可以采用具有这样的材料特性的造形材料，其中所述材料特性可以像如下进一步详细所述那样以取决于波长的方式激活。

在多个辐射源被采用时，可以设置成在固化操作的过程中，向像的完全遮蔽的部分供应能量的那些辐射源被关闭。掩模与掩模载体的不必要的加热因而可以避免。

在设计方面，掩模与造形平面之间的增加的间隔导致了掩模系统与造形室的隔离。这不仅导致了遮蔽材料上的小温度应力，与传统的方法相比，造形室内的温度分布也得到改进，这是因为在造形室内可以创建限定的造形室环境(压力、温度等)。具体地，在造形室内可以产生真空，因而使得可以实现特别净化的制造方法。此外，如果光学成像系统被设置成其界定造形室，则造形室中的“光学窗”不再是必须的。

光学成像系统本身优选包括至少一个透镜。实际上，大体上采用透镜系统。曝光系统优选包括均化器(“光混器”)，其在辐射源与掩模之间布置，将来自辐射源的射线指向到掩模上并且确保掩模的充分覆盖的辐射。除均化器外，其它光学元件也可以用作为曝光系统的组成部分。

在本发明的实施例中，光学成像系统包括反射式掩模载体以及Offner转像结构。该Offner转像结构是具有两个同心镜的非放大光学组件，在其中高效地消除了所有主要的像差。这种结构的基本原理例如在专利公开文献US3748015中得到说明。在这种情况中，Offner转像结构主要用于消除来自像的误差。在本发明的特别优选的实施例中，Offner转像结构是光学成像系统的唯一的光学组件。

掩模载体优选可移动地设置成它可以移出光学成像系统的光束路径，从而更改掩模。为了扩大或缩小掩模的像，掩模载体优选不被移动。实际上，光学成像系统的元件、例如个别透镜可以相应定位。

在具有不同波长或波长谱的辐射源、例如红外辐射源、紫外辐射源等被采用时，除了在吸收专门工作波长的射线时熔融的基材料以外，附加的吸收材料(大体上以粉末形式存在)被混入到造形材料中。该附加的吸收材料吸收与工作波长不同的其它波长的射线或者其它波长谱的射线。同时，通过该其它射线的吸收激活造形材料的专门特性。因而，不仅由工作波长还由其它波长激活的限定的区域可以被上色，如果由于附加波长的吸收而在造形材料中出现颜色变化的话。通过吸收特定波长的射线可以被激活的其它材料特性是可行的。此外，还可以设置对不同的工作波长起反应的造形材料，其中工作波长中的一个同时也是特定材料特性可以被激活的波长。

附图说明

以下参照附图进一步详细说明本发明的示意性实施例，其中：

图1示出了根据现有技术的层制造单元；

图2示出了根据本发明的层制造单元；

图3示出了掩模载体的透射情况中的光束路线；

图4示出了镜系统的情况中的光束路线；

图5示出了多个辐射源的情况中的光束路线；并且

图6示出了具有多个辐射源的镜系统的情况中的光束路线。

具体实施方式

所有附图仅仅示意性地示出了本发明及其基本结构。在本文中，相同的附图标记指的是具有相同或可比较功能的元件。

由现有技术可知的层制造单元在图1中示意性示出。在该单元的限定造形空间1的造形室2内设置光学窗3，红外射线4自在造形室2外布置的辐射源5透过所述光学窗能够进入造形室2内。在所述室内布置在将要制造的物体7的造形平面6的正上方的掩模载体8上的色剂掩模9由红外射线4面式辐射，由此，创建物体7的层。在该级别的曝光之后，粉末床11向下移动限定的距离，并且掩模载体8从造形室2移出，以便由打印机12印制下一层曝光所需的掩模9。

图2相反地示意性示出了根据本发明的层制造单元。所使用的掩模系统在造形室2外布置。具体地，具有色剂掩模9的掩模载体8距位于造形室2内的造形平面6一距离地布置，并且实际上位于造形室2外并且在空间上与所述造形室隔离。造形室2本身是密封的。在造形室2的内部中并因此在造形空间1内存在真空。造形室2物理上由光学成像系统的一个元件13限定。该光学成像系统的形成造形室边界的元件13例如是光学成像系统的透镜系统的透镜。

红外辐射器用作为辐射源5。该辐射源辐射掩模9的整个表面。出于清楚的原因未示出光学成像系统的其它元件。在所示的改型中，元件13示意性代表了整个光学成像系统。在实际中，光学成像系统通常包括多个(大体上不同的)光学元件例如透镜、过滤器、反射镜等。

由辐射源照射的色剂掩模9在造形室2外距造形平面6一距离地布置。利用光学成像系统在造形平面6上生成掩模9的像，这是由于掩模9的像被投影到造形平面6上。

在如图3所示的本发明的实施例中，掩模9在透光式掩模载体8a上布置。由辐射源5发出的红外射线4利用在辐射源5与掩模9之间布置的均化器14被施加到掩模9的整个表面上，并且在耦合到光学成像系统中并投射到造形平面6上之前透照掩模9与掩模载体8。光学成像系统在此由光学元件13代表。均化器14示意性代表了曝光系统。除均化器14，曝光系统还可以包括聚光透镜或其它光学部件。

在如图4所示的本发明的实施例中，掩模9在反射式掩模载体8b上布置。由于红外射线4二次经过掩模9，所以遮蔽材料的应用可以相应地被优化。光学成像系统在此不仅包括透镜13还包括两个镜/反射镜15。

在本发明所示的实施例中，掩模载体8可以被高效地冷却，从而用于生成掩模9的遮蔽材料(色剂)可以多次使用。

在如图5所示的本发明的实施例中，设置多个辐射源5，它们同时被采用，从而不同量的能量可以被引入到造形平面6中的像的不同的子区域中。

同时，具有不同功率级别以及不同波长或波长谱的辐射源5被采用，从而能量输入可以单独地为所选的像的区域被控制。具有能够以波长选择性方式被激活的特性的造形材料的使用使得可以制造具有独特目标特性的物体。在这种情况中，并不有助于造形平面6固化的辐射源5被关闭。

在本发明的如图6所示的实施例中，像在如图4所示的实施例的情况中那样，采用反射式掩模载体8b。然而，相反地，采用了多个几乎点式辐射源。光学成像系统并不包括透镜而实际上包括Offner转像结构(Offner relay arrangement)16，其中所述Offner转像结构具有中央凸面镜17以及凹面镜18。自辐射源发出的并入射到掩模9上的射线两次经过掩模9，这是因为所述射线在掩模载体8b上被反射。自掩模9射出的射线射向Offner转像结构16的第一反射区19。在结构16内三次反射之后，射线离开该结构并且投射到造形平面6上。两个反射区19和20属于Offner转像结构16的同一镜18。

在所示的实施例中，光学成像系统与曝光系统都仅仅示意性示出。这两种系统取决于实施例并取决于所期望的结构包括所有可行的光学部件。例如，除所提到的红外辐射器外，还可以采用在其它波长或波长区操作的辐射源。

在说明书、权利要求书与附图中出现的所有特征单独地以及彼此任意组合地对于本发明而言是基本的。

附图标记列表

1        造形空间

2        造形室

3        光学窗

4        红外射线

5        辐射源

6        造形平面

7        物体

8        掩模载体

9        掩模

10

11       粉末床

12       打印机

13       光学成像系统的元件

14       均化器

15       镜

16       Offner转像结构

17       第一镜

18       第二镜

19       第一反射区

20       第二反射区

Claims (18)

1.一种通过选择性固化造形材料而制造三维物体(7)的方法，在所述方法中，掩模(9)由至少一个辐射源(5)面式辐射，其中，所述掩模(9)距造形平面(6)一距离地布置，通过使用光学成像系统(13)在所述造形平面(6)上生成所述掩模(9)的像，所述掩模(9)在反射式掩模载体(8b)上布置，所述掩模(9)由所述辐射源(5)发出的射线(4)透照两次，设置多个同时使用的或选择性使用的辐射源(5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩模(9)的像被投影到所述造形平面(6)上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，制成所述掩模(9)的遮蔽材料至少部分地吸收所使用的辐射源(5)的波长或波长谱；和/或弥散地反射所使用的辐射源(5)的波长或波长谱。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述掩模载体(8)的温度是可调的。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述遮蔽材料多次使用。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个辐射源(5)能够移动地设置。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，与所述像的第二子区域相比，不同量的能量被引入到所述像的第一子区域中。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有不同功率级别的辐射源(5)被同时使用。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具有不同波长或波长谱的辐射源(5)被同时使用。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在固化操作的过程中并不启动无助造形平面(6)固化的辐射源(5)。

11.一种通过选择性固化造形材料而制造三维物体(7)的设备，掩模(9)由至少一个辐射源(5)面式辐射，所述设备包括：

具有掩模(9)的掩模系统(8、9、12)；

至少一个辐射源(5)；以及

用于接收造形平面(6)的造形室(2)，

其中，所述掩模(9)距所述造形平面(6)一距离地布置，通过使用光学成像系统(13)在所述造形平面(6)上生成所述掩模(9)的像，所述掩模(9)在反射式掩模载体(8b)上布置，所述掩模(9)由所述辐射源(5)发出的射线(4)透照两次，设置多个同时使用的或选择性使用的辐射源(5)。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述掩模(9)在所述造形室(2)外布置。

13.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述掩模(9)与所述造形室(2)物理上隔离地布置。

14.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述光学成像系统(13)或者所述光学成像系统(13)的元件限定所述造形室(2)。

15.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述光学成像系统(13)包含至少一个透镜。

16.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，为了面式照射所述掩模(9)设置曝光系统。

17.根据权利要求11或12所述的设备，其特征在于，掩模载体(8)在所述光学成像系统(13)的光束路线上能够移动地布置。

18.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，，所述曝光系统包括在所述至少一个辐射源(5)与所述掩模(9)之间布置的均化器(14)。