CN103770331B - 制造具有内部结构的三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

通过一种逐层添加的构造方法来制造由一种构造材料制造的一种三维物体（1）的方法，其中基于该构造材料的材料参数以及待制造的该物体的预定特性，计算出包含有网格结构的该物体（1）的一个内部结构，以及具有这个内部结构的该三维物体（1）通过该逐层添加的构造方法来制造，从而它包括这些预定特性。

Description

制造具有内部结构的三维物体的方法

本申请是申请日为2011年9月5日名称为：“制造具有内部结构的三维物体的方法”的中国专利申请201180041550.2的分案申请。

本发明涉及一种制造一种具有内部结构的三维物体的方法，该内部结构用以使该物体产生一种预定的特性。具体地，本发明涉及藉由激光烧结、掩模烧结或其他成层方式的构造方法以制造一种在至少一部分呈现柔性的粉末材料三维物体的方法。

存在用于激光烧结的弹性粉末，藉此，可以制造具有类似橡胶特性的一个柔性部。然而，这种烧结粉末的应用范围受到限制。

另外，从DE102005023473A1中已知，通过快速成型如通过激光烧结的方法，以制造具有一定程度弹性部分的鞋底。

A·Bonke以及C·Fruth在他们发表在《添加制造-从原型到系列》，研讨会，编辑D·Drummer，埃尔兰根2009，第151-161页的文章《通过创新的软件概念进行自动化结构生成》中描述了在藉由一种添加制造方法来构造物体时的结构的应用。焦点集中在通过网格结构的使用以得到具有较低重量的物体，其基于这样的事实，不是整个主体体积都必须由大块结实的材料来形成。

本发明的目的在于提供一种制造一种三维物体的方法，通过该方法，具有不同部件特性的三维物体可以由一种预定的构造材料来生成。

这个目的由权利要求1所述的方法来完成。本发明的进一步的改进在从属权利要求中界定。

根据本发明，在计算网格结构的时候，一种构造材料的特定的材料特性也要予以考虑，藉此，一个物体的希望的特性得以实现。因为这个原因，以“人工的”或者“想象的（fictive）”材料来制造物体成为可能：

从一种具有优选的特性（如阻力或耐久性的能力）的构造材料制造具有机械特性（如弹性）的物体，而当将这些物体构造为大块结实物体时这些机械特性是不能得到的。因而，一个被生成的主体具有以下的特性：如果所述主体是由具有希望的特性组合（如阻力和耐久性的能力）的想象的材料大块地结实地形成，则无法获得这些特性。

具体地，本发明的优势在于柔性物体可以只基于内部结构用具有相对较高弹性模量的原材料的构造方式来制造。从而，与弹性体粉末的使用相比较，材料的选择空间非常大。

另外，本发明的优势在于在一个构造工艺中，具有不同机械特性（如不同的刚性）的物体可以由同一种材料制造。另外，一个物体可以由同一种材料在一个构造工艺中制造具有局部地不同的特性，如局部地不同的刚性。

从而，可以制造大量的物体，特别是由具有预定特性的所希望的材料制造的物体可以“按需”制造。因此，物体可能被制造为展示出新的特性组合。

本发明步骤的另外的特征以及目的在基于附图的实施方案的描述下会更明显。

从附图中展示：

图1是一种激光烧结机的一个示意图；

图2a)以及2b)是不施加以及施加作用力F于表面上的具有网格结构的一种方形体（cuboid）的二维示意图；

图3a)以及3b)是类似图2a)以及图2b)的不施加以及施加作用力F于表面上的一种方形体的二维示意图，与图2a)以及2b)相比较，其具有较窄的网格结构；

图4a是在主体中具有不同的网格结构的一种方形体的二维示意图；

图4b是施加作用力F在图4a的该方形体上时的一个二维示意图；

图5是没有力作用时由具有不同内部的网格结构的一个隔板所分离的两个激光烧结主体的示意图；

图6是图5中被一个隔板分开的该激光烧结主体的示意图，其具有不同的网格结构并展示出在一个力的作用下不同的强度的变形。

在下文中，参考图1中所示的该激光烧结方法以及一种激光烧结设备的一个实例来描述本发明的方法。

该设备包括一个构造容器1，在该构造容器1内设置有用于支撑一个待构造的物体3的一个支撑物2。该支撑物2通过一个高度调节器件4在该构造容器内沿着竖直方向可移动。粉末构造材料将会固化的该平面限定了一个工作平面5。为了该粉末材料在该工作平面5内的固化，一个激光器6被设置用来通过一个反射器件8以及必要时通过一个聚焦单元9产生聚焦在该工作平面5上的一种激光束7。一个控制设备10被设置用来控制该反射器件8，并且如果必要，控制该聚焦单元9，从而该激光束7可以被反射至该工作平面5内的任意点。该控制设备10由包含该待制造的物体的结构的数据来控制。该数据包含在每层中待固化的该物体的数据。

另外，设置有一个供应装置11，该粉末构造材料可以通过该供应装置11供应给一个后续层。藉由一个涂覆器12，该构造材料被涂覆在该工作平面5内并且被整理平滑。

在工作过程中，该支撑物2被遂层放低，一个新的粉末层被涂覆并且通过该激光束7被固化在该工作平面5内的对应该物体的对应层内的位置上。

作为粉末构造材料，适合于该激光烧结方法的所有的粉末或粉末混合物都可以使用。这样的粉末包括例如合成粉末，如聚酰胺或聚苯乙烯（PAEK，聚芳醚酰胺），弹性体如PEBA（聚醚嵌段酰胺），金属粉末如不锈钢粉末或适合于对应的目的其他金属粉末，具体地，合金、合成涂覆的沙或陶瓷粉末。

根据本发明的方法，该物体的内部结构基于使用的构造材料的材料参数以及待制造的该物体的预定特性来计算，并且该三维物体被遂层以这种内部结构制造，这样在制造完后，它包括该预定的特性。结果，从该构造材料生成的一个主体具有这样的特性，例如对应从一种不同材料制造的具有相同形状和体积的一个主体的希望的特性，其中，然而，这些希望的特性与实际使用的构造材料的其他的有利的特性进行组合。至少可将弹性模量看作该构造材料的材料参数，。然而，只要在计算中有价值，也可以使用另外的材料参数，例如抗拉强度、硬度、密度、断裂应变、泊松比（泊松系数）等等。在该实施方案中，一种具有大约50MPa的相对高的弹性模量的粉末被用作构造材料。

接着，待制造的该物体的机械特性，在这个实施方案中是待制造的该物体的刚性，通过在一个预定方向施加一个预设的压力来确定。另外的机械特性，例如在不同方向的刚性、抗拉强度、拉伸负荷的断裂应变、泊松比、扭转性能、疲劳性能等可以被确定。

基于该构造材料的弹性模量以及待制造的该物体的至少一个预定特性，计算出一个三维的网格结构。该三维网格结构提供该粉末构造材料通过该激光束的作用而固化的位置。在其间的腔体中，该粉末未被固化。该三维物体然后根据计算的网络结构遂层构造。优选地，该网络延伸至各个层的边界区域，从而该制造好的物体完全由没有任何完全封闭的表面的该网格结构组成。这样，在该制造工艺之后，可以容易地去除未固化的粉末材料。替代地，各层的整个轮廓或者该轮廓的部分可以被固化。在这种情况下，产生的该物体的轮廓可以是完全封闭或部分封闭。形成一个外封的该轮廓可以被设计为使它吸收变形，例如，它可以形成为一个波纹状结构或者形成为彼此接合并且相对彼此可移动的部件。如果必要，在烧结期间或之后，可以设置用于去除未固定的粉末材料的开口。

图2a示出具有一个第一网格结构的一个方形体1的二维视图。图2b示出图2a的该方形体的二维示意图，该方形体在施加在整个表面上的一个力F的作用下被压缩一个预定量。图3a示出了一个方形体2的二维示意图，该方形体2具有与图2a类似尺寸，并且具有一个带有较小网格间距的第二网格结构。图3b示出受与图2b类似大小的力F作用的图3a的方形体的二维示意图，该力进而作用在该整个表面上因而压缩该主体。根据图3b)的具有窄网格结构的该方形体的刚性比图2b)的更大。

例如，该网格结构可以是一个菱形网格，但也可以是可以使用的任何任意的其他网格。该网格的单元室的尺寸可以变化，并且它们一般在该单元室的侧向长度上的几个毫米范围内。这些网格条的厚度在大约0.1毫米至2毫米范围内。在一个具体情形中，例如对于特别大的部件或对于矩形或类型网格截面，其在一个方向上比另外的方向具有大得多的尺寸，这些网格条的厚度也可以是在厘米范围内。通过该单元室的尺寸以及这些单一的网格条的厚度的变化，待制造的该物体的希望的刚性可以按无级方式改变。

在该方法的另外的改进中，该网格可以在待制造的该物体内部变化，从而与方向和负载一致，可以产生待制造的该物体的不同的特性。例如，从图4a以及4b可以得出，一个主体10可以包括具有一个网格结构的部分11、12，其与一个中心部分13不同，该中心部分13在一个压力f的作用下比部分11、12更有弹性，如图4b所示。图4a以及4b所示的这些网格结构11、13、12连续地彼此合并。

图5和6示出具有不同内部网络结构的PEBA（聚醚嵌段酰胺）的两种激光烧结主体，其中这些主体被一个隔板分开。图5示出没有力作用的这些主体，并且图6示出具有力作用的这些主体。因为不同的内部网格结构而具有不同强度的变形。该下侧主体比该上侧主体有更强烈的变形。

在一个另外的改进中，待制造的该物体，对应其刚性，不仅展示出一个线性行为，而且可以非线性地形成。这可以通过提供中止部来实现，例如，其中一个中止部由在该物体内的一个刚性部分形成。例如，一个刚性部分可以由部分地烧结或完全地烧结在表面上的一个区域来生成。

在一个另外的改进中，可以额外地改变该网格结构的固化度。

在一个另外的改进中，可以通过在一个主体内的该网格结构的变化来产生一个预定的断裂点。

通过该方法，可以制造所有类型的柔性部件，例如减振器、插入式鞋底、保护垫等。

本发明不限于激光烧结。它可以用于所有生成性方法，其中一个主体由一种构造材料以成层的方式制造，例如立体光刻，其使用一种液态光固化树脂代替一种粉末材料；三维印刷，其中该粉末构造材料通过一种可以按液滴的形状施加在该粉末层上的粘合剂来固化；例如，或者也可以是选择性掩膜烧结，其中一个掩膜以及一个扩展的光源被用来替代一种激光束。

Claims (11)

1.通过逐层添加的构造方法由构造材料制造一种三维物体(1)的方法，其中

基于该构造材料的材料参数以及待制造的该物体的预定特性，计算出包含网格结构的该物体(1)的一个内部结构(11、12、13)，以及

通过该逐层添加的构造方法来制造具有这个内部结构(11、12、13)的该三维物体(1)，从而使其包括这些预定特性，

其特征在于，所述内部结构(11、12、13)被计算为使得：由具有弹性模量E1的构造材料制造具有在E2至En之间的不同弹性模量的n个柔性部分的柔性物体(1)，其中E1大于每个弹性模量E2至En，即，El>E2...En，并且所述柔性物体(1)具有若干不同机械特性的区域，其中所述区域以无级方式彼此连续地合并。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用弹性模量和/或抗拉强度和/或硬度和/或密度和/或断裂应变和/或泊松比以及另外的材料参数作为该构造材料的材料参数，以及使用刚性和/或抗拉强度和/或拉伸负荷下的断裂应变和/或泊松比和/或扭转性能和/或疲劳性能和/或在一个预定力作用下该物体的另外特性作为该物体的特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该网格结构的轮廓或者保留为开放、或者通过一个外封完全地或部分地被关闭。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该网格结构的轮廓或者保留为开放、或者通过一个外封完全地或部分地被关闭。

5.根据权利要求3至4中任一项所述的方法，其特征在于，在该网格结构的该轮廓内，存在多个开口用来去除残留的材料。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，待制造的该物体的至少一个机械特性通过网格类型和/或单元室的尺寸和/或网格条的厚度和/或固化的程度的变化来调节。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，多个具有不同的机械特性的物体(1)通过同一种原材料制造。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过该内部结构(11、12、13)来产生一个线性柔性物体(1)，或者该内部结构包括中止部从而得到具有非线性柔性的一个物体。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，粉末构造材料被用作该构造材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该逐层添加的构造方法是一种激光烧结方法。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该逐层添加的构造方法是一种掩膜烧结方法。