CN103946008A - 通过立体光刻工艺获得的改良的三维物体及用于所述物体的电脑图形设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为通过立体光刻工艺制造的三维物体(1)，该三维物体(1)包括多个支撑件(3)，该多个支撑件(3)通过接合元件(4)连接至物体的本体(2)，接合元件(4)中的每一个能够识别成形区域(5)，成形区域(5)相对于接合元件(4)的外表面凹入并且具有底部角部(6)，底部角部(6)划定用于拆分支撑件(3)的预先建立的断裂区域(7)。接合元件(4)中的每一个包括第一本体(8)和第二本体(9)，第一本体(8)从划定物体的本体(2)的外表面突出，第二本体(9)从支撑件(3)突出，本体(8)和(9)彼此连接以限定成形区域(5)，成形区域(5)的底部角部(6)划定预先建立的断裂区域(7)的。本体(8、9)中的每一者具有构成球体或椭圆球体的外表面的一部分的凸形弯曲外表面。

Description

通过立体光刻工艺获得的改良的三维物体及用于所述物体的电脑图形设计的方法

技术领域

本发明涉及一种通过立体光刻工艺获得的改良的三维物体，并且特别地，本发明涉及使物体的不同部件彼此连接的支撑件的接合元件。

本发明还涉及一种用于该物体的且特别是所述接合元件的电脑图形设计的方法。

背景技术

已知立体光刻技术为一种允许直接从通过CAD/CAM软件处理的数字数据开始制作三维物体的技术。

由于立体光刻技术使得能够在短时间内获得甚至具有复杂构造的三维物体——该三维物体可以在进入工业制造阶段之前进行分析和测试，因此立体光刻技术主要用于制作原型。

出于此目的，立体光刻工艺广泛地被使用来制作物体的模型，该物体的模型将通过熔模铸造连续地进行生产。

立体光刻工艺基本上通过厚度在十分之一微米的数量级的多个层的叠置生产三维物体，该三维物体通过使在光存在的情况下进行聚合的液态树脂在与待生产的物体的容积对应的区域中暴露于选择性光刺激而获得。

市场上存在多种类型的立体光刻机械，在这些立体光刻机械中，例如，存在基本上包括箱的立体光刻机械，该箱适用于容纳液态树脂并且通过透明的底部和模化头部来定界。

模化头部定位在箱的顶部上并且设置有适用于支撑正在形成的三维物体的平表面以及使该平表面相对于箱的底部移动的动力装置。

在物体形成过程的初期，平表面浸入液态树脂中，直到该平表面变得定位在距底部的距离等于要获得的第一层的厚度的位置处为止。

包括在箱的底部与模化头部的平表面之间的树脂层选择性地暴露于激光束，该激光束来自设置在箱的底部之下且与笛卡尔直角坐标型机器人相关联的激光发光体。

因此，树脂仅在与要被制作的物体的容积对应的区域中暴露于电磁辐射并且在固化期间树脂粘附至模化的头部平表面。

一旦已经完成固化过程，则头部与粘附至头部的物体的第一层一起被升起，以允许箱内的树脂的液面恢复。

一旦树脂液面已经恢复，则头部再一次被浸入树脂中并且以上描述的操作被重复进行以使得将粘附至第一层等的第二层沉淀，直到要被制作的物体已完成为止。

如果该物体包括从基部突出或在基部底切且可能屈服或者弯曲的部分，则在物体形成过程期间制造专用柱——通常叫做支撑件——以支撑所述突出的或者底切的部分，其中，所述支撑件构成该物体的一体的部分并且在一旦物体已经完成时被移除。

根据已知技术，支撑件——在特别复杂的物体中可能存在很多支撑件——的移除通过切割器手动地执行并且产生若干公知道的缺陷。

如果该物体用作用以获得通过熔模铸造技术铸造的部件的模型，则从模型手动移除支撑件不能保证成品的恒定的高品质。

实际上，如果通过在与模型的表面隔开相当远的位置处对支撑件进行切割来执行支撑件的移除，则一旦金属已经固化，必须通过机械加工移除的对应突出的残余部分将存在于通过熔模铸造连续生产的部件上。

另一方面，如果通过在模型的表面的高度处对支撑件进行切割来移除支撑件，则如已知的在任何情况下，切割器叶片在模型的本体中在每个切割点处产生凹部，使得必须被适当地填充的空穴区将与固化的金属部件中的所述凹部相对应。

因此可以理解的是，由于实际上操作者不可能通过相同的方式手动地进行切割，因此，存在于模型中的所有支撑件意味着成品上将存在随机分布的突出部和中空部。

因此，可以注意到的是，实际上不可能使铸件具有都一样的品质。

另一个缺点在于，由于支撑件的切割仅取决于操作者在操纵切割器方面的能力，因此执行时间和成本都相当高。

又一个缺点通过如下的事实表示：在具有相同的抵抗截面的情况下，切割每个支撑件所须的切割应力随着制成支撑件的材料的类型变化而变化。

因此，为了制作可以用具有恒定值或由操作者确定的值的力气进行切割的支撑件，需要根据使用的材料的类型将支撑件设计和制作为具有不同的截面。

根据现有技术，已知一种用于通过立体光刻工艺制作的三维物体的支撑件且在专利文献US2009/0072447A1中描述的方法。

在所述专利文献中给出的指示用于在三维物体形成过程期间支承三维物体的支撑件的截面的设计。

更特别地，包含在专利文献中的指示限于定义为一种适用于确定支撑件的最佳几何形状以使得支撑件有充分地抵抗力以支撑正在形成的三维物体的方法。

因此，以上提及的专利文献不包含对于以分析的方式设计和限定将支撑件连接至三维本体的接合元件的几何形状而言有用的指示，并且因此，包含在以上提及的专利文献中的指示不能够克服以上已经描述的已知技术的缺点。

发明内容

本发明旨在克服以上描述的所有缺点。

特别地，本发明的第一目的是提供一种改良的三维物体，该三维物体通过立体光刻工艺获得并且设置有用于突出的部件的支撑件，该支撑件可以在不需要在支撑件与它们所属的物体的本体进行连接的区域附近使用工具来切割支撑件的情况下以容易和快速的方式被移除。

本发明的又一个目的是确保在每个支撑件与物体的本体之间的连接区域中存在适于促进支撑件的拆分的预先建立的断裂区域。

本发明的另一个目的是确保在拆分后，在每个支撑件与物体的本体之间的连接区域中，具有准确地限定的长度的突出的本体保持粘附至该物体。

本发明的另一个目的是确保预先建立的断裂区域的位置、尺寸和形状，以及本体从所述物体突出的长度可以在物体自身的电脑图形设计期间提前确定。

本发明的又一个目的是，与已知技术相比，减小移除支撑件需要的时间和成本。

本发明的又一个目的是，与已知技术相比，提高三维物体在支撑件移除后的品质。

本发明的另一个目的是，与已知技术相比，减小三维物体的设计成本。

本发明的又一个但并非最无足轻重的目的是，提供一种用于作为本发明的主题的三维物体的电脑图形设计的方法。

根据本发明的以下描述的实施方式，每个支撑件通过设置有适用于确保支撑件的拆分的预先建立的断裂区域的接合元件来连接至三维物体的本体。

本发明还限定了一种使用具有凸形弯曲表面的立体元件的电脑图形设计的方法，该凸形弯曲表面的立体元件贯穿(compenetrate)三维物体、支撑件并且因此彼此贯穿。

该设计方法使得能够对每个接合元件的几何形状和品质以及抵抗特性进行编程，如以下将更详细地说明的。

特别地，每个接合元件的尺寸和形状可以与支撑件的尺寸以及接合元件所连接至的三维物体的表面的形状和位置相独立地进行设计。

有利地，根据本发明，设计者可以根据他/或她的自身需要且根据材料的特性来设计支撑件自身以及支撑件中的每一者的接合元件的形状和尺寸，使得支撑件可以以和已知技术相比更为简单、快速且便宜的方式被移除。

仍然有利的是，设计者可以将物体设计并计划成具有每个支撑件的接合元件，并且将物体表现为不具有支撑件。

这样，设计者可以将物体显示为不存在支撑件，另一方面，这在现有技术中是不能实现的。

此外，有利的是，设计接合元件的形状和大小的所述可能性使得也能够限定物体的品质的程度。

仍然有利的是，可以在不使用例如像切割器或者类似切割工具之类的切割工具的情况下，手动地执行支撑件的移除。

此外，有利的是，具有对应的预先建立的断裂区域的接合元件的存在还使得能够在接合元件具有支撑件不能被手动地拆分和移除的尺寸的情况下安全地定位该切割器或类似的切割工具。

附图说明

下面将参照本发明的参照附图通过非限制性示例的方式提供的优选实施方式对本发明的以上提及的目的和优点进行更详细地描述，在附图中：

-图1示出了作为本发明的主题的改良的三维物体的示意图；

-图2和图3示出了图1的细节；

-从图4至图6示出了本发明的物体的设计的不同阶段；

-从图7至图12示出了图1中示出的物体的细节。

具体实施方式

在图1中的总示意图示出了作为本发明的主题的三维物体，其中，该三维物体由1表示。

可以观察到的是，该物体包括为大致圆形形状的环形本体2，该环形本体2设置有在内部和外部连接至环形本体2的多个支撑件3。

重要的是要指出：示出的三维物体仅示出为通过立体光刻工艺获得的并且设置有在形成过程期间保持物体的部件的多个支撑件的任意的三维物体的示例。

此外，三维物体1的环形本体2构成期望的模型。

由于本文以下提供的说明可能涉及通过立体光刻工艺获得任意形状和尺寸的任意三维物体，因此仅为了描述和示出的简化的目的而决定以图中示出的三维物体1作为参照。

如已经说明的，在物体形成期间产生了支撑件3，如图1中所示，支撑件3通过接合元件连接至物体，接合元件中的每个接合元件总体上由4表示。

根据本发明，在接合元件4中的每个接合元件中，能够识别成形区域5，该成形区域5相对于接合元件4的外表面凹入并且具有底部角部6，底部角部6划定用于接合元件4的拆分的预先建立的断裂区域7。

特别地，还参照图2和图3，接合元件4中的每个接合元件包括第一本体8和第二本体9，第一本体8从划定三维物体1的本体2的外表面突出，而第二本体9从支撑件3突出，所述本体8和9彼此连接成以便限定成形区域5，该成形区域5的底部角部6划定所述预先建立的断裂区域7。

因此，所述预先建立的断裂区域7限定了抵抗截面，该抵抗截面的表面积取决于底部角部6的周长。

因此，预先建立的断裂区域7的存在使得能够尤其是在不需要例如像剪切机和切割器之类的干预切割工具的情况下在清楚限定的点处以简单且快速的方式使每个接合元件4与物体1的本体2分离。

此外，预先建立的断裂区域7的存在限定精确的区域，如果由于接合元件4的过大的尺寸而不能手动地执行对应的支撑件的分离时，则能够将切割器或其他切割工具放置在该精确区域中。

然而，这样，保证了支撑件3的分离始终发生在同一位置，并且不损坏三维物体1的本体2并且/或者防止了第一本体8的任何过长部分从本体2突出。

还能够以限定预先建立的断裂区域7的位置和所述预先建立的断裂区域7的抵抗截面的表面积的方式选择第一本体8相对于物体1的本体2的位置以及第一本体8相对于第二本体9的位置。

这使得能够根据制作支撑件3的材料的脆性来给所述表面积定尺寸，以在保证允许支撑件3发挥其支撑功能的机械抵抗性的同时促成支撑件3的拆分。

此外，第一本体8相对于物体1的本体2的位置以及第二本体9相对于第一本体8的位置的限定确定了第一本体8的在支撑件3移除后保持从本体2突出的部分的长度。

因此，设计者可以将这些位置选择为使得在支撑件3移除后，第一本体8的从物体1的本体2突出的部分的长度不影响物体的外表面的品质。

关于所述本体8和9的形状，所述本体8和9中的每一者具有可以作为球体的外表面的一部分的凸形弯曲外表面，如图1至图3中示出的。

根据本发明的另一个实施方式，本体8和9中的每个本体的凸形弯曲外表面可以为为了简化附图而未在图中示出的椭圆球体的外表面的一部分。

在本发明的另一实施方式中，第一本体8的凸形弯曲外表面可以为球体的外表面的一部分，而第二本体9的凸形弯曲外表面可以为椭圆球体的外表面的一部分，反之亦然。

使构成每个接合元件4的本体8和9具有球体或椭圆球体的外表面的决定简化了设计操作并且使设计操作更快。

事实上，本发明还包括用于通过立体光刻工艺制造的三维物体1的支撑件3的接合元件4的电脑图形设计的方法，其包括参照图4至图6详细列出和说明的一系列操作。

首先，通过使用市场上可获得的任意CAD/CAM软件能够制出三维物体1的制图，在图4至图6中示出三维物体1的本体2的一部分，所述部分与设置接合元件4的区域有关。

随后，设计了第一元件80，该第一元件80由至少一个中央部80c以及由凸形弯曲外表面80s限定，并且以限定第一元件80的从本体2突出的部分的方式与三维物体1的本体2相交，如在图5中示出的。

有利地，根据图8中示出的构型，这允许更好地观察三维物体1的本体2，其中，所有第一本体8从物体1的本体2突出并且没有支撑件3。

随后，在支撑件3中的每个支撑件的一端处设计了第二元件90，如在图5中始终可以观察到的，所述第二元件也由至少一个中央部90c和凸形弯曲外表面90s限定。

在这一点上，如在图6中示出的，所述第二元件90与第一元件80的从三维物体1的本体2突出的部分相交，以限定接合元件4。

在图6中，第二元件90与第一元件80的从三维物体1突出的部分的相交限定了成形区域5和对应的预先建立的断裂区域7。

这样，第一元件80的包括在预先建立的断裂区域7与三维物体1的本体2之间的部分限定第一本体8，而第二元件90的包括在预先建立的断裂区域7与支撑件3之间的部分限定第二本体9。

第一元件80和第二元件90可以均为球体，或者可以均为椭圆球体，或者第一元件80和第二元件90中的一者可以为球体而另一个为椭圆球体，使得源自第一元件80和第二元件90且分别从物体1的本体2和支撑件3突出的元件8和9中的每一者具有由所述立体物的弯曲表面的一部分构成的凸形弯曲外表面。

使元件80和90具有球体或者椭圆球体表面的决定在简化构成所述元件的表面的产生方面和在所述表面之间的相交的控制的容易性方面，对制作该设计的操作者而言都提供了相当大的有利条件。

实际上已知，在电脑图形设计中，表面由多个三角形限定，三角形中的每一个由在其中央处应用的规范化四元数(versor)表示。

因此，为了表示表面，需要使用多个规范化四元数，多个规范化四元数中的每一个对应于三角形中的限定该规范化四元数的三角形。

为了使两个表面彼此对准，电脑图形设计软件被迫处理随着所述表面变得更加复杂而增加的巨量的数据。

所有这些意味着长的数据处理时间和长的设计执行时间。

相反地，根据本发明，如果对于电脑图形设计使用了球体或者椭圆球体元件——如从立体几何所知的，球体或者椭圆球体元件为设置有中央部的单表面元件——则所述表面中的每个表面可以通过应用在元件的中央部处的单个规范化四元数而识别。

这允许获得整个一系列的优点。

首先，操作者的工作被大大地简化，实际上，当两个元件80和90安置成彼此接触时，无论它们的位置如何，两个元件80和90的中央部80c和90c都总是沿着限定其相应表面的规范化四元数80v和90v的同一对准方向对准，如在图6和图7中示出的。

此外，所述对准在当所述元件均为球体或者均为椭圆球体以及当所述元件中的一个元件为球体而另一个为椭圆球体时发生。

此外，由于软件需要更短的处理时间，因此所述设计工作更快速。

因此，根据欧几里德(Euclidean)几何，由元件80和90之间的相交所产生的预先建立的断裂区域7为下述这样的平面：该平面始终与由规范化四元数80v和90v的对准而限定的方向正交并且始终与在本体2与规范化四元数80v和90v的所述对准的方向的相交点处与三维物体1的本体2正切的相应平面平行。

有利地，这有助于在移除支撑件3后使三维物体1的本体2的外表面为均质的。

将元件80和90制成为球体或椭圆球体的决定还提供了以单一的方式限定下述点的优点：从软件方面来说，为如果元件80应当从本体2的没有支撑件3的一侧突出时元件80需要被切割掉的点。

实际上，在该情况下，规范化四元数80v相对于元件80与本体2的外表面的相交的区域的正交状态以单一的方式确切地限定了切割点。

另一方面，如果元件80具有与球体或者椭圆球体不同的形状的外表面，则同一操作会更加复杂。

最后，能够对元件80和90之间的相交的位置的控制进行编程以限定预先建立的断裂区域7并且因此限定与其对应的抵抗截面的位置和表面积。

实际上，所述表面积可以通过能够结合在设计生成软件中的已知的机械抵抗性等式容易地确定。

因此，这简化了并且还加快了确定本体8和9的从物体1的本体2突出的长度所需的工作，该长度可以有利地被显示以使得如图8中所示操作者可以在完成图5中所示的每个第一元件80与本体2的相交之后就检查本体8和9的长度。

在完成图6中可以观察的元件80和90之间的交叉之后，中央部80c和90c距彼此的距离的值以及距三维物体1的本体2的外表面的距离的值被限定，于是，在因此基于距离的所述限定的值而实现的构造中设计了该元件和支撑件。

能够定义由设计者进行选择的不同的构型，一些构型在图9至图12中以示例的方式被描述。

参照图9至图11，能够观察到三个不同的构型设置，在每一个构型中，接合元件4的预先建立的断裂区域7始终具有由S1表示的相同的表面积，这是由于相应元件80和90的限定该表面积的中央部80c和90c设置于相同的距离X1处。

反之亦然，第一元件80的中央部80c相对于物体1的本体2的表面设置于不同位置和不同距离Y1、Y2和Y3处，如分别在图9、图10和图11中示出的。

这意味着，一旦移除了支撑件3，每个相应的第一本体8将从物体1的本体2的表面突出不同的量D1、D2和D3，该不同的量D1、D2和D3从图9至图11逐渐地减小。

参照图12，能够观察到另一个构型，在该另一个构型中，第一元件80的中央部80c设置为与距物体1的本体2的表面相距图9的构型中可以观察到相同距离Y1处，但元件80和90的中央部80c和90c设置为相距比距离X1更长的距离X4处。

如在图12中可以观察到的，这意味着在移除支撑件3后的预先建立的断裂区域7的抵抗截面的表面积的更小的值S2和第一本体8的突出部的更大的值D4。

在图9至图12中示出的示例提及球体元件80和90，但是这些元件也可以是椭圆球体的。

因此，可以理解的是，具有球体或者椭圆球体的接合元件4的设计使得能够以简单和快速的方式对抵抗截面的构型精确地定尺寸成以便适应根据用户的需要和制作所述支撑件的材料的类型而言所需的拆分支撑件3的力气。

此外，根据物体的品质，还能够限定相同元件的突出部。

基于以上的说明，可以理解的是本发明实现了所有的设定目的。

特别地，它实现了在不需要在支撑件与它们所述的物体的本体进行连接的区域附近使用工具来切割支撑件的情况下以简单和快速的方式从物体的本体移除支撑件。

此外，能够将接合元件限定在每个支撑件连接至物体的本体的连接区域中，所述接合元件设置有预先建立的断裂区域，预先建立的断裂区域的尺寸可以以使破坏力气与制作三维物体的材料的类型相适应的方式而根据设计者的期有所望改变。

除了以上以外，能够限定在支撑件已经移除后保持粘附至物体的从物体突出的区域的长度，使得能够预先知道并且计划将要生产的三维物体的品质。

由于以上描述的电脑图形设计的使用，这些选择成为可能，这还使得在与根据材料选择的阻力标准相关的等式结合在设计生成软件中的情况下，能够自动地设计具有以上描述的期望的尺寸特性的三维物体的每个支撑件的接合元件。

在构造阶段中，三维物体和它的设计方法可以经受既没有在文本中描述的又没有在附图中描述的变形和修改。

然而，理解的是，如果存在所述变形或修改的话，则所述变形或修改都必须认为受本专利保护，只要它们落入所附权利要求的范围内。

在任一项权利要求中提及的技术特征附有附图标记，这些附图标记仅出于增加权利要求的可理解性的目的而被包括在权利要求当中，因此这些附图标记对通过示例的方式由这种附图标记识别的每个元件的保护不具有任何限制作用。

Claims (11)

1.一种通过立体光刻工艺生产的三维物体(1)，所述三维物体(1)包括多个支撑件(3)，所述多个支撑件(3)通过接合元件(4)连接至所述物体的本体(2)，在所述接合元件(4)的每个接合元件中能够识别成形区域(5)，所述成形区域(5)相对于所述接合元件(4)的外表面凹入并且具有底部角部(6)，所述底部角部(6)划定用于拆分所述支撑件(3)的预先建立的断裂区域(7)，其特征在于，所述接合元件(4)中的每个接合元件包括第一本体(8)和第二本体(9)，所述第一本体(8)从划定所述物体的所述本体(2)的外表面突出，所述第二本体(9)从所述支撑件(3)突出，所述第一本体(8)和所述第二本体(9)具有为弯曲的且凸形的外表面并且所述第一本体(8)和所述第二本体(9)以限定所述成形区域(5)的方式彼此连接，所述成形区域(5)的底部角部(6)划定所述预先建立的断裂区域(7)。

2.根据权利要求1所述的三维物体(1)，其特征在于，所述凸形弯曲表面属于球体的外表面。

3.根据权利要求1所述的三维物体(1)，其特征在于，所述凸形弯曲表面属于椭圆球体的外表面。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的三维物体(1)，其特征在于，所述第一本体(8)/所述第二本体(9)的所述凸形弯曲外表面属于球体的外表面，并且所述第二本体(9)/所述第一本体(8)的所述凸形弯曲表面属于椭圆球体的外表面。

5.一种用于根据前述权利要求中的任一项所述的通过立体光刻工艺所生产的三维物体(1)的所述本体(2)的所述支撑件(3)的所述接合元件(4)的电脑图形设计的方法，其特征在于，所述方法包括下述操作：

-设计所述三维物体(1)的所述本体(2)和多个支撑件(3)；

-设计多个第一元件(80)，所述多个第一元件(80)各自由至少一个中央部(80c)和一个凸形弯曲外表面(80s)限定；

-使所述第一元件(80)与所述三维物体(1)的所述本体(2)以如下方式相交：使得为所述第一元件(80)中的每一个限定从所述三维物体(1)的所述本体(2)突出的部分；

-在所述支撑件(3)中的每一个的一个端部处设计第二元件(90)，所述第二元件(90)至少由一个中央部(90c)和由一个凸形弯曲外表面(90s)限定；

-向所述元件(80、90)中的每一个的所述中央部(80c、90c)应用规范化四元数(versor)(80v、90v)，所述规范化四元数(80v，90v)限定所述元件(80、90)中的每一个的凸形弯曲外表面(80s、90s)；

-使每对所述元件(80、90)的所述规范化四元数(80v、90v)彼此对准；

-使所述第二元件(90)与所述第一元件(80)的从所述三维物体(1)的所述本体(2)突出的所述部分相交；

-限定所述元件(80、90)的所述中央部(80c、90c)距彼此的距离(X1，X4)的值和相对于所述三维物体(1)的所述本体(2)的所述外表面的距离(Y1、Y2、Y3)的值；

-在根据所述距离的限定的值所获得的构型中设计所述元件(80、90)和所述支撑件(3)，以限定所述成形区域(5)，所述成形区域(5)的底部角部(6)划定所述预先建立的断裂区域(7)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一元件(80)的包括在所述三维物体(1)的所述本体(2)的所述外表面与所述预先建立的断裂区域(7)之间的部分限定所述第一突出本体(8)。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二元件(90)的包括在所述支撑件(3)的所述端部与所述预先建立的断裂区域(7)之间的所述部分限定所述第二突出本体(9)。

8.根据前述权利要求6或7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一元件(80)和所述第二元件(90)为球体。

9.根据前述权利要求6或7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一元件(80)和所述第二元件(90)为椭圆球体。

10.根据前述权利要求6或7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一元件(80)为球体而所述第二元件(90)为椭圆球体。

11.根据前述权利要求6或7中的任一项所述的方法，其特征在于，所述第一元件(80)为椭圆球体而所述第二元件(90)为球体。