CN106738899A - 利用光固化立体成型将物体嵌入结构内的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种三维物体打印机，其利用光固化立体成型来形成结构，然后将一个或更多个物体嵌入在结构中。该打印机包括控制器，控制器操作紫外线(UV)放射源以参照形成在液体光聚物与嵌入物体的外表面之间的弯液面固化在液体光聚物与嵌入物体的外表面之间的分界面处的液体光聚物的部分。嵌入物体的结合加速了最终物体的形成并且提高了最终物体的耐用性。

Description

利用光固化立体成型将物体嵌入结构内的系统和方法

技术领域

本文献涉及制造三维物体的打印机，更具体地涉及利用光固化立体成型来制造这种物体的打印机。

背景技术

数字三维物体制造，又被称为数字增材制造，其为由数字模型制造实际任何形状的三维实体物体的过程。一些数字增材制造系统利用喷射器，该喷射器呈层状地喷射光聚物材料液滴以形成通过间或的紫外光固化的三维物体。其他系统利用光固化立体成型，其为将紫外线激光器聚焦在液体光聚物池中以使液体光聚物层固化从而制造三维固态物体的增材制造工艺。光固化立体成型工序涉及利用三维数学模拟或计算机辅助设计(CAD)程序来生产待制造的物体的数字图象数据。数字图象数据模型则被切分成极薄的层，通常厚度为0.1毫米左右。用于每个图像的数据被用于定位液体光聚物打印机的液池、聚焦激光以及使激光束从激光器运动通过池以每次一层地建造物体。池定位的一部分是使一罐液体光聚物定位其上的平台下降以利用薄面层的液体光聚物淹没每个所形成的层，然后将其暴露于紫外线激光器以固化物体的另一层。该工序继续，直到物体的全部层固化，固化层的堆叠限定三维物体。

利用光固化立体成型的现有三维打印机在所采用的光聚物材料以及制造零件的速度和精度方面具有严重限制。材料的受限选择以及受限的精度可以使得所制造的物体具有低的强度和耐用性。因此，一些零件不能利用光固化立体成型技术制造，从而使用传统方法生产零件。因此，能够快速生产耐用物体的光固化立体成型系统将是有利的。

发明内容

一种利用光固化立体成型由液体光聚物形成三维物体的改进方法，该方法提高了所制造的物体的强度和耐用性，同时还提高了光固化立体成型工序的速度。该方法包括利用控制器操作至少一个致动器以使平台在包含液体光聚物的罐内运动，利用控制器操作操作地连接至紫外线(UV)放射源的至少一个致动器，以便在控制器操作UV放射源以发射UV射线并且固化液体光聚物的一部分以形成三维结构的层时使UV放射源运动，控制器参照层的图像数据操作至少一个致动器，利用控制器操作至少一个致动器以使平台下降到罐内，从而以预定深度将所形成的层浸没在液体光聚物内，利用控制器操作至少一个致动器，以便在控制器操作UV放射源以发射UV射线并且固化液体光聚物的一部分以形成三维物体的下一层并且保留下一层的对应于物体的截面的一部分的未固化部分时使UV放射源运动，控制器参照下一层的图像数据操作至少一个致动器，利用控制器操作至少一个致动器以将物体放置在下一层的未固化部分内，该物体具有延伸到液体光聚物之外的暴露区域，利用控制器操作第一致动器以使平台进一步下降至液体光聚物的罐内，以使液体光聚物能够在物体的外表面处包围该物体，利用控制器确认形成在包围物体的外表面的液体光聚物与物体的外表面之间的分界面处的弯液面，以及利用控制器操作至少一个致动器以便在控制器参照确认的弯液面操作UV放射源以固化包围的液体光聚物的一部分并且将包围的液体光聚物的固化部分结合至物体和三维结构的外表面时使UV放射源运动。

一种由液体光聚物形成三维物体的改进的光固化立体成型系统，其具有提高的耐用性，同时还增大了光固化立体成型工序的速度。该系统包括包含大量液体光聚物的罐，构造成发射UV射线以固化液体光聚物的暴露于UV射线的部分的紫外线(UV)放射源，构造成设置在液体光聚物的下一层未固化部分内的物体，该物体具有延伸到液体光聚物之外的暴露区域，机械臂，操作地连接至位于包含液体光聚物的罐内的平台、UV放射源和机械臂的至少一个致动器，至少一个致动器构造成使平台在包含液体光聚物的罐内运动、以使UV放射源运动以及使机械臂运动，从而将物体放置在液体光聚物的下一层的未固化部分内，以及操作地连接至至少一个致动器和UV放射源的控制器。控制器被构造成：操作至少一个致动器以使平台在液体光聚物的罐内运动，操作至少一个致动器以使UV放射源运动，同时控制器操作UV放射源以固化液体光聚物的一部分并且形成三维结构的层，操作至少一个致动器以使平台下降到所述罐内，从而以预定深度将所的层浸没在液体光聚物中，操作至少一个致动器以使UV放射源运动，同时利用控制器操作UV放射源以固化液体光聚物的下一层的一部分并且保留下一层的对应于物体的截面的未固化部分，操作至少一个致动器以使机械臂运动，从而将物体放置在下一层的未固化部分内，操作至少一个致动器以使平台降下至罐内，从而使得液体光聚物能够包围物体的外表面，确认形成在物体的外表面与包围物体的外表面的液体光聚物之间的分界面处的弯液面，以及操作至少一个致动器以使UV放射源运动，同时控制器操作UV放射源以固化液体光聚物的包围物体的外表面的部分，从而将液体光聚物的固化部分结合至物体的外表面。

附图说明

在以下结合附图的说明中阐明了通过将预制造物体嵌入待形成的物体内来形成三维物体的光固化立体成型系统的前述方面和其他特征。

图1A示出利用光固化立体成型用于形成三维结构以容纳嵌入物体的系统。

图1B示出将待被嵌入的物体放置在所形成的结构内并且将物体与结构结合的图1A的系统。

图2是待嵌入的物体与图1中示出的结构之间的接口的放大图，其示出接口处的液体光聚物中的弯液面。

图3示出具有辅助定位待嵌入在结构中的物体的定位的另外的部件的图1A和图1B的系统。

图4示出具有用于在物体的开口内形成结构的另外的部件的图1A和图1B中示出的系统的部件。

图5是用于利用光固化立体成型形成具有嵌入物体的三维结构的工序的流程图。

图6A至6D示出图3的系统的用途，以在物体上形成结构以及然后在围绕物体完成结构之前重定向物体。

具体实施方式

为了大致理解本文中公开的系统和方法的环境以及对于系统和方法的细节，对附图做出参照。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1A示出用于利用光聚物材料形成三维结构的系统，光聚物材料嵌入有预制造物体以给予强度和耐用性。系统10包括至少一个致动器34、控制器26和罐38，致动器34操作地连接至平台14和紫外线放射(UV)源18，控制器26操作地连接至至少一个致动器34和紫外线放射源18。平台14定位在包含液体光聚物12的罐38内并且构造成通过至少一个致动器34在罐38内竖直地运动。控制器26产生操作UV放射源以发射UV射线的信号。控制器26还产生操作至少一个致动器34以使平台14在罐38内运动以及使UV放射源运动以在罐中的液体光聚物的表面处或附近暴露液体光聚物的一部分的信号。暴露于UV射线的液体光聚物固化以形成硬质材料。如图1A所示，液体光聚物12的部分已被暴露以在罐38中形成三维结构20。当控制器26操作至少一个致动器以使平台14降低时，放置在平台14的水平面16上的结构20浸没在液体光聚物中以使得液体光聚物的薄层能够覆盖结构。当液体光聚物的这一薄层暴露于UV放射源18时，固化部分粘附到结构20的在前形成的部分上。至少一个致动器34是操作地连接至系统10的部件并且构造成使部件响应于来自控制器26的信号而运动的一个或更多个致动器。致动器34可以包括步进电机、机动化凸轮、蜗轮等以能够实现致动器与其连接的部件的受控运动。

如图1B所示，结构20已形成有U形截面。该形状由控制器26形成，控制器26利用来自CAD/CAM文件等的结构的图像数据来操作至少一个致动器34以使平台14运动并且选择性地暴露液体光聚物的部分以形成结构20。当该结构达到预定形状和尺寸时，控制器26操作至少一个致动器34以使机械臂运动，从而夹持已被预制造的物体22以装配在结构20内。如本文献中所使用的，机械臂是配置成用于运动以及用于响应于驱动臂的致动器来夹紧和操纵物品的部件。控制器26还操作至少一个致动器34以使物体运动至与结构20的内部接合。在物体22的这种运动期间，控制器26可以操作至少一个致动器34以使物体22旋转，从而便于物体22的表面与结构20的内部的互补结构对准。在一些实施例中，物体22由更加耐用并且比已固化光聚物具有更大强度的材料制成。物体22可以形成有其他特征以增强结构20最终形态。在将物体插入结构20内之前预加热物体22增强物体22与结构20之间的结合。热使结构20软化以便能够实现物体22与结构20之间的更好接触。另外，更高的温度也可以部分地固化物体与结构之间的光聚物的薄层，从而强化其之间的结合。一旦物体22就位，控制器26操作至少一个致动器34以使结构20和物体22降低，因此液体光聚物的薄层形成在结构20与物体22的分界面处。控制器26然后可以操作至少一个致动器34以使UV放射源运动越过罐38，同时操作UV放射源18以使在该分界面处的液体光聚物暴露于UV射线。固化的光聚物将物体22结合至结构20。一旦物体22结合至结构20，控制器继续操作至少一个致动器34和UV放射源18以将固化光聚物材料的另外的层结合至物体22，从而完成结构20。

在结构20的完成期间出现的一个问题是由液体光聚物在结构20与物体22之间的分界面处形成的弯液面。这种弯液面30在图2中示出。弯液面30中的接近物体的表面的曲线根据接触角、物体22的表面的定向、UV源18与物体22之间的距离以及物体表面的局部几何形状而更高或更低。如果几何形状和接触角已知，则关于液体光聚物在弯液面处固化的问题可以通过确定弯液面的形状来解决。该信息可被控制器26用于调整被用于使UV源18运动并且操作UV源18的图像数据。

用于解决弯液面问题的另一个方案是结合光学传感器40，光学传感器40产生结构20与物体22的分界面处的弯液面的图像数据。这种系统300在图3中示出。采用用于相同部件的相同附图标记，系统300示出为具有如上所述用于系统10的多个部件。除这些部件之外，系统300包括第二机械臂50和光学传感器40。由光学传感器40产生的图像数据通过控制器26处理以测量弯液面30。该信息可被控制器26用于调整被用于使UV源18运动并且操作UV源18的图像数据。如果机械臂52不能转动或者调整物体22在结构内的位置，则控制器26操作至少一个致动器34以使第二机械臂50运动从而转动或者调整物体22在结构内的位置。

解决由弯液面30引起的问题的又一个方法是处理物体22或设计其表面构造以能够在物体22与液体12的分界面处形成大约90度的接触角。优化物体22的表面的设计的一个方法是形成具有小曲率的物体22的表面。小曲率帮助使物体22与液体12的分界面处的弯液面变小。帮助使弯液面30变小的其他表面处理包括使表面变糙以及利用改变物体22的表面能的化学制品或等离子体/电晕放电来处理物体表面。化学处理包括利用喷涂器或辊子施用器施加底涂层。

在结构20的完成期间出现的另一个问题是由物体22的延伸至液体光聚物与物体22的分界面的上方的部分产生的阴影。该阴影可以不利地影响阴影内光聚物的固化。为了解决该问题，控制器可以操作致动器34以使UV源18运动至消除阴影的各个位置，因为在UV源适当的复位之后能够建立用于在前阴影区域的视准线。可替代地，多个UV源18可以围绕结构20和物体22定位，以从各个角度照射并固化光聚物，以免由物体22的延伸至光聚物表面以上的部分产生阴影。可替代地或另外，控制器26可以操作致动器34以使平台14旋转，使得阴影运动至已经固化的其他区域，因此在前位于阴影内的未固化光聚物可以通过UV源18的操作来固化。

一些物体22可以形成有开口70，如图4所示。利用如上关于图1A所述的用于相同部件的相同附图标记，在图4中示出系统400。在该系统中，控制器26操作地连接至UV源18、喷射器60和在反射镜64中终止的构件62。控制器操作至少一个致动器34以使喷射器60运动，从而向开口70内释放液体光聚物。控制器26然后可以操作至少一个致动器34以使构件62运动，从而将反射镜64插入在与开口70连通的腔室内。控制器26可以操作至少一个致动器34以使UV源18运动至使得由源18发射的UV射线能够朝向反射镜64传播并且冲击反射镜64的位置。反射镜64反射UV射线以使得腔室中的液体光聚物能够暴露于UV射线并被固化。可替代地，代替反射镜64的是，光纤可被用于向物体22的内部内的预定位置传递UV光。因此，可以嵌入在结构20中的物体22可被构造用于多种不同的目的和应用。

图5中示出用于将物体嵌入在三维结构中的方法200。在对该方法的说明中，工序执行一些任务或功能的声明指的是执行存储在操作地连接至控制器或处理器的存储器中的程序指令的控制器或通用处理器，以便操控数据或操作打印机中的一个或更多个部件以执行任务或功能。上述控制器26可以是这种控制器或处理器。可替代地，可以利用一个以上的处理器以及相关电路和部件执行控制器26，其中的每一个构造成形成在此说明的一个或更多个任务或功能。

工序200可以开始以使平台在液体光聚物的罐内下降至用于形成固化光聚物层的预定水平(块204)。工序确定液体光聚物的一部分是否保持未固化(块208)，并且如果否定，则固化该层(块212)。固化层是用于结构的最后层(块216)，然后工序完成(块268)。否则，工序继续以使平台下降以将液体光聚物定位在固化层之上，以用于形成下一层。

如果层的一部分保持未固化(块208)，则所形成的层选择性地暴露于UV射线，以形成与待嵌入的物体的横截面形状相符的固化和未固化区域(块220)。工序确定用于插入物体的结构是否已充分地完成(块224)，并且如果是否定的，则用于容纳物体的结构的形成继续(块204至224)。一旦该结构准备容纳物体，物体被插入结构内并且使平台下降以使得液体光聚物层能够覆盖物体与结构之间的分界面(块228)。工序确定物体是否需要旋转以恰当地装配(块232)，并且操作一个或更多个机械臂以在结构内旋转或者定位物体(块236)。工序然后使光聚物在物体与结构的分界面处固化(块244)以将物体结合至结构。如果物体具有开口(块248)，喷射器被操作以在开口中释放液体光聚物(块252)，构件运动以将反射镜定位在与开口连通的腔室内(块256)，UV源被操作以从反射镜反射UV射线以暴露液体光聚物并且对其进行固化(块260)。如果物体没有开口，则工序确定围绕物体结构形成是否已完成(块264)，如果其已完成，则工序确定是否形成另外的结构(块204至216)。如果没有其他结构要形成，则该结构完成(块268)。否则，工序继续围绕物体形成结构(块204至216)。

图3的系统也可以用于以图6A至图6D中描述的方式与嵌入的预制造物体形成零件。如图6A所示，预制造物体22可以定位在平台14上，控制器26操作致动器34以使物体下降至罐38中的光聚物内。控制器26可以反复地操作UV源18以固化邻近物体22的光聚物并且操作致动器34以使平台14下降，直到结构20形成在物体22的上端部上。该工序产生具有帽的物体22，如图6B所示。控制器26然后操作致动器34以提升物体22和结构20到罐38之外，因此机械臂50和52中的一者或两者可被控制器操作以重定向物体22和结构20以及将其放置在平台14上，如图6C所示。在所示出的示例中，物体重取向是物体的倒置，但也可以执行其他重定向。控制器26操作UV源18和致动器34以延伸在前形成的结构20。可以反复地执行致动器的降下平台以及使UV放射源运动的操作，直到物体22如图6D中所示地包封在结构20内为止。当然，控制器26也可以操作UV源18和致动器34以选择的方式围绕物体22形成结构。一旦已经围绕物体22形成最后的结构20，则机械臂50、52可被操作以从平台14提升物体22和结构20。

Claims (10)

1.一种利用光固化立体成型由液体光聚物形成三维结构的增材制造方法，包括：

利用控制器操作至少一个致动器以使平台在包含液体光聚物的罐内运动；

利用控制器操作操作地连接至紫外线(UV)放射源的所述至少一个致动器，以便在所述控制器操作所述UV放射源以发射UV射线并且固化所述液体光聚物的一部分以形成三维结构的层时使UV放射源运动，所述控制器参照所述层的图像数据操作所述至少一个致动器；

利用所述控制器操作所述至少一个致动器以使所述平台下降到所述罐内，从而以预定深度将所形成的层浸没在所述液体光聚物内；

利用所述控制器操作所述至少一个致动器，以便在所述控制器操作所述UV放射源以发射UV射线并且固化液体光聚物的一部分以形成所述三维物体的下一层并且保留对应于物体的截面的一部分的所述下一层的未固化部分时使UV放射源运动，所述控制器参照所述下一层的图像数据操作所述至少一个致动器；

利用所述控制器操作所述至少一个致动器以将所述物体放置在所述下一层的未固化部分内，所述物体具有延伸到所述液体光聚物之外的暴露区域；

利用所述控制器操作所述第一致动器以使所述平台进一步下降至所述液体光聚物的所述罐内，以使所述液体光聚物能够在所述物体的外表面处包围所述物体；

利用所述控制器确认形成在包围所述物体的外表面的所述液体光聚物与所述物体的外表面之间的分界面处的弯液面；以及

利用所述控制器操作所述至少一个致动器以便在所述控制器参照确认的弯液面操作所述UV放射源以固化包围的液体光聚物的一部分并且将包围的液体光聚物的固化部分结合至所述三维结构和所述物体的外表面时使所述UV放射源运动。

2.根据权利要求1所述的方法，所述弯液面的确认还包括：

利用所述控制器分析用于操作所述UV放射源并且固化所述液体光聚3的层的部分的图像数据。

3.根据权利要求1所述的方法，所述弯液面轮廓的确认还包括：

产生所述弯液面和所述包围的液体光聚物的光学传感器图像数据；以及

利用所述控制器分析所产生的所述弯液面的图像数据。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用所述控制器操作所述至少一个致动器以便在确认所述弯液面之前使所述物体旋转。

5.一种利用光固化立体成型由液体光聚物形成三维结构的系统，包括：

罐，所述罐包含大量液体光聚物；

平台，所述平台构造成用于在所述罐内运动；

紫外线(UV)放射源，所述紫外线(UV)放射源构造成发射UV射线以固化所述液体光聚物的暴露于所述UV射线的部分；

物体，所述物体构造成设置在所述液体光聚物的下一层未固化部分内，所述物体具有延伸到所述液体光聚物之外的暴露区域；

机械臂；

至少一个致动器，所述至少一个致动器操作地连接至位于包含所述液体光聚物的罐内的平台、所述UV放射源和所述机械臂，所述至少一个致动器构造成使所述平台在包含所述液体光聚物的所述罐内运动、以使所述UV放射源运动以及使所述机械臂运动，从而将所述物体放置在所述液体光聚物的所述下一层的所述未固化部分内。

控制器，所述控制器操作地连接至所述至少一个致动器和所述UV放射源，所述控制器被构造成：

操作所述至少一个致动器以使所述平台在所述液体光聚物的所述罐内运动；

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时所述控制器操作所述UV放射源以固化所述液体光聚物的一部分并且形成所述三维结构的层；

操作所述至少一个致动器以使所述平台下降到所述罐内，从而以预定深度将所形成的层浸没在所述液体光聚物中；

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时利用所述控制器操作所述UV放射源以固化液体光聚物的下一层的一部分并且保留所述下一层的对应于物体的截面的未固化部分；

操作所述至少一个致动器以使机械臂运动，从而将所述物体放置在所述下一层的所述未固化部分内；

操作所述至少一个致动器以使所述平台降下至所述罐内，从而使得液体光聚物能够包围所述物体的外表面；

确认形成在所述物体的外表面与包围所述物体的外表面的所述液体光聚物之间的分界面处的弯液面；以及

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时所述控制器操作所述UV放射源以固化所述液体光聚物的包围所述物体的外表面的部分，从而将所述液体光聚物的固化部分结合至所述物体的外表面。

6.根据权利要求5所述的系统，所述控制器被进一步构造成通过以下步骤确认所述弯液面：

分析用于操作所述UV放射源以及固化所述液体光聚物的部分以形成层的图像数据。

7.根据权利要求5所述的系统，还包括：

光学传感器，所述光学传感器构造成产生所述弯液面和所述包围的液体光聚物的图像数据；以及

所述控制器被进一步构造成通过分析从所述光学传感器接收的所述弯液面的所产生的图像数据确认所述弯液面。

8.一种利用光固化立体成型由液体光聚物形成三维结构的系统，包括：

罐，所述罐包含大量液体光聚物；

平台，所述平台构造成用于在所述罐内运动；

紫外线(UV)放射源，所述紫外线(UV)放射源构造成发射UV射线以固化所述液体光聚物的暴露于所述UV射线的部分；

机械臂；

物体；

至少一个致动器，所述至少一个致动器操作地连接至位于包含所述液体光聚物的罐内的平台、所述UV放射源和所述机械臂，所述至少一个致动器构造成使所述平台在包含所述液体光聚物的所述罐内运动、使所述UV放射源运动以及使所述机械臂运动，从而将所述物体放置在所述平台上；以及

控制器，所述控制器操作地连接至所述至少一个致动器和所述UV放射源，所述控制器被构造成：

操作所述至少一个致动器以井所述物体放置在所述平台上以及使所述平台在所述液体光聚物的所述罐内运动；

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时所述控制器操作所述UV放射源以固化所述液体光聚物的一部分并且围绕所述物体的一部分形成所述三维结构的层；

操作所述至少一个致动器以使所述平台下降到所述罐内，从而以预定深度将所形成的层浸没在所述液体光聚物中；

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时利用所述控制器操作所述UV放射源以固化液体光聚物的下一层的一部分并且在所述平台上围绕所述物体形成另一层；

操作所述至少一个致动器以使所述机械臂运动，从而从所述平台去除所述物体、重定向所述物体并且使所述物体返回至所述平台；

操作所述至少一个致动器以使所述平台下降到所述罐内，从而使液体光聚物能够接合围绕所述物体在前形成的所述三维结构；以及

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时所述控制器操作所述UV放射源以固化所述液体光聚物的邻近所述在前形成的三维结构的部分，从而围绕所述物体的外表面的一部分延伸在前形成的三维结构。

9.根据权利要求8所述的系统，所述控制器被进一步构造成：

操作所述至少一个致动器以使具有所述物体和延伸的三维结构的所述平台下降到所述罐中；以及

操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，同时所述控制器操作所述UV放射源以固化所述液体光聚物的邻近延伸的三维结构的部分，从而进一步围绕所述物体的外表面的一部分延伸在前形成的三维结构。

10.根据权利要求9所述的系统，所述控制器被构造成操作所述至少一个致动器以使所述平台下降，以及在所述控制器反复地操作所述UV放射源时操作所述至少一个致动器以使所述UV放射源运动，直到延伸的三维结构包封所述物体。