CN107614229A - 以改进的分辨率背景对对象进行实体自由成形制造的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种制造设备，包括：用于产生三维实体部件的构建表面；构造成在构建表面上沉积一种或更多种构建材料的材料输送系统，一种或更多种构建材料中的至少一种是光固化材料；具有第一分辨率的第一成像部件；以及具有不同于第一分辨率的第二分辨率的第二成像部件。在该构型中，第一成像部件和第二成像部件可单独地以及组合在一起地操作以选择性地照射光固化材料以使三维实体部件的连续的层至少部分地固体化。在一个示例中，较低分辨率的成像部件使大部分内部区域固体化，而较高分辨率的部件使细微的边界固体化。

Description

以改进的分辨率背景对对象进行实体自由成形制造的方法和 装置
优先权要求
本申请要求2015年4月7日提交的序列号为62/144,016的美国临时申请的权益，该临时申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文所述的主题总体上涉及用于对由金属、塑料、陶瓷和包括一种或更多种类型的材料的组合的复合材料形成的对象进行实体自由成形制造(solid freeformfabrication)的设备和方法。
背景
添加制造(AM)，也称为实体自由成形制造(SFF)、3D打印(3DP)、直接数字制造(DDM)和实体成像，已经成为设计视觉演示及功能部件的原型的广泛采用的方法。在某些情况下，这也已经成为一种用于生产制造的成本有效的方式。存在基于数字模型的用于生产部件的各种各样的方式，并且这些方式都缩短了整个设计周期所需的时间和成本，这提高了许多行业的创新步伐。
通常，SFF以分层方式实现，其中数字模型被分成水平切片，并且每个切片在构建表面上被生成为2D图像。这些切片的连续制造产生了薄层的聚集体，薄层的聚集体共同构成由数字模型表示的三维对象。与传统的制造技术，如计算机数控(CNC)加工、注塑成型以及其他方式相比，SFF已显著缩短了生产时间和成本，并因此已经被广泛应用于研发目的，对于该目的，在使用传统方式的小批量生产将非常昂贵。此外，当与CNC机床相比时，SFF设备通常需要较少的操作经验。由于较长的准备时间和较高的机器运行成本，由CNC机床生产的单独的部件的成本通常较高。CNC生产的部件将通常具有比SFF生产的部件的更坚实且更精细的特性，这可能使CNC生产的部件为某些应用所需要。在SFF技术可以生产具有CNC生产的部件的分辨率和功能的部件之前，SFF的使用在部件生产方面仍受到限制。
SFF的一些最常见的技术包括立体光刻(stereolithography，SLA)、选择性沉积建模(selective deposition modeling，SDM)、熔融沉积建模(fused deposition modeling，FDM)和选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)。这些方法在其可以使用的材料的类型、创建层的方式以及随后的所产生的部件的分辨率和质量方面有所差异。通常，层以整体材料沉积方法(bulk material deposition method)或以选择性材料沉积方法来产生。在采用整体材料沉积方法用于层产生的技术中，层成像通常通过热处理、化学处理或光学处理来实现。
发明概述
本文公开了一种用于实体自由成形制造的设备及相关方法的实施方案，以用于生产用于各种应用的塑料、金属和陶瓷部件。
本文公开的SFF设备可以包括：用于接纳生产数字模型的三维实体表示形式的材料层的表面；用于沉积所需的构建材料层的部件或多个部件；以及用于使构建材料成像到表示包含在数字模型中的数据的横截面中的部件或多个部件。特别地，在一些实施方案中，构建材料由以任何顺序依次沉积的颗粒材料和光固化树脂材料组成。这些材料在构造表面上的组合克服了已用于生产粉末复合材料部件的上述设备的流变性限制。此外，在一些实施方案中，用于层成像的成像技术可以涉及整体成像(bulk imaging)和较高分辨率的细节成像(detailed imaging)技术的组合，以在保持图像分辨率的同时提高成像速度。
下面描述的设备可以使用各种颗粒材料中的任何一种作为构建材料中的一种，各种颗粒材料包括但不限于陶瓷、塑料或金属。在构建过程完成之后可以对由该设备生产的零件进行处理，以促进相邻颗粒之间的结合。这种处理包括但不限于热处理、化学处理和压力处理，以及这些处理的组合。该制造和处理过程的结果包括但不限于实体金属零件、实体陶瓷零件、多孔金属零件、多孔陶瓷零件、实体复合塑料零件和包括一种或多种类型的材料的复合零件。
颗粒材料的材料沉积可以通过数种方式实现，包括但不限于经由刀片机构摊开，在传输表面上静电沉积，然后沉积到构建表面，以及静电沉积到压缩辊，然后沉积到构建表面。类似地，光固化树脂的材料沉积可以通过数种方式实现，包括但不限于从喷墨打印头液滴沉积，将树脂喷射到用于找平颗粒材料的刀片设备上，并将树脂材料注入颗粒材料，将树脂喷射到用于将树脂注入颗粒材料中的辊设备上，以及将树脂从容器转移到诸如刷子、海绵或膜的传输机构上，传输机构随后将树脂沉积到诸如辊或刀片设备的沉积机构上，然后将树脂材料沉积在构建表面上。材料沉积及组合可以在构建表面上发生，或者在上述材料沉积设备(例如辊和刀片)的任何一个内发生，使得最终结果是产生注入有光固化树脂的颗粒材料层。
层成像可以通过数种方式实现，包括但不限于用诸如DLP投影仪的可编程平面光源进行整体成像，可能地与用于对细节成像的高分辨率激光光源的矢量运动相结合，以及用光栅激光源进行整体成像，该光栅激光源具有比用于细节成像的次级激光源更大的射束直径。这样的成像技术通常可以通过将对象分成多个层，导出表示层数据的边界部分的数据和表示层数据的内部部分的数据，并且将内部部分数据用于整体成像且将边界部分数据用于细节成像来对表示三维对象的数据进行处理。
此外，在一个方面，提供了一种实体自由成形制造设备，使得由颗粒材料和树脂材料构成的复合对象可以由表示给定三维对象的数字数据产生。
在另一方面，提供了一种SFF设备，其利用整体沉积技术来产生材料层。
在另一方面，提供了一种SFF设备，其将颗粒材料与光固化树脂材料结合用于产生复合材料层。
在另一方面，提供了一种SFF设备，其允许材料组分互换以使得能够使用各种各样的材料组合。
在另一方面，提供了一种SFF设备，其分别地对图像的大多数内部区域和图像的细节边界进行成像。
在另一方面，提供了一种SFF设备，其固化正在构建的对象的特定区域以外的材料区域，使得这些区域中的一些或全部区域不直接接触正在构建的对象，但仍然用于限制由构建过程导致的作用在正在构建的对象上的力的影响，以便保持正在构建的对象的对表示该对象的数字数据的保真度。
另一方面，由SFF设备生产的对象可以被热处理、化学处理或机械处理，以改善材料成分的内部粘附性。
在另一方面，处理可以包括在流体室中加压、暴露于溶剂、升高温度以促进颗粒材料的结合、升高温度以缓解由构建过程产生的内部应力、或者部分地烧结颗粒材料，随后用第三材料(tertiary material)注入，该第三材料可以包括具有比主颗粒材料低的熔点的陶瓷和/或金属材料。
尽管在上文中已经陈述了本文所公开的主题的一些方面，并且这些方面全部地或部分地通过本公开的主题实现，但是根据以下结合附图对本公开主题的详细描述，进一步的特征将变得更加明显。
附图简述
下面将参考附图描述本公开主题的实施方案，其中
图1是在第一操作位置中的根据本公开的主题的实施方案的SFF设备的左透视图。
图2是在第二操作位置中的图1的SFF设备的左透视图。
图3是在第三操作位置中的图1的SFF设备的左透视图。
图4是根据本公开主题的实施方案的SFF设备的左透视图。
图5是根据本公开主题的实施方案的图4中的设备的子组件的左透视图。
图6是用于与根据本公开主题的实施方案的SFF设备一起使用的成像单元的透视图。
图7是根据本公开主题的第二实施方案的SFF设备的左前透视图。
图8是图7中的设备的右后透视图。
图9是用于与根据本公开主题的实施方案的图7中的设备一起使用的成像单元的右后透视图。
图10是在第一操作位置中的根据本公开主题的第三实施方案的SFF设备的左前透视图。
图11是在第二操作位置中的图10中的设备的左前透视图。
图12是用于与根据本公开主题的实施方案的SFF设备一起使用的成像单元的前视图。
图13是图12中的成像单元的透视图。
图14是根据本公开主题的实施方案的SFF迹线图案的顶视图。
图15是根据本公开主题的实施方案的SFF迹线和光栅图案的顶视图。
图16是根据本公开主题的实施方案的可选SFF迹线和光栅图案的顶视图。
图17是根据本公开主题的实施方案的可选的SFF迹线图案的顶视图。
图18是根据本公开主题的第四实施方案的SFF设备的左前透视图。
图19是图18中的设备的左前横截面透视图。
图20是根据本公开主题的实施方案的光栅固化图案的透视图。
图21是用于与根据本公开主题的实施方案的SFF设备一起使用的成像单元的右透视图。
图22是图21中的设备的右横截面图。
图23是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的层沉积设备的左前透视图。
图24是图23中的设备的粉末料斗的左透视图。
图25是图23中的设备的粉末分配器的透视图。
图26是图23中的设备的左横截面图。
图27是在第二位置中的图23中的设备的左前透视图。
图28是图27中的设备的左横截面图。
图29是在第三位置中的图23中的设备的左前透视图。
图30是图29中的设备的左横截面图。
图31是图23中的设备的粉末清扫和注入刀片的透视图。
图32是图31中的部件的截面图。
图33是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的层沉积设备的第二实施方案的左透视图。
图34是图33中的设备的左后透视图。
图35是图34中的设备的后截面图。
图36是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的材料沉积设备的实施方案的左透视图。
图37是图36中的设备的左截面图。
图38是在第二位置中的图36的设备的左透视图。
图39是图38中的设备的左截面图。
图40是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的材料沉积设备的第二实施方案的右透视图。
图41是图40中的设备的右横截面图。
图42是在第二位置中的图40的设备的右透视图。
图43是图42中的设备的右截面图。
图44是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的粉末再补给设备的实施方案的右透视图。
图45是图44中的设备的前透视图。
图46是图44中的设备的右顶侧截面图。
图47是图44中的设备的左顶侧截面图。
图48是用于在本公开主题的任何实施方案中使用的构建平台的实施方案的透视图。
图49是图48中的设备的分解透视图。
图50是图48中的传感器阵列的透视图。
图51是图50中的传感器阵列的截面图。
图52是图48中的构建平台的第二实施方案的透视图。
图53是图48中的构建平台的第三实施方案的透视图。
图54是图53中的构建平台的分解透视图。
图55是图48中的构建平台的第四实施方案的透视图。
图56是图55中的设备的分解透视图。
图57是图55中的设备的材料容纳储器的透视图。
图58是在第二位置中的图55中的设备的透视图。
图59是图58中的设备的材料容纳储器和构建表面的透视图。
图60是能够由本公开主题构建的对象的透视图。
图61是用于图60中的对象的可能的支撑材料装置的透视图。
图62是图61中的支撑材料装置的截面图。
图63是用于生产支撑材料装置的算法流程图，该支撑材料装置用于在通过根据本公开主题的实施方案的SFF构造对象的过程中使用。
图64是用于对由本公开主题生产的对象的层成像的算法流程图。
图65是用于提高在本公开的主题中的打印速度的算法流程图。
附图详述
许多SFF设备包括三个基本部件。图1-3示出了建立在现有技术中的结构和工艺上的SFF设备。该设备由构建表面(102)、材料沉积模块(104)和成像单元(100)组成。材料沉积模块(104)将光固化材料(106)沉积到构建平台(102)上，在该构建平台上通过成像单元(100)形成图像。在这种布置中，成像单元(100)可用于固化表示待构建的对象的层(例如，如以CAD数据所表示的)的图案中的材料(106)。构建平台(102)被移动以允许创建用于另一层的空间，并且该过程重复直到对象逐层地被构建。在这种情况下，材料层(106)可通过光来固化，光使材料固体化以构建对象。本公开主题的目的是改进这些过程中的每一个。
因此，在一个方面，本公开主题提供了一种用于实体自由成形制造的设备。图4-6描绘了一种新型成像装置及相关部件。许多当前的SFF设备利用包括诸如图6中所示的DLP投影仪(110)的可编程平面光源的成像单元(100)来固化材料层(106)。与使用单个激光器的方法相比，该技术的优点在于层以成像方式固化，这可以提高构建速度。然而，在这种构型中，零件分辨率可能受到像素分辨率的限制。具体地说，当创建更大的对象时，像素的物理尺寸随着图像尺寸的增加而增加。在某些情况下，像素尺寸的这种缩放可能对某些对象的尺寸施加显著的约束，这些对象能够仅由投影仪(110)以高分辨率打印。
然而，在图4中所示的设备的成像单元(100)的构型中，投影仪(110)与精细成像设备(120)组合地使用。在这方面，本文中所描述的SFF设备可以包括：用于生产三维实体部件的构建表面(102)；构造成在构建表面(102)上沉积一个或更多个材料层(106)的材料输送系统，材料层(106)中的至少一个是光固化材料；具有第一分辨率的第一成像部件(例如，投影仪(110))；以及具有第二分辨率的第二成像部件(例如，精细成像设备(120))，该第二分辨率与第一分辨率不同。在该构型中，第一成像部件和第二成像部件是单独可操作的并组合在一起以选择性地照射光固化材料进而使三维实体部件的连续的层至少部分地固体化。具体地，例如，第二成像部件的光束直径可以被设计成小于第一成像部件(例如，投影仪(110))的当量光束直径(例如，像素尺寸)。使用该组合，投影仪(110)能够对横截面的内部区域快速地成像，而精细成像设备(120)可以对横截面的边界(即，横截面的边缘，当层叠在一起时，该横截面的边缘形成部件的外表面)快速地成像。因此，无论零件尺寸如何，分辨率和成像速度都会被保持。
在一些实施方案中，例如，精细成像设备(120)包括准直光源(122)，准直光源(122)可被定位成将光束(134)引向构建表面(102)(例如，准直光源(122)安装在构建表面(102)上方的支架(124)中)。在一些实施方案中，例如，准直光源(122)可以包括至少一个激光器、经由一组反射镜和/或透镜中的一种被准直的LED、或者本领域已知的各种其它这样的源中的任何一个。在任何构型中，光束(134)指向构建表面的方向可以被选择性地移动以使得能够产生细节的图像。在图5中所示的精细成像设备(120)的实施方案中，例如，光束(134)反射离开主反射镜(126)，主反射镜(126)可以选择性地移动以改变光束(134)的方向。具体地，例如，主反射镜(126)的位置可以围绕第一轴(例如，该第一轴由旋转致动器(128)控制)选择性地枢转，使得光束(134)可以在整个构建平台(102)上在第一维度上被扫描。此外，在一些实施方案中，光束(134)还可进一步反射离开次级反射镜(130)，以进一步调节光束(134)的方向。在所示的实施方案中，例如，次级反射镜130的位置可以围绕第二轴(例如，第二轴由第二旋转致动器(132)控制)选择性地枢转，使得光束(134)可以在整个构建平台(102)上在第二维度(例如，大体垂直于第一维度的第二维度)上被扫描。因此，通过改变这些反射镜(126、130)的位置，可以控制通过光束(134)在材料层(106)上创建的光点的位置，使得二维横截面被成像。通过与投影仪(110)配合使用该精细成像设备(120)，有关基于投影仪的成像系统的分辨率的问题可以通过使用精细成像设备(120)的相对更细的聚焦使由投影仪(110)照射的图像的边缘“平滑”而得到解决。在这方面，给定层的精度由精细成像设备(120)的位置精度确定，但是成像时间可大体上与基于投影仪的SFF设备相同。
虽然上述对多源成像单元(100)的讨论特别参考了图4和图5中所示的实施方案，但是本领域普通技术人员应理解，先前描述的技术可以被概括使得SFF设备的各种其它实施方案可以使用类似的双成像技术来提高分辨率和速度。通常，可以使用“整体成像”来固化横截面的内部区域，并且可以使用“精细成像”来固化横截面的边界区域。这种双成像装置可以以各种方式实现。
具体地，例如，图7-9描绘了采用该技术的设备的可选的实施方案。在该实施方案中，整体成像可通过准直辐射源(140)阵列来提供，准直辐射源(140)将辐射束发射到由主致动器(144)控制的主反射镜(142)上。这些射束被反射到由次级致动器(146)控制的次级反射镜(148)上。在该构型中，主反射镜(142)和次级反射镜(148)可以被选择性地移动，以使射束在构建表面(102)上的材料层(106)上光栅化(raster)。也就是说，光束朝向构建表面(102)瞄准的方向以逐行扫描材料层(106)上的图案的方式移动，使得待照射的整个区域被一次一行逐渐地扫描。在一些特定的实施方案中，例如，光束的方向在第一维度上扫过待照射区域的整个宽度(例如，通过旋转主反射镜(142))，然后使光束在第二维度上行进一定增量距离(例如，通过旋转次级反射镜(148))，并且以逐行方式重复该过程，直到待被照射的整个区域被覆盖。在光栅扫描期间可以以对应于设备所形成的横截面图像的方式可控地打开和关闭光束。在该实施方案中，细节成像通过两个精细成像模块(120)执行，尽管通常可能存在任何其它数量的精细成像模块。
在另一可选的实施方案中，图10-13还描绘了采用相同构思的整体成像和精细成像的构型。在该实施方案中，整体成像利用棱镜光栅模块(prism rastering modules)(150)阵列实现。如图12和图13中所示，每个棱镜光栅模块(150)可以包括构造成发射准直辐射束(156)的源(154)。射束(156)进入旋转着的折射材料如棱镜(158)，并被折射。在离开棱镜(158)时，发生第二次折射，并且结果产生移位的射束(160)。如图12和图13中所示，在一些实施方案中，棱镜(158)具有大体上方形的界面，厚度超过射束(156)的直径。然而，本领域的普通技术人员应理解，棱镜(158)通常可以是具有偶数个面的多边形。在一些情况下，棱镜158的相对面可以是平行的或可以不是平行的，这取决于所需的折射和移位效果。
再次参考图10-13中所示的特定实施方案，每个棱镜光栅模块(150)的棱镜(158)由致动器(162)旋转，致动器(162)使移位的光束(160)在整个构建表面(102)上光栅化。这些棱镜光栅模块(150)的阵列可以在整个构建表面(102)平移，棱镜光栅模块(150)阵列安装在支架(135)上，反过来支架(135)在由接合SFF设备的基座(139)的导轨(137)引导时自由地移动，如图11中所示。可选地，如上面所讨论的，棱镜光栅模块(150)可以相对于构建表面(102)安装在固定的相对位置处，而不是棱镜光栅模块(150)相对于构建表面(102)物理地平移，并且定位在棱镜(158)和构建表面(102)之间的一个或更多个反射镜、透镜或其它折射材料(例如，上面关于图7-9的实施方案所讨论的次级反射镜(148))可以被控制以平移移位光束(160)被朝向构建表面瞄准的方向。不管通过其沿着构建表面(102)增量式地(incrementally)平移(pan)光栅扫描的特定机构如何，整体成像在源(154)根据被成像的横截面被打开和关闭时实现。
在这方面，例如，图14示出了迹线图案，其可以如上面所讨论地通过棱镜光栅模块(150)的阵列被成像。图15示出了与用于圆形横截面(166)的光栅图案(raster pattern)(165)重叠的迹线图案(trace pattern)(164)。当棱镜光栅模块(150)被平移并且棱镜(158)被旋转以跟踪迹线图案(164)时，源(154)可以被选择性地激活，使得移位光束(160)仅照射光栅图案(165)内的构建表面(102)。以这种方式，整体成像局限于被成像的横截面(166)的内部。
然而，本领域普通技术人员应理解，情况并非总是如此，如图16中所描绘的。如图16中所示，根据辐射源(154)的性质和/或被固化的材料层(106)的性质，至少延伸至横截面(166)的边缘的可选光栅图案(168)可能是需要的。如果特定的辐射源被高度聚焦，和/或被固化的材料层具有低的穿透深度系数，或者该材料在固化过程期间倾向于收缩，则超过目标横截面图像的严格边界固化的这种图案(或与其类似的图案)可能是所需要的。另外，如果光栅速度和横向平移的速度被适当地协调，则可以实现重叠的光栅图案，如图17中所示。具体地，例如，横向平移可以被控制使得在光栅模块旋转以产生一个光栅线时，模块被平移等于激光束的标称直径的距离。在该实施方案中，辐射源(154)可以构造成使得待照射的树脂将需要两次扫过以便完全被固化。以这种方式，重叠的图案可以允许树脂在第一次扫过时部分固化并且在第二次扫过时完全固化。因此，通过适当地控制辐射源(154)，可以实现比单个光栅线的宽度更精细的分辨率。
图18和图19描绘了本公开主题的实施方案，该实施方案利用相对于构建表面处于可选定向上的棱镜光栅模块(150)。在这种情况下，材料不沉积在构建平台(102)的顶部上。相反，构建平台(102)被降到材料桶(170)中。辐射对着桶(170)的底部(171)发射，桶(170)的底部(171)对于所使用的辐射大致是可透过的。以这种方式，一层材料以与在构建平台(102)和桶(170)的底部(171)之间构建的对象的横截面相对应的方式被固化。构建平台(102)和桶(170)的底部(171)之间的间距决定了层的厚度。当构建平台(102)在完成层成像之后向上平移时，容纳在桶(170)内的树脂填充构建对象和桶(170)的底部(171)之间的空隙。因此，层形成现在是装置的固有特性，而不是独立的过程。
这种实现方式的一个问题是每个层必须在固化之后与桶(170)的底部表面层离，这通常涉及将构建平台(102)移动越过其将被定位用于下一层的位置(即，使构建平台远离底部移动比所需的层厚度更大的距离)，并且然后将其移回到用于下一层的位置(即，距离底部的距离大体上等于所需的层厚度)。该移动有利于层形成过程，但是层从底部表面的层离和多步式层增量移动可能会对正在构建的对象施加相当大的应力，并且需要不可忽视的时间量。然而，如果构建平台(120)在竖直方向上连续地平移，当棱镜光栅模块(150)主动地固化桶(170)中的树脂时，则层在被构建时被逐渐地层离，而不是立即使整个层层离，这优化构建速度并使正在构建的对象上的应力最小化。例如，通过该过程实现的空间固化图案可以如图20中所示。这里，构建表面(170)的一段被示出为具有两层光栅固化路径(172、174)。已经确定，当使用具有高斯能量分布的准直源来照射光固化物质时，固化体积为抛物线棱柱形状，如此处所示。在该示例中，逐渐层离通过光栅固化路径(172、174)相对于桶(170)的底表面的角度以及下部一组光栅路径(172)中的一条路径的仅一部分与桶(170)的底表面接触的事实来表示。即使采用这种改进的层形成过程，通过适当地打开和关闭辐射源(154)，可以以与上面所讨论的方法大体相似的方式来构建对象。
图21和图22示出了先前描述的棱镜光栅模块(150)的可选实施方案。与上面所讨论的构型相比，其中棱镜光栅模块(150)在整个构建表面(102)上平移，在该实施方案中，移位的辐射束(160)反射离开固定的反射镜178并且反射到一组旋转反射镜(175)上以在第二维度(例如，不同于旋转棱镜(158)扫过的维度)上扫描移位的光束(160)。旋转反射镜(175)由致动器(176)控制。在图21和图22中所示的实施方案中，旋转反射镜(175)以长形八边形构型呈现，然而本领域普通技术人员应理解，通常，它们可以以各种长形多边形构型(例如五边形、六边形)来提供。不管旋转反射镜(175)的特定构型如何，只要旋转反射镜(175)相对于成像单元(150)的光栅速度以适当的速度旋转，则该装置中的被反射的光束(177)将遵循预定的迹线图案(例如，图14中所描述的路径)。具体地，例如，旋转反射镜(175)可以被致动，使得当射束(160)通过旋转棱镜(158)被移位时，在跟踪一条光栅线期间需求射束(exigent beam)(177)的角位移约等于需求射束(177)的标称直径。这将产生连续的、非重叠的光栅线。如果对于特定应用重叠线是所需要的，则可以调节旋转反射镜(175)的角速度。当旋转反射镜(175)的一个面旋转经过入射射束(160)时，入射射束(160)将移动到下一个面，重复用于下一层的图案。因此，全光栅迹线图案将通过光学单元的连续旋转自动地执行，光学单元可以以最小的振动高速地进行。当与传统SLA成像单元相比时，这是有利的，传统SLA成像单元需要反射镜来回移动以使成像区域光栅化。当优化成像速度时，惯性和振动影响是传统设备的限制因素。
如图21和图22中所示，用于将成像单元(150)的线性光栅束(160)转换成区域光栅化图案的光学元件是固定反射镜(178)和一组旋转反射镜(175)。在一些实施方案中，反射镜是平坦的。可选地，固定反射镜(178)和/或旋转反射镜(175)中的一个或更多个可以是弯曲的，以产生不同的光学效果。具体地，例如，如果固定反射镜178是稍凸的，而旋转反射镜175是相应凹的，则在构建表面102处获得的光栅路径的宽度将比由成像单元(150)发射的射束(160)跟踪的光栅路径的宽度宽。在产生这种效果的同时，所使用的反射镜的凸度和凹度可以被选择以保持射束准直，并且还可以被选择以减小光栅路径宽度而不使其增加。此外，诸如透镜的其它光学元件可以沿着光学路径在各个点处插入以实现类似的效果。
不管具体构型如何，将用于主射束移位的旋转棱镜装置成像单元(150)和用于次级射束移位的旋转反射镜组(175)组合在一起的最终结果是用于特定目标区域的快速光栅化设备。通常，这可以通过棱镜和旋转反射镜组的任何组合来实现(例如，两个旋转棱镜、两组旋转反射镜或者一组旋转反射镜可以用于主射束移位，而旋转棱镜用于次级射束移位)。不管构型如何，使用恒速旋转光学元件的优点将在很大程度上是相同的，然而可以针对特定应用进行特定选择以优化系统。
先前描述的成像技术通常可以应用于利用光固化树脂作为构建材料的任何SFF设备。先前描述的成像技术也可以在使用所谓的“混合树脂(hybrid resins)”时使用；该术语通常用于描述其组分中包含颗粒材料的树脂。这些树脂通常含有允许颗粒物质保持悬浮在树脂溶液中的分散剂。这些树脂中的颗粒浓度受到限制，以便使悬浮液的粘度保持足够低以允许在SFF设备中产生新的材料层；这种颗粒浓度可以是在混合树脂的可用性方面作为稍后将被烧结的部分的前体的限制特征。金属或陶瓷组分的颗粒与树脂结合在一起的集合体可以进行热和化学处理以移除粘合剂并将颗粒物质烧结在一起以形成实体零件。以这种方式，常规的SLA技术可用于制造陶瓷和金属零件。粘度和保存期的局限性(由于颗粒聚集造成)给使用混合树脂用于高级应用带来了挑战。由光固化树脂和颗粒材料的混合物创建材料层的过程(其中两种材料在层创建过程前保持分开)在许多方面可能是有利的，考虑到该过程允许形成颗粒材料和光固化树脂的不同组合，而不需预混合，并且可以规避层产生中的流变性(rheological limitations)限制，如下文将描述的。
图23-32描述了用于沉积用于在SFF过程中使用的复合材料层的装置和部件。在所示的实施方案中，粉末料斗(180)定位在构建表面(102)的边缘上方。粉末料斗(180)具有粉末分配器(182)，粉末分配器(182)具有粉末分配槽(184)，粉末分配器(182)是可旋转的，使得粉末分配槽(184)选择性地与粉末料斗(180)或构建表面(102)连通。当粉末分配槽(184)在粉末料斗(180)内时，粉末分配槽(184)可以在其中接纳粉末(186)。当粉末分配器(182)旋转使得粉末分配槽(184)面向构建平台(102)时，粉末分配器(182)可以构造成将一定量的粉末(188)沉积到构建平台(102)上。此时，在一些实施方案中，粉末调平刀片(powderleveling blade)(190)可移动经过构建平台(102)，以产生粉末层。粉末调平刀片(190)还可以包括一个或更多个树脂输入端口(192)，该一个或更多个树脂输入端口(192)构造成从树脂供应源接收树脂。在一些实施方案中，例如，树脂输入端口(192)共同地或单独地将树脂供应到粉末调平刀片(190)的刀片部分内部的主树脂通道(194)和从主树脂通道(194)分支并在粉末调平刀片(190)的边缘处终止的一个或更多个树脂注入通道(196)，使得当刀片(190)将粉末(188)调平时，树脂可以被泵入并与树脂混合以形成材料层(106)。沉积粉末的过程也可以独立于树脂注入过程进行。
图33-35描绘了用于复合材料层生产的可选系统。如所描绘的，这些图假设粉末层最初沉积，但材料沉积的顺序可以是任意的。用于创建材料层(106)的注入过程涉及通过树脂分配器(204)泵送树脂，树脂分配器(204)包含用于将树脂分配到分散材料(如海绵(202))的许多针。分散的树脂涂覆辊(200)的外部，辊(200)在材料层(106)上滚动，使树脂注入到材料层(106)。辊(200)的旋转由致动器(206)控制。辊(200)的旋转可以被控制，使得切向速度大于、小于或等于平移速度，以便实现所需的注入效果。
图36-39描绘了用于创建复合材料层的粉末沉积系统。粉末料斗(210)包含受粉末保持器(212)保持住的粉末(214)。当粉末保持器(212)升高时，粉末(214)可以离开粉末料斗(210)的孔口(216)。当料斗(210)在平台(102)上移动时，粉末料斗(210)和构建平台(102)之间的间距将控制所创建的材料层(106)的厚度。
图40-43示出了用于创建复合材料层的粉末沉积的另一系统。粉末料斗(220)将粉末(232)分配到围绕三个辊(224、226、228)经过的膜(222)上。驱动辊(228)由致动器(230)驱动，并使膜(222)移动且驱动另外的辊(224、226)。主层辊(224)将粉末(232)从粉末料斗(220)传递到构建表面(102)。次级粉末辊(226)控制相对于构建平台(102)的膜(222)位置，并且可以为材料层(106)施加附加的压缩。粉末料斗(220)可以从外部源再补给，外部源也可以对粉末施加电荷，如在粉末喷涂枪中那样。存在用于对粉末施加静电荷的标准工业技术；在该装置中，主层辊(224)可以接地，并且当粉末从料斗(220)分配时，所施加的电荷可以使粉末附着到膜(222)，这在可以有助于在分配材料层(106)时保持一致性。
图44-47示出了粉末再补给单元(240)。上述粉末料斗(220)或之前描述的任何其它粉末分配设备可以从可以远离构建区域(102)定位的该单元(240)再补给粉末。粉末再补给设备(240)具有出口端口(244)，所充入的粉末将从该出口端口(244)流出，并且该出口端口(244)可连接到需要粉末供应的任何储器。空气或其它气体被泵送到充气器入口(242)中，并穿过四个充气管(248、250、252、254)进入单元(240)。气体流动迫使粉末在再补给单元(240)内以涡流模式旋转。虽然粉末未在这些图片中示出，但是由于充气管(248、250、252、254)上的孔阵列，无论在再补给单元(240)内保留的粉末的量如何，都将出现涡流情况。离心力使粉末被迫穿过过滤器(246)并离开出口端口(244)。仅所需尺寸的颗粒可以通过过滤器(246)，这为粉末管理过程增加了额外的质量控制要素。
不管在上面所讨论的SFF设备中使用什么种类的成像设备和/或材料输送系统，应注意到当在给定的SFF设备内使用多个成像设备时，这些成像设备之间的协调可能是具有挑战性的。因此，有益的是具有独立于任何单独的成像设备来操作的反馈机制，并且在物理参考框架内提供直接适用于在SFF设备内构建对象的过程的反馈。图48-51描绘了这种系统的一个实施方案。改进的构建平台(262)具有可移除的构建表面(260)。在可移除的构建表面(260)下方存在传感器模块(264)的阵列，该传感器模块(264)的阵列为校准多个成像设备提供反馈。每个传感器模块(264)包含带护罩的传感器(shrouded sensor)(266)；护罩可以提高反馈系统的精度。
图52示出了校准反馈系统的第二实施方案。与先前的传感器模块(264)类似构型的传感器模块(280)通过由致动器(278)控制的丝杆(276)沿主运动轴是可移动的。整个主轴组件通过由次级致动器(272)控制的次级丝杆(274)沿次级运动轴是可移动的。通过该系统，传感器模块(280)可以针对校准过程移动到构建区域内的任何点。改进的构建平台(262、270)中的任一个都可以使构建表面(260)被移除以用于校准，此时构建平台(262、270)可以移动到一定位置，使得其传感器表面与构建表面(260)的在构建期间用于构建对象的面的初始位置处于相同位置处。因此，传感器读数是构建过程中所使用的适当打印位置处的实际照射图案的准确读数。
如先前所描绘的，可移除的构建表面(260)可以提供允许内置式校准系统的优点，该内置式校准系统帮助协调SFF设备内的多个成像设备。虽然许多SFF设备具有用于在构建过程完成后容纳所构建的零件的可移除的构建平台、构建托盘以及其它物体，但这些都具有专有的、通常是复杂的设计。通过降低替换成本和简化使用这种表面的过程，允许任何大体平坦的刚性材料件成为可移除的构建表面(260)可能是有利的。因此，图53和图54描绘了具有可移除构建表面(260)的构建平台(300)的一个实施方案。该可移除的构建表面(260)可以在构建过程期间通过附接点(302、304、306、308)保持在适当位置处，附接点可以包含磁体或者可以是能够施加真空以保持可移除构建表面(260)的端口。通常，附接点(302、304、306、308)可以是设计成向大体上平坦的、大体上均匀的可移除构建表面(260)施加力的任何机构。
任何可移除的构建平台的优点是，在商业快速原型设置中，其允许在正在构建另一个对象的同时进行后处理。在另一个对象正在构建的同时，构建好的对象可以从SFF设备中被移除、清洁、修整并运送至客户，这优化了SFF设备的生产量。此外，这种可移除部件可以帮助容纳构建对象和未使用的构建材料，以便调节工作环境内的材料使用。图55-59描绘了具有可实现该效果的可移除构建表面(260)的构建平台(320)的可选实施方案。该改进的构建平台(320)如前所述包含附接点(302、304、306、308)，并且在其角部处具有凹口(322、324、326、328)。当平台(320)下降到其底部位置时，凹口(322、324、326、328)移动通过材料容纳储器(310)中的突出部(312、314、316、318)。材料容纳储器(310)因此接合构建表面(260)，使得它们可以一起移动，同时保持构建对象和所容纳的任何未使用的构建材料，以用于稍后的清洁和其它后处理。
支撑材料在SFF过程期间经常被使用。支撑材料有助于对象承受因施加新的材料层而产生的力，并稳定某些零件的几何形状，例如外伸特征(overhanging features)。支撑材料必须在对象完成之前移除，这通常在后处理中完成。用于创建支撑材料的常见技术是在多个小的连接点处具有连接到对象的大的支墩状支撑结构(buttress-like supportstructures)，以便于通过在这些连接点处断开支撑材料来移除支撑材料。这些连接点必须磨光或以其它方式修整，以产生光滑的最终对象；因支撑材料而引起的任何附加的修整减缓了通过SFF生产部件的生产时间，且因此需要减少支撑材料对表面光洁度的影响。
图60示出了在构建表面(102)上的待构建的对象(330)。图61和图62描绘了构建过程期间用于该对象的可能的支撑材料装置。由粉末和树脂的混合物制成的对象可以具有支撑材料(332)，该支撑材料成形为利用该未固化材料的半固体性质。未固化的材料中的粉末的存在使其对由生产新的材料层而施加的力具有更大的固有抗性。支撑材料(332)可以成形为使得其包围对象(330)的需要稳定化而不与对象(330)直接接触的部分。通过在对象(330)和支撑材料(332)之间留下一层薄的未固化的材料，可以抵抗在所示的方向(334)上所施加的剪力，并且对象被稳定，在支撑材料(332)和对象之间具有极少的实际连接点或没有实际连接点。这将有助于所制造零件的更高的总体生产速度和更高质量的表面光洁度。与许多SFF设备中所使用的传统的“支墩支撑(buttress support)”方法相比，这种方法通常可以被称为“包围支撑(encasement support)”。
上面所描述的支撑技术可以如在图63中在算法上被描绘。不像在支墩支撑技术中那样确定外伸区域或需要支撑的其它脆弱区域，该过程需要分析面向产生新材料层时所施加的剪力方向的表面的模型。基于给定区域的脆弱性，可以使用或也可以不使用连接点。为支撑结构生成的工具路径将与用于构建对象的路径合并，使得它们可以在给定的层中同时地构建。
如前所描述的，分别对边界区域和内部区域进行成像可能是有利的。边界区域在这里被定义为边缘、或代表边缘的区域，或将用作成像区域的边界的待被成像的区域。内部区域在这里定义为大体上限制在边界区域内的待被成像的区域。内部区域通常不要求与边界区域一样高的分辨率。总体上构建对象的精度通常由它的层的边界区域的分辨率来界定。如图64中所示，将CAD数据分成层的标准过程可以通过区分内部数据和边界数据来进一步扩展。边界数据可以大体上被储存为矢量数据，其中可以保留边界区域的精确曲线性质。内部数据可以大体上以位图格式储存，位图格式不保留曲率但对于成像设备而言允许快速的数据处理。内部数据的成像可以通过各种设备诸如上面所描述的那些设备来进行。边界数据可以通过准直的辐射束源成像，其中辐射被以保持边界区域的精确曲线结构的方式沿着边界区域被引导。标准SFF文件类型通常将对象的表示形式缩减为多边形集合；在该过程期间，曲率信息被缩减为由许多小的节段表示的表示形式。用户可以选择创建一个非常大的文件来保留细节，或者通过牺牲精度来节省文件空间和SFF设备的后续处理时间。如果保留曲率的其它文件类型可以被解释为创建边界和内部数据，则可以优化精度和文件大小。图64中所描绘的算法适用于任何文件类型，使得可以在SFF设备内使用的数字表示中保持优异的精度以产生最终对象。
图65表示可以加速层产生的过程，该过程适用于如上面所描述的反相SFF设备和标准SFF设备。层的产生过程受到所使用树脂的粘度的限制；这对于复合树脂混合物尤其如此。通过引入溶剂或其它化学试剂，或通过升高树脂材料的温度可以降低粘度。在一些情况下，例如在添加化学试剂时，可能希望允许所述试剂在层已经产生之后蒸发，以便使流体粘度正常化并稳定材料层。在一些其它情况下，例如当整个构建室处于升高的温度下时，在构建期间粘度将不会正常化，并且实际上温度将保持在升高的水平，直到构建过程完成。总体上，该方法在本发明的多个实施方案中提高了构建过程的速度。
在不脱离本主题的精神和本质特征的情况下可以以其它特定形式实施本主题。因此，所描述的实施方案在所有方面应被认为仅仅是说明性的而非限制性的。虽然已经根据某些优选实施方案描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施方案也在本主题的范围内。

Claims (19)

1.一种制造设备，包括：
构建表面，其用于三维实体部件的产生；
材料输送系统，其构造成将一种或更多种构建材料沉积在所述构建表面上，所述一种或更多种构建材料中的至少一种是光固化材料；
第一成像部件，其具有第一分辨率；和
第二成像部件，其具有不同于所述第一分辨率的第二分辨率；
其中所述第一成像部件和所述第二成像部件能够单独地操作，并且能够组合地一起操作，以选择性地照射所述光固化材料进而使所述三维实体部件的连续的层至少部分地固体化。
2.根据权利要求1所述的制造设备，其中，所述材料输送系统包括：
粉末分配器，其构造成将一定量的粉末材料沉积到所述构建平台上；和
树脂供应系统，其与所述构建平台连通并且构造成输送光固化树脂以注入到所述粉末材料中。
3.根据权利要求1所述的制造设备，其中所述第二分辨率高于所述第一分辨率；
其中所述第一成像部件构造成选择性地照射所述构建材料的与所述三维实体部件的内部区域对应的第一部分；并且
其中所述第二成像部件构造成选择性地照射所述构建材料的与所述三维实体部件的内部区域的边界对应的第二部分。
4.根据权利要求1所述的制造设备，其中所述第二成像部件包括：
一个或更多个准直的射束源；和
一个或更多个反射镜或透镜，其能够可控制地移动，以将所述一个或更多个准直的射束源朝向所述构建表面引导。
5.根据权利要求1所述的制造设备，其中所述第一成像部件包括棱镜光栅设备，其中所述棱镜光栅设备包括旋转的折射材料。
6.根据权利要求5所述的制造设备，其中，所述第一成像部件包括至少一个旋转反射镜。
7.根据权利要求5所述的制造设备，其中所述第一成像部件包括能够相对于所述构建表面移动的棱镜光栅设备的阵列。
8.根据权利要求1所述的制造设备，其中所述第一成像部件包括可编程平面光源。
9.根据权利要求1所述的制造设备，其中所述第一成像部件包括整体成像系统，所述整体成像系统使用准直的源的阵列和一个或更多个反射镜。
10.根据权利要求1所述的制造设备，其中，所述构建表面包括用于校准所述第一成像部件和所述第二成像部件中的一个或更多个的集成的反馈传感器。
11.一种生产三维实体部件的方法，所述方法包括：
将一种或更多种构建材料沉积在构建表面上，所述一种或多种构建材料中的至少一种是光固化材料；
用具有第一分辨率的第一成像部件选择性地照射所述光固化材料；和用具有不同于所述第一分辨率的第二分辨率的第二成像部件选择性地照射所述光固化材料；
其中所述第一成像部件和所述第二成像部件单独地以及组合在一起地使所述三维实体部件的连续的层至少部分地固体化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将一种或更多种构建材料沉积在构建表面上包括：
将一定量的粉末材料沉积到所述构建平台上；和
将光固化树脂注入到所述粉末材料中。
13.根据权利要求11所述的方法，包括使支撑材料在所述构建表面上沉积，其中用所述第一成像部件选择性地照射所述光固化材料和用所述第二成像部件选择性地照射所述光固化材料包括：
使所述支撑材料至少部分地固体化以形成支撑结构的连续的层；和
在所述支撑结构和所述三维实体部件之间提供未固化材料层，使得所述支撑结构不直接接触所述三维实体部件。
14.根据权利要求11所述的方法，其中用第一成像部件选择性地照射所述光固化材料包括选择性地照射所述构建材料的与所述三维实体部件的内部区域对应的第一部分；并且
其中用第二成像部件选择性地照射所述光固化材料包括选择性地照射所述构建材料的与所述三维实体部件的内部区域的边界对应的第二部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述方法包括将计算机辅助绘图(CAD)数据分成包含所述内部区域的边界的数据的第一文件和包含所述内部区域的数据的第二文件，其中所述边界区域由矢量数据表示并且所述内部区域由位图数据表示。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一成像部件包括一个或更多个棱镜光栅设备，所述一个或更多个棱镜光栅设备中的每一个包括辐射源；并且
其中用第一成像部件选择性地照射所述光固化材料包括：
沿着第一方向使定位在所述辐射源和所述构建表面之间的折射材料旋转；
在与所述第一方向不同的第二方向上增量式地平移所述一个或更多个棱镜光栅设备；和
用旋转和平移的步骤协调所述辐射源的选择性激活以在所述构建表面上产生对应于所述三维实体部件的所述连续的层中的一个的光栅图案。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在第二方向上增量式地平移所述一个或更多个棱镜光栅设备包括以小于所述辐射源的射束宽度的距离增量式地平移所述一个或更多个光栅设备，使得所述光栅图案包括多条重叠线；并且
其中所述三维实体部件的所述连续的层仅在被所述第一成像部件照射两次时被所述第一成像部件固体化。
18.根据权利要求16所述的方法，包括在增量式地平移所述一个或更多个棱镜光栅设备的步骤期间，连续地或半连续地向远离所述第一成像部件的方向移动所述构建表面。
19.根据权利要求11所述的方法，包括产生来自与所述构建表面连通地定位的一个或更多个传感器的反馈；和
基于来自所述一个或更多个传感器的反馈，用所述第一成像部件或所述第二成像部件中的一个或两个来调节所述光固化材料的选择性照射。
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