CN107791511A - 增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造方法，为了提供有效的增材制造方法，根据本发明规定，该方法使用包含可辐射固化的液体(4)并具有至少一个辐射可穿透的侧壁(3)的箱体(2)，其中‑光束(6)通过侧壁(3)进行作用，其结果是靠近侧壁(3)的液体(4)至少在某些区域被硬化，以及‑通过硬化形成的物体(20)在远离侧壁(3)的侧向方向上沿着传送方向(T)被传送，结果所述液体(4)流入在所述物体(20)和所述侧壁(3)之间的间隙(15)中。

Description

增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种增材制造方法(Additives Fertigungsverfahren)。

背景技术

目前存在各种方法，通过这些方法，基于施工数据，可以从无定形的或中性形状的材料如粉末或液体产生三维模型。这些方法在集合术语“快速原型制造”中也是已知的。在这种情况下，常常发生初步成型步骤，其中源材料从一开始就以液态存在，或者在这期间是液化的，并在指定的位置处硬化。在这种情况下，已知的方法是所谓的熔融沉积成型(FDM)，其中工件由热塑性材料层叠堆积而成。塑料例如以粉末形式或丝线形式供应，熔化并且以熔融形式由打印头使用，打印头通常一个接一个地，水平扫描要制造物体的层。

另一种方法是所谓的立体光刻法，其中原料是可以通过辐射作用固化的液体。例如，可以是紫外线固化树脂。基本上，两种不同的方法类型目前都在使用，其中可以在每种情况下都可以连续地堆积物体的水平延伸层。在一种方法变型中，硬化辐射被引导到箱体中的液体的表面上。在这种情况下，可以在箱体内垂直行进的平台首先被定位于表面正下方。接下来，层被直接硬化在平台上，平台向下移动一层厚度的距离。液体现在朝向物体流动，或者通过擦拭器被吸在物体上，并且覆盖硬化层，使得另外的层可以被硬化。通过逐层硬化和平台行进，物体由一系列水平延伸的层组装起来。在另一个变型中，硬化辐射从下方通过箱体的可辐射穿透的底部起作用，使得在每种情况下，层可以直接硬化在底部。待制造的物体粘附在垂直移动的平台的下侧，每个层硬化之后平台向上移动一层厚度的距离。然而，由于在每种情况下制造的层也粘附到箱体的底部，所以必须通过振动运动等来分离，这构成了不期望的组件的机械负荷。

目前可用的立体光刻方法不适用于组件的连续或实质连续的成批制造。从平台的顶侧或底侧移除成品组件相对耗时，这也意味着制造过程的中断。

US 2015/0290881A1示出了用于制造三维模型的装置，其中打印头可以在倾斜平面内二维移动。通过打印头，装置加载的粉末材料可以局部熔化，结果可以在上述平面内逐层地由层构成模型。通过传送带，模型在堆积过程中水平移动。

CN 103231513A公开了一种3D打印机，其中打印头可以在制造物体的固定平台上三维地移动。打印头通过进料管线连接到可经由打印头的喷嘴排出UV(紫外线)固化树脂的供应箱体。打印头还具有UV光源，通过该光源，排出的树脂被硬化。

CN 104325643A公开了一种制造方法，其中液体UV固化树脂保持在箱体内。通过安装在三维可动臂上的UV辐射源，树脂的最上层可以硬化。在箱体侧设置有能够将液体引入箱体中的注入装置，液体的密度大于液体树脂的密度，使得后者浮在液体上。在制造过程中，要制造的物体的水平延伸层逐层硬化，同时液体树脂的表面通过添加液体而连续升高。

CN 104626571中描述的是一种3D打印机，其中可以在其上制造物体的可垂直移动的平台布置在基部上。以线材形式供给的热塑性材料在打印头中液化，打印头作为可位于平台上的水平可移动单元的一部分。

WO 2014/165265A1公开了一种光刻工艺，其中从顶部向下堆积待制造的物体。在这种情况下，层堆积不是在一个平面上进行的，而是通过一个或多个用于可辐射固化树脂的传送单元相对于其上保持待制造物体的堆积平台旋转而以螺旋形式进行。在制造过程中，堆积平台与所述旋转同时向上垂直移动。

US 2015/0266235 A1公开了一种基于熔融沉积的增材制造方法。通过喷嘴，热塑性材料的丝线逐渐地施加。一方面，为了实现不同丝线的更好的结合，并且另一方面为了能够更准确地再现任何表面形状，规定丝线的应用不是仅在平行的水平方向上实施，而是在可选的在倾斜或甚至弯曲区域内实施。

根据现有技术的证据，增材制造方法的效率为改进提供了更多的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速连续运行的有效的增材制造方法，从而也适用于成批制造。

根据本发明，通过具有权利要求1的特征的增材制造方法来实现改目的，其中从属权利要求涉及本发明的有利实施例。

应当指出的是，在随后的说明书中单独引用的特征和措施可以以任何技术上合理的方式相互组合并且展示本发明的进一步的实施例。该说明书特别地结合附图来描绘和详细说明本发明。

通过本发明，提供了一种增材制造方法。该方法可以与快速原型制造域相关联。然而，将会明确的是，它不仅适用于原型或个体模型的制造，也可能适用于成批制造。

在该方法中使用的是包含可辐射固化液体并且具有至少一个可辐射穿透侧壁的箱体。“可辐射固化”在这里是指通过至少一种特定类型的辐射的作用使液体例如通过聚合而变成固态。它可以特别是通过紫外线辐射(或简称UV固化)可固化的液体，例如。以单体或低聚物形式的液体存在并在UV辐射下聚合的树脂。

箱体也可以称为容器或池，并且可以根据方法的要求而具有不同的形状和尺寸。箱体可以在顶部打开或关闭。箱体的至少一个侧壁是可辐射穿透的，其自然地与该液体可以被硬化的辐射有关。应当理解，一定量的辐射总是被反射和/或吸收，这就是为什么穿透性通常不是百分之百。通常，允许辐射的至少50％或至少80％通过，其中较小的比例也是可以想象的，然而这样会导致该方法变得不经济。在UV辐射的情况下，侧壁可以由例如玻璃组成，其不会呈现出大量的紫外线吸收。在这种情况下，侧壁形成了箱体的一部分，其相对于由重力预定的参考系统而布置在侧面。因此，侧壁既不是箱体的底部也不是盖的一部分。换句话说，侧壁向上或向下延伸，但是不一定垂直。在这种情况下，侧壁不一定被辐射整体穿透，而是可以是形成在例如垂直壁内的可辐射穿透的窗户。

在根据本发明的方法的情况下，辐射通过侧壁起作用，其结果是靠近侧壁的液体至少在某些区域硬化。因此，合适的辐射源被布置在箱体外部，并产生穿过侧壁并作用在箱体中的液体的相应辐射。更准确地说，作为有效辐射的结果，靠近侧壁(也就是说在其内侧)的一定量的液体被硬化。在下文中，术语“固化”以及“硬化”应被广义地解释，并不意味着例如聚合或基于固化的其它方法必须被完全排除。在目标制造方法的意义上，辐射在这种情况下通常对应于指定的图案。也可以说辐射预定区域。在这种情况下，例如可以通过窄聚焦光束进行区域的扫描，或者一次投射指定的辐射图案。应当理解，可以根据要产生的物体的预定数据来控制辐射源，并因此控制基于空间或时间的辐射图案。在这种情况下，辐射面积对应于物体的(可能是不均匀的)横截面。

此外，在该过程中，通过硬化形成的物体沿着传送方向远离侧壁而向侧方传送，结果液体流入物体和侧壁之间的间隙。由于上述硬化，创造出与要制造的物体相关联的硬化材料的平坦(或可能是线性或点状)区域。由于上述传送运动，包括该硬化区域的物体从侧壁被移除，或者也可以说硬化材料与侧壁分离。作为其结果，创造出未硬化液体流入的空隙。该流动部分地基于重力，部分地基于在物体和侧壁之间的分离期间产生的负压力。流入的液体又可以反过来通过辐射硬化，由此进行物体的连续堆积。物体的传送沿着可以在该方法的框架内可变地选择的传送方向进行，然而，其包括沿侧向(即横向于重力方向)的运动。这不排除具有垂直分量(向上或向下)的传送方向。运输可以通过至少部分地布置在箱体内部的至少一个传送装置或传递装置来进行。

总的来说，可以说，在本发明的制造方法中，不是从顶部向下或从底部向上进行水平层的积累，而是物体的堆积是横向进行的。由于物体沿侧向传送的事实，靠近侧壁的实际制造区域再次被直接释放，并且可以开始新的物体的制造。作为至少部分侧向运动的结果，在整个制造期间，物体完全或至少部分地保持在液体内部，其中其浮力导致物体能够更容易地稳定。与从底部向上的堆积(其中在液体表面上硬化的同时平台相继降低)相比，显而易见的是，液体进入侧壁区域的后流动相对地进行地迅速而且无需其他协助。

该物体优选在有辐射影响的情况下以连续方式传送。也就是说，与已知的立体光刻方法不同，在该已知的立体光刻方法中，其在物体静置的同时堆积物体的层，然后在辐射源被关闭的同时进行降低或升高，而在本实施例的情况下，以时间上彼此平行地方式进行辐射和物体的传送。在这种情况下，可以通过至少一个可以恒定速度操作的连续传送机来传送物体。一方面，物体的建造可能比在不连续的水平层叠的情况下显著更快地执行，另一方面，为了控制工程设计的原因，仅须满足物体的足够均匀的运动和辐射图案基于时间的协调。然而，省略了在空间上和时间上协调物体的停止和创建相应的辐射图案的需要。在该方法变体的情况下，积极的方面是，通常绝对不会在完成的物体中的各个层之间辨别出不连续的转变，而是产生平滑的外轮廓。

在上述方法的连续实施例的情况下，特别地但非排他地，通过侧壁结构阻止物体的停止是有利的。也就是说，侧壁被完全地构造为，或者例如仅在内侧构造为，使得物体在硬化过程中不能粘附。例如，侧壁可以是透氧设计的，其结果是在特定的UV固化树脂的情况下聚合被阻止。在这种情况下，在与侧壁直接邻接的小区域中不会发生硬化，从而防止粘附。无论如何防止粘附，该方法的连续流动自然应被该结果支持。因此不需要通过更大的力消耗或甚至振动来从侧壁释放物体。因此，也不会发生可能变形或以其他方式损坏物体的机械负荷。

如上所述，除了水平分量之外，传送方向也具有垂直分量，即物体也可以由于传送而升高或降低。然而，优选地，至少主要水平地进行传送。因此，传送方向有利地与水平方向成至多30°的角度。在这种情况下，水平方向或水平线是垂直于重力作用方向延伸的平面。所提到的角度可以至多为20°或最多10°。传送方向可以特别在水平方向。这种至少主要是水平的传送具有各种优点。一方面，也可以使用简单设计的传送装置，例如，一种传送带，来传送物体而没有昂贵的支撑，因为它可以简单地站立在传送装置的(大致)水平的表面上。通常，由于重力的原因，不会出现可能导致物体在传送装置上位移的明显倾翻力矩或力。此外，要考虑到物体的最高点距箱体中液体表面的距离不会改变，或仅稍微改变。也就是说，在制造过程中也可能甚至当被传送到完成点时的物体完全或主要地在液体内部，并且物体由于浮力而更加稳定。在某些情况下，硬化材料的密度可稍微大于液体的密度，但是物体的重力至少部分或大部分被浮力所补偿。这也有助于稳定化，由此通常可以省略昂贵的支撑装置。

如上所述，侧壁可以是各种形状，例如弯曲或成角度的。在这些情况下，对应于坐标变换的所产生的辐射图形当然必须适应于侧壁的形状，因为在这种情况下，液体的相应硬化区域不对应于物体的平面横截区域(但是对应于弯曲的、有角度的或类似的截面区域)。然而，总的来说，优选的是，侧壁是平面设计的。这个说法本来严格地仅指的是通过辐射最大程度覆盖的侧壁部分。如果存在不能被辐射覆盖的辐射穿透区域，则这些区域本身可以理解为非平面设计。

在这种情况下，侧壁垂直于传送方向延伸也是有利的。在该方法中，侧壁的延伸方向与物体的堆积平面的延伸方向相对应，堆积平面即发生硬化的平面。在这种变型中，传送方向因此与堆积平面成90°的角度延伸。这对于作为基础的坐标系来说尤其是有利的，在这种情况下可以选择笛卡尔坐标系，其中传送方向对应于第一轴(例如，X轴)，并且辐射图被投射到的堆积平面被第二和第三轴(例如Y轴和Z轴)跨越。

如果侧壁至少大致垂直延伸也是有利的。因此，侧壁可以占据与垂直方向最多30°的角度，其中垂直方向或垂直线又由重力的作用方向限定。此外，该角度可以至多为20°或至多10°。特别地，侧壁可以垂直地延伸。由于如已经提到的那样，侧壁指定了堆积平面，所以可以通过侧壁的垂直延伸来确保物体的上下安置的区域可以在每种情况下堆积，这通常使得物体不太可能变得不平衡。

根据本发明的方法的可能性超出了单个原型或模型的常规制造。实际上，可以进行适当的成批制造，在传统的立体光刻方法的情况下，由于这样的事实，即在每种情况下完成的物体被制造在平台之上或之下，并且首先必须在制造另一个物体前去除这个完成的物体，成批制造因而被阻止。在根据本发明的方法的情况下，不会发生这个问题，因为完成的物体沿侧向传送离开，因此释放与侧壁相邻的实际制造区域。特别地，例如当通过一种传送带进行传送时，立即可以使底部用于制造下一个物体。因此，当物体在箱体内运送时，可以开始制造下一个物体。在极端情况下，可以在两个连续制造的物体之间允许最小间隙(例如1mm或更小)。因此，在这种情况下，与制造下列物体按时间并行地进行最初制造物体的进一步传送。因此，真正的成批制造是可能的。

当然，不仅在这种方法变体的情况下，而且总体上，因为物体的制造消耗液体，箱体中的液体被连续地或者间隔地从储存器填充，这都是特别有利的。至迟当液面位于可辐射透过侧壁的上边缘的下方时，填充是必要的。

在制造结束时，物体必须以某种方式从箱体中取出。虽然该物体优选在制造过程中连续传送，但也可以通过不连续传送方式进行移除，例如，使用夹持臂抓住物体并将其从连续传送机提升。然而，完成物品有利地以连续的方式传送出箱体外。这又可以通过连续传送机(例如传送带)进行。在这种情况下，在制造期间物体可能被第一连续传送机传送，然后被转移到将物体运出箱体的第二连续传送机。特别地，物体可以向上成角度传送，例如，通过倾斜的传送带等。在传送方向不水平延伸的情况下，还可以在进一步的处理过程中将物体沿传送方向传送出箱体外。例如，向上倾斜的单个传送带可以在制造过程中传送物体，并在进一步的处理过程中将其传出箱体。

如已经讨论的，至少在根据本发明的方法的一些变型的情况下，可以省略物体的支撑，或者该支撑可以最小化。然而，在某些情况下，特别是取决于成品的三维形状，物体的支撑是有利的。根据一个替代方案，支撑装置可以布置在传送装置上，并且可以在成批制造期间被重新利用于多个物体。根据另一实施例，可以与此同时在物体上产生支撑结构，并且在物体已经被运送出箱体之后移除。换句话说，在生产过程中制造指定子结构，该子结构不会被计算在所需物体的最终形状之中，而是仅用于在制造期间稳定物体和用于进一步传送，例如防止物体倾翻。这种支撑结构可以具有支架、悬架、支柱、承架等形式。由于这些支撑结构不是实际需要的物体形状的一部分，因此在物体从箱体腾出之后它们被移除。在某些情况下，支撑结构的分离可以通过断裂或切割或者通过其他合适的方法如喷水切割或激光切割来机械地进行。

附图说明

下面基于在附图中表示的示例性实施例更详细地解释本发明的进一步有利的细节和效果。在图中

图1示出了用于实现根据本发明的方法的装置的示意图；并且

图2示出了图1的详细视图；

在不同的附图中，相同的部分总是采用相同的名称，因而只被描述一次。

具体实施方式

图1以示意形式示出了可以实现根据本发明的增材制造方法的制造设备1。制造设备1包括纵长的箱体2，其包含可UV固化的液体4，例如树脂。主要由单体组成的液体4在UV辐射的作用下聚合，最后变成固体。本示例中的箱体2是具有敞开上部的平行六面体设计，并且其边缘沿着垂直V和水平H定向。特别地，箱体2的侧壁3垂直地延伸，也就是说在垂直方向V上延伸。该侧壁3具有可UV穿透的设计。在箱体2的侧面设置有UV投射器5，其可以将UV光束6投射到侧壁3上并通过其投射到后面的液体4。在这种情况下，UV投射器5连接到控制单元(未示出)，其控制UV光束6的图案，也就是说其基于空间和/或时间的强度分布。

制造设备具有一排连续传送机7-12。在这种情况下，第一对连续传送机7、8完全位于箱体2内部和液体4中。这些连续传送机7、8被设计成沿着水平传送方向T运送物体20。在这种情况下，物体20可以站在第一连续传送机7(例如可以将其设计成传送带)上，而与其平行延伸的第二连续传送机8引导物体20的上部。第二对连续传送机9、10连接到其上，以约25°的角度倾斜向上引出箱体2。在箱体2上方连接的是第三对连续传送机11、12，其依次水平延伸。

在制造设备1的操作期间，连续传送机7-12以恒定的速度运行。在紫外线可穿透侧壁3的区域中，UV光束6引起液体4的硬化，由此物体20逐部分地形成。在本示例中，该物体是以材料结合的方式连接到支撑结构22的齿轮21。在这种情况下，支撑结构22仅用于防止物体20的倾翻。在其上端，支撑结构22与第二连续传送机8的保持装置8.1接合。而通过第一对连续传送机7、8，保持沿传送方向T的传送运动，由于UV光束6的图案，靠近侧壁3的液体4的区域被硬化，其中，图案被改变，使得在每种情况下，它对应于待制造的物体20的横截面。在该过程中，图案的基于时间的变化与传送速度协调，使得各个横截面沿传送方向T依次连接而不变形。

在这种情况下，侧壁3被设计成防止物体20对其的附着。例如，它可以是透氧膜。结果，如图2的详细视图所示，物体20可以从侧壁3移除，而不需要特别的力消耗，从而产生间隙15。请注意，间隙15的尺寸在图2中未按比例示出。一方面，由于重力，另一方面，由于随后形成的负压，液体4流入间隙15，如粗箭头所示。换句话说，没有进一步的措施，间隙15再次填充液体，液体可以在进一步的处理过程中通过UV束6进行硬化。该方法在这种情况下连续工作，即不需要为了添加一个离散的层在此期间停止物体20。在增材制造过程中，还构造用于物体20的位置固定的支撑结构22。然而，通常，这些可以相当经济地构造，因为在所示方法的情况下，物体20在其堆积期间被具有相似密度的液体4包围。因此，物体20的重力和浮力的差异较小。在物体20完成之后，UV投射器关闭一段时间，而连续传送机7至12继续运行。

如图1所示，新物体20的制造开始而这时最后一个制造的物体20仍然位于第一连续传送机7上的箱体2内。由于每个物体20在侧向方向上被传送走，所以靠近侧壁3的实际制造区域立即再次释放并且可以被重新利用。在腾出前两个连续传送机7、8之后，相应的物体20被转移到第二对连续传送机9、10上，结果将其传送出箱体2并从液体4中出来。在此期间剩余液体4大部分可以从物体20流回到箱体2中。

自然地，每个物体20的制造用掉了箱体2一定量的液体4，液体4必须连续地或间隔地更换。为了清楚起见，此处未示出相应的供料管线。

在箱体2上方，物体20被传送到第三对连续传送机11、12，其中借助于这里未示出的工具，例如通过激光切割或喷水切割，齿轮21可以与支撑结构22分离，不再需要的支撑结构22可以被收集在容器13中。

附图标记列表：

1 制造设备

2 箱体

3 侧壁

4 液体

5 UV投射器

6 紫外线束

7-12 连续传送机

8.1 保持装置

13 容器

15 间隙

20 物体

21 齿轮

22 支撑结构

V 垂直面方向

H 水平方向

T 运输方向

Claims (10)

1.一种采用箱体(2)的增材制造方法，所述箱体(2)包含可辐射固化的液体(4)并且具有至少一个辐射可穿透的侧壁(3)，其中

-光束(6)通过所述侧壁(3)进行作用，其结果是靠近所述侧壁(3)的所述液体(4)至少在某些区域被硬化，以及

-通过硬化形成的物体(20)在远离所述侧壁(3)的侧向方向上沿着传送方向(T)被传送，其结果是所述液体(4)流入在所述物体(20)和所述侧壁(3)之间的间隙(15)中。

2.如权利要求1所述的制造方法，

其特征在于，

所述物体(20)在光束(6)被产生的同时以连续方式被传送。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

通过所述侧壁(3)的结构，防止了所述物体(20)的粘附。

4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

所述传送方向(T)与水平方向(H)成至多30度的角度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

所述侧壁(3)具有平面设计。

6.根据权利要求5所述的制造方法，

其特征在于，

所述侧壁(3)垂直于所述传送方向(T)延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

所述侧壁(3)相对于垂直方向(V)成至多30°的角度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

当所述物体(20)在所述箱体(2)内被传送时，开始下一个物体(20)的制造。

9.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

完成的物体(20)以连续的方式被传送出所述箱体(2)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，

其特征在于，

支撑结构(22)形成在所述物体(20)上并且在所述物体(20)已经被运送到箱体(2)之外后被移除。