CN108472873A - 用于形成供增材制造的浆料薄层的方法和设备 - Google Patents

用于形成供增材制造的浆料薄层的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于提供三维物体的增材制造设备、以及用于三维物体(5)的增材制造的方法。曝光单元(11)被布置来将浆料层固化到形成的物体(5)上，并且衬底(2)被布置来接收预定量的浆料(4)并且将所述预定量的浆料(4)定位到与所述曝光单元(11)相关联的曝光位置。所述衬底(2)包括在所述衬底(2)的表面上的防浆料层(3)。物体保持器被设置用于保持形成的所述物体(5)，并且所述物体保持器被布置来将形成的所述物体(5)朝向所述衬底(2)压入所述预定量的浆料(4)中，直到达到所述层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤。

Description

用于形成供增材制造的浆料薄层的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于三维物体的增材制造的方法，所述方法包括通过在衬底上重复提供预定量的浆料作为层并将所述层固化到形成的物体上来制造物体。在另一方面，本发明涉及一种用于提供三维物体的增材制造设备，所述增材制造设备包括：曝光单元，所述曝光单元被布置来将浆料层固化到形成的物体上；衬底，所述衬底被布置来接收预定量的浆料并且将预定量的浆料定位到与曝光单元相关联的曝光位置。
背景技术
美国专利公布US2013/292863公开了一种相对于与图像板的零件分离具有改进的增材制造设备。图像板的顶表面上设置有固化抑制层，该层是例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。
国际专利公布W02014/006399公开了一种增材制造设备，其是将所形成(“构建”)的物体浸没在光反应物质中的类型。提供了透光构件以用于使用曝光来固化物质。在一个实施方式中，透光构件是透明圆柱形部件，其可以在形成的物体上“滚动”(图1和图2分别是设备的y-平面截面图和x-平面截面图)。
欧洲专利公布EP-A-2 151 214公开了使用具有粘合剂、光聚合引发剂和填充剂的浆料，用于牙科元件的增材制造。所公开的增材制造设备是将形成的物体浸没在浆料中的类型。
美国专利公布US2011/0309554公开了一种用于处理用于分层构建物体的可光聚合材料的装置。在一个实施方式中，装置包括可旋转设置的槽、设置在槽上方用于构建物体的构建平台、用于将可光聚合材料供给到槽的底部内的供给装置、光调制器和分别在构建平台下方和上方的另外曝光单元。
发明内容
本发明试图提供一种用于增材制造，特别是在由于浆料的(并且因此最终三维物体的)组成而需要使用薄浆料层的情况下的改进方法和设备。
根据本发明，提供了根据以上定义的前序部分的方法，其中防浆料层设置在衬底表面上，并且方法还包括将形成的物体压入预定量的浆料中，直到达到层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤，并且在将形成的物体压入预定量的浆料中期间搅拌预定量的浆料。防浆料层与浆料搅拌相结合具有以下效果：通过迄今为止形成的物体可以更容易地将浆料推开，从而需要较小的力并且降低损坏物体的已形成层的可能性。特别是当需要待暴露的薄浆料层时(例如，当使用透明度较低的浆料组合物时)，或当使用高粘性的浆料组合物时，这在提供高质量的三维物体方面是非常有利的。
在本发明的另一方面，提供了如上所述的增材制造设备，其中衬底包括在衬底表面上的防浆料层，用于保持形成的物体的物体保持器，其中物体保持器被布置来将所形成的物体朝向衬底压入预定量的浆料中直到达到层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤，以及被布置来搅拌预定量的浆料的搅拌器系统。同样，特别是在三维物体的制造期间需要薄层时，和/或在使用高粘性的浆料组合物时，需要由物体保持器施加的力降低，从而导致更可靠和耐用的增材制造设备。
如在所附权利要求书中描述的和在下面对示例性实施方式的描述中解释的，另外的可能特征可以被单独或组合地添加到本发明的方法和设备中。
附图说明
下面将参考附图使用多个示例性实施方式更详细地讨论本发明，其中
图1示出使用增材制造来制造的三维物体的截面视；
图2示出根据本发明实施方式的包括增材制造设备的另外部件的图1的截面视。
具体实施方式
本发明特别适用于增材制造技术，所述增材制造技术用于使用可固化材料层(例如，以浆料的形式)的曝光来逐层制造三维物体。然后，通过将待形成的物体随后定位成与新浆料层接触并曝光/固化该新层来逐层创造物体。
对于特定的应用，浆料可以包括可固化树脂以及不吸收曝光辐射(例如，源自数字光处理器(DLP))的高质量氧化物陶瓷，由此整个层可以被暴露并因此固化到形成的物体上。
当浆料中使用(或多或少)吸收用于曝光的辐射的其他材料时，增材制造由于所使用的曝光辐射的穿透深度和效率减弱而受到阻碍。只有使用非常薄的光敏浆料层，这种类型的逐层增材制造才能成功。
于是，还会遇到的问题是期望使用的浆料通常是高粘性的。为了使待形成的物体(形成的最后一层)与新浆料层接触并且具有适量厚度的该层以允许整个层的固化(即，通透固化)，必须将待形成的物体用力压入粘性浆料内。当造成的力太高时，待形成的物体可能被损坏，或者不能达到浆料层的期望(小)厚度。
图1示出在使用增材制造(如由形成的物体5中的水平线所示)来制做三维物体5时所使用的主要部件的截面图。衬底2被设置用于保持预定量的浆料4，在本实施方式中具有单独的防浆料层3。对于形成的物体5的每一层，使物体朝向衬底2下降并进入到浆料4中，直到实现预定层厚度。在此之后，将浆料4层暴露于辐射下以将浆料4固化到形成的物体上。
因此，根据本发明的第一实施方式，提供了一种用于三维物体5的增材制造的方法，其包括通过在衬底2上重复提供预定量的浆料4作为层并将所述层固化到形成的物体5上来制造物体5。衬底2是例如透明的或半透明的以允许将衬底2上新形成的浆料4层暴露于合适的辐射剂量。防浆料层3设置在衬底2的表面上。方法还包括将形成的物体5压入预定量的浆料4中，直到达到层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤。由于防浆料层3，在将形成的物体5推到新浆料4层内时不需要施加较高的向下力(朝向衬底)：在衬底2顶部上使用排斥层3意味着在该侧不再存在边界层(在该侧浆料移动理论上是零)，从而允许将所述量的浆料4推开而不费力。这导致对衬底2或形成的物体5(的先前形成的层)(或所使用的设备的其他部分)造成损坏等的可能性较小。
在特定的实施方式中，防浆料层包括聚四氟乙烯(PTFE)，其容易添加到衬底2作为单独层。防浆料层3也可以形成为衬底2的上部或衬底2的物理或化学结构。用于防浆料层的替代材料是例如全氟烷氧基(PFA)和氟化乙烯丙烯(FEP)。更一般地说，防浆料层3提供与衬底2的规则表面相比更低的表面张力，以便允许容易地将浆料4推开。
在另一实施方式中，方法还包括在将形成的物体5压入预定量的浆料4中期间搅拌预定量的浆料4。这种搅拌可能有利于影响浆料的特性(诸如粘性等)，使得更容易地将形成的物体5压入浆料4中。形成的物体5的前一层与新浆料层的接触也得到改善。
在另一实施方式中，搅拌包括间接搅拌(例如，通过(超声波)振动)。这可以使用可容易获得的部件(诸如，超声波换能器等)以成本有效的方式实现。
就在曝光之前，浆料4层的期望厚度小于10μm(例如，5μm)。这允许辐射(例如，光)穿透整个浆料4层，从而允许对新层的整个深度的适当和充分的固化，即使当使用具有在曝光期间反射或漫射辐射的颗粒(例如，金属颗粒)的浆料4时也是如此。通常，在两个表面(形成的物体5的底部和衬底2的顶部)之间形成这种薄浆料4层将需要较高力以挤出浆料。利用本发明的实施方式(使用排斥层3)使这成为可能，并且在使用对预定量的浆料4的搅拌时甚至可以进一步增强。
当使用高粘性浆料(例如，具有高负载的颗粒(例如，金属颗粒)的可固化树脂的混合物)时，本发明的实施方式是特别有利的。因此，浆料4在另一实施方式中是高粘性的(例如，粘性范围为20-500泊)。
在另外实施方式中，浆料4包括金属颗粒或金属颗粒前体。示例是例如钨或钛颗粒，还可以使用金属前体，例如但不限于金属氢化物或金属有机化合物。
在另外实施方式中，所形成的物体5的截面表面大于1cm2(例如，超过10cm2)。虽然这样的尺寸意味着需要将相当多的浆料4推到一边以获得浆料4层的期望厚度，但是使用本发明的实施方式使这是可能的。
图2示出根据本发明另一方面的具有用于提供三维物体的增材制造设备的另外部件的图1的横剖面视图。设备包括被布置来将浆料4层固化到形成的物体5上的曝光单元11。衬底2被布置来接收预定量的浆料4并且将预定量的浆料4定位到与曝光单元11相关联的曝光位置。衬底2包括在衬底2的表面上的防浆料层3。物体保持器被设置用于保持形成的物体5，其中物体保持器被布置来将形成的物体5朝向衬底2压入预定量的浆料4中，直到达到层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤。如在上述实施方式中那样，防浆料层3包括聚四氟乙烯(PTFE)。如上所述，防浆料层3允许对于每个增材制造步骤都具有非常薄的浆料4层。
此外，增材制造设备还可以包括搅拌器系统12，搅拌器系统12被布置来例如在将形成的物体5压入浆料4中的同时搅拌预定量的(新沉积的)浆料4。在一个实施方式中，搅拌器系统12可以包括振动构件(例如，超声波换能器)。振动构件可以与浆料4层直接接触，或可以使用间接接触来实现，例如，经由衬底2或设备的其他中间物体(例如，当衬底2实现为箔衬底时，保持衬底2的支撑板)。
搅拌器系统12也可以设置在更通用的增材制造设备中，所述增材制造设备包括：曝光单元11，其被布置来将浆料层固化到形成的物体5上；衬底2，其被布置来接收预定量的浆料4并且将预定量的浆料4定位到与曝光单元11相关联的曝光位置；以及物体保持器，其用于保持所形成的物体5。搅拌器系统12也可用于三维物体的制造过程的其他阶段，例如，以便有助于在固化树脂层之后提升中间三维物体5。
在有利的实施方式中，支撑板被设置用于支撑衬底2，并且包括搅拌器系统12(或树脂粘性降低单元12)，所述搅拌器系统12允许可固化树脂4层达到预定的粘性以优化固化过程。例如，为了制造物体5的截面切片，保持(中间)物体5的台朝向(箔)衬底2下降，并且将最新固化的树脂层压入新供应的浆料4层中。这确保了新供应的浆料4层在形成的物体5下方达到期望厚度，并且使物体5与箔衬底2之间的未固化树脂(包括防浆料层3)均匀分布。此外，改变物体5与箔衬底2之间的可固化树脂(浆料4)的粘性使得将物体5压入浆料层4中时必须施加的压缩力最小化，从而允许更准确地相对于箔衬底2定位台和物体5。
可能以若干方式来实现对浆料4层的粘性的控制。例如，在一个实施方式中，树脂粘性降低单元12包括表面加热装置。表面加热装置被布置来加热支撑板，并且因此支撑板上设置有箔衬底2以及浆料4层。因此，可以降低浆料4层的粘性，使得当物体5下降到其下方的树脂内时台的压缩力减小。此外，因为树脂的粘性降低，物体5与箔衬底2之间的浆料4层以更均匀且平滑的方式流动。
在另一实施方式中，表面加热装置包括加热空气鼓风机。加热空气鼓风机允许从下方和/或上方对衬底2进行加热。加热空气鼓风机提供快速的加热并且允许加热的空气流动，其中加热的空气流的温度和流动方向根据增材制造设备1周围的大气条件很容易地适应于物体5。
在又另一实施方式中，树脂粘性降低单元12包括超声波装置，使得可以通过在支撑板(和/或台)上施加高频率振动来改变浆料4层的粘性(例如降低)。也就是说，超声波装置可以直接连接到支撑板(和/或台)，以直接对浆料4层施加高振动频率，从而实现浆料4层的粘性的期望变化。在替代性实施方式中，树脂粘性降低单元12包括振动致动器，例如，用于振动支撑板(和/或台9)的高频压电致动器。树脂粘性降低单元12的上述实施方式在非牛顿可固化树脂的情况下是有利的，从而在树脂内的剪切速率增加时表现出降低的粘性，这对于聚合物基树脂通常是这种情况。
如图2所示的实施方式中示出的，控制单元10还可以设置成与曝光单元11和搅拌器系统12接触。而且，控制单元10可以与物体保持器连通以用于在增材制造过程期间将形成的物体5移动在合适的位置。
上文已经参照如附图所示的多个示例性实施方式描述了本发明的实施方式。一些部件或元件的修改和替代实现方式是可能的，并且被包括在所附权利要求书限定的保护范围内。

Claims (14)

1.一种用于三维物体(5)的增材制造的方法，所述方法包括
通过在衬底(2)上重复提供预定量的浆料(4)作为层并且将所述层固化到形成的所述物体(5)上来制造所述物体(5)，其中防浆料层(3)设置在所述衬底(2)的表面上；并且所述方法还包括
将形成的所述物体(5)压入所述预定量的浆料(4)中，直到达到所述层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤，并且在将形成的所述物体压入所述预定量的浆料(4)中期间搅拌所述预定量的浆料(4)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述防浆料层(3)包括聚四氟乙烯(PTFE)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中搅拌包括间接搅拌，例如，通过振动。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述层的期望厚度小于10μm，例如，5μm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述浆料(4)是高粘性的。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述浆料(4)包括金属颗粒或金属颗粒前体。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所形成的所述物体(5)的截面表面大于1cm2，例如，超过10cm2。
8.一种用于提供三维物体的增材制造设备，所述增材制造设备包括
曝光单元(11)，其被布置来将浆料层固化到形成的物体(5)上；衬底(2)，其被布置来接收预定量的浆料(4)并且将所述预定量的浆料(4)定位到与所述曝光单元(11)相关联的曝光位置，其中所述衬底(2)包括在所述衬底(2)的表面上的防浆料层(3)，
物体保持器，所述物体保持器用于保持形成的所述物体(5)，其中所述物体保持器被布置来将形成的所述物体(5)朝向所述衬底(2)压入所述预定量的浆料(4)中，直到达到所述层的期望厚度以供用于下一增材制造步骤；以及
搅拌器系统(12)，所述搅拌器系统(12)被布置来搅拌所述预定量的浆料(4)。
9.如权利要求8所述的增材制造设备，其中所述防浆料层(3)包括聚四氟乙烯(PTFE)。
10.如权利要求8或9所述的增材制造设备，其中所述搅拌器系统(12)包括振动构件。
11.如权利要求8或9所述的增材制造设备，其中所述搅拌器系统(12)包括树脂粘性降低装置。
12.如权利要求11所述的增材制造设备，其中所述树脂粘性降低装置(12)包括表面加热装置。
13.如权利要求12所述的增材制造设备，其中所述表面加热装置包括加热空气鼓风机。
14.如权利要求12所述的增材制造设备，其中所述树脂粘性降低装置(12)包括超声波装置。
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