CN109895371B - 制造三维成形物体的方法、增材制造装置以及物品 - Google Patents

制造三维成形物体的方法、增材制造装置以及物品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造三维成形物体的方法、增材制造装置以及物品。一种用于制造三维成形物体的方法，包括第n层形成步骤、第n+1层形成步骤和硬化步骤。在第n层形成步骤中，形成第一部分、第二部分和第n层的硬化部分，第一部分和第二部分均是材料的未硬化部分。在第n+1层形成步骤中，形成第n+1层的硬化部分以及在与第n+1层的硬化部分相邻的区域处形成并与第一部分连通的第三部分。在硬化步骤中，在第n+1层形成步骤之前使第二部分硬化并且在第n+1层形成步骤之后使第一部分和第三部分硬化，或者n+1层形成步骤之后使第一部分、第二部分和第三部分硬化。

Description

制造三维成形物体的方法、增材制造装置以及物品
技术领域
本发明涉及用于制造三维成形物体的方法、增材制造(additive manufacturing)装置以及物品。
背景技术
随着成形速度和成形精度的提高，增材制造装置现在不仅用于制造试验产品和实物模型，而且还用于制造某些类型的量产产品，诸如车辆和铁路车辆的零部件。在采用层叠(lamination)系统的三维成形中，在使一层成形材料硬化之后，相邻层的成形材料被供应到已硬化的层的表面并硬化，以形成相邻的层，由此制造三维成形物体。
日本专利申请公开No.H10-119136公开了一种方法，在通过采用深硬化深度并增大层叠厚度来成形与螺丝的轴芯部分对应的实心部分的同时通过采用浅硬化深度来成形具有精细形状的部分(诸如螺纹)。日本专利申请公开No.H10-119136公开了通过这种方法减少成形时间。
使用增材制造装置制造的三维成形物体采用层叠结构，使得在各个相邻层之间形成界面。因此，由于层间粘合性低并且在界面处趋于发生分离，因此所制造的三维成形物体的刚度低。即使根据日本专利申请公开No.H10-119136中公开的方法，实心部分的刚度增加，但是在实心部分与实心部分之间的界面处仍然趋于发生分离，使得三维成形物体的刚度仍然较低。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于通过使材料固化来制造三维成形物体的方法，该方法包括：第n层形成步骤，形成第一部分和第二部分、通过使材料硬化来形成第n层的硬化部分，n是等于或大于2的自然数，第一部分是在与第n层的硬化部分相邻的区域处的材料的未硬化部分，并且第二部分是在与第n层的硬化部分相邻的区域处的材料的未硬化部分并与第n-1层的未硬化部分连通；第n+1层形成步骤，通过使材料硬化来在与第二部分相邻的区域处形成第n+1层的硬化部分，以及形成在与第n+1层的硬化部分相邻的区域处并与作为材料的未硬化部分的第一部分连通的第三部分；以及硬化步骤，在第n+1层形成步骤之前使第二部分硬化并且在第n+1层形成步骤之后使第一部分和第三部分硬化，或者在第n+1层形成步骤之后使第一部分、第二部分和第三部分硬化。
根据本发明的第二方面，一种增材制造装置被配置为使用材料形成三维成形物体，该装置包括控制单元以及被配置为基于控制单元的控制来使材料硬化的硬化单元。控制单元被配置为控制硬化单元执行：第n层形成过程，形成第一部分、第二部分和第n层的硬化部分，n是大于或等于2的自然数，第一部分是在与第n层的硬化部分相邻的区域处的材料的未硬化部分，第二部分是在与第n层的硬化部分相邻的区域处的材料的未硬化部分并与第n-1层的未硬化部分连通，第n+1层形成过程，通过使材料硬化来在与第二部分相邻的区域处形成第n+1层的硬化部分，以及形成在与第n+1层的硬化部分相邻的区域处并与作为材料的未硬化部分的第一部分连通的第三部分；以及硬化过程，在第n+1层形成过程之前使第二部分硬化并且在第n+1层形成过程之后使第一部分和第三部分硬化，或者在第n+1层形成过程之后使第一部分、第二部分和第三部分硬化。
参考附图阅读示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示了根据第一实施例的增材制造装置的简化图。
图2是例示了通过根据第一实施例的制造方法制造的三维成形物体的一个示例的截面图。
图3A是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图3B是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图3C是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图4A是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图4B是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图4C是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图5A是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图5B是根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的说明图。
图6是根据第一实施例的用于照射光的方向的说明图。
图7A是根据第二实施例的用于制造三维成形物体的方法的说明图。
图7B是根据第三实施例的用于制造三维成形物体的方法的说明图。
图8是根据第四实施例的用于制造三维成形物体的方法的说明图。
图9是例示了根据第五实施例的增材制造装置的简化图。
图10A是根据第一实施例制造的测试件的透视图。
图10B是根据第一实施例的测试件的平面图。
图10C是根据第一实施例的测试件的截面图。
图11是例示了根据第二实施例制造的测试件的一部分的平面图。
图12A是根据第三实施例制造的测试件的透视图。
图12B是根据第三实施例制造的测试件的截面图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述用于实施本发明的实施例。在以下描述中，三维成形物体不仅指成品，而且还指其中对多个层当中的中间层执行成形的半成品。
第一实施例
图1是例示了根据第一实施例的增材制造装置100的简化图。增材制造装置100是采用光学成形(optical shaping)来制造三维成形物体W的3D打印机。增材制造装置100包括存储液态的光硬化树脂R的容器101、打印台102、驱动打印台102的驱动单元103以及控制驱动单元103的驱动控制器104，其中液态的光硬化树脂R充当形成三维成形物体的材料(成形材料，3D打印材料)的示例。另外，增材制造装置100包括充当硬化单元的示例的曝光单元105以及控制曝光单元105的曝光控制器106。另外，增材制造装置100包括控制整个装置的装置控制器107。驱动控制器104、曝光控制器106和装置控制器107构成控制系统120，控制系统120充当控制单元的示例。根据本实施例的增材制造装置100采用沉降系统，在沉降系统中在使成形材料成形的同时降低打印台102。
容器101中存储的液态的光硬化树脂R是如果被照射特定波长区域的光则硬化(即，固化)的液态树脂，并且根据本实施例，树脂通过UV光(紫外光)硬化。作为光硬化树脂R的材料，可以使用诸如丙烯酸树脂和环氧树脂之类的各种树脂，但丙烯酸树脂是优选的。
装置控制器107由包括CPU 301、ROM 302、RAM 303和I/O 304的计算机组成。CPU301通过基于预先存储在ROM 302等中的控制程序向驱动控制器104和曝光控制器106发送命令和数据来控制整个装置。而且，在本实施例中，ROM 302是被配置为存储在增材制造装置中使用的数据的非瞬态计算机可读介质，增材制造装置被配置为通过层叠多个层来形成三维成形的物体(物品)。
打印台102被布置在容器101的内部并且能够在Z方向(即，垂直方向或上下方向)上移动。驱动单元103包括诸如步进马达之类的马达和诸如用于将马达的旋转运动转换成直线运动的进给螺杆机构之类的机构，并且使打印台102在Z方向上移动。驱动控制器104基于来自装置控制器107的命令控制驱动单元103。
曝光单元105包括充当光源构件并且由光源111和点光源112组成的光源单元110、液晶面板113以及用于调节点光源112的位置和姿势的轨道114。
光源111被配置为将紫外光L1照射到宽领域。液晶面板113包括在X方向和Y方向上布置成矩阵的多个单元，X方向和Y方向是与Z方向正交的两个水平方向，并且液晶面板113被布置在光源111和打印台102之间，使得紫外光L1照射到多个单元。可以省略液晶面板113，并且如果省略液晶面板113，那么通过采用诸如DLP之类的曝光元件作为光源111来选择性地照射紫外光L1。点光源112以聚光灯那样的方式照射紫外光。光源111和112都能够控制所照射的紫外光的光强度。
曝光控制器106驱动光源111和点光源112发光并控制透过液晶面板113的每个单元的光的透射量，使得打印台102上的光硬化树脂R暴露于紫外光L2的期望图案。
在与三维成形物体W的层对应的图案的紫外光L2照射到液态的光硬化树脂R的状态下，被照射的部分处的光硬化树脂R硬化，并且与三维成形物体W的一层对应的硬化物体在打印台102上形成。然后，驱动单元103将打印台102降低与一层对应的距离，并且顺序地层叠硬化物体的相邻层，以形成三维成形物体W。
图2是例示了根据稍后描述的制造方法制造的三维成形物体W的一个示例的截面图。图2中所示的三维成形物体W是例如塔型的成形材料，其顶部是锥形的。由于增材制造装置100采用沉降系统，因此通过顺序地层叠硬化物体，从底层向上成形三维成形物体W。
三维成形物体W包括由硬化物体构成的层叠部分430，所述硬化物体一次硬化一层并且在Z方向(即，层叠方向)上层叠，并且由硬化物体形成的多个无缝部分431至436在Z方向上延伸穿过多个连续的层。具体而言，例如，如果任意层被称为第n层，那么第n层形成第n层的硬化部分，其中n是2或更大的自然数。与此同时，形成第一部分433和第二部分432，第一部分433是第n层的硬化部分的相邻区域并且充当成形材料的未硬化部分，第二部分432是第n层的硬化部分的相邻区域并且充当与第n-1层的未硬化部分连通的成形材料的未硬化部分(第n层形成步骤，第n层形成过程)。
在第n层形成步骤之后，随后通过使成形材料硬化以将第n+1层的硬化部分形成至充当第n层的未硬化部分的第二部分432的相邻区域，来形成第n+1层。与此同时，形成第三部分433，第三部分433是第n+1层的硬化部分的相邻区域并且充当与第一部分433连通的成形材料的未硬化部分，其中第一部分433充当第n层的未硬化部分(第n+1层形成步骤，第n+1层形成过程)。
重复这些步骤，以形成充当硬化部分的层叠部分430和作为未硬化部分的无缝部分431至436。充当硬化部分的层叠部分430和作为未硬化部分的无缝部分431至436由相同的材料形成。由于形成多个无缝部分431至436，因此各无缝部分431至436起到楔子的作用，由此增强了层叠部分430的层间粘合力。
在多个无缝部分431至436当中，两个无缝部分432和433在Z方向上偏离，并且两个无缝部分432和433的一部分在Z方向上布置在相同的位置。通过将无缝部分432的一部分和无缝部分433的一部分布置成在Z方向上重叠，包括无缝部分432在Z方向上的界面的层和与其相邻的层的粘合力通过起到楔子作用的无缝部分432而增加。类似地，包括无缝部分433在Z方向上的界面的层和与其相邻的层的粘合力通过起到楔子作用的无缝部分432而增加。由于两个无缝部分432和433的一部分在Z方向上的相同位置形成，因此无缝部分将起到楔子的作用，使得层叠部分430的层间粘合力增加并且三维成形物体W的刚度由此增加。
类似地，两个无缝部分433和434的一部分在Z方向上的相同位置处形成，并且无缝部分434和435的一部分也在Z方向上的相同位置处形成。因此，通过起到楔子部分的无缝部分，可以增加层叠部分430的层间粘合力，由此增加三维成形物体W的刚度。具体而言，如图2中所示，如果任意层被称为第n层，那么第n层包括与第n+1层之间没有边界的第一部分(433)以及与第n-1层之间没有边界并且与第n+1层之间具有边界的第二部分(432)。
在三维成形物体W中，在构成层叠部分430的各个层的硬化物体之间以及在层叠部分430和无缝部分431至436之间形成界面，如图2中所示。是否在界面处形成边界是通过切割成形材料并观察其截面表面而确认的。如果在视觉上没有观察到边界，那么使用电子显微镜观察截面表面，并且如果在层之间观察到线，那么确认形成了边界或界面。存在没有界面，即，界面在制造过程中消失的情况。即使界面在三维成形物体W中已消失，在制造过程中层叠部分430也是通过逐层地层叠形成的，并且无缝部分431至436分别一起形成。
在以下描述中，将详细描述根据本实施例的用于制造三维成形物体W的方法。装置控制器107向驱动控制器104发送命令，已经接收到命令的驱动控制器104根据该命令驱动驱动单元103，并且驱动单元103驱动打印台102在上下方向(即，Z方向)上移动。因此，在描述中假设控制系统120的装置控制器107控制打印台102。另外，装置控制器107向曝光控制器106发送命令(包括稍后描述的切片数据)，并且曝光控制器106基于该命令驱动光源111、点光源112和液晶面板113。因此，在描述中假设控制系统120的装置控制器107控制光源111、点光源112和液晶面板113。
首先，装置控制器107创建通过将预先输入的三维成形物体W的三维形状数据划分为某个层叠间距(即，层厚度，诸如30[μm])的薄层而获取的多个数据(即，切片数据)。多个数据中的各个数据被创建，以指示多个薄层的硬化部分和未硬化部分。装置控制器107将与每个切片数据对应的区域划分为充当硬化部分的第一区域和充当未硬化部分的第二区域。具体而言，每层被划分为充当其中光硬化树脂R硬化的硬化部分的第一区域和充当其中光硬化树脂R在Z方向上跨多个连续层一起硬化的部分(如果这些层一次硬化一层，那么第二区域可以被称为未硬化部分)的第二区域。第一区域与图2的层叠部分430对应。第二区域与图2的无缝部分431至436对应。即，图2中的多个层中的每一层通过基于切片数据照射光并使光硬化树脂硬化而形成，并且从图2的下部向上看的位置是光照射的位置。具体而言，作为多个层之一的第n层的切片数据包括两个未硬化部分，第一和第二部分433和432，它们是未照射光的部分或者照射比照射在硬化部分上的光弱的光的部分。未硬化部分的至少一部分位于与第n+1层的切片数据的未硬化部分相同的位置。第二部分的至少一部分位于与第n-1层的切片数据的未硬化部分相同的位置，并且也位于与第n+1层的切片数据的硬化部分相同的位置。第一区域和第二区域由操作者通过使用未示出的输入装置来设置。
图3A、3B、3C、4A、4B、4C、5A和5B是例示了根据第一实施例的用于制造三维成形物体W的方法的图。在以下描述中，仅为了更容易理解制造过程而定义层，并且实际制造的三维成形物体W不必由层组成。
首先，如图3A中所示，打印台102在装置控制器107的容器101中从液态的光硬化树脂R的表面沉降与一层的厚度对应的深度。装置控制器107驱动光源111发光，驱动液晶面板113使得紫外光L2仅透射到与层叠部分430的第一层对应的第一区域(图2)，并使紫外光L2照射到光硬化树脂R。在本实施例中，并非与第一层的切片数据对应的光硬化树脂R的所有区域都硬化，而是通过紫外光L2的照射仅使第一区域的光硬化树脂R硬化。由此，形成硬化物体H1，硬化物体H1限定区域A1(图3C)中的第一层的局部区域A11并构成层叠部分430(图2)的一部分。
接下来，如图3B中所示，装置控制器107控制打印台102进一步沉降与一层的厚度对应的深度。液态的光硬化树脂R从周围领域流入到在打印台102上形成的硬化物H1上。装置控制器107驱动光源111发光，驱动液晶板113使得紫外光L2仅透射到与层叠部分430(图2)的第二层对应的第一区域，并使紫外光L2照射到光硬化树脂R。在本实施例中，并非与第二层的切片数据对应的光硬化树脂R的所有区域都硬化，而是通过紫外光L2的照射仅使第一区域的光硬化树脂R硬化。由此，形成硬化物体H2，硬化物体H2限定区域A1(图3C)中的第二层的局部区域A12并构成层叠部分430(图2)的一部分。
通过执行以上过程以形成多个层，如图3C中所示，通过使多层光硬化树脂R硬化形成的硬化物体H1至H6限定了在Z方向上跨多个连续的层延伸并且其中光硬化树脂R的硬化未完成的区域A1。在这个时候，区域A1的上表面是打开的，并且位于区域A1处的光硬化树脂R可以曝光。
接下来，如图4A中所示，装置控制器107驱动点光源112发光并将紫外光L3照射到位于区域A1处的光硬化树脂R。在这个状态下，装置控制器107根据区域A1的形状调节照射到位于区域A1处的光硬化树脂R的紫外光L3的方向，即，点光源112的位置和姿势。另外，装置控制器107驱动液晶面板113，使得来自点光源112的紫外光L3透过液晶面板113。装置控制器107通过向位于区域A1处的光硬化树脂R照射具有比紫外光L2的强度更强的强度的紫外光L3来使位于区域A1处的光硬化树脂R一起硬化至与多个层对应的深度，其中紫外光L2被照射以限定区域A1。由此，在区域A1中形成跨多层硬化物体H1至H6延伸的无缝部分431。
另外，如图4B中所示，通过在第七至第十层上形成硬化物体H7至H10来限定与无缝部分432对应的整个区域A2。然后，如图4C中所示，装置控制器107调节点光源112的位置和姿势，驱动点光源112发光，并将紫外光L3照射到位于区域A2处的光硬化树脂R。由此，在区域A2中形成跨多层硬化物体H7至H10延伸的无缝部分432。
如图4B中所示，在第九层和第十层中，硬化物体H9和H10不仅限定区域A2的与无缝部分432对应的局部区域A23和A24，而且还限定区域A3(图5A)的与无缝部分433对应的局部区域A31和A32。为了使区域A2中的光硬化树脂R硬化，如图4C中所示，装置控制器107驱动液晶面板113，使得来自点光源112的光不照射到局部区域A31和A32。
如图5A中所示，通过形成第十一层和第十二层的硬化物体H11和H12来限定与无缝部分433对应的整个区域A3。然后，如图5B中所示，装置控制器107调节点光源112的位置和姿势，驱动点光源112发光，并将紫外光L3照射在位于区域A3处的光硬化树脂R上。由此，在区域A3中形成跨多个层延伸的无缝部分433。
如所描述的，光硬化树脂R在Z方向上逐层地硬化，同时通过硬化物体限定在Z方向上跨多个连续的层延伸的多个区域(在图3A至3C、4B和5A中所示的示例中，区域A1至A3)(S1：第一步骤，第一过程)。区域A1由硬化物体H1至H6限定，区域A2由硬化物体H7至H10限定，并且区域A3由硬化物体H9至H12限定。然后，在步骤S1中，使光硬化树脂R硬化，并形成硬化物体H9和H10，使得两个区域A2和A3在Z方向上被限定于偏离的位置处，并且两个区域A2和A3的一部分在Z方向上被限定于相同的位置处(第九和第十层)。
另外，如图4A、4C和5B中所示，位于各个区域A1、A2和A3处的光硬化树脂R被一起硬化(S2：第二步骤，第二过程，硬化步骤，硬化过程)。在本实施例中，在步骤S2中，每当完成每个区域A1、A2和A3的限定时，位于相应区域A1至A3的光硬化树脂R独立地硬化。通过在各个区域A1至A3被硬化物体密封之前使各个区域A1至A3的光硬化树脂R硬化，变得有可能制造三维成形物体W而不在物体W的内部留下未硬化或半硬化的树脂，即使硬化物体由具有低紫外光透射率的材料制成。换句话说，在本实施例的硬化步骤中，第二部分在第n+1层形成步骤之前硬化，并且第一部分和第三部分在第n+1层形成步骤之后硬化。
通过重复执行上述过程，制造出图2中所示的三维成形物体W。如上所述地制造的三维成形物体W包括无缝部分431、432和433，无缝部分431、432和433起到位于区域A1、A2和A3处的楔子的作用。
如所描述的，通过在步骤S2中使各个区域A1至A3的光硬化树脂R一起硬化，可以防止在各个区域A1至A3中形成界面，并且可以增强三维成形物体W的刚度。另外，通过限定两个区域A2和A3而形成在Z方向上偏离但在Z方向上部分重叠的两个无缝部分432和433，可以增强三维成形物体W的刚度。
现在，如图3C中所示，区域A1被限定于通过使光硬化树脂R硬化而形成的硬化物体H1至H6内部。另外，如图4B中所示，区域A2被限定于通过使光硬化树脂R硬化而形成的硬化物体H7至H10内部。另外，如图5A中所示，区域A3被限定于通过使光硬化树脂R硬化而形成的硬化物体H9至H12内部。即，构成三维成形物体W的外部形状的部分通过硬化物体H1至H12高度精确地形成。然后，在图3C、4B和5A中所示的步骤中，区域A1、A2和A3中的光硬化树脂R处于未硬化的状态，并且光硬化树脂R由硬化物体H1至H6、硬化物体H7至H10以及硬化物体H9至H12保持，并由此被防止流出。
另外，例如，优选的是限定区域A1，使得跨多个层延伸的区域A1中的两个相邻层在从方向Z观看时在面积比率为等于或大于25％且等于或小于100％的范围内重叠。这同样适用于区域A2和A3。这种层的重叠使得各个无缝部分的连续性能够在相应的无缝部分431、432和433处维持，并且增强三维成形物体W的刚度。
已经描述了其中图3C中所示的步骤S1的曝光和图4A中所示的步骤S2的曝光分开执行的情况，但是它们也可以同时执行。类似地，图4B中所示的步骤S1的曝光和图4C中所示的步骤S2的曝光可以同时执行。类似地，图5A中所示的步骤S1的曝光和图5B中所示的步骤S2的曝光可以同时执行。
另外，如果三维成形物体W的曝光的截面尺寸接近曝光像素间距并且难以形成要在同一层重叠的多个无缝部分，那么可以有可能在不使无缝部分移位的情况下布置无缝部分，或者不布置无缝部分。例如，在图2中所示的三维成形物体W中，难以在Z方向上以交替的方式在具有小截面积的领域处(诸如在腿部处)布置无缝部分431和432。另外，由于无缝部分435上方的领域是锥形的，因此难以在Z方向上以交替的方式布置无缝部分435和436。因此，在这些领域中，无缝部分应当以图2所示的方式布置。
另外，根据具有锥形形状的三维成形物体W，诸如如图2中所示的塔形物体，截面面积朝着顶部减小，并且变得难以形成大的无缝部分。在这种情况下，应当减小无缝部分在X-Y方向上的截面面积，但优选的是，无缝部分的截面面积为在X-Y方向上切割的三维成形物体W的整个截面面积的10％或更大。
由于三维成形物体W的截面面积朝着上部方向减小，因此各个无缝部分431至436被成形为与三维成形物体W的形状对应。因此，应当调节紫外光L3的方向，以与相应无缝部分431至436的区域的形状对应，即，与相应区域的形状对应。例如，如果紫外光L3照射到以倾斜方式形成的区域A1，那么应当调节紫外光L3的方向，以与区域A1相对于垂直方向的形状的倾斜对应。
图6是例示了根据第一实施例的紫外光L3的照射方向的说明图。由硬化物体H限定的区域A在X-Y方向上的位置在每层中不同。在这种情况下，如果从正上方照射紫外光L3，那么硬化物体H的阴影中的领域不会暴露于紫外光L3。因此，如图6中所示，通过调节紫外光L3的照射方向，可以将紫外光L3照射到区域A的整个领域。
第二实施例
现在，将描述第二实施例。根据上述第一实施例，在步骤S1中位于区域A1处的光硬化树脂R被设置为未硬化状态，并且在步骤S2中一起执行硬化，但是本发明不限于此。根据第二实施例，位于区域A1处的光硬化树脂R在步骤S1中不被设置为未硬化状态，而是被设置为半硬化状态。例如，在步骤S1中使用于限定区域A1的一层光硬化树脂R硬化的同时，应当将强度比用于形成硬化物体H1至H6以限定区域A1的强度弱的光照射到位于同一层的区域A1处的光硬化树脂R。即，在步骤S2中，通过使跨多个层延伸的领域一起硬化来形成无缝部分431，并且尤其是在使用UV硬化树脂的情况下，即使照射弱的光，暗反应也会进行，并且树脂可以逐渐硬化。因此，在步骤S1中，应当在限制曝光强度以与材料的特性对应的同时照射光。以无缝部分431为例进行描述，但同样适用于其它无缝部分432至436。
图7A是根据第二实施例的步骤S1的说明图。在步骤S1中，每当形成相应层的硬化物体H时，具有与大约10％反应速率对应的光量的紫外光L在X-Y方向上均匀地照射到位于由硬化物体H限定的区域A处的光硬化树脂R。
区域A中各个层的光硬化树脂R的硬化通过暗反应逐渐进行并变为半硬化。通过在区域A中的光硬化树脂R维持流动性的状态下对每层执行相同的过程，可以获取连续的无缝半硬化部分。对于这样的半硬化部分，如果在考虑光硬化树脂R材料的紫外光透射率的同时在步骤S2中对合适数量的层一起执行硬化，那么可以立即硬化连续形成的半硬化部分。与上层部分相比，紫外光不能轻易到达的下层部分的硬化已通过暗反应进行，使得可以在短时间内硬化整个领域。
另外，如果在步骤S1中光硬化树脂R是半硬化的，那么由硬化物体H限定的区域A不限于硬化物体H的内侧，并且它可以被限定在硬化物体H的外侧，即，暴露于外部。然后，在步骤S2中，可以一起硬化该区域内的半硬化部分。
第三实施例
现在，将描述第三实施例。在上述第二实施例中，已经描述了如下情况：在步骤S1中使位于区域A处的光硬化树脂R半硬化的同时，在X-Y方向上均匀地设置照射在光硬化树脂R上的紫外光L的强度。在第三实施例中，当在X-Y方向上接近区域A的边界时，照射在位于区域A的光硬化树脂R上的紫外光的强度按阶梯式配置或者连续地被调节为更强。
图7B是根据第三实施例的步骤S1的说明图。在由硬化物体H限定的区域A中，曝光量可以按阶梯式配置或连续地逐步增加，例如使得硬化反应速率在X-Y方向上朝着硬化物体H从5％、10％增加到15％，以形成半硬化树脂RA、RB和RC。由此，可以加宽硬化物体H与区域A之间的边界，并且在步骤S2中进行的一起硬化可以进一步增强成形材料的机械刚度。
已经描述了紫外光的强度在X-Y方向上朝着区域A的边界按阶梯式配置或者连续地增加的情况的示例，但是这种布置也可以在Z方向(即，层叠方向)而不是X-Y方向上采用。即使在那种情况下，也可以增加成形材料的机械刚度。
第四实施例
现在，将描述第四实施例。在上述第一至第三实施例中，已经描述了如下示例：每当在步骤S1中限定跨多个层延伸的区域A1至A3时，位于各个区域A1至A3处的光硬化树脂R在步骤S2中分别硬化，但是本发明不限于此。
图8是根据第四实施例的步骤S2的说明图。在第四实施例中，在步骤S1中，使光硬化树脂R硬化并形成由硬化物体形成的整个层叠部分430，由此限定保留未硬化或半硬化的光硬化树脂R的所有多个区域。然后，在步骤S2中，使位于多个区域处的未硬化或半硬化的光硬化树脂R一起硬化，并且一起形成多个无缝部分。
在这种情况下，硬化物体H作为整体必须在物体H从容器101(即，池)中的液态光硬化树脂R中抽出的状态下一起硬化，使得必须防止位于每个区域处的光硬化树脂R从每个区域脱落。在图8的示例中，由于各个区域是在硬化物体H的内侧形成的，因此即使层叠部分430从容器101中抽出，位于每个区域处的光硬化树脂R也不会脱落。另外，如果位于一个区域的光硬化树脂R被设置为半硬化状态，那么即使该区域构成物体的外表面，光硬化树脂R也不会从该区域脱落。通过一起硬化位于每个区域处的光硬化树脂R，可以缩短制造三维成形物体W所需的时间。在本实施例的硬化步骤中，在第n+1层形成步骤之后硬化第一、第二和第三部分。
在多个区域中一起硬化光硬化树脂R的一种方法是，与用于形成层叠部分430的光强度相比，增加光量(即，增加光强度)并且将光照射到整个物体。另外，如果光硬化树脂R还通过加热硬化，那么有可能加热整个层叠部分430和保留在其中的光硬化树脂R。在那种情况下，应当提供热源而不是点光源112作为硬化单元。
第五实施例
现在，将描述第五实施例。已经基于沉降系统描述了第一至第四实施例，在沉降系统中增材制造装置100降低打印台102以使成形材料成形，但是本发明不限于此。图9是例示了根据第五实施例的增材制造装置100A的简化图。根据第五实施例的增材制造装置100A是悬挂型装置，在悬挂型装置中打印台102被提升以使成形材料成形。在图9中，与图1中所示的增材制造装置100类似的构造用相同的附图标记表示，并且省略其详细描述。
由于增材制造装置100A采用悬挂型系统，因此在容器101下方布置有紫外光透过的透射窗101A，并且在容器101下方布置有曝光单元105。在执行与一层对应的成形的状态下，打印台102相对于透射窗口101A被提升与一层对应的距离。由此，三维成形物体以从打印台102悬挂的方式成形。即使采用这种悬挂型增材制造装置100A，也可以根据上述第一至第四实施例制造三维成形物体。
示例
现在，将参考附图描述示例1至3。
示例1
图10A是根据示例1制造的测试件WA的透视图，图10B是测试件WA的平面图，并且图10C是测试件WA的截面图。测试件WA被形成为薄板状，以测量测试件WA的拉伸强度。由MutohIndustries Ltd.制造的光硬化树脂材料MR-FG12被用作测试件WA的成形材料。使用图8中所示的增材制造装置100A制造测试件WA。
在步骤S1中，将从光源111发射的紫外光的波长设置为405[nm]，将紫外光的强度设置为10[mW/cm2]，从下方执行1[sec]的照射，并且在拉起工作台的同时层叠各层，以形成层叠部分430A。将层叠部分430A的一层的厚度设置为30[μm]，并且在层叠每个层之后将打印台102上拉30[μm]以执行成形。在步骤S1中，在形成无缝部分431A之前，将照射强度为10[％](即，1[mW/cm2])的紫外光照射到液态的光硬化树脂上，并使树脂半硬化。
在步骤S2中，将从点光源112照射到半硬化状态的光硬化树脂的紫外光的强度设置为200[％](即，20[mW/cm2])，并且使与六层(180[μm])对应的光硬化树脂一起硬化以形成无缝部分431A。另外，在示例1中，分别形成各个无缝部分431A。
如图10C中所示，无缝部分431A在层叠方向(即，Z方向)上交替布置，使得在每个截面中提供两个或更多个无缝部分431A。即，测试件WA被形成为使得在截面C1中提供两个无缝部分431A，在截面C2中提供四个无缝部分431A，并且在截面C3中提供两个无缝部分431A。
整个测试件WA的外形被形成为长方体形状，Y方向的厚度为2[mm]，X方向的宽度为18[mm]，并且Z方向的长度为35[mm]。无缝部分431A的Y方向的厚度被设置为0.5[mm]。为了比较，虽然未示出，但是还使用增材制造装置100A制造了具有类似外形但没有无缝部分的测试件。
对于根据示例1制造的测试件WA和未示出的比较例的测试件，执行在Z方向的拉伸测试。由INSTRON制造的机电万能试验机5582充当试验机，并且以0.2[mm/sec]的速度进行测试。
没有无缝部分的比较例的未示出的测试件的断裂强度为5.53[MPa]。同时，根据实施例1的测试件WA的断裂强度为6.41[MPa]。基于这个测试结果，已经证实：根据示例1的测试件WA在Z方向上的断裂强度比比较例提高了大约16[％]。
示例2
图11是例示了根据示例2制造的测试件WB的一部分的平面图。在示例2中，无缝部分431B的外形和位置关系类似于示例1，但是在制造测试件WB时改变无缝部分431B的曝光方法。
关注左侧所示的无缝部分431B来描述图11。在步骤S1中，在形成层叠部分430B的第m层之后，形成层叠部分430B的第(m+1)层。把为了形成层叠部分430B而照射的紫外光的强度设置为10[mW/cm2]。在这种状态下，将强度为50[％](即，5[mW/cm2])的紫外光照射到由层叠部分430B限定的区域中的光硬化树脂，并使光硬化树脂半硬化。在随后的第(m+2)层中，以3[mW/cm2]的强度照射紫外光，并且在接下来的第(m+3)和第(m+4)层中照射强度为1[mW/cm2]的紫外光，并使光硬化树脂半硬化。在接下来的第(m+5)层中，强度再次增加，并且类似于第(m+2)层照射强度为3[mW/cm2]的紫外光，并且在(m+6)中，类似于第(m+1)层照射强度为5[mW/cm2]的紫外光，并使光硬化树脂半硬化。
在步骤S2中，将从点光源112照射到半硬化状态的光硬化树脂的紫外光的强度设置为200[％](即，20[mW/cm2])，并且使与六层(180[μm])对应的光硬化树脂一起硬化，以形成无缝部分431B。
执行与示例1类似的拉伸测试，并且根据测试结果，测试件WB的断裂强度为6.47[MPa]。基于这个测试结果，已经证实：根据示例2的测试件WB在Z方向上的断裂强度比比较例提高了大约17[％]。已经证实：与示例1相比，断裂强度得到了提高。已经证实：通过改变曝光强度以及按阶梯式配置改变朝着层叠部分430B照射到层叠部分430B的用于使无缝部分431B处的光硬化树脂半硬化的光的强度，整个部件可以是一体的，并且可以进一步增强成形物体的刚度。
根据上述测试，紫外光的照射强度已经按与层叠部分430B的每层对应的层厚度以阶梯式配置改变，但是阶梯式配置中半硬化的光硬化树脂层的厚度可以任意设置。例如，紫外光的照射强度可以每15[μm]以阶梯式配置变化，这是30[μm]的层厚度的一半。另外，已经执行了在Z方向上按阶梯式配置改变照射强度的情况的测试，但是在Z方向上紫外光的照射强度也可以连续地改变。按阶梯式配置或连续地改变紫外光强度的任一情况下，成形物体的刚度都得到改善。
示例3
图12A是根据示例3制造的测试件WC的透视图，并且图12B是根据示例3制造的测试件WC的截面图。
在示例1和2中，在提升层叠部分430A和430B的同时分别使保持在与各个无缝部分对应的领域处的光硬化树脂硬化，并且分别形成相应的无缝部分431A和431B。在示例3中，在假设在拉出层叠部分430C之后使多个无缝部分431C一起整体硬化的情况下执行测试。
整个测试件WC的外形被形成为长方体形状，X方向的宽度为10[mm]，Y方向的厚度为2[mm]，并且Z方向的长度为20[mm]。在测试件WC中，形成有一个无缝部分431C，并且每层暴露于2[mW/cm2]的照射，以实现半硬化状态。然后，在完全拉出测试件WC之后，向整个测试件WC照射强度为20[mW/cm2]的紫外光60[sec]，使得半硬化状态的光硬化树脂硬化。与示例1和2类似，无缝部分431C暴露在表面上，但是如图12B中所示，无缝部分431C的厚度增加，Y方向的厚度设置为1[mm]并且X方向的宽度设置为5[mm]。考虑到即使照射具有弱强度的光也通过暗反应进行树脂的硬化以及使得能够维持测试件WC的外形的反应速率，确定形成无缝部分431C所需的曝光量。
在执行与示例1类似的拉伸测试的状态下，测试件WC的断裂强度为7.96[MPa]。因此，证实了即使在从存储液态光硬化树脂的容器中拉出之后硬化层叠部分430C，也有可能形成无缝部分431C并确保成形物体的刚度。与同示例1进行比较的比较例的测试件相比，确认断裂强度提高了大约44[％]。
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的范围内以各种方式对其进行修改。实施例中描述的效果仅仅是通过本发明实现的最优选效果的列表，并且本发明的效果不限于实施例中描述的效果。
已经描述了包括光源111、点光源112和液晶面板113的曝光单元105作为硬化单元的示例，但是硬化单元不限于此。例如，如果根据曝光单元，一个光源111就足够，那么可以省略点光源112。另外，硬化单元可以是包括激光光源、透镜、扫描仪等的曝光单元。可以通过基于构成切片数据的曝光图案对打印台102上的光硬化树脂R进行激光束扫描来硬化光硬化树脂R。另外，例如，包括DMD元件和光源的曝光单元可以被用作硬化单元。
根据本发明的三维成形物体的成形优选采用使用光硬化树脂的光学成形方法，但是本发明也可以应用于粉末层叠方法、FDM方法等。
其它实施例
本发明的(一个或多个)实施例还可以通过读出并执行记录在存储介质(其也可以被更完整地称为“非瞬态计算机可读存储介质”)上的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能和/或包括用于执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机来实现，以及通过由系统或装置的计算机例如从存储介质读出并执行计算机可执行指令以执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能和/或控制一个或多个电路执行上述(一个或多个)实施例中的一个或多个的功能而执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))，并且可以包括单独计算机或单独处理器的网络，以读出并执行计算机可执行指令。计算机可执行指令可以例如从网络或存储介质提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(CD)、数字多功能盘(DVD)或蓝光盘(BD)TM)、闪存设备、存储卡等。
其它实施例
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以便涵盖所有此类修改以及等效的结构和功能。

Claims (12)

1.一种用于通过使材料固化来制造三维成形物体的方法，该方法包括：
第n-1层形成步骤，通过使材料硬化来形成第n-1层的硬化部分，n是等于或大于2的自然数，其中第n-1层的第一部分中的材料的硬化未完成，其中第n-1层的第一部分被第n-1层的硬化部分限定；
第n层形成步骤，通过使材料硬化来形成第n层的硬化部分，其中第n层的与第n-1层的第一部分连通的第二部分中的材料的硬化未完成，其中第n层的第二部分被第n层的硬化部分限定；
第n+1层形成步骤，通过使材料硬化来形成第n+1层的硬化部分，其中第n+1层的与第n层的第二部分连通的第三部分中的材料的硬化未完成，其中第n+1层的第三部分被第n+1层的硬化部分限定；以及
硬化步骤，在第n+1层形成步骤之后使第一部分、第二部分和第三部分硬化。
2.如权利要求1所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在由第n层的硬化部分围绕的部分处形成第二部分。
3.如权利要求1所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，第n层的第二部分与所述第一部分在沿层叠方向观看时面积比率为等于或大于25％且等于或小于100％的范围内连通。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，所述材料是液态的光硬化树脂。
5.如权利要求4所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在硬化步骤中，使用具有比在第n层形成步骤和第n+1层形成步骤中使用的光的强度强的强度的光来使第一部分、第二部分和第三部分的材料硬化。
6.如权利要求4所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在第n层形成步骤中，具有比用于形成第n层的光的强度弱的强度的光被照射在第二部分上。
7.如权利要求6所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在第n层形成步骤中，照射在第二部分上的光的强度朝着第n层的硬化部分阶梯式地或连续地增加。
8.如权利要求6所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在第n层形成步骤中，照射在第二部分上的光随着其与第n-1层的第一部分分离而阶梯式地或连续地增加。
9.如权利要求5所述的用于制造三维成形物体的方法，其中，在硬化步骤中，照射在材料上的光的方向被调节。
10.一种增材制造装置，被配置为使用材料形成三维成形物体，该装置包括：
控制单元；以及
硬化单元，被配置为基于控制单元的控制来使材料硬化，
其中，控制单元被配置为控制硬化单元执行
第n-1层形成过程，通过使材料硬化来形成第n-1层的硬化部分，n是等于或大于2的自然数，其中第n-1层的第一部分中的材料的硬化未完成，其中第n-1层的第一部分被第n-1层的硬化部分限定；
第n层形成过程，通过使材料硬化来形成第n层的硬化部分，其中第n层的与第n-1层的第一部分连通的第二部分中的材料的硬化未完成，其中第n层的第二部分被第n层的硬化部分限定；
第n+1层形成过程，通过使材料硬化来形成第n+1层的硬化部分，其中第n+1层的与第n层的第二部分连通的第三部分中的材料的硬化未完成，其中第n+1层的第三部分被第n+1层的硬化部分限定；以及
硬化过程，在第n+1层形成过程之后使第一部分、第二部分和第三部分硬化。
11.一种包括多个层的物品，
其中，作为所述多个层中的一层的第n层包括与n-1层和第n+1层没有边界并且由与第n-1层或第n+1层有边界的部分限定的部分，n是等于或大于2的自然数。
12.一种非瞬态计算机可读介质，被配置为存储在增材制造装置中使用的数据，该增材制造装置被配置为通过层叠多个层来形成三维成形物体，
其中，所述数据指示所述多个层的硬化部分和未完成材料硬化的部分，其中对于所述多个层中的每个层，未完成材料硬化的部分被硬化部分限定，并且
其中，作为所述多个层中的一层的第n层的未完成材料硬化的部分与第n-1层的未完成材料硬化的部分和第n+1层的未完成材料硬化的部分重叠，n是等于或大于2的自然数。
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