CN111331848A - 成型体的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由构建材料、尤其由填充有陶瓷的浆料借助于增材制造工艺制备成型体(5)的方法，其中在构造过程中，成型体(5)的层状结构是通过以下方式形成，即通过在具有特定用于对应层的轮廓的层区中暴露于电磁辐射而相继固化构建材料层，该方法提供了在构造过程中，与所述成型体(5)一起，以一定距离包围所述成型体的套筒状框架(6)由构建材料分层构造，并且另外在构造过程中，多个销状连接件(10)与所述框架(6)和所述成型体(5)一体构成，所述销状连接件围绕所述成型体(5)分布并且将所述成型体(5)与所述框架(6)连接。

Description

成型体的增材制造方法
技术领域
本发明涉及由构建材料、尤其由填充有陶瓷的浆料借助增材制造工艺制备成型体的方法，其中在构造过程中，成型体的层状结构通过在具有特定用于对应层的轮廓的层区中暴露于电磁辐射而相继固化构建材料层来形成。
背景技术
成型体的逐层或连续制备工艺是落入通用术语生成制造或增材制造范围内的其中一种构造方法。这被理解为表示一类方法，其中基于成型体的数字模型(例如CAD模型)直接构造三维物体(成型体)。为此，在逐层制备中，成型体的数字模型被细分为多个连续的薄切片，其中每个薄切片均具有由模型限定的轮廓。通过添加多个材料层来执行该构建/构造工艺，其中对每个层均进行加工以制备数字模型为该层所指定的轮廓。最终，叠加的互连层的堆叠形成了成型体，其通过一些方法(例如通过用于脱脂和烧结的热处理)被进一步加工。
术语“轮廓”在本发明的上下文中是通用的且并不限于围成单个连续区的简单闭合边界线，而是可包括围成相邻多个分开区的多个分开的轮廓部段，这些分开区域一起形成对应层，或者可以是限定层的环形区的外侧和内侧轮廓部段。
构成成型体的构建材料受到电磁辐射固化。该构建材料除了光聚合性聚合物前体化合物之外还包括填料，比如陶瓷、玻璃陶瓷或金属粉末以及可选的分散剂和其它添加剂。本发明尤其旨在制造陶瓷或玻璃陶瓷成型体(所谓的生坯)，比如牙嵌体，高嵌体、牙贴面、牙冠、桥接件以及支架。
权利要求1的前序部分所基于的WO2010/045950A1公开了一种用于构造成型体的方法的示例，其尤其涉及由陶瓷浆料制成的牙齿修复体的结构，该陶瓷浆料含有液态光聚合性组分和分布在其内的由陶瓷或玻璃-陶瓷粉末制成的填料。在这个已知的方法中，成型体是通过叠加的固化层相继构造而成。在此情况下，可将构造平台沿竖向移动地支承在罐底上方，该罐底至少在构造区中是半透明的。曝光单元位于罐底下方。该构造平台首先降入罐内的浆料中，直至仅一个具有期望层厚的层保留在构造平台和罐底之间。接下来，该层通过曝光单元按轮廓曝光并且由此固化，该轮廓由数字模型通过曝光单元为此层指定。在升起构造平台之后，浆料例如采用刮刀而从周围环境中得以充满并且接下来构造平台再一次降入浆料中，其中该下降是受控的以使最后固化的层与罐底之间的距离限定了具有期望厚度的构建材料层。重复最后步骤，直至具有期望三维形状的成型体通过具有由数字模型指定的对应轮廓的连续固化(固化)层构造而成。
在成型体完成构造之后，可从构造平台移除该成型体。通常情况下，后续为进一步的加工步骤。在上文描述的方法中，生坯是由构建材料的层状聚合物制备而成。然后将其加热至高温以去除粘结剂，在此情况下为光聚合物。这在高温下发生，因为热分解和使聚合物分解成扩散至表面并且最终以气体逸出的较轻分子的反应。脱脂工艺后可进行进一步的热处理以进一步固化，其中剩余的陶瓷颗粒被烧结在成型体中。
为了保证构造过程中的稳定性，由构建材料构成的支撑结构被用于一些制造方法中，以在加工过程中固定成型体并且对抗重力地支撑悬臂层和悬垂物。支撑结构常常也用于支撑在一些增材制造工艺中产生的与加工过程相关的残余应力。在完成构造过程之后，该支撑结构必须能够接近并且尽可能容易地移除。
与加工相关的残余应力主要由对成型体的热影响产生。许多增材制造工艺都伴随有严重的温度波动。由此，许多制造方法提供了脱脂和烧结工艺，其中由于成型体的不均匀的冷却速率会发生变形。烧结变形是致密陶瓷部件制备中常见的现象。这尤其在需要高精度的区域中是不期望的。此处的示例为牙科技术。呈生坯形式的牙冠可在增材工艺中例如通过固化填充有陶瓷粉末的光敏浆料逐层制备并且该部件需要期望的三维形状。在下一步中，将部件中的浆料残渣清除掉并且移除对于构造结构而言所必需的任何支撑结构。在热后处理的步骤中，首先在脱脂过程中烧掉粘结剂，接下来对陶瓷进行致密化烧结。这会由于技术原因导致成型体的变形。但是对于牙冠与牙残桩的连接而言，最小可能的变形以及高精度的装配是至关重要的。
在构造过程中或者在后续过程中成型体的可靠固定由此明显有助于制造的成型体的精度和质量。
发明内容
由此，本发明的目的在于提出改进对成型体的保持。
本发明的根本目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。
本发明有利的实施例为从属权利要求的主题。
根据本发明提供了：在构造过程中，以一定距离包围成型体的套筒状框架与成型体一起由构建材料来逐层构造。该包括呈套筒形式的周向侧壁的套筒状框架沿着成型体的周向延伸，以使成型体被布置在套筒状框架内。另外，在构造过程中，多个销状连接件与框架和成型体一体构造。这些销状连接件或腹板围绕成型体分布并且在成型体的不同侧将框架和成型体彼此连接。成型体的周向表面可被分成多个表面部段，例如在棱柱形框架的例子中，销状连接件可沿着成型体的周向在成型体的不同表面部段处连接其上。同样，框架的内周表面可被分成多个内壁部段，例如在棱柱形框架的例子中，销状连接件可形成在框架的不同的内壁部段上。
套筒状框架优选呈基部敞开的柱体形式。柱体在此处应被理解为表示一种几何体，其中两个平行的、平面的、全等的基部通过外套彼此连接，其中该基部本身如所述是敞开的。该基部轮廓可为任意闭合的曲线并且不限于圆形。该基部还可为闭合的多边形，其中在此情况下所形成的主体也被称作棱柱体。此框架的纵轴线为柱体轴线。
具有销状连接件的区域可以例如为绕成型体的纵轴线呈90°的角度距离均匀分布。成型体的纵轴线在此含义中与框架的纵轴线沿着相同方向延伸。套筒状框架的纵轴线是绕框架的中心轴线。但是，在这些销状连接件之间还存在其它根本不均匀的角度距离。这些销状连接件的布置主要取决于成型体的将被支撑在其主体的不同表面上的形状。
与简单支撑结构相比，一体成型的框架在构造过程和后续制造过程中为成型体提供了改进的支撑。与仅从下方支撑成型体的简单支撑结构不同，该框架提供了绕成型体的周向构建多个附接位置的选择，这些位置在成型体的不同侧连接其上。这些销状连接件被形成为使得该成型体可通过使这些销状连接件断裂而从框架处拆离。这些销状连接件的厚度可为此目的相应设计的尺寸。
优选地，销状连接件垂直于成型体和/或框架的对应表面的当前周围。这些销状连接件可被设计为使得它们以最短的可行距离桥接框架和成型体之间的距离。由此，力被最佳地传送至框架处，该框架归因于其环形闭合而在不产生明显变形的条件下吸收力。框架和销状连接件由此形成了最佳加强框架。
通过成型体和包围该成型体的框架的一体式设计，同样对于热处理形式中出现的变形，提供了特殊的优点，因为绕成型体的框架有效地防止了成型体产生变形。在不同位置处接合的销状连接件形成了用于成型体的全面的支撑结构和支承结构，由此以有效方式防止了成型体中的变形。
销状连接件可围绕成型体单个分布或成组地分布。在棱柱形框架的例子中，成组布置例如表示多个销状连接件形成在成型体的共用表面部段上和/或框架的共用内壁部段上。沿着成型体的周向位于成型体的不同表面部段处的成组的销状连接件可由此连接其上。销状连接件的成组布置带来了轻松拆卸，但是与此同时通过这些销状连接件将成型体尤其有力地支承在框架内。
根据本发明的另一个实施例，提供了销状连接被构造在框架内侧的可能。由此，材料损耗小并且框架的外部区域可应用于其它成型体。
该框架的横截面可具有各种形状。例如套筒的纵向横截面视图由此可能为圆形。但是可想到横截面为其它形状。由此，本发明横截面的其它实施例提供有多边形套筒，例如六边形或八边形横截面形状，其具有提高的稳定性。
根据本发明的另一个实施例，例如在立体平面印刷光聚合的情况下，在所提供的轮廓内通过位置选择磁辐射进行构建材料的固化。
根据本发明的另一个实施例，该构建材料为陶瓷浆料。
该成型体和该框架可在构造平台上例如通过以下工艺进行制造。构建材料在构造平台和透明切片之间传送。该构建材料通过该切片而位置选择地露出，以在预设轮廓内在基部切片上方固化。在结构的层，即成型体和框架的一体单元被固化后，构造平台相对于基部切片相继抬高。构建材料更新并且之前的步骤继续，直至该结构由构建材料的位置选择固化构造而成。
根据本发明的另一个实施例，成型体在套筒状框架的轴向上的尺寸基本对应于框架的尺寸。由此，可沿着成型体的整个长度对其进行支撑。
根据本发明的另一个实施例，除了销状连接件之外，还构造了例如呈侧撑形式的附加支撑结构，其附加地从下方对该成型体进行支撑。
根据本发明的另一个实施例，在框架和成型体的构造过程后执行脱脂和/或烧结。这可能在成型体从框架处拆离之前进行，其中该框架在热处理过程中保护成型体免于变形。替代地，本发明的另一个实施例提供了在构造过程之后，对框架和成型体进行共同脱脂。在进一步的步骤中，成型体从框架处拆离并且接下来进行烧结。在两阶段加工中，成型体首先在框架中进行预烧结并且最终的结晶仅在成型体自身上进行，该两阶段加工便于将销状连接件和任意附加支撑结构从烧结的成型体处移除。由此减小了相关工具磨损。
框架和成型体之间的距离被选定为使得该结构不会形成一体，而是仅通过销状连接件以及可能的附加支撑结构彼此连接。已经证实的是当框架和成型体之间的距离至少为1.4毫米、优选至少为1.5毫米时是有利的。
框架厚度，即框架壁的厚度可至少为1.3毫米，这有助于低材料损耗，但是提供了足够的支撑力。
本发明的另一个实施例实现了成型体从框架处拆离，其中这些销状连接件与成型体分离。这些销状连接件免除切断开口或使框架断裂的需要，这使得整个制造过程更加高效。由此，该成型体可通过仅使销状连接件断裂以及分离任何其它的支撑结构而从框架处拆离。
本发明的另一个实施例提供了在构造过程中构造了具有多个框架和布置在该框架内的尤其为单个的成型体的一体框架装置。该框架顺序可为阵列或矩阵形式，其中多个框架在一个平面中彼此相邻地布置并且每个框架均支承成型体。因为框架彼此连接，它们彼此支撑并且有助于用于单个成型体的单个支承的坚固结构。每个均具有单独形状的多个成型体可通过提供一体成型框架而在制备过程中同步制备。
为了改进多个成型体的同步制备，本发明的另一个实施例提供了框架装置具有蜂巢结构，其中相邻的框架优选共用框架壁部段。该蜂巢结构通常被认为是最佳形状，其具有壁材料与体积的理想比值。同时，这个形状使整体构造稳定。
本发明的另一个实施例提供了框架装置具有多个彼此堆叠的框架装置平面，其中例如以蜂巢结构的形式布置有多个框架和成型体。框架的并置和堆叠明显提高了所制备的成型体的生产量。特点在于一些框架和成型体在结合在一个平面内，例如在观察该平面时为矩阵布置。其它框架和成型体例如以矩阵布置在平行于这个第一平面的第二平面内对准，从而两个平面堆叠布置，即堆叠构型。
根据本发明的另一个实施例，相邻的框架装置平面(即多个框架和成型体的组合)彼此分开并且通过一体成型的腹板或销状连接件彼此连接。相邻的框架装置平面通过使这些腹板断裂而由此轻松地彼此分离。
原理上在框架的构造过程中，用于识别单个成型体的信息承载单元(比如数字、二维码或其它标记)可能与框架一起构造。
根据本发明的另一个实施例，在构造过程中，附加支撑结构与框架和成型体一体构造而成，其在构造过程中附加地固定了成型体并且在吸收了在构造过程中作用在成型体上的力。如在WO2010/045950A1中所述，如果成型体在构造过程中沿着行进轴线被重复降入和提出浆料，力可作用在成型体、框架和罐底之间并且影响整个构造对象的结构。尤其是，当层固化之后，当其在构造平台提升的过程中从罐底拆卸下时，在某些环境下，例如当延伸的变硬区粘附至罐底时，出现相当大的拉伸力，其必须从构造平台处通过框架传送至位于结构内的成型体。这些拉伸力可被支撑结构有效吸收。优选地，支撑结构沿着构造平台的行进轴线布置，位于框架的与构造平台对置的一侧和成型体之间以吸收沿着行进轴线作用在成型体上的拉伸力。
根据本发明的方法已经证明在牙科技术领域是尤其有利的。根据本发明的另一个实施例，由此提供了成型体为义齿部件，比如牙冠、牙嵌体，高嵌体、牙贴面、桥接件或框架。
表面的精度是尤其重要的，尤其对于牙科产品而言。在义齿部件中，比如牙冠，用于连接至牙桩的咬合面还有内表面尤其重要。因此建议在另一个位置处建立成型体和框架之间的连接。此处尤其适用的位置为义齿部件的口腔面或前庭面，其中尤其优选义齿部件的口腔面。义齿部件的这些表面在理想情况下适用于支撑结构的附接。总体来讲，这有助于相关表面，尤其是义齿部件的咬合面或内表面的高精度。
附图说明
下文参照仅优选的实施例以及附图对本发明进行更加将详细的解释，附图示出：
图1a和1b以侧视图示出了支撑结构上牙冠的数字化导板并且以倾斜的平面视图示出了烧结后制造的牙冠，
图2a和2b是根据本发明的第一实施例制备的框架，其具有布置其内的成型体，和
图3是根据本发明的另一个实施例制备的框架装置。
具体实施方式
图1a示出了呈在支撑结构2上的牙冠形式的成型体1的数字化导板。该数字化导板接下来用于借助于增材制造工艺按层构造成型体1和支撑结构2，在该增材制造工艺中填充有陶瓷的浆料被位置选择地固化。牙冠1在牙冠的咬合面的隆起上由支撑结构2支撑。在进行烧结的制备工艺中，支撑结构2引起了牙冠1的硬化。支撑结构2在牙冠制备之后被移除。
图1b示出了制造后的牙冠1。此处框出的部分为区域3和4，其背离支撑结构2布置。在烧结过程中在这些区域内会发生相当大的变形。
图2a和2b示出了根据本发明的第一实施例一体制备的成型体和框架。在构造过程中，即框架6与成型体5(牙冠)一体成型的过程中，以一定间距包围成型体5的套筒状框架6由构建材料按层构造。该套筒状框架6在轴向7上并且沿着其纵轴线8延伸。框架6的侧壁9绕轴线7和8延伸。图2中示出的为牙冠的咀嚼面沿着轴线7和8的平面视图。图2b以侧视图示出了框架6和布置其内的牙冠5。
在横截面中，即沿着纵轴线8的方向观察，框架呈多边形，此处呈八边形。这种形状赋予了框架6附加的稳定性。侧壁9围绕成型体5的周向绕轴线7延伸。与框架和该成型体一体成型的销状连接件10在构造过程中被构造在框架6的侧壁9的内壁上。这些销状连接件沿轴向7观察时围绕成型体外周分布并且将成型体连接至框架。这些连接件10尤其用作避免变形结构并且防止成型体在热处理措施过程中产生变形。
除了连接件10之外，位于成型体5下方的支撑结构11也与成型体和框架6一体构造。在未示出的构造平台上进行构造的过程中已经构造了构造对象，即整个框架6、成型体5、连接件10和支撑结构11，该构造平台在图2a中位于下框架壁的外侧，支撑体11位于该下框架壁内侧。对应方法已经在参见WO2010/045950的引言中进行了描述，其中位于构造平台上的结构内的构造物体被重复地浸入浆料并且再升起并且由此从构造平台处起按层构造。在构造过程中作用在成型体5上的张紧力由支撑结构11吸收并且由此被有效吸收并通过框架传送至构造平台。
在轴向7上，成型体5的尺寸(即成型体5沿轴向7延伸的长度)基本对应于框架6沿轴向7的尺寸。这些销状连接件沿成型体5的周向以三个销状连接件为一组地分布，此处基本距离约90°。其它的角度距离(例如45°、60°、120°)也是可能的。但是，关键的是，为了在制造过程中确保成型体5的有效固定，这些销状连接件接合于成型体的周向的不同部段。这些销状连接件10的厚度被选定为使得它们易于破裂，由此，成型体5可以简单的方式从框架6拆出。
图3示出了多个框架6，它们以在平面A(Z-Y)中呈阵列或矩阵布置的方式组合并且分别支承具有各种形状的成型体5。这种框架装置12在平面A中具有蜂巢结构。在平面A的这种蜂巢结构中，相邻的框架6共用同一框架壁部段13。在X方向上，在第一框架装置平面A的后方类似于框架装置平面A地构造有另一个框架装置平面B，其由内部布置有成型体的蜂巢结构中的多个矩阵布置框架构成。平面A和B彼此分离，这意味着平面A的成型体未直接连接至位于其后方的平面B的成型体。事实上，该两个平面A和B仅通过与框架装置平面A和B一体成型的腹板(未示出)彼此连接，即在X方向上一个位于另一个后方的框架彼此之间并非直接连接。这些腹板被形成为能够轻松破裂，由此平面A/B能够轻松地彼此分离。
平面B的后方为其它平面C/D，它们类似于平面A/B。
参考标号列表
1 牙冠
2 支撑结构
3 尤其易变形区域
4 尤其易变形区域
5 成型体
6 框架
7 轴向
8 纵轴线
9 框架的侧壁
10 连接件
11 支撑结构
12 框架装置
13 共用框架壁部段
A 1.框架装置平面
B 2.框架装置平面
C 3.框架装置平面
D 4.框架装置平面

Claims (15)

1.一种由构建材料、尤其由填充有陶瓷的浆料借助增材制造工艺制备成型体(5)的方法，其中在构造过程中，在具有特定用于对应层的轮廓的层区中经由电磁辐射的作用相继固化构建材料层来产生成型体(5)的层状结构，其特征是，在构造过程中，以一定距离包围所述成型体(5)的套筒状框架(6)与所述成型体(5)一起由构建材料来逐层构造出，并且还在构造过程中，多个销状连接件(10)与所述框架(6)和所述成型体(5)一体构成，多个所述销状连接件绕所述成型体(5)分布并将所述成型体(5)与所述框架(6)相连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述销状连接件(10)被构造在所述框架(6)的内侧。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述构建材料的固化通过位置选择电磁辐射而在特定轮廓内进行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述构建材料为陶瓷浆料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在所述套筒状框架(6)的轴向(7)上，所述成型体(5)的尺寸基本对应于所述框架(6)的尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在所述构造过程后进行脱脂和/或烧结。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征是，在所述构造过程后进行所述框架(10)和所述成型体(5)的脱脂，并且在下一个步骤中，所述成型体(5)从所述框架(6)处被拆离且接下来被烧结。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，通过使所述销状连接件(10)与所述成型体(5)分开，从所述框架(6)处拆离所述成型体(5)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，具有多个框架(6)和布置在所述框架内的成型体(5)的一体框架装置(12)在所述构造过程中被构造。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述框架装置(12)具有蜂巢结构，其中相邻的框架(6)共用框架壁部段(13)。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，其特征是，所述框架装置(12)包括彼此堆叠的多个框架装置平面(A，B，C，D)，每个框架装置平面内均布置有多个框架(6)和成型体(5)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征是，相邻的框架装置平面(A，B，C，D)彼此分开并通过一体成型的腹板彼此连接，从而能够通过使所述腹板断裂而使相邻的框架装置平面(A，B，C，D)彼此分离。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，所述成型体(5)为义齿部件，比如牙冠。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征是，将所述义齿部件(5)连接至所述框架(6)的所述销状连接件(10)被构造在所述义齿部件(5)的口腔面上或前庭面上。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征是，在构造平台上形成所述成型体的层状结构，并且与所述框架(6)和所述成型体(5)一体成型的附加支撑结构(11)被构造在所述框架(6)与所述构造平台对置的一侧和所述成型体(5)之间以在构造过程中吸收作用在所述成型体(5)上的力。
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