CN1123011A - 产生三维物体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

从由粒子组成的某种介质(12)中建立三维物体(30)(例如模具、模型、成品、半成品和其它的一些物体)的方法，产生若干截面层(25)，每一层表示将被制作的对象的一个截面，根据控制器(20)发出的信号，通过在介质上移动的某种能量发生装置(22a)，使被选择区中正处于最上层的粒子互相连接或者互相连接并和前一层连接。在各层中没有被连接的粒子被清除。

Description

产生三维物体的方法和设备
本发明涉及产生三维物体的一种方法和设备，例如模型、模具、成品、半成品或其它的一些物体，借助在介质上移动的能量发生装置，根据控制器发出的信号，在其最顶层中把介质的选定区域结合在一起，从而产生所要制造的某个物体的若干个截面层。
在设计机件期间，希望能得到正在建立的元件的三维几何图形的形象化视图，有时还需要其物理表示。尤其在使用CAD(计算机辅助设计)进行工作的时候，更需要这样的形象化视图，由此，可以直接使用计算机的信息，在制造过程中不需要人的干预(CAM：计算机辅助制造)。如果在设计中出现错误，就会增加和制造有关的错误的费用，因为设计中的错误将出现在自动制造的产品上。
在复杂的三维几何图形中，例如内燃机的汽缸头，复杂装置中几个相互作用部件的组合，例如电机的零件，在制造过程中一般都要求尽早接触物理模型和原型，以例能够进行实际的构造。
大公司通常都有其制造模型和原型的部门。而较小的公司则求助于专门的模型厂家来制造原型，或者，由于费用太高而不做原型就生产新的产品。
一般情况下，在制造成品之前，产生模型以便能够看到细节和装配情况，甚至把模型用于市场销售的目的是很重要的。
目前的原型制造过程通常是费时和昂贵的。
国际申请WO 88/02677提出了一种方法和装置，有选择地烧结一个粉末层以产生包括若干烧结层的零件。在该装置中使用了激光束，根据控制器发出的控制信号，在存放必须被烧结的材料的容器上扫描，即，借助激光束，在被激光束射中的地方熔化材料。在每一个烧结步骤之后，传送新的材料，用于下一步的烧结。例如，每个被烧结的层表示某个由计算机产生的模型中的一层。由于在产生模型时使用了激光技术，其费用是很高的。
通过DE-A1-3430114，了解到一种用于产生三维模型的设备。这种设备使用了一组焊丝，把若干焊丝层焊接在一起就产生了一个模型。这种制造方法费时、清晰度不高，而且难以产生模槽一类的东西。
本发明的目的是产生一种能在费用合理和生产速度快的情况下制造模型、原型或成品的设备。该设备甚至能用许多不同的材料来制造模型/产品。
借助能量发生装置来实现上述的目的，该装置至少包括一个电极，形成电路中电极的一端，而电路中的另一个电极由所述的介质构成，当这些电极连接至少一个电源时，介质是导体或半导体，由此在电极和介质之间形成了能量波，例如，至少采用电弧或热的形式，通过改变所选区域中的粒子的物理特性来连接介质的材料粒子。
下面将结合附图中所示的实施例对本发明的进行更加清楚的描述。
图1是根据本发明、用于产生三维物体的一种设备的一个透视图。
图2至图4是在三个不同的制造阶段：开始阶段、生成阶段和结束阶段中，沿着图1所示设备的线A-A截取的截面图。
图5是根据本发明改进设备的一个透视图。
图5b是沿图5中线Vb-Vb截取的一个放大的截面图。
图6是电极(电焊条)装置的一个实施例。
图7是图6所示电极装置一部分的放大视图。
图8是本发明另一个实施例的顶视图。
图9是在图8中沿线IX-IX截取的截面图。
图10是图8中沿线X-X截取的放大截面图。
图11给出了等离子电极装置的一个实施例。
图12给出了等离子电极装置的另一个实施例。
图13是图12所示装置的一个截面图。
图1所示用于制造三维产品的设备10包括顶部开口、由再循环装置13提供粉末材料12的容器11，沿着容器11上的导轨18在X方向上可移动的滑架14，以及滑架14上、在Y方向上可移动的滑架15。再循环装置13包括传输器16，把粉末12从围绕容器11的较低部分的收集箱17送到撒料器21。撒料器也可沿着容器的上边缘28移动，和滑架15一样，在Y方向上是可转移的。撒料器21可能连接滑架15。回收尺26连接撒料器，在和容器11的上边相同的水平上排除多余的粉末材料12。
容器11内部有一个可升降的板子23，借助驱动电机19的升降装置24从上顶位置(即正在容器的上边缘28下面的一个起始位置)下降到较低的底部位置(即一个终止位置)，反之亦然。控制器20控制板子23的下降，对应撒料器所撒粉末层的厚度。升降装置甚至可以用液压机构来控制。
在Y方向上可转移的滑架15支持具有电极22b的电极装置22a，而滑架14和15以及电极装置22a的激活都是由控制器20根据计算机29中的某个CAD-CAM-程序发出的信号进行控制的。
粉末材料12包括电传导材料，例如某种金属粉末/颗粒、粉末或颗粒形式的导电塑料等一类东西。材料甚至可以包括非传导成分，例如塑料、纤维、不同类型的粉末或颗粒和填料等等，因此能得到不同的特性，例如连接后合金的加强或形成，例如可通过烧结来实现。甚至遇到电极发出的热而变硬的导电液体材料也可以使用。
当激活电极装置22a时，连接电源40，而导电材料12则接地。由此，粉末材料12和正位于其上的电极22b之间出现电弧，使材料12和位于加热区域内的材料结合，因此形成了一个有界线的结合部分25。
下面将结合图2到图4描述根据本发明的方法的一个简化的操作周期。
在第一阶段中(图中没有给出)，第一个稍微厚一点的粉末层12被提供给位于容器11中其最上端位置上的板23以便保护该板。在粉末的撒放方面，任何多余的粉末都在同时被扫除，并且，如果粉末材料不是自压缩的，则可以用某种压缩滚筒来进行压缩(图中没有给出)。多余的粉末被送到容器边缘28以上并落下到收集箱17中。
压缩滚筒也可以用作被连接表面的一种抹平装置和/或冷却装置。甚至一块板、一个独立的滚筒或类似的东西都可以用作矫平、压缩和/或冷却介质。象水这样的液体介质可用于冷却。通过压缩，成品的孔隙度减少了。通过冷却，可防止第一层和各个最后层的温差。
在图2所示的阶段中，电极装置22a已经产生了第一个被连接的区域25，在撒料器的纵向上通过开口27提供新的粉末层。清扫尺26使得粉末层变平，这样，粉末表面就有一个准确的平面。已经集中在尺26前面的多余粉末越过容器的边缘28被送到收集箱17，而尺26则经边缘28回到其静止位置。
图3表示工作的瞬间，即当电极装置22a正在将要被烧结的区域上沿X方向和/或Y方向移动时。电源40在导电的粉末材料12和电极22b之间产生一个电位差，使得在电极22b与粉末12之间产生了例如以电弧形式的能量释放。电弧产生的热把粉末粒子融化在一起并且把该融化区域和上一层的融化区域并接起来。
当使用塑料粉末时，可以采用吸收装置来吸出在融化期间可能形成的气体。活动区，即粉末融化的区域，最好能置于真空之下，或者当使用金属粉末时，置于某种保护性的气体(例如氩(Ar))中，该保护性气体将产生某种保护性的环境。气体可以由电极22b上的开口提供，也可以由滑架15附近的管口提供。板23可以被穿孔或者由能渗透的材料做成，使之能通过保护性的气体，这些气体在一个轻度的过压下被送入空间42，该空间被限定在板的下面。保护性的气体被迫通过松散的粉末并从粉末表面上出来。考虑到环境的问题，整个工作区域最好是密封的。
粉末的提供和烧结进行了很多次，或者直到所需的物体(例如模型30，在这里是一把锤子)被完成。当造模的过程完成时，根据图4，电极22b和撒料器21被放在其静止的位置上。板23被升高，使得所有松散的粉末都被清除掉。
如果使用有渗透性的板23，一股强大的气流可能会通过其出口，使得粉末“被流体化”，同时，当底板23升高时，多余的粉末流过边缘并下到收集箱中。所完成的部件30留了下来，不带任何粉末。
粉末的提供和抹平并不需要单独实现，而可以发生在烧结的同时。在电极装置22a前面滑架14上提供撒料器和尺子，就能提供粉末并将其抹平。当滑架14在座标系31的X方向上移动时，粉末被提供给容器并被抹平。
根据图5，使用电极装置，就能使造模过程更快，电极滑架14最好覆盖容器的全部纵向，例如Y方向，装上一个电极梳41，包括若干个被分别控制的固定电极22C，按照倾斜式的列进行组织(见图6和图7)，因此，例如电极22C3覆盖了两个电极22C2和22C4之间的间隙。根据座标系31，滑架14在导轨18上沿着X方向移动，并且电极操作，使得整个区域25同时被烧结。滑架14可以提供粉末并将其抹平，沿着X方向前后移动。
滑架14是可拆卸的，因此，可以使用具有不同数目的电极和不同尺寸的滑架。
根据图5a，图1至图4中所示的升降装置24已经用另一个所替换，称之为爪形升降器34。电机19驱动丝扣主轴35，主轴通过轮37移动滑架36。这种移动使得连接臂38绕轴39摆动，在容器11中升高或降低板23。在该实施例中，收集箱也可以放在容器11的周围。
在该实施例中，如图5b所示，滑架14上有两个撒料器21，电极梳41的每一边各有一个。进一步提供用于压缩介质12的装置42，例中采用滚筒的形式。使用这一设备，在滑架前后移动期间，就能撒料、清扫、压缩、冷却并且/或者处理介质的加热。
在图6和图7中，示出电极梳41以及采用倾斜式的列和平行的行排列电极22b的方式，以便得到尽可能大的点密度。
图8、图9和图10给出了另一个实施例，该实施例不同于其它实施例之处在于介质12不是从上面撒放，而是由两个加料导管44输送，这两个加料导管分别位于容器的两个对边上，其加料口在容器上边缘28的同一水平上。在适当的传送器16的帮助下，例如活塞，介质经实际的加料导管44向上压去，使得介质在位于其停留位置上的滑架14的前部喷射出来。通过替换滑架14，介质将在容器的整个开口上撒放，由压缩滚筒42压缩，多余的材料将被推入对面的加料导管44，这时，粉末的平面已经随着被驱动到取料位置的活塞一块下降。在容器下面，最好提供能在边上把粉末送到活塞上的螺旋输送机等类似的装置(图中没有给出)。收集在加料导管中的多余材料可以重新使用，传送器16又一次被升高到滑架14的前头。
当使用非传导性材料时，可以使用根据图11至图13的实施例。在该例中，电极装置22a包括所谓的等离子电极、等离子喷雾器或微等离子，它们产生热并连接介质粒子。
等离子电极45至少包括互相独立的两个电极46和47，并且至少连接一个电源48。在两个电极之间，导管49用来提供某种气体。
对电极的设置使之经电源48得到不同的电位，由此在电极46和47之间产生电场。当气体，最好是一种稀有气体，例如氩(Ar)，通过该电场时，气体被离子化，形成等离子并产生热。
电极46和47可由渗透性的间隔装置54分开，保证电极之间的受控距离。冷却导管53可以放在电极中或电极的旁边，用以对电极冷却，例如，用水或类似的东西。甚至经过电极的相同气流也可用来冷却电极。
如上所述，根据本发明的设备中可用一个或多个电极。等离子电极的另一个实施例在图12和图13中给出。例如，象钨这样的隔热金属制作的薄电极46和47被放在电绝缘材料52上。一对电极46和47被气体导管49分开。电极46和47可以连接驱动电路(图中没有表示)。电极滑架52可以设计为一块插卡，可连接驱动电路，并且由于磨损、形式变化或其它类似的原因而交换。这样的电极装置45在介质的表面上移动。通过对某些电极对的引发，就能产生等离子，并由此连接介质上所需的某些点。
电极可以在介质上按X/Y方向移动，也可以只沿着一个轴移动。梳型的电极可在不同的、并行的卡之间多路传输，这些卡被倾斜地位移，以便增加清晰度。
本发明自然不限于已给出的实施例，而多种变化和组合在权利要求书的范围内是可以设想出来的。
引用数字表
10    设备
11    容器
12    介质，例如粉末材料
13    再循环装置
14    在X方向上可移动的载体
15    在Y方向上可移动的载体
16    传送器
17    收集箱
18    导轨
19    驱动电机
20    控制器
21    撒料器
22a   能量发生装置/电极装置
22b   电极
23    板
24    升降装置
25    被连接材料的所选区域
26    清扫尺
27    撒料器中的开口
28    容器的上边缘
29    计算机
30    物体，模型
31    座标系
34    爪形升降器
35    丝扣主轴
36    升降滑架
37    轮
38    连接臂
39    轴
40    电源
41    电极梳
42    空间
43    压缩装置，例如滚筒
44    加料导管
45    电极装置
46    电极
47    电极
48    电源
49    导管
50    燃点
51    等离子弧
52    隔离/载体
53    冷却导管
54    间隔装置

Claims (20)

1.从由粒子组成的介质(12)中建立三维物体(30)的方法，该三维物体例如是模型、模具、成品、半成品和其他的东西，产生若干横截面层(25)，每一层表示将被制作的物体的一个截面，由此，通过在介质上面移动的能量发生装置(22a)，根据控制器(20)发出的信号，使得在所选区域中正处于最顶层中的粒子至少互相连接或者互相连接后再和前一层的互相连接，而在各层中没有被连接的粒子则被清除，其特征在于：
至少包括一个电极(22b)的所述能量发生装置(22a)形成电路中的一极，而电路中的另一极是由所述的介质(12)构成的，当这些电极连接至少一个电源(40)时，所述介质(12)为电导体或半导体，由此在所述电极和所述介质(12)之间形成能量波，例如，至少有电弧或垫的形式，通过改变所述被选区域(25)中的所述粒子的物理特性，连接所述介质的材料粒子。
2.权利要求1的方法，其特征在于：根据控制器(20)发出的信号，所述电极(22b)在所述介质(12)上某一距离沿X方向和/或Y方向移动，由此，通过在所选区域(25)中的热处理，使所述的最上层介质被连接，
因此，所述被处理的介质层相应地减少其厚度，并且新的介质层被提供在所述的被处理介质层上并且被抹平。
所述最后被提供的介质层在所选区域中被连接，并且能够同样通过热处理和被连接在上一介质层的多个区域连接。
3.从放在容器(11)中并且由粒子组成的某种介质(12)中建立三维物体(30)的装置，该三维物体例如是模型、模具、成品、半成品和其它的东西，产生若干截面层(25)，每一个表示将被制作的物体的一个截面，由此，根据控制器(20)发出的信号，借助在介质上移动的能量发生装置(22a)，选择区域中正处于最顶层的粒子至少互相连接或者互相连接并且和前一层连接，而在各层中没有被连接的粒子被清除，其特征在于：
所述能量发生装置(22a)包括至少一个电极(22b)，
所述介质(12)是由导电和半导体材料做成的，
所述介质(12)和所述电极(22b)可连接至少一个电源(40)并且是电路中的相反电极，
所述电极(13)用来产生能量波，例如采用电弧或热的形式，由此，所述介质(12)根据控制器(20)发生的信号，在选择区域中被连接，并且所述介质(12)在升降装置(24)的被支持板(23)上是可放置的，板(23)随着某个截面层的完成是可下降的，并且对应于截面层的厚度。
4.权利要求3的装置，其特征在于：
所述介质(12)，至少相当大的部分，包括导电材料，采用粉末，纤维或颗粒形式，例如金属或塑料粉末。
5.权利要求4的装置，其特征在于：
所述介质(12)除了包括导电材料之外，还包括具有其它特性的材料，这些特性如增强填充、色调、在其他东西中的气体发挥或者融化后形成某种合金。
6.权利要求3的装置，其特征在于：
为所述电极(22b)提供一个受控的工作环境，例如真空、稀有气体或类似的环境。
7.权利要求6的装置，其特征在于，
在所述的电极(22b)和/或支撑电极的滑架(15)中或附近提供出口，产生所述的环境。
8.权利要求3的装置，其特征在于：
所述电极装置(22a)属于能产生阻力焊接、电弧焊接或类似的类型。
9.从放在容器(11)中并由粒子组成的介质(12)中建立三维物体(30)的装置，该三维物体例如是模型、模具、成品、半成品和其它的一些物体产生若干截面层(25)，每一层表示将被制作的物体的一个截面，由此，根据控制器(20)发生的信号，通过在介质上面移动的能量发生装置(22a)使选择区域中正位于最上层的粒子至少互相连接，或者互相连接并且和上一层也相互连接，而各层中没被连接的粒子被清除，其特征在于：
所述能量发生装置(22a)包括至少一个电极装置(45)，由两个导体(46，47)组成，至少可以连接一个电源(48)，
为所述能量发生器(22a)提供导管(49)用于把气体提供给加热区域(50)，通过和电弧的接触，所述气体在此形成一个等离子弧(51)，
所述介质(12)由这样的材料组成：通过接触由所述等离子弧(51)产生的热，改变其物理特性，由此，根据控制器(20；48)发出的信号，所述介质(12)在选择区域中被连接，并且，
所述介质(12)可放在升降装置(24)的被支撑的板(23)上该板可随某个截面层的完成而下降，并且对应于截面层的厚度。
10.权利要求9的装置，其特征在于：
所述介质(12)包括具有其它特性的材料，例如增强填充、色调，在其它东西中的气体发挥，或者在融化后形成某种合金。
11.权利要求3或9的装置，其特征在于：
所述容器(11)在其顶部和底部上是开口的，并且在其较低部分装了一个收集箱(17)。该箱最好有一个大于所述容器的截面的开口。
12.权利要求3或9的装置，其特征在于：
所述的板(23)被打孔或由具有渗透性的材料构成，并且，在所述的板子下面可以被置于压力之下，使得存在板上的松散的粉末材料能被流体化。
13.权利要求3的装置，其特征在于：
电极梳(41)上有多个电极(13)，能到达所述的容器开口上面，在所述介质(12)上至少能在一个方向上移动。
14.权利要求9的装置，其特征在于：
电极载体(52)上有多个电板(46，47)，使能到达所述容器的开口之上，在所述介质(12)上能在至少一个方向上移动，并且用导管(49)来提供所述的气体。
15.权利要求3或9的装置，其特征在于：
至少有一个介质导管(44)在所述容器(11)的旁边，用以收集并且/或者输出所述的介质，并且有一个输出口和输入口，位于所述容器开口的同一水平上，在所述导管中用传送器(16)来接收和加入所述的介质。
16.权利要求3或9的装置，其特征在于：
在新的一层介质(12)被连接之前，用冷却和/或压缩装置来抹平、压缩并/或冷却所述的介质。
17.权利要求3或9的装置，其特征在于：
所述容器(11)由液压装置升高/降低。
18.权利要求13或9的装置，其特征在于：
所述电极装置(22a)在所述介质(12)上被倾斜放置，所述电极连接控制器以实现多路传输。
19.权利要求16的装置，其特征在于：
所述冷却和/或压缩装置包括滚筒、板或类似的东西。
20.权利要求16的装置，其特征在于：
所述冷却装置使用某种液体介质，例如水。
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Address after: Gothenburg

Applicant after: Arcam AB

Address before: London, England

Applicant before: ARCAM AB

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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20020529

Termination date: 20120511