CN1284914A - 用于制造三维物体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造三维物体(2)的方法和装置,该三维物体(2)由多个预制薄片叠置制成。这种方法包括:在薄片的一侧用漆敷装置(20)涂敷粘接剂,利用涂敷装置(22)在粘接剂上涂敷一层防粘剂,将两次涂敷的薄片(3)的相对两侧用粘接剂在其下面的薄片(3)表面上粘接到薄片(3)上,用切割刀具(30)切割两次涂敷的薄片(3)。重复这些步骤,直到以叠层形式形成所需数量的薄片。仅在不是物体(2)的部分上涂敷防粘剂,沿与物体(2)上相同层的轮廓线相对应的轮廓线切割每个薄片。当这些步骤停止后,具有涂敷防粘剂并不是物体(2)的一部分的叠层部分从叠层上除去,以形成物体(2)。

Description

用于制造三维物体的方法和装置
本发明涉及一种用于制造三维物体例如模型、模具、压模或类似物的方法及装置。
本发明尤其可应用于通过将大量较薄的层粘接在一起来制造三维物体的方法，其中每个薄层都具有薄层物体的形状。现在，这种方法非常有价值，因为该方法可利用高速发展的计算机辅助设计(CAD)技术和计算机辅助制造(CAM)技术。例如，美国专利5,071,503公开了这样一种技术：每层都是一个预制的薄片，通过在限定各个薄片轮廓的不同位置上涂敷粘接剂而将这些薄片粘接到部分成形的物体上，从而易于分离轮廓外部的薄片部分，其中不同的位置位于薄片的轮廓范围内。
本发明的目的在于提供一种新的方法和装置，与上述专利中公知的技术相比，这种方法和装置具有很多优点。
根据本发明的一个方面提供一种制造三维物体的方法，其中三维物体由许多预制薄片构成，每个预制薄片都在其相对的两侧与相对两侧的相邻薄片相互粘接，而且每个薄片都沿与各层的轮廓相对应的轮廓线被切割，所述的层由物体内的薄片组成，其特征在于：在分别沿其轮廓线切割并粘接到相邻的薄片上之前，在每个薄片上都涂敷防粘剂，而且防粘剂不能覆盖分别由物体内各个薄片构成的层之轮廓线内的薄片表面，从而在各个薄片被切割并粘接到该侧的相邻薄片上之后，仅使其各轮廓线内的薄片表面被粘接到相邻的薄片上，同时各个薄片其余的未粘接部分不落入与相邻薄片及三维物体分离的轮廓线范围内。
这样，上述已知专利中的方法是在物体内各个层的轮廓线内涂敷粘接剂，而本发明是在轮廓线外的选定表面上涂敷防粘剂。
这些薄片可在一个表面上预先涂敷粘接剂，或在相对的表面上涂敷防粘剂的过程中分别在另一表面上涂敷粘接剂。这样，本发明的方法就易于实现，因为该方法不需要精确地控制粘接剂，而只需要精确控制防粘剂，而且由于两种物质的属性，使其更易于实现。由于预先成形的薄片部分不是被切除物体的一部分(即废料)，而且也没有相互粘接，因此更易于将其从被切除物体上除掉。
根据上述最佳实施例的另一方面，薄片被单独输送并叠置在一水平的平台上，当薄片连续堆叠在该水平平台上时，该平台连续地降低。每个薄片都在其轮廓线外侧的上表面涂敷有防粘剂，并当薄片输送到水平平台，从而叠置在另一薄片上部时，在薄片的下表面涂敷粘接剂。
在一个所述的实施例中，每个薄片都通过受控的防粘剂涂敷装置在其上表面涂敷有防粘剂，从而当薄片移动时，将防粘剂涂敷在各个薄片的轮廓线外侧上。在一第二实施例中，每个薄片都通过控制防粘剂涂敷装置的移动而将防粘剂涂敷在其上表面上，从而当薄片静止不动时，将防粘剂涂敷在各个薄片之轮廓线的外侧。
本发明还根据上述的方法提供一种用于制造三维物体的装置。
通过下面的说明将会清楚本发明的其它特征和优点。
现参照附图，通过实施例对本发明作出说明，其中附图：
图1为一三维视图，该图示出了根据本发明构造的一种装置；
图2为图1所示之装置的对侧的三维视图；
图3a-3c示意性地示出了三维物体是如何通过图1和2所示的方法和装置制造成形的；
图4和5为分别与图1和2对应的三维视图，图中示出了根据本发明构造的第二种装置。
图1和2所示的装置用于制造由大量粘接在一起的预制薄片3制成的三维物体2，如图3所示，每个薄片都沿与物体各个层的轮廓线相对应的轮廓线4被切割。当薄片3沿其轮廓线4被切割并粘接在一起后的情形如图1和2中的3’所示。除去三维物体2后的剩余废料如图3中的5所示。
图1和2所示的装置包括一机架10，该机架10包括一上部10a和一下部10b。用于制造三维物体2的薄片3以垂直叠层的形式支承在水平的底板11上，而水平底板11又固定于机架的下部10b。每个薄片3都从底板11上的叠层上部通过进料辊12、13、14被输送至机架10的上部10a，以放置在平台15上，三维物体2以层叠的形式成形于该平台15上。平台15沿垂直方向被电机M1和一与其相连接的环形皮带16所驱动，以使四个螺钉17转动，螺钉17可在上机架部分和下机架部分10a、10b之间移动并通过螺纹安装在平台15的四个角上。
机架10的上部10a包括一粘接剂涂敷装置20，当薄片被输送到机架10的上端10a时，该涂敷装置20可将容器21内的粘接剂涂敷到每个薄片3的下侧。
一第二涂敷装置22也设置于机架10的上端，从而当各个薄片分别被输送到位于平台15之上的机架的上端10a时，将防粘剂涂敷在每个薄片的上侧。涂敷装置22将防粘剂涂敷在每个薄片3的上表面上，从而使薄片的整个上表面除成品三维物体2各个层的轮廓线内的部分外都覆盖着防粘剂，其中成品三维物体2是由各个薄片构成的。
在图1和2所示的实施例中，防粘剂涂敷装置22为一个打印头，当薄片2沿一正交轴线(纵向的X轴)被输送时，该打印头可沿另一正交轴线(横向的Y轴)移动，从而使该涂敷装置扫过薄片的整个上表面。防粘剂涂敷装置22可以是任何合适类型的打印头，例如液体喷墨式打印机，击打式打印机，激光打印机或类似的装置。打印头将一种用作防粘剂的材料、液体或固体涂敷在每个预制薄片3的上表面上，从而使上面的薄片不会沿涂敷有防粘剂的接触表面与下面的薄片粘接，但允许没有防粘剂的部分相互粘接，其中的防粘剂是相对涂敷装置20涂敷到薄片之整个下表面上的粘接剂而言的。
涂敷装置22受控于其壳体23内的元件，从而相对成形的三维物体2内各个层的轮廓线4以负片图案涂敷防粘剂。就是说，防粘剂被涂敷，从而覆盖除成形物体内各个层轮廓线4内的表面外预制薄片3的所有表面。这样，每个上覆薄片都将在由上覆薄片限定的层之轮廓线4内粘接到相邻的下部薄片上，而不会粘接到该轮廓线外的下部薄片上。
图1和2所示的装置还包括：一切割刀具30，该切割刀具可受到控制，以沿成形物体2之各个层3的轮廓线切割。切割刀具30安装由滑架32支撑的端部31上。滑架32相对机架10沿纵向(X轴)被电机M2和一环形带33(图2)所驱动；从而使端部31被另一电机M3及一环形带34沿滑架32横向所驱动。刀具30还可通过一支承在端部31上的线圈35沿垂直方向移动到一个伸出的切割位置上，用于切割下面的薄片3，或移动到一个缩回的位置上。当薄片被切割时，一压辊36将薄片紧紧压靠在支承于平台15上且刚被处理过的薄片上。
粘接剂涂敷装置20还设置有一电磁线圈37，从而能够将粘接剂涂敷装置20移动到工作位置或一非工作位置上。例如，当第一薄片3被输送时，该粘接剂涂敷装置将被移动到一个非工作位置上，从而防止该薄片粘到平台11上。
图示的装置还包括一整体由40表示的控制装置，用于控制电机M1，M2，M3；防粘剂涂敷装置20，防粘剂涂敷装置22，刀具30及两个线圈35和37，以产生如下操作：
如图3a所示，用于制造三维物体2的多个矩形预制薄片3以垂直叠层的形式支承于机架下端10b的底板11上，而且每个薄片都分别被输送至机架的上端，以放置于平台15上，成形的三维物体2以叠层形成于平台15上。在装置的初始状态下，平台15位于其最上部的位置上，而且当物体的每一层都在平台15上成形时，该平台将通过电机M1，皮带16及螺钉17沿垂直方向连续向下移动，从而当新加入的层覆盖于物体上时，能够容纳新加入的层。
除了与平台11接触的第一薄片外，当每个薄片3通过进料辊12，13，14被输送到机架10的上端时，薄片的下侧都将通过粘接剂涂敷装置20完全涂敷有粘接剂，而其上侧则通过一涂敷装置20有选择地涂敷不与粘接剂相互粘接的防粘剂。被涂敷装置20所涂敷的粘接剂层覆盖各个薄片的整个下表面，而被涂敷装置22所涂敷的防粘剂则仅覆盖薄片的上表面，该上表面未落入成形的三维物体内各个薄片层的轮廓线内。例如，如果在成形的三维物体内由薄片形成的各个层为正方形轮廓，那么形成该层的矩形薄片3将仅在限定成形物体内各个层的正方形之外的表面上涂敷有防粘剂；即，正方形内的表面不会被防粘剂所覆盖。
应该理解：由预制薄片3制成的成形物体层之轮廓线可被以CAD或CAM的形式存储在控制装置40或一个控制装置可进入的单独存储器内，从而当各个薄片被加工时，能够被控制装置所使用，用于控制防粘剂涂敷装置22和刀具30。
当各个薄片已经被放置在平台15的叠层上时，其下表面将被粘接剂所涂敷，而且还根据薄片的轮廓线有选择地将防粘剂涂敷在其上表面上，如上所述，刀具30还被控制装置40所控制，从而沿各个薄片的轮廓线4切割薄片。为此，控制装置40控制着沿两个正交的轴线驱动刀具30的两个电机M2和M3，而且还控制着电磁线圈35，用于朝向或远离其切割位置移动刀具30。
这样，三维模型2就在平台15上一层压一层地制造成形，而且每一层都构成整个模型的一部分。当所有的层都这样被涂敷时，每一层都将沿其未涂敷防粘剂的部分在两个侧面上粘接到相邻的层上。这样，当用于整个三维物体2的所有薄片都被切割并粘接到一起后，这些薄片仅在构成最终成形的三维物体之相应剖面的轮廓线4内的接触表面上粘接在一起，从而允许薄片的其余未粘接部分没有落入该轮廓线内，以能够从三维物体上分离下来。如图3a-3c所示，从图中可以看到：初始的薄片叠层由图中的附图标记3表示，由薄片叠层构成的三维物体由附图标记2表示，未落入粘接到一起的轮廓表面内并将从物体上分离下来的薄片部分由附图标记5表示。
图4示出了与图1和2相类似的装置。为便于理解，图4所示之装置中与图1和2中相同的部件由相同的附图标记表示。
图4所示之装置的主要区别之处在于：在图4中由22’表示的防粘剂涂敷装置与刀具30支承在同一端部31’上。因此，在图4的装置内，薄片3不仅在刀具30切割时是静止不动的，而且当涂敷装置22’涂敷防粘剂时也是静止不动的。这样，防粘剂涂敷装置22’就可以相对薄片3沿纵向和横向被驱动，目的是有选择地将防粘剂涂敷到上述如图1和2所示的各个薄片的上表面上。
除此之外，图4所示的装置几乎在所有其它方面都按照与上述图1和2所示之装置相同的方式构造和运作。
薄片3可以由任何合适的塑料制成，例如聚氯乙烯，环氧树脂，尼龙等。塑料应该具有通过本发明之装置能够制造出来的成品物体所需精度相对应的合适厚度。薄片3的厚度最好约0.1mm，如果要制造一个高度为1分米的三维物体，那么就需要加工100张这样的薄片。
防粘剂可以是任何不与所用粘接剂产生粘接的合适材料。作为一个实施例，防粘剂可以是石蜡。
尽管图示的装置示出了当每个薄片被加工时，粘接剂也同时涂敷于每个薄片的下表面上，但应该理解：预制的薄片可在用于本发明的装置之前预先涂敷粘接剂。而且还应该考虑到：可通过在各个薄片的下表面上涂敷一种溶剂以使其软化并促使其在除被防粘剂有选择覆盖的各个薄片的上表面之外粘接上覆薄片的方法将预制的薄片粘接在一起。还可以考虑不使用粘接剂，而是在除了被防粘剂有选择覆盖的那些表面之外通过热和/或压力将薄片粘接在一起，其中热和/或压力可被作用于整个叠层上。刀具30也可被加热。可在切割刀具切割轮廓线过程中，在切割之前或之后进行粘接。可根据成品所需的颜色给防粘剂上色，而且可以用公知的方法对其上色，例如利用静电学、激光、热敏式印字机等。当预制薄片沿一个轴线移动时，粘接剂涂敷装置还可以沿另一个轴线(例如横向)移动。
而且，防粘剂可在薄片的同一侧直接涂敷于粘胶上或粘胶下，在这种情况下，防粘剂涂敷装置22可被安装于粘接剂涂敷装置20的同一侧。此外，薄片还可以完全涂敷防粘剂，而且这种防粘剂那个从要被涂胶的薄片部分上除去，在这种情况下，图1中的装置22应该是一个“除胶”装置，从而通过机械方法、化学方法或通过激光等手段除去不需要的防粘剂部分。另外，粘胶可被涂敷于薄片的上表面上，而防粘剂可被涂敷于底面上，而不是与上述的情况相反。
或者，不是利用粘接剂涂敷装置20内的粘接剂，粘接剂将在除了被涂敷装置22涂敷有防粘剂的区域外粘接到相邻的薄片上，涂敷装置20可涂敷具有如下特性的粘接剂：使其仅在被涂敷装置22涂敷有活化剂的区域上与相邻的薄片粘接。在这种构造中，活化剂仅被涂敷在轮廓线4内的部分上，从而使相邻的薄片仅在涂敷活化剂的轮廓区域内相互粘接。
当然，本发明还可以有许多其它的变化、修改和应用。

Claims (25)

1.一种制造三维物体的方法，其中三维物体由许多预制的薄片构成，每个薄片都在其相对的两侧粘接到相对两侧的相邻薄片上，同时每个薄片都沿与各个层的轮廓线相对应的轮廓被切割，其中所述的层由物体内的薄片构成，其特征在于：在分别沿其轮廓线被切割并在一侧粘接到相邻薄片上之前，在每个薄片的这一侧涂敷防粘剂，这种防粘剂不覆盖由所述物体内各个薄片构成的各层的轮廓线内的薄片表面，从而当各个薄片被切割并在那一侧与相邻的薄片相互粘接后，仅在各个轮廓线内的薄片表面被粘接到所述的相邻薄片上，从而允许各个薄片未落入所述轮廓线范围内的剩余未粘接部分与相邻的薄片及三维物体分离。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：每个薄片上与涂敷有所述防粘剂相对的侧面的整个表面涂满粘接剂，从而促进除被所述防粘剂覆盖的部分外所有的薄片相互粘接。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：所述粘接剂被涂敷于所述薄片的下侧，而所述防粘剂被涂敷于所述薄片的上表面。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：所述薄片被单独输送并叠置于一个水平的平台上，当薄片被连续叠置在水平平台上时，该水平平台连续地下降。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：当薄片被输送到所述的水平平台上并叠置于其它薄片上时，每个薄片都在其各个轮廓线外涂敷有防粘剂。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于：每个薄片都被一受控的防粘剂涂敷装置在其上表面涂敷有所述的防粘剂，从而当薄片移动时，将防粘剂涂敷在各个薄片的轮廓线之外。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于：每个薄片都被一受控的移动防粘剂涂敷装置在其上表面涂敷有防粘剂，从而当薄片静止时，将防粘剂涂敷在各个薄片轮廓线之外。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于：每个薄片都被一切割刀具沿其各个轮廓线切割，而所述切割刀具可在两维平面内被驱动，从而当薄片静止时，沿各个轮廓线移动；所述切割刀具可在三维空间内被驱动，从而处于切割位置或非切割位置上。
9.根据权利要求5至8之一的方法，其特征在于：当薄片被输送到所述水平平台并叠置于其它薄片之上时，每个薄片都在其整个下表面上涂敷有所述的粘接剂。
10.根据权利要求5至8之一的方法，其特征在于：每个薄片都在其下表面上预先涂敷有所述的粘接剂。
11.一种制造三维物体的装置，其中三维物体由许多预制薄片构成，每个薄片都在其相对的两侧粘接到相对两侧上的相邻薄片上，每个薄片都被一切割刀具沿各个层的轮廓线切割，所述的各个层由物体内的薄片构成，其特征在于：所述装置包括一防粘剂涂敷装置，当薄片沿其轮廓线被切割并在一侧粘接到相邻薄片上之前，用于在每个薄片的一侧涂敷一层防粘剂，所述防粘剂不覆盖由物体内的薄片构成的各个层之轮廓线内的薄片表面，从而当各个薄片被切割而当该侧粘接到相邻薄片上之后，仅使各个轮廓线内的薄片表面粘接到所述相邻的薄片上，并允许未落入所述轮廓线内的各个薄片的剩余非粘接部分与相邻的薄片及三维物体分离。
12.根据权利要求11的装置，其特征在于：所述防粘剂涂敷装置设置成将所述防粘剂涂敷在所述薄片的上表面上。
13.根据权利要求12的装置，其特征在于：所述装置还包括：一水平平台；一用于将所述薄片单独输送到所述的水平平台上并叠置于水平平台上的进料装置；和一个用于当所述薄片连续堆叠于水平平台上时降低所述的平台的驱动装置。
14.根据权利要求13的装置，其特征在于：所述驱动装置包括一转子式发动机和被所述发动机所驱动并连接到所述水平平台之角部上的螺钉，用于升降所述平台。
15.根据权利要求13或14的装置，其特征在于：所述防粘剂涂敷装置设置成当每个薄片被输送到所述水平平台并叠置于平台上其它薄片上时将所述防粘剂涂敷到每个薄片上表面上。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于：所述防粘剂涂敷装置被控制成当薄片移动时将所述防粘剂涂敷各个薄片轮廓线外。
17.根据权利要求15的装置，其特征在于：所述防粘剂涂敷装置是可移动的并可受到驱动，从而当薄片静止时，将防粘剂涂敷到各个薄片之轮廓外侧。
18.根据权利要求15至17之一的装置，其特征在于：所述切割刀具可在两维平面内被驱动，从而当薄片静止时，沿各个轮廓线移动；所述切割刀具可在三维空间内被驱动，从而处于切割位置或非切割位置上。
19.根据权利要求15至18之一的装置，其特征在于：所述防粘剂涂敷装置和所述切割刀具支承于一个公共的端部上，该公共的端部可在两维平面内受驱动，从而限定各个薄片的轮廓线。
20.根据权利要求15至19之一的装置，其特征在于：所述装置还包括一粘接剂涂敷装置，用于当每个薄片被输送到所述水平平台上时将粘接剂涂敷在每个薄片的下表面上，从而在未被防粘剂所覆盖的下面薄片部分上粘接到下面的薄片上。
21.一种用于制造三维物体的方法，其中的三维物体由许多预制的薄片构成，每个薄片都在其相对的两侧与其两侧相邻的薄片相互粘接，每个薄片都沿与各个层对应的轮廓线被切割，所述各个层由物体内的薄片构成，其特征在于：在沿薄片的各个轮廓线切割并在一侧粘接到相邻薄片上之前，对每个薄片的这侧涂敷活化剂，活化剂仅覆盖由所述物体内各个薄片构成的层之轮廓线内的薄片表面，从而仅使其轮廓线内的薄片表面粘接到相邻的薄片上，并允许未落入所述轮廓线内的各个薄片的剩余未粘接部分与相邻的薄片和三维物体分离。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于：每个薄片于涂敷有所述活化剂相对的一侧，在其整个表面上覆盖有粘接剂，这种粘接剂仅在与活化剂接触的条件下才会活化，以促使所有薄片仅在覆盖有所述活化剂的区域内相互粘接。
23.一种用于制造三维物体的装置，其中三维物体由相对预制的薄片构成，所述薄片在其相对的两侧与其相对的两侧上相邻的薄片相粘接，每个薄片都通过一切割刀具沿一于各个层之轮廓线对应的轮廓线切割，其中各个层由物体内的薄片构成，其特征在于所述装置包括一活化剂涂敷装置，用于在沿其各个轮廓线被切割并在一侧与相邻的薄片粘接之前，在每个薄片的这侧涂敷活化剂，所述活化剂仅覆盖各个层的轮廓线内的薄片表面，而各个层分别由物体内的薄片构成，从而当各个薄片分别被切割并在这侧粘接在一起后，允许未落入所述轮廓线内的各个薄片的剩余未粘接部分与相邻的薄片及三维物体分离。
24.根据权利要求23的装置，其特征在于：所述活化剂涂敷装置被设置成将所述活化剂涂敷到所述薄片的上表面上。
25.根据权利要求24的装置，其特征在于，所述装置还包括：一水平平台；一用于将所述薄片单独输送到所述的水平平台上并叠置于水平平台上的进料装置；和一个用于当所述薄片连续堆叠于水平平台上时降低所述的平台的驱动装置。
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