CN1671536A - 用于形成具有三维结构的物体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

由一个筒(2)仅供给一个球形细微颗粒(1)。通过一精密控制器(3)固定颗粒(1)。颗粒(1)的直径由测量装置(6)测量以检测该颗粒(1)的中心位置。利用X－Y－Z台以及控制器(3)的粗略移动部分来移动颗粒(1)，以便使颗粒(1)的中心大致对应目标位置，以使颗粒(1)与其相邻的其它颗粒接触。将激光束照射到颗粒的接触区域以熔化这些区域。通过利用控制器(3)的精确移动部分使颗粒略微地并精确地移动，以便使颗粒的中心在熔融的区域固化之前完全对应于目标位置。随后，从控制器(3)释放颗粒(1)。在熔融区域固化后，按顺序重复进行上述过程。

Description

用于形成具有三维结构的物体的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种形成具有三维结构的物体的方法以及一种根据该方法形成所述物体的装置。本发明特别涉及一种用于形成其中以三维形式布置球形细微颗粒并且相邻颗粒彼此结合的具有三维结构的物体的方法和装置。

背景技术

在Material Integration(Vol.14，No.8(2001)，51-54页)中公开了一种通过烧结球形细微颗粒而形成物体的方法，其中，使直径大约为500μm的铋锑合金球形细微颗粒紧密排列，随后对它们通电，以通过焦耳热量把它们烧结在一起。在上述文献的54页还披露了一种用于形成具有三维结构的物体的方法，其中，以三维方式紧密排列颗粒，随后，对它们通电以对它们进行烧结。

在根据上述方法形成的具有三维结构的物体中，由于烧结过程中发生颗粒球度变化以及它们位置的变动，颗粒位置会发生很大的变化。

例如，当颗粒的尺寸分布大约是其平均尺寸的3％时，其球度大约变化2％。如果采用上述传统方法来烧结具有较大球度变化的颗粒，那么在该三维结构的物体中的每个颗粒的中心不可避免地会偏离于颗粒应被定位的目标位置。

即使每个颗粒的球度非常高，在烧结时，由于收缩和局部熔化，颗粒仍会发生偏移。

发明内容

本发明提供一种用于形成具有三维结构的物体的方法，其中，球形细微颗粒以三维形式布置并且相邻的颗粒互相结合。通过重复进行由以下步骤构成的过程，使相邻颗粒彼此结合，这些步骤包括：使一个颗粒与其相邻的至少一个其它颗粒接触，随后，在这些颗粒的接触区域形成熔融区域；在熔融区域固化前，调节颗粒的位置；使熔融的接触区域固化以使颗粒结合。

设计一种用来形成本发明的具有三维结构的物体的装置以形成一种具有三维结构的物体，其中，球形细微颗粒以三维形式布置并且相邻颗粒彼此结合。所述装置具有一个在其端部固定颗粒的固定器；一个移动固定器的推进器；一个能量束辐射器，其用以将至少一个能量束照射到被固定器固定的颗粒的外表面上；以及一个控制器，其用于控制由以下步骤构成的过程，这些步骤包括：通过推进器移动固定颗粒的固定器，以使该颗粒与其它颗粒接触；熔化颗粒的接触区域；在熔融的接触区域固化之前，调节被固定器固定的颗粒的位置；以及使熔融的区域固化，以使颗粒彼此结合。

附图说明

图1为示意图，其说明了在本发明的用于形成三维结构的物体的方法中，布置颗粒的方法的一个实施例；

图2为示意图，其显示了本发明一个实施例的装置的控制器；

图3a，3b，3c分别是显示球形细微颗粒布置的平面图。

具体实施方式

为了形成本发明实施例中的具有三维结构的物体，使一个球形细微颗粒与其它颗粒接触，并使它们彼此之间接触的接触区域熔化。接着，在熔融的区域固化之前调整颗粒的位置，以便所述三维物体由粘结在一起的颗粒构成，并且使其中的每个颗粒准确定位于其应被设置的目标位置处。

最好以在接触区域处局部(即仅在接触区域)加热所述颗粒的方式使颗粒的接触区域熔化。最好将至少一个如激光束辐射器这样的能量束辐射器作为用于对接触区域局部加热的加热器。

在本发明的一个实施例中，在使颗粒与其它颗粒接触之前，测量该颗粒的直径。在该测量的基础上移动该颗粒，以便使它们彼此接触。

构成三维物体的颗粒中心之间的平均距离由“d”表示，颗粒粘结之前的平均直径由“d+Δd”表示，颗粒粘结之前尺寸分布的标准偏差由“σ”表示，在作出上述定义之后，Δd优选为标准偏差σ的2.5-4倍。

球形细微颗粒的直径优选为1000μm或更小，为0.1～1000μm更为理想，最好为1～500μm。

在加热时熔化的球形细微颗粒可以由包括合金的金属、陶瓷以及热塑性合成树脂制成。

当形成具有三维结构的物体时，通过一推进器将第一颗粒运送至其目标位置。最好，通过某种固定器(如附着、熔融和吸附保持方式)将第一颗粒固定在基体上。

通过固定器固定第二颗粒并使其与第一颗粒接触。随后，将如激光束这样的能量束照射到所述颗粒的接触区域以熔化该区域。在熔融区域固化之前，最好以使第二颗粒向之前定位的第一颗粒移动的方式，将第二颗粒的位置调节至其目标位置处。之后，熔融区域固化。

以与第二颗粒相同的方式，分别使第三及之后的颗粒中的每一个均接触之前定位的颗粒，并使其在其接触区域熔化，移动到其目标位置，随后熔融区域固化。

最好以首先使颗粒在一维方向上排列形成一行，随后使第二行和之后的行靠近之前形成的行形成的方式，以两维方式布置所述颗粒形成一层。第二行与之后的行中的每一个颗粒均与之前排列成行的颗粒相结合。由所述颗粒构成的第二层以及后来形成的层最好分别以与第一层相同的形成方式形成。

在一个实施例中，在形成构成所述三维物体底部的第一颗粒层后，在所述第一层上形成第二颗粒层，并且在之前形成的层上形成第三层以及之后的层。

在第二层以及之后的层中排列成行的颗粒与之前形成的层中的多个颗粒结合。

由此形成的物体具有三维立体结构，其中颗粒在三维方向上规则排列，就像晶体模型那样。因此，利用结晶学的术语，可以将每个颗粒必须被定位的三维坐标空间中的目标位置称为“晶格点”，将晶格点之间的距离称为“晶格间距”。

球形细微颗粒在被结合之前的平均直径要比晶格间距“d”大确定值“Δd”。当颗粒结合前的平均直径由“d+Δd”表示时，颗粒结合前的尺寸分布的标准偏差由“σ”表示，“Δd”优选为“σ”的2.5至4倍，最好为大约3倍。

以下是一种排列两个颗粒A和B以使颗粒A和B中心之间的距离达到d的方法。

当在两个颗粒A，B彼此接触时，每个颗粒中心之间的距离要比晶格间距“d”大至少Δd。通过利用一个颗粒直径测量装置准确测量颗粒的直径，精确测量颗粒A和B之间的距离与“d”值的偏差。接着，由一个能量足以熔化颗粒材料的射束源，将一局部加热能量束(优选激光束)照射到颗粒A和B的接触区域，以便局部熔化颗粒的接触区域。使颗粒A和B中的一个移动以精确调节其位置，从而在熔融的区域固化(例如凝固)之前，使它们中心之间的距离变为”d”。

总之，可以以使所有颗粒和相邻颗粒的接触区域同时熔化并且使所述颗粒移动以如上述那样调整其位置的方式，使每一颗粒精确定位。

在如图3a所示，物体具有原始立体晶格结构时，颗粒1分别位于二维四方形晶格点上以形成第一层；随后，将颗粒1’分别布置在第一层的颗粒1顶端右侧以形成第二层。第三层和之后的层(图中未示出)均以相同的方式排列，以便构成一个三维立方晶格结构。定位后的颗粒1”与三个之前定位的颗粒接触，这三个颗粒中的一个是构成第一层的颗粒1，另两个是构成第二层的颗粒1’。因此，要求三个激光束来分别使颗粒1”结合至颗粒1，1’，1’上。

如图3b所示，对于一体心立方晶格结构(BCC)而言，颗粒1分别位于二维四方晶格点上以形成第一层。在第二层上，颗粒1’位于第一层的四个相邻颗粒1的中心位置上以形成一四方晶格，该晶格相对于第一层滑移半个周期。第三层以及之后的奇数层以与第一层相同的模式形成，第四层以及之后的偶数层以与第二层相同的模式交替形成，以便构成体心三维立方晶格结构(BCC)。已定位的颗粒1”与六个之前定位的颗粒接触，它们中的四个是构成第一层的颗粒1，另两个是构成第二层的颗粒1’。因此，需要六个激光束将颗粒1”分别结合至六个颗粒1，1，1，1，1’，1’上。

如图3c所示，对于一个面心立方晶格结构(FCC)而言，以二维密集结构布置颗粒1。第二层相对于第一层在X方向上滑移”d”，并且在Y方向上滑移 第三层以与第二层相同的方式、相对于第二层滑移。第四层以及之后的(4+3n)层均以与第一层相同的方式形成，第五层以及之后的(5+3n)层以与第二层相同的方式形成，第六层以及之后的(6+3n)层以与第三层相同的方式形成，其中，n是一个自然数，以便构成三维面心立方晶格结构(FCC)。定位后的颗粒1”与六个之前定位的颗粒接触，它们中的三个是构成第一层的颗粒1，其余的是构成第二层的三个颗粒1’。因此，需要六个激光束将颗粒1”分别结合至六个颗粒1，1，1，1’，1’，1’上。

如图3c所示，对于一个六角密集晶格结构(HCP)而言，以二维密集结构布置颗粒1。第二层相对于第一层在X方向上滑移d，并且在Y方向上滑移

第三层以及之后的奇数层以与第一层相同的模式形成，第四层和之后的偶数层以与第二层相同的模式形成，从而构成三维立体六角密集晶格结构(HCP)。由于在以此结构布置颗粒时，颗粒最多具有六个接触区域，因此，需要六个光束。

如图1所示，由一个筒2逐一按顺序供给球形细微颗粒1，并由一精密控制器3的固定器固定。如图2所示，该固定器优选具有一个微型阀3a，其能够将负压力从真空泵传递到控制器顶端的真空出口3b，并可选择地切断负压的传输。图2中的参考数字3c表示一个颗粒固定器。筒2可以操作以使压电驱动器2a向前和向后移动一供给微型台2b，以便逐一供给颗粒。

用于移动固定器的推进器最好优选具有一个压电力驱动器3d，且既可粗略也可精确地仅使固定器上下(沿Z方向)运动，如图1和图2所示。通过驱动装置5，借助一块基板4使颗粒沿水平方向(X-Y方向)移动。驱动装置5也使基板4沿Z方向移动。基板4以一个层的厚度下降，以形成三维物体的第二层和之后的层。

在该实施例中，由筒2供入的每一球形细微颗粒通过颗粒直径测量装置6测量其直径，并将测量值输入控制计算机7。计算机7控制精密控制器3，驱动器5和激光振荡系统8。通过光束分离器9和镜子10，使由激光振荡系统8产生的激光束照射到颗粒的接触区域上。

由图1中所示的装置形成三维结构的过程包括以下步骤：

1)从筒2中供给一个颗粒1；

2)由精密控制器3固定所供给的颗粒1；

3)由测量装置6测量颗粒1的直径以探测其中心位置；

4)通过利用X-Y-Z台以及控制器3的粗略移动部分来移动颗粒1，以便使颗粒1的中心部分大致对应目标位置，并且颗粒1与其周围的颗粒接触。整个控制器3只上下移动。应注意的是：其中上下运动的方向以一定角度偏离Z轴；

5)向颗粒与其周围颗粒的接触区域照射激光束，以熔化接触区域；

6)通过利用控制器3的精确移动部分使颗粒略微地、清确地移动，以便使颗粒的中心在熔融的区域固化之前定位于目标位置；

7)在熔融的区域固化后，从控制器3释放颗粒1；

8)按要求多次重复上述步骤1)-7)。在上述步骤3)中，每一颗粒直径的精确测量均用于检测其中心位置。颗粒1不可避免地具有统计尺寸分布，其中最大的大约是标准偏差的三倍。因此，在使颗粒与其周围的颗粒接触时，每个颗粒的中心均以大约为标准偏差三倍的量从其目标位置滑移。通过测量将被精确结合的颗粒的直径，能够定量检测所述偏差。

在上述步骤5)和6)中，使激光束照射到相邻颗粒的多个接触区域上以并同时使这些接触区域熔化，并且立即驱动控制器3的精确移动部分，从而使颗粒移动以调节其位置，以便精确地使每一个颗粒定位于其目标位置。颗粒必须在熔融的区域固化前移动，这个过程最好在几微秒之内完成。最好使精确移动部分对应于从涉及其目标坐标位置的颗粒中心引出的矢量移动。

如上所述，根据本发明的方法和装置能够提供一种具有三维结构的物体，其中，以高精度将每一球形细微颗粒均定位于其规定的位置处。

Claims (11)

1.一种用于形成具有三维结构的物体的方法，其中，以三维形式布置球形细微颗粒，并且通过重复进行由以下步骤构成的过程，使相邻颗粒彼此结合，这些步骤包括：

使一个颗粒与其相邻的其它颗粒接触，随后，在这些颗粒的接触区域形成熔融区域；

在熔融区域固化前，调节颗粒的位置；

使熔融的区域固化以使所述颗粒结合。

2.根据权利要求1所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：通过在所述颗粒彼此接触的区域局部加热和熔化而使颗粒结合。

3.根据权利要求2所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：照射能量束以使接触区域局部熔化。

4.根据权利要求3所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：所述能量束为激光束。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：多个所述接触区域被同时熔化。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：在使所述颗粒与其它所述颗粒接触之前，测量被结合的颗粒的直径，以便根据所述测量结果使所述颗粒移动。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：构成所述三维物体的颗粒中心之间的平均距离由“d”表示，在结合之前的颗粒的平均直径由“d+Δd”表示，颗粒在结合之前的尺寸分布的标准偏差由“σ”表示，其中：Δd是σ的2.5至4倍。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的用于形成具有三维结构的物体的方法，其中：所述颗粒的直径为1000μm或者更小。

9.一种形成具有三维结构的物体的装置，其中，以三维形式布置球形细微颗粒并且使相邻颗粒彼此结合，所述装置包括：

一个在其端部固定颗粒的固定器；

一个移动固定器的推进器；

至少一个能量束辐射器，其用以将至少一个能量束照射到被固定器固定的颗粒的外表面上；以及

一个控制器，其用于控制由以下步骤构成的过程，这些步骤包括：通过推进器移动固定颗粒的固定器，以使该颗粒与其它颗粒接触；熔化颗粒的接触区域；在熔融的区域固化之前，调节被固定器固定的颗粒的位置；以及使熔融的区域固化，以使颗粒彼此结合。

10.根据权利要求9所述的形成具有三维结构的物体的装置，其中：所述能量束为激光束。

11.根据权利要求9或10所述的形成具有三维结构的物体的装置，其中：照射多个激光束，以便同时熔化多个所述接触区域。