專利名稱：產(chǎn)生三維物體的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生三維物體的一種方法和設(shè)備，例如模型、模具、成品、半成品或其它的一些物體，借助在介質(zhì)上移動的能量發(fā)生裝置，根據(jù)控制器發(fā)出的信號，在其最頂層中把介質(zhì)的選定區(qū)域結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生所要制造的某個物體的若干個截面層。
在設(shè)計機件期間，希望能得到正在建立的元件的三維幾何圖形的形象化視圖，有時還需要其物理表示。尤其在使用CAD(計算機輔助設(shè)計)進行工作的時候，更需要這樣的形象化視圖，由此，可以直接使用計算機的信息，在制造過程中不需要人的干預(yù)(CAM計算機輔助制造)。如果在設(shè)計中出現(xiàn)錯誤，就會增加和制造有關(guān)的錯誤的費用，因為設(shè)計中的錯誤將出現(xiàn)在自動制造的產(chǎn)品上。
在復(fù)雜的三維幾何圖形中，例如內(nèi)燃機的汽缸頭，復(fù)雜裝置中幾個相互作用部件的組合，例如電機的零件，在制造過程中一般都要求盡早接觸物理模型和原型，以例能夠進行實際的構(gòu)造。
大公司通常都有其制造模型和原型的部門。而較小的公司則求助于專門的模型廠家來制造原型，或者，由于費用太高而不做原型就生產(chǎn)新的產(chǎn)品。
一般情況下，在制造成品之前，產(chǎn)生模型以便能夠看到細節(jié)和裝配情況，甚至把模型用于市場銷售的目的是很重要的。
目前的原型制造過程通常是費時和昂貴的。
國際申請WO 88/02677提出了一種方法和裝置，有選擇地?zé)Y(jié)一個粉末層以產(chǎn)生包括若干燒結(jié)層的零件。在該裝置中使用了激光束，根據(jù)控制器發(fā)出的控制信號，在存放必須被燒結(jié)的材料的容器上掃描，即，借助激光束，在被激光束射中的地方熔化材料。在每一個燒結(jié)步驟之后，傳送新的材料，用于下一步的燒結(jié)。例如，每個被燒結(jié)的層表示某個由計算機產(chǎn)生的模型中的一層。由于在產(chǎn)生模型時使用了激光技術(shù)，其費用是很高的。
通過DE-A1-3430114，了解到一種用于產(chǎn)生三維模型的設(shè)備。這種設(shè)備使用了一組焊絲，把若干焊絲層焊接在一起就產(chǎn)生了一個模型。這種制造方法費時、清晰度不高，而且難以產(chǎn)生模槽一類的東西。
本發(fā)明的目的是產(chǎn)生一種能在費用合理和生產(chǎn)速度快的情況下制造模型、原型或成品的設(shè)備。該設(shè)備甚至能用許多不同的材料來制造模型/產(chǎn)品。
借助能量發(fā)生裝置來實現(xiàn)上述的目的，該裝置至少包括一個電極，形成電路中電極的一端，而電路中的另一個電極由所述的介質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)這些電極連接至少一個電源時，介質(zhì)是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，由此在電極和介質(zhì)之間形成了能量波，例如，至少采用電弧或熱的形式，通過改變所選區(qū)域中的粒子的物理特性來連接介質(zhì)的材料粒子。
下面將結(jié)合附圖中所示的實施例對本發(fā)明的進行更加清楚的描述。


圖1是根據(jù)本發(fā)明、用于產(chǎn)生三維物體的一種設(shè)備的一個透視圖。
圖2至圖4是在三個不同的制造階段開始階段、生成階段和結(jié)束階段中，沿著圖1所示設(shè)備的線A-A截取的截面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明改進設(shè)備的一個透視圖。
圖5b是沿圖5中線Vb-Vb截取的一個放大的截面圖。
圖6是電極(電焊條)裝置的一個實施例。
圖7是圖6所示電極裝置一部分的放大視圖。
圖8是本發(fā)明另一個實施例的頂視圖。
圖9是在圖8中沿線IX-IX截取的截面圖。
圖10是圖8中沿線X-X截取的放大截面圖。
圖11給出了等離子電極裝置的一個實施例。
圖12給出了等離子電極裝置的另一個實施例。
圖13是圖12所示裝置的一個截面圖。
圖1所示用于制造三維產(chǎn)品的設(shè)備10包括頂部開口、由再循環(huán)裝置13提供粉末材料12的容器11，沿著容器11上的導(dǎo)軌18在X方向上可移動的滑架14，以及滑架14上、在Y方向上可移動的滑架15。再循環(huán)裝置13包括傳輸器16，把粉末12從圍繞容器11的較低部分的收集箱17送到撒料器21。撒料器也可沿著容器的上邊緣28移動，和滑架15一樣，在Y方向上是可轉(zhuǎn)移的。撒料器21可能連接滑架15?；厥粘?6連接撒料器，在和容器11的上邊相同的水平上排除多余的粉末材料12。
容器11內(nèi)部有一個可升降的板子23，借助驅(qū)動電機19的升降裝置24從上頂位置(即正在容器的上邊緣28下面的一個起始位置)下降到較低的底部位置(即一個終止位置)，反之亦然?？刂破?0控制板子23的下降，對應(yīng)撒料器所撒粉末層的厚度。升降裝置甚至可以用液壓機構(gòu)來控制。
在Y方向上可轉(zhuǎn)移的滑架15支持具有電極22b的電極裝置22a，而滑架14和15以及電極裝置22a的激活都是由控制器20根據(jù)計算機29中的某個CAD-CAM-程序發(fā)出的信號進行控制的。
粉末材料12包括電傳導(dǎo)材料，例如某種金屬粉末/顆粒、粉末或顆粒形式的導(dǎo)電塑料等一類東西。材料甚至可以包括非傳導(dǎo)成分，例如塑料、纖維、不同類型的粉末或顆粒和填料等等，因此能得到不同的特性，例如連接后合金的加強或形成，例如可通過燒結(jié)來實現(xiàn)。甚至遇到電極發(fā)出的熱而變硬的導(dǎo)電液體材料也可以使用。
當(dāng)激活電極裝置22a時，連接電源40，而導(dǎo)電材料12則接地。由此，粉末材料12和正位于其上的電極22b之間出現(xiàn)電弧，使材料12和位于加熱區(qū)域內(nèi)的材料結(jié)合，因此形成了一個有界線的結(jié)合部分25。
下面將結(jié)合圖2到圖4描述根據(jù)本發(fā)明的方法的一個簡化的操作周期。
在第一階段中(圖中沒有給出)，第一個稍微厚一點的粉末層12被提供給位于容器11中其最上端位置上的板23以便保護該板。在粉末的撒放方面，任何多余的粉末都在同時被掃除，并且，如果粉末材料不是自壓縮的，則可以用某種壓縮滾筒來進行壓縮(圖中沒有給出)。多余的粉末被送到容器邊緣28以上并落下到收集箱17中。
壓縮滾筒也可以用作被連接表面的一種抹平裝置和/或冷卻裝置。甚至一塊板、一個獨立的滾筒或類似的東西都可以用作矯平、壓縮和/或冷卻介質(zhì)。象水這樣的液體介質(zhì)可用于冷卻。通過壓縮，成品的孔隙度減少了。通過冷卻，可防止第一層和各個最后層的溫差。
在圖2所示的階段中，電極裝置22a已經(jīng)產(chǎn)生了第一個被連接的區(qū)域25，在撒料器的縱向上通過開口27提供新的粉末層。清掃尺26使得粉末層變平，這樣，粉末表面就有一個準確的平面。已經(jīng)集中在尺26前面的多余粉末越過容器的邊緣28被送到收集箱17，而尺26則經(jīng)邊緣28回到其靜止位置。
圖3表示工作的瞬間，即當(dāng)電極裝置22a正在將要被燒結(jié)的區(qū)域上沿X方向和/或Y方向移動時。電源40在導(dǎo)電的粉末材料12和電極22b之間產(chǎn)生一個電位差，使得在電極22b與粉末12之間產(chǎn)生了例如以電弧形式的能量釋放。電弧產(chǎn)生的熱把粉末粒子融化在一起并且把該融化區(qū)域和上一層的融化區(qū)域并接起來。
當(dāng)使用塑料粉末時，可以采用吸收裝置來吸出在融化期間可能形成的氣體?；顒訁^(qū)，即粉末融化的區(qū)域，最好能置于真空之下，或者當(dāng)使用金屬粉末時，置于某種保護性的氣體(例如氬(Ar))中，該保護性氣體將產(chǎn)生某種保護性的環(huán)境。氣體可以由電極22b上的開口提供，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滲透的材料做成，使之能通過保護性的氣體，這些氣體在一個輕度的過壓下被送入空間42，該空間被限定在板的下面。保護性的氣體被迫通過松散的粉末并從粉末表面上出來。考慮到環(huán)境的問題，整個工作區(qū)域最好是密封的。
粉末的提供和燒結(jié)進行了很多次，或者直到所需的物體(例如模型30，在這里是一把錘子)被完成。當(dāng)造模的過程完成時，根據(jù)圖4，電極22b和撒料器21被放在其靜止的位置上。板23被升高，使得所有松散的粉末都被清除掉。
如果使用有滲透性的板23，一股強大的氣流可能會通過其出口，使得粉末“被流體化”，同時，當(dāng)?shù)装?3升高時，多余的粉末流過邊緣并下到收集箱中。所完成的部件30留了下來，不帶任何粉末。
粉末的提供和抹平并不需要單獨實現(xiàn)，而可以發(fā)生在燒結(jié)的同時。在電極裝置22a前面滑架14上提供撒料器和尺子，就能提供粉末并將其抹平。當(dāng)滑架14在座標系31的X方向上移動時，粉末被提供給容器并被抹平。
根據(jù)圖5，使用電極裝置，就能使造模過程更快，電極滑架14最好覆蓋容器的全部縱向，例如Y方向，裝上一個電極梳41，包括若干個被分別控制的固定電極22C，按照傾斜式的列進行組織(見圖6和圖7)，因此，例如電極22C3覆蓋了兩個電極22C2和22C4之間的間隙。根據(jù)座標系31，滑架14在導(dǎo)軌18上沿著X方向移動，并且電極操作，使得整個區(qū)域25同時被燒結(jié)?；?4可以提供粉末并將其抹平，沿著X方向前后移動。
滑架14是可拆卸的，因此，可以使用具有不同數(shù)目的電極和不同尺寸的滑架。
根據(jù)圖5a，圖1至圖4中所示的升降裝置24已經(jīng)用另一個所替換，稱之為爪形升降器34。電機19驅(qū)動絲扣主軸35，主軸通過輪37移動滑架36。這種移動使得連接臂38繞軸39擺動，在容器11中升高或降低板23。在該實施例中，收集箱也可以放在容器11的周圍。
在該實施例中，如圖5b所示，滑架14上有兩個撒料器21，電極梳41的每一邊各有一個。進一步提供用于壓縮介質(zhì)12的裝置42，例中采用滾筒的形式。使用這一設(shè)備，在滑架前后移動期間，就能撒料、清掃、壓縮、冷卻并且/或者處理介質(zhì)的加熱。
在圖6和圖7中，示出電極梳41以及采用傾斜式的列和平行的行排列電極22b的方式，以便得到盡可能大的點密度。
圖8、圖9和圖10給出了另一個實施例，該實施例不同于其它實施例之處在于介質(zhì)12不是從上面撒放，而是由兩個加料導(dǎo)管44輸送，這兩個加料導(dǎo)管分別位于容器的兩個對邊上，其加料口在容器上邊緣28的同一水平上。在適當(dāng)?shù)膫魉推?6的幫助下，例如活塞，介質(zhì)經(jīng)實際的加料導(dǎo)管44向上壓去，使得介質(zhì)在位于其停留位置上的滑架14的前部噴射出來。通過替換滑架14，介質(zhì)將在容器的整個開口上撒放，由壓縮滾筒42壓縮，多余的材料將被推入對面的加料導(dǎo)管44，這時，粉末的平面已經(jīng)隨著被驅(qū)動到取料位置的活塞一塊下降。在容器下面，最好提供能在邊上把粉末送到活塞上的螺旋輸送機等類似的裝置(圖中沒有給出)。收集在加料導(dǎo)管中的多余材料可以重新使用，傳送器16又一次被升高到滑架14的前頭。
當(dāng)使用非傳導(dǎo)性材料時，可以使用根據(jù)圖11至圖13的實施例。在該例中，電極裝置22a包括所謂的等離子電極、等離子噴霧器或微等離子，它們產(chǎn)生熱并連接介質(zhì)粒子。
等離子電極45至少包括互相獨立的兩個電極46和47，并且至少連接一個電源48。在兩個電極之間，導(dǎo)管49用來提供某種氣體。
對電極的設(shè)置使之經(jīng)電源48得到不同的電位，由此在電極46和47之間產(chǎn)生電場。當(dāng)氣體，最好是一種稀有氣體，例如氬(Ar)，通過該電場時，氣體被離子化，形成等離子并產(chǎn)生熱。
電極46和47可由滲透性的間隔裝置54分開，保證電極之間的受控距離。冷卻導(dǎo)管53可以放在電極中或電極的旁邊，用以對電極冷卻，例如，用水或類似的東西。甚至經(jīng)過電極的相同氣流也可用來冷卻電極。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中可用一個或多個電極。等離子電極的另一個實施例在圖12和圖13中給出。例如，象鎢這樣的隔熱金屬制作的薄電極46和47被放在電絕緣材料52上。一對電極46和47被氣體導(dǎo)管49分開。電極46和47可以連接驅(qū)動電路(圖中沒有表示)。電極滑架52可以設(shè)計為一塊插卡，可連接驅(qū)動電路，并且由于磨損、形式變化或其它類似的原因而交換。這樣的電極裝置45在介質(zhì)的表面上移動。通過對某些電極對的引發(fā)，就能產(chǎn)生等離子，并由此連接介質(zhì)上所需的某些點。
電極可以在介質(zhì)上按X/Y方向移動，也可以只沿著一個軸移動。梳型的電極可在不同的、并行的卡之間多路傳輸，這些卡被傾斜地位移，以便增加清晰度。
本發(fā)明自然不限于已給出的實施例，而多種變化和組合在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)是可以設(shè)想出來的。
引用數(shù)字表10設(shè)備11容器12介質(zhì)，例如粉末材料13再循環(huán)裝置14在X方向上可移動的載體15在Y方向上可移動的載體
16傳送器17收集箱18導(dǎo)軌19驅(qū)動電機20控制器21撒料器22a 能量發(fā)生裝置/電極裝置22b 電極23板24升降裝置25被連接材料的所選區(qū)域26清掃尺27撒料器中的開口28容器的上邊緣29計算機30物體，模型31座標系34爪形升降器35絲扣主軸36升降滑架37輪38連接臂39軸40電源
41電極梳42空間43壓縮裝置，例如滾筒44加料導(dǎo)管45電極裝置46電極47電極48電源49導(dǎo)管50燃點51等離子弧52隔離/載體53冷卻導(dǎo)管54間隔裝置
權(quán)利要求
1.從由粒子組成的介質(zhì)(12)中建立三維物體(30)的方法，該三維物體例如是模型、模具、成品、半成品和其他的東西，產(chǎn)生若干橫截面層(25)，每一層表示將被制作的物體的一個截面，由此，通過在介質(zhì)上面移動的能量發(fā)生裝置(22a)，根據(jù)控制器(20)發(fā)出的信號，使得在所選區(qū)域中正處于最頂層中的粒子至少互相連接或者互相連接后再和前一層的互相連接，而在各層中沒有被連接的粒子則被清除，其特征在于至少包括一個電極(22b)的所述能量發(fā)生裝置(22a)形成電路中的一極，而電路中的另一極是由所述的介質(zhì)(12)構(gòu)成的，當(dāng)這些電極連接至少一個電源(40)時，所述介質(zhì)(12)為電導(dǎo)體或半導(dǎo)體，由此在所述電極和所述介質(zhì)(12)之間形成能量波，例如，至少有電弧或墊的形式，通過改變所述被選區(qū)域(25)中的所述粒子的物理特性，連接所述介質(zhì)的材料粒子。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于根據(jù)控制器(20)發(fā)出的信號，所述電極(22b)在所述介質(zhì)(12)上某一距離沿X方向和/或Y方向移動，由此，通過在所選區(qū)域(25)中的熱處理，使所述的最上層介質(zhì)被連接，因此，所述被處理的介質(zhì)層相應(yīng)地減少其厚度，并且新的介質(zhì)層被提供在所述的被處理介質(zhì)層上并且被抹平。所述最后被提供的介質(zhì)層在所選區(qū)域中被連接，并且能夠同樣通過熱處理和被連接在上一介質(zhì)層的多個區(qū)域連接。
3.從放在容器(11)中并且由粒子組成的某種介質(zhì)(12)中建立三維物體(30)的裝置，該三維物體例如是模型、模具、成品、半成品和其它的東西，產(chǎn)生若干截面層(25)，每一個表示將被制作的物體的一個截面，由此，根據(jù)控制器(20)發(fā)出的信號，借助在介質(zhì)上移動的能量發(fā)生裝置(22a)，選擇區(qū)域中正處于最頂層的粒子至少互相連接或者互相連接并且和前一層連接，而在各層中沒有被連接的粒子被清除，其特征在于所述能量發(fā)生裝置(22a)包括至少一個電極(22b)，所述介質(zhì)(12)是由導(dǎo)電和半導(dǎo)體材料做成的，所述介質(zhì)(12)和所述電極(22b)可連接至少一個電源(40)并且是電路中的相反電極，所述電極(13)用來產(chǎn)生能量波，例如采用電弧或熱的形式，由此，所述介質(zhì)(12)根據(jù)控制器(20)發(fā)生的信號，在選擇區(qū)域中被連接，并且所述介質(zhì)(12)在升降裝置(24)的被支持板(23)上是可放置的，板(23)隨著某個截面層的完成是可下降的，并且對應(yīng)于截面層的厚度。
4.權(quán)利要求3的裝置，其特征在于所述介質(zhì)(12)，至少相當(dāng)大的部分，包括導(dǎo)電材料，采用粉末，纖維或顆粒形式，例如金屬或塑料粉末。
5.權(quán)利要求4的裝置，其特征在于所述介質(zhì)(12)除了包括導(dǎo)電材料之外，還包括具有其它特性的材料，這些特性如增強填充、色調(diào)、在其他東西中的氣體發(fā)揮或者融化后形成某種合金。
6.權(quán)利要求3的裝置，其特征在于為所述電極(22b)提供一個受控的工作環(huán)境，例如真空、稀有氣體或類似的環(huán)境。
7.權(quán)利要求6的裝置，其特征在于，在所述的電極(22b)和/或支撐電極的滑架(15)中或附近提供出口，產(chǎn)生所述的環(huán)境。
8.權(quán)利要求3的裝置，其特征在于所述電極裝置(22a)屬于能產(chǎn)生阻力焊接、電弧焊接或類似的類型。
9.從放在容器(11)中并由粒子組成的介質(zhì)(12)中建立三維物體(30)的裝置，該三維物體例如是模型、模具、成品、半成品和其它的一些物體產(chǎn)生若干截面層(25)，每一層表示將被制作的物體的一個截面，由此，根據(jù)控制器(20)發(fā)生的信號，通過在介質(zhì)上面移動的能量發(fā)生裝置(22a)使選擇區(qū)域中正位于最上層的粒子至少互相連接，或者互相連接并且和上一層也相互連接，而各層中沒被連接的粒子被清除，其特征在于所述能量發(fā)生裝置(22a)包括至少一個電極裝置(45)，由兩個導(dǎo)體(46，47)組成，至少可以連接一個電源(48)，為所述能量發(fā)生器(22a)提供導(dǎo)管(49)用于把氣體提供給加熱區(qū)域(50)，通過和電弧的接觸，所述氣體在此形成一個等離子弧(51)，所述介質(zhì)(12)由這樣的材料組成通過接觸由所述等離子弧(51)產(chǎn)生的熱，改變其物理特性，由此，根據(jù)控制器(20；48)發(fā)出的信號，所述介質(zhì)(12)在選擇區(qū)域中被連接，并且，所述介質(zhì)(12)可放在升降裝置(24)的被支撐的板(23)上該板可隨某個截面層的完成而下降，并且對應(yīng)于截面層的厚度。
10.權(quán)利要求9的裝置，其特征在于所述介質(zhì)(12)包括具有其它特性的材料，例如增強填充、色調(diào)，在其它東西中的氣體發(fā)揮，或者在融化后形成某種合金。
11.權(quán)利要求3或9的裝置，其特征在于所述容器(11)在其頂部和底部上是開口的，并且在其較低部分裝了一個收集箱(17)。該箱最好有一個大于所述容器的截面的開口。
12.權(quán)利要求3或9的裝置，其特征在于所述的板(23)被打孔或由具有滲透性的材料構(gòu)成，并且，在所述的板子下面可以被置于壓力之下，使得存在板上的松散的粉末材料能被流體化。
13.權(quán)利要求3的裝置，其特征在于電極梳(41)上有多個電極(13)，能到達所述的容器開口上面，在所述介質(zhì)(12)上至少能在一個方向上移動。
14.權(quán)利要求9的裝置，其特征在于電極載體(52)上有多個電板(46，47)，使能到達所述容器的開口之上，在所述介質(zhì)(12)上能在至少一個方向上移動，并且用導(dǎo)管(49)來提供所述的氣體。
15.權(quán)利要求3或9的裝置，其特征在于至少有一個介質(zhì)導(dǎo)管(44)在所述容器(11)的旁邊，用以收集并且/或者輸出所述的介質(zhì)，并且有一個輸出口和輸入口，位于所述容器開口的同一水平上，在所述導(dǎo)管中用傳送器(16)來接收和加入所述的介質(zhì)。
16.權(quán)利要求3或9的裝置，其特征在于在新的一層介質(zhì)(12)被連接之前，用冷卻和/或壓縮裝置來抹平、壓縮并/或冷卻所述的介質(zhì)。
17.權(quán)利要求3或9的裝置，其特征在于所述容器(11)由液壓裝置升高/降低。
18.權(quán)利要求13或9的裝置，其特征在于所述電極裝置(22a)在所述介質(zhì)(12)上被傾斜放置，所述電極連接控制器以實現(xiàn)多路傳輸。
19.權(quán)利要求16的裝置，其特征在于所述冷卻和/或壓縮裝置包括滾筒、板或類似的東西。
20.權(quán)利要求16的裝置，其特征在于所述冷卻裝置使用某種液體介質(zhì)，例如水。
全文摘要
從由粒子組成的某種介質(zhì)(12)中建立三維物體(30)(例如模具、模型、成品、半成品和其它的一些物體)的方法，產(chǎn)生若干截面層(25)，每一層表示將被制作的對象的一個截面，根據(jù)控制器(20)發(fā)出的信號，通過在介質(zhì)上移動的某種能量發(fā)生裝置(22a)，使被選擇區(qū)中正處于最上層的粒子互相連接或者互相連接并和前一層連接。在各層中沒有被連接的粒子被清除。
文檔編號B23K10/02GK1123011SQ9419207
公開日1996年5月22日 申請日期1994年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月12日
發(fā)明者拉爾夫·拉爾森 申請人:拉爾夫·拉爾森