專利名稱：用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法以及一種根據(jù)該方法形成所述物體的裝置。本發(fā)明特別涉及一種用于形成其中以三維形式布置球形細(xì)微顆粒并且相鄰顆粒彼此結(jié)合的具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在Material Integration(Vol.14，No.8(2001)，51-54頁(yè))中公開了一種通過(guò)燒結(jié)球形細(xì)微顆粒而形成物體的方法，其中，使直徑大約為500μm的鉍銻合金球形細(xì)微顆粒緊密排列，隨后對(duì)它們通電，以通過(guò)焦耳熱量把它們燒結(jié)在一起。在上述文獻(xiàn)的54頁(yè)還披露了一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，以三維方式緊密排列顆粒，隨后，對(duì)它們通電以對(duì)它們進(jìn)行燒結(jié)。
在根據(jù)上述方法形成的具有三維結(jié)構(gòu)的物體中，由于燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生顆粒球度變化以及它們位置的變動(dòng)，顆粒位置會(huì)發(fā)生很大的變化。
例如，當(dāng)顆粒的尺寸分布大約是其平均尺寸的3％時(shí)，其球度大約變化2％。如果采用上述傳統(tǒng)方法來(lái)燒結(jié)具有較大球度變化的顆粒，那么在該三維結(jié)構(gòu)的物體中的每個(gè)顆粒的中心不可避免地會(huì)偏離于顆粒應(yīng)被定位的目標(biāo)位置。
即使每個(gè)顆粒的球度非常高，在燒結(jié)時(shí)，由于收縮和局部熔化，顆粒仍會(huì)發(fā)生偏移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，球形細(xì)微顆粒以三維形式布置并且相鄰的顆粒互相結(jié)合。通過(guò)重復(fù)進(jìn)行由以下步驟構(gòu)成的過(guò)程，使相鄰顆粒彼此結(jié)合，這些步驟包括使一個(gè)顆粒與其相鄰的至少一個(gè)其它顆粒接觸，隨后，在這些顆粒的接觸區(qū)域形成熔融區(qū)域；在熔融區(qū)域固化前，調(diào)節(jié)顆粒的位置；使熔融的接觸區(qū)域固化以使顆粒結(jié)合。
設(shè)計(jì)一種用來(lái)形成本發(fā)明的具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置以形成一種具有三維結(jié)構(gòu)的物體，其中，球形細(xì)微顆粒以三維形式布置并且相鄰顆粒彼此結(jié)合。所述裝置具有一個(gè)在其端部固定顆粒的固定器；一個(gè)移動(dòng)固定器的推進(jìn)器；一個(gè)能量束輻射器，其用以將至少一個(gè)能量束照射到被固定器固定的顆粒的外表面上；以及一個(gè)控制器，其用于控制由以下步驟構(gòu)成的過(guò)程，這些步驟包括通過(guò)推進(jìn)器移動(dòng)固定顆粒的固定器，以使該顆粒與其它顆粒接觸；熔化顆粒的接觸區(qū)域；在熔融的接觸區(qū)域固化之前，調(diào)節(jié)被固定器固定的顆粒的位置；以及使熔融的區(qū)域固化，以使顆粒彼此結(jié)合。


圖1為示意圖，其說(shuō)明了在本發(fā)明的用于形成三維結(jié)構(gòu)的物體的方法中，布置顆粒的方法的一個(gè)實(shí)施例；圖2為示意圖，其顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的裝置的控制器；圖3a，3b，3c分別是顯示球形細(xì)微顆粒布置的平面圖。
具體實(shí)施例方式
為了形成本發(fā)明實(shí)施例中的具有三維結(jié)構(gòu)的物體，使一個(gè)球形細(xì)微顆粒與其它顆粒接觸，并使它們彼此之間接觸的接觸區(qū)域熔化。接著，在熔融的區(qū)域固化之前調(diào)整顆粒的位置，以便所述三維物體由粘結(jié)在一起的顆粒構(gòu)成，并且使其中的每個(gè)顆粒準(zhǔn)確定位于其應(yīng)被設(shè)置的目標(biāo)位置處。
最好以在接觸區(qū)域處局部(即僅在接觸區(qū)域)加熱所述顆粒的方式使顆粒的接觸區(qū)域熔化。最好將至少一個(gè)如激光束輻射器這樣的能量束輻射器作為用于對(duì)接觸區(qū)域局部加熱的加熱器。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在使顆粒與其它顆粒接觸之前，測(cè)量該顆粒的直徑。在該測(cè)量的基礎(chǔ)上移動(dòng)該顆粒，以便使它們彼此接觸。
構(gòu)成三維物體的顆粒中心之間的平均距離由“d”表示，顆粒粘結(jié)之前的平均直徑由“d+Δd”表示，顆粒粘結(jié)之前尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差由“σ”表示，在作出上述定義之后，Δd優(yōu)選為標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的2.5-4倍。
球形細(xì)微顆粒的直徑優(yōu)選為1000μm或更小，為0.1～1000μm更為理想，最好為1～500μm。
在加熱時(shí)熔化的球形細(xì)微顆?？梢杂砂ê辖鸬慕饘佟⑻沾梢约盁崴苄院铣蓸渲瞥?。
當(dāng)形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，通過(guò)一推進(jìn)器將第一顆粒運(yùn)送至其目標(biāo)位置。最好，通過(guò)某種固定器(如附著、熔融和吸附保持方式)將第一顆粒固定在基體上。
通過(guò)固定器固定第二顆粒并使其與第一顆粒接觸。隨后，將如激光束這樣的能量束照射到所述顆粒的接觸區(qū)域以熔化該區(qū)域。在熔融區(qū)域固化之前，最好以使第二顆粒向之前定位的第一顆粒移動(dòng)的方式，將第二顆粒的位置調(diào)節(jié)至其目標(biāo)位置處。之后，熔融區(qū)域固化。
以與第二顆粒相同的方式，分別使第三及之后的顆粒中的每一個(gè)均接觸之前定位的顆粒，并使其在其接觸區(qū)域熔化，移動(dòng)到其目標(biāo)位置，隨后熔融區(qū)域固化。
最好以首先使顆粒在一維方向上排列形成一行，隨后使第二行和之后的行靠近之前形成的行形成的方式，以兩維方式布置所述顆粒形成一層。第二行與之后的行中的每一個(gè)顆粒均與之前排列成行的顆粒相結(jié)合。由所述顆粒構(gòu)成的第二層以及后來(lái)形成的層最好分別以與第一層相同的形成方式形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，在形成構(gòu)成所述三維物體底部的第一顆粒層后，在所述第一層上形成第二顆粒層，并且在之前形成的層上形成第三層以及之后的層。
在第二層以及之后的層中排列成行的顆粒與之前形成的層中的多個(gè)顆粒結(jié)合。
由此形成的物體具有三維立體結(jié)構(gòu)，其中顆粒在三維方向上規(guī)則排列，就像晶體模型那樣。因此，利用結(jié)晶學(xué)的術(shù)語(yǔ)，可以將每個(gè)顆粒必須被定位的三維坐標(biāo)空間中的目標(biāo)位置稱為“晶格點(diǎn)”，將晶格點(diǎn)之間的距離稱為“晶格間距”。
球形細(xì)微顆粒在被結(jié)合之前的平均直徑要比晶格間距“d”大確定值“Δd”。當(dāng)顆粒結(jié)合前的平均直徑由“d+Δd”表示時(shí)，顆粒結(jié)合前的尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差由“σ”表示，“Δd”優(yōu)選為“σ”的2.5至4倍，最好為大約3倍。
以下是一種排列兩個(gè)顆粒A和B以使顆粒A和B中心之間的距離達(dá)到d的方法。
當(dāng)在兩個(gè)顆粒A，B彼此接觸時(shí)，每個(gè)顆粒中心之間的距離要比晶格間距“d”大至少Δd。通過(guò)利用一個(gè)顆粒直徑測(cè)量裝置準(zhǔn)確測(cè)量顆粒的直徑，精確測(cè)量顆粒A和B之間的距離與“d”值的偏差。接著，由一個(gè)能量足以熔化顆粒材料的射束源，將一局部加熱能量束(優(yōu)選激光束)照射到顆粒A和B的接觸區(qū)域，以便局部熔化顆粒的接觸區(qū)域。使顆粒A和B中的一個(gè)移動(dòng)以精確調(diào)節(jié)其位置，從而在熔融的區(qū)域固化(例如凝固)之前，使它們中心之間的距離變?yōu)椤眃”。
總之，可以以使所有顆粒和相鄰顆粒的接觸區(qū)域同時(shí)熔化并且使所述顆粒移動(dòng)以如上述那樣調(diào)整其位置的方式，使每一顆粒精確定位。
在如圖3a所示，物體具有原始立體晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，顆粒1分別位于二維四方形晶格點(diǎn)上以形成第一層；隨后，將顆粒1’分別布置在第一層的顆粒1頂端右側(cè)以形成第二層。第三層和之后的層(圖中未示出)均以相同的方式排列，以便構(gòu)成一個(gè)三維立方晶格結(jié)構(gòu)。定位后的顆粒1”與三個(gè)之前定位的顆粒接觸，這三個(gè)顆粒中的一個(gè)是構(gòu)成第一層的顆粒1，另兩個(gè)是構(gòu)成第二層的顆粒1’。因此，要求三個(gè)激光束來(lái)分別使顆粒1”結(jié)合至顆粒1，1’，1’上。
如圖3b所示，對(duì)于一體心立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC)而言，顆粒1分別位于二維四方晶格點(diǎn)上以形成第一層。在第二層上，顆粒1’位于第一層的四個(gè)相鄰顆粒1的中心位置上以形成一四方晶格，該晶格相對(duì)于第一層滑移半個(gè)周期。第三層以及之后的奇數(shù)層以與第一層相同的模式形成，第四層以及之后的偶數(shù)層以與第二層相同的模式交替形成，以便構(gòu)成體心三維立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC)。已定位的顆粒1”與六個(gè)之前定位的顆粒接觸，它們中的四個(gè)是構(gòu)成第一層的顆粒1，另兩個(gè)是構(gòu)成第二層的顆粒1’。因此，需要六個(gè)激光束將顆粒1”分別結(jié)合至六個(gè)顆粒1，1，1，1，1’，1’上。
如圖3c所示，對(duì)于一個(gè)面心立方晶格結(jié)構(gòu)(FCC)而言，以二維密集結(jié)構(gòu)布置顆粒1。第二層相對(duì)于第一層在X方向上滑移”d”，并且在Y方向上滑移 第三層以與第二層相同的方式、相對(duì)于第二層滑移。第四層以及之后的(4+3n)層均以與第一層相同的方式形成，第五層以及之后的(5+3n)層以與第二層相同的方式形成，第六層以及之后的(6+3n)層以與第三層相同的方式形成，其中，n是一個(gè)自然數(shù)，以便構(gòu)成三維面心立方晶格結(jié)構(gòu)(FCC)。定位后的顆粒1”與六個(gè)之前定位的顆粒接觸，它們中的三個(gè)是構(gòu)成第一層的顆粒1，其余的是構(gòu)成第二層的三個(gè)顆粒1’。因此，需要六個(gè)激光束將顆粒1”分別結(jié)合至六個(gè)顆粒1，1，1，1’，1’，1’上。
如圖3c所示，對(duì)于一個(gè)六角密集晶格結(jié)構(gòu)(HCP)而言，以二維密集結(jié)構(gòu)布置顆粒1。第二層相對(duì)于第一層在X方向上滑移d，并且在Y方向上滑移 第三層以及之后的奇數(shù)層以與第一層相同的模式形成，第四層和之后的偶數(shù)層以與第二層相同的模式形成，從而構(gòu)成三維立體六角密集晶格結(jié)構(gòu)(HCP)。由于在以此結(jié)構(gòu)布置顆粒時(shí)，顆粒最多具有六個(gè)接觸區(qū)域，因此，需要六個(gè)光束。
如圖1所示，由一個(gè)筒2逐一按順序供給球形細(xì)微顆粒1，并由一精密控制器3的固定器固定。如圖2所示，該固定器優(yōu)選具有一個(gè)微型閥3a，其能夠?qū)⒇?fù)壓力從真空泵傳遞到控制器頂端的真空出口3b，并可選擇地切斷負(fù)壓的傳輸。圖2中的參考數(shù)字3c表示一個(gè)顆粒固定器。筒2可以操作以使壓電驅(qū)動(dòng)器2a向前和向后移動(dòng)一供給微型臺(tái)2b，以便逐一供給顆粒。
用于移動(dòng)固定器的推進(jìn)器最好優(yōu)選具有一個(gè)壓電力驅(qū)動(dòng)器3d，且既可粗略也可精確地僅使固定器上下(沿Z方向)運(yùn)動(dòng)，如圖1和圖2所示。通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置5，借助一塊基板4使顆粒沿水平方向(X-Y方向)移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置5也使基板4沿Z方向移動(dòng)。基板4以一個(gè)層的厚度下降，以形成三維物體的第二層和之后的層。
在該實(shí)施例中，由筒2供入的每一球形細(xì)微顆粒通過(guò)顆粒直徑測(cè)量裝置6測(cè)量其直徑，并將測(cè)量值輸入控制計(jì)算機(jī)7。計(jì)算機(jī)7控制精密控制器3，驅(qū)動(dòng)器5和激光振蕩系統(tǒng)8。通過(guò)光束分離器9和鏡子10，使由激光振蕩系統(tǒng)8產(chǎn)生的激光束照射到顆粒的接觸區(qū)域上。
由圖1中所示的裝置形成三維結(jié)構(gòu)的過(guò)程包括以下步驟1)從筒2中供給一個(gè)顆粒1；2)由精密控制器3固定所供給的顆粒1；3)由測(cè)量裝置6測(cè)量顆粒1的直徑以探測(cè)其中心位置；4)通過(guò)利用X-Y-Z臺(tái)以及控制器3的粗略移動(dòng)部分來(lái)移動(dòng)顆粒1，以便使顆粒1的中心部分大致對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置，并且顆粒1與其周圍的顆粒接觸。整個(gè)控制器3只上下移動(dòng)。應(yīng)注意的是其中上下運(yùn)動(dòng)的方向以一定角度偏離Z軸；5)向顆粒與其周圍顆粒的接觸區(qū)域照射激光束，以熔化接觸區(qū)域；
6)通過(guò)利用控制器3的精確移動(dòng)部分使顆粒略微地、清確地移動(dòng)，以便使顆粒的中心在熔融的區(qū)域固化之前定位于目標(biāo)位置；7)在熔融的區(qū)域固化后，從控制器3釋放顆粒1；8)按要求多次重復(fù)上述步驟1)-7)。在上述步驟3)中，每一顆粒直徑的精確測(cè)量均用于檢測(cè)其中心位置。顆粒1不可避免地具有統(tǒng)計(jì)尺寸分布，其中最大的大約是標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍。因此，在使顆粒與其周圍的顆粒接觸時(shí)，每個(gè)顆粒的中心均以大約為標(biāo)準(zhǔn)偏差三倍的量從其目標(biāo)位置滑移。通過(guò)測(cè)量將被精確結(jié)合的顆粒的直徑，能夠定量檢測(cè)所述偏差。
在上述步驟5)和6)中，使激光束照射到相鄰顆粒的多個(gè)接觸區(qū)域上以并同時(shí)使這些接觸區(qū)域熔化，并且立即驅(qū)動(dòng)控制器3的精確移動(dòng)部分，從而使顆粒移動(dòng)以調(diào)節(jié)其位置，以便精確地使每一個(gè)顆粒定位于其目標(biāo)位置。顆粒必須在熔融的區(qū)域固化前移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程最好在幾微秒之內(nèi)完成。最好使精確移動(dòng)部分對(duì)應(yīng)于從涉及其目標(biāo)坐標(biāo)位置的顆粒中心引出的矢量移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置能夠提供一種具有三維結(jié)構(gòu)的物體，其中，以高精度將每一球形細(xì)微顆粒均定位于其規(guī)定的位置處。
權(quán)利要求
1.一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，以三維形式布置球形細(xì)微顆粒，并且通過(guò)重復(fù)進(jìn)行由以下步驟構(gòu)成的過(guò)程，使相鄰顆粒彼此結(jié)合，這些步驟包括使一個(gè)顆粒與其相鄰的其它顆粒接觸，隨后，在這些顆粒的接觸區(qū)域形成熔融區(qū)域；在熔融區(qū)域固化前，調(diào)節(jié)顆粒的位置；使熔融的區(qū)域固化以使所述顆粒結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中通過(guò)在所述顆粒彼此接觸的區(qū)域局部加熱和熔化而使顆粒結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中照射能量束以使接觸區(qū)域局部熔化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中所述能量束為激光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中多個(gè)所述接觸區(qū)域被同時(shí)熔化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中在使所述顆粒與其它所述顆粒接觸之前，測(cè)量被結(jié)合的顆粒的直徑，以便根據(jù)所述測(cè)量結(jié)果使所述顆粒移動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中構(gòu)成所述三維物體的顆粒中心之間的平均距離由“d”表示，在結(jié)合之前的顆粒的平均直徑由“d+Δd”表示，顆粒在結(jié)合之前的尺寸分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差由“σ”表示，其中Δd是σ的2.5至4倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中所述顆粒的直徑為1000μm或者更小。
9.一種形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中，以三維形式布置球形細(xì)微顆粒并且使相鄰顆粒彼此結(jié)合，所述裝置包括一個(gè)在其端部固定顆粒的固定器；一個(gè)移動(dòng)固定器的推進(jìn)器；至少一個(gè)能量束輻射器，其用以將至少一個(gè)能量束照射到被固定器固定的顆粒的外表面上；以及一個(gè)控制器，其用于控制由以下步驟構(gòu)成的過(guò)程，這些步驟包括通過(guò)推進(jìn)器移動(dòng)固定顆粒的固定器，以使該顆粒與其它顆粒接觸；熔化顆粒的接觸區(qū)域；在熔融的區(qū)域固化之前，調(diào)節(jié)被固定器固定的顆粒的位置；以及使熔融的區(qū)域固化，以使顆粒彼此結(jié)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中所述能量束為激光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中照射多個(gè)激光束，以便同時(shí)熔化多個(gè)所述接觸區(qū)域。
全文摘要
由一個(gè)筒(2)僅供給一個(gè)球形細(xì)微顆粒(1)。通過(guò)一精密控制器(3)固定顆粒(1)。顆粒(1)的直徑由測(cè)量裝置(6)測(cè)量以檢測(cè)該顆粒(1)的中心位置。利用X－Y－Z臺(tái)以及控制器(3)的粗略移動(dòng)部分來(lái)移動(dòng)顆粒(1)，以便使顆粒(1)的中心大致對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置，以使顆粒(1)與其相鄰的其它顆粒接觸。將激光束照射到顆粒的接觸區(qū)域以熔化這些區(qū)域。通過(guò)利用控制器(3)的精確移動(dòng)部分使顆粒略微地并精確地移動(dòng)，以便使顆粒的中心在熔融的區(qū)域固化之前完全對(duì)應(yīng)于目標(biāo)位置。隨后，從控制器(3)釋放顆粒(1)。在熔融區(qū)域固化后，按順序重復(fù)進(jìn)行上述過(guò)程。
文檔編號(hào)B22F3/00GK1671536SQ0381838
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者川崎亮 申請(qǐng)人:川崎亮