專利名稱：用激光技術(shù)制造三維物件的方法和裝置和用噴墨法施加吸收劑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由粉末襯底通過粘合例如通過熔合或者燒結(jié)襯底的一些部分制造三維物件的方法，其中粉末襯底是分層施加的，并且熔化襯底所需的電磁能量由波長為100至3000nm的激光器產(chǎn)生并且被引入吸收劑，通過該吸收劑釋放到襯底的局部區(qū)域。這些局部區(qū)域由此被一層一層地熔化并且在冷卻后粘合成所希望的模制體。
快速制造原型是最近以來經(jīng)常遇到的任務(wù)?，F(xiàn)有技術(shù)中描述的一種方法是光固化法(stereolithography)，其缺點(diǎn)是在由液體(樹脂)制備原型期間需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)，并且獲得的原型具有相對較差的機(jī)械特性，這歸因于使用的材料的數(shù)目有限。
現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)常提及的并且能夠很好地適用于快速成型(RapidPrototyping)的另一種方法是現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的選擇性激光燒結(jié)法(SLS)。在該方法中，對在室中的塑料粉末或用塑料外皮包封的金屬顆粒、陶瓷顆?；蛏傲Ｓ眉す馐羞x擇地和短時(shí)間地照射，由此熔化被激光束照射到的粉末顆粒。熔化的顆粒相互聚結(jié)并且相當(dāng)快地又固化成固態(tài)的材料。通過對相繼新施加上的層進(jìn)行重復(fù)照射，該方法可以簡單和快速地制造出復(fù)雜的三維物體。
用于制作由粉末聚合物構(gòu)成的模制體的激光燒結(jié)法(快速成型)在專利文獻(xiàn)US6,136,948和WO96/06881(兩篇都屬于DTM公司)中有詳細(xì)說明?，F(xiàn)有技術(shù)中描述的SLS方法具有的缺點(diǎn)是對于該方法需要昂貴的激光技術(shù)。作為能源的激光器和用于提供和控制激光束所需的光學(xué)裝置，例如透鏡、擴(kuò)張器和偏轉(zhuǎn)鏡都極其昂貴和敏感。
公知方法的缺點(diǎn)是其不能夠使用一些市場上出售的激光器。為了允許燒結(jié)聚合物粉末或用塑料包住的顆粒，需要用CO2激光器，這種激光器的購置費(fèi)用以及維護(hù)、運(yùn)行和維修費(fèi)用都很昂貴。表征CO2激光器的特征的是其波長為10600nm。這對應(yīng)于遠(yuǎn)紅外區(qū)。因此需要采用復(fù)雜的鏡系統(tǒng)，以便引導(dǎo)激光束越過結(jié)構(gòu)平面；此外，激光器需要持續(xù)的冷卻。不能使用光導(dǎo)體。一般需要有專門培訓(xùn)過的操作人員。因此許多最終用戶不能夠采用這種系統(tǒng)。但是，不能采用波長在中或近紅外線區(qū)域、可見光區(qū)域或紫外線區(qū)域的低成本的激光器，因?yàn)樗鼈円话悴荒軌蛉刍芰匣蛘卟荒軌蜻_(dá)到激光燒結(jié)要求的程度。
因此本發(fā)明的目的是開發(fā)一種能夠低成本制造激光燒結(jié)的原型的方法。
如在權(quán)利要求中所描述的那樣，現(xiàn)在已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，如果通過噴墨法將專用的吸收劑有選擇地施加到各個(gè)層的那些要熔化的區(qū)域上并且將通過引入的電磁能量產(chǎn)生的熱量傳給要燒結(jié)的顆粒，就可以通過使用波長為100至3000nm的激光器的方法制造模制體。激光束可以如通常那樣被聚焦。但是，為了加快建造過程，有利的是使用沒有被特別地聚焦的激光器，例如二極管激光器，并且選擇性只通過施加吸收劑來實(shí)現(xiàn)。由此可以達(dá)到的精確度以及該方法的速度等于或高于在使用CO2激光器的常規(guī)激光燒結(jié)時(shí)獲得的精確度和速度。該方法的費(fèi)用非常低并且操作更加簡單和靈活。還可以使用噴墨法給最終產(chǎn)品附加其它特性或者在制造過程中同時(shí)印刷，例如可導(dǎo)電區(qū)域或顏色。
使用的激光器產(chǎn)生電磁輻射，激光器的波長為100至3000nm，優(yōu)選為800至1070nm，或1900至2100nm，和特別優(yōu)選為800至1000nm(二極管激光器)或1064nm(Nd:YAG激光器)。光束可以是脈沖的或連續(xù)的(連續(xù)波)。在不限制本發(fā)明于此的情況下，尤其要提及的是波長為488和514nm的氬激光器，波長為543、633或1150nm的氦氖激光器，波長為337nm的氮激光器，波長為2600至3000nm的氫激光器，波長為330至360nm或420至800nm的氪激光器，波長為694nm的紅寶石激光器，波長為532nm的KTP激光器(兩倍頻Nd:YAG激光器)，波長為355nm的三倍頻Nd:YAG激光或波長為266nm的四倍頻Nd:YAG激光器，波長為755nm的變石激光器，以及YAG激光器。YAG激光器具有釔鋁石榴石晶體棒作為激光介質(zhì)。該棒摻雜有稀土金屬，如釹(Nd:YAG波長為1060nm)，鉺(Er:YAG，波長2940nm)，鈥(Ho:YAG，波長2070nm)，或也有銩(Tm，波長2074nm)，或鉻(Cr)，或它們的組合。其它例子有Tm:YLF激光器或Ho:YLF激光器，它們采用不同的激光介質(zhì)并且同樣具有大約2000nm的波長。也可以使用波長為800至1000nm的高功率二極管激光器，或波長為193nm或352nm的受激準(zhǔn)分子激光器。受激準(zhǔn)分子激光器中尤其要提及的是波長為157nm的F2受激準(zhǔn)分子激光器，波長為193nm的ArF受激準(zhǔn)分子激光器，波長為222nm的KrCl受激準(zhǔn)分子激光器，波長為248nm的KrF受激準(zhǔn)分子激光器，波長為308nm的XeCl受激準(zhǔn)分子激光器，和波長為351nm的XeF受激準(zhǔn)分子激光器。
激光器可以是固體激光器(例子如紅寶石激光器或Nd:YAG激光器)，半導(dǎo)體激光器，或氣體激光器(例如氬激光器、氦氖激光器或氪激光器)，或纖維激光器。
使用的激光器通常可以以1至1200瓦，優(yōu)選為10至500瓦，和特別優(yōu)選為12至100瓦的功率工作。激光束的焦點(diǎn)是對于該方法可以實(shí)現(xiàn)的部件分辨率的重要的量。通常它位于0.05至1mm，優(yōu)選為0.1至0.4mm的半徑中。但是，在該方法中更大區(qū)域的焦點(diǎn)或光束點(diǎn)也可以是有利的，因?yàn)檫x擇性已經(jīng)由吸收劑給定。更大區(qū)域的焦點(diǎn)或光束點(diǎn)可以使對層的照射過程更快地進(jìn)行。特別優(yōu)選的是由二極管激光器已知的棒，也就是說能量是通過相當(dāng)大的矩形區(qū)域引入的。為此，各單個(gè)的二極管棒被組合起來成為所謂的堆棧。在其上引入電磁能量的該區(qū)域的尺寸此時(shí)在毫米范圍，或甚至在厘米范圍。例如，矩形區(qū)域的尺寸此處可以是寬為0.1至100mm；其長度可以有利的基于RP儀器的制造室的高度確定或者也可以較小些，從而結(jié)構(gòu)區(qū)域被激光束準(zhǔn)逐行地掃描。照射速度通常為10至10000mm/s，優(yōu)選為700至5000mm/s。這是指激光光束運(yùn)動通過粉末床的速度；例如可以通過鏡子或者通過柔性導(dǎo)纜使激光束移動，或者可以移動粉末床。
為了能夠一層一層地熔化本發(fā)明的聚合物粉末，必須相應(yīng)地選擇過程參數(shù)。例如相關(guān)的因素中有層厚、激光器的功率和照射速度，和還有激光器的波長和使用的粉末，尤其是吸收劑以及單位面積上施加的吸收劑的數(shù)量，等等。
吸收劑的數(shù)量與部件的特性相匹配是有利的；例如可以在一塊區(qū)域的中間施加較少的吸收劑，尤其是當(dāng)其下面有一些已經(jīng)熔化了的區(qū)域時(shí)。如果要熔化的區(qū)域的第一層用不同于隨后的層的方式涂覆吸收劑，則可以獲得另一個(gè)好處。
吸收定義為光束(光，電子，等等)通過物質(zhì)時(shí)能量的衰減。放出的能量在此處被轉(zhuǎn)變成其它形式的能量，例如熱量。吸收劑相應(yīng)地是應(yīng)該吸收輻射的一種物質(zhì)或物體(來自網(wǎng)址www.wissen.de)。在本文中的吸收劑應(yīng)理解為能夠吸收全部或者絕大部分在100至3000nm范圍的激光輻射的添加劑；此處如果有一些部分吸收劑滿足這種功能就足夠了。
因此本發(fā)明提供一種用于制造三維物件的方法，該方法包括步驟a)提供一層粉末襯底，b)控制制造室的溫度，c)通過噴墨法將懸浮液中的吸收劑或液體吸收劑有選擇地施加到要燒結(jié)的區(qū)域，d)施加其它具有一定特性的專用液體或懸浮液，e)通過用波長為100至3000nm、優(yōu)選為800至1070nm的激光器，更優(yōu)選為用YAG激光或二極管激光器引入電磁能量有選擇地熔化粉末層的區(qū)域，f)將熔化的和未熔化的區(qū)域冷卻到能夠無損壞地取出模制體的溫度，g)取出模制體，以及提供用該方法制造的模制體。此處步驟a)至e)被重復(fù)進(jìn)行直到希望的模制體被逐層地加工出來。步驟b)是依據(jù)材料而定的，因此是可選擇的。步驟d)同樣是可選擇的。施加的層的厚度例如為0.05至2mm，優(yōu)選為0.08至0.2mm。
一種備選的順序包括在第一層中省去步驟e)并且從第二層開始將該步驟作為備選在步驟a)之后實(shí)施。這導(dǎo)致粉末顆粒的熔合精確地發(fā)生在最上面的粉末層和其下面的粉末層之間的邊界層中，由此產(chǎn)生特別好的粘合并且增大了加工范圍，因?yàn)橛纱嘶旧媳苊饬司砬男纬?即被熔化區(qū)域的邊緣或端部的卷起)。
在另一個(gè)備選的順序中，步驟e)沒有在每個(gè)周期中實(shí)施，而是僅僅間隔地實(shí)施或者在極端情況下甚至只緊接在步驟f)和g)之前實(shí)施一次。
令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，利用波長為100至3000nm的激光器能夠相當(dāng)簡單地由粉末襯底制造出三維物件，其方法是在由不吸收或者很差地吸收上述激光器的能量的粉末襯底構(gòu)成的層上將具有吸收劑的材料施加到該層的要粘合的那些區(qū)域上，該吸收劑能夠吸收激光能量并且將吸收的能量以熱量的形式釋放給包圍著它的襯底，由此該層的襯底或者可能時(shí)位于該層上面的或者下面的層的襯底在所述的區(qū)域中通過熔合或燒結(jié)而被粘合起來。可以使用具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴的印刷頭施加吸收劑和任何其它添加劑，該印刷頭例如按照壓電效應(yīng)或氣泡噴墨原理工作，類似于噴墨打印機(jī)的印刷頭。激光器的能量可以是聚焦的或非聚焦的，其意味著該方法具有速度方面的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明還提供一種用于逐層地制造三維物件的裝置，該裝置包括可移動的裝置，其用于將粉末襯底逐層地施加到操作臺或施加到可能已經(jīng)位于該操作臺上的一層處理了的或未處理的粉末襯底(2)上，可以在x，y平面上移動的裝置(3)，其用于將包括吸收劑和可選擇地其它添加劑的材料(4)施加到由粉末襯底構(gòu)成的該層的選擇的區(qū)域，和激光器，其波長為100至3000nm，優(yōu)選為800至1070nm或1900至2100nm，能量的引入可以是聚焦的或非聚焦的，優(yōu)選為非聚焦的。
備選地，也可以由一個(gè)可移動的操作臺負(fù)責(zé)上述裝置或激光器和操作臺相互之間的相對運(yùn)動。還可以利用該操作臺實(shí)現(xiàn)沿著x方向的相對運(yùn)動和利用各個(gè)裝置或激光器實(shí)現(xiàn)沿著y方向的運(yùn)動，反之亦然。
本發(fā)明的方法具有比常規(guī)方法更簡單、更快、更精確和更有利的優(yōu)點(diǎn)。能量確定地作用于層上的一定部位是通過適合于波長為100至3000nm的激光器的吸收劑實(shí)現(xiàn)的，該吸收劑被施加到該層的希望的區(qū)域上。
通過使用波長為100至3000nm的激光器并且結(jié)合使用合適的吸收劑，采用本發(fā)明的方法可以簡單地實(shí)現(xiàn)自動地逐層構(gòu)建三維物件。沒有用吸收劑處理的粉末可以直接再使用。此外，可以″附帶地印刷″上直接的特定的特性，如導(dǎo)電性或顏色。這樣可以使該部分同時(shí)具有選擇的特性。
本發(fā)明的制造三維物件的方法的作用原理原則上是基于在所有其它的快速成型方法中采用的原理。三維物件是以層的形式進(jìn)行構(gòu)建的。構(gòu)建的過程是，使液體層(光固化法)或粉末層(激光燒結(jié)法)的一些部分相互之間或者與位于其下面的層的一些部分硬化或熔化，這是將能量輸入到這些層的這些部分上實(shí)現(xiàn)的。這些層中沒有輸入能量的部分繼續(xù)保持液體或粉末的形式。通過重復(fù)進(jìn)行粉末或液體的施加和熔化或硬化就可以以逐層的方式獲得三維物件。在去除沒有被轉(zhuǎn)換的粉末或沒有被轉(zhuǎn)換的液體之后，就獲得了三維物件，其分辨率(相對于輪廓)在采用粉末的情況下取決于使用的粉末襯底的層厚和粒度以及其它因素。
與迄今已知的方法不同的是，能量不是直接輸入到要粘合的襯底上，而是通過吸收劑，該吸收劑吸收該能量并將其以熱量的形式釋放給包圍著它的襯底。與常規(guī)激光燒結(jié)相比，其結(jié)果是明顯擴(kuò)大了可以使用的粉末襯底的范圍。在本發(fā)明的方法中，能量以波長為100至3000nm，優(yōu)選為800至1070nm，或1900至2100nm的激光輻射的形式輸送給吸收劑，能量被吸收劑吸收后被轉(zhuǎn)換成熱能并且被釋放給緊靠近襯底的粉末材料，這些粉末材料不能夠吸收或者以不足夠的程度吸收上述激光器的輻射。在本例情況下，不足夠的程度是指通過吸收由波長為100至3000nm的激光器提供的輻射不能夠使粉末襯底被加熱到足以能夠通過熔合或燒結(jié)而與相鄰的襯底顆粒粘合起來，或者是粘合起來所需要的時(shí)間非常長。但是，吸收劑發(fā)出的熱量足夠使得與吸收劑相鄰的粉末襯底通過熔合或燒結(jié)自身粘合以及與吸收劑粘合。這樣，本發(fā)明的方法通過熔合或燒結(jié)粉末襯底制造出三維物件。
在步驟c)中施加吸收劑的結(jié)果是，只有被處理過的粉末襯底在隨后的處理步驟e)中被熔化，其中步驟c)通常是在采用CAD應(yīng)用程序計(jì)算橫截面積下由計(jì)算機(jī)控制。具有吸收劑的材料因此只是自步驟a)施加到該層的被選擇的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)儆谝圃斓娜S物件的橫截面。例如可以使用配備了一個(gè)或多個(gè)噴嘴的印刷頭進(jìn)行實(shí)際施加。在對最后的層進(jìn)行的最后的處理步驟e)之后，由本發(fā)明的方法獲得一種具有部分地粘合起來的粉末材料的基體，該基體在冷卻和除去沒有被粘合的粉末之后就釋放出固態(tài)的三維物件。
以下通過示例說明本發(fā)明的方法，但是本發(fā)明不局限于此示例。
本發(fā)明的用于制造三維物件的方法包括步驟a)提供一層粉末襯底，b)控制制造室的溫度，c)通過噴墨法將懸浮液中的吸收劑或液體吸收劑有選擇地施加到要燒結(jié)的區(qū)域，d)施加其它具有一定特性的專用液體或懸浮液，e)通過用波長為100至3000nm、優(yōu)選為800至1070nm或1900至2100nm的激光器，更優(yōu)選為用YAG激光或二極管激光器引入電磁能量有選擇地熔化粉末層的區(qū)域，f)將熔化的和未熔化的區(qū)域冷卻到能夠無損壞地取出模制體的溫度，g)取出模制體，以及提供用該方法制造的模制體。此處步驟a)至e)被重復(fù)進(jìn)行直到希望的模制體被逐層地加工出來。步驟b)是依據(jù)材料而定的，因此可選擇的。步驟d)同樣是可選擇的。施加的層的厚度例如為0.05至2mm，優(yōu)選為0.08至0.2mm。
一種備選的順序包括在第一層中省去步驟e)并且從第二層開始將該步驟作為備選在步驟a)之后實(shí)施。這導(dǎo)致熔合精確地發(fā)生在最上面的粉末層和其下面的粉末層之間的邊界層中，由此產(chǎn)生特別好的粘合并且增大了加工范圍，因?yàn)橛纱嘶旧媳苊饬司砬男纬?即被熔化區(qū)域的邊緣或端部的卷起)。
粉末層的制備例如可以通過在底板上或者在如果已經(jīng)存在的在步驟b)至e)中處理過的現(xiàn)成的層上施加粉末材料作為襯底來進(jìn)行。施加的方法可以包括局部沉積、滾動或播撒和隨后的修整(Abziehen)或類似的方法。層的制備必須滿足的唯一的前提條件是該層具有均有的高度。在步驟a)中提供的該層的高度優(yōu)選為小于3mm，再優(yōu)選為20至2000μm，和尤其優(yōu)選為80至200μm。此時(shí)層的高度決定了分辨率并由此決定了因此制造的三維物件的外部結(jié)構(gòu)的平滑度。底板或其它用于提供層的裝置可以設(shè)計(jì)成在高度可以調(diào)節(jié)，從而在步驟d)或e)實(shí)施之后，或者使獲得的層能夠降低下一個(gè)要施加的層的高度，或者使該裝置能夠上升下一個(gè)層相對于前層的高度。
用作粉末襯底的粉末材料的平均粒度(d50)優(yōu)選為10至150μm，特別優(yōu)選為20至100μm，更特別優(yōu)選為40至70μm。但是，依據(jù)不同的用途，可以有利的是使用包括特別小的顆粒和也包括特別大的顆粒的粉末材料。為了實(shí)現(xiàn)具有最大分辨率和最大表面平滑度的三維顆粒，可以有利的是使用其平均粒度為10至45μm，優(yōu)選為10至35μm，更優(yōu)選為20至30μm的顆粒。
很難于加工處理小于20μm，尤其是小于10μm的細(xì)小材料，因?yàn)樗涣鲃硬⑶叶逊e密度急劇下降，由此可能形成更多的空穴。為了便于操作，可以有利的是使用其平均顆粒大小為60至150μm，優(yōu)選為70至120μm，更優(yōu)選為75至100μm的顆粒。
作為粉末襯底優(yōu)選采用這樣的粉末材料，其通過碾磨、沉淀和/或陰離子聚合或其組合制備而成。接著可以進(jìn)行分離和/或加入粉末流動促進(jìn)劑。為了對在碾磨加工中制出的具有鋒利邊緣的顆粒進(jìn)行圓滑處理并且以便由此能夠更容易地施加薄的層，進(jìn)行機(jī)械式的后處理例如在高速混合機(jī)中也同樣是可取的。
對于粉末材料的所述平均粒度可以選擇希望的粒度分布。優(yōu)選使用具有寬的或窄的粒度分布的粉末材料，優(yōu)選為窄的粒度分布；雙模式的粒度分布也是有利的。用于本發(fā)明的方法中的特別優(yōu)選的粉末材料具有這樣的粒度分布，其中多分散性，其定義為基于D50值的在D90值和D10值之間的差值，為0.05至15，優(yōu)選為0.1至10，和特別優(yōu)選為0.5至5。粒度分布例如通過激光衍射應(yīng)用S型號的馬爾文激光粒度分析儀(Malvern Mastersizer S)來確定。粒度分布可以通過常規(guī)分類法例如風(fēng)力分選進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過采用盡可能窄的粒度分布，以本發(fā)明的方法獲得的三維物件將具有非常均勻的表面和非常均勻的氣孔，如果氣孔存在的話。
至少一部分所使用的粉末襯底可以是非晶質(zhì)的、晶質(zhì)的或部分晶質(zhì)的。此外還可以包含芳香族結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的粉末材料具有線型的或分枝的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的方法在使用的特別優(yōu)選的粉末材料至少部分地包括其熔點(diǎn)為50至350℃，優(yōu)選為70至200℃的材料。
在本發(fā)明的方法中合適于作為襯底使用的物質(zhì)是那些與所選的吸收劑相比受波長為100至3000mm的激光器的輻射加熱的效果要差的物質(zhì)。此外，使用的粉末襯底應(yīng)該在熔化狀態(tài)下具有足夠的可流動性。作為粉末襯底的物質(zhì)尤其可以采用聚合物或共聚物，其可以從以下物質(zhì)中選擇聚酯，聚氯乙烯，聚縮醛，聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚丁烯對苯二酸鹽，聚乙烯對苯二酸鹽，聚砜樹脂，聚芳基酯，聚亞安酯，聚交酯，熱塑性彈性體，聚氧化烯，聚N-甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，離聚物，聚酰胺，共聚酯，共聚酰胺，硅脂聚合物，三元共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，和它們的混合物。
在本發(fā)明的方法中特別優(yōu)選地使用一種作為粉末襯底的材料，該材料包括聚酰胺，優(yōu)選為至少一種尼龍-6，尼龍-11，和/或尼龍-12，或共聚酯或共聚酰胺。通過采用聚酰胺可以制造出形狀特別穩(wěn)定的三維模制體。尤其優(yōu)選的是應(yīng)用尼龍-12粉末，優(yōu)選為按照在DE19708946或DE4421454中描述的方法制造，并且特別優(yōu)選地具有在EP0911142中所述的熔點(diǎn)和熔化焓。它們可以是調(diào)節(jié)的、半調(diào)節(jié)的或者非調(diào)節(jié)的，優(yōu)選為非調(diào)節(jié)的。它們可以具有線型的脂肪族結(jié)構(gòu)或芳香族單元。作為優(yōu)選使用的共聚酰胺或共聚酯例如是可以從DegussaAG公司獲得的商標(biāo)為VESTAMELT的產(chǎn)品。特別優(yōu)選的聚酰胺具有用熱差掃描分析法(DSC)確定的熔點(diǎn)，其為76至159℃，優(yōu)選為98至139℃，更特別優(yōu)選為110至123℃。共聚酰胺例如可以通過聚合合適的單體混合物來制備，其中單體例如選自作為雙官能成分的十二內(nèi)酰胺和/或己內(nèi)酰胺，作為具有酸功能成分的辛二酸，壬二酸，十二碳雙酸，己二酸，和/或癸二酸，和作為二胺的1，6-己二胺，異佛爾酮二胺和/或甲基戊二胺。也可以使用芳香族單元。其它合適的共聚用單體和它們的選擇規(guī)則對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是公知的，例如在J.G.Dolden著的聚合物一書(1976，17)，第pp.875-892頁中有描述。
為了改善粉末襯底的可加工性，可以有利的是采用包括添加劑的粉末材料。這些添加劑例如可以是粉末流動促進(jìn)劑。使用的粉末襯底特別優(yōu)選地包括0.05至5％重量百分比，優(yōu)選為0.1至1％重量百分比的添加劑。粉末流動促進(jìn)劑例如可以是氣相二氧化硅，硬脂酸鹽，或文獻(xiàn)中已知的其它粉末流動促進(jìn)劑，例如磷酸三鈣，硅酸鈣，Al2O3，MgO，MgCO3，或ZnO。氣相二氧化硅例如由DegussaAG提供，其商標(biāo)是Aerosil。此外，如果使用的粉末襯底中已經(jīng)有吸收劑，但是吸收劑的數(shù)量不會導(dǎo)致未選擇的區(qū)域出現(xiàn)不希望的熔化時(shí)，則也可以是有利的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過定向試驗(yàn)很容易地確定出合適的限度。
作為這些部分為無機(jī)粉末流動促進(jìn)劑或其它添加劑的補(bǔ)充或替代，本發(fā)明使用的粉末襯底中也可以包括無機(jī)填充劑。應(yīng)用這些填充劑的優(yōu)點(diǎn)在于它們在粘合過程中通過處理基本上保持了它們的形狀，因此減少了三維物件的收縮。由使用填充劑提供的另一個(gè)可能性是改變物件的塑性和物理特性。例如，使用包括金屬粉末的粉末材料不僅可以調(diào)節(jié)物件的透明性和顏色，而且可以調(diào)節(jié)它的磁或電的特性?？梢杂糜诜勰┎牧现械奶畛鋭├缬胁Ａьw粒、陶瓷顆?；蚪饘兕w粒。典型填充劑的例子有金屬顆粒，鋁粉，鋼丸或玻璃丸。特別優(yōu)選的是使用其中具有玻璃丸作為填充劑的粉末材料。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的粉末材料包括1至70％重量百分比，優(yōu)選為5至50％重量百分比，更特別優(yōu)選為10至40％重量百分比的填充劑。
作為對無機(jī)粉末流動促進(jìn)劑或填充劑的附加或替代，無機(jī)或有機(jī)顏料也可以包含在本發(fā)明使用的粉末襯底中。這些顏料不僅可以是決定要制造的三維物件的外表顏色的著色顏料，而且可以是影響要制造的三維物件的其它物理特性的顏料，例如磁性顏料或?qū)щ婎伭?，例如改變?dǎo)電性的二氧化鈦或二氧化錫，其改變了物件的磁特性或?qū)щ娦浴５?，要使用的粉末材料特別優(yōu)選地包括無機(jī)或有機(jī)著色顏料，其選自白堊，黃土，棕土，綠土顏料，過燒黃土，石墨，鈦白(二氧化鈦)，鉛白，鋅白，鋇白，銻白，炭黑，氧化鐵黑，錳黑，鈷黑，銻黑，鉻酸鉛，mennium，鋅黃，鋅綠，鎘紅，鈷藍(lán)，普魯士藍(lán)，天青石藍(lán)色顏料，錳紫，鎘黃，巴黎綠(Schweinfurter Gruen)，鉬橙，鉬酸鹽紅，鉻橙，鉻紅，氧化鐵紅，氧化鉻綠，鍶黃，金屬效果的顏料，珍珠光澤樣的顏料，利用熒光發(fā)光的顏料和/或發(fā)出磷光的顏料，棕土，藤黃，獸炭，氯化鉛黃，靛青，葉綠素，偶氮染料，靛藍(lán)類染料，紫色顏料，喹吖啶酮系顏料，酞菁顏料，異吲哚啉酮系顏料，二萘嵌苯顏料，紫環(huán)酮顏料，金屬復(fù)合顏料，堿性藍(lán)顏料，和二酮吡咯并吡咯。與可以采用的顏料有關(guān)的其它信息例如可以從Stuttgart/New York的Georg Thieme出版社1999出版的Roempp化學(xué)辭典版本2.0和里面給出的參考文獻(xiàn)中獲得。但是要對這些顏料在粉末中的濃度進(jìn)行選擇，使得至多只有極少的引入能量被吸收；它必須低于這樣的門限值，在該門限值時(shí)，粉末顆粒通過傳遞給它們的熱量會燒結(jié)。
被看著是上述填充劑或顏料的特種形狀的物質(zhì)也可以用作粉末材料。在這種粉末材料中，粉末包括由其尺寸小于上述粉末材料的尺寸的第一材料組成的顆粒。這種顆粒上涂覆了一層第二材料，該層的厚度這樣選擇使得第一材料的顆粒和第二材料的涂層的組合組成的粉末材料具有上述尺寸。第一材料的顆粒具有的尺寸優(yōu)選為與粉末材料的尺寸的偏差小于25％，優(yōu)選小于10％，和特別優(yōu)選為小于5％。作為顆粒的涂層的第二材料是一種接受波長為100至3000nm的激光器的輻射加熱的效果要比所選擇的吸收劑差的材料。此外第二材料應(yīng)該在被加熱的狀態(tài)下具有足夠的可流動性并且能夠通過由吸收劑提供的熱量的作用被燒結(jié)或熔合。用于粉末襯底(粉末材料)中的涂層材料尤其可以是上述聚合物或共聚物，優(yōu)選為選自聚酯，聚氯乙烯，聚縮醛，聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚丁烯對苯二酸鹽，聚乙烯對苯二酸鹽，聚砜樹脂，聚芳基酯，聚亞安酯，熱塑性彈性體，聚交酯，聚氧化烯，聚N-甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，離聚物，聚酰胺，共聚酯，共聚酰胺，硅脂聚合物，三元共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，和它們的混合物。該特種形式的粉末材料的第一材料例如可以包括由砂、陶瓷、金屬和/或合金組成的顆粒。特別優(yōu)選的這種粉末材料由酚醛樹脂涂覆的砂或熱塑性塑料涂覆的砂，稱為型砂。
如果吸收劑能夠傳遞足夠的熱量，則同樣也可以采用金屬粉末，特別是低熔點(diǎn)金屬粉末，例如鉛或錫或包括例如錫或鉛的合金作為粉末材料。該粉末材料也優(yōu)選具有上述尺寸。如果采用金屬粉末，首先需要檢查該金屬是否適合于用波長為100至3000nm的激光器進(jìn)行處理，或是否會出現(xiàn)火花或其它干擾故障?？梢酝ㄟ^簡單的預(yù)先試驗(yàn)進(jìn)行這種檢查。
因此本發(fā)明的方法能夠制造提供了一個(gè)或多個(gè)功能化的層的三維物件。功能化的例子可以是通過例如施加合適的顏料或物質(zhì)，與吸收劑類似，或通過提供由其中含有這些顏料的粉末物質(zhì)組成的層，使整個(gè)模制體或者只是其一定的區(qū)域具有導(dǎo)電性。
吸收劑的施加可以類似于在WO01/38061中描述的用于施加抑制劑的方式進(jìn)行。優(yōu)選利用可在x，y平面中移動的裝置施加吸收劑。該裝置能夠?qū)⒁后w吸收劑和/或粉末吸收劑施加到在步驟中a)中制備的層上的限定的部位上。例如該裝置可以是用在噴墨打印機(jī)上的具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴的印刷頭。為了對印刷頭定位而對該裝置進(jìn)行控制的方式同樣可以與在噴墨打印機(jī)中對印刷頭的控制那樣進(jìn)行。采用該裝置將吸收劑施加到在步驟中a)中制備的層上的一些部位上，在這些部位處襯底通過燒結(jié)或熔合被粘合。
在本發(fā)明的方法中使用的吸收劑可以是任何可以被波長為100至3000nm的激光器產(chǎn)生的電磁輻射加熱的吸收劑。
在最簡單的情況下，吸收劑具有所謂的著色劑。著色劑是按照標(biāo)準(zhǔn)DIN55944規(guī)定的任何可著色的物質(zhì)，它們可以劃分為無機(jī)色劑和有機(jī)著色劑以及天然著色劑和合成著色劑(參見Roempps化學(xué)辭典1981，第8版，第1237頁)。按照DIN55943(1984年9月)和DIN55945(1983年8月)，顏料是具有非中性或中性顏色的、在應(yīng)用的介質(zhì)中實(shí)際上不溶解的無機(jī)的或有機(jī)的著色劑。染料是具有非中性或中性顏色的、在溶劑和/或粘結(jié)劑中可以溶解的無機(jī)的或有機(jī)的著色劑。
但是，吸收劑也可以通過包含添加劑而獲得吸收作用。例如，它們可以是基于三聚氰胺氰尿酸鹽(來自DSM的Melapur)或基于磷、優(yōu)選為磷酸鹽、亞磷酸鹽、次膦酸酯或元素紅磷的阻燃劑。其它合適的添加劑是碳纖維、優(yōu)選為磨制的，玻璃丸，包括空心丸，或高嶺土，白堊，鈣硅酸石或石墨。
本發(fā)明的粉末中的吸收劑優(yōu)選包括炭黑或CHP(氫氧化銅磷酸鹽)，或白堊，獸炭，碳纖維，石墨，阻燃劑，或干擾顏料作為主要成分。干擾顏料是稱為珠光光澤彩料的顏料。它們采用天然礦云母作為基，用由金屬氧化物如二氧化鈦和/或氧化鐵組成的薄層封裝，并且以1至60μm的平均粒度分布提供。例如，干擾顏料由Merck公司以品名為Iriodin提供。Merck的Iriodin產(chǎn)品品種包括珠光光澤顏料和金屬氧化物涂覆的云母顏料，以及子類中的干擾顏料，金屬光澤特殊效果顏料(云母核芯上的氧化鐵涂層)，銀白特殊效果顏料，金色光澤特殊效果顏料(用二氧化鈦和氧化鐵涂覆的云母核芯)。特別優(yōu)選的是采用類型為Iriodin LS系列材料，即Iriodin LS820，IriodinLS825，Iriodin LS830，Iriodin LS835，和Iriodin LS850。更特別優(yōu)選的是采用Iriodin LS820和Iriodin LS825。
其它合適的材料還有云母或云母顏料，二氧化鈦，高嶺土，有機(jī)和無機(jī)著色顏料，氧化銻，金屬顏料，基于氯氧化鉍(例如Merck公司的Biflair系列高光澤顏料)，氧化銦錫(Nanogate TechnologiesGmbH公司的nano-30 ITO粉末或Degussa公司的AdNanotmITO)，AdNanotm氧化鋅(Degussa)，六氯化鑭，ClearWeld(WO0238677)的顏料，以及從市場上可獲得的阻燃劑，其包括氰尿酸三聚氰胺或磷，優(yōu)選為磷酸鹽，亞磷酸鹽，次膦酸酯，或元素(紅)磷。
如果要避免粉末的本色受到不利影響，則吸收劑優(yōu)選包括干擾顏料，特別優(yōu)選為Merck的IriodinLS系列或Clearweld。
CHP的化學(xué)名稱是氫氧化銅磷酸鹽；它以淺綠色的、平均顆粒直徑僅為3μm左右的細(xì)晶質(zhì)粉末的形式提供。
炭黑可以用爐黑工藝、氣黑工藝或焰黑工藝方法制備，優(yōu)選采用爐黑工藝?；玖６葹?0至100nm，優(yōu)選為20至60nm，粒度分布可以窄或?qū)?。按照DIN53601的BET表面積為10至600m2/g，優(yōu)選為70至400m2/g。可以對炭黑顆粒進(jìn)行具有氧化特性的后處理，以便獲得表面性能。它們可以是疏水性的(例如Degussa的Printex55或焰黑101)或親水的(例如Degussa的FW2O炭黑顏料或Printex150T)。它們可以是高結(jié)構(gòu)化或低結(jié)構(gòu)化的，即說明基本顆粒的聚合程度。專用的導(dǎo)電炭黑可以用于調(diào)節(jié)用本發(fā)明的粉末制造的部件的導(dǎo)電性。通過采用丸形炭黑，較好的可分散性可以在濕式和干式混合法中得到利用。還可以是有利的是采用炭黑分散劑。
獸炭是一種包括元素碳的無機(jī)黑色顏料。它由70至90％的鈣磷酸鹽和30至10％的碳組成。密度通常為2.3至2.8g/ml。
吸收劑例如可以是球丸形式或粉末形式或液體形式的。由于顆粒盡可能的細(xì)小對于在具有一個(gè)或多個(gè)細(xì)小噴嘴的印刷頭中進(jìn)行分布是有利的，因此可以對過大的顆粒或球丸進(jìn)行碾磨或再碾磨，優(yōu)選為在低溫度進(jìn)行，然后必要時(shí)進(jìn)行分類。
此處用作吸收劑的那些添加劑例如可以從Merck公司獲得，其品名為Iriodin。炭黑是指可以從市場上獲得的標(biāo)準(zhǔn)炭黑，如由DegussaAG、CabotC或p.，或Con錫entalCarbon等公司提供。
一般可以從市場上獲得的合適的吸收劑示例有Merck公司的IriodinLS820或IriodinLS825，或IriodinLS850?？梢允亲鳛樘亢谑纠挠蠨egussa公司的Printex 60、Printex A、Printex XE2或PrintexAlpha。Degussa公司也同樣提供具有商標(biāo)Vestodur FP-LAS的合適的CHP。
有利的是制備一種包括吸收劑的液體，以便能夠象油墨在印刷頭中那樣施加到粉末襯底上?？梢允褂霉腆w吸收劑的混合物、液體吸收劑的混合物或固體和液體吸收劑的混合物。也可以有利的是的將吸收劑以固態(tài)形式懸浮在不是吸收劑的液體中，以便實(shí)現(xiàn)吸收劑以固態(tài)形式更好地分布在制備的層的整個(gè)高度上。同樣有利的是添加專用的流變學(xué)添加劑，其抑制液體中的固態(tài)吸收劑的沉淀?？梢詫?shí)現(xiàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將表面活性劑，如烷基苯酚聚氧乙烯醚，脂肪醇聚氧乙基醚，脂肪酸聚氧乙基醚，脂肪胺聚氧乙基醚，添加到吸收劑，特別是液體吸收劑或液體中的固態(tài)吸收劑懸浮液中，以便改善襯底的濕潤性。液體可以包括水，優(yōu)選為蒸餾水，或酒精，如異丙醇，甘油，雙乙烯甘醇，但是本發(fā)明不限于這些液體。
采用可以從市場上獲得的分散劑可以是特別有利的，示例有Degussa的Derussol產(chǎn)品系列。
采用液體吸收劑，如Clearweld同樣也是有利的。
此外，在本發(fā)明的方法中可以考慮采用多種吸收劑/襯底的組合，但是對于本方法的一個(gè)重要的因素在被波長為100至3000nm的激光的輻射激勵(lì)的能力上在吸收劑和襯底之間具有足夠大的差異，從而在工藝過程結(jié)束時(shí)獲得的基體在熔化的(即用吸收劑處理的)襯底和未熔化的襯底之間具有清楚的界限。只有這樣才能保證制造的三維物件具有足夠平滑輪廓和能夠容易地從沒有粘合的襯底上釋放出來。該方法的精確度要高于激光燒結(jié)方法，因?yàn)樗缒軌驅(qū)δ芰康妮斎脒M(jìn)行更準(zhǔn)確地控制。
為了能夠使足夠數(shù)量的熱量以足夠的時(shí)間從吸收劑傳遞到襯底，吸收劑的沸點(diǎn)，或者在吸收劑為混合物的情況下，至少一種吸收劑的沸點(diǎn)應(yīng)該高于所使用的襯底的熔點(diǎn)。與施加含吸收劑的液體有關(guān)的參數(shù)、粉末和吸收劑以及整個(gè)液體的特性需要在它們相互之間進(jìn)行平衡，以便吸收劑不會透過該層而是被要濕潤的粉末區(qū)域完全吸收，尤其是在采用液體的吸收劑時(shí)。該平衡例如可以通過調(diào)節(jié)含吸收劑的液體的粘性，和使用的數(shù)量來進(jìn)行。使用的液體的數(shù)量此時(shí)特別地取決于粉末層的厚度、粉末的多孔性和液體或固態(tài)吸收劑的粒度和含量。各個(gè)材料組合的理想的數(shù)量和粘性可以通過簡單的初級試驗(yàn)來確定。為了調(diào)節(jié)粘性，可以采用已知的粘度促進(jìn)劑，如氣相二氧化硅，或其它有機(jī)媒介。也是有利的是使含吸收劑的液體包括濕潤媒介和/或生物殺滅劑s和/或水分保持劑s。液體可以包括例如水，優(yōu)選為蒸餾水，或溶劑或酒精。包含吸收劑的液體可以保留在熔料中或者保留在模制體。這在通過吸收劑進(jìn)行加強(qiáng)和調(diào)節(jié)其它特性(導(dǎo)電性或?qū)Т判?時(shí)甚至是有利的。載體液體，如果這種液體已經(jīng)被采用的話，或者同樣保留在部件內(nèi)，或者蒸發(fā)掉。使用的吸收劑、液體和其它添加劑是無毒的物質(zhì)時(shí)是有利的，其允許在辦公環(huán)境中操作而不會產(chǎn)生問題。
加熱吸收劑需要的能量以范圍為100至3000nm的，優(yōu)選為800至1070nm，或1900至2100nm的電磁輻射的形式引入?？梢杂欣氖?，使要燒結(jié)的層的溫度提高，通過引入熱量使其保持在低于使用的聚合物的熔電或燒結(jié)點(diǎn)的提高了的溫度下。這樣可以減少用于有選擇的熔化的電磁能量，其前提條件是要存在受溫度控制的結(jié)構(gòu)空間，但是它減小了產(chǎn)生卷曲(即角部和棱變從結(jié)構(gòu)平面卷起，這可能使得步驟a)不能夠重復(fù)進(jìn)行)的可能性。也可以是有利的是對吸收劑或含吸收劑的液體實(shí)施預(yù)加熱。
本發(fā)明的方法需要的輻射由發(fā)射范圍為100至3000nm的電磁輻射的激光器產(chǎn)生。這些激光器可以是如上所述的，它們的光束多是聚焦的，例如利用反射鏡、透鏡和/或光導(dǎo)體。但是，它們也可以是不必發(fā)射被聚焦的激光束的激光器，例如二極管激光器，其也可以通過堆疊的二極管棒以足夠的功率輻射相當(dāng)大的區(qū)域，多數(shù)是矩形區(qū)域。
但是非聚焦地或甚至擴(kuò)散地引入能量在本發(fā)明的方法中是非常有利的，因?yàn)閷Ω鱾€(gè)層的選擇性已經(jīng)通過由噴墨法有選擇地施加的吸收劑或含吸收劑的液體實(shí)現(xiàn)了。由此該方法的速度更快。
用本發(fā)明的方法可以制造三維模制體。在本發(fā)明的方法過程結(jié)束時(shí)，這些逐層制造的三維物件最后呈現(xiàn)在由許多層形成的機(jī)體內(nèi)。該物件可以從該基體中移出來，該機(jī)體是由粘合的和未粘合的粉末襯底以及吸收劑組成的，其中未粘合的襯底可以在必要時(shí)經(jīng)過再處理之后例如通過篩選重新使用。本發(fā)明的模制體可以包括選自玻璃丸硅酸石或金屬顆粒的填充劑。
本發(fā)明的方法優(yōu)選在本發(fā)明的用于逐層制造三維物件的裝置中實(shí)施，該裝置包括可移動的裝置，其用于將粉末襯底逐層地施加到操作臺或施加到可能已經(jīng)位于該操作臺上的一層處理了的或未處理的粉末襯底(2)上，可以在x，y平面上移動的裝置(3)，其用于將包括吸收劑和可選擇地其它添加劑的材料(4)施加到由粉末襯底構(gòu)成的該層的選擇的區(qū)域，和激光器，其波長為100至3000nm，優(yōu)選為800至1070nm或1900至2100nm，能量的引入可以是聚焦的或非聚焦的，優(yōu)選為非聚焦的。
備選地，也可以由一個(gè)可移動的操作臺負(fù)責(zé)上述裝置或激光器和操作臺相互之間的相對運(yùn)動。還可以利用該操作臺實(shí)現(xiàn)沿著x方向的相對運(yùn)動和利用各個(gè)裝置或激光器實(shí)現(xiàn)沿著y方向的運(yùn)動，反之亦然。
該裝置優(yōu)選為配備有多個(gè)存儲容器，要加工的粉末襯底可以從這些存儲容器輸入到產(chǎn)生層的裝置中并且使用的吸收劑可以被引入到它的施加裝置中，該裝置用于將吸收劑施加到由粉末襯底組成的層上的選擇的區(qū)域。通過采用具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴的印刷頭和設(shè)置混合器，可以在層的特定區(qū)域，例如在特別是飾有金銀絲細(xì)工的區(qū)域或例如在要制造的物件邊緣處，使用與要制造的物件的核芯區(qū)域不同的其它的吸收劑混合物。這樣可以在層的不同的位置處輸入不同的能量。
本發(fā)明也提供上述粉末材料，其適合用于本發(fā)明的方法并且其特征特別在于其具有10至150μm的平均粒度和至少一種聚合物或共聚物，其選自聚酯，聚氯乙烯，聚縮醛，聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚丁烯對苯二酸鹽，聚乙烯對苯二酸鹽，聚砜樹脂，聚芳基酯，聚亞安酯，熱塑性彈性體，聚交酯，聚氧化烯，聚N-甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，離聚物，聚酰胺，共聚酯，共聚酰胺，硅脂聚合物，三元共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和它們的混合物。
本發(fā)明的方法和本發(fā)明的裝置將對照

圖1做更詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不限于該實(shí)施例。圖1是本發(fā)明的裝置的示意圖。預(yù)先存儲在儲存容器(1)中的未處理的粉末襯底(2)在可移動的底板(6)上構(gòu)造成基體(8)。利用刮板(2)使襯底分布可移動的底板上或先前施加的層上以形成薄層。通過在x，y平面中可移動的裝置(3)將吸收劑(4)或含吸收劑的液體施加到由粉末襯底組成的層的選擇的區(qū)域上。在每次用吸收劑處理后就施加新的一層粉末襯底。通過由激光或另一個(gè)能源(5)以波長為100至3000nm引入能量，將施加的襯底上那些已經(jīng)用吸收劑處理的部位粘合成三維物件，例如杯子(7)。該步驟也可以在施加下個(gè)粉末層之前進(jìn)行。
以下借助于示例詳細(xì)說明本發(fā)明的方法，同時(shí)本發(fā)明不局限于此。
示例1利用二極管激光器由共聚酰胺制造小飾板在由圖1描述的裝置中用共聚酰胺粉末(VESTAMELT170，Degussa AG，Marl)制造尺寸為3*20*1mm3的小飾板模型。使用的吸收劑包括基于CHP(Degussa公司的Vestodur PP-LAS)的懸浮液，其包括40％重量百分比的蒸餾水，40％重量百分比的CHP，和20％重量百分比的異丙醇。裝置具有約40℃的工作溫度。二極管激光器的波長為940nm，其光束點(diǎn)的大小為1.5×3.5mm。層的厚度是0.15mm。對于每一層，該二極管激光器用200瓦的功率以700mm/s的速度逐行地在結(jié)構(gòu)平臺上移動。粉末的D50值是60μm。
示例2利用二極管激光器由尼龍-12制造小飾板在已經(jīng)描述的裝置中用尼龍-12粉末(EOSINT P PA 2200，EOSGmbH Electro Optical Systems，Krailling，Germany)制造尺寸為3*20*1mm3的另一個(gè)小飾板。使用的吸收劑包括IriodinLS825。用噴墨法分布的液體由30％重量百分比的Iriodin，59％的異丙醇和1％的Pril(Henkel漢高公司產(chǎn)品)組成。裝置的工作溫度為約160℃。擴(kuò)散性二極管激光器的波長為940nm，光束點(diǎn)的尺寸是1.5×3.5mm。粉末層的施加深度是0.15mm。對于每一層，二極管激光器在速度500mm/s下用200瓦的功率在結(jié)構(gòu)平面上逐行地橫向移動。使用的粉末具有55μm的d50值。
示例3利用Nd:YAG激光器由尼龍-12制造小飾板在10×10cm的上端敞開的箱子上設(shè)置底板，其可以通過軸移動。該底板被移動到距離上邊緣半個(gè)厘米的位置；剩余的空間用粉末充填并且用金屬板弄平。該裝置被置于Nd:YAG激光器Star Mark 65(制造商是Carl Basel Lasertechnik公司)的制造室中。箱子的一半開口被遮蓋住，利用噴霧器(市場上有售，用于噴香水)施加含吸收劑的液體。注意濕潤要均勻和避免滴下。然后去掉蓋子并用激光能對整個(gè)區(qū)域掃描。
下面的步驟要重復(fù)幾次，即轉(zhuǎn)動所述的軸使底板下降0.1mm，并施加下一個(gè)粉末層，弄平，遮蓋和在該材料的一半上施加吸收劑，拿去蓋子并再用Nd:YAG激光器輻射使粉末熔化。
使用的聚合物是Degussa公司的尼龍-12，即Vestosint2157。使用的吸收劑包括Printex60，同樣是Degussa公司的。其中10份的Printex60與70份的蒸餾水，18份的異丙醇和2份的Pril(Henkel)混合。裝置具有約165℃的工作溫度。Nd:YAG激光器的波長為1064nm。對于每一層，Nd:YAG激光器有選擇地在速度為300mm/s和功率為30瓦下沿結(jié)構(gòu)平面橫向移動。使用的粉末具有55μm的d50值。在該試驗(yàn)中小飾板可以由設(shè)置了吸收劑的區(qū)域制造出來。未用吸收劑處理的粉末不會熔化。但是尤其是溫度分布還需要優(yōu)化，因?yàn)橛捎诓皇亲詣踊幚硪约笆┘永涞奈談┏霈F(xiàn)了卷曲。
權(quán)利要求
1.制造三維物件的方法，該方法包括步驟a)提供一層粉末襯底，b)控制制造室的溫度，c)用噴墨法將懸浮液中的吸收劑或液體吸收劑有選擇地施加到要燒結(jié)的區(qū)域，d)施加其它具有一定特性的專用液體或懸浮液，e)利用通過波長為100至3000nm的激光器引入電磁能量選擇性地熔化粉末層的區(qū)域，f)將熔化的和未熔化的區(qū)域冷卻能夠?qū)⒛Ｖ企w無損壞地取出來的溫度，g)取出模制體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，開始時(shí)實(shí)施步驟e)一次，之后實(shí)施步驟a)至d)一次，接著實(shí)施步驟b)并且接著再實(shí)施一次步驟a)，然后按照順序c)，d)，a)，b)和e)實(shí)施其它步驟。
3.如權(quán)利要求1至2中之一所述的方法，其特征在于，使用的粉末襯底具有10至150μm的平均粒度。
4.如權(quán)利要求1至3中至少之一的方法，其特征在于，采用波長為800至1070nm的激光器。
5.如權(quán)利要求1至3中至少之一的方法，其特征在于，采用波長為1900至2100nm的激光器。
6.如權(quán)利要求1至3中至少之一的方法，其特征在于，采用Nd:YAG激光器。
7.如權(quán)利要求1至3中至少之一的方法，其特征在于，采用二極管激光器。
8.如權(quán)利要求1至3中至少之一的方法，其特征在于，采用具有非聚焦的、線型的或擴(kuò)散的光束的激光器。
9.如權(quán)利要求1至8中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑包括著色劑。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，吸收劑包括顏料。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，吸收劑包括染料。
12.如權(quán)利要求1至8中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑包括炭黑，CHP，獸炭，石墨，碳纖維，白堊，或干擾顏料。
13.如權(quán)利要求1至8中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑包括炭黑，CHP，獸炭，石墨，碳纖維，白堊，或干擾顏料和其它成分。
14.如權(quán)利要求1至8中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑包括基于磷或氰尿酸三聚氰胺的阻燃劑。
15.如權(quán)利要求9至14中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑還包括蒸餾水，或酒精，或溶劑。
16.如權(quán)利要求9至14中至少之一的方法，其特征在于，吸收劑還包括a表面活性劑和/或濕潤劑和/或生物殺滅劑和/或水分保持劑。
17.如權(quán)利要求1至16中之一的方法，其特征在于，使用的粉末襯底包括聚合物。
18.如權(quán)利要求1至16中之一的方法，其特征在于，使用的粉末襯底包括由聚合物材料包封的砂、金屬顆?；蛱沾深w粒。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，聚合物是單聚合物或共聚物，優(yōu)選為選自聚酯，聚氯乙烯，聚縮醛，聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚丁烯對苯二酸鹽，聚乙烯對苯二酸鹽，聚砜樹脂，聚芳基酯，聚亞安酯，熱塑性彈性體，聚交酯，聚氧化烯，聚N-甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，離聚物，聚酰胺，共聚酯，共聚酰胺，硅脂聚合物，三元共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，和它們的混合物。
20.如權(quán)利要求17至19中之一的方法，其特征在于，采用包括0.05至5％重量百分比的粉末流動促進(jìn)劑的粉末襯底。
21.如權(quán)利要求17至20中之一的方法，其特征在于，采用包括無機(jī)填充劑的粉末襯底。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，使用的填充劑包括玻璃丸。
23.如權(quán)利要求17至22中至少之一的方法，其特征在于，采用包括無機(jī)或有機(jī)顏料的粉末襯底。
24.用于逐層制造三維物件的裝置，該裝置包括可移動的裝置，其用于將粉末襯底逐層地施加到操作臺或施加到可能已經(jīng)位于該操作臺上的一層處理了的或未處理的粉末襯底(2)上，可以在x，y平面上移動的裝置(3)，其用于將包括吸收劑和可選擇地其它添加劑的材料(4)施加到由粉末襯底構(gòu)成的該層的選擇的區(qū)域，和激光器，其波長為100至3000nm。
25.模制體，其是用權(quán)利要求1至24中之一所述的方法制造的。
26.如權(quán)利要求25所述的模制體，其特征在于，該模制體包括選自玻璃丸、硅酸石或金屬顆?；蜾X顆粒的填充劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用波長為100至3000nm的激光器的選擇性的加熱來粘合材料以制造三維物件的方法和裝置。此時(shí)光束點(diǎn)可以是聚焦的或非聚焦的，或甚至可以是擴(kuò)散的，如在二極管激光器情況下，其中棒可以堆疊設(shè)置。選擇性的熔化法是將吸收劑施加到由粉末襯底組成的層的某些局部區(qū)域，然后利用波長為100至3000nm的激光輻射加熱吸收劑實(shí)現(xiàn)的。吸收劑將其具有的熱量傳遞給包圍它的粉末襯底，使其熔化并且在冷卻之后相互結(jié)實(shí)地粘合起來。該方法比常規(guī)激光燒結(jié)更加靈活、費(fèi)用更低和速度更快。
文檔編號B29C67/02GK1950192SQ200580015058
公開日2007年4月18日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者S·蒙舍默, M·格里比, R·戈寧, F·-E·鮑曼 申請人:德古薩公司