專利名稱：制造三維物體的方法及使用所述方法的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造層狀三維物體的方法，其技術(shù)術(shù)語被稱為“立體固化成型 (Stereolithography) ”。
本發(fā)明還涉及使用所述方法的立體固化成型機。
技術(shù)背景
已知立體固化成型廣泛用于快速原型制作三維物體，甚至是復(fù)雜物體，其允許 在非常短的時間內(nèi)制造所述物體且實際上不需使用任何特殊設(shè)備。
通常而言，立體固化成型技術(shù)包括首先虛擬地將待復(fù)制的物體的幾何形狀劃分 為具有預(yù)定厚度的多個層，然后通過將一層放置在另一層頂部以制造物體的立體固化設(shè) 備來實際制造。
所述層由能夠在合適刺激作用下永久固化的液態(tài)樹脂制成。
更具體地，將樹脂以對應(yīng)于待復(fù)制物體的一層的厚度鋪展在支撐表面上，然后 使其在對應(yīng)于物體體積的區(qū)域中選擇性暴露在刺激下。
通常使用塑性樹脂，且其固化通過暴露在激光束下聚合而實現(xiàn)。
根據(jù)第一個已知的結(jié)構(gòu)形式，立體固化成型機包括含有液態(tài)樹脂的槽，支撐待 制造物體的垂直移動的平臺浸入該槽中。
降低平臺，直至用其厚度對應(yīng)于隨后層所需厚度的液態(tài)層覆蓋物體的各層。
然后使液態(tài)層在對應(yīng)于待制造物體的體積的區(qū)域上受刺激，以使其固化并附著 于下層上。
對于相繼的各層，制造三維物體的方法類似地進行，同時所述平臺逐步降低。
上述已知技術(shù)的缺點在于其很難控制層的厚度。
實際上，各層厚度的降低(通常僅為幾分之一的毫米)以及液態(tài)基料的粘度阻礙 了液態(tài)樹脂在待制造的物體上的分布。因此，層的厚度常常缺乏均勻性，這導(dǎo)致最終制 造的物體的尺寸不精確。已知各種用于限制上文提及的局限的裝置，其主要基于使用使 液態(tài)樹脂表面水平的刮刀，但它們均沒有以令人滿意的方式解決該問題。
上述已知技術(shù)具有的另一個局限為需要為待制造的物體制備一定數(shù)量的支撐并 將其布置在平臺上。
支撐必須承擔(dān)物體的固定載荷，尤其是在其具有向外凸出的部分的情況下，且 必須支撐在特定物體構(gòu)型下首先與物體自身主體分離的部分。
作為實例，圖1的深色區(qū)域示意性圖示了根據(jù)已知技術(shù)制造的普通三維物體， 其由W表示，而陰影區(qū)域顯示了上文提及的支撐，用S表示。
支撐還可對抗層聚合期間所產(chǎn)生的應(yīng)力，由于層本身厚度的減少，這種應(yīng)力將 使其以不能接受的方式變形。
然而，支撐的局限在于它們需要額外的設(shè)計階段，這增加了物體的總體生產(chǎn)時 間和成本。支撐的另一個局限在于它們不能再用于制造其它物體并因此被廢棄，由此進一步增加了物體的成本。
此外，當(dāng)待制造物體特別復(fù)雜時，不可能制造支撐，這實際上限制了立體固化 成型技術(shù)的應(yīng)用性。
根據(jù)已知技術(shù)，支撐與三維物體同時通過立體固化成型機產(chǎn)生，因此構(gòu)成了后 者的組成部分。
顯然，除了已經(jīng)描述的缺點之外，上述技術(shù)還具有另一局限，即必須機械性地 除去支撐，因此進一步增加了物體的成本。
此外，除去支撐涉及破壞物體的風(fēng)險，這是另一個局限。
除了上述之外，還存在另一個局限，即物體制造減速，因為對基材的刺激必須 在對應(yīng)支撐的區(qū)域內(nèi)進行。
在克服上文提及的局限的嘗試中，開發(fā)了另一種技術(shù)，其使用在室溫下呈膠狀 形式且因此就尺寸角度而言基本穩(wěn)定的樹脂。
根據(jù)該構(gòu)造技術(shù)，加熱膠狀樹脂以使其液化，以使其可在待制造物體上鋪展。
因此，與現(xiàn)有情況不同的是，不將物體浸入液態(tài)樹脂中。
—旦在物體上鋪展，樹脂冷卻下來并形成在室溫下相對穩(wěn)定的膠狀物層，然后 利用類似于已經(jīng)描述的選擇性刺激程序而聚合。
對相繼的層重復(fù)該方法，直至完成該物體，最后將其加熱以實現(xiàn)非聚合樹脂的 液化并因此得到最終物體。
有利的是，上述技術(shù)可避免使用用于待制造物體的支撐，其實際上通過周圍膠 狀樹脂來支撐。
然而，上文提及的技術(shù)具有一系列缺點，其中由于各沉積層冷卻需要時間，導(dǎo) 致該技術(shù)很慢。另一局限為由于在鋪展各層期間和在制造過程結(jié)束時，樹脂經(jīng)受了雙重 熱循環(huán)，導(dǎo)致其產(chǎn)生了局部劣化，損害了物體的機械性能。
上文提及的即過量樹脂不能再用于制造其它物體的局限和已經(jīng)提及的該技術(shù)緩 慢的局限一起進一步增加了最終物體的成本。
此外，與前面描述的第一種已知技術(shù)類似的是，該第二種已知技術(shù)也未解決控 制層厚的問題，且甚至可能使其惡化。實際上，在鋪展各層期間，樹脂的粘度非常高， 這可在層本身的表面上產(chǎn)生不規(guī)則性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明意欲克服上文所列出的已知技術(shù)的全部缺陷。
特別地，本發(fā)明的第一目的為實現(xiàn)一種用于制造通過多重疊加層形成的三維物 體的方法并開發(fā)實施該方法的設(shè)備，其不需要使用用于待制造的三維物體的支撐。
本發(fā)明的另一目的為提出一種相對于已知技術(shù)可更快速地制造具有相同幾何形 狀的三維物體的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一目的為，就尺寸而言，獲得比用已知技術(shù)可獲得的那些物體更精 確的三維物體。
本發(fā)明的另一個目的(但不是最低目的)是確保制造物體所用的基材在制造過程 中不過度劣化。
上述目的通過用于制造根據(jù)權(quán)利要求1的三維物體的方法，以及通過使用所述 方法的設(shè)備并根據(jù)權(quán)利要求13進行而實現(xiàn)。
作為本發(fā)明主題的方法和設(shè)備的其它細(xì)節(jié)描述在對應(yīng)的從屬權(quán)利要求中。
有利的是，與利用上述第一種已知技術(shù)獲得的相同物體的成本相比，缺少支撐 可降低最終三維物體的成本。
還有利的是，缺少支撐可制造比可通過已知方法獲得的那些物體在幾何形狀上 更復(fù)雜的物體。
還有利的是，基材不劣化的事實允許過量材料再用于制造其它物體。
此外，有利的是，與上述第二種已知技術(shù)相比，所減少的制造時間和再利用過 量基材的可能性可以降低物體的成本。
此外，與已知技術(shù)相比，通過作為本發(fā)明主題的方法所達(dá)到的更高精確度可有 利地滿足更多市場部門的需要。


所述目的和優(yōu)點以及下文中更突出的其它內(nèi)容將在本發(fā)明方法和設(shè)備的優(yōu)選實 施方案的說明書中詳細(xì)說明，其參考附圖通過非限制性實施例來提供，其中
圖1顯示屬于現(xiàn)有技術(shù)的三維物體的示意-圖2顯示作為本發(fā)明主題的設(shè)備的示意-圖3-9顯示作為本發(fā)明主題的方法的不同操作階段。
具體實施方式
技術(shù)術(shù)語已知為“立體固化成型”的本發(fā)明方法特別適合快速原型制作三維物 體W。
如上文所述，該方法包括通過將基材M的多個層L進行疊置而制造三維物體 W。
上文所提及的基材M在環(huán)境溫度下為液體，但在合適的刺激下可以改變其分子 結(jié)構(gòu)從而永久固化。
上文提及的基材M優(yōu)選但不是必需為當(dāng)暴露于預(yù)定輻照源如激光時通過聚合而 固化的光聚合物。
上述類型材料眾所周知且廣泛用于立體固化成型領(lǐng)域，因此不在此處更詳細(xì)描 述。
還顯而易見的是，在本發(fā)明的構(gòu)造變化方案中，可選擇對不同于激光的某種刺 激敏感的基材M，條件是其可在刺激區(qū)域內(nèi)引起基材M的永久固化。
特別參考圖2示意性示出且作為整體由附圖標(biāo)記1所示的設(shè)備，來描述作為本發(fā) 明主題的方法。
可觀察到，設(shè)備1包括用于支撐待制造的三維物體W的裝置2，其優(yōu)選包括平臺 2a。
設(shè)備1還配有用于分配基材M的裝置3，適于將各層L沉積在三維物體W的前 一層上且優(yōu)選但不是必需包含分配噴嘴6。
此外，存在適于發(fā)射上文提及的刺激的裝置4，其能選擇性固化對應(yīng)于待獲得的 三維物體W的體積的層L的預(yù)定區(qū)域K，為了簡單起見用深色區(qū)域指示。
發(fā)射裝置4優(yōu)選包括可有利地固化基材M的恰好限定的區(qū)域K的激光發(fā)生器9， 因此有助于獲得尺寸精確的物體W。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)備1包括用于冷卻沉積層L的裝置5，以使其保持在低于環(huán)境溫 度的預(yù)定操作溫度下。
所述冷卻裝置5優(yōu)選與所述支撐裝置2相連，以便有利地布置為與層L直接接觸 并因此保證有效冷卻。
此外，所述冷卻裝置5優(yōu)選包括有利地具有有限的整體尺寸和高冷卻效率的 Peltier元件10。但是顯然，在本文沒有顯示的本發(fā)明其它構(gòu)造變化方案中，冷卻裝置5 的位置和類型可不同于此處描述和說明的那些。
優(yōu)選但不是必需還存在用于使層L水平的裝置7，其優(yōu)選包括用于機械移除材料 的工具8，如切刀8a。
由于存在動力裝置，支撐裝置2、分配裝置3、發(fā)射裝置4和整平(levelling)裝 置7可彼此相對移動，此處雖未圖示說明，但這本身是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的。
如圖4所示，用于制造三維物體W的本發(fā)明方法包括將液態(tài)基材M的層Ll鋪 展在前層L上的第一操作。
在上述操作期間，基材M優(yōu)選在環(huán)境溫度下，以使其有利地自發(fā)呈液態(tài)而不必 加熱。
作為本發(fā)明主題的方法還包括將所述層Ll在對應(yīng)于待獲得的三維物體W的體積 (在附圖中由深色區(qū)域表示)的預(yù)定區(qū)域K內(nèi)選擇性暴露于預(yù)先確定的刺激。
對三維物體W的后續(xù)各層L重復(fù)上文提及的鋪展和選擇性暴露。
根據(jù)本發(fā)明，該方法包括另一操作將層L冷卻至低于環(huán)境溫度的預(yù)定操作溫 度，以使基材M的層L固化，并且它們能呈穩(wěn)定形式。
如上所述固化的層L能夠支撐后續(xù)層，且因此消除對用于待制造的三維物體W 的支撐的需要，如此實現(xiàn)本發(fā)明的第一目的。只要基材M保持在操作溫度下，則層L保 持所述穩(wěn)定形式。
操作溫度優(yōu)選但不是必需足夠低以引起基材M暫時固化。
顯然，在本發(fā)明的構(gòu)造變化方案中，可采用一定的操作溫度，在該操作溫度下 即使不完全固化基材M，但也顯著增加其粘度，例如賦予其膠狀物的稠度。
所述操作溫度優(yōu)選在層L的暴露和鋪展操作的整個持續(xù)期間對層L保持恒定，直 至完成三維物體W。
此外，各后續(xù)層Ll的冷卻優(yōu)選通過與前層L接觸而自發(fā)進行，如此實現(xiàn)基材M 的幾乎瞬時固化。根據(jù)此處未顯示的本發(fā)明的構(gòu)造變化方案，基材M選擇性地并僅在 對應(yīng)于物體W的體積的區(qū)域中鋪展，可有利地減少物體W的制造時間并因此減少相關(guān)成 本。
例如當(dāng)新層Ll非常薄且通過與前層L接觸冷卻時，則可采用所述選擇性鋪展操 作，特別是如果基材M冷卻非?？焖俚脑?。
冷卻作用優(yōu)選利用Peltier元件10獲得，所述元件有利地確保了高效且同時確保了恰好限定的整體尺寸。
然而明顯的是，在本發(fā)明的構(gòu)造變化方案中，層L的冷卻可利用冷卻流體，低 溫氣體射流或以任何其它已知方式而實現(xiàn)。
如圖5所示，本發(fā)明方法優(yōu)選包括以下操作在鋪展后續(xù)層之前，且優(yōu)選但不 是必需在刺激之前使得最后沉積的層Ll水平。
所述整平操作允許以實現(xiàn)所需厚度且獲得均勻表面的方式從層Ll中移除過量材 料。
實際上，由于層Ll是冷的且因此是穩(wěn)定的，所以可例如利用機械方法以高精度 來移除基材M。
此外，層Ll保持在整平操作之后獲得的厚度。
為此，與可用已知方法獲得的精確度相比，所述整平操作實現(xiàn)了增加三維物體 W的整體尺寸精度的目的。
顯然，基材M的穩(wěn)定性越大，則所獲得的精確度越高，尤其是當(dāng)所述基材M冷 卻至變?yōu)楣腆w時。
關(guān)于層L的鋪展，優(yōu)選利用可有利地精確控制所用基材M的量的分配裝置6而進行。
作為本發(fā)明主題的方法還包括以下操作優(yōu)選通過將層L在環(huán)境溫度下暴露， 除去未受刺激的基材Ml。
在該溫度下，未受刺激的基材Ml回到液態(tài)，同時受刺激的材料K由于其聚合狀 態(tài)而保持固態(tài)。
上文明顯說明，在實施本發(fā)明方法的整個工藝持續(xù)期間，基材M沒有在高于環(huán) 境溫度下受熱。
為此，與上述第二種已知方法不同，基材M不經(jīng)受劣化，因此實現(xiàn)了本發(fā)明目 的之一。
顯然，除去未受刺激的材料Ml甚至可在高于環(huán)境溫度下進行，因此使得材料 Ml的液化加速。
與第二種上述已知方法不同，本發(fā)明方法不需要用于穩(wěn)定基材M的時間。
實際上，所述穩(wěn)定由于當(dāng)基材M與前層L接觸時實際上瞬時冷卻，而不是如同 所述已知方法通過在環(huán)境溫度下暴露而發(fā)生。
為此，與上文提及的已知方法相比，本發(fā)明方法實現(xiàn)了確保更快速的制造物體 W。
如圖7所示，本發(fā)明方法優(yōu)選但不是必需包括與平臺&直接接觸來鋪展基層 L0,且所述基層不經(jīng)受刺激。
未受刺激的基層LO有利地防止物體W粘附于平臺&，因此在制造一旦完成時便 于收集。
實際上，在除去上文提及的未受刺激的材料Ml期間，基層LO變?yōu)橐簯B(tài)且使物 體W與平臺&分離。
就操作角度而言，且如圖4所示，液態(tài)下基材M的一個層Ll利用分配噴嘴6沉 積在前一層L上。
當(dāng)基材M接觸前面鋪展且通過Peltier元件10保持冷卻的層L時，基材M幾乎 瞬時固化。
如圖5所示，冷卻的層Ll利用切刀8a整平。然后，如圖6所示，利用激光發(fā) 生器9，使層Ll在對應(yīng)于待獲得的三維物體W體積的預(yù)定區(qū)域K中經(jīng)受選擇性刺激。
如圖3所示，繼續(xù)利用該方法進行后續(xù)層L的處理，其中相對于分配裝置3、發(fā) 射裝置4和整平裝置7，以對應(yīng)于待獲得的層Ll的厚度的距離降低平臺&。
疊置一定數(shù)量所述層L之后的情況示于圖7，顯示在構(gòu)成待制造的三維物體W的 預(yù)定區(qū)域K(以深色區(qū)域表示)的平面上經(jīng)受刺激的基材Μ。
如圖8所示，收集圖9表示的最終三維物體W通過將基材M冷卻至環(huán)境溫度以 使得未受刺激的材料Ml回到液態(tài)而進行。
位于平臺&和物體W之間的未受刺激的層LO (參見圖幻的存在有利于所述收集。
圖中所示箭頭說明平臺&、激光發(fā)生器9、分配噴嘴6和切刀8a在所述各操作 期間的移動。
特別地，平臺&優(yōu)選在垂直方向上驅(qū)動，而噴嘴6、切刀8a和激光發(fā)生器9則 在一個軸或在互相垂直的兩個軸上水平移動。
然而，明顯的是，在本發(fā)明的構(gòu)造變化方案中，上文提及的裝置&、6、8a和9 的相對移動可不同于此處所示的那些，例如可包括僅相對于其它裝置在平臺&的三個軸 上移動。
如上文所述，在任何情況下，所述裝置的動力手段本質(zhì)上是本領(lǐng)域技術(shù)人員已 知的。
上文表明本發(fā)明的方法和設(shè)備實現(xiàn)了所設(shè)定的目的。
特別地，基材的冷卻使其固化并支撐了待制造的三維物體，因此消除了對特殊 支撐的需要。
此外，基材的冷卻幾乎瞬時發(fā)生，其消除了任何等待時間且使本發(fā)明方法特別 快速。
此外，由于基材不在高于環(huán)境溫度下受熱，因此其不劣化，由此任何過量材料 可再用于隨后的制造循環(huán)。
除了上文所述之外，通過冷卻獲得的基材的硬化使得其適于機械加工，以獲得 與可用已知方法獲得的那些相比具有更精確厚度的層。
在構(gòu)造階段，作為本發(fā)明主題的方法和設(shè)備可進行其它變化或改變，例如所用 基材的類型和因此用于實現(xiàn)所述材料永久固化的刺激的類型。
其它構(gòu)造變化方案可涉及用于設(shè)備各部分相對移動的機理。
在任何情況下，如果上文所提及的改變或變化方案落入如所附權(quán)利要求的范圍 之內(nèi)，則即使它們未在此處描述，也未在附圖中說明，也必須認(rèn)為它們受本發(fā)明專利的 保護。
如果在任何權(quán)利要求中提及的技術(shù)特征之后有附圖標(biāo)記，則那些附圖標(biāo)記僅用 于增加對權(quán)利要求的可理解性，因此這類附圖標(biāo)記對通過這類附圖標(biāo)記作為實例標(biāo)示的 每個元素的解釋不具有任何限制作用。
權(quán)利要求
1.一種制造三維物體(W)的方法，其中所述物體由基材(M)的多重疊加層(L)構(gòu) 成，所述基材(M)在環(huán)境溫度下為液態(tài)且在刺激作用下能夠永久固化，該方法包括下述 操作-在前一層(L)上鋪展所述液態(tài)基材(M)的層(Li)；-使所述層(Li)在一個或多個預(yù)定區(qū)域(K)內(nèi)選擇性暴露于所述刺激；-對所述三維物體(W)的各后續(xù)層重復(fù)所述鋪展操作和所述暴露，所述方法特征在于，其包括在所述刺激之前將所述層(L)冷卻至低于所述環(huán)境溫度 的預(yù)定操作溫度以使所述基材(M)固化的操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述冷卻操作持續(xù)所述層(L)的所述暴露和 鋪展操作的整個期間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，每個所述層(L)的所述冷卻通過與前一層 (L)接觸而自發(fā)進行。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，所述冷卻操作利用Peltier元件 (10)進行。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，其包括在鋪展所述后續(xù)層之前 使每一個所述層(L)水平的操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，所述整平操作在所述刺激之前進行。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，所述基材(M)的所述鋪展在預(yù) 定區(qū)域內(nèi)選擇性地進行。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，每一個所述層(L)的所述鋪展利 用分配噴嘴(6)進行。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，所述基材(M)為光聚合物且所 述刺激利用預(yù)定輻照來實現(xiàn)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，其包括用于除去未受刺激的基 材(Ml)的操作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述除去操作通過將所述層(L)暴露于所 述環(huán)境溫度而實現(xiàn)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于，其包括在鋪展所述三維物體 (W)的第一層之前鋪展基層(LO)的操作。
13.—種用于制造三維物體(W)的設(shè)備(1)，其中所述三維物體(W)包括基材(M) 的多重疊加層(L)，所述基材(M)在環(huán)境溫度下為液態(tài)且在刺激作用下能夠永久固化， 該設(shè)備包括-用于支撐待制造的所述三維物體(W)的裝置(2)；-適于在所述三維物體(W)的前一層(L)上鋪展所述基材(M)的各層(L)的分配裝 置⑶；-適于發(fā)射所述刺激的裝置(4)，所述設(shè)備特征在于，其包含用于冷卻所述層(L)且使其保持在低于所述環(huán)境溫度的 預(yù)定操作溫度下的裝置(5)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備(1)，其特征在于，所述冷卻裝置(5)與所述支撐裝置(2)相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的任一項的設(shè)備(1)，其特征在于，所述冷卻裝置(5)包括 一個或多個Peltier元件(10)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項的設(shè)備(1)，其特征在于，所述分配裝置(3)包括分 配噴嘴(6)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項的設(shè)備(1)，其特征在于，其包括用于使所述層(L) 水平的裝置(7)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其特征在于，所述整平裝置(7)包括用于機械移除材料 的工具⑶。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其特征在于，所述工具(8)為切刀(8a)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-19中任一項的設(shè)備，其特征在于，所述發(fā)射裝置(4)包括激光 發(fā)生器(9)。
全文摘要
制造三維物體(W)的方法和設(shè)備，所述物體由在環(huán)境溫度下為液態(tài)且在刺激作用下能夠永久固化的基材(M)的多重疊加層(L)構(gòu)成，該方法包括下述操作在前層(L)上鋪展所述液態(tài)基材(M)的層(L1)，使所述層(L1)在一個或多個預(yù)定區(qū)域(K)內(nèi)暴露于所述刺激，對所述三維物體(W)的各相繼層重復(fù)所述鋪展操作和所述暴露，在所述刺激之前將所述層(L)冷卻至低于所述環(huán)境溫度的預(yù)定操作溫度，以使所述基材(M)固化。
文檔編號B29C35/16GK102026797SQ200980117315
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者埃托雷·毛里齊奧·科斯塔貝貝爾 申請人:埃托雷·毛里齊奧·科斯塔貝貝爾