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CN104903075A - 通过层叠制造制备有形产品的方法及设备 - Google Patents

通过层叠制造制备有形产品的方法及设备 Download PDF

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CN104903075A CN201380069035.4A CN201380069035A CN104903075A CN 104903075 A CN104903075 A CN 104903075A CN 201380069035 A CN201380069035 A CN 201380069035A CN 104903075 A CN104903075 A CN 104903075A
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Abstract

本发明涉及通过层叠制造制备有形产品的方法及生产线。生产线包括：(i)用于运载有形产品的第一建构平台和第二建构平台(102、112)；(ii)用于提供构造材料层于建构平台之上的沉积头(101)；(iii)用于沿运送平面重复地将建构平台运向沉积头且自沉积头运离建构平台的运送机(103)；(iv)通过沿着垂直于运送平面的方向(104)使建构平台相对于运送机移动而调整沉积头与建构平台之间的距离的高度调整装置(107)。生产线更包括自建构平台提取产品的提取单元(106)。此方法允许通过层叠制造在连续工艺中制造不同的有形产品。此方法包括：移动步骤，使具有产品制造于其上的建构平台重复地移动通过材料提供装置以进行后续各层的沉积；以及调整步骤，通过朝垂直方向移动建构平台以对此装置与建构平台之间的距离进行调整。

Description

通过层叠制造制备有形产品的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种通过层叠制造制备有形产品的方法。
更具体地，本发明涉及此类方法，包括：沉积步骤(i)，利用材料提供装置在沉积区域内将构造材料的层沉积在建构平台上以建构第一层状产品；运送步骤(ii)，利用运送机将建构平台运离沉积区域；移除步骤(iii)，自建构平台移除第一层状产品；调整步骤(iv)，沿着平行于建构方向的方向调整材料提供装置与建构平台之间的距离；沉积步骤(v)，在移除第一层状产品后，沉积构造材料于建构平台上以得到第二层状产品。
本发明进一步涉及一种用于有形产品的层叠制造的生产线。
更具体地，本发明涉及此类生产线，包括：(i)第一建构平台(102)，用于运载有形产品；(ii)沉积头(101)，用于提供构造材料的层于第一建构平台上；(iii)运送机(103)，用于沿运送平面运送该建构平台；以及(iv)高度调整装置，用于调整沉积头与该建构平台之间的距离。
背景技术
层叠制造为一种制造方法，其中有形的立体产品通过多个层连续附加于彼此顶部之上而制成，这些层对应于有形产品的不同高度的剖面。层状产品可通过提供均匀液体层或均匀粉末层而制成，其中液体或粉末系以对应于所制造产品剖面的预定二维图案而进行硬化，然后将剩余的未硬化材料进行移除。这些层还可以所需二维图案进行直接沉积，例如通过打印方式。在此类方法中，图案在材料沉积期间已被决定而非通过硬化所决定。材料可为油墨或粉末，其中通过对油墨或粉末进行固化、烧结或其它方法硬化而得到粘合的产品。
产品通常在可沿着垂直方向移动的建构平台额顶部上制备。然而，也存在产品悬挂于建构平台下方的层状制造系统。此类层状制造系统的例子在德国专利申请DE 10256672中公开。典型地，此类层状制造系统包括具有液体之一盘状物，此液体可通过例如紫外(UV)线进行硬化。定位在盘状物底部上方的建构平台向上移动，如此允许液体薄膜形成于建构平台(或前硬化层)与盘状物底部之间。液体薄膜以预定图案进行硬化，并且建构平台在液体薄膜硬化完成后进一步向上移动。重复这些步骤，直到产品完成时才停止。最后，将成品自建构平台进行移除，并且建构平台可用于制备另一产品。
在用于有形的立体产品的层叠制造的另一已知方法中，粉末被用作起始材料，此粉末通过例如烧结而硬化，此类方法在美国专利申请US2009/0291308中公开。根据此已知方法可知，粉末薄层提供至通过垂直壁及在底侧通过建构平台定界的区域。通过烧结成具有预定形状的粘合的固体层而将该层硬化，构成产品的剖面。随后，用于支撑硬化层的建构平台向下移动，且施加新的粉末层。这些步骤重复执行，直到产品完成时才停止。随后，在进行另一产品的制造之前移除未硬化的粉末部分及成品。
上述系统的共同之处在于其具有可沿垂直方向移动的一个平台。此类系统特别地适合于使用单一类型材料制造产品，并且可同时在例如平台上制造具有不同形状的数个产品。举例而言，此类方法在国际专利申请WO2004/014637中公开，此已知方法的产品限于由单一种类材料所制造。原则上，粉基系统也适合于制造具有不同材料所制成的个别层的产品。举例而言，此类系统在美国专利申请US2002/0145213中公开。国际专利申请WO 2012/076205公开了一种允许同时制造不同产品的设备，此设备包括不同建构平台，并且此设备相较于仅有单一建构平台的系统而言更具有适应性。
通过层叠制造制备有形产品的又一方式为立体印刷。在立体印刷中，油墨是以连续层或对应于产品剖面的预定图案进行施加。在特定方面，立体印刷较上述方法更具有弹性，特别是当油墨是通过印刷头所施加时更是如此。不同的印刷头可用于施加不同材料以制造包括数种材料的复合产品。再者，可易于开启及闭合的印刷头使得制造过程具有更佳的控制。用于利用印刷头的层叠制造的生产线的例子在美国专利申请US2009/0076643中公开，此已知生产线可通过层叠制造制备数个有形产品。此生产线包括用于沉积材料于载具上的数个印刷头，这些印刷头定位于运送机的上方，此运送机将载具自印刷头运送至另一印刷头。这些印刷头沿运送方向、互相成直线进行定位。再者，各印刷头的高度可相对于运送机进行调整，例如对于产品制造的不同阶段期间的产品高度进行补偿，即已沉积的层的数量。此生产线允许具有不同几何形状及不同材料组成的数种产品的制造。产品的各层通过一个或多个印刷头所产生，其结果是利用大量印刷头对于具实质尺寸的产品进行制造。此外，国际专利申请WO2004/108398公开了利用一个或多个建构站沉积材料层叠于建构平台。虽然此机器可生产多种产品，但此机器缺乏扩大生产量成为工业量的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过层叠制造制备有形产品的方法，此方法允许以低成本快速制造此类产品。
本发明的此目的通过层叠制造制备有形产品的方法而得到，此方法包括：
沉积步骤(1)，利用材料提供装置在沉积区域内将构造材料层沉积在第一建构平台上以建构第一层状产品；
运送步骤(2)，利用运送机将第一建构平台运离沉积区域；
移除步骤(3)，自第一建构平台移除第一层状产品；
调整步骤(4)，沿着平行于建构方向的方向调整材料提供装置与第一建构平台之间的距离；
沉积步骤(5)，在移除第一层状产品后，沉积构造材料于第一建构平台上以得到第二层状产品；
其特征在于：
通过相对于运送机移动建构平台以实现调整步骤；且
重复(6)使运送机移动建构平台通过材料提供装置以得到第一层状产品，并且
该方法进一步包括沉积步骤在沉积区域内、在第一层状产品移除之前利用材料提供装置沉积构造材料的层于第二建构平台上以建构第三层状产品。
相对于运送机对于建构平台进行移动以调整材料提供装置与建构平台之间距离的优点在于不必移动材料提供装置，因此可将材料提供装置放置在固定位置。将材料提供装置放置在固定位置的效果在于：在调整材料提供装置与材料必须沉积于其上的建构平台之间距离的期间不需要停止沉积工艺。因此，可用于进行沉积材料的时间增加，且能更有效率地运用材料提供装置。
重复地将建构平台移动通过材料提供装置的优点在于相同材料的后续层可通过相同的材料提供装置进行沉积。相较于通过单独的沉积装置对于各层进行沉积的方法，重复地通过材料提供装置的效果在于可限制用于制造有形产品的此类材料提供装置的数量。相较于建构平台仅通过沉积装置一次的方法，仅使用单一沉积装置或有限数量的沉积装置使得该方法更具有成本效益。
当仍在建构第一层状产品的同时将构造材料层沉积于第二建构平台之上的优点在于可准同时地制造多个产品。此准同时生产的效果在于：在特定时间间隔可制造更多的产品，因而可获得更有效率的生产方法。
本发明的另一目的在于提供一种用于有形产品的附加制造的生产线，此生产线允许互不相同的产品的快速制造。
本发明的此目的通过一种用于有形产品的层叠制造的生产线而获得，此生产线包括：
第一建构平台(102)，用于运载有形产品；
沉积头(101)，用于提供构造材料的层于第一建构平台之上；
运送机(103)，用于沿运送平面运送第一建构平台；
高度调整装置(107)，用于调整沉积头与第一建构平台之间的距离；
其特征在于：
运送机为用于重复地将第一建构平台运向沉积头及运离沉积头(105)的运送机；以及
高度调整装置(107)设置用于相对于运送机、沿着垂直于运送平面的方向移动第一建构平台(104)，以及
上述生产线进一步包括用于接收所述材料的第二建构平台，通过所述运送机可运送第二建构平台，并且第二建构平台相对于运送机、独立于第一建构平台而可移位。
重复地将建构平台运向沉积头及运离沉积头的运送机的优点在于各建构平台可数次通过单一沉积头。数次通过单一沉积头的效果在于仅使用有限数量的沉积头，也许仅需利用单一沉积头制造有形产品。仅包括有限数量的沉积头的生产线的成本少于通过单独的沉积头进行各层沉积的生产线的成本。
设置用于沿着垂直于运送平面的方向相对于运送机移动建构平台的高度调整装置的优点在于沉积头可放置在固定位置，并且当建构平台自沉积区域进行移除时(即远离沉积头)可利用高度调整装置对于沉积头与建构平台之间的距离进行调整。其效果在于进行建构平台高度的调整期间，可利用沉积头制造另一产品。藉此允许在有形产品的层叠制造期间可使沉积头达到更有效率的应用。
用于接收材料的第二建构平台的优点在于：可不同于第一产品的第二产品可与第一产品同时制造，藉此使得生产线达到更有效率的应用。
附图说明
图1为说明根据本发明的用于制造数个有形产品的方法的实施例的流程图。
图2为说明包括硬化步骤的方法的实施例的流程图。
图3为说明包括提供支撑材料的方法的实施例的流程图。
图4为说明包括另一处理及取代产品的方法的实施例的流程图。
图5为根据本发明的用于附加制造的生产线的示意图。
图6为包括建构平台的载具的实施例的示意图。
图7为包括建构平台的载具的另一实施例的示意图。
图8为切割装置的实施例的示意图。
图9为包括数个装置的生产的实施例的示意图。
图10为用于调整建构平台高度的高度调整装置的示意图。
具体实施方式
参照图1的流程图将详述根据本发明的用于制造数个有形产品的方法的优选实施例。为了制造层状产品，合适材料必须分层提供。通过材料提供装置将构造材料分层提供至建构平台上以得到第一产品之步骤(1)可包括数个初步作业。其中这些作业之一是对于沉积技术及所使用的材料进行调整。如果特定的材料提供装置或技术对于层叠制造是优选的，如此则必须找到合适的构造材料。同样地，如果特定的材料或材料种类是优选的时，则必须找到适当材料提供装置或技术。适当的材料提供装置可为适合于可用于层叠制造的油墨的喷墨印刷头。举例而言，此类油墨为包括聚合物溶液的溶剂型油墨或是包括可固化树脂的油墨。有利的是可通过电磁辐射对于树脂进行固化，特别是可利用光对于树脂进行固化。一般而言，可利用紫外线进行固化的树脂是优选的，因为可在正常环境状态(即可见光)下涂施此树脂，不会对不需要处进行固化。紫外线固化树脂的优点在于其不会如同别种油墨因溶剂蒸发造成油墨硬化(即干燥)而造成喷嘴的堵塞。再者，紫外线固化油墨通常具有长库存寿命。合适油墨可为固态粒子在液态聚合物溶液或可固化树脂中的分散体。此粒子可为金属粒子，最后这些金属粒子在溶剂蒸发后或树脂固化后便可结块。
因为使用印刷头为用于提供构造材料的优选实施例，下文中将会频繁使用“沉积头”一词。然而，可以理解的是于此所用的“沉积头”一词并非用于将本发明限定于任何特定材料提供装置或技术。沉积头为适合于将材料沉积在建构平台上，沉积在载于平台所承载的预先沉积的层上，或是沉积在建构平台所承载的基底或其它对象或产品上的任何装置。因此，沉积头还可包括原子层沉积，此原子层沉积为可用于涂覆特定材料的薄层的技术。
在下文中提及将材料沉积于建构平台上或将对象放置于平台上时，这包括沉积及放置于平台自身上，或平台所承载的基底上或对象上或产品上，以及预先沉积的层上。
当提及通过层叠制造在建构平台上制造产品时，可以理解的是这包括了其中建构平台装载数个产品的状况。装载于单一建构平台上的数个产品可具有相同几何形状或不同几何形状。由于此独立的产品位于相同的建构平台上，这些产品将具有特定相似性，更特别是这些产品具有相似的层状结构。
在将构造材料的第一层沉积在建构平台上后，通过运送机将沉积层运离(2)沉积头，此运送机运送层沉积在其上的平台。
为了精确制造，在沉积材料期间，对所有层而言，沉积头与材料沉积在其上的目标区域之间的距离可必需相同。就第一层而言，第一层为建构平台或基底。就其后的层而言，目标区域由前一层限定，该前一层可包括硬化层及多个支撑部件，稍后将对此进行详述。目标区域还可为已经插入以被封装的对象，此对象可通过层叠制造或其它方法所生产。为了维持沉积头与目标区域之间的距离固定，建构平台可相对于运送机、沿着平行于建构方向的方向进行移位(4)。通常，此方向为垂直方向。
在已经调整建构平台的高度之后，新的层可沉积在先沉积的层的顶部。在完成产品之前，重复(6)进行沉积一层、移动该沉积的层远离沉积头、相对于运送机沿着向下的方向移动建构平台及再次将层提供至相同沉积头的工艺。此方法可有利地通过快速移动运送机，特别是以1m/s的速度或更快，例如2m/s的速度来实施。典型地，建构平台以至少每10秒通过材料提供装置，例如每5秒或甚至每1秒。举例而言，在层的移动期间可对该层进行固化或加工，或者另一沉积头可沉积另一材料或相同材料。
虽然在沉积各层后对于沉积头与目标区域之间的距离进行调整可为优选的，但在沉积各层后及仅在沉积少数层(例如：5层)时仍是足以对建构平台高度进行调整。然而，如果在沉积各层后并未对高度进行调整，则沉积头的时序则因以下状态而需进行调整：在通过沉积头喷出材料后，材料需要一些时间抵达沉积区域。于此期间，当沉积头与目标区域之间的距离改变时，建构平台产生移动且必定造成材料液滴所抵达沉积区域的位置的改变。
如上所述，在沉积一层后或在沉积一附加层前，建构平台的位移通常是向下的。举例而言，如果另一种材料必须沉积在预沉积层上时，则沉积头与建构平台之间则需尽可能地具有较小的距离。在此情况中，建构平台会向上移动。例如在其它状况中，因为后续层沉积在相同建构平面中没有预先沉积的层的材料的位置，如此则可根本不需对建构平台进行移位。除了前一层中的孔洞必须填充的情况之外，后续层也可被沉积入该前一层，从而将另一材料注入前一层。
在产品完成后，自建构平台移除(3)该产品。举例而言，通过自建构平台提取产品或通过传递产品建构于其上的基底，如此将产品自建构平台移除。在移除产品后，可利用建构平台进行第二产品的制作。通过调整空载建构平台的高度(4)，从而提供建构平台与沉积头之间的适当距离以进行第二产品的第一层的沉积。在建构平台进行高度调整前、调整后或调整期间，建构平台向沉积头移动(2)以接收第二产品(5)的第一层。第二产品是采用与第一产品相似的方式制备，因此实际上是重复了生产工艺(20)。虽然第二产品与第一产品可以是相同的，但第二产品可不需要必须与前一产品相同，各层可决定层的形状及组成。虽然在此使用“第二”一词，但此用词并不应照其文字意思来解释。实际上，第二产品可为任何后续产品。
参照图2详述本发明方法的另一实施例，在本图中仅示出用于一种产品的生产工艺。所以本图可以取代图1中的框(20)内的方法步骤。通过层叠制造制备有形产品的方法的此不同实施例包括硬化步骤(7)，此硬化步骤在构造材料设置于建构平台后以预定图案对构造材料进行硬化。虽然在不需利用进一步措施下是可对以预定图案硬化的构造材料进行沉积(例如：因为油墨的溶剂快速蒸发或因为双组分油墨在短时间内硬化)，如所沉积的多种构造材料需要附加的硬化步骤。如果已经以所需形状的层对构造材料进行沉积，则硬化步骤可为层的加热或通过例如紫外线的电磁辐射进行的硬化。因为构造材料的层已具有所需形状，硬化装置可不需以图案设置，而是硬化装置可均质地在整个目标区域或较大区域上设置，如此可允许例如红外线放射的供热或热空气的加热。
如果沉积层为构造材料的连续层，则此层必须通过局部设置的硬化装置以所需形状进行硬化。如果构造材料必须通过例如紫外线的电磁辐射进行硬化时，则可采用数种方式局部供应此电磁辐射。举例而言，掩模可用使得层的预定部分受到照射，此掩模优选为可程序化的掩模。除了掩模之外，还可采用具有分别可寻址的光源(例如：发光二极管)的基质(matrix)。以所需图案提供光的另一种方式为扫描激光器或用于以适当方向引导光线的活动镜。
优选地，通过包括数个平台的设备来执行本发明的方法，如此使本发明方法的优点得到最佳利用。如果是利用数个建构平台来实行本发明的方法时，则所需步骤是可与上述步骤相同，表述建构平台由n个建构平台所取代，其中n为建构平台的序数。然而，根据本发明的方法是不需使用所有建构平台来制作层状产品。举例而言，部分的建构平台可保持为空载状态。上述方式皆不需要依照建构平台的设置顺序来执行产品的移除。实际上，此方法可应用在各自独立操作建构平台的情况。
图3所示方法的另一实施例包括步骤(8)，此步骤(8)提供用于支撑构造材料的支撑材料，此实施例将参照图3在此详述。同样地，在此仅表示出一部分的方法步骤，即表示出针对一个产品的步骤。此方法的实施例特别地关注制造以下产品，该产品中的部分后续层并未得到预先沉积的下层支撑，例如在该产品包括孔洞或悬伸部件时。在此方法的特定实施例中，构造材料的未硬化部件可实现支撑材料之功能，例如当构造材料为具有特定附着性的粉末时。使用此构造材料为支撑材料具有许多缺点，其中缺点之一为这些开发以供层叠制造使用的构造材料通常是相当昂贵的。有时未硬化的构造材料可重复使用，但此未硬化的构造材料需经过特别措施进行处理，例如清洗。使用不同材料进行支撑的优点在于支撑材料可选自具有可使其特别适合于支撑的特性的材料等级。尤其是可易于自产品移除的材料，例如可利用溶剂(例如：水)溶解但不会造成支撑材料受损的材料。
根据图3所示的方法步骤，在步骤(1)所提供的构造材料在独立的步骤(7)中进行硬化。然而，例如若构造材料为不需特别步骤进行硬化的双组分体系，则此步骤可不需存在。更特别的是，此双组分构造材料可能因为暴露在正常环境条件下而产生硬化。虽然在图3中未示出，但支撑材料可经受硬化程序，当然该硬化不会防止之后材料的移除(如果需要的话)。一般而言，在产品完成后支撑材料应可移除。然而，针对特别产品而言，支撑材料保留在产品中是可接受的。例如，如果支撑材料是一种轻质材料且从成品外部不可见。
支撑材料的沉积可在构造材料的层以预定形状沉积之前或之后进行。因为填充有构造材料及支撑材料的空间是互补的，这些空间可形成部分会进行硬化的连续层，即为构造材料的部分。该层作为一个整体，即已硬化的部分及支撑材料所组成的部分是后续层可沉积于其上的基底。
支撑结构还可由构造材料或由硬化的不同构造材料所得到。此支撑结构可具有例如蜂巢状的几何形状或之后可易于打破分离的其它类型结构。
图4示出了上述方法的另一实施例。本实施例包括另一处理步骤(9)，用于对已自建构平台移除后的第一产品进行处理。本实施例进一步包括放置步骤(10)，将处理后的第一产品放回运送机所运送的建构平台。本实施例是基于许多层叠制造的产品需要另一处理步骤做为两个层叠制造步骤之间的中间步骤而被提出。举例而言，此另一处理步骤可为表面处理。该表面处理的例子可为材料的移除，例如蚀刻或如同抛光的机械加工。表面处理还可为材料的添加，例如涂装、热蒸镀、电化学沉积或其它原子层沉积技术。此另一处理步骤还可包括加入或插入电子组件，例如计算机芯片及发光二极管。此另一处理步骤还可包括特定产品的插入，这些特定产品可采用比层叠制造更好的其它技术而制成，例如光伏电池、微机电装置或注塑部件。
特别的是，如果此外部处理步骤无法与层叠制造的速度(即运送机的速度)一致时，此外部处理步骤是具有优点的。如果此处理步骤为需要特别设备(例如：无电镀、火花腐蚀或激光钻孔)的分批工艺时，此处理步骤特别具有优点。
在包括处理产品的另一处理步骤的方法的实施例中，将产品放回另一建构平台上，该另一建构平台不同于产品自其上移除的建构平台。例如第二产品仍位于该建构平台上的情况。在包括产品的另一处理步骤的方法的实施例中，当将产品自建构平台移除后，处理过的产品被放置在该产品自其上移除的同一个建构平台上。根据本实施例，在处理过的第一产品放回之前，将第二产品自建构平台移除。当必须制造包括第一产品及第二产品的复合产品时，第一产品可放置在相同的建构平台上，如此使得第一产品位于第二产品的顶部或旁边。为达此目的，此方法可包括提供机器可读码(例如：条形码或二维条形码)至建构平台、基底或产品的步骤。此类方法更可包括读取代码及针对产品判定何为下一处理步骤的步骤。
层叠制造为将材料加入至较早沉积的材料的附加工艺。然而，由此工艺所制成的产品可能需要进行加工，例如铣切加工、钻削加工或通过抛光的表面平滑化加工。层叠制造的工艺可能导致误差的累积，例如产品的厚度(即高度)。基于这些及其它理由，有时必须将材料自先前沉积的层或产品移除。如上所述，此移除可在沉积设备外(即远离运送机)进行。然而，特别的是当因为在建构平台上进行例如取代作业或建构平台的垂直位移)所产生缺陷而需对产品的厚度进行调整时，材料移除作业必须在或可在当产品位于建构平台上时来进行。因此，此方法可包括移除步骤，用于当产品贴附于建构平台时将材料自产品移除。
由层叠制造所制得的产品可结合其它对象以得到复合产品。此类其它对象可为电子功能装置、光学功能装置、磁功能装置或机械功能装置，这些功能装置例如计算机芯片、发光二极管、透镜系统、致动器、压电组件、扬声器、传声器及电池。在完成层叠制造之后，此功能对象可与产品结合。然而，特别是当必须对对象进行包封或以别种方法将对象与产品集成为一体时，对象必须在层叠制造期间放置。在本发明的实施例中，该方法包括通过将对象放置在建构平台上而将对象与层叠制造的产品结合的步骤。在开始进行层叠沉积之前，对象可直接放置在建构平台上。对象还可在已经沉积一层或多层之后放置。对象甚至可在所有层沉积完成后放置。
本发明的另一实施例为用于有形产品的层叠制造的生产线。在此将参照图5中的生产线的实施例详述此类生产线。生产线(100)的基底为运送机(103)，此运送机(103)用于沿运送平面运送建构平台。运送平面为运送建构平台时建构平台移动的平面。可以在建构平台返回的两个外部位置之间交替的方式对建构平台进行运送。然而，循环式运送机(例如：可为圆盘或环式皮带)为优选的运送机，用于将建构平台运向沉积头及运离沉积头。当运送机以单向移动时，循环式运送机的优点在于建构平台在使用时可自相同侧接近沉积头。循环式运送机的另一优点在于可使其较易于使用多个平台。优选地，此类运送机配置用于沿水平面(即垂直于重力的平面)运送产品。水平循环式运送机之一优点在于即使在运送机连续单向移动期间，循环式运送机上的产品所受到的重力的方向也不会改变。因此，重力在运送机上的任何位置都朝向相同方向。因此，粉末，甚至液体可在运送机上进行沉积而不会在运送机的其它位置掉落。
在运送机周围定位例如材料沉积头(101)的设备，用于产品的层叠制造。本发明人发现循环式运送机相当适合于层叠制造，因为在于此类运送机上的位置可数次通过固定的外部点。这使得可在不需特别措施而重复地执行例如层的沉积的工艺。对于一种材料所制成的产品，当使用循环式运送机时，仅一个沉积头可足以制备此类产品。例如美国专利申请US2009/0076643所公开的系统中需要多个印刷头，或甚至需要数量众多的印刷头，即每层需要至少一个印刷头。
举例而言，运送机可为如图5所示的旋转圆盘，但优选地运送机为运送带，更特别优选的是运送机为循环式运送带。循环式运送带可采用可达到最佳利用有效空间的几何形状进行配置，并且循环式运送带可允许将产品沿着或甚至通过所有类型的设备(例如：沉积设备、加工设备及加热设备)进行运送。如果建构平台的轨道是弯曲的(像对于旋转圆盘或位于运送带的部分的情况)，则在建构平台的内部曲线及外部曲线的轨道长度间存在差异，但通过调整材料的沉积来补偿此差异是相当麻烦的。基于此理由，优选包括直的部件的运送带。
如图5所示，生产线包括用于提供制备产品所需材料的沉积头(101)。沉积头可为任何类型的材料提供装置，设置用于将材料层叠沉积在建构平台上。沉积头可为提供连续材料层的类型，例如喷枪或涂布幕帘。优选地，沉积头为提供材料液滴至建构平台的印刷头(例如：喷墨打印装置)，此类液滴提供装置可为连续喷墨装置，通过连续喷墨装置连续地及时喷出液滴或将液滴喷至需求装置上。沉积头还可为粉末分配器。沉积头可为扫描沉积头，此扫描沉积头可以将材料沉积在建构平台的不同位置上的方式进行移动。优选地，此类扫描沉积装置允许将材料束以速度远高于运送机的扫描速度导向建构平台上的不同位置。当建构平台移动时，此类扫描沉积装置允许形成复合图形。典型地，沉积头可适合于沉积厚度介于1微米(μm)与1毫米(mm)之间的层，更特别的是厚度介于5微米(μm)与500微米(μm)之间的层，甚至更特别的是厚度介于10微米(μm)与200微米(μm)之间的层。本发明人有利地沉积出厚度介于30微米(μm)与80微米(μm)之间的层。然而，本发明不受限于此类层厚度，例如通过像原子层沉积的沉积技术所制得的小于1微米(μm)的沉积层厚度也是可行的。因为如此小的层厚度需要数量众多的层才能得到具有肉眼可见尺度的产品，此类薄层可对于在半成品上增加层或是增加作为在产品内或之上的功能层特别有意义。层厚度可大于1毫米(mm)，但由此类层所构成的产品具有相当粗糙的结构，因此通常需要例如抛光的附加处理步骤。再者，此类厚层的硬化是相当麻烦的。
为了制作出具有精细结构的产品，沉积工艺应具有高侧面分辨率。尤其是此侧面分辨率是由沉积头的类型决定。在这些实施例中，例如通过电磁辐射、更特别地是通过紫外线对于沉积连续层的所在位置进行硬化，分辨率可小于10微米或甚至小于1微米。当通过打印工艺形成二维结构时，分辨率可小于100微米或更特别地可小于10微米。可以理解的是，并非生产线的所有沉积头必须具有相同分辨率。除了参数之外，沉积头的类型、在所制造产品中所沉积的材料及沉积层的功能决定所需且可实行的分辨率。
如图6和7图所示，生产线包括在产品制作期间用于运载材料层的一个或多个建构平台(102)。建构平台相对于运送机(103)在建构方向上可移位(104)。因此，在本实施例中，建构平台均可向上地及向下地绕着其中间的垂直位置进行移位(即离开运送机及朝向运送机)。在如图6所示的优选实施例中，运送机(103)主要位于建构平台(102)下方。然而，如图7所示，运送机的一部分可位于建构平台(102)的上方。在图7所示的实施例中，运送机(103)机械地贴附于输送带或缆线(112)，其中通过例如电动马达的机械对输送带或缆线(112)进行驱动。
回到图5所示的实施例，在此将针对设备的其它方面进行详述。在生产线的使用期间，运送机用于将建构平台移动往返于沉积区域(109)，其方式为：当建构平台与沉积头位于沉积区域时，建构平台以规定的时间区间而位于沉积头与运送机之间。在生产线的优选实施例中，沉积头(101)固定在相对于此设备所放置的地板的位置，其方式为：材料以位于沉积头下方的建构平台的方向下落或喷出。建构平台在选定时间区间期间接收到材料。在完成一层的沉积后，建构平台可向下移动使得沉积头与目标区域之间的距离保持为固定值，即每次建构平台通过沉积头时使得先前沉积的层的顶部与沉积头之间具有相同距离。如果沉积头与目标区域之间的距离不是非常重要时，在建构平台每次通过沉积头之前不需对建构平台的高度进行调整。在此类例子中，在完成一些层的沉积后可对建构平台的高度进行调整。然而，如之前所述，当建构平台以高速移动时，沉积头与目标区域之间的距离则非常重要。如果沉积生产线包括一个以上沉积头，或是沉积生产线除了沉积头外还包括另一类型的装置时，在建构平台接近此其它类沉积头或第二装置之前是可对建构平台的高度进行调整。此类建构平台的高度调整不一定是降低，也可为朝向上方向的移动，例如因为此装置为切削刀具或抛光装置。
通过移动沉积头也可对于沉积头与目标区域之间的距离进行调整。然而，此类构造的缺点在于沉积头必须在非常短的时间内移至其新位置，即此时间内所移动建构平台的距离是等于运送方向上两个建构平台的间距。就2m/s的典型运送速度及两个建构平台之间1厘米的间距而言，时间区间仅为5ms。用于移动建构平台的可用时间是较多的。举例而言，就运送机中建构平台的轨道为6米而言，可用时间大约3秒(其长达600倍)。
如在图5中示意地表示，高度调整装置及建构平台可直接放置在运送机上或贴附于运送机。然而，特别是当运送机为运送带时，优选的是采用如图6中所示的不同构造。图6表示两个载具(111)，载具(111)包括建构平台(102)及载具基底(108)，其中，以在运送机(103)移动时运送机(103)输送载具(111)的方式将载具基底(108)贴附于运送机(103)。优选地，各建构平台的载具具有其自身的高度调整装置(107)，高度调整装置(107)允许各建构平台以相对于运送机、独立于其它建构平台且独立于建构平台的实际位置而沿建构方向(104)进行移位。所谓的独立不仅表示建构平台的高度可不同于邻近的建构平台的高度，同时表示建构平台的高度是与邻近的建构平台的高度无关。举例而言，后续建构平台的高度是不需随着彼此间的距离而增加或减少，而是后续建构平台的高度是可任意分配。此类独立的建构平台的优点在于准同时地制造不同产品时具有高自由度。高度调整装置可为机械式高度调整装置，例如使用电动马达及涡轮或步进马达。举例而言，通过压电致动器也可对建构平台的高度进行调整。图7表示用于运送建构平台的构造的替代实施例，在本实施例中，载具基底也贴附于运送机(103)。然而，在本实施例中，运送机以悬式几何形状贴附于运送带或缆线(112)。
通过可调式高度调整装置也可沿着循环式运送机、在一个或多个固定位置对建构平台的高度进行调整。图10示意地表示出此类高度调整装置的优选实施例。图10A为设备的一部分的上视图。图10B为设备的一部分的侧视图。图10表示可通过运送机(103)沿运送方向(401)进行移动的四个建构平台(311、312、313、314)。在以下说明中，仅提及一个建构平台(311)及其高度调整装置，此类说明还涉及其它建构平台及其高度调整装置。然而，虽然采用具有完全相同的或接近相同的载具是优选的，但不一定是这种情况。建构平台(311)放置于载具基底(351)上，此载具基底(351)贴附于运送机(103)。载具基底(351)包括连接器(361)，当载具基底(351)沿运送方向(401)进行移动时，连接器(361)允许载具基底(351)可向上推移(404)。图10还表示出斜坡(321)，此斜坡(321)可固定至设备的框架或地上或地板(381)。优选的方式为斜坡(321)可沿垂直方向(403)进行调整，例如通过可将斜坡(321)沿垂直方向(403)移动的电动马达或致动器(371)。载具基底(351)包括轮子(341)，当轮子(341)沿着斜坡(321)的坡度行进时，通过轮子(341)允许载具基底(351)向上移动。使用轮子是优选的，因为这几乎在没有任何摩擦的情况下移动，而其它导引装置也可满足此条件。在本实施例中，坡度在移动方向上必须是向上的。可以理解的是，斜坡(321)相对于线条(410)是对称的，如此允许运送机(103)可沿两个方向进行移动，即沿箭头(401)的方向及相反方向。优选地，斜坡是应用于载具的大垂直位移。所以，斜坡将位于设备内沉积头或加工装置所需建构平台以相对大垂直距离进行移动的位置上。一般而言，载具包括致动器(331)，此致动器(331)用于沿垂直方向(402)、相对于载具基底精确地移动建构平台。
虽然所有载具可具有相似的结构，但对于所有载具，轮子(341)的位置不同为优选的，对此将会说明。斜坡是特别地适合于进行大移动量。由于载具的大的运送速度及载具之间的小距离，除非能提供大的加速度，否则将两个相邻载具移动至不同高度是相当困难的。为了解决此问题，设备可包括如图10A所示的多个平行的斜坡。在此的斜坡(321、322、323)数量为3个，但可以理解的是较多的斜坡数量(例如：5个)是优选的且较低数量是适合的。在轮子(341、342、343、344)沿着不同斜坡的方式下，相对于其邻近载具的轮子，后续建构平台(311、312、313、314)的各轮子(341、342、343、344)垂直移位，这垂直于移动方向。所以，轮子(341)将沿着斜坡(321)行进，轮子(342)将沿着斜坡(322)行进，轮子(343)将沿着斜坡(323)行进，以及轮子(344)已沿着斜坡(322)行进。因为斜坡的高度可独立于其它斜坡而进行调整，所以相邻载具基底的高度及以此方式下的建构平台高度是可以不相同的。图10的实施例中的建构平台(311、314)是利用相同的斜坡(322)。程度上需视相对于运送方向(401)上的轮子距离的斜坡长度、运送速度、载具高度的所需调整而定，则采用数量较多的斜坡是优选的。特别的是，5个斜坡及轮子的5个对应垂直位置似乎为适合的实施例。上述包括数个斜坡的设备的实施例可在邻近建构平台上制造不同产品时提供高自由度。
如图5所示的生产线进一步包括自建构平台提取产品的提取单元(106)。自建构平台提取制造产品的提取单元(106)的优点在于：当完成产品之后，能自动地自建构平台拿取产品。自动地自建构平台拿取产品的功效在于当完成产品之后，不需通过人员对于产品进行提取。优选地，当运送机移动时是可允许利用提取单元对于产品进行提取，因此不会造成其它产品的制备上的延迟，其通过例如在提取期间以相同于与运送机平行的建构平台的速度来移动提取单元是可实现的。本领域技术人员将熟悉不同种类的提取单元，例如机械手臂。提取单元还可适合于将产品放置于建构平台上，此产品可为预先制造的层状产品，或例如可为具有特定机械功能、电子功能或光学功能的装置。然而，提取单元及放置单元可为独立的单元。
生产线可包括硬化装置(110)，硬化装置(110)用于对构造材料层进行硬化，如此以得到对应于所制造产品的截面的形成有图案的硬化且有附着性的层。此类硬化装置可为提供电磁辐射(例如：紫外线)的装置。优选地，此类紫外光源可以预定图案提供紫外光辐射，例如通过扫描激光器或小型紫外光源阵列(例如：发光二极管)。然而，在生产线的一些实施例中，硬化装置可在沿着层的整个区域上提供大体均匀的硬化条件。此类均匀光源(例如：紫外线灯)可在预固化的层固化之后应用，如果该层由可硬化构造材料与支撑材料的两种材料所构成也可应用，其中支撑材料在这些条件下不会固化。
优选地，生产线可包括两个或更多个建构平台，通过这些建构平台使得生产线具有更佳运用的优点。在包括数个建构平台的生产线的使用期间，运送机上的构造于不同载物台中的产品的生产是相当具有弹性。举例而言，当自建构平台提取产品的步骤需要相对更多时间时，利用数个建构平台也是相当有利的，特别是当运送机速度减慢时更是需要。在此例子中是以在不同建构平台上制造产品为佳，并且在最后的产品完成后，将运送机速度减慢而自建构平台提取产品。
为了得到可允许生产不同产品的弹性生产线及可同时地在生产过程的不同载物台生产产品，不同建构平台相对于运送机、沿建构方向相互独立地可移位。
在附加制造期间，各个层被沉积在彼此的顶部，但此方式将可能造成在厚度上误差的累积。此外，半成品的提取及在建构平台上取代半成品也可能造成误差。基于这些及其它理由，有利方式是可针对产品的高度进行调整。如果在制造过程的特定载物台的产品高度过低时，则可进行附加层的沉积。然而，如果产品高度过高时，部分材料则必须被移除。为了允许可达成此类材料移除，生产线可包括切割单元，通过切割单元从已制造的产品移除材料。此类切割单元可包括对于硬化材料的薄片进行移除的刀具。由于设备允许建构平台快速移动且因此允许产品相对于刀具快速移动，通常此速度可高达每秒数米，此类切割的应用是相当合适的。图8表示此类切割单元的实施例。切割单元包括刀具(121)，此刀具(121)通过载物台(122、123)而贴附至设备，通过载物台(122、123)可对刀具(121)进行定位。载物台(122、123)设置用于沿垂直方向移动刀具(121)，如此可相对于建构平台(102)对刀具(121)的高度进行调整。优选地，刀具(121)可沿着垂直轴(124)进行转动，由此改变刀具(121)的切削边缘(126)与建构平台(102)之间的面内角度(125)。
本发明并不受限于生产线及其组件的特定尺度或技术规范。建构平台可具有通常小于400mm x 200mm的矩形区域，更特别的是小于200mm x 200mm或小于100x 200mm，或甚至更特别的是小于100mm x 50mm。发明人认为优选的建构区域为50mm x 75mm。然而，沉积区域也可大于400mm x 200mm。建构平台可不需为矩形，建构平台还可采用例如椭圆或如图1中的更特定的圆形。矩形建构平台的优点在于其可达到最佳的空间利用。建构平台区域可改造成所制造产品的接地面积的特定形状。建构平台的数量并没有限制，并且实际上所选定的建构平台的数量是考虑所制造产品的数量、产品的尺寸、生产线的最大尺度或其它标准。建构平台的一般数量介于300到10之间，更特别的是介于200到50之间，或甚至更特别的是介于150到75之间。发明人认为优选的建构平台数量为100。建构平台的数量可为偶数或奇数。基本上，建构平台的数量并无设定上限值。可理解的是，如果生产线包括有效数量的建构平台，则生产线可达到最佳利用。然而，生产线可包括限制数量为9或更少的建构平台，利用重复暴露至沉积头及在不需停止运送机的情况下可自生产线提取产品。在生产线进行操作期间或预先，可对于运送机的速度进行调整。典型地，运送机的速度可介于10m/s至1m/s之间，例如尤其是根据沉积头的类型而定的2m/s或4m/s。然而，速度高于10m/s的运送机似乎适合于特定实施例，而速度低于1m/s或甚至低于0.5m/s的运送机可适合其它实施例。包括将液滴喷至需求沉积头的设备的运送机速度为1.5m/s或更少。在使用期间所进行的调整可允许建构平台的运输变慢或增快，例如当进行产品提取或放置的特定工艺时，此类速度的调整是相当有利的。在特定实施例中，载具或部分的载具可包括相对于载具基底、沿垂直于建构方向的方向、更特别的是沿运送方向而对于建构平台进行移位的装置，此装置允许个别建构平台可相对于其它邻近建构平台进行加速或减速。此类移位装置可适合于将对象放置在产品之上或之内。
图9表示用于有形产品的层叠制造的生产线(200)的实施例，在本图中说明了多个不同种类的设备及装置可放置在运送机周围。此类设备及装置的例子为：用于打印第一可固化树脂类型的第一喷墨打印机(201)、用于打印第二可固化树脂类型的第二喷墨打印机(202)、用于沉积金属(例如：锡)的喷射装置(203)、用于自建构平台(205)提取产品的提取机器人(204)、用于放置对象于建构平台上的放置导引器(206)、用于固化树脂的紫外线灯(207)、用于固化树脂的发光二极管阵列(208)、用于烧结含金属的层的加热装置(209)、用于测量建构平台上产品的高度的高度量测站(210)、用于移除材料的层移除装置(211)(例如：通过切割)、用于控制生产工艺的控制单元(212)、用于移动建构平台至运送机上方的预定高度的高度调整站(213)，以及用于在自运送机移除已被加工的产品的同时替换该产品的取放单元(214)。生产线还可包括用于处理处理站(216)中的产品的第二运送机(215)，此类处理站可配置用于处理产品的表面、用于沉积原子层或用于嵌入电子组件。可通过机器人(204)将产品放置于第二运送机(215)，并且可自第二运送机(215)提取产品而放置于建构平台(205)上。然而，第一运送机及第二运送机也可经配置而使得建构平台自第一运送机指向第二运送机。上述设备还可包括用于自动读取贴附在建构平台、基底或产品的代码的读取器(217)。读取器(217)可为适合于读取代码(例如：条形码或二维条形码)的光学读取器。然而，读取器(217)还可为适合于自例如射频识别卷标读取信息的无线电读取器，或是用于读取可磁化条中信息的磁读取器。读取器(217)可传送信息至控制单元，此控制单元可包括用于储存相关建构平台及放置在建构平台上的产品的信息的软件程序，此软件程序可针对所必须执行的有关于产品及建构平台的另一处理步骤进行决定。
本发明涉及制造有形产品的方法及设备。因此，即使不是很明确地提出有关于方法中所提出的结构部件，这些结构部件是可在设备中实施。再者，本领域技术人员知晓如何将上述方法步骤在设备中实施。此外，在设备的说明中所提及的处理步骤可在上述方法中实施。

Claims (14)

1.一种通过层叠制造制备有形产品的方法，包括：
沉积步骤(1)，利用材料提供装置在沉积区域内将构造材料的层沉积在第一建构平台上以建构第一层状产品；
运送步骤(2)，利用运送机将该第一建构平台运离该沉积区域；
移除步骤(3)，自该第一建构平台移除该第一层状产品；
调整步骤(4)，沿着平行于建构方向的方向调整该材料提供装置与该第一建构平台之间的距离；
沉积步骤(5)，在移除该第一层状产品后，沉积构造材料于该第一建构平台上以得到第二层状产品；
其特征在于：
通过相对于该运送机移动该建构平台以实现该调整步骤；且
重复(6)使该运送机移动该建构平台通过该材料提供装置以得到该第一层状产品；并且
该方法进一步包括该沉积步骤在该沉积区域内，利用该材料提供装置沉积构造材料的另一层于第二建构平台上，该第一建构平台及该第二建构平台相对于该运送机、沿着该建构方向相互独立地能移位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在沉积该层时，该运送机使该平台相对于该材料提供装置以至少1米/秒的速度进行移动。
3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括硬化步骤(7)，在将材料的层沉积于该建构平台上以后，以预定图案对于该构造材料进行硬化。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括沉积步骤(8)，该沉积步骤为沉积支撑材料以支撑该构造材料。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法进一步包括：
另一处理步骤(9)，对于已自该建构平台移除后的第一产品进行处理；以及
放置步骤(10)，将处理过的该第一产品置于该运送机所运送的建构平台。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括移除步骤，该移除步骤为当第一产品贴附于该建构平台时将材料自该第一产品移除。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括放置步骤，该放置步骤为将对象放置于该建构平台上。
8.一种生产线(100)，用于有形产品的层叠制造，该生产线包括：
第一建构平台(102)，用于运载有形产品；
沉积头(101)，用于提供构造材料的层于该第一建构平台之上；
运送机(103)，用于沿运送平面运送该第一建构平台；
高度调整装置(107)，用于调整该沉积头与该第一建构平台之间的距离；
其特征在于：
该运送机系为用于重复地将该第一建构平台运向该沉积头及运离该沉积头(105)的运送机；以及
该高度调整装置(107)设置用于相对于该运送机，沿着垂直于运送平面的方向移动该第一建构平台(104)，以及
该生产线进一步包括用于接收该材料的第二建构平台，通过该运送机能运送该第二建构平台，该第一建构平台及该第二建构平台相对于该运送机、沿着建构方向相互独立地能移位。
9.根据权利要求8所述的生产线，其中，该运送机为循环式运送机，并且该生产线进一步包括用于自该建构平台提取产品的提取单元(106)。
10.根据权利要求8或9所述的生产线，其中，该建构平台(102)及该高度调整装置(107)定位于载具基底(108)，通过该运送机(103)能运送该载具基底。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的生产线，进一步包括用于将产品放置在建构平台上的放置单元。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的生产线，进一步包括切割单元(121)，该切割单元(121)用于在通过该运送机运送该产品的同时，自制造的产品移除材料。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的生产线，包括可调式高度调整装置，该可调式高度调整装置包括用于沿着垂直方向移动该建构平台的斜坡(321)。
14.根据前述权利要求8至13中任一项所述的生产线，包括读取器(217)及用于控制产品的处理步骤的处理单元(212)。
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