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CN1678448A - 使用创成制造方法制造三维物体的装置和方法 - Google Patents

使用创成制造方法制造三维物体的装置和方法 Download PDF

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CN1678448A CNA038209845A CN03820984A CN1678448A CN 1678448 A CN1678448 A CN 1678448A CN A038209845 A CNA038209845 A CN A038209845A CN 03820984 A CN03820984 A CN 03820984A CN 1678448 A CN1678448 A CN 1678448A
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Abstract

本发明提供一种通过选择性固化液体或粉末状可固化堆积材料逐层创成制造三维物体的设备和方法。其中制造物体的堆积区(2)相对于施加堆积材料层的材料施加装置(7)以及固化装置(1)进行旋转运动，材料施加装置(7)和固化装置(1)可以在堆积区内不同位置同时使用。

Description

使用创成制造方法制造三维物体的装置和方法
本发明涉及一种使用创成制造方法(generative manufacturingmethod)制造三维物体的装置和方法。
在创成制造方法中，例如，选择性激光烧结、立体光刻(stereolithography)、LOM法(叠层物体制造)、FDM法(熔融沉积成形)、三维打印(用胶水或通过化学反应，特别是通过使用包括粘结剂/硬化剂的多组分系统或通过熔化热塑性塑料，将粉末状材料固化)，通过应用在对应于物体截面的位置上相互连接的堆积材料层，逐层制造三维物体。
通过激光选区烧结逐层制造三维物体的一种装置，例如，参见EP0734842。其中，将第一层粉末材料应用到已经下降的支座上，并在对应物体的位置上照射，从而将材料烧结在一起。接着，支座下降，将第二层材料应用到上述第一层材料上并重新进行选区烧结，使其结合在第一层上。这样逐层制成物体。
在此应用中，使用的堆积材料层没有涉及到容器底部与支座之间空隙中材料自流动，例如，在DE19957370中描述的。
在制造物体时，现有技术激光烧结机执行基本步骤，像按串联顺序的配料、形成层、回火和照射，或者原则上这些步骤仅有部分是并行的。这种方法在一段长时间内没有材料凝固。与从可用激光功率以及所凝固材料感光度得出的理论最大生产率相比，机器的生产率减小。上述其它创成制造方法中公知的一些类似部分也应用于此装置中。
本发明的一个目的是提高逐层制造三维物体装置的生产速率以及提高相应方法的生产率。
上述目的是通过权利要求1所述的装置以及权利要求17所述的方法实现的。
其它发展在相关权利要求中说明。
从实施例的说明并结合附图将得到本发明的其它特征和实用性。
在附图中：
图1是本发明第一实施例装置的侧视图；
图2是本发明第二实施例装置的顶视图；
图3是本发明第二实施例装置的透视图；
图4是本发明第三实施例装置的顶视图；
图5是本发明第三实施例装置的透视图。
第一实施例
图1表示根据本发明第一实施例的逐层制造三维物体装置的剖视图。该装置包括不必要是圆形截面的堆积区。这是由堆积容器4形成的，堆积容器4具有外边界面17和内边界面16，并在顶部开口。由于提供了内边界面16，使外边界面17形成的堆积空间包括一个空腔。堆积平台6作为堆积容器4的下边界，并且其设计成可以完全填充内边界面16与外边界面17之间的区域。堆积平台6在其内边缘具有密封19，用于密封内边界面16与堆积平台6之间的间隙。堆积平台6在其外边缘具有密封18，用于密封外边界面17与堆积平台6之间的间隙。提供内边界面16并不是必不可少的。如果仅有外边界面17，则堆积容器4不包括其中心的空腔，堆积平台6不包括其中心的孔。
堆积平台6连接到垂直驱动器15，使堆积平台6沿垂直方向上下运动。整个堆积容器4连接到驱动器20，使堆积容器4绕其旋转轴线3运动，旋转轴线3与堆积容器4的对称轴相同。堆积容器4与驱动器20之间的连接设计成，紧靠堆积容器4下面可以拆卸，从而将堆积容器4从堆积区2卸下。
材料施加装置7用于添加应用到堆积平台上的材料，位于堆积容器4上方。此材料施加装置在径向到达堆积容器的最大半径延伸处。包括激光器21和偏转单元22的固化装置位于材料施加装置7上方。偏转单元适合于将激光束引导到固化区11内的任意位置。优选地，偏转单元是一台XY扫描仪。固化区11是堆积区2内的一个子区，它相对于材料施加装置的位置是固定的并位于材料施加装置沉积层的高度上。
如图1所示，激光器21、偏转单元22、垂直驱动器15和驱动器20连接到控制器23。并且，图1表示被未固化材料25包围的物体24。
下面描述第一实施例装置的操作。首先，堆积平台6的定位，使其顶表面与堆积容器4的上边缘平齐。接着，控制器23启动堆积容器4的运动，堆积容器4的运动是通过驱动器20绕旋转轴线3以匀速转动，此时材料施加装置7将待固化的材料施加到堆积平台6。接着启动激光器的照射过程。激光器将静止固化区11内的选择位置处的材料固化，在此下方堆积容器4是运动的。材料施加装置7施加材料是按如下方式进行的：当施加的材料层进入被激光照射所覆盖的固化区11，施加的层具有预定厚度d。并且这可以在控制器不参与的情况下自动进行。此外，控制器23控制垂直驱动器15的方式是，在堆积容器转过一整圈时，堆积平台被下降有层厚度d的量。在堆积容器4的每圈转动过程中，向固化区11以外的位置施加的材料在固化区11内固化。
此实施例的优点是，在对所生产的物体的一个表面区施加的材料固化过程中，向所生产的物体的其它表面区域施加新的材料。通过将材料施加与材料固化过程并行进行，在制造物体时提高了生产率。因此不存在进行配料、沉积和回火以及不固化的非生产时间。并且，材料施加装置7相对于堆积容器4的相对运动在所有时刻仅是一个方向。由此除了得到较好温度性以外，导致很多优点，例如，方法的较高安全性和较高精度以及零件没有翘曲和应力。并且，所制造的物体尺寸和数量不受偏转单元覆盖区域的限制。因此，该装置适合于生产大量的具有相同性质的零件。
第二实施例
第二实施例与第一实施例的不同之处在于具有几个固化装置1和几个材料施加装置7。并且，每个固化装置指定给一个材料施加装置7以及堆积区2内的一个固化区。
图2表示装置的顶视图，作为一个例子具有4个固化区11、12、13、14，每个固化区分别处于材料施加装置7和8以及材料施加装置8和9以及材料施加装置9和10以及材料施加装置10和7之间。
本发明第二实施例装置的操作与第一实施例装置的操作的不同在于，在所有固化区内施加的材料层同时固化。例如，在图2所示的装置中，材料施加装置7施加的材料在固化区11固化，材料施加装置8施加的材料在固化区12固化，材料施加装置9施加的材料在固化区13固化，材料施加装置10施加的材料在固化区14固化。并且，每个材料施加装置沉积的材料层厚为d。如果一般n表示存在的固化区数量，则在堆积容器旋转一圈的过程中，堆积平台必须下降n倍的层厚n×d，如图3所示n＝4。出于简化图解的原因，图3仅表示一个固化装置1。
与第一实施例相比，使用本发明第二实施例进一步提高了生产率，因为堆积材料在所生产的物体的几个区域内同时固化。
第一和第二实施例的第一变型
第一或第二实施例装置的第一变型包括驱动器20，它能在堆积容器旋转过程中步进地或连续地改变旋转速度。
在第一实施例装置的第一变型的运行过程中，当不固化的施加层材料越过固化区11时，增大堆积容器绕旋转轴线3的旋转速度。这样，由于缩短了不固化堆积材料的旋转时间，从而提高了生产速率。
优选地，根据要固化的施加层部分区域的范围而改变堆积容器的旋转速度。结果，实际旋转速度是根据施加层选择固化的一个固化区内最大部分区域的范围而确定的。如果将此最大可能旋转速率设定为堆积容器的旋转速度，则获得生产速率提高。
第一和第二实施例的第二变型
在第二变型中，操作模式变型如下，材料施加装置沉积的层厚d变化。当这样做时，堆积平台6的下降速度适合于堆积区2部分区域沉积的层厚d’。结果，层厚可以适合于堆积零件的局部几何需求。例如，如果局部需要提高细节的分辨率，就可以应用厚度减小的一层或几层。因此可以优化制造过程。
第一和第二实施例的第三变型
在本发明第一或第二实施例装置的第三变型中，驱动器20不连接到堆积容器4，而是连接到固化装置1和材料施加装置7、8、9、10。因此在运动时，堆积容器4保持其位置，同时驱动器20引导固化装置1和材料施加装置7、8、9、10相对于堆积容器4绕旋转轴线3运动。当然，固化装置1和材料施加装置7、8、9、10以及堆积容器4可以彼此相对运动。
第一或第二实施例的第四变型
在第一和第二实施例的第四变型中，堆积平台不是连续下降，而是步进式下降。这意味着，例如，在完成固化后执行下降。这样做的优点是，由于施加层平行于水平面而简化激光束聚焦到固化层上。
第三实施例
图4和5表示本发明第三实施例。第三实施例与第二实施例的不同在于，堆积容器4替换为多个堆积容器。在图4和5中，堆积区代表四个堆积容器4a、4b、4c、4d。每个堆积容器4a、4b、4c、4d分别包括堆积平台6a、6b、6c、6d，并分别具有外边界面17、内边界面16和侧边界面26。在每种情况下，堆积平台6a、6b、6c、6d分别作为堆积容器4a、4b、4c、4d的下边界，并在外边界面17、内边界面16和侧边界面26之间伸展。堆积平台和边界面之间的间隙按与上面实施例相似的密封方式密封。单个堆积容器的水平截面可以具有任何形状并不必要相同。
从图4中可以看出，将堆积材料施加到堆积容器4a、4b、4c、4d的材料施加装置7、8、9、10排列在旋转轴线3周围。优选地，材料施加装置的数量对应于堆积容器的数量。几个偏转单元22和/或激光器21位于材料施加装置7、8、9、10上方。并且，每个偏转单元能将激光束引导到为偏转单元指定的固化区内任何位置。这里，每个偏转单元指定到堆积区2内的一个固化区。优选地，堆积容器的数量对应于固化区的数量。图4表示具有四个固化区11、12、13、14的装置的顶视图，其中每个固化区分别位于材料施加装置7和8以及材料施加装置8和9以及材料施加装置9和10以及材料施加装置10和7之间。
每个堆积平台6a、6b、6c、6d分别连接到垂直驱动器15a、15b、15c、15d，这未在图中表示，从而使堆积平台沿垂直方向上下运动。这里，在每种情况下，垂直驱动器与堆积容器之间的连接可以从紧靠堆积容器下面拆卸，使每个堆积容器从堆积区2上卸下，而与其它堆积容器无关。为了简化装置也可以使用单一的垂直驱动器15，所有堆积平台6a、6b、6c、6d都连接在其上面。所有堆积容器4a、4b、4c、4d连接到驱动器20，使堆积容器4a、4b、4c、4d彼此同步地绕旋转轴线3运动。激光器21、偏转单元22、垂直驱动器15a、15b、15c、15d和驱动器20连接到控制器23。
下面说明第三实施例装置的操作。在控制器23作用下，驱动器20驱动堆积容器4a、4b、4c、4d绕旋转轴线3同步匀速运动。材料施加装置7、8、9、10供应将在堆积平台6a、6b、6c、6d上固化的材料。如同第二实施例，施加的材料层在所有固化区同时固化。例如在图4所示装置中，材料施加装置7施加的材料在固化区11固化，材料施加装置8施加的材料在固化区12固化，材料施加装置9施加的材料在固化区13固化，材料施加装置10施加的材料在固化区14固化。这里，每个材料施加装置沉积的材料层厚为d。基于此原因，驱动器15a、15b、15c、15d的受控制方式如下，在相关堆积容器转过一圈过程中每个堆积平台6a、6b、6c、6d下降层厚的4倍4×d。如果一般用n表示现有固化区数量，则各个堆积平台必须在相关堆积容器转过一圈过程中下降n倍层厚n×d。
第三实施例的优点来自于增大的灵活性。装置可以在仅有一部分堆积容器下运行，甚至仅有一个堆积容器。这可以减小堆积体积，以便适合于要固化的零件的尺寸。因此，所使用的未固化前的原料数量减少。这对于加工热塑性塑料特别重要。其中，未被使用的原料可以重新使用。但是，由于热破坏，需要使用新鲜材料作为混合物才可能使用。由此得到的另外优点是，对于先完成的单个零件，可以卸下相关的堆积容器，并先替换成新的堆积容器，接着在新的堆积容器中开始新零件的堆积，同时在其余堆积容器中的零件堆积完成。这可以使生产率提高。
第三实施例的第一变型
可选择的是，堆积平台不是连续下降，而是步进式下降。这意味着，例如，在所有固化区完成固化之后执行下降。这样做的优点是，由于施加层平行于水平面而简化了激光束在固化层上的聚焦。
第三实施例的第二变型
在第三实施例的第二变型中，施加层的层厚可以在不同堆积容器中设定成不同值。这可以结合不同堆积容器中堆积平台的不同下降速度。从而不同层厚的物体可以并行制造。
第三实施例的第三变型
与上述第一和第二实施例的第二变型类似，改变材料施加装置在一个堆积容器或几个堆积容器内沉积的层厚d也是可以的。层厚可以适合于堆积零件的局部几何需求，例如，当局部需要提高细节的分辨率时。因此可以优化制造过程。
第三实施例的第四变型
在第四变型中，堆积容器不相对于旋转轴线3旋转。相反，引导驱动器27仅是在绕旋转轴线3的封闭但不必须是圆形的路线上同步引导堆积容器。如果装置具有n个材料施加装置以及n个固化区，路线优选地对应于有n个角的多边形边界。可以选择的是，每个堆积容器还绕旋转轴线3或着绕旋转轴线3’在其路线上旋转，旋转轴线3’平行于旋转轴线3并穿过堆积容器。
第三实施例的第五变型
与上述第一变型类似，在第三实施例的第五变型中，装置包括驱动器20，驱动器20能在堆积容器旋转过程中步进地或连续地改变旋转速度。因此，实际旋转速度适合于施加层选择固化的一个固化区内最大部分区域的范围。如果将此最大可能旋转速率设定为堆积容器的旋转速度，则获得生产速率提高。
第三实施例的第六变型
与上述第三变型类似，在第三实施例的第六变型中，驱动器20不连接到堆积容器4a、4b、4c、4d，而是连接到偏转单元22和材料施加装置7、8、9、10。因此，在运行过程中，堆积容器4a、4b、4c、4d保持在其位置上，同时驱动器20驱动偏转单元22和材料施加装置7、8、9、10绕旋转轴线3旋转。当然，偏转单元22和材料施加装置7、8、9、10以及堆积容器4a、4b、4c、4d彼此相对旋转也是可以的。
当然，第三实施例的不同变型的任意组合也是可以的。
在所有实施例中，替代激光器和偏转单元，也可以使用其它照射源，例如，电子束、微波照射、具有荫罩的灯、LED和其它发光阵列，等等，或者其它固化装置，例如粘结剂和胶水施加装置。
并且，上述装置和上述方法可以用于不同的创成制造方法，例如，特别是聚合物的选择性激光烧结、立体光刻(stereolithography)、LOM法(叠层物体制造)、FDM法(熔融沉积成形)、三维打印(用胶水或通过化学反应，特别是通过使用包括粘结剂/硬化剂的多组分系统或通过熔化热塑性塑料，将粉末状材料固化)，通过应用在对应于物体截面的位置上施加并相互连接堆积材料层，逐层制造三维物体。

Claims (29)

1.一种通过创成制造方法制造三维物体的设备，其特征在于物体是由堆积材料逐层制造的，所述设备具有：
支座(4)；
材料施加装置(7)，用于将堆积材料逐层施加到支座(4)上或者先前已经施加的层上；以及
装置(1)，用于将施加的层与先前在固化区(11)内施加的层互相结合，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式使得在施加的层与先前施加的层互相结合过程中，先前施加的层和材料施加装置(7)相对于彼此运动。
2.一种通过创成制造方法制造三维物体的设备，其中物体是由堆积材料逐层制造的，所述设备具有：
支座(4)；
材料施加装置(7)，用于将堆积材料逐层施加到支座(4)上或者先前已经施加的层上；以及
装置(1)，用于将施加的层与先前在固化区(11)内施加的层互相结合，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式使得施加的层与先前施加的层互相结合是在不中断材料供应的条件下进行的。
3.一种通过创成制造方法制造三维物体的设备，其中物体是由堆积材料逐层制造的，所述设备具有：
支座(4)；
材料施加装置(7)，用于将堆积材料逐层施加到支座(4)上或者先前已经施加的层上；以及
装置(1)，用于将施加的层与先前在固化区(11)内施加的层互相结合，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式是相对运动仅在一个方向发生，并且在施加材料过程中，支座(4)和材料施加装置(7)相对彼此运动，运动方式是相对运动仅在一个方向发生。
4.如权利要求1到3中的一项所述的设备，其特征在于支座(4)相对于材料施加装置(7)执行旋转运动并沿旋转轴线方向前进。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于前进连续地执行或是步进方式进行。
6.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于支座(4)和材料施加装置是可以运动的，运动方式是当转过一整圈时支座离开材料施加装置一层厚度的距离。
7.如权利要求1到6中的一项所述的设备，其特征在于支座(4)运动，材料施加装置(7)和使层互相结合的装置(1)静止。
8.如权利要求1到6中的一项所述的设备，其特征在于支座(4)静止，材料施加装置(7)和使层互相结合的装置(1)运动。
9.如权利要求4到8中的一项所述的设备，其特征在于沿旋转轴线方向的速度和/或前进量是可调的。
10.如权利要求4到9中的一项所述的设备，其特征在于旋转运动的圆周速度是可调的。
11.如权利要求4到10中的一项所述的设备，其特征在于具有多个固化区(11)。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于具有多个支座(4)。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于支座的前进量是独立控制的。
14.如权利要求11到13中的一项所述的设备，其特征在于支座沿非圆形路线进行旋转运动，当具有n个支座时，优选的非圆形路线是具有n个角的多边形。
15.如权利要求11到14中的一项所述的设备，其特征在于具有多个材料施加装置(7)。
16.如权利要求11到15中的一项所述的设备，其特征在于对每个固化区(11)分配一个将施加的层与先前施加的层互相结合的装置(1)。
17.如权利要求1到16中的一项所述的设备，其特征在于堆积材料是粉末状的，并且将堆积材料施加的层与先前施加的层互相结合的装置(1)优选的是用于烧结粉末的激光器，或者是用于通过胶水固化粉末的装置。
18.如权利要求1到17中的一项所述的设备，其特征在于支座(4)是用于装堆积材料的容器一部分。
19.一种通过创成制造方法制造三维物体的方法，其中利用材料施加装置(7)将堆积材料层施加到支座(4)上或先前施加的层上，并将施加的层与先前施加的层互相结合，从而由堆积材料逐层制造物体，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式使得在施加的层与先前施加的层互相结合时，先前施加的层和材料施加装置(7)相对于彼此运动。
20.一种通过创成制造方法制造三维物体的方法，其中利用材料施加装置(7)将堆积材料层施加到支座(4)上或先前施加的层上，并将施加的层与先前施加的层互相结合，从而由堆积材料逐层制造物体，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式使得施加的层与先前施加的层互相结合，是在不中断材料供应的条件下进行的。
21.一种通过创成制造方法制造三维物体的方法，其中利用材料施加装置(7)将堆积材料层施加到支座(4)上或先前施加的层上，并将施加的层与先前施加的层互相结合，从而由堆积材料逐层制造物体，其特征在于
支座(4)和材料施加装置(7)相对于彼此可以运动，运动方式使得相对运动仅在一个方向发生，并且在施加材料过程中，支座(4)和材料施加装置(7)相对彼此运动。
22.如权利要求19到21中的一项所述的方法，具有以下步骤：
(a)逐层施加堆积材料；以及
(b)将一层施加的堆积材料与先前施加的一层堆积材料相互结合，
其特征在于
步骤(a)和(b)是同时执行的，但总是在不同区域执行。
23.如权利要求19到22中的一项所述的方法，其特征在于至少同时制造两个物体。
24.如权利要求19到23中的一项所述的方法，其特征在于使用如权利要求1到18中的一项所述的设备。
25.如权利要求19到24中的一项所述的方法，其特征在于材料施加装置(7)和支座(4)的相对运动按如下方式进行：支座上的一个点沿螺旋路线运动。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于一圈螺旋线是圆形的、n个角的多边形，椭圆形或不规则弯曲形。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于一部分螺纹路线沿螺旋轴线方向直线延伸。
28.如权利要求19到27中的一项所述的方法，其特征在于堆积材料层具有在堆积区可变的厚度。
29.如权利要求19到28中的一项所述的方法，其特征在于创成制造三维物体的方法是激光烧结法或3D打印法。
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