專利名稱：生成三維物體的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一生成三維物體的方法一其中所述的物體是由輸入材料13的相應層分層生成的，所述的材料層可通過電磁輻射或粒子輻射而固化，此后通過對相應于物體的材料的位置進行輻射而使材料層固化，而此時材料圍住物體的區(qū)域是同時固化從而生成一用于該材料的容器壁；本發(fā)明還涉及一用于完成上述方法的裝置一它包括一高度可調(diào)的支架，一將材料的層投入到支架9上用于固化的裝置，一輻射裝置和用于控制該輻射裝置使之輻射到對應于物體的位置的層上的控制裝置。
這種方法和裝置已在DE 43 00 478 C1公開。如

圖1所示，已知的裝置包括一基本上水平的工作臺1，該工作臺1有的切口2形式的孔。該切口2比所生成的物體3的最大橫截面要大。在工作臺1上有一輻射裝置4用作激光器并能產(chǎn)生一聚焦光束5。該聚焦光束5通過一偏轉(zhuǎn)裝置6偏轉(zhuǎn)并將偏轉(zhuǎn)光束7照射到工作臺1的平面上。一控制裝置8控制所述的偏轉(zhuǎn)裝置6，從而可使偏轉(zhuǎn)的光束7可照射到由切口2確定的工作區(qū)域內(nèi)任何所需的位置上。
在切口2下設置有平臺狀的同樣基本上為水平的支架9。該支架裝置9可沿箭頭11的方向在一最高位置和最低位置間移動，在所述的最高位置時，支架9的表面位于切口2內(nèi)并且基本上與工作臺1的表面齊平，而在所述的最低位置時，支架與工作臺間的距離大于物體3的最大高度。上述支架9的移動是通過一升舉定位裝置10完成的。
施加粉末材料13層的投料裝置12可在水平方向橫向于工作臺1和切口2移動，上述粉末材料13可在電磁輻射作用下固化。例如，該投料裝置12可為一貯存器，其上帶有一用于使材料層平滑的刮刷器。
控制裝置8和升舉定位裝置10兩者都與中央控制裝置14相連，從而可對其進行協(xié)調(diào)控制。
在已知的激光燒結(jié)方法中，首先升舉定位裝置10將支架裝置9移到其最高位置處從而使支架9的表面與工作臺1的表面齊平，接著下降該支架一段距離，該段距離對應于第一材料層所要求的厚度，從而在切口2內(nèi)形成一下降的區(qū)域，該下降的區(qū)域側(cè)面是由切口2的壁及底面由支架9表面圍成的。在上述下降的區(qū)域內(nèi)，通過投料裝置12向由切口2和支架9形成的槽腔中注入材料13的第一層并使之平滑。此后，控制裝置14控制偏轉(zhuǎn)裝置6，使偏轉(zhuǎn)的光束7照射到待固化層的位置上，并對該處的材料進行燒結(jié)，而這種控制是根據(jù)存貯于控制裝置14中的物體3的座標數(shù)據(jù)進行的。接著，控制裝置14使偏轉(zhuǎn)的光束僅照射到鄰近于切口2之內(nèi)壁的材料層的區(qū)域以對該處的材料層進行燒結(jié)，由此生成了一第一環(huán)形壁層，該環(huán)形壁層完全圍住了層中的余留粉末材料。
在接下來的步驟中，每次使支架9下降一下繼層的厚度，其操作同第一步的操作相同。生產(chǎn)每個物體層時通過在環(huán)形壁層上再燒結(jié)一環(huán)形壁層，從而可生成一形成一容器壁的環(huán)形壁區(qū)域15，該容器壁將物體3和余留的未燒結(jié)的材料13包住，當將支架9下降至工作臺1以下時，可防止材料13泄漏。重復上述步驟直至生成物體3。
同時固化的容器壁15將未固化的粉末13保留于其中。因此，未固化的粉末用作上繼層的支承。如果除了圓柱形的容器壁15固化了外，還固化了其底和蓋，則可避免在激光燒結(jié)裝置中生成物體所需的較長的冷卻時間，原因是可將生成的物體連同其容器一起從該裝置中取出放至另一單獨的地方去冷卻。
然而，上述已知的方法具有下列缺陷。該容器壁15為一單獨的元件，需對其進行分層輻射。因此物體的生成時間就會變長。一般地，激光束的聚焦在邊緣處，亦即在固化容器壁的區(qū)域亦減弱。所以要想可靠地形成一穩(wěn)定的容器壁是困難的。
更進一步的缺陷是由激光固化物體的每一層時生成的容器壁會妨礙刮刷器12的運動，該刮刷器在刮刷每層的表面時，會向每一表面施加一定的壓力，從而在每一生成過程中，可能會損壞上述容器壁。
此外，在用型砂作為固化的材料時，不能應用上述已知方法。原因在于不能用激光束輻射生成一既薄又足夠穩(wěn)定的容器壁。
本發(fā)明的目的是提供一種用于生成三維物體的方法及裝置，它能在短時間內(nèi)生成穩(wěn)定的容器壁及物體。
根據(jù)權(quán)利要求1或21之方法和根據(jù)權(quán)利要求17或25的裝置可達到上述目的。
進一步的描述可參見從屬權(quán)利要求。
本方法的優(yōu)點在于可省去輻射容器壁或邊框的時間，從而節(jié)省了更多的時間。該方法尤其適于采用型砂做固化材料。
結(jié)合附圖，通過對實施例的描述可得知本發(fā)明進一步的特點與優(yōu)點。
圖1簡要示出了通過激光燒結(jié)產(chǎn)生三維物體的已有裝置剖視圖；而圖2則簡要示出了執(zhí)行所述的物體產(chǎn)生方法的本發(fā)明裝置的一個實施例的剖視圖。
如圖2所示，用于完成上述方法的該裝置包括與圖1所示裝置相同的元件。因此具有相同標號的元件不再重復描述。
該裝置還附加包括一加熱環(huán)16，例如該加熱環(huán)16可形成為加熱線圈，它設置在工作臺1之壁18上形成的槽7內(nèi)，所述的工作臺1上設有切口2。加熱線圈16安裝于槽17內(nèi)并其末端與壁18對齊。工作臺1上的槽17并不是剛好位于工作面的下方，(該工作面的位置取決于激光束7的光點為材料13之表面)而是位于工作面下幾厘米處。在該裝置中，支架9可被加熱，因此添加到支架9上的第一層材料13可分別在熱作用下固化。
在已有的方法中，支架9首先通過一升舉定位裝置10移動到其最上位置，此時支架9的表面與工作臺1的表面齊平，然后下降一對應于第一材料層所需厚度的位移，此時在切口2內(nèi)形成了下降的區(qū)域并且該下降的區(qū)域側(cè)向由切口2的壁18圍成和底面由支架9的表面所限制。因此，第一層燒結(jié)粉末材料如由帶酚醛樹脂涂料硅砂組成的型砂通過投料裝置12被注入到由切口2和支架9確定的下降的區(qū)域中至預定的層的厚度。
與現(xiàn)有技術不同，將支架9加熱從而使注入的第一層被燒結(jié)并在熱作用下固化。在該方式中，首先形成一固態(tài)的底層20。固化所需溫度在80℃到160℃之間，跟材料有關。
第二步是由控制裝置14通過升舉定位裝置10使支架9下降至少相應于一層厚度的位移，并且通過投料裝置12向切口2中所形成的下降區(qū)域中注入至少相應于一層厚度所需的型砂的量并將其平整。因此，在固態(tài)底層20上至少具有一層未固化的材料13。
在支架下降了相應于第二層厚度的位移量后，注入并平整材料13，此時可開始生產(chǎn)的物體3。為此，控制裝置14控制偏轉(zhuǎn)裝置6從而使偏轉(zhuǎn)的光束7照射到這些需要固化的層的位置處，所述的需要固化的層對應于存貯在控制裝置14中的物體3的坐標。
當降低支架9時，一旦圍住物體3的未固化的材料13進入加熱線圈16所在的區(qū)域，則圍住物體3的環(huán)形區(qū)域的材料13以及未固化的材料13就會在熱作用下被加熱燒結(jié)。該環(huán)形區(qū)域具有幾層厚度的垂直延伸量，該延伸量分別相應于槽17及加熱線圈16的尺寸。由于支架9下降了一層厚度的位移量，例如在一毫米的十分之幾的范圍內(nèi)，每次在一新的層固化前，相應地有幾層長期處于加熱線圈16的熱作用下。因而容器壁15以鄰近切口2的壁18的材料13的環(huán)形堆積區(qū)域處開始連續(xù)地固化。型砂承受加熱線圈16之熱作用的時間周期在20分鐘到一小時之間，取決于生產(chǎn)速度。此時加熱線圈的溫度位于80℃～160℃之間。生產(chǎn)過程越快，也即材料13處于加熱區(qū)域內(nèi)的時間周期越短，則所需的溫度應越高。
型砂是非常合適的材料，因為不會在型砂與加熱線圈間發(fā)生粘附。
當將支架9下降至低于工作臺1時，這種方式形成的容器壁可防止材料13漏出。由于容器壁15不會伸過工作面，而這一類(伸過工作面)在容器壁通過激光作用之傳統(tǒng)的固化過程中是司空見慣的，因此，在投料裝置12之喂料過程中，該容器壁不會成為刮刷器的障礙。由于待固化的邊緣區(qū)域的熱作用與層的輻射作用分開了，因此可節(jié)省傳統(tǒng)方法中所需的輻射時間。每層節(jié)省的時間約為20秒。
在生成最后的物體層后，容器壁15按上述步驟進一步固化，因此它比物體3高幾層厚度，接著在激光照射作用下，蓋層21被固化。底層20，容器壁15及蓋層21構(gòu)成一緊密地封閉物體3和余留的未燒結(jié)的材料13的容器。
然后將包括有物體3的容器從支架9上移至另一個單獨的地方用于冷卻，此時可立即開始另一新物體的生成過程。
也可以作些修改。例如，可省去底層20和/或蓋層21的生成。當物體應在裝置內(nèi)冷卻和在容器15內(nèi)進行一種安全的冷卻方式一即敞開的余留粉末的冷卻時一這時尤其推薦采用上述修改的方式。作為一種變化，底層20也可通過激光照射被固化。所述的投料裝置12也可設計成一圓筒、一滑動式投料器或一掃帚裝置，也可設計成用任何方式形成的適合于將均勻粉末材料層送入容器中的裝置。切口2的橫截面并不一定采用圓形橫截面；它也可采用方形、短形成任何其它形狀。除可使用加熱線圍外，也可加熱工作臺的整個厚度，或使用一加熱燈管。另外，可在容器壁上置上一可加熱的蓋或用一加熱燈管輻照最上面未固化層來固化蓋層。
該方法并不局限于只使用型砂，也可使用樹脂涂層的陶瓷材料或者金屬粉末。也可采用一低硫化的聚合物作為固化材料。此外，任何其它輻射源，只要其電磁輻射產(chǎn)生的直接的光束的能量足以用于燒結(jié)，例如紫外線燈，均可用作輻射裝置。而且，和可采用由電子射線源產(chǎn)生的電子射線的輻射。
根據(jù)另一個實施例，容器壁15可通過液體粘結(jié)劑來固化，該液體粘結(jié)劑注入在鄰近于工作臺的容器之邊緣處要固化的材料中并且在該處產(chǎn)生粘結(jié)作用。所述的液體粘結(jié)劑通過一安裝在槽17內(nèi)的導管注入材料13中，該導管包括若干噴嘴。當使用型砂作為固化材料時，使用一種固化時間在約20分鐘～1小時間的粘結(jié)劑，這取決于物體的生成時間。必須選擇粘結(jié)劑，以使其不會粘附于一般是由金屬制成的導管上。作為注入液體粘結(jié)劑的一種變化，在材料13固化前，可向其中加入膠合劑之類的粘結(jié)物質(zhì)，使該粘結(jié)物質(zhì)與一由導管注入的促進物發(fā)生反應，從而使所述的材料固化。
權(quán)利要求
1.生成一三維物體的方法，該物體(3)是由輸入材料(13)的相應層分層生成的，所述的材料層可通過電磁輻射或粒子輻射而凝固化，此后通過對相應于物體(3)的材料的位置進行輻射從而使材料層固化，其中圍住物體的材料區(qū)域同時固化以形成一容器壁(15)，該方法的特征在于上述區(qū)域是通過熱作用而固化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于材料(13)為一種固體粉末材料。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于型砂被用作所述的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該型砂包括涂有酚醛樹脂的硅砂。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于一種樹脂涂層金屬或陶瓷粉末被用作材料(13)。
6.如權(quán)利要求1-5之任一所述的方法，其特征在于具有一定厚度的材料層被輸入工作臺(1)的切口(2)，并且通過對鄰近于切口(2)之內(nèi)壁的區(qū)域的材料進行加熱而生成容器壁(15)從而由該容器壁將材料層封住。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于加到支架(9)上的材料層其最高位置至少部分在切口(2)中，通過使支架(9)分別下降一對應于該層厚度的位移量從而生成物體的每一層。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于不管何時使物體(3)的一層固化時，圍住于該層的至少一層的環(huán)形區(qū)域在熱作用下被固化。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于當生成物體(3)的層時，環(huán)形區(qū)域連續(xù)地依次固化以生成圍住整個物體(3)的容器壁(15)。
10.如權(quán)利要求6～9之任一所述的方法，其特征在于在生成容器壁(15)和物體(3)之前，由該容器壁(15)的區(qū)域所圍住的整個表面的材料層均被固化從而生成容器的底(20)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于通過加熱支架(9)來固化所述的表面上的材料層。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述的表面上的材料層是通過輻射使之固化。
13.如權(quán)利要求6～12之任一所述的方法，其特征在于在生成容器壁(15)和物體(3)后，由該容器壁(15)所圍住的整個表面的材料層被固化從而生成用于該容器的蓋(21)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述的表面上的材料層是由熱作用來固化。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述的表面上的材料層是通過輻射使之固化。
16.如權(quán)利要求6～15之任一所述的方法，其特征在于設置在工作臺(1)之切口(2)處的加熱線圈用作固化容器壁(15)。
17.實施權(quán)利要求1所述方法的裝置，包括一高度可調(diào)的支架(9)，一投入材料層(13)到支架(9)上用于固化的裝置(12)，一輻射裝置(4)和用于控制該輻裝置使之輻射到對應于物體(3)的位置的層上的控制裝置(8)，其特征在于它還具有一通過熱作用使圍住物體(3)的材料(13)的區(qū)域發(fā)生固化的加熱裝置(16)。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于它還具有一帶切口(2)的工作臺(1)，該切口(2)對應于周圍區(qū)域(15)，所述的支架(9)可升高到使其表面大體上與帶切口(2)的工作臺(1)之表面齊平的位置。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于所述的加熱裝置(16)包括一設置在工作臺(1)的環(huán)槽(17)內(nèi)的加熱線圈，該槽(17)圍繞著切口(2)，從而圍繞著包住物體的材料區(qū)域。
20.如權(quán)利要求17～19之任一所述的裝置，其特征在于所述的輻射裝置(4)包括一激光器。
21.生成一三維物體的方法，其中該物體是由輸入的材料(13)的相應層以分層方式生成的，所述的材料層可通過電磁輻射或粒子輻射而固化，此后通過對相應于物體(3)的位置的材料層進行輻射而使其固化，圍住物體的材料區(qū)域同時固化從而生成一用于該材料的容器壁(15)，該方法的特征在于上述區(qū)域是通過向其投入固化物質(zhì)而固化的。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述的物質(zhì)包括液體粘結(jié)劑。
23.如權(quán)利要求21或22所述的方法，其特征在于對材料(13)起固化作用的粘結(jié)物質(zhì)是與施加到該區(qū)域中的促進物質(zhì)一起發(fā)生作用，上述這些物質(zhì)是在物體(3)固化之前投入到材料(13)中去的。
24.如權(quán)利要求21～23之任一所述的方法，其特征在于含有涂有酚醛樹脂的硅砂的型砂用作被固化的材料(13)。
25.實施權(quán)利要求21所述方法的裝置，包括一高度可調(diào)的支架(9)，一投入待固化材料(13)層到支架(9)上的裝置(12)，一輻射裝置(4)和一用于控制該輻射裝置使之輻射到對應于物體(3)的位置的層上的控制裝置(8)，其特征在于它還包括將固化物質(zhì)投入到該區(qū)域的一裝置。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其特征在于它還包括一帶切口(2)的工作臺(1)，該切口(2)對應于被圍住的區(qū)域(15)，并且所述的支架(9)可升高到使其在切口(2)中的表面大體上與工作臺(1)的表面齊平。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于所述的投入固化物質(zhì)的裝置包括一接收該物質(zhì)的封閉導管，該導管上有多個噴嘴，用于投入所述的物質(zhì)，其中該導管設置在工作臺(1)的槽(17)內(nèi)，該槽圍繞著切口(2)，從而使導管也圍繞著圍住物體的材料之區(qū)域。
全文摘要
一用分層方式生成三維物體的方法，是通過投入在電磁輻射下能固化的材料的相應層完成的。在投入上述材料層后，通過對對應于圍住物體的區(qū)域位置進行輻射，使材料層在熱作用下隨物體而凝固，從而生成一用于該材料(13)的容器壁(15)。
文檔編號B23K26/00GK1138306SQ95191132
公開日1996年12月18日 申請日期1995年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月2日
發(fā)明者漢斯·J·蘭格, 克里斯蒂安·維爾克寧 申請人:Eos電子光學系統(tǒng)股份有限公司