專利名稱：具有涂層臺的固體仿形裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于制造具有多重截面部分的整體的三維產(chǎn)品的固體仿形裝置和方法，尤其是產(chǎn)品的截面部分與可光電加工的混合物的相鄰各層的固化部分相對應(yīng)的情況。該裝置和方法在涂層臺上采用一個配置器，它將部分可光電加工的混合物移放到該混合物的自由表面上，從而使輔助葉片可以產(chǎn)生均勻的液態(tài)層。
現(xiàn)在已有很多用光電加工法生產(chǎn)三維模制品的系統(tǒng)。1987年6月6日由Scitex有限公司提出的歐洲專利申請No.250121公開了一種用可固化的液體來生產(chǎn)三維模制品的裝置，該文件是本發(fā)明密切相關(guān)的先有技術(shù)文件的最好的總結(jié)。1986年3月11日授于C.W.Holl的美國專利No.4575330描述了一種生產(chǎn)三維產(chǎn)品的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一種液體介質(zhì)的選定表面上產(chǎn)生一個將加工產(chǎn)品的截面圖形，而液體介質(zhì)可響應(yīng)輻照、粒子轟擊或化學(xué)反應(yīng)的合適的協(xié)同的刺激而改變其物理狀態(tài)。與產(chǎn)品連續(xù)的相鄰的橫截面相對應(yīng)的連續(xù)相鄰層自動形成并聚集在一起，以提供所需要的產(chǎn)品的臺階式層狀結(jié)構(gòu)，在加工期間從大致平坦表面的液體介質(zhì)加工出三維產(chǎn)品。1988年6月21日授與E.V.Fudim的美國專利4752498號描述了加工三維產(chǎn)品的改進(jìn)的方法，它包括用傳輸有效量的光聚合物輻射穿過輻射傳輸材料照射未固化的光聚合物，該傳輸材料與未固化的液態(tài)光聚合物接觸。這種傳輸材料是一種能離開可進(jìn)一步交聯(lián)的輻射表面的材料，這樣當(dāng)制造下一層時，該層可粘接到輻射后的表面上。采用同樣的方法可以制造多層結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。
一種名稱為“用光電硬化的聚合物來制造三維塑料模型的自動方法”的出版物、作者是Hideo Kodama、科學(xué)儀器修訂本52(11)、1770-1773、1981年11月，描述了一種自動制造三維塑料模型的方法。這種固態(tài)模型是用紫外線照射液態(tài)光電加工的聚合物、堆積成截面固化層而制造的。題目為“固態(tài)物體的生產(chǎn)”的出版物，作者Alan J.Herbert，實用照相工程雜志，8(4)，185-188，1982年8月，描述了一種裝置，它能生產(chǎn)一種固體或三維產(chǎn)品的復(fù)制品，很象一個復(fù)印機(jī)，它能為兩維產(chǎn)品進(jìn)行同樣的工作。該裝置可根據(jù)計算機(jī)中儲存的信息在光聚合物中制造出簡單的三維產(chǎn)品。在最近出版的仿形技術(shù)期刊15186-190(1989)、作者A.J.Herbert名稱為“三維固態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)的評述”的出版物中對各種不同的方法進(jìn)行了很好的評述。
上述大多數(shù)方法都與一步一步地輻照想要固化的區(qū)域來形成三維產(chǎn)品的區(qū)段有關(guān)。各種屏蔽技術(shù)及采用直接的激光束寫印，即按所要求的圖案用激光束照射可光電加工的混合物而一層一層地制成三維模型都已進(jìn)行了描述。除了各種照射技術(shù)外，還描述了若干產(chǎn)生薄的液態(tài)層的方法，這些方法既可在開始時涂覆平臺，又可涂覆以前已照射過并已固化的各層。
然而，上述各種方法都不能確保平坦、均勻的涂層厚度，或不能快速產(chǎn)生涂層、或不能有效地防止在后一個涂層過程中損壞先前形成涂層，并且它們僅涉及到涂覆低粘度的液態(tài)組份。另外，它們未考慮到在涂覆過程中的重要參數(shù)，例如液體的液流及流變特性的影響，在涂覆過程中由于液態(tài)的流動薄的光電加工層易于畸變的傾向，氫鍵那樣的微弱的力和機(jī)械膠接那樣的強(qiáng)力的影響，以及真空和加在薄層上和待加工部分上的壓力差的影響等。
例如，Hull的專利描述了一種沉浸過程，其中先將平臺浸在一個容器中一層的距離之下，然后再升到可光電加工液體表面的一層厚度之內(nèi)。Hull還進(jìn)一步建議最好采用低粘度液體，然而，由于其它的實際原因，可光電加工的液體通常是高粘度的液體。裝在懸臂或梁上(在先前層部分附近的Z方向未支撐)的平臺和部件在液體中的移動會在覆蓋層上產(chǎn)生偏差，使最終產(chǎn)品精度差。另外，這種加工方法也相當(dāng)慢。
1956年12月25日授與O.J.Munz的美國專利No.2775758號及Scitex的申請中描述了一種方法，可光電加工的液體通過一個泵或類似的裝置引入一個槽中，使新的液體表面在先前輻射后的層上形成一層的厚度，此種方法除減小了涂層期間層的偏差外，同樣具有Hull方法的缺點。
授與Fudim的專利描述了使用透光材料將光聚物液體固定成所需要的形狀，假設(shè)為平坦的形狀，以此將所需的厚度的光聚合物固化。透光材料是剛性的，它復(fù)蓋或無粘接地附著到固化的光聚合物上。Fudim描述的方法并未提到從與透光材料密切接觸的光聚合物上分開透光材料的固有的問題。采用合適的復(fù)蓋或合適的覆蓋薄膜，可以大大減小化學(xué)粘結(jié)的影響，機(jī)械粘接、氫鍵、真空吸力等仍然存在，在某些情況下在從透明材料表面除去時它們會大到足以損毀光聚合物。
在日本專利公開號為61-114817、61-114818和61-116322中已推薦采用輔助葉片和/或材料供給機(jī)構(gòu)的方法。然而這些方法要求在容器中每次加工一層所需的材料或可光電加工的混合物的量非常準(zhǔn)確，另外它們還要求輔助葉片或平整葉片的寬度與容器的寬度相等以進(jìn)行正確的操作。鑒于這些原因，在這些專利中描述的系統(tǒng)均具有在所有時間上限定輔助葉片和容器部件之間的光敏材料的限制性要求。因此，在輔助葉片一次連續(xù)通過而不在其行程的終點出現(xiàn)材料過量或短缺從而形成均勻的覆蓋層是很困難的。換言之，由輔助葉片刮過后的層可能具有過量的材料或缺一部分，由于其設(shè)計所限，想獲得合適的厚度和均勻性而進(jìn)行再重新分配將是很困難的。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種裝置和方法，用于快速而均勻地制造具有許多橫截面部分的整體的三維產(chǎn)品，橫截面部分與可光電加工的液態(tài)混合物相鄰各層的固化部分相對應(yīng)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種平穩(wěn)的方式，將可光電加工的混合物提升到上述混合物表面的上方并放置在輔助葉片的前面。用于再循環(huán)固體仿形或立體制版中的樹脂液體的泵沒有出現(xiàn)一種可行的技術(shù)方案，這是因為這類混合物的粘度及主要的感光性會引起通路堵塞并在無法接受的高速下工作時泵會卡住。在泵的較高的剪切分力內(nèi)過早地聚合仿佛最有可能引起這個問題。
本發(fā)明包括一種固體仿形裝置和一種制造三維產(chǎn)品的方法，該方法用光化輻照有選擇地一層一層地照射液態(tài)可光電加工的混合物。該裝置包括一個裝有混合物的容器，使混合物具有一個自由表面，一個可移動的平臺置于自由表面的下方。通過降低和升起一個離開平臺的預(yù)先確定位置上的配置器使部分混合物移送到自由表面的上方。一輔助葉片與移送到的自由表面上方的混合物接觸，然后在平臺的上方移動，從而形成一層大致均勻的混合物層。


圖1 是為本發(fā)明優(yōu)選實施例的概略視圖;
圖2 為使用本發(fā)明配置器的涂層臺一部分的縱向剖面圖;
圖3 表示配置液態(tài)混合物的配置器的縱向剖面圖;
圖4a和4b為圖3 所示實施例的透視圖;
圖5 為本發(fā)明另一實施例的縱向剖面圖;
圖6 為圖5 實施例的透視圖;
圖7 為另一配置器的縱向剖視圖，其中，采用樞軸機(jī)構(gòu)來配置液體;
圖8a到8e表示本發(fā)明另一實施例的剖視圖;
圖9a到9b為本發(fā)明另一實施例的透視圖;
圖10是本發(fā)明不同實施例的縱剖面圖，其中配置器是單板形式。
圖11為另一實施例的縱向剖視圖，其中，配置器為平行的葉片形式;
圖12為平板式配置器的縱剖面圖，該平板側(cè)面裝有很多毛，所以具有毛刷的外形;
圖13a 為本發(fā)明又一實施例的縱向剖面圖，其中的配置器是一塊每側(cè)具有若干口袋的平板;
圖13b 是圖13a 實施例的透視圖;
圖14a 是縱向剖面圖，表示采用滑動片來控制來自平板狀配置器的可光電加工的混合物的配置比率;
圖14b 是圖14a 實施例的透視圖;
圖15a 和15b 表示本發(fā)明的另一實施例的縱向剖面圖，其中輔助葉片本身用作配置器;
圖16a、16b、17a、17b和18為本發(fā)明另一實施例的縱向剖視圖，其中配置器裝到輔助葉片的前部;
圖19為本發(fā)明又一不同實施例的縱向剖視圖，其中配置器和輔助葉片已合成一個設(shè)備;
圖20為另一實施例的縱向剖視圖，其中配置器總是安置在液體中并進(jìn)行脈動，在輔助葉片的前方形成一個波紋;
圖21是又一優(yōu)選實施例縱向剖面圖，其中采用兩個輔助葉片，配置器位于兩個輔助葉片之間;
圖22為再一實施例的縱向剖面圖，其中也采用了兩個輔助葉片，配置器位于兩葉片之間。
本發(fā)明關(guān)于固體仿形的方法和裝置，用于制造一個具有多重截面部分的整體的三維形狀的產(chǎn)品。尤其是關(guān)于橫剖面部分與可光電加工的混合物的鄰接層的固化部分相對應(yīng)的情況。該方法和裝置在涂層臺上采用一個配置器，該配置器將部分可光電加工的混合物移放到混合物的自由表面上，使輔助葉片可產(chǎn)生一層均勻的液體層。
圖1 表示一個仿形臺或仿形裝置70，它包括一個輻射源10，調(diào)制器14，計算機(jī)34和最好為掃描器式的偏轉(zhuǎn)裝置16。還有一個涂層臺71。輻射源10最好是激光器，產(chǎn)生輻射束12。為了高速生產(chǎn)三維物體，仿形臺70最好采用較高功率的輻射源，諸如采用具有可見光、紅外光或紫外光波段的高功率激光器，對現(xiàn)有的可光電加工的混合物的感光速率(photospeeds)而言，高功率被認(rèn)為是功率大于20mW，最好是當(dāng)輻射光束12的光強(qiáng)測量時為100mW以上。然而，當(dāng)?shù)玫礁泄廨^快的混合物時，20mW和100mW光強(qiáng)值又相應(yīng)較低了，因為混合物的感光速率和輻射束的光強(qiáng)在獲得同樣結(jié)果方面具有相互相反的關(guān)系。選擇某種類型的激光器應(yīng)與選擇可光電加工的混合物協(xié)調(diào)一致，使可光電加工的混合物的敏感度與激光器輻射光的波長相當(dāng)一致。其它類型的輻射裝置亦可采用，如電子束，x射線等，只要它們的能量類型與可光電加工混合物的敏感度相匹配就行，提供光束以及按確定的方法來觀察處理時的合適條件，都是已知技術(shù)。雖然可以采用一個裝置來將光束的截面形狀修改成任何需要的形狀，若原來的形狀是圓形的，則該光束強(qiáng)度的輪廓線呈高斯分布，其最大值在圓形的中心。
輻射光束12穿過最好為聲光調(diào)制器的調(diào)制器14，調(diào)制后的輻射光束12′再穿過偏轉(zhuǎn)裝置16或掃描器，該偏轉(zhuǎn)裝置由兩塊鏡片20和22組成，每塊鏡片允許光束偏轉(zhuǎn)到xy方向的自由表面46，xy方向相互垂直，并平行自由表面46。鏡片20和22分別由馬達(dá)24和26帶動繞相應(yīng)軸線轉(zhuǎn)動，以定向掃描模式在xy方向?qū)⒐馐蛲繉优_71的容器44內(nèi)充裝的可光電加工的混合物40的預(yù)定位置。當(dāng)光束由偏轉(zhuǎn)裝置16偏轉(zhuǎn)時，它設(shè)想一個從0到最大的加速度，速度從0到一個最大的均勻的值。速度和光束強(qiáng)度保持相互成比例，這樣輻射量基本保持為一常數(shù)。光束12″照射到混合物預(yù)先選好部分的基本恒定深度上，這一點下面將要描述。
就本發(fā)明的目的而言，輻射光束12″不僅可以是來自激光器的聚焦的光束，而且還可以是以不同方式修改的任何其它光源。例如，它可以通過任何一種可變的光密度的光掩模、如液晶顯示器、囟化銀薄膜、電子附積屏(electrodeposited ask)等等、或各種可變的光密裝置如反射的液晶電池等來傳送。另外，偏轉(zhuǎn)裝置亦可為任何其它類型的掃描器，如光柵掃描器。
涂層臺71包括一個容納液態(tài)可光電加工混合物40的容器44。一個基本為平坦的平臺41安置在容器44內(nèi)，平臺41宜位于混合物40的自由表面46之下。平臺41有側(cè)邊，例如左側(cè)L和右側(cè)R。放置裝置42通過一根支撐臂42′來有控制地改變混合物40的自由表面46和平臺41之間的距離。雖然在圖1中放置裝置42完全沉浸在混合物40內(nèi)，應(yīng)該看到，它最好放置在容器外，通過一個裝在容器44底上的密封件和支撐臂42′連接到平臺41上，或者用一根繞過容器的彎曲的支撐臂穿過自由表面46連接到支撐平臺41上。本發(fā)明的重要部件是位于平臺41一側(cè)的特殊的配置器43，它位于任何類型的鋪層裝置的前面，最好位于兩塊輔助葉片73和73′之間。該配置器43可沉浸在混合物40的自由表面46之下，并直接移放部分混合物40到自由表面上方。移放的部分混合物由輔助葉片73和73′在平臺41的頂上或以前的光電加工層的頂上產(chǎn)生液態(tài)層48。正如圖1所示，與計算機(jī)34連接的連線52、50、54、60、62和63用來分別表示計算機(jī)控制輻射源10、調(diào)制器14、偏轉(zhuǎn)裝置16、放置裝置42、輔助葉片73和73′、以及配置器43。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行工作時，輻射源提供具有如前所述強(qiáng)度的輻射束12。該輻射束穿過調(diào)制器14，在其中輻射束的強(qiáng)度可從0強(qiáng)度級調(diào)制到最大的強(qiáng)度級，當(dāng)然最大的強(qiáng)度級的值由于能量損失而小于未調(diào)制時輻射束的強(qiáng)度值。這個由于能量損失而略低的調(diào)制后的輻射束12′通過具有兩塊鏡片組20和22的偏轉(zhuǎn)裝置16，每塊鏡片分別由不同的馬達(dá)24和26單獨驅(qū)動。鏡片20在x方向偏轉(zhuǎn)輻射束，而鏡片22在y方向偏轉(zhuǎn)輻射束。由偏轉(zhuǎn)裝置16使鏡片20和22作相對移動的電信號通過導(dǎo)線54反饋到計算機(jī)34，這個反饋信號與層48預(yù)定部分上的輻射束的速度和平均滯留時間有關(guān)，經(jīng)過計算機(jī)34的處理，作為一個指令通過線50送入調(diào)制裝置14，以調(diào)制輻射束12的強(qiáng)度，使層48預(yù)定位置的每個地方上的輻射束12″的強(qiáng)度和平均滯留時間基本保持為一常數(shù)，因此，由上述兩個參數(shù)確定的輻射量級基本保持為常數(shù)。由于在每個鄰接薄層預(yù)定部分上保持了輻射量為常數(shù)，那末層的厚度則基本保持為常數(shù)。這個修正和補(bǔ)償是非常重要的，尤其在薄層的未支撐部分上，由于矢量掃描時邊緣上的初始速度較低，過渡輻射會導(dǎo)致出現(xiàn)鼓起的邊緣。輻射束12″的強(qiáng)度越大或光電加工混合物的敏感度越高，在沒有保持輻射強(qiáng)度級為常數(shù)的情況下，這個問題就越嚴(yán)重。在光柵掃描或配合超掃描矢量方案的系統(tǒng)中，由于沒有來自鄰近的非輻射區(qū)的輻射，仿形件的邊緣輻射不足，因此這種輻射量控制也是必要的。在這些情況下，要采用調(diào)制裝置使仿形件的邊緣區(qū)域接受到如非邊緣區(qū)基本同樣的輻射量。在任何情況下，輻射束12″都是有控制地導(dǎo)向可光電加工的混合物40。
具有大致平坦的上表面41′的平臺41起初放置在容器44內(nèi)，使得平坦的上表面41′包在混合物40的自由表面46內(nèi)，接著，平臺41在混合物40內(nèi)下降層48的厚度。配置器43，當(dāng)它不移動時，最好保持部分地沉浸在可光電加工混合物40的自由表面46之下，然后升起并開始在輔助葉片73和73′之間配置液態(tài)混合物。于是輔助葉片73則在平臺41的大致平坦的表面41′的頂部產(chǎn)生液態(tài)層48。在圖1中，配置器43部分地沉浸在靠近平臺41右側(cè)R的混合物中。當(dāng)輔助葉片73和73′及配置器43到達(dá)平臺41的左側(cè)L時停止下來，配置器43最好至少有部分沉浸在混合物40的自由表面46的下方，在此階段配置器43最好完全沉浸，如果需要亦可允許一個短的時間，使自由表面46達(dá)到平衡并呈現(xiàn)所需要的均勻度。至少部分液態(tài)層48由光化學(xué)輻射處于仿形狀態(tài)，這里的光化學(xué)輻射最好為激光束12″的形式。
在此第一仿形步驟之后，平臺41再一次下降層48的厚度。部分沉浸在平臺左側(cè)L可光電加工混合物40的自由表面46下方的配置器43升起，并開始在輔助葉片73和73′之間配置液態(tài)混合物40。于是輔助葉片73′在平臺41的頂上產(chǎn)生均勻的液態(tài)層48，輔助葉片73和73′以及配置器43作為一個組件移向平臺41的右側(cè)R。當(dāng)該組件到達(dá)平臺右側(cè)時，它們再一次停止，配置器43沉浸在混合物40的自由表面46的下方。如果需要，再過一個短時間，使自由表面46達(dá)到平衡并呈現(xiàn)所需要的均勻度。現(xiàn)在，先前的仿形狀態(tài)的輻射層的頂部上的部分液態(tài)層48處于激光束12″的輻射仿形狀態(tài)。重復(fù)上述步驟，直到所有鄰接的各層均已產(chǎn)生并完成一個三維的產(chǎn)品。所有上述步驟均以一般方式配有計算機(jī)34。
圖2表示配置器43的使用情況。當(dāng)平臺41降下層48的厚度時，混合物40沒有在以前固化的層11頂上形成一個完整的一層。因此，除三維產(chǎn)品的尺寸非常小的情況外，其余情況下僅有很少一部分最新固化層的表面內(nèi)液態(tài)層48覆蓋，而該表面的其余部分則未覆蓋上。任何通用的方法可用于在預(yù)定時間內(nèi)降低和升起處于預(yù)定位置的配置器43。這些裝置不僅限于與馬達(dá)聯(lián)合的有軌凸輪、電磁鐵及類似構(gòu)件，圖23就概略地示出了其中的一個例子。在圖23的實施例中，有軌凸輪2393被用于降低和升起配置器2343到可光電加工的混合物2340的自由表面2346的下方和上方。在圖23中用虛線表示的配置器2343，靠近平臺2341在右側(cè)R′，由于有軌凸輪2393的形狀，輪式隨動件2394按此形狀的路線行駛，配置器降低。應(yīng)該看到，該配置器在左側(cè)L′附近也將降低，而在實線所示的中間位置則升高。
在工作時，再參見圖1和2，配置器先沉浸在可光電加工的混合物40內(nèi)，然后再升到混合物40的自由表面46的上方。一旦升到混合物40自由表面46的上方，來自配置器47的混合物40開始在輔助葉片73前方進(jìn)行配置，配置工作最好靠重力來進(jìn)行。重要的是在輔助葉片73的前方具有足夠的混合物40的富集區(qū)74(abundance)，從而可以形成一層完全的層48。為了避免在輔助葉片73前方混合物40富集區(qū)74內(nèi)產(chǎn)生氣泡，將配置器43僅稍微升離混合物40自由表面46上方是很重要的。另外還發(fā)現(xiàn)，如果配置器43和自由表面46之間的距離較大，由配置器43配置的屏板或擠壓板那樣的連續(xù)的液體將會有斷裂。當(dāng)然，這取決于可光電加工的混合物40的流變特性、配置器性能及其它因素。因此，通常配置器在混合物40的自由表面上方升離距離少于5毫米，少于2毫米較好，最好在0.5到1毫米之間。應(yīng)該注意，在配置期間，配置器43和混合物40自由表面46之間的間隙應(yīng)等于或大于同樣的自由表面46和相應(yīng)的輔助葉片73之間的間隙。
在配置器升起后，朝前移動配置器43和輔助葉片73，配置器在前，輔助葉片隨后。先前的固化層11和輔助葉片73之間的距離在輔助葉片73通過固化層11時保持為一常數(shù)，并大約與層48的厚度相一致。所有的移動工作進(jìn)行后，稍等一會使混合物的表面穩(wěn)定下來，然后再進(jìn)行輻射仿形操作步驟。為了避夠捕獲空氣而產(chǎn)生氣泡，配置器43和輔助葉片73構(gòu)成的組件的移動速度應(yīng)低于某一限度。該限度取決于可光電硬化混合物40的流變特性和起泡特性。對本申請人所采用的可光電硬化的混合物來說，上述速度小于每秒鐘一英寸，最好約每秒0.5英寸，這樣僅有極少的空氣捕獲。
配置器可以做成如圖3，4a和4b所示的槽式結(jié)構(gòu)。在其底部有一條縫80，使液體可自由流出。為了將合適數(shù)量混合物40送到輔助葉片73的前方，縫80可按混合物40的粘度加寬或收窄，亦可采用相互靠近不要完全沉浸在混合物40的自由表面46下方，這樣混合物通過縫80或可能開在底部的縫而不是在其頂部進(jìn)入配置器43，以此來避免捕獲空氣，尤其是高粘度的混合物更應(yīng)注意。為避免捕獲空氣，沉浸及升起的速度也很重要應(yīng)根據(jù)粘度、表面張力、通常還有混合物的起泡特征來進(jìn)行調(diào)整。正如圖5和6所示，在配置器的設(shè)計中可以裝入一個閥82，以此按需要送放混合物40的速度來控制縫80。在圖5和6所示的特例中，該閥僅由一根桿組成，桿可移近或移離縫80，從而允許或多或少的材料在符合要求的速度上通過。
本發(fā)明的另一個實施例如圖7所示，配置器743通過一個鉸鏈775連接，這樣當(dāng)沉浸配置器743時，它處于朝上的位置，以在腔內(nèi)接受液態(tài)可光電加工的混合物，當(dāng)升起時和準(zhǔn)備送放液態(tài)混合物時，繞鉸鏈775轉(zhuǎn)成如圖7所示的狀態(tài)。
圖10表示本發(fā)明的另一實施例，其位于鋪助葉片1073前方的配置器1043就是一塊板。這種設(shè)計當(dāng)混合物的粘度高到足以使合適的材料附著到配置器1043上時尤其有用。這些材料然后再由重力作用送放到輔助葉片1073的前方。
圖11表示又一實施例，其中配置器1143由若干頂部連接的平行的板構(gòu)成。這樣設(shè)計的配置器1143在其浸入混合物中時允許空氣離開該系統(tǒng)，當(dāng)混合物除去時允許空氣從連接起來的平行板的頂部的開孔1183進(jìn)入。
在圖12中示出一種不同的配置器，它具有刷子的形狀，從而可接納較多的液體。
圖13示出了又一種形式的配置器1343。此種形式的配置器具有一塊板，板上帶有若干口袋1384，在每個口袋的底部最好具有孔1385。
圖8a到8e也示出本發(fā)明的又一實施例。在該實施例中有兩塊板885和886，起初它們相互基本平行。正如圖8a所示，板885和886起初放置于液體外部，然后板885和886沉侵入液體內(nèi)(圖8b)，此時它們?nèi)员３只鞠嗷テ叫?。做成相互平行外形的理由是避免配置器沉浸時的擾動和將空氣捕獲在混合物840內(nèi)。在板885和886已沉浸入混合物840(圖8c)內(nèi)以后，它們再轉(zhuǎn)成V形，使它們的底部接觸而頂部仍然敞開。圖8d示出板885和886構(gòu)成V形并位于液態(tài)混合物440外部的情況。然后稍微打開板的底部以形成一條窄縫，并允許混合物通過縫流出(圖8e)。這種兩塊板885和886的外形亦在圖9a和9b中清楚示出，板885在其頂部有兩個鉸接銷888和888′，板886有兩個側(cè)壁887和887′，在側(cè)壁的上部角上有孔889和889′，這兩個孔宜于接納銷888和888′。因此，兩塊板885和886可以通過將板885的銷888和888′插入孔889和889′組裝成一個配置器。板885通過它與壁887和887′的密切接觸密封該配置器。在這種構(gòu)形中，如果需要，在板的底部亦可開一條縫，或者將板設(shè)計成基本相互平行，或者在板的底部相互接觸時整個裝置可處于關(guān)閉狀態(tài)，不允許液體通過。通過板886的壁和板885的側(cè)邊的少量液體泄漏在大多數(shù)情況下是無關(guān)緊要的。若需要有較好的密封，可以在板885的底部和側(cè)邊和/或板886的壁上加上密封材料。壁889和889′可用柔性或彈性材料來代替，以液密方式來連接兩塊板的側(cè)邊?？捎萌魏瓮ㄓ玫臋C(jī)構(gòu)來打開和關(guān)閉這些板，這些機(jī)構(gòu)可以包括但不僅限于連接到板，885上的桿，纜繩和類似構(gòu)件，用這類構(gòu)件來可控制地改變一塊板相對于另一塊板的位置。
圖14a和14b示出本發(fā)明的又一實施例，其中配置器1443也是板式的?；瑒悠?492和1492′通過將混合物向下刮掉的方法來可控制地配置粘著的混合物。因此當(dāng)板1443沉浸并在輔助葉片(為清楚起見此圖未示輔助葉片)前方升起時，滑動片1492和1492′開始以所要求的速度向下移動，該移動速度最好由計算機(jī)控制。通過將滑動片1492和1492′保持在離混合物40的自由表面的恒定的距離上，以所要求的速度升起板1443可得到類似的結(jié)果。當(dāng)然，這個速度可以改變，從而更好地滿足特殊情況下的配置要求。圖14b是一個透視圖，它示出了只裝有一塊滑動片1492′的板式配置器1443。
正如圖15a和15b所示，輔助葉片本身1573亦可用作為配置器。輔助葉片沉浸到混合物40內(nèi)，然后升起到可光電加工的混合物的自由表面上方的初始位置，如圖15a所示。由于該輔助葉片通過沿箭頭A方向的移動將形成復(fù)蓋層，所以要求有一個滑動片1592向下移動，刮掉附著在輔助葉片1573背面的多余的混合物，這樣做可以避免刮除輔助葉片后方的任何材料，并可避免損害產(chǎn)品層的均勻性。圖15a示出滑動片1592除去多余混合物的情形。圖15b表示同樣的輔助葉片1573開始刮平可光電加工混合物40的層154時的情況，此時滑動片1592已下降并位于可光電加工的混合物1540的自由表面附近。減少混合物在輔助葉片1573背面聚集的另一個方法是當(dāng)葉片移動時沉浸它，最好在一個角度小于90度時移動，增加移動時間，在該輔助葉片移動到光電成形層的頂上之前，葉片角度基本呈90度。上述角度指的是基本包含輔助葉片前側(cè)的平面和基本包含圖1所示可光電加工的混合物的自由表面的平面之間構(gòu)成的角。
圖16a和16b所示的配置器1643可以是輔助葉片1673的一部分，它位于輔助葉片1673的前部。刮片1692執(zhí)行如上面的實施例進(jìn)行的同樣的任務(wù)。圖16b示出輔助葉片從其初始位置移動后的情況，同時也示出了滑動片1692處于其下方位置的情況。
在圖17a和17b中，輔助葉片1743的前面可以具有用作配置器1743的口袋，這些口袋類似于圖13a和13b所示。按照本實施例，輔助葉片1743沉浸入混合物，然后再升起，而刮片1792則靜止在可光電加工混合物的自由表面附近，這樣在輔助葉片升起時立即刮掉葉片1743背面的多余的材料。應(yīng)該理解，上面所述的實施例可以部分或整個地聯(lián)合起來。例如，在這些實施例中，滑動片可以是靜止的，亦可是移動的。
圖18所示的另一實施例中，配置器1843是輔助葉片1873的一部分并位于它的前面，而滑動片1892是靜止的，并且當(dāng)葉片1873處于其初始位置時，滑動片位于輔助葉片1873的底部。
而在圖19所示的另一個實施例中，配置器1943和輔助葉片1973可以聯(lián)合成一個裝置，其通用的配置尖部1995位于該聯(lián)合裝置的底部。在圖19中，該聯(lián)合的裝置正在提供一層材料，滑動片1992已刮過裝置背面并處于其降下的位置。
圖20表示又一實施例，其中的配置器2043是一塊總是沉浸在混合物2040內(nèi)的板，該配置器2043具有一個鉸鏈2075，板可以繞此鉸鏈作向上的脈動。正當(dāng)輔助葉片2073開始移動以產(chǎn)生一層之前，配置器2043提供一個向上的脈動，在輔助葉片2073的前方以波浪的形式產(chǎn)生大量的材料2074。經(jīng)常，這些材料就適于加工成完整的一層。當(dāng)平臺和需要加工的三維產(chǎn)品太大時，本實施例工作得最好。
還可以采用兩個輔助葉片2173和2173′，在配置器的兩側(cè)每側(cè)一個，如圖21所示，這樣不管葉片和配置器組件在那個方向移動均可產(chǎn)生新層。當(dāng)組件按箭頭A方向移動時，富集材料主要聚集在葉片2173的前方，在葉片2173的后面將產(chǎn)生新層。這里重要的是當(dāng)組件停止在平臺的任何一側(cè)時，配置器則沉浸在液態(tài)混合物2140中，裝上在相反方向的下一循環(huán)時用的新的可光電加工的混合物2140。
圖22所示的實施例也包括一對輔助葉片(2273和2273′)，這些葉片類似于圖21所示，配置器2243′則不同。在本實施例中，配置器總是安置在液態(tài)可光電加工的混合物中，平臺的一側(cè)有一個配置器2243′，另一側(cè)則具有另一個2243(圖中未示)。它們都裝在混合物2240內(nèi)，位于平臺每側(cè)輔助葉片的“停止”位置的下方。在輔助葉片開始它們的行程的前夕，相應(yīng)的配置器迅速朝上移動，迫使富集的液體聚集在兩塊輔助葉片之間，余下的工序基本與其它實施例相同。
在配置器和輔助葉片為分開的裝置的情況下，常常要求以特殊的方式來沉浸配置器。例如如圖2所示，常常最好在P2位置沉浸配置器43，而輔助葉片73的初始位置則在平臺另一側(cè)的P1位置。按照這種方案，配置器43再移過到P2位置，在此位置，沉浸以接受適量的混合物，然后再升起，并返回到輔助葉片73的前方的P1位置。在移動中，配置器可以連續(xù)地將材料送放到平臺區(qū)域的上方。在材料放送可以被控制的情況下，如圖5、6、7或8所示的實施例中，要求僅當(dāng)配置器位于P1位置的輔助葉片73的前方并在輔助葉片產(chǎn)生混合物層的同時配置器開始配置混合物。這種操作形式在需要較高的精度和速度時是希望有的，這是由于由配置器43在P2位置接受的材料將由輔助葉片73移回。
在大多數(shù)情況下，最好在輻射材料層時配置器處于沉浸位置，這樣仍由配置器攜帶的材料將在容器內(nèi)，并且將不改變混合物和材料層的自由表面。正如前面所述，為了避免激起和捕獲氣泡，配置的液體緊靠混合物的自由表面是很重要的。當(dāng)然若裝置在真空下工作，配置器的工作高度就不成問題了。
由于這些裝置可由計算機(jī)控制，為了獲得最佳效率和均勻性，人們可以控制這些裝置的投放周期及操作速度。按照可光電加工的液態(tài)混合物的粘度及其特性，為取得最佳結(jié)果，需要附加上一些不同的條件。超聲、紅外線那樣的敏感器可用于給計算機(jī)反饋輔助葉片前方的積累情況，以此來調(diào)節(jié)通過上述機(jī)構(gòu)的投放量。
本發(fā)明的實例可用于任何經(jīng)光化學(xué)輻射而固化的任何可光電加工的混合物。這類材料通常包括但不一定是光敏材料和光引發(fā)材料(photoinitiator)。這里的“光”(photo)不僅指光線，還可是任何其它類型的可以將最好為液態(tài)的可加工的混合物通過其輻射轉(zhuǎn)換成固態(tài)的光化學(xué)輻射。陽離子和陰離子催化聚合和凝聚、以及無游離基聚合和它們的聯(lián)合都是這種性能的例子。其中陽離子聚合較好，無游離基聚合更好一些。含有熱聚性材料的可光電加工的混合物具有更高的性能。
液態(tài)的熱聚性可光電加工的混合物是這樣一種材料，它在受光化學(xué)照射固化后不能達(dá)到必要的最佳的物理特性、尤其是它們的粘聚和粘接特性。然而，若對它進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理，可以達(dá)到較為完善的程度。這類被認(rèn)為是可熱聚性混合物包括膠狀的特殊物質(zhì)，這些物質(zhì)在某些條件、例如溫度升高的特殊條件下進(jìn)行聚合，這種聚合是由膠狀到粘聚進(jìn)而到固態(tài)的變化過程。
較好的可光電加工的混合物包括熱聚性聚合的粘聚材料、可光電加工的單體及光引發(fā)材料。較好的可光電加工的材料包括烯不飽和單體(ethylenically unsaturated monomer)。在光化學(xué)輻射后，可光電加工的混合物的輻射區(qū)域在除去未輻射區(qū)后必須保持熱聚性。這對改進(jìn)多層交接面的粘接和多層整體三維產(chǎn)品的凝聚是很重要的。實際上，交接面上的凝結(jié)是由熱聚性材料形成，從而為最終的三維產(chǎn)品提供了極佳的性能。另外，防止放在下面的表面的顯著地過度生長也是很重要的，這一點下面將進(jìn)行討論。
在可光電加工的混合物不是以熱聚性材料為基礎(chǔ)的情況下，輻射步驟后的預(yù)處理就不必要了。若熱聚性材料是配方中的基本組分，為了使產(chǎn)品獲得最佳強(qiáng)度，則需進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理。在這些情況下，當(dāng)三維產(chǎn)品的所有各層均用上面描述的方法形成后，未受輻射的混合物部分可用采用諸如抖動產(chǎn)品或給產(chǎn)品吹氣等通常用的方法來除去。進(jìn)一步的清除工作可用不良的非熱聚性溶劑都是非極性混合物的不良溶劑，反之亦然。只要所要用的溶劑不會從輻射區(qū)分離出過量的材料或使被清洗的產(chǎn)品在清洗時間內(nèi)膨脹，這種材料就可被看作是不良的、非熱聚的溶劑。為了獲得高的膠接和凝結(jié)強(qiáng)度再將產(chǎn)品進(jìn)行熱聚合。這個步驟可在對流的熱烘箱、紅外或微波爐中進(jìn)行。最佳的溫度和時間取決于各別的組合物。典型的溫度范圍是100℃-250℃，時間范圍是5-30秒。當(dāng)然，亦可使用超出上述范圍外的溫度和時間。
很重要的一組熱聚性材料是增塑溶膠(plastisol)。增塑溶膠是流體混合物，粘度范圍從可澆注的液體到粘稠的糊狀，它由將微粒狀聚合樹脂分散在不揮發(fā)的液體熱增塑劑亦即與聚合物或樹脂相容的材料中，這些材料可增加聚合物或樹脂的可加工性和柔性，但在正常的儲藏條件下(例如室溫條件下)不具有很大的溶解活性。當(dāng)增塑溶膠采用如模制或涂覆等方法制成所需要的形狀后，可進(jìn)行加熱以熱聚聚合樹脂顆粒和不揮發(fā)的液態(tài)組分，以形成均勻的固體塊。揮發(fā)性的稀釋劑可加入增塑溶膠的分散體中，以修改它們的粘度，從而在涂復(fù)或其它加工中獲得符合要求的加工特性。包含不超過10%的揮發(fā)性稀釋劑的分散體乃被視為增塑溶膠。由于在增塑溶膠中使用的增塑劑僅在高于儲藏溫度時起到溶解聚合物的增塑劑作用，因此，它也可被叫作熱增塑劑。最廣泛使用的增塑溶膠是具有增塑劑的聚氯乙烯均聚物。
下面的可光電硬化的混合物是由完全混合下列組分而制備的1.乙氧化三丙烯酸三羥甲基丙烷三酯 75.0克2.丙烯酸聚氨酯樹脂(Sartomer 9610) 75.0克3.2，2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮 6.0克4.Clear Chem-o-sol R7557 225.0克(由懷特克爾公司，普羅維登斯化學(xué)部東普羅維登斯，羅得艾斯制造)采用上述發(fā)明的方法和裝置，已生產(chǎn)出了性能極佳的汽車配油器蓋。生產(chǎn)中采用了帶有配置器的雙輔助葉片。當(dāng)配置器停止在平臺的任意一側(cè)時，完全沉浸在可光電硬化的混合物的自由表面之下。在配置期間的升起位置上，配置器位于混合物自由表面上方1毫米?？p寬0.190英寸，移動速度0.5英寸/秒。在混合物的自由表面僅觀察到少量的氣泡。無論在配置的液體上還是在0.015英寸厚的復(fù)蓋層上均未產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。在該配油器頂部進(jìn)行光電加工以后，在空氣對流的烘箱中在165°F進(jìn)行熱處理15分鐘，使該零件取得最大強(qiáng)度。應(yīng)該注意，當(dāng)配置器升到離混合物自由表面以上5毫米時，簾板式配置液沿其寬度出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致不能恰當(dāng)?shù)貜?fù)蓋先前的已被光電加工過的復(fù)蓋層。
權(quán)利要求
1.一種采用光化輻射有選擇地一層一層地照射液態(tài)可光電加工的混合物來制造整體的三維產(chǎn)品的裝置包括一個容器，上述混合物裝在容器內(nèi)，使之具有一自由表面，一個可移動的平臺安置在上述自由表面下方的容器內(nèi)，其特征在于，上述裝置包括一配置器，宜沉浸于上述自由表面之下，并直接地將部分上述混合物移送到上述自由表面的上方，安裝到上述配置上用以將上述配置器降下和升起到上述平臺旁邊的預(yù)定位置的裝置，以及與移送到上述自由表面上方的混合物接觸并在上述平臺上方移動以形成一層上述混合物的鋪層裝置。
2.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述配置器包括在底部具有一條縫的槽。
3.一種如權(quán)利要求2的裝置，其特征在于上述配置器還包括一個控制通過上述縫的液流的閥。
4.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述配置器包括一鉸接到一個鉸鏈上的槽。
5.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述配置器包括若干在一端連接的平行的板。
6.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述配置器包括由兩根銷釘鉸接以形成V形口袋的兩塊板。
7.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述配置器包括一塊單板。
8.一種權(quán)利要求7的裝置，其特征在于上述板具有沿其一側(cè)安置的若干口袋，每個口袋的底部都有一個孔。
9.一種如權(quán)利要求7的裝置，其特征在于上述配置器還包括一塊用于從上述板上刮掉混合物的滑動片。
10.如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述鋪層裝置包括一塊鋪助葉片。
11.一種如權(quán)利要求10的裝置，其特征在于上述配置器結(jié)合成上述輔助葉片的一部分。
12.一種如權(quán)利要求11的裝置，其特征在于上述配置器包括一安裝在上述輔助葉片一側(cè)的槽;上述槽的底部有一條縫，形成與上述葉片的底部一樣的配置尖端。
13.一種如權(quán)利要求10的裝置，其特征在于上述配置器包括一塊安置在上述混合物內(nèi)的板，該板安裝到一個可提供向上的脈動的裝置上，將部分上述混合物移送到上述輔助葉片的附近。
14.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述鋪層裝置包括兩塊輔助葉片，它們放置成使上述配置器位于上述葉片之間。
15.一種如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于上述用于降低和升起上述配置器的裝置包括一有軌凸輪。
16.一種制造具有多重橫截面部分的整體三維產(chǎn)品的裝置，該橫截面部分與固化的可光電加工的液態(tài)混合物的鄰接各層相對應(yīng);該裝置包括下列組件仿形地輻射每層可光電加工混合物鄰接各層的仿形裝置，一個涂層臺，包括一個裝有上述液態(tài)可光電加工的混合物的容器，上述混合物有一自由表面，置于上述容器內(nèi)的大致平坦的平臺，上述平臺具有側(cè)邊，并宜于放置在上述混合物的自由表面之下，可控制地改變上述混合物的自由表面和上述平臺之間的距離的放置裝置，一配置器，宜于被沉浸于上述混合物的自由表面之下，并在上述混合物的自由表面上方直接移送部分上述混合物，在預(yù)定的位置和時間上上升起和降下配置器的裝置，以及由移送的部分上述混合物來產(chǎn)生一復(fù)蓋層的鋪層裝置。
17.一種采用光化輻射有選擇地一層一層地照射液態(tài)可光電加工的混合物來制造整體的三維產(chǎn)品的方法，包括將上述混合物裝在一個容器內(nèi)，移動置于容器內(nèi)自由表面之下的平臺，其特征在于該方法包括通過升起和降低上述平臺側(cè)邊的預(yù)定位置的配置器，將部分上述混合物移送到上述自由表面上，用一鋪層裝置與移送到上述自由表面上的混合物接觸。在上述平臺上移動上述鋪層裝置以找平上述移送的混合物，以此形成一基本均勻的一層上述混合物。
18.一種如權(quán)利要求17的方法，其特征在于還包括在輻照步驟期間，保持上述配置器起碼有部分沉浸在上述混合物自由表面之下的步驟。
19.一種如權(quán)利要求17的方法，其特征在于進(jìn)行上述移動步驟是將上述鋪層裝置移到平臺上方離上述混合物自由表面少于5毫米的一個位置上。
20.一種如權(quán)利要求19的方法，其特征在于上述鋪層裝置包括兩塊輔助葉片，上述移送步驟是由位于兩塊輔助葉片之間的配置器進(jìn)行的。
21.一種如權(quán)利要求19的方法，其特征在于上述鋪層裝置包括一塊輔助葉片。
22.一種如權(quán)利要求21的方法，其特征在于上述配置器包括一塊置于上述混合物內(nèi)的板，上述移送步驟是為上述板提供向上的脈動，這樣將部分上述混合物移送到上述輔助葉片附近。
23.一種如權(quán)利要求17的方法，其特征在于降下和升起上述配置器的步驟是由裝到配置器上的有軌凸輪進(jìn)行的。
24.一種制造具有多重橫截面部分的整體三維產(chǎn)品的方法，該橫截面部分與固化的可光電加工的液態(tài)混合物的鄰接各層相對應(yīng)，該方法包括下列步驟將液態(tài)混合物放入一個容器中，上述混合物具有一自由表面，將一大致平坦的平臺放置在上述容器內(nèi)，使上述平臺置于上述混合物的自由表面的下方，將平臺在上述混合物中降下一層的厚度，通過配置器的沉浸和升起運(yùn)動在上述自由表面的頂部配置部分上述混合物，找平上述平臺上方移放的部分上述混合物，以形成一層基本均勻的可光電加工的混合物，仿形地光化照射上述均勻液態(tài)層的至少一部分，以產(chǎn)生與產(chǎn)品相應(yīng)的橫截面部分，以及連續(xù)不斷重復(fù)上述降下、配置、找平和輻照步驟，直到該三維產(chǎn)品完成為止。
全文摘要
一種固體仿形裝置和一種采用有選擇地一層一層地光化輻照液態(tài)可光電加工混合物來制造具有多重橫截面的三維物體的方法。該裝置包括裝混合物的容器，混合物具有自由表面，在離開平臺的預(yù)定位置降下和升起配置器使部分混合物移放到自由表面上方，輔助裝置與該混合物接觸并移至平臺上方形成大致均勻的一層混合物。
文檔編號B29C35/08GK1054492SQ9110134
公開日1991年9月11日 申請日期1991年3月1日 優(yōu)先權(quán)日1990年3月1日
發(fā)明者布賴恩·G·查普曼, 克里斯蒂安·H·克勞森, 丹尼爾·J·米基什, 埃夫斯塔西奧斯·瓦西利烏 申請人:納幕爾杜邦公司