專利名稱：一種新的分層制造設(shè)備與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是計(jì)算機(jī)控制的實(shí)體生產(chǎn)設(shè)備和工藝，是一種新的以逐層制造三維實(shí)體的設(shè)備與工藝。
固體自由成型(SFF)或分層制造或快速成型(RP)是一種采用逐點(diǎn)或逐層成型的新的快速成型工藝。這個(gè)工藝首先要?jiǎng)?chuàng)建計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件，用此文件來(lái)表征物體的圖像。通常將CAD文件轉(zhuǎn)化為立體光刻格式(STL)，在該格式中，物體的內(nèi)外表面被大量的小三角形面近似，這些三角形的頂點(diǎn)相連。每個(gè)三角形面以三個(gè)頂點(diǎn)表示，它們的坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)，每個(gè)三角形面還附加一個(gè)表示其法向的正交單位矢量(i，j，k)，用以區(qū)別內(nèi)外表面。物體圖像文件被進(jìn)一步分割成大量的薄層，每層的輪廓線由多個(gè)線段表示，線段相連構(gòu)成多邊形。利用計(jì)算機(jī)控制碼(CNC)如G碼、M碼將每層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工具路經(jīng)數(shù)據(jù)，然后用這些代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)制造工具，逐層制造實(shí)體。
目前國(guó)內(nèi)外同行對(duì)此技術(shù)進(jìn)行廣泛的研究，如最近的美國(guó)專利5738817，1998年4月，發(fā)明人Danforth等，公開了用顆粒物分散在粘合劑中所形成的混合物成型三維物體的熔融沉積工藝。其它熔融擠出類型的工藝還包括以下幾個(gè)專利，如Valavaara的美國(guó)專利4749347，1988年6月；Masters的美國(guó)專利5134569，1992年7月；Batchelder等的美國(guó)專利5402351，1995年和5303141，1994年。這類以熔融擠出為基礎(chǔ)的沉積系統(tǒng)制造出的零件精度較低。
1987年5月12日發(fā)布的美國(guó)專利4665492，發(fā)明人Masters提供了一種噴射樹脂液滴的零件制造工藝。該工藝被稱之為彈道粒子成型(BPM)。BPM工藝是將熱塑性樹脂加熱至熔點(diǎn)以上并將液態(tài)樹脂抽至噴嘴，從不同方向噴出小液滴沉積在基層上。盡管3D SYSTEMS公司可以提供多頭噴射的快速成型系統(tǒng)，液滴的尺寸范圍在30～50μm，雖然可以小到13μm精度高但效率低。
1996年9月10日發(fā)布的美國(guó)專利5555481，公開了一種基于粉末的分層制造方法，該方法能用空間控制材料組成，它使用了二種不同類別的材料來(lái)成型零件。在完成了所有層的沉積過(guò)程后，經(jīng)過(guò)壓縮但尚未凝固的零件是非常纖弱易碎的，在后續(xù)處理中有變形的傾向。由于這些幾何形狀變化在制件的最后加工過(guò)程中不可必免，因而很難采用任何糾正措施來(lái)確保制件的精確度。
1997年9月10日公開的中國(guó)專利1158787(發(fā)明人是新加坡的林國(guó)才)“快速成型系統(tǒng)和方法”，采用組合的熱壓裝置和激光切割裝置驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)高精度成型，但速度難以提高。
中國(guó)專利1163807發(fā)明人為清華大學(xué)的顏永年等，他發(fā)明的“可完成多種快速原型制造工藝的多功能設(shè)備”，能完成多種快速成型工藝，可進(jìn)行新成型工藝的研究和集成，但速度和精度都有待提高。
總之，迄今為止，該領(lǐng)域大部分分層制造技術(shù)只局限于用來(lái)制造均一材料組成的零件，而且由于要使用特殊的凝固機(jī)理。許多其他的技術(shù)只限于制造特殊的聚合物的零件，例如立體光刻和實(shí)體磨削工藝(SGC)就依賴于紫外光(UV)誘發(fā)可光固化的聚合物如丙烯酸脂和環(huán)氧樹脂。
單獨(dú)的液滴沉積或熔融擠出都不能滿足快速成型對(duì)速度和精度兩者的基本要求。液滴噴射精度高但速度低，而熔融擠出相對(duì)速度快但精度低。
另外，大部分當(dāng)前的RP體系不能有效地逐點(diǎn)逐層的改變物體的顏色，理論上講，在熔融擠出體系中，可通過(guò)給材料注入不同顏料來(lái)改變每股液體的顏色，但在加入一種新的顏料后，擠出設(shè)備需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能噴射這種新顏色的材料，擠出設(shè)備的料室和噴嘴之間有限長(zhǎng)度的流道使得顏料的混合不理想。
雖然美國(guó)專利5015312中公開了一項(xiàng)以長(zhǎng)片材料成型預(yù)定的形狀和顏色的三維表面方法和相應(yīng)的設(shè)備，因最后堆積和鋪層工序必須手工完成，建立每層的色彩輪廓是一個(gè)很耗時(shí)的過(guò)程，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，更有由于色彩不出現(xiàn)在橫截面的邊緣表面，因此單一橫截面層形成的結(jié)構(gòu)的任何部分，都無(wú)法呈現(xiàn)所需的色彩。
1994年4月12日公開的美國(guó)專利5301863的形狀沉積制造(SDM)系統(tǒng)，它包含一個(gè)材料沉積站和多個(gè)工藝站，每個(gè)工藝站提供一個(gè)單獨(dú)的功能，以便當(dāng)這些功能按順序執(zhí)行時(shí)，物體的一層完成后就準(zhǔn)備下一層的沉積。該系統(tǒng)需要像機(jī)械手那樣的物件轉(zhuǎn)移設(shè)備，在回到沉積工藝站制造下一層前，重復(fù)將物體支撐平臺(tái)和在其它形成的任一層移動(dòng)到一個(gè)或更多的工藝站。在工藝站中這些增加操作會(huì)使物體與物體平臺(tái)之間的相對(duì)位置發(fā)生偏移，物件的精度損失多。由于工藝的復(fù)雜和精細(xì)，整個(gè)設(shè)備體積大、重量大，昂貴且不易維護(hù)，操作復(fù)雜。
為克服目前現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明精心構(gòu)思了一種新的分層制造設(shè)備和工藝，可高效率制造出高精度的物體。
本發(fā)明是一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其設(shè)備是集材料沉積子系統(tǒng)、物體支撐平臺(tái)和三維運(yùn)動(dòng)設(shè)施為一體，材料沉積子系統(tǒng)主要由液滴沉積裝置和粉末鋪層裝置組成，液滴沉積裝置包括多重流道，每個(gè)流道都可輸送可固化的液體組分；一個(gè)噴嘴至少有一個(gè)與相應(yīng)的通道和一個(gè)出料口相連的流體流道；還有用來(lái)激活液滴并通過(guò)噴嘴噴出的動(dòng)作器，放在與這些通道相連的位置上；粉末鋪層裝置包括至少一個(gè)能輸送固體粉末顆粒的流道，一個(gè)噴嘴至少有一個(gè)與之相應(yīng)通道和出料口相連的通道，還包括用于控制相應(yīng)流道的閥。
物體支撐平臺(tái)是平的，以收集靠近材料沉積子系統(tǒng)的噴嘴排出的材料。
運(yùn)動(dòng)裝置是將材料沉積設(shè)備與平臺(tái)集成，使二者在x-y面及垂直于該面的z方向上做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沉積液滴或固體粉末，從而形成三維物體。
運(yùn)動(dòng)裝置是根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，計(jì)算機(jī)先運(yùn)行三維物體的CAD文件，這樣即建立了物體的圖像，然后再將圖像分成所需的層數(shù)，每層由數(shù)據(jù)點(diǎn)集合代表一個(gè)多元段組成，這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成機(jī)器控制語(yǔ)言，來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)裝置在內(nèi)的功能元件。
一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于，該分層制造工藝步驟包括啟動(dòng)材料成型子系統(tǒng)，它包括啟動(dòng)一個(gè)能提供多相液體組分并按要求以液滴方式噴射液體組分的多流道液體沉積裝置，以及一個(gè)能將粉末顆粒鋪到預(yù)定位置的固體粉末鋪層裝置；在材料沉積子系統(tǒng)附近裝有一個(gè)物體支撐平臺(tái)，用來(lái)接收液滴和粉末顆粒；在液滴噴射和粉末鋪層過(guò)程中，在x-y平面以及與該面垂直的z方向上，相對(duì)移動(dòng)材料沉積子系統(tǒng)和物體支撐平臺(tái)，形成由液滴和固體顆粒組成的三維物體。即在平行于x-y平面的方向相對(duì)移動(dòng)材料沉積子系統(tǒng)和物體支撐平臺(tái)，使得在平臺(tái)上形成第一層沉積材料；根據(jù)預(yù)定的厚度，將材料沉積子系統(tǒng)與平臺(tái)分開，當(dāng)靠近材料沉積子系統(tǒng)噴嘴部分的第一層固化后，將第二層沉積材料鋪設(shè)在第一層上，同時(shí)在平行于x-y平面的方向上，相對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和沉積子系統(tǒng)，使得第二層的液滴固化，并與第一層粘結(jié)在一起；當(dāng)每一前置層形成后，在z方向上，按預(yù)定的厚度將平臺(tái)和沉積子系統(tǒng)分開，控制每一后續(xù)層的噴射在鄰近沉積子系統(tǒng)的前置層液體材料固化后進(jìn)行。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)1.本發(fā)明是一項(xiàng)在計(jì)算機(jī)控制下逐層制造三維物體的獨(dú)特而新穎的方法，能使物體獲得所需要的顏色，可使制造物體的精度和效率同時(shí)提高，克服了二者相克的矛盾。
2.本發(fā)明允許空間控制兩種或兩種以上不同類型材料組成制造物體。
3.本發(fā)明對(duì)材料的種類限制小，液體組分與固體粉末可以從很大范圍包括不同的有機(jī)、無(wú)機(jī)材料以及復(fù)合材料中選擇。
4.本發(fā)明提出了一種適應(yīng)性分層方法并配有厚度傳感器，可在工藝進(jìn)行過(guò)程中糾正任何一層的厚度偏差，這對(duì)物件有精度要求的制造提供了保證。
5.本發(fā)明制成的物件可以不是永久性固定的(除非要求這樣)，能在層與層間很好地分離，分離后的部分又可以很容易地重新組成完整的物件，它的潛在的應(yīng)用前途是可制造三維智力拼圖。
6.本發(fā)明設(shè)備體積小、重量輕、價(jià)格低廉且易于維護(hù)。
結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。


圖1是分層制造三維物體的設(shè)備圖解，包括一個(gè)多流道液滴沉積裝置14，一個(gè)粉末鋪層裝置15，一個(gè)能在x-y平面與垂直于該平面的z軸方向上按預(yù)定順序移動(dòng)的物體支撐平臺(tái)16，以及計(jì)算機(jī)10，通過(guò)計(jì)算機(jī)10建立了物件圖像12，硬件控制器13(包括信號(hào)發(fā)生器，放大器和其它要求的功能元件等)并控制其它構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)，在物件支撐平臺(tái)附近安裝了用于控制堆積物件18時(shí)的平臺(tái)周圍環(huán)境的溫度調(diào)解裝置和泵(未畫出)在材料沉積子系統(tǒng)中，液滴噴射裝置都要用到熱噴射打印頭和壓電激發(fā)噴射打印頭。圖2是一個(gè)壓電激發(fā)噴墨打印頭的示例。在這個(gè)裝置中，能按需要噴灑的噴墨打印頭在一個(gè)平面內(nèi)高密度地排列，由一個(gè)大量平行的液體通道52組成的打印頭主體60構(gòu)成的，通道52裝有液體組合物54，并截止于相應(yīng)的噴嘴板55，在板上有排料口56，每個(gè)通道有一個(gè)排料口，液滴按要求從通道52中噴出并沉積到所選擇的物件的前一層或物件平臺(tái)上的打印線58上的位置上。
打印頭主體60有一個(gè)平臺(tái)基體70，通道52鑲在其上，并平行向后延展至噴嘴板55處，通道52長(zhǎng)、寬截面為矩形，且側(cè)壁61能延伸通道的長(zhǎng)度，沿著整個(gè)長(zhǎng)度相對(duì)于通道軸向作橫向移動(dòng)，這樣就使通道內(nèi)的液體混合物的壓力發(fā)生變化，使液滴從排料口56噴射出去。每一個(gè)流道52均通過(guò)一個(gè)橫向的通道(未畫出)與排料口的遠(yuǎn)處末端相連接，這個(gè)橫向的流道通過(guò)管子24或64順次地與液體供料室22相連接，用于激發(fā)管道側(cè)壁的電氣連接(未畫出)接到位于基體70上的硅芯片66上，供料室中裝有基體材料和幾種不同染料的液體，22只給出幾種供料室中的一個(gè)，增加的供料室可連接到像64那樣的管子上。圖2還包括能提供不同液體組合物的分開的供料室和導(dǎo)管，優(yōu)選至少要有一種液體組合物含有用于制造物件外部區(qū)域(物件表面)和粘合物件內(nèi)部區(qū)域(物件內(nèi)腔)上的固體粉末顆粒的基本材料。
為了制造彩色物件，一個(gè)供應(yīng)室用來(lái)供應(yīng)基本材料，即構(gòu)成物件的主體制造材料，其余的供應(yīng)室分別或共同用來(lái)提供不同的顏料?；静牧瞎?yīng)通道和至少一條顏料供應(yīng)通道同時(shí)或順次地噴射各自的液滴，來(lái)制造物件的某一部分。
另外，多流道裝置可以簡(jiǎn)單地由多個(gè)可分離的液滴噴射裝置組成，每個(gè)裝置只有一個(gè)或兩個(gè)通道。在兩個(gè)通道裝置中，一個(gè)通道可以用來(lái)噴射基本材料而另一個(gè)噴射顏料，在一組工作的幾個(gè)噴射裝置中，必須至少要有一個(gè)通道用來(lái)沉積含有基本材料的液體組合物，其余的通道含有液體顏料，或者所有的通道填有基本材料和選擇的顏料的混合物，也可優(yōu)選一條通道用來(lái)沉積象蠟?zāi)菢拥挠糜诮ㄔ焖柚谓Y(jié)構(gòu)的材料。
在液體噴射裝置中，最好配有溫度控制裝置(未畫出)，以確保噴射材料在供應(yīng)室、導(dǎo)管或噴射前的通道中為可流動(dòng)狀態(tài)。加熱和冷卻裝置(如加熱元件、冷卻管熱電偶以及溫度控制器〔未畫出〕)可配備在平臺(tái)16的周圍區(qū)，用來(lái)控制材料在平臺(tái)上的固化行為。
圖3給出一種多通道粉末傳送系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，它能按預(yù)定比例提供和噴涂不同的粉末混合物。這里只給了兩條通道，圖中供料室31A、31B用來(lái)存放不同的固體粉末，可供選擇的攪拌裝置35A或35B，是用來(lái)加快粉末顆粒通過(guò)閥門37A或37B，這些閥門通過(guò)電子方式連接到計(jì)算機(jī)10調(diào)節(jié)的機(jī)械控制器13上，閥門開啟后，粉末通過(guò)導(dǎo)管39A或39B進(jìn)入可選擇的混合室36，再通過(guò)排料口41進(jìn)行噴涂。不同供料室的不同粉末在噴涂前就在混合室36進(jìn)行混合，粉末的比例可以調(diào)節(jié)成連續(xù)或間接的變化，如調(diào)節(jié)閥門37A或37B的開口大小。
圖4是另一種多通道粉末傳送裝置簡(jiǎn)圖，它只畫出三個(gè)氣動(dòng)設(shè)備的通道。該裝置是用塞相傳輸?shù)姆椒ㄒ詼p少經(jīng)常發(fā)生在濃質(zhì)傳輸中的塞輸現(xiàn)象。此裝置中，容器71用來(lái)存放粉末72，壓縮空氣通過(guò)導(dǎo)管82導(dǎo)入，通過(guò)閥門76或78的交替操作，空氣分別進(jìn)入管道80或81，在第一個(gè)通道74中形成和向前傳送不同的塞狀粉末材料，其它通道(如88和89)也同樣配有容器、管道、閥門(未畫出)來(lái)形成和移動(dòng)塞狀的不同類別的粉末材料。塞狀材料在可選擇的混合室92中混合，然后通過(guò)噴頭的排料口94進(jìn)行噴涂，由于塞狀材料被塞狀空氣分離，所以此裝置不能提供連續(xù)的粉末流，但如果需要，可通過(guò)兩條平行但相位相反的管線得到連續(xù)的粉末流，通過(guò)控制此裝置中每一個(gè)材料供應(yīng)系統(tǒng)中塞塊的速度，各種材料可按不同的比例組合和沉積，這種通道粉末傳送裝置可以制造空間上帶有不同組分材料的零件。
圖5是流程圖，表明多步執(zhí)行的分層制造過(guò)程。該過(guò)程是以表示實(shí)體數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型的建立開始的，它是以代表一層的一組數(shù)據(jù)來(lái)儲(chǔ)存的，這些層累加起來(lái)，表示整個(gè)物體。每一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于單層沉積材料的物理尺寸，一系列這樣的數(shù)據(jù)按一定的邏輯順次存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，層層堆積起來(lái)就形成實(shí)體。
在三維實(shí)體的組成層形成之前，此實(shí)體的幾何形狀按一定的邏輯順次分成一系列關(guān)連的理論層，每一理論層是由厚度和一組封閉的非相交的曲線形成了二維的平滑表面。這些理論層是以數(shù)據(jù)組的形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的，因而被稱為“邏輯層”，這組曲線形成了邏輯層的輪廓即橫截面。最簡(jiǎn)單的情形為每一個(gè)二維的邏輯層為一平面，這樣每一層是平的，每一特定層的各處厚度一樣，但不是所有的情況都必須這樣，每一層也可以是期望的曲面，并且每一層的厚度可以是它的二維平面上的點(diǎn)的位置的函數(shù)，邏輯層的數(shù)據(jù)組可以通過(guò)以下任一方式建立1.對(duì)于一個(gè)三維CAD模型，將代表模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分層。
2.對(duì)于拓?fù)鋽?shù)據(jù)，直接用來(lái)表示區(qū)域的輪廓。
3.對(duì)于幾何實(shí)體，用連續(xù)的曲線來(lái)表示，這些曲線是在x-y-z直角坐標(biāo)系中將z設(shè)為常數(shù)來(lái)代表每一預(yù)定的幾何形狀。
4.還有其它適宜的方法，即計(jì)算機(jī)X線斷層照相(CT)、磁共振成像(MRI)、衛(wèi)星偵查、數(shù)字化激光、行程測(cè)定等方式也可獲得數(shù)據(jù)，從而得到用計(jì)算機(jī)表示的三維實(shí)體方法。
另一種方法是用傳感器定期測(cè)量新層形成時(shí)實(shí)體的尺寸，并用獲得的數(shù)據(jù)幫助確定實(shí)體的每一個(gè)新的邏輯層，有可能的話，能確定每一新層的曲面和厚度，這種方法叫“適應(yīng)性曲面的分層”。該法能使所制造的實(shí)體的最后尺寸更精確。
一部分代表每一層的封閉的、非相交的曲線明確地將二維平面分成兩個(gè)特征區(qū)，其中一個(gè)是平面與指定的三維實(shí)體相交的部分稱之為“陽(yáng)區(qū)”，另一個(gè)區(qū)是與所需實(shí)體不相交的部分稱之為“陰區(qū)”，液滴和固體粉末被沉積在陽(yáng)區(qū)，而蠟被沉積在每一層陰區(qū)的特定部位或全部區(qū)域作支撐結(jié)構(gòu)。
圖6給出了一個(gè)解決非曲線的層間階梯效應(yīng)的辦法和過(guò)程。圖6B是一個(gè)三維實(shí)體的全視圖。這個(gè)實(shí)體如按常規(guī)SFF技術(shù)一層一層堆積，就很可能出現(xiàn)圖6A所示的“階梯效應(yīng)”，這樣兩層之間的階梯(周邊區(qū)域)可以用細(xì)的液滴來(lái)沉積如圖6C和圖6D那樣，這些液滴一層接一層的堆積，厚度可由非常薄到階梯的厚度，即從一層末端到此階梯另一層末端的厚度變化。這些階梯區(qū)域可由細(xì)液滴組分來(lái)堆積，而單層的主體則由液滴和粉末顆粒的混合物來(lái)堆積，這種辦法能有效地減少或消除階梯效應(yīng)，提高零件的精確度。此方法還可通過(guò)圖6E所示的進(jìn)一步將周邊區(qū)域分成幾個(gè)薄的子區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)子區(qū)在數(shù)學(xué)上可看成一個(gè)邏輯層，這個(gè)邏輯層的數(shù)據(jù)又被轉(zhuǎn)化成程序信號(hào)，去驅(qū)動(dòng)液滴沉積裝置形成階梯厚度的周邊區(qū)域。
圖7表示物件的外表面是曲線的階梯效應(yīng)及其邊界區(qū)域情況。圖中的110是表示液滴沉積裝置沿著界面曲線走形成的邊界區(qū)域，邊界區(qū)域主要由預(yù)定的顏色的液滴和材料組份的液滴組成。邊界區(qū)的寬度可以預(yù)設(shè)，寬的邊界區(qū)表明液滴區(qū)域能更深的進(jìn)入到橫截面的內(nèi)部。圖中的112表示了邊界區(qū)域的內(nèi)邊界決定了內(nèi)部空間的大小。階梯效應(yīng)同樣使用液滴噴射裝置生成階梯厚度的周邊區(qū)域來(lái)減少。
圖8表示使用壓實(shí)器來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)含有大量固體粉末的區(qū)域的壓實(shí)。圖中的115表示小型滾筒壓實(shí)器，117是用滾筒壓實(shí)器115已壓好一層的區(qū)域，119是準(zhǔn)備要壓實(shí)的剩余的區(qū)域。如果不壓實(shí)，細(xì)粉末顆粒間容易存留間隙空氣。噴射的液滴會(huì)取代一部分空間，用滾筒(或用刮刀壓實(shí))滾碾粉末窩積的區(qū)域有利于進(jìn)一步減少或消除空氣間隙，以加強(qiáng)物件密度，以及使單層達(dá)到預(yù)定厚度。
關(guān)于材料，液體材料不必全為溶融態(tài)，可將水溶性材料如聚環(huán)氧乙烷與定量水混合，形成可流動(dòng)的溶液或糊狀物，有些材料(如石膏和淀粉)可以被分散但不是完全溶解于水或其它元素液體中。這類材料也可以同水和其它適宜的液體一起放入供料庫(kù)，以制成漿料，這種液體也可以與選定的顏料混合，最好選擇在液體或細(xì)粉末中形成可注射的液態(tài)組合物。
要與平臺(tái)或前一層接觸的釋放的液體必須滿足兩個(gè)條件，一個(gè)是這種材料的精度應(yīng)足夠高，避免沉積時(shí)過(guò)分流動(dòng)，這對(duì)于要得到良好的尺寸精度是必需的。二是新釋放出的液體必須能夠同前一層粘合在一起。在特定的工藝條件下，這兩個(gè)條件可以從以下材料中得到滿足。
第一類陶瓷、金屬、蠟或半結(jié)晶聚合物材料在釋放前的溫度必須保持在熔點(diǎn)以上。物件平臺(tái)和前一層的溫度必須保持在熔點(diǎn)以下。在新一層材料要與前一層的某些部位接觸前，面向沉積設(shè)備的前一層的這些部位必須已經(jīng)固化。為獲得彩色模型，優(yōu)先使用聚合物。可選用的半結(jié)晶聚合物有聚酰胺(或尼龍)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)。
第二類非結(jié)晶材料如玻璃(硼硅酸玻璃、鈉鈣玻璃)、無(wú)定型聚合物等在釋放前的溫度應(yīng)該略高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。物體平臺(tái)和前一層的溫度應(yīng)低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在新一層材料與前一層的某些部位接觸前，面向噴頭的前一層的這些部位必須已經(jīng)固化。這類無(wú)定型熱塑性聚合物包括聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。
第三類可溶性材料、(如水溶性聚合物)，必需在高溶質(zhì)含量(液體比例低)時(shí)保持溶液狀態(tài)。物體平臺(tái)和前一層的溫度應(yīng)保持在液體的冰點(diǎn)以下(最好遠(yuǎn)低于冰點(diǎn))，這樣，新一層材料與前一層接觸時(shí)將很快凝固。在完成物件的堆積過(guò)成后，將冷凍物體置于真空環(huán)境或抽真空，來(lái)促進(jìn)溶劑組分的升華(此時(shí)的“液體”組分為固態(tài))。這就是在食品加工工業(yè)中主要的冷凍-干燥過(guò)程。這個(gè)過(guò)程完成后，物體的空隙含量很高，可以灌入蠟或環(huán)氧樹脂使其成為完整的物件。
第四類固體材料(如細(xì)陶瓷、金屬或聚合物粉末)可以分散于(混合而不是溶于)液體中，形成高的固體含量的適宜粘度的糊狀物。顆粒尺寸盡可能小，直徑至少小于15微米，最好小于1微米，以避免從液滴沉積裝置中噴出時(shí)阻塞排料口。優(yōu)選像乙醇、甲醇和丙酮一樣可以快速汽化的液體；在室溫下具有高蒸氣壓的無(wú)毒材料(如酒精)是最理想的。平臺(tái)上的物件堆積區(qū)域，最好處在真空或抽真空狀態(tài)以加速汽化，迅速形成固體。期望更低的環(huán)境溫度來(lái)降低糊狀材料的流動(dòng)性，或者通過(guò)冷凍-干燥工序去掉液體組分。
第五類快速固化的熱固性樹脂(如雙組分環(huán)氧)，在釋放前，保持在齊聚物狀態(tài)。一旦被釋放，樹脂將很快凝膠，使得反應(yīng)的樹脂體系達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上即超過(guò)物體平臺(tái)的環(huán)境溫度，從而樹脂固化。將沉積的樹脂暴露在紫外光下可進(jìn)一步加速所選樹脂(如通常用于立體光刻的光固化環(huán)氧樹脂)的凝膠過(guò)程?？焖俟袒瘶渲诖祟I(lǐng)域已被人們熟知而且?guī)追N配方也已商業(yè)化。
第六類溶膠材料(如含有輕度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的聚合物膠體，在交聯(lián)鏈之間充滿了小分子)，可以在通過(guò)噴頭釋放前形成合適的流動(dòng)性，當(dāng)材料與物體平臺(tái)或前一層接觸時(shí)，凝膠化過(guò)程能很快提前，粘度增加，迅速固化。許多天然聚合物粉末如蓮花莖、谷物淀粉等可在溫水中均勻分散，形成糊狀，以便傳送至沉積裝置。在液體釋放前，加入較高溫度的水，也能加速凝膠過(guò)程，新一層材料將自然地粘結(jié)在前一層上，因此這種高度凝膠狀態(tài)下，不會(huì)有過(guò)分的流動(dòng)。合成聚合物，如聚丙烯酰胺，也呈現(xiàn)出類似的行為，能成功地用來(lái)制造三為膠體物件。
最后，作為實(shí)施例，說(shuō)明本發(fā)明最廣泛的(包括帶顏色和支撐結(jié)構(gòu))形式，其過(guò)程包括以下步驟①在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)三維實(shí)體的圖像，這個(gè)圖像包括定義實(shí)物的多元段，每一段賦予一個(gè)顏色代碼；②評(píng)判表示實(shí)物的數(shù)據(jù)文件，找出實(shí)物未被支撐的位置，為這一位置定義一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，并建立多元段；③對(duì)應(yīng)于堆積的實(shí)物和以一定序列排布的支撐結(jié)構(gòu)的這一些組成段，生成程序信號(hào)；④為實(shí)物提供至少含有兩種顏料的液體組分，其中一種組分用于支撐結(jié)構(gòu)；⑤將這些組分填入至少一個(gè)液體沉積流道中；⑥在堆積的物體表面的相應(yīng)位置疏忽，通過(guò)噴射流道噴射液體組分和粉末顆粒；⑦在噴射步驟中，響應(yīng)程序信號(hào)，按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)順序，在x-y平面及z方向上，相對(duì)移動(dòng)成型子系統(tǒng)和實(shí)物支撐平臺(tái)，使得液滴和粉末按照形成的多段序列在自由空間鋪層，這種序列的排布是使得下一鋪層段與上一鋪層段的至少一部分重疊，從而形成支撐結(jié)構(gòu)和三維實(shí)體。
在最后一步⑦中，可以是先用預(yù)選顏色和/或材料組成的基本主材料來(lái)沉積第一層的第一部分，然后用帶有不同顏色的材料組成來(lái)沉積此層的第二部分。單個(gè)部分的顏色分別由它們的顏色代碼來(lái)決定，材料的組成也包括在它們用數(shù)學(xué)方法表示的數(shù)組中。這些過(guò)程不斷重復(fù)，直到完成第一層。用相似的一套程序來(lái)完成單色或多色的第二層的堆積。繼續(xù)這些過(guò)程形成多層堆積，每一層可能帶有不同的顏色，最后堆積成一個(gè)帶顏色的實(shí)體。
權(quán)利要求
1.一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于，該分層制造設(shè)備由材料成型子系統(tǒng)、物體支撐平臺(tái)及與它們相耦連的運(yùn)動(dòng)裝置組成；材料成型子系統(tǒng)包括液滴沉積裝置和粉末鋪層裝置構(gòu)成，液滴沉積裝置包括多重流道，這種多重流道放入多元分散沉積裝置中，每一種裝置帶有至少一個(gè)供應(yīng)液體組分的流道，液體組分通過(guò)管道從液體原料庫(kù)中流出，每個(gè)流道中填有一種可固化的液體組分，至少有一個(gè)噴頭在一端具有一個(gè)與多重流道相連的液體通道，在另一端具有一個(gè)設(shè)定好尺寸大小排料口；該噴頭為一個(gè)帶有熱激活驅(qū)動(dòng)裝置和一個(gè)帶有壓電激活驅(qū)動(dòng)裝置的噴射打印頭，還包括用來(lái)控制上述流道，激活液滴從上述排料口中噴出；粉末鋪層裝置包括至少一個(gè)流道供應(yīng)固體粉末顆粒，同樣至少一個(gè)噴頭在一端具有一個(gè)與上述的流道相連的液體通道，在另一端具有一個(gè)設(shè)定好尺寸大小排料口；還有用來(lái)控制流量的閥門，它安放在控制上述流道的位置上；物體支撐平臺(tái)在工作狀態(tài)下靠近上述的排料口，用來(lái)接收液滴和固體顆粒；運(yùn)動(dòng)裝置是在x-y平面以及垂直于此面的z方向上，相對(duì)移動(dòng)材料成型子系統(tǒng)及相對(duì)移動(dòng)平臺(tái)，從而沉積液滴和粉末顆粒，以形成三維形狀物體。
2.一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于，該分層制造工藝步驟包括啟動(dòng)材料成型子系統(tǒng)，它包括一個(gè)能提供多相液體組分并按要求以液滴方式噴射液體組分的多流道液體沉積裝置，以及一個(gè)能將粉末顆粒鋪到設(shè)定的固體粉末鋪層裝置；相鄰于材料成型子系統(tǒng)安裝有一個(gè)物體支撐平臺(tái)，用來(lái)接收液滴和粉末顆粒；材料成型子系統(tǒng)與平臺(tái)在平行于x-y平面上移動(dòng)，使在平臺(tái)上形成第一層材料，第一層固化后，噴射第二層材料(液滴和粉末顆粒)于第一層上，相對(duì)移動(dòng)平臺(tái)和成型子系統(tǒng)，使第二層材料固化并粘接在第一層上；如此反復(fù)一層一層堆積，最后形成三維形狀物體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于液體組分中至少有一種含有聚合物溶體，另一種含有顏料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于其中液體組分中至少一種是細(xì)固體顆粒分散到液體組分中的膏狀物，至少另一種液體組分含有顏料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于其中液體組分含有混有液體的聚合物，實(shí)物平臺(tái)上配有冷卻裝置，用來(lái)快速固化沉積的液滴。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于其中液體組分含有快速揮發(fā)的液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于粉末鋪層裝置為一多流道氣動(dòng)塞相輸送裝置，包括多粉末供應(yīng)室，與原料供應(yīng)室相連的接收粉末材料的管道，與原料供應(yīng)室和管道連接的供應(yīng)壓縮空氣和有閥門的裝置，按要求控制在管道中流入的材料；一個(gè)鋪層噴頭在一端有一個(gè)與上所述的流道相連的液體通道，在另一端具有一個(gè)設(shè)定好尺寸的排料口，來(lái)鋪設(shè)粉末材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于它必須有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能的計(jì)算機(jī)和支持軟件程序，建立三維圖像，將圖像轉(zhuǎn)化成多元數(shù)據(jù)段，對(duì)應(yīng)于這些數(shù)據(jù)段按一定的序列生成程序信號(hào)；支持軟件程序還包括評(píng)價(jià)表示實(shí)物圖案的數(shù)據(jù)文件，找出實(shí)物中需被支撐的位置，響應(yīng)上述評(píng)價(jià)，為需支撐的位置定義一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，為支撐結(jié)構(gòu)建立一個(gè)多元段數(shù)據(jù)，生成材料成型子系統(tǒng)制造支撐結(jié)構(gòu)所需的程序信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)與計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)裝置相連的三維運(yùn)動(dòng)控制器可激活運(yùn)動(dòng)裝置響應(yīng)來(lái)自計(jì)算機(jī)的每一個(gè)數(shù)據(jù)段的程序信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于還有一個(gè)連在材料成型子系統(tǒng)上的壓實(shí)裝置，用來(lái)壓實(shí)含有固體粉末顆粒的沉積材料，這個(gè)壓實(shí)裝置是刮刀或滾筒。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于，首先在計(jì)算機(jī)中建立三維實(shí)體的圖像，包括定義實(shí)體的多段數(shù)據(jù)，每段賦予一個(gè)顏色代碼，按照設(shè)定的順序生成這些段的程序信息，依據(jù)程序信息并響應(yīng)程序信號(hào)啟動(dòng)材料成型子系統(tǒng)按一定比例沉積粉末顆粒和帶有顏色料的液滴組分，相對(duì)移動(dòng)材料成型子系統(tǒng)和物體平臺(tái)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于，在平臺(tái)上形成帶有預(yù)期顏色的至少一種液體組分的外邊界，該外邊界就決定了實(shí)物的外表面，其外邊界限制了內(nèi)部空間的大??；依據(jù)至少一種預(yù)定的模式在平行x-y平面的方向上，相對(duì)移動(dòng)材料成型子系統(tǒng)和平臺(tái)，用液體組分和粉末組分材料的混合物填充內(nèi)部的空間；其中一種內(nèi)腔是用多種類別的材料在三維空間連續(xù)變化濃度的特定材料來(lái)堆積，另一種內(nèi)腔以特定類別的材料在三維空間的不連續(xù)的位置上沉積，以形成由空間控制組成的材料的零件。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所說(shuō)的一種新的分層制造設(shè)備與工藝，其特征在于可制造彩色的三維實(shí)體，在計(jì)算機(jī)中建立的三維實(shí)體的圖像，圖像定義實(shí)物的多元段，每一段賦予一個(gè)顏色代碼；評(píng)判表示實(shí)物的數(shù)據(jù)文件，找出實(shí)物未被支撐的位置，為這一位置定義一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，并建立多元段；對(duì)應(yīng)于堆積的實(shí)物和以一定序列排布的支撐結(jié)構(gòu)的這些組成段，生成程序信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種分層制造設(shè)備與工藝。整個(gè)過(guò)程有以下步驟:(1)操作材料成型子系統(tǒng),按預(yù)定的比例噴射選擇好的液體組分和固體組分;(2)在材料成型子系統(tǒng)附近有一物體支撐平臺(tái),用來(lái)接收沉積材料;(3)在材料沉積過(guò)程中,在x－y平面和z方向相對(duì)移動(dòng)成型子系統(tǒng)和物體平臺(tái),使成型材料形成實(shí)體第一層。重復(fù)上述步驟沉積多層以形成三維形狀。這些步驟是用計(jì)算機(jī)控制。此系統(tǒng)可生成彩色物件,為實(shí)體的未支撐部位生成支撐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明效率高、精度高。
文檔編號(hào)B29C41/02GK1270883SQ9911157
公開日2000年10月25日 申請(qǐng)日期1999年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月18日
發(fā)明者仲偉虹, 張博增, 黃文強(qiáng) 申請(qǐng)人:仲偉虹, 張博增, 黃文強(qiáng)