1.本發(fā)明涉及一種被構造為對三維被建模對象進行建模的設備、一種被構造為使粒子飛行的設備以及一種對三維被建模對象進行建模的方法。


背景技術：

2.用于對三維被建模對象進行建模的設備通常已知采用增材制造工藝，該增材制造工藝利用諸如熔化沉積建模(fdm)、立體光刻、粉末燒結、材料沉積、粉末固定、片材層壓和定向能量沉積的技術。
3.還已知用光學渦旋激光束照射光吸收三維被建模對象形成劑并使三維被建模對象形成劑飛行以將該劑三維地附著到目標上的過程(專利文獻1)。
4.引用文獻列表
5.專利文獻
6.專利文獻1：再次公開的pct國際公開號2016
?
136722


技術實現(xiàn)要素：

7.技術問題
8.遺憾的是，在專利文獻1中公開的構造不太可能確保建模質量，因為飛行的三維被建模對象形成劑例如在附著之后被紫外線固化，并且當三維被建模對象形成劑撞擊在被建模對象上，具體地說，撞擊在被建模對象的邊緣上時，三維被建模對象形成劑散射。
9.本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，并且旨在提高建模質量。
10.問題的解決方案
11.根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種被構造為對三維被建模對象進行建模的設備，包括載體、能量施加單元和飛行單元。載體被構造成承載建模材料。能量施加單元被構造為向被建模對象的表面施加能量。飛行單元被構造成使承載在載體上的建模材料朝向被建模對象的表面飛行，能量被施加到表面。
12.發(fā)明的有利效果
13.本發(fā)明的一方面可以提高建模質量。
附圖說明
14.圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
15.圖2是載體上的建模材料狀態(tài)的示例的顯微照片。
16.圖3a是另一個示例的顯微照片。
17.圖3b是另一個示例的顯微照片。
18.圖4是示出通過高速攝像機進行截面觀察的狀態(tài)的示意圖，用于示出建模材料的
飛行狀態(tài)。
19.圖5是用于示出建模材料的下落軌跡的示意圖。
20.圖6是用于示出建模材料的液滴著落變化的示意圖。
21.圖7是用于示出該實施例的效果的流程圖。
22.圖8是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
23.圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
24.圖10是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
25.圖11是該設備的多空氣噴嘴的示意圖。
26.圖12是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
27.圖13a是用于示出建模復雜形狀中的支撐方法的示意圖。
28.圖13b是用于示出建模復雜形狀中的支撐方法的示意圖。
29.圖13c是用于示出建模復雜形狀中的支撐方法的示意圖。
30.圖13d是用于示出建模復雜形狀的支撐方法的示意圖。
31.圖14是用于示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的在被構造為對三維被建模對象進行建模的設備中的正被建模的被建模對象的表面溫度的示意圖。
32.圖15是示出飛行建模材料與用于熔化的激光的輻射區(qū)域(激光區(qū)域)之間的關系的示意圖。
33.圖16是用于示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的在被構造為對三維被建模對象進行建模的設備中的正在被建模的被建模對象的表面溫度的示意圖。
34.圖17是用于示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的被構造為使粒子飛行的設備的示意圖。
35.圖18是用于示出注量閾值的示意圖。
36.圖19是根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
具體實施方式
37.下面將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。將參考圖1描述本發(fā)明的第一實施例。圖1是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
38.被構造為對三維被建模對象進行建模的設備(稱為三維建模設備)100包括平臺101，該平臺是支撐要建模的被建模對象200(建模過程中的被建模對象)的支撐構件。臺101可以在箭頭y方向上往復運動并且可以在箭頭z方向上上下移動，例如以0.05mm間距的建模厚度。
39.在平臺101下方，設置平臺加熱加熱器102，使得將平臺101調整到適合建模材料201的溫度。在平臺101上方，設置隔熱板301。被建模對象
?
加熱加熱器302設置在隔熱板301的下方，使得從被建模對象
?
加熱加熱器302接收到能量的被建模對象200被調整到適合建
模材料201的溫度。被建模對象
?
加熱加熱器302可以與隔熱板301集成在一起。
40.在臺101上方，設置形成有旋轉構件的載體111以承載粒子形式的建模材料201。載體111形成有轉滾筒，該轉滾筒承載建模材料201并沿箭頭方向(輸送方向)旋轉以將建模材料201輸送到臺101上的被建模對象200上方。載體111是透明構件并且由但不限于圓柱形玻璃構件形成。
41.建模材料201要根據(jù)目標被建模對象200適當?shù)剡x擇。在樹脂的情況下，示例包括pa12(聚酰胺12)、pbt(聚對苯二甲酸丁二醇酯)、psu(聚砜)，pa66(聚酰胺66)、pet(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、lcp(液晶聚合物)、peek(聚醚醚酮)、pom(聚縮醛)、psf(聚砜)、pa6(聚酰胺6)和pps(聚苯硫醚)。建模材料201不限于結晶樹脂，也可以是pc(聚碳酸酯)、abs(丙烯腈丁二烯苯乙烯)、pei(聚醚酰亞胺)等非結晶樹脂，或結晶與非結晶混合樹脂。
42.除了樹脂之外，諸如金屬、陶瓷和液體的各種材料可以用作建模材料201。建模材料201可以是具有1pa
·
s或更高粘度的材料。
43.在本實施例中，建模材料201主要通過范德華力承載在載體111的外周表面上。當建模材料201的電阻值高時，建模材料201只能通過靜電粘附力進行承載。
44.在載體111的外周上，設置供應單元112以將建模材料201供應到載體111的外周表面(表面)。
45.供應單元112包括在內部被供應建模材料201并沿箭頭方向旋轉的網(wǎng)輥121和用于摩擦和擦洗網(wǎng)輥121內部的建模材料201的刮刀122。該供應單元112在用刮刀122摩擦和擦洗建模材料201的同時破碎團塊，以允許建模材料201通過網(wǎng)輥121，從而在載體111的外周表面上形成建模材料201的薄層。
46.網(wǎng)輥121的網(wǎng)開口優(yōu)選比建模材料201的平均粒徑大20％至30％。雖然可以使用編織的金屬線，但是通過電鑄制造的平網(wǎng)是更優(yōu)選的。刮刀122進行抵靠的方式可以是拖尾的，如圖1或相反所述的，并適當?shù)剡x擇。盡管網(wǎng)的開口可能被建模材料201堵塞，但是可以通過使比開口細的纖維刷從外周與網(wǎng)輥接觸來消除堵塞。
47.現(xiàn)在參考圖2和圖3a和3b，將描述載體111上的建模材料201的狀態(tài)。圖2和圖3a和3b是不同建模材料的示例的光學顯微照片，并用于示出該狀態(tài)。
48.圖2是提供應載體111的外周表面的建模材料201的光學顯微照片，其中體積平均粒徑為48μm的柱狀建模材料201用作建模材料201并使用具有70μm的開口和50μm的線直徑的不銹鋼網(wǎng)。在該示例中，觀察到建模材料201整體上均勻排列，幾乎沒有重疊。
49.圖3a是提供應載體111的外周表面的建模材料201的光學顯微照片，其中由siterit制造的pa12光滑(體積平均粒徑為38微米)被用作建模材料201，并且使用具有60微米的開口和50微米的線直徑的不銹鋼網(wǎng)。圖3b是圖3a的放大照片。同樣在該示例中，建模材料201在整體上均勻布置，幾乎沒有重疊。盡管該建模材料201具有特殊的形狀，使得三個或四個球形粒子結合，但是建模材料201不結塊或重疊。
50.供應單元112的供應不限于網(wǎng)輥。例如，可以采用轉子接觸供應、非接觸供應、從不接觸的網(wǎng)噴射、通過粉末充氣浸入流化床。
51.回到圖1，在載體111內部，用于飛行的激光器115被設置為飛行單元，其被構造為使建模材料201從載體111的外周表面飛行。
52.如本文所使用的，“飛行”是指建模材料201以非接觸方式從載體111向平臺101移
動。與涉及接觸的轉移不同，建模材料201可以以非接觸方式移動，從而消除建模材料201的損失并提高建模精度。
53.用于飛行的激光器115包括脈沖激光器，并且從載體111的內部向建模材料201發(fā)射脈沖激光115a。
54.用于飛行的激光器115包括諸如電流鏡的光學掃描儀。光學掃描儀改變反射脈沖激光115a的反射鏡的角度，以改變脈沖激光115a在正交于箭頭y方向和箭頭z方向的x方向上的輻射位置。用于飛行的激光器115可以使用光學掃描儀以用脈沖激光115a選擇性地照射x方向上的預定位置。
55.建模材料201接收脈沖激光115a，然后例如通過稱為輻射力的力從粉末粘附力中釋放，并且例如通過重力向下下落。在傳統(tǒng)已知和例如在us006025110a中公開的激光誘導正向轉移(lift)中，與載體緊密接觸的箔或液態(tài)材料通過激光輻射被無接觸地轉移，其中局部加熱的材料被蒸發(fā)，然后在脈沖激光115a的方向上從載體111的外周表面飛出。
56.圖1等示出了一示例，其中建模材料201在重力方向上飛向平臺101，但是該方向不必保持在平臺101的法線(90
°
)處，并且可以根據(jù)需要相對于平臺101傾斜預定角度。
57.在本實施例中，我們不會說后一種機制沒有貢獻，但是我們關注前一種機制。原因如下。
58.1.對激光吸收系數(shù)高的黑色粉末和透明粉末在飛行啟動能量上相當。
59.2.即使載體是透明樹脂膜時，透明粉末也會飛行。
60.3.載體的透明樹脂膜即使在多次至1000次的脈沖激光輻射下也不會劣化。
61.載體111和被建模對象200之間的間隙距離優(yōu)選保持為比建模材料201的平均粒徑大大約3至10倍。這個間隙可以避免上下建模材料在飛行前后的接觸，并可以避免因飛行而產(chǎn)生的消散。
62.現(xiàn)在參考圖4，將描述建模材料201的飛行狀態(tài)。圖4是用來示出飛行狀態(tài)的示意圖。圖4在(b)和(c)示出了通過高速攝像機的橫截面觀察的狀態(tài)。
63.如圖4中的(a1)所示，當建模材料201在載體111的外周表面上多層重疊時，脈沖激光115a的輻射允許建模材料201飛行，然后如圖4中的(b)所示消散。
64.相比之下，如圖4中的(a2)所示，當建模材料201被無重疊地承載在載體111的外周表面上時，脈沖激光115a的輻射允許建模材料201在豎直方向上飛行，如圖4(c)所示。
65.現(xiàn)在參考圖5和圖6，將描述建模材料的下落軌跡和液滴著落變化。
66.圖5示出了在以下條件下通過間隔連續(xù)拍攝捕獲的多個粉末粒子(建模材料)的下落軌跡。
67.pa12粉末：平均粒徑38μm
68.激光波長：532nm
69.脈沖寬度：15ps
70.峰值功率：0.74mw
71.光束重疊數(shù)：1.3
72.光束直徑：40μm
73.頻率：6.6khz
74.掃描速度：200毫米/秒
75.拍攝：20kfps
76.使用透明pc、黑色pc、pe和pbt的粉末，觀察到激光波長：1064nm和脈沖寬度：2ns、20ns等組合的各種飛行。特別是透明pc，無論是532nm還是1064nm，具有較高的透光率和較少的熱量吸收，推測是一種不同于傳統(tǒng)lift的機制。
77.在這樣的情況下，在建模預期位置0.5毫米間隙位置的液滴著落變化由圖6中的直方圖示出。
78.如從該結果可以理解的，76％的粒子著落在
±
50μm的范圍內，這足以以例如
±
100μm的精度進行建模。由于最終形狀由用于熔化的激光的位置精度決定，所以在被建模對象進行建模后，從熔化部分偏離的少量粉末被移除。
79.用于飛行的激光器115可以使用任何激光光源，并且能夠產(chǎn)生皮秒到納秒脈沖的激光源是優(yōu)選的。固體激光器的示例包括yag激光器和鈦藍寶石激光器。氣體激光器的示例包括氬激光器、氦氖激光器和二氧化碳氣體激光器。半導體激光器是優(yōu)選的，因為它們的緊湊性。光纖激光器是最適合將本發(fā)明商業(yè)化的光源，因為它們具有高峰值能量和尺寸減小的可能性。
80.用于熔化的激光的波長可以適當選擇，優(yōu)選300納米或更大和11微米或更小，因為如果是這樣的話，具有寬的光源選擇范圍。特別地，當建模材料201是樹脂時，2460nm附近是幾乎所有樹脂都具有的ch
?
cc鍵的復合吸收帶，并且在包括含碳樹脂的各種樹脂中吸收系數(shù)為80％或更高。波長為2300納米至2500納米時，吸收系數(shù)為65％或更高。同樣在這個范圍內，可以應用穩(wěn)定飛行和熔化的能量。類似地，3400納米附近(即cc鍵的吸收帶)及其1700納米附近的泛音帶也是優(yōu)選的。
81.在這個波段，普通玻璃的透射率也很高，因此很容易與基材結合。
82.結合激光器的掃描速度，可以適當選擇激光器的脈沖頻率。當有許多光束直徑重疊時，這是由它們的組合決定的，激光甚至在飛行后撞擊在粉末(建模材料)上，粉末傾向于消散。當光束直徑重疊兩倍或更多時，這樣的趨勢很明顯，而當重疊1.2至1.7倍時，粉末的消散很小。
83.在載體111內部，用于熔化的激光器116被設置為能量施加單元，該能量施加單元被構造為向被建模對象200的表面施加能量。用于熔化的激光器116不需要主動使用脈沖，并且連續(xù)波激光器是合適的。
84.用于熔化的激光器116將在平臺101上建模的被建模對象200的表面加熱到熔化狀態(tài)。只要通過來自一個或多個能量施加單元的能量實現(xiàn)熔化狀態(tài)，例如，除了通過激光加熱之外，還可以采用對流、燈、感應加熱和電介質加熱。如這里使用的“表面”可以是一次通過建模形成的一層，或者是多層，例如兩層或三層。該表面可以是每層的一部分或整個層。換句話說，包括最外表面的一部分是重要的。
85.發(fā)射用于熔化的激光器116的激光116a，以瞄準圖1中用于飛行的激光器115的脈沖激光115a的輻射位置(建模材料201的液滴著落位置)。它們的位置可以調整，并且調整后的位置可以根據(jù)例如材料的種類和建模速度而改變。
86.利用該構造，由用于飛行的激光器115飛行的建模材料201著落在由用于熔化的激光器116的激光116a熔化的被建模對象200的表面上，并且粘附到被建模對象200。
87.建模材料201的飛行開始時間和被建模對象200的熔化開始時間之間的時間關系
不受限制。也就是說，被建模對象200的表面可以在建模材料201飛行之前熔化。替代地，在建模材料201飛行之后，被建模對象200的表面可以被熔化，并且飛行的建模材料201可以著落在熔化的表面上。
88.著落位置的變化以及不足和過?？梢栽诟鲗又g調整，盡管用于飛行的激光器115可以不同于建模形狀，但是建模形狀由用于熔化的激光器116確定。
89.在載體111的外周上，用于移除留在載體111上的建模材料201的清潔刮刀117被設置在載體111的旋轉方向上相對于被建模對象200被建模的區(qū)域的下游側。由清潔刮刀117刮掉的建模材料201在回收箱118中被回收。
90.現(xiàn)在參考圖7中的流程圖，將描述該三維建模設備100的效果。
91.在開始建模操作時，供應單元112用刮刀122摩擦和擦洗網(wǎng)輥121中的建模材料201(步驟s1，以下簡稱為“s1”)，允許建模材料201穿過網(wǎng)(s2)，并將建模材料201放置在載體111的外周表面上以便不重疊(s3)。供應單元112保持對載體111的供應，直到完成建模(s4)。
92.以此方式，通過供應單元112將建模材料201供應到載體111的外周表面，使得建模材料201被承載在設置在支撐被建模對象200的平臺101上方的載體111的表面上。
93.然后，通過載體111的旋轉執(zhí)行輸送到平臺101上方，并且在平臺101上方形成建模材料201的頂部。
94.在建模開始時刻(s5)，用于熔化的激光器116輻射激光116a，以加熱和熔化建模材料201將要附著到的被建模對象200的一部分(s6)。在開始建模后的第一層中，建模材料201被階段加熱加熱器102的溫度熔化。
95.然后，用于飛行的激光器115用如根據(jù)建模數(shù)據(jù)預定的脈沖激光115a照射建模材料201，以允許承載在載體111上的建模材料201朝著被建模對象200的熔化部分飛行(s7)。
96.從載體111飛出的建模材料201以熔化狀態(tài)著落在被建模對象200的表面上，以結合到被建模對象200中，使得被建模對象200由至少一種建模材料生長。
97.以此方式，當通過載體111的連續(xù)旋轉將建模材料201連續(xù)輸送到平臺101上時，重復通過用于熔化的激光器116熔化被建模對象200的表面以及通過用于飛行的激光器115飛行和著落建模材料201，直到完成建模(s8)。
98.以此方式，被建模對象200生長成預定形狀，由此可以對三維被建模對象進行建模。
99.在這樣做時，飛行的建模材料201著落在并粘附到熔化的被建模對象200的表面上，但是不會由于碰撞而擴散，從而可以以高精度產(chǎn)生被建模對象200的邊緣，從而提高建模質量。
100.如前所述的，不僅結晶樹脂，而且結晶樹脂和非結晶樹脂的混合樹脂都可以用作粉末，并且確保了廣泛的各種材料。此外，連續(xù)建模可以提高建模速度并且可以減少材料浪費。
101.現(xiàn)在將參考圖8描述本發(fā)明的第二實施例。圖8是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
102.在本實施例中，在前述第一實施例中，構造成噴射液體130并將液體130施加到建模材料201的頭部131設置在載體111的外周上，并且位于供應單元112和建模材料201飛行
到的位置(建模位置)之間。
103.在頭部131沿粉末輸送方向(載體111的旋轉方向)的下游側，設置抽吸單元132以抽吸和回收未被施加液體130的建模材料201。提供罐133以在其中存儲由抽吸單元132回收的建模材料201。
104.以此方式，液體130通過頭部131施加到建模材料201，以在建模材料201之間以及載體111和建模材料201之間產(chǎn)生毛細力，由此建模材料201可以更穩(wěn)定地承載在載體111的外周表面上并被輸送到建模位置。
105.在這樣做時，頭部131根據(jù)建模數(shù)據(jù)被致動，以選擇施加液體130的區(qū)域，由此可以根據(jù)建模數(shù)據(jù)在載體111上形成建模材料201的圖像。著色劑和/或添加劑可以添加到從頭部131噴射的液體中，以添加顏色或賦予功能。多色頭部可以用作頭部131，以賦予預定的顏色。
106.當整體施加毛細力而沒有用建模材料201形成圖像時，來自超聲波加濕器的霧可以被噴射，以能夠更穩(wěn)定地輸送到建模位置。
107.當范德華力和/或粉末阻力高時，僅靜電粘附力就能將其輸送到飛行部分。
108.抽吸單元132通過毛細力抽吸和移除未承載在載體111的表面上的建模材料201。除了高導電性粉末之外，抽吸單元132能夠靜電抽吸以及減壓抽吸，并且可以組合使用它們。抽吸的建模材料201不含液體，因此可以被重新供應到供應單元112中。
109.現(xiàn)在將描述液體130。水被用作液體130。為了調整粘度，可以含有微量的增稠劑，如甘油或聚乙二醇。
110.然而，在構成建模材料201的一些樹脂中，由于水解，甚至應該避免微量的水。在這樣的情況下，可以選擇阻燃且對材料沒有影響的液體，例如基于氟化氫的溶劑。例如，可以根據(jù)沸點選擇產(chǎn)品名稱：3m公司制造的fluorinert(注冊商標)或solvay制造的產(chǎn)品名稱：galden(注冊商標)。當基于氟化氫的溶劑通過激光加熱分解時，吸收氫氟酸的吸收劑如碳酸鈣被布置在排氣路徑中。
111.現(xiàn)在將參考圖9描述本發(fā)明的第三實施例。圖9是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
112.在本實施例中，載體111形成有環(huán)形帶，該環(huán)形帶是循環(huán)的旋轉構件。例如，鎳帶用于載體111。
113.載體111環(huán)繞在輥151、152和作為加熱單元的加熱輥153。這里，加熱輥153設置在平臺101上方對被建模對象200進行建模的位置(建模位置)。
114.在加熱輥153的背面，設置有支撐輥154。支撐輥154減少了由加熱輥153的小直徑引起的環(huán)形帶的松弛。
115.回收輥134是偏壓輥，并且通過偏壓電場回收建模材料201，并將回收的建模材料滴到罐133中。
116.在本實施例中，加熱輥153被加熱到例如150℃，并且載體111和加熱輥153之間的接觸部分達到超過100℃的溫度，以釋放水對載體111上承載的建模材料201的毛細力(碰撞)。加熱輥153具有相對較小的直徑，并且建模材料201也通過離心力從毛細力中釋放。因此，建模材料201例如以載體111300毫米/秒的移動速度從載體111流向被建模對象200。
117.簡而言之，在本實施例中，被構造為使建模材料201從載體111飛出的飛行單元包
括加熱輥153和被構造為旋轉載體111的元件，并且建模材料201通過碰撞和離心力從載體111的外周表面飛出。更具體地，載體111的移動所涉及的慣性力也起作用，使得在載體移動方向上，著落位置在飛行位置正下方的位置之前。
118.另一方面，與前述第一實施例一樣，被建模對象200的建模材料201附著到的部分通過用于熔化的激光器116熔化成熔化狀態(tài)。
119.從載體111飛出的建模材料201然后粘附到被建模對象200的熔化部分，以生長被建模對象200。
120.現(xiàn)在將參考圖10和圖11描述本發(fā)明的第四實施例。圖10是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖，以及圖11是該設備的多空氣噴嘴的示意圖。
121.在本實施例中，載體111形成有環(huán)形網(wǎng)帶。
122.載體111環(huán)繞輥151、152和輥156、157。多空氣噴嘴160設置在輥156和157之間，并且在平臺101上方的被建模對象200被建模的位置(建模位置)處。
123.空氣從供應源供應到多空氣噴嘴160?？諝鈴膰娮?60a吹向由網(wǎng)帶形成的載體111，使得建模材料201從載體111氣動地飛行。
124.盡管飛行前的粉末圖像形成使用噴墨，但如在其他實施例中，底片(negative)可以通過激光移除。當多空氣噴嘴本身具有類似噴墨的能夠利用微腔結構單獨控制的構造時，不需要初步圖像形成，并且可以實現(xiàn)粉末噴射構造。
125.與前述第一實施例一樣，被建模對象200的建模材料201附著到的部分由用于熔化的激光器116加熱并熔化。
126.從載體111飛出的建模材料201然后粘附到被建模對象200的熔化部分，以生長被建模對象200。
127.現(xiàn)在將參考圖12描述本發(fā)明的第五實施例。圖12是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
128.在本實施例中，載體111形成有環(huán)形帶，該環(huán)形帶是循環(huán)的旋轉構件。載體111由例如pet膜(由toray industries,inc.制造的lumirror)形成。替代地，載體111可由聚酰亞胺膜(由toray industries,inc.制造的kapton h)形成。這些膜在工業(yè)上大量生產(chǎn)，并可用作環(huán)形帶。替代地，可以原樣地使用長膜卷，并且可以卷對卷地重復使用。
129.載體111環(huán)繞輥151、152和固定構件155。這里，固定構件155設置在平臺101上方的被建模對象200被建模的位置(建模位置)。
130.滾花輥可以用作供應單元112的進給輥123，并且在其表面上具有橡膠層的鄰接輥124被設置成面對進給輥123。
131.固定構件155允許用于飛行的激光器115的脈沖激光115a通過狹縫155a以20度的入射角照射載體11。
132.涂布設備163設置成噴射和施加涂布液體。涂布設備163噴射例如耐熱且水溶性的液體162，例如通過加熱沉積的硫酸鎂。該構造提高了在被建模對象200的界面處的支撐可移除性。涂布液可以是低粘度液體，或者可以使用漿狀或加熱熔化的樹脂。
133.現(xiàn)在參考圖13a至13d(a1，可以描述建模復雜形狀的支撐方法。
134.如圖13a所示，c形被建模對象200被建模。在這樣做時，如圖13b所示，使用支撐構
件211，該支撐構件支撐被建模對象200的上部部分，并且可以在建模后容易地移除。
135.當支撐部分形成有支撐構件211時，僅用于飛行的激光器115被激活，而用于熔化的激光器116未被激活。粉末的高度可以通過飛行頻率來調整，并且可以預先在建模數(shù)據(jù)中預測和設置，或者可以在建模期間測量形狀時進行校正。
136.如圖13(c)和13(d)所示，考慮到支撐構件201b塌陷的可能性和精度，被建模對象212至214形成在支撐構件211的一部分中，并且在建模之后移除。
137.現(xiàn)在將參考圖14描述本發(fā)明的第六實施例。圖14是根據(jù)本實施例的用于示出在被構造為對三維被建模對象進行建模的設備中正在被建模的被建模對象的表面溫度的示意圖。
138.本實施例中的設備構造和建模操作類似于第一實施例中的那些?？梢圆捎玫诙恋谖鍖嵤├械脑O備構造。
139.在本實施例中，作為結晶樹脂的peek被用作建模材料(被建模對象200的材料)201。可以使用任何其他結晶樹脂。
140.圖14示出了在被建模對象200的建模開始之后表面溫度隨時間的變化。圖14中的s6表示圖7中步驟s6(用于熔化的激光輻射)和步驟s7(用于飛行的激光輻射)的定時。
141.在本實施例中，如圖14所示，在步驟s7通過用于熔化的激光器116用激光116a照射并具有升高的溫度的被建模對象200的表面保持在143℃，這是當通過用于飛行的激光器115飛行的建模材料201到達(撞擊)所述表面并沉積時的轉變溫度tg或更高。
142.被建模對象200的表面溫度被設定為玻璃化轉變溫度tg或更高，由此被建模對象200的表面變成橡膠狀，并且當飛行的建模材料201撞擊被建模對象200時，被建模對象200的表面變形以吸收建模材料201的動能。
143.相比之下，被建模對象200的表面溫度低于玻璃化轉變溫度tg是不優(yōu)選的，因為如果是這樣，當飛行的建模材料201撞擊被建模對象200時，被建模對象200的表面沒有充分變形并且不能充分吸收建模材料201的動能。
144.在該構造中，當建模材料201撞擊(到達)被建模對象200的表面時，建模材料201較少反彈并且建模材料201較少散射，由此提高了被建模對象200的尺寸精度和表面特性，從而提高了建模質量。
145.在此情況下，當使用peek作為建模材料201時，被建模對象200的表面溫度優(yōu)選為結晶溫度(tc)或更高，300℃或更高是優(yōu)選的。該溫度可以抑制由于溫度下降時與結晶相關的快速收縮而導致的局部翹曲的發(fā)生，并且可以產(chǎn)生具有穩(wěn)定形狀的三維被建模對象。
146.為了保持被建模對象200的表面溫度，如圖1所示，作為能量施加單元的被建模對象
?
加熱加熱器302被設置在平臺101上方，該被建模對象
?
加熱加熱器302用作被構造為向被建模對象200施加能量的能量施加單元。被建模對象
?
加熱加熱器302由平面電阻加熱元件形成，以將被建模對象200周圍的環(huán)境溫度保持在143℃，這是建模材料201的玻璃化轉變溫度tg或更高。
147.例如，通過風扇在隔熱板301和平臺101之間吹送空氣，以保持環(huán)境溫度均勻。
148.溫度傳感器可以設置在被建模對象
?
加熱加熱器302或被建模對象200的周圍，以執(zhí)行溫度調整，使得被建模對象200周圍的環(huán)境溫度保持恒定。當建模材料201撞擊到被建模對象200上時，保持環(huán)境溫度高可以抑制建模材料201的散射，此外，在建模之后減小被建
模對象200內部的溫度梯度可以抑制翹曲。
149.被建模對象
?
加熱加熱器302升高被建模對象200周圍的環(huán)境溫度，使得建模材料201在通過用于飛行的激光器115(在被承載狀態(tài)下)飛行之前的溫度也保持在143℃，這是玻璃化轉變溫度tg，或更高。
150.該構造可以減少由用于熔化的激光器116施加的能量，從而實現(xiàn)更高的速度和功率節(jié)省。
151.另一方面，建模材料201在通過用于飛行的激光器115飛行之前可以低于143℃，這是玻璃化轉變溫度tg。優(yōu)選是進行調整，使得建模材料201不會變成橡膠狀的，從而將對載體111的粘附力保持在某一水平或更低，以便于建模材料201的飛行。
152.如圖14所示，在步驟6處，被建模對象200的表面溫度低于343℃，343℃是由用于熔化的激光器116輻射激光116a之前的熔點tm，而在輻射激光116a之后為343℃，或更高。
153.在通過用于熔化的激光器116輻射激光116a之后，溫度被設定為熔點tm或更高，由此被建模對象200變成液體，并且熔化的建模材料201結合在一起以形成具有高強度的被建模對象。如果即使在輻射之后溫度也低于熔點tm，則建模材料201不能充分結合到被建模對象200。
154.另一方面，溫度被設定為低于通過用于熔化的激光器116輻射激光116a之前的熔點tm，以防止被建模對象200完全熔化和塌陷，并保持一定的尺寸精度。
155.通過用于熔化的激光器116引起的被建模對象200的表面的溫度升高被設定為50℃，這樣的程度使得不會發(fā)生由于被建模對象的局部變形引起的翹曲。
156.被建模對象
?
加熱加熱器302被用作能量施加單元，該能量施加單元被構造為施加能量以將被建模對象200的表面溫度(保持)在玻璃化轉變溫度tg或更高。然而，實施例不限于此。
157.例如，用于熔化的激光器116的輸出或輻射時間或者來自用于熔化的激光器116的激光116a和來自用于飛行的激光器115的激光115a的輻射之間的時間間隔可以通過控制激光器來調整。
158.例如，當時間間隔被調整時，時間間隔可以被確定到這樣的程度，使得在溫度降低的過程中，在用來自用于熔化的激光器116的激光116a照射被建模對象200的表面并且被建模對象200的表面溫度超過熔點之后，隨著熱量被傳遞到被建模對象200的內部或大氣，溫度不會下降到玻璃化轉變溫度tg以下。
159.現(xiàn)在將描述建模材料飛行的時間間隔。
160.當建模材料201飛行并撞擊在被建模對象200的表面上時，熱量從被建模對象200傳遞以增加建模材料201的溫度。如果該熱傳遞不足，當建模材料201隨后撞擊到相同位置時，建模材料201的表面溫度沒有充分升高，并且存在溫度沒有達到玻璃化轉變溫度tg的可能性。
161.為了獲得足夠的傳熱時間，當建模材料201的平均粒徑為1[微米]時，從當建模材料201飛行到達被建模對象200的該表面時到當建模材料201隨后飛行到相同位置到達被建模對象200的該表面時的時間間隔被設置為l
×
l/200[毫秒]或更長。時間間隔短于l
×
l/200[毫秒]是不優(yōu)選的，因為如果這樣，到達所述表面的粒子的熱量沒有充分擴散，并且粒子沒有完全熔化。
[0162]
時間間隔的閾值是使用閾值l2/α導出的，用于實現(xiàn)厚度為l、熱擴散率為α(對應于rc電路中的時間常數(shù)rc)且α＝2.0
×
10
?7[m2/s]的材料在普通樹脂材料中的均勻溫度。當l＝50[微米]時，12.5[毫秒]或更長的時間間隔是必要的，并且基于此，例如，用于使建模材料201飛行的時間間隔被設置為20[毫秒]。
[0163]
利用該時間間隔，當建模材料201飛行并撞擊在被建模對象200的表面上時，確保有足夠的時間使熱量從被建模對象200傳遞以提高建模材料201的溫度，從而提高建模質量。
[0164]
現(xiàn)在將參考表1描述具體的示例。
[0165]
<示例1
?
1至示例1
?
6>
[0166]
如表1所示，peek(示例1
?
1和1
?
2)、pa12(示例1
?
3和1
?
4)和pbt(示例1
?
5和1
?
6)用作樹脂(建模材料201)。然后，將加熱前的被建模對象200的表面溫度設定為低于熔點的溫度，并在當將加熱的樹脂到達表面時的表面溫度(到達表面溫度)設定為玻璃化轉變溫度tg或更高(示例1
?
1、1
?
3和1
?
5)或結晶溫度tc或更高(示例1
?
2、1
?
4和1
?
6)。用于使樹脂飛行的時間間隔為“l(fā)
×
l/200[毫秒]”或更長，0.1秒，在任何情況下。
[0167]
在任何情況下，環(huán)境溫度都設定為25℃。溫度是使用由keyence corporation制造的產(chǎn)品名稱ft
?
h20測量的。時間間隔是使用由keyence corporation制造的產(chǎn)品名稱nr
?
500測量的。
[0168]
評估示例1
?
1至示例1
?
6的熔化狀態(tài)，評估結果示于表1。評估結果“良好”表示建模材料熔化，被建模對象與建模材料結合。
[0169]
表1
[0170][0171]
現(xiàn)在將參考圖15描述在飛行期間加熱建模材料。圖15是示出飛行建模材料和通過用于熔化的激光器的輻射區(qū)域(激光區(qū)域)之間的關系的示意圖。
[0172]
激光116a照射被建模對象200的表面，并且傾斜入射以通過被建模對象200的上方。
[0173]
這里，當用于熔化的激光器116輻射激光116a時，建模材料201在被建模對象200的表面上飛行和著落。
[0174]
以該方式，在飛行期間用用于熔化的激光器116的激光116a直接照射建模材料201，由此不僅被建模對象200的表面，而且建模材料201也可以同時被加熱。
[0175]
因此，著落建模材料201本身達到玻璃化轉變溫度tg或更高，或者在撞擊被建模對象200時的溫度增加，由此被建模對象200的表面在撞擊被建模對象200時變形并吸收動能。
[0176]
因此，建模材料201在撞擊到被建模對象200的表面上時較少反彈，并且建模材料201較少散射，由此進一步提高了被建模對象200的尺寸精度和表面特性，從而提高了建模質量。
[0177]
現(xiàn)在將參考圖16描述本發(fā)明的第七實施例。圖16是用于示出在根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備中正被建模的被建模對象的表面溫度的示意圖。
[0178]
本實施例中的設備構造和建模操作類似于第一實施例中的那些?？梢圆捎玫诙?br/>第五實施例中的設備構造。
[0179]
在本實施例中，作為非結晶樹脂的pes被用作建模材料201?？梢允褂萌魏纹渌墙Y晶樹脂。
[0180]
當建模材料201是非結晶樹脂時，其不具有熔點。因此，類似于前述第六實施例的操作效果不能由用于熔化的激光器116的輻射之前和之后的被建模對象200的表面溫度來限定。
[0181]
然后，在本實施例中，基于樹脂的粘度來定義效果。
[0182]
在從用于熔化的激光器116輻射激光116a之前，樹脂的粘度為1.0
×
103pa
·
s或更高，而在輻射激光116a之后，該粘度被設定為低于1.0
×
103pa
·
s。也就是說，在被建模對象200的表面被能量施加單元加熱之后，該粘度低于1.0
×
103pa
·
s，并且在加熱之前，該粘度為1.0
×
103pa
·
s或更高。
[0183]
現(xiàn)在將參考表2描述具體的示例。
[0184]
<示例2
?
1>
[0185]
將pes用作樹脂(建模材料201)，并且將溫度設定為激光輻射前的250℃和輻射后的360℃。在這樣的情況下，輻射前的粘度為3.0
×
103pa
·
s，輻射后的粘度為6.0
×
102pa
·
s。
[0186]
<示例2
?
2>
[0187]
使用pvc作為樹脂(建模材料201)，并且在施加激光能量之前將溫度設定為50℃，并且在施加之后設定為150℃。在此情況下，輻射前的粘度為4.0
×
103pa
·
s，輻射后的粘度為5.0
×
102pa
·
s。
[0188]
溫度是使用由keyence corporation制造的產(chǎn)品名稱ft
?
h20測量的。根據(jù)jis8803：2011測量粘度。
[0189]
評估示例2
?
1和2
?
2的熔化狀態(tài)，評估結果示于表2。評估結果中的符號“良好”表示建模材料熔化，被建模對象和建模材料結合。
[0190]
表2
[0191][0192]
根據(jù)這些示例，對于沒有熔點的非晶樹脂，在來自用于熔化的激光器116的激光116a的輻射之后，被建模對象200變軟，并且粉末結合在一起，由此可以形成具有高強度的被建模對象，如在前述第六實施例中的那樣。溫度被設定為低于由用于熔化的激光器116輻射激光之前的熔點，以防止被建模對象200完全軟化和塌陷，并保持一定的尺寸精度。
[0193]
層以非接觸方式沉積的前述實施例可以解決與選擇性熱塑性電子照相工藝等相關的幾乎所有問題。例如，在熔化樹脂與被建模對象接觸并沉積的方法中，在界面處傾向于出現(xiàn)偏移或粗糙，并且材料在嚴格控制溫度、時間增加和熔化粘度方面受到限制。此外，由于使用靜電，導電樹脂不可用。然而，這些問題通過無接觸沉積得以消除。
[0194]
現(xiàn)在將參考圖17描述本發(fā)明的第八實施例。圖17是根據(jù)本實施例的被構造成使粒子飛行的設備的示意圖。
[0195]
在本實施例中，根據(jù)前述第一實施例，被構造為使粒子飛行的設備被應用于被構造為對三維被建模對象進行建模的設備。
[0196]
用于飛行的激光器115被設置為照射單元，該照射單元被構造為在作為粒子的建模材料201通過吸引力fv被保持在載體111的表面上的狀態(tài)下，在與保持有建模材料201的表面相對的表面上用激光115a照射載體111，如圖17所示。
[0197]
用于飛行的激光器115以脈沖寬度為10μs或更短的脈沖光的形式發(fā)射激光115a。脈沖寬度可以是8μs，可以是5μs或更短，或者可以是2μs。已經(jīng)證實，即使納秒或皮秒也是可行的。脈沖寬度大于10μs的輻射不是優(yōu)選的，因為如果是這樣，建模材料中的熱擴散在微米量級或更高，并且到材料上的力不會被傳遞。
[0198]
這里，在圖17中，“fg”是施加在建模材料201(粒子)上的重力。這通常是通過將用被建模對象的體積和密度的乘積表示的重量乘以重力加速度來計算的。當建模材料201為
siterit制造的pa12光滑(體積平均粒徑為38μm)時，重力fg約為10
?
10
n。
[0199]“fvdw”是施加在建模材料201上的范德華力。根據(jù)計算，這大約是10
?7n。
[0200]“fe”是建模材料201的靜電吸引力。眾所周知，在打印機中載體材料具有相同尺寸的情況下，這是大約10n量級的力，并且取決于建模材料201(粒子、粉末)的電荷量。
[0201]
以上是通過計算獲得的，并且作為fvdw和fe之和的粘附力fv可以通過使用離心分離器的粘附力測試實驗地獲得。類似地，當在粘附力測試中使用由siterit制造的pa12光滑確定時，fg約為10
?8n。
[0202]
fvdw的另一個可能的分量是當液體包含在建模材料201(粒子)和載體111之間時產(chǎn)生的毛細管力。
[0203]“fr”是由輻射壓力施加在建模材料201上的力。fr可以通過計算確定。根據(jù)脈寬為10ps、脈沖能量為1μj的計算，瞬時力約為10
?4n。
[0204]“fab”是當建模材料201的表面由于激光燒蝕而部分瞬間蒸發(fā)并且在噴射氣體時產(chǎn)生壓力時施加在建模材料201上的力。
[0205]
例如，當使用脈沖寬度為ps量級的激光時，通常會發(fā)生一種稱為燒蝕的現(xiàn)象，在這樣的現(xiàn)象中，材料被轉化為氣體，在某些情況下轉化為等離子體。已知要達到的溫度高達幾十萬度。在此情況下，可以認為噴射壓力遠大于fvdw。
[0206]
因此，如果激光的能量具有足夠引起燒蝕的能量，瞬時施加在建模材料201上的力遠遠超過粘附力。
[0207]
激光是否超過被建模對象的燒蝕閾值通常根據(jù)激光注量fll是否超過閾值來討論。這里的閾值在下文中被稱為“注量閾值”。
[0208]
注量fll是通過脈沖能量j除以激光面積(j/cm2是常用單位)計算的。在粉末材料的情況下，其注量閾值flth通常為0.1至1.0j/cm2。這可以通過用激光輻射該材料的大塊材料來確定。
[0209]
這是在激光束是普通高斯光束的情況下的計算表達式。當然，該值從光束的中心到外周是不同的，在其他不同形狀的光束(環(huán)形光束和頂帽光束)的情況下，必須使用對應于每個單獨光束的計算表達式。
[0210]
基于這些，吸引力fvdw由范德華力、靜電力和毛細力組成。當作用在粒子(建模材料201)上的重力為fg時，設定fv>fg，使得建模材料201可以承載在載體111上。
[0211]
當由輻射壓力施加在粒子(建模材料201)上的力是fr時，激光的輸入條件被設定為使得fr>fv
?
fg在垂直于吸引表面的方向上使粒子飛行。
[0212]
現(xiàn)在將參考表3描述具體的示例。
[0213]
<示例3
?
1至示例3
?
3>
[0214]
將pa12(示例3
?
1)、pe(示例3
?
2)和pc(示例3
?
3)用作樹脂，設定fv>fg，并將fr>fv
?
fg設定為激光輸入條件。
[0215]
觀察示例3
?
1至示例3
?
3的飛行狀態(tài)。結果如表3所示。
[0216]
表3
[0217][0218]
當粉末的注量閾值為flth1、載體的注量閾值為flth2、注量為fl時，激光條件被設定為使得fl<flth1和fl<flth2以使粒子飛行。
[0219]
這里，應當注意，存在多個注量閾值。如圖18所示，當載體由多層形成時，例如，具有載體111a
→
載體111b
→
載體111a的夾層結構，假設一個載體111a的上表面是周圍環(huán)境1，另一個載體111a的下表面是周圍環(huán)境2。
[0220]
在此情況下，載體111a和載體111b可以包括例如基材和粘附到其表面的薄膜層，或者可以是多種基材的疊層?？赡苁潜砻嫘螤畈黄秸?，不規(guī)則。該周圍環(huán)境可以包括一周圍環(huán)境，例如空氣、氮氣和氬氣以及溫度/濕度條件。
[0221]
已知注量閾值根據(jù)物質的材料和周圍環(huán)境而變化。在圖18的情況下，周圍環(huán)境1中的載體111a的界面邊界b1、載體111a和載體111b之間的界面邊界b2以及載體111a和周圍環(huán)境2之間的界面邊界b3具有各自不同的注量閾值。激光束的光斑直徑也不同，并且不是界面邊界而是載體內部的注量閾值也不同。
[0222]
應該注意的是，所有這些條件都被考慮在內，并且應該根據(jù)激光條件用所有可能的注量閾值來選擇注量條件。
[0223]
根據(jù)本實施例的被構造成使粒子飛行的設備的使用不限制要飛行的粒子(粉末)。如前所述，例如，結晶樹脂、非結晶樹脂、工程塑料、金屬材料和陶瓷的粒子(粉末)可以飛行。
[0224]
只要粒子能夠被吸引到載體上，就可以對三維被建模對象進行建模。
[0225]
這里，優(yōu)選的是，載體111和其上建模有三維被建模對象的平臺101在相對部分處沿相同方向移動。
[0226]
載體的移動速度優(yōu)選高于平臺的移動速度。載體111通常很難完全填充粉末材料。因此，載體111需要以更高的速度移動，以便以足夠的速度向三維被建模對象101供應粉末。
[0227]
現(xiàn)在將參考圖19描述本發(fā)明的第九實施例。圖19是根據(jù)本實施例的被構造為對三維被建模對象進行建模的設備的示意圖。
[0228]
在本實施例中，前述第一實施例中的載體111由膜形成。在使用中，用作載體111的膜從進給輥111a被卷取到卷取輥111b上。
[0229]
當從進給輥111a進給的載體111用完時，輔助進給輥111c用于粘結和連接用作載體111的膜。因此，建模可以在短時間內繼續(xù)。
[0230]
在本實施例中，用于熔化的激光器116的激光116a稍微遠離建模材料201的著落位置，但是可以以15度的入射角施加能量。
[0231]
入射角越接近零度，發(fā)生這樣的缺陷的可能性就越小，例如，當建模復雜形狀時，由于熔化不足，光被異物或升高部分阻擋。
[0232]
當平臺101在y1方向上移動時，被建模對象200的表面被熔化并且材料被著落。當平臺101沿y2方向移動時，著落在在tg或更高溫度下軟化的表面上的粉末(建模材料201)被加熱并熔化。
[0233]
附圖標記列表
[0234]
100 構造為對三維被建模對象進行建模的設備
[0235]
101 平臺(支撐構件)
[0236]
111 載體
[0237]
112 供應單元
[0238]
115 構造為飛行的激光器(飛行單元)
[0239]
116 用于熔化的激光器(能量施加單元)
[0240]
200 被建模對象
[0241]
201 粉末
[0242]
201 建模材料(粒子)
[0243]
301 隔熱板
[0244]
302 被建模對象
?
加熱加熱器(輔助施加單元)