專利名稱：使用實(shí)體自由成形制造法制造物體的方法和系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
實(shí)體自由成形制造法(solid freeform fabrication)是一種用于制造三維物體的過(guò)程?？梢允褂脤?shí)體自由成形制造法制造的典型物體包括，例如，原型部件、產(chǎn)品部件、模型以及操作工具。實(shí)體自由成形制造法是一種增加過(guò)程，其中期望的物體由電子數(shù)據(jù)描述并被自動(dòng)地從基礎(chǔ)材料構(gòu)建。選擇性淀積是一種常見(jiàn)的實(shí)體自由成形制造方法。
典型的選擇性淀積方法包括使用一種分散機(jī)構(gòu)在特定位置淀積被稱為體素的個(gè)體材料滴。一種選擇性淀積系統(tǒng)典型地合并兩種不同的可堅(jiān)固化的材料。第一材料用于制造實(shí)際期望的三維物體，而第二材料是一種用于為第一材料構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)的犧牲材料。
存在選擇性淀積的幾個(gè)變體。一個(gè)變體包括淀積兩種在施加時(shí)堅(jiān)固化的材料(一種用于支撐而一種用于期望的三維物體)。選擇性淀積方法的這種變體需要在對(duì)應(yīng)于期望的三維物體一部分的每個(gè)體素位置分散物體構(gòu)建材料。因此，當(dāng)分散機(jī)構(gòu)具有遺漏或方向錯(cuò)誤的噴嘴時(shí)會(huì)導(dǎo)致物理缺陷。
選擇性淀積的另一種常見(jiàn)變體包括淀積至少兩種材料(支撐與物體)，該兩種材料都保持液態(tài)直到它們暴露給輻射(例如紫外”UV”光)。這種第二變體也存在許多問(wèn)題。第一，由于液體趨向于混合，所以支撐與構(gòu)建材料之間的界面未能輪廓分明。兩種材料間的這種混合致使物體表面粗糙。第二，所述支撐材料通常被堅(jiān)固化并交聯(lián)，使得很難在不損壞期望物體的情況下從期望的三維物體清除它。此外，如同第一變體那樣，必須在期望物體的每個(gè)體素位置分散構(gòu)建材料，從而減緩了制造過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造法制造物體的方法包括選擇性地淀積一個(gè)定義該物體表面的邊界結(jié)構(gòu)，并且在該邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)淀積一種可流動(dòng)的構(gòu)建材料，其中可流動(dòng)的構(gòu)建材料通過(guò)流向該邊界結(jié)構(gòu)而形成該物體的一部分。


附圖舉例說(shuō)明了本發(fā)明的不同實(shí)施例，并且是本說(shuō)明書的一部分。舉例說(shuō)明的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的例子而沒(méi)有限制本發(fā)明的范圍。
圖1是實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)的一個(gè)透視圖，該系統(tǒng)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之系統(tǒng)與方法的示范實(shí)施例。
圖2是按照一個(gè)示范實(shí)施例，顯示了實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)的組件的示意圖。
圖3是按照另一個(gè)示范實(shí)施例，顯示了實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)的組件的示意圖。
圖4是按照一種示范實(shí)施例，顯示了用于通過(guò)實(shí)體自由成形制造法形成期望的三維物體的方法的流程圖。
圖5A和5B是圖1實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之制造箱的俯視圖，按照示范實(shí)施例顯示了一種備選容器結(jié)構(gòu)和物體構(gòu)建材料。
圖6A是圖1實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之制造箱的側(cè)視圖，按照一種示范實(shí)施例顯示了在容器結(jié)構(gòu)中物體構(gòu)建材料的施加。
圖6B是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，圖6A制造箱的側(cè)視圖。
圖7A是實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之另一個(gè)制造箱的側(cè)視圖，按照另一個(gè)示范實(shí)施例，顯示了在容器結(jié)構(gòu)中在多個(gè)位置物體構(gòu)建材料的施加。
圖7B是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，圖7A制造箱的側(cè)視圖。
圖8是圖1實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之制造箱的俯視圖，按照一種示范實(shí)施例，顯示了容器結(jié)構(gòu)材料與物體構(gòu)建材料相互散置的容器結(jié)構(gòu)。
圖9是實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之制造箱的側(cè)視圖，按照一種示范實(shí)施例，顯示了容器結(jié)構(gòu)以及具有在其中形成的空腔的物體構(gòu)建材料。
圖10是實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之制造箱的側(cè)視圖，按照一種示范實(shí)施例，顯示了容器結(jié)構(gòu)以及具有互連的空腔的物體構(gòu)建材料。
圖11是按照一個(gè)備選實(shí)施例，顯示了一種實(shí)體自由成形制造方法的流程圖。
在所有附圖中，相同附圖標(biāo)記指代類似但不一定相同的元素。
具體實(shí)施例方式這里描述了一種用于通過(guò)選擇性邊界淀積、使用實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)創(chuàng)建物體的方法和設(shè)備。更具體地，描述了一種使用高精度過(guò)程形成邊界結(jié)構(gòu)而使用低精度過(guò)程淀積可流動(dòng)的構(gòu)建材料的方法。
正如在本說(shuō)明書以及附加權(quán)利要求中所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“高精度分散器”應(yīng)當(dāng)被廣泛地理解為被配置用于執(zhí)行高精度過(guò)程的任何分散設(shè)備。備選地，術(shù)語(yǔ)“低精度分散器”指被配置用于按照低精度過(guò)程噴射材料的分散設(shè)備，并且其在某些情況下，可以噴射連續(xù)的流。此外，單個(gè)材料分散器可被配置用于選擇性地既作為高精度分散器又作為低精度分散器工作。“流”或“連續(xù)流”應(yīng)當(dāng)被廣泛地理解為包括一種不是由單獨(dú)的滴或泡定義、也不需要是完全連續(xù)的流體流。此外，物體的“外部表面”在這里以及附加權(quán)利要求中應(yīng)當(dāng)被理解為包括該物體的所有表面輪廓。然而，備選地，“外部表面”可以包括該物體除了頂部和底部表面之外的所有表面。術(shù)語(yǔ)“體素”描述了一個(gè)在x，y，以及z坐標(biāo)上具有長(zhǎng)度的可尋址容積的立體像素。另外，術(shù)語(yǔ)“稀疏”應(yīng)當(dāng)被理解為廣泛地間隔、散布，或沒(méi)有密集地填充。術(shù)語(yǔ)“固化”指一種堅(jiān)固化過(guò)程，該過(guò)程也可以向被固化的物體賦予一定程度的耐化學(xué)性。術(shù)語(yǔ)“堅(jiān)固化”應(yīng)當(dāng)被理解為任何用于向材料添加一定程度的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或硬度而不一定永久地設(shè)置該材料的狀態(tài)的過(guò)程。
在下面的說(shuō)明中，出于解釋的目的，為了提供對(duì)本實(shí)體自由成形制造方法的徹底理解，陳述了大量的特定細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，顯然可以在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本方法。說(shuō)明書中參考“一個(gè)實(shí)施例”或“某個(gè)實(shí)施例”意味著結(jié)合該實(shí)施例描述的一個(gè)特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)實(shí)施例中。在說(shuō)明書中不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”不一定都指向同一個(gè)實(shí)施例。
示范結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在參考圖1，顯示了一種可以結(jié)合本自由成形制造方法的實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100)。如圖1所示，一個(gè)實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)可以包括制造箱(102)、可移動(dòng)臺(tái)(103)以及包括多個(gè)控制與顯示的顯示面板(104)。
圖1顯示的制造箱(102)被配置用于接納并促進(jìn)在一個(gè)基底上構(gòu)建期望的三維物體。制造箱(102)也可以接納一個(gè)容器結(jié)構(gòu)，該容器結(jié)構(gòu)被配置用來(lái)接納并支撐上面提到的構(gòu)建材料。該容器結(jié)構(gòu)可以在期望的三維物體之前或與其同時(shí)形成在制造箱(102)中。雖然圖1中所示的實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100)被顯示為單個(gè)的、獨(dú)立的、自包含的自由成形制造系統(tǒng)，本自由成形制造方法可被合并進(jìn)任何自由成形制造系統(tǒng)，而不論結(jié)構(gòu)或配置如何。
圖1顯示的可移動(dòng)臺(tái)(103)是一個(gè)可移動(dòng)的材料分散器，它可以包括被配置用于作為高精度和/或低精度分散器工作的分散器?？梢苿?dòng)臺(tái)的分散器(未顯示)可以包括但決不限于，一個(gè)或多個(gè)打印頭或噴射器?？梢苿?dòng)臺(tái)(103)可以由計(jì)算裝置(110，圖2)控制并且可控制地通過(guò)例如軸系統(tǒng)、皮帶系統(tǒng)、鏈條系統(tǒng)等移動(dòng)。隨著可移動(dòng)臺(tái)(103)的工作，顯示面板(104)可以向用戶通知工作條件以及向用戶提供用戶界面。
圖2顯示了實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)之組件與期望的三維物體之間的關(guān)聯(lián)。如圖2所示，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)可以包括一個(gè)計(jì)算裝置(110)、伺服機(jī)構(gòu)(115)以及可移動(dòng)臺(tái)(103)，該可移動(dòng)臺(tái)(103)除了其它組件之外，包括一個(gè)輥(120)以及多個(gè)材料分散器(105)，諸如能夠選擇性的要么作為高精度分散器要么作為低精度分散器工作的打印頭。如圖2所示，計(jì)算裝置(110)可以可通信地被耦合到伺服機(jī)構(gòu)(115)，其進(jìn)而耦合到所述可移動(dòng)臺(tái)(103)。計(jì)算裝置(110)可以是配置為用于將表示一期望的三維物體的片段及其必須的結(jié)構(gòu)支撐的坐標(biāo)翻譯成適當(dāng)?shù)挠糜谒欧C(jī)構(gòu)(115)的伺服命令的任何裝置。伺服機(jī)構(gòu)(115)接著可以響應(yīng)計(jì)算裝置(110)發(fā)出的命令并定位可移動(dòng)臺(tái)以使其可以淀積構(gòu)建和/或結(jié)構(gòu)材料來(lái)形成該片段。定位可移動(dòng)臺(tái)(103)的組件以使其可以在制造箱(102)中由計(jì)算裝置(110)指定的x，y，以及z坐標(biāo)處淀積制造和/或結(jié)構(gòu)材料。另外，為了定位制造和/或結(jié)構(gòu)材料的淀積，制造箱(102)可以是可移動(dòng)的。
圖2所示的材料分散器(105)可以是包含多個(gè)孔(orifice)的單個(gè)打印頭(至少一個(gè)孔用于分散構(gòu)建材料，另一個(gè)用于分散支撐材料)或多個(gè)相同或不同類型的分散器(至少一個(gè)分散器用于分散構(gòu)建材料，另一個(gè)用于分散支撐材料)。材料分散器可被配置為當(dāng)按照高精度方法形成容器結(jié)構(gòu)(113)的邊界(109)時(shí)執(zhí)行選擇性邊界淀積，并且按照低精度分散方法分散物體構(gòu)建材料(107)和非邊界結(jié)構(gòu)材料。在這里以及附加權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)選擇性淀積應(yīng)當(dāng)被理解為一種方法，借助該方法，材料分散器(105)使用高精度分散方法選擇性地淀積構(gòu)成物體成形邊界(109)的結(jié)構(gòu)材料，所述高精度分散方法包括但決不限于允許材料分散器(105)和目標(biāo)區(qū)域之間的最小距離、結(jié)合低的材料滴速率與頻率、實(shí)現(xiàn)低的拖運(yùn)速率(carriage speed)、接收高解析度數(shù)據(jù)集或上述各項(xiàng)適當(dāng)?shù)慕M合。因?yàn)橹挥形矬w成形邊界(109)將與物體構(gòu)建材料接觸，所以只需按照高精度分散方法形成緊接的物體成形邊界(109)。其余的支撐材料以及物體構(gòu)建材料(107)可以按照典型地更快速的、低精度方法進(jìn)行分散。材料分散器(105)所表現(xiàn)的精度水平可能依賴于許多因素，包括但決不限于，材料分散器(105)和目標(biāo)區(qū)域之間的距離、材料分散器(105)使用的材料滴速率、頻率、所結(jié)合的激發(fā)(firing)方法、反饋機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、拖運(yùn)速率、數(shù)據(jù)集解析度等。另外，作為低精度分散器工作的材料分散器可以引起流體被不精確地淀積到目標(biāo)區(qū)域或具有錯(cuò)誤激發(fā)或缺失分散成分。
圖2所示的輥(120)可以被配置用來(lái)在材料分散后使材料變平或平面化。在這里以及附加權(quán)利要求中，平面化應(yīng)當(dāng)被廣泛地理解為意味著可以在淀積的材料上執(zhí)行的任意操作，其移除過(guò)量的材料、鞏固淀積的材料、和/或提高材料的表面光潔度。按照本方法，平面化可以在容器結(jié)構(gòu)分散之后和/或大量物體構(gòu)建材料被分散到容器結(jié)構(gòu)(113)之后發(fā)生。輥(120)可以跟隨打印頭(105)來(lái)平面化分散的物體構(gòu)建材料(107)并在構(gòu)建材料中產(chǎn)生通常均勻的厚度。平面化可以由圖2所示的輥(120)執(zhí)行，由包含一個(gè)刮刀(未顯示)的裝置執(zhí)行，或其它任何被配置用于從空腔中除去過(guò)量材料而產(chǎn)生具有最小缺陷的精密填充的裝置執(zhí)行。另外，可以允許物體構(gòu)建材料(107)自然地遷移并擴(kuò)展到容器結(jié)構(gòu)(113)的物體定義邊界(109)。物體構(gòu)建材料(107)的自然遷移與擴(kuò)展可以由許多因素控制，這些因素包括但決不限于，物體構(gòu)建材料(107)上的重力、物體構(gòu)建材料的粘性、物體構(gòu)建材料的表面張力、物體構(gòu)建材料的表面能以及物體構(gòu)建材料的潤(rùn)濕性。
圖2所示的容器結(jié)構(gòu)(113)的物體定義邊界(109)可以由位于可移動(dòng)臺(tái)(103)上作為高精度分散器工作的材料分散器(105)構(gòu)造。作為高精度分散器工作的材料分散器(105)可以包括但決不限于，一個(gè)或多個(gè)合并到可移動(dòng)拖運(yùn)裝配中的打印頭。圖2顯示的容器結(jié)構(gòu)(113)可以由在特定位置的支撐材料體素的高精度選擇性淀積形成。體素可以堆疊成多個(gè)體素的垂直堆，或線性地放置以定義部分期望的三維物體的外部表面。容器結(jié)構(gòu)(113)可以由任何能夠從一材料分散器中噴射出的材料構(gòu)成，該材料分散器在向物體構(gòu)建材料提供表面定義時(shí)作為高精度分散器工作，該材料包括但決不限于，聚合物、蠟，或其它類似的可熔化材料或上述材料之適當(dāng)組合。
在容器結(jié)構(gòu)(113)中形成的期望的三維物體可以從圖2所示的物體構(gòu)建材料(107)制造。所述物體構(gòu)建材料可以是任何可堅(jiān)固化的材料，包括但決不限于，聚合物或蠟，所述材料在被一個(gè)或多個(gè)材料分散器(105)分散后能夠按照容器結(jié)構(gòu)(113)形狀在其內(nèi)部成形。為了制造期望的三維物體的每一片段，可以從其中一個(gè)作為低精度分散器工作的材料分散器(105)中提供大量物體構(gòu)建材料(107)。作為低精度分散器工作的材料分散器(105)可以包括噴墨打印頭、壓電打印頭、熱噴墨打印頭、連續(xù)噴印頭、閥門噴印頭、噴射機(jī)構(gòu)，或其它任何能夠根據(jù)來(lái)自計(jì)算裝置(110)的請(qǐng)求而分散指定量的構(gòu)建材料(107)的分散器。雖然傳統(tǒng)的選擇性淀積實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)需要在期望的三維物體的每個(gè)位置分散體素的構(gòu)建材料(107)，本系統(tǒng)和方法允許大量構(gòu)建材料(107)以散裝液體形式被管理。接著可以允許液體構(gòu)建材料流動(dòng)并隨后填充容器結(jié)構(gòu)(113)。只要物體構(gòu)建材料(107)被施加到容器結(jié)構(gòu)(113)的內(nèi)部，則可能會(huì)有多個(gè)噴射位置，或按照這里描述的原則對(duì)于物體構(gòu)建材料只有少至單個(gè)噴射位置。
圖3顯示了一個(gè)另外的可被用于合并本自由成形制造方法的示范配置。圖3所示的結(jié)構(gòu)顯示了一個(gè)計(jì)算裝置(110)、伺服機(jī)構(gòu)(115)以及包括類似于圖2所示結(jié)構(gòu)的材料分散器(105)和輥(120)的可移動(dòng)臺(tái)(103)。然而，圖3還包括一個(gè)配置用于監(jiān)視并控制該物體構(gòu)建材料量的分散的反饋裝置(111)，以及一個(gè)配置用于在每個(gè)片段淀積之后向已分散的材料施加輻射的輻射施加器(130)。反饋裝置(111)可以包括但決不限于，一個(gè)光傳感器、一個(gè)流量計(jì)或其它可被用來(lái)監(jiān)視并控制由作為高精度分散器或低精度分散器工作的材料分散器(105)分散的物體構(gòu)建材料(107)量的裝置。另外，輻射施加器(130)可以是配置用來(lái)施加紫外(UV)或其它足以堅(jiān)固化或固化淀積材料的輻射的任何裝置。如圖3所示，輻射施加器(130)可以作為掃描單元被耦合到可移動(dòng)臺(tái)(103)。備選地，輻射施加器(130)可以是配置用來(lái)在一構(gòu)建材料片段淀積后，向所有淀積材料的或其選定部分散光曝光(floodexpose)的單獨(dú)的曝光器或掃描單元。
再次回到圖2，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)的可移動(dòng)臺(tái)(103)可以包括噴墨技術(shù)，諸如連續(xù)或按需滴下液體噴射裝置，包括熱和/或壓電噴墨，用于淀積容器結(jié)構(gòu)(113)和/或物體材料(107)。另外，可移動(dòng)臺(tái)可以包括其它被配置用于形成期望的三維物體或?qū)ζ渲慕M件。如果可移動(dòng)臺(tái)(103)結(jié)合了連續(xù)或按需滴下噴墨技術(shù)，那么可移動(dòng)臺(tái)可以包括一個(gè)或多個(gè)材料分散器(105)，諸如被配置用于噴射凈的(clear)或有色材料的打印頭，以一種選擇性模式向正在制造的物體或支撐結(jié)構(gòu)添加顏色或紋理。
如上面所討論的，材料分散器(105)可以被配置為選擇性地作為高精度打印頭工作，用于當(dāng)形成容器結(jié)構(gòu)(113)的物體定義邊界(109)時(shí)執(zhí)行選擇性邊界淀積。然而，并不要求材料分散器(105)連續(xù)地作為費(fèi)時(shí)的、高精度分散器工作，當(dāng)為選擇性淀積的容器結(jié)構(gòu)(113)分散構(gòu)建材料(107)或非邊界支撐材料時(shí)，材料分散器(105)還可以選擇性地作為低精度的分散器工作。當(dāng)?shù)矸e構(gòu)建材料(107)時(shí)，材料分散器(105)可以在選擇性淀積的容器結(jié)構(gòu)(113)邊界內(nèi)噴射大量的物體構(gòu)建材料。因此，與以前的實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)需要在期望的三維物體的每個(gè)體素上由高精度方法噴射材料相比，按照這里描述的原則制造的三維物體可以更快、更便宜的被制造。
示范實(shí)現(xiàn)與操作 圖4是一個(gè)流程圖，顯示了按照一個(gè)示范實(shí)施例的本實(shí)體自由成形制造方法。如圖4所示，本方法可以由淀積或堅(jiān)固化一個(gè)容器結(jié)構(gòu)(步驟400)開(kāi)始。一旦部分容器結(jié)構(gòu)已經(jīng)淀積并被可選地平面化(步驟405)，則實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)可以使用一個(gè)作為低精度分散器工作的分散器向由容器結(jié)構(gòu)形成的容器溝(moat)中分散構(gòu)建材料(步驟410)。構(gòu)建材料然后可以堅(jiān)固化(步驟420)。該構(gòu)建材料的一個(gè)可選的平面化可以發(fā)生在構(gòu)建材料堅(jiān)固化(步驟420)之前(步驟415)或之后(步驟430)。如果構(gòu)建期望的三維物體的過(guò)程仍然沒(méi)有完成(否，步驟440)，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)回到步驟400并且再次淀積并堅(jiān)固化容器結(jié)構(gòu)。然而，如果構(gòu)建期望的三維物體的過(guò)程已經(jīng)完成(是，步驟440)，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)可以進(jìn)一步強(qiáng)化構(gòu)建材料(步驟500)并除去容器材料(步驟460)。上面提到的每個(gè)步驟將結(jié)合圖5到圖7進(jìn)行解釋。
如圖4所示，本方法以淀積并堅(jiān)固化一個(gè)容器結(jié)構(gòu)(步驟400)開(kāi)始。容器結(jié)構(gòu)(113，圖2)可以由材料分散器淀積的材料形成，所述材料包括但決不限于，熔化的蠟、聚合物或其它任何能被容易地噴射來(lái)定義位置的化合物。一旦容器結(jié)構(gòu)材料被淀積在指定的位置，便可以通過(guò)冷卻或由容器材料中存在的化學(xué)制劑激活的快速化學(xué)固化過(guò)程來(lái)堅(jiān)固化容器材料。
容器結(jié)構(gòu)(113，圖2)的物體成形邊界(109，圖2)形成定義期望的三維物體的四周、底部、和/或頂部(如果需要垂直嵌套)的表面。容器材料可以被線性地放置或作為多個(gè)彼此垂直堆疊的體素淀積，形成許多可以連接到一起來(lái)定義一期望的三維物體片段的外部表面的周界結(jié)構(gòu)。另外，容器結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)或多個(gè)片段厚。因?yàn)槿萜鹘Y(jié)構(gòu)(113，圖2)的物體成形邊界(109，圖2)是僅有的影響期望的三維物體的表面的容器結(jié)構(gòu)的部分，因而它是容器結(jié)構(gòu)中唯一需要通過(guò)使用作為高精度分散器工作的材料分散器進(jìn)行選擇性邊界淀積而形成的部分。一旦物體成形邊界(109，圖2)被形成，容器結(jié)構(gòu)(113，圖2)的剩余部分可以由其中一個(gè)作為低精度分散器工作的材料分散器來(lái)形成。如圖4所示，容器結(jié)構(gòu)(113，圖2)中存在的任何缺陷或孔隙(void)都可以通過(guò)一個(gè)可選的平面化過(guò)程(步驟405)從容器結(jié)構(gòu)中除去。
圖5A顯示了按照一個(gè)示范實(shí)施例的容器結(jié)構(gòu)(113)。如圖5A所示，容器結(jié)構(gòu)(113)可以形成為具有一個(gè)定義期望的三維物體表面的連續(xù)物體成形邊界(109)。如圖5A所示，邊界的內(nèi)壁(109)是基本連續(xù)的，因?yàn)樗鼘⑴c構(gòu)建材料進(jìn)行交互作用來(lái)形成期望的三維物體的表面光潔度。此外，容器結(jié)構(gòu)(113)的內(nèi)壁(109)定義了一個(gè)容器溝(500)，被配置用于接納并支撐將形成期望的三維物體的構(gòu)建材料。
圖5B顯示了如何按照本實(shí)體自由成形制造方法來(lái)減少用于形成容器結(jié)構(gòu)(113)的結(jié)構(gòu)材料。如圖5B所示，一旦通過(guò)選擇性邊界淀積形成連續(xù)的物體成形邊界(109)，可以由一個(gè)作為低精度分散器工作的材料分散器以一種稀疏的陣列結(jié)構(gòu)淀積結(jié)構(gòu)支撐。連續(xù)的物體成形邊界(109)對(duì)通過(guò)包括其中淀積的任意構(gòu)建材料來(lái)定義期望的三維物體的表面來(lái)說(shuō)是必要的。然而連續(xù)的物體成形邊界(109)可以被形成得如此薄以致它可能缺乏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了向連續(xù)的物體成形邊界(109)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而同時(shí)減少材料使用，可以淀積一種稀疏陣列結(jié)構(gòu)。如圖5B所示，連續(xù)物體成形邊界(109)外面的稀疏陣列結(jié)構(gòu)可以包括許多由稀疏分布的結(jié)構(gòu)材料的區(qū)域(510)定義的孔隙(520)。稀疏陣列結(jié)構(gòu)可以由結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)建材料，或其它任何可以由低精度分散器進(jìn)行分散來(lái)向物體成形邊界(109)增加結(jié)構(gòu)支撐的期望的材料構(gòu)成。一旦連續(xù)物體成形邊界(109)完成，結(jié)合稀疏陣列結(jié)構(gòu)是可能的，因?yàn)橄∈桕嚵薪Y(jié)構(gòu)不會(huì)與形成期望的三維物體的外表面的構(gòu)建材料接觸。該稀疏陣列結(jié)構(gòu)不僅減少了形成一個(gè)結(jié)構(gòu)上可行的容器結(jié)構(gòu)(113)所需結(jié)構(gòu)材料的量和成本，結(jié)構(gòu)材料的減少還減少了制造之后從期望的三維物體除去結(jié)構(gòu)材料所需的處理時(shí)間。此外，可以使用作為低精度分散器工作的材料分散器來(lái)淀積稀疏分布的材料區(qū)域，因?yàn)轶w素的放置不如連續(xù)物體成形邊界(109)的外側(cè)重要。
一旦容器結(jié)構(gòu)(113)被分散和/或堅(jiān)固化得足夠支撐構(gòu)建材料，本實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)可以向由如圖6A所示的容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109，圖6A)形成的容器溝(500，圖6A)中分散構(gòu)建材料(107，圖6A)。構(gòu)建材料(107)可以由任意數(shù)量的作為低精度分散器工作的材料分散器分散，包括但決不限于，噴墨打印頭、壓電打印頭、熱噴墨打印頭、連續(xù)噴印頭、閥門噴印頭或噴射機(jī)構(gòu)。圖6A顯示了一個(gè)噴射器(600)，該噴射器正在向容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)創(chuàng)建的容器溝(500)中分散預(yù)定量的構(gòu)建材料(107)。一旦構(gòu)建材料(107)已經(jīng)淀積到容器結(jié)構(gòu)(113)中，則該液體構(gòu)建材料在粘性、表面張力、重力以及潤(rùn)濕所控制的一段時(shí)間之后(用箭頭表示)，可以靠著如圖6B所示的容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)穩(wěn)定下來(lái)。
圖7A顯示了如何使用多個(gè)材料分散器(700)來(lái)向容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)創(chuàng)建的容器溝(500)中分散預(yù)定量的構(gòu)建材料(107)。如圖7A和7B所示，諸如噴墨打印頭的材料分散器(700)可以分散多組構(gòu)建材料(107)，上述構(gòu)建材料隨著時(shí)間的流逝(箭頭)，可以靠著容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)而穩(wěn)定。使用多個(gè)構(gòu)建材料分散器(700)可以減少構(gòu)建材料(507)擴(kuò)展并填充容器溝(500)所需的時(shí)間。如果希望精確的填充，可以利用諸如圖3所示的橡皮輥或輥類機(jī)構(gòu)來(lái)除去任何淀積在容器溝(500)中仍處于液態(tài)(步驟415，圖4)的過(guò)量的構(gòu)建材料(107)。應(yīng)當(dāng)注意，構(gòu)建材料(107)和容器結(jié)構(gòu)(113)二者可以同時(shí)地被步驟415平面化。此外，可以使用光傳感器或其它反饋裝置(111，圖3)來(lái)監(jiān)視并精確地控制材料分散器(700)分散的構(gòu)建材料(107)的量。不管使用什么類型的分散器，因?yàn)椴灰髽?gòu)建材料在接觸的時(shí)候堅(jiān)固化，所以按照本方法可以減少執(zhí)行實(shí)體自由成形制造所需的成本和時(shí)間。相反，通過(guò)使用作為高精度分散器工作的材料分散器形成連續(xù)物體成形邊界(109)，可以使用低精度分散器分散構(gòu)建材料，并且允許其在堅(jiān)固化之前穩(wěn)定。流動(dòng)的能力也允許構(gòu)建材料消除許多實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)的典型的結(jié)構(gòu)空腔和缺陷。
一旦構(gòu)建材料被淀積并處理得足以減少缺陷的可能性(步驟415)，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)可以堅(jiān)固化構(gòu)建材料(107，圖7B)?？梢允褂萌魏芜m當(dāng)?shù)难b置來(lái)堅(jiān)固化所包含的液體構(gòu)建材料(107，圖7B)，包括但決不限于，使用電磁輻射的部分固化、施加熱量或當(dāng)?shù)矸e時(shí)由構(gòu)建材料中存在的化學(xué)制劑激活的化學(xué)固化(步驟420)。液體構(gòu)建材料(107，圖7B)的堅(jiān)固化可以在一些液體構(gòu)建材料被分散到容器溝中后，或者在多個(gè)構(gòu)建材料片段成形時(shí)立即發(fā)生?？梢酝ㄟ^(guò)部分固化來(lái)堅(jiān)固化構(gòu)建材料，以致部分固化的構(gòu)建材料片段將支撐隨后淀積的構(gòu)建材料。通過(guò)部分固化淀積的材料而不是在淀積的時(shí)候完全固化每一片段，中間堅(jiān)固化的時(shí)間也隨同整體處理時(shí)間減少。隨著構(gòu)建材料(107，圖7B)的堅(jiān)固化，可選地可以再次平面化構(gòu)建材料(步驟430)。制造過(guò)程中的這次平面化有助于通過(guò)除去任何超出容器結(jié)構(gòu)(113，圖7A)高度或厚度的構(gòu)建材料來(lái)確保容器溝(500，圖7A)的精確填充。此外，構(gòu)建材料部分堅(jiān)固化之后的平面化可以消除構(gòu)建材料中諸如氣泡的大量缺陷。
一旦構(gòu)建材料被平面化(步驟430)，計(jì)算裝置(110，圖2)確定期望的三維物體的制造是否完成(步驟440)。如果計(jì)算裝置(110，圖2)確定期望的三維物體的制造沒(méi)有完成并且應(yīng)當(dāng)形成更多數(shù)量的容器結(jié)構(gòu)和構(gòu)建材料來(lái)完成期望的三維物體(否，步驟440)，那么計(jì)算裝置會(huì)使實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)再次從步驟400開(kāi)始。然而，如果所述計(jì)算裝置確定三維物體的制造已完成(是，步驟440)，實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)(100，圖1)可以進(jìn)一步強(qiáng)化構(gòu)建材料(步驟450)。在材料分散完成時(shí)構(gòu)建材料(107，圖7B)的進(jìn)一步強(qiáng)化是需要的，因?yàn)槿缟厦嫠忉尩?，在制造過(guò)程中構(gòu)建材料可能僅僅被堅(jiān)固化得足夠支撐隨后的構(gòu)建材料的數(shù)量。可以通過(guò)使用任意多個(gè)固化裝置來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化構(gòu)建材料(步驟450)，包括但決不限于，應(yīng)用電磁輻射，UV輻射，加熱，或在淀積時(shí)由構(gòu)建材料中存在的化學(xué)制劑激活的化學(xué)固化。
一旦固化，就可以從期望的三維物體除去容器材料(步驟460)。根據(jù)所使用的材料，用于除去容器材料的過(guò)程可能變化。如果容器材料和構(gòu)建材料都是由蠟制成的，構(gòu)建蠟要比容器蠟具有更高的熔點(diǎn)。按照這個(gè)示范實(shí)施例，容器材料和期望的三維物體的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以被沉浸在一種溶液中，該溶液已經(jīng)被加熱到一個(gè)高于容器材料蠟熔點(diǎn)但低于構(gòu)建材料蠟熔點(diǎn)的溫度。來(lái)自溶液的熱量可以使容器材料蠟從期望的三維物體中熔化。類似地，如果構(gòu)建材料是一種在輻射中暴露時(shí)可固化的材料而容器材料是蠟，容器蠟可被加熱并從構(gòu)建材料中熔化而不需將操作溫度保持在容器材料的熔點(diǎn)和構(gòu)建材料的熔點(diǎn)之間。
備選地，可以選擇構(gòu)建材料和容器材料以對(duì)于一種溶劑的作用展現(xiàn)相反的脆弱性。例如，容器材料可以是一種極性材料，而構(gòu)建材料是一種非極性材料。在這個(gè)示范實(shí)施例中，最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以被浸泡在一種極性溶劑中，所述極性溶劑使極性容器材料溶解掉，只留下構(gòu)建材料。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)建材料可以在暴露在某種預(yù)定波長(zhǎng)的輻射時(shí)可固化的，而容器材料不會(huì)。在每個(gè)構(gòu)建材料量被淀積后，可以在隨后構(gòu)建材料的淀積之前將其暴露在輻射中。只要固化的材料展現(xiàn)與非固化狀態(tài)的相同材料的一些交互作用，那么最終的復(fù)合結(jié)構(gòu)將具有不同的硬度特征。因而可通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)裝置完成兩種成分的分離。
在又一個(gè)實(shí)施例中，可以選擇兩種有相互不溶混性的材料。只要完成的三維物體在拓?fù)渖喜话喾吹某煞?，由于缺乏粘性，可以手工從周圍的支撐材料中將其分離。
雖然上面提到的方法已經(jīng)在能夠選擇性地作為高精度分散器或低精度分散器工作的單個(gè)材料分散器的上下文中進(jìn)行了解釋，本發(fā)明可以在一種具有任何數(shù)量的材料分散器的實(shí)體自由成形制造裝置中被實(shí)現(xiàn)，其中至少一個(gè)分散器能夠作為低精度分散器工作并且至少一個(gè)分散器能夠作為高精度分散器工作。
備選實(shí)施例 按照?qǐng)D8所示的一個(gè)備選實(shí)施例，在期望的三維物體內(nèi)部創(chuàng)建空腔或多孔網(wǎng)絡(luò)是期望或費(fèi)效合理的。可能需要空腔(820)減少重量、制造成本或解決其它問(wèn)題。為了在期望的三維物體中制造空腔，按照本示范方法，可以在分散物體構(gòu)建材料(107，圖9)之前，通過(guò)在連續(xù)物體成形邊界(109)內(nèi)制造較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)來(lái)在期望的三維物體內(nèi)制造一個(gè)或多個(gè)空腔。如圖8所示，較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)具有堅(jiān)固的外壁，類似于主容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)的外壁。按照這個(gè)示范實(shí)施例，較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)可以由作為高精度分散器工作的材料分散器來(lái)形成，與主容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109)的形成同時(shí)進(jìn)行或一起進(jìn)行。
圖9是包括一個(gè)主容器結(jié)構(gòu)(113)和較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)的容器結(jié)構(gòu)的橫斷面視圖。如圖9所示，當(dāng)要形成一個(gè)空腔(800)時(shí)，較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)可以在構(gòu)建材料(107)的分散之前形成。當(dāng)允許構(gòu)建材料(107)在容器結(jié)構(gòu)(113)形成的容器溝(500)中流動(dòng)時(shí)，較小的、中空的容器結(jié)構(gòu)(800)阻止構(gòu)建材料(107)進(jìn)入期望的空腔(820)。
如圖10所示，一旦在期望的三維物體中形成空腔(820)，可以淀積后續(xù)結(jié)構(gòu)材料以致空腔(820)邊緣的材料滴部分地懸掛于空腔的邊緣之上，并且逐漸地密封空腔。由于后續(xù)構(gòu)建材料(107)淀積在由容器結(jié)構(gòu)(113)形成的容器溝(500，圖8)中，結(jié)構(gòu)材料阻止構(gòu)建材料進(jìn)入所形成的空腔(820)。這種在期望的三維物體內(nèi)形成空腔的能力不僅使得由于使用更少材料制造而引起成本下降，還可以制造許多諸如蜂巢形空腔的結(jié)構(gòu)空腔。
圖11顯示了本實(shí)體自由成形制造方法的另外一個(gè)實(shí)施例。按照?qǐng)D11所示的示范實(shí)施例，該實(shí)體自由成形制造方法可以通過(guò)同時(shí)形成容器結(jié)構(gòu)(步驟1000)并分散物體構(gòu)建材料(步驟1110)而開(kāi)始。本方法允許使用作為高精度分散器工作的材料分散器來(lái)形成容器結(jié)構(gòu)(113)的連續(xù)物體成形邊界(109，圖8)，而由作為低精度分散器工作的材料分散器分散構(gòu)建材料。如果松散物體構(gòu)建材料(107)具有較低的粘性和/或高的表面張力，可能需要一些時(shí)間來(lái)擴(kuò)散并填充由容器結(jié)構(gòu)(113，圖8)定義的容器溝(500，圖8)。按照這個(gè)示范實(shí)施例，容器結(jié)構(gòu)(113，圖8)和物體構(gòu)建材料(107，圖9)可被同時(shí)分散，只要在物體構(gòu)建材料(107)接觸到容器結(jié)構(gòu)時(shí)它被充分地堅(jiān)固化。一旦容器結(jié)構(gòu)和物體構(gòu)建材料已被分散，構(gòu)建材料可被充分地堅(jiān)固化來(lái)支撐進(jìn)一步的制造操作(步驟420)。還可以平面化構(gòu)建材料以除去任何過(guò)量的構(gòu)建材料(步驟430)。一旦構(gòu)建材料被堅(jiān)固化并平面化，計(jì)算裝置可以確定制造操作是否完成(步驟440)。如果有另外的制造操作需要執(zhí)行(否，步驟440)，實(shí)體自由成形制造設(shè)備(100，圖1)再次開(kāi)始分散容器結(jié)構(gòu)和構(gòu)建材料。然而，如果計(jì)算裝置確定制造操作完成，它可能使實(shí)體自由成形制造設(shè)備(100，圖1)除去容器材料(步驟1120)并進(jìn)一步強(qiáng)化構(gòu)建材料(步驟1130)。如圖11所示，如果用于除去容器材料的過(guò)程足夠良好來(lái)除去容器材料而不會(huì)損壞期望的三維物體，容器材料的除去可以發(fā)生在期望的三維物體之最終固化與強(qiáng)化之前。
總之，本實(shí)體自由成形制造系統(tǒng)和方法通過(guò)減少對(duì)于多個(gè)高精度分散器的需求而有效地減少了實(shí)體自由成形制造成本。更確切地，本系統(tǒng)和方法允許使用能夠作為高精度分散器工作的材料分散器來(lái)選擇性地淀積容器結(jié)構(gòu)的邊界區(qū)域，而使用作為低精度分散器工作的相同的材料分散器來(lái)淀積剩余容器結(jié)構(gòu)以及淀積構(gòu)建材料。這個(gè)系統(tǒng)和方法還通過(guò)允許由低精度分散器淀積稀疏結(jié)構(gòu)陣列配置來(lái)減少制造期望的三維物體所需的支撐材料的數(shù)量，從而減少所制造物體的成本。由于材料用量的減少，稀疏結(jié)構(gòu)陣列的形成還減少了除去結(jié)構(gòu)材料的難度。此外，本系統(tǒng)和方法通過(guò)允許構(gòu)建材料在后續(xù)堅(jiān)固化過(guò)程之前保持可流動(dòng)的液體狀態(tài)，減少了部件缺陷。
前面給出的描述僅僅用來(lái)示例并描述本發(fā)明的示范實(shí)施例。它并非是詳盡而徹底的，也不是將本發(fā)明限制為所公開(kāi)的任何精確形式。根據(jù)上面的啟發(fā)，許多修改和變種都是可能的。企圖使用下面的權(quán)利要求來(lái)定義本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造來(lái)生產(chǎn)三維物體的方法，包括選擇性地淀積一個(gè)邊界結(jié)構(gòu)，其中所述邊界結(jié)構(gòu)定義所述物體的表面；以及在所述邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)淀積一可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)，其中所述可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)通過(guò)流進(jìn)所述邊界結(jié)構(gòu)而形成所述物體的一部分。
2.權(quán)利要求1所述的方法，還包括平面化所述可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)。
3.權(quán)利要求1所述的方法，還包括堅(jiān)固化所述可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)。
4.一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造來(lái)生產(chǎn)物體的方法，包括使用一高精度分散器來(lái)選擇性地淀積一個(gè)邊界結(jié)構(gòu)；以及使用一低精度分散器在所述邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)淀積一可流動(dòng)的物體構(gòu)建材料(107)。
5.一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造來(lái)生產(chǎn)物體的方法，包括使用一高精度分散器來(lái)選擇性地淀積多個(gè)定義所述物體的外表面的周界結(jié)構(gòu)；以及向所述周界結(jié)構(gòu)內(nèi)部分散一定量的流體構(gòu)建材料。
6.一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造來(lái)生產(chǎn)多孔物體的方法，所述方法包括使用一高精度分散器來(lái)選擇性地淀積第一材料以形成一個(gè)外部邊界結(jié)構(gòu)；使用所述高精度分散器來(lái)選擇性地淀積較小的內(nèi)部邊界結(jié)構(gòu)；以及用一可堅(jiān)固化的構(gòu)建材料(107)來(lái)填充所述外部邊界結(jié)構(gòu)，其中所述填充是由一低精度分散器執(zhí)行的。
7.一種使用液體構(gòu)建材料(107)來(lái)創(chuàng)建三維物體的方法，包括選擇性地淀積一個(gè)邊界結(jié)構(gòu)，其中所述邊界結(jié)構(gòu)定義所述三維物體的表面；以及在所述邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)淀積一液體構(gòu)建材料；以及堅(jiān)固化所述液體構(gòu)建材料(107)。
8.一種由自由成形制造創(chuàng)建的物體，所述物體包括多個(gè)邊界物體材料，包括一固化的材料；以及在所述物體材料內(nèi)淀積的多個(gè)空腔，所述空腔是通過(guò)選擇性淀積而在所述邊界物體材料內(nèi)形成。
9.一種實(shí)體自由成形制造裝置，包括一個(gè)制造箱(102)；一個(gè)用于在所述制造箱(102)內(nèi)分散材料的可移動(dòng)臺(tái)(103)；以及一個(gè)耦合到所述可移動(dòng)臺(tái)(103)的材料分散器(105)；其中所述材料分散器(105)作為高解析度分散器工作來(lái)選擇性地淀積一個(gè)邊界結(jié)構(gòu)，并且所述材料分散器(105)作為低解析度分散器工作來(lái)向所述邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)分散可流動(dòng)物體構(gòu)建材料(107)。
10.一種在其上具有指令的處理器可讀的介質(zhì)，用于接收對(duì)應(yīng)于實(shí)體自由成形制造物體的數(shù)據(jù)；控制材料的選擇性分散來(lái)形成一個(gè)定義所述物體的外表面的邊界結(jié)構(gòu)，其中所述材料是用一高精度分散器分散的；以及控制使用低精度分散器在所述邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)分散可流動(dòng)構(gòu)建材料(107)，來(lái)形成所述實(shí)體自由成形制造物體。
全文摘要
一種通過(guò)實(shí)體自由成形制造法制造物體的方法，該方法包括選擇性地淀積一個(gè)定義該物體表面的邊界結(jié)構(gòu)，并且在該邊界結(jié)構(gòu)內(nèi)淀積一種可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)，其中可流動(dòng)的構(gòu)建材料(107)通過(guò)流向該邊界結(jié)構(gòu)形成該物體的一部分。
文檔編號(hào)B29C39/12GK1852803SQ200480026460
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月15日
發(fā)明者T·克魯茲-烏里貝, D·C·科林斯, J·A·尼爾森 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司