專利名稱：建造三維產(chǎn)品的設備以及建造三維產(chǎn)品的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設備，以 及利用所述設備建造這種產(chǎn)品的方法。
技術背景目前逐漸要求利用工程CAD(計算機輔助設計)數(shù)據(jù)制造高強度、 技術上有用的三維產(chǎn)品。已經(jīng)提出了很多種技術，大多數(shù)生產(chǎn)的是易破損并且短期或中間 使用的產(chǎn)品。在US4575330中，描述了 一種液態(tài)和軟膏狀感光性樹脂的激光尋 址方法。雖然所述方法非常成功，但是這種技術要求實驗室標準的后 期處理以及成熟的操作，結果生成藝術型的光滑表面，但是一定程度 限制了對產(chǎn)品的直接使用。另 一種技術是擠壓沉積(extrusion deposition )，例如在US6869559 中所描述的，在最終的產(chǎn)品中獲得非常良好的性能，例如熱塑性能。 然而，這個過程很慢，并且要求濕處理來取走支撐結構。在US5136515中，描述了采用可固化流體的直接噴射系統(tǒng)。雖然 具有快速處理系統(tǒng)，但是所有的都要求后處理程序以及取走/處理支撐 結構。在US4938816中，描述了 一種基于粉末的系統(tǒng)，其中利用高能C02 激光來燒結粉末。對這種基于粉末的系統(tǒng)十分感興趣，因為當形成三 維產(chǎn)品時系統(tǒng)可自我支撐。雖然激光燒結可生產(chǎn)出接近真實的熱塑性 塑料的高強度產(chǎn)品，這個過程很慢并且所產(chǎn)生的表面質(zhì)量很粗糙。另 一種基于粉末的系統(tǒng)采用粘合劑噴射技術，大部分是基于含水 的噴射材料，并且已經(jīng)在US5204055中加以描述。這種系統(tǒng)更快，但 是生產(chǎn)出易破損的模型，要求做進一步滲透處理來實現(xiàn)高強度。在WO02/064354中，描述了 一種三維結構打印方法，其中粉末材 料的連續(xù)層涂敷在彼此上，借此各個粉末層包含了活潑(reactive)或 活性(active)成份，這種成份對接觸產(chǎn)生反應，以便按所要求的方式 形成固體薄板，重復進行一直到形成所期望的固體產(chǎn)品。用于建造三維產(chǎn)品的很多方法通常都在這種設備中實施，所述設備包括粉末噴灑系統(tǒng)、用于輸送粘合劑材料的打印系統(tǒng)、用于形成 所期望產(chǎn)品的建造室、和粉末清除系統(tǒng)，由此使來自粉末噴灑系統(tǒng)的 多余粉末經(jīng)由設置在粉末噴灑系統(tǒng)和建造室一端的開口縫隙進入到粉 末回收系統(tǒng)。這種設備例如已經(jīng)在US2001/0045678A1或 WO03016067A2中描述。一旦制造完成，成形的三維產(chǎn)品必須從粉末層取走。這是非常艱 難的過程，必須非常小心使得在移動同時不破壞該三維產(chǎn)品。下文的 現(xiàn)有技術描述了幾種方式US2004/084814描述了用于包含粉末的3D打印機的復雜的粉末清 除系統(tǒng)，其中利用壓力氣體的抽空和導入系統(tǒng)來將形成的物體從粉末 層取走。US2002/0090410描述了另一種采用工藝處理室的復雜的粉末清除 系統(tǒng)，工藝處理室內(nèi)設有空氣的吹氣入口和抽吸出口。US2001/0045678中描述了孝分末清除^殳，其中4分末層內(nèi)的成形產(chǎn)品 被移動導粉末清除段。WO2005/025780描述了位于激光燒結(SLS ) 類型機器內(nèi)的粉末清除裝置，再次示出了粉末抽吸區(qū)域以及冷卻段。 優(yōu)選的，冷卻裝置不包含在本發(fā)明內(nèi)。然而，由于三維產(chǎn)品的制造和取出的過程中，多余粉末使得粉末 噴灑系統(tǒng)變得非常凌亂，使生產(chǎn)過程復雜化，所以就為這種機器設計 留下了很多改進的空間。另外，還有很多不能重新使用的廢棄材料。 而且，當采用可完全固化的流體樹脂時，為了防止樹脂配發(fā)裝置(例 如噴墨打印頭)受到污染，就需要控制機構。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種建造三維產(chǎn)品的設備，這種設備相 對簡單，并且同時實現(xiàn)了干凈的生產(chǎn)過程，由此可以以高效的方式重 新使用未使用的粉末材料。在將可完全固化的流體輸送到粉末層、以 結合到/結合于粉末形成的高性能精確分層的物體時，這種設備特別有 用?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當采用建造室時已經(jīng)實現(xiàn)了上述目的，所迷建造 室相當大的部分與粉末回收系統(tǒng)接觸，特別是粉末回收系統(tǒng)被圍繞建 造室的表面所覆蓋，這種表面是過濾器或者濾網(wǎng)，剩余的粉末穿過所述表面很容易的被推送到粉末回收裝置內(nèi)。而且該表面具有便于使用 者加工的形狀，例如從成形的三維產(chǎn)品上去除更多的粉末。優(yōu)選的，這種設備不需要復雜的通過通向回收系統(tǒng)的入口和抽吸端口進行吸氣 的系統(tǒng)，所迷回收系統(tǒng)包含抽吸或真空清除未使用的粉末的步驟，這 具有誘使機器內(nèi)部發(fā)生紊亂的風險。優(yōu)選的，主要通過重力來回收未 使用的粉末。建造在建造室的側壁上包含開口的設備很容易堵塞，并 且需要復雜的真空系統(tǒng)來排空未使用的粉末。因此，優(yōu)選僅在建造室 的上部和底部包含與粉末回收系統(tǒng)相通的開口 。這實現(xiàn)了通過重力非 常容易并平緩的回收未使用的粉末。優(yōu)選建造室設置在粉末回收系統(tǒng)內(nèi)。因此本發(fā)明提供一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設備，該設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末的存儲器以及粉末 噴灑系統(tǒng)；打印系統(tǒng)，用于輸送液體；建造室，包括上部、底部、內(nèi)壁和位于底部結構上的建造平臺， 所述建造平臺可沿建造室的內(nèi)壁移動；和 粉末回收系統(tǒng)；其中建造室的建造平臺設有可開啟的(即可以打開)、可折疊 或可取走的部件，其能夠將未使用的粉末直接從建造室向下釋放到粉 末回收系統(tǒng)，和建造室包括外壁，建造室上部的位于內(nèi)壁和外壁之間的空間包括 與粉末回收系統(tǒng)相通的開口 。本發(fā)明還提供一種設備，其中將建造室封裝到粉末回收系統(tǒng)內(nèi)。 優(yōu)選的，內(nèi)壁、外壁上部的之間大于25%的空間與粉末回收系統(tǒng)相通。優(yōu)選，所迷空間的至少50%、更優(yōu)選為至少75%與粉末回收系統(tǒng)相通。接著，在層式制造以及接下來從三維產(chǎn)品上去除粉末的過程中， 相當大的部分與粉末回收系統(tǒng)接觸。優(yōu)選，所迷空間和粉末回收系統(tǒng) 之間的連通是直接的。在說明書的其余部分，設置在內(nèi)壁上部和外壁上部之間的空間也 被稱為"建造室的建造外壁的上部"或者甚至稱為"建造的外壁"。本發(fā)明還提供了一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設備，該設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末的 存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；用于輸送液體的打印系統(tǒng)；建造室，包括 外壁、內(nèi)壁和可沿建造室的內(nèi)壁移動的建造平臺；和粉末回收系統(tǒng)； 其中建造室包括通過建造室的內(nèi)壁和外壁之間的上部限定的空間，該 空間與粉末回收系統(tǒng)相通，和/或建造平臺能夠將未使用的粉末(直接) 從建造室向下釋放到粉末回收系統(tǒng)。本發(fā)明進一步提供了利用所述設 備建造三維產(chǎn)品的方法。本發(fā)明還涉及一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設 備，所述設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末的 存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；所述粉末噴灑系統(tǒng)優(yōu)選包括滾輪或者用于 散布并壓實粉末的噴灑壓實器(也定義為粉末再涂器)；用于輸送液態(tài)的打印系統(tǒng)；在其內(nèi)部建造產(chǎn)品的建造室，所述建造室包括外壁、 內(nèi)壁和可沿建造室的內(nèi)壁移動的建造平臺；和粉末回收系統(tǒng)；其中建 造平臺能夠將未使用的粉末從建造室向下釋放到粉末回收系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設 備，所述設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末的 存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；用于輸送液體的打印系統(tǒng)；在其內(nèi)部建造 產(chǎn)品的建造室，所述建造室包括外壁、內(nèi)壁和可沿建造室的內(nèi)壁移 動的建造平臺；和粉末回收系統(tǒng)；其中多于25%的"建造室的建造外 壁的上部"與粉末回收系統(tǒng)相通。另外，本發(fā)明還涉及一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn) 品的設備，所迷設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送 粉末的存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；用于輸送液體的打印系統(tǒng)；在其內(nèi) 部建造產(chǎn)品的建造室，所述建造室包括外壁、內(nèi)壁和可沿建造室的 內(nèi)壁移動的建造平臺；和粉末回收系統(tǒng)；其中多于25%的建造室的外 壁與粉末回收系統(tǒng)相通；并且其中建造平臺能夠將未使用的粉末向下 釋放到粉末回收系統(tǒng)內(nèi)。在另一個實施例中，本發(fā)明涉及一種用于以連續(xù)橫截面層的方式 建造三維產(chǎn)品的設備，所述設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多 個用于輸送粉末的存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；用于輸送液體的打印系 統(tǒng)；建造室，其中粉末噴灑系統(tǒng)優(yōu)選包括滾輪涂抹器/壓實器，滾輪涂抹器/壓實器實施涂抹功能的一端通過例如活動的、優(yōu)選成形的刮具或 刷子或真空裝置進行清洗，由此不再需要直接來自建造站表面的溢出 流。在這種情況下，再涂器直接在堅固的表面而不是在粉末回收槽內(nèi) 上運行。為了避免樹脂輸送機構被再涂器噴出的多于粉末污染，該方 法特別重要。在上述實施例中，建造室優(yōu)選設有環(huán)繞區(qū)域，優(yōu)選位于與建造室 頂部表面在同一高度的位置，其包括濾網(wǎng)或者過濾器表面，由此將任 意/所有的粉末溢出流安全并干凈的擦拭到粉末回收裝置內(nèi)。優(yōu)選所述建造室能夠直接將未使用的粉末沿簡單向下的方向釋放 到粉末回收系統(tǒng)內(nèi)。這意味著未使用的粉末可從建造平臺上釋放，同 時建造平臺保持在建造室內(nèi)部。換句話說，在未使用的粉末從建造平 臺上釋放之前，建造平臺不需要從建造室取走。本發(fā)明設備的使用有利于改進三維產(chǎn)品建造的生產(chǎn)過程。而且， 提供了一種制造三維產(chǎn)品的相當簡單的設備，由此不再需要支撐裝置， 未使用的粉末可以充分循環(huán)。在本發(fā)明的上下文中，未使用的粉末被定義為不包含在建造完成 的產(chǎn)品內(nèi)的粉末，即可包括新的粉末以及循環(huán)的粉末。在根據(jù)本發(fā)明的不同實施例中，多于25%的建造室的外壁與粉末 回收系統(tǒng)相通。這意味著未使用的粉末可很容易的從建造平臺取走并 進入粉末回收系統(tǒng)內(nèi)。優(yōu)選，至少50%的建造室外壁與粉末回收系統(tǒng) 相通。更優(yōu)選，至少75%的建造室外壁與粉末回收系統(tǒng)相通。適當?shù)?，多?5%、優(yōu)選至少50%、以及最優(yōu)選75%的建造室外 壁與粉末回收系統(tǒng)直接相通，這意味著未使用的粉末材料可直接從建造室進入粉末回收系統(tǒng)。在建造室內(nèi)，多個產(chǎn)品可同時形成，所述產(chǎn)品可在形狀和/或組成 上有所不同。本設備的優(yōu)點在于粉末回收系統(tǒng)的相當大的部分與建造室直接相 通，由此一旦產(chǎn)品制造完成并從建造平臺取走時產(chǎn)生用于清潔產(chǎn)品的 足夠的空間。為了清潔目的，所述空間可包含用于激發(fā)或者移動產(chǎn)品 以便移除任何多于粉末的機械裝置。該建造平臺適當?shù)木哂姓叫?、矩形、圓形或橢圓形的形狀。 根據(jù)本發(fā)明的設備的打印系統(tǒng)適當?shù)陌ㄒ粋€或多個噴嘴。優(yōu)選，打印系統(tǒng)包括多個噴嘴。更優(yōu)選，噴嘴形成噴墨打印機或 者包含一套與噴墨打印頭基本等同的噴嘴的裝置的一部分。優(yōu)選，噴 嘴按照壓電噴墨技術原理運行。優(yōu)選，打印系統(tǒng)包括兩個或多個打印 頭。根據(jù)本發(fā)明使用的噴墨打印頭的適當?shù)氖纠切┛少徺I的產(chǎn)品，例如Xaar ( Leopard, XJ-系歹'J, Omnidot-系歹'J )和Spectra/Dimatix (Nova、 Galaxy 、 SL-系列、M等級)和Trident ( Pixeljet, Ultra Jet)。優(yōu)選，噴嘴開口的尺寸在10到100Mm之間，和/或所噴墨滴的尺 寸在5到100ym之間，雖然噴嘴開口可小于lpm,甚至小到幾個毫 微米，由此允許噴射相應尺寸的墨滴。本發(fā)明設備的粉末輸送系統(tǒng)包括一個或多個用于輸送粉末的存儲 器。優(yōu)選，粉末輸送系統(tǒng)包括多個用于輸送粉末的存儲器。可以理解，不同類型的粉末材料可用在各個層內(nèi)。因此，各個存 儲器每一個都包含不同類型的粉末材料。優(yōu)選，各個存儲器包含相同 類型的粉末材料。建造室的建造平臺適當?shù)陌ㄔO有開口的上部結構和可打開或取 走以便通過上部結構的開口釋放未使用粉末的底部結構。優(yōu)選的，上 部結構包括網(wǎng)盤、格板、格柵或者百葉式結構。建造平臺的底部結構適當?shù)陌砷_啟、可折疊或者可取走的部 件。可折疊部件適當?shù)陌〒醢?。?yōu)選，底部結構包括可開啟的部件， 例如通過圍繞它們的轉動軸打開的部件。優(yōu)選，可開啟、可折疊或者可取走的部件可以發(fā)生振蕩以便進一步幫助將粉末從成形物體上移除 或分離。建造平臺可適當連接到環(huán)繞表面上，環(huán)繞表面覆蓋并保護設備的 其余部分，粉末可滲透這種表面。環(huán)繞表面實現(xiàn)了很容易的獲取來自 建造室的溢出粉末，通過過濾/擦刷將溢出粉末導引到設備的下部。建 造平臺可連接到用于機械激發(fā)或者移動平臺的裝置上，由此實現(xiàn)了將 多余未使用的粉末從建成的產(chǎn)品上移除。根椐本發(fā)明的設備可適當?shù)陌ㄓ糜谑菇ㄔ飚a(chǎn)品固化的裝置。優(yōu) 選，這種用于固化產(chǎn)品的裝置是基于電磁輻射的系統(tǒng)。適當?shù)?，基于電磁輻射的系統(tǒng)包括UV燈、或者可視或紅外線輻射 裝置、或者微波裝置。優(yōu)選UV源是UV光線發(fā)射裝置陣列(LED)， 例如可從Phoseon Inc購買的產(chǎn)品，如RX10或者RX20。10優(yōu)選，所涂敷樹脂、或者粉末、或者涂敷的樹脂-粉末的組合適于對這種固化裝置的射線以可以實現(xiàn)快速固化(優(yōu)選每一層小于IO秒)的方式發(fā)生反應。優(yōu)選，用于固化建造產(chǎn)品的裝置固定到粉末噴灑系統(tǒng)上。更優(yōu)選 用于固化的裝置、用于粉末噴灑的裝置以及用于涂敷可完全固化樹脂 的裝置整體集成在承載架內(nèi)，由此大大簡化設計。本發(fā)明設備的粉末回收系統(tǒng)適當?shù)陌ㄓ糜谳斔臀词褂梅勰┑墓?道和用于穿過管道移動未使用粉末的粉末承載螺紋孔，或者它包括用 于輸送未使用粉末的管道和用于穿過管道移動未使用粉末的真空泵。 在另 一個實施例中，粉末回收系統(tǒng)包括用于移動未使用粉末的輸送帶。在本發(fā)明非常有吸引力的實施例中，設備裝配有用于容納打印頭 凈化流體的容器。 一旦出現(xiàn)在容器內(nèi)，流體可固化并且接下來很容易 處理，例如由于環(huán)境因素這種裝置非常有吸引力。優(yōu)選，這種容器是 透明的，可采用基于電磁輻射的系統(tǒng)來實施流體的固化。還具有將噴 射流體轉化為可安全處理固體的其它激發(fā)方法，例如通過一些化學或 熱學手段。粉末回收系統(tǒng)適當?shù)陌ㄓ糜谶^濾或篩分未使用粉末的過濾器或濾網(wǎng)。優(yōu)選，打印系統(tǒng)和粉末噴灑系統(tǒng)連接到相同的導引裝置上。除了 較低的硬件成本外，實現(xiàn)了平行功能，即增大建造速度和由于兩者精 確線性度產(chǎn)生的較高精度。本發(fā)明還涉及一種根據(jù)產(chǎn)品模型以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的方法或工藝，所述方法包括步驟 -限定粉末材料層；-以與模型的各個橫截面層相對應的方式向限定的粉末材料層 涂敷液態(tài)試劑；-重復這些步驟以形成連續(xù)層，以便獲得三維產(chǎn)品；-選擇性的固化所獲得的三維產(chǎn)品；和-復原(固化的)三維產(chǎn)品；其中該方法采用根據(jù)本發(fā)明的設備。通過本發(fā)明方法形成的產(chǎn)品可直接輸送為可手持的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品具有不同顏色、機械、光學和電學及其它性能，例如硬度、剛性、透明度和導電性、包含DNA特性的生物相容性、磁性等。 優(yōu)選的，本發(fā)明的方法中粉末材料包括第一活性成份，液態(tài)試劑包括第二活性成份，第二活性成份能夠或者與第一活性成份發(fā)生反應，或者促使第 一活性成份自身發(fā)生反應。當液態(tài)試劑與粉末結合時，液態(tài)試劑和粉末發(fā)生反應以形成固體結構。在樹脂與粉末接觸后立即進行固化，或者在暴露于電磁或超聲波照射(例如UV固化步驟)后進行固化。優(yōu)選的，第二活性成份用作促進第一活性成份交叉結合的催化劑。優(yōu)選的，粉末基本上包括第一活性成份。反應可以以粉末顆粒的膨脹和增粘形式進行，接著于液態(tài)試劑進行實際的化學反應。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)明的系統(tǒng)使得所形成的顆粒相對堅?；瘜W粘結也形成^各個層之 間，由此不再依靠于現(xiàn)有技術系統(tǒng)中所依靠的機械聯(lián)結。所生產(chǎn)的顆 粒是無空隙的，并且粉末不會殘留在結構內(nèi)。 一旦與液態(tài)試劑接觸， 粉末就經(jīng)受快速分解。這就生成了粘稠的、幾乎穩(wěn)定的樹脂，樹脂在 固化完成之前一直保持其形狀。優(yōu)選的，液態(tài)試劑另外包括低粘度的稀釋劑，優(yōu)選為可固化的稀 釋劑。采用這種稀釋劑使得液態(tài)試劑能夠從小孔噴嘴中沖印，不再需 要提高溫度，由此實現(xiàn)了更高的分辨率。另外，它改良了液體到粉末 體內(nèi)的浸入，由此實現(xiàn)了反應物更為均勻的分布，同時還實現(xiàn)了粉末 的快速聚合，由此提高了分辨率并進一步容許液態(tài)試劑與粉末的表面 和內(nèi)部穩(wěn)定的發(fā)生反應。所有粉末層可以是相同配方。然而，不同的粉末材料還可用于不 同層，或者不同粉末材料可用在相同層內(nèi)。還可使用不同的液態(tài)試劑，或者在相同層的不同位置上，或者在 不同層上?？衫媒?jīng)過粉末層上方的線性噴嘴陣列來涂敷液態(tài)試劑。 由此，或者在相同的粉末層上方或者在隨后的層上方，將不同液體供 應到不同噴嘴和/或在各自連續(xù)的道次(passes)中涂敷不同的液態(tài)試 劑。由此，在特定層或不同的各個層內(nèi)實現(xiàn)強度和柔性的不同特性。 該方法包括通過照射固化顆粒的步驟?？梢砸粋€象素接一個象素、一 行接一行、或一層接一層和/或在形成幾層之后、和/或在形成所有的層 之后照射顆粒。所形成的層適當?shù)木哂凶畲鬄?00ym的厚度，通常它們是至多 200m m。可以實現(xiàn)降至80nm或50Mm的薄層，并且甚至可實現(xiàn)具有 厚度范圍在1到30m m的更薄的層。粉末優(yōu)選包括單獨的粉末顆粒， 顆粒大多數(shù)具有1到70nm之間的尺寸。更優(yōu)選，孝分末包括單獨的粉 末顆粒，大多數(shù)顆粒具有20到50pm之間的尺寸，進一步優(yōu)選為20 到40mhi。粉末越細，所形成物體能實現(xiàn)的分辨率和精度就越精細。這種粉末尺寸的組合還有助于實現(xiàn)不同特性。這種性質(zhì)的例子包 括粉末分解速度、最終的機械強度。優(yōu)選，粉末包括活性有機物或者有機金屬聚合物、低聚體或者單 體，并且液態(tài)試劑包括可固化的樹脂。粉末還包含有機物或有機物過 濾器、色素、毫微粒、染料和/或表面活性劑。粉末可以是熱塑材料(例如聚乙烯醇縮乙眵)、表面處理粉末 (例如處理過的聚丙烯、ABS或聚碳酸酯)、或者熱硬化粉末(例如 環(huán)氧粉末)。粉末還可包括具有表面活性的處理過的填充料，例如環(huán)氧硅氧烷 處理過的填充料，如二氧化硅。粉末還包括丙烯酸鹽、環(huán)氧化的、胺 化的、羥化有機物或者無機顆粒，可以這種形式呈現(xiàn)或者作為與聚合 體的合成物。適合的粉末的示例包括聚丙烯酸、聚乙烯(丙烯腈-丁二烯)、聚 乙烯(丙烯胺)、帶有功能性丙烯酸組合的聚丙烯酸樹脂、聚丁二烯、 環(huán)氧功能化丁二烯、聚乙烯(丙烯酸縮水甘油基(甲基苯丙胺))、 聚四呋氬喃、聚已酸內(nèi)酯二醇、HEMA、 HEA、順酑類聚合物，例如 笨乙烯-順丁彿二酸酐、聚乙烯丁醛、聚乙烯醇、聚乙烯(4-乙烯基苯 酚)、這些化合物的共聚物/混合物，并且這些化合物中任意一個都以 覆蓋合適的環(huán)氧、乙烯醚、丙烯酸鹽/異丁烯酸鹽、羥基、胺或者乙烯 基團而終止。液態(tài)試劑可包括能夠經(jīng)受濃縮反應的化合物，濃縮反應通過熱硬 化反應(例如環(huán)氧/胺或者異氰酸鹽/多羥基化合物/胺)或者通過電磁觸 發(fā)的陽離子系統(tǒng)(例如)來觸發(fā)，其中陽離子系統(tǒng)例如為環(huán)氣正離 子光敏引發(fā)劑(锍、碘或者芳茂鐵)、鹽或者完全固化的系統(tǒng)，例如 丙烯酸鹽、氨基甲酸酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧-丙烯酸鹽、正基光敏引發(fā)劑、 苯甲酮、非黃變型光引發(fā)劑、烷基硼酸碘鹽。液態(tài)試劑適當?shù)氖黔h(huán)氧、丙烯酸、異氰酸鹽、環(huán)氧-丙烯酸鹽、氨 基或者基于羥基的化合物。所述液態(tài)試劑可以是純液體、稀釋劑體或 者水中的乳狀液。合適的液態(tài)試劑的示例包括一個或多個選擇性的帶有二醇/三元醇/多羥基化合物moieties、環(huán)氧縮水甘油基、環(huán)氧化的聚 丁二烯、脂肪族/芬芳胺、異丁烯酸鹽、丙烯酸鹽、苯乙烯/取代苯乙烯、 丙烯腈、乙烯醚、烯烴(例如橡膠基質(zhì))環(huán)氧丙烷、有機酸或有機酯、 卣化有機酸、丙烯醚環(huán)氧化物、硅氧烷環(huán)氧化物或氧雜環(huán)丁烷、烯丙 基諾卜醇醚環(huán)氧化物和脂環(huán)族環(huán)氧醇的脂環(huán)族環(huán)氧化物。這些化合物 可以是單一或者多功能的。液態(tài)試劑包含陶瓷膠狀的或極小的顆粒、有機微或極小顆粒、微 小或極小金屬以及它們的合金。液態(tài)試劑在室溫下粘度適于在2到超 過500mPas之間，并且在高的操作溫度下具有低很多的粘度。優(yōu)選， 在噴射溫度時液態(tài)試劑的粘度2到30mPas之間。低熔點金屬合金可例 如通過噴射直接輸送到粉本之上/之內(nèi)，由此生成與液態(tài)可固化試劑連 續(xù)或co-juxta定位的金屬網(wǎng)。液態(tài)試劑可打印或微量噴射到粉末上。兩種或多種液態(tài)試劑可從 相鄰打印頭同時打印或噴射，由此液態(tài)試劑或者在空中混合，或者在 活性粉末的表面上/四周混合。優(yōu)選，稀釋劑體積占據(jù)液體總體體積的30 %到60% ,更優(yōu)選占30 %到40%。優(yōu)選，第一活性成分重量占據(jù)總體重量的30%到80%,更 優(yōu)選占據(jù)50%到70%。該方法使其自身非常方便的生產(chǎn)來自計算機控制的數(shù)字圖像，特 別適合用于CAD系統(tǒng)。因此，模型優(yōu)選為數(shù)字模型。由此為了生產(chǎn)三 維產(chǎn)品，可利用CAD軟件設計產(chǎn)品，數(shù)字信息可轉換為一系列數(shù)字形 式的薄片，薄片的數(shù)字圖像用于控制將液體依次輸送到粉末的連續(xù)層 上。這種技術可用于快速凸版照相以及甚至更小規(guī)模的快速生產(chǎn)。所生產(chǎn)的物體可用作實際技術上的功能部件或者用于提供實際生 產(chǎn)之前CAD文件的檢驗。這種技術還適于用作串聯(lián)式生產(chǎn)的電學領城 分層的密封材料，并用于形成縮微印刷的電子裝置和光學裝置。這項 技術在形成具有偏光或波導效果的多層結構的薄膜時也很有用。應當理解的是，可以以具有復雜形狀的層狀塊體或個體的形式建 造三維產(chǎn)品。通過在形成的過程中沿著層改變包括層厚度的多種特性，可選擇在微小級別上進行，就有可能在完成的產(chǎn)品中滲透至少一種功 能。這種功能可呈多種形式，示例包括電路和光學構件。在電路的例 子中，本發(fā)明的技術提供了生產(chǎn)極小尺寸的復雜電路的方法。預制的 電路可嵌入層內(nèi)。在光學構件的例子中，本發(fā)明實現(xiàn)了構件的光學特 性一層接一層并沿著層改變，并且每層的厚度可變化，由此能夠生產(chǎn) 復雜的光學多層膜。還可能將構件建造到基片上，基片就作為最后完 成產(chǎn)品的一部分而保留。這種基片可以是玻璃或者塑料片，其例如可 形成光學構件的一部分。優(yōu)選，在豐分末回收系統(tǒng)中施加負壓。由此，可以減小或避免打印 頭的粉末污染。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠形成具有改良機械性能和顏色模式的產(chǎn) 品。根據(jù)本發(fā)明所獲得的產(chǎn)品具有高強度、平滑的表面質(zhì)量，制造后 很短的時間就可以使用，不會產(chǎn)生廢料，實現(xiàn)了未使用粉末材料的高 效的重新使用。采用在WO02/064354A1實施例11中描迷的粉末Mowital B60T(通過冰冷地面產(chǎn)生45微米的更細的顆粒分布)以及可完全固化的可噴射 樹脂，狗骨狀部件由30層粉末制成，每層100 pm。利用Spectra Novajet，在將可完全固化的樹脂恰當設計涂敷成粉末層之后，利用UV LED陣列、設置在4分末層表面上方5mm的Phoseon RX10 ( 5秒)固化 所生成的粉末樹脂合成物。利用新的粉末對上述層進行再次涂敷，利 用適當設計量的噴射橡膠進行涂敷并且利用UV LED裝置固化。這個 順序重復進行，以生成由30層制成的狗骨。在制造完成后，立刻將成 形物體沒有損壞的從粉末層取走(優(yōu)選小于30秒，更優(yōu)選小于10秒)。 通過該過程實現(xiàn)高的拉伸強度(〉2SMPa)。楊氏模量估測為1.43MPa， 其可以與很多工程聚合體相比較。根據(jù)本發(fā)明的方法或設備使得不需要進一步的處理就可獲得工程 聚合體。優(yōu)選，建造室利用子框架連接到打印承載架，子框架優(yōu)選利用抑 制向子框架的振動傳遞的裝置連接到機器框架上。優(yōu)選，打印頭在建造室內(nèi)部的寬度上延伸，即位于建造室內(nèi)壁之 間的空間。適當?shù)模勰﹪姙⑾到y(tǒng)采用單獨的掃描裝置，掃描裝置包括位于逆向轉動的滾輪后的計量裝置，其中計量裝置容納來自固定粉末箱體 的(粉末漏斗)特定量的粉末。為了防止粉末污染噴射打印頭，粉末 箱體可遠離打印系纟充。打印系統(tǒng)適當?shù)膹姆勰﹪姙⑵鞯南鄬Ψ较驋呙璺勰?，并且包?精確液滴生成系統(tǒng)，例如位于要求的噴墨打印頭或連續(xù)打印頭上的液 滴。優(yōu)選，打印系統(tǒng)包括多于一個打印頭，更優(yōu)選多于兩個打印頭。 當不掃描時，打印頭可停放在不受固化機構(例如分散的電磁或超聲 輻射影響)的裝置內(nèi)。當堵塞時，可按照需求在停放的裝置內(nèi)清洗/凈 化打印頭。打印系統(tǒng)的箱體裝置遠離粉末箱體裝置進行適當?shù)脑O置。用于提供電磁輻射(輻射裝置)的裝置可適當?shù)脑O置在粉末層上 方，具有用于操作粉末噴灑器和液體試劑配發(fā)器的間隙。建造室的建造平臺設有底部結構，可打開底部結構以方便穿過網(wǎng) 盤、格板、格柵或百葉式結構來取走未使用的粉末。建造平臺的振動 可用于取走更多的未使用的粉末材料。在取走未使用的粉末后，建造 平臺可向上移動來輸送完成的產(chǎn)品。未使用的粉末可被轉移到用于輸送粉末材料的一個或多個存儲器 中。所述存儲器通過藥筒可重新裝載新的粉末。根據(jù)本發(fā)明建造的產(chǎn)品具有合適的大于20MPa的拉伸強度，優(yōu)選 大于30MPa,更伊C選大于40MPa。產(chǎn)品還呈現(xiàn)出良好的表面質(zhì)量。優(yōu) 選，它們具有表面平滑特性，例如小于50jum的表面差異，優(yōu)選小于 10Mm，更優(yōu)選小于l或2Mm。表面粗糙度的測量在10mm長的樣品 上進行，將產(chǎn)品表面放大2000倍來確定表面的平滑度。表面粗糙度的 最大高度和最小高度之間的差異標注為微米(微波)。微波優(yōu)選小于1 M m。


圖1是設備的側視圖； 圖2是設備的頂視圖；圖3a是承載架(carriage)側視圖(掃描打印頭)；圖3b是承載架頂視圖(掃描打印頭)；圖3c是承載架側視圖(固定打印頭條碼)；圖3d是承載架頂視圖(固定打印頭條碼)；圖4是框架-子框架；圖5是設備變形的剖視圖；圖6是設備變形的三維剖視圖。圖1到4中附圖標記注釋標記 說明1建造室2粉末存儲器3粉末定量加料器4網(wǎng)盤(粗過濾網(wǎng)，將粉末從部件分離) 5百葉式結構 6承載架7細過濾網(wǎng)(將粉末與污染物分離以便再次使用) 8建造室內(nèi)壁 9建造室外壁10 建造平臺11 建造平臺密封12 未^f吏用的粉末流13 帶有過濾器的通氣孔14 振動阻尼15 粉末定量加料器存儲容器16 粉末噴灑滾輪17 產(chǎn)品檢測區(qū)&戈18 三維產(chǎn)品19 粉末補充斜道20 框架21 子框架22 蓋體23 打印頭支座24 粉末噴灑器清潔器25 UV燈26 打印頭27 粘合劑存儲器28 打印頭清潔器1729 電子控制箱30 打印頭存儲器31 粉末高度傳感器32 粉末輸送螺紋孔具體實施方式
在圖1和2中，粉末輸送系統(tǒng)包括用于輸送粉末材料2的存儲 器；通向過濾網(wǎng)7的粉末輸送系統(tǒng)32,過濾網(wǎng)通到粉末定量加料器3; 噴灑系統(tǒng)，其包括用于將粉末涂敷到建造室1的滾輪16。建造室1包 括內(nèi)壁8和外壁9、建造平臺10，建造平臺例如通過活塞可沿建造室 的內(nèi)壁移動。建造平臺由包括格柵的上部和包括可折疊擋板的下部構 成。該設備還包括連接到打印頭存儲器30的粘合劑存儲器27,用于輸 送通過打印頭26涂敷于各個粉末層上的液態(tài)試劑。在建造室1的內(nèi)壁 和外壁的上部之間構成的空間的至少75%包括與粉末回收系統(tǒng)直接接 觸，由此經(jīng)過建造室1的上部(頂部)邊界，未使用(溢出的)的粉 末循環(huán)到粉末噴灑系統(tǒng)。粉末回收系統(tǒng)被圍繞建造室的多孔蓋體覆蓋， 由此在重新涂敷過程中可以很容易獲取溢出的粉末。該設備還設有用 于使建造的產(chǎn)品固化的裝置25。圖3a和3b顯示了裝備有掃描打印頭的承載架。 圖3c和3d顯示了帶有固定打印頭條碼的承載架。 對圖4的解釋在三維產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，從機器框架傳遞到建 造室的振動擾亂建造室內(nèi)的粉末層。同樣移動打印頭產(chǎn)生的振動將會 導致建造室迅速加速。為了抑制這種類型的振動以及機器外部所可能 帶來的影響，利用剛性子框架將建造室連接到打印承載架。子框架通 過柔性橡膠元件連接到機器框架，柔性橡膠元件抑制向子框架的振動 傳遞。同樣，打印頭所產(chǎn)生的振動也通過子框架加以抑制。所有的電 子設備、粘合劑供給以及蓋體都安裝在機器框架上。帶有打印頭、UV 燈、粉末定量加料器、粉末循環(huán)系統(tǒng)以及建造室的承載架安裝在子框 架上。圖5和6顯示了根據(jù)本發(fā)明建造的具有與圖1和2不同設計的設 備。所^f吏用的附圖標記與固1到4中的不同。圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的設備的橫剖面示意圖。在圖5中，粉末輸送系統(tǒng)包括用于輸送粉末材料l的存儲器和粉末噴灑系統(tǒng)2，粉末 噴灑系統(tǒng)包括用于將粉末涂敷到建造室3的滾輪。建造室3包括壁4 和建造平臺5，建造平臺通過活塞6可沿著建造室的內(nèi)壁移動。建造平 臺由包括格柵的上(頂)部7和包括可折疊擋板的下部8構成。該設 備還包括用于輸送液態(tài)試劑的存儲器9,通過打印頭10向各個粉末層 涂敷液態(tài)試劑。通過確保未使用(溢出)的粉末返回到粉末噴灑系統(tǒng)2 的建造室3的上(頂)邊界，建造室3外壁的至少75%與粉末回收系 統(tǒng)ll直接接觸。該設備還設有用于固化所建造產(chǎn)品的裝置12。在圖6 中，顯示了圖1中設備的三維橫剖視圖。從這些視圖中可以清晰的看到，本發(fā)明可提供能夠實現(xiàn)未使用粉 末材料的高效回收的簡單設備。而且，當使用本發(fā)明的設備時，可有效實現(xiàn)造完既可使用的快速 制造產(chǎn)品的生產(chǎn)。實際中，本發(fā)明的方法可以例如按照下述方式實施計算機系統(tǒng)所準備的包含多個分層(以bitmap/tiff或者其它格式) 的打印工作被載入機器的軟件系統(tǒng)。這可包含由計算機準備的多個分 層(以bitmap/tiff或者其它格式)。所用軟件的輸入可以是3D幾何 CAD文件。計算才幾系統(tǒng)可從3DCAD文件輸入作為STL文件(可采用 ASCII和二進制模型)的3D無顏色的幾何數(shù)據(jù)。接著軟件以特定的緩 沖目錄輸出一系列2D位圖，由此可打印在3D彩色打印機上的每一層 都對應于緩沖區(qū)中獨立位圖。位圖可以以至少16節(jié)(65536色)的顏 色信息存儲RGB,它們可具有最小300 DPI的分辨率?？梢栽趜方向 上分割3D顏色模型。機器軟件(打印機驅動器)以子圖形式剝離每張 圖像，并且可設置為系統(tǒng)準備的子圖。系統(tǒng)能夠堆疊包含位圖的一個 工作-文件內(nèi)的多個部分。每個位圖可包括一個分層，可輸入機器內(nèi)。接下來，將準備粉末層?？梢苿拥乃浇ㄔ炱脚_將承栽制造產(chǎn)品 的粉末和液態(tài)試劑。可移動的建造室能夠通過打開建造平臺的擋板來 釋放為使用的粉末。通過這種方式，未使用的粉末被傳送到粉末回收 系統(tǒng)。所建造的產(chǎn)品在頂部被取出建造室。所使用的粉末通過粉末回 收系統(tǒng)循環(huán)再利用。在粉末層準備過程中，通過漏斗承載架將粉末噴灑在建造平臺上， 漏斗承載架包括用于使粉末層上的粉末噴灑最佳化的反轉滾輪。將多余/過栽粉末推向建造平臺的邊緣或側部，進入多孔的周圍介質(zhì)，多孔 介質(zhì)將多余粉末過濾到粉末回收系統(tǒng)。本結構推動了未使用粉末的最 高效回收?？梢砸允謩踊蛘咦詣臃绞綄⑽词褂玫姆勰┹斔偷铰┒烦休d 架。在準備好計算機文件和粉末層后，液態(tài)試劑的打印操作開始。產(chǎn) 品被分成具有預定厚度的一疊橫截面(也稱為打印分層)，其一個接 一個的被送往打印頭控制器。打印頭驅動器將數(shù)字信息轉化為打印機 承載架的運動信息，并移動到第一行，并打印建成第一圖像部分的所 有子圖像。接下來，打印頭移動返回位于承載架上的"開始"位置， 并循環(huán)，直到圖像被完全打印。當完成時，打印承載架移動返回到其 初始位置，沉積成最新的一層。打印操作可包括利用多個打印頭打印， 由此提供具有不同色彩的液態(tài)試劑(例如青色、洋紅、黃和黑)或者 固化時間不同的液態(tài)試劑。可通過單獨的存儲器向每個打印頭提供液 態(tài)試劑。如果利用電磁射線來觸發(fā)固化反應的話，那么在照射之前(在沉 積并打印完成每一層后進行)，打印頭將移動到位于百葉式閉合箱體 內(nèi)的備用位置，以便通過分散的電磁輻射來防止打印頭固化。電磁輻 射源將打開幾秒鐘，其后重復層的再涂敷過程，直到獲取最后的微粒。很清楚的是，可根據(jù)不同客戶的要求來安裝這種設備。例如，為 了獲得具有不同顏色、機械、光學和電子性能(例如硬度、剛性、透 明度和導電性，或者它們的組合)的產(chǎn)品，設備可具有位于相同粉末 上的多于一個的樹脂配發(fā)打印頭。這些性質(zhì)可以在宏觀區(qū)域上變化(即大于例如1 )或者以宏觀方式變化，由此單獨樹脂滴在所有x、 y、 z 方向上均有差異。這方面可參照例如WO03016030。
權利要求
1、一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設備，該設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末的存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)；打印系統(tǒng)，用于輸送液體；建造室，包括上部、底部、內(nèi)壁和位于底部結構上的建造平臺，所述建造平臺可沿建造室的內(nèi)壁移動；和粉末回收系統(tǒng)；其中建造室的建造平臺設有可開啟的、可折疊或可取走的部件，其能夠將未使用的粉末直接從建造室向下釋放到粉末回收系統(tǒng)，和所述建造室包括外壁，建造室上部的位于內(nèi)壁和外壁之間的空間包括與粉末回收系統(tǒng)相通的開口。
2、 根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于；將建造室封裝到粉 末回收系統(tǒng)內(nèi)。
3、 根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于內(nèi)壁和 外壁的上部之間大于2 5 %的空間與粉末回收系統(tǒng)相通。
4、 根據(jù)前迷任意一項權利要求所述的設備，其特征在于所述空 間的至少50%與粉末回收系統(tǒng)相通。
5、 根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于所述空 間的至少75%與豐分末回收系統(tǒng)相通。
6.
7、 根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于所迷打 印系統(tǒng)包括一個或多個噴嘴。
8、 根據(jù)權利要求7所述的設備，其特征在于多個噴嘴形成噴墨 打印機或者包含一套與噴墨打印頭基本等同的噴嘴的裝置的一部分。
9、 根據(jù)權利要求8所述的設備，其特征在于噴嘴按照壓電噴墨 技術原理運行。
10、 根據(jù)前迷任意一項權利要求所迷的設備，其特征在于所迷 打印系統(tǒng)包^"兩個或多個打印頭。
11、 根據(jù)前迷任意一項權利要求所述的設備，其特征在于粉末輸送系統(tǒng)包括多個用于輸送粉末的存儲器。
12、 根據(jù)前述任意一項權利要求所迷的設備，其特征在于所述 建造平臺包括設有開口的上部結構和可打開或取走以便通過上部結構 的開口釋放未使用粉末的底部結構。
13、 根據(jù)權利要求12所述的設備，其特征在于上部結構包括網(wǎng) 盤、格板、格柵或者百葉式結構。
14、 根據(jù)權利要求12或13所述的設備，其特征在于底部結構 包括可開啟、可折疊或者可取走的部件。
15、 根據(jù)前述任意一項權利要求所述的設備，還包括用于固化 所建造產(chǎn)品的裝置。
16、 根據(jù)權利要求15所述的設備，其特征在于用于固化所建造 產(chǎn)品的裝置是基于電磁輻射的系統(tǒng)。
17、 根椐前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于粉末 回收系統(tǒng)包括用于輸送未使用粉末的管道和用于穿過所述管道移動未 使用粉末的粉末承載螺紋孔，或者它包括用于輸送未使用粉末的管道 和用于穿過管道移動未使用粉末的真空泵。
18、 根椐前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于粉末 回收系統(tǒng)包括用于過濾或篩選未使用粉末的過濾器或濾網(wǎng)。
19、 根椐前述任意一項權利要求所述的設備，其特征在于打印 系統(tǒng)和粉末噴灑系統(tǒng)連接到相同的導引裝置。
20、 一種根據(jù)產(chǎn)品模型以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的方 法，所迷方法包括步驟-限定粉末材料層；-以與模型的各個橫截面層相對應的方式向限定的粉末材料層 涂敷液態(tài)試劑；-重復這些步驟以形成連續(xù)層，以便獲得三維產(chǎn)品； -選擇性的固化由此獲得的三維產(chǎn)品；和 -復原(固化的)三維產(chǎn)品；其中該方法采用根據(jù)前述任意一項權利要求限定的設備。
21、 根據(jù)權利要求20所述的方法，其特征在于粉末襯料包括第 一活性成份，液態(tài)試劑包括第二活性成份，第二活性成份能夠或者與 第一活性成份發(fā)生反應，或者促使第一活性成份自身發(fā)生反應。
22、 根據(jù)權利要求21或22所述的方法，其特征在于所述模型 是數(shù)字模型。
23、 根據(jù)權利要求20-22中任意一項所迷的方法，其特征在于粉 末材料層的至少一個包括與其它層(其它多層)類型不同的粉末材料。
24、 根據(jù)權利要求20-23中任意一項所述的方法，其特征在于多 種不同的液態(tài)試劑涂敷到至少一層粉末材料上。
25、 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于所述不同的液態(tài) 試劑在單獨道次中進行涂敷。
26、 根據(jù)權利要求24所迷的方法，其特征在于所述不同的液態(tài) 試劑在連續(xù)道次中進行涂敷。
27、 根據(jù)權利要求20-26中任意一項所述的方法，其特征在于所 述液態(tài)試劑還包括低粘度的稀釋劑。
28、 根據(jù)權利要求20-27中任意一項所述的方法，其特征在于在 粉末回收系統(tǒng)中施加負壓。
29、 根據(jù)權利要求1-19中任意一項所述的設備，其特征在于建 造室利用子框架連接到打印承載架，子框架優(yōu)選利用抑制向子框架的 振動傳遞的裝置連接到機器框架上。
30、 根據(jù)權利要求1-19中任意一項或29所迷的設備，其特征在于 打印頭在位于建造室內(nèi)壁之間的空間的整個寬度上延伸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于以連續(xù)橫截面層的方式建造三維產(chǎn)品的設備，該設備包括粉末輸送系統(tǒng)，包括一個或多個用于輸送粉末(2)的存儲器以及粉末噴灑系統(tǒng)(16)；打印系統(tǒng)(26)，用于輸送液體；建造室(10)，包括外壁、內(nèi)壁和可沿建造室的內(nèi)壁移動的建造平臺；和粉末回收系統(tǒng)；其中建造室包括由內(nèi)壁和外壁之間的上部限定的空間，這個空間與粉末回收系統(tǒng)相通和/或建造平臺其能夠將未使用的粉末直接從建造室向下(直接)釋放到粉末回收系統(tǒng)。本發(fā)明還提供一種利用所述設備建造三維產(chǎn)品的方法。
文檔編號B29C67/00GK101326046SQ200680034405
公開日2008年12月17日 申請日期2006年9月19日 優(yōu)先權日2005年9月20日
發(fā)明者G·E·諾帕斯, P·皮朗, P·西茨馬, R·C·帕特爾, S·阿拉曼 申請人:Pts軟件公司;馬特羅有限公司;阿德杰公司;Nts梅查特隆尼克斯公司;亨斯邁先進材料(瑞士)有限公司