製造具有內部結構的三維物體的方法

2023-04-25 03:03:01

專利名稱：製造具有內部結構的三維物體的方法
製造具有內部結構的三維物體的方法本發明涉及一種製造一種具有內部結構的三維物體的方法，該內部結構用以使該物體產生一種預定的特性。具體地，本發明涉及藉由雷射燒結、掩模燒結或其他成層方式的構造方法以製造一種在至少一部分呈現柔性的粉末材料三維物體的方法。存在用於雷射燒結的彈性粉末，藉此，可以製造具有類似橡膠特性的一個柔性部。然而，這種燒結粉末的應用範圍受到限制。另外，從DElO 2005 023 473 Al中已知，通過快速成型如通過雷射燒結的方法，以
製造具有一定程度彈性部分的鞋底。A.Bonke以及C.Fruth在他們發表在《添加製造_從原型到系列》，研討會，編輯D -Drummer,埃爾蘭根2009,第151-161頁的文章《通過創新的軟體概念進行自動化結構生成》中描述了在藉由一種添加製造方法來構造物體時的結構的應用。焦點集中在通過網格結構的使用以得到具有較低重量的物體，其基於這樣的事實，不是整個主體體積都必須由大塊結實的材料來形成。本發明的目的在於提供一種製造一種三維物體的方法，通過該方法，具有不同部件特性的三維物體可以由一種預定的構造材料來生成。這個目的由權利要求1所述的方法來完成。本發明的進一步的改進在從屬權利要求中界定。根據本發明，在計算網格結構的時候，一種構造材料的特定的材料特性也要予以考慮，藉此，一個物體的希望的特性得以實現。因為這個原因，以「人工的」或者「想像的(fictive)」材料來製造物體成為可能:從一種具有優選的特性(如阻力或耐久性的能力)的構造材料製造具有機械特性(如彈性)的物體，而當將這些物體構造為大塊結實物體時這些機械特性是不能得到的。因而，一個被生成的主體具有以下的特性:如果所述主體是由具有希望的特性組合(如阻力和耐久性的能力)的想像的材料大塊地結實地形成，則無法獲得這些特性。具體地，本發明的優勢在於柔性物體可以只基於內部結構用具有相對較高彈性模量的原材料的構造方式來製造。從而，與彈性體粉末的使用相比較，材料的選擇空間非常大。另外，本發明的優勢在於在一個構造工藝中，具有不同機械特性(如不同的剛性)的物體可以由同一種材料製造。另外，一個物體可以由同一種材料在一個構造工藝中製造具有局部地不同的特性，如局部地不同的剛性。從而，可以製造大量的物體，特別是由具有預定特性的所希望的材料製造的物體可以「按需」製造。因此，物體可能被製造為展示出新的特性組合。本發明步驟的另外的特徵以及目的在基於附圖的實施方案的描述下會更明顯。從附圖中展示:

圖1是一種雷射燒結機的一個示意圖；圖2a)以及2b)是不施加以及施加作用力F於表面上的具有網格結構的一種方形體(cuboid)的二維示意圖3a)以及3b)是類似圖2a)以及圖2b)的不施加以及施加作用力F於表面上的一種方形體的二維示意圖，與圖2a)以及2b)相比較，其具有較窄的網格結構；圖4a是在主體中具有不同的網格結構的一種方形體的二維示意圖；圖4b是施加作用力F在圖4a的該方形體上時的一個二維示意圖；圖5是沒有力作用時由具有不同內部的網格結構的一個隔板所分離的兩個雷射燒結主體的示意圖；圖6是圖5中被一個隔板分開的該雷射燒結主體的示意圖，其具有不同的網格結構並展示出在一個力的作用下不同的強度的變形。在下文中，參考圖1中所示的該雷射燒結方法以及一種雷射燒結設備的一個實例來描述本發明的方法。該設備包括一個構造容器1，在該構造容器I內設置有用於支撐一個待構造的物體3的一個支撐物2。該支撐物2通過一個高度調節器件4在該構造容器內沿著豎直方向可移動。粉末構造材料將會固化的該平面限定了一個工作平面5。為了該粉末材料在該工作平面5內的固化，一個雷射器6被設置用來通過一個反射器件8以及必要時通過一個聚焦單元9產生聚焦在該工作平面5上的一種雷射束7。一個控制設備10被設置用來控制該反射器件8，並且如果必要，控制該聚焦單元9，從而該雷射束7可以被反射至該工作平面5內的任意點。該控制設備10由包含該待製造的物體的結構的數據來控制。該數據包含在每層中待固化的該物體的數據。另外，設置有一個供應裝置11，該粉末構造材料可以通過該供應裝置11供應給一個後續層。藉由一個塗覆器12，該構造材料被塗覆在該工作平面5內並且被整理平滑。在工作過程中，該支撐物2被遂層放低，一個新的粉末層被塗覆並且通過該雷射束7被固化在該工作平面5內的對應該物體的對應層內的位置上。作為粉末構造材料，適合於該雷射燒結方法的所有的粉末或粉末混合物都可以使用。這樣的粉末包括例如合成粉末，如聚醯胺或聚苯乙烯(PAEK，聚芳醚醯胺)，彈性體如PEBA (聚醚嵌段醯胺)，金屬粉末如不鏽鋼粉末或適合於對應的目的其他金屬粉末，具體地，合金、合成塗覆的沙或陶瓷粉末。根據本發明的方法，該物體的內部結構基於使用的構造材料的材料參數以及待製造的該物體的預定特性來計算，並且該三維物體被遂層以這種內部結構製造，這樣在製造完後，它包括該預定的特性。結果，從該構造材料生成的一個主體具有這樣的特性，例如對應從一種不同材料製造的具有相同形狀和體積的一個主體的希望的特性，其中，然而，這些希望的特性與實際使用的構造材料的其他的有利的特性進行組合。至少可將彈性模量看作該構造材料的材料參數，。然而，只要在計算中有價值，也可以使用另外的材料參數，例如抗拉強度、硬度、密度、斷裂應變、泊松比(泊松係數)等等。在該實施方案中，一種具有大約50MPa的相對高的彈性模量的粉末被用作構造材料。接著，待製造的該物體的機械特性，在這個實施方案中是待製造的該物體的剛性，通過在一個預定方向施加一個預設的壓力來確定。另外的機械特性，例如在不同方向的剛性、抗拉強度、拉伸負荷的斷裂應變、泊松比、扭轉性能、疲勞性能等可以被確定。基於該構造材料的彈性模量以及待製造的該物體的至少一個預定特性，計算出一個三維的網格結構。該三維網格結構提供該粉末構造材料通過該雷射束的作用而固化的位置。在其間的腔體中，該粉末未被固化。該三維物體然後根據計算的網絡結構遂層構造。優選地，該網絡延伸至各個層的邊界區域，從而該製造好的物體完全由沒有任何完全封閉的表面的該網格結構組成。這樣，在該製造工藝之後，可以容易地去除未固化的粉末材料。替代地，各層的整個輪廓或者該輪廓的部分可以被固化。在這種情況下，產生的該物體的輪廓可以是完全封閉或部分封閉。形成一個外封的該輪廓可以被設計為使它吸收變形，例如，它可以形成為一個波紋狀結構或者形成為彼此接合併且相對彼此可移動的部件。如果必要，在燒結期間或之後，可以設置用於去除未固定的粉末材料的開口。圖2a示出具有一個第一網格結構的一個方形體I的二維視圖。圖2b示出圖2a的該方形體的二維示意圖，該方形體在施加在整個表面上的一個力F的作用下被壓縮一個預定量。圖3a示出了一個方形體2的二維示意圖，該方形體2具有與圖2a類似尺寸，並且具有一個帶有較小網格間距的第二網格結構。圖3b示出受與圖2b類似大小的力F作用的圖3a的方形體的二維示意圖，該力進而作用在該整個表面上因而壓縮該主體。根據圖3b)的具有窄網格結構的該方形體的剛性比圖2b)的更大。例如，該網格結構可以是一個菱形網格，但也可以是可以使用的任何任意的其他網格。該網格的單元室的尺寸可以變化，並且它們一般在該單元室的側向長度上的幾個毫米範圍內。這些網格條的厚度在大約0.1毫米至2毫米範圍內。在一個具體情形中，例如對於特別大的部件或對於矩形或類型網格截面，其在一個方向上比另外的方向具有大得多的尺寸，這些網格條的厚度也可以是在釐米範圍內。通過該單元室的尺寸以及這些單一的網格條的厚度的變化，待製造的該物體的希望的剛性可以按無級方式改變。在該方法的另外的改進中，該網格可以在待製造的該物體內部變化，從而與方向和負載一致，可以產生待製造的該物體的不同的特性。例如，從圖4a以及4b可以得出，一個主體10可以包括具有一個網格結構的部分11、12，其與一個中心部分13不同，該中心部分13在一個壓力f的作用下比部分11、12更有彈性，如圖4b所示。圖4a以及4b所示的這些網格結構11、13、12連續地彼此合併。圖5和6示出具有不同內部網絡結構的PEBA (聚醚嵌段醯胺)的兩種雷射燒結主體，其中這些主體被一個隔板分開。圖5示出沒有力作用的這些主體，並且圖6示出具有力作用的這些主體。因為不同的內部網格結構而具有不同強度的變形。該下側主體比該上側主體有更強烈的變形。在一個另外的改進中，待製造的該物體，對應其剛性，不僅展示出一個線性行為，而且可以非線性地形成。這可以通過提供中止部來實現，例如，其中一個中止部由在該物體內的一個剛性部分形成。例如，一個剛性部分可以由部分地燒結或完全地燒結在表面上的一個區域來生成。在一個另外的改進中，可以額外地改變該網格結構的固化度。在一個另外的改進中，可以通過在一個主體內的該網格結構的變化來產生一個預定的斷裂點。通過該方法，可以製造所有類型的柔性部件，例如減振器、插入式鞋底、保護墊等。本發明不限於雷射燒結。它可以用於所有生成性方法，其中一個主體由一種構造材料以成層的方式製造，例如立體光刻，其使用一種液態光固化樹脂代替一種粉末材料；三維印刷，其中該粉末構造材料通過一種可以按液滴的形狀施加在該粉末層上的粘合劑來固化；例如，或者也可以是選擇性掩膜燒結，其中一個掩膜以及一個擴展的光源被用來替代一種雷射束。
權利要求
1.通過逐層添加的構造方法由構造材料來製造一種三維物體的方法，其中 基於該構造材料的材料參數以及待製造的該物體的預定特性，計算出包含網格結構的該物體的一個內部結構，以及 通過該逐層添加的構造方法來製造具有這個內部結構的該三維物體，從而使其包括這些預定特性。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，使用彈性模量和/或抗拉強度和/或硬度和/或密度和/或斷裂應變和/或泊松比以及另外的材料參數作為該構造材料的材料參數，以及使用剛性和/或抗拉強度和/或拉伸負荷下的斷裂應變和/或泊松比和/或扭轉性能和/或疲勞性能和/或在一個預定力作用下該物體的另外特性作為該物體的特性。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，該網格結構的輪廓保留為開放、或者通過一個外封完全地或部分地被關閉。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，在該網格結構的該輪廓內，存在多個開口用來去除殘留的材料。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，待製造的該物體的至少一個機械特性通過網格類型和/或單元室的尺寸和/或網格條的厚度和/或固化的程度的變化來調節。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，在該物體內的結構是變化的，從而產生與方向和/或負載有關的不同的特性。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，該結構被計算為使得:由具有彈性模量El的一種構造材料製造具有彈性模量E2的一個柔性物體(I)或具有在E2至En之間的不同彈性模量的η個柔性部分的一個物體(I)，其中El > Ε2，Εη。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，多個具有不同的機械特性的物體通過同一種原材料製造。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，製造具有若干擁有不同機械特性的區域的一個物體。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，這些區域彼此連續地合併。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其特徵在於，通過該內部結構來產生一個線性柔性物體，或者該內部結構包括中止部從而得到具有非線性柔性的一個物體。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，粉末構造材料被用作該構造材料。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，該逐層添加的構造方法是一種雷射燒結方法。
14.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，該逐層添加的構造方法是一種掩膜燒結方法。
全文摘要
通過一種逐層添加的構造方法來製造由一種構造材料製造的一種三維物體(1)的方法，其中基於該構造材料的材料參數以及待製造的該物體的預定特性，計算出包含有網格結構的該物體(1)的一個內部結構，以及具有這個內部結構的該三維物體(1)通過該逐層添加的構造方法來製造，從而它包括這些預定特性。
文檔編號B29C67/00GK103118858SQ201180041550
公開日2013年5月22日 申請日期2011年9月5日 優先權日2010年9月3日
發明者M·蓋斯勒, M·J·加爾巴, J·奧博霍弗 申請人:Eos電光系統有限責任公司