用於製造三維物體的方法和設備與流程

2023-10-21 10:33:28

本發明涉及製造三維物體的方法和設備，尤其是，涉及生成製造或增材製造方法，諸如，3d列印。

背景技術：

生成製造或增材製造方法(尤其是3d列印方法)同時已經將自己確立為用於模型、樣品、原型、工具的快速且成本有效的製造方法，而且越來越多地用於製造最終產品。這種方法包括基於計算機存儲的數據模型使用無定形(液體、粉末等)或中性形狀(例如，帶狀或線狀)源材料藉助於化學和/或物理過程進行直接製造。

在選擇性電子束熔化或電子束燒結的情況下，將聚焦的電子束打到細粉末上。在電子束熔化的情況下，粉末完全熔化，並且在燒結的情況下，粉末至少部分熔化。作為示例，通過重複地應用粉末與熔化或燒結過程的組合，可以構造三維物體，如美國專利us5,597,589所述。然而，這種系統的技術要求已經非常高，因為單獨使用電子束。一方面，用於聚焦射束的透鏡昂貴且笨重。另一方面，整個系統必須在真空內操作。此外，選擇性電子束熔化需要將粉末應用在層中，從而限制了可實現的列印速度。

選擇性雷射熔化類似於電子束熔化，但使用雷射器(主要是co2雷射器、nd:yag雷射器或纖維雷射器)來代替電子束。與電子束熔化相比，在真空內操作整個系統的要求被廢除。但保護性氣體的使用仍不可缺少。使用這種方法也會限制列印速度，因為需要將粉末應用在層中。

在熔融沉積造型方法的情況下，通過逐層地應用塑料來創建物體。出於這個目的，將塑料熔化並且由擠出機按壓。為了能夠列印任何類型的形狀，在某些情況下，需要列印額外的支撐結構(所謂的「託」)。作為示例，申請文件wo2001/026023中描述了熔融沉積造型方法。列印的精度主要因擠出機的直徑而受到限制。商業模式只提供在約0.5mm範圍內的解析度，而這對於很多工業應用來說是不夠的。列印速度因為噴嘴的橫向速度而受到限制。

所謂的多射流造型類似於噴墨列印並且實現高水平的解析度。在第一變形中，應用特殊樹脂，在下一步驟中將特殊樹脂暴露於紫外光並且硬化。在第二變形中，將粉末應用在層中，利用粘合劑進行列印。通過這種方式，可以列印塑料以及金屬和陶瓷。然而，對於後兩個提及的材料而言，在某些情況下需要額外的製造步驟，以便獲得所需的材料性質，例如，回火、填充粘合劑間隙等。至於購買系統及其維護，多射流建模比較昂貴，因此，主要是工業應用對此有興趣。

對於立體平板印刷術(類似於多射流成型)而言，使用液態人造樹脂，它在暴露於光時硬化。雷射器直接打到人造樹脂所在的容器中。通過逐漸提高液平面，可以一點點地構造三維物體。作為示例，這種方法在申請文件de201210011418中描述。立體平板印刷術實現非常高的解析度。然而，它需要可移動部件，諸如，擦拭器，以均勻地分散聚合物，例如，這降低列印速度。

針對上述問題的背景，需要改良的方法或改良的設備，以使得優選地採用任何類型形狀的三維物體的快速且成本有效的製造成為可能。

發明概要

使用根據權利要求1所述的根據本發明的方法或者根據權利要求11所述的根據本發明的設備來解決這個目標。從屬權利要求是指有益的進一步發展。

用於製造三維物體的根據本發明的方法包括：使材料在材料空間中可用；以及藉助於利用超聲選擇性地輻射該材料來形成由該材料組成的三維物體。

發明人已經認識到，利用超聲選擇性地輻射材料使得有可能以較高的再現水平直接從三維材料空間中形成三維物體。由於通過利用超聲選擇性地輻射材料來實現三維物體的形狀，因此，幾乎可能實現任何類型的形狀。此外，與傳統3d列印方法相比，很大程度上可以在沒有可移動部件的情況下完成。藉此，可以實現較高的列印速度。同時，在沒有可移動部件的情況下完成降低了製造成本和維護要求。

此外，與傳統列印方法相比，利用超聲進行輻射導致材料或三維物體上的熱應力水平降低，因此有可能對多種材料起作用。

依據本發明，材料可以是適合在超聲輻射的影響下改變材料性質和/或材料相的任何材料，尤其是，在經受超聲輻射時熔化。

根據本發明，材料在材料空間中可用。依據本發明，容納材料的任何接收器都可以充當材料空間。

藉助於利用超聲選擇性地輻射材料來形成由該材料組成的三維物體可以尤其在材料空間本身內進行。因此，與很多傳統3d列印方法相比，可以廢除將材料或原材料運輸到列印區的要求，以便可以降低列印設備的複雜性並且可以提高列印速度。

在優選實施方式中，材料的選擇性輻射沿著穿過材料的預定義路徑進行。

具體地講，該路徑可以對應於三維物體的結構。

通過這種方式，根據本發明的解決方案使得有可能通過沿著對應於預定義結構的路徑移動超聲束來形成具有幾乎任何預定義結構的三維物體。

優選地，選擇性輻射包括將超聲束聚焦到材料的多個預定義區域上，優選地將超聲束聚焦到材料的第一預定義區域上並且隨後聚焦到材料的第二預定義區域上。

通過聚焦超聲束，可以以較高水平的空間和時間解析度特別地控制進入材料中以形成三維物體的能量輸入。因此，具體地講，超聲束可以聚焦到與三維物體的結構設計方案對應的材料的所選區域上，以便在那裡形成三維物體的結構。這具有與只可能逐層地構造三維物體的傳統3d列印方法相關的很大優點。

將超聲聚焦到材料的預定義區域上還可以在沒有可移動部件的情況下以快速的方式進行，以便根據本發明的解決方案可以實現較高的列印速度。

具體地講，將超聲聚焦可以使用聚焦光學器件來進行。聚焦光學器件可以包括一個或多個透鏡，例如，樹脂玻璃透鏡。

作為替代或補充，超聲的聚焦可以使用相控陣超聲源來進行。

相控陣超聲源可以包括多個超聲元件，例如，壓電式換能器，所述超聲元件發出相對於彼此相位延遲的超聲信號。產生的超聲束由這些單獨的信號重疊所致，並且可以通過適當地選擇相位延遲而以快速的方式並且以高水平的精度聚焦到材料空間的任何區域上。

在優選實施方式中，材料的選擇性輻射包括使用至少第一超聲束和至少第二超聲束的材料的輻射。

通過這種方式，通過使用多個超聲源，可以同時輻射材料空間的各種區域，並且通過這種方式，可以同時形成三維物體的各個區段。列印速度可以藉此而進一步提高。

在本發明的優選進一步發展中，第一超聲束和第二超聲束從材料的預定義區域內的各種空間方向聚焦。

藉此，能量密度可以藉助於組合多個超聲束的能量輸入而在材料的預定義區域處額外地增加。通過這種方式，可以實現列印速度的提高。

具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲選擇性地輻射材料來熔化材料。

在此實施方式中，通過沿著穿過材料的預定義路徑凝固並且粘合相關聯的材料可以形成三維物體。

在優選實施方式中，材料包括顆粒。

依據該實施方式，顆粒包括任何粒狀或粉狀固體。

具體地講，顆粒可以包括熱塑性聚合物，尤其是，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚醯胺(pa)、聚乳酸(pla)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚醚醚酮(peek)和/或聚氯乙烯(pvc)。

通過使用超聲來熔化顆粒，可以以精確的方式和較高水平的空間解析度來形成幾乎任何三維結構。

材料可以包括纖維增強顆粒，更優選地，利用玻璃纖維和/或碳纖維增強的顆粒。藉此，可以實現特別穩定的結構。

在優選實施方式中，材料包括金屬顆粒和/或陶瓷顆粒。

顆粒可以尤其被聚合物層覆蓋(「塗覆」)。

在優選實施方式中，顆粒具有不小於25μm的顆粒尺寸，優選不小於50μm。

在優選實施方式中，顆粒不具有超過2mm的顆粒尺寸，優選不超過1mm，並且尤其是，不超過200μm。

具體地講，先前的顆粒尺寸上限和下限可以是指顆粒的平均粒徑。

在優選實施方式中，材料包括各種顆粒。

具體地講，這些各種顆粒可以以各種混合比例在空間上存在於材料空間內。這導致由材料成分決定的機械和物理性質的空間變形。

具體地講，可以選擇在經受超聲、混合、反應和/或共同凝固時會彼此熔化的顆粒。通過這種方式，可以改變三維物體的機械性質。

在優選實施方式中，聚合物顆粒可以與材料空間內的玻璃或碳纖維混合，以便在凝固後產生纖維增強型複合物。

然而，本發明不限於將顆粒作為材料。

在實施方式中，材料包括單體溶液。

具體地講，形成三維物體可以包括藉助於利用超聲選擇性地輻射單體溶液來開始乳液聚合和/或共聚合。

通過這種方式，單體(例如，丙烯腈)可以被聚焦的超聲在空間上聚合，以便精確地形成三維結構。

將顆粒和單體溶液用作材料並不相互排斥。具體地講，單體-顆粒懸浮液可以用作材料，從而藉助於超聲輻射而在點處連接。

在優選實施方式中，材料包括陶瓷和/或金屬。

在此實施方式中，具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲波進行選擇性輻射來燒結陶瓷和/或金屬。

在優選實施方式中，超聲具有不超過16mm的波長，優選不超過8mm，並且尤其是，不超過2mm。在空氣中，這分別對應於至少20khz、至少40khz或至少160khz的頻率。

發明人已經認識到，(具體地講，通過熔化顆粒)由材料組成的三維物體可以使用這些相對較低的頻率以可靠的可再生方式形成。這個低頻率範圍內的超聲信號可以另外以簡單且成本有效的方式生成。

在優選實施方式中，超聲包括不小於10μm的波長，優選不小於20μm，並且尤其是，不小於50μm。在空氣中，所指示的波長分別對應於至多30mhz、至多15mhz或至多6.5mhz的頻率。

發明人已經認識到，可以使用這些頻率來實現足夠高水平的空間解析度和足夠高水平的能量輸入。

具體地講，本發明可以包括調整材料的阻抗，並且如有需要，通過匹配介質來調整材料之間的空間，該匹配介質包括流體，並且尤其是，有機流體。

通過改變超聲的強度，可以改變三維物體的機械性質。

在優選實施方式中，形成三維物體包括利用超聲以第一頻率來選擇性地輻射材料以及利用超聲以第二頻率來選擇性地輻射材料，該第二頻率不同於第一頻率。

通過特別改變超聲的頻率，可以進一步提高列印速度。例如，可以傳輸第一頻率以在顆粒中形成第一熔化區，之後可以以更高的吸收係數傳輸不同於第一頻率的第二頻率，以擴展熔化區或使它保持在液態。

具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲選擇性地輻射材料而在材料中形成空化區。

通過這種方式，例如，尤其可以在顆粒的熔化區中利用非線性效應。在熔化的材料內，與鬆散顆粒相比，超聲吸收特性不同。具體地講，通過形成空化區，可以因為自由度的數量相關聯地增加而實現明顯更高的吸收係數和能量輸入。

在優選實施方式中，方法包括在材料空間中提供構造元件的額外步驟，由此構造元件至少部分鄰近材料或被材料包圍，並且形成三維物體包括將材料選擇性地連接到構造元件。

具體地講，材料到構造元件的選擇性連接可以包括在材料與構造元件之間的邊界表面處利用超聲來輻射材料。

適合為三維物體提供穩定性或在形成過程期間被吸收到三維物體中的任何預製主體都可以用作構造元件。具體地講，構造元件可以包括塑料元件或由另一源材料組成的元件，諸如，陶瓷元件或金屬元件。

使用不同於所述材料的適當成形的構造元件可以使得不必要耗時形成較大的相關體積。藉此，可以進一步提高列印速度。

在前述實施方式中，已經描述了藉助於利用超聲選擇性地輻射材料而由材料形成三維物體。此外，然而，也可以使用超聲以便從(列印的)三維物體中特別地移除材料。具體地講，從三維物體中移除材料可以包括藉助於超聲的具體輻射來溶解或瓦解三維物體的區段。

由於使用超聲，因此當移除材料時，不需要超聲源與將要移除的物體的區段之間的直接視覺接觸，從而能夠實現非常複雜的形狀。

此實施方式在製造三維物體時允許極高水平的可變性，因為將應用和移除材料進行組合。

本發明也參考利用超聲單元來製造三維物體的設備，該超聲單元適於利用超聲選擇性地輻射材料空間中可用的材料。

優選地，該設備包括聚焦單元，以將超聲聚焦到材料的各種預定義區域上。

聚焦單元可以包括至少一個透鏡，更優選地，至少一個聲透鏡。

作為替代或補充，超聲單元或聚焦單元可以包括相控陣超聲源。

在本發明的進一步發展中，超聲單元包括以朝向材料空間的各種空間取向布置和/或被配置成提供各種超聲頻率的多個超聲源。

在本發明的進一步發展中，設備也包括容納材料的材料空間。

材料可以是容納材料的貯存器。

在實施方式中，設備包括控制裝置，以提供控制信號，以便根據與將要製造的三維物體對應的預定義路徑將超聲單元的至少一個超聲束聚焦到材料的所選區域上。

具體地講，控制裝置可以適合於處理將要製造的三維物體的結構設計方案並且基於結構設計方案來提供相關的控制信號。

在優選實施方式中，設備適合於實施具有一個或多個上述特徵的方法。

本發明還參考具有計算機可讀指令的電腦程式和/或電腦程式產品，該計算機可讀指令適合於在處理單元上執行具有一個或多個上述特徵的方法，該處理單元連接到具有一個或多個上述特徵的設備。

優選實施方式的詳述

使用優選實施方式的詳細描述，考慮附圖，可以最好地理解根據本發明的解決方案的特徵和許多優點，在附圖中：

圖1示意性地示出根據本發明的實施方式的用來形成三維物體的設備以及用來形成三維物體的相關方法；

圖2a和圖2b示出具有多個超聲源的圖1的實施方式的示意變形；

圖3示意性地示出根據本發明的實施方式的通過沿著構造元件熔化顆粒來形成三維物體；

圖4示意性地輸出根據本發明的實施方式的具有相控陣超聲源的超聲單元；以及

圖5示意性地示出相控陣超聲源中的聚焦超聲束的形成。

圖1是根據本發明的實施方式的用於製造三維物體(未示出)的設備10的示意圖。設備10包括具有超聲源13的超聲單元12，所述超聲源被配置成生成超聲束14並且將它朝向材料空間16中可用的材料18發送出去。

超聲源13可以包括壓電式超聲換能器(未示出)的布置或陣列，所述超聲換能器設置成以40與100khz之間的頻率將超聲信號發送出去。這樣的超聲源需要相對低水平的工具和構造工作、緊湊並且製造便宜。

在圖1所示的圖中，材料18由多種顆粒20的鬆散顆粒組成，例如，由平均顆粒尺寸為50μm到100μm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)組成。然而，在本發明的範圍內，例如，可以使用由其他材料組成的顆粒，諸如，聚醯胺(pa)、聚乳酸(pla)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚醚醚酮(peek)和/或聚氯乙烯(pvc)。

然而，本發明不限於顆粒材料18，而是也可以使用液體材料來實施，諸如，單體溶液。

在圖1的示意圖中用虛線框示出材料空間16。它可以設計成由例如能透過超聲並且容納顆粒或單體溶液的材料組成的容器。容器可以另外容納互連層，所述互連層由液體組成，以使折射率達到平衡。

此外，圖1也示出聚焦單元22，使用所述聚焦單元可以將超聲束14聚焦到材料18的各種所選區域。

在圖1中，聚焦單元示意性地示為透鏡。它可以包括一個或多個聲透鏡，例如，樹脂玻璃透鏡。然而，本發明並不限於透鏡。在下文參考圖4和圖5描述的替代配置中，使用相控陣超聲源來將超聲束14聚焦到材料18的所選區域上。

聚焦超聲束14允許將能量選擇性且具體地應用到鬆散顆粒18的所選區域。由於超聲束14的能量輸入，在應用能量的地方的顆粒主體20被熔化並且在隨後凝固成固體結構期間與相鄰顆粒粘合。在此過程中，超聲功率主要被顆粒20吸收。在與周圍空氣的邊界表面處，排熱受到幹擾並且顆粒18內的溫度升高。當應用足夠的功率時，超過熔化溫度並且顆粒20熔化。如果超聲束14使用聚焦單元22沿著穿過顆粒18的預定義路徑移動，那麼由於顆粒18的熔化和隨後的凝固，沿著這個路徑形成三維結構，也就是三維物體。

三維物體可以是任何三維物體，例如，工件或工具的原型。根據本發明的解決方案的優點包括超聲束14，並且產生的熔化區可以沿著穿過顆粒的任何路徑三維移動，以便可以在凝固時形成任何相關的結構。

超聲束14的聚焦允許將能量有限地應用到材料空間16的極小空間上，從而使得可能以較高水平的空間解析度和精細結構來形成三維物體。例如，將10w的功率應用到直徑為約2mm的大約3mm3空間中允許熔化pe顆粒。

圖1的示意圖示出設備10具有超聲單元12，所述超聲單元包括單個超聲源13。然而，本發明的實施方式也可以包括分配到超聲單元12的多個超聲源，所述超聲源可以相對於材料16以各種取向布置。對應的超聲元可以將具有相同頻率的超聲束髮送出去，然而，在它們的相關頻率方面可以不同。

圖2a示出超聲單元12包括三個超聲源13、13『和13「的配置，所述超聲源繞著材料空間16以相對於材料18的各種空間取向布置。超聲源13、13『和13「中的每一個生成對應的超聲束14、14『或14「，所述超聲束分別藉助於對應透鏡22、22『或22「聚焦在材料空間16內的選擇區域上。超聲源13、13『和13「或者相關的透鏡22、22『和22「的構造和控制對應於參考圖1描述的前述實施方式。

在圖2a的配置中，透鏡22和22「都將射束14、14「聚焦到材料空間16內的第一區域上，並且第三透鏡22『將射束14『聚焦到材料空間內的第二區域上，所述第二區域不同於第一區域。通過這種方式，可以同時著手三維物體的各個區段，以便在那裡形成對應的熔化區，從而可以顯著提高製造速度。

圖2b中示出替代實施方式。關於它的構造，它在很大程度上對應於圖2a所示的實施方式。然而，所有的三個透鏡22、22『和22「都聚焦到材料空間16的共同區域，以便在局部水平上增加那裡的能量輸入。

通過使用各種頻率，可以尤其利用熔化區中的非線性效應。熔化的材料與鬆散顆粒在其超聲吸收性質方面不同。通過在熔化區中形成空化區，例如，可以顯著增大吸收係數。具體地講，利用第一頻率輻射顆粒18可以用來形成熔化區，而以更高的吸收係數利用第二頻率進行輻射可以用來擴展熔化區並且使它保持在液體形式，所述第二頻率不同於第一頻率。

通過在材料空間16的各個區域改變超聲的強度，可以改變三維物體的機械性質。

圖3所示的實施方式與圖1所示的實施方式的不同之處僅在於下列事實：除了材料18之外，材料空間16具有額外的預製構造元件24，所述構造元件在圖3的截面圖中示為鬆散顆粒內的光帶。

構造元件24可以是金屬主體或者由熔化溫度比周圍顆粒18高的塑料製成的合成主體。構造元件24可以採用各種方式形成並且在預定義位置引入到材料空間16中。圖2示出下列配置：顆粒18在顆粒18與構造元件24之間的邊界表面26處選擇性地熔化，以便顆粒18在隨後的凝固期間與構造元件24結合。通過這種方式，預定義構造元件24可以尤其被吸收到三維物體中。使用這樣的構造元件使得不必要耗時列印較大的相關空間。

圖4示出根據本發明的設備10的實施方式，其中使用相控陣超聲源28來生成超聲以輻射材料。

相控陣超聲源28包括多個超聲換能器30的布置或陣列，所述超聲換能器經由電源總線32連接到對應的換能器功率放大器34。換能器放大器34由控制裝置36控制，所述控制裝置生成控制信號，以使用設計程序38基於三維物體的結構設計方案來生成超聲脈衝。

在相控陣超聲源28中生成聚焦的超聲束14的原理已經在圖5中示出。

圖5示出具有10個超聲換能器30a到30e和30a『到30e『的相控陣超聲源28，所述超聲換能器在預定義空間配置中朝向彼此布置，並且由控制裝置36經由換能器功率放大器34和電源總線32(這裡未示出)單獨控制，以便傳輸超聲信號。如使用長條圖的圖5的右手邊局部示意圖所示，超聲信號的波前的傳輸以相對於彼此的相位延遲來進行，由此將相同的相位分配到下列對中的每一個：30a/30a『、30b/30b『、30c/30c『、30d/30d『和30e/30e『。通過適當地選擇這些對之間的相位延遲，可以實現將由單獨超聲換能器30a到30e和30a『到30e『發送出去的超聲波聚焦到任何焦點40上。單獨波在焦點40處的重疊在圖5所示的左邊局部圖中示意性地示出。

在圖4所示的圖中，為清晰地表示，由超聲換能器30傳輸的超聲波示為射線，所述射線在焦點40處結合。通過適當地選擇相位延遲，材料空間16內的焦點40可以在任何方向上快速地移動，以便以具體的局部水平實現能量輸入，從而沿著預定義熔化路徑熔化顆粒。使用相控陣超聲源28，可以採用類似於圖1和圖2所示的透鏡22的方式(然而，沒有移動部分)沿著預定義熔化路徑產生三維物體。

藉助於耦合層42，可以更容易將超聲換能器30的超聲信號耦合到材料空間16中以使折射率變正常。

圖4示出只具有一個相控陣超聲源28的配置。類似於參考圖1和圖2描述的實施方式，然而，多個相控陣超聲源可以繞著材料空間或容器16布置，以便以局部水平提高能量輸入或者能夠同時熔化材料18的各個空間區域。

優選實施方式和附圖的描述僅用來說明本發明和利用本發明實現的益處，然而它們不限制本發明。本發明的範圍只來源於所附權利要求書。

參考標號

10製造三維物體的設備

12超聲單元

13、13『、13「超聲源

14、14『、14「超聲束

16材料空間、容器

18材料、顆粒

20顆粒

22、22『、22「聚焦單元、透鏡

24構造元件

26顆粒18與支撐元件24之間的邊界表面

28相控陣超聲源

30相控陣超聲源28的超聲換能器

30a到30e、30a『到30e『相控陣超聲源28的超聲源

32相控陣超聲源28的電源總線

34相控陣超聲源28的功率放大器

36相控陣超聲源28的控制裝置

38設計程序

40焦點

42耦合層