用于制造三维物体的方法和设备 |
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| 申请号 | CN201680010663.9 | 申请日 | 2016-02-15 | 公开(公告)号 | CN107249862A | 公开(公告)日 | 2017-10-13 |
| 申请人 | 慕尼黑科技大学; | 发明人 | 帕斯卡·布鲁诺·尼比克尔; 休伯特·瑟施; 约瑟夫·安德里亚斯·韦伯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于产生三维物体的方法和装置，用于产生三维物体的该方法包括下列步骤：在材料体积(16)中提供材料(18)；以及通过利用超声选择性地 辐射 所述材料(18)而由所述材料(18)形成三维物体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制造三维物体的方法，其具有下列步骤： |
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| 说明书全文 | 用于制造三维物体的方法和设备技术领域背景技术[0002] 生成制造或增材制造方法(尤其是3D打印方法)同时已经将自己确立为用于模型、样品、原型、工具的快速且成本有效的制造方法，而且越来越多地用于制造最终产品。这种方法包括基于计算机存储的数据模型使用无定形(液体、粉末等)或中性形状(例如，带状或线状)源材料借助于化学和/或物理过程进行直接制造。 [0003] 在选择性电子束熔化或电子束烧结的情况下，将聚焦的电子束打到细粉末上。在电子束熔化的情况下，粉末完全熔化，并且在烧结的情况下，粉末至少部分熔化。作为示例，通过重复地应用粉末与熔化或烧结过程的组合，可以构造三维物体，如美国专利US 5,597,589所述。然而，这种系统的技术要求已经非常高，因为单独使用电子束。一方面，用于聚焦射束的透镜昂贵且笨重。另一方面，整个系统必须在真空内操作。此外，选择性电子束熔化需要将粉末应用在层中，从而限制了可实现的打印速度。 [0004] 选择性激光熔化类似于电子束熔化，但使用激光器(主要是CO2激光器、Nd:YAG激光器或纤维激光器)来代替电子束。与电子束熔化相比，在真空内操作整个系统的要求被废除。但保护性气体的使用仍不可缺少。使用这种方法也会限制打印速度，因为需要将粉末应用在层中。 [0005] 在熔融沉积造型方法的情况下，通过逐层地应用塑料来创建物体。出于这个目的，将塑料熔化并且由挤出机按压。为了能够打印任何类型的形状，在某些情况下，需要打印额外的支撑结构(所谓的“托”)。作为示例，申请文件WO 2001/026023中描述了熔融沉积造型方法。打印的精度主要因挤出机的直径而受到限制。商业模式只提供在约0.5mm范围内的分辨率，而这对于很多工业应用来说是不够的。打印速度因为喷嘴的横向速度而受到限制。 [0006] 所谓的多射流造型类似于喷墨打印并且实现高水平的分辨率。在第一变形中，应用特殊树脂，在下一步骤中将特殊树脂暴露于紫外光并且硬化。在第二变形中，将粉末应用在层中，利用粘合剂进行打印。通过这种方式，可以打印塑料以及金属和陶瓷。然而，对于后两个提及的材料而言，在某些情况下需要额外的制造步骤，以便获得所需的材料性质，例如，回火、填充粘合剂间隙等。至于购买系统及其维护，多射流建模比较昂贵，因此，主要是工业应用对此有兴趣。 [0007] 对于立体平板印刷术(类似于多射流成型)而言，使用液态人造树脂，它在暴露于光时硬化。激光器直接打到人造树脂所在的容器中。通过逐渐提高液平面，可以一点点地构造三维物体。作为示例，这种方法在申请文件DE 2012 10011418中描述。立体平板印刷术实现非常高的分辨率。然而，它需要可移动部件，诸如，擦拭器，以均匀地分散聚合物，例如，这降低打印速度。 [0008] 针对上述问题的背景，需要改良的方法或改良的设备，以使得优选地采用任何类型形状的三维物体的快速且成本有效的制造成为可能。发明概要 [0011] 发明人已经认识到，利用超声选择性地辐射材料使得有可能以较高的再现水平直接从三维材料空间中形成三维物体。由于通过利用超声选择性地辐射材料来实现三维物体的形状，因此，几乎可能实现任何类型的形状。此外，与传统3D打印方法相比，很大程度上可以在没有可移动部件的情况下完成。借此，可以实现较高的打印速度。同时，在没有可移动部件的情况下完成降低了制造成本和维护要求。 [0012] 此外，与传统打印方法相比，利用超声进行辐射导致材料或三维物体上的热应力水平降低，因此有可能对多种材料起作用。 [0013] 依据本发明，材料可以是适合在超声辐射的影响下改变材料性质和/或材料相的任何材料，尤其是，在经受超声辐射时熔化。 [0014] 根据本发明，材料在材料空间中可用。依据本发明，容纳材料的任何接收器都可以充当材料空间。 [0015] 借助于利用超声选择性地辐射材料来形成由该材料组成的三维物体可以尤其在材料空间本身内进行。因此，与很多传统3D打印方法相比，可以废除将材料或原材料运输到打印区的要求，以便可以降低打印设备的复杂性并且可以提高打印速度。 [0016] 在优选实施方式中，材料的选择性辐射沿着穿过材料的预定义路径进行。 [0017] 具体地讲，该路径可以对应于三维物体的结构。 [0018] 通过这种方式，根据本发明的解决方案使得有可能通过沿着对应于预定义结构的路径移动超声束来形成具有几乎任何预定义结构的三维物体。 [0019] 优选地，选择性辐射包括将超声束聚焦到材料的多个预定义区域上，优选地将超声束聚焦到材料的第一预定义区域上并且随后聚焦到材料的第二预定义区域上。 [0020] 通过聚焦超声束，可以以较高水平的空间和时间分辨率特别地控制进入材料中以形成三维物体的能量输入。因此，具体地讲，超声束可以聚焦到与三维物体的结构设计方案对应的材料的所选区域上，以便在那里形成三维物体的结构。这具有与只可能逐层地构造三维物体的传统3D打印方法相关的很大优点。 [0021] 将超声聚焦到材料的预定义区域上还可以在没有可移动部件的情况下以快速的方式进行，以便根据本发明的解决方案可以实现较高的打印速度。 [0022] 具体地讲，将超声聚焦可以使用聚焦光学器件来进行。聚焦光学器件可以包括一个或多个透镜，例如，树脂玻璃透镜。 [0023] 作为替代或补充，超声的聚焦可以使用相控阵超声源来进行。 [0024] 相控阵超声源可以包括多个超声元件，例如，压电式换能器，所述超声元件发出相对于彼此相位延迟的超声信号。产生的超声束由这些单独的信号重叠所致，并且可以通过适当地选择相位延迟而以快速的方式并且以高水平的精度聚焦到材料空间的任何区域上。 [0025] 在优选实施方式中，材料的选择性辐射包括使用至少第一超声束和至少第二超声束的材料的辐射。 [0026] 通过这种方式，通过使用多个超声源，可以同时辐射材料空间的各种区域，并且通过这种方式，可以同时形成三维物体的各个区段。打印速度可以借此而进一步提高。 [0027] 在本发明的优选进一步发展中，第一超声束和第二超声束从材料的预定义区域内的各种空间方向聚焦。 [0028] 借此，能量密度可以借助于组合多个超声束的能量输入而在材料的预定义区域处额外地增加。通过这种方式，可以实现打印速度的提高。 [0029] 具体地讲，形成三维物体可以包括通过利用超声选择性地辐射材料来熔化材料。 [0030] 在此实施方式中，通过沿着穿过材料的预定义路径凝固并且粘合相关联的材料可以形成三维物体。 [0031] 在优选实施方式中，材料包括颗粒。 [0032] 依据该实施方式，颗粒包括任何粒状或粉状固体。 [0033] 具体地讲，颗粒可以包括热塑性聚合物，尤其是，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(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)。 [0034] 通过使用超声来熔化颗粒，可以以精确的方式和较高水平的空间分辨率来形成几乎任何三维结构。 [0035] 材料可以包括纤维增强颗粒，更优选地，利用玻璃纤维和/或碳纤维增强的颗粒。借此，可以实现特别稳定的结构。 [0036] 在优选实施方式中，材料包括金属颗粒和/或陶瓷颗粒。 [0037] 颗粒可以尤其被聚合物层覆盖(“涂覆”)。 [0038] 在优选实施方式中，颗粒具有不小于25μm的颗粒尺寸，优选不小于50μm。 [0039] 在优选实施方式中，颗粒不具有超过2mm的颗粒尺寸，优选不超过1mm，并且尤其是，不超过200μm。 [0040] 具体地讲，先前的颗粒尺寸上限和下限可以是指颗粒的平均粒径。 [0041] 在优选实施方式中，材料包括各种颗粒。 [0042] 具体地讲，这些各种颗粒可以以各种混合比例在空间上存在于材料空间内。这导致由材料成分决定的机械和物理性质的空间变形。 [0043] 具体地讲，可以选择在经受超声、混合、反应和/或共同凝固时会彼此熔化的颗粒。通过这种方式，可以改变三维物体的机械性质。 [0044] 在优选实施方式中，聚合物颗粒可以与材料空间内的玻璃或碳纤维混合，以便在凝固后产生纤维增强型复合物。 [0045] 然而，本发明不限于将颗粒作为材料。 [0046] 在实施方式中，材料包括单体溶液。 [0047] 具体地讲，形成三维物体可以包括借助于利用超声选择性地辐射单体溶液来开始乳液聚合和/或共聚合。 [0048] 通过这种方式，单体(例如，丙烯腈)可以被聚焦的超声在空间上聚合，以便精确地形成三维结构。 [0049] 将颗粒和单体溶液用作材料并不相互排斥。具体地讲，单体-颗粒悬浮液可以用作材料，从而借助于超声辐射而在点处连接。 [0050] 在优选实施方式中，材料包括陶瓷和/或金属。 [0053] 发明人已经认识到，(具体地讲，通过熔化颗粒)由材料组成的三维物体可以使用这些相对较低的频率以可靠的可再生方式形成。这个低频率范围内的超声信号可以另外以简单且成本有效的方式生成。 [0054] 在优选实施方式中，超声包括不小于10μm的波长，优选不小于20μm，并且尤其是，不小于50μm。在空气中，所指示的波长分别对应于至多30MHz、至多15MHz或至多6.5MHz的频率。 [0055] 发明人已经认识到，可以使用这些频率来实现足够高水平的空间分辨率和足够高水平的能量输入。 [0056] 具体地讲，本发明可以包括调整材料的阻抗，并且如有需要，通过匹配介质来调整材料之间的空间，该匹配介质包括流体，并且尤其是，有机流体。 [0057] 通过改变超声的强度，可以改变三维物体的机械性质。 [0058] 在优选实施方式中，形成三维物体包括利用超声以第一频率来选择性地辐射材料以及利用超声以第二频率来选择性地辐射材料，该第二频率不同于第一频率。 [0059] 通过特别改变超声的频率，可以进一步提高打印速度。例如，可以传输第一频率以在颗粒中形成第一熔化区，之后可以以更高的吸收系数传输不同于第一频率的第二频率，以扩展熔化区或使它保持在液态。 [0060] 具体地讲，形成三维物体可以包括通过利用超声选择性地辐射材料而在材料中形成空化区。 [0061] 通过这种方式，例如，尤其可以在颗粒的熔化区中利用非线性效应。在熔化的材料内，与松散颗粒相比，超声吸收特性不同。具体地讲，通过形成空化区，可以因为自由度的数量相关联地增加而实现明显更高的吸收系数和能量输入。 [0062] 在优选实施方式中，方法包括在材料空间中提供构造元件的额外步骤，由此构造元件至少部分邻近材料或被材料包围，并且形成三维物体包括将材料选择性地连接到构造元件。 [0063] 具体地讲，材料到构造元件的选择性连接可以包括在材料与构造元件之间的边界表面处利用超声来辐射材料。 [0064] 适合为三维物体提供稳定性或在形成过程期间被吸收到三维物体中的任何预制主体都可以用作构造元件。具体地讲，构造元件可以包括塑料元件或由另一源材料组成的元件，诸如，陶瓷元件或金属元件。 [0065] 使用不同于所述材料的适当成形的构造元件可以使得不必要耗时形成较大的相关体积。借此，可以进一步提高打印速度。 [0066] 在前述实施方式中，已经描述了借助于利用超声选择性地辐射材料而由材料形成三维物体。此外，然而，也可以使用超声以便从(打印的)三维物体中特别地移除材料。具体地讲，从三维物体中移除材料可以包括借助于超声的具体辐射来溶解或瓦解三维物体的区段。 [0067] 由于使用超声，因此当移除材料时，不需要超声源与将要移除的物体的区段之间的直接视觉接触，从而能够实现非常复杂的形状。 [0068] 此实施方式在制造三维物体时允许极高水平的可变性，因为将应用和移除材料进行组合。 [0069] 本发明也参考利用超声单元来制造三维物体的设备，该超声单元适于利用超声选择性地辐射材料空间中可用的材料。 [0070] 优选地，该设备包括聚焦单元，以将超声聚焦到材料的各种预定义区域上。 [0071] 聚焦单元可以包括至少一个透镜，更优选地，至少一个声透镜。 [0072] 作为替代或补充，超声单元或聚焦单元可以包括相控阵超声源。 [0073] 在本发明的进一步发展中，超声单元包括以朝向材料空间的各种空间取向布置和/或被配置成提供各种超声频率的多个超声源。 [0074] 在本发明的进一步发展中，设备也包括容纳材料的材料空间。 [0075] 材料可以是容纳材料的贮存器。 [0076] 在实施方式中，设备包括控制装置，以提供控制信号，以便根据与将要制造的三维物体对应的预定义路径将超声单元的至少一个超声束聚焦到材料的所选区域上。 [0077] 具体地讲，控制装置可以适合于处理将要制造的三维物体的结构设计方案并且基于结构设计方案来提供相关的控制信号。 [0078] 在优选实施方式中，设备适合于实施具有一个或多个上述特征的方法。 [0079] 本发明还参考具有计算机可读指令的计算机程序和/或计算机程序产品，该计算机可读指令适合于在处理单元上执行具有一个或多个上述特征的方法，该处理单元连接到具有一个或多个上述特征的设备。 [0080] 优选实施方式的详述 [0082] 图1示意性地示出根据本发明的实施方式的用来形成三维物体的设备以及用来形成三维物体的相关方法； [0083] 图2a和图2b示出具有多个超声源的图1的实施方式的示意变形； [0084] 图3示意性地示出根据本发明的实施方式的通过沿着构造元件熔化颗粒来形成三维物体； [0085] 图4示意性地输出根据本发明的实施方式的具有相控阵超声源的超声单元；以及[0086] 图5示意性地示出相控阵超声源中的聚焦超声束的形成。 [0087] 图1是根据本发明的实施方式的用于制造三维物体(未示出)的设备10的示意图。设备10包括具有超声源13的超声单元12，所述超声源被配置成生成超声束14并且将它朝向材料空间16中可用的材料18发送出去。 [0088] 超声源13可以包括压电式超声换能器(未示出)的布置或阵列，所述超声换能器设置成以40与100kHz之间的频率将超声信号发送出去。这样的超声源需要相对低水平的工具和构造工作、紧凑并且制造便宜。 [0089] 在图1所示的图中，材料18由多种颗粒20的松散颗粒组成，例如，由平均颗粒尺寸为50μm到100μm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)组成。然而，在本发明的范围内，例如，可以使用由其他材料组成的颗粒，诸如，聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(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)。 [0090] 然而，本发明不限于颗粒材料18，而是也可以使用液体材料来实施，诸如，单体溶液。 [0091] 在图1的示意图中用虚线框示出材料空间16。它可以设计成由例如能透过超声并且容纳颗粒或单体溶液的材料组成的容器。容器可以另外容纳互连层，所述互连层由液体组成，以使折射率达到平衡。 [0092] 此外，图1也示出聚焦单元22，使用所述聚焦单元可以将超声束14聚焦到材料18的各种所选区域。 [0093] 在图1中，聚焦单元示意性地示为透镜。它可以包括一个或多个声透镜，例如，树脂玻璃透镜。然而，本发明并不限于透镜。在下文参考图4和图5描述的替代配置中，使用相控阵超声源来将超声束14聚焦到材料18的所选区域上。 [0094] 聚焦超声束14允许将能量选择性且具体地应用到松散颗粒18的所选区域。由于超声束14的能量输入，在应用能量的地方的颗粒主体20被熔化并且在随后凝固成固体结构期间与相邻颗粒粘合。在此过程中，超声功率主要被颗粒20吸收。在与周围空气的边界表面处，排热受到干扰并且颗粒18内的温度升高。当应用足够的功率时，超过熔化温度并且颗粒20熔化。如果超声束14使用聚焦单元22沿着穿过颗粒18的预定义路径移动，那么由于颗粒 18的熔化和随后的凝固，沿着这个路径形成三维结构，也就是三维物体。 [0095] 三维物体可以是任何三维物体，例如，工件或工具的原型。根据本发明的解决方案的优点包括超声束14，并且产生的熔化区可以沿着穿过颗粒的任何路径三维移动，以便可以在凝固时形成任何相关的结构。 [0096] 超声束14的聚焦允许将能量有限地应用到材料空间16的极小空间上，从而使得可能以较高水平的空间分辨率和精细结构来形成三维物体。例如，将10W的功率应用到直径为约2mm的大约3mm3空间中允许熔化PE颗粒。 [0097] 图1的示意图示出设备10具有超声单元12，所述超声单元包括单个超声源13。然而，本发明的实施方式也可以包括分配到超声单元12的多个超声源，所述超声源可以相对于材料16以各种取向布置。对应的超声元可以将具有相同频率的超声束发送出去，然而，在它们的相关频率方面可以不同。 [0098] 图2a示出超声单元12包括三个超声源13、13‘和13“的配置，所述超声源绕着材料空间16以相对于材料18的各种空间取向布置。超声源13、13‘和13“中的每一个生成对应的超声束14、14‘或14“，所述超声束分别借助于对应透镜22、22‘或22“聚焦在材料空间16内的选择区域上。超声源13、13‘和13“或者相关的透镜22、22‘和22“的构造和控制对应于参考图1描述的前述实施方式。 [0099] 在图2a的配置中，透镜22和22“都将射束14、14“聚焦到材料空间16内的第一区域上，并且第三透镜22‘将射束14‘聚焦到材料空间内的第二区域上，所述第二区域不同于第一区域。通过这种方式，可以同时着手三维物体的各个区段，以便在那里形成对应的熔化区，从而可以显著提高制造速度。 [0100] 图2b中示出替代实施方式。关于它的构造，它在很大程度上对应于图2a所示的实施方式。然而，所有的三个透镜22、22‘和22“都聚焦到材料空间16的共同区域，以便在局部水平上增加那里的能量输入。 [0101] 通过使用各种频率，可以尤其利用熔化区中的非线性效应。熔化的材料与松散颗粒在其超声吸收性质方面不同。通过在熔化区中形成空化区，例如，可以显著增大吸收系数。具体地讲，利用第一频率辐射颗粒18可以用来形成熔化区，而以更高的吸收系数利用第二频率进行辐射可以用来扩展熔化区并且使它保持在液体形式，所述第二频率不同于第一频率。 [0102] 通过在材料空间16的各个区域改变超声的强度，可以改变三维物体的机械性质。 [0103] 图3所示的实施方式与图1所示的实施方式的不同之处仅在于下列事实：除了材料18之外，材料空间16具有额外的预制构造元件24，所述构造元件在图3的截面图中示为松散颗粒内的光带。 [0104] 构造元件24可以是金属主体或者由熔化温度比周围颗粒18高的塑料制成的合成主体。构造元件24可以采用各种方式形成并且在预定义位置引入到材料空间16中。图2示出下列配置：颗粒18在颗粒18与构造元件24之间的边界表面26处选择性地熔化，以便颗粒18在随后的凝固期间与构造元件24结合。通过这种方式，预定义构造元件24可以尤其被吸收到三维物体中。使用这样的构造元件使得不必要耗时打印较大的相关空间。 [0105] 图4示出根据本发明的设备10的实施方式，其中使用相控阵超声源28来生成超声以辐射材料。 [0106] 相控阵超声源28包括多个超声换能器30的布置或阵列，所述超声换能器经由电源总线32连接到对应的换能器功率放大器34。换能器放大器34由控制装置36控制，所述控制装置生成控制信号，以使用设计程序38基于三维物体的结构设计方案来生成超声脉冲。 [0107] 在相控阵超声源28中生成聚焦的超声束14的原理已经在图5中示出。 [0108] 图5示出具有10个超声换能器30a到30e和30a‘到30e‘的相控阵超声源28，所述超声换能器在预定义空间配置中朝向彼此布置，并且由控制装置36经由换能器功率放大器34和电源总线32(这里未示出)单独控制，以便传输超声信号。如使用长条图的图5的右手边局部示意图所示，超声信号的波前的传输以相对于彼此的相位延迟来进行，由此将相同的相位分配到下列对中的每一个：30a/30a‘、30b/30b‘、30c/30c‘、30d/30d‘和30e/30e‘。通过适当地选择这些对之间的相位延迟，可以实现将由单独超声换能器30a到30e和30a‘到30e‘发送出去的超声波聚焦到任何焦点40上。单独波在焦点40处的重叠在图5所示的左边局部图中示意性地示出。 [0109] 在图4所示的图中，为清晰地表示，由超声换能器30传输的超声波示为射线，所述射线在焦点40处结合。通过适当地选择相位延迟，材料空间16内的焦点40可以在任何方向上快速地移动，以便以具体的局部水平实现能量输入，从而沿着预定义熔化路径熔化颗粒。使用相控阵超声源28，可以采用类似于图1和图2所示的透镜22的方式(然而，没有移动部分)沿着预定义熔化路径产生三维物体。 [0110] 借助于耦合层42，可以更容易将超声换能器30的超声信号耦合到材料空间16中以使折射率变正常。 [0111] 图4示出只具有一个相控阵超声源28的配置。类似于参考图1和图2描述的实施方式，然而，多个相控阵超声源可以绕着材料空间或容器16布置，以便以局部水平提高能量输入或者能够同时熔化材料18的各个空间区域。 [0112] 优选实施方式和附图的描述仅用来说明本发明和利用本发明实现的益处，然而它们不限制本发明。本发明的范围只来源于所附权利要求书。 [0113] 参考标号 [0114] 10 制造三维物体的设备 [0115] 12 超声单元 [0116] 13、13‘、13“ 超声源 [0117] 14、14‘、14“ 超声束 [0118] 16 材料空间、容器 [0119] 18 材料、颗粒 [0120] 20 颗粒 [0121] 22、22‘、22“ 聚焦单元、透镜 [0122] 24 构造元件 [0123] 26 颗粒18与支撑元件24之间的边界表面 [0124] 28 相控阵超声源 [0125] 30 相控阵超声源28的超声换能器 [0126] 30a到30e、30a‘到30e‘ 相控阵超声源28的超声源 [0127] 32 相控阵超声源28的电源总线 [0128] 34 相控阵超声源28的功率放大器 [0129] 36 相控阵超声源28的控制装置 [0130] 38 设计程序 [0131] 40 焦点 [0132] 42 耦合层 |
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