專利名稱：用于構建三維制品的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于構建呈順序橫截面層的三維制品的裝置，和使用 所述裝置構建這種制品的方法。
背景技術：
對于由工程CAD數據直接生產高強度、技術上可用的三維制品的需求越 來越強。
已經提出了許多技術，但大部分得到是易碎并因此短或中等使用壽命 的制品。
在US4， 575， 330中描述了一種液體和漿料光敏聚合物激光尋址的方法。 盡管所述方法非常成功，但這種技術需要實驗室標準的后處理條件和熟練 的技工，能產生現有技術水平的光滑表面但直接使用的可能性有限的制
1=1
另一種技術是擠出沉積，其例如在US6,869，559中有描述，在最終制品 中能產生極好的性能例如熱塑性能。但是，該過程很慢且需要濕法處理來 去除支撐結構。
在US5， 136， 515中描述了一種使用可固化流體的直接噴射系統。這些是 快速系統，但都需要后處理和去除/處理支撐結構。
在US4， 938， 816中描述了一種粉末基系統，其中使用了大功率二氧化碳 激光器來燒結粉末。這種粉末基系統的好處在于當形成三維制品時其可以 是自支撐的。盡管激光燒結可以產生接近真實熱塑性塑料的高強度制品， 但該過程很慢且生成產品的表面質量很粗糙。
另一種粉末基系統使用粘合劑噴射過程,主要基于水噴射的材料，例如 在US5，204，055中有描述。這種系統更迅速但會產生脆性的模型，其需要更 進一步的滲入過程來實現高強度。
在WO 02/064354 Al中記述了一種三維結構的印刷工藝，其中彼此疊置施加了粉末材料的順序層，各個粉末層含有反應性或活性組分，這些組分 在接觸時會發生反應形成呈所需模樣的固體薄層，重復此過程直到形成要 求的固體制品。
許多構建三維制品的工藝通常都是在包含粉末撒布系統、用于輸送粘 結劑材料的印刷系統、用于形成所需制品的構建室，以及粉末去除系統的 裝置中進行的，其中來自粉末撒布系統的多余粉末通過設置于粉末撒布系 統和構建室一端的開口狹縫被輸入粉末回收系統。這種裝置例如在
US2001/0045678 Al中有描述。
然而，這種裝置存在很大的改進余地，因為粉末撒布系統會由于多余 的粉末而變得極臟，這會使生產過程復雜化。此外，還會產生很多不能再 利用的廢物。
發明內容
本發明的目的在于提供一種用于構建三維制品的裝置，其相對較簡單 且同時有利于實現更清潔的生產過程，其中未使用的粉末材料能被以最有 效的方式再利用。
現已發現，這在使用構建室時可得以實現，該構建室相當大的部分與 粉末回收系統直接接觸。
因此，本發明涉及一種用于構建呈順序橫截面層的三維制品的裝置，
此裝置包括含一個或多個用于輸送粉末的儲罐的粉末輸送系統和粉末撒 布系統；用于輸送液體的印刷系統；用于在其中構建制品的構建室，其包 含外壁、內壁和可沿構建室內壁移動的構建平臺；以及粉末回收系統；其 中構建室外壁的50%以上與粉末回收系統連通。
優選地，構建平臺能夠將未使用的粉末在向下的方向釋放到粉末回收 系統中。
優選地，構建平臺能夠將未使用的粉末在向下的方向直接從構建室釋 放到粉末回收系統中。這意味著構建平臺被保持在構建室之內的同時就能 從構建平臺上釋放未使用的粉末。換句話說，在將未使用的粉末從構建平 臺上釋放之前無需將構建平臺從構建室中移出。
按照本發明裝置的應用有利于實現改善的構建三維制品的生產過程。而且，提供了大大簡化的制造三維制品的裝置，從而消除了對支撐件的需 要，且未使用的粉末可被完全再循環。
在本發明的范圍內，未使用的粉末定義為未包括在所要構建的制品之 內的粉末，即其可能既包含新鮮粉末又包含再循環粉末。
在本發明裝置的不同實施方案中，至少50%的構建室外壁與粉末回收系 統相連通。這意味著可以很好地將未使用的粉末材料從構建平臺移除和傳 送到粉末回收系統，構建室與粉末回收系統相連通。優選地，至少75%的構 建室外壁與粉末回收系統連通。
適宜地，所述至少50%、最優選地至少75%的構建室外壁與粉末回收系
統直接連通，這意味著未使用的粉末材料可以直接從構建平臺傳送到粉末 回收系統。
本裝置的優點在于粉末回收系統的相當大一部分與構建室直接連通， 從而為一旦在制備和從構建平臺上移除制品之后清潔制品創造了充分的空 間。為了此清潔目的，所述空間內可以包含用于攪動或移動制品以去除所 有多余粉末的機械裝置。
構建平臺可適宜地具有如正方形的矩形、環形或橢圓形的形狀。 優選地，構建平臺具有矩形的形狀，矩形的一個以上的邊與粉末回收 系統相連通。更優選地，矩形的兩個邊與粉末回收系統相連通。最優選地， 矩形的三個邊與粉末回收系統相連通。
優選地，矩形的邊與粉末回收系統直接連通。 適宜地，按照本發明裝置的印刷系統包含一或多個噴頭。 優選地，印刷系統包含多個噴頭。更優選地，所述噴頭構成噴墨式打 印機或包含一組大致相當于噴墨打印頭的噴頭的設備的一部分。優選地， 噴頭根據壓電噴墨技術的原理工作。優選地，印刷系統包含兩個或兩個以 上打印頭。適用于按照本發明的噴墨打印頭的例子包括那些可商業得到的
噴墨打印頭，例如Xaar (Leopard 、 XJ系列、0ranidot系列)、 Spectra/Dimatix(Nova、 Galaxy、 SL系列、M級)禾口Trident (Pixeljet 、 Ultrajet)、 Image禾口Domino。
優選地，噴頭開孔的尺寸在10至100ura的范圍和/或所施加的液滴的尺 寸在5至100lim的范圍，盡管噴頭開孔也可以小于lum，甚至小至幾納米，由此使得可以施加相應尺寸的液滴。
根據本發明裝置的粉末輸送系統包含一或多個用于輸送粉末的儲罐。 優選地，粉末輸送系統包含多個用于輸送粉末的儲罐。
可以理解，在各個層中可以使用不同類型的粉末材料。因此，各個儲 罐可以各包含不同類型的粉末材料。優選地，各個儲罐包含相似類型的粉 末材料。
適合地，構建室的構建平臺包括設有開口的上部結構和可被打開或移 除以通過上部結構的開口釋放未使用的粉末的底部結構。優選地，上部結 構包含網孔盤、架子或格柵。
適合地，構建平臺的底部結構包含可打開、可折疊或可移動的部件。 可折疊部件可適合地包括折板。優選地，底部結構包含可打開的部件，例 如可通過繞其旋轉軸轉動而打開的部件。優選地，所述可打開、可折疊或 可移動的部件可以振動以進一步促進粉末從所形成的物體上的去除或分 離。
構建平臺可適合地連接到用于機械攪動或移動該平臺，以使多余和由 此未使用的粉末從要構建地制品上去除的器具。
根據本發明的裝置可適合地包含用于固化所要構建的制品的器具。 按照本發明裝置的粉末回收系統適合地包含用于傳輸未使用的粉末的 管道和用于通過所述管道移動未使用的粉末的粉末輸送器螺桿，或者其包 含用于傳輸未使用的粉末的管道和用于通過所述管道移動未使用的粉末的 真空泵。在另一實施方案中，粉末回收系統包含用于移動未使用的粉末的 輸送帶。
優選地，印刷系統和粉末撒布系統連接到同一導向器具。除了降低硬 件成本之外，這還使得兩者可以并行運行以提高構建速度，以及由于兩者 的精確直線性而實現更高的精確度。
本發明還涉及一種根據制品的一個模型構建呈順序橫截面層的三維制 品的方法，此方法包括步驟
_限定粉末材料層；
-以與模型的各個橫截面層相對應的模樣向如此限定的粉末材料層施
加液體；_重復這些步驟形成順序層以獲得三維制品； _可選地固化由此獲得的三維制品；和 -取回(固化的)三維制品； 在此方法中使用了根據本發明所述的裝置。 這種制品可以具有不同的顏色、機械、光學和電學特性。 液體與粉末結合時，液體和粉末將發生反應形成固體結構。 粉末層可以都具有相同成分。然而，也可對不同的層采用不同的粉末 材料，或在同一層中使用不同的粉末材料。
也可在同一層或不同層上的不同位置使用不同的液體。 適合地，所形成的層可以達到300um厚，但通常它們更多地為達到 200 um。可實現下至80um或50tim的薄層，和甚至厚度在1至30 y m范圍內 的更薄的層。粉末優選地包含大多數尺寸在lnm至70 y m范圍內的單個粉末 顆粒。更優選地，所述粉末包含大多數尺寸在20nm至50ym范圍內的單個粉 末顆粒。粉末可以為聚合物材料、金屬材料的前體、金屬材料、陶瓷材料 或其組合。
所述液體可以包含陶瓷的膠質或納米顆粒、有機微顆粒、金屬和合金。 液體的粘度適宜地室溫下在從2至3000niPas以上，且在較高操作溫度下將具 有低得多的粘度。優選地，在噴射溫度下液體的粘度在2至800mPas范圍內。
可以由相鄰打印頭同時印刷兩種或兩種以上液體，從而液體在粉末表 面之上/周圍結合。
此過程使得其可以很方便地由電腦保存的數字表示生產制品，且特別 適于與CAD系統一起使用。因此，所述模型優選地為數字模型。由此可以使 用CAD軟件設計制品，數字信息可被轉化成一系列數字形式的薄層且薄層的 數字表示可用于控制液體在粉末順序層上的次序傳送，以在3個維度上再現 制品。此技術可用于快速原型研究甚至于小規模的快速制造。
制造的物品可用作實際的技術功能部件或用于在實際生產之前提供 CAD文件的驗證。此技術也適于流水作業用作電場中的層狀密封劑和用于形 成微印刷的電子元件和光學元件。此技術還可用于形成具有偏振光學或波 導作用的多層結構薄膜。
可以理解，通過采用本發明的方法，可以建立呈分層塊形式的三維制品或具有復雜形狀的產品。通過在各個層形成時改變包括層厚在內的層特 征，任選地在微尺度上，可以在最終制品上實現至少一種功能性。此功能 性可采取許多形式，其例子包括電子電路和光學元件。還可以向基體上構 建元件，基體隨后作為最終制品的一部分保留下來。這種基體可以是例如 能構成光學元件的一部分的玻璃或塑料板。
優選地，在粉末回收系統中施加了負壓。由此，打印頭的粉末污染可 有利地被減少或避免。
根據本發明的方法使得可以形成具有大大改善的機械性能和色型的制 品。按照本方法所獲得的制品具有高強度、光滑表面質量，且在制造之后 不久就可使用，并且不產生廢物和能有效地再利用未使用的粉末材料。
適合地，粉末撒布系統使用包含位于計數旋轉輥之后的計量設備的獨 立掃描單元，其中所述計量設備從固定粉末盒(粉末料斗)接收一定數量的 粉末。優選地，輥可以在粉末床上施加一定量的壓力以改善壓實和/或初始 密度。優選地，壓力可以施加在運動的前進沖程和/或返回沖程上。粉末盒 可以遠離印刷系統以避免噴射打印頭的粉末污染。
印刷系統適合地從與粉末撒布機相反方向掃描粉末層，且包含一個精 密液滴生成系統，例如按需滴墨式噴墨打印頭或連續式打印頭。在一個優
選實施方案中，所述連續式打印頭是一種如WO 2004018212中所公開的高粘 度打印頭。優選地，印刷系統包括一個以上打印頭，更優選地兩個以上打 印頭。在不掃描時，打印頭可以停留在一個從固化機構屏蔽的單元內。停 留時，打印頭可以，在停留單元之內，根據需要進行清潔/吹掃。印刷系統 的外殼單元適合地遠離粉末盒單元定位。
構建室的構建平臺具有能打開以促進未使用的粉末通過網眼盤、架子 或格柵去除的底部結構。構建平臺的振動可用于去除更多量的未使用粉末 材料。在去除未使用的粉末之后，構建平臺可以向上運動以送出成品。
未使用的粉末可有利地被傳輸到一個或多個用于輸送粉末材料的儲罐 中。所述儲罐也可使用墨粉鼓再填充新粉末。
具體實施例方式
在圖l中顯示了根據本發明的裝置的截面簡圖。在
圖1中，粉末輸送系統包括用于輸送粉末材料(1)的儲罐和包含用于將粉末施加到構建室(3)中
的輥的粉末撒布系統(2)。構建室(3)包括壁(4)和可通過活塞(6)沿構建室 內壁運動的構建平臺(5)。構建平臺由包含格柵的上部(7)和包含可折疊折 板的下部(8)組成。該裝置進一步包括用于輸送通過打印頭(10)施加在各個 粉末層上的液體的儲罐(9)。至少75%的構建室(3)外壁與粉末回收系統(11) 直接接觸，這保證了未使用的粉末被再循環到粉末撒布系統(2)。該裝置進 一步具有用于固化所要構建的制品的器具(12)。在圖2中，顯示了圖l所示 裝置的三維截面表示。
由圖1和圖2可知，本發明提供一種可以最有效地再利用未使用的粉末
材料的簡單裝置。
此外，使用根據本發明的裝置時可有利地實現最終可用的快速制造物 品的制造。
實踐中，按照本發明的方法，例如，可按如下所述進行 一個由計算機系統準備好的由一疊切片組成的打印作業(呈位圖/tiff 或其它格式)可被載入機器軟件。它可以由一疊計算機系統準備的切片(呈 位圖/tiff或其它格式)組成。所用軟件的輸入可以為3D幾何CAD文件。計算 機系統可以由3D CAD文件輸入3D無色幾何數據作為STL文件(既可使用ASCI1 STL模型也可使用二進制STL模型)。軟件可隨后在指定的緩存目錄中輸出一 系列的2D位圖，由此可在3D彩色打印機上打印的每個層將與緩存中的單獨 位圖相對應。這些位圖可以存儲至少16位(65536色)的RGB彩色信息，且它 們能具有最小300DPI的分辨率。所述3D彩色模型可以在z方向上切片。機器 軟件(打印機驅動)可以將每個圖像分解成子圖像并使所述子圖像可供系統 使用。系統能夠在一個由位圖組成的作業文件中堆疊多個部分。每個位圖 可以由一個切片組成，其將被輸入機器中。
隨后將準備粉末床。可移動的水平構建平臺將承載用于制造所要制備 的制品的粉末和液體。可移動的構建室能夠通過打開構建平臺的折板釋放 未使用的粉末。未使用的粉末以這種方法被傳送到粉末回收系統。構建好 的制品可以從頂部拿出構建室。未使用的粉末將通過粉末回收系統再循環 和再使用。
在粉末床制備進行過程中，粉末可通過給料滑架(hopper carriage)分散在構建平臺上，其中所述給料滑架可以包括用于將粉末最佳地分散在 粉末床上的計數旋轉輥。過多的/過載的粉末被推到構建平臺的沿或邊上并 被送入粉末回收系統。此構建有利于實現未使用粉末的最有效再利用。未 使用的粉末可被手動或以自動方式輸送到給料滑架。
在準備了計算機文件和粉末床之后，液體印刷操作開始。產品被分解 成一疊具有預定厚度的截面(又稱作印刷切片)，它們被相繼地發送給打印 頭控制器。打印機驅動將所述數字信息轉化成打印機滑架的移動信息，移 動到第一行并打印構成第一個圖像部分的所有子圖像。接著，打印頭返回 滑架上的"開始〃位置并循環直到完全打印出該圖像。完成時，打印滑架返 回其原始位置，并可以堆積一個新的層。打印操作可以包括用多個打印頭 打印以提供具有不同顏色的液體(例如青色、洋紅、黃色、白色和黑色)或 能隨時間不同固化的液體。每個打印頭將由單獨的儲罐供給液體。
如果使用電磁輻射來固化產品，則在輻射之前(其在堆積和印刷每個層
之后進行)，打印頭將被移動到光閥(shutter)封閉的盒中的預備位置以 防打印頭被雜散電磁輻射固化。電磁輻射將被接通幾秒鐘，之后重復層重 涂過程直到獲得最終的顆粒。
顯然這種裝置可以根據個別客戶要求進行組裝。例如，該裝置可以具 有轉到同一粉末上的一個以上樹脂分配打印頭，以獲得可具有可變顏色、 機械、光學和電學特性如硬度、韌性、透明度和電導率或其組合的制品。 這些特性可以在大面積(即，例如超過lcm2)上變化或可以以微小的方式 變化，從而使單獨樹脂液滴在x，y，z方向上都不相同。在這方面例如可以 參考W0 03016030。
權利要求
1. 一種用于構建呈順序截面層的三維制品的裝置，此裝置包含包含一個或多個用于輸送粉末的儲罐的粉末輸送系統和粉末撒布系統；用于輸送液體的印刷系統；構建室，其包含外壁、內壁和可沿構建室的內壁移動的構建平臺；以及粉末回收系統；其中50％以上的構建室外壁與粉末回收系統相連通。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中構建平臺能夠將未使用的粉末 在向下方向釋放到粉末回收系統中。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中構建平臺能夠將未使用的粉末 直接從構建室在向下方向釋放到粉末回收系統中。
4. 根據權利要求1-3中任何一項所述的裝置，其中構建平臺具有矩 形形狀，且該矩形的多于一個的邊與粉末回收系統相連通。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其中矩形的兩個邊與粉末回收系統 相連通。
6. 根據權利要求4所述的裝置，其中矩形的三個邊與粉末回收系統 相連通。
7. 根據權利要求1-6中任何一項所述的裝置，其中至少75%的構建 室外壁與粉末回收系統相連通。
8. 根據權利要求1-7中任何一項所述的裝置，其中至少50%或至少 75%的構建室外壁與粉末回收系統直接連通。
9. 根據權利要求1-8中任何一項所述的裝置，其中印刷系統包含一或多個噴頭。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中印刷系統包含多個噴頭。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其中噴頭形成噴墨式打印機或包含一組大致相當于噴墨打印頭的噴頭的設備的一部分。
12. 根據權利要求11所述的裝置，其中噴頭根據壓電噴墨技術的原 理工作。
13. 根據權利要求1-12中任何一項所述的裝置，其中印刷系統包含 兩個或更多的打印頭。
14. 根據權利要求1-13中任何一項所述的裝置，其中粉末輸送系統 包含多個用于輸送粉末的儲罐。
15. 根據權利要求1-13中任何一項所述的裝置，其中構建平臺包含 設有開口的上部結構和可被打開或移除以通過上部結構的開口釋放未使用 的粉末的底部結構。
16. 根據權利要求15所述的裝置，其中上部結構包含網孔盤、架子 或格柵。
17. 根據權利要求15或16所述的裝置，其中底部結構包含可打開、 可折疊或可移除的部件。
18. 根據權利要求17所述的裝置，其中底部結構包含可打開的部件。
19. 根據權利要求1-18中任何一項所述的裝置，該裝置還包含用于 固化所要構建的制品的器具。
20. 根據權利要求19所述的裝置，其中用于固化所要構建的制品的器具為基于電磁輻射的系統。
21. 根據權利要求1-20中任何一項所述的裝置，其中粉末回收系統 包含用于傳輸未使用的粉末的管道和用于通過該管道移動未使用的粉末的 粉末輸送器螺桿，或者其包含用于傳輸未使用的粉末的管道和用于通過該 管道移動未使用的粉末的真空泵。
22. 根據權利要求1-21中任何一項所述的裝置，其中印刷系統和粉 末撒布系統連接到同一導向器具。
23. —種按照制品的模型構建呈順序截面層的三維制品的方法，該方 法包含步驟_限定粉末材料層；-以與該模型的各個截面層相對應的圖案向如此限定的粉末材料層施 加液體；_重復這些步驟以形成順序層以便獲得三維制品； -可選地固化由此獲得的三維制品；和 -取出(固化的)三維制品；在此方法中使用了如權利要求1-22中任何一項所限定的裝置。
24. 根據權利要求23所述的方法，其中粉末材料包括聚合物材料、 金屬材料的前體、金屬材料、陶瓷材料或其組合。
25. 根據權利要求23或25所述的方法，其中該模型是數字模型。
26. 根據權利要求23-25中任何一項所述的方法，其中粉末材料層中 的至少一層包含不同類型的粉末材料。
27. 根據權利要求23-26中任何一項所述的方法，其中向至少一個粉 末材料層施加多種不同的液體。
28. 根據權利要求27所述的方法，其中該不同液體在單個操作中施加。
29. 根據權利要求27所述的方法，其中該不同液體在順序操作中施加。
30. 根據權利要求23-29中任何一項所述的方法，其中在該粉末回收 系統中施加了負壓。
全文摘要
本發明提供一種用于構建呈順序截面層的三維制品的裝置，此裝置包含包含一個或多個用于輸送粉末的儲罐(1)的粉末輸送系統和粉末撒布系統(2)；構建室(3)，其包含外壁、內壁和可沿構建室的內壁移動的構建平臺(7)；以及粉末回收系統(11)；其中50％以上的構建室外壁與粉末回收系統連通。本發明進一步提供一種使用所述裝置構建三維制品的方法。
文檔編號B29C67/00GK101300094SQ200680041299
公開日2008年11月5日 申請日期2006年9月4日 優先權日2005年9月5日
發明者F·K·芬斯特拉 申請人:荷蘭應用科學研究會(Tno)