制造具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維物體的方法
【專利摘要】通過一種逐層添加的構(gòu)造方法來制造由一種構(gòu)造材料制造的一種三維物體（1）的方法，其中基于該構(gòu)造材料的材料參數(shù)以及待制造的該物體的預(yù)定特性，計算出包含有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的該物體（1）的一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及具有這個內(nèi)部結(jié)構(gòu)的該三維物體（1）通過該逐層添加的構(gòu)造方法來制造，從而它包括這些預(yù)定特性。
【專利說明】制造具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維物體的方法
[0001]本申請是申請日為2011年9月5日名稱為:“制造具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維物體的方法”的中國專利申請201180041550.2的分案申請。
[0002]本發(fā)明涉及一種制造一種具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維物體的方法，該內(nèi)部結(jié)構(gòu)用以使該物體產(chǎn)生一種預(yù)定的特性。具體地，本發(fā)明涉及藉由激光燒結(jié)、掩模燒結(jié)或其他成層方式的構(gòu)造方法以制造一種在至少一部分呈現(xiàn)柔性的粉末材料三維物體的方法。
[0003]存在用于激光燒結(jié)的彈性粉末，藉此，可以制造具有類似橡膠特性的一個柔性部。然而，這種燒結(jié)粉末的應(yīng)用范圍受到限制。
[0004]另外，從DE102005023473A1中已知，通過快速成型如通過激光燒結(jié)的方法，以制
造具有一定程度彈性部分的鞋底。
[0005]A ? Bonke以及C ? Fruth在他們發(fā)表在《添加制造_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(chuàng)新的軟件概念進行自動化結(jié)構(gòu)生成》中描述了在藉由一種添加制造方法來構(gòu)造物體時的結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。焦點集中在通過網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的使用以得到具有較低重量的物體，其基于這樣的事實，不是整個主體體積都必須由大塊結(jié)實的材料來形成。
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種制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(yù)定的構(gòu)造材料來生成。
[0007]這個目的由權(quán)利要求1所述的方法來完成。本發(fā)明的進一步的改進在從屬權(quán)利要求中界定。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，在計算`網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的時候，一種構(gòu)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(xiàn)。因為這個原因，以“人工的”或者“想象的(fictive)”材料來制造物體成為可能:
[0009]從一種具有優(yōu)選的特性(如阻力或耐久性的能力)的構(gòu)造材料制造具有機械特性(如彈性)的物體，而當將這些物體構(gòu)造為大塊結(jié)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)的想象的材料大塊地結(jié)實地形成，則無法獲得這些特性。
[0010]具體地，本發(fā)明的優(yōu)勢在于柔性物體可以只基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)用具有相對較高彈性模量的原材料的構(gòu)造方式來制造。從而，與彈性體粉末的使用相比較，材料的選擇空間非常大。
[0011]另外，本發(fā)明的優(yōu)勢在于在一個構(gòu)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制造。另外，一個物體可以由同一種材料在一個構(gòu)造工藝中制造具有局部地不同的特性，如局部地不同的剛性。
[0012]從而，可以制造大量的物體，特別是由具有預(yù)定特性的所希望的材料制造的物體可以“按需”制造。因此，物體可能被制造為展示出新的特性組合。
[0013]本發(fā)明步驟的另外的特征以及目的在基于附圖的實施方案的描述下會更明顯。
[0014]從附圖中展示:
[0015]圖1是一種激光燒結(jié)機的一個示意圖；[0016]圖2a)以及2b)是不施加以及施加作用力F于表面上的具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一種方形體(cuboid)的二維示意圖；
[0017]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于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(wǎng)格結(jié)構(gòu)；
[0018]圖4a是在主體中具有不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一種方形體的二維示意圖；
[0019]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；
[0020]圖5是沒有力作用時由具有不同內(nèi)部的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一個隔板所分離的兩個激光燒結(jié)主體的示意圖；
[0021]圖6是圖5中被一個隔板分開的該激光燒結(jié)主體的示意圖，其具有不同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)并展示出在一個力的作用下不同的強度的變形。
[0022]在下文中，參考圖1中所示的該激光燒結(jié)方法以及一種激光燒結(jié)設(shè)備的一個實例來描述本發(fā)明的方法。
[0023]該設(shè)備包括一個構(gòu)造容器1，在該構(gòu)造容器I內(nèi)設(shè)置有用于支撐一個待構(gòu)造的物體3的一個支撐物2。該支撐物2通過一個高度調(diào)節(jié)器件4在該構(gòu)造容器內(nèi)沿著豎直方向可移動。粉末構(gòu)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(nèi)的固化，一個激光器6被設(shè)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(chǎn)生聚焦在該工作平面5上的一種激光束7。一個控制設(shè)備10被設(shè)置用來控制該反射器件8，并且如果必要，控制該聚焦單元9，從而該激光束7可以被反射至該工作平面5內(nèi)的任意點。該控制設(shè)備10由包含該待制造的物體的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)來控制。該數(shù)據(jù)包含在每層中待固化的該物體的數(shù)據(jù)。
[0024]另外，設(shè)置有一個供應(yīng)裝置11，該粉末構(gòu)造材料可以通過該供應(yīng)裝置11供應(yīng)給一個后續(xù)層。藉由一個涂覆器12，該構(gòu)造材料被涂覆在該工作平面5內(nèi)并且被整理平滑。
[0025]在工作過程中，該支撐物2被遂層放低，一個新的粉末層被涂覆并且通過該激光束7被固化在該工作平面5內(nèi)的對應(yīng)該物體的對應(yīng)層內(nèi)的位置上。
[0026]作為粉末構(gòu)造材料，適合于該激光燒結(jié)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，如聚酰胺或聚苯乙烯(PAEK，聚芳醚酰胺)，彈性體如PEBA (聚醚嵌段酰胺)，金屬粉末如不銹鋼粉末或適合于對應(yīng)的目的其他金屬粉末，具體地，合金、合成涂覆的沙或陶瓷粉末。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的方法，該物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基于使用的構(gòu)造材料的材料參數(shù)以及待制造的該物體的預(yù)定特性來計算，并且該三維物體被遂層以這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)制造，這樣在制造完后，它包括該預(yù)定的特性。結(jié)果，從該構(gòu)造材料生成的一個主體具有這樣的特性，例如對應(yīng)從一種不同材料制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(gòu)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(gòu)造材料的材料參數(shù)，。然而，只要在計算中有價值，也可以使用另外的材料參數(shù)，例如抗拉強度、硬度、密度、斷裂應(yīng)變、泊松比(泊松系數(shù))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(gòu)造材料。
[0028]接著，待制造的該物體的機械特性，在這個實施方案中是待制造的該物體的剛性，通過在一個預(yù)定方向施加一個預(yù)設(shè)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(yīng)變、泊松比、扭轉(zhuǎn)性能、疲勞性能等可以被確定。[0029]基于該構(gòu)造材料的彈性模量以及待制造的該物體的至少一個預(yù)定特性，計算出一個三維的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。該三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供該粉末構(gòu)造材料通過該激光束的作用而固化的位置。在其間的腔體中，該粉末未被固化。該三維物體然后根據(jù)計算的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遂層構(gòu)造。優(yōu)選地，該網(wǎng)絡(luò)延伸至各個層的邊界區(qū)域，從而該制造好的物體完全由沒有任何完全封閉的表面的該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成。這樣，在該制造工藝之后，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(chǎn)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(shè)計為使它吸收變形，例如，它可以形成為一個波紋狀結(jié)構(gòu)或者形成為彼此接合并且相對彼此可移動的部件。如果必要，在燒結(jié)期間或之后，可以設(shè)置用于去除未固定的粉末材料的開口。
[0030]圖2a示出具有一個第一網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(yù)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，并且具有一個帶有較小網(wǎng)格間距的第二網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。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(jù)圖3b)的具有窄網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的該方形體的剛性比圖2b)的更大。
[0031]例如，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以是一個菱形網(wǎng)格，但也可以是可以使用的任何任意的其他網(wǎng)格。該網(wǎng)格的單元室的尺寸可以變化，并且它們一般在該單元室的側(cè)向長度上的幾個毫米范圍內(nèi)。這些網(wǎng)格條的厚度在大約0.1毫米至2毫米范圍內(nèi)。在一個具體情形中，例如對于特別大的部件或?qū)τ诰匦位蝾愋途W(wǎng)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(wǎng)格條的厚度也可以是在厘米范圍內(nèi)。通過該單元室的尺寸以及這些單一的網(wǎng)格條的厚度的變化，待制造的該物體的希望的剛性可以按無級方式改變。
[0032]在該方法的另外的改進中，該網(wǎng)格可以在待制造的該物體內(nèi)部變化，從而與方向和負載一致，可以產(chǎn)生待制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(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)11、13、12連續(xù)地彼此合并。
[0033]圖5和6示出具有不同內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PEBA (聚醚嵌段酰胺)的兩種激光燒結(jié)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，并且圖6示出具有力作用的這些主體。因為不同的內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而具有不同強度的變形。該下側(cè)主體比該上側(cè)主體有更強烈的變形。
[0034]在一個另外的改進中，待制造的該物體，對應(yīng)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(xiàn)，例如，其中一個中止部由在該物體內(nèi)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(jié)或完全地燒結(jié)在表面上的一個區(qū)域來生成。
[0035]在一個另外的改進中，可以額外地改變該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的固化度。
[0036]在一個另外的改進中，可以通過在一個主體內(nèi)的該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的變化來產(chǎn)生一個預(yù)定的斷裂點。
[0037]通過該方法，可以制造所有類型的柔性部件，例如減振器、插入式鞋底、保護墊等。
[0038]本發(fā)明不限于激光燒結(jié)。它可以用于所有生成性方法，其中一個主體由一種構(gòu)造材料以成層的方式制造，例如立體光刻，其使用一種液態(tài)光固化樹脂代替一種粉末材料；三維印刷，其中該粉末構(gòu)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(jié)，其中一個掩膜以及一個擴展的光源被用來替代一種激光束。
【權(quán)利要求】
1.通過逐層添加的構(gòu)造方法由構(gòu)造材料制造一種柔性三維物體(I)的方法，其中 基于該構(gòu)造材料的材料參數(shù)以及待制造的該物體的預(yù)定特性，計算出包含網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的該物體(I)的一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)(11、12、13)，以及 通過該逐層添加的構(gòu)造方法來制造具有這個內(nèi)部結(jié)構(gòu)(11、12、13)的該三維物體(1)，從而使其包括這些預(yù)定特性， 其特征在于，該結(jié)構(gòu)(11、12、13)被計算為使得:由具有彈性模量El的一種構(gòu)造材料制造具有彈性模量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n個柔性部分的一個物體(I)，其中El >E2，En。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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(yīng)變和/或泊松比以及另外的材料參數(shù)作為該構(gòu)造材料的材料參數(shù)，以及使用剛性和/或抗拉強度和/或拉伸負荷下的斷裂應(yīng)變和/或泊松比和/或扭轉(zhuǎn)性能和/或疲勞性能和/或在一個預(yù)定力作用下該物體的另外特性作為該物體的特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的輪廓或者保留為開放、或者通過一個外封完全地或部分地被關(guān)閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，在該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的該輪廓內(nèi)，存在多個開口用來去除殘留的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，待制造的該物體的至少一個機械特性通過網(wǎng)格類型和/或單元室的尺寸和/或網(wǎng)格條的厚度和/或固化的程度的變化來調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，變化該物體(I)內(nèi)的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生與方向和/或負載有關(guān)的不同的特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，多個具有不同的機械特性的物體(I)通過同一種原材料制造。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于，制造具有若干擁有不同機械特性的區(qū)域的一個物體(I)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，這些區(qū)域彼此連續(xù)地合并。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，通過該內(nèi)部結(jié)構(gòu)(11、12、13)來產(chǎn)生一個線性柔性物體(1)，或者該內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括中止部從而得到具有非線性柔性的一個物體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其特征在于，粉末構(gòu)造材料被用作該構(gòu)造材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該逐層添加的構(gòu)造方法是一種激光燒結(jié)方法。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該逐層添加的構(gòu)造方法是一種掩膜燒結(jié)方法。
【文檔編號】B29C67/00GK103770331SQ201410012638
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2010年9月3日
【發(fā)明者】M·蓋斯勒, M·J·加爾巴, J·奧博霍弗 申請人:Eos電光系統(tǒng)有限責任公司