本文獻(xiàn)涉及制造三維物體的打印機(jī)，更具體地涉及利用光固化立體成型來制造這種物體的打印機(jī)。

背景技術(shù)：

數(shù)字三維物體制造，又被稱為數(shù)字增材制造，其為由數(shù)字模型制造實(shí)際任何形狀的三維實(shí)體物體的過程。一些數(shù)字增材制造系統(tǒng)利用噴射器，該噴射器呈層狀地噴射光聚物材料液滴以形成通過間或的紫外光固化的三維物體。其他系統(tǒng)利用光固化立體成型，其為將紫外線激光器聚焦在液體光聚物池中以使液體光聚物層固化從而制造三維固態(tài)物體的增材制造工藝。光固化立體成型工序涉及利用三維數(shù)學(xué)模擬或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)程序來生產(chǎn)待制造的物體的數(shù)字圖象數(shù)據(jù)。數(shù)字圖象數(shù)據(jù)模型則被切分成極薄的層，通常厚度為0.1毫米左右。用于每個(gè)圖像的數(shù)據(jù)被用于定位液體光聚物打印機(jī)的液池、聚焦激光以及使激光束從激光器運(yùn)動(dòng)通過池以每次一層地建造物體。池定位的一部分是使一罐液體光聚物定位其上的平臺(tái)下降以利用薄面層的液體光聚物淹沒每個(gè)所形成的層，然后將其暴露于紫外線激光器以固化物體的另一層。該工序繼續(xù)，直到物體的全部層固化，固化層的堆疊限定三維物體。

利用光固化立體成型的現(xiàn)有三維打印機(jī)在所采用的光聚物材料以及制造零件的速度和精度方面具有嚴(yán)重限制。材料的受限選擇以及受限的精度可以使得所制造的物體具有低的強(qiáng)度和耐用性。因此，一些零件不能利用光固化立體成型技術(shù)制造，從而使用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)零件。因此，能夠快速生產(chǎn)耐用物體的光固化立體成型系統(tǒng)將是有利的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種利用光固化立體成型由液體光聚物形成三維物體的改進(jìn)方法，該方法提高了所制造的物體的強(qiáng)度和耐用性，同時(shí)還提高了光固化立體成型工序的速度。該方法包括利用控制器操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)在包含液體光聚物的罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)，利用控制器操作操作地連接至紫外線(UV)放射源的至少一個(gè)致動(dòng)器，以便在控制器操作UV放射源以發(fā)射UV射線并且固化液體光聚物的一部分以形成三維結(jié)構(gòu)的層時(shí)使UV放射源運(yùn)動(dòng)，控制器參照層的圖像數(shù)據(jù)操作至少一個(gè)致動(dòng)器，利用控制器操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)下降到罐內(nèi)，從而以預(yù)定深度將所形成的層浸沒在液體光聚物內(nèi)，利用控制器操作至少一個(gè)致動(dòng)器，以便在控制器操作UV放射源以發(fā)射UV射線并且固化液體光聚物的一部分以形成三維物體的下一層并且保留下一層的對(duì)應(yīng)于物體的截面的一部分的未固化部分時(shí)使UV放射源運(yùn)動(dòng)，控制器參照下一層的圖像數(shù)據(jù)操作至少一個(gè)致動(dòng)器，利用控制器操作至少一個(gè)致動(dòng)器以將物體放置在下一層的未固化部分內(nèi)，該物體具有延伸到液體光聚物之外的暴露區(qū)域，利用控制器操作第一致動(dòng)器以使平臺(tái)進(jìn)一步下降至液體光聚物的罐內(nèi)，以使液體光聚物能夠在物體的外表面處包圍該物體，利用控制器確認(rèn)形成在包圍物體的外表面的液體光聚物與物體的外表面之間的分界面處的彎液面，以及利用控制器操作至少一個(gè)致動(dòng)器以便在控制器參照確認(rèn)的彎液面操作UV放射源以固化包圍的液體光聚物的一部分并且將包圍的液體光聚物的固化部分結(jié)合至物體和三維結(jié)構(gòu)的外表面時(shí)使UV放射源運(yùn)動(dòng)。

一種由液體光聚物形成三維物體的改進(jìn)的光固化立體成型系統(tǒng)，其具有提高的耐用性，同時(shí)還增大了光固化立體成型工序的速度。該系統(tǒng)包括包含大量液體光聚物的罐，構(gòu)造成發(fā)射UV射線以固化液體光聚物的暴露于UV射線的部分的紫外線(UV)放射源，構(gòu)造成設(shè)置在液體光聚物的下一層未固化部分內(nèi)的物體，該物體具有延伸到液體光聚物之外的暴露區(qū)域，機(jī)械臂，操作地連接至位于包含液體光聚物的罐內(nèi)的平臺(tái)、UV放射源和機(jī)械臂的至少一個(gè)致動(dòng)器，至少一個(gè)致動(dòng)器構(gòu)造成使平臺(tái)在包含液體光聚物的罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)、以使UV放射源運(yùn)動(dòng)以及使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而將物體放置在液體光聚物的下一層的未固化部分內(nèi)，以及操作地連接至至少一個(gè)致動(dòng)器和UV放射源的控制器?？刂破鞅粯?gòu)造成：操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)在液體光聚物的罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)，操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使UV放射源運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的一部分并且形成三維結(jié)構(gòu)的層，操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)下降到所述罐內(nèi)，從而以預(yù)定深度將所的層浸沒在液體光聚物中，操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使UV放射源運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的下一層的一部分并且保留下一層的對(duì)應(yīng)于物體的截面的未固化部分，操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而將物體放置在下一層的未固化部分內(nèi)，操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)降下至罐內(nèi)，從而使得液體光聚物能夠包圍物體的外表面，確認(rèn)形成在物體的外表面與包圍物體的外表面的液體光聚物之間的分界面處的彎液面，以及操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使UV放射源運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制器操作UV放射源以固化液體光聚物的包圍物體的外表面的部分，從而將液體光聚物的固化部分結(jié)合至物體的外表面。

附圖說明

在以下結(jié)合附圖的說明中闡明了通過將預(yù)制造物體嵌入待形成的物體內(nèi)來形成三維物體的光固化立體成型系統(tǒng)的前述方面和其他特征。

圖1A示出利用光固化立體成型用于形成三維結(jié)構(gòu)以容納嵌入物體的系統(tǒng)。

圖1B示出將待被嵌入的物體放置在所形成的結(jié)構(gòu)內(nèi)并且將物體與結(jié)構(gòu)結(jié)合的圖1A的系統(tǒng)。

圖2是待嵌入的物體與圖1中示出的結(jié)構(gòu)之間的接口的放大圖，其示出接口處的液體光聚物中的彎液面。

圖3示出具有輔助定位待嵌入在結(jié)構(gòu)中的物體的定位的另外的部件的圖1A和圖1B的系統(tǒng)。

圖4示出具有用于在物體的開口內(nèi)形成結(jié)構(gòu)的另外的部件的圖1A和圖1B中示出的系統(tǒng)的部件。

圖5是用于利用光固化立體成型形成具有嵌入物體的三維結(jié)構(gòu)的工序的流程圖。

圖6A至6D示出圖3的系統(tǒng)的用途，以在物體上形成結(jié)構(gòu)以及然后在圍繞物體完成結(jié)構(gòu)之前重定向物體。

具體實(shí)施方式

為了大致理解本文中公開的系統(tǒng)和方法的環(huán)境以及對(duì)于系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)，對(duì)附圖做出參照。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。

圖1A示出用于利用光聚物材料形成三維結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，光聚物材料嵌入有預(yù)制造物體以給予強(qiáng)度和耐用性。系統(tǒng)10包括至少一個(gè)致動(dòng)器34、控制器26和罐38，致動(dòng)器34操作地連接至平臺(tái)14和紫外線放射(UV)源18，控制器26操作地連接至至少一個(gè)致動(dòng)器34和紫外線放射源18。平臺(tái)14定位在包含液體光聚物12的罐38內(nèi)并且構(gòu)造成通過至少一個(gè)致動(dòng)器34在罐38內(nèi)豎直地運(yùn)動(dòng)。控制器26產(chǎn)生操作UV放射源以發(fā)射UV射線的信號(hào)。控制器26還產(chǎn)生操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使平臺(tái)14在罐38內(nèi)運(yùn)動(dòng)以及使UV放射源運(yùn)動(dòng)以在罐中的液體光聚物的表面處或附近暴露液體光聚物的一部分的信號(hào)。暴露于UV射線的液體光聚物固化以形成硬質(zhì)材料。如圖1A所示，液體光聚物12的部分已被暴露以在罐38中形成三維結(jié)構(gòu)20。當(dāng)控制器26操作至少一個(gè)致動(dòng)器以使平臺(tái)14降低時(shí)，放置在平臺(tái)14的水平面16上的結(jié)構(gòu)20浸沒在液體光聚物中以使得液體光聚物的薄層能夠覆蓋結(jié)構(gòu)。當(dāng)液體光聚物的這一薄層暴露于UV放射源18時(shí)，固化部分粘附到結(jié)構(gòu)20的在前形成的部分上。至少一個(gè)致動(dòng)器34是操作地連接至系統(tǒng)10的部件并且構(gòu)造成使部件響應(yīng)于來自控制器26的信號(hào)而運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)器。致動(dòng)器34可以包括步進(jìn)電機(jī)、機(jī)動(dòng)化凸輪、蝸輪等以能夠?qū)崿F(xiàn)致動(dòng)器與其連接的部件的受控運(yùn)動(dòng)。

如圖1B所示，結(jié)構(gòu)20已形成有U形截面。該形狀由控制器26形成，控制器26利用來自CAD/CAM文件等的結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)來操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使平臺(tái)14運(yùn)動(dòng)并且選擇性地暴露液體光聚物的部分以形成結(jié)構(gòu)20。當(dāng)該結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定形狀和尺寸時(shí)，控制器26操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而夾持已被預(yù)制造的物體22以裝配在結(jié)構(gòu)20內(nèi)。如本文獻(xiàn)中所使用的，機(jī)械臂是配置成用于運(yùn)動(dòng)以及用于響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)臂的致動(dòng)器來夾緊和操縱物品的部件?？刂破?6還操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使物體運(yùn)動(dòng)至與結(jié)構(gòu)20的內(nèi)部接合。在物體22的這種運(yùn)動(dòng)期間，控制器26可以操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使物體22旋轉(zhuǎn)，從而便于物體22的表面與結(jié)構(gòu)20的內(nèi)部的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)。在一些實(shí)施例中，物體22由更加耐用并且比已固化光聚物具有更大強(qiáng)度的材料制成。物體22可以形成有其他特征以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)20最終形態(tài)。在將物體插入結(jié)構(gòu)20內(nèi)之前預(yù)加熱物體22增強(qiáng)物體22與結(jié)構(gòu)20之間的結(jié)合。熱使結(jié)構(gòu)20軟化以便能夠?qū)崿F(xiàn)物體22與結(jié)構(gòu)20之間的更好接觸。另外，更高的溫度也可以部分地固化物體與結(jié)構(gòu)之間的光聚物的薄層，從而強(qiáng)化其之間的結(jié)合。一旦物體22就位，控制器26操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使結(jié)構(gòu)20和物體22降低，因此液體光聚物的薄層形成在結(jié)構(gòu)20與物體22的分界面處?？刂破?6然后可以操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使UV放射源運(yùn)動(dòng)越過罐38，同時(shí)操作UV放射源18以使在該分界面處的液體光聚物暴露于UV射線。固化的光聚物將物體22結(jié)合至結(jié)構(gòu)20。一旦物體22結(jié)合至結(jié)構(gòu)20，控制器繼續(xù)操作至少一個(gè)致動(dòng)器34和UV放射源18以將固化光聚物材料的另外的層結(jié)合至物體22，從而完成結(jié)構(gòu)20。

在結(jié)構(gòu)20的完成期間出現(xiàn)的一個(gè)問題是由液體光聚物在結(jié)構(gòu)20與物體22之間的分界面處形成的彎液面。這種彎液面30在圖2中示出。彎液面30中的接近物體的表面的曲線根據(jù)接觸角、物體22的表面的定向、UV源18與物體22之間的距離以及物體表面的局部幾何形狀而更高或更低。如果幾何形狀和接觸角已知，則關(guān)于液體光聚物在彎液面處固化的問題可以通過確定彎液面的形狀來解決。該信息可被控制器26用于調(diào)整被用于使UV源18運(yùn)動(dòng)并且操作UV源18的圖像數(shù)據(jù)。

用于解決彎液面問題的另一個(gè)方案是結(jié)合光學(xué)傳感器40，光學(xué)傳感器40產(chǎn)生結(jié)構(gòu)20與物體22的分界面處的彎液面的圖像數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)300在圖3中示出。采用用于相同部件的相同附圖標(biāo)記，系統(tǒng)300示出為具有如上所述用于系統(tǒng)10的多個(gè)部件。除這些部件之外，系統(tǒng)300包括第二機(jī)械臂50和光學(xué)傳感器40。由光學(xué)傳感器40產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)通過控制器26處理以測量彎液面30。該信息可被控制器26用于調(diào)整被用于使UV源18運(yùn)動(dòng)并且操作UV源18的圖像數(shù)據(jù)。如果機(jī)械臂52不能轉(zhuǎn)動(dòng)或者調(diào)整物體22在結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置，則控制器26操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使第二機(jī)械臂50運(yùn)動(dòng)從而轉(zhuǎn)動(dòng)或者調(diào)整物體22在結(jié)構(gòu)內(nèi)的位置。

解決由彎液面30引起的問題的又一個(gè)方法是處理物體22或設(shè)計(jì)其表面構(gòu)造以能夠在物體22與液體12的分界面處形成大約90度的接觸角。優(yōu)化物體22的表面的設(shè)計(jì)的一個(gè)方法是形成具有小曲率的物體22的表面。小曲率幫助使物體22與液體12的分界面處的彎液面變小。幫助使彎液面30變小的其他表面處理包括使表面變糙以及利用改變物體22的表面能的化學(xué)制品或等離子體/電暈放電來處理物體表面?；瘜W(xué)處理包括利用噴涂器或輥?zhàn)邮┯闷魇┘拥淄繉印?/p>

在結(jié)構(gòu)20的完成期間出現(xiàn)的另一個(gè)問題是由物體22的延伸至液體光聚物與物體22的分界面的上方的部分產(chǎn)生的陰影。該陰影可以不利地影響陰影內(nèi)光聚物的固化。為了解決該問題，控制器可以操作致動(dòng)器34以使UV源18運(yùn)動(dòng)至消除陰影的各個(gè)位置，因?yàn)樵赨V源適當(dāng)?shù)膹?fù)位之后能夠建立用于在前陰影區(qū)域的視準(zhǔn)線?？商娲?，多個(gè)UV源18可以圍繞結(jié)構(gòu)20和物體22定位，以從各個(gè)角度照射并固化光聚物，以免由物體22的延伸至光聚物表面以上的部分產(chǎn)生陰影?？商娲鼗蛄硗?，控制器26可以操作致動(dòng)器34以使平臺(tái)14旋轉(zhuǎn)，使得陰影運(yùn)動(dòng)至已經(jīng)固化的其他區(qū)域，因此在前位于陰影內(nèi)的未固化光聚物可以通過UV源18的操作來固化。

一些物體22可以形成有開口70，如圖4所示。利用如上關(guān)于圖1A所述的用于相同部件的相同附圖標(biāo)記，在圖4中示出系統(tǒng)400。在該系統(tǒng)中，控制器26操作地連接至UV源18、噴射器60和在反射鏡64中終止的構(gòu)件62?？刂破鞑僮髦辽僖粋€(gè)致動(dòng)器34以使噴射器60運(yùn)動(dòng)，從而向開口70內(nèi)釋放液體光聚物?？刂破?6然后可以操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使構(gòu)件62運(yùn)動(dòng)，從而將反射鏡64插入在與開口70連通的腔室內(nèi)?？刂破?6可以操作至少一個(gè)致動(dòng)器34以使UV源18運(yùn)動(dòng)至使得由源18發(fā)射的UV射線能夠朝向反射鏡64傳播并且沖擊反射鏡64的位置。反射鏡64反射UV射線以使得腔室中的液體光聚物能夠暴露于UV射線并被固化?？商娲?，代替反射鏡64的是，光纖可被用于向物體22的內(nèi)部內(nèi)的預(yù)定位置傳遞UV光。因此，可以嵌入在結(jié)構(gòu)20中的物體22可被構(gòu)造用于多種不同的目的和應(yīng)用。

圖5中示出用于將物體嵌入在三維結(jié)構(gòu)中的方法200。在對(duì)該方法的說明中，工序執(zhí)行一些任務(wù)或功能的聲明指的是執(zhí)行存儲(chǔ)在操作地連接至控制器或處理器的存儲(chǔ)器中的程序指令的控制器或通用處理器，以便操控?cái)?shù)據(jù)或操作打印機(jī)中的一個(gè)或更多個(gè)部件以執(zhí)行任務(wù)或功能。上述控制器26可以是這種控制器或處理器?？商娲?，可以利用一個(gè)以上的處理器以及相關(guān)電路和部件執(zhí)行控制器26，其中的每一個(gè)構(gòu)造成形成在此說明的一個(gè)或更多個(gè)任務(wù)或功能。

工序200可以開始以使平臺(tái)在液體光聚物的罐內(nèi)下降至用于形成固化光聚物層的預(yù)定水平(塊204)。工序確定液體光聚物的一部分是否保持未固化(塊208)，并且如果否定，則固化該層(塊212)。固化層是用于結(jié)構(gòu)的最后層(塊216)，然后工序完成(塊268)。否則，工序繼續(xù)以使平臺(tái)下降以將液體光聚物定位在固化層之上，以用于形成下一層。

如果層的一部分保持未固化(塊208)，則所形成的層選擇性地暴露于UV射線，以形成與待嵌入的物體的橫截面形狀相符的固化和未固化區(qū)域(塊220)。工序確定用于插入物體的結(jié)構(gòu)是否已充分地完成(塊224)，并且如果是否定的，則用于容納物體的結(jié)構(gòu)的形成繼續(xù)(塊204至224)。一旦該結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備容納物體，物體被插入結(jié)構(gòu)內(nèi)并且使平臺(tái)下降以使得液體光聚物層能夠覆蓋物體與結(jié)構(gòu)之間的分界面(塊228)。工序確定物體是否需要旋轉(zhuǎn)以恰當(dāng)?shù)匮b配(塊232)，并且操作一個(gè)或更多個(gè)機(jī)械臂以在結(jié)構(gòu)內(nèi)旋轉(zhuǎn)或者定位物體(塊236)。工序然后使光聚物在物體與結(jié)構(gòu)的分界面處固化(塊244)以將物體結(jié)合至結(jié)構(gòu)。如果物體具有開口(塊248)，噴射器被操作以在開口中釋放液體光聚物(塊252)，構(gòu)件運(yùn)動(dòng)以將反射鏡定位在與開口連通的腔室內(nèi)(塊256)，UV源被操作以從反射鏡反射UV射線以暴露液體光聚物并且對(duì)其進(jìn)行固化(塊260)。如果物體沒有開口，則工序確定圍繞物體結(jié)構(gòu)形成是否已完成(塊264)，如果其已完成，則工序確定是否形成另外的結(jié)構(gòu)(塊204至216)。如果沒有其他結(jié)構(gòu)要形成，則該結(jié)構(gòu)完成(塊268)。否則，工序繼續(xù)圍繞物體形成結(jié)構(gòu)(塊204至216)。

圖3的系統(tǒng)也可以用于以圖6A至圖6D中描述的方式與嵌入的預(yù)制造物體形成零件。如圖6A所示，預(yù)制造物體22可以定位在平臺(tái)14上，控制器26操作致動(dòng)器34以使物體下降至罐38中的光聚物內(nèi)。控制器26可以反復(fù)地操作UV源18以固化鄰近物體22的光聚物并且操作致動(dòng)器34以使平臺(tái)14下降，直到結(jié)構(gòu)20形成在物體22的上端部上。該工序產(chǎn)生具有帽的物體22，如圖6B所示?？刂破?6然后操作致動(dòng)器34以提升物體22和結(jié)構(gòu)20到罐38之外，因此機(jī)械臂50和52中的一者或兩者可被控制器操作以重定向物體22和結(jié)構(gòu)20以及將其放置在平臺(tái)14上，如圖6C所示。在所示出的示例中，物體重取向是物體的倒置，但也可以執(zhí)行其他重定向?？刂破?6操作UV源18和致動(dòng)器34以延伸在前形成的結(jié)構(gòu)20?？梢苑磸?fù)地執(zhí)行致動(dòng)器的降下平臺(tái)以及使UV放射源運(yùn)動(dòng)的操作，直到物體22如圖6D中所示地包封在結(jié)構(gòu)20內(nèi)為止。當(dāng)然，控制器26也可以操作UV源18和致動(dòng)器34以選擇的方式圍繞物體22形成結(jié)構(gòu)。一旦已經(jīng)圍繞物體22形成最后的結(jié)構(gòu)20，則機(jī)械臂50、52可被操作以從平臺(tái)14提升物體22和結(jié)構(gòu)20。