專利名稱：用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法以及一種根據(jù)該方法形成所述物體的裝置。本發(fā)明特別涉及一種用于形成其中以三維形式布置球形細微顆粒并且相鄰顆粒彼此結(jié)合的具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在Material Integration(Vol.14，No.8(2001)，51-54頁)中公開了一種通過燒結(jié)球形細微顆粒而形成物體的方法，其中，使直徑大約為500μm的鉍銻合金球形細微顆粒緊密排列，隨后對它們通電，以通過焦耳熱量把它們燒結(jié)在一起。在上述文獻的54頁還披露了一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，以三維方式緊密排列顆粒，隨后，對它們通電以對它們進行燒結(jié)。
在根據(jù)上述方法形成的具有三維結(jié)構(gòu)的物體中，由于燒結(jié)過程中發(fā)生顆粒球度變化以及它們位置的變動，顆粒位置會發(fā)生很大的變化。
例如，當顆粒的尺寸分布大約是其平均尺寸的3％時，其球度大約變化2％。如果采用上述傳統(tǒng)方法來燒結(jié)具有較大球度變化的顆粒，那么在該三維結(jié)構(gòu)的物體中的每個顆粒的中心不可避免地會偏離于顆粒應被定位的目標位置。
即使每個顆粒的球度非常高，在燒結(jié)時，由于收縮和局部熔化，顆粒仍會發(fā)生偏移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，球形細微顆粒以三維形式布置并且相鄰的顆?；ハ嘟Y(jié)合。通過重復進行由以下步驟構(gòu)成的過程，使相鄰顆粒彼此結(jié)合，這些步驟包括使一個顆粒與其相鄰的至少一個其它顆粒接觸，隨后，在這些顆粒的接觸區(qū)域形成熔融區(qū)域；在熔融區(qū)域固化前，調(diào)節(jié)顆粒的位置；使熔融的接觸區(qū)域固化以使顆粒結(jié)合。
設(shè)計一種用來形成本發(fā)明的具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置以形成一種具有三維結(jié)構(gòu)的物體，其中，球形細微顆粒以三維形式布置并且相鄰顆粒彼此結(jié)合。所述裝置具有一個在其端部固定顆粒的固定器；一個移動固定器的推進器；一個能量束輻射器，其用以將至少一個能量束照射到被固定器固定的顆粒的外表面上；以及一個控制器，其用于控制由以下步驟構(gòu)成的過程，這些步驟包括通過推進器移動固定顆粒的固定器，以使該顆粒與其它顆粒接觸；熔化顆粒的接觸區(qū)域；在熔融的接觸區(qū)域固化之前，調(diào)節(jié)被固定器固定的顆粒的位置；以及使熔融的區(qū)域固化，以使顆粒彼此結(jié)合。


圖1為示意圖，其說明了在本發(fā)明的用于形成三維結(jié)構(gòu)的物體的方法中，布置顆粒的方法的一個實施例；圖2為示意圖，其顯示了本發(fā)明一個實施例的裝置的控制器；圖3a，3b，3c分別是顯示球形細微顆粒布置的平面圖。
具體實施例方式
為了形成本發(fā)明實施例中的具有三維結(jié)構(gòu)的物體，使一個球形細微顆粒與其它顆粒接觸，并使它們彼此之間接觸的接觸區(qū)域熔化。接著，在熔融的區(qū)域固化之前調(diào)整顆粒的位置，以便所述三維物體由粘結(jié)在一起的顆粒構(gòu)成，并且使其中的每個顆粒準確定位于其應被設(shè)置的目標位置處。
最好以在接觸區(qū)域處局部(即僅在接觸區(qū)域)加熱所述顆粒的方式使顆粒的接觸區(qū)域熔化。最好將至少一個如激光束輻射器這樣的能量束輻射器作為用于對接觸區(qū)域局部加熱的加熱器。
在本發(fā)明的一個實施例中，在使顆粒與其它顆粒接觸之前，測量該顆粒的直徑。在該測量的基礎(chǔ)上移動該顆粒，以便使它們彼此接觸。
構(gòu)成三維物體的顆粒中心之間的平均距離由“d”表示，顆粒粘結(jié)之前的平均直徑由“d+Δd”表示，顆粒粘結(jié)之前尺寸分布的標準偏差由“σ”表示，在作出上述定義之后，Δd優(yōu)選為標準偏差σ的2.5-4倍。
球形細微顆粒的直徑優(yōu)選為1000μm或更小，為0.1～1000μm更為理想，最好為1～500μm。
在加熱時熔化的球形細微顆粒可以由包括合金的金屬、陶瓷以及熱塑性合成樹脂制成。
當形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體時，通過一推進器將第一顆粒運送至其目標位置。最好，通過某種固定器(如附著、熔融和吸附保持方式)將第一顆粒固定在基體上。
通過固定器固定第二顆粒并使其與第一顆粒接觸。隨后，將如激光束這樣的能量束照射到所述顆粒的接觸區(qū)域以熔化該區(qū)域。在熔融區(qū)域固化之前，最好以使第二顆粒向之前定位的第一顆粒移動的方式，將第二顆粒的位置調(diào)節(jié)至其目標位置處。之后，熔融區(qū)域固化。
以與第二顆粒相同的方式，分別使第三及之后的顆粒中的每一個均接觸之前定位的顆粒，并使其在其接觸區(qū)域熔化，移動到其目標位置，隨后熔融區(qū)域固化。
最好以首先使顆粒在一維方向上排列形成一行，隨后使第二行和之后的行靠近之前形成的行形成的方式，以兩維方式布置所述顆粒形成一層。第二行與之后的行中的每一個顆粒均與之前排列成行的顆粒相結(jié)合。由所述顆粒構(gòu)成的第二層以及后來形成的層最好分別以與第一層相同的形成方式形成。
在一個實施例中，在形成構(gòu)成所述三維物體底部的第一顆粒層后，在所述第一層上形成第二顆粒層，并且在之前形成的層上形成第三層以及之后的層。
在第二層以及之后的層中排列成行的顆粒與之前形成的層中的多個顆粒結(jié)合。
由此形成的物體具有三維立體結(jié)構(gòu)，其中顆粒在三維方向上規(guī)則排列，就像晶體模型那樣。因此，利用結(jié)晶學的術(shù)語，可以將每個顆粒必須被定位的三維坐標空間中的目標位置稱為“晶格點”，將晶格點之間的距離稱為“晶格間距”。
球形細微顆粒在被結(jié)合之前的平均直徑要比晶格間距“d”大確定值“Δd”。當顆粒結(jié)合前的平均直徑由“d+Δd”表示時，顆粒結(jié)合前的尺寸分布的標準偏差由“σ”表示，“Δd”優(yōu)選為“σ”的2.5至4倍，最好為大約3倍。
以下是一種排列兩個顆粒A和B以使顆粒A和B中心之間的距離達到d的方法。
當在兩個顆粒A，B彼此接觸時，每個顆粒中心之間的距離要比晶格間距“d”大至少Δd。通過利用一個顆粒直徑測量裝置準確測量顆粒的直徑，精確測量顆粒A和B之間的距離與“d”值的偏差。接著，由一個能量足以熔化顆粒材料的射束源，將一局部加熱能量束(優(yōu)選激光束)照射到顆粒A和B的接觸區(qū)域，以便局部熔化顆粒的接觸區(qū)域。使顆粒A和B中的一個移動以精確調(diào)節(jié)其位置，從而在熔融的區(qū)域固化(例如凝固)之前，使它們中心之間的距離變?yōu)椤眃”。
總之，可以以使所有顆粒和相鄰顆粒的接觸區(qū)域同時熔化并且使所述顆粒移動以如上述那樣調(diào)整其位置的方式，使每一顆粒精確定位。
在如圖3a所示，物體具有原始立體晶格結(jié)構(gòu)時，顆粒1分別位于二維四方形晶格點上以形成第一層；隨后，將顆粒1’分別布置在第一層的顆粒1頂端右側(cè)以形成第二層。第三層和之后的層(圖中未示出)均以相同的方式排列，以便構(gòu)成一個三維立方晶格結(jié)構(gòu)。定位后的顆粒1”與三個之前定位的顆粒接觸，這三個顆粒中的一個是構(gòu)成第一層的顆粒1，另兩個是構(gòu)成第二層的顆粒1’。因此，要求三個激光束來分別使顆粒1”結(jié)合至顆粒1，1’，1’上。
如圖3b所示，對于一體心立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC)而言，顆粒1分別位于二維四方晶格點上以形成第一層。在第二層上，顆粒1’位于第一層的四個相鄰顆粒1的中心位置上以形成一四方晶格，該晶格相對于第一層滑移半個周期。第三層以及之后的奇數(shù)層以與第一層相同的模式形成，第四層以及之后的偶數(shù)層以與第二層相同的模式交替形成，以便構(gòu)成體心三維立方晶格結(jié)構(gòu)(BCC)。已定位的顆粒1”與六個之前定位的顆粒接觸，它們中的四個是構(gòu)成第一層的顆粒1，另兩個是構(gòu)成第二層的顆粒1’。因此，需要六個激光束將顆粒1”分別結(jié)合至六個顆粒1，1，1，1，1’，1’上。
如圖3c所示，對于一個面心立方晶格結(jié)構(gòu)(FCC)而言，以二維密集結(jié)構(gòu)布置顆粒1。第二層相對于第一層在X方向上滑移”d”，并且在Y方向上滑移 第三層以與第二層相同的方式、相對于第二層滑移。第四層以及之后的(4+3n)層均以與第一層相同的方式形成，第五層以及之后的(5+3n)層以與第二層相同的方式形成，第六層以及之后的(6+3n)層以與第三層相同的方式形成，其中，n是一個自然數(shù)，以便構(gòu)成三維面心立方晶格結(jié)構(gòu)(FCC)。定位后的顆粒1”與六個之前定位的顆粒接觸，它們中的三個是構(gòu)成第一層的顆粒1，其余的是構(gòu)成第二層的三個顆粒1’。因此，需要六個激光束將顆粒1”分別結(jié)合至六個顆粒1，1，1，1’，1’，1’上。
如圖3c所示，對于一個六角密集晶格結(jié)構(gòu)(HCP)而言，以二維密集結(jié)構(gòu)布置顆粒1。第二層相對于第一層在X方向上滑移d，并且在Y方向上滑移 第三層以及之后的奇數(shù)層以與第一層相同的模式形成，第四層和之后的偶數(shù)層以與第二層相同的模式形成，從而構(gòu)成三維立體六角密集晶格結(jié)構(gòu)(HCP)。由于在以此結(jié)構(gòu)布置顆粒時，顆粒最多具有六個接觸區(qū)域，因此，需要六個光束。
如圖1所示，由一個筒2逐一按順序供給球形細微顆粒1，并由一精密控制器3的固定器固定。如圖2所示，該固定器優(yōu)選具有一個微型閥3a，其能夠?qū)⒇搲毫恼婵毡脗鬟f到控制器頂端的真空出口3b，并可選擇地切斷負壓的傳輸。圖2中的參考數(shù)字3c表示一個顆粒固定器。筒2可以操作以使壓電驅(qū)動器2a向前和向后移動一供給微型臺2b，以便逐一供給顆粒。
用于移動固定器的推進器最好優(yōu)選具有一個壓電力驅(qū)動器3d，且既可粗略也可精確地僅使固定器上下(沿Z方向)運動，如圖1和圖2所示。通過驅(qū)動裝置5，借助一塊基板4使顆粒沿水平方向(X-Y方向)移動。驅(qū)動裝置5也使基板4沿Z方向移動?；?以一個層的厚度下降，以形成三維物體的第二層和之后的層。
在該實施例中，由筒2供入的每一球形細微顆粒通過顆粒直徑測量裝置6測量其直徑，并將測量值輸入控制計算機7。計算機7控制精密控制器3，驅(qū)動器5和激光振蕩系統(tǒng)8。通過光束分離器9和鏡子10，使由激光振蕩系統(tǒng)8產(chǎn)生的激光束照射到顆粒的接觸區(qū)域上。
由圖1中所示的裝置形成三維結(jié)構(gòu)的過程包括以下步驟1)從筒2中供給一個顆粒1；2)由精密控制器3固定所供給的顆粒1；3)由測量裝置6測量顆粒1的直徑以探測其中心位置；4)通過利用X-Y-Z臺以及控制器3的粗略移動部分來移動顆粒1，以便使顆粒1的中心部分大致對應目標位置，并且顆粒1與其周圍的顆粒接觸。整個控制器3只上下移動。應注意的是其中上下運動的方向以一定角度偏離Z軸；5)向顆粒與其周圍顆粒的接觸區(qū)域照射激光束，以熔化接觸區(qū)域；
6)通過利用控制器3的精確移動部分使顆粒略微地、清確地移動，以便使顆粒的中心在熔融的區(qū)域固化之前定位于目標位置；7)在熔融的區(qū)域固化后，從控制器3釋放顆粒1；8)按要求多次重復上述步驟1)-7)。在上述步驟3)中，每一顆粒直徑的精確測量均用于檢測其中心位置。顆粒1不可避免地具有統(tǒng)計尺寸分布，其中最大的大約是標準偏差的三倍。因此，在使顆粒與其周圍的顆粒接觸時，每個顆粒的中心均以大約為標準偏差三倍的量從其目標位置滑移。通過測量將被精確結(jié)合的顆粒的直徑，能夠定量檢測所述偏差。
在上述步驟5)和6)中，使激光束照射到相鄰顆粒的多個接觸區(qū)域上以并同時使這些接觸區(qū)域熔化，并且立即驅(qū)動控制器3的精確移動部分，從而使顆粒移動以調(diào)節(jié)其位置，以便精確地使每一個顆粒定位于其目標位置。顆粒必須在熔融的區(qū)域固化前移動，這個過程最好在幾微秒之內(nèi)完成。最好使精確移動部分對應于從涉及其目標坐標位置的顆粒中心引出的矢量移動。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置能夠提供一種具有三維結(jié)構(gòu)的物體，其中，以高精度將每一球形細微顆粒均定位于其規(guī)定的位置處。
權(quán)利要求
1.一種用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中，以三維形式布置球形細微顆粒，并且通過重復進行由以下步驟構(gòu)成的過程，使相鄰顆粒彼此結(jié)合，這些步驟包括使一個顆粒與其相鄰的其它顆粒接觸，隨后，在這些顆粒的接觸區(qū)域形成熔融區(qū)域；在熔融區(qū)域固化前，調(diào)節(jié)顆粒的位置；使熔融的區(qū)域固化以使所述顆粒結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中通過在所述顆粒彼此接觸的區(qū)域局部加熱和熔化而使顆粒結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中照射能量束以使接觸區(qū)域局部熔化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中所述能量束為激光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中多個所述接觸區(qū)域被同時熔化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中在使所述顆粒與其它所述顆粒接觸之前，測量被結(jié)合的顆粒的直徑，以便根據(jù)所述測量結(jié)果使所述顆粒移動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中構(gòu)成所述三維物體的顆粒中心之間的平均距離由“d”表示，在結(jié)合之前的顆粒的平均直徑由“d+Δd”表示，顆粒在結(jié)合之前的尺寸分布的標準偏差由“σ”表示，其中Δd是σ的2.5至4倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的用于形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的方法，其中所述顆粒的直徑為1000μm或者更小。
9.一種形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中，以三維形式布置球形細微顆粒并且使相鄰顆粒彼此結(jié)合，所述裝置包括一個在其端部固定顆粒的固定器；一個移動固定器的推進器；至少一個能量束輻射器，其用以將至少一個能量束照射到被固定器固定的顆粒的外表面上；以及一個控制器，其用于控制由以下步驟構(gòu)成的過程，這些步驟包括通過推進器移動固定顆粒的固定器，以使該顆粒與其它顆粒接觸；熔化顆粒的接觸區(qū)域；在熔融的區(qū)域固化之前，調(diào)節(jié)被固定器固定的顆粒的位置；以及使熔融的區(qū)域固化，以使顆粒彼此結(jié)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中所述能量束為激光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的形成具有三維結(jié)構(gòu)的物體的裝置，其中照射多個激光束，以便同時熔化多個所述接觸區(qū)域。
全文摘要
由一個筒(2)僅供給一個球形細微顆粒(1)。通過一精密控制器(3)固定顆粒(1)。顆粒(1)的直徑由測量裝置(6)測量以檢測該顆粒(1)的中心位置。利用X－Y－Z臺以及控制器(3)的粗略移動部分來移動顆粒(1)，以便使顆粒(1)的中心大致對應目標位置，以使顆粒(1)與其相鄰的其它顆粒接觸。將激光束照射到顆粒的接觸區(qū)域以熔化這些區(qū)域。通過利用控制器(3)的精確移動部分使顆粒略微地并精確地移動，以便使顆粒的中心在熔融的區(qū)域固化之前完全對應于目標位置。隨后，從控制器(3)釋放顆粒(1)。在熔融區(qū)域固化后，按順序重復進行上述過程。
文檔編號B22F3/00GK1671536SQ0381838
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者川崎亮 申請人:川崎亮