專利名稱：利用可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成三維層狀產(chǎn)品、諸如用于熔模鑄造裝飾性珠寶工藝產(chǎn)品的模型或型芯的方法和裝置。
近些年來(lái)，人們已經(jīng)知道通過(guò)依次一個(gè)疊加一個(gè)地重疊一定數(shù)量的、三維產(chǎn)品的多層截面的可光固化疊層的方法來(lái)形成三維產(chǎn)品。具體地，通過(guò)利用激光能量，對(duì)一可光固化液體(photo-curableliquid)進(jìn)行掃描并固化成規(guī)定厚度的表面層的方式在預(yù)先形成的可光固化疊層上形成一可光固化層，以此制成三維產(chǎn)品。例如，在未經(jīng)審查的日本專利申請(qǐng)No.65-144478中已知一種用可光固化液體來(lái)形成三維產(chǎn)品的方法和裝置。
為了引入獲得規(guī)定厚度的可光固化液體表面層所需要的一些新液體，這些新液體將作為一個(gè)可光固化層形成在預(yù)先重疊的可光固化疊層上，將予制作的產(chǎn)品需要以等于處理過(guò)程中的規(guī)定厚度的距離精確地從可光固化液體的工作表面上移開(kāi)，在該工作表面上利用激光能量照射一個(gè)新液體表面層。實(shí)踐中已經(jīng)證明這很困難。例如，為了形成具有精確控制的厚度的可光固化液體表面層，如這里所描述的，例如歐洲專利EP0171069B1和EP0535720B1，為了實(shí)現(xiàn)在制造該待完成的產(chǎn)品的過(guò)程中的每一次逐步調(diào)整，將予制作的產(chǎn)品最初從規(guī)定的工作表面上向下移動(dòng)到超出規(guī)定工作表面位置的水平面，然后，移動(dòng)返回到規(guī)定的工作表面水平面。另外，例如在日本專利No.26195445和2715649中所描述的，提供一種用來(lái)噴濺新液體的新液體噴濺機(jī)，從而在以等于規(guī)定厚度的距離將建立在下面的產(chǎn)品從規(guī)定的工作表面上移去之后，在將予制作的產(chǎn)品上形成具有精確厚度的可光固化液體表面層。
雖然利用最后形成的層離開(kāi)規(guī)定的工作表面到達(dá)超出規(guī)定工作表面水平面的一個(gè)水平面的運(yùn)動(dòng)的最初增進(jìn)量，能夠使得該通過(guò)光固化處理逐步制成三維產(chǎn)品的裝置結(jié)構(gòu)和機(jī)械簡(jiǎn)單并且外形尺寸小，但是，其引起在完全建立三維產(chǎn)品之前花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間的一些混亂問(wèn)題。也就是說(shuō)，流體狀態(tài)的可光固化液體受到其相對(duì)高的粘度和表面張力的制約，因此，需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)引入精確控制數(shù)量的新液體，來(lái)為下一個(gè)處理步驟提供具有規(guī)定厚度的可光固化液體表面層。除了在引入精確控制數(shù)量的新液體之前所花費(fèi)的長(zhǎng)時(shí)間之外，在引入了精確控制數(shù)量的新液體之后，需要時(shí)間來(lái)將工作表面移動(dòng)回到規(guī)定的工作表面水平面處。另外，激光能量作用到可光固化液體表面層上必須等待一定的時(shí)間，直到該表面層完全成水平。結(jié)果，需要較長(zhǎng)的工作時(shí)間來(lái)完成單個(gè)的感光處理層，這引起生產(chǎn)成本的增加。由于通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)，例如原子團(tuán)反應(yīng)和離子反應(yīng)的方式，將可光固化液體由流體轉(zhuǎn)化成固體，可光固化液體本身具有一些有限制的有效期，這使得大量的可光固化液體不能直接使用，并且從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。
另一方面，雖然通過(guò)新液體噴濺機(jī)噴濺新液體，來(lái)在將予制作的產(chǎn)品上形成具有精確厚度的可光固化液體表面層，減少了引入精確控制的數(shù)量的新液體和使表面層水平所需要的時(shí)間，并且實(shí)現(xiàn)了用來(lái)容納可光固化液體的流體容器的小型化，但新液體噴濺機(jī)不僅必須裝配有各種輔助器件，例如噴嘴、網(wǎng)篩、轉(zhuǎn)軸、刷子和水輪，這些使得該裝置笨重，而且還裝配有第二流體容器，其中必須設(shè)有待噴濺的可光固化液體。另外，需要安裝一個(gè)表面水平度調(diào)整器，用來(lái)在噴濺新液體之后調(diào)整表面層的水平面。這種表面水平度調(diào)整器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和昂貴，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。
本發(fā)明的一個(gè)基本目的在于，提供一種方法和裝置，用來(lái)通過(guò)對(duì)疊層進(jìn)行逐步光固化處理，用可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種三維層狀產(chǎn)品形成裝置，該裝置配置有按照毛細(xì)管作用原理工作的液體表面平整裝置，它可吸取其中預(yù)留的可光固化液體并施加于將予制作的整個(gè)層狀產(chǎn)品上，從而形成具有平整和光滑工作表面的統(tǒng)一厚度的可光固化液體表面層。
上述目的是通過(guò)提供三維層狀產(chǎn)品形成方法和裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該方法和裝置通過(guò)依次一個(gè)疊加一個(gè)地重疊具有規(guī)定厚度的固體層的方式用可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品，其中的每一個(gè)固體層是通過(guò)對(duì)可光固化液體表面層進(jìn)行光固化處理并將其轉(zhuǎn)化成固體層而提供的。該三維層狀產(chǎn)品形成裝置包括一個(gè)可在其上逐步制成三維固體產(chǎn)品的產(chǎn)品臺(tái)，所述產(chǎn)品臺(tái)在上述每一步驟中以等于該固體層的規(guī)定厚度的距離浸沒(méi)在可光固化液體的蓄儲(chǔ)池中；和一個(gè)液體表面平整裝置，該裝置利用毛細(xì)管作用在與一個(gè)容器臺(tái)上的容器中包含的可光固化液體作表面接觸的同時(shí)，收集或吸取儲(chǔ)存的可感光處理液體。該平整裝置在可光固化液體的整個(gè)表面上移動(dòng)，將收集到的可光固化液體施加在整個(gè)三維層狀產(chǎn)品上，其中的三維層狀產(chǎn)品已經(jīng)部分地制成于產(chǎn)品臺(tái)上并為制作下一層而降下來(lái)，從而在已經(jīng)部分制成的三維層狀產(chǎn)品上形成具有平整和光滑表面的統(tǒng)一厚度的可光固化液體表面層。一個(gè)輻射頭在可光固化液體的光滑和平整的表面層上形成反應(yīng)刺激的光點(diǎn)(紫外線能量)，因此從而固化該表面層，和將其轉(zhuǎn)化為重疊在部分制成為三維層狀產(chǎn)品的三維層狀產(chǎn)品上的一個(gè)固體層。
根據(jù)該三維固體產(chǎn)品形成裝置和方法，能夠在已經(jīng)部分制成的三維產(chǎn)品上形成具有規(guī)定厚度的可光固化液體表面層。該表面層平整裝置包括一對(duì)表面平整刀片，具有設(shè)定為預(yù)定開(kāi)口的入口，從而使其起到毛細(xì)管的作用。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且用于它的驅(qū)動(dòng)機(jī)械同樣簡(jiǎn)單和便宜。結(jié)果，該三維固體產(chǎn)品形成裝置的外形尺寸小、操作快速和成本低。
附面的簡(jiǎn)要說(shuō)明結(jié)合參照下面附圖給出的優(yōu)選實(shí)施例，閱讀下面的描述時(shí)，可以清楚地看出本發(fā)明的上述和其它目的和特征。其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的三維層狀產(chǎn)品形成裝置的局部剖開(kāi)的側(cè)視圖；圖2A是安裝在圖1所示的三維層狀產(chǎn)品形成裝置中的液體表面層平整單元的主視圖；圖2B是安裝在圖1所示的三維層狀產(chǎn)品形成裝置中的液體表面層平整單元的側(cè)視圖；圖3安裝在圖2A、2B所示液體表面層平整單元的液體表面平整裝置的側(cè)視圖；圖4A、4B和4C分別是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)的戒指模型的前視、頂視和剖視圖；圖5A和5B是通過(guò)光固化處理而制成的部分三維層狀產(chǎn)品的頂視和剖視圖；和圖6A-6C是圖3中的液體表面平整裝置的不同變形的側(cè)視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明參照詳細(xì)的附圖，具體參照?qǐng)D1，表示計(jì)算機(jī)控制的逐層熔鑄裝置100，具體用于通過(guò)光固化處理的可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品，例如珠寶戒指的原型。計(jì)算機(jī)控制的逐層熔鑄裝置100具有箱體2，箱體2設(shè)有固定的底平板4，其上安裝有層狀三維產(chǎn)品創(chuàng)建單元200A，和固定的頂平板6，其上安裝有感光處理單元200B，兩個(gè)平板都固定安裝在箱體2上。層狀產(chǎn)品創(chuàng)建單元200A包括一個(gè)可動(dòng)容器臺(tái)22，其上放置有裝滿可光固化液體PCL例如可光固化樹(shù)脂的容器26；一個(gè)可動(dòng)產(chǎn)品臺(tái)24，在其上由容器26中的可感光處理液體PCL建立三維層狀產(chǎn)品；和一個(gè)液體表面層平整單元28，可分離地固定在可動(dòng)容器臺(tái)22上?？蓜?dòng)容器臺(tái)22在固定地支撐在固定平板4上的導(dǎo)柱22b上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)垂直位置控制機(jī)械22a在垂直方向中上下運(yùn)動(dòng)，來(lái)調(diào)整容器26的垂直位置，因此，當(dāng)需要時(shí)，具體調(diào)整容器26中的可光固化液體PCL的上表面的垂直位置?？蓜?dòng)產(chǎn)品臺(tái)24在導(dǎo)柱24b上運(yùn)動(dòng)并通過(guò)垂直位置改變機(jī)械24a向下運(yùn)動(dòng)，從而改變光固化處理后的疊層的頂部工作表面的垂直位置。此處使用的術(shù)語(yǔ)“工作表面”表示和指代反應(yīng)激勵(lì)的光點(diǎn)聚焦在可光固化液體上，從而處理該可光固化液體和將其轉(zhuǎn)換成固體材料的液體表面。通過(guò)逐步向下改變可動(dòng)產(chǎn)品臺(tái)24，將工作表面漸進(jìn)地調(diào)整在規(guī)定的水平面，最好是以從大約30至大約70微米的垂直距離，也就是說(shuō)，基本上等于可光固化液體表面層的預(yù)先確定的厚度，該液體是要被光固化處理和被轉(zhuǎn)化成覆蓋在由可光固化多層構(gòu)成的固體上的一個(gè)固體層，其中的固體形成所需要的最終三維層狀產(chǎn)品的一部分。液體表面層平整單元28(后面結(jié)合附圖2將詳細(xì)說(shuō)明)，在可光固化疊層構(gòu)成的固體上，精確地開(kāi)發(fā)并形成具有規(guī)定厚度的可光固化液體表面層，其中的可光固化疊層構(gòu)成了所需的、由可光固化液體PCL形成的三維層狀產(chǎn)品的一部分。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中用來(lái)作為可光固化液體PCL的可光固化樹(shù)脂具有一種成分，它可以由小于400nm波長(zhǎng)的紫外線能量予以固化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知多種這樣的成分，例如該成分可以包括丙烯酸樹(shù)脂和/或環(huán)氧樹(shù)脂。為了本發(fā)明的目的，該可光固化液體PCL需要具有規(guī)定的大約1.2的重力，大約1.4PaS的粘度和大約200至大約700的分子量。該成分還可以包括硬化劑和/或可光固化引發(fā)劑，因?yàn)橐阎鼈兺ǔ＞哂休^低的粘度和相對(duì)高的縮水率。
光固化單元200B包括一個(gè)光束輻射聚焦頭32，在規(guī)定工作表面上將反應(yīng)激勵(lì)的光束，例如具有320nm波長(zhǎng)的氦-鎘激光，施加于可光固化液體PCL；一個(gè)X-Y位置控制機(jī)構(gòu)，例如X-Y數(shù)字描繪器34，該機(jī)構(gòu)在彼此相互交叉的二維水平方向中移動(dòng)光束輻射頭32；以及一個(gè)激光源36。在該優(yōu)選實(shí)施例中采用了一種具有325nm波長(zhǎng)和產(chǎn)生5至10mW輸出的多模激光器。在三維層狀產(chǎn)品具有微小形狀的情況中，最好使用具有3至10mW輸出的單模形式的激光器，因?yàn)樗粫?huì)遇到無(wú)序的波形而容易聚焦。由光源36發(fā)出的激光束通過(guò)光引導(dǎo)裝置38發(fā)射到光束輻射頭32，并以一個(gè)光點(diǎn)聚焦在位于工作表面處的可光固化光介質(zhì)PCL上。為了高效率地和高安全性地發(fā)射激光束，該光引導(dǎo)裝置采用突變型的光纖38a和其中包裹有光纖38a的可彎曲的金屬管38b。因?yàn)橥蛔冃偷墓饫w具有由于激光束在光纖內(nèi)部反復(fù)折光引起的波形無(wú)序，和在從光纖的出口端出來(lái)后引起激光束漫射的可能，在微小形狀的三維層狀產(chǎn)品的情況中，最好采用單一的突變型光纖或者格柵型的光纖。為了在可光固化液體PCL的表面層上作用由激光源36產(chǎn)生的光固化處理用的激光能量，光源36設(shè)有多個(gè)由致動(dòng)器的操作控制的高速機(jī)械快門(mén)(圖中沒(méi)有顯示)，從而允許激光能量進(jìn)入到光纖中和關(guān)閉它不允許進(jìn)入到光纖中。為了提供充分強(qiáng)度的激光束來(lái)光固化處理可光固化液體表面層，光束輻射頭32設(shè)有聚焦透鏡(圖中沒(méi)有顯示)，可以用以控制在可光固化液體表面層上形成具有規(guī)定直徑的激光點(diǎn)。該激光點(diǎn)在工作表面上具有大約80微米的直徑和大約200W/cm2的輻射強(qiáng)度，其足以光固化處理具有預(yù)定厚度的可光固化液體PCL的表面層。通過(guò)表面平整度傳感器30監(jiān)視工作表面的平整度。因此，通過(guò)向上或向下移動(dòng)可動(dòng)容器臺(tái)22，根據(jù)光束輻射頭32將可光固化液體PCL的工作表面的工作表面平整度調(diào)整到規(guī)定的平整度。
參照?qǐng)D2A和2B，表面層平整單元28包括一個(gè)液體表面平整裝置50，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)械60在X方向或相反的Y方向中驅(qū)動(dòng)，來(lái)平整可光固化液體PCL的表面層，后面將詳細(xì)說(shuō)明。液體表面平整裝置50包括一對(duì)平整刀片52和一個(gè)附件54，通過(guò)定位螺絲54a將平整刀片52可拆除地固定在附件的相對(duì)兩側(cè)上。附件54是刀片固定柱56的整體的一部分。驅(qū)動(dòng)機(jī)械60包括一對(duì)可以運(yùn)動(dòng)的刀片支撐62，其上支撐有刀片固定柱56。每個(gè)刀片支撐62包括一個(gè)基塊64，一對(duì)L形的支撐元件66通過(guò)定位螺絲66a安裝在上面，從而在它們之間形成一個(gè)空間66b，用來(lái)接收刀片固定柱56。該刀片支撐62設(shè)有一個(gè)刀片調(diào)整螺絲65，用來(lái)相對(duì)于可光固化液體PCL的工作表面調(diào)整平整刀片52的垂直位置?；鶋K64在其下部設(shè)有一個(gè)引導(dǎo)滑塊68，在可拆卸地固定在容器臺(tái)22上的垂直側(cè)壁72的引導(dǎo)滑軌70上滑動(dòng)。刀片支撐62整體形成有一個(gè)從基塊64向里伸出的臂63。驅(qū)動(dòng)機(jī)械60還包括一個(gè)固定在容器臺(tái)22上的可逆轉(zhuǎn)的電機(jī)80。如圖2B中所示，垂直側(cè)壁72在它們的正對(duì)的端部支撐驅(qū)動(dòng)軸82a和空轉(zhuǎn)軸82b。電機(jī)80通過(guò)皮帶80a與驅(qū)動(dòng)軸82a連接，來(lái)將電機(jī)80的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給驅(qū)動(dòng)軸82a。兩個(gè)調(diào)速帶84以規(guī)定的拉伸力安裝在驅(qū)動(dòng)軸82a和空轉(zhuǎn)軸82b之間。刀片支撐62的臂63分別固定在調(diào)速帶84上。如圖2B所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)80以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用液體表面平整裝置50支撐的刀片支撐62沿著引導(dǎo)滑軌70在X方向中運(yùn)動(dòng)。另一方面，當(dāng)如圖2B所示，電機(jī)80在順時(shí)針?lè)较蛑蟹聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，用液體表面平整裝置50支撐的刀片支撐62沿著引導(dǎo)滑軌70在相反的Y方向中返回運(yùn)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)機(jī)械60還包括位置限定裝置90，后者包括固定在刀片支撐62的基塊64上的腿狀部件90a，連接在安裝在垂直側(cè)壁72的滑動(dòng)導(dǎo)軌90d上的固定的限制傳感器90b，和固定在用于滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌90d上的可運(yùn)動(dòng)的限制傳感器90c。當(dāng)檢測(cè)到腿狀部件90a時(shí)，每個(gè)限制傳感器90b和90c即啟動(dòng)停止電機(jī)80。通過(guò)滑動(dòng)可運(yùn)動(dòng)的限制傳感器90c，調(diào)整表面層平整單元28的運(yùn)動(dòng)范圍。
圖3通過(guò)舉例的方式詳細(xì)說(shuō)明液體表面平整裝置50。液體表面平整裝置50包括一對(duì)平整刀片52，它們通過(guò)固定螺絲54a固定在附件54上，和通過(guò)例如最好是大約彼此相距1mm的距離在它們的遠(yuǎn)端分開(kāi)，從而在它們之間形成1mm的狹窄間隙51，為平整刀片52提供毛細(xì)管作用。當(dāng)液體表面平整裝置50向下運(yùn)動(dòng)，直到位于它們底部邊緣的平整刀片52與可光固化液體PCL的表面相接觸時(shí)，因?yàn)樗鼈兊木嚯x和結(jié)構(gòu)，平整刀片52產(chǎn)生毛細(xì)管作用，在可光固化液體PCL的表面張力的幫助下將可光固化液體PCL吸取到間隙51中，從而在間隙51上建立PCL液體的小蓄水池，如圖3中所示。由于當(dāng)產(chǎn)品臺(tái)24以等于三維固體產(chǎn)品的一個(gè)截面層的規(guī)定厚度的距離，逐步運(yùn)動(dòng)到可光固化液體的下面時(shí)，可光固化液體的表面由于可光固化液體的表面張力、流動(dòng)性和粘度的原因不總是流動(dòng)和均勻地覆蓋三維層狀產(chǎn)品。因此，當(dāng)液體表面平整裝置50在X和Y方向之一上運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)處于它們底部遠(yuǎn)端的平整刀片52保持與液體表面的接觸，所收集儲(chǔ)存的可光固化液體落下并且從平整刀片52之間的間隙51流出來(lái)，流動(dòng)并覆蓋三維層狀產(chǎn)品LP，因此立即形成具有適合于光固化處理的規(guī)定厚度的可光固化液體表面層。隨著液體表面平整裝置50運(yùn)動(dòng)，位于它們底部遠(yuǎn)端的平整刀片52使得可光固化液體的表面光滑和平整，在三維層狀產(chǎn)品上形成統(tǒng)一厚度的表面層，從而能夠立即光固化處理該表面層和轉(zhuǎn)變成具有規(guī)定厚度的固體層。
通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)300的輔助，根據(jù)所給出的三維固體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的三維數(shù)據(jù)，數(shù)字化地控制三維固體產(chǎn)品創(chuàng)建單元200A和光固化處理單元200B的操作。這種系統(tǒng)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是已知的。
下面的說(shuō)明涉及生產(chǎn)三維固體產(chǎn)品的步驟，該產(chǎn)品是由本發(fā)明的方法和裝置形成，并且通過(guò)舉例的方式用來(lái)作為生產(chǎn)鑄造戒指的模具的模型。
參照?qǐng)D4A-4C，是通過(guò)利用已知的建模程序由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)300設(shè)計(jì)的三維模型M的側(cè)視、主視和截面圖，CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CAM數(shù)據(jù)，是內(nèi)和外輪廓Ma和Mb的點(diǎn)(P1,P2,……Px)的規(guī)定角位置的三維數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
如圖5A和5B所示，當(dāng)根據(jù)CAM數(shù)據(jù)開(kāi)始三維固體產(chǎn)品生產(chǎn)處理時(shí)，可動(dòng)臺(tái)24向下運(yùn)動(dòng)，直到其沉沒(méi)在可光固化液體PCL中，與工作表面WS相隔等于模型T的截面層的規(guī)定厚度的距離，然后可移動(dòng)的容器臺(tái)22根據(jù)表面平整傳感器30提供的信號(hào)向上或向下移動(dòng)，從而將可光固化液體PCL的工作表面WS定位在對(duì)應(yīng)于光束輻射頭32的規(guī)定平面上，接下來(lái)液體表面平整單元28移動(dòng)到可光固化液體PCL的工作表面WS上，來(lái)形成表面層和使得該表面層光滑。因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)300控制X-Y數(shù)字描繪器34，根據(jù)CAM數(shù)據(jù)移動(dòng)光束輻射頭32。一旦X-Y數(shù)字描繪器34移動(dòng)到將光點(diǎn)Bs定位在工作表面WS上的位置P(1)1中，快門(mén)打開(kāi)。至此以后，X-Y數(shù)字描繪器34以位于大約300mm/min至1000mm/min之間的恒定速度，最好是以800mm/min的恒定速度線性地移動(dòng)，經(jīng)過(guò)位置P(1)2……P(1)X，沿著多邊形軌跡掃描可光固化液體PCL的表面。結(jié)果，以多邊形方式逐步地加工處理可光固化液體PCL表面層上受到光束來(lái)回掃描的區(qū)域，該多邊形幾乎與圓相接近，具有等于光點(diǎn)BS的直徑的寬度，并且轉(zhuǎn)化成具有與模型M的截面層L的規(guī)定厚度相同厚度的多邊形的固體回路。多邊形固體回路Lma-1形成模型M的第一截面層L1的第一個(gè)內(nèi)輪廓Ma。一旦光點(diǎn)BS到達(dá)穿過(guò)位置P-(1)X的開(kāi)始位置P(1)1，快門(mén)閉合。接下來(lái)，X-Y數(shù)字描繪器34向外移動(dòng)，以等于工作表面WS上的光點(diǎn)BS的直徑的距離改變光束輻射頭32，并且快門(mén)打開(kāi)。至此以后，X-Y數(shù)字描繪器34以恒定速度線性地移動(dòng)，經(jīng)過(guò)位置P(1)2……P(1)X，掃描可光固化液體PCL的工作表面WS，從而以多邊形的方式逐步地處理可光固化液體PCL的表面層，該多邊形具有等于光點(diǎn)BS的直徑的寬度，并且轉(zhuǎn)化成具有與模型M的截面層L的規(guī)定厚度相同厚度的多邊形的固體回路。多邊形固體回路Lmb1形成模型M的第一截面層L1的第一個(gè)外輪廓Mb。這些多邊形固體回路Lma1和LMb1構(gòu)成相當(dāng)于模型M的第一截面層L1的第一固體層。
當(dāng)光點(diǎn)BS到達(dá)開(kāi)始位置P(1)1時(shí)，快門(mén)閉合，可動(dòng)臺(tái)24向下運(yùn)動(dòng)，直到作為固體層的多邊形固體回路Lma1和Lmb1的上表面沉沒(méi)在可光固化液體PCL中，與工作表面WS相隔等于模型T的截面層的規(guī)定厚度的距離。與此同時(shí)，可動(dòng)容器臺(tái)22根據(jù)表面平整傳感器30提供的信號(hào)向上或向下移動(dòng)，從而將可光固化液體PCL的工作表面WS定位在對(duì)應(yīng)于光束輻射頭32的規(guī)定位置。接下來(lái)，液體表面平整單元28移動(dòng)返回到可光固化液體PCL的工作表面WS上，來(lái)形成覆蓋多邊形固體回路Lma1和Lmb1的表面層和使得該表面層光滑。以如上所述的同樣方式，X-Y數(shù)字描繪器34移動(dòng)將光點(diǎn)BS定位在可光固化液體PCL的工作表面WS上的位置P(2)1，使得該表面層光滑，和沿著多邊形軌跡掃描可光固化液體PCL的表面，因此從而形成多邊形固體回路Lma2，LMb2作為相當(dāng)于模型M的第二截面層L2的第二固體層重疊在先前形成的第一固體層上面。根據(jù)CAM數(shù)據(jù)逐步重復(fù)同樣的程序，來(lái)形成多邊形固體回路Lman和Lmbn，作為相當(dāng)于模型M的截面層Ln的固體層。
通過(guò)重復(fù)與模型M的截面層的數(shù)量相同的次數(shù)，在一個(gè)的頂部重疊與模型M的截面層的數(shù)量同樣數(shù)量的多邊形固體回路，在臺(tái)24上形成作為戒指鑄模的三維層狀產(chǎn)品。內(nèi)和外回路之間的全部表面間隙準(zhǔn)確固定為6至10層，給出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)產(chǎn)品已經(jīng)完全制成后，將其從工作臺(tái)24上取走，利用超聲波清洗大約5分鐘來(lái)去除液體樹(shù)脂?？赡苓€需要使用酒精和清潔劑來(lái)去除液體樹(shù)脂。接下來(lái)，該產(chǎn)品或模型在紫外線的照射下經(jīng)受第二次固化處理，來(lái)固化整個(gè)模型。
可以采用圖6A至6C中簡(jiǎn)要給出的液體表面平整裝置50的各種變形。圖6A中所示的液體表面平整裝置50a包括可拆卸地安裝在附件54上的一對(duì)雙層壁的平整刀片52a。每個(gè)雙層壁的平整刀片52a包括外和內(nèi)壁部分，彼此相距恒定的距離從而提供一個(gè)裂縫或間隙51b，用來(lái)作為輔助毛細(xì)管工作。另外，雙層壁的平整刀片52a通過(guò)固定螺絲54a連接到附件54上，并通過(guò)例如最好是大約1mm的間距彼此在末端相分離，在中間形成狹窄的間隙51a，用來(lái)作為主要的毛細(xì)管工作。當(dāng)雙層壁的平整刀片52a變成與可光固化液體PCL的表面接觸時(shí)，通過(guò)其自身的毛細(xì)管作用和可光固化液體PCL的表面張力的作用，液體表面平整裝置50a將可光固化液體PCL吸取到間隙51a和裂縫51b中。該液體表面平整位置等于模型T的截面層的規(guī)定厚度，然后可動(dòng)容器臺(tái)22根據(jù)由表面平整度傳感器30提供的信號(hào)向上或向下移動(dòng)，從而將可光固化液體PCL的工作表面WS定位在對(duì)應(yīng)于光束輻射頭32的規(guī)定平面上，接下來(lái)液體表面平整單元28移動(dòng)到可光固化液體PCL的工作表面WS上，來(lái)形成表面層和使得該表面層光滑。接下來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)300控制X-Y數(shù)字描繪器34，根據(jù)CAM數(shù)據(jù)移動(dòng)光束輻射頭32。一旦X-Y數(shù)字描繪器34移動(dòng)到將光點(diǎn)Bs定位在工作表面WS上的位置P(1)1中，快門(mén)打開(kāi)。至此以后，X-Y數(shù)字描繪器34以位于大約300mm/min至1000mm/min之間的恒定速度，最好是以800mm/min的恒定速度線性地移動(dòng)，經(jīng)過(guò)位置P(1)2……P(1)X，沿著多邊形軌跡掃描可光固化液體PCL的表面。結(jié)果，以多邊形方式逐步地加工處理可光固化液體PCL的表面層上受到光束來(lái)回掃描的區(qū)域，該多邊形幾乎與圓相接近，具有等于光點(diǎn)BS的直徑的寬度，并且轉(zhuǎn)化成具有與模型M的截面層L的規(guī)定厚度相同厚度的多邊形的固體回路。多邊形固體回路Lma-1形成模型M的第一截面層L1的第一個(gè)內(nèi)輪廓Ma。一旦光點(diǎn)BS到達(dá)穿過(guò)位置P-(1)X的開(kāi)始位置P(1)1，快門(mén)閉合。接下來(lái)，X-Y數(shù)字描繪器34向外移動(dòng)，以等于工作表面WS上的光點(diǎn)BS的直徑的距離改變光束輻射頭32，并且快門(mén)打開(kāi)。至此以后，X-Y數(shù)字描繪器34以恒定速度線性地移動(dòng)，經(jīng)過(guò)位置P(1)2……P(1)X，掃描可光固化液體PCL的工作表面WS，從而以多邊形的方式逐步地加工處理可光固化液體PCL的表面層，該多邊形具有等于光點(diǎn)BS的直徑的寬度，并且轉(zhuǎn)化成具有與模型M的截面層L的規(guī)定厚度相同厚度的多邊形的固體回路。多邊形固體回路Lmb1形成模型M的第一截面層L1的第一個(gè)外輪廓Mb。這些多邊形固體回路Lma1和LMb1構(gòu)成相當(dāng)于模型M的第一截面層L1的第一固體層。
當(dāng)光點(diǎn)BS到達(dá)開(kāi)始位置P(1)1時(shí)，快門(mén)閉合，可動(dòng)臺(tái)24向下運(yùn)動(dòng)，直到作為固體層的多邊形固體回路Lma1和Lmb1的上表面沉沒(méi)在可光固化液體PCL中，與工作表面WS相隔等于模型T的截面層的規(guī)定厚度的距離。與此同時(shí)，可移動(dòng)的容器臺(tái)22根據(jù)表面平整傳感器30提供的信號(hào)向上或向下移動(dòng)，從而將可光固化液體PCL的工作表面WS定位在對(duì)應(yīng)于光束輻射頭32的規(guī)定位置。接下來(lái)，液體表面平整單元28移動(dòng)回到可光固化液體PCL的工作表面WS上，來(lái)形成覆蓋多邊形固體回路Lma1和Lmb1的表面層和使得該表面層光滑。以如上所述的同樣方式，X-Y數(shù)字描繪器34移動(dòng)將光點(diǎn)BS定位在可光固化液體PCL的工作表面WS上的位置P(2)1，使得該表面層光滑，和沿著多邊形軌跡掃描可光固化液體PCL的表面，因此從而形成多邊形固體回路Lma2,LMb2作為相當(dāng)于模型M的第二截面層L2的第二固體層重疊在先前形成的第一固體層上面。根據(jù)CAM數(shù)據(jù)逐步重復(fù)同樣的程序，來(lái)形成多邊形固體回路Lman和Lmbn，作為相當(dāng)于模型M的截面層Ln的固體層。
通過(guò)重復(fù)與模型M的截面層的數(shù)量相同的次數(shù)，在一個(gè)的頂部重疊與模型M的截面層的數(shù)量同樣數(shù)量的多邊形固體回路，在臺(tái)24上形成作為戒指鑄模的三維層狀產(chǎn)品。內(nèi)和外回路之間的全部表面間隙準(zhǔn)確固定為6至10層，給出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)產(chǎn)品已經(jīng)完全制成后，將其從工作臺(tái)24上取走，利用超聲波清洗大約5分鐘來(lái)去除液體樹(shù)脂?？赡苓€需要使用酒精和清潔劑來(lái)去除液體樹(shù)脂。接下來(lái)，該產(chǎn)品或模型在紫外線的照射下經(jīng)受第二次固化處理，來(lái)固化整個(gè)模型。
可以采用圖6A至6C中簡(jiǎn)要給出的液體表面平整裝置50的各種變形。圖6A中所示的液體表面平整裝置50a包括可拆卸地安裝在附件54上的一對(duì)雙層壁的平整刀片52a。每個(gè)雙層壁的平整刀片52a包括外和內(nèi)壁部分，彼此相距恒定的距離從而提供一個(gè)裂縫或間隙51b，用來(lái)作為輔助毛細(xì)管工作。另外，雙層壁的平整刀片52a通過(guò)固定螺絲54a連接到附件54上，并通過(guò)例如最好是大約1mm的間距彼此在末端相分離，在中間形成狹窄的間隙51a，用來(lái)作為主要的毛細(xì)管工作。當(dāng)雙層壁的平整刀片52a變成與可光固化液體PCL的表面接觸時(shí)，通過(guò)其自身的毛細(xì)管作用和可光固化液體PCL的表面張力的作用，液體表面平整裝置50a將可光固化液體PCL吸取到間隙51a和裂縫51b中。該液體表面平整裝置50a內(nèi)最好吸取和容納較大數(shù)量的可光固化液體PCL。
圖6B表示另一種液體表面平整裝置50b，其包括通過(guò)固定螺絲54a安裝在附件54上的一對(duì)表面平整刀片52b，彼此相距恒定的最好是大約1mm的距離從而形成狹窄的間隙51b，用來(lái)作為主要毛細(xì)管工作。每個(gè)表面平整刀片52b形成有正相對(duì)的末端延伸5，其始終位于可光固化液體PCL的表面的下面，當(dāng)表面平整刀片52b至少與可光固化液體PCL的表面接觸時(shí)，將可光固化液體PCL吸取到間隙51b中。該液體表面平整裝置50b最好快速地吸取可光固化液體PCL和充滿間隙51b。裝置50a最好在其中吸取和容納更大數(shù)量的可光固化液體PCL。
圖6B表示另一種液體表面平整裝置50b，其包括通過(guò)固定螺絲54a安裝在附件54上的一對(duì)表面平整刀片52b，彼此相距恒定的最好是大約1mm的距離從而形成狹窄的間隙51b，用來(lái)作為主要毛細(xì)管工作。每個(gè)表面平整刀片52b形成有正相對(duì)的末端延伸5，其始終位于可光固化液體PCL的表面的下面，當(dāng)表面平整刀片52b至少與可光固化液體PCL的表面接觸時(shí)，將可光固化液體PCL吸取到間隙51b中。該液體表面平整裝置50b最好快速地吸取可光固化液體PCL和充滿間隙51b。
圖6C表示另一種液體表面平整裝置50c，其包括一對(duì)表面平整刀片52c，彼此相距規(guī)定的距離從而在中間形成狹窄的間隙51c和多孔滲水的襯墊59，例如插入到表面平整刀片52c之間的海綿墊和泡沫塑料墊，具有積極地容納或保存通過(guò)毛細(xì)管作用保持吸取的可光固化液體和將其作用到整個(gè)要制成的多層產(chǎn)品上的功能。另外，表面平整刀片51c可以由多孔元件構(gòu)成。
液體表面平整裝置可以采用圖3和圖6A至6C中所示的平整刀片50、50a-50c的任何形式的組合。
雖然已經(jīng)以優(yōu)選實(shí)施例的方式描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)了解，在不脫離權(quán)利要求的范圍的前提下，本發(fā)明可以具有多種變化和改變。
本發(fā)明涉及一種方法和裝置，用來(lái)形成三維層狀產(chǎn)品，例如對(duì)于實(shí)現(xiàn)所希望的裝飾性珠寶工藝產(chǎn)品的澆鑄有益處的模型或型芯。
權(quán)利要求
1．一種三維層狀產(chǎn)品形成裝置，該裝置通過(guò)依次一個(gè)疊加一個(gè)地重疊具有規(guī)定厚度的固體層的方式用可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品，每一上述固體層通過(guò)對(duì)由可光固化液體形成的表面層進(jìn)行光固化加工處理來(lái)提供，所說(shuō)三維層狀產(chǎn)品形成裝置包括一容器，用來(lái)盛裝可光固化液體；一產(chǎn)品臺(tái)，在該產(chǎn)品臺(tái)上逐步形成三維固體產(chǎn)品，所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)放置在所說(shuō)可光固化液體中，并且適合于以等于所說(shuō)每步中的每個(gè)固體層的規(guī)定厚度的距離，逐步前進(jìn)到容器中；一液體表面平整裝置，該裝置限定一個(gè)工作間隙，以適合于利用毛細(xì)管反應(yīng)將可光固化液體吸取到該裝置中、在其中形成儲(chǔ)存的可光固化液體，當(dāng)容納在所說(shuō)容器中時(shí)，所說(shuō)液體表面平整裝置可以在容器中水平運(yùn)動(dòng)，從而經(jīng)過(guò)可光固化液體的表面，在產(chǎn)品臺(tái)上的正在制成三維層狀的產(chǎn)品上形成光滑的和平整的可光固化液體的表面層；和一輻射頭，該輻射頭用來(lái)在容器中形成反應(yīng)刺激的光點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)于在規(guī)定水平面的可光固化液體的光滑和平整的表面層，從而光固化處理該表面層，并且將其轉(zhuǎn)化為在所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)上正在制成的三維層狀產(chǎn)品上的光滑和平整表面層的固體層。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)液體表面平整裝置包括限定空隙的至少一個(gè)刀片，該刀片用于通過(guò)毛細(xì)管作用將可光固化液體吸取入到由至少一個(gè)刀片限定的空腔中。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)刀片由多孔的材料制成。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)刀片形成有多個(gè)空隙，每個(gè)限定一個(gè)空腔，用來(lái)通過(guò)毛細(xì)管作用將可光固化液體吸取到每個(gè)空腔中。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)刀片制成具有垂直懸掛的部分，在形成多層產(chǎn)品的過(guò)程中，當(dāng)所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)漸進(jìn)地前進(jìn)到所說(shuō)容器中時(shí)，這些部分部分位于容器中的可光固化液體的表面下面。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)液體表面平整裝置包括設(shè)置成面對(duì)面的至少兩個(gè)刀片，在這兩個(gè)刀片的中間限定一個(gè)狹窄的空隙，可光固化液體可通過(guò)毛細(xì)管作用穿過(guò)這一空隙。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中每個(gè)所說(shuō)刀片由多孔材料制成。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中每個(gè)所說(shuō)刀片形成有一定數(shù)量的孔。
9．根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中所說(shuō)液體表面平整裝置進(jìn)一步包括一個(gè)多孔的元件，插入在間隙上的所說(shuō)刀片之間，用來(lái)吸收可光固化液體。
10．根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維固體產(chǎn)品形成裝置，其中至少一個(gè)所說(shuō)刀片制成部分垂直懸掛，當(dāng)通過(guò)等于所說(shuō)固體層的所說(shuō)規(guī)定厚度的所說(shuō)距離，所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)前進(jìn)到可光固化液體中時(shí)，可使其垂直懸掛部分位于可光固化液體的表面下面。
11．一種由可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品的方法，該方法通過(guò)依次一個(gè)疊加一個(gè)地方式重疊具有規(guī)定厚度的固體層、用可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品，每一上述固體層通過(guò)對(duì)由可光固化液體形成的表面層進(jìn)行光固化加工處理來(lái)提供，所說(shuō)方法包括步驟利用可光固化液體充滿容器，以限定一工作表面；將在其上逐步形成三維層狀產(chǎn)品的產(chǎn)品臺(tái)逐步移動(dòng)至可光固化液體中，所說(shuō)每一步移動(dòng)的深度等于所說(shuō)固體層的規(guī)定厚度；利用毛細(xì)管反應(yīng)將可光固化液體吸取到由液體表面平整裝置限定的蓄儲(chǔ)池中；使液體表面平整裝置在所說(shuō)容器中的所說(shuō)可光固化液體的整個(gè)工作表面上運(yùn)動(dòng)，以在所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)上正在制成的整個(gè)三維層狀產(chǎn)品上涂布所說(shuō)可光固化液體并使其光滑；和將反應(yīng)刺激的光點(diǎn)輻射在位于所說(shuō)工作表面的所說(shuō)可光固化液體的光滑和平整的表面層上，以光固化所說(shuō)光滑和平整后的表面層，并且將其轉(zhuǎn)化為在所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)上正在制成的所說(shuō)三維層狀產(chǎn)品上的固體層。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所說(shuō)液體表面平整裝置中的蓄水池包括至少一個(gè)刀片。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所說(shuō)刀片由多孔材料制成。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所說(shuō)刀片形成有一定數(shù)量的孔。
15．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中包括當(dāng)所說(shuō)產(chǎn)品臺(tái)以等于所說(shuō)固體層的所說(shuō)規(guī)定厚度的所說(shuō)距離移動(dòng)至可光固化液體中時(shí)，使所述部分刀片降低于所述可光固化液體的工作表面之下的步驟。
16．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中輻射是通過(guò)具有大約325nm波長(zhǎng)的氦-鎘激光器進(jìn)行的。
17．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括從可光固化液體的容器中取出三維層狀產(chǎn)品、清洗取出的產(chǎn)品，和通過(guò)利用紫外線輻射進(jìn)行照射對(duì)清洗后的產(chǎn)品進(jìn)行第二次固化的步驟。
18．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中只有在形成每一層的過(guò)程中對(duì)應(yīng)于正在制成的三維層狀產(chǎn)品的邊界部分的工作表面受到輻射，而對(duì)于第一和最后一層并且對(duì)于每個(gè)連續(xù)的X層，對(duì)應(yīng)于三維層狀產(chǎn)品的整個(gè)截面的工作表面的全部部分受到輻射，其中X是位于6和10之間的完整整數(shù)。
19．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括步驟，將蓄儲(chǔ)池中的可光固化液體吸收到多孔的物體中。
20．根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中蓄儲(chǔ)池的入口設(shè)定為大約1mm。
全文摘要
一種三維層狀產(chǎn)品形成方法和裝置,通過(guò)逐步地在每一個(gè)的上面重疊具有規(guī)定厚度的固體層,來(lái)由可光固化液體形成三維層狀產(chǎn)品,通過(guò)對(duì)由可光固化液體形成的表面層進(jìn)行感光加工處理和將其轉(zhuǎn)化成固體層來(lái)提供每個(gè)固體層。該裝置包括一容器,用來(lái)盛裝可光固化液體,一個(gè)產(chǎn)品臺(tái),在該產(chǎn)品臺(tái)上逐步形成三維固體產(chǎn)品,一個(gè)液體表面平整裝置和一個(gè)輻射頭。
文檔編號(hào)B29C67/00GK1300667SQ0013245
公開(kāi)日2001年6月27日 申請(qǐng)日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月19日
發(fā)明者樋泉光紀(jì), 荻原茂 申請(qǐng)人:美科有限公司株式會(huì)社, 山梨縣