[发明专利]制造三维物体的方法及使用所述方法的设备

说明书

技术领域

本发明涉及制造层状三维物体的方法，其技术术语被称为“立体固化成型(stereolithography)”。

本发明还涉及使用所述方法的立体固化成型机。

背景技术

已知立体固化成型广泛用于快速原型制作三维物体，甚至是复杂物体，其允许在非常短的时间内制造所述物体且实际上不需使用任何特殊设备。

通常而言，立体固化成型技术包括首先虚拟地将待复制的物体的几何形状划分为具有预定厚度的多个层，然后通过将一层放置在另一层顶部以制造物体的立体固化设备来实际制造。

所述层由能够在合适刺激作用下永久固化的液态树脂制成。

更具体地，将树脂以对应于待复制物体的一层的厚度铺展在支撑表面上，然后使其在对应于物体体积的区域中选择性暴露在刺激下。

通常使用塑性树脂，且其固化通过暴露在激光束下聚合而实现。

根据第一个已知的结构形式，立体固化成型机包括含有液态树脂的槽，支撑待制造物体的垂直移动的平台浸入该槽中。

降低平台，直至用其厚度对应于随后层所需厚度的液态层覆盖物体的各层。

然后使液态层在对应于待制造物体的体积的区域上受刺激，以使其固化并附着于下层上。

对于相继的各层，制造三维物体的方法类似地进行，同时所述平台逐步降低。

上述已知技术的缺点在于其很难控制层的厚度。

实际上，各层厚度的降低(通常仅为几分之一的毫米)以及液态基料的粘度阻碍了液态树脂在待制造的物体上的分布。因此，层的厚度常常缺乏均匀性，这导致最终制造的物体的尺寸不精确。已知各种用于限制上文提及的局限的装置，其主要基于使用使液态树脂表面水平的刮刀，但它们均没有以令人满意的方式解决该问题。

上述已知技术具有的另一个局限为需要为待制造的物体制备一定数量的支撑并将其布置在平台上。

支撑必须承担物体的固定载荷，尤其是在其具有向外凸出的部分的情况下，且必须支撑在特定物体构型下首先与物体自身主体分离的部分。

作为实例，图1的深色区域示意性图示了根据已知技术制造的普通三维物体，其由W表示，而阴影区域显示了上文提及的支撑，用S表示。

支撑还可对抗层聚合期间所产生的应力，由于层本身厚度的减少，这种应力将使其以不能接受的方式变形。

然而，支撑的局限在于它们需要额外的设计阶段，这增加了物体的总体生产时间和成本。支撑的另一个局限在于它们不能再用于制造其它物体并因此被废弃，由此进一步增加了物体的成本。

此外，当待制造物体特别复杂时，不可能制造支撑，这实际上限制了立体固化成型技术的应用性。

根据已知技术，支撑与三维物体同时通过立体固化成型机产生，因此构成了后者的组成部分。

显然，除了已经描述的缺点之外，上述技术还具有另一局限，即必须机械性地除去支撑，因此进一步增加了物体的成本。

此外，除去支撑涉及破坏物体的风险，这是另一个局限。

除了上述之外，还存在另一个局限，即物体制造减速，因为对基材的刺激必须在对应支撑的区域内进行。

在克服上文提及的局限的尝试中，开发了另一种技术，其使用在室温下呈胶状形式且因此就尺寸角度而言基本稳定的树脂。

根据该构造技术，加热胶状树脂以使其液化，以使其可在待制造物体上铺展。

因此，与现有情况不同的是，不将物体浸入液态树脂中。

一旦在物体上铺展，树脂冷却下来并形成在室温下相对稳定的胶状物层，然后利用类似于已经描述的选择性刺激程序而聚合。

对相继的层重复该方法，直至完成该物体，最后将其加热以实现非聚合树脂的液化并因此得到最终物体。

有利的是，上述技术可避免使用用于待制造物体的支撑，其实际上通过周围胶状树脂来支撑。

然而，上文提及的技术具有一系列缺点，其中由于各沉积层冷却需要时间，导致该技术很慢。另一局限为由于在铺展各层期间和在制造过程结束时，树脂经受了双重热循环，导致其产生了局部劣化，损害了物体的机械性能。

上文提及的即过量树脂不能再用于制造其它物体的局限和已经提及的该技术缓慢的局限一起进一步增加了最终物体的成本。

此外，与前面描述的第一种已知技术类似的是，该第二种已知技术也未解决控制层厚的问题，且甚至可能使其恶化。实际上，在铺展各层期间，树脂的粘度非常高，这可在层本身的表面上产生不规则性。

发明内容

本发明意欲克服上文所列出的已知技术的全部缺陷。