利用原位注入和成像的实体自由成型制造制造技术

一种制造设备，包括：平台，该平台用于接收构建材料层，构建材料层用于产生数字模型的三维固体表示；部件，该部件用于沉积构建材料的层；以及成像部件，该成像部件用于将构建材料的各个部分粘合成表示在数字模型中所包含的数据的各部分的横截面。第一成像部件可以是利用专门的折射像素移位机构的可编程平面光源，或者是其他成像系统。该平台包括用于向正在构建的部件提供可光固化树脂的注入系统。物体可以是使用各种粉末材料中的任意粉末材料的粉末复合材料部件或塑料部件。

Solid free forming manufacturing with in-situ injection and imaging

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用原位注入和成像的实体自由成型制造相关申请的交叉引用本申请要求于2017年8月2日提交的序列号为62/540,392的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的公开以其整体通过引用并入本文。
本文公开的主题总体涉及物体的实体自由成型制造。更具体而言，本文公开的主题涉及用于由金属、塑料、陶瓷和包括一种或更多种材料的组合的复合材料实体自由成型制造物体的系统、设备和方法。背景本文描述的实施例总体涉及用于由金属、塑料、陶瓷和包括一种或更多种材料的组合的复合材料实体自由成型制造物体的设备和方法。增材制造(AM)(也称为实体自由成型制造(SFF)、3D打印(3DP)、直接数字化制造(DDM)和固体成像)已日益成为广泛采用的对可视化演示和功能零件进行原型开发的方法。在某些实例中，这也成为生产制造的一种成本有效的手段。存在各种各样基于数字模型生产部件的手段，并且它们都减少了整个设计周期所需的时间和成本，这在许多行业提高了创新速度。通常，SFF是以分层方式实现的，其中数字模型被分割成水平切片，并且每个切片作为2D图像在构建表面上产生。这些切片的连续制造产生了薄层的累积集合，这些薄层共同构成了由数字模型表示的三维物体。与传统制造技术(诸如计算机数控(CNC)加工、注入成型和其他手段)相比，SFF显著减少了生产时间和成本，因此出于研究和开发目的已被广泛用于使用传统手段的小批量生产将非常昂贵的情况。另外，与CNC机器相比，SFF设备通常需要较少的专业知识来操作。由于较长的安装时间和较高的机器操作成本，由CNC机器生产的单个零件的成本通常较高。CNC生产的零件通常比SFF生产的零件具有更强健并且更详细的特征，这可能使它们在某些应用中更受欢迎。SFF在零件生产中的使用将一直受到限制，直到SFF技术能够生产的零件具有CNC生产的零件的分辨率和功能。粉末注入成型(PIM)是一种大规模生产技术，已被广泛采用作为以传统上使用其他成型方法不可用的材料生产高精度部件的手段。粉末与树脂粘合剂混合以形成注入原料，注入原料被注入到模具中，类似于塑料注入成型。产生的零件是粉末复合零件，称为“绿色”零件。绿色零件要经受一个叫做脱粘的过程，在这个过程中，去除了大部分粘合剂。得到的零件称为“棕色”零件。然后，该棕色零件受到热处理，使粉末颗粒烧结在一起。零件在此过程期间收缩，并且粉末颗粒之间的空隙被去除。最终结果是具有接近全密度的零件。可以利用进一步的后处理来获得超过99.5％的密度。一些最常见的SFF技术包括立体光刻(SLA)、选择性沉积建模(SDM)、熔融沉积建模(FDM)和选择性激光烧结(SLS)。这些方法在它们可以使用的材料类型、创建层的方式以及随后产生的零件的分辨率和质量方面有所不同。通常，以批量材料沉积方法或以选择性材料沉积方法产生层。在将批量沉积方法用于层产生的技术中，通常通过热、化学或光学过程来完成层成像。有一种技术：粘合剂喷射，其利用喷墨打印头将粘合剂沉积到粉末床，以产生类似于先前在PIM过程中描述的绿色零件的零件。这个绿色零件可以以相同的方式进行后处理，以产生最终的部件。不幸的是，由于产生绿色零件的过程的缺陷，通过这一过程产生的最终部件通常不能满足高精度应用的公差要求。另外，粘合剂喷射过程的精度和速度受到限制。专利技术概述本文公开了用于实体自由成型制造的设备和相关方法的实施例，用于产生用于各种应用的部件(例如，塑料、金属和陶瓷零件)。在一些实施例中，本文公开的SFF方法和设备可以包括用于接收用于产生数字模型的三维固体表示的材料层的表面、用于沉积所需的构建材料层的一个或更多个部件、以及用于将构建材料成像为表示数字模型中所包含的数据的横截面的一个或更多个部件。在一个实施例中，构建材料由颗粒材料(例如，粉末)和可光固化树脂材料组成。粉末转移设备被配置成将粉末材料输送到构建平台，可光固化材料供应系统与构建平台连通，并且被配置成将至少一种可光固化材料输送到沉积的粉末材料的至少一部分中，并且成像设备被配置成选择性地辐射可光固化材料，以至少部分地固化粉末复合材料部件的层。在构建表面处的颗粒材料和可光固化树脂材料的组合克服了前述用于产生粉末复合材料零件的设备的流变限制。另外，在一些实施例中，下面描述的方法和设备可以利用颗粒材料(例如，陶瓷、塑料或金属)作为构建材料之一。由这种设备产生的零件可以在构建过程完成后进行处理，以促进相邻颗粒之间的粘合。这种处理包括但不限于热、化学和压力处理，以及这些处理的组合。该制造和处理过程的结果包括但不限于固体金属零件、固体陶瓷零件、固体塑料零件、多孔金属零件、多孔陶瓷零件、多孔塑料零件、固体复合塑料零件以及包括一种或更多种材料的复合材料零件。颗粒材料的材料沉积可以通过几种手段来实现，包括但不限于通过刀片机构进行扩散；通过粉末计量系统和刀片机构的组合进行扩散；通过粉末计量系统和辊机构的组合进行扩散；在转移表面上静电沉积，然后沉积到构建表面，以及静电沉积到辊机构，然后沉积到构建表面。可光固化材料(例如，树脂)的注入可以通过(经由专门的注入构建平台)注入通过正在构建的部件的主体来实现。层成像可以通过几种手段来实现，包括但不限于利用可编程平面光源(诸如DLP投影仪)的批量成像，其中利用折射像素移位系统来增加投影系统的有效分辨率。此外，在一个方面，提供了一种实体自由成型制造设备，使得可以根据表示给定三维物体的数字数据产生由颗粒材料和树脂材料组成的复合材料物体。在另一方面，提供了一种SFF设备，其利用批量沉积技术来产生材料层。另一方面，提供了一种SFF设备，其将颗粒材料与可光固化树脂材料结合，用于产生复合材料层。在另一方面，提供了一种SFF设备，其允许材料成分的可互换性，以使得能够使用各种材料组合。在另一个方面，提供了一种SFF设备，其通过注入构建平台原位注入粉末层来实现复合层的产生。在另一方面，由SFF设备产生的物体可以被热处理、化学处理或机械处理，以改善材料成分的内部粘附。在另一方面，处理可以包括在流体室中加压；暴露于溶剂；升高温度以促进颗粒材料的粘合；升高温度以减轻由构建过程产生的内应力；或者颗粒材料的部分烧结，随后注入三级材料(tertiarymaterial)，三级材料可以包括熔点低于主要颗粒材料的陶瓷和/或金属材料。在另一方面，反馈系统可用于优化材料沉积速率。在另一方面，粉末计量系统可以与反馈系统串联使用，以优化材料沉积速率。根据下面结合附图对本专利技术的详细描述，本专利技术的进一步特征将变得更加明显。附图简述本专利技术的优选实施例将在下面参照附图进行描述，其中图1是根据当前公开的主题的实施例的用于实体自由成型制造的机器的俯视立体图。图2是图1中描绘的机器中的粉末沉积模块的俯视立体图。图3是图2中的模块的分解图。图4是从图2中模块的上方看的立体剖面图。图5A是在图2的模块中使用的粉末计量系统处于第一构造时的示意性描绘。图5B是在图2的模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生高分辨率图像的装置，包括：/n显示单元，所述显示单元被配置用于将包括一个或更多个辐射束的图像投影到表面上；/n至少一个折射元件，所述至少一个折射元件包括位于所述显示单元和所述表面之间的透明材料，其中所述至少一个折射元件被配置成将所述一个或更多个辐射束作为一个或更多个精准辐射束透射，并且其中所述至少一个折射元件能够旋转，以相对于所述表面移动所述图像的位置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170802 US 62/540,3921.一种用于产生高分辨率图像的装置，包括：
显示单元，所述显示单元被配置用于将包括一个或更多个辐射束的图像投影到表面上；
至少一个折射元件，所述至少一个折射元件包括位于所述显示单元和所述表面之间的透明材料，其中所述至少一个折射元件被配置成将所述一个或更多个辐射束作为一个或更多个精准辐射束透射，并且其中所述至少一个折射元件能够旋转，以相对于所述表面移动所述图像的位置。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示单元包括数字微镜器件。


3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述显示单元包括多个像素，所述多个像素以大于所述像素的宽度的距离彼此隔开。


4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个折射元件包括：
第一折射像素移位器，所述第一折射像素移位器能够围绕第一旋转轴枢转；和
第二折射像素移位器，所述第二折射像素移位器能够围绕不同于所述第一旋转轴的第二旋转轴枢转。


5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第二旋转轴基本上垂直于所述第一旋转轴。


6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个折射元件包括相对于所述表面以不同角度布置的多个静态折射元件。


7.根据权利要求1所述的装置，包括位于所述显示单元和所述至少一个折射元件之间的准直光学器件，其中，所述准直光学器件被配置用于准直所述辐射束。


8.根据权利要求1或权利要求7中任一项所述的装置，包括投影光学器件，所述投影光学器件被配置成聚焦来自所述至少一个折射元件的精准辐射束，以调节所述表面上的所述图像的尺寸。


9.一种用于产生高分辨率图像的方法，所述方法包括：
从显示单元向表面投影图像，所述图像包括一个或更多个辐射束；
将至少一个折射元件定位在所述显示单元和所述表面之间；
通过所述至少一个折射元件透射所述一个或更多个辐射束，以产生指向所述表面的一个或更多个精准辐射束；和
改变所述至少一个折射元件的旋转位置，以调节所述图像相对于所述表面的位置。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述显示单元包括数字微镜器件，并且其中投影图像包括将所述数字微镜器件的一个或更多个像素定位在“开”状态。


11.根据权利要求9所述的方法，其中，改变所述至少一个折射元件的旋转位置包括旋转所述至少一个折射元件，以相对于所述表面移动所述图像的位置。


12.根据权利要求9所述的方法，其中，定位所述至少一个折射元件包括：
将第一折射像素移位器定位在所述显示单元和所述表面之间，其中，所述第一折射像素移位器围绕第一旋转轴枢转到期望位置；和
将第二折射像素移位器定位在所述第一折射像素移位器和所述表面之间，其中，所述第二折射像素移位器围绕不同于所述第一旋转轴的第二旋转轴枢转到期望位置。


13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二旋转轴基本上垂直于所述第一旋转轴。


14.根据权利要求9所述的方法，其中，定位所述至少一个折射元件包括在所述显示单元和所述表面之间定位多个静态折射元件；并且
其中，改变所述至少一个折射元件的旋转位置包括以相对于所述表面不同的角度布置所述多个静态折射元件。


15.根据权利要求9所述的方法，包括在通过所述至少一个折射元件透射所述一个或更多个辐射束之前，准直所述一个或更多个辐射束。


16.根据权利要求9所述的方法，包括聚焦来自所述至少一个折射元件的精准辐射束，以调节所述表面上所述图像的尺寸。


17.一种用于制造三维物体的装置，包括：
构建平台；
粉末转移设备，所述粉末转移设备被配置成将粉末材料输送到所述构建平台，所述粉末转移设备包括：
粉末料斗；和
粉末计量系统，所述粉末计量系统与所述粉末料斗连通，并被配置成选择性地将来自所述粉末料斗的粉末材料分配到所述构建平台；
可光固化材料供应系统，所述可光固化材料供应系统被配置成将至少一种可光固化材料输送到沉积的粉末材料的至少一部分内；和
成像设备，所述成像设备被配置成选择性地辐射所述可光固化材料，以至少部分地固化粉末复合材料部件的层。


18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述粉末计量系统包括：
粉末歧管，所述粉末歧管被配置成接收来自所述粉末料斗的粉末，所述粉末歧管具有一个或更多个狭窄路径，所述一个或更多个狭窄路径被配置成将所述粉末材料输送到所述构建平台；和
一个或更多个致动器，所述一个或更多个致动器被配置成选择性地通过一个或更多个窄路径供给所述粉末材料。


19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述一个或更多个致动器被配置成搅动在所述一个或更多个狭窄路径中的至少一个狭窄路径处或其附近的粉末材料，以使所述粉末材料流过所述一个或更多个狭窄路径中的相应的至少一个狭窄路径。


20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述粉末歧管在第一方向上线性延伸，并且被配置成在基本垂直于所述第一方向的第二方向上平移，以在所述构建平台上分配所述粉末材料的层。


21.根据权利要求17所述的装置，其中，所述粉末计量系统包括反馈系统，所述反馈系统被配置用于在粉末沉积时测量粉末的累积，其中，所述粉末计量系统被控制以基于从所述反馈系统接收的输入来改变所述粉末材料的分布。


22.根据权利要求17所述的装置，包括整平设备，所述整平设备被构造用于当所述粉末材料沉积在所述构建平台上时使所述粉末材料平面化。


23.一种用于将粉末材料输送到粉末复合材料制造机的构建平台的方法，所述方法包括：
选择性地将来自粉末料斗的粉末材料分配到所述构建平台；和
使用与所述粉末料斗连通的粉末计量系统来控制所述粉末材料的输送。

【专利技术属性】
技术研发人员：亚当·T·C·斯蒂格，
申请(专利权)人：特里奥实验室公司，
类型：发明
国别省市：美国;US