专利名称：制造三维物体的方法
技术领域：
本发明涉及制造三维成型物体的一种方法，在该方法中，成型物体是通过连续地叠合硬化粉末材料的硬化层获得的。
如图50A和50B所示，通过连续地叠合硬化粉末材料101的硬化层102来制造三维物体的方法是众所周知的。它公开在第2620353号日本专利“通过选择地烧结制造零件的方法”中。按照该专利，粉末材料101可以是有机材料例如树脂，或者无机材料例如金属，首先积聚粉末材料101，而后通过在其上照射光束(激光束112)例如激光或定向的能量束，以硬化形成一硬化层102。由此叠合获得的硬化层102，以形成一个三维物体。
在该情况下，如图50A所示，粉末材料101从给料器129供给到一封装结构130中，如图50B所示，一激光束112可选择地照射在预定位置上。重复进行该步骤，以形成硬化层102的叠层。激光束112是从激光头131发出的，且其路径方向是通过具有一棱柱体132的一扫描系统133来改变的，所以在封装结构130中的最上层的粉末材料101上的一预定位置被选择地照射。因此，可相对容易地制造一复杂形状的物体。
在上述的现有技术中，粉末材料101的填充密度较低，因此照射和硬化之后的密度不能达到100％。因为此原因，所存在的问题是制造的成型物体的强度与材料的主要机械强度相比较薄弱。此外的问题还有，尽管必需扫描光束112以形成硬化层102，因为在成型物体的轮廓线之内的扫描数据量较大，所以成型时间变得长了。还存在的问题是，因为当粉末材料101被硬化时它将收缩，使硬化层102变形，不能够制造出具有满意精度的成型物体。
本发明可克服上述的缺点。
因此，本发明的一个目的是提供制造三维物体的一种方法，即使形状很复杂，也可容易地制造出具有较高强度和较高精确度的成型物体。
为了完成以上和其他的目的，按照本发明的方法包括以下步骤(a)围绕一芯部填充粉末材料，以形成一粉末材料层；(b)在该粉末材料层上选择地照射光束，以形成与芯部结合在一起的一硬化层；(c)重复步骤(a)和(b)，以围绕芯部形成多层硬化层，由此制造其内埋有芯部的三维物体。
按照该方法，如果形成的芯部具有较高的密度和较高的强度，那么该成型物体在整体上就具有较高的强度。而且，只有邻近芯部的外部区域中的粉末材料需要连续地硬化以形成一叠层结构，所以减少了在成型物体的轮廓线之内此时提供硬化的光束扫描的扫描数据量。其结果是，缩短了扫描时间，即使形状较复杂，也可以缩短成型时间。此外，因为减少了需要硬化的粉末材料的量，就防止了硬化过程中因收缩导致的扭曲和变形，所以可制造具有较高精度的成型物体。
而且，通过将芯部降低等于每层硬化层厚度的一尺寸，可围绕芯部连续地叠加硬化层。而且，在每次硬化后可容易地填充粉末材料，照射到其上的光束的距离设定等等也变得容易了。
该芯部是在步骤(a)和(b)之前由叠合在一起的多层薄片材料制成的，每层薄片材料可以是有机材料或无机材料。因为该芯部提前被制成一体，所以即使该成型物体具有复杂的形状，也可容易地制造。
另外，多层薄片材料的每一层可在步骤(a)之前被叠合。这样做，就不需要提前将薄片材料叠合在成一体，可在形成硬化层之前通过连续地叠合薄片材料来容易地形成芯部。
有利地，多层薄片材料的每一层都具有一通孔，粉末材料填充到通孔中且被硬化，以结合相邻的薄片材料。在该情况下，薄片材料具体是通过填充在通孔中的粉末材料的硬化进行连接的，所以提高了薄片材料之间的连接强度，且能防止在粉末材料的硬化过程中因热效果造成的薄片材料的扭曲，由此得到具有较高密度和较高精确度的成型物体。而且，薄片材料可合适地无横向偏移地彼此定位。
通孔可延伸通过所有的薄片材料。该通孔可以是倾斜的。
每层薄片材料可涂覆有一粉末材料，光束照射在其上以结合相邻的薄片材料，由此得到较高强度的成型物体。
粉末材料可具有比薄片材料低的熔点。
每层薄片材料可具有借助于多个连接部分与之相连的一独立区域，该连接部分在成型过程中或成型之后被除去。
当制造一盒形的物体时，粉末材料填充在形成在每层薄片材料的边缘部分的一空间中。
多层薄片材料较佳地通过至少一个定位件合适地定位。该定位件是被一独立的装置驱动的一可活动的构件，或者形成在至少一层薄片材料上。另外，该定位件可通过光束照射涂覆在至少一层薄片材料上的粉末材料来形成。另外，多层薄片材料也可以通过形成在其上的突出物来合适地定位。每层薄片材料都具有与其形成一体的定位片，定位片与独立的定位件相接触。
所有的薄片材料不是相同厚度的，即，多层薄片材料可具有不同的厚度。在该情况下，薄片材料的厚度在芯部的外侧表面的倾斜度较为陡峭的位置设定得较厚，在倾斜度较平缓的位置设定得较薄。因此，可减小产生在薄片材料边缘处的水平差异，使得能够平滑地精整成型物体的表面。
一固化的粉末层可夹在相邻的薄片材料之间。在该情况下，即使薄片材料的叠合表面具有复杂的形状，通过将固化的粉末层设置在相邻薄片材料之间的位置，可容易地制造具有精细和复杂形状的成型物体。
填充在每层薄片材料周围的粉末材料层具有通过振动形成的一锥形上表面。这样做，可获得成型物体表面的平滑精整。而且，当进行抛光时，需要去除的量减少了，使得能够减少精整时间。
芯部和粉末材料可用不同材料制成。在该情况下，可容易地制造具有较高表面硬度的成型物体，例如切削、研磨工具等等。
另外，熔点比粉末材料低的纸张、塑料树脂、铝等等可用作芯部，而以铁或铜为基础的粉末可用作粉末材料。因为芯部具有比粉末材料低的熔点，比用来硬化粉末材料的光束能量密度低的一光束可用来牢固连接相邻的薄片材料，由此防止薄片材料之间的不佳粘着。
在该情况下，从多层硬化层中取出该芯部，由此在其内形成了一空腔。该空腔可用作例如水或空气的通道，用于冷却。另外，一熔化或流体材料可填充在该空腔中。如果将铜或铝填充在中空的物体中，就增加了其热传导性。而且，通过将电阻材料或凝结物分别填充到中空的物体中，可以制造一加热器或泡沫物体。此外，通过在其内填充高聚物树脂，可以制造具有热储存效果的成型物体。
另外，该芯部可以用导体材料制成，而粉末材料可用绝缘材料制成。
通过这样的结构，可在缩短的时间内容易地制造三维回路。而且，一冷却管或加热器可埋入在硬化层或导体材料中。
参考附图，通过以下对其较佳实施例的描述，本发明的以上和其他目的及特征将变得显而易见，在附图中，相同的部件用相同的标号来表示。其中
图1A至1E示出了按照本发明第一实施例制造三维物体的一种方法，且是其制造过程的剖视示意图；图2A至2E是与图1A至1E相似的视图，但示出了按照本发明第二实施例制造三维物体的一种方法；图3A至3E是与图1A至1E相似的视图，但示出了按照本发明第三实施例制造三维物体的一种方法；图4是示出了叠合薄片材料的一方法的剖视示意图；图5A至5E示出了叠合薄片材料的另一方法。
图6A至6E是与图1A至1E相似的视图，但示出了按照本发明第四实施例制造三维物体的一种方法；图7示出了按照本发明的第五实施例制造三维物体的一种方法，且是其制造过程的剖视示意图；图8A至8B是薄片材料的不同叠合模式的剖视示意图；图9是薄片材料的另一叠合模式的剖视示意图；图10是薄片材料的又一叠合模式的剖视示意图；图11是薄片材料的又一叠合模式的剖视示意图；图12是薄片材料的又一叠合模式的剖视示意图；图13A至13C是薄片材料的又一叠合模式的剖视示意图；图14示出了按照本发明的第六实施例制造三维物体的一种方法，且是其制造过程的剖视示意图；图15A和15B是薄片材料的剖视示意图，且示出了其不同的叠合模式；图16A和16B是薄片材料的剖视示意图，且示出了其另一不同的叠合模式；图17示出了按照本发明的第七实施例制造三维物体的一种方法，且是其制造过程的剖视示意图；图18是薄片材料的另一叠合模式的剖视示意图；图19示出了按照本发明的第八实施例制造三维物体的一种方法，且是其制造过程的剖视示意图；图20A至20C是薄片材料的比较叠合模式的剖视示意图；图21A至21C是图19所示方法中的薄片材料的叠合模式的剖视示意图；图22A至22C是薄片材料的剖视示意图，特别示出了粉末材料的填充和硬化过程；图23是薄片材料的另一叠合模式的剖视示意图；图24A和24B分别是连接部分被去除之后和之前具有形成在其内的一岛的薄片材料的俯视图；图24C和24D分别是图24A和24B所示的薄片材料被叠合之后的侧视图；图25A、图25B和图25C分别是连接部分被去除之后和之前、以及在薄片材料的定位过程中一不同薄片材料的俯视图；图26A是另一薄片材料的俯视图；图26B是图26A所示的薄片材料在其定位过程中的剖视示意图；图27A和27B是不同的薄片材料在其定位过程中的剖视示意图；图28A和28B是另一不同薄片材料在其定位过程中的剖视示意图；图29A至29C是另一定位过程的剖视示意图；图30是另一些不同薄片材料在其定位过程中的剖视示意图；图31A和31B仍是另一些不同薄片材料在其定位过程的剖视示意图；图32A和32B仍是另一些不同薄片材料在其定位过程的剖视示意图；图33A至33F是说明另一薄片材料的定位过程的剖视示意图；图34A至34F是与图33A至33F相似的视图，但示出了一不同薄片材料的定位过程；图35A至35C是薄片材料在其定位过程中的俯视图；图36A和36B是另一些不同薄片材料在其定位过程中的剖视示意图；图37是当形成定位突出物时、图36A所示的其中一层薄片材料的侧视示意图；图38A至38E是薄片材料的剖视示意图，示出了包括最后机械加工过程的所有步骤；图39A至39E分别是对应图38A至38E的薄片材料的立体示意图；图40A至40D是不同薄片材料的剖视示意图；图41A是具有低熔点芯部的成型物体的剖视示意图；图41B是图41A所示的成型物体的比较性例子的剖视示意图；图42A是构成了图41A所示芯部的薄片材料的剖视示意图；图42B和42C是图42A所示薄片材料的俯视图，具体示出了不同的激光照射模式；
图43是一不同成型物体的剖视示意图；图44A是另一不同成型物体的剖视示意图；图44B是图44A所示成型物体的水平剖视示意图；图45是另一成型物体的剖视示意图；图46A至46E是另一成型物体制造过程的剖视示意图；图47是另一成型物体的剖视示意图；图48是与图47相似的视图，但示出了另一成型物体；图49A和49B示出了按照本发明第九实施例制造三维物体的一种方法；图50A是用以制造三维物体的一传统装置的立体图；图50B是通过图50A所示的传统装置彼此叠合在一起的硬化层的立体图。
本申请是以1999年3月25日在日本递交的第11-82309号申请为基础，其内容引述在此，以供参考。
图1A至1E示出的是按照本发明第一实施例制造三维物体的一种方法，其中通过连续地层压坚硬粉末材料1的硬化层2得到了一个三维物体。按照该方法，首先需要被埋入一目标物体的一构件或芯部3(此后将该构件称为埋置件)被放置在垂直可活动板5上，而后将粉末材料1填充在埋置件3的周围。此后，粉末材料在埋置件3的周围被硬化，以与其形成一体。粉末材料1的填充和硬化随着垂直可活动板5的向下运动重复进行，由此连续地层叠上硬化层2。
具体讲，埋置件3被放置在由侧壁4围绕的板5上，板5以每次L的长度逐渐下降，这对应从侧壁4的上边缘每个硬化层2的厚度，由此在板5每次下降时粉末材料1被填充或者被填充且硬化进入侧壁4围绕的空间7中。
如图1A所示，埋置件3预先被放置在板5上，如图1B所示，板5下降一长度L，长度L等于硬化层2的厚度。此后，如图1C所示，粉末材料1填充在侧壁4围绕的空间7中。与侧壁4的内表面成紧密接触状态滑动的一滑动触头11被安装在板5的外周表面上，不会泄漏粉末材料1的空间7从侧壁4的上边缘6形成一预定深度(尺寸为L)。
接着，如图1D所示，光束12仅照射在埋置件的邻近外区域，以硬化粉末材料1。此时，硬化层2与埋置件3的外侧表面成为一体。作为光束12，照射诸如激光或定向的能量束之类的束流，粉末材料1通过烧结被硬化。粉末材料1可以是有机材料例如树脂，或者是无机材料例如金属，当只有必需部分选择地被上述光束12烧结时，才可完成高效、可靠的硬化。此外，从粉末材料1被硬化且与埋置件3结合在一起的事实可以得出，埋置件3的特性较佳地与粉末材料1相同。但是，也可以采用单独的、成本低且具有较高强度的材料。
重复图1B至图1D的步骤，最后直至图1E，完成了成型的物体。在该情况下，通过硬化和层叠的金属粉末材料1可制造金属零件或金属模子或者类似物，而使用树脂粉末材料则可以制造树脂零件。而且，还可以制造混有有机材料和无机材料的成型物体或零件。
因此，通过以高密度形成坚固的埋置件3，可以制造具有较高强度的成型物体。而且，只有在埋置件3邻近处的外部区域的粉末材料1需要作为层结构连续地硬化，此时，提供硬化的光束12扫描过程中的扫描数据量在成型物体的轮廓线内有所减少，由此减少了扫描时间。即使形状较复杂，也能达到减少其成型时间的效果。此外，依据减少了硬化的粉末材料1的量这一事实，防止了硬化过程中因收缩造成的变形，可制造较高精度的成型物体。
而且，埋置件3每次下降等于硬化层2厚度的一个长度L，同时硬化层2在其周围连续地被层叠，所以可形成一最优的制造装置，其中在每次硬化后，可容易地填充粉末材料1，同时，照射在其上的光束12的距离设定等变得容易了。因为板5从侧壁4的上边缘每次下降等于硬化层2厚度的一长度L，对应长度L，可精确地填充粉末材料1的量。
图2A至2E示出了按照本发明的第二实施例制造三维物体的一种方法。其中多层薄片材料8叠层在一起，以形成一埋置件3。在该情况下，每层薄片材料8是无机材料或有机材料，在它们被叠层且结合成一体后，将其放置在板5上。
因此，即使目标物体的形状较复杂，可通过埋入其内的埋置件3的使用来容易地制造，通过叠层薄片材料8可得到埋置件3。应注意到，除了这一点，该结构与图1A至1E示出的实施例相同。
图3A至3E示出了按照本发明第三实施例制造三维物体的一种方法，其中在形成每个硬化层2之前，一薄片材料8放置在板5上或另一薄片材料8上，以形成埋置件3。在该情况下，薄片材料8被切成预定的形状，其厚度尺寸大约等于相当于硬化层2厚度的尺寸L。尽管每层薄片材料8在板5下降尺寸L之前被放置到板5上，薄片材料8也可以在板5下降后被放置到板5上。即，图3A和3B的步骤可以互换。
在该情况下，因为在形成埋置件3之前，不需要所有的薄片材料8叠层和结合在一起，可在形成硬化层2之前简单地通过薄片材料8的连续叠层布置制造埋置件3。埋置件3不会对粉末材料1的填充造成阻碍。而且，埋置件3不会从填充的粉末材料1向上突出，因此，它不会妨碍粉末材料1的硬化操作，其中粉末材料1上照射有光束12。应注意到，除了这一点，该结构与上述图2A至2E所示的实施例相同。
在上述的实施例中，如图4所示，粉末材料1填充在薄片材料8的周围，并且没有粉末材料1夹在薄片材料8之间。在该情况下，薄片材料8的边缘表面之间的间隙被粉末材料1的硬化层2插入且牢固地连接在一起，由此防止薄片材料8边缘表面的弯曲变形。而且，因为连接部分较小，热应变等类似的影响也较小，所以可生产具有较高精度形状的结构。
此外，如图5A至5D所示，粉末材料1可涂覆且夹持在薄片材料8之间，通过薄片材料8之间的粉末材料1的熔接和烧结，可将薄片材料8彼此连接在一起。在该情况下，如图5A和5B所示，粉末材料1首先被涂覆在薄片材料8的底层表面上。如图5C所示，而后薄片材料8的上层被放置在连接粉末层13上，如图5D所示，一光束12例如激光从上面通过上层薄片材料8照射在连接粉末层13上。这样做，就熔化或烧结了连接粉末层13，以连接薄片材料8的上下层。
在该情况下，提高了薄片材料8之间的连接强度，以增加成型物体的机械强度。如果应用了比薄片材料8熔点低的粉末材料1，可完成该成型过程，而不会因薄片材料8上的光束12的热效果造成损坏。因此，获得了一种高精度的成型物体，其中在薄片材料8中没有产生变形或扭曲。
图6A至6D示出了按照本发明第四实施例制造三维物体的一种方法，其中粉末材料1填充到设置在每个叠层薄片材料8中的通孔9中，薄片材料8通过硬化粉末材料1结合在一起。在该情况下，如图6A和6B所示，从上面看，薄片材料8具有多个界定在其内的通孔9，粉末材料1填充在薄片材料8的周围且也填充在通孔9中，如图6C所示，一光束12例如激光从上面照射薄片材料8，以硬化填充在薄片材料8周围和通孔9中的粉末材料1。重复图6A至6C的步骤，最后直至图6D，完成了该成型物体。
因为薄片材料8通过填充在通孔9中的粉末材料1的硬化进行连接，所以增加了薄片材料8之间的连接强度，且防止因在粉末材料1的硬化过程中的热效果造成薄片材料8的扭曲，使得可能提供一高强度和高精确度的成型物体。应注意到，除了这一点，该结构与图3A至3E所示的实施例相同。
图7示出了按照本发明第五实施例制造三维物体的一种方法，其中通孔9穿过薄片材料8。在该情况下，穿过薄片材料8的通孔9形成在多个位置。
在该情况下，因为薄片材料8通过填充在通孔9中的粉末材料1的硬化连接在一起，而通孔9完全穿过薄片材料8，薄片材料8彼此精确地定位且无侧向偏移地连接在一起，使得可能进一步提高成型物体的精确度和强度。应注意到，除了这一点，该结构与图6A至6D所示的实施例相同。
如图8A和8B所示，通孔9可以是倾斜的。更确切地如图8A所示，位于薄片材料8每一层的通孔9可沿交替和不同的方向倾斜，或者如图8B所示，位于薄片材料8的多层的通孔9可沿交替和不同的方向倾斜。在该情况下，沿薄片材料8重叠的方向，薄片材料8难以彼此分开，进一步提高了成型物体的强度。
此外，如图9所示，在穿过薄片材料8的两相邻层的两个通孔9中，上侧的通孔9b可用作为填充且硬化在下侧通孔9a中的粉末材料1的排放孔。在该情况下，当填充在下侧通孔9a中的粉末材料1被硬化时，因为由所述粉末材料1的凝聚所导致的增加的扭曲通过上侧通孔9b散逸且被吸收，可改进薄片材料8之间的粘着特性。
如图10所示，两相邻的薄片材料8可具有通孔9c，通孔9c不与通孔9a和通孔9b相通，而通孔9b与通孔9a相通。在该情况下，使用彼此相通的两通孔9b、9a可完成横过薄片材料8的定位，同时通过不与通孔9a相通的通孔9c可增加薄片材料8之间的粘着强度。
另外，如图11所示，穿过薄片材料8的通孔9的孔直径在薄片材料8的各层中可以不同。在该情况下，上下通孔9c和9a形成有较大的直径，而中间的通孔9b形成有较小的直径。此外，如图12所示，斜面设置在穿过上下层薄片材料8的通孔9b、9a的各个开口边缘上。在该情况下，沿薄片材料8重叠的方向，薄片材料8很难彼此分离，使得可能进一步提高横过薄片材料8的粘着强度。
而且，如图13A至13C所示，通孔9可以是锥形的。更确切地如图13A所示，粉末材料1在其内填充且硬化的低侧通孔9a和形成排放孔的上侧通孔9b可以形成为具有相同倾斜度和相同尺寸的锥形孔。另外，如图13B所示，穿过多层的通孔9可以形成为具有相同倾斜度和相同尺寸的锥形孔。另外，如图13C所示，穿过多层的通孔9通过其尺寸的连续改变可形成为具有连续侧表面的锥形孔。在多个通孔9中，它们其中一些的锥形方向可相对其他通孔的锥形方向颠倒。在该情况下，沿薄片材料8的重叠方向，薄片材料8难以彼此分离，提高了薄片材料8之间的粘着强度。而且，方便了定位。
图14示出了按照本发明第六实施例制造三维物体的一种方法，其中薄片材料8的厚度是变化的，且被设定成在埋置件3的外侧表面的倾斜度K较为陡峭的位置(倾斜度K接近竖直方向的位置)较厚，在倾斜度K较为平缓的位置(倾斜度K接近水平方向的位置)较薄。在该情况下，如图15A所示，薄片材料8在倾斜度K接近竖直方向的位置制造得较厚，并且减少了叠层的数量，使得可能减少成型时间。相比之下，如图15B所示，薄片材料8在倾斜度K接近水平方向的位置制造得较薄，产生在其边缘的水平差别变得较小，使得可能平滑地精整成型物体的表面。
而且，如图16A所示，薄片材料8可一体地形成在每一层，并且其厚度可以制作得一致，同时如图16B所示，多层薄片材料8可一体地形成在特定的位置，其厚度可制作得不同。应注意到，除了这一点，该结构与图3A至图3E所示的实施例相同，因此，提供了相同的效果。
图17示出了按照本发明的第七实施例制造三维物体的一种方法，其中固化的粉末层10夹在薄片材料8之间。在该情况下，固化的粉末层10被放置在薄片材料8的位置，提供了薄片材料8上下侧的牢固连接。
因此，即使薄片材料8的叠层表面的形状精细复杂，例如，即使切割的形状较复杂，并且产生了大量的单独区域的独立轮廓线，固化的粉末层10可选择地或适当地形成在薄片材料8的位置，方便了复杂物体的制造。
如图18所示，可形成具有不同厚度的多个固化的粉末层10。在该情况下，为了得到固化的粉末层10，粉末材料1的涂抹和硬化简单地重复多次就足够了，这比改变薄片材料8的厚度简单，并且不需要特殊的机构或装置。应注意到，除了这一点，该结构与图3A至3E所示的实施例相同。
图19示出的是按照本发明第八实施例制造三维物体的一种方法，其中当埋置件3具有位于薄片材料8的外侧表面上的台阶部分时，粉末材料1填充且硬化在台阶形状的凹进处，由此其上表面可沿台阶的倾斜形成一锥形。尽管在图21A至21C所示的情况下水平差异相当大，如图21A至21C所示，可沿台阶的倾斜度K将其减小。在此，图20A和21A示出了整体形状，图20B和21B示出了照射光束12以硬化粉末材料1的状态，图20C和21C示出了粉末材料1已硬化的硬化层2。
在该情况下，埋置件3的台阶形外侧表面形成了锥形，通过硬化填充在台阶部分的凹进处中的粉末材料1，该锥形近似倾斜度K，使之可能平滑地精整成型物体的表面。而且，当进行抛光时，需要刮削或除去的量减少了，因此缩短了精整时间。
可有效地利用一激励器(exciter)使已填充到台阶部分的凹进处中的粉末材料1的上表面形成锥形。例如，如图22A和22B所示，填充粉末材料1之后，提升板5，并且振动传递至那儿，不需要的粉末材料1被抖落，由此可将其上表面形成锥形。在该情况下，如图22A所示，在板5下降至一预定位置的状态，粉末材料1填充到侧壁4围绕的空间7中，接着，如图22B所示，将板5提升至最高位置且振动，所以不需要的粉末材料1被抖落，粉末材料1的上表面形成了锥形。此后，如图22C所示，板5下降至一预定位置，在此状态，光束12照射围绕薄片材料8的粉末材料1，以形成硬化层2。应注意到，除了这一点，该结构与图3A至3E所示的实施例相同。
按照本发明，通过照射光束或定向的能量束，粉末材料1由于烧结而被硬化，并且薄片材料8被切成预定的形状。通过以该方式接受光束，可完成局部极精确的硬化，而不会因热量在薄片材料8上产生不想要的效果。而且，光束可精确且自由地扫描，以配合轮廓线形状。
此外，当制造盒形的物体时，如图23所示，切削薄片材料8，使填充粉末材料1的一空间形成在每层薄片材料8的边缘部分。即，薄片材料8的最下层可以是与成型物体相符的(所需尺寸A)形状，但是考虑到填充到其边缘部分中的粉末材料1的量，其他薄片材料8被切得稍微小一些，由此确保了一空间(填充部分尺寸B)。在该情况下，薄片材料8的边缘部分牢固地连接在一起，可得到高精度的成型物体，该成型物体构成了具有所需尺寸A的预定盒形。
如图24A至24D所示，如果具有独立轮廓线的一独立区域或一个岛14呈现在薄片材料8的叠层表面中，那么薄片材料8被切割且形成具有连接部分15的形状，连接部分15用以将岛14连接在本体上。在该情况下，在薄片材料8叠层后，或者在制造完成成型物体后，连接部分15被切除，如图24A和24D所示。其结果是，当运输切割的薄片材料8时，因为岛14通过连接部分15与本体成为一体，如图24B所示，运输非常容易。此外，如图24C所示，当叠层薄片8时，依靠岛14与本体之间的一体结构，可容易地完成定位。
如图25B至25C所示，薄片材料8被切成具有一体形成在其上的定位侧边16的形状。对于该结构，通过使定位侧边16与定位钉17相接触，可容易地完成薄片材料8的定位。在该情况下，如图25B所示，彼此垂直的定位侧边16与岛14一起借助于连接部分15连接在本体上，如图25C所示，薄片材料8通过使两个定位侧边16与至少三个定位钉17相接触来适当地定位，以接着进行叠层和连接。最后，如图25A所示，所有的连接部分15和定位侧边被切除。应注意到，定位钉17可安装在板5上，以从那儿突出。
可以图26A和26B所示的方式进行薄片材料8的定位。更确切地，薄片材料8被切成在其整个周边具有定位侧边16的形状，通过使定位侧边16与侧壁4的内壁表面相接触来进行薄片材料8的定位。图26A所示的薄片材料具有围绕本体的四个定位侧边16和一个岛14，定位侧边16和岛14都借助于多个连接部分15连接于本体。在各薄片材料8被叠层且连接在一起之前，通过使定位侧边16的外侧表面与侧壁4的内壁表面相接触来将它们定位，如图26B所示。应注意，所有的连接部分15和定位侧边应被切除。
当以图25A至25C或者以图26A和26B所示的方式进行薄片材料8的定位时，定位操作很容易。而且，将要填充粉末材料1的区域制作得较小，因此，可以减少粉末材料1的量。其结果是，可获得高精度的成型物体。
如图27A和27B所示，可以使用具有推动件19的推动驱动器18来进行薄片材料8的定位。在定位过程中，由推动驱动器18控制前进和后退的推动件19与薄片材料8的外边缘保持接触。在此，图27A示出了定位过程中的状态，而图27B示出了定位释放状态。
如图28A和28B所示，通过将一活动式销钉21插入到界定在薄片材料8中的定位孔，可进行薄片材料8的定位，活动式销钉21是由销钉驱动器20控制前进和后退的。图28A示出了定位过程中的状态，而图28B示出了定位释放状态。当以该方式定位薄片材料8时，照射的光束精确地沿着薄片材料8的轮廓线扫描，在薄片材料8之间进行良好的粘合，以提高粘着强度且改进成型物体的精度。
如图29A至29C所示，通过将一活动式销钉21插入到设置在薄片材料8中的定位孔22中，可进行薄片材料8的定位，活动式销钉21安装在竖直可活动的板5上，以与其一起运动。在该情况下，在轻松定位薄片材料8的同时，重复图29A和29B所示的步骤和将光束12照射到粉末材料1上以形成硬化层2的步骤，直至图29C，完成该成型物体的制作。作为埋置件3的一部分，活动式销钉21保持插入在该成型物体中。
如图30所示，活动式销钉21的端部可以是填缝的(扩展部分23)。
另外，如图31A所示，粉末材料1填充到最上层的薄片材料8的定位孔22中，且被硬化以与活动式销钉21的端部结合在一起(硬化部分24)。在该情况下，如图31B所示，最上层的薄片材料8的定位孔22可以是斜切的(斜切部分25)。这样做，使薄片材料8很难与活动式销钉21相分离，由此增加了薄片材料8的叠层方向中的强度。
当通过将活动式销钉21插入到设置在薄片材料8中的定位孔22中，完成了薄片材料8的定位时，活动式销钉21可插入到整个薄片材料8中，如图32A所示，或者多个活动式销钉21中的每一个可仅插入在两相邻的(上和下)薄片材料8中，如图32B所示。
如图33A至33F所示，活动式销钉21可形成在下层薄片材料8上，以从那儿突出。
更确切地，如图33A所示，首先将粉末材料1涂覆在薄片材料8的上表面上，如图33B所示，而后一圆点形的光束12可选择地照射在粉末材料1上以有效地硬化，以形成活动式销钉21。此后，如图33C所示，除去仍旧未硬化的粉末材料1，致使活动式销钉21从薄片材料8的上表面突出，如图33D所示，通过将活动式销钉21插入到上层薄片材料8中的定位孔22中，另一薄片材料8被放置且合适地定位在下层薄片材料8上。而后如图33E和33F所示，填充单独的粉末材料1，一光束12照射在上层薄片材料8周围的粉末材料1上，以形成硬化层2。重复这些步骤，直至获得目标物体。
在该情况下，不需要单独的活动式销钉，依据定位孔22可自由地确定活动式销钉21的形状和尺寸。此外，在薄片材料8的叠层过程中，可容易地增加沿薄片材料8的叠层方向的强度。
可以图34A至34F和图35A至35C所示的方式进行薄片材料8的定位。通过使上层薄片材料8的外边缘与形成在下层薄片材料8的上表面上的定位条26相接触，可合适地相对彼此定位两层薄片材料8。
更确切地，如图34A所示，首先将粉末材料1涂覆在下层薄片材料8的上表面上，如图34B所示，直线光束12照射粉末材料1的预定部分，以有效硬化且形成定位条26。如图34C和图35A所示，除去仍旧未硬化的粉末材料1，致使定位条26从薄片材料8的上表面突出。此后，如图34D和图35B所示，另一薄片材料8叠加在具有定位条26的薄片材料8上。此时，上层薄片材料8的外边缘与定位条26保持接触，由此相对彼此定位两层薄片材料8。而后，如图34E和34F以及图35C所示，填充单独的粉末材料1，光束12照射除了已形成有定位条26的那些部分、围绕上层薄片材料8的粉末材料1，由此形成硬化层2。重复这些步骤，直到获得目标物体。
在该情况下，也不需要单独的定位条，可自由地确定定位条26的形状和尺寸。此外，可容易地增加薄片材料8沿叠层方向的强度。
如图36A和36B所示，通过将形成在薄片材料8下表面上的凸起27引入下层薄片材料8的上表面中的凹进中，可定位薄片材料8。在该情况下，如图37所示，凸起27和凹进可通过使用竖直运动冲头的一处理器28、对着每层薄片材料8的上表面推压该冲头来形成。
如图38A至38E和图39A至39E所示，作为通过烧结将所有预定的粉末材料1硬化之后的最后步骤，在成型物体的上表面上可进行机械加工。在该情况下，以下以图38A至图38E和图39A至图39E的次序讨论所有的步骤。
首先，如图38A和39A所示，围绕一滚子卷绕的金属薄片材料8被展开，一光束12照射在上面以形成通孔9(用于粘着的孔)，并且将其切成具有预定轮廓线的形状。接着，将被切成预定形状的薄片材料8放置在侧壁4围绕的板5上。而后，如图38B至38D和39B至39D所示，从上面将粉末材料1填充在薄片材料8周围和通孔9中，光束12从薄片材料8的上面照射，以硬化填充在薄片材料8周围和通孔9中的粉末材料1，如图7所示的实施例。如果重复这些步骤两次，就完成了一个两层的成型物体。
在该情况下，光束12是从一激光发射装置A发射出的，粉末材料1是通过一材料供给装置B提供和填充的，并且粉末材料1通过光束12的照射被烧结和硬化，以借助于轮廓线部分和通孔9将薄片材料8结合在一起。此外，如图38E和图39E所示，作为最后一个步骤在成型物体的上表面上进行机械加工。这样做，使硬化的粉末材料1从该成型物体的上表面突出的那些部分(围绕薄片材料8和通孔9中的硬化层2)被一加工装置C切除。
在上述的实施例中，可将不同的材料用作埋置件3和粉末材料1。例如，铁或钢板可用作埋置件3，而硬化之后变得比埋置件3还要硬的陶瓷粉末或坚硬金属粉末用作粉末材料1。在该情况下，以图40A至40D所示的方式制造成型物体。
更确切地，如图40A所示，首先将具有定位销钉30的一基板29放置在可竖直活动的板5上，而后薄片材料8被放置在基板29上，且通过定位销钉30合适地定位。此后，降低板5，所以薄片材料8的上表面可与侧壁4的上边缘相水平，粉末材料1填充在基板29和薄片材料8的周围，如图40B所示。当光束12照射到薄片材料8邻近处的粉末材料1之后，如图40C所示，再将板5降低等于下一层薄片材料厚度的一长度L，下一层薄片材料放置在基板29上的薄片材料8上。在通过硬化层2将所需数目的薄片材料8叠层且结合在一起之前，重复进行这些步骤。
在该情况下，但是，硬化层2也形成在最上层薄片材料8的上表面上，所以埋置件3可完全被硬化层2盖住，如图40D所示。基板29与埋置件3或粉末材料1可以是相同材料。
按照该方法，可容易地制造具有较高表面硬度的成型物体，例如切削刀具、研磨工具等等。
另外，熔点比粉末材料1低的纸、塑料树脂、铝或者类似物可用作埋置件3，而以铁或铜为基础的粉末可用作粉末材料1。在该情况下，薄片材料8仅起到支承粉末材料1的作用。因此，粉末材料1没有填充在埋置件3的内部，而仅填充在埋置件3的周围。
在该情况下，确定埋置件3的形状，使其完全被硬化的粉末材料2覆盖，如图41A所示。如果埋置件3没有或即使局部被硬化的粉末材料2覆盖，在成型的过程中很容易使某些薄片材料8熔化，导致了成型物体的变形。
因为埋置件3具有比粉末材料1低的熔点，比硬化粉末材料1的光束能量密度低的一光束可用于牢固地连接相邻的薄片材料8，如图42A所示，由此避免薄片材料8之间不够良好的粘着。
图42B示出了一种方式，其中一光束12从上层薄片材料8之上连续地扫描，以熔化和连接相邻的薄片材料8，而图42C示出了另一种方式，其中光束12离散地或不连续地扫描，以选择地熔化和连接相邻的薄片材料8。另外，光束12可首先离散地照射在上层薄片材料8上，以局部连接相邻的薄片材料8，而后连续地照射以完全连接它们。另外，也可将超音速的振动传递给相邻的薄片材料8，以连接它们。
因为可以减少连接薄片材料8所需的连接能量，所以可以使用比粉末材料填充的厚度更厚的薄片材料，使得可能缩短成型时间。
如果埋置件3的熔点比粉末材料1的熔点低，那么可从硬化的粉末材料2中除去埋置件3。
在该情况下，刚开始成型后，仅用粉末材料1形成几层，以形成成型物体的所需厚度的底壁。粉末材料1的硬化完成之后，一通孔31形成在底壁中，如图43所示。这样做，通过加热成型物体以熔化或烧去埋置件3，或者使用化学品溶解埋置件3，通过通孔31可从硬化的粉末材料2中除去埋置件3。
不在成型物体的底壁中形成通孔31，而用埋置件3形成底壁的一部分。在该情况下，就不需要后来形成通孔31。
为了防止去除埋置件3后成型物体的变形，如图44A和44B所示，可将埋置件3设计成使多个条32形成在成型物体的内部。
图45示出了一个模子，它是去除埋置件后成型物体的一个典型例子。该模子具有用于冷却的水或空气通道，这些通道是通过从成型物体中去除埋置件形成的。
采用这种配置，就可容易地制造具有空腔或复杂内部结构的成型物体，例如铸件，或者可以减小成型物体的重量。
再次参见图43，一熔化的金属或流体材料(凝结物、树脂等等)可借助于通孔31填充到中空的物体中，以获得100％的内部密度。如果将铜填充到中空的物体中，则增加了其热传导性，如果填充至其内的是铝，不但可增加其热传导性，而且可减轻其重量。通过将电阻材料填充至中空的物体中，可以制造一加热器。而且，通过将凝结物填充至中空的物体中可以制造泡沫塑料模。此外，通过在其内填充高聚树脂可以制造具有热储存效果的成型物体。
图46A至46E示出了制造一叠层回路(circuit)的一种方法，该方法类似于图3A至3E所示的方法。
如图46A所示，传导性的薄片材料8已放置到板5上以后，将板5降低对应该传导性薄片材料8厚度的一长度L。如图46B所示，而后将一绝缘的粉末材料1填充在传导性薄片材料8周围的一空间内，使用一粉末涂抹装置34选择地在传导性薄片材料8的上表面涂覆绝缘粉末材料1。此后，如图46C所示，一光束12照射该传导性薄片材料8周边附近的绝缘粉末材料1，由此形成了硬化层2，如图46D所示，板5下降长度L，同时下一传导性薄片材料8放置在第一传导性薄片材料8的上表面上。而后，如图46E所示，光束12照射上层的传导性薄片材料8，以将上下层的传导性薄片材料8连接在一起。重复图46B至46E的步骤多次，得到了如图47所示具有三维回路的叠层回路结构。
铜薄片较佳地用作传导性薄片材料8，而树脂粉末较佳地用作绝缘粉末材料1。
按照该方法，可容易地制造三维回路，而不需要例如电镀等湿过程。而且，该方法不需要印刷形成绝缘层的保护膜的印刷过程、水洗过程、去除不需要的铜的过程等等。另外，因为不需要印刷薄膜，因此可在更短的时间内制造回路。
图48所示的是另一叠层回路，该回路具有埋入其内的冷却管35。尽管在图48中，冷却管35埋入在硬化层2中，它们也可以埋入在传导性薄片材料8中。在冷却管35的位置，也可以埋入一个或多个加热器。
图49A和49B示出了按照本发明第九实施例制造三维物体的一种方法，其中该三维物体是用硬化层2形成的。
更确切地，如图49A所示，首先将具有切口36的薄片材料8放置且合适地定位在板5上，而板5下降对应薄片材料8厚度的一长度L，而后，将树脂粉末1填充在薄片材料8周围的一空间和切口36中。此时，对填充在切口36中的粉末材料1施加压力，以增加其密度，接着光束12照射切口36中的粉末材料1，以形成硬化层2。通过重复这些步骤，获得了被薄片材料8围绕的一成型物体，如图49B所示。成型之后，通过移去薄片材料8将该成型物体取出。
按照该方法，可容易地制造具有双重结构的任何三维物体，例如钟形物或具有伸出物的那些物体，因为薄片材料8起到支承粉末材料1的作用，或者防止成型物体的变形。而且，可以减轻成型物体的侧表面或伸出物的下表面的不平整度，由此提高了成型物体的表面精度。即，设置在粉末材料边侧或伸出物之下的薄片材料可防止不必要的粉末材料因热传导而被硬化。在省去薄片材料8的情况下，即使没有照射到光束12，接近照射有光束12的部分的粉末材料因热传导而被熔化，加剧了表面粗糙程度。
尽管结合附图通过举例已详尽描述了本发明，在此应注意到，各种变化和改型对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，除非这些变化和改型脱离了本发明的精神和范围，它们将被视为包括在其内。
权利要求
1.制造三维物体的一种方法，包括以下步骤(a)围绕一芯部填充粉末材料，以形成一粉末材料层；(b)在该粉末材料层上选择地照射光束，以形成与芯部结合在一起的一硬化层；(c)重复步骤(a)和(b)，以围绕芯部形成多层硬化层，由此制造其内埋有芯部的三维物体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该芯部包括在步骤(a)和(b)之前叠合在一起的多层薄片材料，每层薄片材料可以是有机材料或无机材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该芯部包括叠合的的多层薄片材料，每层薄片材料可以是有机或无机材料，且在步骤(a)之前被叠合。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于多层薄片材料的每一层具有一通孔，粉末材料填充在该通孔中且被硬化，以结合相邻的薄片材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于该通孔延伸通过所有的薄片材料。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于该通孔是倾斜的。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于在步骤(b)之后还包括一步骤，即在每层薄片材料上涂覆粉末材料，一光束照射在其上，以结合相邻的薄片材料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该粉末材料具有比薄片材料低的熔点。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于每层薄片材料具有借助于多个连接部分与之相连的一独立区域，该连接部分在成型过程中或成型之后被除去。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于该粉末材料填充在形成在每层薄片材料的一边缘部分的一空间中。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于多层薄片材料通过至少一个定位件而合适地定位。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于该定位件是被一独立装置驱动的可活动的构件。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于该定位件至少形成在多层薄片材料的其中一层上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于该定位件是通过在涂覆在至少一层薄片材料上的粉末材料上照射光束形成的。
15.如权利要求3所述的方法，其特征在于多层薄片材料通过形成在其上的突出物合适地定位。
16.如权利要求3所述的方法，其特征在于每一层薄片材料具有与其形成一体的一定位片，该定位片在定位过程中与独立的定位件相接触。
17.如权利要求3所述的方法，其特征在于多层薄片材料的厚度是变化的。
18.如权利要求3所述的方法，其特征在于一固化粉末层夹在相邻的薄片材料之间。
19.如权利要求3所述的方法，其特征在于填充在每层薄片材料周围的粉末材料层具有通过振动形成的一锥形上表面。
20.如权利要求3所述的方法，其特征在于芯部和粉末材料是用不同的材料制成的。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于从多层硬化层中取出该芯部，由此在其内形成了一空腔。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于一熔化的或流体材料填充在该空腔中。
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于该芯部是用导体材料制造的，而粉末材料是用绝缘材料制造的。
全文摘要
通过围绕一芯部填充且硬化粉末材料来制造三维物体。首先周绕芯部填充粉末材料且使其成为层状,而后将一光束选择地照射在粉末材料层上,以形成与芯部结合在一起的一硬化层。重复这些步骤,直至形成围绕芯部的多层硬化层,由此制造其内埋有芯部的三维物体。
文档编号B29C33/30GK1334158SQ0012038
公开日2002年2月6日 申请日期2000年7月14日 优先权日2000年6月16日
发明者东喜万, 吉田德雄, 不破熏, 内野野良幸 申请人:松下电工株式会社