专利名称：通过自由实体造型制造物体的方法和系统的制作方法
背景技术：
自由实体造型是制造包括最终产品、原型部件以及加工工具的三维物体的方法。自由实体造型是其中通过电子数据描述的物体由基本材料自动逐层制造的附加方法。使用喷墨印刷技术进行多种主要形式的自由实体造型。
在使用印刷技术的一种类型的实体自由造型系统中，多个延伸平面层组合在一起以便形成平面或非平面的三维物体。通过将粘合剂“印刷”或喷射在粉末或浆体块材的平面层上来制造部件。在喷射粘合剂之处，粉末固化层形成物体的截面。这种印刷逐层进行，其中每层表示最终所需产品的另一截面。相邻的印刷层以预定图案相互粘接，以便形成所需产品。
除了在制造腔室内由粉末有选择地形成所需物体的每层之外，该系统还可在物体的每层上印刷一种色彩或彩色图案。通常，粘合剂是彩色的，使得粘合和着色的功能结合在一起。
例如，喷墨印刷技术可用于多种不同彩色油墨从印刷头的喷射中有选择地喷射并在例如粉末层的制造材料上混合，以便提供全谱色彩。在每个单独层上，传统两维多通印刷技术和半调色算法可用来隐藏印刷缺陷并实现所需宽范围的彩色色度。
在使用印刷技术来将粘合剂添加到粉末中的现有自由实体造型系统中，粘合剂的液滴通常相对大，以便使得粘合剂尽可能流动。粘合剂流动是在给定时间期间内如何使用粘合剂的方式。较高的粘合剂流动造成自由实体造型系统的较高的制造速度。
但是，使用大液滴的粘合剂使其难以或不能形成小的结构和平滑表面。所制造的物体可以认为是由与粘合剂液滴相对应的体素、三维团块组成。最小的体素可以由粉末尺寸或粘合剂液滴来限制。由于当前自由实体造型工具使用大的液滴，体素尺寸的限制因素通常是粘合剂液滴的体积。
因此，为了形成具有细小结构的物体，现有自由实体造型系统在整个物体上使用小粘合剂液滴。同时使用小液滴可有助于在物体上添加细节，并提供更加平滑的表面光洁度，减小油墨/粘合剂流动造成机器较慢的生产率和较长的制造时间。
发明内容
在许多可能实施例的一个实施例中，通过自由实体造型制造物体的方法最好包括喷射不同体积的液滴以便形成物体的一个层。
附图表示本发明的多个实施例并作为说明书的一部分。所述实施例只是本发明的实例，并不限制本发明的范围。
图1表示使用印刷方法制造所需产品的自由实体造型系统，本发明的一个实施例可以用于图1所示的系统中；图2a表示通过单体积液滴尺寸制造的物体，其中表示与制造材料接触之前的单体积液滴；图2b表示单体积液滴到达制造材料之后的图2a的所制造物体；图3a表示按照本发明的实施例通过可变体积液滴尺寸制造的物体，其中表示液滴和制造材料之间接触之前的物体和可变体积的液滴尺寸；图3b表示可变体积液滴到达制造材料之后的图3a的所制造物体；图4a表示按照本发明的实施例通过单体积液滴尺寸制造的物体的两层的阶梯构造；图4a表示按照本发明的实施例通过可变体积液滴尺寸制造的物体的两层的阶梯构造。
在附图中，相同参考标号表示类似但不需要是相同的元件。
具体实施例方式
这里描述的方法和系统包括最好是印刷技术的技术，以便在自由实体造型系统中形成物体。所描述的方法和系统包括通过使用可变的粘合剂和/或油墨液滴体积，物体可以形成更加需要的表面光洁度。所述的方法和系统还包括通过减小或降低产品各层之间的台阶，使用可变的液滴体积在所制造的产品中形成更加细小的结构。
如整个说明书以及所附权利要求中所使用的那样，术语“可变液滴尺寸”、“可变液滴体积”和类似术语指的是使用两种或多种不同的体积的液滴，其中该体积包括粘合剂、油墨或最好是粘合剂和油墨的组合，以便通过自由实体造型制造物体。另外，术语“小液滴”和“大液滴”用来区分液滴中粘合剂和/或油墨的相对体积，并且不指的是任何特定量的数值。用来粘合和/或着色制造材料层以便制造物体的液滴体积尺寸可以在相同物体内变化。
另外，如整个说明书以及所附权利要求中所使用的那样，术语“油墨”广泛地用来指的是由印刷头喷射以便在所制造物体上标记和/或着色的任何物质。因此，术语“油墨”包括(但不局限于)油墨、印刷流体、色剂、着色剂等。
图1表示一种使用印刷技术的自由实体造型系统。在图1的自由实体造型系统100中，粉末材料用来形成所需产品的每个单独层。为此，由供应腔室首先提供测量数量的粉末。最好结合在运动级103内的辊子将制造腔室102顶部上的粉末分配并压缩成所需厚度。
运动级103还最好包括以两维图案的方式在制造腔室102内将粘合剂或粘接剂沉积在粉末上的印刷头。两维图案是所需产品的截面图。粘合剂或粘接剂可以通过油墨、色剂或其它材料着色，以便为所需产品的特定截面提供所需色彩或彩色图案。
在沉积粘合剂的区域内，粉末变得粘合，由此形成所需产品的一个层。在制造腔室102中通过在前一层的顶部上施加新的一层粉末来重复该过程。接着通过粘合剂或粘接剂将所需产品的另一截面印刷到新的粉末层中。粘合剂还用来将所需产品的相邻或连续层粘合在一起。
这种过程继续直到在制造腔室102内整个物体形成在粉末层内为止。没有被粘合剂粘合的多余粉末被扫离底部或“未成形”物体。用户界面或控制板104设置成使得使用者控制制造过程。
这种印刷过程提供快速制造以及制造材料成本低廉的优点。该过程认为是一种最快速的自由实体造型方法，并可以制造不同颜色的产品。
运动级103的印刷头最好包括用于将粘合剂和/或着色剂喷射到制造粉末层中的喷墨技术。使用喷墨技术，印刷头喷射具有选择图案的油墨和/或粘合剂液滴，以便形成并着色所制造的物体。
但是除了在所制造的物体单独层上使用单体积尺寸的粘合剂和/或油墨液滴之外，液滴体积可以根据需要变化以便制造更加平滑的表面光洁度或者在所制造的物体上制造更加细小的结构。因此，如所述，液滴体积的变化可以特别用于所制造物体的表面或轮廓以及台阶表面中。
如这里所使用那样，术语“台阶”或“形成台阶”广泛地用来表示高度上的变化或阶梯。因此“台阶”包括(但不局限于)位于所制造物体中的垂直或倾斜侧面、曲面、轮廓、边缘、高度变化等。
可变液滴体积的概念是有利的，这是由于它有助于更加平滑的轮廓和表面，并减小台阶尺寸。在形成轮廓、台阶等过程中可以使用较小的液滴，使得这些由制造材料的少量增加而形成的结构与较小的液滴尺寸相对应。因此，复杂的三维物体的台阶不再限制于与大液滴尺寸相对应的较大增量。
如上所述，大液滴尺寸在自由实体造型中用来帮助所使用的粘合剂材料和/或油墨的强力流动。粘合剂的强力流动增加物体制造的速度。这里披露的方法通过使用大液滴尺寸保持快速制造的优点，同时通过使用小液滴尺寸，增加形成更加平滑的表面光洁度的能力，以及更加准确的表面结构。
图2a表示通过使用印刷技术的自由实体造型来制造的通用物体200的截面。图2a所示的截面可以是任何物体或者可以是圆柱形、平面、球形或任何其它形状。如上所述，所示的截面只是出于说明目的。使用这里描述的系统和方法可以制造任何类型或形状的物体。
通用物体200由制造材料层形成，例如粉末202的层。形成通用物体200一部分的粉末层202的部分通过最好是彩色粘合剂或粘接剂的粘合剂或粘接剂结合在一起。如图2a所示，粘合剂作为多个或成组大体积液滴204喷射。成组的大体积液滴204喷射到粉末202的层表面206上。
如图2b所示，当大体积液滴204冲击粉末202的层表面206(图2a)时，形成与大体积液滴204相对应的一系列凹口。每个凹口208通常具有与其相关的相对高的壁210。大凹口208和高壁210造成对于许多制造应用来说不希望的粗糙表面光洁度。但是，大体积液滴204有助于更加快速的制造，这是由于在表面206(图2a)上需要喷射较少的粘合剂液滴。
因此，为了保持快速制造并且同时减小表面粗糙度，可变尺寸的液滴体积最好施加到制造材料上。图3a表示通过使用印刷技术的自由实体造型而制造的另一通用物体300。图3a所示的截面还可用于任何物体，并可以是圆柱形、平面、球形或任何其它形状。所示的截面只是出于说明目的。这里描述的方法和系统可适用于具有任何类型和形状截面的物体。
物体300同样由制造材料制造。按照本发明，制造材料是粉末层302。靠近粉末层302的表面206表示的是具有至少两种不同体积的粘合剂和/或油墨的液滴。所示的可变液滴体积包括介于第二组小液滴305中的第一组大液滴304。
大液滴304和小液滴305之间的间隙不需要相同，但也可以相同。在某些实施例中，大液滴体积304从大约20pl到大约50pl(微微升)。但是在其它实施例中，该范围可以从大约10pl增加到大约200pl。另外，在某些实施例中，小液滴体积305可以从大约5pl到大约20pl。小液滴体积305的尺寸范围可以在某些实施例中从大约1pl到大约50pl。
但是，只要小液滴体积305小于大液滴体积304，小和大液滴体积304和305不局限于任何特定的体积。将理解到其它不同的液滴尺寸还可介于大和小液滴304和305之间，并且该实施例不局限于两种液滴体积尺寸。
喷墨印刷技术提供可以有选择地喷射不同尺寸液滴的印刷头。可以使用控制喷射液滴的体积的任何技术。例如，喷墨印刷头通常使用热或压电元件来从腔室中喷射油墨液滴。排出的液滴尺寸可以通过多种方式来控制，该方式包括控制从中喷射液滴的腔室的尺寸并控制用来喷射液滴的热量和压力。
大体积液滴304可以从分开的成组喷墨喷嘴312或其它喷射装置中喷射。第一组喷墨喷嘴312可以喷射具有单一颜色(例如透明、白色或另一颜色)的粘合剂和/或油墨。在需要彩色制造的情况下，可以具有分开的成组喷墨喷嘴，该喷嘴喷射不同颜色(通常是青色、紫色、黄色、黑色、透明、白色或其组合)的油墨和/或粘合剂。在某些实施例中，产生大液滴304的喷墨喷嘴可以形成在与形成小液滴305的喷嘴分开的印刷头内。在多种实施例中，具有喷嘴312和/或314的印刷头最好在制造材料上运动，有选择地喷射具有选择图案的粘合剂和/油墨。
类似地，每个小体积液滴305可以从在同一或分开的印刷头上的喷嘴314喷射。如果大液滴喷嘴314和小液滴喷嘴312设置在不同的印刷头上，印刷头必须运动，使得小液滴可以在大液滴304的冲击位置之间放置在表面306上。最好是，用于大液滴的喷嘴314和用于小液滴的喷嘴312介于单个印刷头中，如图3a所示。
另外，大和小体积液滴304和305两者可从具有能够有选择地产生不同尺寸液滴的喷嘴的单个印刷头喷射。例如，压电按需喷射的印刷头(PIJ)是可以在市场购得的，并可以从单个孔口内喷射不同尺寸的液滴。
在某些实施例中，用于小液滴的每个喷墨喷嘴314只喷射透明粘合剂或粘接剂，使得所制造的物体300的颜色只受到大液滴304的影响。但是，本发明的其它实施例包括大液滴304和小液滴305的油墨。
如图3b所示，当小体积液滴305(图3a)介于大体积液滴304(图3a)中并冲击粉末层302的表面306(图3a)时，由大体积液滴304(图3a)产生的相应凹口308具有比只使用大体积液滴204(图2a)形成的高壁210(图2b)更低的壁310。最好是喷射小液滴305同时或者随后喷射大液滴304，使得小液滴305可冲击并减小形成在大液滴凹口308之间的壁310。
因此，通过在大体积液滴304之间介入小体积液滴305来减小图2b所示的高壁210。按照图3a-b所示的实施例，小体积液滴305准确地瞄准大体积液滴304之间的表面306的区域。由于在添加小体积液滴时较低的壁310比高壁210(图2b)不太令人注意，所以形成更加平滑的表面光洁度。
在某些实施例中，只在物体300的外轮廓和表面和/或每层302的边缘实现粘合剂和/或油墨的不同尺寸液滴的介入。当物体300的大体积是内部并且不能接近时，不需要使得每个单独内层302平滑。因此，最好使用较小的体积液滴305来形成物体300的外轮廓和/或边缘。
但是，通过在这些层形成时在表面306上施加可变的液滴体积，可以根据需要使得多个层302平滑。在某些实施例中，通过可变的液滴体积只使得外部的一到五个层平滑。在其它实施例中，采用更加透明的材料，通过可变液滴体积可以使得外部一到二十个层或更多的层平滑。
除了有助于自由实体造型产生的物体上的表面光洁度更加平滑之外，这里所述的实施例有助于减小、降低并更准确地控制由自由实体造型产生的物体的阶梯部分。因此，可以形成更加细小的表面结构。使用可变的液滴尺寸有利地使得在复杂的三维表面和表面结构上进行更加准确的制造。
参考图4a，按照传统自由实体造型表示通用的台阶形物体400。第一和第二层404和406之间的台阶或阶梯402局限于与单个大体积液滴410相对应的增量。
但是，参考图4b，可以按照这里描述的方法和系统，通过将可变液滴体积施加到制造材料上，将台阶408的轮廓制成更加平滑。如图所示，粘合剂和/或油墨的小液滴412可以沿着例如第一和第二层404和406的各层之间的过度部分喷射，以便形成比使用大体积液滴410所实现的更加平滑和更加逐步的台阶408。
通过添加由较小粘合剂和/或油墨液滴体积412产生的中间台阶408，如果这是所需的效果，台阶变得不太波动以及引人注意。如果需要，还可以通过单独使用较大的液滴体积，来形成更加陡峭的过度部分。
以上的描述只用来说明和描述本发明。而不打算将本发明限制在所披露的任何特定形式上。在以上教导下可以进行不同的改型和变型。
例如，在上面，所示实施例描述成用于基于粉末或浆体砖块的自由实体造型系统。但是，这里披露的理论可适用于基于粉末的自由实体造型系统以外的应用。
特别是，多种自由实体造型系统使用喷墨印刷头来喷射制造材料，例如聚合物或光学预聚物。因此，这些喷墨系统喷射100％的制造材料以便形成所需产品，而不是只喷射粘合剂和/或油墨来成形制造材料。但是，即使这种系统沉积用于所需产品的材料以及着色剂，沉积材料的液滴尺寸可以变化，以便实现更加平滑的表面，其方式与粉末和粘合剂系统中所述的方式相同。
因此，这里披露的原理可结合到使用液滴来结合制造材料或本身是制造材料的液滴来形成物体的截面层的任何自由实体造型系统中。所打算是本发明通过以下权利要求来限定。
权利要求
1.一种通过自由实体造型制造物体的方法，所述方法包括喷射具有不同体积的液滴(304、305)以便形成所述物体的一个层(302)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴(304、305)包括粘合剂，并且所述方法还包括将所述液滴喷射到基本材料层(302)上。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液滴(304、305)还包括用于着色所述物体的油墨。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴(304、305)包括制造材料。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述液滴(304、305)还包括用于着色所述物体的油墨。
6.一种由电子数据形成所需物体的自由实体造型系统，所述系统包括用于保持粉末基本材料层的制造腔室(102)；以及用于在所述制造腔室内分配粉末的连续层并用于将粘合剂有选择地喷射到每层粉末中的运动级(103)；其中所述运动级(103)包括构造成将具有至少两种不同体积的粘合剂液滴(304、305)喷射到所述粉末中的印刷头。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，第一体积的液滴(305)介于具有大于所述第一体积的第二体积(304)的液滴之间。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一体积(305)的所述液滴只喷射在所述物体的表面层(306)上。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，具有小于第二体积的第一体积(305)的液滴喷射在所述所需物体的层之间的台阶(408)处。
10.一种用于由电子数据制造所需物体的自由实体造型系统，所述系统包括用于有选择地喷射制造材料的液滴(304、305)以便形成所述物体层的印刷头(312、314)，其中所述液滴(304、305)具有至少两种不同的体积。
全文摘要
一种通过自由实体造型制造物体的方法，所述方法包括喷射具有不同体积的液滴(304、305)以便形成所述物体的一个层(302)。液滴(304、305)包括可以是基本材料上的粘合剂或者包括用来形成物体的基本材料。
文档编号B29C67/00GK1735500SQ200480001990
公开日2006年2月15日 申请日期2004年1月9日 优先权日2003年1月9日
发明者J·A·尼尔森, V·P·卡斯珀基克 申请人:惠普开发有限公司