三维制造技术

专利名称：三维制造技术
三维制造相关专利申请本专利申请要求提交于2007年11月29日的美国临时申请号60/990，971的优先权。
背景技术：
本发明涉及快速制造业，更具体地涉及快速制造例如牙齿修复体的产品。牙齿修复体可具有包括不同机械和美学性能的各种材料层的多重、复杂结构。这 对传统的快速复原系统造成了重大挑战。许多制造技术采用单一材料，这样限制了产出 整体结构。一些层添加技术能够生产多种材料结构，例如Uchiyama等人的美国专利号 5，208，431中描述的系统。然而，这些技术也具有缺点。例如，基于多种材料平面沉积的层 添加技术具有涉及氧化、热应力等等的重大问题。平面层添加技术也由于ζ轴的阶梯步进 或x-y平面的阶地状而呈现粗劣的表面质量。平面阶层也容易有微弱的层附着力，这样可 累及结构的整体性。另一方面，使用各种材料的混合的旋转沉积系统已经被设计用于制造 光纤预成型件；然而，这些汽相沉积系统集中在一致的圆形几何形状，完全不适合制造定制 的、三维的形状。因此，仍然需要能够制造用于牙科等复杂的、多种材料的产品的系统。 发明概要本文所公开的系统和方法使用材料沉积和材料移除的多种方式，以在旋转基底上 构造复杂的三维结构。该系统和方法可有效地用来由数字模型制造几何形状精确且精美的 牙科制品。在一方面，本文所公开的方法包括将杆(stem)定位在基底；旋转基底；并在计算 机的控制下在杆上沉积材料，以生成工件，该工件具有包括由杆确定的内表面和由计算机 控制的材料沉积确定的外表面的形状。本方法可包括研磨工件的外表面以精修形状。研磨工件的外表面可包括，经由弧 形来移动切割工具来成形工件上计算机控制的位置。研磨工件的外表面可包括，通过位置 的平移移动切割工具来成形工件上计算机控制的位置。该方法可包括在杆上烧结材料。该 方法可包括通过光聚合作用在杆上固化材料。该方法可包括用激光器控制工件区域的温 度。该方法可包括选择性地使两个或更多个激光器指向工件。该方法可包括用定向能量处 理(directed energy process)控制工件的温度，定向能量处理从包括辐射热和微波的组 中选择。沉积材料可包括喷涂粉末形式的材料，并用激光器加热材料要施加到的工件的外 表面。该方法可包括测量工件外表面的位置。该方法可包括将上述位置与数字模型比较，以 及成形材料以使工件符合数字模型。数字模型可包括牙齿修复体的模型。该方法可包括成 形杆的外表面，以对应数字模型的内表面。该方法可包括在沉积材料之前，将顶盖(coping) 固定到杆。该方法可包括成形杆的表面，以对应于顶盖的表面。该方法可包括从杆移除工件，以及将顶盖插入工件中。沉积材料可包括按连续的螺旋沉积模式沉积材料。沉积材料可 包括控制基底的旋转，以选择性地向沉积头呈现工件的表面。该方法可包括在沉积材料时， 双向旋转基底。沉积材料可包括通过沉积头喷涂材料。该方法可包括经由弧形来移动沉积 头以在工件上计算机控制的位置处沉积材料。该方法可包括将沉积头平移至适当位置以在 工件上计算机控制的位置处沉积材料。该方法可包括相对于沉积头和切割工具中的至少一 个平移基底的位置。沉积材料可包括以变化的速率沉积材料。沉积材料可包括沉积两种或 更多种材料。该方法可包括在沉积材料之前将材料与颜料混合，以控制材料的色彩。沉积 材料可包括通过两个或多个沉积头选择性地喷涂一种或多种材料。在另一方面，本文所公开的系统包括旋转基底，其支撑杆；沉积喷头，其操作用 于在杆上沉积材料，由此构成工件，并进一步操作用于在添加制造过程中使材料沉积到工 件上；激光器，应用来自激光器的光操作用于控制工件的表面温度；切割设备，操作用于选 择性地从工件移除部分材料；以及控制器，控制旋转基底、沉积喷头、激光器和切割设备的 运转，进而根据数字模型用材料制造三维的结构。该系统可包括多个沉积喷头，每个沉积喷头操作用于在杆或工件上沉积材料。沉 积喷头可在控制器的控制下选择性地应用多种材料中的一种或多种。沉积喷头可选择性地 将一种或多种添加剂混入材料中。一种或多种添加剂可包括至少一种颜料。材料可包括从 从包含玻璃、瓷器和陶瓷的组选择的材料。材料可包括聚合物。该系统可包括围绕杆和沉 积喷头的工作空间，工作空间与周围环境隔离。工作空间可充满惰性气体。工作空间可被 抽空以提供真空环境。可控制惰性气体的温度以改变工件的温度。数字模型可包括牙齿修 复体。数字模型可包括牙冠。数字模型可包括多种材料的牙齿修复体。


参考下面的图，可理解本发明和下面本发明的某些实施方式的详细说明。图1示出使用旋转基底的用于沉积和移除材料的系统。图2示出使用图1的设备制造的牙冠。图3示出用于制造牙科制品的过程。图4示出用于定位工件和/或工具的流程图。图5示出用于喷涂沉积处理的流程图。图6示出用于激光器操作处理的流程图。图7示出激光器选择工具。
具体实施例方式如本文所用的术语“牙科对象”旨在广义上表示牙科主体。这可包括口内结构，例 如牙列(虽然不是专有地但典型地为人类牙列)，包括单独的牙齿、四分区、全牙弓、牙弓对 (可分离或位于不同的咬合面关系)、软组织等等，以及骨骼和任何其他支承或围绕结构。 如本文所用，术语“口内结构”指的是如上所述口内的天然结构和例如下面描述的可存在于 口内的任何牙科对象的人工结构。如本文所用，术语牙科对象旨在代表人工牙科对象。牙 科制品可包括“修复体”，其可被一般理解为包括修复现有牙列的结构或功能的部件，例如 牙冠、牙桥、牙罩冠、镶嵌物、填补物、汞合金、复合材料、以及各种下层结构，例如顶盖等等，以及当在制造永久修复体中使用的暂时性修复体。牙科制品还可包括用可移除的或永久的 结构替换牙列的“假体”，例如假牙、部分假牙、植入物、保留的假牙等等。牙科制品也可包括 用来矫正、对齐或另外临时地或永久地调整牙列的“器具”，例如可拆除的矫正器具、外科手 术支架、磨牙矫正器、打鼾矫治器、间接托槽定位装置等等。牙科制品也可包括固定到牙列 相当长时期的“硬件”，例如植入物夹具、植入物支座、正畸托槽以及其他正畸元件。牙科制 品也可包括牙科制造物的“临时部件”，例如牙齿模型(完全或部分)、蜡牙、熔模铸造制品 等等，以及托盘、基部、模具和在制造修复体、假体等中采用的其他部件。牙科对象也可被分 为例如牙齿、骨骼和上述口内结构的天然牙科对象，或分为例如修复体、假体、器具、硬件和 如上述的牙齿制造的临时部件的人工牙科对象(即，牙科制品)。可通过在口内、口外或口 内口外的某些组合制造牙科制品。本文所述的三维的制造系统也可或者代替用来制造用于研磨或压榨的结构坯料。 坯料可包括形成为成品的半成品材料。在牙科应用中，结构坯料可包括包含特定材料性能 梯度，例如硬度、颜色、半透明度等等的一批材料。虽然下面的描述集中在牙科应用上，但是 本文所述的技术也有效适合于其他快速复原和制造系统，并且对本领域普通技术人员显而 易见的是所有这些变型旨在处于本公开范围内。虽然下面的描述强调陶瓷在旋转工件上的沉积，但是应当理解类似的技术可应用 于广泛的材料以通过添加的方式构建几何结构精确的三维制品。许多这样的可选材料在下 面列出，全部以举例的方式列出而非限制性的。图1示出使用旋转基底沉积和移除材料的系统。系统100可包括切割设备102、沉 积喷头104、激光器106和基底108，基底108在杆112上支承工件110，使工件110在切割 设备102、沉积喷头104和激光器106的可操作距离内。系统100由一个或多个控制器118 控制，并且系统100或系统100的各种部件被封入工作空间120中，工作空间120被隔离或 者说是与周围大气分离。例如隔离可包括真空隔离，或者对维持无粒子、温度受控、无湿度 的或者说是没有多余物质的环境有用的任何其他分离。相似地，工作空间可用来提供惰性 气体环境或者说是保持工作环境与环境条件分离并适合期望的制造过程。切割设备102可以是适合研磨或者说是切割高硬度物质的高温金刚石陶瓷切割 器。更一般地说，切割设备102所使用的切割工具的类型可根据构成工件110的材料类型而 变化。相似地，切割工具的类型可根据在操作的工件的特性，例如温度而变化。工件可包括 的物质有金属、瓷器、陶瓷、热塑性塑料、热固性塑料、光敏聚合物等等。在一些实施例中，切 割设备102可具有用于不同类型材料的多个切割头。切割设备102可具有可控旋转取向， 如通常由其弧形指示的，以允许切割设备102在不同的角度接合工件110。因此，切割设备 102可沿弧形等移动以成形工件110的各种表面。切割设备102也可提供平移运动，包括朝 向或者远离基底108的轴的运动，以及沿着可用来定位切割工具102的各种轴运动以从工 件110移除材料。已知许多计算机控制的研磨设备，它们有效适合于用作本文所述的切割 设备102。如以上总体描述的，沉积喷头104可为切割设备102提供大量平移和旋转自由度。 沉积喷头104可以是适合将控制数量的材料沉积到杆112和/或工件110上的任何设备， 并可根据要沉积的一种或多种材料而变化。已知许多适用于陶瓷或玻璃沉积等的喷头，例 如化学汽相沉积喷头。另外，本领域已知用于将受控量的材料沉积在控制位置的多种三维和喷墨印刷技术，根据使用本文所述的系统和方法可沉积的各种材料，其中任何一个可适 合用作如本文使用的产品的沉积喷头104。在一个实施例中，加热的氩可携带陶瓷微粒进入激光光路，粒子在此被熔化并沉 积到工件110上的薄膜中。激光束外部的任何粒子可保持未烧结并被沉积喷头104收集和 重新使用。激光束按沉积过程的需要离焦并聚焦以改变沉积率或沉积准确性。沉积喷头 104可允许在不同材料中的选择。这可包括不同材料的多个喷口或喷嘴，以及可被单个喷嘴 混合的具有不同材料(例如具有不同颜色或其他性能)的多个容器。例如，为了制造牙科 制品而沉积复杂、有美感的层，可引入各种颜料以控制在限定的牙齿色彩空间内沉积的玻 璃的光学特性。相类似地，许多不同的彩色物质源可在计算机的控制下混合，以获得期望的 色调、不透明度等等。多种彩色物质的组合可获得更接近于类似天然牙列的多彩制品。确 定沉积喷头104的方向在沉积层之上，以利用重力来形成一致的、连续的、空间受控的粉末 束是有利的。因此在一个实施例中，基底108可在基本上水平的轴上支承工件110，其中沉 积喷头104和伴随的激光在工件110的沉积表面的正上方。在这些实施例中，基底108可 绕水平轴旋转工件110，并且例如激光器106和切割设备102的其他部件可位于工件110之 下或工件110旁边。在另一实施例中，基底108的中心轴可旋转，以使杆112的顶部初始呈 现水平表面，并且当已经生成工件110时，工件110可旋转，使得工件110的任何表面可为 改善沉积而呈现水平取向。例如，激光器106可以是聚焦的CO2激光器，在沉积期间，该激光器工作以控制工 件110的温度。具体地讲，激光器106可为任何沉积层维持期望的温度，以使得沉积的材料 稠化和流动。应当理解，虽然聚焦的CO2激光器能够提供适合通常预期作为牙科制品的外层 的陶瓷类型加热，但是根据沉积的材料类型和固化、烧结、流动、粘合或者说是控制和/或 处理沉积材料所需的温度，可相似地使用其他激光器。以举例的方式，紫外线激光器可用来 引发沉积的光敏聚合物复合材料的光聚合。温度控制对于维持熔化或流体状态，或者说是 改善粘着和/或在沉积材料的连续层中引发焊接和熔融可能也是重要的。虽然系统100可 提供如上所述可旋转和平移控制的激光器106，但是还可以将合适的激光器固定，或者为穿 过可用的x_y平面的目标提供两个旋转自由度。在使用聚合物的实施例中，激光器106可 被催化剂源或其他固化剂取代，以选择性地固化沉积的聚合物。对于某些应用，也可利用其 他能量源，例如辐射热或微波。可使用允许选择激光、辐射热或微波源中的一个或多个的设 备。在一个实施例中，可在固化、烧结或其他硬化之前由切割设备102进行成形。这可 有利地加速切割时间和/或延长切割设备102上的切割工具的使用寿命。基底108可支承工件，并为了在处理期间将工件110的各种表面呈现给沉积喷头 104、激光器106和切割设备102而旋转。在一个方面，沉积可用持续旋转的基底按连续、螺 旋动作进行。在其他实施例中，基底108可双向旋转。基底108也可提供平移运动，以便控 制工件110与切割设备102、沉积喷头104和/或激光器106的距离。基底108绕中心轴的 旋转通常由箭头114表示；然而，应当理解还可以旋转中心轴以如以上注明的那样水平取 向工件110的各种表面。工件110可以是使用得自沉积喷头104的材料组成三维生成的任何制品。另外， 工件110可使用切割设备102消减形状，例如移除超范围的喷涂或者增加单独使用沉积难以获得的特征，例如细致的薄层。切割设备102也能产生比喷涂沉积的材料所允许的粘性 和表面张力更薄的层。在一个方面，工件110可以是陶瓷牙冠或其他牙科制品。杆112可以是将不会牢固地粘附到沉积材料的石膏或石墨坯料。在光敏聚合物复 合材料的情况下，可使用硬腊杆。也可使用或代替使用可溶聚合物杆。在下面更详细讨论 的一个方面，杆112可被切割设备102研磨成为准备好的牙齿表面(例如，修复体将要被 放置的牙科病人牙列中的位点)的形式，或者研磨成为工件110将附着的顶盖的形式。杆 112可被成形为匹配这样的顶盖的内部形状，以使顶盖随后能够压入牙冠或者说是附着到 其上。间隙损失可并入杆112的表面。这样的牙冠、顶盖表面和/或准备好的牙齿表面的 三维数据可使用任何合适的三维数据采集技术获得。提供控制器118，以控制切割设备102、沉积喷头104、激光器106和基底108，以及 与系统100相关联的任何其他部件的操作。例如，控制器118可控制切割设备102的位置、 取向和旋转速度，以及激活切割设备102并因此选择切割工具。控制器118可通过控制工具 的位置和取向来控制沉积喷头104的操作，以及从中传输的材料的流量。控制器118可进 一步控制沉积喷头的添加剂或材料混合物。控制器118可控制激活激光器，并可使激光器 指向工件110期望的点或区域，例如以准备工件110的沉积的表面，以使沉积在工件上的材 料流动，或者更通常以控制温度、固化材料或者说是有助于本文所述的处理。例如在沉积过 程通过控制基底108的旋转速度和/或方向，或者通过控制基底108的轴向位置和方位，控 制器118可控制基底108的运转，以便将工件110移入相对于系统100的各种工具的期望 位置。还更通常，控制器118可控制系统的任何部件，以便如本文所述的处理工件110。通 常，控制器118控制系统部件的操作，以根据数字模型，例如牙齿修复体的模型制造对象。 数字模型可包括对象的空间说明，例如对象的体积或表面表示，以及其他空间信息，例如在 对象的不同位置的硬度、色彩、不透明度等等。应当理解，控制器118可包括任何硬件、软件或适合用于本文所述的快速制造系 统和方法的这些硬件和软件的组合，且下面描述的过程可在任何硬件、软件或适合用于本 文所述的快速制造系统和方法的这些硬件和软件的组合中实施。硬件可包括通用目的计算 机和/或专用计算设备。可完全或部分地由控制器118执行的下面所述的过程，可由一个 或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备， 连同内部和/或外部存储器实现。该过程也可或改为实施在专用集成电路、可编程门阵列、 可编程阵列逻辑元件或可被构造为处理电信号的任何其他设备中。应进一步理解，该过程 可实现为在计算机可读媒体上体现的计算机可执行代码，其当在一个或多个计算设备上执 行时，执行叙述的步骤。例如，计算机可执行代码可使用结构化编程语言(例如C)、面向对 象的编程语言(例如C++)，或任何其他高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言 和数据库编程语言及技术)生成，其可在上述设备中的一个或多个以及处理器、处理器架 构的混合组合或不同硬件和软件的组合上存储、编译或解释执行。同时，处理通过多种方式 在许多不同的计算设备间分配，或者所有的功能可集成到专用、单一设备或其他硬件。所有 这样的置换和组合旨在处于本公开范围内。系统100也可包括其他设备。例如许多附加激光器或其他加热和温度测量设备可 有效地用来管理杆112和/或工件110的热状态。在一个实施例中，可将一个激光器在沉积 路径的熔化前端之前导向，以将之前的层预热到开始用后来的层焊接的状态。在这种情况下，焊接指的是多层和/或多种材料之间的坚固的结构性粘着或接合，如区别于导致层边 界处的脆弱粘着或缺乏美感的松散混合。例如，第二层可在熔化前端之后导向，以实现流动 和稠化。其他设备可包括空气处理机、真空处理机、实用物(气体、电流、切割工具润滑剂、 沉积材料供应体等)、主动冷却系统、加热元件、辐射热源、微波源(例如，用于加热)等等， 其中任何一个可有效地用在本文所述的制造过程中。另外，可使用许多传感器沉积和材料 的移除的组合以生成期望形状的工件110。温度测量系统可用来监控工件110上位置的温 度，或者监控环境温度等等。所有这样的工具和传感器以及前述的任何变型旨在处于本公 开范围内。在一个方面，传感器和工具的组合提供反馈系统，以控制沉积和/或材料移除， 以获得最终期望形状的工件110。整个系统100封闭在与周围、环境大气隔离的工作空间120中。在工作空间120 中，可控制工作环境以获得期望的温度、压力(或真空)、湿度等等，以及控制气体(例如可 用来改善沉积或其他材料处理操作的惰性气体)的引入或净化。另外，在工作空间120内 可使用上述任何组合，以控制本文所述的制造过程。例如，惰性气体可加热或冷却并导向至 工件110，以在沉积期间控制工件110的温度，或者可抽空工作空间120以为一些或全部的 沉积过程提供真空环境。对本领域普通技术人员显而易见的是所有这样的变型旨在处于本 公开范围内。图2示出使用图1的系统制造的牙冠。如可在图2看到的，杆204提供构建工件 的起始点，并包括用于插入到基底(未示出)中的第一部分205和为添加生成牙冠206或 其他工件提供物理起始点的顶表面202。杆204可由坯料构成。顶表面202可形成为准备 好的牙齿表面的形状，其形状通过使用诸如上述所述的切割设备切割杆获得。以举例的方 式示出，可在杆204的顶表面202上直接使用沉积和/或切割将牙冠206制造成为陶瓷牙 冠。牙冠206可在制造完成后移动。牙冠206的内表面208可由杆204上的顶表面202限 定。牙冠206的外表面210可由数字模型等确定，并如本文大体所述在添加剂沉积过程期 间生成。在一个方面，顶表面202可成形为匹配顶盖等表面，并且顶盖可在牙冠206从杆 204移走后固定到牙冠206的内表面208。在一些实施例中，杆204由能够容易地从沉积材 料分离的材料构成，如以上大体描述的。在一些实施例中，膜等可应用到杆204的顶表面 202，以有利于临时粘合及随后移除沉积材料。应当理解，虽然图2中描述了牙冠，但是本文所述的方法和系统可用来制造广泛 的牙科对象，例如牙桥、填补物、镶嵌物、假牙和上述描述的任何其他牙科对象，以及其他牙 科对象，并且更通常地，具有可使用本文所述的技术制造的大小、形状和材料性能的任何对象。图3示出使用本文所述的系统制造牙科制品的过程。如步骤302所示，过程300可以将坯料放入制造系统的基底开始，制造系统可以是 上述所述的系统100。对于陶瓷沉积，可有效地使用石膏或石墨坯料；然而，应当理解用作 坯料的材料可根据具体的沉积过程变化。例如，蜡坯可用来接纳光敏聚合物复合材料的沉 积。包围上述所述工作空间的构造室可充满氩或适合被处理的材料的一些其他惰性气体， 并酌情为具体制造过程加热该构造室。取决于在沉积的材料，室的温度为500°c或更高。在 其他实施例中，例如使用光敏聚合物复合材料的过程，室可大幅冷却。
如步骤303所示，可例如使用系统的切割工具将坯料预成形，以对应工件表面的 目标形状。因此工件的一个表面(工件邻接坯料的地方)被成形为以物理形式符合坯料表 面。应当理解，虽然可使用系统的切割工具有效地使坯料成形，但是可有效地使用其他技术 来成形邻接坯料的工件的表面。这包括例如在将坯料放入基底之前预成型坯料，这就要求 在沉积开始之前以某一形式对齐(例如，通过制造坯料，使得机械上达到基底中唯一的空 间位置，或者通过使用系统的测量工具确定开始沉积之前预成形表面的位置和方位)。这还 可包括在从坯料中移除工件后研磨或者说是成形表面。当牙科制品(或其他产品)包括预制的下部结构，例如由锆、氧化铝、铸造金属合 金或其他材料制成的顶盖时，下部结构可分开制造并在成形后放在坯料上。在这样的布置 中，应当理解坯料无需预成形为任何特定形式。相反，可使用可保持下部结构(例如通过使 用可固化的坯料或任何合适的粘合剂)的任何形状，前提条件是下部结构能够在过程300 完成之后从坯料中容易地移除。如步骤304所示，可旋转基底，使得坯料的表面区域渐渐呈现给系统工具。在一 个方面，固定的旋转速度被用于工件连续、螺旋地沉积到坯料上。在另一方面，速度可是变 化的和/或双向的，以使工件的各种表面能够选择性地呈现给沉积喷头、激光器、切割设备 等。基底也可沿x、y和/或ζ三维横向移动，使得可成形坯料(或在坯料上构建的工件) 的期望部分。相。例如，空间测量系统可用来确保部署似地，基底可通过一定角度径向移动 以使工件的工作表面相对于切割设备、激光、沉积喷头和/或其他系统工具取向。如步骤306所示，可将材料最初直接沉积到坯料上，而随后沉积到在坯料上建立 的工件上，以根据数字模型等获得期望形状。过量的材料也可沉积在工件上的位置，以便调 节随后的移除以达到期望的尺寸、厚度等。如以上注明的，可包括各种材料的沉积，以便为 牙科制品建立模仿天然牙列的颜色、不透明度等等的多色或多彩瓷或陶瓷外部。可将超范 围喷涂的过量材料收集和回收以供后续使用。如步骤308所示，工件可被研磨成目标形状，从而提供另外不可能用沉积完成的 对形状、厚度或表面特征限定的控制。应当理解，虽然旋转坯料304、沉积材料306和加工表 面308被描述成三个顺序步骤，但是这些步骤可按任意期望的顺序、或同时、或这些的一些 组合进行多次，都不背离本公开的范围。因此，在计算机控制下可使用连续的、旋转的、沉积 和研磨过程，以根据数据模型在坯料上形成工件。如步骤310所示，构造室可冷却。冷却可通过网基底或其他固定部分泵送冷却剂 来完成。冷却也可通过在低温下将惰性气体提供到室里来完成。冷却过程也可用来使工件 骤冷，以有助于制造包括工件的化学或机械性能的材料。冷却过程也可或代替用来使工件 接触具体温度，例如较低的处理温度。如步骤312所示，工件可从坯料中移走，则过程300可结束。应当理解，图3所示的步骤可更改，或者步骤的顺序可改变。进一步，可忽略个别 步骤，并且可增加其他步骤，全都不背离本公开的范围。在图3中的流程图中示出的步骤顺 序仅仅为示意性目的提供，除非明确说明相反地或从文中明确获得，并不限制公开的过程 的范围。以举例的方式，在某些实施例中，坯料的预成形可全部省略，或可在将坯料放在基 底之前进行坯料的预成形。如另一实例，旋转304、沉积306和加工308的步骤可连续地、交 替地按重复顺序进行，或者按其他模式，以及这些的任意组合进行。应当进一步理解，可进行多种预处理和/或后处理步骤中的一个，例如抛光、烘干、固化、烧结、涂布、清洗等等，全 都不背离本发明的范围。在另一方面，本文所述的方法和系统可有效地用来生成复合坯料，或者其他研磨 坯，其包含多种材料，其根据期望的最终成品的数字模型具有分布在坯料中的不同性能。例 如，一般的内部区域可被制造成具有重量轻、高导热性、高强度等等，而一般的外部区域可 被制造成具有高硬度、抛光能力、不透明度(或半透明)、色彩等等。更一般地说，具有任何 有用性能组合的任何材料组合可分布在使用本文所述的技术制造的坯料内。所得的坯料可 随后使用研磨等(例如在计算机控制的研磨机中)工艺被加工为精确的外部形状，导致具 有对应数字模型的形状以及具有不同材料和/或性能的不同区域的内部的产品生成。图4示出定位工件和/或工具以完成期望的制造的示意性流程图。应当理解，图 4所示的步骤可适当更改，或者可同时进行。此外，在某些情况可任选地进行或省略个别步 骤。图4的流程图所示的步骤顺序仅仅是为了示出可对本文所述的成形工件有贡献的各种 处理步骤而示出的。在一般的制造过程400中，可进行定位切割设备410、定位沉积喷头420和定位工 件430的一些组合。对于某些使用情况，所有的这些定位方面可组合使用，或者可仅使用这 些方面中的一个或两个。这些定位能力可组合应用，以按需要生成并成形工件440。切割设备，例如上述所述任意的切割设备被定位410。定位切割设备的方面可包括 平移切割设备412并旋转切割设备414。可首先进行旋转或可首先进行平移。相似地，在任 何给定的制造过程中仅可利用这些定位能力中的一个或一个也不利用。沉积喷头，例如上述所述任一沉积喷头被定位420。定位沉积头的方面可包括平移 沉积头422和旋转沉积头424。可首先进行旋转或可首先进行平移，和/或两个操作可同步 进行。相似地，在任何给定制造过程中仅可利用这些定位能力中的一个或一个也不利用。工件110，如之前示出的，可被定位430。定位工件的方面可包括平移工件432和 旋转工件434。工件的平移可以沿任意x、y和ζ三维或它们的一些组合进行。可首先进行 旋转或可首先进行平移。工件也可径向沿弧形运动，以向不同工具呈现不同取向的工件的 表面。在一个方面，工件可布置在沉积喷头之下，使得重力有助于使喷涂材料的方向朝向工 件的表面。在一个方面，工件在连续螺旋沉积过程中在基底中连续旋转。如图4所示的步骤可按与显示或描述的不同的顺序实施。同样的在某些制造情况 下可省略某些步骤。另外可重复一些步骤。例如，当成形工件时，切割设备可重复平移或旋 转。沉积头可重复平移或旋转。工件也可重复平移或旋转。相似地，可实施切割设备、沉积 头和供工件定位的组合。因此，图4的步骤实际上仅仅是示意性的，且并不旨在限制本发明 的范围或精神。图5示出喷涂沉积过程的流程图。应当理解，图5所示的步骤可适当更改。此外， 在某些情况下，可不进行个别步骤。图5的流程图中示出的步骤顺序仅仅是为示例目的示 出的。如步骤510所示，过程可首先是选择沉积喷头。在一些实施例中，可获得多个沉积 喷头。例如，可使用不同的沉积喷头来调节不同的沉积率、沉积层的厚度、材料类型等等。基 于可能的沉积材料或甚至基于工件的最终期望形状，不同的沉积喷头可是有用的。更一般 地说，可根据在制造的对象的数字模型通过控制器选择多个沉积喷头之一。
如步骤520所示，可选择沉积材料。在一些实施例中，系统可提供各种类型和浓度 的材料来喷涂沉积。当利用多种沉积材料时，可每次选择这些沉积材料之一。可期望不同 的沉积材料达到不同的硬度等级、不同的热膨胀系数、不同的熔点或任何其他化学、机械和 /或美学性能。可在制造过程中的具体点选择这些沉积材料之一，用于例如三维结构的材料 的普通或特定层。更一般地说，沉积材料可由控制器根据在制造的对象的数字模型选择。如步骤530所示，可选择沉积率。基于特定应用，可期望不同的沉积率。沉积率可 影响特定层的厚度、所得的表面光洁度或其他化学、机械或美学性能。沉积率可由控制器根 据在制造的对象的数字模型选择。如步骤540中所示，可将颜料或其他添加剂引入到被沉积的材料中。可将颜料或 添加剂与沉积材料混合，以便控制颜色、不透明度、色调、半透明度等等。还可提供添加剂来 增强或更改强度、硬度、附着力、熔点和沉积材料的其他性能，并且本领域普通技术人员已 知的达到这样目的的任何添加剂旨在处于本公开范围内。添加剂可由控制器根据在制造的 对象的数字模型选择。如步骤550所示，可将来自沉积喷头的材料沉积在工件上。一旦确定沉积的各种 参数(喷头、位置、速率等等)，则沉积喷头可由控制器控制，以将材料运送到工件。如步骤560所示，可从沉积过程中收集未使用的粒子以供稍后使用。从沉积喷头 喷出的材料的一些部分可落在工件上，或者可保持未烧结，或者可另外的从喷头逸出而未 混入工件中。可将这样未使用的材料收集留作以后可能再使用之处，或是简单处理掉。图5中示出的步骤仅仅是示意性的并可适当更改。一些特定制造情况下可不包括 某些步骤。此外，附加步骤可被本领域技术人员包括在内。另外，一些步骤可重复。例如， 当连续构造工件时，可重复选择不同的沉积头、沉积材料和沉积率。因此，图5的步骤实际 上仅仅是示意性的，并且不旨在限制本发明的范围或精神。图6是用于激光操作处理的流程图。应当理解，步骤的顺序可变化，或者可更改个 别步骤。另外，在不脱离本说明的范围的情况下可增加步骤到过程600或从过程600省略 步骤。图6的过程600中示出的步骤顺序仅仅是提供用于示意性的目的，而不是作为限制。如步骤610所示，可选择激光器类型。例如，基于光束强度、温度、波长等等，在制 造过程中某些激光器可用于操作特定材料。在制造过程中多个激光器可用的情况下，这些 激光器中的具体一个可由控制器根据数字模型和任何可用传感器数据或关于工件、沉积过 程和/或环境条件的其他信息选择使用。如步骤620所示，可选择激光器强度。例如，这个选择可取决于被沉积的材料或工 件的状态(例如，温度、与沉积喷头的距离等)。控制器可基于数字模型和任何可用传感器 数据或关于工件、沉积过程和/或环境条件的其他信息选择激光器的强度设置。如步骤630所示，在制造过程中可监控并控制工件的温度。控制器可基于任何适 当的数据确定工件的特定温度(或温度范围)，并可使用任何合适的技术从制造系统搜集 温度测量。然后可应用激光器来调节工件或工件的表面或区域(或者落在工件上之前的沉 积材料)的温度。通常，应当理解，在制造过程中可有效控制温度是出于下述许多原因中的 任何一个，包括控制沉积材料、层对层的粘着、延展性(用于切割)、固化、沉积材料的流动、 烧结等等。控制器可确定恒定或变化的目标温度，并可控制激光的操作以获得期望位置的 目标温度。
如步骤640所示，激光器可为聚焦或离焦的，其中特定的焦距由控制器根据，例如 被沉积的材料的类型、期望的沉积率和可有效用来确定合适的激光焦距的任何其他因素选 择。图6所示的步骤可按与示出或描述的不同顺序实施。同样的在某些制造情况下可 省略某些步骤。另外一些步骤可重复。例如，当在工件上不同的材料沉积或不同的形状构 造时，激光器类型和激光强度可重复选择。因此，图6的步骤实际上仅仅是示意性的，并不 旨在限制本发明的范围或精神。图7示出用于在两个激光器之间选择的设备700。例如，可提供不同类型的激光器 或具有不同能量范围的激光器，即第一激光器710和第二激光器720。其中一个激光器包括 或两个激光器都包括聚焦并导向从激光器发出的光的聚焦透镜730。例如为了上述所述任 一目的，可控的反射镜740可选择性地旋转，以反射来自激光器710、720之一的光通过开口 760，从而将激光光束750导向工件。设备700可通过旋转反射镜740而在激光器710、720 之间选择，以反射相应的激光光束750通过开口。应当理解，虽然示出了两个激光器710、 720，但是任意数量的激光器可有效地合并入多激光器系统，该激光器系统使用旋转的反射 镜或其他光束选择设备在各种激光光束间选择。应当理解，上述方法和系统的大量变型是可能的，并且是本公开预期的。例如，当 在某些处理条件下，传统切割/研磨技术可有效地用来成形工件时，工件中的材料可在沉 积过程始终维持熔化、接近熔化或其他相对软的状态，在此情况下可替换地使用软性切割 技术。处理环境的温度和其他方面也可取决于被沉积的材料的类型。对于玻璃沉积，例如 氮或氩的惰性气体可在沉积室内有利地使用，以免沉积材料的氧化及其他不期望的效果。 优选在真空烧结。另一方面，在沉积过程沉积光敏聚合物等的地方，聚合可需要不同的环境 (例如，无湿气且无氧的环境)。虽然CO2激光器可有效地用于稠化、熔化或烧结陶瓷或瓷器沉积，但是其他激光器 类型可用来固化聚合物。另外，可提供一个或多个额外的激光器用于预热工件的表面或维 持沉积后沉积材料的状态。通常，本文所公开的系统中的至少一个切割工具、至少一个沉积系统和至少一个 激光器在计算机的控制下工作，以杂基于数字模型的杆上制造三维的形状。在一个方面，三 维的制品使用在旋转杆上的持续的陶瓷沉积制造。在建造期间沉积材料可动态改变，以获 得多彩的制品或者说是控制制造的对象的特性。通过将沉积材料维持在熔化或半熔化状 态，系统可有利地提高沉积的层之间的层附着力、降低孔积率、更改修复体的视觉传输，或 产生抛光表面加工，或者说是改善制造过程和/或制造的产品。虽然已经用示出和描述的优选实施例公开了本发明，但是各种更改和可能的改进 将对本领域技术人员非常显而易见。因此，本发明的精神不限于之前的示例性说明，并且本 发明应按法律所允许的最宽泛的意思解释。
权利要求
一种方法，包括在基底中定位杆；旋转所述基底；以及在计算机控制下将材料沉积在所述杆上以生成工件，所述工件具有包括由所述杆确定的内表面和由计算机控制的材料沉积确定的外表面的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括研磨所述工件的所述外表面以精修所述形状。
3.根据权利要求2所述的方法，其中研磨所述工件的所述外表面包括经由弧形来移动 切割工具，以在所述工件上成形计算机控制的位置。
4.根据权利要求2所述的方法，其中研磨所述工件的所述外表面包括通过位置平移来 移动切割工具，以在所述工件上成形计算机控制的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述杆上烧结所述材料。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括通过光聚合作用在所述杆上固化所述材料。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括用激光器控制所述工件的区域的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括选择性地使两个或更多个激光器指向所述工件。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括用从包括辐射热和微波的组中选择的定向能量 处理来控制所述工件的温度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括喷涂粉末形式的所述材料，并 包括用激光器加热所述材料要施加到的所述工件的所述外表面。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括测量所述工件的所述外表面的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括将所述位置与数字模型比较，并成形所述材 料以使所述工件符合所述数字模型。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述数字模型是牙齿修复体的模型。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括成形所述杆的外表面以对应于所述数字模型 的内表面。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括在沉积材料之前，将顶盖固定到所述杆。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括成形所述杆的表面以对应于顶盖的表面。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括从所述杆移除所述工件，并将所述顶盖插入 到所述工件中。
18.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括以连续的螺旋沉积模式沉积 所述材料。
19.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括控制所述基底的旋转，以选择 性地将所述工件的表面呈现给沉积头。
20.根据权利要求1所述的方法，还包括在沉积所述材料时，双向旋转所述基底。
21.根据权利要求1所述的方法，其中沉积材料包括通过沉积头喷涂材料。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括经由弧形移动沉积头，以在所述工件上的计 算机控制的位置处沉积材料。
23.根据权利要求20所述的方法，还包括平移沉积头使其就位，以在所述工件上的计 算机控制的位置处沉积材料。
24.根据权利要求1所述的方法，还包括相对于沉积头和切割工具中的至少一个平移 所述基底的位置。
25.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括在变化的速率下沉积材料。
26.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括沉积两种或更多种材料。
27.根据权利要求1所述的方法，还包括在沉积所述材料之前将所述材料与颜料混合， 以控制所述材料的着色。
28.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述材料包括选择性地通过两个或更多个 沉积头喷涂一种或多种材料。
29.—种系统，包括旋转基底，所述旋转基底支承杆；沉积喷头，所述沉积喷头操作用于在所述杆上沉积材料，由此构成工件，并进一步操作 用于在添加法制造过程中将所述材料沉积到所述工件上；激光器，所述激光器操作用于通过来自所述激光器的激光控制所述工件的表面温度； 切割设备，所述切割设备操作用于选择性地从所述工件移除所述材料的部分；以及 控制器，控制所述旋转基底、所述沉积喷头、所述激光器和所述切割设备的运转，以根 据数字模型由所述材料制造三维结构。
30.根据权利要求29所述的系统，还包括多个沉积喷头，每个所述沉积喷头操作用于 将材料沉积在所述杆或所述工件上。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述沉积喷头在所述控制器的控制下选择性地 施加多种材料中的一种或多种。
32.根据权利要求29所述的系统，其中所述沉积喷头选择性地将一种或多种添加剂混 入所述材料中。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述一种或多种添加剂包括至少一种颜料。
34.根据权利要求29所述的系统，其中所述材料包括从包含玻璃、瓷器和陶瓷的组中 选择的材料。
35.根据权利要求29所述的系统，其中所述材料包括聚合物。
36.根据权利要求29所述的系统，还包括围绕所述杆和所述沉积喷头的工作空间，所 述工作空间与周围环境隔离。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述工作空间充满惰性气体。
38.根据权利要求36所述的系统，其中所述工作空间被抽空以提供真空环境。
39.根据权利要求37所述的系统，其中控制所述惰性气体的温度以改变所述工件的温度。
40.根据权利要求29所述的系统，其中所述数字模型包括牙齿修复体。
41.根据权利要求40所述的系统，其中所述数字模型包括牙冠。
42.根据权利要求40所述的系统，其中所述数字模型包括多种材料的牙齿修复体。
全文摘要
本发明公开了使用多种方式的材料沉积和材料移除以在旋转基底上构造复杂的三维结构的系统和方法。所述系统和方法可有效地用来由数字模型制造几何形状精确且精美的牙科制品。
文档编号B29C67/00GK101883672SQ200880118661
公开日2010年11月10日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月29日
发明者帕特里克·C·杜恩 申请人:3M创新有限公司