专利名称：选择性沉积熔态塑性材料的设备及装置和通过选择性沉积的制造方法
技术领域：
本发明通常涉及一种用于选择性沉积熔态塑性材料的设备，并且涉及一种用于制 造可以形成原型体(prototypes)的零件的装置，其中所述用于沉积的设备是整体形成的。发明还涉及一种用于制造可以借助于选择性沉积熔态塑性材料的技术来形成原 型体的零件的方法，其使用超声波振动作为能源来用于待沉积的所述塑性材料的受控熔 化，以用于由多层的重叠而形成三维的物品。所述塑性材料是任何一种聚合物材料并且可 以按如球粒、粉末、细丝、片材、凝胶等的任何一种形态来供应。
背景技术：
现有技术描述了一种借助于通过喷嘴挤出处于半熔化状态的热塑性材料而一层 层地沉积出预定的模型来制造三维的原型体零件的方法。专利EP-B1-0426363中描述了一 种借助于FDM(熔态的沉积物模型)技术来产生三维物品的装置和方法，该装置包括可活动 的分配头(具有至少三个自由度)并且包括用于向增塑外壳供应塑性材料的器具，该分配 头具有用于分配处于流体状态的塑性材料的孔，所述流体状态是通过靠近所述分配孔的电 阻加热器具来获得的。由于在现代技术中对创新需求的增加，制造具有类似于最终产品的特征的原型体 是必要的。直到现在，利用如专利EP-B1-0426363中所提到的机器来获得所述原型体，这赋 予了它需要非常高投资的结构复杂性和维修要求，以及使用用于相当大成本的所述机器的 合适的材料(通过制造来保证)，所有的这些影响最终产品的价格。W. Michael i、A. Spennemann 和 R. Gartner 在 2002 年施普林格出版集团 (Springer-Verlag)的微系统技术(Microsystem Technologies)第 8 期的 55-57 页公开的 用于微型注射成型的新的增塑原理中描述了一种用于通过超声波来使微型零件增塑的建 议并且其描述了一种试验单元。其在该参考文献中指出，如超声发生器的效率、超声焊极的 振幅和路线、激活能等不同的机器参数是借助于该单元所测得的。专利申请ES-A-200702245中描述了一种用于成型塑料微型零件的超声波设备， 其中，紧挨着靠近模具的模腔的腔室来布置超声波振动元件，所述腔室具有用于供给塑性 材料的进口和为超声波振动元件的端部(其是超声焊极)提供来干预所供给的塑性材料并 且在其上施加确定的压力的器具。专利US-B1-6814823和US-B1-6519500中描述了一种用于通过控制层的沉积来制 造零件的方法，其中利用超声波作为能量形式来将层连接在一起，之前该层借助于本身已 知的的沉积技术来形成。本发明提出了一种在超声波设备中实现的新技术，该超声波设备被集成到用于增 塑和供应熔态塑性材料的组件中，提出了一种集成有所述设备的装置和一种用于在借助于 连续的层来形成大致三维零件的表面上逐滴地或者连续地按熔态状态来供给塑性材料的 方法。
借助于本发明，可以显著地节省原始成本地来制造零件，因为所提出的超声波设 备可以被连接到任何具有至少三个自由度的工业设备(例如，机械加工装置或者机器人设 备等等)上，这包含初期投资的相当大的减少。此外，本发明允许使用任何类型的大批量塑性材料，而无需克服机器的制造商的 要求的限制，并且甚至可以由所讨论的设备的使用者自己来配制和添加。
发明内容
本发明通常涉及一种用于选择性沉积熔态塑性材料的设备，其包括用于通过超声波能来熔化所述塑性材料的熔化室，该熔化室设有用于塑性材料的受控灌注和供给的出口 孔，在一个实施例中，所述塑性材料可以在熔态被逐滴地供给，而在另一个实例中，其可以 被连续地供给。根据本发明的原理，所提到的熔化室与以下部件连通_超声换能器的超声焊极的易受振动影响的一部分，通常为端部；-用于供给塑性材料的通道；以及-至少一个用于逐滴地或者连续地供给熔态塑性材料的出口孔，其开口被连接到 包括一个或更多个喷嘴的分配本体上。因此，具有可调节的体积(通过按精确的方式来移动所述超声焊极)的所述熔化 室被集成到组件中，所述组件用于通过超声波能来使所述塑性材料增塑，并且包括配置成 向所述熔化室输送受控体积的所述塑性材料的供料机构。发明提供了一种结合有超声换能器的超声焊极的装置，按照竖直布置，通过包围 该设备的伸长的外壳的末端来灌注塑性材料，或者其他替代的布置，在超声焊极的水平布 置中，通过包围外壳的侧面出口将塑性材料灌注到外部，该包围外壳在一个端部处敞开用 于通过推压来穿过该敞开端供给塑性材料。本发明还以一种用于选择性沉积熔态塑性材料的方法为特征，所述方法包括-将塑性材料供给到用于熔化所述材料的、安装在头部中的熔化室，所述头部可在 沉积区域上按受控的方式活动并且与超声换能器的超声焊极、用于引入或供给塑性材料的 通道和至少一个分配开口连通；以及-通过激活超声焊极一预定时间来将一系列的层沉积到表面上，根据由数字控制 所限定出的该头部的路径的策略来按受控方式移动头部并且按受控方式通过所述分配开 口逐滴地或者连续地供给熔态塑性材料。本发明包括可以由所述设备、装置和方法提供的、由结构的简单性和使用的高度 多功能性所得到的优点。
从以下参照附图的几个实施例的详细说明中将更加充分地了解前述的及其他的 优点和特征，所述详细说明被认为是说明性而非限制性的方式，其中图1是用于选择性沉积熔态塑性材料的、在一个优选实施例中、在竖直位置上接 合有超声焊极的设备；图2是用于选择性沉积熔态塑性材料的、在另一个实施例中、在水平位置上接合有超声焊极的设备；图3显示了一种用于制造零件的装置，其包括在使用中具有三个自由度的头部，用于选择性沉积熔态塑性材料的、具有在竖直位置上的超声焊极的超声波设备被连接到所 述头部上；以及图4显示了一种用于制造零件的装置，其带有具有三个自由度的头部，所述头部 连接到用于选择性沉积熔态塑性材料的、具有在水平位置上的超声焊极的超声波设备上。
具体实施例方式图1显示了一种用于选择性沉积熔态塑性材料的设备，该设备在竖直位置上装备 有超声焊极，其中可以看到由侧部供料口 20、用于在其侧面部件中供给塑性材料的通道13 和位于包围超声焊极12的伸长外壳15的端部中的纺锤体16所形成的供料机构，该纺锤体 按受控方式来控制并且其被配置成向熔化室10输送所述塑性材料，所述室与形成部分的 超声换能器的所述超声焊极12的端部11连通，所述超声焊极通过轴承支撑件18与纺锤体 16相关联并且相对于所述外壳15在纵向方向上振动。该熔化室10包括用于供给塑性材料 的出口孔14，在一个实施例中，塑性材料可以被逐滴地熔化供给，而在另一个实施例中，其 可以被连续地供给。如可以在图1中看到的，所描述的整个供料机构与所述超声焊极12的纵轴线同轴 地配置。因此，所述纺锤体16位于环形空腔21中，该环形空腔21界定在由外壳15的内表 面、超声焊极12和轴承18与19所提供的外部圆筒形的壁之间，它们全部与超声焊极的纵 轴线同轴。另外，所述设备包括用于在超声焊极11的纵向方向上提供有限的滑动的器具(未 详细描述，但是其可以借助于简单的滑道来实施)，从而调整由超声焊极12的末端所界定 的所述熔化室10的塑性材料的体积。图2继而显示了一种用于选择性沉积通过超声波能熔态塑性材料的设备，但是具 有使用水平配置的超声焊极。在该图2中，熔化室10位于包围所述超声焊极12的外壳15 的端部处，出口孔14在外壳15的侧面上，并且塑性材料通过包围外壳15的敞开端22进入， 塑性材料P在实质上与超声焊极12的轴线对准的方向上接近。在图2所示的实施例中，通 过辊子40的导向和推挤，塑性材料按细丝的形式被引入到设备中，虽然，在其他实施例中， 其可以处于球粒、粉末、片材、凝胶的形式。借助于辊子系统，通过所提到的外壳15的敞开 端22将所述塑性材料推入到熔化室10内。供应到设备中的塑性材料P被引入到熔化室10中，作为由超声焊极12提供的超 声波能量的结果几乎即刻熔化，根据待熔化的塑性材料P来控制其提供确定量的超声波能 量。借助于分配开口 14将熔态塑性材料灌注到外部，所述分配开口例如与可拆卸的分配本 体相关联，该可拆卸的分配本体可以具有一个或更多个定向的喷嘴。所提到的分配机构具有用于沉积材料的控制系统23(参见图1)，该控制系统23被 集成到出口孔14中并且根据室10中的熔体体积来控制被沉积材料的量，以确保正确的滴 注或操作，以及所讨论的层的宽度。在图1中，该控制系统已经通过受控阀门来形成，已经 省略了关于所述控制系统的细节，该控制系统远离电子系统并且受该电子系统的控制，其 可能与用于供给塑性材料的控制系统结合或者相互作用。
为了适当的操作，并且如在图3和4中可以看到的，已经预计根据发明的、用于制造零件9的装置可以通过适当的组件和连接附件按可拆卸的方式在功能上被接合到具有 至少三个自由度(X、Y、Z轴)的任何制造设备的头部24上。所提到的头部24通常属于从至少包括CMM(控制测量机器)设备、用于分层制造 的设备或者机械加工设备的组中选择出来的一件工业设备。在特殊情况中，所述工业设备 可以是传统的铣床而不是机床，并且在没有对该机器的组件进行显著改进的情况下，可以 将用于选择性沉积的设备结合到该铣床上。在更一般的含义上，发明还涉及一种用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其包 括-向熔化室10供给塑性材料，所述熔化室10被配置在用于选择性沉积的设备中， 该设备进而被布置在头部24的内部，该头部24安装在一件工业设备中，该工业设备可能沿 用于沉积的区域上的至少三个可活动轴(X、Y、Z)受控地移动，并且所述室与超声换能器的 超声焊极12的易受振动影响的一部分、用于供给塑性材料的通道13和至少一个分配开口 14连通；以及_激活超声焊极12 —预定时间，同时按照基于由适当的软件提供的信息的数字控 制所限定的路径的策略来按受控方式移动头部24，该软件已经对待复制的零件9进行三维 实体造型，并且还按受控方式通过所述至少一个开口 14将熔态塑性材料逐滴地或者连续 地灌注到表面上直到形成层，并且相当于对于待构造的物品的连续层来操作。已经将计算机8作为控制中心示意到图3和4中。根据所建议的方法，在控制进料的流动速度下执行将塑性材料供给到熔化室10中。同样并且有益地，所述方法考虑到结合根据塑性材料的种类和沉积物的状态来调 节室10的体积，这可以通过在设备的外壳内部移动超声焊极(相对于熔化室10，将其移动 得更近或者分开)来按简单的方式实现。根据发明的原理，在单个零件9的制造中已经提供使用不同的沉积条件(连续的 或者间断的沉积方式、沉积材料的密度等等)。此外，并且在单个零件9的制造中，已经提供 根据待沉积的零件的功能(支架、内部零件、外表面或者盖等等)使用两种或更多种不同的 材料。考虑到来自熔化室10并且来自开口 14的待沉积的材料的熔化取决于由超声焊极 12的振动所提供的能量，所以只要考虑进料和/或所使用的塑性材料类型的特点，就可以 执行对施加到所提到的超声换能器的发生器上的能量的控制，以按组合方式利用所有参数 来操作。此外，并且考虑到熔化室10的不同状态，施加到所述超声换能器的发生器上的能 量的应用还始终应考虑到熔化室10的工作体积设定。在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，本领域的技术人员将 能为所描述的实施例引入改变和改进。
权利要求
-一种用于选择性沉积熔态塑性材料的设备，其特征在于，其包括与以下部件连通的熔化室(10)-超声换能器的超声焊极(12)的易受振动影响的一部分(11)；-用于供给塑性材料的通道(13)；以及-至少一个出口孔(14)，其用于逐滴地或者连续地供给熔态塑性材料。
2._根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述熔化室(10)被集成到用于使所述塑 性材料增塑的组件中，并且包括构造成向所述室(10)输送所述塑性材料的供料机构。
3._根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述熔化室(10)位于包围所述超声焊极 (12)的伸长外壳(15)的端部中，所述超声焊极相对于所述外壳(15)在纵向方向上振动，所 述熔化室(10)与超声焊极(12)的末端相对，并且，所述供料机构被配置成与所述超声焊极 (12)的纵轴线同轴，包括按受控方式来控制的位于环形空腔(21)中的纺锤体(16)。
4._根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述环形空腔(21)被界定在由外壳15 的内表面、超声焊极12和轴承18及19所形成的外部圆筒形的壁之间，它们全部与超声焊 极的纵轴线同轴。
5.-根据权利要求3所述的设备，其特征在于，其包括用于为整个设备提供受限的转动 的器具，从而调整由超声焊极(12)的末端所界定出的所述熔化室(10)的塑性材料的体积。
6._根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述超声换能器通过轴承支撑件(18)与 所提到的纺锤体(16)相关联。
7._根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述塑性材料的供料包括外壳(15)的至 少一个侧部供料口(20)，该供料口与熔化室(10)的所述环形空腔(21)的远端区域连通。
8._根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述熔化室(10)位于包围所述超声焊极 (12)的外壳(15)的端部中，与所述包围外壳(15)的敞开端(22)相对，用于在实质上与超 声焊极(12)对准的方向上接近材料，并且所述出口孔(14)是外壳(15)的侧孔。
9._根据权利要求8所述的设备，其特征在于，其包括用于通过所提到的外壳(15)的敞 开端(22)将塑性材料推入到熔化室(10)来供料的受控的单元。
10._根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，根据待熔化的塑性材料，控 制所述超声焊极(12)来提供足够量的超声波能量以几乎立即熔化供给到熔化室(10)中的 塑性材料。
11.-根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述塑性材料是任何一种 聚合物材料，并且可以按至少包括球粒、粉末、细丝、片材和凝胶的任何形态来提供。
12.-根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个熔化室(10) 的所述出口孔(14)与具有一个或更多个定向的喷嘴的分配本体相关联。
13.-根据权利要求2或8所述的设备，其特征在于，所述熔化室(10)位于包围所述超 声焊极(12)的伸长外壳(15)的端部中，所述超声焊极相对于所述外壳(15)在纵向方向上 振动，所述熔化室(10)与所述超声焊极(12)的末端相对，并且，其具有用于沉积材料的控 制系统(23)，确保正确的滴注或沉积操作以及所讨论的层的宽度。
14.-根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述控制系统(23)被集成到出口孔 (14)中，并且，其功能是根据所讨论的室(10)中的熔化体积来控制沉积材料的量。
15.-—种用于选择性沉积熔态塑性材料的装置，其特征在于，其包括一件具有至少三个自由度的工业制造设备的头部(24)，根据权利要求1到14中任一项所述的、用于选择性 沉积的超声波设备按可拆卸的方式被可操作地连接到所述头部上。
16.-根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述头部(24)属于从至少包括 CMM(控制测量机器)设备、用于分层制造的设备或者机械加工设备的组中选择出来的一件 工业设备。
17._根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述一件工业设备是铣床。
18.-一种通过选择性沉积熔态塑性材料来制造的方法，其特征在于，其包括-按受控的方式向熔化室(10)供给塑性材料，所述熔化室(10)被配置到用于选择性沉 积的设备中，所述设备被安装到可在沉积区域上活动的一件工业制造设备的头部(24)中， 并且所述室与超声换能器的超声焊极(12)的易受振动影响的一部分、用于输送塑性材料 的通道(13)和至少一个出口孔(14)连通；以及_激活超声焊极(12) —预定时间，同时按照基于由适当的软件所提供的信息的数字控 制所限定出的路径的策略来按受控方式移动头部(24)，该软件已经对待复制的零件(9)进 行三维实体造型，并且同时按受控方式通过所述至少一个开口(14)将熔态塑性材料逐滴 地或者连续地供给到表面上，直到形成层。
19.-根据权利要求18所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，在控 制供料的流动速度下执行向室(10)供给塑性材料。
20.-根据权利要求18所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，通过 超声焊极(12)和所述熔化室(10)之间的相对运动来执行对所述室(10)的容积的调整。
21.-根据权利要求18所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，在单 个零件(9)的制造中使用不同的沉积条件。
22.-根据权利要求18所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，在单 个零件(9)的制造中使用两种或更多种材料。
23.-根据权利要求22所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，在单 个零件(9)的制造中使用不同的沉积条件。
24.-根据权利要求18到23中任一项所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其 特征在于，进行这样一种控制，即，使施加到所述超声换能器的发生器上的能量的控制与所 使用的塑性材料的进料和/或类型的特征相结合。
25.-根据权利要求20所述的用于选择性沉积熔态塑性材料的方法，其特征在于，根据 熔化室(10)的容积来进行对施加到所述超声换能器的发生器上的能量的控制。
全文摘要
本发明涉及一种设备和装置，其包括与超声换能器的超声焊极(12)的一部分(11)、用于输送塑性材料的通道(13)和至少一个用于逐滴地或者连续地供给熔态塑性材料的出口孔(14)连通的熔化室(10)。为所述熔化室(10)供给塑性材料的进料机构。所述方法包括向配置在用于选择性沉积的设备中的熔化室(10)输送塑性材料，所述设备安装在一件工业制造设备的头部中，该头部根据由数字控制所限定出的其路径的策略在沉积区域上移动，并且通过出口孔(14)灌注被超声波熔化了的塑性材料。
文档编号B29C67/00GK101815607SQ200880110237
公开日2010年8月25日 申请日期2008年8月25日 优先权日2007年9月4日
发明者A·帕利亚雷斯贝哈拉诺, F·X·普兰塔托拉尔瓦, F·普利加 申请人:阿斯卡姆私人基金会