用于创建三维物体的增材制造设备及相关方法与流程

本发明涉及用于通过成连续层地选择性沉积材料制造三维物体的设备和方法的领域。因此，其具体地涉及但不限制于三维打印领域，其又称为增材制造或快速成型。

本发明应用于多个领域，兼用于工业和特定用途。这些领域具体地包括汽车、航空航天、诸如牙科行业的医药、军事工业、消费品、珠宝、电影工业、用于建筑学或设计研究的项目可视化、3D打印机的个人使用、或3D打印在线服务。

因此，本发明提供了一种用于生产三维物体的增材制造设备、一种凭借这样的设备执行的生产三维物体的方法、以及一种通过这样的设备或方法获得的三维物体。

背景技术：

又称为3D打印的三维打印是为快速成型开发的增材制造技术。该技术作为用于根据CAD数据文件生产真实物体的新方法出现于80年代中期。CAD代表“计算机辅助设计”。因此，操作员使用CAD工具在计算机屏幕上绘制平面或立体模式的物体。然后，获得的3D数据文件被发送至指定打印机，该打印机逐层切片和沉积或固化材料从而获得最终物体。以这样的方式，三维打印通过堆叠材料的层提供真实物体，通常是一个没有加工的原型。层的堆叠创建物体的体积。

由于它的出现，三维打印已经引起不同的共存技术。除了其它以外，其很可能包括立体平版印刷(SLA表示“立体平版印刷装置”)、熔融细丝挤出(或FDM表示“熔融沉积成型”)、选择性激光烧结(SLS表示“选择性激光烧结”)、电子束熔化(或EBM表示“电子束熔化”)、3DP打印(表示“3D打印”)或通过聚合物喷射技术(PolyJet)的3D打印。

近年来，可以看到用于个体的这些技术的大众化现象。该现象主要基于被 简化和小型化的SLA和FDM类方法。然而，这提出了一个问题，因为那些方法已经发展起来从而生产适合于消费的原型和未完成物体，而无需后续处理。

此外，在使用的材料的多功能性方面，这两个FDM和SLA类方法是有限制的。的确，FDM类方法主要使用ABS(表示“丙烯腈丁二烯苯乙烯”)类聚合物或PLA(表示“聚乳酸”)而SLA类方法主要使用树脂水溶液。然后，使用这些方法的一些设备部分地响应材料的多功能性问题，增加与支持的材料一样多的打印头，这进而增加了它们的复杂性。此外，这样的设备仅提供了材料中的轻微变化，且不是异质材料。然而，获得来自增材制造设备的消费模式需要支持多种材料(例如，聚酰胺、陶瓷、金属等)，这引发使用的不同材料的粘合和它们结构的完整性问题。

另外，就可靠性而言，这两类SLA和FDM方法也是有限制的。的确，无论是为温度测量、控制或扩散，两种方法均需要许多且昂贵的部件以获得精度。具体地，FDM类方法中的热阻涉及用于个体的设备的相对寿命和重大维护。这同样适用于使用激光或辐射光源的SLA类方法。更一般地，对于对三维模型的精度和适当的生产同样重要的打印头位置的控制来说，这两个方法需要相当数量的附加的传感器，这增加了复杂性和成本。然而，为了帮助实现多功能且可靠的系统，尤其对于个体，不得不控制那些元件。

此外，除了使用化学粘合剂以固化粉末状材料的3DP打印以外，所有现有技术承担大量的能量损耗：就材料而言，没有为多样的消费用途优化热阻、激光等。

最后，所有现有技术需要后续处理以“清洗”物体且通过增加物体强度、对物体抛光、涂覆或着色使其完善。

所有这些制约因素和限制条件在可行性和在结果中都遗憾地损害了用户体验，尽管这是开发这样的技术的使用和消费的主要问题之一。

技术实现要素：

因此，存在一种需求以提供一种增材制造的新原理，除了其它以外，其具有在同一工艺中处理异质材料的能力，仍在同一工艺中通过涂覆、着色或不着 色来精加工最终物体的能力，以及与大量消耗问题相关的能量和化学物质约束的意识。

本发明旨在至少部分地克服上述需求和与现有技术实施例相关的缺点。

在其一方面，本发明的目的是一种用于生产三维物体的增材制造设备，其特征在于，包括：

-材料选择单元，包括用于生产三维物体的材料，

-材料的感应加热单元，选择单元能够传递材料至致使融化的加热单元，

-沉积材料单元，在材料穿过加热单元之后，将材料喷射在支撑件上以能够通过连续的材料层生产三维物体。

由于本发明，有可能减少或解决与现有技术的实施例相关的所有上述的缺陷和问题。具体地，制造三维物体是可能的，且更具体地，独立地获得完整的物体是可能的，这可以包括着色或未着色的，可选择地具有一个或多个涂层的多种材料，而不需要物体的任何后续处理。此外，通过感应加热的使用，与对工艺材料使用能量源的其它增材制造技术相比，可以实现显著的节能。感应还可以用于获得待处理的目标区域，因为能量在具有非常低的扩散的特定区域上转化为热。此外，相同的感应加热方法可以用于不同的材料，这些材料根据它们的组分接收指定的处理。

本发明的设备还可包括分别地或以任何可能的技术组合的一个或多个下面的特征。

材料选择单元可以包括容器中的材料封装的第一部分和特别地分配至感应加热单元的材料分配的第二部分。

容器可以是可互换的。可以以各种形式封装材料，包括液体或固体形式，特别是以细粉形式。

材料封装的第一部分可以包括用于生产三维物体的第一材料容器、和/或用于生产和/或处理支撑件的第二材料容器，和/或用于着色支撑件和/或三维物体的第三材料容器。

材料分配的第二部分可以包括用于生产三维物体的第一材料分配器、和/或 用于生产和/或处理支撑件的第二材料分配器、和/或用于着色支撑件和/或三维物体的第三材料分配器。

该材料选择单元可以包括对材料的封装和分配有用的不同元件，诸如，例如，压电阀、湿度传感器、材料识别和材料年龄指示的元件等。材料的感应加热单元可以包括用于生产三维物体的材料的第一感应加热部分和用于生产和/或处理支撑件的材料的第二感应加热部分。

感应加热单元，并且特别是第一感应加热部分和/或第二感应加热部分可以包括至少一个感应加热模块，包括：

-管状绝缘元件，具体地热绝缘和/或电绝缘，

-杆，特别是可旋转的杆，以及特别是螺旋状的，位于管状元件的内部，

-至少一个感应线圈部分，在管状元件的外壁上方延伸，

这些材料能够贯穿管状元件内部从而通过与杆接触感应加热被熔化。

管状元件可以具有被处理的内壁以减小其粘性，例如，具有聚四氟乙烯(PTFE)涂层或相等物。

优选地，杆可以是可旋转的。然而，可选地，杆还能够被固定。

在可旋转的螺旋杆的情况下，螺旋杆叶片的形状可以是可变的，且步骤可以是可变的。

杆可包括与由感应生成的磁场强烈作用的材料。

感应加热单元还可进一步包括连接至杆的变速电动机，特别是在可旋转的杆的情况下，例如通过皮带或任何其它驱动系统，以允许其旋转。感应加热单元还可以包括一个或多个感应发电机。感应加热单元还可以包括为其喷射或沉积做准备的熔融成形材料的储存室或锁。

感应加热单元可以包括多个感应加热模块，至少两个感应加热模块允许感应加热不同组分的材料。

材料沉积单元可以包括用于生产三维物体的第一材料沉积部分和用于生产和/或处理支撑件的第二材料沉积部分。

材料沉积单元，特别是第一沉积部分和/或第二沉积部分可以包括通过生成声波的至少一个沉积模块。可选地，材料沉积单元可以包括例如通过气压致动、通过来自压电电池的致动的压力生成、或通过热激励的其它类型的材料喷射方式的沉积模块。

由于至少一个声波生成沉积模块的存在，如以下说明，从按需滴定材料喷射模式(即，以液滴的形式)转变成连续的喷射流是可能的，反之亦然。此外，通过控制声波频率和振幅调节将要沉积在支撑件上的材料体积是可能的。此外，相互作用而不与用于生产三维物体和/或支撑件的各种材料接触是可能的。最后，相对于支撑件，确定设备打印头的运行中(on the go)的位置，包括感应加热单元和沉积单元是可能的。

有利地，材料沉积单元包括多个声波生成沉积模块。这些声波生成沉积模块可以被模块化。

一个或一些声波生成沉积模块可以位于感应加热单元的熔融成形材料储存室或锁中。

一个或一些声波生成沉积模块可以包括压电式换能器，可选地根据待处理的液体形式的熔融成形材料的粘度与菲涅耳多焦点区相关。

压电式换能器可以兼用作变量声音发送器和声音接收器。

材料沉积单元可以包括至少一个挤出孔，特别地挤出孔与声波生成沉积模块一样多，在前述至少一个声波生成沉积模块的影响下，穿过挤出孔的熔融成形材料被喷射和推送出。

前述至少一个挤出孔的尺寸可以小于流体形式的熔融成形材料的流量。

前述至少一个声波生成沉积模块可以能够允许持续或以液滴形式沉积材料。

与熔融成形材料的一个或多个挤出孔相关联的一个或一些声波生成沉积模块可以起到如下作用：由声波生成沉积模块接收的信号生成在熔融成形材料上积聚压力的声波，迫使其穿过与声波生成沉积模块相关联的挤出孔。

根据本发明，由声波生成沉积模块接收的信号可以由增材制造设备的计算 机控制系统(控制电子产品)发送。由该计算机控制系统控制发送至声波生成沉积模块的信号可以允许选择一个或多个挤出孔，并且因此控制发射的熔融成形材料的流量和体积。

设备还可以包括流量和/或材料温度控制元件，尤其是以交流电源的形式。

设备还可以包括用于与CAD工具和设备操作控制通信的计算机控制系统。

本发明还涉及，根据另一方面，一种用于通过增材制造生产三维物体的方法，其特征在于，其通过以上限定的设备执行，且其中，该方法具体地包括以下步骤中的一个或多个：

-从选择单元向下选择性地传递材料至加热单元，尤其通过至少一个材料分配器，

-通过加热单元选择性地加热材料直到材料被熔化，

-使用至少一个杆，特别是至少一个可旋转的杆，且特别是螺旋的，用于感应加热和材料流量控制；

-通过沉积单元在支撑件上以液滴形式或持续地沉积熔融成形材料，

-冷却沉积的材料，

-相对于沉积单元移动支撑件以允许连续地沉积材料层，

-通过使用由加热单元加热至不同的温度的不同材料的容器，生产多材料三维物体，

-通过材料沉积单元处理支撑件以赋予其包括粘合和/或着色的涂覆特性。

本发明还涉及，根据另一方面，一种增材制造三维物体，其特征在于，通过如以上限定的设备或如以上限定的方法获得。

另外，本发明还提供了，在另一方面，一种增材制造三维物体，其特征在于，包括：

-材料选择单元，包括用于生产三维物体的材料，

-材料加热单元，选择单元能够将材料向下传递至加热单元，

-材料沉积单元，包括至少一个声波生成沉积模块，其将经过加热单元的材 料喷射在支撑件上，使得能够通过连续的材料层生产三维物体。

根据本发明的用于增材制造设备的前述特征、方法和三维物体可以分开对待或与其它部件以任何技术上可能的组合地对待。

附图说明

通过阅读下面的详细的说明、执行说明的非限制性的实例、以及附件中的附图的示意性或局部的附图评述，将更好地理解本发明，其中：

-图1以框图的形式示出了根据本发明的包括增材制造设备的装置的实例；

-图2详细地示出了图1的增材制造设备的材料选择单元；

-图3是图1的增材制造设备的材料选择单元和包括加热单元和沉积单元的打印头的进一步详细的图示；

-图4以截面示出了与图1的实例相似的根据本发明的增材制造设备加热单元的实例；

-图5以顶视图示出了图4的加热单元和根据本发明的增材制造设备沉积单元；以及

-图6以局部截面和立体图示出了图4的加热单元的感应加热模块的实例。在所有这些附图中，相同的参考标号可以指定相同或相似的元件。

此外，在附图中表示的不同部件不必是锁定比例的，从而使附图更可理解。

具体实施方式

图1以框图的形式示出了根据本发明的包括增材制造设备1的装置的实例。

例如，该装置看起来是箱子B的形式，其具体地包括根据本发明的增材制造设备1、意在其上制造三维物体2的支撑件6以及用于与CAD工具19通信且控制设备1的操作的计算机控制系统18。

CAD工具19可以用于通过计算机设计三维模型的切片平面，其可以考虑到各种各样的材料且可以随后地通过根据本发明的设备和方法生产。

根据本发明，设备1包括材料的增材制造选择单元3(具有用于生产三维物体2的材料)、材料的感应加热单元4，选择单元3能够将材料向下传递至致使它们熔化的加热单元4；以及材料的沉积单元5，其在材料经过加热单元4之后喷射材料在支撑件6上以允许通过沉积连续的材料层生产三维物体2。

具体地，材料的选择单元3包括材料封装的第一部分3a和材料分配的第二部分3b，具体地分配至感应加热单元4。因此，材料的选择单元3可以允许选择要求的材料以生产三维物体2和/或修改支撑件6，以及传递它们至感应加热单元4。

此外，根据本发明，材料的感应加热单元4和沉积单元5包含在设备1的打印头P中，打印头P能够沿着沿横向轴线X的箭头F1水平地移动，从而在期望的位置处从感应加热单元4喷射熔融成形材料至支撑件6。

此外，在其上设置待制造的三维物体2的支撑件6也能够沿着竖直轴线Z根据箭头F2竖直地移动，从而在连续的材料层的沉积期间，调节其相对于打印头P的距离。

根据本发明，计算机控制系统18转而连接至设备1的各个元件和单元，使得能够允许那些元件之间的控制和通信，并且具体地确保三维物体2的制造和支撑件6的可能的精加工。

因此，例如，计算机控制系统18可以包括与处理软件21和内存储器22相关联的计算机20、以及连接至外部CAD系统19的通信设备23，以允许转移与待生产的三维物体2相关联的计算机文件。此外，能量源24可以被包含在计算机控制系统18内。

图1的增材制造设备的材料的选择单元3在图2中更详细地表示。

如上所示，材料的选择单元3包括材料封装的第一部分3a和材料分配的第二部分3b。封装材料的第一部分3a包括材料容器3a₁、3a₂和3a₃以及分配的第二部分3b包括材料的分配器3b₁、3b₂和3b₃。更确切地，材料封装的第一部分3a包括用于生产三维物体2的材料的第一容器3a₁、允许生产和/或处理或精加工支撑件6的材料的第二容器3a₂、以及可以使支撑件6和/或三维物体2着色的材料的第三容器3a₃。

根据生产三维物体2和可能精加工支撑件6的需要，这样的材料容器被带至材料分配的第二部分3b的分配器。材料分配的第二部分3b包括用于生产三维物体2的材料的第一分配器3b₁、用于生产和/或处理支撑件6的材料的第二分配器3b₂、以及允许可能着色支撑件6和/或三维物体2的材料的第三分配器3b₃。第一材料分配器3b₁、第二材料分配器3b₂和第三材料分配器3b₃中的每个都包括允许它们实现从选择单元3传递材料容器至感应加热单元4的各种元件，这些元件具体包括阀7、流量控制元件8和9以及传递管道，尤其是柔性的传递管道。

图3将详细地描述材料的选择单元3和打印头P的另一个图，其包括图1的增材制造设备1的感应加热单元4和沉积单元5。

如能够从图3所见，材料的感应加热单元4包括用于生产三维物体2的材料的第一感应加热部分4a和用于生产和/或处理支撑件6的材料的第二感应加热部分4b。

更具体地，选择单元3的第一材料分配器3b₁连接至感应加热单元4的第一感应加热部分4a，以及选择单元3的第二材料分配器3b₂连接至感应加热单元4的第二感应加热部分4b。

感应加热的第一部分4a和第二部分4b中的每个还包括致使材料熔化和控制感应加热的合适操作的控制元件。例如，这些控制元件包括温度控制元件14和材料流量控制元件15。

此外，感应加热的第一部分4a和第二部分4b中的每个还包括至少一个感应加热模块10，如随后将参照图4至图6描述的。

此外，图3还更详细地示出了材料的沉积单元5，其允许熔融成形材料在经过加热单元4之后喷射在支撑件6上。

有利地，材料的沉积单元5允许通过声波生成的熔融成形材料的喷射。更具体地，材料的沉积单元5包括用于生产三维物体2的材料的第一沉积部分5a和用于生产和/或处理支撑件6的材料的第二沉积部分5b。

材料沉积的第一部分5a和第二部分5b中的每个包括至少一个声波生成沉积模块17，如图所示，其可以使互连的。这些声波生成沉积模块17的操作将在 稍后描述。

此外，材料的第一沉积部分5a和第二沉积部分5b的每个可以包括喷射熔融成形材料在支撑件6上的合适操作所需的多个元件，以及例如，诸如材料流量控制元件15的控制元件，与感应加热单元4描述的那些相似。此外，可能存在喷射室24和用于熔融成形材料25的沉积的辅助元件。

此外，本发明旨在实施支撑件6的可能处理以获得，如果必要，精加工的三维物体2，换言之，可使用而不需要后续处理，可以通过连接至第二加热部分4b的材料的第二分配器3b₂实施支撑件6的生产和/或修改，而第二加热部分4b本身连接至第二沉积部分5b。除了该工艺，材料的第三容器3a₃的第三分配器3b₃可以直接地连接至着色材料的选择性注入设备26，着色材料的选择性注入设备26集成在打印头P中且直接连接至沉积单元5的第二沉积部分5b，且更特别地连接至第二沉积部分5b的喷射室24。在执行支撑件6的着色中，可以考虑各种解决方案，诸如在着色的溶液中使用选择性的加热、辐射或反应剂。

现在参照图4至图6，将更详细地描述根据本发明的增材制造设备1的感应加热单元4和沉积单元5。

具体地，图4以截面示出了根据本发明的增材制造设备1的感应加热单元4的实例。图5以顶视图示出了根据本发明的图4的感应加热单元4和增材制造设备1的沉积单元5，且图6以局部截面和立体图示出了图4的加热单元4的感应加热单元的模块10的实例。

如所见的图4、图5、和图6的比较，感应加热单元4可以包括例如，六个感应加热模块10a-10f。显然地，加热单元4的感应加热模块的数量是非限制性的且可以根据用于生产三维物体3和/或生产或修改支撑件6的需要被确定。同样地，根据本发明的增材制造设备1可以可选地包括与熔融成形材料的多个沉积单元5相关联的多个感应加热单元4。

每个感应加热模块10a-10f具有热绝缘和/或电绝缘的管状元件11，其中，例如以粉末、液体或固体形式引入待处理的材料。优选地，管状元件11具有有可能由PTFE制成的被处理过的内壁，从而减小了粘性。

此外，每个感应加热模块10a-10f包括具体为螺旋形状的可旋转的杆12，其 位于管状元件11的内部。螺旋杆12可以具有改变形状的且由与感生磁场强烈作用的材料构成的叶片。螺旋杆12用作被引入至管状元件11内的材料的驱动装置，朝向储存室或锁30驱动与螺旋杆12接触被加热的熔融成形材料。

此外，感应加热模块10a-10f的每个包括在管状元件11的外壁11a上延伸的至少一个感应线圈部分13。

更确切地，如从图5可见，单一感应线圈13可以在所有六个感应加热模块10a-10f周围延伸，且具体地在管状元件11的外壁11a上延伸。此外，如图4和图6所示，若干感应线圈13可以沿着感应加热模块10a-10f在彼此上叠加。

此外，感应加热单元4还可以包括通过皮带或任何其他驱动系统连接至螺旋杆12以使杆12旋转的一个或多个变速电动机，并且还包括未示出的一个或多个感应发电机。

有利地，均受到相同感应过程的多个感应加热模块10a-10f的使用(因此包括多个螺旋杆12)可以允许在每个感应加热模块10a-10f中使用不同的材料组分，这些感应加热模块10a-10f在受到感生磁场时，根据在管状元件11中存在的材料，能够获得不同的温度。

此外，图5显示了例如在加热单元4的锁30中设置的沉积单元5。如图5所示，沉积单元5可以包括与多个挤出孔16相关联的多个声波生成沉积模块17，在由沉积模块17生成的声波的影响下，熔融成形材料通过多个挤出孔16被喷出、推动。

挤出孔16可以有利地具有小于流体形式的熔融成形材料的流量的尺寸。声波生成沉积模块17可以具体地由压电换能器组成，压电换能器根据待处理熔液的粘性与多焦点菲涅耳区(Fresnel zones)可选地相关联，且声波生成沉积模块17能够兼用作可变声音发送器和声音接收器。

为了允许熔融成形材料由沉积单元5发射在支撑件上，声波沉积的操作如下：例如由计算机控制系统18发射、由声波生成沉积模块17中的一个接收的信号生成在熔融成形材料上产生压力的声波，因此迫使其穿过与声波生成沉积模块17相关联的挤出孔16。

对发送至不同声波生成沉积模块17的不同信号的计算机控制，且具体地通 过计算机控制系统18的计算机控制，可以允许根据需要选择一个或多个挤出孔16且控制喷射的材料的流量和体积。

此外，在声波生成沉积模块17中使用压电换能器可以允许沿着如图1示出的竖直轴线Z实时识别和控制打印头P的竖直位置。

此外，通过来自沉积单元5的声波选择性沉积熔融成形材料可以使得能够考虑材料以液滴形式或持续流动形式按需滴定(drop-on-demand)沉积在支撑件6上，使两种流动模式的彼此切换更简化。

如上所述，根据本发明的增材制造设备1能够基于CAD工具19的数据提供期望的三维物体2。

有利地，本发明因此能够帮助避免使用精加工的三维物体2的后续处理。其允许多材料精加工的物体的简化生产且能够提供自主精加工。

显然地，本发明不限制于刚刚描述的生产实例。本领域的普通技术人员可以做出各种修改。

术语“包括”应该理解为是“包括至少一个”的同义词，除非另有说明。