專利名稱：分層沉積成型的光滑方法
背景技術：
本發(fā)明涉及快速原型制作(Rapid Prototyping)領域，尤其涉及用分層制造技術制作的原型物體獲得表面光滑度的方法。
在許多行業(yè)中，對原型物體進行生產和測試是開發(fā)新產品、新機器和新方法的一種通常使用的步驟?，F已知多種用于生成三維原型的分層制造方法，這些方法可在計算機的控制下廉價、快捷地從計算機幾何模型開發(fā)出原型物體。這些快速原型制作方法通常將欲得到物體的數字圖像(計算機輔助設計(CAD))切割或分割成許多水平層，然后反復使用材料一層一層地建造該物體。示例性的快速原型制作技術包含分層沉積成型(modeling)方法、選擇性激光燒結方法和立體激光成型(Stereolithographic)方法。
分層沉積成型技術的一個實例是由Stratasys FDM成型機來實現的熔融沉積成型技術。熔融沉積成型技術通過模式已預定的擠出頭擠出可固化的模型材料，以每層物體特定形狀的相應設計數據為基礎，一層一層地建造三維物體。用于制作三維物體的基于擠出的裝置及方法實例描述于Crump的美國專利5,121,329，Crump的美國專利5,340,433，Danforth等的美國專利5,738,817，Batchelder等的美國專利5,764,521和Dahlin等的美國專利6,022,207，所有這些專利都轉讓給了本發(fā)明的受讓人Stratasys，Inc.。
在現有技術的Stratasys FDM成型機器中，典型地，將成型材料作為纏繞于供料盤上的撓性絲料而裝載到機器，如美國專利5,121,329所公開的。使用的成型材料為固化時具有足夠附著力附著到上一層、且可作為撓性材料提供的可固化材料。電機驅動的進料輥將絲料束送入由擠出頭傳導的液化器上。在液化器內絲料被加熱到流動溫度。在液化器的遠端，流動的成型材料從噴嘴中擠出，從液化器沉積到基底上。材料從噴嘴中擠出的流動速率是絲料前行到擠出頭的速率的函數?？刂破骺刂茢D出頭在x，y水平面的運動，控制基底在z垂直方向的運動，并控制進料輥送進絲料的速率。通過對這些加工變量的同步控制，成型材料沿著由CAD模型定義的刀具路徑一層一層地以“珠?！背练e。擠出的材料融合到原先沉積的材料上，固化形成類似CAD模型的三維物體。
由于現有技術的分層制造技術所開發(fā)出的物體為分層成形，其表面呈現紋理或條紋。彎曲和角狀的表面通常有一種“梯級”外表，這是由有方邊輪廓的截面形狀分層所導致的。隨著層厚的增加，梯級效應會更明顯。雖然梯級并不影響物體的強度，但會破環(huán)美觀。
分層制造技術所創(chuàng)建的物體的表面粗糙度也會因建造方法中的誤差而引起。例如，在現有技術的熔融沉積成型系統(tǒng)中，出現誤差的部分原因是由于擠出流動速率不穩(wěn)。在刀具路徑的起點和終點，如，在“線縫”位置(即封閉的刀具路徑的起點和終點)，尤其會產生誤差。這些誤差會在生成的模型形狀中引起不合要求的一致性問題。
三維物體的快速原型制作不但包含原型部件的生產，而且還可以包含模具的生產。由快速原型制作模具的使用實例包含制成用于產生注塑模具插件(inserts)的模具，如美國專利5,189,781所述，以及制成未燒結陶瓷物件燒結前用的臨時(fugitive)模具，如美國專利5,824,250和美國專利5,976,457所述。
現有技術教導以人工的方式對分層制造技術生產的物體進行修邊、機械加工或打磨以去處多余材料。用織物、砂紙或溶液負載的研磨劑進行擦亮是目前對物體進行光滑或拋光處理的方法。例如，Hull等的美國專利5,059,359，Methods and Apparatus for Producing Three-dimensional Objectsby Strereolithography，稱他們的原型為“非常適合用砂磨進行光滑處理產生大小合適的部件”。美國專利6,021,358也承認需要使用去除(subtractive)成型方法對增長方法技術(additive process technique)制得的模型進行手工修飾，以獲得光滑的模型。在快速原型制作系統(tǒng)中，需要有一種簡便而相對經濟的方法對分層制造原型物體進行后加工處理。
以前開發(fā)的用于塑料制造的技術被稱為溶劑拋光，涉及使用化學蒸氣或液體對塑料表面進行軟熔來進行光滑處理。二十多年前，溶劑拋光在塑料行業(yè)中被開發(fā)出來，目的是為了在物件(items)應用或制造過程中無須過分仔細就能開發(fā)出光潔的平面和/或高亮涂層或表面。例如，美國專利3,437,727公開了一種使用化學蒸氣對返回到電話公司的電話機重新進行表面修理(refinish)方法，用作對電話機進行回收使用的方法。
用溶劑對物件進行拋光有兩種標準方法。第一種是將整個塑料物件浸泡在液體塑料溶劑浴中，浸泡時間以溶劑和所涉及塑料的種類為準。這一方法使溶劑滲透到塑料的外層，因而引起它軟熔(reflow)。軟熔使塑料物件的外表面變得光滑和/或光亮。
第二種溶劑拋光的方法是將塑料物件暴露在氣化的溶劑中?？梢杂妹绹鴮＠?,260,873所示的手提蒸發(fā)器來對塑料物體進行暴露。備選地，還可將物體置于充滿氣化溶劑的腔室內，蒸氣從下面加熱浴中產生，如美國專利3,737,499中所述。氣化腔室的優(yōu)點是溶劑容納于腔室中且可循環(huán)使用，因此可將潛在的環(huán)境污染降至最低。
熱溶劑蒸氣熔融或塑化基底表面的使用已用于電路板制造領域，以促進印刷電路的轉印，例如在美國專利4,976,813中所公開的。在美國專利4,594,311公開了另一個實例，其中溶劑蒸氣用來處理塑料基材的無圖像區(qū)域，所述的塑料基材用來固定印刷電路板，目的是進一步強化印刷圖形，并使它更牢固地固定在表面上。在美國專利5,045,141中，可以對一種基底，主要是電路板，進行處理以促進印刷電路向其轉印。
使用液體或蒸氣的溶劑拋光還經常被當作制造過程中去除油污或清洗的一個步驟，尤其是在上漆之前。
雖然快速原型制作技術需要一種實用并且不昂貴的表面修飾技術，對于使用蒸氣拋光技術對由分層制造快速原型制作技術形成的物體進行光滑處理而言，在現有技術中，申請人不知道任何教導或建議。
發(fā)明簡述本發(fā)明是一種對應用分層制造快速原型制作技術用聚合物和蠟材料建造的物體表面進行光滑處理的方法。物體建造好后，將其暴露于一種氣化的溶劑，暴露足夠長的時間使物體的表面軟熔?；谌軇┧矔r軟化形成物體的材料、隨后從物體上蒸發(fā)的能力，來選擇溶劑。物體從溶劑中取出，使其干燥，形成光滑的成品部件。任選地，可在將物體暴露于溶劑中之前，對物體表面的某些部分進行掩模，以保護物體的小零件(fine details)。備選地，在將物體暴露于溶劑中之前，也可對物體表面的某些部位進行預變形，以便所述的表面部分在蒸氣光滑處理后仍可保持要求的幾何形狀。
附圖簡述

圖1舉例說明用分層制造快速原型制作技術生成的一個原始物體的放大透視圖。
圖2為圖1所示的物體經蒸氣光滑處理后的放大透視圖。
圖3舉例說明根據本發(fā)明對物體進行蒸氣光滑處理的方法的示意圖。
圖4a為熔融沉積成型法形成的原始物體的局部詳細剖視圖。
圖4b所示為圖4a物體蒸氣光滑處理后的剖面。
圖5a為圖4a所示物體的局部詳細剖視圖，其中物體的幾何形狀在此已根據對蒸氣光滑處理的預測作出了預變形。
圖5b所示為圖5a物體蒸氣光滑處理后的剖面。
詳細描述對于應用分層制造快速原型制作法，由聚合材料或蠟材料形成的物體，可以使用本發(fā)明的方法。分層制造技術的一個實例為美國專利5,121,329中所公開的那類技術，其中擠出頭以預先確定的每層形狀，層層沉積出熔融材料的“路徑”，且該材料通過帶有溫度的液滴固化形成固體模型。
圖1顯示了一個示例性的物體10，該物體是應用分層制造快速原型制作技術而形成的。物體10有一個角狀表面12、一個曲面14、兩個水平面16、及三個垂直面18。在另一個實施方案中，物體可以是用于制造注塑模制部件原型的一個模具，如S.Crump和J.Hanson于同一日申請的、且轉讓給與本申請相同的受讓人、標題為“Layered Deposition Bridge Tooling”的國際申請PCT/US03/＿＿＿。物體10由聚合物和蠟成型材料制成，所述的材料還可以包含包含填料及其它的添加劑，以及已分散的顆粒材料。無定形熱塑性塑料尤其適用于本發(fā)明，如ABS、聚碳酸酯、聚苯基砜(polyphenylsulfone)、聚砜、聚苯乙烯、聚苯醚、無定形聚酰胺、丙烯酸類塑料、聚(2-己基-2-噁唑啉)(Poly(2-ethyl-2-oxazoline))、及它們的混合物。本發(fā)明也可與其它聚合物材料和蠟材料一起使用以發(fā)揮其優(yōu)勢，所述的材料包含玻璃填充的尼龍、噴蠟(jetting wax)、燒結的熱塑性塑料粉末、及分散于聚合粘結劑中的生金屬(green metal)或未燒結的陶瓷(greenceramic)。
如圖1所示，物體10是“原始的”，即它未經后加工光滑處理。在根據本發(fā)明作蒸氣光滑處理之前，表面12和14呈現出梯級效應。表面16和18則呈示出條痕和粗糙。
為了對物體10的表面進行光滑處理，將物體10置于蒸發(fā)器30中，該物體在其中暴露于溶劑34的蒸氣。圖3對此作了圖示。這一類型的合適蒸發(fā)器為獲自Detrex Corp.，Southfield，Michigan的VS-2000型，當然本領域的技術人員也可選認可用于本發(fā)明實施的許多替代蒸發(fā)器。圖中顯示的蒸發(fā)器30分別具有一個用于控制蒸發(fā)器操作的控制面板31，和主、副冷卻盤管33和35。
選用的溶劑34與形成物體10的成型材料相容。合適的溶劑會與成型材料發(fā)生反應，因此使在物體表面上的材料軟化并流動。該溶劑也應能在物體的表面氣化，使物體保持完好且沒有損傷。能與許多無定形熱塑性塑料一起使用的溶劑優(yōu)選二氯甲烷。其它合適的溶劑可經本領域的技術人員認可使用，如正丙基溴溶液(如Abzol)、全氯乙烯、三氯乙烯、及銷售名稱為Vertrel的氫化碳氟化合物(hydrofluorocarbon)液體。
如圖3所示，蒸發(fā)器30將溶劑34氣化至蒸汽區(qū)36，該蒸汽區(qū)保持在溶劑的沸點或更高的溫度、并受阻于冷卻盤管33和35。物體10由彎曲成可環(huán)繞物體的金屬絲鉤32固定，懸掛在蒸汽區(qū)36。也可以使用其它固定方式，如籃、網或網絲平臺。物體10暴露在氣化了的溶劑34中，使溶劑34的蒸氣能滲透物體10的表面12、14、16和18。溶劑34的滲透可軟化物體10表面的成型材料，因此表面材料可以軟熔。材料的軟熔使物體表面變得光滑。
物體10繼續(xù)暴露在溶劑34的蒸氣中，直到獲得要求的表面光潔度(finish)。暴露時間根據溶劑和成型材料的類型、物體特征的精細度、及溶劑蒸氣的濃度等來選定。暴露時間可通過觀察溶劑蒸氣在物體表面的冷凝情況來進行測量、或者根據公式預先設定。當物體表面的溫度達到使溶劑沸騰的溫度時，冷凝就會停止。這表明已發(fā)生溶劑滲透。使用二氯甲烷作為溶劑34時，無定性熱塑性成型材料會在很短的時間內軟化并軟熔，典型的暴露時間為約0.1秒至5分鐘。如果物體的光滑可望在很短的暴露時間內發(fā)生，則可能需要減少溶劑蒸氣的濃度來增加暴露時間。暴露時間越長，使操作人員有越多的時間來觀察光滑的過程，將物體從溶劑蒸氣中移出時有越多的余地來處理錯誤。
過了暴露時間后，將物體10從蒸汽區(qū)36中取出且使其干燥。在一個優(yōu)選的實施方案中，物體10從蒸汽區(qū)36中移出后，隨著溶劑34在物體10上蒸發(fā)，物體在幾秒至幾分鐘內干燥。由于物體10已不再粘、軟、或濕，隨后可對其進行處理。在有些情況下，如溶劑暴露時間長或溶劑高度濃縮時，可能需要在烘箱中對物體10進行干燥，以去處殘留的溶劑。烘箱干燥時的溫度應高于溶劑的沸點溫度。
經蒸氣光滑處理后，物體10的表面12、14、16和18上的階梯不是明顯減少就是徹底消除。使用本發(fā)明方法處理后的特定物體所獲得的表面光滑程度取決于暴露時間、溶劑、成型材料、和物體表面的初始狀況。圖2舉例說明了蒸氣光滑處理后所獲得的、物體10的階梯和粗糙度方面的顯著減少。
任選地，可雙用一種物質對物體的選定特征(如小于0.25英寸的特征、薄壁、角部、凸邊和凹邊)進行掩模，所述的物質可阻止對上述選定部分進行光滑處理，或者可避免上述選定部分暴露在溶劑中。例如，也許需要對物體10的角部進行掩模，以防止該角部被園整。類似地，也可對物體的凹面進行掩模，以避免周圍材料的流入。合適的溶劑掩模物質包含用于印刷電路板制造的那些物質，如膠、蠟、漿、粘性材料或膠紙帶，這些物質可以人工或自動涂覆。也可以用氣體對所述的特征進行包圍，來進行掩模。
在本領域已知的分層沉積方法中，可以進行掩模基底的自動涂覆，例如，通過將掩模材料噴射到選定的物體特征的表面。也可以通過利用熔融沉積成型方法，由掩模材料的沉積路徑，如通過Stratasys FDM成型機進行的方法，進行掩模物質的涂覆。本領域的技術人員也識別可以用于實施本發(fā)明的本領域已知的其它掩模技術。
使用自動掩模技術時，可用軟件算法對被掩模的特征進行識別，所述的軟件算法生成被保護表面區(qū)域的數字表示(representation)。被保護區(qū)域的識別可在物體的數字圖形中進行，如在使用CAD系統(tǒng)、Graphic Pixel系統(tǒng)或Voxel系統(tǒng)的.stl文件格式的幾何圖形中。備選地，用戶也可通過觸覺輸入接口對被遮蔽的表面區(qū)域進行識別，所述的輸入接口如獲自SensAbleTechnologies，Inc.的FreeFormTM系統(tǒng)。觸覺輸入系統(tǒng)對不要求光滑處理的區(qū)域生成數字掩模。
作為掩模技術的替代辦法，可根據對蒸氣光滑處理的預測，對物體表面的幾何形狀作預變形。通過使用軟件算法對物體的數字圖形(例如，.stl文件格式的物體CAD模型或物體切片圖形)進行修改，來進行預變形。使用預變形軟件算法，對特征的細節(jié)部分進行變形，以多建造一些角部和邊緣、且少建造一些凹陷部分，這樣，蒸氣光滑處理后，這些特征可基本達到要求的幾何形狀。尤其是，示例性的預變形算法將會(1)識別曲率半徑等于或小于切片高度(即層厚)的幾何特征；(2)對于識別的曲率半徑為正值的特征(如，角部或邊緣)，算法會在這些特征處建立初始物體圖形；以及(3)對于識別的曲率半徑為負值的形狀(如，凹陷處或平面間的接合處)，算法會在這些特征的附近挖出物體圖形。因此，預變形軟件算法生成修正后的物體圖形，這樣可通過沉積多于或少于最終光滑物體所需的材料，對被識別的幾何特征進行變形。類似的算法也可用來識別要掩模的特征。
根據預變形軟件算法，建造的特征不應大于切片層的高度，例如，只有切片高度的一半。由熔融沉積成型方法制造的典型部件的表面粗糙度約為切片高度的0.3倍。正特征預變形時所增加的額外材料大約可以是表面粗糙度的厚度，因此當軟熔的材料被帶走時，剩下的固體材料形成了最終要求的最終物體幾何形狀。對于負曲率區(qū)域，預變形算法需要預先除去足夠多的材料，這樣來自周圍區(qū)域的流入量(in-flow)填補被除去的材料。
物體幾何形狀的預變形如圖4a和4b及圖5a和5b所示。圖4a和4b顯示疊加在輪廓42上的、未經預變形的物體40的局部剖視圖，輪廓42表示物體40最終要求的物體表面幾何形狀(即，未經修改的物體圖形)。如圖4b所示，蒸氣光滑處理導致凸角44從要求的輪廓42上園整掉，且圓整邊緣46，超出了要求的輪廓42。圖5a和5b畫出了物體40’的局部，物體40’與物體40有相同的最終要求的表面幾何形狀。但與物體40不同，物體40’已根據本發(fā)明的預變形算法作了預變形。如圖5a所示，預變形后的物體40的幾何形狀在角部44和凹邊46處超出了要求的輪廓42。經蒸氣光滑處理后，如圖5b所示，預變形物體40的角部44和邊46比物體40的角部44和凹邊46更接近于要求的輪廓42。
雖然通過參考優(yōu)選的實施方案描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將會認識到，可以進行形式和細節(jié)上的變化，而沒有離開本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種包含以下步驟的三維物體制作方法應用分層制造快速原型制作技術，用聚合物和蠟成型材料建造物體；以及通過將所述物體暴露在瞬間軟化成型材料的溶劑的蒸氣中，來光滑物體表面。
2.權利要求1的方法，其中所述分層制造技術為熔融沉積成型技術。
3.權利要求1的方法，其中所述成型材料為熱塑性樹脂。
4.權利要求3的方法，其中所述熱塑性樹脂包含至少50重量百分比的無定形熱塑性材料，該無定形熱塑性材料選自ABS、聚碳酸酯、聚苯基砜、聚砜、聚苯乙烯、聚苯醚、無定形聚酰胺、丙烯酸類塑料、聚(2-己基-2-噁唑啉)、或它們的混合物。
5.權利要求4的方法，其中所述溶劑選自二氯甲烷、正丙基溴溶液、全氯乙烯、三氯乙烯、或氫化碳氟化合物液體。
6.權利要求1的方法，其中所述成型材料選自熱塑性塑料、分散于聚合粘結劑中的生金屬、分散于聚合粘結劑中的未燒結的陶瓷、或噴蠟。
7.權利要求6的方法，其中所述成型材料是玻璃填充的尼龍。
8.權利要求1的方法，進一步包含以下步驟在光滑步驟前，選擇物體暴露在溶劑蒸氣中的時間長度，該時間長度為溶劑蒸氣濃度的函數。
9.權利要求8的方法，進一步包含以下步驟降低溶劑蒸氣的濃度，以便增加選擇的暴露時間。
10.權利要求1的方法，進一步包含以下步驟在光滑物體表面的步驟前，用可阻止對物體表面選定部分進行光滑的物質對選定部分進行掩模。
11.權利要求10的方法，其中所述掩模物質是使用自動化方法進行涂覆的。
12.權利要求11的方法，其中所述自動化方法是噴射方法。
13.權利要求11的方法，其中所述自動化方法是熔融沉積成型方法。
14.權利要求11的方法，進一步包含以下步驟識別物體表面選定部分，以根據其幾何形狀進行相應的掩模。
15.權利要求14的方法，進一步包含以下步驟識別物體表面選定部分，以根據其曲率半徑進行相應的掩模。
16.權利要求11的方法，進一步包含以下步驟使用可創(chuàng)建被保護表面區(qū)域數字圖形的軟件算法，來識別物體表面的選定部分。
17.權利要求16的方法，其中識別所述被保護表面區(qū)域的數字數據存儲于一個.stl文件中。
18.權利要求1的方法，進一步包含以下步驟使用觸覺輸入接口，來創(chuàng)建物體表面不要求進行光滑的選定部分的數字掩模。
19.權利要求1的方法，其中所述的建造步驟包含使物體的某些特征預變形，以便所述特征在光滑處理步驟后保持所要求的幾何形狀。
20.權利要求19的方法，進一步包含以下步驟提供數字格式的物體初始圖形，該物體初始圖形具有表面幾何形狀；以及對所述物體初始圖形進行修改，以便使表面幾何形狀的某此特征預變形，生成一個修改后的物體圖形；其中所述建造步驟中建造的物體具有修改后的物體圖形所定義的幾何形狀；以及其中所述光滑步驟后獲得的所要求的幾何形狀與所述物體初始圖形的幾何形狀基本匹配。
21.一種用于消除使用分層制造快速原型制作技術由成型材料建造的物體的表面粗糙度的方法，包含以下步驟將該物體暴露于一種瞬間軟化成型材料的溶劑蒸氣中，對物體的表面進行軟熔。
22.權利要求21的方法，其中所述成型材料為熱塑性樹脂。
23.權利要求22的方法，其中所述熱塑性樹脂選自至少50重量百分比的無定形熱塑性材料，該無定形熱塑性材料選自ABS、聚碳酸酯、聚苯基砜、聚砜、聚苯乙烯、聚苯醚、無定形聚酰胺、甲基丙烯酸甲酯、聚(2-己基-2-噁唑啉)、或它們的混合物。
24.權利要求23的方法，其中所述溶劑選自包含二氯甲烷、正丙基溴溶液、全氯乙烯、三氯乙烯、或氫化碳氟化合物液體。
25.權利要求21的方法，其中所述成型材料選自熱塑性塑料、分散于聚合粘結劑中的生金屬、分散于聚合粘結劑中的未燒結的陶瓷、或噴蠟。
26.權利要求25的方法，其中所述成型材料是玻璃填充的尼龍。
27.權利要求21的方法，進一步包含以下步驟在所述表面軟熔步驟前，用可阻止對物體表面選定部分進行光滑的物質對選定部分進行掩模。
28.權利要求27的方法，其中所述掩模物質的涂覆使用自動化方法。
29.權利要求28的方法，其中所述自動化方法是噴射方法。
30.權利要求28的方法，其中所述自動化方法是熔融沉積成型方法。
31.權利要求28的方法，進一步包含以下步驟識別物體表面選定部分，以根據其幾何形狀作相應的掩模。
32.權利要求31的方法，進一步包含以下步驟識別物體表面選定部分，以根據其曲率半徑作相應的掩模。
33.權利要求28的方法，進一步包含以下步驟使用可創(chuàng)建被保護表面區(qū)域數字圖形的軟件算法，琿識別物體表面的選定部分。
34.權利要求33的方法，其中識別所述被保護表面區(qū)域的數字數據存儲于一個.stl文件中。
35.權利要求28的方法，進一步包含以下步驟使用觸覺輸入接口，識別物體表面選定部分作掩模。
36.一種制造三維物體的方法，包含以下步驟提供數字格式的物體初始圖形，該物體初始圖形具有表面幾何形狀；對該物體初始圖形進行修改，以便使表面幾何形狀的某些特征預變形，生成一個修改后的物體圖形；使用分層制造技術，由成型材料建造修改后的物體圖形所定義的物體；蒸氣光滑所述物體的表面，以產生一個加工過的物體，該加工過的物體具有與所述物體初始圖形基本匹配的表面幾何形狀。
37.權利要求36的方法，進一步包含以下步驟識別表面幾何形狀的特征，根據曲率半徑進行預變形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光滑物體表面的方法，所述的物體是由聚合物材料或蠟材料使用分層制造快速原型制作技術而建造的。在物體建造好之后，將它暴露于例如蒸發(fā)器中的蒸發(fā)溶劑中至足夠軟熔物體表面的時間。根據溶劑瞬間軟化形成物體的材料，然后從物體蒸發(fā)掉的能力來選擇溶劑。使物質除去溶劑且干燥，得到光滑的成品部件。
文檔編號B29C41/36GK1662354SQ03813918
公開日2005年8月31日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權日2002年4月17日
發(fā)明者小威廉·R·普列德曼, 戴維·托馬斯·史密斯 申請人:斯特拉塔西斯公司