本發(fā)明涉及制造三維物體的方法和設(shè)備，尤其是，涉及生成制造或增材制造方法，諸如，3d打印。

背景技術(shù)：

生成制造或增材制造方法(尤其是3d打印方法)同時(shí)已經(jīng)將自己確立為用于模型、樣品、原型、工具的快速且成本有效的制造方法，而且越來越多地用于制造最終產(chǎn)品。這種方法包括基于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)模型使用無定形(液體、粉末等)或中性形狀(例如，帶狀或線狀)源材料借助于化學(xué)和/或物理過程進(jìn)行直接制造。

在選擇性電子束熔化或電子束燒結(jié)的情況下，將聚焦的電子束打到細(xì)粉末上。在電子束熔化的情況下，粉末完全熔化，并且在燒結(jié)的情況下，粉末至少部分熔化。作為示例，通過重復(fù)地應(yīng)用粉末與熔化或燒結(jié)過程的組合，可以構(gòu)造三維物體，如美國(guó)專利us5,597,589所述。然而，這種系統(tǒng)的技術(shù)要求已經(jīng)非常高，因?yàn)閱为?dú)使用電子束。一方面，用于聚焦射束的透鏡昂貴且笨重。另一方面，整個(gè)系統(tǒng)必須在真空內(nèi)操作。此外，選擇性電子束熔化需要將粉末應(yīng)用在層中，從而限制了可實(shí)現(xiàn)的打印速度。

選擇性激光熔化類似于電子束熔化，但使用激光器(主要是co2激光器、nd:yag激光器或纖維激光器)來代替電子束。與電子束熔化相比，在真空內(nèi)操作整個(gè)系統(tǒng)的要求被廢除。但保護(hù)性氣體的使用仍不可缺少。使用這種方法也會(huì)限制打印速度，因?yàn)樾枰獙⒎勰?yīng)用在層中。

在熔融沉積造型方法的情況下，通過逐層地應(yīng)用塑料來創(chuàng)建物體。出于這個(gè)目的，將塑料熔化并且由擠出機(jī)按壓。為了能夠打印任何類型的形狀，在某些情況下，需要打印額外的支撐結(jié)構(gòu)(所謂的“托”)。作為示例，申請(qǐng)文件wo2001/026023中描述了熔融沉積造型方法。打印的精度主要因擠出機(jī)的直徑而受到限制。商業(yè)模式只提供在約0.5mm范圍內(nèi)的分辨率，而這對(duì)于很多工業(yè)應(yīng)用來說是不夠的。打印速度因?yàn)閲娮斓臋M向速度而受到限制。

所謂的多射流造型類似于噴墨打印并且實(shí)現(xiàn)高水平的分辨率。在第一變形中，應(yīng)用特殊樹脂，在下一步驟中將特殊樹脂暴露于紫外光并且硬化。在第二變形中，將粉末應(yīng)用在層中，利用粘合劑進(jìn)行打印。通過這種方式，可以打印塑料以及金屬和陶瓷。然而，對(duì)于后兩個(gè)提及的材料而言，在某些情況下需要額外的制造步驟，以便獲得所需的材料性質(zhì)，例如，回火、填充粘合劑間隙等。至于購(gòu)買系統(tǒng)及其維護(hù)，多射流建模比較昂貴，因此，主要是工業(yè)應(yīng)用對(duì)此有興趣。

對(duì)于立體平板印刷術(shù)(類似于多射流成型)而言，使用液態(tài)人造樹脂，它在暴露于光時(shí)硬化。激光器直接打到人造樹脂所在的容器中。通過逐漸提高液平面，可以一點(diǎn)點(diǎn)地構(gòu)造三維物體。作為示例，這種方法在申請(qǐng)文件de201210011418中描述。立體平板印刷術(shù)實(shí)現(xiàn)非常高的分辨率。然而，它需要可移動(dòng)部件，諸如，擦拭器，以均勻地分散聚合物，例如，這降低打印速度。

針對(duì)上述問題的背景，需要改良的方法或改良的設(shè)備，以使得優(yōu)選地采用任何類型形狀的三維物體的快速且成本有效的制造成為可能。

發(fā)明概要

使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)本發(fā)明的方法或者根據(jù)權(quán)利要求11所述的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備來解決這個(gè)目標(biāo)。從屬權(quán)利要求是指有益的進(jìn)一步發(fā)展。

用于制造三維物體的根據(jù)本發(fā)明的方法包括：使材料在材料空間中可用；以及借助于利用超聲選擇性地輻射該材料來形成由該材料組成的三維物體。

發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，利用超聲選擇性地輻射材料使得有可能以較高的再現(xiàn)水平直接從三維材料空間中形成三維物體。由于通過利用超聲選擇性地輻射材料來實(shí)現(xiàn)三維物體的形狀，因此，幾乎可能實(shí)現(xiàn)任何類型的形狀。此外，與傳統(tǒng)3d打印方法相比，很大程度上可以在沒有可移動(dòng)部件的情況下完成。借此，可以實(shí)現(xiàn)較高的打印速度。同時(shí)，在沒有可移動(dòng)部件的情況下完成降低了制造成本和維護(hù)要求。

此外，與傳統(tǒng)打印方法相比，利用超聲進(jìn)行輻射導(dǎo)致材料或三維物體上的熱應(yīng)力水平降低，因此有可能對(duì)多種材料起作用。

依據(jù)本發(fā)明，材料可以是適合在超聲輻射的影響下改變材料性質(zhì)和/或材料相的任何材料，尤其是，在經(jīng)受超聲輻射時(shí)熔化。

根據(jù)本發(fā)明，材料在材料空間中可用。依據(jù)本發(fā)明，容納材料的任何接收器都可以充當(dāng)材料空間。

借助于利用超聲選擇性地輻射材料來形成由該材料組成的三維物體可以尤其在材料空間本身內(nèi)進(jìn)行。因此，與很多傳統(tǒng)3d打印方法相比，可以廢除將材料或原材料運(yùn)輸?shù)酱蛴^(qū)的要求，以便可以降低打印設(shè)備的復(fù)雜性并且可以提高打印速度。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料的選擇性輻射沿著穿過材料的預(yù)定義路徑進(jìn)行。

具體地講，該路徑可以對(duì)應(yīng)于三維物體的結(jié)構(gòu)。

通過這種方式，根據(jù)本發(fā)明的解決方案使得有可能通過沿著對(duì)應(yīng)于預(yù)定義結(jié)構(gòu)的路徑移動(dòng)超聲束來形成具有幾乎任何預(yù)定義結(jié)構(gòu)的三維物體。

優(yōu)選地，選擇性輻射包括將超聲束聚焦到材料的多個(gè)預(yù)定義區(qū)域上，優(yōu)選地將超聲束聚焦到材料的第一預(yù)定義區(qū)域上并且隨后聚焦到材料的第二預(yù)定義區(qū)域上。

通過聚焦超聲束，可以以較高水平的空間和時(shí)間分辨率特別地控制進(jìn)入材料中以形成三維物體的能量輸入。因此，具體地講，超聲束可以聚焦到與三維物體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的材料的所選區(qū)域上，以便在那里形成三維物體的結(jié)構(gòu)。這具有與只可能逐層地構(gòu)造三維物體的傳統(tǒng)3d打印方法相關(guān)的很大優(yōu)點(diǎn)。

將超聲聚焦到材料的預(yù)定義區(qū)域上還可以在沒有可移動(dòng)部件的情況下以快速的方式進(jìn)行，以便根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以實(shí)現(xiàn)較高的打印速度。

具體地講，將超聲聚焦可以使用聚焦光學(xué)器件來進(jìn)行。聚焦光學(xué)器件可以包括一個(gè)或多個(gè)透鏡，例如，樹脂玻璃透鏡。

作為替代或補(bǔ)充，超聲的聚焦可以使用相控陣超聲源來進(jìn)行。

相控陣超聲源可以包括多個(gè)超聲元件，例如，壓電式換能器，所述超聲元件發(fā)出相對(duì)于彼此相位延遲的超聲信號(hào)。產(chǎn)生的超聲束由這些單獨(dú)的信號(hào)重疊所致，并且可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇相位延遲而以快速的方式并且以高水平的精度聚焦到材料空間的任何區(qū)域上。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料的選擇性輻射包括使用至少第一超聲束和至少第二超聲束的材料的輻射。

通過這種方式，通過使用多個(gè)超聲源，可以同時(shí)輻射材料空間的各種區(qū)域，并且通過這種方式，可以同時(shí)形成三維物體的各個(gè)區(qū)段。打印速度可以借此而進(jìn)一步提高。

在本發(fā)明的優(yōu)選進(jìn)一步發(fā)展中，第一超聲束和第二超聲束從材料的預(yù)定義區(qū)域內(nèi)的各種空間方向聚焦。

借此，能量密度可以借助于組合多個(gè)超聲束的能量輸入而在材料的預(yù)定義區(qū)域處額外地增加。通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)打印速度的提高。

具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲選擇性地輻射材料來熔化材料。

在此實(shí)施方式中，通過沿著穿過材料的預(yù)定義路徑凝固并且粘合相關(guān)聯(lián)的材料可以形成三維物體。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料包括顆粒。

依據(jù)該實(shí)施方式，顆粒包括任何粒狀或粉狀固體。

具體地講，顆?？梢园崴苄跃酆衔?，尤其是，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚酰胺(pa)、聚乳酸(pla)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚醚醚酮(peek)和/或聚氯乙烯(pvc)。

通過使用超聲來熔化顆粒，可以以精確的方式和較高水平的空間分辨率來形成幾乎任何三維結(jié)構(gòu)。

材料可以包括纖維增強(qiáng)顆粒，更優(yōu)選地，利用玻璃纖維和/或碳纖維增強(qiáng)的顆粒。借此，可以實(shí)現(xiàn)特別穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料包括金屬顆粒和/或陶瓷顆粒。

顆粒可以尤其被聚合物層覆蓋(“涂覆”)。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，顆粒具有不小于25μm的顆粒尺寸，優(yōu)選不小于50μm。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，顆粒不具有超過2mm的顆粒尺寸，優(yōu)選不超過1mm，并且尤其是，不超過200μm。

具體地講，先前的顆粒尺寸上限和下限可以是指顆粒的平均粒徑。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料包括各種顆粒。

具體地講，這些各種顆?？梢砸愿鞣N混合比例在空間上存在于材料空間內(nèi)。這導(dǎo)致由材料成分決定的機(jī)械和物理性質(zhì)的空間變形。

具體地講，可以選擇在經(jīng)受超聲、混合、反應(yīng)和/或共同凝固時(shí)會(huì)彼此熔化的顆粒。通過這種方式，可以改變?nèi)S物體的機(jī)械性質(zhì)。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，聚合物顆粒可以與材料空間內(nèi)的玻璃或碳纖維混合，以便在凝固后產(chǎn)生纖維增強(qiáng)型復(fù)合物。

然而，本發(fā)明不限于將顆粒作為材料。

在實(shí)施方式中，材料包括單體溶液。

具體地講，形成三維物體可以包括借助于利用超聲選擇性地輻射單體溶液來開始乳液聚合和/或共聚合。

通過這種方式，單體(例如，丙烯腈)可以被聚焦的超聲在空間上聚合，以便精確地形成三維結(jié)構(gòu)。

將顆粒和單體溶液用作材料并不相互排斥。具體地講，單體-顆粒懸浮液可以用作材料，從而借助于超聲輻射而在點(diǎn)處連接。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，材料包括陶瓷和/或金屬。

在此實(shí)施方式中，具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲波進(jìn)行選擇性輻射來燒結(jié)陶瓷和/或金屬。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，超聲具有不超過16mm的波長(zhǎng)，優(yōu)選不超過8mm，并且尤其是，不超過2mm。在空氣中，這分別對(duì)應(yīng)于至少20khz、至少40khz或至少160khz的頻率。

發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，(具體地講，通過熔化顆粒)由材料組成的三維物體可以使用這些相對(duì)較低的頻率以可靠的可再生方式形成。這個(gè)低頻率范圍內(nèi)的超聲信號(hào)可以另外以簡(jiǎn)單且成本有效的方式生成。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，超聲包括不小于10μm的波長(zhǎng)，優(yōu)選不小于20μm，并且尤其是，不小于50μm。在空氣中，所指示的波長(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)于至多30mhz、至多15mhz或至多6.5mhz的頻率。

發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以使用這些頻率來實(shí)現(xiàn)足夠高水平的空間分辨率和足夠高水平的能量輸入。

具體地講，本發(fā)明可以包括調(diào)整材料的阻抗，并且如有需要，通過匹配介質(zhì)來調(diào)整材料之間的空間，該匹配介質(zhì)包括流體，并且尤其是，有機(jī)流體。

通過改變超聲的強(qiáng)度，可以改變?nèi)S物體的機(jī)械性質(zhì)。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，形成三維物體包括利用超聲以第一頻率來選擇性地輻射材料以及利用超聲以第二頻率來選擇性地輻射材料，該第二頻率不同于第一頻率。

通過特別改變超聲的頻率，可以進(jìn)一步提高打印速度。例如，可以傳輸?shù)谝活l率以在顆粒中形成第一熔化區(qū)，之后可以以更高的吸收系數(shù)傳輸不同于第一頻率的第二頻率，以擴(kuò)展熔化區(qū)或使它保持在液態(tài)。

具體地講，形成三維物體可以包括通過利用超聲選擇性地輻射材料而在材料中形成空化區(qū)。

通過這種方式，例如，尤其可以在顆粒的熔化區(qū)中利用非線性效應(yīng)。在熔化的材料內(nèi)，與松散顆粒相比，超聲吸收特性不同。具體地講，通過形成空化區(qū)，可以因?yàn)樽杂啥鹊臄?shù)量相關(guān)聯(lián)地增加而實(shí)現(xiàn)明顯更高的吸收系數(shù)和能量輸入。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，方法包括在材料空間中提供構(gòu)造元件的額外步驟，由此構(gòu)造元件至少部分鄰近材料或被材料包圍，并且形成三維物體包括將材料選擇性地連接到構(gòu)造元件。

具體地講，材料到構(gòu)造元件的選擇性連接可以包括在材料與構(gòu)造元件之間的邊界表面處利用超聲來輻射材料。

適合為三維物體提供穩(wěn)定性或在形成過程期間被吸收到三維物體中的任何預(yù)制主體都可以用作構(gòu)造元件。具體地講，構(gòu)造元件可以包括塑料元件或由另一源材料組成的元件，諸如，陶瓷元件或金屬元件。

使用不同于所述材料的適當(dāng)成形的構(gòu)造元件可以使得不必要耗時(shí)形成較大的相關(guān)體積。借此，可以進(jìn)一步提高打印速度。

在前述實(shí)施方式中，已經(jīng)描述了借助于利用超聲選擇性地輻射材料而由材料形成三維物體。此外，然而，也可以使用超聲以便從(打印的)三維物體中特別地移除材料。具體地講，從三維物體中移除材料可以包括借助于超聲的具體輻射來溶解或瓦解三維物體的區(qū)段。

由于使用超聲，因此當(dāng)移除材料時(shí)，不需要超聲源與將要移除的物體的區(qū)段之間的直接視覺接觸，從而能夠?qū)崿F(xiàn)非常復(fù)雜的形狀。

此實(shí)施方式在制造三維物體時(shí)允許極高水平的可變性，因?yàn)閷?yīng)用和移除材料進(jìn)行組合。

本發(fā)明也參考利用超聲單元來制造三維物體的設(shè)備，該超聲單元適于利用超聲選擇性地輻射材料空間中可用的材料。

優(yōu)選地，該設(shè)備包括聚焦單元，以將超聲聚焦到材料的各種預(yù)定義區(qū)域上。

聚焦單元可以包括至少一個(gè)透鏡，更優(yōu)選地，至少一個(gè)聲透鏡。

作為替代或補(bǔ)充，超聲單元或聚焦單元可以包括相控陣超聲源。

在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，超聲單元包括以朝向材料空間的各種空間取向布置和/或被配置成提供各種超聲頻率的多個(gè)超聲源。

在本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展中，設(shè)備也包括容納材料的材料空間。

材料可以是容納材料的貯存器。

在實(shí)施方式中，設(shè)備包括控制裝置，以提供控制信號(hào)，以便根據(jù)與將要制造的三維物體對(duì)應(yīng)的預(yù)定義路徑將超聲單元的至少一個(gè)超聲束聚焦到材料的所選區(qū)域上。

具體地講，控制裝置可以適合于處理將要制造的三維物體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并且基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來提供相關(guān)的控制信號(hào)。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，設(shè)備適合于實(shí)施具有一個(gè)或多個(gè)上述特征的方法。

本發(fā)明還參考具有計(jì)算機(jī)可讀指令的計(jì)算機(jī)程序和/或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)可讀指令適合于在處理單元上執(zhí)行具有一個(gè)或多個(gè)上述特征的方法，該處理單元連接到具有一個(gè)或多個(gè)上述特征的設(shè)備。

優(yōu)選實(shí)施方式的詳述

使用優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，考慮附圖，可以最好地理解根據(jù)本發(fā)明的解決方案的特征和許多優(yōu)點(diǎn)，在附圖中：

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用來形成三維物體的設(shè)備以及用來形成三維物體的相關(guān)方法；

圖2a和圖2b示出具有多個(gè)超聲源的圖1的實(shí)施方式的示意變形；

圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的通過沿著構(gòu)造元件熔化顆粒來形成三維物體；

圖4示意性地輸出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的具有相控陣超聲源的超聲單元；以及

圖5示意性地示出相控陣超聲源中的聚焦超聲束的形成。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于制造三維物體(未示出)的設(shè)備10的示意圖。設(shè)備10包括具有超聲源13的超聲單元12，所述超聲源被配置成生成超聲束14并且將它朝向材料空間16中可用的材料18發(fā)送出去。

超聲源13可以包括壓電式超聲換能器(未示出)的布置或陣列，所述超聲換能器設(shè)置成以40與100khz之間的頻率將超聲信號(hào)發(fā)送出去。這樣的超聲源需要相對(duì)低水平的工具和構(gòu)造工作、緊湊并且制造便宜。

在圖1所示的圖中，材料18由多種顆粒20的松散顆粒組成，例如，由平均顆粒尺寸為50μm到100μm的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)組成。然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，例如，可以使用由其他材料組成的顆粒，諸如，聚酰胺(pa)、聚乳酸(pla)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸酯(pc)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚醚醚酮(peek)和/或聚氯乙烯(pvc)。

然而，本發(fā)明不限于顆粒材料18，而是也可以使用液體材料來實(shí)施，諸如，單體溶液。

在圖1的示意圖中用虛線框示出材料空間16。它可以設(shè)計(jì)成由例如能透過超聲并且容納顆粒或單體溶液的材料組成的容器。容器可以另外容納互連層，所述互連層由液體組成，以使折射率達(dá)到平衡。

此外，圖1也示出聚焦單元22，使用所述聚焦單元可以將超聲束14聚焦到材料18的各種所選區(qū)域。

在圖1中，聚焦單元示意性地示為透鏡。它可以包括一個(gè)或多個(gè)聲透鏡，例如，樹脂玻璃透鏡。然而，本發(fā)明并不限于透鏡。在下文參考圖4和圖5描述的替代配置中，使用相控陣超聲源來將超聲束14聚焦到材料18的所選區(qū)域上。

聚焦超聲束14允許將能量選擇性且具體地應(yīng)用到松散顆粒18的所選區(qū)域。由于超聲束14的能量輸入，在應(yīng)用能量的地方的顆粒主體20被熔化并且在隨后凝固成固體結(jié)構(gòu)期間與相鄰顆粒粘合。在此過程中，超聲功率主要被顆粒20吸收。在與周圍空氣的邊界表面處，排熱受到干擾并且顆粒18內(nèi)的溫度升高。當(dāng)應(yīng)用足夠的功率時(shí)，超過熔化溫度并且顆粒20熔化。如果超聲束14使用聚焦單元22沿著穿過顆粒18的預(yù)定義路徑移動(dòng)，那么由于顆粒18的熔化和隨后的凝固，沿著這個(gè)路徑形成三維結(jié)構(gòu)，也就是三維物體。

三維物體可以是任何三維物體，例如，工件或工具的原型。根據(jù)本發(fā)明的解決方案的優(yōu)點(diǎn)包括超聲束14，并且產(chǎn)生的熔化區(qū)可以沿著穿過顆粒的任何路徑三維移動(dòng)，以便可以在凝固時(shí)形成任何相關(guān)的結(jié)構(gòu)。

超聲束14的聚焦允許將能量有限地應(yīng)用到材料空間16的極小空間上，從而使得可能以較高水平的空間分辨率和精細(xì)結(jié)構(gòu)來形成三維物體。例如，將10w的功率應(yīng)用到直徑為約2mm的大約3mm³空間中允許熔化pe顆粒。

圖1的示意圖示出設(shè)備10具有超聲單元12，所述超聲單元包括單個(gè)超聲源13。然而，本發(fā)明的實(shí)施方式也可以包括分配到超聲單元12的多個(gè)超聲源，所述超聲源可以相對(duì)于材料16以各種取向布置。對(duì)應(yīng)的超聲元可以將具有相同頻率的超聲束發(fā)送出去，然而，在它們的相關(guān)頻率方面可以不同。

圖2a示出超聲單元12包括三個(gè)超聲源13、13‘和13“的配置，所述超聲源繞著材料空間16以相對(duì)于材料18的各種空間取向布置。超聲源13、13‘和13“中的每一個(gè)生成對(duì)應(yīng)的超聲束14、14‘或14“，所述超聲束分別借助于對(duì)應(yīng)透鏡22、22‘或22“聚焦在材料空間16內(nèi)的選擇區(qū)域上。超聲源13、13‘和13“或者相關(guān)的透鏡22、22‘和22“的構(gòu)造和控制對(duì)應(yīng)于參考圖1描述的前述實(shí)施方式。

在圖2a的配置中，透鏡22和22“都將射束14、14“聚焦到材料空間16內(nèi)的第一區(qū)域上，并且第三透鏡22‘將射束14‘聚焦到材料空間內(nèi)的第二區(qū)域上，所述第二區(qū)域不同于第一區(qū)域。通過這種方式，可以同時(shí)著手三維物體的各個(gè)區(qū)段，以便在那里形成對(duì)應(yīng)的熔化區(qū)，從而可以顯著提高制造速度。

圖2b中示出替代實(shí)施方式。關(guān)于它的構(gòu)造，它在很大程度上對(duì)應(yīng)于圖2a所示的實(shí)施方式。然而，所有的三個(gè)透鏡22、22‘和22“都聚焦到材料空間16的共同區(qū)域，以便在局部水平上增加那里的能量輸入。

通過使用各種頻率，可以尤其利用熔化區(qū)中的非線性效應(yīng)。熔化的材料與松散顆粒在其超聲吸收性質(zhì)方面不同。通過在熔化區(qū)中形成空化區(qū)，例如，可以顯著增大吸收系數(shù)。具體地講，利用第一頻率輻射顆粒18可以用來形成熔化區(qū)，而以更高的吸收系數(shù)利用第二頻率進(jìn)行輻射可以用來擴(kuò)展熔化區(qū)并且使它保持在液體形式，所述第二頻率不同于第一頻率。

通過在材料空間16的各個(gè)區(qū)域改變超聲的強(qiáng)度，可以改變?nèi)S物體的機(jī)械性質(zhì)。

圖3所示的實(shí)施方式與圖1所示的實(shí)施方式的不同之處僅在于下列事實(shí)：除了材料18之外，材料空間16具有額外的預(yù)制構(gòu)造元件24，所述構(gòu)造元件在圖3的截面圖中示為松散顆粒內(nèi)的光帶。

構(gòu)造元件24可以是金屬主體或者由熔化溫度比周圍顆粒18高的塑料制成的合成主體。構(gòu)造元件24可以采用各種方式形成并且在預(yù)定義位置引入到材料空間16中。圖2示出下列配置：顆粒18在顆粒18與構(gòu)造元件24之間的邊界表面26處選擇性地熔化，以便顆粒18在隨后的凝固期間與構(gòu)造元件24結(jié)合。通過這種方式，預(yù)定義構(gòu)造元件24可以尤其被吸收到三維物體中。使用這樣的構(gòu)造元件使得不必要耗時(shí)打印較大的相關(guān)空間。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備10的實(shí)施方式，其中使用相控陣超聲源28來生成超聲以輻射材料。

相控陣超聲源28包括多個(gè)超聲換能器30的布置或陣列，所述超聲換能器經(jīng)由電源總線32連接到對(duì)應(yīng)的換能器功率放大器34。換能器放大器34由控制裝置36控制，所述控制裝置生成控制信號(hào)，以使用設(shè)計(jì)程序38基于三維物體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案來生成超聲脈沖。

在相控陣超聲源28中生成聚焦的超聲束14的原理已經(jīng)在圖5中示出。

圖5示出具有10個(gè)超聲換能器30a到30e和30a‘到30e‘的相控陣超聲源28，所述超聲換能器在預(yù)定義空間配置中朝向彼此布置，并且由控制裝置36經(jīng)由換能器功率放大器34和電源總線32(這里未示出)單獨(dú)控制，以便傳輸超聲信號(hào)。如使用長(zhǎng)條圖的圖5的右手邊局部示意圖所示，超聲信號(hào)的波前的傳輸以相對(duì)于彼此的相位延遲來進(jìn)行，由此將相同的相位分配到下列對(duì)中的每一個(gè)：30a/30a‘、30b/30b‘、30c/30c‘、30d/30d‘和30e/30e‘。通過適當(dāng)?shù)剡x擇這些對(duì)之間的相位延遲，可以實(shí)現(xiàn)將由單獨(dú)超聲換能器30a到30e和30a‘到30e‘發(fā)送出去的超聲波聚焦到任何焦點(diǎn)40上。單獨(dú)波在焦點(diǎn)40處的重疊在圖5所示的左邊局部圖中示意性地示出。

在圖4所示的圖中，為清晰地表示，由超聲換能器30傳輸?shù)某暡ㄊ緸樯渚€，所述射線在焦點(diǎn)40處結(jié)合。通過適當(dāng)?shù)剡x擇相位延遲，材料空間16內(nèi)的焦點(diǎn)40可以在任何方向上快速地移動(dòng)，以便以具體的局部水平實(shí)現(xiàn)能量輸入，從而沿著預(yù)定義熔化路徑熔化顆粒。使用相控陣超聲源28，可以采用類似于圖1和圖2所示的透鏡22的方式(然而，沒有移動(dòng)部分)沿著預(yù)定義熔化路徑產(chǎn)生三維物體。

借助于耦合層42，可以更容易將超聲換能器30的超聲信號(hào)耦合到材料空間16中以使折射率變正常。

圖4示出只具有一個(gè)相控陣超聲源28的配置。類似于參考圖1和圖2描述的實(shí)施方式，然而，多個(gè)相控陣超聲源可以繞著材料空間或容器16布置，以便以局部水平提高能量輸入或者能夠同時(shí)熔化材料18的各個(gè)空間區(qū)域。

優(yōu)選實(shí)施方式和附圖的描述僅用來說明本發(fā)明和利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的益處，然而它們不限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍只來源于所附權(quán)利要求書。

參考標(biāo)號(hào)

10制造三維物體的設(shè)備

12超聲單元

13、13‘、13“超聲源

14、14‘、14“超聲束

16材料空間、容器

18材料、顆粒

20顆粒

22、22‘、22“聚焦單元、透鏡

24構(gòu)造元件

26顆粒18與支撐元件24之間的邊界表面

28相控陣超聲源

30相控陣超聲源28的超聲換能器

30a到30e、30a‘到30e‘相控陣超聲源28的超聲源

32相控陣超聲源28的電源總線

34相控陣超聲源28的功率放大器

36相控陣超聲源28的控制裝置

38設(shè)計(jì)程序

40焦點(diǎn)

42耦合層