[发明专利]可溶材料和三维模型的加工方法

说明书

本发明涉及利用辅助模型加工技术制造三维物体。本发明尤其涉及通过在预定的图案中沉积可固化材料并提供在制造时支撑部分此三维物体的支撑结构而形成三维物体。

背景技术

模型的附加加工机械根据计算机辅助设计系统(CAD)提供的设计数据，通过建立模型介质制作三维模型。三维模型的用于包括审美、验证数学CAD模型、形成常设工艺设备、研究干涉和空间分配并测试等功能方面。一种技术是根据CAD系统提供的设计数据，利用建立形成模型的多个层把可固化模型材料沉积到预定的图案中。

在Crump等人的美国专利US5,121,329、Batchelder等人的美国专利US5,303,141、Crump等人的美国专利US5,340,433、Batchelder等人的美国专利US5,402,351、Danforth等人的美国专利US5,738,817、Batchelder等人的美国专利US5,764,521和Swanson等人的美国专利US6,004,124中描述了通过从挤压头沉积可固化模型材料层而制作三维模型装置和方法的例子，以上的所有专利属于Stratasys公司，属于本发明人。模型材料可以以固态提供给挤压头，例如以美国专利US5,121,329中所述的缠绕到供给卷轴的挠性细丝的形式或以固体棒的形式。如美国专利US4,749,347所述，模型材料可以以液体的形式交替地从储槽中抽吸。在任何情况下，挤压头把熔融的模型材料从喷嘴挤压到基座上。挤压的材料一层一层地沉积到CAD模型确定的区域中。以适当凝固地粘结固着到前一层上的可固化材料用作模型材料。已经发现，热塑材料尤其适于这种沉积模制技术。

在Helinski的美国专利US5,136,515、Masters的美国专利US4,665,492和Masters的美国专利US5,216,616中描述了通过从喷头沉积可固化材料制作三维模型的装置和方法的例子。颗粒直接流向CAD模型确定的预定图案中的特定位置，沉积并构成所需的物体。

在通过辅助加工技术、例如通过沉积可固化材料层创建三维物体时，必须把支撑层或支撑结构用在悬挂部分之下或用在结构以下的物体腔中，不由模型材料本身支撑----这是一个规律而不是例外。例如，如果物体是地下洞穴的内部模型而洞穴样品由向着天花板的地板构成，则钟乳石需要暂时地被支撑直到完成天花板。需要支撑层或结构可能是出于气体的原因，如使得模型可以从基座上移走，抵制局部完成时模型变形的趋势，抵抗由结构加工过程中施加到局部完成的模型上的力。

支撑结构可以利用与沉积模型材料相同的沉积技术和装置建立。在适当软件控制之下的装置产生辅助几何形状，用作形成的物体的悬挂或自由空间片段的支撑结构。支撑材料既可以从模制装置内的分离的分配头沉积，也可以通过沉积模制材料的相同分配头沉积。选择支撑材料使其粘结到模型材料。把模型固定到这种支撑结构解决了建立模型的问题，但产生了从完成的模型上移去支撑结构而不引起模型损坏的问题。

移去支撑结构的问题已经通过在模型和支撑结构之间形成薄弱的可断裂连接而得以解决，如Crump等人的美国专利US5,503,785中所述。该专利揭示了一种把与模型材料形成薄弱的可断裂连接的材料选做脱模材料的方法。该脱模材料以层状形式沿物体及其支撑结构之间的界面沉积或作为一个涂层，使得在物体形成之后支撑结构能够破除。该支撑结构可以由模型材料形成，或可以由脱模材料形成。

US5,503,785专利揭示了可以用作模型的材料和脱模材料的各种组合。例如，US5,503,785专利揭示，可以使用一种可溶的脱模材料，使得支撑结构破除之后留在模型上的任何材料都可以通过把模型放到一个池中而去除。该专利公开了蜡、聚氧化乙烯、乙二醇基聚合物、聚乙烯吡咯烷酮基聚合物、乙烯甲醚、马来酸基聚合物、聚恶唑啉和polyquaterniumII的水溶液，以及溶剂可溶性丙烯酸盐与硬脂酸和壬二酸。可溶性支撑物可以去除模型表面的瘢痕和需要用力去除的支撑物。

在基于挤压的系统中，在层中补充了各种脱模材料，其中把脱模材料用在支撑结构和在此构形下的模型之间的短圆区段(称作“穿孔”)中。该穿孔通过限制与模型的接触面积的降低支撑层的粘结性，以助于断裂支撑物的去除。

对这样的支撑结构有不断的需求，即不用力地从三维模型中脱模和不划伤模型表面的光洁度，并且还具有良好的机械特性，与模制方法及模制材料相容。

发明的内容