CN103009630B - 三维成形设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维成形设备。辊筒部分25配置为刮除模型材料MA和支撑材料SA的多余部分。固化部分24固化模型材料MA和支撑材料SA。头部20包括成形材料喷射装置和辊筒部分25。水平驱动装置使头部20在水平方向上进行往复扫描。垂直驱动装置使头部20成形板40在高度方向上的位置彼此相对移动。控制装置10构造为控制通过成形材料喷射装置进行的成形材料的喷射以及固化装置24的固化处理。辊筒部分25宽度小于模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22的宽度。

Description

三维成形设备

技术领域

本发明涉及以喷墨方式制造立体成形对象的三维成形设备。

背景技术

已知具有如下功能的设备，其将作为成形对象基本数据的三维数据设置为计算机屏幕上的任意姿态，基于设置的姿态针对相对高度的多个平行平面所分成的各个截面创建数据，基于每层的相关二维数据形成具有连续层叠树脂的立体成形对象，从而创建用作成形主体的三维模型的成形主体。

在应用于产品开发等的样机开发的快速样机开发（RP）领域，已经采用了能够实现三维成形的层叠成形方法。这些层叠成形方法适用于将产品的三维CAD数据切片、创建作为原始产品数据的重叠薄板、在其上层叠诸如粉末、树脂、钢板、纸等材料以创建样机。作为这些层叠成形方法，已知有喷墨法、粉末法、光成形法、片层叠法、挤型法等。这些方法中的喷墨法喷射液化材料，然后通过照射紫外线（UV）、冷却等固化以形成层。利用这种方法，可以对其应用喷墨打印机的原理，从而提供实现高分辨率的优点。

树脂层叠型的三维成形设备适用于通过在扫描XY方向并在高度方向上层叠时将模型材料和支撑材料喷射到成形板上来执行成形，其中模型材料配置为形成最终的成形对象，支撑材料配置为支撑用于支撑模型的基底部分以及模型材料的突出部分并且最终会被移除。模型材料和支撑材料是由具有可以通过紫外光照射而固化的性质的树脂构成。配置为发射紫外光的紫外光灯与用于喷射模型材料和支撑材料的喷嘴一起在XY方向上扫描，使得从喷嘴中喷射的模型材料和支撑材料受到紫外光的照射并固化。

这种喷墨型三维成形设备必需移除从喷嘴喷射的多余树脂部分。图12是例示了利用辊筒部分移除成形材料的多余部分的构造的透视图。在此示例中，喷射到成形板40上的处于流动状态的树脂表面被辊筒主体26轧平。辊筒部分25包括作为旋转体的辊筒主体26、布置为相对辊筒主体26表面突出的刀片27、配置为收集被刀片27刮除和移除的成形材料的槽28、以及用于喷射槽28中收集的成形材料的吸管29。辊筒主体26在与头部20的行进方向（图12中为顺时针方向）相反的方向上旋转，并且刮除流动的成形材料。刮除的成形材料附至辊筒主体26、传输至刀片27、然后被刀片27刮除并引导到槽28中。因此，刀片27固定为具有朝向槽28的向下坡度的姿态。吸管29与废液通道相连，使用泵等汲取槽28中收集的成形材料并将该材料存储在废液罐（未示出）中。

专利文献1：日本未审查专利公开第2003-535712号

在这种三维成形设备中，必须将单个层分成多个分段来执行成形操作，以形成宽度大于喷射宽度的成形对象。在图13的平面图所示的示例中，将成形板40上的成形对象分成三个分段R1至R3，并由头部20执行往复扫描以形成具有较大表面积的成形对象。考虑到制造公差，这种三维成形设备中的辊筒部分25适用于使得辊筒部分25的宽度大于如图14所示的喷射宽度，以确保回收喷射的树脂。

不过在如图15（a）所示的这种辊筒部分25中，在成形板40上固化第一分段R1之后，当成形如图15（b）所示的相邻分段R2时，辊筒部分25与已经制备的分段R1的端部边缘（图中箭头指示的位置）接触。于是在已经固化的成形对象中产生了偏差，从而降低了成形对象的精度。此外，由于如图12所示固化树脂和辊筒部分25之间的接触导致错误执行了回收，因此出现了已经固化的树脂与可流动树脂混合的问题。如图12中的虚线所示，当通过吸管29回收固化树脂时，吸管29的内部或者与吸管29相连接的废液通道被阻塞，因此回收的树脂无法送至废液槽而使得回收的树脂填满该槽，并流出到成形表面上。

作为针对该问题的一种策略，已经提出了强化树脂之间的接合，以在即使可流动树脂与辊筒部分接触时也可以避免偏差。此外，已经采用了通过混合模型材料和支撑材料以硬化支撑部分的构造，从而避免了错误回收固化的树脂。不过，在使用上述任一种方法时，在通过固化支撑材料获得成形对象之后，还存在难以从成形对象移除支撑材料的问题。

另一方面，已经提出了使各相邻分段的成形高度逐渐偏移来避免冲突。不过，这种方法中存在使该高度低于层叠树脂层的一层高度的限制。因此，由于当辊筒部分的抖动或倾斜大于该偏移量时则没有意义，因此需要针对辊筒部分的抖动和倾斜进行严格准备和调节的问题。

考虑到现有技术中的上述问题而做出了本发明，本发明的主要目的是提供能够避免由于辊筒部分接触固化后的树脂而使树脂被刮除和移除的三维成形设备。

发明内容

为了实现上述目的，根据本发明第一方面的三维成形设备是这样一种三维成形设备，其重复执行将为形成最终成形对象的模型材料MA和配置为支撑模型材料MA的突出部分并最终被移除的支撑材料SA作为成形材料喷射并固化到成形板40上的操作，同时至少在单个方向上执行扫描，从而将在高度方向上具有预定厚度的多个切片形成为层叠构造，并在高度方向上层叠这些切片以执行成形。该三维成形设备包括用于在其上放置成形对象的成形板40；包括多个用于喷射模型材料MA的模型材料喷嘴21和多个用于喷射支撑材料SA的支撑材料喷嘴22的成形材料喷射装置，这些多个喷嘴在单个方向上排列；辊筒部分25，其挤压处于流动状态的模型材料MA和支撑材料SA的上表面，并且刮除和移除模型材料MA和支撑材料SA的多余部分；固化部分24，用于固化模型材料MA和支撑材料SA；包括成形材料喷射装置、辊筒部分25和固化部分24的头部20；用于使头部20在水平方向上往复扫描的水平驱动装置；用于使头部20和成形板40在高度方向上的位置相对彼此移动的垂直驱动装置；和控制装置10，其控制水平驱动装置和垂直驱动装置的驱动，并控制成形材料喷射装置对成形材料的喷射和固化装置24进行的固化。因此，辊筒部分25的宽度小于支撑材料喷嘴22的宽度以及提供在成形材料喷射装置上的模型材料喷嘴21的宽度。通过这种方式，即使通过将一个层分成多个分段来成形，辊筒部分也不与成形材料接触，并且可以避免与已成形部分接触，从而提高了精度并避免了错误回收固化后的树脂以及吸管的阻塞。

另外，在根据第二方面的三维成形设备中，在通过成形材料喷射装置基于每个切片层的任意数据形成每个层时，通过与前一切片相偏移来执行印刷。通过这种方式，切片上未应用辊筒部分的位置是变化的，并且未回收树脂的残余影响不会累积，因此可以均匀地抑制。在根据第三方面的三维成形设备中，在利用偏移将各模型材料喷嘴21布置成多个行的构造中，辊筒部分25的宽度形成为小于多行模型材料喷嘴21的总宽度。通过这种方式，利用偏移布置模型材料喷嘴可以提高分辨率，辊筒部分的宽度可以相对以偏移构造布置的模型材料喷嘴得到降低，以及即使通过分成多个分段来成形同一切片，辊筒部分也不与成形主体接触，从而实现了高精度成形。

在根据第四方面的三维成形设备中，可以使得模型材料喷嘴21的宽度和支撑材料喷嘴22的宽度实质上相等。

在根据第五方面的三维成形设备中，模型材料MA和支撑材料SA并不在同一往复扫描中同时喷射在其中模型材料MA和支撑材料SA在成形对象扫描方向上所位于的线上，从而仅有一种成形材料可以喷射和固化。通过这种方式，由于在同一往复扫描中没有同时喷射模型材料和支撑材料，而是仅喷射和固化一种，因此可以避免由于邻近该线的模型材料和支撑材料之间交界面处的可流动状态而导致的混合构造，从而获得了交界面具有优良构造的优点。

附图说明

图1是例示了第一实施例的三维成形设备的框图。

图2是例示了变型例中的三维成形设备的框图。

图3是例示了头部在XY方向上移动的状态的平面图。

图4是例示了由模型材料和支撑材料成形的成形对象的透视图。

图5是图4的剖视图。

图6是头部外观的透视图。

图7是利用辊筒部分移除多余量的成形材料时的透视图。

图8是例示了根据第一实施例的辊筒主体的宽度以及辊筒部分的喷嘴的示意平面图。

图9是例示了将成形对象的同一层分成多个分段成形的构造的示意剖视图。

图10（a）是例示了紧接在利用辊筒部分回收成形材料的多余部分之后的理论构造的示意剖视图，图10（b）是例示了图10（a）中的树脂由于其重量而变形的构造的示意剖视图。

图11是例示了使用根据第二实施例的方法层叠多层的构造的示意剖视图。

图12是例示了辊筒部分的结构的透视图。

图13是利用辊筒部分将成形板上的成形对象分成多个分段来进行成形的构造的示意平面图。

图14是例示了辊筒主体以及辊筒部分喷嘴的宽度的示意平面图。

图15（a）是例示了利用辊筒部分成形图13中的分段R1的构造的示意剖视图，图15（b）是例示了在成形相邻分段R2时辊筒部分与固化的分段R1接触的构造的示意剖视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。下文将要描述的实施例仅例示了用于实现本发明的技术设想的三维成形设备，但本发明不受到下文所述实施例的限制。此外，本说明书不将权利要求中限定的元件限制为根据实施例的组件。特别地，除非另外指定，否则实施例中描述的元件的尺寸、材料和形状及其相对设置关系等不对本发明的范围构成限制，而是仅作为示例。此外，在某些情况下为了清楚描述，在附图中以夸大的方式例示了组件的尺寸、位置关系等。在下文的说明中，使用相似的名称和参考标号来表示相同的组件或者具有相同质量的组件，其详细说明不再重复。另外，可以如下方式实现构成本发明的各个元件：单个组件构成多个元件，于是单个组件可以用作多个元件；或者多个组件共享单个组件的功能。

（第一实施例）

图1例示了根据本发明第一实施例的三维成形系统100的框图。对以喷墨方式应用三维成形设备的示例进行说明，其作为三维成形设备的示例。不过本发明不限于使用喷墨方式的三维成形设备，本发明还可以用在使用其它系统（例如层叠系统以及诸如粉末法、光成形法、片层叠法、挤型法等的成形方法）的三维成形设备中。三维成形系统100适用于以喷墨方式喷射液态的成形材料，然后固化并层叠这些材料以制造任意的成形对象。模型材料MA配置为形成最终的成形对象，支撑材料SA配置为进行成形以支撑模型材料MA的突出部分并最终被移除，模型材料MA和支撑材料SA用作所述成形材料。

图1所示的三维成形系统100由三维成形设备2和设置数据创建设备1（图1中的计算机PC）构成，设置数据创建设备1将包含成形对象数据和成形条件的设置数据发送至三维成形设备2。三维成形设备2包括控制装置10、头部20和成形板40。头部20包括用于喷射模型材料MA的模型材料喷嘴21和用于喷射支撑材料SA的支撑材料喷嘴22，二者用作成形材料喷射装置。头部20还具有辊筒部分25，其用于刮除喷射的成形材料的多余部分，从而改变此时成形对象最上层的厚度并且平滑成形材料的表面；头部20还具有用于固化成形材料的固化装置24。另外，为了使模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22以喷墨方式将液体或液态的成形材料喷射到成形板40上相对头部20水平方向的适当位置，提供了XY方向驱动部分31和Z方向驱动部分32，来作为用于在X方向以及与X方向垂直的Y方向上往复扫描的水平驱动装置，和用于使头部20和成形板40在高度方向上相对彼此移动位置的垂直驱动装置。在本文中，Y方向是包括模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22的多个孔的排列方向，X方向是水平面上与Y方向垂直的方向。

计算机PC用作设置数据创建设备1。在从外部接收到用于三维成形对象的基础数据的输入（如通过三维CAD等设计的模型数据的输入）时，首先将CAD数据转换成例如STL数据（立体光刻数据），然后通过将STL数据切片成多个薄的截面部分来创建截面数据，然后将切片数据整体或者逐片（逐层）发送至三维成形设备2。此时，根据通过三维CAD等设计的模型数据（实际上是转换所得的STL数据）在成形板40上的确定姿态，相对由模型材料制成的模型在此姿态下需要支撑的部分或空间来执行对支撑材料SA的提供位置的相关设置，基于这些数据来创建对应于各个层的切片数据。控制装置10从计算机PC获取截面数据，并根据该数据控制头部20、XY方向驱动部分31和Z方向驱动部分32。在控制装置10的控制下操作XY方向驱动部分31，并且使得头部20中的模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22将作为液滴成形材料的模型材料MA和支撑材料SA喷射到成形板40上的适当位置处，从而基于计算机PC提供的截面数据形成截面形状。此外，至少喷射在成形板40上的作为成形材料之一的模型材料MA固化，使得模型材料MA从液体或液态变成固态，从而固化。通过这些操作，创建了对应于单层（即切片）的横截面组件。尽管可以在三维成形设备2一侧生成切片数据，但在当前构造中，必须通过操作确定的参数（如每个切片的厚度）必须从计算机PC一侧发送至三维成形设备2。

（切片）

本文中的“切片”是指在成形对象的z方向上层叠各层的单位，切片的数量等于高度除以层叠层厚度得到的值。实际上，针对确定每个切片厚度的需求，根据可以从各个喷嘴喷射的材料的最小单位量、由辊筒部分25在向上和向下方向上的偏心所导致的变化等，确定了最小的可设置厚度。基于上述方式确定的值定义为最小切片值，然后用户可以考虑例如所需的成形精度和所需的成形速度来最终确定每个切片的量。也即，如果用户选择成形精度优先，则将上述最小切片值或与其接近的值确定为每个切片的量。另一方面，如果用户优先考虑成形速度，则可以按照维持必需的最小成形精度的方式来确定每个切片的量。此外，作为其它的方法，可以采用由用户按感觉选择成形精度和成形速度之间比例的方法，或者由用户输入允许的最大成形时间、显示成形时间和成形精度的一些组合作为备选、并且由用户从这些备选中选择优选条件的方法。

此外，对一个切片数据的成形动作包括如下一系列步骤：至少在头部20在X方向（头部20的主扫描方向）上往复操作期间，至少在向前路径或向后路径中以喷墨方式从模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22喷射液体或液态的成形材料，然后操作辊筒部分25至少在向前路径或向后路径中平滑处于液态的成形对象的表面，然后从固化装置24将具有特定波长的光导向成形对象的平滑后的表面，以通过至少执行一次上述步骤来固化成形对象。显然根据切片数据所指示的厚度以及所需的成形精度可以自动改变执行这些步骤的次数。当成形中使用的成形材料在预定温度下固化后，根据本发明的固化装置24可以配置为冷却或加热装置，此外在应用自然固化时可以省去固化装置。

另一方面，通过模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22至少在向前路径或向后路径中的单次喷射可以在成形板上形成的最大厚度由单元喷射量来确定，所述单元喷射量可以在液滴落在成形板40上之后将喷射的液滴的截面形状维持为基本圆形。

（成形板40）

成形板40可以通过Z方向驱动部分32升降。在形成单个切片之后，控制装置10控制Z方向驱动部分32使成形板40降低对应于单个切片厚度的距离。重复执行上述操作，使得新的切片层叠在第一个单个切片上方（上表面上）。如上文所述连续创建并层叠多个薄切片，从而获得成形对象的成形。

此外，在成形对象具有突出，即与位于Z方向（高度方向）下方的成形部分相比在XY平面上具有所谓悬突形状的情况下，在计算机PC将成形对象转换成数据时根据需要添加悬突支撑部分形状。换句话说，包括悬突形状的成形对象是这样一种成形对象，其具有在不存在已经形成的模型材料切片的部分的上表面上形成了新的模型材料切片的部分（悬突部分）。此外，在用于形成最终成形对象的模型材料MA的成形同时，控制装置10基于悬突支撑部分形状执行悬突支撑部分SB的成形。具体来说，与模型材料MA不同的支撑材料SA从支撑材料喷嘴22作为液滴喷射，以形成悬突支撑部分SB。在成形之后，移除形成了悬突支撑部分SB的支撑材料SA，从而提供了目标三维成形对象。

如图3的平面图所示，通过头部移动装置30在水平方向（即XY方向）上移动头部20。头部20支撑在X方向移位轨道43上，X方向移位轨道43是在图中分别以垂直构造布置的一对用于X方向（主扫描方向）的引导机构。在支撑头部20的基座侧沿着一条X方向移位轨道43提供X方向驱动部分（未示出）。用于在Y方向（子扫描方向）上移位头部20的Y方向移位轨道44提供在门形框架上，门形框架将头部20置于X方向移位轨道43上。驱动部分（未示出）被提供用于沿着Y方向移位轨道44驱动头部20。头部20可以通过驱动部分在X方向和Y方向上移位。

图4示例中示出的头部20分成具有喷嘴的喷射头单元20A以及具有辊筒部分和固化装置的回收及固化头单元20B。导轨45提供在喷射头单元20A和回收及固化头单元20B之间，以提供移位轨道44沿Y方向移位头部20的通道。如图3中的平面图所示的头部20沿着Y方向移位轨道44在Y方向上往复移位。Y方向移位轨道44的两端均支撑在头部移动装置30上。头部移动装置30沿着一对X方向移位轨道43在X方向上往复移位，X方向移位轨道43提供为沿着成形板40的垂直维度平行，从而在垂直方向上跨过成形板40。通过这种方式，头部20可以在成形板上的XY平面上移位至任意位置。

如图1所示，成形板40通过板升降装置（Z方向驱动部分32）在高度方向（即Z方向）上移动。因此，头部20和成形板40的高度可以相对彼此改变，从而实现立体成形。具体来说，为了基于切片数据将模型材料MA和支撑材料SA作为成形材料从模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22喷射到适当位置处，通过头部移动装置30在X方向上往复操作头部20，然后从提供在喷嘴21和22中并且在Y方向上延伸的多个孔中喷射模型材料MA和支撑材料SA。此外，如图3所示，在喷嘴21和22在Y方向上的宽度小于成形板40上可以执行成形的在Y方向上的宽度的情况下，以及由成形模型数据指示的Y方向上的宽度大于各孔在Y方向上延伸的全部长度的情况下，在X方向上预定的位置处往复操作喷嘴21和22，然后各个喷嘴21和22在Y方向上偏移预定量并在这些位置处往复扫描。另外，基于切片数据将模型材料MA和支撑材料SA喷射至适当位置。重复这些操作以创建对应于全部设置成形数据的成形对象。

尽管在图1的示例中，将用于升降成形板40的板升降装置用作Z方向驱动部分32，但本发明不限于该示例，如在图2所示的三维成形设备2’中，还可以采用Z方向驱动部分32’以在Z方向上移动头部，同时使成形板40在高度方向上固定。此外，XY方向上的移动还可以通过在固定头部的同时移动成形板来实现。通过使各个喷嘴的宽度基本上等于Y方向上可以在成形板40上执行成形的宽度，还可以不必如上文所述在Y方向上偏移（shift）头部20。不过，即使在这些情况下，为了提高由喷嘴中的孔之间的间隔确定的成形对象在Y方向上的分辨率，还可以例如在Y方向上偏移头部20，从而使得每个孔位于先前成形期间的孔位置之间。

（控制装置10）

控制装置10控制成形材料的喷射图案。也即，在X方向上的往复扫描期间，在单个方向上往复扫描头部20的同时，控制装置10使得成形材料喷射装置至少在向前路径或向后路径中将模型材料MA和支撑材料SA喷射到成形板40上，并且在成形材料喷射装置已经将成形材料喷射到成形板上之后，使固化装置24至少在向前路径或向后路径中固化模型材料MA和支撑材料SA，从而创建切片。此外，控制装置10使头部20和成形板40在高度方向上相对彼此移动位置，并且重复层叠切片以实现成形。后文将会详细说明，在成形材料喷射装置已经将成形材料喷射到成形板上之后并且在固化装置24固化成形材料表面之前，至少在向前路径或向后路径中通过辊筒部分25执行成形材料表面的平滑。

通过在X方向上的单次往复扫描，控制装置10控制喷射模型材料MA和支撑材料SA中的任一种成形材料，利用辊筒部分25平滑和移除成形材料表面上的多余部分，并利用固化装置24使其固化。通过下一次及后续的往复扫描，控制装置10控制喷射尚未喷射的另一种成形材料，平滑该成形材料的表面并使其固化。在形成单个切片时，这一系列处理至少执行一次。当然，本发明包括根据例如用户需要的成形时间周期和最终模型的表面精度来多次重复对应于单层切片数据的上述一系列处理。因此，模型材料MA和支撑材料SA中任一种的表面都可以在流动状态下被平滑、固化，然后喷射模型材料MA和支撑材料SA中的另一种并分别固化。这提供了有效避免模型材料MA和支撑材料SA在其交界面处混合的优点。

在此示例中已经描述了喷射模型材料MA然后喷射支撑材料SA的构造。不过，与此相反，也可以首先喷射支撑材料，然后喷射模型材料。另外，尽管在此示例中已经描述了对用于成形的模型材料和支撑材料进行分别喷射和固化的方法，其中首先喷射任一种成形材料并固化，然后喷射另一种成形材料并固化，但本发明不限于该方法，模型材料和支撑材料可以在任意时间喷射。

（成形材料）

如上文所述，作为成形材料，模型材料MA用于形成最终的成形对象，支撑材料SA用于支撑模型材料MA的突出部分并最终被移除。图4是通过用矩形的平行六面体支撑材料S覆盖在球形成形模型材料MA外围所成形的成形对象的透视图，图5是图4的剖视图。

（固化装置24）

对于模型材料MA，可以采用诸如UV固化树脂的光固化树脂。在这种情况下，固化装置24是一种发光装置，其能够发射包含至少特定波长的光，该波长的光使得模型材料MA的材料与其反应而固化，例如是诸如UV灯的紫外线发射装置。这种UV光灯包括卤素灯、水银灯、LED等。另外在此示例中，支撑材料SA也可以由UV固化树脂构成。在采用能够通过具有相同波长的UV射线固化的UV固化树脂的情况下，可以采用相同的紫外线发射装置，从而提供利用公共光源的优点。

（模型材料MA）

对于模型材料MA，可以采用热塑树脂。在这种情况下，采用冷却装置作为固化装置24。此外，在采用热塑树脂同时作为模型材料和支撑材料的情况下，当模型材料的熔点高于支撑材料熔点时，可以在完成层叠之后通过将成形对象加热至高于支撑材料熔点但低于模型材料熔点的温度并且维持该温度使支撑材料熔化，以移除支撑材料。此外，还可以采用光固化树脂作为模型材料和支撑材料之一，而采用热塑树脂作为模型材料和支撑材料中的另一种。

另一种方案是，可以采用通过与固化材料进行化学反应而固化的材料作为模型材料。另外还可以按需将液体改性剂混合到模型材料中，以调节诸如粘度和表面张力的喷射特性。此外，可以通过温度调节来改变喷射特性。其它的示例模型材料包括UV光聚合物、环氧树脂、丙烯酸树脂和聚氨酯。

（支撑材料SA）

基本上，上述用作模型材料的材料都可以用作支撑材料SA。不过，从便于最终移除支撑材料的角度来说，期望添加能够移除与模型材料相近材料的材料。因此，具体来说，可以采用水胀凝胶、蜡、热塑树脂、水溶性材料、可熔材料等。为了移除支撑材料SA，可以根据支撑材料的性质采用适当的方法，包括例如水溶解、加热、化学反应和液压清理的动态清理，或者通过照射电磁波利用熔化时的热膨胀差异进行分离。

支撑材料最终会被移除，因此需要易于移除的特性。例如，水溶性支撑材料可以在成形对象成形之后通过浸入水槽中进行溶解来移除。另一方面，支撑材料溶解性的提高意味着支撑材料强度的降低，并且容易在温度升高时导致潮解、失形和下垂。当支撑材料的刚度不足时，支撑模型材料的能力会降低，并且在支撑材料上表面上对模型材料进行成形变得困难，从而模型材料的相关精度也会下降。而当支撑材料的刚度增加时，如果从最终成形对象移除支撑材料，在水中洗提会变得困难并且移除时间较长。由于支撑材料要求这些彼此相反的特性，因此获得最佳特性的支撑材料通常是困难的。

如本实施例所示，在使用水溶性材料作为支撑材料的情况下，当在成形设备上成形模型时，形成作为支撑材料SA外壁的支撑壁SS通过支撑材料在最大程度上抑制了与空气的直接接触。因此，由于可以禁止支撑材料吸收潮气，因此可以避免支撑材料的形变或者模型材料由于支撑材料的形变而发生形变。另外形成支撑壁SS能够抑制内部的支撑材料吸收潮气，于是提高了支撑材料的可溶解性能，并因此增加了在移除支撑材料时浸入溶剂（如水）时的洗提速度。这种构造具有在提供足够的刚度同时通过在移除期间破坏外壁的支撑材料SA来以短时间促进洗提以移除支撑材料的优点。在图4和图5所示的示例中，支撑壁SS被矩形的平行六面体表面覆盖并移除内部的支撑材料SA。

（头部20）

图6例示了喷墨型三维成形设备中的头部20的示例。图示的头部20具有用于分别喷射用作成形材料的模型材料MA和支撑材料SA的专用喷嘴作为成形材料喷射装置。具体来说，用于喷射模型材料MA的模型材料喷嘴21和用于喷射支撑材料SA的支撑材料喷嘴22彼此平行地相互分隔开。各喷嘴均具有两个喷嘴行23。

在头部20中，支撑材料喷嘴22、模型材料喷嘴21、辊筒部分25和固化装置24按此顺序从左侧开始整体提供。每个喷嘴都适于以压电装置型的喷墨打印头的构造喷射墨汁型的成形材料。此外，成形材料被调节为具有允许从喷嘴喷射的粘度。

在图6的示例中，头部20适用于首先喷射模型材料MA，然后喷射支撑材料SA。此外，头部20还适用于在向前路径（图中的左右方向）中喷射成形材料，利用辊筒部分25在向后路径（图中从右向左）中从成形材料的最上表面刮除多余的树脂，在平滑之后利用固化装置24固化平滑的树脂。

（辊筒部分25）

头部20还具有辊筒部分25，其用于通过挤压喷射的模型材料MA和喷射的支撑材料SA的处于可流动状态的表面并且移除成形材料的多余部分来平滑成形材料的表面。下面将参照图7的示意图来描述这种辊筒部分25的操作的构造。在此示例中，例示了辊筒主体26对处于未固化状态的喷射模型材料MA的表面进行平滑的状态。辊筒部分25包括作为旋转体的辊筒主体26、布置为朝向辊筒主体26表面突出的刀片27、用于收集被刀片27刮除的成形材料的槽28、以及用于喷射槽28中收集的成形材料的吸管29。辊筒主体26被可旋转地支撑，并且在旋转的同时挤压流动的树脂以平滑树脂表面并移除和回收多余部分。在利用辊筒主体26刮除树脂多余部分时，辊筒主体26以与头部20的行进方向（图7中为顺时针方向）相反的方向上旋转，从而刮除流动的成形材料。刮除的成形材料附至辊筒主体26、传输至刀片27、然后被刀片27刮除并引导到槽28中。因此当刀片27被设置为：当辊筒主体26与树脂表面邻接时，其相对行进方向置于辊筒主体26后面的位置，并且固定为向下朝向槽28倾斜的姿态。按照相同的方式，槽（桶）28布置为与刀片27相对辊筒主体26处在同一侧，并且布置在刀片下方。此外，吸管29连接至泵并且适用于汲取收集在槽28中的成形材料，然后喷射该成形材料。在此示例中，辊筒主体26具有直径约20mm的外部形状。

辊筒部分25适用于在头部20沿图中从右向左的方向行进时执行刮除。换句话说，当基于切片数据使模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22分别将模型材料MA和支撑材料SA喷射到适当位置时，头部20同时在左右方向上行进，辊筒部分25不与成形材料接触，类似地，固化装置24不通过光源进行照射。辊筒部分25执行上述刮除操作，另外在各个喷嘴21和22至少在图中头部20的左右主扫描方向中的向前路径上喷射成形材料之后，固化装置24用作光源，其发射用于在从右向左的主扫描方向（向后路径）中固化至少模型材料MA的光。

固化装置24的光源布置在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22行进方向的前方，因此即使光源已点亮，所喷射的液态树脂在被辊筒部分25平滑之前也不被照射。另一方面，还可以在不需要时主动关闭固化装置24的光源。另外，提供多个固化装置的构造是可行的。例如，可以提供第一固化装置和第二固化装置作为固化装置，并且可以通过第一固化装置对喷射后的树脂暂时进行固化，然后通过第二固化装置对树脂进行进一步固化。以这种方式提供多级构造的固化装置能够充分发挥树脂的固化能力。此外，使用这种构造使得能够在应用用于暂时固化的第一固化装置之后树脂中仍存在足够的流动性时，在使用第一固化装置进行暂时固化之后通过辊筒部分刮除多余树脂。也即，必须将全部固化装置布置在辊筒部分的后续级上。

如图1和图6所示，相对于头部20的行进方向，辊筒部分25布置在固化装置24之前，处在图中左侧。因此，首先通过辊筒部分25刮除未固化的成形材料，然后通过固化装置24固化成形材料。由于这种布置，使得成形材料的刮除和固化可以沿着同一路径执行，提供了高效率处理的优点。

沿着X轴布置支撑材料喷嘴22、模型材料喷嘴21、辊筒部分25和固化装置24的基本设想如下文所述。将头部20在主扫描方向上的向前行进的方向看作基线，则支撑材料喷嘴22和模型材料喷嘴21中的任一个都可以位于另一个之前。对于这种喷嘴布局，当辊筒部分25和固化装置24在向前行进方向上、在向前路径上执行辊筒操作时，辊筒部分25和固化装置24顺次布置在支撑材料喷嘴22和模型材料喷嘴21的后面，而当在向后路径上执行辊筒操作时，辊筒部分25和固化装置24顺次布置在向后行进路径中支撑材料喷嘴22和模型材料喷嘴21的后面。

在上述实施例中，采用如下所述利用UV光照射的方法，其中在通过头部20喷射树脂形成新的最上层之后，并且利用辊筒部分25针对成形期间最上层中处于未固化状态的树脂刮除多余树脂之后，通过固化装置24固化至少最上面的树脂层。

不过除了这种构造，对于上述固化装置还可以采用多步骤构造。例如，在通过头部20喷射树脂形成新的最上层之后，并且针对包含多余树脂层的最上方树脂层使用固化装置24执行单次照射操作，并利用辊筒部分25针对成形期间最上层中未固化的树脂执行刮除多余树脂层，然后固化装置24重新执行UV光的照射以固化至少最上面的树脂层。在这种情况下，通过在横向方向上提供一对固化装置，这一对固化装置在相对头部20的X方向（即头部20的主扫描方向）上夹在支撑材料喷嘴22和模型材料喷嘴21两侧，固化装置24可以如上文所述执行两次照射操作。

另外在这种情况下，为了通过组合第一照射和第二照射而获得期望的最终树脂固化度，经过第一次照射的树脂不处在固化状态而是流体半固化状态，于是可以随后通过辊筒部分25执行刮除操作。因此在本说明书中，在通过辊筒部分25刮除之前，最上层的状态是未固化状态或流体状态。

（辊筒部分25的宽度）

辊筒部分25的宽度形成为小于提供在成形材料喷射装置上的模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22的宽度。每个喷嘴包括多个用于喷射树脂的孔，这些孔形成为基本上与头部20的子扫描方向平行并且以预定间隔对准，其中子扫描方向与主扫描方向垂直。

上述每个喷嘴的宽度是指每个喷嘴在子扫描方向上位于两端部分的孔之间的距离。也就是说，这意味着辊筒部分25的宽度小于每个喷嘴在子扫描方向上位于两端部分的孔之间的距离。

定义孔间距的前提是，分别提供在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的各个孔以相对头部20的X方向（即头部20的主扫描方向）成线型构造布置。换句话说，前提条件是这样一种构造，其中模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22相对头部20定位和布置为使得在主扫描方向上通过模型材料喷嘴21的每个单孔执行喷射的位置与主扫描方向上通过支撑材料喷嘴22的每个单孔执行喷射的位置完全重叠。

还存在这样的构造，其中使用了多个模型材料喷嘴21以及多个支撑材料喷嘴22，模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的一个相对模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的另一个在子扫描方向上偏移，并且相对头部20来定位和使用。

在图中使用多个模型材料喷嘴21以及两个或多个支撑材料喷嘴22的基本目的是通过使得提供在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的一个上的孔在子扫描方向上的位置相对提供在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的另一个上的孔在子扫描方向上的位置具有偏移，来提高模型材料或支撑材料在Y方向上的分辨率。

也就是说，执行定位以使得提供在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的一个上的孔在子扫描方向上位于提供在模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的另一个上的两个相邻孔之间。

在这种情况下，本发明中辊筒部分25的宽度的含义如下文所述，该宽度小于提供在成形材料喷射装置上的模型材料喷嘴21的宽度和支撑材料喷嘴22的宽度。

当多个模型材料喷嘴21相对子扫描方向以偏移构造布置时，模型材料喷嘴21的宽度意味着，辊筒部分25的宽度小于从布置在多个模型材料喷嘴21的子扫描方向上一端最外侧的偏移位置到布置在子扫描方向上另一端最外侧的偏移位置的距离。同一系统中采用的多个支撑材料喷嘴22也具有这种相同的构造。按照与上述基本系统相同的方式，该系统的前提条件是这样一种构造，其中模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22相对头部20定位和布置为使得在主扫描方向上通过模型材料喷嘴21的每个单孔执行喷射的位置与主扫描方向上通过支撑材料喷嘴22的每个单孔执行喷射的位置完全重叠。

上述辊筒部分25的宽度表示辊筒部分25的轴线方向，也即，当在子扫描方向上在辊筒部分25的辊筒表面上刮除多余树脂时，甚至在辊筒部分25的外观宽度大于模型材料喷嘴21的宽度和支撑材料喷嘴22的宽度时，本身用作辊筒部分并执行刮除功能的辊筒实质宽度可以小于模型材料喷嘴21的宽度和支撑材料喷嘴22的宽度。

此外，还可以从形成在实质上不刮除多余树脂的辊筒末端上的辊筒部分到实质上刮除多余树脂的辊筒部分提供梯级（step）来改变辊筒直径，或者使得辊筒部分的直径从实质上不刮除多余树脂的辊筒端部上的辊筒部分到实质上刮除多余树脂的辊筒部分连续逐渐变化。

图8示出了头部20的底部视图的示例。在图中的示例中，模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22布置为分别偏移两行喷嘴。模型材料喷嘴21的宽度D1和支撑材料喷嘴22的宽度D2基本上相等，偏移量也基本上相等。因此，模型材料喷嘴21和支撑材料喷嘴22中的全部喷嘴的喷射宽度DN基本上相等。辊筒部分25的宽度DR小于喷嘴的喷射宽度DN。通过将辊筒部分25的宽度减小至小于喷射宽度DN，如图9所示，即使将同一层（切片）成形为多个分段（图9示例中的分段R1、R2），当辊筒部分25挤压右侧分段R2时也不会与已经成形的分段（图9中的左侧分段）接触，因此可以高精度实现大表面积成形操作。由于在固化后不会错误回收，因此可以避免阻塞习惯的状态。此外，辊筒部分的抖动以及倾斜的调节量优选小于或等于一个切片的厚度，因此可以降低预备和安装辊筒部分的相关难度。有鉴于此，辊筒部分25的宽度形成为相比模型材料喷嘴和支撑材料喷嘴两端上的孔之间的距离小半个孔对准间距（0.5mm）。例如，当孔对准间距为1mm时，辊筒部分25的宽度形成为在两端分别比位于模型材料喷嘴和支撑材料喷嘴两端上的孔之间的距离小0.5mm。

辊筒部分25的宽度小于喷射宽度的构造意味着存在无法被辊筒部分25回收的树脂部分，例如图9所示由虚线包围的部分。不过，紧接在通过辊筒部分25回收多余树脂部分之后，树脂并不维持液态而变为图10（a）所示状态，由于其重量而不再维持其形状，因此如图10（b）所示下垂。由此，形成了与完全通过辊筒部分25回收时基本相同的形状，实际中几乎不存在问题。在实例中，从成形主体最上表面刮除的多余树脂的厚度是例如数十微米的厚度，优选为不超过50微米。因此可以断定，即使在刮除残余部分时的树脂高度为类似高度，实际中也不存在问题。

在通过成形材料喷射装置基于包括任意厚度的切片数据喷射树脂时，通过在子扫描方向上相比前次子扫描方向的树脂喷射位置进行偏移来执行打印。通过这种方式，每个切片层上未应用辊筒部分25的位置是变化的，并且未回收的残余树脂的影响不会累积，因此可以均匀地抑制。

具体来说，当在预定的子扫描位置处在主扫描方向上移位第一切片层的同时喷射树脂之后，维持子扫描位置并利用辊筒部分25刮除多余树脂，然后在将下一个切片层在子扫描方向上从上述预定位置偏移固定距离之后，在该子扫描位置处在主扫描方向上移位并执行树脂的喷射，维持子扫描位置，并通过辊筒部分25刮除多余树脂。

如图8所示，在偏移多个行来布置模型材料喷嘴21的构造中，辊筒部分25的宽度优选形成为小于多行模型材料喷嘴21的全部宽度。通过这种方式，通过利用偏移布置模型材料喷嘴21来提高分辨率，辊筒部分25的宽度可以相对以偏移构造布置的模型材料喷嘴21得到降低，即使通过分成多个分段来成形同一切片，辊筒部分25也不与成形主体接触，从而实现了高精度成形。

（第二实施例）

此外，通过改变针对每个切片应用辊筒部分的位置，来避免未回收的残余树脂的影响累积。即，通过改变每个切片中的分段之间的边界位置，可以抑制仅有界面部分较高的状态。例如，在图11所示的第二实施例中，通过控制装置10偏移树脂的喷射位置，从而使下一步骤的边界P2位于在前一步骤中执行喷射的分段边界P1之间。通过这种方式，即使由于前一切片使得成形略高，也可以利用辊筒部分25对下一切片的未固化树脂的隆起部分进行回收，于是高度维度上的影响不会累加，从而能够避免和抑制残余未回收树脂的问题。

通过这种方式，即使如上述实施例一样通过喷射成形材料并将同一切片分成多个分段来成形时，也可以避免辊筒部分与固化后树脂的碰撞，从而改善了成形对象的质量。

根据本发明的三维成形设备适用于以喷墨方式对UV固化树脂进行三维成形。

100三维成形系统

1设置数据创建设备

2、2’三维成形设备

10控制装置

20头部

20A喷射头单元

20B回收及固化头单元

21模型材料喷嘴

22支撑材料喷嘴

23喷嘴行

24固化装置

25辊筒部分

26辊筒主体

27刀片

28槽

29吸管

30头移动装置

31XY方向驱动部分

32、32’Z方向驱动部分

40成形板

43X方向移位轨道

44Y方向移位轨道

45导轨

MA模型材料

SA支撑材料

SS支撑壁

PC计算机

SB悬突支撑部分

D1模型材料喷嘴的宽度

D2支撑材料喷嘴的宽度

DN全部喷嘴的喷射宽度

Dr、DR辊筒部分的宽度

P1前一步骤的边界

P2后一步骤的边界

R1-R3分段

Claims (5)

1.一种三维成形设备，其配置为重复执行将配置为形成最终成形的对象的模型材料(MA)和配置为支撑模型材料(MA)的突出部分并最终被移除的支撑材料(SA)作为成形材料喷射并固化到成形板(40)上的操作，同时至少在单个方向上执行扫描，从而将在高度方向上具有预定厚度的多个切片形成为层叠构造，并在高度方向上层叠这些切片以执行成形，所述三维成形设备包括：

成形板(40)，其构造为在其上放置成形对象；

成形材料喷射装置，其包括构造为喷射模型材料(MA)的包括多个孔的多个模型材料喷嘴(21)和构造为喷射支撑材料(SA)的包括多个孔的多个支撑材料喷嘴(22)；

辊筒部分(25)，其构造为挤压处于流动状态的模型材料(MA)或支撑材料(SA)的上表面，从而刮除模型材料(MA)或支撑材料(SA)的多余部分；

固化装置(24)，其构造为固化模型材料(MA)和支撑材料(SA)；

头部(20)，其包括成形材料喷射装置、所述辊筒部分(25)、和所述固化装置(24)；

水平驱动装置，其构造为使得头部(20)在主扫描方向和与主扫描方向垂直的子扫描方向上往复扫描；

垂直驱动装置，其构造为使头部(20)和成形板(40)在高度方向上的位置相对彼此移动；和

控制装置(10)，其构造为控制水平驱动装置和垂直驱动装置的驱动，并控制成形材料喷射装置对成形材料的喷射和固化装置(24)进行的固化；其中

辊筒部分(25)的宽度小于提供在成形材料喷射装置上的模型材料喷嘴(21)和支撑材料喷嘴(22)的宽度，

模型材料喷嘴(21)和支撑材料喷嘴(22)的宽度为每个喷嘴在子扫描方向上位于两端部分的孔之间的距离，并且其中

在通过成形材料喷射装置基于每个任意切片层的数据形成每个 层时，通过与前一切片在所述子扫描方向上相偏移来执行印刷；并且

通过喷射成形材料并将同一切片分成多个分段来成形时，所述垂直驱动装置改变针对每个切片应用辊筒部分的位置，从而改变每个切片中的分段之间的边界位置，以避免未回收的残余树脂的影响累积。

2.根据权利要求1所述的三维成形设备，其中

利用偏移将模型材料喷嘴(21)布置为多行，辊筒部分(25)的宽度形成为小于多行的模型材料喷嘴(21)的总宽度。

3.根据权利要求1或2所述的三维成形设备，其中模型材料喷嘴(21)的宽度和支撑材料喷嘴(22)的宽度实质上相等。

4.根据权利要求1或2所述的三维成形设备，其中模型材料(MA)和支撑材料(SA)不在同一往复扫描中同时喷射在模型材料(MA)和支撑材料(SA)在成形对象扫描方向上所位于的线上，而是仅喷射和固化一种成形材料。

5.根据权利要求3所述的三维成形设备，其中模型材料(MA)和支撑材料(SA)不在同一往复扫描中同时喷射在模型材料(MA)和支撑材料(SA)在成形对象扫描方向上所位于的线上，而是仅喷射和固化一种成形材料。