CN100339208C - 利用微波辐射生产三维物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于粘结材料以利用微波辐射选择性加热生产三维物体的方法。与选择性激光烧结法不同，本发明生产三维物体的方法使用简便的比如在每个家庭中可取得的微波辐射。这种加热的选择性是通过如下方法实现的，即将感受体涂覆于由粉末基质构成的层的部分区域上，接着利用微波辐射加热感受体。被加热的感受体会将存在于其中的能量释放到其周围的粉末基质上，由此该基质经熔融并在冷却后牢固地相互粘结在一起。

Description

利用微波辐射生产三维物体的方法

技术领域

本发明涉及一种通过粘结由粉末状基质制成三维物体的方法，所谓的粘结比如是对基质部分进行熔化或烧结，其中用于粘结基质所需的热能利用微波辐射经由感受器产生，然后再经由该感受体释放到基质的部分区域上。

背景技术

近年来，常遇到的任务在于顺利地制备原型件。现有技术中首先记载有立体平板印制法，但是这种方法存在缺点，即在由液体(树脂)制得原型件的过程中需要昂贵的支撑结构，并且所得到的原型件由于配料数量有限，其机械性能较差。

现有技术中经常提及的另一种适于快速制原型件的方法是选择性激光烧结(SLS)，该方法现已得到广泛应用。在该方法中，利用激光束选择性地短暂照射腔内的塑料粉末，受激光束照射的粉末颗粒就会熔化。所熔化的颗粒又会相互渗入并较为迅速地凝结成状固体。通过反复照射不断新涂上去的除层就可利用这种方法简单而快速地生产出具有复杂三维结构的物体来。

用于由粉末状聚合物制备模制体的激光烧结法(快速制原型)在专利文献US6136948和WO96/06881(两者均为DTM公司)中均有详尽地介绍。但是现有技术中所记载的SLS法存在如下缺点，即对于该方法必须采用昂贵的激光技术。无论是作为能源的激光器还是用于选取和控制激光束所需的光学元件如透镜、放大器和偏转镜等都是极端昂贵和易受损的。

还开发了一些快速制原型的方法，但是这些方法还未达市场化程度。在WO01/38061中就记载了一种生产原型件的方法，该方法的基于使用烧结抑制剂以避免选定区域内的粉末状基质因供入能量而发生的烧结。该方法可以不用昂贵的激光技术。当然若用该方法不可能特定提供热量。这种方法的缺点在于，比如那些未熔化的周围的粉末含有抑制剂，从而使其不可回收。另外，还需开发出一种应用于该方法的新软件，因为现在已不像往常一样印制部件的横截面，而还有周围区域。在后切割和修整截面的过程中，也需要大面积地涂覆抑制剂。另外，还存在热量蓄积的危险。

US5338611记载了使用微波辐射熔融聚合物的方法，其中要使用到粉末状的聚合物和纳米级炭黑，但是并没有公开生产原型件的内容。DE19727677记载了通过将微波辐射聚焦在粉末层的选定区域上以生产原型件的方法。由于聚焦的微波辐射的作用，层中的粉末基质就会因粘合、烧结或熔化而和下一层中的粉末基质发生连结。该方法还需要一种很昂贵的技术，以仅使微波辐射到达所选定区域上。

现有技术中公开的生产原型件的方法在所采用的技术方面均较贵。特别是应用激光或聚焦的微波辐射都需要很高的精确度，因此也就需要昂贵和易受干扰的设备。已知的这些方法虽然适合于生产原型件，但是不适于快速生产或是家庭使用。

发明内容

本发明的任务在于提供一种生产三维物体的方法，且该方法可以利用一种简单并因此而价廉和抗干扰的设备实现。该构件应该优选是耐用的，并且还应该可以根据日需量将其从设备中取出。

现已惊奇地发现，可以相对简单地借助微波辐射，比如利用微波炉将粉末基质制成三维物体，其中在不吸收或仅吸收极少量辐射微波的粉末状基质层上的待粘结区域涂覆感受体，所述感受体可以吸收辐射的微波，并将所吸收到的能量以热的形式释放给其周围的基质，由此，该层或者还有可能位于其上的或其下的层中的基质就通过熔化或烧结而在所述区域内粘结起来。涂覆感受体可以借助类似于喷墨打印机的印刷头来实现。

因此本发明的目的在于提供一种生产三维物体的方法以及由该方法制得的模制体。该方法的特征在于包含如下步骤：

a)制备一层粉末状基质层

b)将至少一种吸收微波的感受体选择性涂覆于由a)构成的层上待处理的区域，其中，涂覆有感受体的这些区域要根据三维物体的横截面来选择，更确切地说就是只将感受体涂覆于构成三维物体横截面的区域上，并且

c)用微波辐射对层进行至少一次处理，从而使得该层上涂有感受体的区域，和可能还有位于其下的层上备有感受体的区域，通过熔化而相互粘结起来。

同样，本发明的目的还在于一种用于以层状生产三维物体的设备，其特征在于该设备具有：

—移动装置，它将粉状基质以涂层形式涂覆到工作台上或是涂覆于可能已经位于工作台之上的经处理过的或未经处理的粉状基质(2)的层上，

—能在x，y平面内移动的装置(3)，用于将感受体(4)涂覆于由粉状基质构成的层上选定区域内，以及

—微波发生器，适于产生在300MHz到300GHz范围内的微波辐射(5)。

本发明方法的优点是，其中没有用到成本昂贵的定向辐射，比如那些激光辐射或是窄聚焦的微波辐射。通过用微波辐射来激发涂覆于基体的一层或几层上所设定区域内的感受体，就可以实现将能量定向作用于层或由多个层构成的基体上的某些确定位置。

利用本发明的方法，通过组合使用微波辐射与适当的感受体，就可以使得三维物体的层状自动构造过程变得简单。没有用感受体处理过的粉末可以简单地重复利用，而这在那些使用抑制剂的方法中是根本不可能的。

该设备可以类似于普通的喷墨打印机简单地进行操控，并因此也可以和例如PC相连，特别是当这种微波辐射接着是在大多数家庭中本身就有的微波设备中进行时。所以，三维印制对于普通家庭来说是负担得起的并且可操作的。本发明方法的另一优点是，可以毫不费力地重新利用周围的材料。此外，那些特殊的性能如导电性或是颜色都可以直接“一起印制上去”。按这种方法，可以选择性地赋予部件以所需性能。

本发明生产三维物体方法的原理主要基于在所有其他方法中使用的快速成原型原理。该三维物体可以被逐层地制造。这种结构是通过使液体层(立体平板印刷术)或粉末层(激光烧结)的部分相互间或者与位于其下的层部分固结或粘连在一起形成的，在该过程中，要将能量供到层的这一部分中。而层上那些没有都提供能量的部分，则继续以液体或粉末的形式存在。通过反复涂覆和粘结或固结这些粉末或液体，就可以逐层生产三维物体。在去除了未反应的粉末或液体之后得到三维物体，其分辨率(指轮廓形状)取决于层厚和所用粉末基质的粒度。

与迄今已知的方法不同的是，能量并不是直接供给待粘结的基质，而是通过能吸收能量并以热能的形式释放到其周围的基质中的感受体。根据本发明的方法，能量以微波辐射的形式提供给感受体，然后被其吸收，转化为热能，并释放到和感受体直接相邻且不能或不能足量吸收微波辐射的粉末基质上。在这里，所谓不能足量吸收是指，经过吸收微波辐射，该粉末基质也不能被加热至可以通过熔化或烧结而和相邻基质颗粒粘结起来的程度，或者说要实现这种粘结所需时间相当长。但是由感受体释放出来的热量却足以使得与感受体相邻的粉末基质能通过熔化或烧结相互粘结以及与感受体粘结。以这种方式，就可以利用本发明的方法，通过粉末基质的熔化或烧结制得三维物体。

在层以及相互叠置的层内的特定区域内中的基质的粘结，可以像激光烧结和其他快速制原型的方法一样，再通过粘结，特别是熔化或烧结粉状基质来完成。快速制原型的工作原理在例如US6136948和WO96/06881中有记载。

在步骤b)中，通常利用计算机控制，并使用CAD应用软件计算出横截面面积，从而实现感受体的涂覆，其结果是，在后序的处理步骤c)中只有经处理过的粉末基质才得到粘结。因此，将感受体只涂覆在由a)步骤得到的层上所选定的区域内，且该区域属于待制成的三维物体的横截面。这种涂覆本身可以通过如设置有喷嘴的印刷头来完成。根据本发明的方法，在经过最后层的终端处理步骤c)之后，就可以得到有部分粘结粉末材料的基体，该基体在将未粘结的粉末去除后，就形成了实心的三维物体。

以下将示例性地进一步描述本发明的方法，但不是对发明进行限制。

本发明生产三维物体的方法，其特征在于包括如下步骤：

a)制备粉末基质层，

b)将至少一种吸收微波的感受体选择性涂覆于由a)构成的层上待处理的区域，其中，涂覆有感受体的这些区域要根据三维物体的横截面进行选择，更确切地说就是只将感受体涂覆于构成三维物体横截面的区域上，并且

c)用微波辐射对层进行至少一次的处理，从而使得该层上涂有感受体的区域和可能还有位于其下的层上备有感受体的区域通过熔化或烧结而相互粘结。

步骤c)可以每次在步骤a)和b)进行了x次之后再进行，其中的x等于1至步骤a)和b)所进行的次数。根据所使用的粉末材料，考虑由材料而定的微波辐射的渗入深度。由于该过程取决于粉末材料和步骤a)进行的次数，所以仅用微波辐射处理一次不足以粘结所有位于构造腔中各粉末层的用感受体处理过的区域。在这种情况下，就可以优选步骤c)在步骤a)和b)各进行如，2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、20、30、40或50次之后再进行。此外还可以优选在步骤a)和b)至少进行了两次之后，才开始实施步骤c)，因为以这种方式就可以使层间达牢固粘结。在本发明方法的一个特别优选的实施方案中，如此反复进行步骤a)和b)的过程，直至所有构成三维物体的横截面都存在于基体中，并且物体的外部界面由位于除覆有感受体的粉末材料和未处理的粉末材料之间的界面构成，然后再接着进行步骤c)。以这种方法，只需要用微波辐射进行一次处理就行了，这也就意味着可以节省大量的能量。

在本发明的另一个实施方案中，在三维物体的生产之初，在已进行一次步骤a)，接着是步骤b)，然后还是一次步骤a)后进行一次步骤c)，再接着的其他步骤就按照b)，a)，c)的顺序进行。在该实施方案中，用感受体处理过的粉末层分别被未处理的粉末层覆盖。因此在步骤c)中，最上层的颗粒不会如通过熔化或是烧结粘结，而是位于其下的层上的颗粒会粘结。其中，在层间界面上的两层颗粒就已经发生粘结。以这种方式就能得到特别牢固的层间粘结。另外，在成型物体过程中，由一层通到下一层的过渡区也就变得更为柔软。步骤c)可以重新每次在步骤a)和b)进行了x次之后再进行，并且还能具有上述优点。其中的x等于1至步骤a)和b)所进行的次数。

如果步骤c)分别是在实施了步骤a)和b)或者b)和a)一次或多次之后进行，则该步骤c)可以直接在构造腔中进行。如果只进行一次如步骤c)的处理过程，则其可以在装置的下部构造腔或是另一个合适的位置内进行。同样，步骤c)也可以在另一个与实施步骤a)和b)的设备不同的设备中进行。因此可将如借助步骤a)和b)制成的、且由处理过的粉末层构成的基体转移到如烹调膳食用的市售微波设备中，在该设备中实施步骤c)。由于存在上述的可能性，本发明的方法就特别适合于家庭使用。

粉末层的制备可按如下方法进行：比如，可以将作为基质的粉末材料涂覆于底板上，或者，如果已经存在的话，就涂覆于已有的、且按照步骤b)或c)处理过的层上。这种涂布过程可以利用刮抹、辊涂、倾倒和紧接着的拖涂或类似的方法进行。制备该层所必须满足的前提条件是，层厚应均匀。在步骤a)中制备的层厚优选小于1mm，更优选为50到500μm，特别优选是100到200μm。所有层的厚度确定了所制三维物体外部结构的分辨率和光滑度。用于制备层的底板或设备是可以在厚度方向上移动的，从而使得在实施步骤b)或c)之后，可以将所得到的层下降一个高度值，而该值等于下一个将要涂覆的层的厚度；或者是将设备相对于前面一层升高一定的高度，并且该高度值等于下一层的厚度。

根据步骤a)制备得到的层厚度还特别取决于平均粒度或最大颗粒粒度。因此要理解为，使用粒度为150μm的颗粒时不可制得牢固和致密的、厚度相同的层，因为颗粒间的体积在进行步骤c)时还可能要发生很大的收缩。

作为粉末基质用的粉末材料宜具有10到150μm的平均粒度(d₅₀)，特别优选为20到100μm，最为优选40到70μm。但是根据使用目的的差异，也可以比较有益地使用特别小颗粒和特别大颗粒的粉末材料。为了得到具有尽可能高分辨率和尽可能表面光滑的三维物品，比较有益的方法是使用那些平均粒度在10到45μm，优选10到35μm，特别优选20到30μm的颗粒。

颗粒细度小于20μm，特别是小于10μm就几乎不能进行加工了，因为这种颗粒不会流动，堆密度也会急剧下降，并由此而会形成更多的空腔。为了易于处理，可以优选使用那些平均粒度在60到150μm，更优选70到120μm以及最优选75到100μm的颗粒。

用作为粉末状基质的优选粉末材料，即是由研磨、沉淀和/或阴离子聚合或其组合方法制备，特别是由沉淀过于粗糙的粉末并接着进行后研磨，或者是沉淀和紧接着分级来制备。

在所述粉末材料的指定平均粒度范围内，其粒度分布可以是任意选择的。优选使用的粉末材料具有较宽或是较窄的粒度分布，优选具有较窄的粒度分布。特别优选的在本发明方法中使用的粉末材料，其具有的粒度分布应该是，最大为20％、优选15％、更优选最大为5％的颗粒具有按平均粒度计的粒度偏差量为大于50％。粒度分布可以通过常用的分级方法，如风选等来调整。在本发明的方法中，使用尽可能窄的粒度分布得到三维物体，其具有非常均匀的表面，并且如果存在的话，也具有很均匀的孔。

至少有一部分所用的粉末基质可以是无定形的、结晶的或是部分结晶的。优选的粉末材料具有直链或支链结构。本发明中所用的特别优选的粉末材料至少部分具有50到350℃，优选70到200℃的熔融温度。

适合用作本发明方法中基质的材料，较之于所选的感受体，更不易被微波辐射所加热。另外，所用的粉末状基质应该可以在加热状态下表现出足够的流动性。可以用作为粉末基质的特别优选是选自以下的聚合物或共聚物，如聚酯、聚氯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(N-甲基异丁烯酰亚胺)(PMMI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、离子交联聚合物、聚酰胺、共聚酯、共聚酰胺、三元共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或它们的混合物。

在本发明方法中特别优选用作为粉末基质的粉末材料含有聚酰胺，优选是至少一种聚酰胺6、聚酰胺11和/或聚酰胺12或者含共聚酯或共聚酰胺。使用了聚酰胺后，就能制得形状特别稳定的三维成型体。特别优选的是使用聚酰胺12粉末，而其又是优选通过如DE19708946或DEA421454中所记载的方法制得的，且特别优选具有如EP0911142中所记载的熔点和熔融函。而优选使用的共聚酰胺或共聚酯又是那些如可以在Degussa公司购得的且商品名为VESTAMELT的产品。特别优选的该共聚酰胺所具有的由差示扫描量热计(DSC)测得的熔融温度，应该在76到159℃，优选98到139℃，特别优选在110到123℃。共聚酰胺可以通过诸如下列合适单体的混合物的聚合反应制得，这些单体选自作为双官能团成分的月桂内酰胺和/或己内酰胺，作为带有酸官能团成分的辛二酸、壬二酸、十二双酸、己二酸和/或癸二酸，以及作为二胺的1，6-己二胺、异氟尔酮二胺和/或甲基-五亚甲基-二胺。

为改进粉末状基质的可加工性，所用的粉末材料优选含有添加剂。这样的添加剂可以是如流动助剂。所用的粉末基质特别优选含0.05到5重量％，优选0.1到1重量％的添加剂。流动助剂可以是例如热解硅酸、硬脂酸盐或其他文献上公开的流动助剂，如磷酸三钙、硅酸钙、Al₂O₃、MgO、MgCO₃或ZnO。热解硅酸例如有Degussa公司提供的商品名为Aerosil^的产品。另外还可以优选使用含有可激光激活的添加剂的粉末基质。通过这类添加剂，就可以实现如对三维物体的标记或施加电路。可使用的添加剂记载在如文献DE4402329中。

本发明所用的粉末基质除了含部分这种无机流动助剂或其他添加剂外还可以含有无机填料或为无机填料所代替。使用这种填料的优点在于，它们在粘结时通过处理可以基本保持其形状，并因此降低了三维物体的收缩。另外，通过使用填料还可以改变诸如物体的塑性和物理性质。如果使用了含有金属粉末的粉末材料，就可以调节物体的透明度和颜色以及电磁性能。粉末材料中可以含有的作为填充物质或是填料的如是玻璃颗粒、陶瓷颗粒或金属颗粒等。典型的填充物质是如细金属粒、铝粉、钢珠或玻璃珠。特别优选在粉末材料中使用玻璃珠作为填料。在一个优选的实施方案中，本发明的粉末材料含有1到70重量％，优选5到50重量％，特别优选10到40重量％的填充物。

本发明所用的粉末基质除了含无机的流动助剂或填料外还可以含有无机或有机的色料或为其所代替。这些色料除了是能确定待制三维物体颜色的颜料外，还可以是那些能影响待制的三维物件其他物理性能的色料，比如磁颜料或者是导电颜料，如那些可以改变物体磁性和导电能力的经导电改性的二氧化钛或氧化锡。但是特别优选使用的粉末材料含有无机或有机的染色颜料，其可以选自白垩、赭石、棕土、绿土、燃烧后的黄土颜料，石墨、钛白(二氧化钛)、铅白、锌白、锌钡白、锑白、炭黑、氧化铁黑粉、锰黑、钴黑、锑黑、铬酸铅、铅丹、锌黄、锌绿、镉红、钴蓝、柏林蓝、群青、锰紫、镉黄、巴黎绿、钼桔红、钼铬红、铬橙、铬红、氧化铁红粉、氧化铬绿、锶黄、有金属效果的颜料、珠光颜料、具有发荧光和/或发磷光颜料发光色料、棕土、藤黄、骨炭、颜料棕、靛青、叶绿素、不溶性偶染料、靛类染料、二嗪颜料、喹吖啶酮颜料、酞菁颜料、异吲哚啉酮颜料、二萘嵌苯颜料、Perinon颜料、金属络合物颜料、碱性蓝颜料和二酮吡咯并吡咯。另外可使用的色料信息可以在例如Rmpp化学大辞典-2.0版，斯图加特/纽约：Georg Thieme出版社1999中或是在其中所引用的文件中查到。

所用色料的粒度可以如粉末材料的粒度。但多数情况下色料所具有的粒度要明显小于所用聚合物的平均粒度。色料可以如类似于感受体那样使用像在印刷头中使用的喷嘴进行涂覆，或者本身就存在于所用粉末状基质中，特别是在聚合物颗粒中。特别优选本发明的粉末材料中含有包含一种或多种所述色料的聚合物颗粒，优选白色颜料时例外，要单独用。粉末材料中的色料量优选为0.01到25重量％，更优选0.1到10重量％，特别优选1到3重量％。本发明方法较之于激光-烧结法所具有的另一优点是可以使用经着色的基质，而在激光-烧结法中，颜料或是金属化的色料会阻碍和衰减激光辐射，因此不可对这种材料进行处理。

可以作为粉末材料使用的还有那些能被看作是上述填料或色料的特殊形式的物质。在这类粉末材料中，该粉末具有由粒径小于上述粉末材料尺寸的第一种材料构成的颗粒。而在该颗粒上又涂覆一层第二种材料，其中该层厚度的选择要使得由第一种材料的颗粒与第二种材料的涂层所组合的粉末材料的尺寸符合如上所规定的大小。优选第一种材料的颗粒大小与粉末材料尺寸的偏差量小于25％，优选小于10％，特别优选小于5％。而构成该颗粒上除层的第二种材料，其较之于所选择的感受体应该更不易被微波辐射加热。另外，该第二种材料应该在加热状态下表现出足够的可流动性，并且可以通过感受体产生的热而烧结或熔融。作为涂层材料该粉末状基质(粉末材料)中可以含有特别是上述的聚合物或共聚物，其中优选选自聚酯、聚氯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚(N-甲基异丁烯酰亚胺)(PMMI)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、离子交联聚合物、聚酰胺、共聚酯、共聚酰胺、三元共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)或它们的混合物，或含有酚醛树脂。这类粉末材料特殊形式的第一种材料可以是包括如由砂、陶瓷、金属和/或合金构成的颗粒。特别优选的这类粉末材料是以酚醛树脂或热塑性塑料涂层的砂，即所谓的型砂。

如果感受体有能力转移足够的热量，则同样也可以使用金属粉末特别是低熔点的金属粉末作为粉末材料，如铅或锡或含有锡或铅的合金。这种粉末材料也可以优选具有上述尺寸。(在使用金属粉末时首先要检验，该金属是否适于用微波处理，或者其是否会引起火花或阻碍微波产生。这种检查测试可以简单地通过预试实现。)

利用本发明的方法就可以生产出具有一种或多种功能化层的三维物体。该功能化如使整个模制部件或只是某个确定的区域具有导电性能，这一过程可以通过涂覆类似于感受体的色料或基质，或是通过制备由含有这些色料的粉末状基质构成的层来实现。

感受体的涂覆可以按照类似于WO01/38061中记述的涂覆抑制剂的方法进行。优选利用能在x，y-平面内移动的装置来进行感受体的涂覆。该装置可以将液态和/或粉末状的感受体提供到根据步骤a)制备的层上的某些特定位置处。这种装置可以是例如在喷墨打印机中使用的印刷头。定位印刷头的移动装置的控制可以同样采用如移动喷墨打印机的印刷头一样的方法。利用这种装置，就可以将感受体涂覆于根据步骤a)制得的层上的那些通过烧结或熔化以粘结基质的位置处。

在本发明的方法中可以使用所有能通过微波辐射进行加热的感受体。在此即指那些粉末物质，如金属粉末、金属化合物粉末、陶瓷粉末、石墨、炭黑或活性炭或质子液体，其选自饱和一元或多元直链、支链或环脂族醇，它们是未稀释的或是和水的混合物，或者仅是水。而作为质子液体优选使用甘油、三羟甲基丙烷、乙二醇、二乙二醇或丁二醇或它们的混合物，它们是未稀释的或者是和水的混合物。同样也可以使用固体、液体或固液体的感受体的混合物。而同样有益的做法是将以固体形态存在的感受体悬浮于非感受体的液体中，从而以改进以固态存在的感受体在所制备的层的总厚度上的分布。如感受体，特别是液体感受体含有表面活性剂以改进基质的润湿时可达到另一优选。

此外，在本发明方法中还可以考虑许多的感受体/基质结组合体。其中，对于本发明来说至关重要的一点是，感受体和基质在可以通过微波辐射而加热的能力上有着足够大的差别，因此在本方法结束时可以得到一种基体，其在该在粘结的(也就是用感受体处理过的)基质和未连结的基质之间存在着很清晰的界限。只有通过这种方法才能保证所制得的三维物体具有足够光滑的结构，并且未粘结的基质可以简单地从该物体中解脱出来。

为了能使基质上的感受体有足够强和持续的热转换，感受体的沸点，或者是感受体混合物中至少一种感受体的沸点要大于所用基质的熔点。感受体的配量以及粉末和感受体的性质必须彼此相互协调，以使感受体，特别是使用液体感受体时不会贯穿整个层，而只是进入待润湿的粉末中。这种协调可以例如通过调节粘度和所用感受体的量来进行。该过程中，所用液体感受体的量尤其取决于粉末的层厚度，还取决于粉末孔隙度和颗粒的粒度。对各个材料组合的最佳用量和粘度可以通过简单的预试试验确定。为了调整粘度，可以使用已知的粘度调节介质，如热解硅酸或是有机介质。感受体可以滞留在熔融体或模制体中。在强化的情况下或是在通过感受体调节其他性能(电或磁传导性)时，这一点甚为有益。

用于加热感受体所必需的能量要以微波辐射的形式导入。比较有利的做法是将待烧结的层通过热导入而加热到或者是保持在低于所用聚合物的熔融或烧结温度的高温。以这种方法就可以使得通过微波能量引入的能量或功率降低。但这种实施方式的缺点是必须使用专门的设备，而这些设备通常又是目前家庭中所没有的，比如带有微波的复合烤炉。但是如果这种设备能得到更大的推广，那么在家用此发明的方法时也就可以不通过微波能量导入所需的部分烧结能量。

根据步骤c)的微波辐射处理可以如上所述在各个步骤b)之后进行，或是在所有的层都经感受体处理之后进行。特别是在使用液体感受体时，证实较为有益的做法是，微波处理各自在按步骤b)的层处理之后直接进行，优选直接在构造腔内进行，否则就会导致液态感受体也分布于层或由多层构成的基体上不需要的部分内。

本发明方法中所需的微波辐射由优选是外部微波发生器产生，并且其频率范围可在300MHz到300GHz之间。在工业生产过程中所使用的和国家公布的频率一般在430到6800MHz的范围内(化学工程和设计辞典，第30卷，202页，Marcel Dekker，N.Y.-Basel，1989)。因此在本发明方法中优选的微波辐射频率范围为430到6800MHz。由微波发生器产生的辐射在必要情况下是可以经过偏振化和/或滤波的。

借助本发明的方法可以生产三维模制体。在本发明方法结束时，这些逐层生产的三维物体位于由多层构成的基体中。可以从该由粘结的和未粘结粉末状基质和感受体构成的基体中取出该物体，同时未粘结的基质必要时可以经如筛选处理后重新利用。本发明的模制体可以含有选自玻璃珠、硅酸或金属颗粒的填料。

本发明的方法优选在按照本发明的用于逐层生产三维物体的设备中实施，该设备的特征在于，其包括：

—移动装置，其可以将粉状基质以涂层形式涂覆到工作平台上或是涂覆于可能已存在于工作平台的上由处理过或未经处理的粉状基质构成的层上，比如刮板，

—能在x，y平面内移动的装置，其用于将感受体涂覆于由粉状基质构成的层上的选定区域上，比如印刷头，以及

—微波发生器，适于产生300MHz到300GHz，优选430到6800MHz范围内的微波辐射，并且其可以将感受体进行充分加热，使得基质在基质上涂有感受体的那些区域上通过熔化或烧结而粘结。

该设备上优选配备有多个储罐，待加工的粉末状基质可以从这些储罐输送到设备中用于制造层，并且所用的那些感受体也可以输送到能在x，y-平面可移动的设备中，以将感受体涂覆于粉末基质制成的层的选定区域上。如果使用带多个喷嘴和预设混合器的印刷头，就可以实现如下效果，即在层的某些特定区域，比如在特别花纹图案区域或是在待制造的物体边缘上可以采用与芯区不同的其他的感受体的混合物。用这种方法就可以在层上的不同位置处引入不同的能量。

同样，本发明的目的还在于如上所述的粉末材料，该材料适于在本发明的方法中使用，其特征在于具有10到150μm的平均粒度，并且还含有至少一种选自如下种类的聚合物或共聚物，即选自聚氯乙烯、聚酯、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、PMMA、PMMI、离子交联聚合物、聚酰胺、共聚酯、共聚酰胺、三元共聚物或ABS或它们的混合物。特别优选该粉末含有聚酰胺11、聚酰胺12、共聚酰胺或共聚酯或它们的混合物。特别优选该粉末具有经染色的且是非白色的聚合物颗粒。

以下将根据附图1来详细阐术本发明的方法和设备，但本发明并不限于这些实施方式。图1再现了本发明的设备。在移动板(6)上，储存在储罐(1)中的未经处理的粉末基质(2)构成了基体(8)。借助刮板将基质分布到移动板上成薄层或分布到已经涂覆过的层上。采用能在x，y-平面移动的设备(3)将感受体(4)涂覆到粉末基质层的选定区域上。在每次用感受体处理后，涂覆一层新的粉末基质层。利用适于产生300MHz到300GHz(5)范围微波辐射的微波发生器将经涂覆的、用感受体处理过的基质位置粘结起来，制成三维物体，比如杯子(7)。

具体实施方式

以下将根据实施例来进一步详细阐述本发明的方法，但本发明并不限于此。

实施例1：制造由共聚酰胺构成的杯子

在如图1所示的设备中，用共聚酰胺粉末(VESTAMELT 840，Degussa公司，Marl)制造外径80mm、高60mm且壁厚1.5mm壁厚的杯子模型。作为感受体使用的是基于石墨的悬浮液，其含40重量％的水、40重量％的石墨和20重量％的异丙醇。该设备的工作温度为约40℃。微波发生器的频率为2450MHz。层厚度为0.15mm。对于每一层，提供的功率为700瓦，时间各30秒。粉末的D₅₀值为60μm。

实施例2：制造由聚酰胺12构成的拉伸试棒

在所述设备中，用聚酰胺12粉末(EOSINT P PA2200，EOS公司ElectroOptical Systems，Krailling，德国)制造长度为160mm，宽为10mm且高为4mm的拉伸试棒。作为感受体用的是乙二醇。设备的工作温度为约160℃。微波发生器的频率为2450MHz。涂覆粉末层的高度为0.15mm。对于每一层，提供的功率为750瓦，时间45秒。所用粉末的d₅₀值为55μm。

Claims (20)

1.一种生产三维物体的方法，其特征在于包括如下步骤：

a)制备由粉末基质构成的层，

b)将至少一种吸收微波的感受体涂覆于由a)构成的层的待处理的区域上，其中，涂覆有感受体的这些区域要根据三维物体的横截面来进行选择，更确切地说就是只将感受体涂覆于构成三维物体横截面的区域上，并且

c)用微波辐射对层进行至少一次处理，从而使得该层上涂有感受体的区域和可能还有位于其下的层的备有感受体的区域通过熔化或烧结而相互粘结起来。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于在步骤a)和步骤b)各自进行了x次后再实施步骤c)，而其中x等于1到50。

3.根据权利要求1的方法，其特征在于开始时在已进行一次步骤a)，接着是步骤b)，然后还是一次步骤a)后，进行一次步骤c)，再接着的其他步骤就按照b)，a)，c)的顺序进行。

4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于反复进行步骤a)和b)的过程，直至所有构成三维物体的横截面都存在于一个基体中，和物体的外界面由位于涂覆有感受体的粉末材料和未处理的粉末材料之间的界面构成，然后再接着进行步骤c)。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于步骤c)在设备的下构造腔内进行。

6.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于步骤c)在一个与实施步骤a)和b)的设备不同的设备中进行。

7.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于在市售的适于烹调膳食的微波设备中实施步骤c)。

8.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于所用粉末基质的平均粒度为10到150μm。

9.根据权利要求1至3中至少一项的方法，其特征在于所用微波辐射的频率范围为430到6800MHz。

10.根据权利要求1至3中至少一项的方法，其特征在于作为感受体使用的是金属粉末、金属化合物粉末、陶瓷粉末、石墨、活性炭或质子液体，该质子液体选自饱和一元或多元直链、支链或环脂族醇，它们是未稀释的或与水的混合物或者仅是水。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于作为质子液体使用甘油、三羟甲基丙烷、乙二醇、二乙二醇或丁二醇或它们的混合物，它们是未稀释的或者是和水的混合物。

12.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于使用聚合物作为粉末基质。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于使用聚合物或共聚物作为粉末基质，该聚合物或共聚物选自聚酯、聚氯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、PMMI、PMMA、离子交联聚合物、聚酰胺、共聚酯、共聚酰胺、三元共聚物、ABS或它们的混合物。

14.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于所用的粉末基质具有0.05到5重量％的流助剂。

15.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于使用含有无机填料的粉末基质。

16.根据权利要求15的方法，其特征在于使用玻璃珠作为填料。

17.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于使用含有无机或有机的色料的粉末基质。

18.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于使用含激光可激活的添加剂的粉末基质。

19.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于使用选自砂、陶瓷、金属和/或合金或金属粉末构成的经涂敷的颗粒，作为具有通过热作用能烧结或熔化的材料的粉末基质。

20.一种用于逐层生产三维物体的设备，其特征在于该设备包含：

-移动装置，其可以将粉状基质以涂层形式涂覆到工作台的物体上或是涂覆于可能已经在工作台上存在的、由处理过或未经处理的粉状基质构成的层上，

-能在x，y平面内移动的装置，其用于将感受体涂覆于由粉状基质构成的层上的选定区域上，以及

-微波发生器，适于产生300MHz到300GHz的微波辐射。

Images