CN107107471B - 增材制造 - Google Patents
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Abstract
在一个示例中，一种带有指令的非瞬态处理器可读介质，所述指令存储在非瞬态处理器可读介质上，所述指令在被执行时使增材制造机器阻止构造材料的上层中的构造材料与形成在构造材料的下层中的第一切片熔融。
Description
背景技术
增材制造机器通过逐步建立材料层来生产3D(三维)对象。一些增材制造机器由于通常使用喷墨或其它打印技术施加一些制造材料，故常被称为“3D打印机”。3D打印机和其它增材制造机器使得将CAD(计算机辅助设计)模型或对象的其它数字表示直接转换成实体对象成为可能。
附图说明
图1A-图9A以及图1B-图9B提供一系列剖面图和透视图，图示用于增材制造带有下悬(underhang)的对象的一个示例。
图10和图11是图示示例增材制造过程的流程图。
图12是图示具有指令的处理器可读介质在对象的增材制造期间帮助形成下悬的一个示例的框图。
图13是图示实现控制器的增材制造机器的一个示例的框图，该控制器具有带下悬指令的处理器可读介质，如图12中所示的介质。
图14是图示实现CAD计算机程序产品的增材制造机器的一个示例的框图，该CAD计算机程序产品具有带下悬指令的处理器可读介质，如图12中所示的介质。
在所有附图中，相同的部件符号指代相同或相似的部件。
具体实施方式
一些增材制造机器通过聚结粉末状构造材料的层来制造3D对象。增材制造机器基于例如用CAD计算机程序产品建立的3D模型中的数据来制造对象。这些模型数据被处理成切片，每个切片定义要聚结的一层构造材料或多层构造材料的一部分。以下描述的增材制造的示例使用了一项技术，在该技术中，将吸光墨水或其它适合的聚结剂“打印”至所希望的图案中的一层构造材料上，并且然后使其曝光以聚结图案化构造材料。聚结剂增加光吸收以产生足够的热来烧结、熔融或除此之外聚结图案化构造材料，以供直接固化(当在烧结时)或经由冷却间接固化(当在熔融时)。
聚结剂可能会流入构造材料中、所希望的图案外，从而引起构造材料的不期望的聚结和固化。另外，图案化构造材料中生成的热在一些情况下会传导至周围未图案化的构造材料中并固化周围未图案化的构造材料。构造材料的不期望的固化可使制造的对象的总体尺寸精度和外观降级。这种降级通常表现为例如边缘界定不清。已经开发出改性剂来阻断或中和聚结剂的作用。通过将聚结改性剂施配至用聚结剂图案化的构造材料周围的未图案化的构造材料上可以控制构造材料的不期望的固化。举例来说，在2014年4月30日提交的名称为“三维打印方法(Three Dimensional Printing Method)”的国际专利申请第PCT/US2014/036169号中描述的改性剂和增材制造方法可以防止或者减少目标区域的构造材料的聚结程度，以帮助控制沿所制造对象的每一层的边缘的尺寸精度和表面粗糙度。
已经发现，聚结改性剂还可以用于控制构造材料与对象切片之间的不期望的熔融，该熔融会导致带有下悬(延伸越过上切片的下切片的一部分)的对象的表面粗糙度过高。因此，开发出了新的增材制造方法来阻止或防止中间层熔融以便获得光滑、边界清晰的下悬。
在一个示例中，该新过程包括：将聚结改性剂作为熔融屏障施加至在第一层构造材料中形成的第一对象切片上，以在第二切片形成期间保护第一切片的顶表面。该改性剂被施加于与第二切片将覆盖第一切片的区域接界的位置处，由此覆盖下悬的至少一部分。然后，当加热第二、上层中的构造材料以形成第二切片时，熔融屏障防止或至少部分阻止该第二层中加热的构造材料熔融下悬区域中的第一切片，使得第二切片上的下悬的顶部保持光滑并且边界清晰。带有使用聚结改性剂控制下悬表面的指令的处理器可读介质可以例如在CAD计算机程序产品中、对象模型处理器中或在增材制造机器的控制器中实现。
如本文献中所使用：“聚结剂”是指引起或有助于引起构造材料聚结的物质；“聚结改性剂”是指阻止或防止构造材料聚结，包括例如改变聚结剂的作用的物质；“切片”是指多个切片对象的一个切片；并且“下悬”是指延伸越过上切片的下切片的一部分(即，倒置的上悬(overhang))。
图1A-图9A和图1B-图9B中提供的一系列剖面图和透视图图示用于增材制造带有下悬的对象的一个示例。图10是图示在图1A-图9A、图1B-图9B中实现的增材制造过程100的一个示例的流程图。参照图1A-图9A、图1B-图9B及图10，如图1A、图1B(图10中的框102)中所示，形成构造材料14的第一层12。如图2A、图2B中所示，在与对象切片对应的图案20中，用例如喷墨型施配器18将聚结剂16施配于构造材料14上，(图13中的框104)。聚结剂图案20是由附图中密集的点画描绘的。任何适合的构造材料14都可以用于制造图9A和图9B中所示的对象10，构造材料可以是硬的或软的、刚性的或可弯曲的、有弹性或无弹性的。另外，尽管粉末状构造材料14在本示例中以颗粒22描绘，但也可以使用适合的非粉末状构造材料。
在图3A、图3B中，用聚结剂图案化后的层12的区域20暴露于来自光源26的光以使构造材料聚结，并在固化时，形成第一对象切片28(图10中的框106)。取决于构造材料14、聚结剂16以及光24的特性，构造材料可以例如通过熔融成液体或通过烧结成固体进行聚结。如果构造材料熔融，则固化在冷却时发生。
在图4A、图4B中，例如用喷墨型施配器36以图案32将聚结改性剂30施配至切片28上覆盖区域34，在区域34处，第二对象切片将下悬于第一切片(图10中的框108)。改性剂图案32是由附图中稀疏的点画描绘的。在所示示例中，改性剂30的图案32与下悬区域34共同延伸。其它下悬图案32也是可能的。例如，如果光源26被配置成仅选择性地照射构造材料被聚结剂图案化后的那些部分，则将图案32限制到下悬区域中与第二切片图案直接接界的位置是可取的。(第二切片图案44在图7A、图7B中示出)，然而，如果光源26被配置成照射构造材料的每一层的大部分或全部，则改性剂图案32完全覆盖下悬区域34将是可取的，如图4A和图4B中所示。
聚结改性剂30也可以施配至每一层中的构造材料的其它区域以帮助定义对象切片的其它方面，包括例如散布聚结剂图案以改变切片的材料特性。尽管示出两种不同的施配器18、36，但也可以由整合成单一装置的同一施配器(例如在单一喷墨打印头组件中使用多个不同打印头(或多组打印头))施配试剂16和30。
针对液体改性剂30，在形成构造材料的下一层之前，干燥图案化区域32可能是可取的。在图5A、图5B中所示的示例中，将切片28的被改性剂图案化后的区域加热以干燥改性剂并形成固体熔融屏障38。在其它示例中，在不添加热量的情况下使液体改性剂30干燥可能是可取的。图5A中的加热器40表示大体上任何适合的加热器，该加热器可以包括热辐射、对流及传导中的一种或多种。
在图6A、图6B中，构造材料14的第二层42形成在覆盖第一切片28的第一层12上(图10中的框110)。在图7A、图7B中，以图案44将聚结剂16施配至层42中的构造材料14上，图案44与下悬于第一切片28的第二对象切片对应(图10中的框112)。在图8A、图8B中，用聚结剂图案化后的区域44暴露于光24以使构造材料聚结，并在固化时，形成第二固体切片46(图10中的框114)。尽管在图8A、8B中示出不同的第一切片28和第二切片46，但这两个切片实际上一起熔融成为单一部分。在有时称为“切蛋糕(uncaking)”的工艺中，将现熔融的切片28、46从构造材料和熔融屏障分开，如图9A和图9B中所示的最终对象10。第二切片46包括下悬于第一切片46的部分48。尽管示出简单的两切片对象10，但可以使用相同的过程步骤来形成更复杂的多切片对象。
图11是图示增材制造过程120的另一示例的流程图。参照图11，例如，如上文参照图1A-图3A、图1B-图3B中所述，形成构造材料的第一层(框122)，并使第一层中的构造材料固化以形成第一切片(框124)。例如，如上文参照图4A和图4B所述，将聚结改性剂施配至第一切片上覆盖一区域，在该区域处第一切片将下悬于第二切片(框126)。例如，如上文参照图6A-图8A、图6B-图8B所述，在构造材料的第一层上形成构造材料的第二层(框128)，并使第二层中的构造材料固化以在第一切片上形成第二切片(框130)。如果使用液体聚结改性剂，则在形成构造材料的第二层之前，可以例如通过主动地加热改性剂来使改性剂干燥，如图5A和图5B中所示。在另一示例中，新形成的切片中的热量可能足以干燥液体改性剂，无需另外加热。
图12是图示具有指令52以帮助在3D对象制造期间形成下悬的处理器可读介质50的框图。处理器可读介质50是任何非瞬态有形介质，其可具体化、包含、存储或维持供处理器使用的指令。处理器可读介质包括：例如，电介质、磁介质、光学介质、电磁介质或半导体介质。适合的处理器可读介质的更具体的示例包括：硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、存储卡和存储棒，及其它便携式存储装置。
下悬指令52包括例如通过施配聚结改性剂(图11中的方框126)阻止构造材料的上层中的构造材料与构造材料的下层中形成的第一切片熔融的指令。指令52可以包括其它增材制造指令，例如，如图11中框122、124、128和130中所示的形成和固化的指令。带有指令52的处理器可读介质50可以例如在CAD计算机程序产品中、在对象模型处理器中或在用于增材制造机器的控制器中实现。阻止熔融的控制数据可以例如通过在源应用程序(通常是CAD计算机程序产品、在对象模型处理器中)上的处理器可读指令生成，或在增材制造机器上由处理器可读指令生成、。
图13是图示实现带有上悬指令52的控制器56的增材制造机器54的一个示例的框图。参照图13，机器54包括控制器56、制造床或其它适合的支撑部58、滚筒或其它适合的构造材料分层装置60、聚结剂施配器18、聚结改性剂施配器36、加热器40及光源26。在制造期间，制造中的对象结构被支撑在支撑部58上。在一些机器54中，支撑部58在控制器56的驱动下可以是可移动的，以补偿例如由于在制造期间添加构造材料层所引起的制造中的结构的厚度变化。
构造材料分层装置60将构造材料分层于支撑部58上和制造中的结构上，并且可以包括例如，用于施配构造材料的装置以及用于均匀地分布构造材料达到每一层所希望的厚度的刮刀或滚筒。例如，如上文参照图2A和图7A所述，聚结剂施配器18在控制器56的指导下将聚结剂选择性地施配至构造材料上。例如，如上文参照图4A所述，聚结改性剂施配器36在控制器56的指导下将改性剂选择性地施配至构造材料上。尽管可以使用任何适合的施配器18、36，但喷墨打印头由于其施配试剂所具有的精密度以及其施配不同类型和配方的试剂的灵活性而常用于增材制造机器中。如果需要预加热构造材料或加热改性剂，则制造机54可以包括加热器40。例如，如上文参照图3A和图8A所描述，光源26在控制器56的指导下选择性地施加光24，以使经聚结剂处理的构造材料聚结。
控制器56表示处理器(或多个处理器)、相关联的存储器(或多个存储器)和指令，以及控制机器54的操作元件所需的电子电路和部件。具体地，控制器56包括：存储器62，具有含下悬指令52的处理器可读介质50；以及处理器64，用于读取和执行指令52。例如，控制器56将从CAD程序接收控制数据和其它指令以制造包括上悬的对象并执行局部下悬指令52，作为制造对象的过程的一部分。
可替代地，例如，作为图14中所示的CAD计算机程序产品的一部分，下悬指令52可以体现在与控制器56分离的处理器可读介质50中。参照图14，增材制造系统66包括可操作地连接至CAD计算机程序产品68的增材制造机器54，CAD计算机程序产品68具有驻留在处理器可读介质50上的下悬指令52。可以在机器54与CAD程序产品68之间使用任何适合的连接以将指令和控制数据传达到机器54，包括例如有线链路、无线链路，以及便携式连接，如闪存驱动器或光盘。
光源26将光能施加至构造材料以使构造材料中已经输送或渗透聚结剂的部分聚结。在一个示例中，光源26是红外(IR)光源或近红外光源，或卤素灯。光源26可以是单一光源或是多个光源阵列。在一些示例中，光源26被配置成以大体上均一的方式同时向构造材料层的整个表面施加光能。在其它示例中，光源26被配置成仅向构造材料层的整个表面的所选区域施加能量。
构造材料可以是粉末、液体、糊浆或凝胶。构造材料的示例包括超过5℃的加工窗口(即，在熔点与再结晶温度之间的温度范围)的半结晶热塑性材料。适合构造材料可以包括聚酰胺(例如PA或尼龙11、PA或尼龙12、PA或尼龙6、PA或尼龙8、PA或尼龙9、PA或尼龙66、PA或尼龙612、PA或尼龙812、PA或尼龙912)、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，PET)、聚苯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、热塑性聚氨酯、其它工程塑料制品，及所列聚合物中任意两种或更多种的混合物。也可以使用这些材料制的核壳聚合物粒子。
构造材料可以具有约50℃至约400℃的熔点。在一些实现方式中，构造材料的熔点小于(低于)改性剂中所使用的无机盐的熔点是可取的。例如，可以使用具有熔点180℃的聚酰胺12，或者可以使用具有熔点范围从约100℃至约165℃的热塑性聚氨酯。在一个示例中，当在构造材料中使用聚合物粒子的组合时，这些粒子中的至少一种的熔点低于改性剂中无机盐的熔点。
构造材料可以由类似大小的粒子或不同大小的粒子构成。在附图中示出的示例中，构造材料包括三种不同大小的粒子。作为各构造材料粒子中的每一个例子的不同大小的一个示例，每一大小的粒子的平均值可以大于50μm，在10μm与30μm之间及小于10μm。在一个示例中，最大粒子以在70wt％至95wt％范围的量存在，中等大小粒子以0.5wt％至21wt％范围的量存在，并且最小粒子以大于0wt％、至多是21wt％的量存在。
除聚合物粒子外，构造材料可以包括充电剂(charging agent)和流动助剂。添加充电剂可以阻止摩擦带电。适合的充电剂可以包括脂肪胺(可以被乙氧基化)、脂肪酰胺、季铵盐(例如山嵛基三甲基氯化铵或椰油酰胺基丙基甜菜碱)、磷酸酯、聚乙二醇酯或多元醇。一些适合的可商购的充电剂包括：
FA 38(天然乙氧基化烷基胺)、
FE2(脂肪酸酯)以及
HS 1(磺酸烷酯)，其各自可购自Clariant Int.有限公司。在示例中，充电剂的添加量以聚合物粒子的总重量百分比计在大于0wt％至小于5wt％范围内。流动助剂通过减小摩擦、横向阻力及摩擦带电来改善构造材料的流动性，并且当构造材料粒子的大小低于25μm时是特别可取的。适合流动助剂的示例包括：磷酸三钙(E341)、粉末状纤维素(E460(ii))、硬脂酸镁(E470b)、碳酸氢钠(E500)、亚铁氰化钠(E535)、亚铁氰化钾(E536)、亚铁氰化钙(E538)、骨质磷酸盐(E542)、硅酸钠(E550)、二氧化硅(E551)、硅酸钙(E552)、三硅酸镁(E553a)、滑石粉(E553b)、铝硅酸钠(E554)、硅酸铝钾(E555)、铝硅酸钙(E556)、膨润土(E558)、硅酸铝(E559)、硬脂酸(E570)或聚二甲基硅氧烷(E900)。在一个示例中，流动助剂的添加量以粒子的总重量百分比计在大于0wt％至小于5wt％范围内。
适合的聚结剂包括：含活性辐射吸收结合剂的水基分散液。该活性剂可以是例如红外光吸收剂、近红外光吸收剂或可见光吸收剂。作为一个示例，聚结剂可以是包括碳黑作为活性材料的墨水型配制物。这种墨水型配制物的一个实例是可购自Hewlett-Packard公司的商业上已知的CM997A。包括可见光增强剂作为活性剂的墨水的示例是染料型有色墨水和颜料型有色墨水。颜料型墨水的示例包括：可商购的墨水CM993A和CE042A，可购自Hewlett-Packard公司。一些聚结剂的含水性质使聚结剂能够渗透构造材料层。对于疏水性构造材料，聚结剂中共溶剂和/或表面活性剂的存在可以帮助获得所期望的润湿性。可以施配一种或多种聚结剂以形成每一切片。
适合的聚结改性剂可以分离构造材料的个别粒子以防止粒子聚结。这种类型的改性剂的示例包括：胶状、染料型和聚合物型墨水，以及具有平均大小要小于构造材料粒子的平均大小的固体粒子。改性剂的分子质量和其表面张力可使得该试剂能够充分渗透至构造材料中以实现所期望的机械分离。在一个示例中，可以使用盐溶液作为聚结改性剂。在其它示例中，可以使用可购自Hewlett-Packard公司的在商业上已知的CM996A和CN673A的墨水作为聚结改性剂。
适合的聚结改性剂可以通过防止构造材料达到熔点来对聚结剂的作用进行修改。展现适合的冷却作用的流体可以用作这种类型的聚结改性剂。例如，当用冷却液处理构造材料时，施加至构造材料的能量可以被吸收，由此蒸发流体以帮助防止构造材料达到其熔点。因此，例如，具有高含水量的流体可以是适合的聚结改性剂。
权利要求书中使用的“一个(种)”是指一个(种)或多个(种)。
附图中所示的以及上文中描述的示例阐述但不限制专利的范围，专利的范围在所附权利要求书中限定。
Claims (12)
1.一种增材制造方法，包括：
形成构造材料的第一层；
固化所述第一层中的构造材料以形成第一切片；
将聚结改性剂作为熔融屏障施配至所述第一切片上覆盖一区域，在该区域处，所述第一切片将下悬于第二切片；
在所述第一切片上形成构造材料的第二层；
以对应于所述第二切片的图案将聚结剂施配至所述第二层中的构造材料上；以及
固化所述第二层中的所述构造材料以在所述第一切片上形成所述第二切片；
其中，所述熔融屏障通过防止聚结时产生的热传导至该区域之外而防止所述第二层中加热的构造材料熔融该区域中的所述第一切片。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述改性剂是液体改性剂，并且所述方法包括在形成构造材料的所述第二层之前，干燥所述第一切片上的改性剂。
3.如权利要求2所述的方法，其中干燥所述改性剂包括加热所述改性剂。
4.如权利要求1所述的方法，其中固化构造材料包括：以切片的图案将聚结剂施配至构造材料上，并且然后对用聚结剂图案化后的构造材料施加光能。
5.一种其中具有指令的非瞬态处理器可读介质，所述指令在被执行时使增材制造机器：
形成构造材料的第一层；
固化所述第一层中的构造材料以形成第一切片；
将聚结改性剂施配至所述第一切片上与一区域接界以形成物理屏障，从而通过防止聚结时产生的热传导至该区域之外而阻止构造材料的上层中的构造材料与所述第一切片熔融，在该区域处，形成在所述上层中的第二切片将覆盖所述第一切片；
在所述第一切片上形成构造材料的第二层；
以对应于所述第二切片的图案将聚结剂施配至所述第二层中的构造材料上；以及
固化所述第二层中的所述构造材料以在所述第一切片上形成所述第二切片。
6.如权利要求5所述的介质，其中，所述聚结改性剂是液体聚结改性剂，并且形成物理屏障的指令包括以下指令：在形成构造材料的所述上层之前使施配至所述第一切片上的改性剂干燥的指令。
7.一种计算机程序产品，包括如权利要求5所述的处理器可读介质。
8.一种增材制造机器控制器，包括如权利要求5所述的处理器可读介质。
9.一种增材制造机器，包括：
第一装置，所述第一装置用于层叠粉末状构造材料；
第二装置，所述第二装置用于将聚结剂施配至构造材料上；
第三装置，所述第三装置用于将聚结改性剂施配至构造材料上；
光源，所述光源用于对构造材料施加光能；以及
控制器，所述控制器用于执行指令，以：
使所述第一装置层叠第一层中的构造材料；
使所述第二装置以第一切片的第一图案将聚结剂施配至所述第一层中的构造材料上；
使所述光源对已经施配聚结剂的所述第一层中的构造材料施加光能，以形成所述第一切片；
使所述第三装置将聚结改性剂作为熔融屏障施配至所述第一切片上与一区域接界，在该区域处，第二切片将覆盖所述第一切片；
使所述第一装置在所述第一层上方层叠第二层中的构造材料；
使所述第二装置以第二切片的第二图案将聚结剂施配至所述第二层中的构造材料上；以及
使所述光源对已经施配聚结剂的所述第二层中的构造材料施加光能，以在所述第一切片上形成所述第二切片；
其中，所述熔融屏障通过防止聚结时产生的热传导至该区域之外而防止所述第二层中加热的构造材料熔融所述第一切片。
10.如权利要求9所述的机器，其中所述改性剂是液体改性剂，并且所述控制器执行用于在形成构造材料的所述第二层之前干燥所述第一切片上的改性剂的指令。
11.如权利要求10所述的机器，其中干燥所述改性剂的指令包括加热所述改性剂的指令。
12.如权利要求9所述的机器，其中使所述第三装置将聚结改性剂施配至所述第一切片上的指令驻留在所述控制器上。
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