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TWI609792B - 產生三維物件之技術（一） - Google Patents

產生三維物件之技術（一） Download PDF

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TWI609792B
TWI609792B TW104101338A TW104101338A TWI609792B TW I609792 B TWI609792 B TW I609792B TW 104101338 A TW104101338 A TW 104101338A TW 104101338 A TW104101338 A TW 104101338A TW I609792 B TWI609792 B TW I609792B
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亞雷賈德洛Ｍ 迪盼納
Alejandro Manuel De Pena
伊斯提夫 寇瑪斯西斯佩德斯
Esteve COMAS CESPEDES
路易斯 巴德斯
Luis BALDEZ
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惠普發展公司有限責任合夥企業
Hewlett-Packard Development Company, L. P.
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Abstract

根據一方面，本發明提供用於產生一三維物件的裝置。該裝置包括一第一化劑分配器以選擇性地遞送一聚結劑至一建構材料層各部分之上，一第二化劑分配器以選擇性遞送一聚結改性劑至一建構材料層各部分之上，以及一控制器以控制該等化劑分配器選擇性地以個別的圖案把該等化劑的每一個遞送至一建構材料層之上，該等圖案係衍生自代表將被產生之一三維物件之一切片的資料，使得當能量被施加到該層時，該建構材料會聚結並固化以依照該等圖案形成該三維物件的一切片。

Description

產生三維物件之技術(一)
本發明係有關於產生三維物件之技術(一)。
發明背景
基於一種逐層堆疊的方式來產生三維物件之積層製造系統已被提出作為一種可產生少量三維物件之潛在的便利方法。
由如此系統所產生物件的品質可能會有很大的差異，取決於所使用的積層製造技術類型。一般而言，低品質和低強度的物件可使用較低成本的系統來產生，而高品質和高強度的物件可使用較高成本的系統來產生。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用於產生一三維物件的裝置，其包含有：一第一化劑分配器，以選擇性地遞送一聚結劑至一建構材料層的各部分之上；一第二化劑分配器，以選擇性遞送一聚結改性劑至一建構材料層的各部分上；以及一控制器，以控制該等化劑分配器選擇性地以個別的圖案把該等化劑的每一個遞送至一建構材料層之上，該等圖案係衍生自代表將被產生之一三維物件之一切片的資料，使得當能量被施加到該層時，該建構 材料會聚結並固化以依照該等圖案形成該三維物件的一切片。
100‧‧‧物件模型
102‧‧‧第一部分
104‧‧‧第二部分
202a‧‧‧建構材料層
202b‧‧‧建構材料的一新層
204‧‧‧聚結劑
206‧‧‧聚結改性劑
208a‧‧‧部分
210‧‧‧部分
302~306‧‧‧方塊
400‧‧‧系統
402‧‧‧控制器
404‧‧‧記憶體
406‧‧‧指令
408、408a、408b‧‧‧聚結劑分配器
410、410a、410b‧‧‧聚結改性劑分配器
414‧‧‧支撐構件
416‧‧‧化劑遞送控制資料
410、410a、410b‧‧‧聚結改性劑 分配器
414‧‧‧支撐構件
416‧‧‧化劑遞送控制資料
418、418a、418b‧‧‧建構材料分配器
420‧‧‧能量源
502~508‧‧‧方塊
參考該等附圖實例現在將被描述，但僅藉由非限制性實例的方式，其中：圖1根據一實例係一物件模型的圖示，其具有定義的物件屬性；圖2a-2g根據一實例圖示出一系列之一層或數層構建材料的橫截面；圖3根據一實例係一流程圖，其概述了一種產生一三維物件的方法；圖4根據一實例係一積層製造系統之一簡化的無透視三維圖；圖5根據一實例係一流程圖，其概述了操作一積層製造系統的一種方法；圖6a-6b根據各種實例展示出一積層製造系統之部分配置的一系列簡化的無透視三維圖。
較佳實施例之詳細說明
積層製造技術可以透過一建構材料的該固化過程來產生一三維物件。該建構材料可以是基於粉末的，而所產生物件的該等性質取決於該建構材料類型和該所使用固化機制的類型。
積層製造系統可基於結構化的設計資料來產生 物件。這可能涉及一設計師要為一將被產生之物件產生一三維模型，例如使用電腦輔助設計(CAD)應用程式。該模型可以定義該物件的實心部分。為了要使用一積層製造系統從該模型產生一三維物件，該模型資料可以被處理來產生該模型的平行平面切片。每一個切片可定義建構材料之一各別層的一部分，其將被該積層製造系統來固化。從一三維模型所產生的切片數係涉及該積層製造系統能夠產生或處理之每一層的厚度。產生出較薄建構材料層的積層製造系統會比產生出較厚建構材料層的系統可產生出一較高分辨率的物件。產生一三維物件的所花的時間會高度相依於該等層的數量。
在一些物件屬性中的變異，諸如物件剛性，舉例來說，可以透過精心設計該要被產生三維物件的模型來獲得。舉例來說，把特定的設計特徵，諸如結構肋拱，引入到一物件模型中會致使一物件，或一物件的一部分，的該剛性可被增大，相對於不具此一功能的一物件，或一物件的一部分。
然而，許多物件屬性會取決於該所用建構材料的性質以及建構材料以其被固化以形成一所需三維物件的該工序。如此性質可以包括，舉例來說，表面粗糙度、準確度、以及強度。
正如將從以下的描述變得顯而易見的，本文中所描述之該系統可以讓要被產生的三維物件可在一單一產生的物件之內具有可控制變化的，或不同的，物件屬性。這 可讓一物件具有，舉例來說，一個或多個可變的屬性，其可以包括：可變精確度屬性；可變表面粗糙度屬性；以及可變強度或其他機械或物理屬性。舉例來說，一產生的物件可以包括具有一第一級表面粗糙度的一部分，並具有一第二級表面粗糙度的一第二部分。
然而，應被注意的是，在此所描述的系統並不侷限於產生具有可變物件屬性的三維物件，其也可讓要被產生的三維物件具有本質上均一或均質的物件屬性。
可變物件屬性
使用定義了一將被產生三維物件的資料以及定義了一個或多個物件屬性的物件屬性資料，具有可變物件屬性的物件可被產生。物件屬性資料可以是，舉例來說，定義一物件的一部分以及一旦該物件被產生時該定義的部分將會具有之一期望的物件屬性。物件屬性資料可以，舉例來說，針對一將被產生物件的全體，或針對一將被產生物件的一個或多個部分，來定義。該物件屬性資料也可以被使用來為一物件的一個或多個部分定義多個物件屬性。
在一實例中，物件屬性資料可在一物件模型100內進行定義，如在圖1中所示。如在圖1中所示，一將被產生的物件100被圖示出。該物件100具有被定義為具有第一物件屬性的一第一部分102，並且具有被定義為具有第二物件屬性的一第二部分104。
在其他的實例中，物件屬性資料可被定義成針對 物件的整體範圍。舉例來說，一物件可被定義為具有一預定的表面粗糙度。在一如此的實例中，整體物件屬性資料可在物件設計資料中被指定。在另一實例中，整體物件屬性資料可以由一使用者來指定，舉例來說，透過一積層製造系統的一使用者介面、透過一軟件驅動程式、從一儲存有預設或預定物件屬性資料的記憶體、或以任何其他合適的方式。
雖然本文的說明描述了三個主要的可變物件屬性，但在其他的實例中其他合適的物件屬性亦可被定義。其他的物件屬性可以包括，舉例來說，物件孔隙度屬性、層間強度屬性、物件彈性屬性、密度、等等，並且可以取決於被使用來產生一物件之該建構材料或化劑的類型。
程序概述
根據一實例，產生一有形三維物件的一程序現在將參照圖2a-2g和圖3來進行描述。圖2a-2g根據一實例圖示出一系列之一層或數層構建材料的橫截面。圖3根據一實例係一流程圖，其概述了一種產生一三維物件的方法。
在圖3的方法中，在302建構材料的一第一層202a可被提供，如在圖2a中所示。建構材料的該第一層被設置在一適當的支撐構件上(圖中未示出)。在一實例中，建構材料該層厚度約在90至110微米的範圍內，雖然在其他的實例中建構材料之較薄的層或較厚的層可被提供。使用較薄的層可以產生較高分辨率的物件，但會增加產生一物件所需 要的時間。
在圖3的方法中，在304，一聚結劑204和一聚結改性劑206被選擇性地遞送至建構材料的該層202a表面上的一個或多個部分。選擇性遞送該等化劑204和206的執行係根據衍生自將被產生之一三維物件模型的資料。
選擇性遞送係指聚結劑和聚結改性劑兩者可在各自獨立的圖案中被遞送至該建構材料表面層被選定的部分。該圖案係透過衍生自將被產生之一三維物件模型的資料來定義的。在一些實例中，聚結劑204可根據一第一圖案被選擇性地遞送至建構材料的一部分，而根據一第二圖案聚結改性劑206可被選擇性地遞送至建構材料的一部分。在一實例中，該等圖案定義一點陣圖。
一物件之任何部分的該等物件屬性可取決於使用其把聚結劑和聚結改性劑遞送至建構材料的該等圖案來作控制變化。
在一實例中，該聚結劑204和聚結改性劑206係可使用任何適當之流體遞送機制進行遞送的流體，這將在下面做更詳細地描述。在一實例中，該等化劑係以液滴的形式做遞送。然而，應當被指出的是，圖2a至2g係以示意性的形式展示出的該等化劑的遞送。
圖2b展示出被遞送至該建構材料表面的該等化劑204和206滲透到建構材料的該層202a中。在該等兩個不同的化劑之間，該等化劑滲透的程度可以不同，或者基本上可以相同。該滲透的程度可以取決於，舉例來說，該遞 送化劑的量、該建構材料的本質、該化劑的本質，等等。在圖2a-2g中所示的該等實例中，基本上該化劑被圖示成完全滲透過建構材料的該層202a，但將可被理解的是，這純粹是為了說明的目的，並不以旨在限制。在其他的實例中，該等化劑的一個或兩個滲透過該層202a的比率可以小於100%。在一些實例中，該等化劑的一個或兩個可完全滲透過建構材料的該層202a。在一些實例中，該等化劑的一個或兩個可完全滲透過建構材料的該層202a，並且還可以滲透到建構材料的一底層。
在圖3的該方法中，在306，一旦聚結劑和聚結改性劑已被遞送，一預定的能量水平會被暫時地施加至建構材料的該層202a。在一實例中，該施加的能量是紅外線或近紅外線能量，儘管在其他的實例中其他類型的能量亦可被施加，諸如微波能量、紫外(UV)光、鹵素光、超聲波能量、或類似物。該能量被施加的時間長短，即能量的曝光時間，可以取決於，舉例來說，以下所述的一個或多個：該能量源的特徵；該建構材料的特徵；該聚結劑的特徵；以及該聚結改性劑的特徵。該使用能量源的類型可取決於以下所述的一個或多個：該建構材料的特徵；該聚結劑的特徵；以及該聚結改性劑的特徵。在一實例中，該系統400被配置成以一預定的時間長度來施加能量。
臨時施加該能量會致使該建構材料在其上聚結劑已被遞送或已經滲透的部分升溫超過該建構材料的熔點並進行聚結。在冷卻時，已聚結的該等部分變成為固體並 形成該正被產生之三維物件的部分。一如此的部分被圖示成在圖2c中的部分208a。
由在其上聚結劑已被遞送或已經滲透的建構材料所吸收的能量也可能會傳播到周圍的建構材料並且可能足以引起周圍建構材料的升溫。這可能會導致，舉例來說，把建構材料加熱到其熔點之上，或可能會導致，舉例來說，建構材料的加熱雖還在其熔點之下，但已達到一適於引起建構材料軟化和粘合的溫度。這可能會導致繼續固化該建構材料並不打算要被固化的部分，並且這種效應在本文中被稱為聚結逸出。聚結逸出可能會導致，舉例來說，在產生的三維物件中其整體精確度的降低。
聚結逸出的該等影響可透過把聚結改性劑遞送至建構材料的適當部分上來進行管理。在本呈現的實例中，該聚結改性劑的作用是降低建構材料在其上該聚結改性劑已被遞送或已滲透之一部分的該聚結程度。
該產生三維物件的品質可能取決於當一物件被產生時所處的環境條件。舉例來說，建構材料的該溫度可以，在某些情況下，被小心地控制或管理。同樣地，其他的環境條件，諸如環境溫度、濕度、等等，也可以在某些情況下被小心地控制或管理。
該聚結改性劑可被使用於多種目的。在一實例中，如在圖2中所示，聚結改性劑206可被遞送至聚結劑204被遞送處的鄰近處，如在圖2a中所示，以有助於減少橫向聚結逸出的該等影響。這可被用來，舉例來說，提高物件 邊緣或表面的解晰度或準確度，和/或降低表面粗糙度。在另一實例中，聚結改性劑可被遞送成穿插在聚結劑之間(如將在下面做進一步的描述)，其可以被使用來修改物件屬性，如前文所提到的。
該提供的能量、該建構材料、以及該聚結與聚結改性劑的組合可被選擇來排除任何聚結逸出的該等影響：i)當能量被暫時地施加到該建構材料在其上聚結劑沒被遞送的部分時，該部分不會聚結；ii)當能量被暫時地施加到該建構材料在其上聚結劑已被遞送或已滲透的部分時，該部分會聚結；以及iii)當能量被暫時地施加到該建構材料在其上只有聚結改性劑已被遞送或已滲透的部分時，該部分不會聚結。
該建構材料在其上聚結劑和聚結改性劑都已被遞送或已滲透的部分可能會經歷一種修正程度的聚結。該修正的程度可取決於，舉例來說，以下的任何一個或多個：在建構材料的任何部分上該聚結劑和該聚結改性劑的該等比例；用來把聚結劑遞送至建構材料的該圖案；用來把聚結改性劑遞送至建構材料的該圖案；該聚結劑的該等化學屬性；該聚結改性劑的該等化學屬性；該建構材料的該等化學屬性；在該建構材料和該等化劑之間的該化學相互作用；以及 當能量被施加時，在該建構材料和化劑之間的該等化學相互作用。
在一些實例中，該修正的程度可取決於用來把聚結劑和聚結改性劑遞送至該建構材料的順序。在一些實例中，該修正的程度可取決於用來把聚結劑和聚結改性劑遞送至建構材料的時序。
在一建構材料層已經如以上所述的被處理之後，建構材料的一新層202b會被提供在該先前處理過的建構材料層202a之上，如在圖2d中所示。這被圖示於圖3的方塊302中。以這種方式，該先前處理過的建構材料層會充當一隨後建構材料層的支撐體。
圖3方塊304和306的程序然後可被重複，以逐層堆疊的方式來產生一三維物件。舉例來說，圖2e圖示出另外的聚結劑和聚結改性劑正被選擇性地傳遞至該新提供的建構材料層，根據圖3的方塊304。舉例來說，圖2f圖示出該等化劑進入到該建構材料202b的滲透。舉例來說，圖2g圖示出在該能量施加時建構材料202b部分和在構建材料周圍之建構材料的聚結和固化，其中聚結劑已被遞送或已滲透，根據圖3的方塊306。
在該能量施加的過程中，由建構材料在其上聚結劑已被遞送或已經滲透的一部分所吸收的熱可能會傳播到一先前固化的部分，諸如部分208a，會導致該部分的一部分加熱到高於它的熔點。這種效應有助於產生一部分210，其在固化建構材料的相鄰層之間具有強的層間粘合，如圖 2g所示。
如以上所述，藉由調整用來把聚結劑和聚結改性劑遞送至被使用來產生物件之建構材料該等層的方式，產生一具有可控制變化屬性的三維物件是有可能的。
用來把聚結劑和聚結改性劑遞送至被使用來產生物件之建構材料該等層的該特殊方式可致使該物件可具有不同的物件屬性。
系統概述
現在參考圖4，其根據本發明的一實例展示了一積層製造系統400之一簡化的無透視三維圖。
該系統400可以被操作，如參照圖5的流程圖在下文中會做進一步描述的，可藉由一建構材料的連續層其各部分的選擇性固化來產生一有形的三維物件。
在一實例中，該建構材料是一種基於粉末的建構材料。如本文所使用的，術語基於粉末的材料旨在包括乾燥和潮濕兩種基於粉末的材料、顆粒狀材料、和微粒狀材料。
然而，應當被理解的是，這裡所描述的實例並不侷限於基於粉末的材料，並且可以與其他合適的建構材料修改後配合使用，如果合適的話。在其他實例中，該建構材料可以是一膏狀物或一凝膠，或任何其他合適形式的建構材料，舉例來說。
系統配置實例
該系統400包括一系統控制器402，其控制該積層製造系統400的一般操作。在圖4中所示的實例中，該控制器402係一基於微處理器的控制器，其被耦合到一記憶體404，舉例來說透過一通信匯流排(圖中未示出)。該記憶體儲存有處理器可執行的指令406。該控制器402可以執行該等指令406，從而根據那些指令來控制該系統400的操作。
該系統400更包含有一聚結劑分配器408，以選擇性地遞送聚結劑至被提供在一支撐構件414上的一建構材料層。在一實例中，該支撐構件所具有尺寸的範圍約從10厘米乘10厘米到100厘米乘100厘米。在其他的實例中，該支撐構件可具有更大或更小的尺寸。
該系統400還包括一聚結改性劑分配器410，以選擇性地遞送聚結改性劑至被提供在一支撐構件414上的一建構材料層。
該控制器402根據化劑遞送控制資料416控制把聚結劑和聚結改性劑遞送至所提供之一建構材料層的該選擇性遞送。
在圖4中所示的實例中，該等化劑分配器408和410係列印頭，諸如熱列印頭或壓電噴墨列印頭。在一實例中，諸如通常被使用在市售噴墨印表機中之合適的列印頭可被使用。
該等列印頭408和410可被用於選擇性地遞送聚結劑和聚結改性劑當其具有該合適的液體形式時。在一實 例中，該等列印頭可以被選擇以300到1200每英寸點數(DPI)之間的分辨率來遞送劑滴。在其他的實例中，該等列印頭可被選擇以一種較高或較低的分辨率來遞送劑滴。在一實例中，該等列印頭可以具有一噴嘴陣列，透過其該等列印頭能夠選擇性地噴射出流體滴。在一實例中，每一個液滴約為每滴10微微升(pl)的等級，儘管在其他的實例中能夠遞送一更大或更小液滴的列印頭亦可被使用。在一些實例中，能夠遞送可變大小液滴的列印頭亦可被使用。
在一些實例中，該化劑分配器408可被配置成遞送聚結劑的液滴會比從該化劑分配器410所遞送的聚結改性劑的液滴要大。
在其他的實例中，該化劑分配器408可被配置成遞送聚結劑的液滴會和從該化劑分配器410所遞送的聚結改性劑的液滴一樣大。
在其他的實例中，該化劑分配器408可被配置成遞送聚結劑的液滴會比從該化劑分配器410所遞送的聚結改性劑的液滴要小。
在一些實例中，該等第一和第二化劑可以包括一液體載體，諸如水或任何其他合適的溶劑或分散劑，以使它們能夠經由一列印頭被遞送。
在一些實例中，該等列印頭可以是隨選液滴列印頭。在其他的實例中，該等列印頭可以是連續液滴列印頭。
在一些實施例中，該等化劑分配器408和410可以是該系統400的一個整合部分。在一些實施例中，該等化劑 分配器408和410可以是使用者可替換的，在這種情況下，它們可以是可移除式地插入到一合適的化劑分配器接收器或介面模組(圖中未示出)。
在一些實例中，一單一噴墨列印頭可被使用來選擇性地同時遞送聚結劑和聚結改性劑。舉例來說，該列印頭的一第一組列印頭噴嘴可被配置成遞送聚結劑，而該列印頭的一第二組列印頭噴嘴可被配置成遞送聚結改性劑。
在圖4所示的該實例中，該等化劑分配器408和410有一長度其使得它們能夠以一種所謂的頁寬陣列配置跨越該支撐構件414的整個寬度。在一實例中，這可透過多個列印頭的一種適當的佈置來被實現。在其他的實例中，一具有一噴嘴陣列的單一列印頭可被使用，該噴嘴陣列具有一長度使得它們能夠跨越該支撐構件414的寬度。在其他的實例中，該等化劑分配器408和410可以具有一較短的長度，其無法使它們能夠跨越該支撐構件414的整個寬度。
該等化劑分配器408和410被安裝在一可移動的滑架上(圖中未示出)，以使它們可以沿著該圖示出的y軸雙向地移動過該支撐體414的長度。這使得能夠以一次單一遍歷就可橫跨該支撐414的整個寬度和長度選擇性地遞送聚結劑和聚結改性劑。在其他的實例中，該等化劑分配器408和410可以是固定的，並且相對於等化劑分配器408和410該支撐構件414係可移動的。
應當被注意的是，本文所使用的該術語「寬度」係一般用來表示在平行於圖4中所示之x和y軸的平面中的 最短尺寸，而本文所使用的該術語「長度」係一般用來表示在該平面中的該最長尺寸。然而，將被理解的是，在其他的實例中，該等術語「寬度」和「長度」係可互換使用。舉例來說，在其他的實例中，該等化劑分配器可具有一長度，其致使它們能夠跨越該支撐構件414的整個長度，而該可移動滑架可雙向地移動橫跨該支撐體414的寬度。
在另一實例中，該等化劑分配器408和410並不具有一可使它們能夠跨越該支撐構件整個寬度的長度，但另外地能在該圖示的x軸中雙向地移動橫跨該支撐體414的寬度。該配置使用多次遍歷來致使聚結劑和聚結改性劑的選擇性遞送可橫跨該支撐體414的整個寬度和長度。然而，其他的配置，諸如一頁寬陣列配置，可致使三維物件可更快地被產生。
該聚結劑分配器408可以包括一聚結劑的供給，或者可連接到一分離的聚結劑供給。該聚結改性劑分配器410可以包括一聚結改性劑的供給，或者可連接到一分離的聚結改性劑供給。
該系統400更包含有一建構材料分配器418，以在該支撐體414上提供該建構材料層202。合適的建構材料分配器可包括，舉例來說，一刮片和一軋輥。建構材料可以從一料斗或建構材料儲存區(圖中未示出)被供給該建構材料分配器418。在該所示的實例中，該建構材料分配器418移動橫跨過該支撐體414的長度(y軸)以沉積出一建構材料層。如先前所描述的，建構材料第一層將被沉積在該支撐 體414之上，而後續的建構材料層將沉積在一先前沉積的建構材料層之上。
在該所示的實例中，該支撐體414可在該z軸方向移動，使得當新的建構材料層被沉積時，會在最近一次沉積的建構材料層和該等化劑分配器408和410的下表面之間保持一預定的間隙。然而，在其他的實例中，該支撐體414可能無法在該z軸方向移動而該等化劑分配器408和410可在該z軸方向移動。
該系統400還包括一能量源420以施加能量給建構材料以致使該建構材料會根據聚結劑已被遞送或已經滲透所在的部分進行固化。在一實例中，該能量源420係一紅外線(IR)或近紅外線光源。在一實例中，該能量源420可以是一單一能量源，其能夠均勻地施加能量至沉積在該支撐體414上的建構材料。在一些實例中，該能量源420可以包括一能量源陣列。
在一些實例中，該能量源420被配置成本質上係以一均勻的方式施加能量至一建構材料層的該整個表面上。在這些實施例中，該能量源420可被稱為是一未聚焦的能量源。在這些實施例中，一整個層可以具有同時施加於其的能量，這可有助於增加一三維物件被產生的速度。
在其他的實例中，該能量源420被配置成本質上係以一均勻的方式施加能量至一建構材料層其整個表面的一部分上。舉例來說，該能量源420可被配置以將能量施加至一建構材料層其整個表面的一條帶上。在這些實施例 中，該能量源可被移動或掃描過該建構材料層，使得一本質上相同量的能量最終會被施加至一建構材料層其整個表面上。
在一實例中，該能量源420可被安裝在一可移動的滑架上。
在其他的實例中，隨著該能量源橫越過該建構材料層時，它可施加一可變量的能量，舉例來說，根據化劑遞送控制資料。舉例來說，該控制器402可以控制該能量源僅把能量施加到建構材料已在其上施加有聚結劑的部分。
在進一步的實例中，該能量源420可以是一聚焦的能量源，諸如一雷射光束。在這實例中，該雷射光束可以被控制來在一建構材料層的一整個或一部分上進行掃描。在這些實例中，該雷射光束可根據化劑遞送控制資料被控制來掃描過一建構材料層。舉例來說，該雷射光束可被控制以將能量施加到一層在其上聚結劑已被遞送至的那些部分。
雖然在圖4中未被示出，但在一些實例中，該系統400可以另外包括一預加熱器，以把被沉積在支撐體414上的建構材料保持在一預定的溫度範圍內。針對該能量源420所施加以致使在其上聚結劑已被遞送或已滲透之建構材料進行聚結和隨後固化的能量而言，一預加熱器的使用有助於減少該施加能量的量。
在一些實例中，該支撐體414可能不是該系統400的一固定部分，但也可以，舉例來說，是一可移動模組的 一部分。在一些實例中，該支撐體414和該建構材料分配器兩者未必是該系統400的一固定部分，但也可以，舉例來說，是一可移動模組的一部分。在其他的實例中，該系統400的其他元件可以是一可移動模組的一部分。
系統操作
為了產生一三維物件，該控制器402獲取化劑遞送控制資料416。這被圖示於圖5的方塊502中。該化劑遞送控制資料416為將被產生之三維物件的每一個切片定義了在該建構材料上的該等部分或位置，如果有的話，聚結劑和聚結改性劑的至少一個將被遞送至其處。
該化劑遞送控制資料可被產生出，舉例來說，透過一合適的三維物件處理系統(圖中未示出)。在一些實例中，該三維物件處理系統可被包含在該積層製造系統400中。舉例來說，該記憶體404可另外包括指令406，當由該控制器402來執行時，可致使該控制器402操作如同一在此所述的三維物件處理系統。
在其他的實例中，該三維物件處理系統可以是外部於該積層製造系統400。舉例來說，該三維物件處理系統可以是一軟體應用程式，或者一軟體應用程式的部分，可在一獨立於該系統400的計算裝置上執行。
舉例來說，如此一物件處理系統可取得代表一將被產生之三維模型的物件設計資料。該物件處理系統可另外地獲得物件屬性資料。
如之前所述，物件屬性資料可以從該物件設計資料被取得，或者可以從以下管道被取得，舉例來說，從一使用者經由一使用者介面、從一軟體驅動程式，從一軟體應用程式，或者可以從一儲存有預設或使用者定義的整體物件屬性資料的記憶體中被取得。
在一些實例中，該物件處理系統可取得與該積層製造系統400的特徵有關的資料。這種特徵可以包括，舉例來說，建構材料層的厚度、該聚結劑的屬性、該聚結改性劑的屬性、該建構材料的屬性、以及該能量源的屬性。
使用如此的特徵、物件設計資料、以及物件屬性資料，該物件處理系統可產生化劑遞送控制資料416，其為將被處理的建構材料的每一層描述在建構材料上的位置或部分，聚結劑和聚結改性劑的至少一個將被遞送至其上。在一實例中，聚結劑和聚結改性劑將被遞送至其之建構材料的該等位置或部分係以各別圖案的方式來被定義。
在一些實例中，該物件的處理系統可確定聚結劑和聚結改性劑將被遞送至建構材料的一種順序。
在一些實例中，該物件處理系統可確定聚結劑和聚結改性劑將被遞送至建構材料的一種順序和對應的時序資料。在一些實例中，該時序資料可定義一時間延遲來在聚結劑和聚結改性劑的遞送之間遵守。
在一些實例中，該物件處理系統可另外地產生的量資料，其指出將被遞送至該建構材料之每個位置或部分處的一聚結劑量和一聚結改性劑量。
取決於以上所述的該等特徵，聚結劑和聚結改性劑將被遞送的該密度是可被變化的。舉例來說，當建構材料在其上聚結劑已被遞送或已滲透的一部分接收到施加的能量時，由這些部分所吸收的能量會傳播到其他的周圍區域。在一實例中，該聚結劑的該等屬性和聚結劑被遞送的量可被選擇使得能量輻射在一約為1.5倍該層厚度之範圍的球體中。這不僅有助於確保有足夠的層間粘合，並且還確保在建構材料之橫向相鄰部分之間有足夠的粘合。
以這種方式，該物件處理系統可以，舉例來說，確定在聚結劑的相鄰液滴之間的該橫向間距可被增大，同時仍確保有足夠的物件強度。這樣做減少了聚結劑會被遞送至一層建構材料的該平均密度，並因此降低了聚結劑的消耗，但不影響該物件強度。
在一些實例中，該化劑遞送控制資料可以定義，為建構材料的任何部分，聚結劑將在聚結改性劑之前被遞送。在其他的實例中，該化劑遞送控制資料可以定義，為建構材料的任何部分，聚結劑將在聚結改性劑之後被遞送。
根據該化劑遞送控制資料416來控制該系統400的操作可使得將被產生的三維物件可具有可控制變化的物件屬性，如以上所述。
在方塊504，該控制器402控制該建構材料分配器418以在該支撐體414上提供建構材料的一第一層。在一些實例中，由該建構材料分配器418所提供的該建構材料層厚度可以是固定的。在其他的實例中，由該建構材料分配器 418所提供的該建構材料層厚度是可修改的，舉例來說，在該控制器402的控制下。為了要控制建構材料的該遞送，該控制器402會致使在其上被安裝有該建構材料分配器418的滑架以該y軸方向移動跨越該支撐體414的長度，舉例來說，如在圖4中所示的以一由右向左的方向移動。
在一些實例中，該控制器402控制該建構材料分配器418先提供建構材料的一完整層才控制該等聚結劑和聚結改性劑分配器408和410以選擇性地遞送聚結劑和聚結改性劑至該建構材料層。在這些實施例中，聚結劑和聚結改性劑的遞送會發生在當該等聚結劑和聚結改性劑分配器正如在圖4中所示沿著該y軸由左向右移動時。
在其他的實例中，該控制器402控制該等聚結劑和聚結改性劑分配器408和410以選擇性地遞送聚結劑和聚結改性劑給建構材料同時該建構材料分配器418正在提供該建構材料層。換句話說，當該建構材料分配器418正在提供建構材料以形成建構材料的一新層時，該等聚結劑和聚結改性劑分配器408和410可遞送聚結劑和聚結改性劑至該構建材料層，該層剛剛已由該建構材料分配器418所提供。在所示的配置中，該等聚結劑和聚結改性劑分配器和該建構材料分配器418返回到該支撐體414的右邊以提供建構材料的一新層，同時遞送聚結劑和聚結改性劑。
提升速度和效率是可以實現的，舉例來說，透過加入額外的化劑分配器到該滑架上，如在圖6a中所示。在圖6a中，一配置圖示出具有一對聚結劑分配器408a和 408b，其被安置在一建構材料分配器418的兩側，和一對聚結改性劑分配器410a和410b，其被安置在一建構材料分配器418的兩側。這種配置允許一建構材料層將被沉積，而聚結劑和聚結改性劑將被遞送至該沉積的層，同時該滑架正沿著該y軸的兩個方向移動，從而能夠雙向的操作。
根據一進一步的實例，圖6b圖示出另一配置。在圖6b中，一配置圖示出具有一對建構材料分配器418a和418b，其被安置在聚結劑分配器408和聚結改性劑分配器410的兩側。再次的，這配置允許一層建構材料將被沉積，而聚結劑和聚結改性劑將被遞送至該沉積的層，同時該滑架正沿著該y軸的兩個方向移動，從而能夠雙向的操作。
相比於在圖4中所示的該配置，如此的配置可致使速度提升，所付出的代價為建構材料分配器或化劑分配器其中之一的複製。
在一進一步的實例中，該建構材料分配器418可以與該等化劑分配器408和410去耦合。舉例來說，該建構材料分配器418可以位於一個別的滑架上，與在其上該等化劑分配器408和410被安裝的那些分開。在另一實例中，該建構材料分配器418可以與該等化劑分配器408和410位於同一滑架上但被隔開一短距離。
另外的配置
儘管本文所描述的實例係指使用一單一聚結劑和一單一聚結改性劑，但是在其他的實例中，也可使用多 個聚結劑。在其他的實例中，也可使用多個聚結改性劑。
舉例來說，在一些實例中，一第一聚結劑係可從一第一聚結劑分配器選擇性地遞送，一第二聚結劑係可從一第二聚結劑分配器選擇性地遞送。該第一聚結劑可與該第二聚結劑有不同的化學屬性和/或有不同的濃度。
舉例來說，在一些實例中，一第一聚結改性劑係可從一第一聚結改性劑分配器選擇性地遞送，一第二聚結改性劑係可從一第二聚結改性劑分配器選擇性地遞送。
在一些實施例中，該第一聚結改性劑可與該第二聚結改性劑有不同的化學屬性。在一些實例中，該第一聚結改性劑可與該第二聚結改性劑有不同的濃度。在一些實例中，該第一聚結改性劑可與該第二聚結改性劑同時有不同的化學性質和不同的濃度。
舉例來說，一第一聚結改性劑可透過一第一因子來修改聚結，而一第二聚結改性劑可透過一第二因子來修改聚結。在一些實例中，兩個聚結改性劑均可把該聚結程度降低不同的量。在一實例中，一聚結改性劑可以降低該聚結程度，而一聚結改性劑可以增加該聚結程度。在一實例中，兩個聚結改性劑均可以增加該聚結程度。
在進一步的實例中，除了一聚結劑和一聚結改性劑之外，更多的化劑可以被使用。
舉例來說，在一些實例中，一附加的化劑分配器可以被提供以選擇性地遞送一包含著色劑的化劑至一建構材料層，著色劑諸如彩色顏料或染料。
在進一步的實例中，一附加的化劑分配器可被提供以選擇性地遞送一包含一功能性化劑的化劑以把一預定功能添加到一產生的三維物件中。舉例來說，如此的化劑可以包括導電元件，使一產生的三維物件的一部分可呈現出導電性。
在其他的實例中，一聚結劑可包括合適的著色劑，以使一三維物件的部分可具有一預定的顏色。
如之前所述，該建構材料每一層可被處理的速度會對一三維物件可被產生的速度有影響。列印頭的使用，舉例來說，可致使聚結劑和聚結改性劑的小液滴能以高精確度並以高速度被遞送至一建構材料層。
在其他的實例中，聚結劑和聚結改性劑可以透過噴嘴而不是透過列印頭來被遞送。舉例來說，比起使用噴墨列印頭所可以實現的，這可以用一較低的精確度來產生大的物件，但所花的時間較短。這可能是特別有利的，舉例來說，當加工大型建構材料層時，舉例來說大於200厘米乘100厘米的建構材料層。
材料的說明
為了要使該等方法和系統可製造出一如本文所描述之三維物件並可如所述的運作，該建構材料、聚結劑、以及聚結改性劑的該等屬性需要被慎重地挑選。
合適材料的實例會在以下被提出。
建構材料
根據一實例，一合適的建構材料可以是一種粉末狀半結晶熱塑性材料。一種合適的材料可以是Nylon 12，其可購自，舉例來說，Sigma-Aldrich Co.LLC。另一種合適的材料可以是PA2200，其可購自Electro Optical Systems EOS GmbH。
在其他的實例中，任何其他合適的建構材料也可被使用。如此材料可以包括，舉例來說，粉狀金屬材料、粉狀複合材料、粉狀陶瓷材料、粉狀玻璃材料、粉狀樹脂材料、粉狀聚合物材料、等等。
聚結劑
根據一非限制性的實例，一合適的聚結劑可以是一種墨水型態配方，其包含炭黑，諸如，舉例來說，在市場上被稱為是CM997A的墨水配方，可購自Hewlett-Packard公司。在一實例中，如此一墨水可額外地包含一種紅外光吸收劑。在一實例中，如此一墨水可額外地包含一種近紅外光吸收劑。在一實例中，如此一墨水可額外地包含一可見光吸收劑。包含可見光增強劑之墨水的實例為基於染料的彩色墨水和基於顏料的彩色墨水，諸如在市場上被稱為是CE039A和CE042A的墨水，可購自Hewlett-Packard公司。
聚結改性劑
如以上所述，一聚結改性劑的作用是修改一聚結 劑的效果。已被證明的是，不同的物理和/或化學作用可被使用來修改一聚結劑的該等效果。
舉例來說，並且不受限於任何的理論，在一實例中，一聚結改性劑可用來在一建構材料的個別顆粒之間產生一機械式分離，舉例來說，以防止這些顆粒連接在一起從而防止它們固化以形成一產生三維物件的一部分。一實例聚結改性劑可以包括一包含固形物的液體。如此一化劑可以是，舉例來說，一膠態墨水、一基於染料的墨水、或一基於聚合物的墨水。
如此一化劑可以，在被遞送至一建構材料層之後，致使一薄層固形物覆蓋或部分地覆蓋建構材料的一部分，舉例來說，在任何的載體液體蒸發之後，並因此可以充當如本文所述的聚結改性劑。
在一實例中，如此一聚結改性劑可以包括固形物顆粒，其具有一平均尺寸小於其將被遞送至之該建構材料其顆粒的平均尺寸。此外，該聚結改性劑的分子量和其表面張力應該要使得該聚結改性劑可充分地滲透到該建構材料中。在一實例中，如此一化劑也應具有一高可溶性，使得化劑的每一個液滴包括一高比例的固形物。
在一實例中，一鹽溶液可被使用作為一聚結改性劑。
在另一實例中，在市場上被稱為CM996A墨水並可購自Hewlett-Packard公司的一種墨水可當作一聚結改性劑。在另一實例中，在市場上被稱為CN673A墨水並可購自 Hewlett-Packard公司的一種墨水也已被證明可作為一聚結改性劑。
在另一實例中，不受限於任何的理論，一聚結改性劑可透過避免建構材料到達高於其熔點的溫度以修改一聚結劑的該等效果。舉例來說，已經被證明的是，可呈現出一適當冷卻效果的流體可被使用來當作一聚結改性劑。舉例來說，當如此一化劑被遞送至建構材料時，施加到該建構材料的該能量可能由該聚結改性劑來吸收，致使其蒸發，這可能有助於防止在其上該聚結改性劑已被遞送或已滲透之建構材料到達該建構材料的該熔點。
在一實例中，包含有高百分比水的一種化劑已被證明是一種合適的聚結改性劑。
在其他的實例中，其他類型的聚結改性劑可被使用。
一種可能會增加該聚結程度之聚結改性劑的一實例可以包括，舉例來說，一合適的增塑劑。一種可能會增加該聚結程度之聚結改性劑的另一實例可以包括，舉例來說，一表面張力改性劑，以增加建構材料顆粒的該可濕度。
可被理解的是，本文中所描述的實例可以以硬體的形式、或一種硬體和軟體的組合來被實現。任何如此的軟體可以以依電性或非依電性的儲存形式來被儲存，諸如，舉例來說，像一ROM的儲存裝置，不管其可擦除或可重寫與否，或者是以一記憶體的形式，諸如，舉例來說， RAM、記憶體晶片、裝置或積體電路或在一光學或磁性可讀媒體上，諸如，舉例來說，一CD、DVD、磁碟或磁帶。應當被理解的是，該等儲存裝置和儲存媒體是機器可讀取儲存的實例，其適合用於儲存一個或多個程式，當被執行時，可實現在本文中所描述的實例。因此，實例提供一程式，其包括可用於實現在任一前述請求項中所宣稱之一系統或方法的程式碼，亦提供一機器可讀取儲存，其儲存如此的一程式。
所有在本說明書(包括任何所附的請求項、摘要和附圖)中所揭露的該等特徵，和/或所揭露之任何方法或加工過程之所有的步驟，可以以任何的組合方式被組合，除非在那些組合中至少一些如此的特徵和/或步驟是互斥的。
在本說明書(包括任何所附的請求項、摘要和附圖)中所揭露的每一個特徵，可被具有相同、等效或類似目的之可替換的特徵來替換，除非另外有明確的說明。因此，除非有另外明確的說明，所揭露之每一個特徵僅是一通用系列之等效或類似特徵的一實例而已。
400‧‧‧系統
402‧‧‧控制器
404‧‧‧記憶體
406‧‧‧指令
408‧‧‧聚結劑分配器
410‧‧‧聚結改性劑分配器
414‧‧‧支撐構件
416‧‧‧化劑遞送控制資料
418‧‧‧建構材料分配器
420‧‧‧能量源

Claims (15)

  1. 一種用於產生三維物件的裝置，其包含有：一建構材料分配器，以在一建構材料支撐體上提供第一個建構材料層，並在一先前提供的建構材料層之上提供後續的建構材料層；一第一化劑分配器，以選擇性地遞送一聚結劑至建構材料層的多個部分之上；一第二化劑分配器，以選擇性遞送一聚結改性劑至建構材料層的多個部分上；一能量源，以施加能量至建構材料；以及一控制器，以進行：控制該建構材料分配器，以提供建構材料層；控制該等化劑分配器，依個別的圖案選擇性地把各該化劑遞送至建構材料層之上，該等圖案係衍生自代表將被產生之一三維物件之一切片的資料，且當能量施加於建構材料層，該等圖案致使物件根據該等圖案藉由以下而具有多個屬性：使得該層之上僅有聚結劑被遞送或滲透到的部分升溫超過該建構材料的熔點並進行聚結，使得該層之上僅有聚結改性劑被遞送或滲透到的部分不升溫超過該建構材料的熔點且不進行聚結，及使得該層之上聚結劑與聚結改性劑被遞送或滲透到的部分經歷一種修正程度的聚結；及控制該能量源，以施加能量至建構材料層。
  2. 如請求項1之裝置，其中該裝置係用以產生具有涉及該等圖案之機械、強度、精確度屬性及表面粗糙度屬性其中至少一的三維物件，聚結劑和聚結改性劑係依該等圖案被遞送至建構材料。
  3. 如請求項1之裝置，其係用以產生具有涉及該等圖案之可變物件孔隙度屬性、可變物件層間強度屬性、可變物件彈性屬性、可變物件密度屬性其中至少一的三維物件，聚結劑和聚結改性劑係依該等圖案被遞送至建構材料。
  4. 如請求項1之裝置，其中該等第一和第二化劑分配器具有一長度以致使它們能夠跨越該支撐體，並且其中該支撐體和該等分配器的至少一個相對於另外一個是可移動的，以致使聚結劑和聚結改性劑可選擇性地遞送至該建構材料層之任何部分的表面上。
  5. 如請求項1之裝置，其中該第一化劑分配器係一第一列印頭，而其中該第二化劑分配器係一第二、不同的、列印頭。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第一化劑分配器包括一列印頭噴嘴的一第一陣列，而其中該第二化劑分配器包括該列印頭噴嘴的一第二陣列。
  7. 如請求項1之裝置，其中該控制器係將控制該等化劑分配器以根據控制資料把該等化劑選擇性地遞送至該建構材料層的表面之上，該控制資料係衍生自兩資料的一種組合，即代表將被產生之一三維物件切片的資料以及代表該將被產生之三維物件之至少一個部分之至少一 個期望物件屬性的資料。
  8. 如請求項1之裝置，其中該建構材料分配器係用以提供一建構材料層，其具一約在90至110微米範圍內的層厚度，並且其中該等化劑分配器係用以提供每滴約為10微微升的劑滴。
  9. 如請求項1之裝置，更包含以下至少一者：一第三化劑分配器，以選擇性把一第二聚結劑遞送至建構材料層之上；及一第四化劑分配器，以選擇性把一第二聚結改性劑遞送至一建構材料層之上。
  10. 如請求項1之裝置，其中該控制器係用以從代表一三維物件的資料和物件屬性資料產生控制資料。
  11. 如請求項1之裝置，更包含有一可跨越其所設置或可設置於其上的支撐體做雙向移動的滑架、一對第一化劑分配器以選擇性地遞送一聚結劑、一對第二化劑分配器以選擇性地遞送一聚結改性劑、以及一建構材料分配器，該等化劑分配器和該建構材料分配器被佈置成當該滑架正以任一方向移動時可遞送建構材料、聚結劑、以及聚結改性劑。
  12. 如請求項1之裝置，更包含有一可跨越其所設置或可設置於其上的支撐體做雙向移動的滑架、該第一化劑分配器以選擇性地遞送聚結劑、該第二化劑分配器以選擇性地遞送聚結改性劑、以及一對建構材料分配器，該等化劑分配器和該建構材料分配器被佈置成當該滑架正以任一方向移動時可遞送建構材料、聚結劑、以及聚結改 性劑。
  13. 如請求項1之裝置，更包含有一未聚焦的能量源以施加能量至建構材料，以致使該建構材料的一部分進行聚結和進行固化以依據聚結劑和聚結改性劑被遞送至何處而形成該三維物件的一切片。
  14. 一種控制一系統以產生三維物件的方法，其包含有：獲取控制資料，該控制資料係衍生自代表將被產生之一三維物件的一部分的資料；沉積一建構材料層；根據該獲取的控制資料，在該沉積的建構材料層上選擇性地沉積一聚結劑和一聚結改性劑的多個圖形，當能量施加於建構材料層，該等圖案致使物件根據該等圖案藉由以下而具有多個屬性：使得該層之上僅有聚結劑被遞送或滲透到的部分升溫超過該建構材料的熔點並進行聚結，使得該層之上僅有聚結改性劑被遞送或滲透到的部分不升溫超過該建構材料的熔點且不進行聚結，及使得該層之上聚結劑與聚結改性劑被遞送或滲透到的部分經歷一種修正程度的聚結；以及施加能量至沉積的建構材料。
  15. 如請求項14之方法，更包含獲取基於物件設計資料以及物件屬性資料而被產生的控制資料，其對於要被處理的各建構材料層描述建構材料上的多個位置或部位，該等位置或部位係聚結劑及聚結改性劑之至少一者被遞送以產生具有可控制之可變物件屬性的三維物件之處。
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