CN109219491A - 用于三维打印的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种系统包含多个构建托盘、一打印站、一粉末输送站、一粉末铺展站、一处理压实站及一工作台。所述打印站在所述多个构建托盘的每一个上打印一掩模图案。所述粉末输送站在所述多个构建托盘的每一个上施加一定剂量的一粉末材料。所述粉末铺展站配置用以在所述多个构建托盘的每一个上铺展所述剂量的所述粉末材料。所述处理压实站压实所述粉末材料。所述工作台并行地将所述多个构建托盘推进到所述多个站中的每一个以并行地在所述多个构建托盘中的每一个上构建一个单层，及重复所述推进以在所述多个构建托盘中的每一个上构建多个层。在所述多个构建托盘中的每一个上形成一个三维物体。

Description

用于三维打印的方法及设备

技术领域及背景技术

在本发明的一些实施方案中，关于一种基于三维(3D)打印的制造方法，特别是但非排他地，关于具有多个粉末材料层的三维打印。

已知许多不同的以连续的多个粉末材料层通过三维打印制造固体物体的方法。一些已知的三维打印技术基于物体的一个三维模型选择性地施加一液体粘合剂材料，将材料逐层地结合在一起以形成一固体结构。

金属打印工艺如粉末床熔融、金属粘合剂喷射及定向能量沉积也是已知的。选择性激光烧结(SLS)使用一激光作为能量来源来烧结多个粉末材料层。所述激光被控制以瞄准通过一个三维模型定义的空间中的多个点，将材料逐层地结合在一起以形成一个固体结构。选择性激光熔融(SLM)是类似的技术，其应用材料的完全熔融而不是烧结。选择性激光熔融通常在粉末的熔融温度均匀时应用，例如，当使用多个纯金属粉末用作构建材料时。

国际专利申请案公开第WO2015/170330号标题为“通过选择性烧结用于三维打印的方法及设备”，其内容通过引用并入本文，公开了一种通过三维打印形成一物体的方法，包含提供一层粉末在一构建托盘上，在所述层上进行模具压实，烧结通过选择性烧结或选择性熔融进行模压的层，并重复每层的提供，模压及烧结，直到所述三维物体完成。所公开的选择性烧结是通过一掩模图案来定义待烧结的层的一部分的负片。

发明内容

在已知的三维粉末层打印系统中，每个层通过多个处理站点的操作在单个构建托盘上形成。每个处理站点依次被激活以完成一个单层，然后重复所述程序直到形成所有的多个层。由于除了一个处理站点之外的所有处理站点都可能在任何时刻都处于空闲状态，因此构建处理效率不高。根据本公开的一些实施例的一个方面，提供了一种用于基于具有多个粉末层的三维打印来并行地制造多个物体的系统及方法。在一些示例性实施例中，在打印系统的多个站点之间一次循环多于一个构建托盘，使得所述系统的多于一个站点同时被操作。在一些示例性实施例中，所述多个站点包含一粉末分配站、一粉末铺展站、一掩模打印站及一压实站。

可选地，所述系统可以为每个托盘提供不同的材料，不同的掩模及/或不同的层厚度。这种构建技术的一个功能是能够沿着模型高度构建具有多个不同层厚度的相同模型。具有可变的多个层厚度的构建可用于改善物体的外表面。这种构建技术的另一个功能是能够在不同的构建高度上并行地构建。在一些示例性实施例中，并行地被制造的所述多个物体中的每个所需完成的多个层的数量可以是不同的。一旦一物体被完成，它可以被移除并且一个新物体可以在已经腾空的托盘上构建。并行地构建具有不同构建高度的能力允许所述系统在多个不同构建工作台处并行地构建多个物体(例如，一物体在所述多个构建托盘的一个上可以接收其最终的多个层中的一个，而一物体在所述多个构建托盘的另一个上可以接收其多个第一层中的一个。

根据本公开的一些实施例的一方面，提供了一种系统，包含：多个构建托盘；一打印站，配置为在所述多个构建托盘中的每一个上打印一掩模图案；一粉末输送站，配置为在所述多个构建托盘中的每一个上施加一定剂量的一粉末材料；一粉末铺展站，配置为将所述剂量的所述粉末材料铺展在所述多个构建托盘中的每一个上；一处理压实站，配置为压实所述粉末材料；及一工作台，配置为并行地将所述多个构建托盘推进到所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个，以在所述多个构建托盘中的每一个上并行地构建一个单层，及重复所述推进以在所述多个构建托盘中的每一个上构建多个层，所述多个构建托盘中的每一个上的所述多个层在所述多个构建托盘中的每一个上形成一个三维物体。

可选地，所述工作台包含一轨道，所述轨道以一循环路径承载所述多个构建托盘。

可选地，所述系统包含：一第一线性轨道，配置为将一第一构建托盘推进到所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个；及一第二线性轨道，配置为将一第二托盘推进到所述打印站；以及一切换单元，配置为在所述第一构建托盘及所述第二构建托盘之间进行切换。

可选地，所述切换单元包含一工作臂，所述工作臂具有一第一交握站在所述工作臂的一端，及具有一第二交握站在所述工作臂的一相对端。

可选地，在完成所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个的处理之后，所述第一交握站接收所述第一构建托盘。

可选地，在完成所述掩模图案的打印之后，所述第二交握站接收所述第二构建托盘。

可选地，每一托盘与一Z形托架相联结，所述Z形托架配置为调节所述托盘的一高度。

可选地，所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的一个或多个与一专用线性工作台相联结，所述专用线性工作台配置为调整一托盘的一高度。

可选地，所述系统包含：一控制器，配置为基于所述构建托盘的到达来调整所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的所述一个的一操作。

可选地，所述系统包含：一控制器，配置为在从多个掩模数据文档提供的多个掩模数据之间交替，来自所述多个掩模数据文档中的每一个文档对应于在所述多个构建托盘中的一个上被打印的一物体的一掩模数据。

可选地，所述打印站配置用以选择性地将一第一材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，以及将一第二材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

可选地，所述打印站包含：一直接喷墨打印头，所述直接喷墨打印头基于一掩模图案数据沉积一材料，其中沉积的所述材料是一光聚合物材料及蜡中的至少一种。

可选地，所述粉末输送站配置用以存储一第一粉末材料及一第二粉末材料，及用以选择性地将所述第一粉末材料沉积在所述多个构建托盘中的一第一构建托盘上，及选择性地将所述第二粉末材料沉积在所述多个构建托盘中的一第二构建托盘上。

可选地，所述处理压实站包含：一模具，用于接收所述层；及一加热元件，用于加热所述模具与所述层交界的一表面。

可选地，所述处理压实站基于一组的多个操作参数进行操作，所述组的多个操作参数用于压实所述多个构建托盘的一第一构建托盘上的一个层，及所述处理压实站基于另一组的多个操作参数来操作，所述另一组的多个操作参数用于压实所述多个构建托盘的一第二构建托盘上的一个层。

可选地，所述系统包含：一最终压实站，配置为在所有的所述多个构建托盘上并行地压实所述多个层，其中所述最终压实站在多个加热工作台上方热压实所述多个层。

可选地，所述系统包含：一最终烧结站，配置为在所有的所述多个构建托盘上并行地烧结所述多个层。

根据本公开的一些实施例的一个方面，提供了一种用于构建一个三维物体的方法，包含步骤：在多个构建托盘的每一个上打印一掩模图案；在所述多个构建托盘的每一个上施加一定剂量的一粉末材料；在所述多个构建托盘的每一个上铺展所述剂量的所述粉末材料；在所述多个构建托盘的每一个上压实所述粉末材料；及重复所述打印、铺展及压实的步骤，直到完成用于构建多个所述三维物体中的每一个的多个层，其中所述打印、施加、铺展及压实的步骤中的至少一个在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上是与所述打印、施加、铺展及压实的步骤中的至少另一个在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上并行地执行。

可选地，所述方法包含：当所述多个构建托盘中的一个构建托盘驻留在一打印站、一粉末输送站、一粉末铺展站及一处理压实站中的一个中时，进行感测。

可选地，所述方法包含：基于所述构建托盘到达所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的一个处来调节所述多个构建托盘中的一构建托盘的一高度。

可选地，所述方法包含：调整对于所述建多个构托盘中的至少一个的一站的操作，其中所述站点选自由以下组成的群组：所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站。

可选地，所述方法包含：在从多个掩模数据文档提供的多个掩模数据之间交替，其中来自所述多个掩模数据文档中的每一个文档对应于在所述多个构建托盘中的一个上被打印的一物体的一掩模数据。

可选地，所述方法包含：选择性地将一第一材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，及选择性地将一第二材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

可选地，所述方法包含：选择性地将一种类型的粉末材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，及选择性地将另一种类型的粉末材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

可选地，所述方法包含：以与所述多个构建托盘的一第二构建托盘上的一粉末层相比为不同的压力、温度或持续时间来选择性地压实在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上的所述粉末材料。

可选地，所述方法包含：在一最终压实站中并行地压实所有的所述多个构建托盘上的所述多个层。

可选地，所述方法包含：在一最终烧结站中并行地烧结所有的所述多个构建托盘上的所述多个层。

可选地，所述方法包含：在一循环路径上使所述多个托盘前进。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法及材料可用于实践或测试本发明的实施方案，但下文描述了示例性方法及/或材料。如有冲突，将验证专利说明书，包含定义。另外，材料、方法及实施例仅是说明性的，并非旨在限制。

附图说明

仅通过举例的方式，本文中参考附图描述了本发明的一些实施例。现在详细地具体参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。

在附图中：

图1是根据本发明的一些实施例的一个示例性三维打印系统的简化示意图；

图2A、图2B、图2C及图2D是根据本发明的一些实施例的以渐进式构建步骤示出的一个示例性三维打印系统的简化示意图；

图3是根据本发明的一些实施例的用于通过三维打印并行地构建多个物体的多个层的示例性方法的简化流程图；

图4A、图4B、图4C及图4D是根据本发明的一些实施例的在不同工作台操作中的另一示例性三维打印系统的简化示意图；

图5是根据本发明的一些实施例的用于通过三维打印并行地构建多个物体的多个层的另一示例性方法的简化流程图；

图6是表示根据本发明的一些实施例的用于构建一个物体的多个层的循环构建程序的简化方框图；

图7是根据本发明的一些实施例的用于打印多个掩模层用于定义物体的一个示例性掩模打印机的简化方框图；

图8是根据本发明的一些实施例的粉末分配站的简化方框图；

图9是根据本发明的一些实施例的粉末铺展站的简化方框图；

图10A及图10B分别是根据本发明的一些实施例的处于释放及压缩状态的一个示例性压实站的简化示意图；及

图11是根据本发明的一些实施例的用于通过三维打印构建多个物体的一个示例性方法的简化流程图。

具体实施方式

在本发明的一些实施例中，本发明关于基于三维打印的制造方法，更具体地但非排他地，关于具有多个粉末材料层的三个三维打印。

根据本发明的一些实施例，提供了一种三维打印系统及方法，用于在分开的多个构建托盘上并行地构建多个物体。根据一些示例性实施例，所述打印系统包含多个站点，每个站点执行用于构建一个层的不同任务，多于一个构建托盘，一个受控制的循环驱动器，其将所述多个构建托盘中的每个重复地推进到每个不同的站点直到完成每个三维物体的多个层。根据一些示例性实施例，所述站点包含一个三维掩模打印机用于打印一掩模，一粉末分配器用于分配一定剂量的粉末，一粉末铺展器用于施加粉末材料的一个层及一处理压实单元用于压实一个层。可选地，所述粉末分配器及所述粉末铺展器功能集成在一个单个站点中。可选地，所述系统可以包含附加的或替代的站点，例如，用于烧结一个层的处理烧结站及用于去除一个层的上表面的一铣削(或研磨)站。优选地，通过在所述层构建过程期间通过占用具有构建托盘的多于一个站点来减少制造时间。

根据一些示例性实施例，一个三维掩模打印机站包含一直接喷墨打印头，其基于掩模图案数据来沉积材料。通常，所述掩模图案数据由一计算机辅助设计(CAD)软件程序等生成。通常，所述三维掩模打印机站包含访问一存储器，用于存储在所述多个构建托盘上打印的每个物体的掩模数据。在一些示例性实施例中，一控制器控制在所述层构建过程期间交替为所述多个构建托盘中的每一个之间提供掩模数据给所述喷墨打印机。

在一些示例性实施例中，所述系统另外包含一第二最终压实单元及一烧结炉单元，用于在所述层构建过程的终止时压实然后烧结所述多个层。可选地，可以一次压实及/或烧结一个以上的构建托盘。

根据一些示例性实施例，所述三维掩模打印机是一光聚合物三维打印机，例如，由Stratasys公司在美国明尼苏达州伊甸草原市提供的PolyJetTM打印机。在一些示例性实施例中，所述掩模打印机包含多个喷墨打印头组装在一扫描打印块上，所述扫描打印块在打印期间在所述构建托盘上移动以扫描所述层，同时所述构建托盘保持静止。在一些实施例中，特定层的整个掩模可以单次打印。

在一些示例性实施例中，所述压实单元是一模具压实单元，其包含多个壁体围绕一构建托盘及一层粉末铺展在所述构建托盘上并保持所述多个层的一占用面积。在一些示例性实施例中，在压实过程中施加的压实强度被定义为提供粉末层的永久变形，例如将粉末颗粒压过其弹性状态并进入其塑性状态。在一些示例性实施例中，所述粉末材料是铝。可选地，其他金属或替代地陶瓷材料可以使用作为所述构建材料，例如，所述粉末。可选地，所述粉末是多种材料的一混合物。以铝构建是已知的，其具有重量轻、热及电传导以及其相对的耐腐蚀性的优点。

在一些示例性实施例中，所述打印系统被配置为在不同的多个构建托盘上并行地打印多个不同物体。可选地，所述多个不同物体并行地打印是以不同的粉末材料形成。另外，用于在粉末上打印所述掩模的材料对于每个构建托盘也可以是不同的。此外，所述压实，例如，压实期间施加到每个构建托盘的持续时间、力及温度可以针对每个被打印的物体定制。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解的是，本发明不一定限于其应用于以下描述中阐述及/或者在附图及/或实施例中说明的构造细节及组件及/或方法的布置。本发明能够具有其他实施例或能够以各种方式实践或实施。

现在参考附图，图1示出了根据本发明一些实施例的一个示例性三维打印系统的简化方框图。一个三维打印系统100集成在一工作平台500上。根据本发明的一些实施例，所述工作平台500包含一轨道250，在所述轨道250上有一个以上的构建托盘，例如，构建托盘201、202、203及204前进通过多个站点，用于分别同时一层地打印物体151、152、153及154。在一些示例性实施例中，所述多个物体151、152、153及154是相同的物体。替代地，所述多个物体151、152、153及154中的一个或多个在形状、大小或材料上不同，并且所述三维打印系统100可以重复地调整参数以适应以逐层方式并行地打印不同物体。通常，构建过程被定义，使得所述多个物体151、152、153及154中的每一个的一第一层被打印，随后所述多个物体151、152、153及154中的每一个的一第二层被打印，并且所述过程继续直到所述多个物体151、152、153及154的所有层都被打印。

根据一些示例性实施例，一马达260绕其轴线265旋转并沿着循环轨道250推进多个托盘201、202、203及204。在一些示例性实施例中，轨道250支撑在一线性工作台上以提供沿垂直方向(Z轴)的运动用于调节多个托盘201、202、203及204的高度，例如，当添加每个新的层时降低多个托盘201、202、203。在一些示例性实施例中，每个托盘与其自己的Z形托架相联结，所述托架为一特定托盘提供Z轴运动能力。当所述托盘从一个站点前进到另一个站点时，其Z托架将其自身调整到所需的Z高度。在一些其他示例性实施例中，一个Z轴线性工作台位于每个站点处，并且所述轨道将所述多个托盘从一个Z轴线性工作台推进到另一个。可选地，一旦一旋转角度步骤完成，一交握程序在每个Z轴线性工作台及在所述线性工作台上接收的所述托盘之间发生。所述交握可以在Z轴工作台上提供每个托盘在其Z轴工作台的准确及坚固的安装。通过单独调整每个站点的高度，所述系统可以并行地构建具有不同层厚度或不同材料的多个不同物体。

根据本发明的一些实施例，工作平台500包含一打印平台站30(一个三维打印机站)，用于根据每个物体的掩模图案在每个托盘201、202、203及204上打印掩模，一粉末分配站10用于在每个托盘201、202、203及204上分配一粉末层，一粉末铺展站20用于在每个托盘上铺展一个分配粉末的层，以及一处理压实站40用于在每个托盘201、202、203及204上压实所述层的粉末。通常对于每个层，多个托盘201、202、203及204前进到所述多个站点的每个，然后所述多个托盘重复所述过程直到所有层都已被打印。所述多个站点的顺序通常由构建过程定义。在一些示例性实施例中，一个层通过首先打印一掩模，在所述掩模上铺展粉末，然后压实所述层来形成。替代地，一粉末层可以被铺展，所述粉末可以被压实，然后可以在压实的粉末上打印一掩模。可选地，可以包含多个附加站点及/或可以定义用于形成一个层的不同顺序。通常，多个站点10、20、30及40按照它们被操作的顺序定位在工作平台500上，使得所述多个托盘可以以一个方向上前进以形成一个完整的层。

根据本发明的一些实施例，一控制器600控制三维打印系统100的操作并协调每个站点的操作以及托盘201、202、203在轨道250上的移动。通常，控制器600包含及/或与具有记忆及处理能力相联结。

在一些示例性实施例中，一站点，例如，站点10、20、30或40可以基于识别一特定托盘来调整其操作参数。

可选地，在所述层构建过程结束时，多个物体151、152、153及154可以推进或定位在第二压实站60中以进行最终压实，然后进入烧结站70进行烧结。在第二压实站60中的多个物体151、152、153及154的压实可以同时或连续地进行。在烧结过程中，所述多个物体通常固化。

可选地，惰性气体源510是一氮源。可选地，烧结站70及第二压实站60是独立于工作平台500的独立站点。可选地，多个物体151、152、153及154被手动定位到烧结站70中及可选地第二压实站60中而不是通过轨道250。可选地，第二压实站60及烧结站70中的每一个具有一专用控制器用于操作相应站点。

现在参考图2A、图2B、图2C及2D，其示出了根据本发明的一些实施例的在渐进式构建步骤中的一个示例性三维打印系统的简化示意图。在一个示例性实施例中，在一第一构建步骤(图2A中所示)期间，一站点10可以被托盘201占用，一站点20可以被托盘202占用，一站点30可以被托盘203占用及一站点40可以被托盘204占用。当打印第一层时，在循环的此步骤(第一循环)期间可以仅激活站点10，而站点20、30及40可以处于待机状态。在随后的循环期间，所有站点10、20、30及40可以并行运行，每个站点用于执行其定义的任务。可选地，多个站点的一数量可以超过多个托盘的一数量，并且在这些后续循环中可以不激活一个或多个站点。在激活站点的活动终止时，轨道250可以将所述多个托盘例如沿一顺时针方向推进到一后续步骤。

在一第二步骤(图2B中所示)中，一站点10可以被托盘204占用，一站点20可以被托盘201占用，一站点30可以被托盘202占用而一站点40可以被托盘203占用。站点10及20中的每一个可以在第一周期期间并行地运行以执行其定义的任务，而站点30及40可以是空闲的。在激活的站点的活动终止时，轨道250可以将托盘例如沿一顺时针方向前进到一后续步骤。

在一第三步骤(图2C中所示)中，一站点10可以被托盘203占用，一站点20可以被托盘204占用，一站点30可以被托盘201占用而一站点40可以被托盘202占用。站点10、20及30中的每一个可以并行地操作以执行其定义的任务，而站点40可以保持空闲。在激活的站点的活动终止时，轨道250可以使托盘推进到后续步骤。

在一第四步骤(图2D中所示)中，一站点10可以被托盘202占用，一站点20可以被托盘203占用，一站点30可以被托盘204占用，一站点40可以被托盘201占用。站点10、20、30及40中的每一个可以并行地操作以执行其定义的任务。在激活的站点的活动终止时，轨道250可使托盘推进以开始新的循环。可选地，在所述步骤中，托盘201完成一个完整的循环，并且在托盘201中完成一第一层，而托盘202、203及204中的层尚未完成。根据一些示例性实施例，导轨250可以沿一顺时针或一逆时针方向将托盘201、202、203及204返回到图2A所示的位置。可以再次从图2A中所示的位置开始并且可以重复图2A、图2B、图2C及图2D中描述的步骤以形成一个另外的层。在随后的循环中，通常可以并行地操作所有站点以形成后续的多个层中的每个。所述过程可以继续，直到构建了所述多个物体151、152、153及154中的每一个的所有层。在一些示例性实施例中，所述多个物体中的一些可包含比其他物体更多的层。在这种情况下，当一个完成的物体占用所述站点时，所述多个站点可以保持空闲。替代地，可以暂停所述系统的所述循环过程，并且可以移除包含一完成的模型的一托盘或用一个空托盘替换以允许使用新数据并行地建立一新模型。

在一些示例性实施例中，当从所述第一步骤推进到所述最后一步骤时一托盘在一个方向上推进，例如顺时针或逆时针，然后可以在重复一循环之前沿相反方向推进。通过在一循环结束时沿一相反方向转动导轨250，可以避免缠绕或过度扭曲电缆。

根据一些示例性实施例，每个站点在被占用时读取所述托盘上的标识，并且可以将其调整为正在所述托盘上构建的特定物体的多个参数。可以调节的多个参数可以包含：分配的粉末材料、分配的体积、铺展粉末时滚筒的高度、掩模图案、用于掩模图案的材料及压实参数。通常，每个站点可以基于在托盘上读取的身份在一循环内决定操作或保持空闲。

现在参考图3，其示出了根据本发明的一些实施例的用于通过三维打印构建一物体的一个示例性方法的简化流程图。通常，所述多个托盘以一循环方式从一个站点推进到下一个站点(方框305)。通常，在第一位置，一第一托盘位于所述第一站点，一第二托盘位于所述第二站点，一第三站点位于所述第三站点等。在一第一循环期间，例如对于所述第一层，仅激活已通过所述第一站点通过多个托盘所占用的站点。在随后的循环中，可以根据需要并行地激活所有站点。

可选地，响应于所述多个托盘的推进，位于一站点的所述多个托盘被识别(方框305)。在一些示例性实施例中，识别是用于调整一站点用于在一个特定托盘中正在被构建的物体的多个工作参数(方框320)。识别可用于决定何时激活站点或激活什么站点(方框330)。当所有站点终止其活动时，所有的所述多个托盘被推进到下一站点(方框340)。当第一托盘位于最后一个站点时，所有的所述多个托盘被推进到它们的第一位置，并且过程被重复到构建一个另外的层。这个过程一直持续到构建所有的多个层为止。

当每个站的一个操作时段具有大致相同的持续时间时，参考图1至图3描述的循环配置可能是优选的。现在参考图4A、4B、4C及4D，其示出了根据本发明的一些实施例的在不同的多个工作操作台中的另一示例性三维打印系统的简化示意图。在一些示例性实施例中，多个处理站中的一个的一操作时段明显长于其他站的操作时段。通常，掩模打印站30中的数字打印机的操作时段明显长于其他多个处理站点(例如，粉末分配站10、粉末铺展站20及压实站40)的操作时段。例如，掩模打印时段的一个长度可以与所有其他站的一起的一总和大致相同(分配、铺展及压实)。提高数字打印机的速度，例如通过向数字打印机添加额外的喷墨打印头可能是昂贵且复杂的。

根据一些示例性实施例，一工作平台501可以与两个托盘并行地操作。(例如托盘201及托盘202)。所述工作平台可以包含一第一轨道251，其承载所述多个托盘中的一个并且与打印站30(慢的操作站点)相联结，及一第二轨道251承载与其他站点(例如粉末分配站10，粉末铺展站20及压实站40)相联结的另一托盘。一切换工作臂在其一端处连接到一第一交握站271即在一相对端处连接到一第二交握站272，可以在轨道251及轨道252之间转移多个托盘。现在参照图4A，当物体152完成每个站点10、20及40中的处理时，第二托盘201在打印站30中接收一个掩模层。现在参考图4B，在在所述多个站点10、20及40中的每个完成所述过程之后，托盘202以轨道252移动到一交握站点272。当打印过程结束时，托盘201以轨道251移动到一交握站点271。现在参考图在图4C中，当托盘201及托盘201两者都在交握站中时，一切换工作臂连接到一马达270旋转并将托盘201放置在轨道252上及托盘202放置在轨道252上。现在参见图4D，所述多个托盘现在被推进到相关的站点，以完成一层及/或形成一个另外的层的处理。

重复此过程，直到构建了所有的多个层。例如图4A中所示的系统可以比图1中所示的系统更简单并且实际上更紧凑，并且可以特别适用于包含一打印站的一系统，所述系统需要比系统中的其他站更长的操作持续时间。可以制造两个不同的构建托盘上的物体，与仅用一个托盘操作的现有技术系统相比，其可以使生产量近乎翻倍。

现在参考图5，其示出了根据本发明的一些实施例的用于通过三维打印并行地构建多个物体的多个层的另一示例性方法的简化流程图。根据一些示例性实施例，一第一托盘被推进到所述打印站(方框505)并且一掩模被打印。当打印正在进行时，一第二托盘被推进到其他多个站中的每个(方框510)，例如，所述粉末分配站、所述粉末铺展站及所述压实站。在一些示例性实施例中，所述第二托盘可以在基本上在所述第一托盘上打印一掩模的相同时间段内完成所述其他多个站中的每个的处理。一旦在所述第一托盘上完成了一层的掩模，并且在所述第二托盘上完成了一层的其他处理，则切换所述第一托盘及所述第二托盘的一位置(方框515)。基于所述切换，所述第二托盘可以被推进到所述打印站以接收用于一个新的层的一掩模(方框520)并且所述第一托盘被推进到所述其他多个站中的每个以接收用于一个新的层的原始材料(方框525)。所述第一托盘及第二托盘可以再次切换(方框530)，并且可以重复在方框505、510、515、520、525及530中描述的过程，直到在所述第一托盘及第二托盘中的每个中构建所有的多个层。如果所述多个托盘中的一个中的一物体完成时层数少于其他托盘的层数，则可以移除所述物体，并且当具有更多的多个层的物体完成时，可以在其位置开始一个新物体。

现在参考图6，其示出了根据本发明的一些实施例的用于构建一物体的多个层的一循环构建过程的简化方框图。根据一些示例性实施例，一物体的每个层通过在一个三维打印系统中经过多个站而形成。可选地，每个层可以以多个步骤形成，包含打印一掩模图案(方框350)，分配所述掩模图案的一粉末(方框360)，将所述粉末铺展在所述构建托盘上(方框370)及压实所述层(方框380)。重复此过程，直到构建了所有的多个层。

通常，在托盘201中的物体151，在托盘202中的物体152及在托盘203中的物体153的每个并行地经历所述循环方式，它们之间具有一个相位偏移。例如，当托盘201中的物体151被压实时，粉末在托盘202中被铺展用于物体152，并且在托盘204上分配粉末用于物体153。可选地，一个或多个托盘在给定的时间段是空闲的。

现在参考图7，其示出了根据本发明一些实施例的一个示例性三维打印系统的简化示意图。根据本发明的一些实施例，打印平台站30包含一直接喷墨打印头35，其基于一生成的掩模数据39来沉积材料32。通常，掩模图案由所述掩模数据39定义，通常存储在存储器中。通常，所述掩模数据由一个计算机辅助设计(CAD)软件程序等生成。通常，所述掩模数据包含用于并行地正在被打印的所有的多个物体的数据。当在不同的多个托盘中打印不同的多个物体时，所述数据39通常可以包含对于每个物体的一文档。或者，当相同的多个物体正在被并行地打印时，所述数据39可以仅包含一个单个文档。

在一些示例性实施例中，打印头35是可移动的，并且打印机控制器37与系统控制器600一起控制打印头35的移动及用于沉积材料32的定时。通常，一固化单元33固化沉积的材料。通常，托盘200在打印期间是静止的，并且打印头35及固化单元33由一个X、Y或XY工作台支撑，用于在一个或多个方向上移动打印头35及固化单元33。通常，打印头35包含一喷嘴阵列，通过所述喷嘴阵列选择性地沉积材料。可选地，打印头35包含多种不同材料可以基于数据39选择性地沉积。

现在参考图8，其示出了根据本发明一些实施例的粉末分配站的简化方框图。通常，粉末分配站10包含一贮槽12，其存储粉末55，一螺旋推运器14，用于提取一定量及/或一定体积的粉末55通过一管件16，及到托盘201(或替代地托盘202或203)上。在一些示例性实施例中，基于来自系统100及/或控制器600的反馈，在构建程序的过程中调整所定义的体积。可选地，基于占用所述分配站的托盘来调整所定义的体积。可选地，更多的粉末51选择性地沉积在一个托盘中，例如，托盘201与其他多个托盘(例如托盘202或203)相比。在一些示例性实施例中，粉末分配站10适于输送铝粉。在其他示例性实施例中，其他多种金属、合金及/或材料通过粉末分配站10存储及输送。可选地，贮槽12包含多个组件单独存储或混合存储。可选地，贮槽12包含一机构用于混合存储的内容物。在一些示例性实施例中，分配的材料类型取决于当前占用分配站的托盘。

现在参考图9，其示出了根据本发明一些实施例的粉末铺展站的简化方框图。通常，铺展站20包含一电动滚筒25可旋转地安装在一轴24上。在一些示例性实施例中，一线性驱动器22接合一轴24并且跨过所述层移动以用于铺展一平坦层的粉末。在一些示例性实施例中，托盘201(或202或203)的一高度被调整，例如，用一个Z形工作台向上/向下移动，以获得一个定义的层厚度。在一些示例性实施方案中，一粉末层约150微米厚，例如，50微米至200微米厚用滚筒25铺展。在一些示例性实施例中，压实后的一层的厚度被监测，并调整托盘201的一高度以修改一当前层的一厚度以补偿在一个或多个先前的层的厚度中的偏差。

在一些示例性实施例中，滚筒25基本上在托盘201的整个长度上延伸，并且仅需要滚筒的一次通过来铺展粉末。可选地，滚筒25保持在托盘201上方的一个高度处，并且根据铺展的需要用一个Z形升降机降低。

现在参考图10A及10B，分别示出了根据本发明的一些实施例的处于一个释放及压缩状态的一个示例性压实站的简化示意图。可选地，在一掩模层上铺展一粉末层后，将一层300压实。根据本发明的一些实施例，所述压实站每层产生一模具。

根据本发明的一些实施例，所述压实站包含一活塞42，其可操作以为压实层300提供压实压力。根据本发明的一些实施例，在压实期间，活塞42升高穿过一个孔腔49并且可选地将杆件42A推到工作平台500或轨道250中并且提升构建托盘201朝向位于托盘201上方的表面45。可选地，杆件42A的添加减小了活塞42需要移动以实现压实的距离。可选地，一旦层300与表面45相接触，壁体43围绕层300闭合，以在压实期间保持层300的恒定占用面积。

在一些示例性实施例中，当活塞42升高及/或降低托盘201时，托盘201固定到沿着线性轴承46行进的一个或多个线性引导件41上。可选地，托盘201被提升以抵靠一个或多个压缩弹簧47。在一些示例性实施例中，重力以及弹簧47用于在压实层300之后降低活塞42。

通常，通过压实站40施加的压力提供了去除空气并使层300中的粉末超过其弹性状态，从而实现层的永久变形。可选地，压实用于增加层的相对密度。

在一些示例性实施例中，上表面45被加热，例如，在压实过程中用一加热元件44预热，并用加热的模具压实。当表面45加热时，层300可以用较小压力施加在层上达到其塑性及/或永久变形状态。通常，施加的压力及温度基于粉末的材料及层300的厚度来定义。可选地，多个托盘201、202、203及204中的每一个接收不同的材料并且可以在一定的温度下压实。压实的力及持续时间基于材料及物体的大小及形状。

在一些示例性实施例中，例当使用铝粉时，所述压实可用于破坏氧化物层，例如粉末颗粒上的氧化铝。通常，暴露铝促进了粉末材料的铝颗粒之间的直接接合，并改善了烧结过程中颗粒的结合。

根据本发明的一些实施例，物体的高度，例如，当正在被构建时所述物体的一个或多个层的高度在压实站处被检测、决定及/或感测。可选地，当压靠表面45时托盘200的一高度被检测。根据本发明的一些实施例，控制器600(图1)监测高度及/或高度的变化，并且当需要调整层厚度以补偿一期望高度/或在高度改变的一偏差时，以向粉末分配站提供输入。在一些示例性实施例中，控制器600使用存储在存储器中的一个或多个查找表或数学公式来控制层厚度的调整。可以对不同的多个托盘进行不同的调整。

在一些示例性实施例中，沿精密工作平台路径的一个或多个站点支撑在沿着路径延伸的轨道250上及/或通过一个或多个桥接器(例如桥接器47位于工作平台500上)支撑。在一些示例性实施例中，压实站40包含一活塞42位于工作平台500下方，以被操作以使杆件42A朝向位于托盘201上方的一平坦表面45或其他表面升起托盘201。在下文中进一步详细描述。

现在参考图11，其示出了根据本发明的一些实施例的用于基于三维打印形成一物体的一个示例性方法的简化流程图。根据一些示例性实施例，一旦所述构建层的过程完成，所述构建的多个层就从自动化工作台(方框405)移除及可选地以一更高的压力、温度及/或更长的持续时间(方框410)再次压实。所有的所述多个托盘中构建的多个层的压实可以并行地执行。在一些示例性实施方案中，最终压实是在150-300MPa之间的一个压力下，在铝的情况下，例如250MPa或低于430℃的一温度。可选地，多个层被压实一段持续的时间，例如，2-6分钟。通常，所述压实是模具压实，因此在所述处理期间只对Z轴压实。在压实之后，通常施加烧结(方框415)。可选地，所有的所述多个托盘中构建的多个层同时烧结。在一些示例性实施例中，在多个工作台中施加烧结。

可选地，在一第一工作台，构建的多个层在相对低的温度下加热，例如，在一第一持续时间内低于400℃，例如20-180分钟。在使用铝粉及一些其他金属如不锈钢的情况下，所述步骤可能需要在一惰性的氮气环境下。通常，掩模图案在所述工作台燃烧，主要是由于聚合物中含有的氧。在一第二工作台，可以升高温度，例如，450℃并且所述温度可以保持一第二持续时间，例如，0-30分钟。上升及冷却可以以定义的速率，例如，10℃/分钟。在一第三工作台，可以再次升高温度，例如570-630℃(在铝粉的情况下，取决于使用的合金)并且所述温度可以保持一第三持续时间，例如，60-120分钟。在铝粉的情况下，所有的这些步骤可以在一个惰性环境中处理。在烧结及冷却之后，可以从多个层的区块中取得所述物体。

术语“包含(comprises,comprising,includes,including)”，“具有(having)”及它们的缀合词表示“包含但不限于”。

术语“由...组成(consisting of)”表示“包含但限于”。

术语“基本上由......组成(consisting essentially of)”是指组合物、方法或结构可包含其他成分、步骤及/或部分，但仅在附加成分、步骤及/或部分不实质上改变所要求保护的组成、方法或结构基本及新颖特征的情况下。

应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者在本发明的任何其他描述的实施例中适当地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例在没有那些元件的情况下不起作用。

Claims (28)

1.一种系统，其特征在于，所述系统包含：

多个构建托盘；

一打印站，配置为在所述多个构建托盘中的每一个上打印一掩模图案；

一粉末输送站，配置为在所述多个构建托盘中的每一个上施加一定剂量的一粉末材料；

一粉末铺展站，配置为将所述剂量的所述粉末材料铺展在所述多个构建托盘中的每一个上；

一处理压实站，配置为压实所述粉末材料；及

一工作台，配置为并行地将所述多个构建托盘推进到所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个，以在所述多个构建托盘中的每一个上并行地构建一个单层，及重复所述推进以在所述多个构建托盘中的每一个上构建多个层，所述多个构建托盘中的每一个上的所述多个层在所述多个构建托盘中的每一个上形成一个三维物体。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工作台包含一轨道，所述轨道以一循环路径承载所述多个构建托盘。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包含：

一第一线性轨道，配置为将一第一构建托盘推进到所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个；及一第二线性轨道，配置为将一第二托盘推进到所述打印站；以及

一切换单元，配置为在所述第一构建托盘及所述第二构建托盘之间进行切换。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述切换单元包含一工作臂，所述工作臂具有一第一交握站在所述工作臂的一端，及具有一第二交握站在所述工作臂的一相对端。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：在完成所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的每一个的处理之后，所述第一交握站接收所述第一构建托盘。

6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于：在完成所述掩模图案的打印之后，所述第二交握站接收所述第二构建托盘。

7.如权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于：每一托盘与一Z形托架相联结，所述Z形托架配置为调节所述托盘的一高度。

8.如权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于：所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的一个或多个与一专用线性工作台相联结，所述专用线性工作台配置为调整一托盘的一高度。

9.如权利要求1至8任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含：一控制器，配置为基于所述构建托盘的到达来调整所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的所述一个的一操作。

10.如权利要求1至9任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含：一控制器，配置为在从多个掩模数据文档提供的多个掩模数据之间交替，来自所述多个掩模数据文档中的每一个文档对应于在所述多个构建托盘中的一个上被打印的一物体的一掩模数据。

11.如权利要求1至10任一项所述的系统，其特征在于：所述打印站配置用以选择性地将一第一材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，以及将一第二材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

12.如权利要求1至11任一项所述的系统，其特征在于：所述打印站包含：一直接喷墨打印头，所述直接喷墨打印头基于一掩模图案数据沉积一材料，其中沉积的所述材料是一光聚合物材料及蜡中的至少一种。

13.如权利要求1至12任一项所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站配置用以存储一第一粉末材料及一第二粉末材料，及用以选择性地将所述第一粉末材料沉积在所述多个构建托盘中的一第一构建托盘上，及选择性地将所述第二粉末材料沉积在所述多个构建托盘中的一第二构建托盘上。

14.如权利要求1至13任一项所述的系统，其特征在于：所述处理压实站包含：

一模具，用于接收所述层；及

一加热元件，用于加热所述模具与所述层交界的一表面。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述处理压实站基于一组的多个操作参数进行操作，所述组的多个操作参数用于压实所述多个构建托盘的一第一构建托盘上的一个层，及所述处理压实站基于另一组的多个操作参数来操作，所述另一组的多个操作参数用于压实所述多个构建托盘的一第二构建托盘上的一个层。

16.如权利要求1至15任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含：

一最终压实站，配置为在所有的所述多个构建托盘上并行地压实所述多个层，其中所述最终压实站在多个加热工作台上方热压实所述多个层。

17.如权利要求1至16任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含：

一最终烧结站，配置为在所有的所述多个构建托盘上并行地烧结所述多个层。

18.一种用于构建一个三维物体的方法，其特征在于，所述方法包含步骤：

在多个构建托盘的每一个上打印一掩模图案；

在所述多个构建托盘的每一个上施加一定剂量的一粉末材料；

在所述多个构建托盘的每一个上铺展所述剂量的所述粉末材料；

在所述多个构建托盘的每一个上压实所述粉末材料；及

重复所述打印、铺展及压实的步骤，直到完成用于构建多个所述三维物体中的每一个的多个层，其中所述打印、施加、铺展及压实的步骤中的至少一个在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上是与所述打印、施加、铺展及压实的步骤中的至少另一个在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上并行地执行。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包含：当所述多个构建托盘中的一个构建托盘驻留在一打印站、一粉末输送站、一粉末铺展站及一处理压实站中的一个中时，进行感测。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包含：基于所述构建托盘到达所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站中的一个处来调节所述多个构建托盘中的一构建托盘的一高度。

21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包含：调整对于所述建多个构托盘中的至少一个的一站的操作，其中所述站点选自由以下组成的群组：所述打印站、所述粉末输送站、所述粉末铺展站及所述处理压实站。

22.如权利要求18至21任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：在从多个掩模数据文档提供的多个掩模数据之间交替，其中来自所述多个掩模数据文档中的每一个文档对应于在所述多个构建托盘中的一个上被打印的一物体的一掩模数据。

23.如权利要求18至22任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：选择性地将一第一材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，及选择性地将一第二材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

24.如权利要求18至23任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：选择性地将一种类型的粉末材料沉积在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上，及选择性地将另一种类型的粉末材料沉积在所述多个构建托盘的一第二构建托盘上。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包含：以与所述多个构建托盘的一第二构建托盘上的一粉末层相比为不同的压力、温度或持续时间来选择性地压实在所述多个构建托盘的一第一构建托盘上的所述粉末材料。

26.如权利要求18至25任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：在一最终压实站中并行地压实所有的所述多个构建托盘上的所述多个层。

27.如权利要求18至26任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：在一最终烧结站中并行地烧结所有的所述多个构建托盘上的所述多个层。

28.如权利要求18至27任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包含：在一循环路径上使所述多个托盘前进。