CN114434791A - 三维对象制造 - Google Patents

Abstract

描述了制造三维对象的装置和制造三维对象的方法。在一些示例中，将包含着色剂的第一流体和包含吸收电磁辐射的吸收剂的第二流体施加在颗粒材料层上。将第二流体施加到该颗粒材料层取决于第一流体吸收电磁辐射的能力。

Description

三维对象制造

分案说明

本申请为2015年7月30日递交的发明名称为“三维对象制造”的专利申请201580079336.4的分案申请。

背景技术

生成三维对象的装置(包括俗称为“3D打印机”的那些)已被提议作为制造三维对象的潜在方便方式。这些装置通常接收形式为对象模型的三维对象的定义。处理该对象模型，以指导该装置使用一种制造材料或多种制造材料来制造对象。这可以在逐层的基础上执行。对象模型的处理可基于装置类型和/或实施的制造技术而变化。在三维中生成对象提出了不存在于二维打印装置的许多挑战。

附图说明

根据下面的具体描述，结合附图，本公开的各种特征将显而易见，所述附图通过示例的方式一起说明了本公开的特征，并且其中：

图1为根据一个示例的制造三维对象的装置的示意图；

图2为示出根据一个示例的制造三维对象的方法的流程图；

图3为示出根据一个示例的制造三维对象的方法的流程图；

图4为根据一个示例的用于制造三维对象的打印头组件的示意图；

图5为示出根据一个示例的用于分配流体的策略的示意图；

图6为示出根据一个示例的用于分配流体的策略的示意图；

图7为示出根据一个示例的用于分配流体的策略的示意图；且

图8为示出根据一个示例的用于分配流体的策略的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释目的，阐述了许多具体细节。本说明书中引用“一个示例”或类似用语意指在至少那一个示例中、但未必在其它示例中包含关于该示例所描述的特定特征、结构或特性。

在三维对象制造中，例如在所谓的“3D”打印中，存在控制所生成的对象的结构的挑战。例如，可能期望制造具有各种机械属性的对象，这些机械属性可能影响所制造的对象的材料属性或受其影响。还期望控制所制造的对象的颜色。在某些情况下，可能期望改变对象的至少一部分的颜色，而不影响该对象的机械属性，或者改变对象一部分的机械属性，而不影响该对象的颜色。此类考虑不存在于二维打印。

本文描述的某些示例有助于在打印操作中制造具有期望结构的三维对象。

现在将参考图1来描述一种制造三维对象的装置的示例。图1示出了制造三维对象110的装置100的示例。装置100可包括所谓的“3D打印机”。装置100包括构造区域102、分配装置104和处理器(下文称作控制器)106。

构造区域102可包括滚筒(platen)108，在其上可以构建三维对象110。

分配装置104分配、沉积或以其它方式施加多种材料，以生成三维对象110。下面更具体地讨论这些材料的示例。材料可包括例如用于基板上的透明和/或有色试剂(例如熔剂或聚结剂)。

在图1中，分配装置104例如通过有线接口和/或通过无线接口，通信地耦合至处理器106。处理器106可以编程为基于制造控制数据来控制分配装置104。该制造控制数据可以指示用于多种材料的布置指令。例如，这些指令可包括用于至少一个打印头112的发射信号以沉积特定材料。这些发射信号可与二维或三维空间中的特定位置相关联。

分配装置104可以是相对滚筒108可移动的，以便在特定位置沉积材料。三维对象110可以逐层构建，在此情况下分配装置104可以将材料沉积在各层上。在此情况下，布置指令可涉及在用于特定层的特定打印分辨率的像素下布置可用材料或材料组合(例如沉积用于与该层相关联的体素的材料成分)。

分配装置104可以在某些示例中包括喷墨沉积机构。在图1的示例中，该装置将多种液体试剂打印到粉状基板114的层上。该粉状基板为颗粒材料。在一些示例中，分配装置104可包括第一和第二分配器。在此示例中，分配装置104包括六个喷墨打印头112。各喷墨打印头112可以适配为将试剂沉积到基板114上。尤其是，各喷墨打印头112可以在基板114的多个连续层的限定区域上沉淀特定的试剂。试剂可以充当熔剂或熔合抑制剂。后者可能导致创建“空白”或“空”的材料成分。

在图1中，装置100包括基板提供机构116，以提供可由分配装置104分配、沉积或以其它方式施加多种材料至其上的至少一个基板层。在此示例中，基板提供机构116包括提供粉状基板114的连续层的粉状基板提供机构。图1示出了两层：已由基板提供机构116沉积第二层114b至其上的第一层114a。在某些情况下，基板提供机构116要相对滚筒108移动，以使连续层可以在彼此的顶部沉积。

在本示例中，该装置还包括定影仪(fuser)118，以施加能量从而由粉状基板114形成三维对象的部分。例如，图1示出将可控数量的流体试剂沉积到粉状基板的第二层114b的可编址区域上的特定打印头114。将该流体试剂沉积到粉状基板上，这样，该层的可编址区域单元上的试剂滴与打印分辨率体素相关。该体素的高度由基板114的各层深度确定。上面讨论的布置指令可以控制打印头112的操作以形成该体素。施加试剂之后，定影仪118要固定或固化基板的层114b的部分。例如，定影仪118可以向基板的层114b施加波长范围内的电磁辐射。电磁辐射的施加可以熔化、烧结或熔合基板的层114b的材料，如下参考图2所描述的。在某些示例中，定影仪118可包括诸如紫外或红外光源的能源，例如灯或激光。图1示出了已在第一层114a中固定的四个打印分辨率体素。这样，可以在第一层114a中形成的体素上来构造第二层114b中的体素，以构造三维对象。基板114的低层还可以为三维对象的悬挂固定部分提供支撑，以便可以在制造结束时移除该基板，以显示完成的对象。

在图1所示的示例中，可以有六种试剂，每个试剂涉及不同的属性。例如，试剂中有4种可能包括为制造三维对象提供全色空间的着色剂。其中一种试剂可以基本上是无色或是中性色的电磁辐射吸收试剂。其中一种试剂可以是冷却基板或以其它方式防止基板的颗粒材料熔合的细化剂。

处理器106可以根据布置指令来控制不同试剂的分配、沉积或施加。在某些示例中，布置指令可以规定在三维对象110的各个部分中形成的颜色。处理器106可以确定不同着色剂的相对量，以实现规定的颜色。可以通过改变体素中(多种)着色剂的量，来调整该体素的期望颜色和/或光密度。

在一些示例中，处理器106可以确定施加于指定体素的基本上无色或中性色的吸收剂的量。可以如下所述来确定无色或中性色的吸收剂的数量。对无色或中性色的吸收剂的量的控制可有助于形成具有在整个对象基本一致的机械属性的多色三维对象110。也就是说，机械属性可能不是颜色依赖的。替代地或另外地，对无色或中性色的吸收剂的数的控制可有助于有色的三维对象110的机械属性的变化。也就是说，对象110的不同部分可各自具有不同的机械属性。

更具体地，装置100要在颗粒材料层上施加第一流体。第一流体包括着色剂。该装置还要在颗粒材料层上施加第二流体。第二流体包括吸收电磁辐射的吸收剂。该装置根据第一流体的吸收电磁辐射的能力，向颗粒材料层施加第二流体。

该装置可包括分配装置，以在颗粒材料层上分配第一流体和第二流体。该装置可包括处理器，以控制分配装置在第一流体的电磁辐射吸收特性的基础上分配第二流体。

在一些示例中，可以将流体直接施加在颗粒材料层上。在其它示例中，可以将流体间接施加在颗粒物质上；例如，可以将一种流体施加在之前施加的流体上，而不接触颗粒材料层。

在一些示例中，要施加的第二流体的数量或体积可取决于第一流体吸收电磁辐射的能力。在其它示例中，根据第一流体吸收电磁辐射的能力，可以从多种各自具有不同电磁吸收特性的流体中选择第二流体。在一些示例中，第一流体的吸收电磁辐射的能力可为已知的，或是基于第一流体的吸收特性(例如吸收光谱)而确定。

图2示出了装置(例如图1所示的装置100)可以制造三维对象110的方法200。

在框202处，提供颗粒材料层。该颗粒材料层为基板的第一层114a。可选择该颗粒材料，以使它吸收在定影仪118发射的电磁能的波长范围内的电磁能。

在一些示例中，颗粒材料层可以在60与300微米厚之间。在一些示例中，可以使用辊使颗粒材料层厚得均匀或基本均匀。在其它示例中，可以使用刮片使颗粒材料层厚得均匀或基本均匀。

在框204处，向基板114施加熔剂。熔剂可以选择性地施加至基板114的要为制造三维对象110而固化的部分。熔剂可包括吸收剂，以吸收在定影仪118所发射的电磁辐射的波长范围内的电磁辐射。在布置命令中可以包含用于打印头组件的路径描述，这可以由路径生成器系统生成。

在框206处，定影仪118可以发射电磁辐射，以使基板可以用定影仪118发射的电磁辐射来照射。

在框208处，熔剂可以吸收定影仪118发射的电磁辐射。在吸收定影仪118发射的电磁辐射时，熔剂的温度升高。例如通过传导将来自熔剂的热传送到在熔剂附近的基板114中的颗粒材料。在熔剂附近的基板114的颗粒材料的温度从而也升高了。

在框210处，在熔剂附近的基板114的颗粒材料的温度到达足以使颗粒材料熔化、烧结或以其它方式熔合在一起的温度。此时，定影仪118可停止发射电磁辐射。

在框212处，方法200可以返回到框202，并且可以在基板的第一层114a上提供第二层颗粒材料，以形成基板的第二层114b。该方法可以持续多次迭代。在每次迭代中，可以在确定的图案中施加熔剂，以便限定三维对象110的层。

图3示出了制造三维对象110的方法300。此方法可以例如由图1的处理器106实现。或者，该方法可以由装置100中的另一处理器实现，或可以由发送指令到装置100的计算设备的处理器实现。

在框302处，在颗粒材料层上施加第一流体。第一流体包括着色剂。

在框304处，在颗粒材料层上施加第二流体，第二流体包括吸收电磁辐射的吸收剂。第二流体的施加取决于第一流体的吸收电磁辐射的能力。

在不同示例中，框302和304可以以任意次序执行，或可以同时执行。

在一些示例中，颗粒材料弱吸收具有在定影仪118发射的波长范围内的波长的电磁辐射。

第一流体的着色剂可包括有机色素、无机色素、有机染料、热致变色染料(例如无色染料)等。在一些示例中，着色剂具有高于250℃的分解温度。在一些示例中，着色剂具有高于300℃的分解温度。这可有助于防止三维对象的颜色受用于熔合的高温的不利影响。

着色剂可为可施加于三维对象的全色空间的一部分。例如，着色剂可形成诸如CMYK(青色、品红色、黄色和黑色)模型等的四色模型的一部分。

第二流体的吸收剂可包括光子吸收增材。此类增材有助于减少使暴露的体素的温度升至形成基板114的粉末的熔点所需的能量。这可以提高装置的效率和/或减少制造方法的碳足迹。在一些示例中，吸收剂可以是近红外染料(NIDR)或近红外色素(NIRP)。此类吸收剂可以例如吸收具有约800nm至约1400nm的波长的电磁辐射，并将吸收的能量转化为热能。

在一些示例中，可以在未熔合的基板114的区域内抑制散热。例如，可以将本文称作细化剂的流体施加至未熔合的基板114的区域。在一些示例中，当用定影仪118发射的电磁辐射照射时，细化剂可能蒸发。此类蒸发可以冷却未熔合的基板114的区域。这可以防止靠近三维对象110的边缘的区域中的颗粒材料熔合成三维对象110。这可以减少不期望的部件增长，并提高三维对象110的精确度和表面光洁度。

在一些示例中，可以将基板114预加热到稍低于熔合颗粒材料的温度。定影仪118发射的电磁辐射所提供的能量可以将吸收剂附近的区域中的颗粒材料带到用于熔合的温度。接着这些区域中的颗粒材料可熔合，并在电磁辐射的发射停止之后，迅速回到低于用于熔合的温度的温度。对于半晶体聚合物，最佳预热温度可以稍低于该聚合物的熔化温度。

预加热基板114可以最小化在冷却和再结晶期间以其它方式发生的收缩。通过控制结晶速率，能够在提高的尺寸精度和减少的变形风险的情况下制造零件。

图4为示出打印头组件400的示例的侧视图及底视图的示意图。在该示例中，打印头组件400为热打印头组件，包括用于喷射CMYK着色剂的模具(die)、熔剂和细化剂。尤其是，此示例的打印头组件400包括用于分配包括着色剂的流体的多个着色剂打印头402、用于分配熔剂(包括吸收剂)的熔剂打印头404以及用于分配细化剂的细化打印头406。

图4中所示的着色剂打印头402可包括用于分配青色、品红色、黄色、黑色(key)、红色及绿色打印流体的打印头。在一些示例中，可以分配其它打印流体。例如，打印头组件400中可包括更多或更少的着色剂打印头402。在一些示例中，可以分配除了上面描述的那些之外的其它打印流体，诸如例如荧光打印流体、增光剂、光泽调节剂等。

打印头组件400可包括平移系统，包括x方向平移机构和y方向平移机构，用于使打印头402和构造区域相对移动。x及y方向平移机构各自可包括例如平移发动机408x、408y和平移带410x、410y。在其它示例中，可以提供用于提供打印头402和构造区域的相对移动的其它机构。在一些示例中，可以省略x及y方向平移机构的一个或另一个，例如在打印头组件400为“页宽阵列”打印头组件的示例中。页宽阵列打印头可以用于提高装置100的吞吐量。

在一些示例中，打印头组件400包括z方向平移机构(未示出)。例如，z方向平移机构可以规定打印头402、404、406能够在分配时紧靠基板114。在一些示例中，打印头402、404、406可以基本上保持与基板114的最高表面相距0.25毫米至3毫米的距离。可以以基板114上光栅扫描动作来驱动打印头组件400，以使打印头组件400通过基板至少一次。可以执行打印头组件400的多次通过。

在一些示例中，打印头组件400可能不包括任意平移机构。例如，打印头组件400可为固定且静止的，反而滚筒108或构造区域102可相对于打印头组件400平移。

在一些示例中，打印头组件可包括围绕打印头402、404、406的隔热罩(thermalshield)(未示出)。此类隔热罩可有助于防止操作期间打印头402、404、406过热，从而提高打印头402、404、406的可靠性。另外或替代地，热遮板(thermal shutter)可实现盖住制造过程中在指定点不使用的喷嘴。在一些示例中，打印流体可流出打印头402、404、406，以使打印流体实现热平衡。这可促进稳定的分散。

在一些示例中，可以冷却打印头组件400。在一些示例中，操作期间打印头组件400的温度可以由热传感器(未示出)监控，并且可以基于热传感器指示的温度，控制打印头组件400的温度。

在一些示例中，温度传感系统可以用于获得基板114的温度图(thermal map)，以向定影仪118提供反馈，从而使得定影仪118能够被控制以提供对定影仪118发射的辐射的调节。这可促进补偿收缩和/或改进熔合均匀性。在一些示例中，可以基于温度图，用反馈来实现并行或串行的分段暴露。

在一些示例中，无色或中性色的吸收剂可以包含在着色剂中，并直接用着色剂分配。包含的无色吸收剂的量可取决于第一流体吸收电磁辐射的能力。在此类示例中，可以从打印头组件400中略去定影打印头404。在此类示例中，可使用无色或中性色的吸收剂来补偿三维对象的机械属性的变化，该变化是通过包含不同的着色剂以其它方式导致的。

在为随后的使用而回收利用未用的构造材料的增材制造方法中，可能期望最小化或防止具有着色剂的未熔合材料的污染，以便可以回收利用未熔合的材料。颜色污染可能限制将未熔化的粉末再用于随后的构造，增加了材料浪费和最终部件的成本，使得该系统不实用。为了使污染最小化，可以采用各种沉积策略，如下参考图5至8所述的。

在图5至8中，打印流体的液滴或离散体积由环表示。无阴影的环表示无色或中性色的打印流体的液滴或离散体积。有阴影的环表示包含着色剂的打印流体的液滴或离散体积。

图5示出了根据一个示例的沉积策略的示意性表示。在图5的示例中，用无色或中性色的打印流体的液滴点缀着色剂的液滴。结果为打印的部件在其整个结构中都是有色的。然而，通过改变对于着色剂的无色或中性色的吸收剂打印流体的相对量，可以分别地改变三维对象的机械属性和颜色。

如上讨论的，另外或替代地，分配的无色或中性色的吸收剂的量或体积可根据着色剂吸收电磁辐射的能力而变化。例如，相较于更强地吸收定影仪118发射的电磁辐射的着色剂，无色或中性色的吸收剂的量对于弱吸收定影仪118发射的电磁辐射的着色剂来说可能更大。

在一个示例中，可以使用具有六个打印头(即“沟(trench)”)的打印头组件400来实现此类沉积策略。一个沟可以用于各CMYK着色剂，一个沟可以用于无色或中性色吸收熔剂，并且一个沟可以用于细化剂。

图6为根据另一示例的沉积策略的示意性表示。在此示例中，在三维对象600的内部(对象的“核”中的那些)上沉积无色或中性色的吸收剂，并且将着色剂施加于对象110的外表面(“壳”)。由于三维对象600的主要部分由吸收剂所吸收的热形成，且相对少量的部分是通过着色剂吸收电磁辐射的动作而形成的，因此在着色剂的吸收电磁辐射的能力方面，三维对象600的机械属性不太容易改变。该壳的厚度可根据三维对象600的期望外观而变化。例如，该壳的厚度可在约100微米与约500微米之间。

图7为类似于图6所示的沉积策略的示意性表示。然而，在图7描述的策略中，仅三维对象700的可视外表面是有色的。

图8为当包含着色剂的打印流体中包括吸收剂时可以使用的沉积策略的示意性表示。在此示例中，打印流体包括着色剂，并且吸收剂均匀地沉积于整个三维对象800。

在某些示例中，处理器106可根据制造的三维对象的期望颜色属性和机械属性来采用策略的组合。

在一些示例中，由装置100分配的打印流体包括其它流体，诸如水、提供稳定的分散并改善“喷射”性能的分散剂、控制打印流体液滴的润湿性能的表面活化剂(从而确保液滴渗透基板114))、助溶剂(诸如脂肪醇、芳香醇、二元醇、乙二醇醚、聚乙二醇醚、己内酰胺、甲酰胺、乙酰胺和长链醇)，以在打印头离开覆盖站以使打印流体的蒸发可导致打印流体粘度变化(所谓的“开盖”性能)的示例，以及在残渣(debris)可在打印头上形成，可能导致液滴重量和/或液滴速率变化(所谓的“减速”性能)示例等中提供良好的沉积。在一些示例中，打印流体可包括提供用于x-y图像平面的校准的手段的UV标记，并可以提供对制造的三维对象110进行认证的手段。

上面描述的可以控制无色或中性色的吸收剂的量的示例可以便于控制三维对象的机械属性和颜色，并可以便于补偿三维对象的机械属性的变化，该变化是通过包含不同着色剂以其它方式导致的。例如，上面描述的示例可以便于形成具有在整个对象中都基本均匀的机械属性的多色三维对象。也就是说，机械属性可能不是颜色依赖的。替代地或另外地，控制无色或中性色的吸收剂的量可以便于有色三维对象110的机械属性方面的变化。也就是说，该对象的不同部分可以各自具有不同的机械属性。

可以单独地或结合描述的其它特征来使用关于任一示例所描述的任意特征，并且还可以结合任一其它示例的一个特征或多个特征、或任意其它示例的任意组合来使用。此外，还可以使用上面未描述的等同方式及修改。

Claims (12)

1.制造三维对象的装置，所述装置：

将第一流体施加在颗粒材料层上，所述第一流体包括着色剂；并且

将第二流体施加在所述颗粒材料层上，所述第二流体包括吸收具有800nm至1400nm的波长的电磁辐射的无色或中性色的吸收剂；

其中所述装置根据所述第一流体吸收电磁辐射的能力，将所述第二流体施加至所述颗粒材料层，包括：基于所述着色剂的颜色，控制施加在所述颗粒材料层上的所述第二流体的量，以形成具有在整个所述三维对象中均匀的机械属性的所述三维对象。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置根据所述着色剂的颜色，从各自具有不同的电磁吸收特性的多种流体选择所述第二流体。

3.制造三维对象的装置，所述装置包括：

分配装置，以将第一流体和第二流体分配在颗粒材料层上，所述第一流体包括着色剂，并且所述第二流体包括吸收具有800nm至1400nm的波长的电磁辐射的无色或中性色的吸收剂；和

处理器，以控制所述分配装置，从而在所述第一流体的电磁辐射吸收特性的基础上，分配所述第二流体，

其中所述分配器分配多种着色剂中的一种，并且所述处理器基于所述着色剂的颜色来控制所述第二流体的分配量，以形成具有在整个所述三维对象中均匀的机械属性的所述三维对象。

4.根据权利要求3所述的装置，包括电磁辐射源，以发射具有与所述吸收剂吸收电磁辐射并将吸收的电磁辐射转化为热能的波长相对应的波长的电磁辐射。

5.根据权利要求3所述的装置，包括提供机构，以提供所述颗粒材料层。

6.根据权利要求3所述的装置，其中所述分配装置包括第一分配器和第二分配器，其中所述第一分配器分配所述第一流体，并且所述第二分配器分配所述第二流体。

7.一种制造三维对象的方法，所述方法包括：

将第一流体施加在颗粒材料层上，所述第一流体包括着色剂；和

将第二流体施加在所述颗粒材料层上，所述第二流体包括吸收具有800nm至1400nm的波长的电磁辐射的无色或中性色的吸收剂；

其中所述第二流体的施加取决于所述第一流体吸收电磁辐射的能力，包括：基于所述着色剂的颜色，控制施加在所述颗粒材料层上的所述第二流体的量，以形成具有在整个所述三维对象中均匀的机械属性的所述三维对象。

8.根据权利要求7所述的方法，包括：用电磁辐射来照射具有施加至其的第一流体和第二流体的所述颗粒材料层，从而在所述颗粒材料层的已施有所述第一流体和所述第二流体中的至少一个的部分的附近熔化、烧结或熔合所述颗粒材料。

9.根据权利要求8所述的方法，包括在所述颗粒材料层上提供另一层颗粒材料。

10.根据权利要求7所述的方法，包括将第三流体施加在所述颗粒材料层的既未施加也不会施加所述第一流体和所述第二流体的部分，所述第三流体用来减少通过用电磁辐射的照射对所述颗粒材料层的加热。

11.根据权利要求7的所述方法，其中所述颗粒材料层上施有所述第一流体的区域基本上与所述颗粒材料层上施有所述第二流体的区域重叠。

12.根据权利要求7所述的方法，包括将所述第一流体施加至所述颗粒材料层的位于所述三维对象的外表面的部分，并将所述第二流体施加于所述颗粒材料层的位于所述三维对象的核内的部分。

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