用於產生高速三維物體列印的均勻材料沉積和固化的熱管理方法和裝置與流程
2023-05-18 06:52:06
本文中公開的系統和方法涉及產生三維物體的印表機，並且更特別地，涉及產生列印三維物體的均勻材料沉積和固化的高速三維物體印表機。
背景技術：
三維列印也稱為數字增材製造，是從數字模型製造實質上任何形狀的三維固體物體的過程。三維物體列印是增材過程，其中一個或多個列印頭在襯底上以不同形狀噴射材料的連續層。典型地，類似於文檔印表機中的噴墨列印頭的噴射器頭包括聯接到材料供給的噴射器的陣列。單個噴射器頭內的噴射器可以聯接到不同材料源或者每個噴射器頭可以聯接到不同材料源以使噴射器頭中的所有噴射器能夠噴射相同材料的滴。變為正在產生的物體的一部分的材料被稱為構建材料，而用於為物體形成提供結構支撐、但是隨後從物體去除的材料被稱為支撐材料。三維物體列印與主要依賴通過減材過程從工件去除材料的傳統物體形成技術(如切割或鑽孔)可區分。
儘管使用呈列印頭的形式的噴射器的三維物體印表機已作為可以提供噴射和紫外固化聚合物三維物體的高解析度的增材製造技術出現，但是仍然需要三維物體列印系統的處理速度和生產率的改善。多個列印頭的使用已被提出以通過在列印頭的更少通過(如單次通過)期間以更高噴射頻率沉積構建材料和支撐材料增加速度。然而，問題與更高噴射頻率和更少通過關聯。例如，在列印期間噴射的構建材料和支撐材料的體積可以多達在相同或更短時間上的以前的三維物體印表機的大約10倍。由於構建和支撐材料的小滴以高溫被噴射，因此由印表機產生的增加噴射速率可以升高已經形成的部件的部分的溫度，由此有害地影響噴射材料的部件精度。另外，對於紫外可固化構建和支撐材料，固化過程是發熱的。所以，取決於墨反應成分，稀釋劑和添加劑，以及進一步加熱印表機部件並且有害地影響部件精度的固化溫度，熱量在紫外固化期間被釋放。而且，當部件被帶到列印區域中以便進行下一層沉積時，它攜帶部件的所有熱歷史並且很可能不處於期望的溫度狀態。
所以，需要一種三維物體印表機，其補償在更高速度列印期間出現的熱效應。
技術實現要素：
在一個實施例中一種三維物體列印系統包括：多個噴射器，所述多個噴射器配置成噴射材料滴；臺板，所述臺板與所述多個噴射器相對定位以能夠用噴射的材料滴在所述臺板的表面上形成三維物體；加熱器，所述加熱器配置成加熱所述臺板的表面；傳感器，所述傳感器配置成生成對應於正在所述臺板的表面上形成的三維物體上的噴射材料的溫度的信號；輻射器，所述輻射器配置成將輻射引導到所述三維物體的噴射材料上；冷卻器，所述冷卻器配置成冷卻所述三維物體的噴射材料；以及控制器，所述控制器可操作地連接到所述多個噴射器、所述加熱器、所述傳感器、所述輻射器和所述冷卻器。
所述控制器配置成參考所述三維物體的數字圖像數據操作所述多個噴射器以朝著所述臺板噴射材料滴以形成材料層從而在所述臺板的表面上產生所述三維物體，操作所述加熱器以加熱所述臺板的表面，將從所述傳感器接收的信號與預定閾值比較，操作所述輻射器以輻射所述臺板上的所述三維物體的噴射材料，以及響應來自所述傳感器的信號超過所述預定閾值操作所述冷卻器以減小由被輻射材料產生的熱。
也公開一種操作三維物體列印系統的方法。在一個實施例中所述方法包括以下步驟：用控制器操作加熱器以加熱臺板的表面；參考三維物體的數字圖像數據用所述控制器操作多個噴射器以朝著所述臺板的表面噴射材料滴以形成材料層從而在所述臺板的表面上產生所述三維物體；用傳感器生成指示形成所述臺板的表面上的所述三維物體的噴射材料的溫度的信號；用所述控制器操作輻射器以發射輻射從而固化形成所述臺板的表面上的所述三維物體的噴射材料；以及響應來自所述傳感器的信號超過預定閾值用所述控制器操作冷卻器以減小來自被輻射材料的熱。
附圖說明
在結合附圖進行的以下描述中解釋補償物體的更高速度列印期間的熱效應的三維物體印表機的前述方面和其它特徵。
圖1是具有平面支撐構件、平整器輥、固化站、冷卻元件、加熱元件和調節站的三維物體列印系統的部分透視圖側視圖。
圖2是顯示為連接到控制器的圖1的三維物體列印系統的部件的示意圖。
圖3是操作圖1的三維物體列印系統的方法的示意圖。
具體實施方式
為了本文中公開的系統和方法的環境以及系統和方法的細節的一般理解，參考附圖。在附圖中，始終使用相似的附圖標記來標示相似的要素。
圖1顯示產生三維物體或部件110的三維物體印表機100中的部件的配置。當在本文中使用時，術語「三維物體印表機」指的是參考物體的圖像數據噴射材料以形成三維物體的任何裝置。印表機100包括支撐材料容器114，構建材料容器118，四個噴射器頭122、123、126、127，配置成冷卻物體110的多個冷卻元件130，加熱器132，平面支撐構件134，調節站138，溫度傳感器140，致動器142，控制器146，平面化器或平整器輥148，以及固化站150。管道150、152將噴射器頭122、123連接到支撐材料容器114並且管道154、156將噴射器頭126、127連接到構建材料容器118。儘管在圖1中顯示四個噴射器頭122、123、126、127，但是在其它實施例中使用五個、六個、八個或任何其它期望數量的噴射器頭。
一個和可能多個致動器142由控制器146控制以控制平面支撐構件134和噴射器頭122、123、126、127相對於彼此的運動。也就是說，一個或多個致動器可以可操作地連接到支撐列印頭的結構以參考平面支撐構件的表面在過程方向和交叉過程方向上移動噴射器頭。替代地，一個或多個致動器可以可操作地連接到平面支撐構件134以移動部件正在其上在過程和交叉過程方向上在平面支撐構件134的平面中產生的表面。當在本文中使用時，術語「過程方向」指的是沿著平面支撐構件34的表面中的一個軸線的運動並且「交叉過程方向」指的是沿著與該平面中的過程方向軸線正交的平面支撐構件表面中的軸線的運動。這些方向在圖1中用字母「P」和「C-P」表示。
噴射器頭122、123、126、127也在正交於平面支撐構件134的方向上移動。該方向在本文中被稱為豎直方向，並且在圖1中用字母「V」表示。在豎直方向上的運動由可操作地連接到平面支撐構件134的一個或多個致動器、由可操作地連接到噴射器頭122、123、126、127的一個或多個致動器或由可操作地連接到平面支撐構件34和噴射器頭122、123、126、127兩者的一個或多個致動器實現。這些各種配置中的這些致動器可操作地連接到控制器46，所述控制器操作致動器以在豎直方向上移動平面支撐構件34，噴射器頭122、123、126、127，或兩者。控制器146可操作地連接到噴射器頭122、123、126、127(圖2)。在某些實施例中，控制器配置成控制噴射器頭以在單次通過上相對於圖像數據沉積構建材料和支撐材料。
致動器142也可操作地連接到冷卻元件130、調節站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150。控制器146配置成控制致動器142以控制平面支撐構件134和冷卻元件、調節站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150相對於彼此的運動。也就是說，一個或多個致動器可以可操作地連接到支撐冷卻元件130、調節站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150的結構以參考平面支撐構件的表面在過程方向和交叉過程方向上移動調節站、平整器、溫度傳感器和固化站。
替代地，一個或多個致動器可以可操作地連接到平面支撐構件134以移動部件正在其上在過程和交叉過程方向上在平面支撐構件134的平面中產生的表面以便相對於冷卻元件130、調節站138、平整器輥148、溫度傳感器140和固化站150移動部件110。在圖1所示的特定實施例中，平面支撐構件134是傳送帶，其配置成相對於噴射器頭122、123、126、127，冷卻元件130，調節站138，平整器輥148和固化站150移動物體110。控制器146也可操作地連接到調節站138、溫度傳感器140、平面支撐構件134、平整器輥148和固化站150(圖2)。
控制器146在包括由噴射器頭122、123、126、127進行的材料的沉積、由平整器輥148進行的平整或平面化、由固化站150進行的固化和在調節站138處的溫度調節的列印過程期間控制溫度傳感器140以跟蹤物體110的溫度。例如，溫度傳感器140可以是紅外傳感器或其它公知的溫度測量裝置。在一些實施例中，溫度傳感器140包括相對於噴射器頭、平整器、固化站和調節站固定或可移動的多個溫度傳感器。在一些實施例中，溫度傳感器140配置成檢測物體100上的一個以上位置處的溫度。由冷卻元件130提供的空氣的溫度和量然後相對於在特定位置處檢測的溫度不同地被施加。
參考可操作地連接到控制器的存儲器中的三維物體圖像數據，噴射器頭122、123、126、127的每一個也由控制器146操作，從而朝著平面支撐構件134的上表面135噴射供應到列印區域中的每個相應的噴射器頭的支撐和構建材料。物體110大致在逐層的基礎上形成，其中構建和支撐材料在每層對應於圖像數據的位置處被噴射直到層達到相應物體高度並且物體110已形成。在一些實施例中，構建和支撐材料的每個層在噴射器頭相對於平面支撐構件134的單次通過中由噴射器頭122、123、126、127沉積。在一些實施例中，噴射到支撐構件的材料類似於聚碳酸酯或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料，並且是紫外可固化的。然而，可以使用任何期望材料。
在一個特定實施例中，構建和支撐材料在由噴射器頭122、123、126和127噴射之前被加熱到約80攝氏度的溫度。在材料被噴射到平面支撐構件134之後，材料在撞擊平面支撐構件的表面135時或撞擊先前的沉積材料層時快速地凝固或達到凝膠狀態。
控制器146也操作加熱器132以將列印區域處的平面支撐構件134的表面135加熱到期望溫度。加熱器132可以包括加熱元件(未顯示)，所述加熱元件可操作地連接到平面支撐構件以加熱支撐構件134。在其它實施例中，加熱元件包括熱燈，如紅外(IR)熱燈，微波加熱器，加熱墊，或任何其它期望的加熱元件。在加熱器包括紅外熱燈的一些特定實施例中，紅外熱燈是具有1或2微米峰率的Adphos紅外熱燈。然而，可以使用任何期望的加熱器。
在材料層已噴射到平面支撐構件134之後，控制器146控制致動器142以將平面支撐構件134移動到適當位置，其中部分形成的物體110在平整器輥148下方以平整物體110，在紫外固化站150下方以固化紫外可固化構建和支撐材料，並且在調節站138下方以將部件進一步冷卻到期望溫度，從而為另一材料沉積層準備物體110。
平整器輥148包括具有平滑表面的被加熱圓筒(未顯示)。控制器146控制平整器輥148的被加熱圓筒以與最近形成的層接合旋轉，由此熔化、轉移和去除最近形成的層的部分以提供用於待噴射的後續層的平滑和平坦表面。平整器還保證物體110處於後續層的材料沉積的正確高度。在一些實施例中，被加熱圓筒去除沉積材料的多達大約20％以提供具有明確限定的厚度的平滑層。相對於圓筒定位的刮刀(未顯示)保證附著到圓筒的材料從圓筒被刮除並且回收或以另外方式引導到例如接收器(也未顯示)中。
固化站150包括輻射裝置151，所述輻射器裝置配置成將輻射引導到由噴射器頭噴射到平面支撐構件134的材料以固化噴射材料。在一些實施例中，輻射裝置151是將電磁輻射引導到物體的輻射器。在其它特定實施例中，輻射裝置151是紫外(UV)燈，或一系列紫外光發射二極體(LEDs)，其朝著物體110發射紫外光譜中的電磁輻射以固化形成物體的材料。調節站138配置成在每一層材料沉積之後控制三維物體110的一部分的溫度以便使溫度達到最佳範圍以便進一步的材料沉積。如果物體110的先前層的溫度在下一層的沉積期間過高，噴射材料不能充分地凝固，導致層間配準誤差。如果物體110的先前層的溫度在下一層的沉積期間過低，材料可能具有朝著先前層的更弱附著，導致各向異性機械性質和過早機械故障，例如，楊氏模量在X-Y方向上較強，但是在Z方向上較弱。
在所示的實施例中，調節站138包括配置成相對於由溫度傳感器140感測的溫度冷卻物體110的冷卻裝置160，和配置成相對於由溫度傳感器140感測的溫度加熱物體110的加熱裝置162，從而保證物體110的溫度(更特別地，物體110的頂表面溫度)在某個範圍內以便以正確的配準、精度、表面光潔度和機械性質構建部件。在一些實施例中，優選溫度略低於墨凝固溫度以保證材料小滴的快速凝固，以及層之間的良好附著。對於一些材料該溫度在約40到約50攝氏度的範圍內，但是溫度與材料的性質相關。冷卻裝置160可以是配置成朝著物體110引導空氣的一個或多個風扇，其中控制器配置成控制從一個或多個風扇朝著墨引導的空氣的空氣速度和/或溫度。在一些實施例中，風扇可以被聯接以在控制器的控制下從合適的製冷氣體源(未顯示)接收和吹送製冷空氣或其它氣體。可以使用冷卻裝置的任何期望類型。
調節站138的加熱裝置162配置成加熱物體110。加熱裝置可以是加熱元件，如熱燈，微波加熱元件，或任何其它期望的加熱元件。調節站138相對於由溫度傳感器140感測的溫度繼續冷卻和加熱過程直到物體110的表面已達到期望溫度。物體110然後被帶到列印區域以便由噴射器頭122、123、126、127進行另一材料層沉積，並且噴射、平整、固化和調節的過程逐層地重複直到形成物體110。
三維物體印表機100還配置成當物體在列印區域中、由平整器輥148平整時和在固化站150中固化期間用冷卻元件130主動冷卻物體110。控制器146基於由來自溫度傳感器140的溫度數據形成的三維物體110的溫度操作冷卻元件130。在特定實施例中，控制器146配置成控制冷卻元件130以將物體110冷卻到當使用紫外材料時允許有效的紫外固化的期望固化溫度。在圖1所示的實施例中，冷卻元件130包括在列印區域中循環空氣的一個或多個冷卻風扇。由每個風扇產生的流量和空氣的溫度由控制器146可變地控制以保證物體的溫度在預定範圍內。如果溫度過高，一個或多個風扇被操作以冷卻三維物體。在圖1所示的實施例中，冷卻元件130獨立於噴射器頭122、123、126、127。在其它實施例中，冷卻元件可以定位在噴射器頭之間。在一些實施例中，冷卻元件與噴射器頭一起移動。
在一個實施例中，冷卻元件130被控制以將部件的表面的溫度保持在預定範圍內以增強材料的性質，如上面描述的結合或另一性質。在一些實施例中，除了別的因素之外，取決於噴射以形成物體的材料的類型選擇特定範圍。可以經驗地確定提供增強性質的溫度範圍。在某些實施例中，選定範圍可以為約35℃到約100℃；然而，取決於正在噴射的材料和經驗數據，選定範圍可以是該範圍內的範圍。而且，如下面更詳細地所述，通過相對於由溫度傳感器140檢測的溫度控制加熱器132、冷卻元件130和調節站138，通過物體110的厚度的溫度梯度可以準確地保持在期望範圍內。
在一些實施例中，當物體110由平整器輥148平整、由固化站150固化和由調節站138冷卻或加熱時，溫度傳感器140被控制以繼續檢測物體110的溫度，並且加熱器132、冷卻元件130和調節站138被控制以保持在列印區域之外的物體110的期望溫度梯度。所以，在某些實施例中，控制器146配置成在整個列印過程期間收集物體110(特別地，物體110的表面)的溫度數據。基於檢測到的溫度，控制器146在包括每一層的材料沉積、平整和固化的整個列印過程期間控制冷卻元件130、加熱器132以及調節站138的冷卻裝置160和加熱裝置162以保證物體110的表面的溫度在最佳範圍內。
多個列印頭的使用已被提出以通過以更高噴射頻率並且在列印頭的更少通過中沉積構建材料和支撐材料增加速度。然而，問題與更高噴射頻率和更少數量的通過關聯。例如，在列印期間噴射的構建材料和支撐材料的體積可以多達以前的三維印表機的大約10倍，並且甚至可以在更短時間內噴射材料的增加體積。在沉積期間，由印表機噴射的被加熱墨小滴可以升高已經形成的部件的部分的溫度，由此有害地影響噴射材料的位移精度。另外，當使用紫外可固化構建和支撐材料時，用於固化由列印頭噴射的紫外墨層的固化過程是發熱過程。當使用紫外可固化墨時，在構建和支撐材料的每個層被噴射到平面支撐構件34之後，平面支撐構件34移動物體10經過紫外固化站38，並且紫外固化站中的發射器(未顯示)朝著物體110發射紫外光譜中的電磁輻射以固化墨。
圖3描繪操作三維印表機以在逐層的基礎上形成三維物體的方法200。該過程開始於在控制器的控制下操作加熱器以加熱三維物體印表機的臺板的表面(方塊210)。在控制器的控制下參考三維物體的數字圖像數據操作多個列印頭以朝著臺板的表面噴射材料滴以形成材料層從而在臺板的表面上產生三維物體(方塊216)。溫度傳感器生成指示在列印表面上形成的材料層的溫度的信號(方塊222)並且參考指示在列印表面上形成的材料的溫度的信號控制冷卻元件以減小來自臺板的表面上的噴射材料的熱(方塊228)。控制平整器以平整在臺板的表面上形成的三維物體的表面(方塊234)並且由控制器控制輻射器以發射輻射從而固化臺板上的噴射材料(方塊240)。由控制器控制調節站的冷卻裝置以減小來自臺板的表面上的噴射材料的熱直到材料達到預定溫度(方塊246)。