用具有不同性質的不同材料構建三維列印物體的系統和方法與流程

2023-09-12 12:27:45

本文中公開的系統和方法涉及三維列印物體的製造，並且更具體地，涉及使用具有不同性質的材料構建三維物體。

背景技術：

數字三維物體製造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，其中在襯底上以不同形狀形成材料的連續層。可以通過噴射粘合劑材料、定向能量沉積、擠出材料、噴射材料、熔融粉末床、層壓片材或將液體光聚合物材料暴露於固化輻射來形成層。其上形成有層的襯底支撐在平臺上，所述平臺可以通過可操作地連接到平臺的致動器的操作三維地移動，或者材料沉積裝置可操作地連接到一個或多個致動器以便控制沉積裝置的運動以產生形成物體的層。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。

三維列印的增材製造可以包括使用具有多種競爭性質的材料。例如，在列印電氣裝置的電絕緣結構內或上形成導電路徑可以包括在由紫外線(uv)可固化聚合物製成的電絕緣結構內或上提供水性或溶劑基金屬膠體溶液。導電材料可以具有與絕緣結構非常不同的固化和燒結條件。聚合物典型地需要少得多的能量來結合該層，而金屬溶液需要高得多的溫度來熔合在一起。聚合物材料暴露於金屬膠體溶液結合過程的更高熱可能不利地影響聚合物的結構。因此，電跡線的形成可以在與形成電絕緣結構不同的時間發生以避免該暴露。另外，當水或溶劑揮發時，金屬膠體溶液的體積顯著減小。然而，uv可固化聚合物或其它電絕緣材料的液滴保持當它們被噴射時液滴具有的大致相同的體積。通過材料的固化、乾燥和燒結產生的兩種材料的不同體積在層中產生空隙或凹陷。因此，形成於該不均勻層上的後續層在它們的結構上會具有變形。因此，用於製造物體的不同材料的施加、乾燥、固化和燒結的協調對於物體中的層的可靠和水平形成是重要的。使部件的層能夠參考材料的不同性質以及它們的乾燥、固化或燒結形成的增材製造工藝將是有益的。

技術實現要素：

在三維列印物體的增材製造期間協調具有不同性質的材料的固化、乾燥和燒結的增材製造方法包括：用控制器接收對應於將由增材製造系統形成的物體的繪製數據，用所述控制器參考接收到的繪製數據識別用於形成物體的層的至少兩種材料，所述至少兩種材料中的一種材料具有與所述至少兩種材料中的另一種材料的材料性質不同的材料性質，用所述控制器識別每個不同材料性質的量化，用所述控制器參考每個不同材料性質的被識別的量化修改繪製數據，以及用所述控制器操作材料施加器，所述材料施加器配置成將具有不同材料性質的兩種材料施加到正形成的物體，參考經修改的繪製數據操作所述材料施加器。

在三維列印物體的增材製造期間協調具有不同性質的材料的固化、乾燥和燒結的增材製造系統包括：第一材料施加器，所述第一材料施加器配置成將第一材料施加到正由所述增材製造系統形成的物體；第二材料施加器，所述第二材料施加器配置成將第二材料施加到正由所述增材製造系統形成的物體，所述第二材料具有與所述第一材料的材料性質不同的材料性質；以及控制器，所述控制器可操作地連接到所述第一材料施加器和所述第二材料施加器。所述控制器配置成：接收對應於將由所述增材製造系統形成的物體的繪製數據，參考接收的繪製數據識別正在用所述第一材料和所述第二材料形成的物體的層，識別所述兩種材料的每種材料性質的量化，參考每種材料的材料性質的被識別的量化修改接收的繪製數據，以及參考經修改的繪製數據操作所述第一材料施加器和所述第二材料施加器。

附圖說明

在結合附圖進行的以下描述中解釋方法和系統的前述方面和其它特徵。

圖1顯示可以在三維列印物體的增材製造期間協調具有不同性質的材料的施加、固化、乾燥和燒結的增材製造系統。

圖2示出用於在三維列印物體的增材製造期間操作增材製造系統以協調具有不同性質的材料的施加、固化、乾燥和燒結的過程。

具體實施方式

為了本文中公開的系統和方法以及系統和方法的細節的一般理解，參考附圖。在附圖中，相同的附圖標記表示相同的元件。

圖1顯示噴射至少兩種不同材料以在正形成的物體的層內形成區域的三維物體印表機或增材製造系統100。印表機100包括臺板104和至少一對材料施加器108a、108b。儘管以下討論將材料施加器描述為噴射器頭，但是可以使用其它類型的材料施加器，如擠出機、噴霧器等。每個噴射器頭108a和108b具有多個噴射器，其配置成朝著臺板104的表面112噴射材料滴以在三維物體(例如部件126)的層內形成區域。在本領域中眾所周知，這些層內的支撐區域也可以用其它材料形成以允許部件特徵形成。噴射器頭108a、108b、乾燥器116、可尋址燒結裝置120和固化裝置124安裝到構件128，所述構件可操作地連接到一個或多個致動器132，使得構件可以移動以相對於臺板104在過程方向p、交叉過程方向cp和豎直方向v上定位這些部件。

印表機100包括可操作地連接到至少兩個噴射器頭108a、108b、乾燥器116、可尋址燒結裝置120、固化裝置124和一個或多個致動器132的控制器136。控制器136配置成參考已繪製成在臺板112上形成三維物體(例如部件126)的層的物體圖像數據操作噴射器頭108a、108b。為了形成三維物體的每一層，控制器136操作印表機100以在過程方向p和交叉過程方向cp上一次或多次地掃掠噴射器頭108a和108b，同時將材料滴噴射到臺板104上或先前形成的層上。在形成每一層之後，噴射器頭108可以在豎直方向v上遠離臺板104移動以開始列印下一層。

如下所述，控制器136以預定順序作業系統100中的各種部件以用由噴射器頭108a和108b噴射的具有不同體積減小率的不同類型的材料在絕緣結構上形成導電跡線。如該文獻中所使用的，「體積減小」是指在材料的乾燥、固化或燒結期間發生的材料體積的收縮。例如，系統100中的噴射器頭108a噴射具有比由噴射器頭108b噴射的材料的收縮率更低的收縮率的材料。在圖1所示的實施例中，噴射器頭108a噴射適合於形成絕緣結構的聚合物，而噴射器頭108b噴射適合於在聚合物絕緣結構上形成導電跡線的導電墨。儘管系統100被描述為具有用於不同材料的不同噴射器頭，但是噴射器頭可以配置有多組噴射器，其中一些噴射器噴射一種材料並且一些噴射器噴射另一種材料。

控制器136可操作地連接到存儲器138，其中在所述存儲器中存儲由系統施加以形成物體的材料的不同的可量化性質，例如體積減小或收縮率。如該文獻中所使用的，術語「材料性質」是指操作或調節三維列印系統的操作可以參考的材料的經驗可量化的性質。也如該文獻中所使用的，材料性質的「量化」是指識別預定量的材料的材料性質的數據。例如，材料的「體積減小率」或「收縮率」性質的量化是指量化在被施加材料的乾燥、固化或燒結期間在指定體積的被施加材料中發生的減小量的數據。圖1的控制器136使用這些數據來確定施加到正在生產的部件的材料之間的差異，例如由層中的材料的固化、乾燥或燒結導致的層中的不同材料滴之間的不同體積，或用於材料的不同暴露時間或固化條件。控制器136使用這些材料差異來修改材料中的一種材料的繪製層數據，使得部件的每個層內的材料可以以減弱否則將由不同材料性質導致的不利影響的方式被施加、乾燥和燒結。為了便於該文獻中的繼續討論，術語「固化」是指將被施加材料結合在一起的對被施加材料執行的任何操作。「乾燥」是指主要從具有相對較高體積減小率的溶液去除溶劑的操作，並且「燒結」是指主要將相鄰的乾燥溶質層彼此結合的操作。這些操作包括但不限於暴露於輻射，熱處理，加入化學品等。

在系統100中，乾燥器116是具有空氣推進器(如輻射熱源和風扇)的熱輻射源，但是也可以使用其它類似的裝置。圖1中的可尋址燒結裝置120是雷射器，其配置用於參考對應於正被列印的物體中的層的繪製數據而移動，但是可以使用其它燒結裝置。固化裝置124是發射用於聚合合適材料的紫外線(uv)輻射的輻射器，但是也可以使用其它固化裝置。

圖2中所示的過程200用於作業系統100以用至少兩種不同材料形成部件或物體。過程正在執行一些任務或功能的陳述是指控制器或通用處理器執行存儲在可操作地連接到控制器或處理器的非暫時性計算機可讀存儲介質中的編程指令以處理數據和作業系統中的一個或多個部件以執行任務或功能。上述印表機100的控制器136可以配置有部件和編程指令以提供執行過程200的控制器或處理器。替代地，控制器可以用一個以上的處理器和關聯的電路和部件實現，其中的每一個配置成形成本文中所述的一個或多個任務或功能。

方法200開始於接收從諸如噴射器頭108的材料施加器噴射的每種材料的繪製層數據(框204)。該過程繼續確定具有不同材料性質的材料是否處於將在物體中形成的層中(框208)。如果在層中正使用具有類似材料的一種或多種材料，則操作材料施加器以形成具有這些材料的層，然後適當地固化該層(框212)。例如，在正在圖1中形成的部件126中，底部的兩個層僅由可用於構建基礎的聚合物形成。因此，控制器使用該層的繪製數據來操作噴射器頭108a以形成第一層，然後在下一層用來自噴射器頭108a的材料形成且用裝置124固化之前操作固化裝置124以固化噴射的材料。對於用具有不同材料性質的兩種材料形成的層，識別每種材料的一種或多種性質的量化(框216)，並且該過程參考量化的材料性質修改每種材料的繪製層數據(框220)。然後使用經修改的繪製數據來操作材料施加器以適當地用不同材料形成層(框230)。例如，可以修改繪製數據以使兩種材料能夠在不同時間施加到正在形成的物體，使得它們可以在不同時間被處理而不會使材料暴露於不利的環境條件。然後通過參考量化的材料性質操作部件對材料執行預定操作，從而以適當的順序處理層中的被施加材料以完成正在形成的層而不過度地將材料暴露於不利的環境條件等(框236)。在部件126中，這些預定操作可以包括控制器操作固化裝置、乾燥裝置和燒結裝置以在不同時間固化、乾燥或燒結不同的材料。材料施加器、乾燥裝置、固化裝置和燒結裝置的操作可以包括用控制器操作一個或多個致動器以參考正在形成的物體移動這些部件。

進一步參考過程200，可以使用諸如表面光度儀的光學裝置生成固化層的圖像數據以使該過程能夠驗證層是否足夠水平以用於連續產生部件(框240)。如果適當地形成層(框244)，則該過程確定是否將形成另一層(框248)，如果是，則繼續識別下一層中的材料(框208)。如果不適當地形成層，則採取補救措施(框252)，或者如果將不形成附加層，則該過程停止(框256)。

在用於作業系統100的過程200的一個示例中，用具有小於用於形成絕緣結構內或上的導電跡線的另一種材料的體積減少率的體積減少率的材料性質的材料形成電絕緣結構。該方法確定具有不同體積減小率的材料是否處於將在物體中形成的層中，並且如果是，則識別每種材料的體積減小量。然後該過程參考兩個體積縮小率來修改材料的繪製層數據以使噴射材料的一組噴射器能夠被操作以形成層的一部分，並且操作固化裝置以固化噴射的材料。然後在適當的時間對被施加材料執行預定操作從而以不同順序固化、乾燥和燒結不同材料持續適當的暴露時間。因此，一定量的導電墨可以被施加到固化的電絕緣結構以產生大於絕緣結構的高度的高度。在對導電墨進行乾燥和燒結操作之後，用具有較高體積減小率的材料形成的燒結材料的高度近似於用具有較低體積減小率的材料製成的電絕緣結構的高度。讀者應當注意，燒結和乾燥的次數不一定必須匹配。例如，可以將導電墨的四個層施加到電絕緣結構，並且可以單獨乾燥每個層，但是每隔一層進行燒結。因此，對層執行四次乾燥處理，而僅發生兩次燒結處理。在被施加層上使用的處理的其它組合是可能的。