製造三維物體的製作方法

2023-06-03 07:36:46 8

背景技術：

已經作為生成三維物體的潛在方便方式而提出了基於逐層而產生或製造三維物體的增材製造系統。

在這種增材製造系統中，可以使用能量源以加熱構建材料和試劑。

附圖說明

為了更好地理解在此所述的示例，以及更清楚地顯示可以如何實現示例，現在藉由非限定性示例的方式參考以下附圖，其中：

圖1示出了待列印的三維物體的示例；

圖2示出了在製造過程期間的溫度曲線的示例；

圖3示出了在製造過程期間溫度曲線的另一示例；

圖4示出了在製造過程期間溫度曲線的又一示例；

圖5示出了由本公開所提供的方法的示例；

圖6示出了根據本公開示例的溫度曲線的示例；以及

圖7示出了根據本公開的設備的示例。

具體實施方式

生成有形三維物體的過程可以包括一系列階段，其包括形成構建材料的層，選擇性地輸送試劑(例如熔劑，其包括例如聚結劑和/或聚結改性劑和/或一些其他形式試劑)至構建材料層的表面的至少一部分，以及臨時地施加能量至構建材料層。能量的臨時施加可以引起試劑已經輸送或已經穿透在其上的構建材料的一部分加熱升溫至構建材料和試劑開始聚結的溫度點之上。該溫度可以稱作熔化溫度。一旦冷卻，已經聚結的部分變為固態並且形成了所生成的三維物體的一部分。這些階段可以隨後重複以形成三維物體。其他階段和工序也可以用於該過程。

在此所述的示例中，試劑(可以包括聚結劑和/或聚結改性劑，或其他形式試劑)可以包括可以使用任何合適的流體輸送機構、也稱作試劑分配器而輸送的流體。在一個示例中，試劑以微滴形式輸送。在一個示例中，聚結劑可以是強光吸收劑，例如，諸如色素著色劑。

根據在此所述一些示例的試劑分配器可以包括列印頭，諸如熱列印頭或壓電列印頭。在一個示例中，可以使用列印頭，諸如用於商業可應用噴墨印表機中的合適的列印頭。

聚結改性劑可以用於各種目的。在一個示例中，聚結改性劑可以與輸送聚結劑所在位置相鄰而輸送，例如用以幫助減小橫向聚結滲透的效果(也即幫助防止聚結劑滲透至構建材料的相鄰區域中)。這可以例如用於改進物體邊緣或表面的清晰度或精確度，和/或減小表面粗糙度。在另一示例中，聚結改性劑可以與聚結劑交替輸送，可以用於使得與僅已經施加聚結劑的物體的一部分相比改性了物體特性。

在此所述的示例中，涉及構建材料可以包括例如基於粉末構建材料的構建材料。如在此所使用，術語基於粉末材料意在包括乾式和溼式基於粉末材料、顆粒材料和粒狀材料。在一個示例中構建材料可以是通常弱光吸收聚合物粉末媒介。在另一示例中構建材料可以是熱塑性的。

在此所述的示例中，可以通過順序地一個在另一個頂部上層疊並熔化構建材料層而構建三維物體。每個構建材料層沉積在前一個層之上並且形成了在此稱作構建表面的平坦表面。

圖1示出了將要逐層的物體的示例403_1、403_2、403_3，其中圖1示出了生成了正在生成的3d物體的切片的層的表面。構建材料的連續層沉積在構建表面或處理基床之上。在該示例中構建表面被劃分為多個區域401。多個區域的每一個可以基本上相同大小或者可以大小變化。多個區域形成了區域401_1_1至401_m_n的m×n陣列。在圖1中所示的示例中，第一物體403_1佔據五個區域。

在3d物體的生成期間例如使用能量源、諸如加熱整個構建表面的燈或輻射源、或者用於加熱處理基床的區域的一組燈或輻射源而加熱構建表面或處理基床。

圖2示出了對應於在列印期間已經被試劑(例如聚結劑和/或聚結改性劑或其他試劑)覆蓋的構建表面的不同深度(高達1cm深度)的溫度曲線的示例。每個曲線分別代表在表面處或在某一深度處的溫度。例如，標註為31的曲線示出了在試劑覆蓋部分的表面處的溫度，曲線32示出在0.05cm深度處溫度，曲線33示出在0.11cm深度處溫度，曲線34示出在0.26cm深度處溫度，曲線35示出在0.53cm深度處溫度，曲線36示出在0.79cm深度處溫度，以及曲線37示出在1cm深度處溫度。向下的尖峰代表當試劑沉積在構建材料之上時(例如在列印或沉積試劑期間)的時刻。尖峰之前的溫度代表施加至構建材料的預加熱溫度，以及尖峰之後的溫度對應於施加用於將構建材料的區域與沉積其上的試劑聚結的熔化溫度。

圖3示出了由能量源例如滷素燈在已經採用試劑列印或覆蓋的區域之上所引起的加熱效應的跡線。例如由滷素燈熔化而加熱構建表面提供了熔化，但是也提供了透射至原始構建材料(也即構建材料的沒有試劑沉積其上的區域，也在此稱作白色區域)的不受控制的過量能量。標註41的尖峰對應於當沉積試劑時溫度的突降，如之前圖2中所解釋。標註43的區域對應於當能量源諸如滷素燈將構建材料的一部分與聚結劑一起加熱至熔化溫度、也即至其上具有聚結劑的構建材料的區域開始熔化的溫度時的時間段。標註45的區域對應於當再塗覆機鋪設構建材料的新層而構遮蔽構建材料避開能量源、因此使得被遮蔽區域溫度突降時的時間段。

圖4示出了在構建表面上列印或分布試劑並且加熱構建表面至熔化溫度以使得具有構建材料和列印試劑的區域開始熔化的階段期間溫度演化的示例。標註51的曲線示出了對於在構建過程期間構建表面的被試劑覆蓋部分的溫度曲線的示例，虛劃線53代表對於熔化的目標溫度。標註55的曲線示出了在構建過程期間對於原始構建材料的溫度曲線的示例，點劃線57代表對於原始構建材料的目標溫度。在一些示例中，對於原始構建材料的目標溫度對應於預加熱溫度。可以由屏蔽構建表面避開能量源的支架、或者由沉積試劑的試劑分配器而引起溫度的突降(採用參考數字52標註)，這可以導致溫度突降，例如以上圖2和圖3中所述。響應於溫度的突降，可以經由能量源施加能量以補償該溫度的突降。在標註56的時間段中，這可以導致過熱。這可以導致能量的過度，這通過不必要地提高不具有聚結劑區域(也即原始構建材料)的溫度而減小了選擇性。

在此所述的示例涉及一種用於在3d物體的製造期間加熱表面、也即控制用於生成三維物體的設備中溫度的方法和設備。用於三維列印的設備的性能可以取決於工藝的可重複性以及構建物之間的一致性。為了獲得一致地高品質構建物，在示例中可以將構建表面的溫度分布控制在窄範圍(例如±1℃)內。也可以需要在構建表面之上溫度分布的均勻性。這可以包括動態地修改熱量分布和溫度測量以對於變化的表面熱量分布快速做出反應。與此同時，可以提供精細微粒臨時溫度控制以使得為加熱子系統提供選擇性能量供給以使得在正確的時刻並採用最佳能量的量執行材料的相變，而並未危害材料的選擇性。材料的選擇性涉及當施加相同量的能量至由試劑所覆蓋的區域時相對於並未被試劑所覆蓋區域而出現的表面溫度間隙。在此所述的示例中，材料選擇性、或表面溫度間隙足夠大以使得塗覆具有試劑的區域可以加熱至熔化所需的溫度，而並非覆蓋試劑的區域不開始熔化。

在此所述的示例涉及一種控制由能量源施加至構建表面上構建材料層的能量、以使得在加工處理的每個階段(例如散布、列印/分配聚結劑/改性聚結劑，熔化)處構建材料的層處於製造優良部件品質的最佳溫度。

圖5示出了根據本公開的方法。方法包括501，使用來自表面上的第一位置處的第一溫度反饋信號在製造工藝的第一階段期間控制由能量源輻射的能量。方法包括503，使用來自表面上的第二位置處的第二溫度反饋信號在製造工藝的第二階段期間控制由能量源輻射的能量。

例如，第一階段可以涉及製造工藝的預加熱階段，在此時期間從包括原始構建材料例如白色粉末的構建表面的區域接收第一溫度反饋信號。因此，在該示例中，方法包括監視第一位置的溫度，其中第一位置其上具有原始構建材料，並且使用該監視到的溫度作為第一溫度反饋信號。

第二級可以包括例如熔化階段，在此期間其上具有試劑的構建材料的區域被加熱至熔化溫度，在此期間從包括被列印或處理的構建材料(也即其上具有沉積的試劑的構建材料)的構建表面的區域接收第二溫度反饋信號。因此，在該示例中，方法包括監視第二位置的溫度，其中第二位置其上沉積具有試劑，並且使用該監視到的溫度作為第二溫度反饋信號。

因此，在一個示例中第一階段包括預加熱階段，而第二階段包括熔化階段。

在一個示例中，方法可以包括控制能量源以基於第一溫度反饋信號在第一階段期間將表面加熱至第一目標溫度，以及控制能量源以基於第二溫度反饋信號在第二階段期間將表面加熱至第二目標溫度。在一個示例中，可以在第一階段期間將整個構建表面(或粉末基床)均勻地加熱至預加熱溫度，以及在第二階段期間將整個構建表面(或粉末基床)均勻地加熱至熔化溫度。在另一示例中，不同的區域可以取決於它們中是否具有試劑而具有不同的目標溫度和反饋信號。在另一示例中，可以在第一階段期間將特定區域的溫度加熱至預加熱溫度並且在第二階段期間加熱至熔化溫度，在不同階段期間採用從該區段內不同區域獲取的反饋信號，例如在第一階段期間來自該區段的白色區域(其上不具有施加的試劑)，以及在第二階段期間來自採用試劑覆蓋的區域。構建過程可以因此包括不同的周相或階段，對於根據在該周相或階段中採取什麼動作而確定或選擇的每個周相或階段具有參考溫度。在一個示例中，可以動態地改變讀取溫度所在的點(或位置)。也可以同時地處理不同的溫度參考點，例如對於不同和/或獨立的工藝。

在一個示例中，從位於構建表面之上的熱傳感器、熱度計、或熱成像相機接收第一溫度反饋信號。在一些示例中，從位於構建表面之上的熱傳感器、熱度計、或熱成像相機接收第二溫度反饋信號。第一和第二溫度反饋信號可以監視構建表面的相同區域、或者構建表面的不同區域、諸如構建表面的相鄰非重疊區域、或者在一些示例中構建表面的不同非相關區域的溫度。在一些示例中，構建過程的第一階段可以是在採用新構建材料層再塗覆構建表面與將聚結改性劑或聚結劑列印或分配至構建材料層上之間的階段。在另一示例中，構建過程的第一階段可以是在採用新構建材料層再塗覆構建表面至當在構建材料層上的被列印試劑諸如聚結改性劑或聚結劑已經開始聚結或熔化時之間的階段。在一些示例中，第二階段可以對應於當構建材料層被加熱至熔化溫度以熔化構建材料層的已經採用聚結劑或聚結改性劑列印了的區域時。在其他示例中，構建過程的第一和第二階段可以對應於構建過程的不同階段。

從上述示例，層列印過程可以包括將層列印過程(或製造過程)劃分為多個階段或周相，其中在不同的周相期間使用不同的目標溫度和不同的測量區域。作為示例，第一周相的目標可以是在所有列印基床或構建表面之上達到穩定和均勻的溫度，使用原始粉末溫度作為參考。然而，當採用試劑例如聚結劑和/或改性聚結劑和/或其他試劑列印截面時，如上所述，某些事件可以引起溫度的下降。首先，當列印試劑材料時執行該操作的支架可以遮蔽構建表面的區域避開加熱系統，這可以導致構件表面的溫度的輕微下降。其次，由描繪了截面的筆所沉積的試劑可以在被列印區域上引起溫度下降加重，與沒有施加試劑的剩餘區域相比。在一個示例中，在被遮蔽區域消失不久之後，溫度控制器檢測島基床上溫度衰減並且增大所施加的能量以恢復損失的溫度。在該時間段期間，採用試劑覆蓋的被列印部分累積更多溫度並且到達熔點，而粉末覆蓋的區域達到目標溫度(歸功於試劑材料所提供的選擇性)。在該點處，根據在此所述的示例，通過從使用第一溫度反饋信號改變至使用第二溫度反饋信號、也即改變對於截面試劑覆蓋區域的參考溫度測量而維持由試劑所覆蓋截面的熔化。在一個示例中，以該方式改變溫度反饋信號可以避免溫度控制機制趨向於縮減所施加的能量(當達到目標時)，此時其上具有聚結劑的截面仍然並未完全與構建材料熔化。

在一個示例中，在使用第二溫度反饋信號一段時間之後，例如數毫秒，材料被熔化，並且方法可以返回至使用第一溫度反饋信號，也即返回至監視原始構建材料區域(白粉末)，因為施加太多能量可以縮減在試劑覆蓋部分與原始材料部分之間的選擇性。

該溫度反饋信號變化的效果示出在圖6的示例中。標註61的曲線示出在構建過程期間對於構建材料的其上具有沉積試劑的區域的溫度曲線的示例，虛劃線63代表對於構建材料的其上具有沉積試劑的區域的目標溫度。標註65的曲線示出在構建過程期間對於原始構建材料的溫度曲線的示例，點劃線67代表對於原始構建材料的目標溫度。在該示例中，初始地將溫度控制在對於原始構建材料的目標溫度67處(白色目標溫度)，例如使用可以從構建表面的包括原始構建材料的區域獲取的第一溫度反饋信號。如上所述，溫度的突降可以由支架屏蔽構建表面避開能量源、或者由沉積試劑的試劑分配器引起，兩者可以引起溫度跌落。在此時刻，根據示例，系統改變至使用例如從構建材料的被試劑所覆蓋的區域獲取的第二溫度反饋信號以控制能量源。在該周相期間，控制溫度以達到對應於聚結劑或聚結改性劑的目標溫度63的第二目標溫度。結果在圖6中由參考標記64示出，由此可見，試劑的溫度上升以匹配其目標溫度63。標註66的曲線的一部分示出能量調製是基於在白色(也即原始構建材料)區域上溫度引起某些撥動的試劑覆蓋區域，然而當所輸送能量最優以維持材料的狀態改變時，在原始構建材料(白色區域)上沒有顯著的溫度變化。

以該方式可以通過改變目標溫度和對於傳感器的參考而優化能量使用，因此在材料的相變期間，能量源調製對準熔化溫度而不是白色溫度。

在一個示例中，溫度控制機制可以在一層的列印期間不同階段處、或者在不同層的列印期間使用不同的參考溫度讀數(例如來自白色區域，來自有色區域，來自試劑覆蓋區域等)。

相變可以由事件、時間約束、溫度讀數、或可以受益於參考改變的任何其他事件而觸發，因此改進了列印過程。因此，第一和第二階段之間的變化可以由事件的發生、時間段流逝、或達到閾值的溫度信號而觸發。

可以編程能量源控制系統例如燈控制子系統以在所有列印基床之上實現目標的穩定和均勻的溫度。這可以通過控制向加熱列印或構建表面的一組燈所提供的能量的量而實現。一組溫度傳感器(例如紅外傳感器、熱相機等)可以用於永久地讀取當前表面溫度。可以使用多個傳感器、熱相機等，每一個監視在列印基床上的幾乎非重疊區域。

在一個示例中，使用來自傳感器的輸入構建溫度地圖並用於饋送燈控制迴路。此外，在每個列印層處，可以向燈控制迴路報告圖像截面信息。控制迴路可以根據其位置、當前溫度、目標溫度以及圖像信息而計算將要向燈子系統施加的能量。可以提供根據在此所述示例的溫度控制機制以將每個傳感器位置與所列印圖像的位置匹配，並且因此理解什麼溫度讀數對應於什麼圖像部分。位置校準機制可以用於確定之前所述的匹配。

在一個示例中，確定第一位置或第二位置包括分析從熱或光學成像接收島的圖像數據以確定構建材料的具有試劑沉積在其上的區域，或者構建材料的不具有試劑沉積在其上的區域。在另一示例中，確定第一位置或第二位置包括分析3d物體的規格數據以確定構建材料的具有試劑沉積在其上的區域，或者構建材料的不具有試劑沉積其上的區域。在一個示例中，可以基於在該區域或區段中發現的試劑的百分比而選擇將要監視被的區域或區段、或者將要監視到以用於提供溫度反饋信號的區域或區段。

在一個示例中，可以將能量源控制系統的操作劃分為對準不同目標的周相或階段。例如，一個目標可以是保持具有穩定溫度的原始構建材料(也即白色)區域，並且緊接在沉積試劑之後(也即在列印過程之後)加熱試劑並維持狀態改變溫度直至材料熔化。在該點，執行溫度參考改變，如上所述，因此對於所需時間量維持了熔點。

在此所述的示例可以擴展以包括具有多個參考點或多個不同溫度反饋信號的多個階段或周相，例如在一個階段或點期間監視試劑溫度，在一些其他階段或點處監視抑制劑，在一些其他階段或點處監視原始構建材料(白色區域)，在另一階段或點處監視已處理的構建材料(或有色區域)。

作為示例，以下工序示出了可以在層的列印期間發生的階段：

階段1－將目標溫度設置為所需粉末溫度(也即對於原始構建材料或白色粉末的所需目標溫度)。

階段2－能量源(例如加熱子系統)根據從白色區域接收、也即從包括原始構建材料的區域接收到的第一溫度反饋信號而調製能量。這可以包括在列印基床或構建表面上使用白色控制區段或白色區段。在一個示例中，圖像信息可以用於丟棄在其上具有列印的試劑或部分的構建表面上的那些部分。

階段3－例如在沉積試劑之後預定時間段內觸發第二階段。在該點處，能量源調製可以保持至來自白色或原始構建材料的溫度讀數(也即所使用的第一溫度反饋信號)直至試劑材料開始階段改變也即開始熔化。接著，加熱子系統的目標溫度改變至材料的熔化溫度(也即第二目標溫度)，並且從採用試劑覆蓋的區域獲得傳感器讀數(也即使用第二溫度反饋信號)。這可以是來自所列印圖像的一部分(例如基於圖像信息)或者來自由試劑所覆蓋的列印基床上的控制區域。在後者中，為了監視目的可以特殊地由試劑覆蓋列印基床的區域，例如對應於具有為此目的而提供的溫度傳感器的區域，而此時在前者中來自所列印圖像的已知區域的試劑被用作參考點。

階段4－在一段時間之後，例如在熔化試劑所覆蓋區域所需的足夠時間量之後，或者在對於採用試劑覆蓋區域與構建材料熔化的足夠時間量之後，目標溫度再次改變至所需粉末溫度(白色)，第一目標溫度。傳感器輸入也改變至原始構建材料區域，也即使用第一溫度反饋信號，因此將溫度穩定化至該新目標。

應該注意的是，在此所述的一些示例可以通過在列印過程期間改進溫度穩定性而幫助改進位造3d物體的方法。一些示例可以改進並穩定化熔化或熔化過程而無需使用過量能量也沒有選擇性損失。示例採用減少表面過熱而提供了優化的能耗，並且可以改進整體列印過程，因為穩定的溫度可以幫助促成所製造3d物體的品質，並且改進其機械特性。

根據一個示例，控制由能量源輻射的能量包括將構建材料的整個表面加熱至第一或第二目標溫度，或者將構建表面的區域加熱至第一或第二目標溫度。例如，可以將具有原始構建材料的第一區域控制在第一目標溫度，並且可以將具有試劑沉積其上的構建材料的第二區域控制在第二目標溫度。

圖7示出了用於生成3d物體的設備700的示例。設備包括至少一個傳感器701以監視表面的多個區域的溫度，以及對於多個區域的每一個輸出至少一個溫度反饋信號。設備700包括能量源703(例如輻射列印基床的不同區段的一組燈)。設備700包括溫度控制器705以使用從第一位置或區域接收到的第一溫度反饋信號在構建過程的第一階段期間控制有能量源703輻射的能量，以及使用從第二位置或區域接收到的第二溫度反饋信號在構建的第二階段期間控制由能量源703輻射的能量。

在一個示例中，溫度控制器705控制能量源以基於第一溫度反饋信號在第一階段期間加熱表面至第一目標溫度，以及控制能量源以基於第二溫度反饋信號在第二階段期間加熱表面至第二目標溫度。第一目標溫度可以包括例如原始構建材料的目標溫度。第二目標溫度可以包括例如用於熔化試劑的目標溫度。

在一個示例中，至少一個傳感器701的傳感器監視表面的其上具有原始構建材料的區域的溫度以提供第一溫度反饋信號。

在一個示例中，至少一個傳感器701的傳感器監視表面的其上沉積有試劑的區域的溫度以提供第二溫度反饋信號。

根據另一示例，提供了一種用於當製造3d物體時加熱的溫度控制器705。溫度控制器705使用第一溫度反饋信號在製造過程的第一階段期間控制由能量源輻射的能量，以及使用第二溫度反饋信號在製造過程的第二階段期間控制由能量源輻射的能量。

上述示例提供了基於多相的溫度控制，這使能根據製造過程的特定周相的目標而採用合適的溫度參考而驅動並穩定化能量輸送。

上述示例提供了能夠在一層列印期間的不同周相處或跨越多層而目標對準所需溫度的最優能量輸送機制。這可以幫助優化能量輸送，並且幫助避免與試劑覆蓋部分和原始材料或任何其他有色部分之間最大化選擇性方向相反的過量能量使用。示例通過輸送正確的能量的量並且因此改進整體層列印過程而使能了最優熔化控制。

在上述示例中，應該注意的是，在製造過程的一個循環期間、例如在構建過程的一個層的製造期間的第一和第二位置可以不同於在第二或其他後續循環期間的第一和第二位置。

應該注意的是上述說明書示出而不是限制了示例，以及可以提供其他示例而並未脫離所附權利要求的範圍。詞語「包括」並未排除除了權利要求中所列出那些之外元件或階段的存在，「一」或「一個」並未排除多個，以及單個處理器或其他單元可以實現權利要求中所引述數個單元的功能。權利要求中任何參考標記不應構造為限制它們的範圍。