CN103429075B - 用于添加式制造系统中的材料再利用的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式针对用于再利用在制造3维（3D）对象的处理过程中由添加式制造系统产生的过剩材料的系统和方法。从沉积层去除的过剩材料和用于打印头维护的清洗掉的材料被输送回打印系统以沉积在随后的层内。可再利用材料可沉积在3维对象的横截面的边界内以成为3D对象的一部分或者沉积在3维对象的横截面的边界以外作为将从完成的产品去除的支撑结构的一部分。根据发明的实施方式，待处理的一部分废弃物材料可与打印3D对象的层同时地逐层沉积并且固化以形成废弃物块。完全固化的废弃物块然后可以以安全的方式被处理。

Description

用于添加式制造系统中的材料再利用的方法和系统

技术领域

本公开涉及用于三维打印的添加式制造系统，特别是涉及用于添加式制造系统中的材料再利用的方法和系统。

背景技术

在三维打印中，构建材料根据预定的图像数据从一个或多个打印头或配料器选择性地喷射并且按照连续的层被沉积在制造托盘上。这些层可包括要形成的三维对象的横截面以及稍后从完成的对象去除的支持结构的横截面。构建材料可以是UV可聚合的合成物，例如，光敏聚合物，其在沉积之后例如通过紫外线（UV）照射被聚合、凝固、调节或固化（cure）。

在凝固该层之前，调平装置可去除被分配在层中的材料的过剩部分。所收集的过剩材料通常作为打印处理所固有的废弃物被处理。

通常的做法是，在打印处理过程中，根据所使用的材料和其他系统特性来执行周期性的维护处理，例如，以每10分钟一次为例的打印头的“清洗”。此程序意在冲洗打印头并且以此方式降低喷嘴堵塞的风险。喷嘴堵塞可能是由于例如粉尘聚集、例如由于接近UV光源和/或UV的反射而聚集在打印头的喷嘴口内和/或周围（即，在孔板上）的凝固后的材料的残余的结果。打印头被移至清洗装置，在这里，构建材料被提供至喷嘴并且从喷嘴排出，使得堵塞喷嘴孔和/或聚集在孔板上的材料成分可以与用于清洗处理的材料一起被去除。被清洗的材料被收集并且被看作是要与从调平装置收集的废弃物一起处理的废弃物。

处于环境的原因。可能不期望通过利用诸如排水系统或城市垃圾处理服务的标准方法来处理这种废弃物并且法律或规章可能也禁止这样做。相反，要被处理的废弃材料应被预处理和/或被完全固化并且被安全地处理。

附图说明

在本发明的结论部分中具体指出并且清楚地提出本发明的主题。然而，可通过结合阅读附图来参照下列详细描述更好地理解本发明的操作机构和方法、及其对象、特征和优点，附图中：

图1是根据本发明的实施方式的示例性3D打印系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方式的示例性打印系统和打印处理的示意图；以及

图3是根据本发明的实施方式的打印3D对象的方法的流程图。

将认识到，为了示出的简化和清楚，图中所示出的元件不必一定准确地或按比例地画出。例如，某些元件的尺寸可为了清楚或由于几个物理部件被包括在一个功能块或元件中而相对于其他元件被放大。此外，认为适当的是，多个图之间附图标记可以重复以指示对应的或类似的元件。此外，图中所描绘的某些块可组合为单个功能。

具体实施方式

在下面的详细描述中，为了提供对本发明的透彻的理解给出了大量具体细节。然而，本领域的技术人员将会认识到，可在无这些具体细节的情况下实践本发明。对所述实施方式的各种变形对本领域的技术人员而言是显然的，并且本文所定义的一般性原理可应用于其他实施方式。因此，本发明并不意在受限于所示的和所描述的具体实施方式，而是符合于本文所公开的原理和新颖特征一致的最大的范围。在其他情况中，众所周知的方法、步骤、部件以及电路可以不详细描述从而避免使本发明不清楚。

术语“层”和“对象层”用在整个说明书和权利要求中以描述可表示三维（3D）对象的横截面或切片的任意薄片或膜。一个层可以以“逐层”的方式来形成并附着至之前形成并且附着的层从而建立、构成或形成3D对象。

术语“X”方向和“Y方向”用在整个说明书和权利要求中时指水平平行于制造托盘的方向，这些方向指示在从配料头的喷嘴将材料分配在制造托盘上的过程中，配料头（打印头）或打印组件与制造托盘之间的相对运动。可通过在托盘保持不动的同时移动配料头，通过在保持配料头不动的同时移动制造托盘、或者通过使打印头和制造托盘两者相对于彼此移动来实现相对运动。X方向可以是扫描方向，而Y方向可以是指数方向。术语“Z方向”在本文的整个说明书和权利要求中使用时指垂直于X和Y方向的方向。Z方向指示其上形成连续层的垂直方向。

术语“配料头”、“打印头”或“头”在本文中使用时是可互换的并且指各自具有一个或多个喷嘴（例如，用于将液体构建材料的微滴按层分配、即，沉积到制造托盘上或沉积到正被形成的3D对象的之前所打印的层的表面上的喷嘴阵列）的打印头。

应当注意，术语“构建材料”在本文中使用时可包括在三维（3D）对象或模型的构建、形成、模化、打印或其他组成中使用的模型或“模化”材料，支持或“支撑”材料和/或模化材料和/或支撑材料的任意合适组合。构建材料可包括无论是否在最终对象中出现的用于创模化型的模化材料、用于修改这种材料的材料（例如，染料、填料等）、支持材料、或在对象的创建中所使用的其他材料。构建材料可以是例如在固化时凝固或变成固体或凝胶状的光敏聚合物这样的可紫外线聚合液体或凝胶材料。模化和支持材料的示例分别是ObjetFullCure720RGD720、FullCure705，两者由Object Ltd.,Rehovot,Israel提供。然而，本领域的技术人员应理解的是，发明的实施方式不受限于在室温下是液体的构建材料。根据某些实施方式，构建材料在室温下可以是固态的或半固态的并且可被加热变成液体以能经由管道或输送管传送至用于沉积的配料头。

本发明的实施方式针对用于再利用在制造三维（3D）对象的过程中由添加式制造（AM）装置产生的废弃材料的系统和方法。尽管为了便于解释将关于选择性沉积模化（SDM）、固体自由成形制造（solid freeformfabrication，SFF）或3D打印来描述本发明的实施方式，但我们应意识到本发明不限于这种系统并且可以以其他AM系统来利用。

根据发明的实施方式，该方法可包括：产生图像数据，该图像数据包括要被打印的三维对象的和支持结构的横截面层；以及根据图像数据选择性地逐层地分配来自不同配料头的构建材料和可再利用材料，其中，可再利用材料包括在三维对象的形成过程中收集以再利用的过剩材料。

根据本发明的实施方式，从在制造3维（3D）对象的过程中沉积的层去除过剩材料。该过剩材料不是被作为废弃材料被处理而是被输送回打印系统以被沉积在随后的打印层中。该过剩（即，废弃）材料可沉积在3D对象的横截面的边界内以变成3D对象的一部分或者沉积在3D对象的横截面的边界以外作为支撑结构的一部分，该支撑结构随后从完成的产品去除。

过剩材料，即从（一个或多个）沉积层去除的废弃材料可包括一种或多种成分的混合物，例如，主要用于产生3D对象或模型的一种或多种模化材料成分和主要用于形成该支持结构的支持材料成分。过剩材料可包括未聚合液态成分，和部分聚合的或凝胶状的成分以及可能不适合再利用的聚合的固体颗粒。根据发明的实施方式，过剩材料被过滤以去除聚合的固体颗粒，在这之后，对于可利用的液体过剩材料，其被输送至用于在打印中再利用的液态过剩材料容器和/或配料器，或对于聚合的材料，则被输送至待处理的废弃物容器。

在某些实施方式中，在打印头喷嘴孔板的维护过程中从喷嘴排出或清洗的构建材料被收集在清洗单元。同样，由此收集的过剩或废弃物材料许多包括未聚合的液态材料以及部分聚合的、凝胶状或聚合的固态材料成分，同样在过滤之后被输送至用于再利用的液态过剩材料容器和/或配料器或输送至收集待处理的聚合的废弃材料的废弃材料容器。在整个说明书及权利要求中，术语“过剩材料”用于描述从沉积层收集的材料和在清洗操作中收集的材料这两者。

发明的某些实施方式针对由添加式制造（AM）系统产生的废弃材料的处理的方法，在该系统处，从沉积层去除的过剩材料的至少一部分和/或在清洗过程中排出的并不再用于再使用的材料可与打印3D对象的层同时地逐层地沉积并且固化以形成废弃物块。固化的废弃物块然后可以以环保安全的方式被处理。在其他实施方式中，基本上所有的过剩材料被再循环并且作为构建材料被再利用。

现在参照图1，该图是根据本发明的实施方式的示例性三维（3D）打印系统的示意图。三维分配或打印系统100可包括制造平台或托盘110、具有一个或多个打印头122a、122b、122c的印刷单元120以及材料供给单元或系统140。材料供给单元140可包括两个以上的主要或新材料容器或盒142以及一个或多个可再利用材料容器144。可再利用材料容器144可以是专用于收集并且供给用于分配的过剩材料的容器，其可包括打印系统和/或材料供给单元的一部分（即，在打印和/或材料供给系统内部），或者与打印和/或材料供给系统分开（例如，在打印和/或材料供给系统的外部）。

系统100可进一步包括定位或运送单元150、调平装置160、一个或多个固化单元或照射源170、控制器180以及清洗单元190。调平单元160可以是以滚筒的形式。滚筒可通过收集打印头在制造托盘上通过过程中沉积的过剩材料来调平和/或建立预定厚度的沉积层。过剩材料可通过刀片或其他方法从滚筒去除并且被收集在池（未示出）中。由此被去除的过剩材料之后经由管道162被运送至过滤器146，在这里，过剩材料被过滤以去除凝固的颗粒并且过滤后的液体被输送至可再利用材料容器144用于再利用。凝固的废弃物材料被传送至废弃物处理容器148进行处理。可选地或附加地，过滤器可位于容器144与打印单元120之间。

清洗单元190可包括池（未示出），在打印头孔板的维护期间从打印头排出的构建材料从该池经管道192被运送至过滤器146，在这里，过剩材料被过滤以去除凝固的颗粒并且过滤后的液体被输送至可再利用材料容器144用于再利用，而凝固的颗粒被运送至废弃物处理容器148进行处理。可利用相同的模化材料对之前用于打印该模化材料的喷嘴执行清洗操作。同样，可利用相同的模化材料对之前用于打印支持材料的喷嘴执行清洗操作。还可利用可再利用的或循环的材料对之前用于打印可再利用材料的喷嘴执行清洗操作。一如前述地，被清洗掉的材料如前面所述可被收集并且被过滤，并且被输送至相同的可再利用废弃物容器144或输送至单独的可再利用材料容器用于再利用。

在本发明的一种实施方式中，清洗掉的材料可根据其类型和预期的使用单独地收集和过滤。例如，清洗掉的模化材料可被再利用于打印3D对象和可选地部分支持结构，清洗掉的支持材料可被再利用于打印支持结构中，清洗掉的材料可被再利用于部分模型或支持结构。

照射源170可以是UV光源，然而，应意识到，采用其他照射源或固化单元（诸如，红外单元）的实施方式也包括在本发明的范围内。然而，本领域的技术人员应意识到，在本发明的其他实施方式中，可使用任何其他适合光谱的光。

可在每个层的沉积之后或者在多于一个的层的沉积之后执行固化。尽管，在图1的示例性实施方式中，示出了单个的照射单元，但本领域的技术人员应理解，本发明不限于这一方面，并且根据本发明的实施方式可使用任意合适数量的照射单元。

打印单元120可以是（例如）具有一个或多个配料单元（配料器）（例如，喷墨打印头122a、122b、122c）的喷墨单元或配料器。每个打印头可包括沿打印头的纵轴排列成一个或多个行的阵列的多个配料喷嘴123。材料容器142可将构建材料提供至打印头，不同的打印材料用于每个打印头。例如，模化材料可提供至打印头122a，而支持材料可提供至打印头122c。在本发明的实施方式中，可再利用的材料可提供至单独的打印头，例如，打印头122b。在某些实施方式中，可沉积两种不同的模化材料，因此一种模化材料可提供至打印头122a，而另一种模化材料可提供至打印头122b，而支持材料则被提供至打印头122c。因此，可再利用的材料代替第二模化材料被提供至打印头122b，或者当第二模化材料被提供至打印头122b时，可再利用材料被提供至其他的单独的打印头（未示出）。

打印单元120可耦接至定位单元150，以使打印单元能在X和Y两个方向上在制造托盘110和/或在制造托盘上被打印的处理中的对象上移动。可选地或附加地，制造托盘可被耦接至运送单元（未示出）以实现打印单元与正被打印的对象之间的相对移动。应认识到，在其他实施方式中，或对于特定的应用，制造托盘和打印单元两者都可以是固定的。打印单元120、盘110或这两者同时可在Z方向上移动。例如，在本发明的某些实施方式中，打印单元120可以在Z方向上处于固定位置，而制造托盘或平台110能够在Z方向上远离打印单元120移动，例如，从打印单元或打印头被逐渐地降低约一个层的厚度的距离，以确保在打印过程中打印头与要打印的对象的顶层之间的垂直距离保持恒定。

在某些实施方式中，可例如通过连接至3D打印机系统100的计算平台或通过控制器180来准备和/或提供和/或编程打印文件、位图或其他打印数据集合。打印文件可用于根据要被构建的3D对象的每个层的位图，经由例如打印头122a-122c的移动，或其一个或多个喷嘴123的启动和/或不启动，来确定例如构建材料的沉积的样式（order）和构造。

控制器180可适合地耦接和/或连接至系统100的各种部件，诸如，打印单元120、打印头122a-122c、材料供给系统140、调平单元160以及其他。例如，控制器120可控制阀门、泵、开关、压缩或膨胀装置、定位单元、配料单元、调平装置、固化装置或任意其他系统部件。

控制器180可利用任意适合的硬件和/或软件的结合来实现。控制器180可包括例如处理器182、存储单元184、软件代码186和输入/输出接口188。其他配置可用于控制器或控制单元。控制功能可分布在单元之间，并不是所有的控制功能都在系统100之内。

控制器180可被包括入或者可包括诸如个人计算机、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、服务器计算机或工作站这样的计算装置（并且因此控制器182的功能的一部分或全部可在3D打印机系统100之外）。控制器182可以是其他结构，并且可包括其他合适部件。例如，诸如个人计算机或工作站这样单独的单元，或在诸如盒式模块（cartridge）这样的的供给源内的处理单元提供某些控制或数据存储能力。处理器182可包括传统装置，诸如中央处理器（CPU）、微处理器、“片上型计算机”、微控制器等。存储器184可包括诸如随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）这样的普通装置或其他存储装置，并且可包括诸如CD-ROM或硬盘这样的大容量存储器。

如果需要，控制器180可利用表示对象和支持结构的计算机对象数据（COD）。该数据可包括可能包括各种构建材料（包括，模化材料、支持材料和可再利用的材料）的位置的层的位图。例如，控制器利用以立体制版（STL）形式的计算机辅助设计（CAD）数据。可使用其他数据类型或格式。在某些实施方式中，控制器180可包括CAD系统。CAD控制器180可将这种数据转换成用于3D打印机系统100内的各种单元的指令以打印3D对象。控制器180可包括非暂时计算机存储介质，其具有存储在其上的用于打印单元120根据位图进行打印的指令。控制器180可位于打印装置内部或外部。控制器180可位于打印系统100的外部并且可例如通过线路和/或利用无线通信与打印系统100通信。在可选实施方式中，控制器180可部分在系统100之外。例如，外部控制或处理单元（例如，个人计算机、工作站、计算平台或其他处理装置）可提供一部分或全部的打印系统控制能力。

现在参考图2，其是根据本发明的实施方式的示例性打印处理的示意图。示例性系统200可包括制造托盘210、打印单元220、两个照射源270以及例如以滚筒260的形式的调平装置或平整器（planarizer）。尽管，在图中示出了两个照射源，但本发明的实施方式不限于这方面并且可同样地应用任意数量的照射源。

如图2中所示，过剩材料可能是模化材料、支持材料和再利用材料的混合物。在制造托盘210上通过按层沉积来自打印单元220的构建材料并且通过照射源270固化所沉积的层，来在制造托盘210上形成由支持结构206支持的三维对象205。三维对象205可主要包括至少一种模化材料，但也可包括支持材料。该支持结构206可主要包括至少一种支持材料并且可进一步在支持结构内的特定位置中包括模化材料以提供期望的机械特性。调平装置260可在固化前从液体层收集过剩材料。过剩材料可被池264收集并且经由管道262被运送至过滤器246。被过滤的液体废弃物然后可被运送至可再利用材料容器244。过滤后的可再利用材料被输送至打印单元220。基于层的结构，由调平装置收集的过剩材料可包括模化材料、支持材料、可再利用材料或其任意组合。

可再利用的材料可用于构建3D对象和支持结构。因此，对象205和支持结构206可包括预先设计的再利用的或再循环的材料207区域。对这些区域的位置和形状进行选择以与3D对象和支持结构的期望特性匹配。例如，3D对象所期望的热机械特性可对可作为构建材料被再利用的再利用废弃物材料的量产生限制。根据某些实施方式，再利用的材料可用在支持结构的大块区域内。再利用材料在连续的大块面内可被沉积为非连续的相对小的部分。可选地，所使用的材料可被溅射在连续的部分内。

根据某些实施方式，为了处理不能用于再循环的多余的未固化的废弃材料，3D对象可以与废弃物块215同时形成。根据另一实施方式，废弃物块215可与打印3D对象205分离地并且非同时地形成。与3D对象的层相同，废弃物块215层被固化，因此使得可容易地并且安全地处理废弃物块215的材料。

现在参考图3，该图是根据本发明的实施方式的打印3D对象的方法的流程图。根据本发明的实施方式，可准备打印数据以用于按层沉积构建材料、支持材料和再循环或再利用材料以形成具有其支持结构的三维对象并可选地形成用于安全处理的废弃物块（框300）。然后，对于每一层，喷射命令基于打印数据被发送至一个或多个打印头，可将合适的材料输送至打印头，并可沉积一种或多种材料以在制造托盘上或在之前形成的层上形成液体或半液体层（框310）。然后，调平装置可从该层收集过剩材料（框320）。该层可包括两个分开的部分：与3D对象和/或其支持结构相关联的第一部分，、与废弃物块相关联的单独的部分。在某些实施方式中，只有与3D对象相关联的部分可通过调平装置平整化。接下来，层的两部分（如果存在的话）可通过照射被固化（框330），并且将所收集的过剩材料运送至过滤器（框340），以去除任何聚合部分，之后利用过滤后的废弃物材料作为在随后的层中的构建材料。被过滤的可再利用废弃物被收集并且被运送（框350）回用于沉积新的层的系统（框310）。如通过框360所示，打印单元可被移动至服务或维护区域。维护可包括清洗操作，在清洗操作过程中，清洗掉的构建材料可被收集并运送至过滤器（框340）以去除任何的聚合元件，并在之后被收集并运送至系统（框350），以用于在新的层中沉积（框310）。

尽管本发明的实施方式不限于在这一方面，但利用诸如“处理”、“计算”、“推算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检测”这样的术语的讨论可指计算机、计算平台、计算系统或可被包括在打印机中的其他电子计算装置的操作和/或处理，这些操作和/或处理可将计算机的寄存器和/或存储器内的被表征为物理（例如，电）量的数据控制和/或转换成在计算机的寄存器和/或存储器或可存储指令的其他信息存储介质内的被简单表征为物理量的其他数据，以通过打印机或打印机的元件、部件、模块或单元执行操作和/或处理。

本发明的某些实施方式可以以通过基于处理器的系统执行的软件来实现。例如，本发明的实施方式可以以代码来实现，并且可被存储在其上已存储有可用于对系统编程的指令的计算机存储介质上以执行指令。计算机存储介质可包括但不限于：包括软盘、光盘、只读光盘存储器（CD-ROM）、可复写光盘（CD-RW）、以及磁光盘的任意类型的盘、诸如只读存储器（ROM）这样的半导体装置、诸如动态RAM（DRAM）的随机存储器（RAM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、闪存、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、磁或光卡，或包括可编程存储器在内的适合于存储电子指令的任意类型的介质。

这种系统可包括但是不限于诸如以下的部件：多个中央处理单元（CPU）或任何其他合适的多用或专用处理器或控制器、多个输入单元、多个输出单元、多个内存单元以及多个存储器单元。这种系统还可包括其他合适的硬件部件和/或软件部件。

尽管本发明的实施方式不限于此，但术语“多个”和“多种”在本文中使用时可包括例如“多”或“两个或更多”。术语“多个”或“多种”可用在整个说明书中以描述两个或更多的部件、装置、元件、单元、参数等。例如，“多个打印头”可包括两个或更多的打印头。

虽然本文已示出并描述了本发明的具体特征，但对本领域的技术人员而言可产生许多变形、替代、变化、以及等价物。因此，应理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真正精神内的所有这样的变形和变化。

Claims (15)

1.一种用于逐层地形成三维对象的方法，所述方法包括：

产生图像数据，所述图像数据包括要打印的三维对象的以及支持结构的横截面层；以及

选择性地从不同的喷墨打印头根据所述图像数据来逐层地分配构建材料和之前从至少一个所述喷墨打印头排出的可再利用材料，其中，所述可再利用材料包括在所述三维对象的形成过程中收集的要被再利用的过剩材料。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

对沉积在打印平台上的至少部分凝固的层实施照射。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过剩材料包括从之前沉积的层上去除的过剩材料。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过剩材料包括在清洗操作过程中收集的过剩材料。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在分配之前从所述过剩材料中过滤并且去除固态颗粒。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，逐层地分配还包括分配所述可再利用材料以形成与所述三维对象相邻的单独的废弃物块。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可再利用材料形成所述三维对象的一部分。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可再利用材料形成所述支持结构的一部分。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

收集在维护操作过程中所使用的清洗材料；以及运送所述清洗材料以用于在三维打印处理中的再利用。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述构建材料和所述可再利用材料是在室温下为液体形式的光可固化材料。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可再利用材料在室温下处于固态或半固态的形式。

12.一种用于逐层地形成三维对象的打印系统，所述系统包括：

喷墨打印头，用于沉积要形成的三维对象的以及支持结构的层；

两个或多个容器，保持用于形成所述三维对象和所述支持结构的构建材料；

一个容器，保持之前从至少一个所述喷墨打印头排出的可再利用材料并且将所述可再利用材料提供至所述喷墨打印头；以及

调平器，从之前沉积的层中去除过剩材料；

其中，所述可再利用材料包括在所述三维对象的形成过程中从所述调平器收集的要被再利用的过剩材料。

13.根据权利要求12所述的打印系统，还包括固化单元。

14.根据权利要求12所述的打印系统，还包括：

控制器，控制所述三维对象的形成。

15.根据权利要求12所述的打印系统，还包括：

清洗单元，用于清洗堵塞的打印头，并且其中，所述可再利用材料包括在所述三维对象的形成过程中从所述清洗单元收集的要被再利用的过剩材料。