CN106232331A - 计算机模型和三维(3d)印刷方法 - Google Patents

计算机模型和三维(3d)印刷方法 Download PDF

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Abstract

在用于在三维(3D)印刷方法过程中识别如何施加改性剂的计算机建模方法中，创建使用所述3D印刷方法的由可烧结材料的一部分形成的3D对象的层的热扩散模型。通过运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令的计算机来创建所述热扩散模型。通过所述计算机来基于所述热扩散模型计算待选择性地施加的改性剂的量。

Description

计算机模型和三维(3D)印刷方法
背景
三维(3D)印刷是一种用于由数字模型制成三维固体对象的添加印刷工艺(additiveprinting process)。3D印刷通常用于快速产品成型、模具生成和母模(mold master)生成中。因为它们涉及连续材料层的施加，所以3D印刷技术被认为是添加工艺。这不同于传统的加工工艺，其往往依赖于材料的去除以创建最终的对象。在3D印刷中使用的材料通常需要固化或熔化，这对于某些材料而言可使用热辅助的挤出或烧结来实现，而对于其他材料而言可使用数字光投影技术来实现。
附图的简要说明
本公开内容的实例的特征和优点将通过参考以下详细描述和附图来变得明确，其中类似的附图标记对应于类似的(尽管可能不相同的)组件。为简便起见，具有先前描述的功能的附图标记或特征可以或可以不结合它们出现于其中的其他附图来描述。
图1是例示了本文所公开的3D印刷方法的一个实例的流程图；
图2A-图2F是在使用本文所公开的3D印刷方法的一个实例形成3D对象的一个或多个层中涉及的步骤的横截面图；
图3是图2D的制造床中的可烧结材料的顶部示意图，其中聚结剂施加在待形成的层的横截面内的所述可烧结材料的一部分上，并且改性剂施加在边缘边界处的所述可烧结材料的另一部分上；
图4是图2D的制造床中的一些可烧结材料的前透视图，其中聚结剂施加在待形成的3D对象的横截面内的所述可烧结材料的一部分上，并且改性剂施加在边缘边界处和3D对象的横截面外部的所述可烧结材料的另一部分上；
图5是可以用于本文所公开的3D印刷方法的一个实例中的3D印刷系统的一个实例的简化等轴视图；和
图6A-图6F是使用本文所公开的改性剂的一个实例形成的部件的照片(图6A)和采用对比改性剂形成的对比部件的照片(图6B-图6F)；
图7是齿长对改性剂滴的图；和
图8A-图8D是使用不同量的改性剂形成的部件的照片。
详细说明
本文所公开的三维(3D)印刷方法的实例采用了光区域处理。在光区域处理过程中，将可烧结材料的整个层暴露于辐射，但仅所述可烧结材料的选定区域被熔化和硬化以变成3D对象的层。在本文所公开的实例中，选择性沉积与所述可烧结材料的选定区域接触的聚结剂。在一些情况下，所述一种或多种聚结剂能够渗入所述可烧结材料的层中。在其他情况下，所述聚结剂可以保留于所述可烧结材料的表面上。该聚结剂能够吸收辐射并将吸收的辐射转化为热能，所述热能反过来使与所述聚结剂接触的可烧结材料熔融或烧结。这导致所述可烧结材料烧结、熔化、粘结、固化等，以形成所述3D对象的层。当使用术语固化时，其可以意味着固化、烧结、熔化、粘结等。
在一些情况下，已经发现所述热能可以传播到周围的可烧结材料中。这可能导致并不旨在被固化的可烧结材料的一个或多个区域/一个或多个部分的后续固化，并且这种效应在本文中被称为聚结渗出(coalescence bleed)。例如，聚结渗出可能导致生成的三维对象的整体尺寸精度的降低和/或部件尺寸生长。例如，边缘锐度可能是不期望地粗糙的、未确定的等。聚结渗出的影响可以通过在辐射暴露之前将本文所公开的改性剂的实例递送至所述可烧结材料的一个或多个适当的部分来控制。所述改性剂的实例用于降低聚结程度，或防止其上已递送或已渗透改性剂的可烧结材料的一部分的聚结。在本文所公开的实例中，还可以在实际施加所述改性剂之前确定如何施加所述改性剂(就位置和/或量而言)。这使得能够增强改性剂的效果、产生尺寸更精确的部件、改进部件的表面光洁度，和/或潜在地减少或消除用于以其他方式解决类似的问题的后处理技术的需求。
3D印刷方法100的一个实例描绘在图1中。应该理解，图1所示的方法100的各步骤都将在本文中详细地讨论，并且在一些情况下，图2A-图2F和图3以及图4将结合图1进行讨论。
如附图标记102所示，方法100包括施加可烧结材料。该步骤102的一个实例以横截面形式示于图2A中。在图2A所示的实例中，已经沉积了可烧结材料16的一个层10，如将在下面更详细地讨论。
可烧结材料16可以是粉末、液体、糊状物或凝胶。可烧结材料16的实例包括具有大于5℃的宽的处理窗口(即，熔点和重结晶温度之间的温度范围)的半结晶热塑性材料。可烧结材料16的一些具体实例包括聚酰胺(例如，尼龙11、尼龙12、尼龙6、尼龙8、尼龙9、尼龙66、尼龙612、尼龙812、尼龙912等)。可烧结材料16的其他具体实例包括聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及这些材料的无定形变体。合适的可烧结材料16的其他实例包括聚苯乙烯、聚缩醛、聚丙烯、聚碳酸酯和本文所列的聚合物中的任意两种或更多种的共混物。还可以使用这些材料的核壳聚合物颗粒。
在一个实例中，可烧结材料16包括类似尺寸的聚合物颗粒(例如，所有相同尺寸的颗粒)。在另一个实例中，可烧结材料16包括不同尺寸的聚合物颗粒。例如，所述可烧结材料16可包括具有两种或更多种不同尺寸的颗粒。在图2A所示的实例中，可烧结材料16包括具有至少三种不同粒度的多种聚合物颗粒16A、16B、16C。尽管具有三种不同尺寸的聚合物颗粒16A、16B、16C示于图2A中，但是可以理解，可添加任意附加数目的颗粒尺寸。
在图2A所示的实例中，第一聚合物颗粒16A的平均尺寸大于第二聚合物颗粒16B的平均尺寸，并且第二聚合物颗粒16B的平均尺寸大于第三聚合物颗粒16C的平均尺寸。如本文中所使用的术语“尺寸”是指球形颗粒的直径，或非球形颗粒的平均直径(即横跨颗粒的多个直径的平均值)。通常，第一颗粒16A、第二颗粒16B和第三颗粒16C中的每一个的平均尺寸为5μm至约100μm。作为对于颗粒16A、16B、16C中的每一个的不同尺寸的一个实例，第一聚合物颗粒16A的平均尺寸可以大于50μm，第二聚合物颗粒16B的平均尺寸可以为10μm至30μm，和第三聚合物颗粒16C的平均尺寸可以等于或小于10μm。
所述颗粒16A、16B、16C的形状还可以相同或不同。在一个实例中，颗粒16A、16B、16C具有球形或接近球形的形状。在本文所公开的实例中具有>0.84的球形度的颗粒16A、16B、16C被认为是球形或接近球形的。因此，具有<0.84的球形度的任何颗粒16A、16B、16C是非球形的。
还可以将颗粒16A、16B、16C中的一种或多种物理改性，使得颗粒16A、16B、16C的表面形貌改变，和/或将其化学改性。
应该理解，除了聚合物颗粒16A、16B和/或16C之外，可烧结材料16还可包括充电剂、流动助剂或其组合。
可添加一种或多种充电剂以抑制摩擦起电。合适的一种或多种充电剂的实例包括脂族胺(其可以是乙氧基化的)、脂族酰胺、季铵盐(例如，山嵛基三甲基氯化铵或椰油酰胺丙基内铵盐)、磷酸的酯、聚乙二醇酯或多元醇。一些合适的可商购的​​充电剂包括HOSTASTAT® FA 38(天然基于乙氧基化的烷基胺)、HOSTASTAT® FE2(脂肪酸酯)和HOSTASTAT® HS 1(烷烃磺酸盐)，其中的每一个可获自Clariant Int. Ltd.。在一个实例中，所述充电剂以基于所述聚合物颗粒的总wt%的大于0wt%至小于5wt%的量添加。
可添加一种或多种流动助剂以改进可烧结材料16的涂层流动性。当颗粒16A、16B和/或16C尺寸小于25μm时，一种或多种流动助剂可能是特别期望的。所述流动助剂通过减少摩擦、横向阻力和摩擦电荷积聚(通过增加颗粒导电性)来改进可烧结材料16的流动性。合适的流动助剂的实例包括磷酸三钙(E341)、粉状纤维素(E460(ii))、硬脂酸镁(E470b)、碳酸氢钠(E500)、亚铁氰化钠(E535)、亚铁氰化钾(E536)、亚铁氰化钙(E538)、骨磷酸盐(E542)、硅酸钠(E550)、二氧化硅(E551)、硅酸钙(E552)、三硅酸镁(E553a)、滑石粉(E553b)、铝硅酸钠(E554)、硅酸铝钾(E555)、铝硅酸钙(E556)、膨润土(E558)、硅酸铝(E559)、硬脂酸(E570)或聚二甲基硅氧烷(E900)。在一个实例中，所述流动助剂以基于所述颗粒16A、16B和/或16C的总wt%的大于0wt%至小于5wt%的量添加。
在图2A中所示的实例中，用于形成3D对象的印刷系统12包括供应床14(包括可烧结材料16的供应)、递送活塞18、辊20、制造床22(具有接触表面25)和制造活塞24。可以将这些物理元件中的每一个可操作地连接到印刷系统12的中央处理器(未示出)。所述中央处理器(例如，运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令)操纵并转换印刷机的寄存器和存储器内表示为物理(电子)量的数据，从而控制所述物理元件以创建3D对象。可烧结材料16、聚结剂等的选择性递送的数据可以获自待形成的3D对象的模型。
递送活塞18与制造活塞24可以是相同类型的活塞，但被编程为以相反的方向移动。在一个实例中，当将形成3D对象的第一层时，递送活塞18可以被编程为将预定量的可烧结材料16推出供应床14中的开口，并且制造活塞24可以被编程为以与递送活塞18相反的方向移动，从而增加制造床22的深度。递送活塞18将前进足够的距离，使得当辊20将可烧结材料16推到制造床22中和接触表面25上时，制造床22的深度足以使得可以在所述床22中形成可烧结材料16的层10。辊20能够使可烧结材料16铺展在制造床22中以形成在厚度上相对均匀的层10。在一个实例中，层10的厚度为约90μm-约110μm，但也可以使用更薄或更厚的层。
应该理解，辊20可以被其他工具代替，例如，对于铺展不同类型的粉末而言可能是期望的刀片(blade)，或者辊和刀片的组合。
在可烧结材料16的层10沉积在制造床22中之后，将所述层10暴露于加热(如图1中的附图标记104和图2B中所示)。进行加热以预热可烧结材料16，并且因此加热温度低于可烧结材料16的熔点是期望的。因此，所选温度将取决于所用的可烧结材料16。作为实例，所述加热温度可比可烧结材料的熔点低约5℃-约50℃。在一个实例中，所述加热温度为约50℃-约350℃。在另一个实例中，所述加热温度为约150℃-约170℃。在另一个实例中，当可烧结材料16仍然在供应床14上时，可以进行部分或全部的预热。
预热可烧结材料16的层10可以使用将制造床22或供应床14中的所有可烧结材料16暴露于热的任何合适的热源来实现。所述热源的实例包括热学热源或光辐射源。
在预热层10之后，将聚结剂选择性地施加在层10中的可烧结材料16的一部分上，如图1中的附图标记106和图2C中所示。如图2C中所示，聚结剂28可以从喷墨印刷头26分配。虽然在图2C中示出了单个印刷头，但是可以理解，可以使用跨越制造床22的宽度的多个印刷头。可以将印刷头26连接至移动XY平台或平移滑架(均未示出)，其使印刷头26邻近于制造床22移动以在期望的一个或多个区域中沉积聚结剂28。
印刷头26可以被编程为接收来自所述中央处理器的命令，并根据待形成的3D对象的层的横截面的图案来沉积聚结剂28。如本文中所使用的，待形成的对象的层的横截面是指平行于接触表面25的横截面。印刷头26将聚结剂28选择性地施加在将熔化变成3D对象的第一层的层10的那些一个或多个部分44上。作为一个实例，如果第一层成形为立方体或圆柱体，则聚结剂28将分别以正方形图案或圆形图案(从顶视图来看)沉积于可烧结材料16的层10的至少一部分44上。在图2C所示的实例中，将聚结剂28以正方形图案沉积于层10的部分44上而不是部分44的外部。
合适的聚结剂28的一些实例是包括辐射吸收粘结剂(即，活性材料)的基于水的分散体。所述活性剂可以是红外光吸收剂、近红外光吸收剂或可见光吸收剂。作为一个实例，聚结剂28可以是包括炭黑作为活性材料的墨水型制剂。这种墨水型制剂的一个实例在商业上被称为CM997A，其获自Hewlett-Packard公司。包括可见光增强剂作为活性剂的墨水的实例是基于染料的有色墨水和基于颜料的有色墨水。基于颜料的有色墨水的实例包括可商购的墨水CE039A和CE042A，其获自Hewlett-Packard公司。
聚结剂28的含水性质使得聚结剂28至少部分地渗入可烧结材料16的层10中。可烧结材料16可以是疏水性的，并且助溶剂和/或表面活性剂在聚结剂28中的存在可有助于获得期望的润湿特性。
应该理解，可以选择性地施加单一聚结剂28以形成3D对象的层，或可以选择性地施加多种聚结剂28以形成3D对象的层。
在将一种或多种聚结剂28选择性地施加在期望的一个或多个部分44上之前、同时或之后，将改性剂选择性地施加在可烧结材料16的不同的一个或多个部分上，如图1中的附图标记110所示。所述改性剂的选择性施加的一个实例在图2D中示意性地示出，其中附图标记29表示改性剂并且附图标记42表示所述改性剂29被选择性地施加至其上的可烧结材料16的其他部分。
可能需要控制施加至可烧结材料16的改性剂29的量和/或定位。改性剂29充当冷却剂，从而有效地除去能量并保持可烧结材料16在防止固化或延缓可烧结材料16的烧结、熔融、熔化、和/或固化的温度下。因此，在实际选择性地施加改性剂29之前，方法100进一步包括确定如何选择性地施加改性剂29。这在图1中的附图标记108处示出。
关于如何选择性地施加改性剂29的确定可包括确定在何处施加改性剂29和/或确定施加多少的改性剂29。这些确定可使用可烧结材料16、待由可烧结材料16形成的层(即，烧结层或部件)或其组合的热扩散特征来进行。所述热扩散特征可以是热扩散的时间尺度/特征时间、热扩散的长度尺度/特征长度、温度曲线、和/或能量曲线。
特征时间和特征长度是指系统从扰动中恢复所需的大致时间或距离。它们通常被定义为用于将扰动减小到初始扰动的1/e(〜37%)的时间或距离。事实上，它们经常用于表示在其上扰动具有显著效果的时间或距离。热扩散的时间尺度通常是指使可烧结材料在已经将能量添加或从材料的邻接区域中除去之后的温度下稳定(接近其平衡值)所花费的时间。热扩散的长度尺度通常是指从部件边缘或经历由于热烧结材料的存在而产生的显著的温度增加的构建表面的距离。作为实例，所述距离相对于烧结材料的位置可以是水平或垂直的。显著的温度变化或增加的实例包括i)烧结部件/层温度和周围的可烧结材料温度之间的差的约25%的温度上升，或ii)周围的可烧结材料16的正常温度和可烧结材料16的熔融温度之间的的差的25%。所述热扩散的时间尺度和/或长度尺度可以根据经验测量，或从系统中的相应的热扩散系数或温度差获得。所述热扩散系数本身可以根据经验确定或由类似材料的值或通过化学建模方法估算。
温度和/或能量曲线通常是指由具有或不具有施加在其上的试剂28和/或29的可烧结材料16或烧结部件/层显示出的温度和/或能量差异。作为实例，这些差异可以在辐射暴露之前(例如，由于改性剂蒸发)或辐射暴露之后(例如，由于能量的迁移)观察到。所述温度和/或能量曲线可以使用热模型来产生，或者可以是温度或能量曲线的估计。如将在下面更详细地描述的，温度或能量曲线的估计可以基于操纵用于形成3D部件层的图像数据。由周围区域的平均值计算局部变化提供了其中施加和未施加聚结剂28的烧结层/部件中的温度和/或能量差异的粗略估计。
在本文所公开的一些实例中，改性剂29的适当的量和/或位置可以使用烧结工艺的时间依赖的热模型来确定。在一个实例中，热模型本身可被用于直接计算所述改性剂的量和/或识别所述改性剂的位置。在另一个实例中，所述热模型被用于产生温度或能量曲线，其可以通过校正算法来用于产生施加改性剂29的图案(例如，位置和/或量)。在另外的其他实例中，一个或多个热模型可以被用于识别热扩散的典型时间和/或长度尺度。据信，然后典型的长度尺度和/或时间尺度可以用于计算所述改性剂的量和/或确定所述改性剂的位置，而不需要待形成的3D对象的确切几何形状的完全建模。在本文所公开的其他实例中，改性剂29的合适的量和/或位置可以根据经验确定。
在涉及所述烧结工艺的时间依赖的热模型的实例中，应该理解，所述热模型可使用计算机建模方法来生成。所述计算机建模方法通过运行/执行存储于非暂时的、有形的计算机可读介质上的计算机可读指令的计算机(包括硬件组件，例如处理器)来进行。计算机建模软件的一个实例是Abaqus FEA版本6.13。在本文中公开的任何实例中，所述计算机可读介质可以包括许多物理介质，例如，电子、磁、光、电磁或半导体介质中的任意一种。合适的计算机可读介质的更具体的实例包括硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或便携式CD、DVD或闪存驱动器。
应该理解，用于确定如何施加改性剂29的计算机建模方法或任何基于计算机的方法可在云计算机(即，在基于因特网的计算环境)中被虚拟化并配置。例如，计算机设备可以作为云平台服务或PaaS(平台即服务)进行访问，利用云基础架构而不是物理建筑物处的托管计算机设备。被称为IaaS(基础架构即服务)的云基础架构通常利用平台虚拟化环境作为服务，其可以包括诸如处理器、数据库、服务器和其他计算机设备的组件。
计算机接收足以构建热模型的特征(例如，来自用户的输入)。这些特征涉及被建模的可烧结材料16 (例如，粉末的类型、在不同温度下的热导率、热容量和密度)、层的数目、层的厚度、被建模的聚结剂28的类型、制造床22的设定温度以及用于构建特定层的时间。在一个实例中，针对未烧结的可烧结材料16和烧结材料两者提供密度、热容量和热扩散率。未烧结的可烧结材料16和烧结材料之间的热容量的变化可能在很大程度上是由于材料之间的密度变化，因此单一热容量值可能是足够的。可以被输入计算机的特征的另外的其他实例是当所述层由熔融状态固化时被释放的能量、可烧结材料16和聚结剂28被递送至制造床22时的温度、和/或来自构建体积的一个或多个边缘表面的预期能量输入或损失。对于一些可烧结材料16而言，这些参数/特征中的任一个或所有可能随着温度而变化。例如，如果该参数在构建过程中所经历的温度范围内变化超过10%，则可以期望包括温度依赖特性。
输入的特征还可以包括在部分44(待固化)和部分42(未固化)中的可烧结材料16之间的温度、比热容和热扩散率的差异。例如，合适的输入可以描述通过未烧结区域(例如，部分42)相对于会将更多的辐射转化为热的具有聚结剂28的一个或多个部分44将辐射转化为热的差异。该输入可以是固化/烧结的一个或多个部分44和未固化/未烧结的一个或多个部分42之间的温度差的经验测量。其他一般特征可以包括在一个或多个部分42处比在一个或多个部分44处更高的比热容和更低的热扩散率。
所有这些特征通过计算机(运行合适的软件程序)用于构建所述层或对象的热模型。有限元分析或其他建模技术可以被用于识别在感兴趣的时间尺度上在所述层或对象周围发展的热梯度。在一个实例中，感兴趣的时间尺度是构建一个或若干个层所需的时间。在感兴趣的时间尺度上在所述层/部件周围发展的热梯度识别针对特定热模型的热扩散的长度尺度。所述热扩散的时间尺度可通过产生将形成的具有不同数目的部件层的热模型来确定，并且识别长模型必须在添加材料层之后运行，以将热模型收敛到特定层的稳定预测。
在层或对象的附近的温度(当正在制造时)可以基于所述模型(例如，使用一个或多个热梯度)来估计。因此，热模型用于确定在被构造的层或对象中和周围的热流的位置和时间。更具体地，在部分42(其中固化是不期望的)中的烧结材料16的高于制造床22的设定温度的超温(ΔT)表示从层或对象释放的多余能量。所述超温可根据热模型或经验测量(使用高分辨率温度测量装置，如IR摄像机所拍摄)通过用部分42中的烧结材料16的温度减去所述制造床的设定温度来确定。
该温度差(ΔT)可以使用未烧结的可烧结材料16的比热容(CpSM)、密度(denSM)和体积(volSM)转化为多余能量的量，如等式1中所示：
多余能量 = CpSM * volSM * denSM *ΔT (等式1)
可以识别整个部分42的多余能量。因此，可以通过该方法来生成在所述层或对象周围的多余能量的图。
所述多余能量等同于由改性剂29除去的能量的量(即，除去的能量)。因此，所述多余能量可被转化为适于除去该能量的量的改性剂29的量。使用所述多余能量图和转化的改性剂的量值，可以生成在所述层或对象周围的改性剂29的所需量的图。因此，采用该实例，可以确定待使用的改性剂29的位置和量。
由多余/除去的能量转化为改性剂的量可以使用改性剂29的比热容(CpMA)乘以其从施加温度(Tapp-MA)到沸点(Tboil-MA)的温度上升，加上改性剂29的蒸发热(HVAP-MA)来实现。多余能量转化为改性剂29的量在等式2或等式3中示出：
除去的能量=
(CpMA * (Tboil-MA - Tapp-MA ) + HVAP-MA) * 改性剂的体积 (等式2)
改性剂的体积 =
除去的能量 / (CpMA * (Tboil-MA - Tapp-MA ) + HVAP-MA) (等式3)。
​​改性剂29的施加温度(Tapp-MA)可以是室温(约18℃-约22℃)、由印刷头26'(参见图2D)或其他施加设备控制的温度(例如，喷墨印刷头的温热或操作温度)、或改性剂29当其被递送到系统12的经加热的制造床22中时达到的典型温度。加热和蒸发能量项之和乘以改性流体29的体积等于改性剂29将从系统中除去的总能量(即，除去的能量)。
应该理解，在将改性剂29施加至经加热的可烧结材料16之后，改性剂29蒸发并且从可烧结材料16中除去能量。蒸发可以是零点几秒的量级，这可能导致在施加固化能量(即，辐射R，参见图2E)之前的显著去除。这可能产生能量将随着时间迁移至其中的冷区域。换句话说，能量可以扩散回到由改性剂29(导致局部冷却的损失)冷却的一个或多个部分42。能量的这种二次迁移(以量计)可通过建模或经验方法来估计。然后，待除去的能量的量(即，在上述等式3中的除去的能量)可以通过该量的增加以补偿这种影响。
为了确定使用热模型由二次迁移产生的能量的量，可以在施加改性剂29之后允许所述热模型运行所需的延迟时间。可以将改性剂29并入模型中，作为在时间瞬间的能量的简单去除，或者作为涉及蒸发和其他流体行为的子模型。
为了确定使用经验方法由二次迁移产生的能量的量，在施加辐射的一段延迟之后，可以进行在下面的经验方法中描述的温度测量。
现在将描述用于确定如何施加改性剂29的经验方法的一个实例。由这种经验方法，可以构造改性剂的量相对于由所述改性剂29的量影响的温度变化的表格。所述温度变化是指在暴露于辐射之后的可烧结材料16(在其上不具有任何聚结剂28或改性剂29)的温度和在暴露于辐射之后的可烧结材料16(在其上具有改性剂29)的温度之间的差。在该实例中，可以采用任何合适的温度装置(例如红外(IR)摄像机、IR温度传感器或低质量热电偶)进行任何温度测量。
在所述方法的该实例中，所述表格可以通过将不同量的改性剂29施加在可烧结材料16的各个区域上并在可烧结材料16的一个区域上不施加改性剂29来构建。然后将整个可烧结材料16暴露于辐射。暴露于辐射的不具有改性剂29的区域被称为参考区域，并且暴露于辐射的具有不同量的改性剂29的区域被称为测试区域。可测量参考区域和测试区域的温度。在接收辐射之后的接收改性剂的每个测试区域应当具有低于参考区域的温度。对于特定的测试区域而言，相比于参考区域的温度降低是相关量的改性剂的作用。可以计算温度的变化并与用于生成表格的改性剂29的不同量相关。在使用相同或类似的可烧结材料16和改性剂29的随后3D印刷应用中，可以参考所述表格以确定用于实现所需温度变化的改性剂29的量。
在又一个实例中，热扩散的长度尺度可以根据经验确定。在该实例中，使用测试层/部件。所述测试层/部件由被用于实际3D对象/层的相同可烧结材料16和相同聚结剂28构成。对于所述测试层/部件而言，可以简单的几何形状(例如正方形)或以类似于实际3D对象的几何形状施加聚结剂28。所述测试部件的尺寸应当比确定的热扩散的长度尺度大，例如至少三倍的尺寸。在一个实例中，半英寸可以是足够的尺寸。然而，如果所述确定的长度尺度大于1/3的对象尺寸，则该测试应使用更大的测试部件的尺寸重做。改性剂29不用于测试层/部件。在施加聚结剂28和暴露于辐射之后，形成测试层/部件。当形成所述测试层/部件时将聚结材料28的位置与在测试层/部件中烧结的材料16的实际程度比较。在该比较过程中，针对位于施加的聚结材料28的边缘边界之外/外部的任何不期望的烧结材料来检查测试层/部件。测量不期望的烧结材料的长度。该值或该值乘以标量校正因子是可以在其他实例中使用的估计长度尺度。如果使用实际3D对象的几何形状，则不期望的烧结材料的区域可以用于估计在实际3D对象/层的形成过程中的改性剂29的位置。
当随后形成实际3D对象/层时，可以在相同的位置施加聚结剂28，并且可以沿估计长度尺度施加改性剂29。靠近边缘边界27使用改性剂29可降低待形成的层的边缘处的一个或多个部分42内的可烧结材料16的温度，但是也可以降低沿边缘边界27的一个或多个部分44内的烧结或熔融的质量。所述层的横截面内的这种能量损失可通过增加一个或多个部分44内的聚结剂28的量进行补偿。
更进一步地，所述热模型还可预测所述层/部件的内部过热(即，存在多余能量)。所述层/部件的横截面内的这种能量增加可通过减少一个或多个部分44内的聚结剂28的量和/或通过增加一个或多个部分44内的改性剂29的量进行补偿。在该实例中，添加的改性剂29可使用等式3来计算，除了在除去的能量是在所述层/部件的横截面内的特定位置处的多余能量的情况下。
可以与确定选择性地施加多少改性剂29类似的方式来确定聚结剂28的增加的或减少的量。例如，所述热模型的Δ温度值可以被转化为能量的量，而且使用聚结剂的量相对于所吸收的能量的建模或经验表格，可以确定聚结剂28的附加量。
对于足够低以适用比尔定律(吸光度A =εlc=吸收系数*路径长度*浓度)的聚结剂28的浓度而言，所需的聚结剂28的量将与所期望的温度变化成线性关系。对于聚结剂28的较高浓度而言，吸收效率可能降低，并且可能需要附加聚结剂28以实现所期望的变化。这可通过对比在将辐射施加至覆盖有不同量的聚结剂的可烧结材料16的部分之后的温度来建模或根据经验确定。除了聚结剂28的吸收行为之外，基于模型的解决方案可能需要并入蒸发作为聚结剂28的一部分分配的任何挥发性溶剂的冷却效果以及来自制造床22的表面的辐射或对流损失。
在其他实例中，计算机可以包括校正算法。使用所述校正算法，可以产生修改的图像以校正待形成的3D对象的每个层图像的热扩散效应。
通常，所述校正算法采用所述层图像的3D形状信息以及与所述3D形状相关的温度/能量曲线以产生用于施加改性剂29的图案(包括位置和/或量的信息)。所述3D形状信息可以包括关于一个层、若干个层或整个部件的信息，并且还可以包括作为聚结剂28的选择性施加的指示的一个或多个值。例如，可以存在用于热模型中或用于操作所述3D形状信息的空间变化量的聚结剂28。
在这些实例中，可以将所述3D形状信息供应给热模型并且可以自动生成温度/能量曲线。替代地，操纵所述3D形状信息(下文描述的)可在不使用热模型的情况下用于生成温度/能量曲线的估计(以局部温度/能量变化的图的形式)。
在使用操纵3D形状信息的实例中，在构建区域中的局部温度/能量变化的图可以由基于空间平均技术的3D层图像构造。在下面的实例中，假定原始层图像包括或者可以转化为具有描述应接收聚结剂28的一个或多个部分44的正值和描述不接收聚结剂28的一个或多个部分42的零值的数据。然而，应该理解，如果需要的话可以切换所述值。在该实例中，这些值约定是出于清楚的目的而使用。应当理解，可以采用其他值约定和数学运算以实现预期的结果。
在其上可以取平均值的层图像的半径可以通过在热模型中发现的热扩散的特征长度或通过多余部件生长的经验测量来确定。该经验测量可通过使用聚结剂28构建标称长度的部件，并绘制在辐射暴露(当不使用改性剂29时)后的尺寸误差相对于标称尺寸来进行。在该实例中，最佳拟合线与Y轴(0长度部件)的截距应大致为所述特征长度。还可以如先前针对长度尺度所描述的那样进行该经验测量(例如，用测试层/部件)。
在每个位置(即，像素)处可以通过平均该位置的半径内的所有像素的值来计算局部温度/能量含量的粗略图。平均可以使用高斯平均函数或一些其他合适的平均函数来完成。指定半径内的原始像素值和所有像素的平均值之间的差表明可以在该像素位置处使用改性剂29校正的能量不平衡的量。更具体地，当平均像素值超过实际像素值(例如，负差)时，这表明通过改性剂29冷却是期望的。当实际像素值超过平均像素值(例如，正差)时，这表明不应使用改性剂29，或可以将附加量的聚结剂28施加至该位置。正差值可以直接加到原始像素值以修改聚结剂28的量，乘以标量调整因子，或用作查找表格中的索引以找到要加到原始像素值的量。对于改性剂29而言，负差值可以直接使用，乘以标量调整因子，或用作查找表格中的索引以找到合适的量。由所述差值，可以产生施加聚结剂28和/或改性剂29的图案。
应该理解，校正算法可在层图像的不同部分处得到正差和负差两者。在这些情况下，可以调整改性剂29与聚结剂28两者的量。当全部获得正差时，改性剂29的使用可能是不期望的。
最终校正的图像(即，平均图像相减的结果或通过热模型结果修改的图像)可以是半色调的，即，转化成与所述校正图像中的强度信息相对应的点的空间图案。
取决于层制造时间的相对大小和热松弛的特征时间(从辐射暴露冷却)，可能期望通过平均3D对象几何形状的多个层而不是单个层来进行校正算法。
无论是否通过建模或根据经验来确定改性剂29的所需位置和/或量，在确定后，将改性剂29选择性地施加在可烧结材料16的所需的一个或多个部分42中，或在某些情况下施加在一个或多个部分44中(如图1中的附图标记110和图2D所示)。
在本文所公开的实例中，改性剂29包括表面活性剂、助溶剂、水、和任选的杀菌剂。在一些实例中，改性剂29由这些组分组成，而且不含其他组分。已发现该组分的特定组合有效地减少或防止聚结渗出，这部分是因为水和助溶剂为在其附近(例如，与其热接触)的可烧结材料16提供蒸发冷却。据信，1.3毫克/cm2的改性剂29的蒸发可以除去高达3焦耳的能量/cm2的可烧结材料16。该能量损失足以防止可烧结材料16加热和固化(例如，这可能需要4-5焦耳/ cm2/100微米层的可烧结材料)。
然而，在改性剂29中使用的助溶剂具有比水低的热扩散率。因此，所述助溶剂表现出比水少的热传递。该特征使得改性剂29能够减少从烧结材料至在其上具有改性剂29的未烧结环境的能量流动。因此，改性剂29有助于减少不期望的能量迁移。
因此，当烧结材料16与改性剂29热接触时，本文所公开的改性剂29可以有效地减少或防止可烧结材料16的固化。
存在于改性剂29中的助溶剂的总量为相对于改性剂29的总重量的约5.0wt%至高达30wt%。如上所述，合适的助溶剂至少具有比水低的热扩散率。在一些实例中，还可以期望一种或多种助溶剂具有大于230℃的沸点。在表1中提供了合适的助溶剂的实例和一些它们的物理性质。
表1 - 改性剂助溶剂
溶剂 热扩散率(mm2/s) 热导率(W/(m*K)) 比热 (J/(g*K)) 密度(g/m3) 沸点(℃) 闪点(℃)
水 0.162 0.680 4.19 1.00E+06 100 N/A
三羟甲基丙烷 0.145 0.256 1.58 1.12E+06 296 148
甘油 0.093 0.285 2.43 1.26E+06 290 160
1,2,4-丁三醇 0.044 0.199 3.70 1.22E+06 304 154
1,5-戊二醇 0.069 0.211 3.08 9.94E+05 239 129
1,4-丁二醇 0.105 0.211 1.99 1.01E+06 228 106
2-吡咯烷酮 0.088 0.194 1.97 1.12E+06 245 136
2-羟乙基-2-吡咯烷酮 无数据 无数据 无数据 1.16E+06 296 133
三丙二醇(TPG) 0.082 0.165 1.97 1.02E+06 265 143
二丙二醇 0.075 0.167 2.18 1.02E+06 232 124
四乙二醇 0.078 0.191 2.18 1.12E+06 328 177
三乙二醇 0.080 0.196 2.18 1.13E+06 288 166
三丙二醇甲醚 0.075 0.154 2.12 9.63E+05 243 121
三乙二醇正丁醚 0.076 0.160 2.13 9.90E+05 289 156
据信，还可使用表1中所列的助溶剂的组合。
改性剂29还包括表面活性剂。可选择表面活性剂的类型和量使得与可烧结材料16的接触线的接触角小于90°。在一些情况下，所述接触角可小于45°，这可能是期望的，以确保用改性剂29润湿可烧结材料16。
可以将改性剂29的组分混合在一起，然后可调整表面活性剂的量以实现期望的接触角。已发现，表面活性剂的合适的量可以部分地取决于表面活性剂的强度和/或是否使用表面活性剂的组合而变化。在一个实例中，所述表面活性剂的量可以高达相对于改性剂29的总重量的约1.5wt%。合适的表面活性剂的实例包括基于炔二醇化学的可自乳化的非离子润湿剂(例如，来自Air Products and Chemicals, Inc.的SURFYNOL® SEF)、基于全氟的乙氧基化非离子氟表面活性剂(来自Tyco Fire & Security GMBH LLC 的CHEMGUARD®S-550-100)、非离子氟表面活性剂(例如，来自DuPont的CAPSTONE®氟表面活性剂，先前被称为ZONYL FSO)及其组合。
如上所述，在一些情况下改性剂29还包括杀菌剂。当作为改性剂29的一部分时，杀菌剂以相对于改性剂29的总重量的约0.01wt%-约0.2wt%的量存在。合适的杀菌剂的实例为1,2-苯并异噻唑啉-3-酮的水溶液(例如，来自Arch Chemicals, Inc.的PROXEL® GXL)。
改性剂29的余量是水。因此，水的量可取决于表面活性剂、助溶剂以及在一些情况下所包含的杀菌剂的量而变化。在一个实例中，水的量为改性剂29的总重量的约70wt%-约95wt%。
可以与聚结剂28类似的方式选择性地施加改性剂29。在一个实例中，改性剂29可以在分配聚结剂28的同时施加，使用单次通过或使用多次通过。在另一个实例中，改性剂29可在分配聚结剂28之前或之后施加。
如图2D中所示，改性剂29可以由喷墨印刷头26'分配。虽然在图2D 中示出了单个印刷头，但是应该理解，可以使用跨越制造床22的宽度的多个印刷头。可以将印刷头26'连接至移动XY平台或平移滑架(均未示出)，其使印刷头26'邻近于制造床22移动以在期望的一个或多个区域中沉积所述改性剂。印刷头26'可被编程为接收来自中央处理器的命令，并在期望的一个或多个部分44和/或42中沉积改性剂29。
在一个实例中，可以期望使将形成的3D对象的层的一个或多个边缘增强、细化、平滑等。在该实例中，可以根据3D对象的层的横截面(其平行于接触表面25)的图案选择性地施加聚结剂28，并且可以沿该横截面的边缘边界27的至少一部分选择性地施加改性剂29。这样的一个实例示于图2D(系统12的侧横截面图)和图3(在制造床22中的可烧结材料16的顶视图)中。在这些附图所示的实例中，待形成的3D对象层的形状是矩形棱柱，并且平行于接触表面25的横截面的图案是具有边缘边界27的正方形或矩形。边缘边界27内的可烧结材料16是其上选择性地施加聚结剂28的部分44。位于边缘边界27和制造床22的边缘之间的可烧结材料16在待形成的层的横截面的图案外部，并因此是其上选择性地施加改性剂29的部分42。
简要地参考图4，描绘了两个部分42和44中的每一个的一些的前透视图。图4中的视图示出了在其上施加聚结剂28和改性剂29之后的一些可烧结材料16。如所描绘的，聚结剂28可以渗入部分44内的可烧结材料16的颗粒16A、16B、16C之间的至少一些空隙31中。类似地，改性剂29可以渗入边缘边界27的外部的部分42内的可烧结材料16的颗粒16A、16B、16C之间的至少一些空隙31'中。在其他实例中，聚结剂28和/或改性剂29可能不会渗入孔隙31、31'中，但是可以铺展在可烧结材料16的层10的暴露表面上。在图2D、图3和图4所示的实例中，改性剂29能够防止可烧结材料16的部分42的固化(熔化、烧结等)，而聚结剂28能够增强可烧结材料16的部分44的固化(熔化、烧结等)。
在另一个实例中，可以期望减少3D对象的层的横截面(其平行于接触表面25)的图案内的能量的量(或温度)。在该实例中，可以根据3D对象的层的横截面(其平行于接触表面25)的图案选择性地施加聚结剂28，但量可以降低以减少期望的区域中的能量的量。替代地，在该实例中，可以根据3D对象的层的横截面(其平行于接触表面25)的图案选择性地施加聚结剂28，并且可以在该横截面的至少一部分内选择性地施加改性剂29以减少期望的区域中的能量的量。因此，可将改性剂29施加至其上施加聚结剂28的可烧结材料16的部分44的全部或一些。作为一个实例，可以在固化期间表现出更高的温度的可烧结材料16的部分44的中心处或靠近该中心处施加改性剂29，并且不可以在靠近可烧结材料16的部分44的边缘边界27处施加。
在分别在期望的部分44和42中选择性地施加聚结剂28和改性剂29之后，将整个可烧结材料16的层10暴露于辐射R。这示于图1的附图标记112和图2E中。
辐射R从辐射源30发射，所述辐射源例如IR、近IR、UV、或可见光固化灯、IR、近IR、UV、或可见光发光二极管(LED)、或具有特定波长的激光器。使用的辐射源30将至少部分地取决于所使用的聚结剂28的类型。例如，可以将辐射源30连接至滑架，所述滑架还保持一个或多个印刷头26、26'。该滑架可以将辐射源30移动到邻近于制造床22的位置。辐射源30可以被编程为接收来自中央处理器的命令并使包括聚结剂28和改性剂29的层10暴露于辐射R。施加辐射R的时间长度或能量暴露时间可以取决于例如以下中的一个或多个：辐射源30的特性；可烧结材料16的特性；和/或聚结剂28的特性。
聚结剂28和改性剂29的选择性施加和暴露于辐射之间的时间可在0.05秒-约6秒范围内。为了实现来自本文所公开的改性剂29的期望的冷却效果，可以减少施加和辐射暴露之间的时间和/或可以增加改性剂29的量。进行时间和/或量的调整确保选定部分的温度保持压低足以抑制一个或多个部分42中的固化的时间，而固化发生在一个或多个部分44中。这是期望的，因为当一个或多个部分42由于蒸发而比其周围更冷时，能量迁移到所述一个或多个部分42中可以随时间发生。
聚结剂28增强辐射R的吸收，将吸收的辐射转化为热能，并促进热能传递至其附近的可烧结材料16(即，在聚结剂28的热接触内的可烧结材料16)。在一个实例中，聚结剂28充分地将部分44中的可烧结材料16的温度提高至高于一个或多个熔点，允许颗粒16A、16B、16C的固化(例如，烧结、粘结、熔化等)发生。
更进一步地，应当理解，可烧结材料16的部分42可吸收一些能量，所述可烧结材料16的部分42不具有施加至其中的聚结剂28但具有施加至其中的改性剂29。然而，改性剂29可以更加缓慢地将吸收的能量扩散至相邻的可烧结材料16，并且改性剂29的蒸发除去能量。因此，在这些情况下，一个或多个部分42内的颗粒16A、16B、16C的温度通常不超过颗粒16A、16B、16C的一个或多个熔点并且不会固化。
暴露于辐射R形成待形成的3D对象40的一个层32(参见图2F)。
图1的步骤102-步骤112(参考图2A-图2F示出和描述)可以如期望重复多次以产生随后的层34、36、38(图2F)，并最终形成3D对象40。应当理解，在施加能量期间由其上已递送聚结剂28的可烧结材料16的部分吸收的热可以传播至先前固化的层(例如层32)，使该层的至少一些升温至高于其熔点。这种效应有助于在3D对象40的相邻层之间产生强层间粘结。
图2F示出了制造床22中的3D对象40的一个实例。然而，可以理解，随后形成的层34、36、38可以具有任意期望的形状和/或厚度，并且取决于待形成的3D对象40的尺寸、形状等，其可以与任何其他层32、34、36、38相同或不同。
如图2F所示，当随后的层34、36、38已经形成时，递送活塞18被推动靠近递送床14的开口，并且可烧结材料16在递送床14中的供应减少(例如，相比于在所述方法开始时的图2A)。制造活塞24被进一步推动远离制造床22的开口，以容纳随后的可烧结材料16、选择性地施加的聚结剂28和选择性地施加的改性剂29的一个或多个层。由于至少一些可烧结材料16在每个层32、34、36、38形成之后保持未固化，在制造床22中3D对象40至少部分地被未固化的可烧结材料16和改性剂29包围。
当3D对象40完成时，可以将其从制造床22中除去，并且可以将未固化的可烧结材料16和改性剂29彼此分离。这可通过用水洗涤来完成。可以将未固化的可烧结材料16洗涤然后再使用。
现在参考图5，描绘了印刷系统12'的另一个实例。所述系统12'包括控制添加印刷系统12'的一般操作的中央处理器46。作为一个实例，中央处理器46可以是基于微处理器的控制器，其例如经由通信总线(未示出)耦合至存储器50。存储器50存储计算机可读指令48。中央处理器46可以执行指令48，并且因此可以根据指令48控制系统12'的操作。
在该实例中，印刷系统12'包括聚结剂分配器26以将聚结剂28选择性地递送至设置于支撑构件58上的可烧结材料16的层(在该图中未示出)的一个或多个部分44。在该实例中，印刷系统12'还包括改性剂分配器26'以将改性剂29选择性地递送至设置于支撑构件58上的可烧结材料16的层(在该图中未示出)的其他一个或多个部分42和/或一个或多个部分44。
在一个实例中，支撑构件58具有约10cm×10cm至高至约100cm×100cm的尺寸，但是支撑构件58取决于待形成的3D对象40可具有更大或更小的尺寸。
中央处理器46根据递送控制数据52控制聚结剂28和改性剂29至可烧结材料16的层的选择性递送。
在图5所示的实例中，应当理解分配器26、26'是印刷头，例如热敏印刷头或压电喷墨印刷头。印刷头26、26'可以为按需滴落印刷头或连续滴落印刷头。
印刷头26、26'可以分别用于选择性地递送聚结剂28和改性剂29(当为合适的流体的形式时)。如上所述，聚结剂28和改性剂29各自包括媒介物，例如水、一种或多种助溶剂、一种或多种表面活性剂等，以使其经由印刷头26、26'被递送。
在一个实例中，可以选择印刷头26、26'以在约180点每英寸(DPI)的至约1200 DPI的分辨率下递送聚结剂28和改性剂29的液滴。在其他实例中，可以选择印刷头26、26'以能够在更高或更低的分辨率下递送聚结剂28和改性剂29的液滴。液滴速度可为约8m/s-约24m/s并且发射频率可为约1kHz-约48kHz。在一个实例中，可以期望在每层被构建的对象的选定的部分中递送0.3-1.0毫克/cm2的改性剂29。
每个印刷头26、26'可包括喷嘴阵列，印刷头26、26'能够通过所述喷嘴阵列选择性地喷射流体的液滴。在一个实例中，每个液滴可为每滴约6皮升(pl)至每滴约10皮升(pl)的量级，但是预期可以使用更高或更低的液滴尺寸。在一些实例中，印刷头26、26'能够递送可变尺寸的液滴。
印刷头26、26'可以是印刷系统12'的集成部件，或者它可以是用户可替换的。当印刷头26、26'是用户可替换的时，它们可以是可移除地插入合适的分配器接收器或接口模块(未示出)中。
在印刷系统12'的另一个实例中，单个喷墨印刷头可用于选择性地递送聚结剂28和改性剂29两者。例如，印刷头的第一组印刷头喷嘴可被配置成递送聚结剂28，并且印刷头的第二组印刷头喷嘴可被配置成递送改性剂29。
如在图5中所示，每个分配器26、26'具有使其能够以页宽阵列配置跨越支撑构件58的整个宽度的长度。在一个实例中，所述页宽阵列配置通过多个印刷头的合适布置来实现。在另一个实例中，所述页宽阵列配置通过具有喷嘴阵列的单个印刷头来实现，所述喷嘴阵列具有使其能够跨越支撑构件58的宽度的长度。在印刷系统12'的其他实例中，分配器26、26'可以具有不能使其跨越支撑构件58的整个宽度的较短的长度。
虽然未在图5中示出，但可以理解分配器26、26'可被安装在可移动的滑架上以使其能够沿所示Y轴横跨支撑构件58的长度双向移动。这实现了聚结剂28和改性剂29在单次通过中横跨支撑构件58的整个宽度和长度的选择性递送。在其他实例中，可以将分配器26、26'固定，而将支撑构件58配置成相对于所述分配器移动。
如本文中所使用的，术语“宽度”通常是指在平行于图5中所示的X和Y轴的平面中的最短尺寸。术语“长度”是指在该平面中的最长尺寸。然而，可以理解，在其他实例中，术语“宽度”与术语“长度”可以是可互换的。作为一个实例，分配器26、26'可以具有使其能够跨越支撑构件58的整个长度的长度，而可移动的滑架可以横跨支撑构件58的宽度双向移动。
在其中分配器26、26'具有不能使其跨越支撑构件58的整个宽度的较短的长度的实例中，分配器26、26'还可以在所示X轴上横跨支撑构件58的宽度双向移动。该配置实现了使用多次通过横跨支撑构件58的整个宽度和长度的聚结剂28和改性剂29的选择性递送。
分配器26、26'可以分别在其中包括聚结剂28和改性剂29的供应，或者可以分别可操作地连接到聚结剂28和改性剂29的单独供应。
如在图5中所示，印刷系统12'还包括可烧结材料分配器56。该分配器56用于在支撑构件58上提供可烧结材料16的层(例如，层10)。合适的可烧结材料分配器56可以包括例如擦拭器刀片、辊或其组合。
可烧结材料16可以由料斗或其他合适的递送系统供应至可烧结材料分配器56。在所示的实例中，可烧结材料分配器56横跨支撑构件58的长度(Y轴)移动以沉积可烧结材料16的层。如前所述，可烧结材料16的第一层将沉积于支撑构件58上，而随后的可烧结材料16的层将沉积于先前沉积的(和固化的)层上。
应当进一步理解，支撑构件58还可以是沿Z轴可移动的。在一个实例中，支撑构件58在Z方向上移动，使得可烧结材料16的新层沉积，在最近形成的层的表面和分配器26、26'的较低表面之间保持预定的间隙。然而，在其他实例中，支撑构件58可沿Z轴固定并且分配器26可以是沿Z轴可移动的。
与系统12类似，系统12'也包括辐射源30以将能量施加至可烧结材料16、聚结剂28和改性剂28的沉积层，导致可烧结材料16的一个或多个部分44的固化。可以使用先前描述的任何辐射源30。在一个实例中，辐射源30是能够将能量均匀地施加至沉积材料的单一能量源，并在另一个实例中，辐射源30包括能量源的阵列以将能量均匀地施加至沉积材料。
在本文所公开的实例中，辐射源30被配置成以基本上均匀的方式将能量施加至沉积的可烧结材料16的整个表面。这种类型的辐射源30可以被称为未聚焦的能量源。将整个层同时暴露于能量可以有助于提高可生成三维对象的速度。
尽管未示出，但是可以理解，辐射源30可被安装在可移动的滑架上或者可以在固定的位置上。
中央处理器46可以控制辐射源30。施加的能量的量可根据递送控制数据52。
系统12'还可以包括用于预热沉积的可烧结材料16的预加热器60(如参考图2B中所示和描述)。使用预加热器60可以有助于减少必须由辐射源30施加的能量的量。
为了进一步举例说明本公开内容，本文给出了实施例。应该理解，这些实施例是出于举例说明的目的而提供，并且不应当被解释为限制本公开内容的范围。
实施例1
制备实施例改性剂(实施例)和若干种对比改性剂(对比例1-对比例5)。制剂(以IF表示)示于表2中。
使用光区域处理形成对称部件。施加可从Electro Optical Systems GmbH获得的PA2200聚酰胺12可烧结材料的100μm的层。采用喷墨印刷机将可从Hewlett PackardCompany获得的HP CM991A墨水作为聚结剂以所述部件的图案施加在可烧结材料上。将实施例和对比例改性剂施加至图案的一半的边缘处的可烧结材料。印刷机设置包括160℃的制造床设定点和20秒的层循环时间。将40层材料沉积、图案化和固化。
将形成的部件暴露于用牙刷在肥皂水中清洁以除去未烧结的可烧结材料，并评估改性剂的性能。
清洁后的部件的照片示于图6A-图6F中。表3将附图与各个部件和在各自部件的制造过程中使用的改性剂关联。
表3
部件和使用的改性剂 附图
使用IF7实施例形成的实施例部件 6A
使用IF对比例1形成的对比部件1 6B
使用IF4对比例2形成的对比部件2 6C
使用IF6对比例3形成的对比部件3 6D
使用IF8对比例4形成的对比部件4 6E
使用IF9对比例5形成的对比部件5 6F
在每个部件的制造过程中沿底部边缘以及在正方形缺口内已经施加各自的改性剂。在对比图6A-图6F时，清楚的是，实施例部件(图6A，采用由水、具有期望的热扩散率和在期望的范围内的助溶剂和表面活性剂组成的实施例改性剂形成)在其中已施加改性剂的部分中具有最少量的可烧结材料16。采用盐和/或大量(大于30wt%)的一种或多种助溶剂配制的对比部件(图6B-图6F)也没有清除缺口。相反，在对比部件中未烧结的可烧结材料在缺口内结块(即，积聚)。
在评估之后，还将每个部件暴露于喷砂进行更苛刻的清洁。获得与图6A-图6F中所示的那些类似的结果。
实施例2
制备包含约90wt%的水和约8wt%的乙二醇醚的改性剂。
施加可从Electro Optical Systems GmbH获得的PA2200聚酰胺12可烧结材料的100μm的层。采用喷墨印刷机将可从Hewlett Packard Company获得的HP CM991A墨水作为聚结剂以所述部件的图案施加在可烧结材料上。将改性剂以每层0mg/cm2至每层1.3mg/cm2的量施加至各自锯齿形状的边缘处的可烧结材料。印刷机设置包括160℃的制造床设定点和20秒的层循环时间。将40层材料沉积、图案化和固化。
在部件形成之后测量以mm表示的齿长以评估改性剂的量的影响。图7示出了齿长相对于改性剂的量的图。看出1.3mg/cm2的改性剂可以提供过多的冷却且不期望地降低图案长度。这些结果表明，使用本文所公开的实施例确定施加的改性剂的量可以是期望的。
图8A-图8D是在该实施例中形成的部件的照片。图8A示出了没有在其边缘处施加改性剂(即，每层0mg/cm2)的锯齿。图8B示出了以每层0.33mg/cm2的量在其边缘周围并延伸超出齿端2mm施加改性剂的锯齿。图8C示出了具有按0.66mg/cm2每层的量在其边缘处施加的改性剂的锯齿。图8D示出了以每层1.3mg/cm2的量在其边缘处施加改性剂的锯齿。锯齿的黑色区域表示用聚结剂标记的区域，其表示特征的期望尺寸。相比于图8B-图8D，在图8A中有存在于锯齿的边缘处的更多白色的不期望的烧结材料。图8B-图8D表示邻近于聚结剂区域沉积的改性剂的增加量(0.33、0.66、1.33mg/cm2)。不期望的白色的烧结​​材料的量在每个连续图像中减少。
实施例3
在该实施例中也施加实施例2的改性剂。
施加可从Electro Optical Systems GmbH获得的PA2200聚酰胺12可烧结材料的100μm的层。采用喷墨印刷机将可从Hewlett Packard Company获得的HP CM991A墨水作为聚结剂以所述部件的图案施加在可烧结材料上。将改性剂以每层0、0.66和1.33mg/cm2的量施加至各自锯齿形状的边缘处的可烧结材料。印刷机设置包括160℃的制造床设定点和20秒的层循环时间。将40层材料沉积、图案化和固化。在固化前引入2秒或4秒的时间延迟。
在部件形成之后测量以mm表示的齿长以评估改性剂的量和固化中的延迟的影响。这些结果示于表4中。
表4
部件 在固化之前的延迟(秒) 改性剂(mg/cm2) 测量的特征长度(mm)
对比例1 2 0 2.40
实施例2 2 0.66 2.32
实施例 3 2 1.33 2.15
对比例 4 4 0 2.45
实施例5 4 0.66 2.33
实施例6 4 1.33 2.28
由表4中的结果，与没有改性剂相反，使用改性剂减少了齿长。这表明，当不使用改性剂时，不期望的可烧结材料在齿的边缘处结块。另外，当使用相同量的改性剂时，相比于固化中的较长延迟(比较实施例2与实施例5和实施例3与实施例6)，固化中的较短延迟产生稍微减小的齿长。
本文所公开的改性剂29的实施例可有效地减少在边缘边界27处或附近结块的不期望的可烧结材料，可以减少聚结渗出，和/或可以降低固化的水平和/或防止在一个或多个部分42内的边缘边界27处或附近的可烧结材料16的固化。
在整个说明书中提及“一个实例”、“另一个实例”、“实例”等，是指结合该实例描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文所描述的至少一个实例中，并且可以或可以不存在于其他实例中。此外，应该理解，针对任何实例描述的要素可以任何适当的方式组合在不同的实例中，除非上下文另有明确说明。
应该理解，本文所提供的范围包括所述范围以及在所述范围内的任何值或子范围。例如，约50℃-约350℃的范围应被解释为不仅包括约50℃至约350℃的明确列举的限值，而且还包括单个值(例如57℃、95℃、125℃、250℃等)和子范围(例如约70℃-约225℃、约60℃-约170℃等)。此外，当“约“用于描述一个值时，这意味着涵盖自所述值的微小变化(高至+/- 10%)。
在描述和要求保护本文所公开的实例时，单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。
尽管已详细描述了若干个实例，但将对于本领域技术人员而言明确的是，可以修改所公开的实例。因此，前面的描述应被认为是非限制性的。

Claims (15)

1.三维(3D)印刷方法，其包括：
施加可烧结材料；
将所述可烧结材料加热至约50℃至约350℃的温度；
将聚结剂选择性地施加在所述可烧结材料的一部分上；
使用i)所述可烧结材料、ii)由所述一部分可烧结材料形成的层或iii)i和ii两者的热扩散特性确定如何将改性剂选择性地施加在所述可烧结材料的另一部分上，所述改性剂包含：
约70wt%至约95wt%的水；
约5wt%至高达30wt%的助溶剂，所述助溶剂具有比水更低的热扩散率；
表面活性剂；和
任选的杀菌剂；
将所述量的改性剂选择性地施加在所述可烧结材料的另一部分上；以及
将所述可烧结材料暴露于辐射，从而所述聚结剂至少部分地使在该聚结剂附近的可烧结材料的一部分固化，并且所述改性剂减少或防止在该改性剂附近的可烧结材料的另一部分的固化。
2.如权利要求1中所述的3D印刷方法，其中所述确定通过以下来完成：
通过运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令的计算机来创建由所述可烧结材料形成的层的热扩散模型；和
通过所述计算机来基于所述热扩散模型计算待选择性地施加的改性剂的量。
3.如权利要求2中所述的3D印刷方法，其中所述层将由所述可烧结材料的一部分形成，并且其中所述计算包括：
由所述热扩散模型确定所述可烧结材料的另一部分的超温，其高于制造床的设定温度；
将所述超温转化为多余能量的量；和
将所述多余能量的量转化为有效地除去该多余能量的改性剂的量。
4.如权利要求3中所述的3D印刷方法，其中增加所述多余能量的量以解决能量至所述可烧结材料的另一部分的二次迁移。
5.如权利要求3中所述的3D印刷方法，其进一步包括确定在所述一部分的边缘边界内或所述一部分内施加的聚结剂的调整量以补偿能量损失。
6.如权利要求1中所述的3D印刷方法，其中所述确定涉及根据经验确定改性剂的量和由所述改性剂的量影响的温度变化。
7.如权利要求6中所述的3D印刷方法，其中所述根据经验确定涉及：
将其上没有任何聚结剂或改性剂的可烧结材料暴露于辐射以形成参考区域；
测量所述参考区域的温度；
将其上具有所述量的改性剂的可烧结材料暴露于辐射以形成测试区域；
测量所述测试区域的温度；
确定所述测试区域和所述参考区域之间的温度差；和
将改性剂的所述量与所述温度差相关联。
8.如权利要求1中所述的3D印刷方法，其中所述确定涉及：
使用已经在相同类型的可烧结材料、选择性地施加的聚结剂的相同位置和不具有改性剂的情况下形成的固化层来估计热扩散的长度尺度；和
由所述长度尺度识别所述改性剂的选择性施加的至少一个位置。
9.如权利要求1中所述的3D印刷方法，其中所述确定通过以下来完成：
通过运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令的计算机接收关于由所述可烧结材料形成的层的3D形状信息；
通过所述计算机生成由所述可烧结材料的一部分形成的层的能量或温度曲线；和
由所述3D形状信息和所述能量或温度曲线，通过所述计算机生成改性剂的选择性施加的图案。
10.如权利要求1中所述的3D印刷方法，其中将所述可烧结材料施加在接触表面上，并且其中所述方法进一步包括：
以待形成的三维对象的层的横截面的图案将聚结剂选择性地施加在所述可烧结材料的一部分上，所述横截面平行于所述接触表面；和
将改性剂选择性地施加在该横截面的至少部分的边缘边界处的可烧结材料的另一部分上。
11.用于在三维(3D)印刷方法过程中识别如何施加改性剂的方法，所述方法包括：
通过运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令的计算机接收关于由可烧结材料的一部分形成的层的3D形状信息，所述3D形状信息包括表示聚结剂的选择性施加的值；
通过所述计算机生成由所述可烧结材料的一部分形成的层的能量或温度曲线；和
由所述3D形状信息和所述能量或温度曲线，通过所述计算机生成改性剂相对于待形成的层的选择性施加的图案。
12.如权利要求11中所述的方法，其进一步包括通过所述计算机生成修改值，其用于调整表示所述聚结剂的选择性施加的值。
13.用于在三维(3D)印刷方法过程中识别如何施加改性剂的计算机建模方法，所述计算机建模方法包括：
通过运行存储于非暂时的、有形的计算机可读存储介质上的计算机可读指令的计算机创建使用所述3D印刷方法的由可烧结材料的一部分形成的三维对象的层的热扩散模型；和
通过所述计算机基于所述热扩散模型计算待选择性地施加的改性剂的量。
14.如权利要求13中所述的计算机建模方法，其中：
所述热扩散模型识别在所述层的边缘边界外部的多余能量；和
所述计算将所述多余能量转化为待选择性地施加的改性剂的量。
15.如权利要求13中所述的计算机建模方法，其进一步包括确定在所述一部分的边缘边界内或所述一部分内施加的聚结剂的量。
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