CN106488820A - 通过选择性烧结的三维打印的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于构建一三维物体的系统(100)，其包含：一粉料输送台(10)，用于平铺一层的粉末材料于一构建盘(200)上；一数码打印台(30)，用于在所述层上打印一掩模图案；一烧结台(50)，用于选择性地烧结由所述掩模所界定的需被烧结的所述层的所述部分；以及一平台(250)，用于重复地将所述构建盘(200)推进至所述粉料输送台、所述数码打印台与所述烧结台的每一个以构建多个层，而共同形成所述三维物体。所述掩模图案界定了需被烧结的所述层的一部份的一负型。所述系统选择性地包含一用于压实每层的粉末材料的压模站(40)。

Description

通过选择性烧结的三维打印的方法及设备
交互参照
本申请案根据35USC§119(e)声明主张2014年5月8日所申请的美国临时专利申请案号61/990,165的利益，其内容全都通过引用方式并入本文中。
技术领域
本发明在它的一些实施例中涉及三维(3D)打印，特别但不限定涉及通过选择性烧结的三维打印。
背景技术
将粉末材料的连续层通过三维打印而形成固态物体的许多不同工序是已知的。一些已知的三维打印技术根据所述物体的一三维模型选择性地使用一液体黏结材料，将所述材料逐层黏结成一固体结构。在一些方法中，于最后构建过程时加热和/或烧结所述物体来进一步加强所述材料的黏结。
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)使用一激光做为将粉末材料烧结为层的能源。所述激光被控制瞄准在一三维模型限定区域中的点，将所述材料逐层黏结在一起形成一固体结构。选择性激光熔融(Selective laser melting，SLM)为可将所述材料完全熔融而非烧结的相似技术。选择性激光熔融特别运用在所述粉末的熔点一致时，比如，当使用纯金属粉末作为所述构建材料时。
美国专利第4,247,508号标题「模制工序」，其内容通过引用并入本文，其中描述了一种以层迭构建一三维物体的模制工序。在一实施例中，材料的平面层被依序沉积。下一层沉积之前，每一层中的一部份将被固化用来表示此为这一层中所述物体的部分。每一层的选择性固化通过热的使用或一选择性掩模，或通过使用一控制的热扫描过程来完成。与其使用一激光来选择地熔化每一层，每一层中运用一分离掩模及一热源。所述掩模覆于对应层上且将一热源放置在所述掩模之上。热通过掩模的开口进来将接触到掩模开口的微粒熔化在一起。非直接接触热的微粒则不会被熔化。
美国专利第5,076,869号标题「选择性光束烧结的复合材料系统」，其内容通过引用并入本文，其中描述了一种用于选择性烧结粉末层以产生一包含多个烧结层的部分的方法与装置。所述装置包含一计算器，所述计算器控制一激光以将所述激光能量引导至所述粉末上而产生烧结块体。对于每个横截面，所述激光光束瞄准扫描一粉末层，且所述光束被开启烧结仅在所述横截面范围以内的粉末。使用粉末且烧结连续层直到一完整的部分被形成。优选地，所述粉末包含了多个具有不同离解或黏结温度的材料。所述粉末优选地包含混合的或涂覆的材料。
发明内容
根据本发明一些实施例中的一方面提供了通过选择性烧结的三维打印的系统及方法。根据本发明一些实施例，通过外加的制作工序形成一物体，所述工序包含在一粉末层上打印一掩模、压实包含所述掩模的所述层，而后烧结所述压实层。于每一层重复此工序直到所述物体被形成。本发明人已发现每一层中增加所述压实过程可提升构建工序的效率并可改善最终产品的质量。
根据本发明一些实施例的一方面提供一用于构建一三维物体的系统，其包含：一粉料输送台，用于平铺一层的粉末材料于一构建盘上；一数码打印台，用于在所述层上打印一掩模图案，其中所述掩模图案界定了需被烧结的所述层的一部分的一负型，所述部分被暴露；一平台，用于重复地将所述构建盘推进至所述粉料输送台、所述数码打印台与所述烧结台的每一个以构建多个层，而共同形成所述三维物体。
可选择地，所述系统其包含一用于压实每层的粉末材料的压模站，其中所述压实站包含一用于接收所述层的模具。
可选择地，所述压模站包含一加热组件，用于对与所述层接触的所述模具的一表面加温。
可选择地，所述压模站能够对所述层施加高达100兆帕(MPa)的压力。
可选择地，所述压模站包含一升降系统，用于将所述构建盘朝所述模具升降。
可选择地，所述压实站包含一抗剥离机构，所述抗剥离机构包含一位于模具之间的箔片，其中所述箔片是由两相对边支撑，以在所述构建盘与所述模具分离时允许所述箔片的弯曲。
可选择地，所述的系统包含一控制器，所述控制器在压实后可依所述层的一厚度调整下一层时所述构建盘的一高度。
可选择地，所述的系统包含一用于在烧结后冷却所述层的冷却站。
可选择地，所述冷却站包含数个用于提供喷射气流以冷却所述层的风刀。
可选择地，所述数码打印系统能够分配一墨水，所述墨水包含悬浮在一液体载体中的熔块。
可选择地，所述熔块是由直径介于500纳米(nm)至1微米(μm)之间的数个微粒所形成。
可选择地，所述烧结台包含一用于烧结所述层的高热质滚轴。
可选择地，所述高热质滚轴被加热至高于所述粉末熔点的0摄氏度至80摄氏度。
可选择地，所述高热质滚轴施加一20至180牛顿/公分(N/cm)的滚轴长度的数量级的压力。
可选择地，所述的烧结台包括一抗剥离机构，所述的抗剥离机构包含一置于高热质滚轴与所述层间的箔片。
可选择地，中所述烧结台包含垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSEL)的阵列组，所述垂直腔面发射激光器的阵列组扫描所述层以用于预热和/或烧结。
可选择地，所述构建盘包含至少一通道，所述至少一通道大体上与供放置所述层的所述盘的一表面平行，通过所述至少一通道引入液体以冷却所述构建盘。
可选择地，其中所述粉末为金属粉末。
可选择地，其中所述粉末为铝和/或铝合金粉末。
根据本发明一些实施例的一方面提供了一种用于构建一三维物体的方法，其包含：平铺一层粉末于一构建盘上；打印一掩模图案于所述层上，其中所述掩模图案界定了需被烧结的所述层的一部份的一负型(亦即，所述的部分被露出)，通过定义所述三维物体的一形状的一掩模图案数据来界定用于所述层的所述掩模图案；烧结被露出的所述层的所述部分；以及重复进行平铺、打印及烧结，直到完成所述三维物体。
可选择地，所述掩模图案是由一分配一墨水的数码打印机打印而成。
可选择地，所述墨水提供一隔离涂料于所述层的一掩蔽的部分上。
可选择地，所述墨水包含一液体载体，所述液体载体选择具有低于所述粉末的一熔点的一蒸发温度。
可选择地，所述的方法包含在所述烧结之前执行每一层的压模。
可选择地，所述的方法包含执行温模压实。
可选择地，在压实过程中施于所述层的所述压力是高达100兆帕。
可选择地，在所述层的打印后对每一层进行所述压模。
可选择地，所述的方法包含在所述压模时冷却所述构建盘。
可选择地，所述烧结的执行是通过使一热源通过所述构建盘的一长度上方，其中所述热源沿着延伸至所述构建盘的一宽度上方的一窄条提供热能。
可选择地，所述烧结是以一滚过所述层的高热质滚轴来执行的。
可选择地，在所述烧结中所述高热质滚轴被加热至高于所述粉末熔点的0摄氏度至30摄氏度。
可选择地，所述高热质滚轴以一10牛顿/公分的滚轴长度的数量级的压力被压向所述层。
可选择地，所述方法包含在烧结中冷却所述构建盘。
可选择地，所述方法包含包含在所述烧结后立刻冷却所述层，其中所述冷却是以一喷射气流来执行的。
可选择地，所述方法包含依照正被构建的所述物体的一或多个先前的层的一厚度来调整所述构建盘的一高度。
根据本发明一些实施例的一方面提供了一种用于构建一三维物体的方法，其包含：供给一层的粉末于一构建盘上；于所述层上进行压模；通过选择性激光烧结或选择性激光熔融烧结被压模的所述层；以及于每一层重复进行所述供给、所述压模与所述烧结，直到完成所述三维物体。
可选择地，所述的方法包含执行温模压实。
可选择地，在压实过程中施于所述层的所述压力是高达100兆帕。
除非另有指示，否则本文所用的所有技术和/或科技术语具有与本发明所属领域的技术人员的通常理解相同的含义。虽然与本文所述的这些类似或者等同的方法和材料能够用于本发明实施例的实践和试验，但是示例性的方法和/或材料描述如下。在相矛盾的情况下，以本专利说明书(包括定义)为准。此外，各原料、方法和实施例仅仅是示例性的，目的并非用于必然地限制。
附图说明
在此参照附图仅通过实例来描述本发明的一些实施方式。现在具体地详细参照附图，要强调的是，示出的细节是以实例的方式，并出于例证性地论述本发明的实施例的目的。在这个方面，结合附图所做的描述使得本发明的实施方式如何被实践对于本领域技术人员而言是显而易见的。
附图中：
图1为本发明的一些实施例中一示例性三维打印系统的简化示意图。
图2为本发明的一些实施例中一示例性三维打印系统的显示示例性单位的简化方块图。
图3为本发明的一些实施例中粉末分配站的简化方块图。
图4为本发明的一些实施例中粉末平铺站的简化方块图。
图5为本发明的一些实施例中一示例性打印系统的简化方块图。
图6为本发明的一些实施例中一包含一打印掩模的物体层的简化示意图。
图7A与图7B为本发明的一些实施例中一示例性压实系统分别在释放与压缩状态时的简化示意图。
图8A和图8B为本发明的一些实施例中一压实系统分别在压实状态与压实后状态的一示例性抗剥离机构的简化示意图。
图9为本发明的一些实施例中一用于一压实系统的清洁机构的简化示意图。
图10为本发明的一些实施例中示例性的烧结台与冷却站的简化示意图。
图11为本发明的一些实施例中另一个示例性烧结台的简化示意图。
图12为本发明的一些实施例中一通过三维打印构建一物体的示例性方法的简化流程图。
具体实施方式
本发明在它的一些实施例中涉及三维(3D)打印，特别但不限定涉及通过选择性烧结的三维打印。
根据本发明的一些实施例，提供了从烧结粉末的复数层来构建一物体的三维打印系统与方法。根据本发明的一些实施例，所述系统包含一构建盘，在其上粉末分配器将粉末材料洒于每一层的基底并由一滚轴平铺每一层粉末。可选择地，粉末分配与粉末平铺是在所述系统的一粉料输送台中被执行。根据本发明的一些实施例，一金属粉末被使用作为所述构建材料。在一些示例性实施例中，使用铝粉。可选择地，使用一金属合金，例如使用一铝合金或一粉末金属的组合物。可选择地，一陶瓷粉末被使用作为所述构建材料和/或金属及陶瓷粉末的组合物。
以铝为构建原料的优点在于它的轻量，相较低熔点与它的抗腐蚀性。以铝粉为构建原料的挑战之一在于粉末的铝粒子倾向形成一铝氧化层，例如氧化铝。所述铝氧化层会在烧结过程中形成铝粒子之间相互黏着的障碍，干扰粒子间的结合。由于粉末元素之间的黏着度差，从而造成物体成形后的结构强度降低。
当进行以铝来构建的SLS和/或SLM工序时会面临另一个挑战。熔融的铝已知对于接收另外的层会使表面变湿。需加入锡与其他添加物来改善变湿的表面。然而，加入锡与其他添加物会减低被构建的最终成品的强度。此外，由于先前层较差的湿度，在通过扫描激光光束时此熔融层会遭受相邻熔融液滴的聚结。同样会造成物体的强度降低与不正确的尺寸。已知的是，在构建时于所述物体加入外骨架可以增加额外的稳定度并减少内应力，例如由于尺寸变化。此外骨架之后将被移除。移除所述外骨架通常是一繁琐的工序。
根据本发明的一方面，提供了一种改良的三维(3D)打印系统和方法，其可同样运用在使用如铝的纯金属来构建物体。值得注意的是，所述系统和方法不限于使用纯金属，且还可以使用金属合金、陶瓷和/或不同材料的组合物来构建。
根据本发明的一些实施例，所述系统包含了一数码打印机，所述数码打印机是基于一储存的数码掩模图案于每一层基础上将一掩模打印在粉末床上。特别地，所述掩模图案在被打印的特定横截面上为所述物体的负像。根据本发明的一些实施例，所述打印机所使用的墨水包含了绝热材料，例如悬浮于一液体载体(例如油和/或有机溶剂)中的玻璃或硅熔块。特别地，在烧结工序中和在所述墨水被施用的位置上，所述墨水提供了延迟所述粉末材料的烧结。
根据本发明的一些实施例，所述系统包含了一压模站，所述压模站是用于在烧结前将粉末的所述层压实于模具中。特别地，压实是用来增加粉末层的密度和/或除去空气。在一些实施例中，被施加的所述压实强度被定义为提供所述粉末层的永久变形，例如挤压所述粉末粒子回到它弹性状态并进入它的塑性状态。可选择地，在压实过程中加热可使在低压实压力下达到永久变形的状态。特别地，通过压实所述物体的密度与机械强度都能被提升。根据本发明的一些实施例，通过破坏所述氧化铝层以暴露所述铝且允许所述粉末材料的铝粒子之间直接结合，所述压实在烧结期间可促进结合。可选择地，压实提升了所述粉末层的热导率且允许更均匀的烧结。可选择地，压实提升了层之间的结合且预防了烧结后可能发生的层分离。根据本发明的一些实施例，每层的压模被应用于已知的构建一三维物体的SLM与SLS工序。
根据本发明的一些实施例，所述系统包含了一用于烧结所述压实层的烧结台。根据本发明的一些实施例，烧结是以一烧结滚轴(例如，高热质滚轴)来进行。在一些示例性实施例中，所述滚轴被加热至略高于所述粉末材料的熔点，例如，高于熔点的0摄氏度到80摄氏度，并且以20至180牛顿/公分左右的滚轴长度的压力施压于所述层。特别地，所述施压是为了确保所述滚轴表面与所述层之间有完整的接触。特别地，所述施压促进了所述层之间的结合。在一些示例性实施例中，所述滚轴的温度与滚动的速度被定义，使得在掩模部分中液体载体的大量蒸发之前可以实现所述未掩模部分的充分熔融。特别地，液体载体的沸点低于所述粉末材料的熔点，使得在所述掩模部分中所述液体载体的蒸发在所述粉末材料的熔融之前发生。在未掩模的部分中，没有液体载体，所以大体上所有的能量转移被使用于熔融所述粉末材料。这导致了在掩模轨迹上铝熔融之前铝会在模型轨迹(model trajectory)时熔融。若这个时间延迟被善用，所述模型轨迹将被固化及黏结至前一层，而所述掩模轨迹则不会。在本发明的一些替代实施例中，烧结是以垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列组扫过所述层来实现的。在本发明的一些另外的替代实施例中，烧结是以所述滚轴来实现的，且垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列组被使用于预热所述层。此预热可以缩短烧结的时间并可降低所述烧结滚轴的潜在污染。
根据本发明的一些实施例，所述系统选择性地包含一抗剥离机构，所述抗剥离机构是用于降低和/或防止所述粉末层在接触表面(例如，所述烧结滚轴和/或所述模具)上的剥离。在某些示例性实施例中，所述抗剥离机构包含一位于所述粉末层与一接触表面之间的箔片和/或薄膜，所述箔片和/或薄膜在所述接触表面的初始分离后与所述粉末层保持接触，而后在以缓慢的方式与所述粉末层分离。特别地，所述箔片的存在防止了所述接触表面上的任何剥离。在一些示例性实施例中，所述箔片的缓慢分离还可防止和/或减少所述粉末层在所述箔片上的剥离。
根据本发明的一些实施例中，所述系统又包含了一用于冷却所述层的冷却站。特别地，冷却是在选择性烧结后即刻进行的，使得所施加的热不会随着时间穿透和/或渗透到掩模的非烧结的区域。特别地，冷却是以一或多个风刀来执行。特别地，氮气被使用于冷却。
根据本发明的一些实施例，一构建盘在一精密平台上推进至多个站的每一个。所述多个站包含所述粉末分配站、所述粉末平铺站、所述打印台、所述压实站、所述烧结台和所述冷却站。在一些示例性实施列中，所述盘当离开所述打印台且压实时反转其方向，当所述盘朝所述粉末分配站的方向移动回来时进行热烧结与冷却。特别地，这样的往复运动被重复于被打印的每一层。
在详细说明本发明的至少一实施例之前，应当理解，本发明并非是对下文所描述的和/或附图和/或实施例所呈现的部件和/或方法的结构及分布的细节进行必然地限制，本发明能够于其它实施例或以各种方式被实践或实施。
请参照附图，图1显示本发明的一些实施例中一示例性三维打印系统的简化示意图；图2显示本发明的一些实施例中一示例性三维打印系统的显示示例性单位的简化方块图。根据本发明的一些实施例，一三维打印系统100是集成在一工作平台500上。根据本发明的一些实施例，工作平台500包含了一精密平台250，一构建盘200每次打印一物体15的每一层时会于此精密平台上推进至复数平台。特别地，精密平台250为一线性平台，例如一X-Z平台沿着一单轴提供移动，例如一X轴当构建一层且同时提供垂直方向(Z轴)的移动使盘200的高度得到调整，例如随着每一个新层增加而降低盘200的高度。
根据本发明的一些实施例，工作平台500包含了一用于分配一粉末层于盘200的粉末分配站100、一用于将分派的粉末铺为一层的粉末平铺台20、一用于根据一掩模图案在所述层上打印一掩模的打印台30、一用于在烧结前压实所述粉末层的压实站40、一用于烧结所述压实层和烧结台50与一用于冷却所述烧结层的冷却站。特别使每一层被打印的盘20移动至各站，而后重复所述工序直到所有层都被打印完成。在一些示例性实施例中，盘20单向移动并停于粉末分配站10、粉末铺平站20与打印台30，随后朝粉末分配站10的方向回转至并停于压实站40、烧结台50与冷却站60来完成一当前层。根据本发明的一些实施例，一控制器300控制了三维打印系统100的运作并以定位和/或移动精密平台250上的盘200来协调各站间的运作。特别地，控制器300包含和/或关联于记忆与处理能力。
在一些示例性实施例中，一或多个站顺着精密平台250的路径并由沿着此路径延伸出的轨道和/或更多桥梁支撑着，例如桥梁47被置于工作平台500上。在一些示例性实施例中，压实站40包含了一放置于工作平台500下方的活塞42，此活塞42被用于升高盘200朝一位于盘200上方的压实表面，详细更多的说明如下。
特别地，工作平台500以一罩体550来覆盖。根据本发明的一些实施例，一气体来源510包含一通过罩体550的入口520且为了安全提供了一正流的非燃烧气体至所述罩体550下方的工作区域，例如在所述构建工序中避免材料的可能燃烧。特别地，气体来源510为氮气。
请参照图3，其显示本发明的一些实施例中粉末分配站的简化方块图。特别地，粉末分配站10包含了一储存粉末55的容器12、一泵浦14，所述泵浦14用于透过一管子16将粉末55撷取一定量和/或体积施于盘200上。在一些示例性实施例中，所述界定的量在构建过程中基于系统100和/或控制器300的回馈来进行调整。在一些示例性实施例中，压实后的一层的厚度是被监测的，及通过粉末分配站10所分配的所述界定的量会因应所述压实层的厚度来做调整。可选择地，当盘200移动时粉末55被分配使粉末55被铺满盘200的长度。在一些示例性实施例中，粉末分配站10适应于提供铝粉。在其他的示例性实施例中，其他金属和/或合金通过粉末分配站10被储存且输送。可选择地，容器12包含多个混合的成分。可选择地，容器12包含了一用于混合存储的内容物的机构。
请参照图4，其显示本发明的一些实施例中粉末平铺站的简化方块图。特别地，平铺站20包含一可旋转地安装于一轴24上的电动滚轴25。在一些示例性实施例中，一线性马达22结合轴24，且来回移动以平铺一粉末的平坦层。在一些示例性实施例中，工作台200的高度被调整，例如：与一Z平台往上/下移动以得到一定义的层的厚度。在一些示例性实施例中，一粉末层约为150微米厚，例如使用滚轴25平铺成100微米至200微米的厚度。在一些示例性实施例中，压实后的一层的厚度是被监测的，并且工作台200的高度被调整来改变当前层的厚度以补偿一或多个先前层的飘移物的层厚度。
在一些示例性实施例中，滚轴25逐渐延展至盘200的整个长度且仅需要所述滚轴单次来铺平所述粉末。或者，滚轴25延展少于盘200的整个长度则需复数次的滚动来铺平所述粉末。可选择地，滚轴25需在盘200在移动时才可作用。可选择地，滚轴25被保持在高于盘200之上的高度且在须铺平时被降下。
请参阅图5，其显示本发明的一些实施例中一示例性打印系统的简化方块图。根据本发明的一些实施例，打印台30包含一直接喷墨打印头35，其根据一产生的掩模图案数据39输出墨水32。在一些示例性实施例中，打印头35为固定的，且当盘200推进至打印头35之下，打印机控制器37与系统控制器300一起控制输出墨水的时间。可选择地，打印头35被固定在Y轴台且以垂直于盘200的方向移动。或者，在打印期间盘200为固定的，打印头35由一X、Y或XY台支撑使打印头35可移动至一或多个方向。特别地，打印头35包含喷嘴的阵列组，透过此喷嘴阵列组，墨水被选择性的输出。
根据本发明的一些实施例，打印头35形成了一掩模和/或一被构建所述物体的负像。特别地，所述掩模图案是由储存在内存中的掩模数据39而界定的。特别地，所述掩模数据是通过一计算器辅助设计(computer aided design，CAD)软件程序或类似的软件程序来产生。可选择地，所述打印的像素的一像素大小是以50微米为一数量级，例如在50微米至300微米之间。
根据本发明的一些实施例，墨水32包含了悬浮在一液体载体的微粒。特别地，所述液体载体为油或油基底。根据本发明的一些实施例，所述玻璃和/或硅微粒和/或熔块的平均直径是小于1微米，例如500至600纳米。在一些示例性实施例中，所述玻璃熔块在所述墨水溶液中的浓度高达50％。特别地，所述微粒由一绝热材料组成，当所述液体载体渗透到所述粉末层时，所述绝热材料提供了隔热的表面。特别地，由墨水32提供的隔热仅在所述掩模区域延迟升温。特别地，所述玻璃熔块显着地小于所述粉末微粒，例如所述粉末微粒的直径约为40微米，而所述玻璃熔块的直径约为500至600纳米。
请参阅图6，其显示本发明的一些实施例中一包含一打印掩模的物体层的简化示意图。根据本发明的一些实施例，一粉末层151包含一掩模部分327，在其上墨水32被沉积，而未掩模部分528则没有墨水被沉积。特别地，未掩模部分仅包含粉末材料，且不包含添加物。应当注意的是，尽管掩模部分327被显示于靠近图6中的边缘，然而所述掩模部分也可以出现在层151的其他部分。
特别地，墨水32包含玻璃熔块322，所述玻璃熔块322聚集在所述掩模部分和油324(其渗透入所述粉末层151)的上表面。特别地，油324的蒸发温度是低于所述粉末层151中粉末的熔点。根据本发明的一些实施例，熔块322和油324皆可延迟掩模部分327的烧结。可选择地，熔块322提供了一个隔热的上表面，油324渗透了粉末层151的内部，以致穿透熔块322的热量被用于蒸发油324。在一些示例性实施例中，烧结的持续时间和温度被定义提供于烧结未掩模部分528，而没有烧结掩模部分327。
请参阅图7A和图7B，其显示本发明的一些实施例中一示例性压模站分别在释放与压缩状态时的简化示意图。根据本发明的一些实施例，在烧结之前压实一粉末层。根据本发明的一些实施例，当所述压实工序在每一层执行时，所述压实站于每层会产生一模具。
在一些示例性实施例中，在将一掩模图案打印于所述粉末层上之后，进行压模。或者，压模被执行于打印之前或者被执行于打印前后。根据本发明的一些实施例，所述压实站包含一活塞42，所述活塞42是用来提供用于压实一粉末层151的压实压力。根据本发明的一些实施例，在压时期间，活塞42是通过一工作平台500或精密平台250中的孔49来上升，且将构建盘200升起至一位于盘200上的模具和/或表面45。
在一些示例性实施例中，盘200被固定到一或多个线性导件41，当活塞42升高和/或降低盘200时，所述一或多个线性导件41沿着线性轴承46行进。可选择地，盘200倚靠一或多个压缩弹簧47来提升。在一些示例性实施例中，在压实所述层151之后，重力以及弹簧47提供了活塞42的下降。
根据本发明的一些实施例，一高达100MPa的压力被施加于压实一粉末层。特别地，所施加的压力提供于去除空气并且使粉末层151回到它弹性状态，以致实现所述层的永久变形。可选择地，所述压实提供于去除所述层151中95％至99％的空气。可选择地，压实使层的厚度减少约50％。
在一些示例性实施例中，进行温模压实，模具43的上表面45和/或整个模具43被加热，例如，在压实期间以加热组件预加热。特别地，当加热表面45和/或模具43时，层151可以以施加于所述层的较小压力来达到它的塑性和/或永久变形状态。可选择地，上表面45被加热到150摄氏度的温度，例如，150摄氏度至300摄氏度。通常，压实温度与压力之间存在一折衷。增加压实期间的温度可达到于低压力下的塑性变形，而且还可能导致沉积于所述层中墨水的非期望蒸发。另一方面，由于可能需要更高的压力，所以降低上表面45的温度可减少所述压实的能源效率。特别地，基于所述粉末的材质和层151的厚度来定义所施予的压力和温度。
在一些示例性实施例中，工作台200被水冷却以提供层152的稳定温度。可选择地，工作台200包含多个通道和/或渠道205，通过其引入水和/或其他冷却剂。可选择地，通过通道205的流体的温度和流率被定义保持工作台200于所需的温度，例如高于环境温度约10摄氏度。特别地，这种冷却机制也可以在烧结期间被应用。
在一些示例性实施例中，例如，当使用铝粉时，所述压实能有效破坏所述氧化物层，例如所述粉末状微粒上的氧化铝。特别地，曝露所述铝来促进所述粉末状材料的铝微粒之间的直接接合，且改善烧结期间所述微粒的结合。
根据本发明的一些实施例，所述物体的高度(例如，正被构建的所述物体的一或多 个层的高度)在所述压实站被侦测、测定和/或感测。可选择地，当压于模具43中和/或抵靠 于表面45时盘200的高度被侦测。根据本发明的一些实施例，控制器300(图2)监测高度和/ 或高度变化，且提供输入到粉末分配站和/或盘200的Z平台(当层厚度的调整需从所需高度 和/或高度变化来补偿飘移物时)。在一些示例性实施例中，控制器300使用一或多个储存于 内存中的查找表(lookup tables)以控制层厚度的调整。
请参照图8A和图8B，其显示本发明的一些实施例中一压实系统分别在压实状态与压实后状态的一示例性抗剥离机构的简化示意图。根据本发明的一些实施例，在压实期间一在滚轴47上所支撑的箔片和/或薄膜49被设置于所述层151和上表面45之间。可选择地，所述箔片的厚度是介于0.1毫米至0.3毫米之间，例如为0.2毫米。可选择地，所述箔片是304L或316L不锈钢箔。特别地，箔片49从累积粉末和墨水微粒来保护上表面45，且还在上表面45的分离期间防止了层151的实质的剥离。在一些示例性实施例中，箔片49以滚轴47卷绕以于压实之前在表面45上拉伸箔片49，随后箔片49随着盘200下降而被部分地松开。归咎于松开的箔片49的额外长度随着层151的下降而允许了箔片49从层151逐渐地分离。可选择地，通过拉动箔片49的一或两个相对边缘所提供的分离提供了由线分离(而非全表面分离)的分离。本发明人发现箔片的这种逐渐分离避免了从箔片49上层151的材料的剥离和/或损失。
请参照图9，其为本发明的一些实施例中一用于一压实系统的清洁机构的简化示意图。根据本发明的一些实施例，压实站40包含一用于清洁箔片49(或表面45，当不使用箔片49时)的清洁单元411。在一些示例性实施例中，清洁单元405包含一扫过箔片49的旋转刷子414。可选择地，刷子414被收集罩415部分地覆盖，粉末通过刷子414被去除，而后再以吸入口416来去除。在一些示例性实施例中，清洁单元沿着一轨道417被驱动，所述轨道417是被安装于工作平台和/或框架500上。
请参照图10，其为本发明的一些实施例中示例性的烧结台的简化示意图。根据本发明的一些实施例，一物体15是以一烧结滚轴519一次一层来烧结的。根据本发明的一些实施例，所述烧结滚轴519是一高热质滚轴。可选择地，所述烧结滚轴519是由硬抛光钢来形成的。在一些示例性实施例中，所述烧结滚轴519被加热至稍微高于所述粉末材料的熔点的温度(例如，高于所述熔点的0摄氏度至80摄氏度)，且所述烧结滚轴519以约20至180牛顿/公分的滚轴长度的压力压在所述层上。可选择地，当盘200随着平台250前进时，所述烧结滚轴519在所述层151上滚动。根据本发明的一些实施例，以墨水32施加在层151上的所述掩模作为临时的隔离物，使得当所述烧结滚轴519在层151上滚动时，只有不包括墨水32的层151的选定部分被烧结。特别地，作为一烧结的结果，所述掩模部分中的粉末(例如，图6的部分327)以所述吸收的油324蒸发来保持完好。
根据本发明的一些实施例，所述烧结滚轴519的直径被定义，以致所述烧结滚轴519的周长大于盘200的长度和/或所述烧结滚轴519需在层151上滚动的长度。在一些示例性实施例中，滚轴是使用电热器521(例如指型电热器)的阵列组来加热的。特别地，所述烧结滚轴519提供600摄氏度至800摄氏度之间的均匀加热表面。通常，所述烧结滚轴519在层151上的滚动为远小于一圈内，以致归咎于与层151接触的所述烧结滚轴519的潜在局部冷却不会对所述烧结工序产生负面影响。此外，所述烧结滚轴519上所累积的任何碎屑不会被重新引入于所述层151上。此外，支持所述加热指状物的电缆通常不被扭转。在一些示例性实施例中，所述烧结滚轴519以一或多个活塞520向下施压于层151，所述一或多个活塞520向下施压于一连接于滚轴519的轮轴的臂状物518。
可选择地，在烧结期间多个通道205提供工作台200和邻近工作台200的多个层保持在所需温度，例如多达高于环境温度的约10摄氏度。在烧结工序期间，热量通常从所述顶表面(保持在高温)传播到工作台200(保持在相对的低温)，且所述流体通常吸收所述热量。特别地，流体流过通道205循环且在重新进入通道205之前通过一热交换单元冷却所述流体。根据本发明的一些实施例，滚轴519在烧结后被清洁，例如在烧结每层后。在一些示例性实施例中，一刷子514刷滚轴519。可选择地，刷子514被一收集罩515部分地覆盖，粉末通过刷子514被去除，而后再以吸入口516来去除。可选择地，清洁期间滚轴519的旋转是通过一活塞25来启动的，所述活塞25移动连接于滚轴519的臂状物518。
在一些示例性实施例中，对于50微米的后压实层厚度和100微米的后压实掩模厚度，完全烧结所需的时间可以大约是0.2毫秒。在这样的示例性情况下，滚轴519的线速度可以是1米/秒(m/sec)，所述滚轴旋转速度可以是20弧度/秒(rad/sec)。
根据本发明的一些实施例，在烧结后，层151和/或物体15在冷却站60中立即被冷却。可选择地，冷却站60被放置大体上靠近于所述烧结台，以便在烧结后可立即进行冷却。根据本发明的一些实施例，一种氮气风刀65的模式被使用于提供一用于冷却层151和或物体15的喷射气流。
请参照图11，其为本发明的一些实施例中另一个示例性烧结台的简化示意图。根据本发明的一些实施例，一箔片59提供一滚轴519和层151之间的接口。在一些示例性实施例中，次要滚轴57在一长度上拉伸箔片59，而烧结滚轴519向下施压于层151且沿着层151滚动。特别地，当所述滚轴519推进时，箔片59和所述后压实层之间的接触点会产生变动。特别地，烧结滚轴519和次要滚轴57在所述箔片59上一起旋转。可选择地，归因于次要滚轴57的所述箔片的低扬程提供了层151之间流畅的分离，所述流畅的分离于箔片59上可以防止从层151的剥离和/或微粒的黏附。可选择地，箔片59是由一具有弹簧垫架53的框架来支撑的，允许箔片59保持拉伸。
根据本发明的一些实施例，烧结台包含一清洁单元511，所述清洁单元511相似于如上所述的清洁单元411的方式操作。特别地，清洁单元包含刷子514，所述刷子514被收集罩515部分地覆盖。特别地，所述刷子414所收集的碎屑以吸力经由吸入口416而被去除。
特别地，所述掩模在烧结工序中产生延迟，但没有在所有情况下防止烧结。在目前层和/或先前层的掩模区域中存在着无意识的烧结的可能性。掩模区域提供后续层的支撑，且当被未掩模区域覆盖时，在下层中的掩模区域可能遭受无意识的烧结。根据本发明的一些实施例，涂敷一隔离涂料(例如，高于阈值厚度的熔块)可助于防止无意识的烧结。本发明人还发现保持一粉末层低于一阈值厚度还可助于防止所述掩模层下的无意识的烧结。在一些示例性实施例中，所述熔块层的厚度和所述粉末层的厚度都被控制于避免无意识的烧结。
请参照图12，其为本发明的一些实施例中一通过三维打印构建一物体的示例性方法的简化流程图。根据本发明的一些实施例，所述方法包含分配粉末至一构建盘上(方块图805)和平铺所述粉末层以得到均匀的粉末的层(方块图810)。根据本发明的一些实施例，将界定所述物体的一边界的掩模打印在所述粉末层上(方块图815)。根据本发明的一些实施例，在随后的烧结工序期间，使用于所述打印工序中的所述墨水提供了于烧结时将所述打印区域排除在外。根据本发明的一些实施例，在烧结之前，所述打印层被压实(方块图820)以制备用于烧结的所述层。特别地，所述压实提供从所述打印层中去除空气以改善在烧结期间的热传导。可选择地，所述压实还提供破坏一氧化外壳(oxide crust)，所述氧化外壳通常形成于所述金属粉末(例如，铝粉)的微粒上。特别地，在破坏所述氧化外壳后，通过粉末金属的所述层的热传导更加的均匀。根据本发明的一些实施例，烧结(方块图825)被执行于一压实后的层。可选择地，烧结是以一烧结滚轴来执行的。根据本发明的一些实施例，在烧结后所述层被立即地冷却(方块图830)。特别地，冷却防止了从所述层的掩模区域中平铺的烧结期间的热累积。根据本发明的一些实施例，方块图805-830中所述的方法被重复于每个打印后的层。特别地，在所有的层已被打印后，所述最终物体可以从所述粉末床来移开。特别地，不需要附加的后整理工序。
所述用语「包括(comprises)」、「包括(comprising)」、「包含(includes)」、「包含(including)」、「具有(having)」及他们的结合是意谓着「包含但不限于」。
所述用语「以…组成(consisting of)」意谓「包含且限制于」。
所述用语「基本上以…组成(consisting essentially of)」意谓着所述组成、方法或结构可能包含另外的成分、步骤和/或部件，但仅当所述另外的成分，步骤和/或部件不实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖特征。
可以理解的是，本发明的某些特征，其中，为清楚起见在单独实施例的上下文中描述，也可以提供在单个实施例中组合。相反地，本发明的各种特征，为简明起见在单个实施例的上下文中描述，也可以分别地或以任何合适的子组合或作为适于在本发明的任何其他描述的实施例提供的。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的必要特征，除非所实施例没有这些组件的话无法操作。

Claims (38)

1.一种用于构建一三维物体的系统，其特征在于：所述系统包含：
一粉料输送台，用于平铺一层的粉末材料于一构建盘上；
一数码打印台，用于在所述层上打印一掩模图案，其中所述掩模图案界定了需被烧结的所述层的一部份的一负型；
一烧结台，用于选择性地烧结由所述掩模所界定的需被烧结的所述层的所述部分；以及
一平台，用于重复地将所述构建盘推进至所述粉料输送台、所述数码打印台与所述烧结台的每一个以构建多个层，而共同形成所述三维物体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包含一用于压实每层的粉末材料的压模站，其中所述压实站包含一用于接收所述层的模具。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述压模站包含一加热组件，用于对与所述层接触的所述模具的一表面加温。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于：所述压模站能够对所述层施加高达100兆帕的压力。
5.根据权利要求2至4任一项所述的系统，其特征在于：所述压模站包含一升降系统，用于将所述构建盘朝所述模具升降。
6.根据权利要求2至5任一项所述的系统，其特征在于：所述压实站包含一抗剥离机构，所述抗剥离机构包含一位于模具之间的箔片，其中所述箔片是由两相对边支撑，以在所述构建盘与所述模具分离时允许所述箔片的弯曲。
7.根据权利要求2至6任一项所述的系统，其特征在于：所述系统包含一控制器，所述控制器在压制后可依所述层的一厚度调整下一层时所述构建盘的一高度。
8.根据权利要求1至7任一项所述的系统，其特征在于：所述系统包含一用于在烧结后冷却所述层的冷却站。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述冷却站包含数个用于提供喷射气流的风刀。
10.根据权利要求1至9任一项所述的系统，其特征在于：所述数码打印系统能够分配一墨水，所述墨水包含悬浮在一液体载体中的熔块。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：所述熔块是由直径介于500纳米至1微米之间的数个微粒所形成。
12.根据权利要求1至11任一项所述的系统，其特征在于：所述烧结台包含一用于烧结所述层的高热质滚轴。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于：所述高热质滚轴被加热至高于所述粉末熔点的0摄氏度至80摄氏度。
14.根据权利要求12或13所述的系统，其特征在于：所述高热质滚轴施加一20至180牛顿/公分的滚轴长度的数量级的压力。
15.根据权利要求12至14任一项所述的系统，其特征在于：所述烧结台包括一抗剥离机构，所述抗剥离机构包含一位于所述高热质滚轴与所述层之间的箔片。
16.根据权利要求1至11任一项所述的系统，其特征在于：所述烧结台包含垂直腔面发射激光器的一阵列组，所述垂直腔面发射激光器的阵列组扫描所述层以用于预热和/或烧结。
17.根据权利要求1至16任一项所述的系统，其特征在于：所述构建盘包含至少一通道，所述至少一通道大体上与供放置所述层的所述盘的一表面平行，通过所述至少一通道引入液体以冷却所述构建盘。
18.根据权利要求1至17任一项所述的系统，其特征在于：所述粉末为金属粉末。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述粉末为铝和/或铝合金粉末。
20.一种用于构建一三维物体的方法，其特征在于：所述方法包含：
平铺一层的粉末于一构建盘上；
打印一掩模图案于所述层上，其中所述掩模图案界定了需被烧结的所述层的一部份的一负型，通过定义所述三维物体的一形状的一掩模图案数据来界定用于所述层的所述掩模图案；
烧结由所述掩模所界定的需被烧结的所述层的所述部分；以及
重复进行所述平铺、打印及烧结，直到完成所述三维物体。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述掩模图案是由一分配一墨水的数码打印机打印而成。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：所述墨水提供一隔离涂料于所述层的一掩蔽的部分上。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其特征在于：所述墨水包含一液体载体，所述液体载体选择具有低于所述粉末的一熔点的一蒸发温度。
24.根据权利要求20至23任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：
在所述烧结之前执行每一层的压模。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述方法包含：执行温模压实。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于：在压实过程中施于所述层的所述压力是高达100兆帕。
27.根据权利要求24至26任一项所述的方法，其特征在于：在所述层的打印后对每一层进行所述压模。
28.根据权利要求24至27任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：在所述压模时冷却所述构建盘。
29.根据权利要求20至28任一项所述的方法，其特征在于：所述烧结的执行是通过使一热源通过所述构建盘的一长度上方，其中所述热源沿着延伸至所述构建盘的一宽度上方的一窄条提供热能。
30.根据权利要求20至28任一项所述的方法，其特征在于：所述烧结是以一滚过所述层的高热质滚轴来执行的。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于：在所述烧结中所述高热质滚轴被加热至高于所述粉末熔点的0摄氏度至30摄氏度。
32.根据权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述高热质滚轴以一10牛顿/公分的滚轴长度的数量级的压力被压向所述层。
33.根据权利要求20至32任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：在烧结中冷却所述构建盘。
34.根据权利要求20至33任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：在所述烧结后立刻冷却所述层，其中所述冷却是以一喷射气流来执行的。
35.根据权利要求20至34任一项所述的方法，其特征在于：所述方法包含：依照正被构建的所述物体的一或多个先前的层的一厚度来调整所述构建盘的一高度。
36.一种用于构建一三维物体的方法，其特征在于：所述方法包含：
供给一层的粉末于一构建盘上；
于所述层上进行压模；
通过选择性激光烧结或选择性激光熔融烧结被压模的所述层；以及于每一层重复进行所述供给、所述压模与所述烧结，直到完成所述三维物体。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于：所述方法包含：执行温模压实。
38.根据权利要求36或37所述的方法，其特征在于：在压实过程中施于所述层的所述压力是高达100兆帕。
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