CN106671403B - 用于利用微波能和纳米粒从三维打印物体去除支承结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种制造三维物体的方法，其便于从物体去除支承材料。该方法包括通过包含纳米粒材料的支承材料形成用于物体的支承物的至少一部分，纳米粒材料准备将微波能转换成热。使物体和支承物运动至与微波辐射器相对的位置，操作微波辐射器以在开始由仅支承材料制成的支承物的一部分的相变之前开始包含纳米粒的支承材料的部分的相变。控制器监控预定时间段的届满或监控物体的温度，以确定何时终止微波辐射器操作。

Description

用于利用微波能和纳米粒从三维打印物体去除支承结构的系 统和方法

技术领域

该文献中公开的系统和方法涉及三维打印物体的处理，更具体地涉及从三维打印物体去除支承材料。

背景技术

数字三维物体制造，又被称为数字增材制造，其为由数字模型制造实际任何形状的三维实体物体的过程。三维物体打印是连续材料层以不同形状形成在基材上的添加过程。可以通过喷射粘合材料、定向能量沉积、挤出材料、喷射材料、熔融粉末层、层压片材或将液体光聚合物材料暴露于固化辐射形成层。层形成其上的基材支承在可以通过操作地连接至平台的致动器的操作而三维地运动的平台上，或者材料沉积装置操作地连接至一个或更多个致动器，用于控制沉积装置的运动以产生形成物体的层。三维物体打印区别于传统物体成形技术，传统成形技术大多数依靠通过减法处理比如切割或钻削从工件去除材料。

以高速制造三维打印零件是非常具有挑战性的，因为所涉及的许多处理是耗时并且通常是手工完成的。在许多三维物体打印机中，支承材料包括在层中以使得层中的物体材料的区域形成在物体的表面或在前成形部分不存在的位置。具体地，这些支承区域在物体的区域的顶部上或邻近于物体的部分利用支承材料，比如蜡状物形成。在形成物体之后，从物体去除支承材料。一般通过将物体浸泡在水中、向物体上喷射水、将物体浸泡在除水以外的化学品中或者在对流烘箱中加热物体来去除支承材料。然而，这些方法中的每一个均具有随着打印物体的尺寸的增大而加剧的限制。

当三维物体打印机变得更大以增加打印机的批量生产时，由支承材料分离的多个零件可以三维地堆叠。然而，在这多个物体生产过程中，在完全形成物体之后需要去除相当大量的支承材料。所需要的是一种用于从打印零件有效去除相当大量的支承材料以便提高整体生产速度的方法。

发明内容

一种便于从一个或更多个三维打印物体去除支承材料的方法，包括通过至少一个控制器操作输送装置以使压盘运动，通过至少一个控制器操作第一喷射器头以喷射第一材料滴，从而在压盘上形成物体，通过至少一个控制器操作第二喷射器头以朝向压盘仅喷射第二材料滴，从而在压盘上形成用于物体的支承物的部分，通过至少一个控制器操作第三喷射器头以朝向压盘喷射包含纳米粒的第二材料滴，从而在压盘上形成用于物体的支承物的其他部分，以及通过至少一个控制器操作微波辐射器以利用微波能照射物体和用于物体的支承物，以便在仅由第二材料形成的支承物的部分从固体相变至液体之前使得包含纳米粒的支承物的部分开始从固体相变至液体。

一种用于通过便于从一个或更多个三维零件去除支承材料的支承材料打印三维打印物体的系统，包括压盘，构造成使压盘运动的输送装置，流体地连接至第一材料的供给源的第一喷射器头，流体地连接至第二材料的供给源的第二喷射器头，流体地连接至包含纳米粒的第二材料的供给源的第三喷射器头，构造成照射压盘上的物体的微波辐射器，以及操作地连接至第一喷射器头、第二喷射器头、第三喷射器头和微波辐射器的至少一个控制器，至少一个控制器构造成操作第一喷射器头以朝向压盘喷射第一材料滴从而在压盘上形成物体，操作第二喷射器头以朝向压盘喷射第二材料滴从而仅通过第二材料在压盘上形成用于物体的支承物的部分，操作第三喷射器头以喷射包含纳米粒的第二材料滴从而在压盘上形成用于物体的支承物的其他部分，以及操作微波辐射器以通过微波能照射物体和用于物体的支承物，以便在仅通过第二材料形成的支承物的部分开始从固体相变成液体之前使得包含纳米粒的支承物的部分开始从固体相变成液体。

如上所述的系统和方法可以生产便于从打印物体去除支承材料的制品。该制品包括由第一材料形成的物体、仅通过第二材料形成的用于物体的支承物的一部分以及通过其中嵌入纳米粒的第二材料形成的用于物体的支承物的另一部分。支承的仅由第二材料形成的部分可以位于物体的外部上，用于物体的支承物的由具有纳米粒的第二材料形成的另一部分可以位于物体的内部中以在物体暴露于微波能期间对物体提供保护。纳米粒基本上可以包括铁磁材料。

附图说明

在以下结合附图的描述中说明了该方法和打印机的上述方面和其他特征。

图1示出用于通过微波能从打印物体去除支承材料的过程。

图2A描绘了使得能够利用微波能从打印物体去除支承材料的系统。

图2B描绘了图2A的系统中示出的压盘的可替代实施例。

图3示出现有技术的三维物体打印机。

图4示出具有由支承材料分离的多个相同零件的现有技术打印块的透视图。

图5示出图4中示出的现有技术块的侧视图。

具体实施方式

为了大致理解本文中公开的方法的环境以及对于方法的细节，对附图做出参照。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

图3示出喷射材料以形成层中的支承物和物体区域的现有技术的三维物体打印机100。打印机100包括压盘104和喷射器头108。喷射器头108具有构造成朝向压盘104的表面112喷射材料滴以形成比如为零件116的三维物体和使得零件特征能够形成的支承区域的多个喷射器。具体地，喷射器头108具有构造成喷射建造材料滴以形成物体的第一组多个喷射器和构造成喷射比如为蜡状物的支承材料滴以形成工作架以支承待形成的物体的第二组多个喷射器。如该文献中所使用的，″支承物″指的是建造材料层邻近其或在其上建造的一个或更多个支承材料层，以使得在建造材料从流体或粉末通过比如为热熔融或暴露于UV辐射的固化过程被转换成固体之前，在不由建造材料的重力或层流引起的变形的情况下形成物体的一部分的层。″支承材料″指的是用在打印物体中并且在打印物体之后从物体去除的材料。喷射器头108构造成沿处理方向P、横向处理方向CP和垂直方向V相对于压盘104运动。在一些实施例中，打印机100包括构造成使喷射器头108和压盘104中的一者或两者相对于彼此运动的致动器。

打印机100包括操作地连接至至少喷射器头108的控制器120。控制器120构造成根据已被呈现为压盘表面112上形成三维物体的层的物体图像数据操作喷射器头108。为了形成三维物体每一层，控制器124操作打印机100以沿处理方向P一次或更多次地扫描喷射器头108，同时向压盘104上喷射材料滴。在多次通行的例子中，喷射器头108在每次扫描之间沿横向处理方向CP移动。在形成每一层之后，喷射器头108沿垂直方向V运动远离压盘104，以开始打印下一层。

在一些实施例中，打印机100足够大以使得生产过程包括一个以上零件。具体地，可以在单次打印作业中打印多个零件，通过支承材料包封每个零件以形成材料块。在一些实施例中，控制器120接收对应于布置在三维空间中的多个零件的图像数据，支承材料布置在零件中的每一个之间以允许多个零件作为整块进行打印。根据图像数据，控制器120操作喷射器头108以在单个生产过程中形成多个零件。图4示出具有形成在压盘104上的多个相同零件204的现有技术块200的透视图。零件204基本上布置成三维矩阵，并且在整个块200中均匀地间隔开。零件204通过支承材料208隔离。在其他实施例中，多个零件可以是不同类型的零件，并且可以彼此相对布置成以便有效地利用块200内的空间。图5示出现有技术块200的侧视图。

如图4和图5所示，块200包括必须去除以释放零件204的相当大量的支承材料208。为了促进通过对流烘箱执行的支承材料去除处理，图1的处理400利用微波能加热和相变支承材料208，支承材料208种有准备将微波能转换成热的材料纳米粒。如本文中所使用的，″纳米粒″指的是具有使其能够流过比如为喷墨打印头的喷射器头并且在打印头中不容易变得堵塞的情况下进行喷射的尺寸的材料块。在一个实施例中，纳米粒的直径在大约5nm至大约20nm的范围内。在对处理400的说明中，方法执行一些任务或功能的声明指的是执行存储在操作地连接至控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的程序指令的控制器或通用处理器，以便操控数据或操作打印机中的一个或更多个部件以执行任务或功能。上述打印机100的控制器120可以配置有部件和程序指令以提供执行处理400的控制器或处理器。可替代地，可以利用一个以上的处理器以及相关电路和部件执行控制器，其中的每一个构造成形成在此说明的一个或更多个任务或功能。

方法400开始以利用建造材料形成零件以及利用支承材料形成零件的支承部分，材料中的一些或全部包含准备将微波能转换成热的材料纳米粒(块404)。准备将微波能转化成热的材料的示例是铁、碳化硅与石墨。比如为悬浮在用于磁性墨水字符识别(MICR)系统中的油墨中的材料的铁磁材料作为纳米粒是特别有用的。用于操作喷射支承材料的喷射器的数据可被分成用于操作喷射将微波能轻易转换成热的包含材料纳米粒的支承材料的喷射器的数据和用于操作仅喷射支承材料的喷射器的数据。喷射具有纳米粒的支承材料的喷射器被操作成在零件的内部区域中建造用于零件的支承物，同时喷射没有纳米粒的支承材料的喷射器被操作为在零件的外部区域上建造支承物。通过支承材料形成的其中一些掺杂有纳米粒和一些不掺杂的零件支承物在如以下更加详细地所述的暴露于微波能时更好地保护零件的建造材料。

处理400继续以使零件远离喷射器头运动至与微波辐射器相对的位置(块408)。可以通过从压盘104提升包含支承材料208的零件204或通过使支承包含支承材料208的零件204运动到打印机之外来去除零件。如果零件需要另外的固化，则其暴露于固化辐射或允许其冷却以便材料的凝固。一旦零件固化，通过将零件和支承物暴露于微波能去除大块支承材料(块412)。微波能在不破坏零件的情况下熔化用于零件的支承物。通过具有纳米粒的支承材料形成用于零件204的内部支承物和仅通过支承材料形成用于零件204的外部支承物对于零件防护是特别有利的，这是因为纳米粒比仅支承材料更好地将微波能转换成热。因此，包围纳米粒的支承材料吸收由纳米粒产生的热，同时还被微波能加热。因此，掺杂有纳米粒的支承材料比不具有纳米粒的支承材料更快速地达到其相变温度。因此，内部支承物在外部支承物之前熔化，因此外部支承物连续吸收微波能并且保护零件的建造材料免被加热至使零件变形的温度。当外部支承物的最后层熔化时，零件完成。

在用于去除大块支承材料的在前已知方法中，将零件204放置在被加热到预定温度的对流烘箱中，在预定温度处支承材料208从固相变化成液相。例如，在零件被保留在烘箱空腔中足以使支承材料达到熔融温度的时间量的情况下，对流烘箱可被加热至65摄氏度的温度以使蜡状物支承材料熔融。包含蜡状物支承材料的零件204通常在处于65摄氏度的温度下的对流烘箱的加热腔室中保留大约60分钟至120分钟，以使蜡状物支承材料能够熔融并且与零件204分离。零件204的温度一般被监控并且响应于零件的达到预定阈值温度的温度从烘箱去除零件204，预定阈值温度在零件的建造材料开始变形的温度以下。

由于可能会保留支承材料中的一些，处理400包括去除较小剩余量的支承材料的零件处理(块416)。在一个实施例中，该进一步的处理包括将零件204浸没在保持在例如为60摄氏度的预定温度处的冲洗溶液中，并且在溶液中经受超声振动。超声振动在该实施例中施加大约5分钟。一旦终止振动，在使零件从支承材料浴器中去除并且放置在清洁槽中之前，零件保持在溶液中另一预定时间段，比如2分钟。清洁槽一般包括温肥皂水，超声振动再次施加到肥皂水中的零件再一预定时间段，比如20分钟。在零件于清洁槽中清洁之后，对其进行干燥(块420)。干燥可以在环境空气中进行或者在被加热到比如为40摄氏度的相对温和温度的对流烘箱中进行。

图2A中示出三维物体制造系统500。系统500包括至少两个喷射器头504、控制器580、非接触温度传感器536、微波辐射器516和壳体512。两个喷射器头之一喷射建造材料以形成零件，同时另一个喷射器头喷射包含纳米粒的支承材料。如果用于零件的支承物被分成用不包含纳米粒的支承材料制成的用于零件204的外部支承物和用包含纳米粒的支承材料制成的用于零件204的内部支承物，则设置至少三个喷射器头。控制器580可以是配置有程序指令和部件的控制器120，以便操作喷射器头504来利用其中的一些或全部包含纳米粒的支承材料形成物体，以及以便操作微波加热站520来去除支承材料。喷射器头中的每一个均包含多个喷射器，控制器580操作多个喷射器以喷射多种材料，从而形成形成在压盘104上的零件的层中的物体和支承区域。压盘104由输送装置508支承，输送装置508使具有零件204和支承材料208的块200从喷射器头504以下的位置运动至微波加热站520。微波加热站520包括具有入口和出口的壳体512，以使得输送装置508能够使块200运动到站520的壳体512内，以及然后使压盘和零件204运动到壳体之外而到达下一个处理站。在壳体512内，微波辐射器516定位成通过微波能辐照块200，同时输送装置508保持静止以使块200能够经受发射的微波能预定时间段，或者直到零件204的温度达到表示零件接近但尚未达到可以损坏零件的温度的温度。在监控零件温度的实施例中，非接触温度传感器536产生表示零件温度的信号，控制580将零件温度与预定温度阈值进行比较。在一个实施例中，非接触温度传感器是激光温度计。当预定温度阈值已经达到或预定时间段已经届满，则控制器580操作驱动输送装置508的致动器540以使零件204从壳体运动至下一个处理站。在分离块200中的零件的系统500的实施例中，更多内部支承材料可以形成有更高浓度的纳米粒，以及然后当支承材料接近块的表面时，支承物对于纳米粒的浓度形成有梯度，以使得表面上实质没有纳米粒。

图2A中示出的压盘104包括一个或更多个通孔524，通孔524使得熔融的支承材料能够离开压盘104并且下落至壳体512的地板。壳体512的地板包括使得熔融的支承材料能够排出壳体512的排放口528。控制器580可以操作地连接至泵532以促进熔融的支承材料离开壳体512，或者壳体512的地板可以形成有斜度以使得熔融的支承材料在重力作用下流向排放口528并且离开壳体512。在图2B中示出的另一个实施例中，压盘104是具有实心侧面220和开口顶部的盒子。金属滤网224设置在开口顶部上，块200放置在金属滤网上。在暴露于微波期间，熔融的支承材料通过金属滤网流入金属盒子内，熔融的支承材料在金属盒子内凝固。材料凝固是因为筛网中的开口定尺寸成防止微波能通过筛网以已知方式进入盒子。

当纳米粒具有大于支承材料的介电损耗因子的介电损耗因子时，在此支承材料的介电损耗因子大于建造材料的介电损耗因子，上述方法和系统对于从零件去除支承材料是有效的。″介电损耗因子″是在振荡场中通过材料作为热散失的能量的测量值。纳米粒的介电损耗因子使得纳米粒能够使包围纳米粒的支承材料比仅支承材料融化的更快，而微波能仅加热支承材料并且在不显著地加热零件的建造材料的情况下仅在支承材料中产生相变。因此，可以在不破坏或不利地影响零件的情况下以对应于嵌入在支承材料中的纳米粒梯度的方式熔化支承材料并且从零件去除支承材料。利用具有不同介电损耗因子的支承材料的另一个优点在于，当执行根据块208描述的处理时，具有最高介电损耗因子的支承物可以作为独立零件204之间的分界线喷射。当暴露于微波辐射时，具有最高介电损耗因子的支承物比周围支承物加热更快以及融化更快。因此，独立零件与块208分离并且可以进一步单独地处理。

Claims (2)

1.一种用于生产三维物体的系统，包括：

压盘；所述压盘具有至少一个围成一定体积的壁和位于所述至少一个壁的上表面上以支撑所述三维物体的滤网，所述滤网具有多个开口，所述多个开口定尺寸成阻挡微波辐射；

输送装置，所述输送装置构造成使所述压盘运动；

第一喷射器头，所述第一喷射器头流体地连接至第一材料的供给源；

第二喷射器头，所述第二喷射器头流体地连接至第二材料的供给源；

第三喷射器头，所述第三喷射器头流体地连接至包含纳米粒的所述第二材料的供给源；

微波辐射器，所述微波辐射器构造成照射所述压盘上的物体；

壳体，所述微波辐射器定位在所述壳体中，所述壳体具有第一开口和第二开口；以及

至少一个控制器，所述至少一个控制器操作地连接至所述输送装置、所述第一喷射器头、所述第二喷射器头、所述第三喷射器头和所述微波辐射器，所述至少一个控制器构造成操作所述第一喷射器头以朝向所述压盘喷射第一材料滴从而在所述压盘上形成物体，操作所述第二喷射器头以朝向所述压盘喷射第二材料滴从而仅通过所述第二材料在所述压盘上形成用于所述物体的支承物的部分，操作所述第三喷射器头以喷射包含纳米粒的第二材料滴从而在所述压盘上形成用于所述物体的支承物的其他部分，操作所述输送装置以使支承所述物体的所述压盘和所述支承物的已形成的部分运动通过所述壳体中的所述第一开口至与所述微波辐射器相对的位置，以及操作所述微波辐射器以通过微波能照射所述物体和用于所述物体的所述支承物的已形成的部分和已形成的其他部分，以便在仅通过所述第二材料形成的所述支承物的部分开始从固体相变成液体之前使得包含纳米粒的所述支承物的已形成的其他部分开始从固体相变成液体，从而熔化的支撑材料穿过所述滤网中的开口，并在所述滤网的与所述滤网接触所述三维物体的一侧相对的一侧上凝固。

2.根据权利要求1所述的系统，所述至少一个控制器还构造成操作所述第二喷射器头以仅通过所述第二材料在所述压盘上的所述物体的外部区域上形成所述支承物的所述部分，以及操作所述第三喷射器头以通过包含纳米粒的所述第二材料在所述压盘上的所述物体的内部区域上形成所述支承物的其他部分。

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