CN106696273B - 用于利用微波能从三维打印物体去除支承结构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在降低对物体的损坏的风险的情况下利用微波能从三维打印物体去除支承材料的系统。该系统包括微波源、三端口装置、感受器、温度传感器和控制器。控制器操作微波源以将微波能导入三端口装置的第一端口，三端口装置在三端口装置的第二端口处发射微波以照射三维物体并且熔化支承材料。所反射的微波随着接触物体的支承材料的量的减少而增加并且进入三端口装置的第二端口内，第二端口将反射能导向联接至三端口装置的第三端口的感受器。控制器监控由温度传感器产生的信号并且响应于所达到的预定状态使微波源停用。

Description

用于利用微波能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，更具体地涉及利用微波能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，又被称为数字辅助制造，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、挤压材料、喷射材料、熔化粉末层、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不存在物体的表面或在前成形部分的位置。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形成有支承材料，比如蜡状物。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

一种在降低物体损坏风险的情况下利用微波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，以使支承三维打印物体的压盘运动，通过至少一个控制器操作微波源，以将微波能导入三端口装置的第一部分内，从而发射来自三端口装置的第二端口的微波能并且利用微波能照射具有支承材料的三维打印物体，微波能将支承材料加热至支承材料从固体相变成液体的温度，由此支承材料流动远离物体，将在三端口装置的第二端口处接收的微波能导向操作地连接至三端口装置的第三端口的感受器，通过温度传感器产生表示感受器的温度的信号，以及响应于由所产生的信号表示的达到预定状态的温度利用操作地连接至温度传感器和微波源的至少一个控制器停用微波源。

一种在降低物体损坏风险的情况下利用微波从一个或更多个三维打印物体去除支承材料的系统，包括支承具有支承材料的三维打印物体的压盘，构造成使压盘运动的输送装置，构造成将接收在第一端口上的微波能导向第二端口并且将在第二端口处接收的微波能导向第三端口的三端口装置，操作地连接至三端口装置的第三端口的感受器，构造成产生表示感受器的温度的信号的温度传感器，构造成向三端口装置的第一端口引导微波以利用来自三端口装置的第二端口的微波能照射具有支承材料的物体的微波源，微波能将支承材料加热至支承材料从固体相变成液体的温度，由此支承材料流动远离物体，以及操作地连接至输送装置、温度传感器和微波源的至少一个控制器，控制器构造成参照由温度传感器产生的信号操作微波源。

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是用于利用微波能从打印物体去除支承材料的过程的流程图。

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的系统中的压盘的可替代实施例。

图3是利用感受器来保护在微波加热站中处理的物体的过程的流程图。

图4描绘了构造成利用感受器来保护在微波加热站中处理的物体的微波加热站。

图5示出现有技术的三维物体打印机。

图6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7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5示出喷射材料以形成层中的支承件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″指的是建造材料层邻近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化或暴露于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6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基本上布置成三维阵列，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7示出现有技术块200的侧视图。

如图6和图7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。为了促进通过传统对流烘箱执行的支承材料去除处理，图1的处理400利用微波能以加热和相变支承材料208。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。

该方法400通过从打印机去除零件开始(块404)。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，则利用微波能去除大块支承材料(块408)。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化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化。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空腔中保留大约60分钟至120分钟，以使蜡状物支承材料能够熔化并且与零件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。由于可以保留支承材料中的一些，零件204还被进一步处理以去除支承材料的更小的剩余量(块412)。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的槽中之前，零件保持在溶液中另一预定时间段，比如2分钟(块416)。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。然后从清洁槽去除零件并进行干燥(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包括一个或更多个喷射器头504、控制器580、非接触温度传感器536、微波辐射器516和壳体512。控制器580可以是配置有程序指令和部件以操作喷射器头504来形成具有支承材料的物体以及操作微波加热站520以去除支承材料的控制器120。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，从而形成物体和形成在压盘104上的零件的层中的支承区域。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，以及然后将压盘和零件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。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。

图2A中示出的压盘104包括一个或更多个通孔524，通孔524使得熔化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的地板包括使得熔化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以促进熔化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化的支承材料流向排放口528并且在重力作用下离开壳体512。在图2B中示出的可替代实施例中，压盘104是具有固体侧面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，熔化的支承材料通过金属滤网流入金属盒子内，熔化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。

当支承材料具有大于建造材料的介电损耗因子的介电损耗因子时，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。支承材料的介电损耗因子使微波能能够加热支承材料并且在不明显地加热零件的建造材料的情况下产生支承材料的相变。因此，支承材料熔化并且在不破坏或不利地影响零件的情况下从零件去除。利用具有大于建造材料的介电损耗因子的介电损耗因子的支承材料的另一个优点在于支承材料和建造材料可以具有彼此接近的熔化温度，但两种材料的介电损耗因子的差异使得支承材料在建造材料开始接近熔化温度之前能够达到该温度。

虽然如上关于图1和图2所述的系统和方法对于从打印物体去除支承材料一般是有效的，但是一些物体的结构可能存在问题。即，一些物体的结构可能使得对微波曝光时间的量或预定物体温度的估算较为困难，这是因为物体的几何结构使得支承材料在物体中的量和分配难以表达。如果微波能施加预计时间或者直到在这种结构中达到估计温度，物体可以接收能够损坏或使物体变形的量的微波能。为了解决这种物体结构，已经分别开发了图3和图4的处理和微波加热站。

处理300通过将具有支承材料的物体设置在微波腔室内开始(块304)。触发微波源并且微波能被导入称作磁循环器的三端口装置内(块308)。磁循环器是一种已知部件，其在第一端口中接收微波能并且将能量导向第二端口，能量在此被发射到微波腔室内。由于支承材料的介电损耗因子高于物体的建造材料，因此支承材料通过微波能加热并且融化。当支承材料熔化并且流动远离物体时，微波能在腔室内反射并且将能量的一部分导入第二端口内。进入第二端口的微波能通过磁循环器导向第三端口，第三端口联接至感受器。感受器是吸收电磁辐射并且将其转换成热的材料。已知感受器包括金属化薄膜、陶器、某些金属和水。当水被用于吸收微波能由此使其不加热腔室中的零件时，其流过热交换器以消散其吸收的热。另外，选择感受器以使得感受器的介电损耗因子小于支承材料的介电损耗因子，但大于建造材料的介电损耗因子。适合与许多支承和建造材料一起使用的感受器材料是碳化硅。因此，通过监控感受器的温度分布图(块312)，由于感受器的温度开始升高，操作地连接至产生表示感受器的温度的信号的温度传感器的控制器可以检测何时感受器开始接收微波能。通过监控感受器的温度，控制器可以检测腔室中的支承材料是否已熔化。感受器的温度的变化率变慢，直到支承材料降低至低水平。由于腔室中的支承材料的量接近零，更多的微波能从腔室反射到第二端口内，第二端口将微波能导向联接至第三端口的感受器。当感受器接收更多微波能时，感受器的温度开始以更高速率升高，这表示支承材料实际上没了(块316)，使微波源停用并且从腔室中去除物体(块320)。可替代地，可以监控由传感器554产生的温度信号，直到其达到预定温度并且响应于所产生的表示已经达到预定温度的信号停用微波源。

图4中示出用于执行处理300的微波加热站550。微波加热站550包括控制器584，控制器584操作地连接至温度传感器554、微波源566、致动器540和泵532。微波源566可以是任何公共已知的微波能发生器，比如磁控管。如在该文献中使用的，"微波能″指的是频率在大约300MHz至大约300GHz的范围内的电磁辐射。比如为磁循环器的三端口装置562联接至微波源566的输出端以在其第一端口处接收微波能。三端口装置将微波能引导成从第二端口排出到壳体512内的腔室内以加热支承材料208，支承材料208具有比零件204的建造材料更大的介电损耗因子。三端口装置的第三端口也联接至感受器558，感受器558具有小于支承材料的介电损耗因子的介电损耗因子，但大于建造材料的介电损耗因子。如上所述，当腔室中的支承材料吸收能量并且熔化时，腔室中的反射微波能增加。当进入第二端口并且被传递至联接至第三端口的感受器558的该能量的量增加时，感受器的温度的变化率也增加。控制器584配置有程序指令以监控表示由温度传感器554产生的感受器558的温度的信号并且产生感受器温度的变化率的分布图。当控制器检测到表示腔室内的支承材料的量的感受器的温度的变化率的增大接近零时，控制器由于支承材料的大部分或全部已被融化而使微波源566停用。可替代地，控制器584可以监控由传感器554产生的信号，直到控制器检测到由所产生的信号表示的温度已经达到预定温度为止，然后控制器使微波源停用。控制器584然后能够操作致动器540以使输送装置508运动，由此使压盘104退出壳体512。微波加热站550的其余部件如以上参照图4所述地操作。如本文中所使用的，术语"接近零的支承材料量″指的是几乎没有固体支承材料保持与零件或物体接触。

Claims (10)

1.一种用于从三维打印物体去除支承材料的系统，包括：

压盘，所述压盘支承具有支承材料的三维打印物体；

三端口装置，所述三端口装置具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口构造成将通过所述第一端口从所述三端口装置外部接收的微波导向所述第二端口，以从所述第二端口发射，并且所述第二端口构造成将通过所述第二端口从所述三端口装置外部接收的微波导向所述第三端口；

感受器，所述感受器操作地连接至所述三端口装置的所述第三端口；

温度传感器，所述温度传感器构造成产生表示所述感受器的温度的信号；

微波源，所述微波源构造成将微波导向所述三端口装置的所述第一端口，以从所述第二端口发射，以利用通过所述第一端口被导向所述第二端口的微波照射具有支承材料的三维物体，以将所述支承材料加热至所述支承材料从固体相变成液体的温度，使得所述液体支承材料能够流动远离所述物体；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温度传感器和所述微波源，所述控制器构造成根据由所述温度传感器产生的信号操作所述微波源。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

输送装置，所述输送装置构造成使所述压盘运动；

壳体，所述壳体操作地连接至所述三端口装置的所述第二端口以使从所述第二端口发射的所述微波能够照射所述壳体内的所述压盘上的三维物体，所述壳体具有第一开口和第二开口；以及

所述至少一个控制器操作地连接到所述输送装置，所述至少一个控制器进一步被构造成操作所述输送装置以使支承具有支承材料的三维物体的所述压盘通过所述第一开口运动至所述壳体内的位置。

3.根据权利要求2所述的系统，所述压盘还包括：

穿过所述压盘的至少一个开口，以使液体支承材料能够穿过所述压盘。

4.根据权利要求3所述的系统，所述壳体还包括：

排放口，所述排放口位于所述壳体的地板中，以使穿过所述压盘的液体支承材料流出所述壳体。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括：

泵，所述泵操作地连接至所述排放口以促使穿过所述压盘的液体支承材料流过所述排放口。

6.根据权利要求1所述的系统，所述至少一个控制器进一步被构造成操作所述微波源，以用从所述第二端口发射的所述微波照射所述压盘上的三维物体，直到由所述温度传感器产生的信号显示所述感受器已达到预定温度。

7.根据权利要求1所述的系统，所述至少一个控制器进一步被构造成操作所述微波源，以用从所述第二端口发射的所述微波照射所述压盘上的三维物体，直到所述温度传感器产生的信号对应于显示在所述三维物体上的固体支承材料的量接近零的所述感受器的温度的变化率。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述感受器具有小于所述支承材料的介电损耗因子并且大于用于形成所述物体的建造材料的介电损耗因子的介电损耗因子。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述感受器是碳化硅。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述三端口装置是磁循环器。