CN106794605B - 控制表面的加热 - Google Patents

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Abstract

表面的加热被如下控制：监控表面的多个区域的温度以输出多个区域中的每一个的至少一个温度读数。响应于跨越多个区域的一部分设置的图案调制温度读数。基于调制后的温度读数控制输送至多个区域中的每一个的能量以维持基本上均匀的跨越表面的温度分布。

Description

控制表面的加热
背景技术
在加热表面过程中，例如在建造物体过程中，例如在基于逐层产生3-D物体的增材制造过程中，或者在为了改变物体的多个部分的特性的目的而加热物体的表面的多个部分的过程中，加热过程影响最终的物体的品质。
附图说明
为了更全面理解，现在参考结合附图的以下说明书，其中：
图1是控制表面的加热的方法的示例的流程图；以及
图2是控制表面的加热的方法的另一示例的流程图；
图3是用于控制表面的加热的设备的示例的简化示意图；以及
图4是将要由图1的示例的方法所加热的物体的表面的示例。
具体实施方式
在加热表面过程中，例如在通过基于逐层产生3-D物体的增材制造而构造3-D物体过程中，或者在为了改变物体的多个部分的特性而加热具有采用合适的试剂处理过的部分的物体的表面过程中，跨越被加热表面的稳定和均匀的温度分布实现构造的品质或者物体的一部分的特性。
例如，在通过基于逐层构造材料的固化而产生3-D物体的增材制造过程中，最终物体的品质可以至少部分地取决于跨越每个层的温度分布。维持稳定和均匀的温度分布提高所产生的3-D物体的品质和精确度。
存在用于进行3-D物体的增材制造的许多不同技术，例如烧结。在增材制造的该示例中，通过添加构造材料的连续层而产生3-D物体。构造材料可以由液体、粉末或薄片材料形成。试剂被分配在构造材料的每个层的表面上。所分配的试剂形成的图案限定了被产生的3-D物体的对应切片。施加能量至构造材料的每个层。这使得被试剂涂覆的构造材料比没有涂试剂的部分升温更多。结果，被试剂涂覆的区域聚结并且一旦冷却则固化以形成3-D物体的切片。系统依赖于温度将要被精确地控制以实现3-D物体的品质的能力，该温度通过加热构造材料的上层的表面，或者至少加热到构造材料的上层或多层(例如深入表面50mm)的一部分产生。主要挑战是在构造材料的上层(或多层)的整个表面上达到均匀且稳定的温度分布，而不论位置和/或表面上是否存在试剂或熔化的材料。
参照图1，示出了控制表面的加热的方法的示例。这参照使用烧结系统的增材制造的以上示例而描述。然而，应该知晓的是，这是为了示意说明的目的，并且以下描述的方法和设备等同地可应用于其他增材制造过程并且也可以适用于加热物体的表面以改变物体的特性以及加热物体的表面的多个部分以改变物体的多个部分的特性以及其组合。
监控101表面的多个区域的温度，以输出针对该多个区域中的每一个的至少一个温度读数。跨越多个区域的至少一部分设置的图案可被输入(提供)103，或者至少使该图案可用于图1的示例中的后续工序。该图案可以包括将要在表面上形成的图案。在由构造材料的连续层形成3-D物体的示例中，图案可以包括将要在构造材料的当前层的表面上形成的图案，或者在构造材料的至少一个之前层的表面上形成的图案，或者将要在当前层的表面上形成的图案与在构造材料的至少一个之前层的表面上形成的图案的组合。可以以数据的形式提供图案，该数据表示被参照图2更详细地描述的预定图案。在另一示例中，图案可以是表示将要在当前层的表面上形成的预定图案的数据的形式，或者图案可以是表示已经在至少一个之前层的表面上形成的预定图案的数据的形式，或者图案可以是表示将要在构造材料的当前层的表面上形成的预定图案的数据、与表示已经在构造材料的至少一个之前层的表面上形成的预定图案的数据的组合的形式。在又一示例中，图案可以由在至少一个之前层的表面上形成的实际图案而提供。在又一示例中，以表示将要在当前层的表面上形成的预定图案的数据为形式的图案、与在构造材料的至少一个之前层的表面上形成的实际图案的组合可以提供图案。在至少一个之前层的表面上形成的实际图案可以由至少一个高分辨率图像捕捉装置诸如例如热成像相机或扫描仪所捕获的图案来提供，并且装置所捕捉的图像提供在至少一个之前层的表面上形成的图案的信息。
响应于跨越多个区域设置的图案而调制温度读数。可以通过过滤、平滑或调节温度读数而调制温度读数。在一个示例中，设置图案以使得通过将试剂选择性输送至构造材料的上层的表面来形成跨越多个区域的至少一部分的图案。当施加能量至构造材料的表面时，构造材料被加热。构造材料的表面的被试剂覆盖的多个部分的提高的辐射温度使得这些部分加热升温至比表面的未被试剂覆盖的那些部分更高的温度。通过调制构造材料的表面的这些部分的温度读数来补偿被试剂覆盖的部分的更高温度。
响应于已经形成的图案而调制温度读数，也即考虑在构造材料的当前层的表面上的图案，也即在一个示例中，考虑试剂辐射的效应造成的试剂的输送所引起的图案变化，或者在之前形成的层内的已经烧结的部分，或者两者的组合。
随后基于调制后温度读数而控制109输送至多个区域中的每一个的能量，以维持跨越多个区域的基本上均匀的温度分布。这可以通过将温度读数与针对多个区域中的每一个的阈值或目标温度进行比较来实现，或者如果已被调制，可以通过将调制后温度读数与针对每个区域的阈值或目标温度进行比较来实现。如果针对特定区域的温度读数低于阈值或目标温度，增大输送至该特定区域的能量以在阈值目标温度的预定范围内，例如在±1℃的范围内，提升温度。进一步，如果针对特定区域的温度读数在阈值或目标温度之上，减小输送至该特定区域的能量以降低温度至阈值或目标温度，或者至少在阈值或目标温度的预定范围内。
响应于跨越多个区域设置的图案，如果已经建立了覆盖特定区域的全部或一部分的图案，通过例如基于例如3-D物体的构造材料的类型、沉积在构造材料上的试剂的类型以及所沉积的试剂的量而以预定量减小温度读数，来调制107该特定区域的至少一个温度读数。调制后温度读数随后与阈值或目标温度比较。如果针对特定区域的调制后温度读数低于阈值或目标温度，增大输送至该特定区域的能量以在阈值目标温度的预定范围内提升温度。进一步，如果调制后温度读数在阈值或目标温度之上，减小输送至该特定区域的能量以在阈值或目标温度的预定范围内降低温度。
如图2中所示，示出了控制表面(例如构造材料的上层的表面)的加热的方法的另一示例。监控201表面的多个区域的温度，并且输出针对每个区域的至少一个温度读数。接收203表示预定图案的数据，例如表示3-D物体的一部分(例如切片)的数据。将试剂例如聚结剂、聚结改性剂或其组合选择性地输送205至表面的多个部分上，以根据从所接收的数据导出的控制数据形成跨越多个区域的预定图案。预定图案限定构造材料的区域，该区域将要被聚结且固化以形成所产生的3-D物体的单独切片。响应于所接收的数据，也即根据预定的图案，调制207温度读数。例如，构造材料的表面被试剂覆盖的部分的提高的辐射温度可以通过调制表面的该部分的温度读数来补偿。随后基于调制后温度读数控制109输送至多个区域中的每一个的能量，以维持基本上均匀的跨越表面的温度分布，如上参照图1所述。
用于控制表面的加热的设备可以包括至少一个传感器以监控表面的多个区域的温度以输出针对多个区域中的每一个的至少一个温度读数。该设备进一步包括温度控制器以响应于跨越多个区域的一部分设置的图案而调制温度读数，并且基于调制后温度来控制输送至多个区域中的每一个的能量以维持基本上均匀的跨越表面的温度分布。
参照图3，示出了用于控制表面303(例如构造材料的上层的表面)的加热的设备300的示例。跨越处理基床301沉积构造材料。处理基床301(以及因此被沉积的构造材料的表面)被划分为多个区域。能量源305加热表面303。能量源305可以包括沿x和y(正交)方向在每个层的构造材料的表面上进行扫描的能量源，或者可替代地，能量源305可以包括完全跨越表面303的一维，比如x维度成直线设置的多个能量源，并且沿跨越表面303的y方向扫描，或者可替代地，能量源305可以包括跨越表面303的一维的一部分、比如x维度的一部分成直线设置的多个能量源，并且跨越整个表面沿x和y方向扫描，或者可替代地，能量源305可以包括沿x和y方向在表面303上扫描的能量源的2-D阵列。
设备300进一步包括至少一个传感器307。至少一个传感器307可以包括IR传感器，热成像相机，扫描仪，IR传感器阵列，热电偶(thermocouple)传感器等等。至少一个传感器307可以包括单独传感器或者在表面303上扫描的传感器的阵列以监控表面303的多个区域中的每一个的温度。在另一示例中，至少一个传感器307可以包括多个单独传感器或多个传感器阵列。每个单独传感器或传感器阵列可以在固定位置并且被设置为监控特定区域的温度。
设备300进一步包括试剂输送控制器309以控制将试剂选择性地输送至表面303的多个部分上以形成跨越多个区域的图案。试剂可以经由试剂分配器311输送。试剂可以为流体的形式并且试剂分配器311可以包括用于将试剂流体的微滴喷射至表面303上的喷嘴阵列。喷嘴阵列在试剂分配器控制器309的控制下在表面303上扫描。在一些示例中，试剂分配器311可以是设备300的组成部分。在一些示例中，试剂分配器311可以是用户可更换的，在该情形中它们可以可移除地可插入至合适的试剂分配器接收器或接口(在此未示出)中。试剂分配器311可以安装以使试剂分配器311沿着轴线双向地扫描，例如跨越构造材料的表面303的x轴线(其中构造材料的表面303定义在x-y平面中并且沿z方向构建层，x、y和z相互正交)。处理基床301可以沿着y轴移动，以使得试剂分配器311将试剂流体的微滴沉积在构造材料的表面的任意部分上。当试剂分配器沿x轴向前方向或向后方向移动时或者当沿向前方向和向后方向移动时或者其组合时，试剂分配器311能够输送试剂流体。
试剂可以包括例如被选择性地输送至表面303上可选择部分的第一集合上的聚结剂以形成图案的至少一部分。此外或可替代地，试剂可以包括被选择性地输送至表面303的多个部分的第二集合上的聚结改性剂以形成跨越多个区域的第二图案以形成图案的至少一部分。聚结剂用于使得构造材料的多个部分的第一集合聚结并固化。聚结改性剂用于改变构造材料的多个部分的第二集合的材料的特性。聚结改性剂可以与聚结剂结合使用，以使得当物体的构造材料被聚结和固化时修改特性。可替代地，可以分配改性剂(例如合适的试剂)以当经受热量时改变物体的多个部分的特性。
设备300进一步包括温度控制器313以响应于跨越多个区域设置的图案而调制温度读数，并且控制能量源305输送至多个区域中的每一个的能量以维持基本上均匀的跨越多个区域的温度分布，如参照图1以上更详细所述。
在一个示例中，温度控制器313可以包括比例-积分-微分(PID)控制回路。除了响应于图案而调制温度之外，也可以调制温度读数以考虑历史误差以及这些误差随时间的变化。这使得能够补偿当图案形成时可能出现在图案中的任何误差，例如由试剂分配器311的喷溅或堵塞引起的误差。
在另一示例中，温度控制器313通过比较针对第一区域的曾被调制的温度读数与预定的阈值或目标温度而控制输送至第一区域的能量。在另一示例中，温度控制器313通过将曾被调制的第一区域的温度读数和第一区域的至少一个相邻区域的温度读数、与预定阈值或目标温度进行比较而控制输送至第一区域的能量。可以加权以及组合至少一个相邻区域的温度读数以提供针对第一区域的温度读数，该第一区域的温度读数响应于图案而被调制，并且通过至少一个相邻区域的加权温度读数而被进一步的调制。在另一示例中，也可以在加权和组合之前响应于图案而进一步调制至少一个相邻区域的温度读数，以提供针对第一区域的温度读数。
设备300进一步包括接收器315以接收表示预定图案的数据。该数据可以存储在存储装置317中，存储装置317可以与设备300(图3中未示出)整体成型或者可以在设备300的外部，如图3中所示。存储装置317可以包括ROM或RAM或任何其他合适的存储装置。在另一示例中，接收器315可以接收感测(sensory)输出，该感测输出提供跨越多个区域的一部分所形成的实际图案或多图案的测量值或图像数据。在又一示例中，接收器315可以接收来自存储装置317的预定图案与提供所形成的实际图案的测量值的感测输出的组合。试剂输送控制器309处理接收的数据以产生控制数据以选择性地输送试剂以在物体301的表面303上形成预定的图案。
通过聚结剂的存在而实现在构建3-D物体的每个切片过程中每个层的构造材料的多个部分的选择性聚结和固化，该聚结剂具有更高温度辐射率并且因此给予相同量的能量施加能够达到更高的温度，因此，仅试剂所覆盖的区域被聚结并固化。施加至表面的能量源提供目标温度。由闭环控制系统实现目标温度，在闭环控制系统中至少一个传感器307监控跨越表面的多个区域的温度。温度控制器313调制107至少一个传感器307的温度读数，以补偿由如上参照图1所述的试剂所覆盖的表面的区域所提供的提升温度。
参照图4，示出了图3的设备300将要加热的物体403_1、403_2、403_3的示例。物体可以是逐层产生的3-D物体，其中图4示出了产生3-D物体的切片的层的表面。在处理基床400、例如图3的处理基床301上沉积构造材料的连续层。处理基床400被划分为多个区域401。多个区域中的每一个可以是基本上大小相同或者可以大小变化。多个区域形成区域401_1_1至401_m_n的m×n阵列。在图4中所示的示例中，第一物体403_1占据5个区域。占据特定区域的物体的面积确定为区域的总面积的百分比。例如，第一区域401_1_3由第一物体403_1的一部分所占据，例如约第一区域401_1_3的4％，而第二物体403_2的一部分占据第二区域401_3_4的大部分，例如第二区域401_3_4的86％。因此，在产生第一物体403_1的3-D物体的切片中，对于图4中所示3-D物体的切片，确定第一区域401_1_3例如具有聚结剂和聚结改性剂的4％的覆盖范围。在产生第二物体403_2的3-D物体中，对于图4中所示3-D物体的切片，确定第二区域401_3_4具有例如聚结剂和聚结改性剂的86％的覆盖范围。
至少一个传感器监控第一区域401_1_3的温度，并且温度读数将稍微提升，这是由在第一区域401_1_3内第一物体403_1的表面的4％的较高温度辐射率引起的，而对于第二区域401_3_4，因为第二区域401_3_4内的第二物体403_2的表面的86％引起较高的温度辐射率，所以温度读数将提升比第一区域更大的量。结果，与针对第一区域401_1_3的温度读数进行的调节相比，针对第二区域401_3_4进行的温度读数的调节更大。可以根据区域内图案的面积百分比确定区域的温度读数的调节(调制)的量。
结果实现了最佳能量源控制和配置。进一步，实现了所输送能量的动态调节，而不论物体、试剂图案和处理基床位置。这避免了表面上的热点区域或伪热点区段，并且提供了跨越被加热的整个表面的稳定和基本上均匀的温度分布。
设备可以进一步包括位置校准器319。位置校准器319用于使每个温度读数与每个区域匹配。在示例中，为位置校准器319提供指示处理基床301的大小和位置(其是固定的)的数据。随后可以相对于处理基床301的边缘定位每个传感器。试剂输送控制器309相对于处理基床301的边界控制试剂的输送。因此获取每个温度读数的位置可以容易地与图案、处理基床301的位置以及因此每个区域的位置相关联。此外图案可以由对准轨迹形成，对准轨迹可以被位置校准器用于校准设备以使得获取每个温度读数的位置与实际获取温度读数的区域相关联。位置校准器319的输出提供至温度控制器315以将温度读数与每个区域匹配，并且因此提高温度读数的调制的精确度，并且因此提高输送至每个区域的能量的控制的精确度。
在过程期间的温度稳定性被改进。采用减少表面过热而实现优化的能耗。提供有利于部件品质和机械特性的稳定温度。可以检测类似非均匀熔化/固化和非均匀材料扩散的问题。
应该注意的是上述示例说明而非限制在此所述的内容，并且本领域技术人员将能够设计许多可替代的实施方式而并未脱离所附权利要求的范围。词语“包括”并未排除权利要求中所列出之外的其他要素的存在，“一”并未排除多个，以及单独处理器或其他单元可以实现权利要求中所述数个单元的功能。

Claims (15)

1.一种在物体的增材制造中控制构造材料的表面的加热的方法，所述方法包括：
(a)监控构造材料的层的表面的多个区域的温度以输出所述多个区域中的每一个的至少一个温度读数；
(b)响应于跨越所述多个区域的一部分设置的图案而调制所述温度读数，所述图案指示至少一种试剂的选择性递送以限定被产生的所述物体的至少一个切片；
(c)基于调制后的温度读数控制输送至所述多个区域中的每一个的能量，以维持基本上均匀的跨越所述表面的温度分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括
接收表示预定图案的数据；并且
其中步骤(b)包括
响应于所接收的数据调制所述温度读数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括
确定所述多个区域中的每一个区域内由所述图案占据的面积百分比；并且
其中步骤(b)包括
基于所确定的所述多个区域中对应区域的面积百分比，调制所述多个区域中的每一个的温度读数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括
根据所述图案选择性地输送试剂至所述表面的多个部分上。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法进一步包括
沉积构造材料的多个层，所述构造材料的每个层限定所述表面；并且
针对每个沉积的层重复步骤(a)至(c)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤(b)包括
响应于当前沉积的层的图案和/或至少一个之前沉积的层的图案，调制所述温度读数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，选择性地输送试剂包括
选择性地将聚结剂输送至所述构造材料的多个部分上以形成跨越所述多个区域的所述图案的至少一部分；并且
其中步骤(c)进一步包括
控制输送至所述多个区域中的每一个的能量，以使得当施加所述能量时所述构造材料的层聚结并且固化以根据所述图案形成3-D物体的切片。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，选择性地输送试剂包括
选择性地将聚结改性剂输送至所述构造材料的多个部分上以形成跨越所述多个区域的所述图案的至少一部分；并且
其中步骤(c)进一步包括
控制输送至所述多个区域中的每一个的能量，以使得当施加所述能量时所述构造材料的层在根据所述图案形成3-D物体的切片过程中修改所述构造材料的多个部分的特性。
9.一种用于在物体的增材制造中控制构造材料的表面的加热的设备，包括：
至少一个传感器，用于监控构造材料的层的表面的多个区域的温度以输出针对所述多个区域中的每一个的至少一个温度读数；
温度控制器，用于响应于跨越所述多个区域的一部分设置的图案而调制所述温度读数，所述图案指示至少一种试剂的选择性递送以限定被产生的所述物体的至少一个切片，并且基于调制后的温度读数控制输送至所述多个区域中的每一个的能量以维持基本上均匀的跨越所述表面的温度分布。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备进一步包括接收器，所述接收器用于接收表示将要跨越所述多个区域的一部分而形成的预定图案的数据和/或表示已经跨越所述多个区域的一部分形成的图案的数据。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备进一步包括位置校准器，所述校准器用于相对于所述图案的位置和/或所述多个区域中的每一个的位置，校准所述至少一个传感器的位置。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述设备进一步包括试剂输送控制器，所述试剂输送控制器用于根据所述图案选择性地输送试剂至所述表面的多个部分上。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述设备进一步包括
构造材料分配器，用于沉积构造材料的多个层以由此产生3-D物体；
其中所述至少一个传感器用于监控每个沉积的层的表面的多个区域的温度以输出针对所述多个区域中的每一个的至少一个温度读数；并且
其中所述试剂输送控制器用于控制试剂至每个沉积的层的表面的多个部分上的选择性输送，以形成跨越所述多个区域的图案；并且其中所述温度控制器用于响应于跨越当前沉积的层和/或至少一个之前沉积的层的所述多个区域形成的试剂图案而调制每个沉积的层的温度读数，并且基于所述当前沉积的层的调制后的温度读数而控制输送至所述当前沉积的层的所述多个区域中的每一个的能量。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述设备进一步包括
聚结剂分配器，用于选择性地输送聚结剂至所述构造材料的多个部分的第一集合上以形成所述图案的至少一部分；以及
聚结改性剂分配器，用于选择性地输送聚结改性剂至所述构造材料的多个部分的第二集合上以形成所述图案的至少一部分。
15.一种用于产生3-D物体的设备，包括：
用于接收第一可移除可插入的试剂分配器的接口，以选择性地输送聚结剂至构造材料的层上的可选择部分的第一集合；
用于接收第二可移除可插入的试剂分配器的接口，以选择性地输送聚结改性剂至所提供的构造材料的层上的可选择部分的第二集合；以及
试剂输送控制器，用于：
在所述试剂分配器被插入所述试剂分配器各自的接口中时，控制所述试剂分配器选择性地输送所述试剂至构造材料的连续层上的位置，所述位置通过从表示将要产生的3-D物体的一部分的数据导出的控制数据来确定；以及
温度控制器，用于：
响应于所述控制数据调制所述构造材料的表面的测量的温度，以及
基于所述构造材料的表面的调制后的温度，控制能量源以施加能量至所述构造材料，以使得所述构造材料的一部分聚结并固化，以根据聚结剂和聚结改性剂所输送的位置形成所述3-D物体的切片，从而维持基本上均匀的跨越所述构造材料的表面的温度分布。
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