CN107206682B - 用于产生三维彩色功能部件的方法、系统和存储介质 - Google Patents

Abstract

在示例性实施方式中，一种三维(3D)打印的方法包括：施加可烧结材料，将溶剂选择性地施加在可烧结材料的一部分上，向可烧结材料的一部分施加第一辐射能量，以及向可烧结材料的一部分施加不同于第一辐射能量的第二辐射能量。

Description

用于产生三维彩色功能部件的方法、系统和存储介质

技术领域

本发明涉及产生三维(3D)彩色功能部件。

背景技术

三维(3D)打印是其中连续材料层被沉积以从数字模型形成三维物体的增材制造过程。在增材制造中，通过经由包括烧结、挤压以及照射的过程的熔化、粘结或者固化来将连续材料层结合在一起。由此类系统生产的物体的质量、强度以及功能能够根据所使用的增材制造技术的类型而变化。通常，能够使用较低成本的系统来生产质量较低且强度较低的物体，而能够使用较高成本的系统来生产质量较高且强度较高的物体。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种产生三维(3D)彩色功能部件的方法，该方法包括施加可烧结材料；将熔剂选择性地施加在可烧结材料的一部分上，其中施加熔剂包括施加彩色溶剂，彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；在预熔阶段中向可烧结材料的一部分施加第一辐射能量；并且在熔化阶段中向可烧结材料的一部分施加大于第一辐射能量的第二辐射能量。

根据本公开另一方面，提供了一种用于产生三维(3D)彩色功能部件的系统，该系统包括：用于可烧结材料的支撑件；可烧结材料分配器，用于将可烧结材料层提供在支撑件上；熔剂分配器，用于将熔剂选择性地递送到可烧结材料层的一部分上，其中递送熔剂包括递送彩色溶剂，彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；以及预熔/熔化模块，用于控制辐射源，以在第一预熔操作期间向可烧结材料层施加第一辐射能量，并且在熔化阶段期间向可烧结材料层施加大于第一辐射能量的第二辐射能量。

根据本公开的另一方面，提供了一种存储指令的非暂时性机器可读存储介质，当由三维(3D)打印设备的处理器执行以产生三维(3D)彩色功能部件时，指令使3D打印设备进行以下操作:将可烧结材料沉积到制造底座上，以形成3D物体层；将可烧结材料加热到范围从50℃到400℃的温度；根据3D物体层的横截面的图像图案，将熔剂沉积在可烧结材料的一部分上，其中沉积熔剂包括沉积彩色溶剂，彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；在预熔阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第一时长；并且在熔化阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第二时长，其中，第二时长比第一时长长。

附图说明

现在将参考附图描述示例，其中：

图1示出了用于制造包括具有提高的机械强度和密度的彩色功能部件的3D物体的三维(3D)打印系统的示例，其中该提高的机械强度和密度可比肩于黑色部分的机械强度和密度；

图2示出了3D打印系统的示例新控制器，其包括引擎，用于执行诸如成像和预熔/熔化功能之类的3D打印系统的功能；

图3、图4和图5示出了图示在3D打印系统中与3D彩色功能部件的生产有关的示例性方法的流程图；

图6a-6f示出了用于制造3D物体的3D打印系统的另一示例。

贯穿附图的相同附图标记指定类似的、但是不一定相同的要素。

具体实施方式

在三维(3D)打印的一些示例中，使用光线区域处理(light area processing)技术来形成3D物体。在光线区域处理期间，将诸如可烧结材料之类的构建材料的整个层暴露至辐射中。可烧结的构建材料的选择的区域被熔化(即，聚结)并且随后被固化或硬化以变为3D物体的层。在一些示例中，聚结剂或熔剂被选择性地沉积以与可烧结材料的选择的区域接触。熔剂能够渗入到可烧结材料层中并且散布到可烧结材料的外部表面上。熔剂能够吸收辐射并且将吸收的辐射转换为热能，该热能进而使与熔剂接触的可烧结材料熔化或烧结。这引起可烧结材料熔化、粘结、固化等等以形成3D物体的层。关于可烧结材料的多个层重复该处理以使层结合在一起，引起3D物体的形成。

当向可烧结材料施加更大量的热能以用于将层烧结和熔化在一起时，能够产生具有改善的机械强度和功能的更高密度的3D部件。然而，可用于烧结的热能的量部分地取决于熔剂吸收辐射的密度，并且熔剂的辐射吸收率部分地取决于熔剂的颜色。例如，利用蓝绿色、品红色或者黄色(C、M，或者Y)彩色染料的基于近红外染料的熔剂的吸收强度通常低于基于炭黑的熔剂的吸收强度。因此，相比于3D打印的黑色部件，3D打印的彩色部件的可烧结材料的熔化的水平较低，这可以引起彩色部分与可比较的黑色部分相比具有较低的密度和较差的机械强度和功能。在一些示例中，利用近红外加彩色染料生产的彩色功能部件的机械强度小于类似的黑色功能部件的机械强度的60％至80％。

本文所公开的三维(3D)打印的示例实现了具有更高的密度和提高的机械强度的3D彩色功能部件的生产，该3D彩色功能部件的密度和机械强度可以比肩于3D黑色部件。通常，预熔操作应用于包括彩色熔剂已经被选择性地沉积在其上的彩色图像区域(即，3D物体的彩色横截面)的可烧结材料(例如，粉末)的3D物体层。预熔操作包括向3D物体层的暴露较短的辐射。彩色图像区域内的更大的辐射吸收生成提高彩色图像区域内的可烧结材料的温度的附加的热。然后预熔操作后面是熔化操作，该融化操作提供对3D物体层的更长的辐射暴露，这使彩色图像区域内的可烧结材料熔化并且引起改善的层间粘着。

在一个示例中，一种三维(3D)打印的方法包括施加可烧结材料，在可烧结材料的一部分上选择性地施加熔剂，向该可烧结材料的一部分施加第一辐射能量，以及向该可烧结材料的一部分施加不同于第一辐射能量的第二辐射能量。

在另一示例中，一种用于3D打印的系统包括用于可烧结材料的支撑件。该系统包括：可烧结材料分配器，用于在支撑件上提供可烧结材料层，以及溶剂分配器，用于将熔剂选择性地递送到可烧结材料层的一部分上。系统包括辐射源和预熔/熔化模块以控制辐射源在第一预熔操作期间向可烧结材料层施加第一辐射能量，并且在熔化阶段期间向可烧结材料层施加第二辐射能量。

在另一示例中，非暂时性机器可读存储介质存储当由3D打印设备的处理器执行时使3D打印设备进行以下操作的指令：将可烧结材料沉积到制造底座上以形成3D物体层、将可烧结材料加热到范围从大约50℃到大约400℃的温度、根据3D物体层的横截面的图像图案将熔剂沉积到可烧结材料的一部分上、在预熔阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第一时长，以及在熔化阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第二时长，其中，第二时长比第一时长长。

图1图示了用于制造包括具有改善的机械强度和密度的彩色功能部件的3D物体的3D打印系统100的示例，其中彩色功能部件的机械强度和密度可比肩于黑色部件的机械强度和密度。图1的3D打印系统包括用作用于接收和保持可烧结材料(在图1中未示出)以形成3D物体的制造底座的支撑构件102。在示例中，支撑构件102具有从大约10cm乘10cm到高至大约100cm乘100cm的范围的尺寸——尽管取决于要被形成的3D物体，支撑构件102可以具有更大或更小的尺度。

可烧结材料分配器104将可烧结材料层提供到支撑构件102上。适当的可烧结材料分配器的示例包括刮水片、辊子及其组合。在一些示例中，可烧结材料分配器104可以包括供应底座和制造活塞，以将可烧结材料推送到支撑构件102上，如在下面在本文进一步描述的。能够从漏斗或其它适当的递送系统向可烧结材料分配器供应可烧结材料。在图1中示出的示例系统100中，可烧结材料分配器104在支撑构件102的长度(Y轴)上移动以沉积可烧结材料层。

如下所述，可烧结材料的第一层被沉积在支撑构件102上，接着将可烧结材料的随后的层沉积到先前沉积的(且固化的)层上。因此，支撑构件102可以沿着Z轴可移动，使得当可烧结材料的新的层被沉积时，在最近形成的层的表面与被图示为熔剂分配器106a和细化剂分配器106b的制剂分配器106的下表面之间维持预先确定的空隙。在其他示例中，支撑构件102可以是沿着Z轴固定的，并且制剂分配器106可以是沿着Z轴可移动的，以维持这样的预先确定的空隙。

制剂分配器106以选择性的方式分别经由熔剂分配器106a和细化剂分配器106b将熔剂和/或细化剂递送到在支撑构件102上提供的可烧结材料层的多个部分上。例如，熔剂分配器106a可以将熔剂递送到可烧结材料层的选择的部分，同时细化剂分配器106b可以将细化剂递送到相同的部分和/或递送到在支撑构件102上提供的可烧结材料层的其他部分。熔剂分配器106a和细化剂分配器106b可以分别包括熔剂和细化剂的供给器，或者它们可以被分别操作地连接到熔剂和细化剂的单独的供给器。

尽管其他类型的制剂分配器是可能的并且在本文被预期，但图1的示例3D打印系统100中示出的制剂分配器106(即，106a、106b)包括一个或多个打印头，诸如热喷墨打印头或压电喷墨打印头。打印头可以是按需喷墨打印头或连续喷墨打印头。当熔剂和细化剂是适当的流体的形式时，打印头可以用于选择性地递送此类熔剂和细化剂。在打印系统100的其他示例中，单个打印头可以用于选择性地递送熔剂和细化剂两者。在此类示例中，单个打印头上的第一打印头喷嘴集合能够递送熔剂，并且单个打印头上的第二打印头喷嘴集合能够递送细化剂。如下所述，熔剂和细化剂中的每一个包括诸如水的水性载体、共溶剂、表面活化剂等等，以使得其能够经由打印头来递送。

每个打印头能够包括通过其它们能够选择性地喷射流体滴剂的喷嘴阵列。在一个示例中，每个滴剂可以是大约没个滴剂10皮升(pl)的数量级——尽管预期到可以使用更高的或更低的液滴尺寸。在一些示例中，打印头能够递送可变尺寸的滴剂。在一个示例中，打印头能够以范围从大约每英寸300点(DPI)到大约1200DPI的分辨率递送熔剂和细化剂的滴剂。在其他示例中，打印头能够以更高的或更低的分辨率递送熔剂和细化剂的滴剂。滴剂速度范围可以从大约5m/s到大约24m/s并且发射频率的范围可以从大约1kHz到大约100kHz。

打印头可以是打印系统100的组成部分，或者它们可以是用户可更换的。当打印头是用户可更换的时，它们可以被可移除地可插入到适当的分配器接收器或接口模块(未示出)中。

如图1所示，熔剂分配器106a和细化剂分配器106b中的每一个具有使得其能够在页面宽度阵列配置中跨越支撑构件102的整体宽度的长度。在示例中，通过多个打印头的适当的布置实现页面宽度阵列配置。在另一示例中，通过具有喷嘴阵列的单个打印头实现页面宽度阵列配置，该喷嘴阵列具有使得喷嘴能跨越支撑构件102的宽度的长度。在打印系统100的另一些示例中，熔剂分配器106a和细化剂分配器106b可以具有不能使得它们能够跨越支撑构件102的整体宽度的更短的长度。

在一些示例中，熔剂分配器106a和细化剂分配器106b被安装在可移动的托架上以使得它们能够沿着所图示的Y轴在支撑构件102的长度上双向地移动。这使得能够单程进行在支撑构件102的整体宽度和长度上的熔剂和细化剂的选择性递送。在其他示例中，在熔剂分配器106a和细化剂分配器106b保持在固定的位置中时，支撑构件102能够相对于熔剂分配器106a和细化剂分配器106b移动。

如在本文所使用的，术语‘宽度’通常表示与图1中示出的X和Y轴平行的平面中的最短的尺寸，并且术语‘长度’表示在该平面中最长的尺寸。然而，在其他示例中，术语‘宽度’可以与术语‘长度’是可互换的。作为示例，制剂分配器106可以具有使得其能够跨越支撑构件102的整体长度的长度，而可移动的托架可以在支撑构件102的宽度上双向地移动。

在其中熔剂分配器106a和细化剂分配器106b具有不能使得它们能够跨越支撑构件102的整体宽度的较短长度的示例中，分配器106a和106b也可以在所图示的X轴上在支撑构件102的宽度上是双向地可移动的。该配置使得能够使用多个路径在支撑构件102的整体宽度和长度上进行熔剂和细化剂的选择性递送。

如图1所示，3D打印系统100包括辐射源108以发射辐射R。能够以各种方式实施辐射源108，例如包括IR、接近-IR、UV或者可见固化灯、IR、接近IR、UV或者可见可见的发光二极管(LED)，或者具有特定波长的激光器。所使用的辐射源108至少部分地取决于所使用的熔剂的类型。辐射源108可以例如附接到保持打印头的托架(未示出)。托架可以将辐射源108移动到与支撑构件102相邻的位置中。在不同的示例中，辐射源108用于向沉积的可烧结材料层、熔剂和细化剂施加能量以引起可烧结材料的数个部分的固化。在一个示例中，辐射源108是能够均匀地向沉积到支撑构件102上的材料施加能量的单个能量源。在另一示例中，辐射源108包括能量源阵列以向沉积的材料均匀地施加能量。

在一些示例中，辐射源108能够以基本上均匀的方式向沉积到支撑构件102上的可烧结材料层的整个表面施加能量。该类型的辐射源108可以被称为非聚焦能量源。将可烧结材料的整个层同时暴露至能量可以帮助提高生成三维物体的速度。

如图1所示，3D打印系统100包括控制器110。图1中示出的示例性控制器110适于控制打印系统100以实施在本文描述的预熔和熔化操作，以使得能够进行具有更高密度和提高的机械强度的3D彩色功能部件的生产，该更高密度和提高机械强度可比肩于黑色部分的密度和机械强度。控制器110通常包括处理器(CPU)112和存储器114，并且可以另外包括固件和其他电子仪器用于与3D打印系统100的各个组件进行通信并且对其进行控制。

存储器114能够包括易失性(即，RAM)存储器组件和非易失性存储器组件(例如，ROM、硬盘、光盘、CD-ROM、磁带、闪速存储器，等等)两者。存储器114的组件包括非暂时性机器可读取(例如，计算机/处理器可读取的)介质，其提供机器可读取的编码程序指令、数据结构、程序指令模块、JDF(作业定义格式)，以及可由3D打印系统100的处理器112执行的其他数据和/或指令的存储。存储在存储器114中的指令的示例包括与模块116和118相关联的指令，而存储的数据的示例包括递送控制数据120。模块116和118能够包括可由处理器112执行以使3D打印系统100执行诸如以下分别关于图3和4所描述的方法300和400的操作之类的各种一般和/或特定功能的编程指令。

存储在存储器114中的程序指令、数据结构、模块等可以是实施诸如在本文讨论的示例之类的各种示例的安装数据包的一部分。因此，存储器114可以是诸如CD、DVD，或者闪盘驱动之类的便携式介质，或者能够从其下载和安装安装数据包的由服务器维持的存储器。在另一示例中，存储在存储器114中的程序指令、数据结构、模块等可以是已经安装的一个或多个应用的一部分，在这种情况下，存储器114可以包括诸如硬盘驱动器之类的集成存储器。

如上面指出的，控制器110控制3D打印系统100以实施预熔和熔化操作，以使得能够生产具有更高密度和提高的机械强度的3D彩色功能部件，该更高密度和提高的机械强度可比肩于3D黑色部分的密度和机械强度。在一些示例中，控制器110使用来自存储器114的递送控制数据120和编程指令存储器114(例如，模块116、118中的指令)，以管理溶剂和细化剂的施加，以及打印系统100内的辐射，以促进3D部分的生产。更具体地，控制器110从诸如计算机之类的主机系统接收递送控制数据120，并且把数据120存储在存储器114中。数据120表示例如定义要被打印的3D物体的目标文件、控制熔剂和细化剂到可烧结材料层上的选择性递送的相关联的制剂递送数据，以及控制由辐射源108施加辐射能量的量，以及向可烧结材料层施加辐射的方式的相关联的辐射源控制数据。因此，数据120形成每个均包括打印作业命令和/或命令参数的、用于打印系统100的一个或多个3D打印作业。使用来自数据120的打印作业，控制器110中的处理器112执行(例如，来自模块116、118的)指令以控制打印系统100的组件(例如，支撑构件102、可烧结材料分配器104、制剂分配器106、辐射源108)以通过在本文在下面更详细地描述的3D打印过程一层一层地形成3D物体。

成像模块116包括用于以根据递送控制数据120控制将可烧结材料层施加至支撑构件102上的可执行编程指令。可进一步执行来自成像模块116的指令以根据递送控制数据120来控制向定义3D物体的横截面的可烧结材料层的被选择的部分上施加熔剂。例如，执行来自成像模块116的指令，控制器110能够根据递送控制数据120使打印头以液体形式将熔剂喷射到可烧结材料层的被选择的部分上。在一些示例中，进一步执行来自成像模块116的指令以控制向可烧结材料层上施加细化剂。例如，执行来自成像模块116的指令，控制器110能够根据递送控制数据120使打印头以液体形式将细化剂喷射(即，喷出)到可烧结材料层的被选择的其他部分和/或相同的部分上。

预熔/熔化模块118包括用于在熔剂(并且在某些情况下，细化剂)已经被喷射到可烧结材料上之后控制向可烧结材料的每个层施加来自辐射源108的能量的可执行编程指令。在第一预熔操作中，向可烧结材料层施加第一辐射能量。在一些示例中，以辐射源108快速扫描的方式在可烧结材料层上施加辐射能量，以使层的“仅成像的”区域(即，已经仅仅接收了熔剂的区域)的温度提升到高达或略微地高于周围可烧结材料的温度。在第二熔化操作中，向可烧结材料层施加第二辐射能量。在一些示例中，这包括以辐射源108低速扫描的方式在可烧结材料层上施加辐射能量，以使仅仅成像的区域的温度提升到彻底地熔化层的仅仅成像的区域的高得多的温度。

在3D打印系统100的其他示例中，模块116和118的功能可以被实施为3D打印系统100的相应的引擎(例如，图像引擎和预熔/熔化引擎)，每个引擎包括硬件和编程的任意组合，以实施引擎的功能，如下所述。因此，如图2中所示，3D打印系统100的控制器110'能够包括图像引擎116'和预熔/熔化引擎118'。引擎116'和118'能够例如包括硬件和编程的各种组合，以执行诸如以下分别关于图3和4所描述的方法300和400中的操作之类的指定功能。用于每个引擎116'和118'的硬件能够例如包括分立的电子组件、ASIC(专用集成电路)、处理器和存储器，而可以将编程指令存储在引擎存储器和/或存储器114上并且可由处理器执行以执行指定的功能。

图3、图4和图5示出了流程图，流程图图示了在诸如3D打印系统100之类的3D打印系统中分别与3D彩色功能部件的生产有关的示例方法300、400和500。方法300-500与关于图1-2，以及图6a-6f(在下面讨论)在本文讨论的示例相关联，并且能够在此类示例的有关讨论中找出这些方法中示出的操作的细节。方法300-500的操作可以实施为存储在诸如图1中示出的存储器114之类的非暂时性、机器可读取的(例如，计算机/处理器可读取的)介质上的编程指令。在一些示例中，能够通过诸如图1中示出的处理器112之类的处理器读取和执行诸如来自存储在存储器114中的模块116和118的指令之类的编程指令来实现实施方法300-500的操作。在一些示例中，能够使用包括诸如ASIC(专用集成电路)之类的硬件和/或其他硬件组件的组合、单独地或与可由处理器执行的编程指令结合的3D打印系统的引擎来实现实施方法300-500的操作。

在一些示例中，方法300-500可以包括多于一种实施方式，并且方法300-500的不同的实施方式可能不采用呈现在图3-5的相应的流程图中的每个操作。因此，尽管方法300-500的操作在流程图内以特定次序呈现，但它们的呈现的次序并不意图关于可以实际上实施操作的次序，或者关于是否可以实施所有操作被限制。例如，可能通过在不执行一个或多个后续操作的情况下的许多初始操作的执行来实现方法400的一种实施方式，而可能通过所有操作的执行来实现方法400的另一种实施方式。

现在参考图3的流程图，三维(3D)打印的示例性方法300从框302开始，在302处施加诸如可烧结材料之类的构建材料。施加可烧结的构建材料能够例如包括将可烧结材料层沉积、累加、放下、构建或以另外方式放置到3D打印系统的支撑构件或制造底座上。施加可烧结材料的一个示例包括使用诸如供应底座之类的可烧结材料分配器以将可烧结材料推送到支撑构件上，如在下面参考图6a-6f所讨论的。

如在框304所示，方法300能够继续选择性地向可烧结材料层的一部分施加熔剂。选择性地向可烧结材料的一部分施加熔剂能够包括根据递送控制数据定义3D物体的横截面的图案来将来自诸如喷墨打印头之类的熔剂分配器的熔剂分配到可烧结材料上。在一些示例中，熔剂是定义3D物体的彩色图像区域横截面的彩色熔剂。

如在框306所示，方法300能够继续向该可烧结材料的一部分施加第一辐射能量。向该可烧结材料的一部分施加第一辐射能量包括生成热并且提高彩色图像区域内的可烧结材料的温度的预熔操作。然后此类预熔操作之后能够是熔化操作，其包括向该可烧结材料的一部分施加不同于第一辐射能量的第二辐射能量，如在框308所示的。熔化操作能够提供大于第一辐射能量的第二辐射能量，以熔化彩色图像区域内的可烧结材料。

现在参考图4的流程图，将讨论3D打印的示例方法400，其中包括作为方法300的一些操作的补充或者作为其替换的操作。方法400从框402开始，在402处施加可烧结材料。如以上所讨论的，施加可烧结材料能够包括将可烧结材料层沉积到3D打印系统的支撑构件或制造底座上的各种方式，诸如使用可烧结材料分配器来将可烧结材料推送到支撑构件上。方法400在框404继续，在404处向可烧结材料层的一部分选择性地施加熔剂，这能够例如包括根据递送控制数据定义3D物体的横截面的图案，以将来自诸如喷墨打印头之类的熔剂分配器的熔剂分配到可烧结材料上。在一些示例中，熔剂是定义3D物体的彩色图像区域横截面的彩色熔剂。

如框406所示，方法400能够继续在预熔操作中向该可烧结材料的一部分施加第一辐射能量，该预熔操作生成热并且提高彩色图像区域内的可烧结材料的温度。在一些示例中，施加第一辐射能量包括以第一速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯。在方法400中，以第一速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯可以包括例如以15英寸每秒与20英寸每秒之间的速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯。

方法400然后能够继续在熔化操作中向该可烧结材料的一部分施加不同于第一辐射能量的第二辐射能量，如在框408所示的。在一些示例中，施加第二辐射能量包括以不同于第一速度的第二速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯。在方法400中，以第二速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯可以包括以与第一速度相比更慢的速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯。在一些示例中，以第二速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯包括以5英寸每秒与15英寸每秒之间的速度在该可烧结材料的一部分上扫掠加热灯。

如在框410所示，方法400能够包括在可烧结材料的相同的部分上、在另一个部分上，或者在该部分和另一个部分两者上施加细化剂。在一些示例中，选择性地施加细化剂包括施加包括无机盐、表面活化剂、共溶剂、湿润剂、抗微生物剂以及水的细化剂。

如在方法400的框412所示，在一些示例中，在如在框404中所示的施加熔剂之前，能够将可烧结材料加热。在一些示例中，将可烧结材料加热能够包括将可烧结材料加热到范围从大约50℃到大约400℃的温度。

现在参考图5的流程图，与3D打印有关的示例性方法500从框502开始，在502处将可烧结材料沉积到制造底座上以形成3D物体层。在框504处，方法继续将可烧结材料加热到范围从大约50℃到大约400℃的温度。然后根据3D物体层的横截面的图像图案将熔剂沉积到可烧结材料的一部分上，如在框506所示的。沉积熔剂能够包括沉积从包括以下颜色的组中选择的彩色熔剂：蓝绿色、品红色、黄色及其组合。

方法500在框508继续，在预熔阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第一时长。在框510处，然后在熔化阶段中将可烧结材料暴露至辐射达第二时长。第二时长比第一时长长。然后在可烧结材料的该部分上、另一个部分上，或者该部分和另一个部分两者上沉积细化剂，如在框512所示的。然后，如在框514所示的，方法500继续以重复下面的操作：将可烧结材料散布到制造底座中、加热可烧结材料、沉积熔剂、将可烧结材料暴露至辐射达第一时长，以及将可烧结材料暴露至辐射达第二时长，以便形成3D物体的随后的物体层。

现在参考图6(图6a-6f)，图6描绘了3D打印系统100'的另一示例。系统100'包括供应底座122、递送活塞126、辊子128、制造底座130(具有接触表面132)以及制造活塞134。供应底座122(也称作递送底座)包括诸如可烧结材料124之类的构建材料的供应。系统100'的物理元件中的每一个可以操作地连接到诸如图1中示出的打印系统100的控制器110之类的控制器(未示出)。执行存储在非暂时性有形计算机可读存储介质中的编程指令的处理器操作和变换被表示为打印机的寄存器和存储器内的物理(电子)量的数据，以便控制物理元件以创建3D物体。可以从要形成的3D物体的模型导出用于可烧结材料124、熔化聚结制剂等的选择性递送的数据。

递送活塞126和制造活塞134可以是相同类型的活塞，但是能够被(例如通过控制器110，图1)控制为在相反的方向上移动。在一示例中，当3D要形成物体的第一层时，递送活塞126可以被控制以推送供应底座122中的开口当中的预定量的可烧结材料124，并且制造活塞134可以被控制以在递送活塞126的相反方向上移动以便增加制造底座130的深度。递送活塞126将充分推进，以使当辊子128将可烧结材料124推送到制造底座130中以及推送到接触表面132上时，制造底座130的深度足够，从而使得可以在底座130中形成可烧结材料124的层136。辊子128能够将可烧结材料124散布到制造底座130中以形成在厚度方面相对均匀的层136。在示例中，层136的厚度范围从大约90μm到大约110μm——尽管也可以使用更薄或更厚的层。除辊子128之外的工具可以用于散布可烧结材料124，诸如对于散布不同类型的粉末可以是理想的叶片，或者辊子和叶片的组合。

在可烧结材料124的层136被沉积在制造底座130中之后，层136能够被暴露以进行加热，如图6b中所示。加热能够被执行以将可烧结材料124预热到低于可烧结材料124的熔点的温度。照此，被选择的温度将依赖于所使用的可烧结材料124。作为示例，加热温度可以是低于可烧结材料的熔点大约5℃到大约50℃。在示例中，加热温度范围从大约50℃到大约400℃。在另一示例中，加热温度范围从大约150℃到大约170℃。可以使用将制造底座130中的所有可烧结材料124暴露以进行加热的任意适当的热源来实现预热可烧结材料124的层136。热源的示例包括热量热源或光辐射源。

在预热层136之后，在层136中的可烧结材料124的一部分上选择性地施加熔剂138，如图6c中所示。如图6c中所图示的，可以从喷墨打印头分配熔剂138。尽管在图6c中示出了单个打印头，但应当理解，可以使用跨越制造底座130的宽度的多个打印头。打印头可以附接到移动与制造底座130相邻的打印头以便将熔剂138沉积在理想的区域中的移动XY载物台或平移托架(两者都未示出)。

打印头可以被控制器110控制以根据要被形成的3D物体的层的横截面的图案来沉积熔剂138。如在本文所使用的，要被形成的物体的层的横截面指的是与接触表面132平行的横截面。打印头在将被熔化以变为3D物体的第一层的层136的那些部分上选择性地施加熔剂138。作为示例，如果第一层的形状被塑造为立方体状或圆柱状，则在可烧结材料124的层136的至少一部分上分别在方形图案或圆形图案(从顶视图看)中沉积熔剂138。在图6c中示出的示例中，在层136的部分140上的方形图案中沉积熔剂138，而不在部分142上进行沉积。

适当的熔剂138的示例是水性分散体，包括辐射吸收粘合剂(即，活性物质)。活化剂可以是红外光吸收剂、近红外光吸收剂或者可见光吸收剂。作为一个示例，熔剂138可以是包括炭黑作为活性物质的油墨类型配制剂。该油墨类型配制剂的示例被商业地熟知为可从惠普公司得到的CM997A。包括可见光增强剂作为活化剂的油墨的示例是基于染料的彩色油墨和基于颜料的彩色油墨。基于颜料的油墨的示例包括可从惠普公司得到的商业上可得到的油墨CM993A和CE042A。

熔剂138的含水性质使得熔剂138能够至少部分地渗透到可烧结材料124的层136中。可烧结材料124可以是疏水性的，并且熔剂138中的共溶剂和/或表面活化剂的存在可以帮助获取理想的润湿特性。在一些示例中，可以选择性地施加单个熔剂138以形成3D物体的层，而在其他示例中可以选择性地施加多个熔剂138以形成3D物体的层。

在熔剂138被选择性地施加在期望的部分140上后，能够在可烧结材料124的相同的和/或在不同的部分上选择性地施加细化剂144。在图6d中示意行地示出了细化剂144的选择性施加的示例，其中附图标记142表示选择性地施加细化剂144的可烧结材料124的数个部分。

细化剂144包括无机盐、表面活化剂、共溶剂、湿润剂、抗微生物剂以及水。在一些示例中，细化剂144包括这些成分，并且没有其他成分。已经发现这种特定成分组合有效地减少或阻止聚结渗漏，这在一定程度上由于无机盐的存在。

在细化剂144中使用的无机盐具有相对高的热容量、但是具有相对低的热辐射率。这些特性使得细化剂144能够吸收施加的辐射(和其相关联的热能)，并且保持许多热能。照此，极少的(如果有的话)热能被从细化剂144传递到其接触的可烧结材料124。另外，与可烧结材料124的(并且在一些实例中，熔剂138中的活性物质的)导热性和/或熔点相比，无机盐也可以具有更低的导热性和/或更高的熔点。在吸收辐射和热能时，无机盐不熔化，并且也不向周围的可烧结材料124传递足够量的热。因此，细化剂144能够在烧结材料124与熔剂138和细化剂144两者接触时有效地减少可烧结材料124的固化，并且在烧结材料124与细化剂144单独接触时阻止可烧结材料124的固化。

无机盐是水溶性的。适当的水溶性无机盐的示例包括碘化钠、氯化钠、溴化钠、氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠、磷酸钠、碘化钾、氯化钾、溴化钾、氢氧化钾、硫酸钾、碳酸钾、磷酸钾、碘化镁、氯化镁、溴化镁、磷酸镁及其组合。无机盐可以呈现为从关于细化剂144的总重量的大约5.0wt％到大约50wt％的范围的量。

细化剂144还包括表面活化剂。可以选择表面活化剂的类型和量，使得与可烧结材料124的接触线的接触角θ小于45°。小于45°的接触角θ保证细化剂144足以将可烧结材料124弄湿。细化剂144的成分可以混合在一起，并且然后表面活化剂的量可以被调整以达到理想的接触角。已经发现，为实现期望的接触角θ的适当量的表面活化剂范围可以从关于细化剂144的总重量的大约0.1wt％到大约10wt％。适当的表面活化剂的示例包括四甘醇、liponic乙二醇1(LEG-1)、可自乳化、基于炔二醇化学的非离子湿润剂(例如，来自AirProducts and Chemicals有限公司的

SEF)、非离子式氟化表面活性剂(例如，来自杜邦的先前被称为ZONYL FSO的

)，以及其组合。

如上面指出的，细化剂144还包括共溶剂、湿润剂，以及抗微生物剂。共溶剂的量呈现为从大约1.0wt％到大约20wt％的范围、湿润剂的量呈现为从大约0.1wt％到大约15wt％的范围，并且抗微生物剂的量呈现为从大约0.01wt％到大约5wt％的范围，其每个都是关于细化剂144的总重量而言的。适当的共溶剂包括2-羟乙基-2-吡咯烷酮，2-吡咯烷酮，1、6-己二醇，以及其组合。适当的致湿物的示例包括双-(2-羟乙基)-5、5-二甲基乙内酰脲(例如，来自龙沙股份有限公司的

DHF)、丙二醇、己二醇、丁二醇、三乙酸甘油酯、乙烯醇、新琼脂双糖、甘油、山梨糖醇、木糖醇、麦芽糖醇、聚葡萄糖、皂树属、甘油、2-甲基-1、3-丙二醇，以及其组合。适当的抗微生物剂的示例包括1，2-苯并异噻唑啉-3-酮(例如，来自奥麒化工股份有限公司的

GXL)的水溶液、季铵化合物(例如，

2250和2280、

50-65B，以及

250-T，都来自龙沙股份有限公司)，以及甲基异噻唑啉酮甲基异噻唑啉酮(例如，来自道化学公司的

MLX)的水溶液。

细化剂144的平衡剂是水。照此，水的量可以取决于被包括的无机盐、表面活化剂、共溶剂、湿润剂，以及抗微生物剂的量而改变。

可以以类似于熔剂138的方式选择性地施加细化剂144。在示例中，可以使用单程或使用多个路径在分配熔剂138时施加细化剂144。在另一示例中，可以在熔剂138被分配之后施加细化剂144。如图6d中所描绘的，可以从喷墨打印头分配细化剂144。尽管在图6d中示出单个打印头，但应当理解，可以使用跨越制造底座130的宽度的多个打印头。打印头可以附接到移动与制造底座130相邻的打印头以便将细化剂144沉积在理想的区域中的移动XY载物台或平移托架(两者都未示出)。打印头可以被控制以将细化剂144沉积在诸如部分140和/或142之类的期望的部分中。

在一示例中，可能希望使被形成的3D物体的层的边缘增强、改进、平滑等等。在该示例中，可以根据3D物体的层的(与接触表面132平行的)横截面的图案选择性地施加熔剂138，并且可以沿着该横截面的边缘边界146的至少一部分选择性地施加细化剂144，如在图6d(系统100'的侧面横截面视图)中所示的。在示出的示例中，要形成的3D物体层的形状是直角棱镜，并且与接触表面132平行的横截面的图案是具有边缘边界146的方形或矩形。边缘边界146内的可烧结材料124是熔剂138被选择性地施加在其上的部分140。在边缘边界146与制造底座130的边缘之间定位的可烧结材料124在横截面的图案外部，并且因此是细化剂144被选择性地施加在其上的部分142。

总体上，细化剂144能够阻止可烧结材料124的部分142的固化(熔化、烧结，等等)，而熔剂138能够增强可烧结材料124的部分140的固化(熔化、烧结，等等)。在一些示例中，可能希望在被形成的3D物体的层内的不同级别的固化/熔化/烧结。对于控制3D物体的内部应力分布、翘曲、机械强度性能，和/或伸长性能，不同级别的固化/熔化/烧结可以是理想的。在此类示例中，可以根据用于3D物体的层的(与接触表面132平行的)横截面的图案选择性地施加熔剂138，并且可以在该横截面的至少一部分内选择性地施加细化剂144。照此，向在其上施加熔剂138的可烧结材料124的部分140中的所有或一些施加细化剂144。举例来说，可以在可烧结材料124的部分140的中心或者在其附近施加细化剂144，并且可以在可烧结材料124的部分140的边缘边界146附近不施加细化剂144。在要被形成的层的边缘的机械性能强于层的内部时，该类型的施加可以是理想的。在该示例中，细化剂144能够降低在可烧结材料124的部分140的中心固化(熔化、烧结，等等)的级别。因为熔剂138存在于具有细化剂144的部分140中，所以固化没有被完全地阻止。应当理解，当与熔剂138一起在相同的部分140内施加细化剂144时，可以以任意理想的图案施加细化剂144。

在又一个示例中，可能希望使被形成的3D物体的层的边缘增强、改进、平滑，等等并且获取被形成的3D物体的层内的不同级别的固化/熔化/烧结。在该示例中，可以根据用于3D物体的层的(与接触表面132平行的)横截面的图案选择性地施加熔剂138，并且可以沿着该横截面的边缘边界146的至少一部分/超出该横截面(即，在部分142中)选择性地施加细化剂144，并且可以在该横截面的的至少一部分内(即，在部分140中)选择性地施加细化剂144。

由于在Z-方向上构建3D物体的层，因此可以沿着XY平面和/或沿着Z轴实现均匀的或变化的固化/熔化/烧结。可以通过以相同的体素密度在每个层的图案的横截面内施加熔剂138以及在每个层的边缘边界146的外部施加细化剂144来实现基本上均匀的固化/熔化/烧结。在一个示例中，可以通过在每个层中以相同的体素密度施加熔剂138，并且以不同的体素密度贯穿相应的层中的每一个的横截面施加细化剂144，以实现层的横截面内的固化/熔化/烧结的变化。作为示例，如果期望固化/熔化/烧结的级别沿着Z轴从层至层降低，则沉积在相应的横截面内的细化剂144的体素密度可以在第一层中最低，并且可以在随后形成的层中增加。

在熔剂138和细化剂144被选择性地施加在期望的部分140和/或142中之后，可烧结材料124的整个层136被暴露至从辐射源108发出的辐射R，如图6e中所示的。在一些示例中，如上面参考图1-5指出的，可烧结材料124的层能够在熔剂138已经被施加之后、但是还没有施加细化剂144的情况下被暴露至辐射R。此外，如上面指出的，可烧结材料层能够在预熔操作中暴露至辐射达第一时长，并且然后在熔化操作期间再次暴露达第二时长。例如，在预熔操作中，能够以第一速度在可烧结材料上扫掠辐射源108(例如，加热灯)(例如，用于快速暴露)，接着是以第二速度在可烧结材料上扫掠辐射源108的熔化操作(例如，用于较慢暴露)。

辐射源108可以发射辐射R，诸如IR、接近IR、UV或者可见固化灯、IR、接近IR、UV或者可见发光二极管(LED)，或者具有特定波长的激光。所使用的辐射源108将至少部分地取决于所使用的熔剂138的类型。辐射源108可以例如附接到保持打印头的托架。托架可以将辐射源108移动到与制造底座130相邻的位置中。辐射源108可以被控制以将包括熔剂138和细化剂144的层136暴露至辐射R。辐射R被施加的时间的长度或者能量暴露时间可以例如取决于以下中的一个或多个：辐射源108的特性；可烧结材料124的特性和/或熔剂138的特性。

熔剂138增强辐射R的吸收、将吸收的辐射转换为热能，并且促进至其接触的可烧结材料124(即，在部分140中)的热量的热传递。在示例中，熔剂138在熔点之上足够地提高部分140中的可烧结材料124的温度，允许可烧结材料124的粒子的固化(例如，烧结、粘结、熔化，等等)。

当在部分140的至少一部分中与熔剂138一起施加细化剂144时，可以实现不同的固化级别。在该示例中，细化剂144的存在可以使熔剂138将可烧结材料124加热到低于其熔点但适合于引起可烧结材料124的粒子的软化和粘合的温度。此外，可烧结材料124的部分142不具有施加到其的熔剂138、但是具有施加到其的细化剂144以确吸收能量。然而，细化剂144修改不向相邻的可烧结材料124发射吸收的能量。因此，在这些实例中，部分142内的可烧结材料粒子124通常不超过熔点并且不固化。

暴露至辐射R形成要被形成的3D物体156的一个层148，如图6f中所示的。能够重复在以上关于图6a-6f描述的操作以创建诸如层150、152，和154(图6f)之类的随后的层并且最终形成3D物体156。在辐射能量的施加期间，从熔剂138已经被递送或者已经渗透的可烧结材料124的部分吸收的热可以传播到诸如层148之类的先前固化的层，使该层中的至少一些加热到其熔点之上。该效果帮助创建3D物体156的相邻的层之间的强壮的层间粘合。图6f图示出3D物体156的一个示例。然而，通过形成3D物体的层(例如，层148、150、152、154)的形状、尺寸以及厚度的变化，无限种类的3D物体是可能的。

如图6f中所图示的，随着层148、150、152以及154被形成，递送活塞126被推送到靠近供应底座122的开口，并且在供应底座122中的可烧结材料124的供应被减少(例如与图6a中的供应相比较)。将制造活塞134推送进一步远离制造底座130的开口，以便容纳可烧结材料124的随后的层、选择性地施加的熔剂138以及选择性地施加的细化剂144。因为在每个层148、150、152以及154被形成之后至少一些可烧结材料124保持未固化，3D物体156至少部分地被未固化的可烧结材料124和制造底座130中的细化剂144围绕。当3D物体156完成时，可以将其从制造底座130中移除，并且未固化的可烧结材料124和细化剂144可以与彼此分离。在一示例中，水处理(例如，细化剂的溶解、过滤等)可以用于从可烧结材料124中移除细化剂144。未固化的可烧结材料124可5页以被洗涤并且然后被重新使用。

Claims (14)

1.一种产生三维(3D)彩色功能部件的方法，包括：

施加可烧结材料；

将熔剂选择性地施加在所述可烧结材料的一部分上，其中施加所述熔剂包括施加彩色溶剂，所述彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；

在预熔阶段中向所述可烧结材料的所述一部分施加第一辐射能量；并且

在熔化阶段中向所述可烧结材料的所述一部分施加大于所述第一辐射能量的第二辐射能量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

施加第一辐射能量包括以第一速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠加热灯；并且

施加第二辐射能量包括以不同于所述第一速度的第二速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，以第二速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯包括：以比所述第一速度更慢的速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，以第一速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯包括：以15英寸每秒与20英寸每秒之间的速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，以第二速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯包括：以5英寸每秒与15英寸每秒之间的速度在所述可烧结材料的所述一部分上扫掠所述加热灯。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将细化剂选择性地施加在所述可烧结材料的所述一部分上、在所述可烧结材料的另一部分上，或者在所述一部分和所述另一部分两者上，其中所述细化剂用于降低或阻止所述可烧结材料的固化。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在施加所述熔剂之前加热所述可烧结材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，加热所述可烧结材料包括：将所述可烧结材料加热到范围从50℃到400℃的温度。

9.一种用于产生三维(3D)彩色功能部件的系统，包括：

用于可烧结材料的支撑件；

可烧结材料分配器，用于将可烧结材料层提供在所述支撑件上；

熔剂分配器，用于将熔剂选择性地递送到所述可烧结材料层的一部分上，其中递送所述熔剂包括递送彩色溶剂，所述彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；以及

预熔/熔化模块，用于控制辐射源，以在第一预熔操作期间向所述可烧结材料层施加第一辐射能量，并且在熔化阶段期间向所述可烧结材料层施加大于所述第一辐射能量的第二辐射能量。

10.根据权利要求9所述的系统，进一步包括：

细化剂分配器，用于将细化剂递送到所述可烧结材料层的一部分上，其中所述细化剂用于降低或阻止所述可烧结材料的固化；以及

成像模块，用于控制所述熔剂分配器，以根据所述可烧结材料层的3D物体的横截面的图像图案来沉积所述熔剂，并且控制所述细化剂分配器，以根据所述可烧结材料层的具体图案来沉积所述细化剂。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述熔剂分配器包括打印头的第一喷嘴阵列，并且其中所述细化剂分配器包括所述打印头的第二喷嘴阵列。

12.一种存储指令的非暂时性机器可读存储介质，当由三维(3D)打印设备的处理器执行以产生三维(3D)彩色功能部件时，所述指令使所述3D打印设备进行以下操作:

将可烧结材料沉积到制造底座上，以形成3D物体层；

将所述可烧结材料加热到范围从50℃到400℃的温度；

根据所述3D物体层的横截面的图像图案，将熔剂沉积在所述可烧结材料的一部分上，其中沉积所述熔剂包括沉积彩色溶剂，所述彩色溶剂的颜色从由蓝绿色、品红色、黄色或者其组合组成的组中选择；

在预熔阶段中将所述可烧结材料暴露至辐射达第一时长；并且

在熔化阶段中将所述可烧结材料暴露至辐射达第二时长，其中，所述第二时长比所述第一时长长。

13.根据权利要求12所述的介质，其中，所述指令进一步使所述3D打印设备将细化剂沉积在所述可烧结材料的所述一部分上、在所述可烧结材料的另一部分上，或者在所述一部分和所述另一部分两者上，其中所述细化剂用于降低或阻止所述可烧结材料的固化。

14.根据权利要求12所述的介质，其中，所述指令进一步使所述3D打印设备重复进行以下步骤：将可烧结材料散布到制造底座中、加热所述可烧结材料、沉积所述熔剂、将所述可烧结材料暴露至辐射达第一时长，以及将所述可烧结材料暴露至辐射达第二时长，以形成3D物体的随后的物体层。

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