CN107223077B - 增材制造方法、处理对象数据的方法、数据载体、对象数据处理器和所制造的对象 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制造对象的增材制造方法。该方法包括沉积颗粒金属构造材料的连续层。该方法包括选择性地结合每个层的第一区域以形成构造材料的结合壳体，通过将结合剂沉积到围绕保持未结合的第二区域的第一区域中来限定对象的外部。该方法包括从保留在壳体之外的构造材料分离壳体和所封围的未结合构造材料。本公开还提供了一种实现所述制造方法的装置以及通过所述制造方法制造的对象。

Description

增材制造方法、处理对象数据的方法、数据载体、对象数据处 理器和所制造的对象

技术领域

本公开涉及增材制造方法，特别地涉及一种增材制造方法，其中，将诸如金属粉末的颗粒材料以多层沉积到构建区域中，每层的多个部分在每层沉积期间或之后被结合在一起以形成对象的各部分，从而由一系列层在构建区域中形成对象。对象的每个层的结合部分通常也被结合到先前层的结合部分，使得对象通过连续沉积的层以连续的方式形成。结合通常通过选择性沉积结合剂进行。本公开还涉及一种在这种方法中使用的处理对象数据的方法，以及用于实现处理对象数据的方法的数据载体和对象数据处理器。本公开还涉及实现该制造方法的装置以及通过该制造方法制造的对象。

背景技术

在增材制造方法，被广泛地认为是为传统减材制造方法提供重要的和有利的替代方案，其中，对象通过将构造材料的各部分结合在一起以形成对象而被构建，在所述减材制造中，对象通过去除材料的一部分以限定对象的表面来形成。

在多种增材制造中，构造材料作为一系列层被沉积到构建区域中，每层的各部分被结合在一起并且还与下面的层的先前结合部分结合在一起，以建立一个待被制造的对象。一类特殊类型的增材制造(通常被称为3D打印)涉及颗粒材料的顺序层到构建区域中的沉积，和在每个层的沉积之后或期间，通过选择性地施加来自例如布置成跨过沉积层，并布置成在每个已沉积的层上的期望位置上选择性地沉积结合剂的喷墨头的液体结合剂，将层的各部分选择性地结合在一起。

如果待被制造的对象的工程要求不强制要求在对象中具有高强度，则在沉积结合剂到颗粒构造材料的顺序层的工艺完成之后，就足以认为对象的制造已经完成。这种制造的对象主要由因结合剂的存在而导致的颗粒构造材料的颗粒之间的结合强度获得它们的机械工程性能。然而，依靠结合剂结合颗粒彼此通常导致低的强度和随之而来的对象易于断裂的倾向。

因此，一类3D打印技术使用颗粒构造材料，例如金属或非金属粉末，其随后在适当的条件例如施加升高的温度或压力下被烧结。特别地，例如通过加热到低于金属熔点的温度，由作为颗粒构造材料的金属粉末制成的对象可以被烧结，以实现具有显着改善的机械性能的对象。

然而，当烧结对象由以下颗粒构造材料(所述颗粒构造材料在烧结之前包括将颗粒构造材料的颗粒彼此结合以形成对象的结合剂制成时)，涂覆颗粒的结合剂的存在可能干扰烧结过程，且可以导致与通过烧结不包含任何结合剂的等效纯颗粒构造材料形成的部件相比，有利的机械性能如硬度和压缩强度和拉伸强度的降低。

因此，存在提供能够改善由这种技术制造的对象的机械性能的方法和装置的需要。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种用于制造对象的增材制造方法。该方法包括沉积颗粒金属构造材料的连续层。该方法包括选择性地结合每个层的第一区域以形成构造材料的结合壳体，通过将结合剂沉积到围绕保持未结合的第二区域的第一区域中来限定对象的外部。该方法包括从保留在壳体之外的构造材料分离壳体和所封围的未结合构造材料。

在一个实施方式中，由壳体包围的体积的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％或至少95％在所制造的对象中未结合。

在一个实施方式中，壳体是连续的并且基本上或完全地限定对象的外部。

在一个实施方式中，该方法还包括在壳体和所封围的构造材料从保留在壳体外部的构造材料分离之后，在在第一温度下进行的脱离结合过程中对构造材料的结合区域进行脱离结合，所述第一温度低于构造材料的熔点。

在一个实施方式中，第一温度不超过构造材料的熔点的90％、80％、70％或60％。

在一个实施方式中，该方法还包括在壳体和封围的构造材料被烧结到一起以形成对象的烧结过程中升高壳体和封围的构造材料到第二温度，所述第二温度高于第一温度。

在一个实施方式中，第二温度不超过构造材料的熔点的90％、80％或70％。

在一个实施方式中，升高壳体和封围的构造材料到壳体和封围的构造材料烧结在一起的第二温度是在脱离结合过程中对构造材料的结合区域脱离结合之后发生的。

在一个实施方式中，脱离结合过程在空气、还原气氛、氧化气氛、惰性气氛或催化气氛中、和/或在低于800mBar的压力下之一中进行。

在一个实施方式中，该方法包括固化结合剂。

在一个实施方式中，金属选自纯金属或合金，纯金属或合金具有大于50％、大于60％、大于70％或大于80％的铁、钛、金、铜、银或镍。

在一个实施方式中，金属从纯金属或合金中选择，纯金属或纯合金具有六方密排晶体结构。

在一个实施方式中，结合剂是可空气固化的、可热固化的或可紫外线固化的。

在一个实施方式中，壳体具有小于2mm、小于1mm、小于0.5mm、小于0.25mm或小于0.125mm的厚度。

根据本公开的第二方面，提供了根据第一方面的方法制造的对象。

根据本公开的第三方面，提供了一种处理对象数据的方法。该方法包括获得表示待被制造对象的对象数据。该方法包括识别待被制造的对象的表面部分。该方法包括基于所识别的表面部分生成壳体数据，壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分。该方法包括输出生成的壳体数据。

根据本公开的第四方面，提供了一种携带程序指令的数据载体，程序指令被配置为当被执行时使数据处理器执行根据第三方面的方法。

根据本公开的第五方面，提供了一种对象数据处理器。该对象数据处理器包括对象数据获取单元，其可操作用于获取表示待被制造对象的对象数据。对象数据处理器包括表面部分识别单元，其可操作用于识别待被制造的对象的表面部分。对象数据处理器包括壳体数据生成单元，其可操作用于基于所识别的表面部分生成壳体数据，壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分。对象数据处理器包括用于输出生成的壳体数据的壳体数据输出单元。

根据本公开的第六方面，提供了一种用于制造对象的增材制造方法。该方法包括沉积构造材料的连续层。该方法包括选择性地结合每个层的第一区域以形成限定对象外部的构造材料的结合壳体。该方法包括选择性地结合每个层的第二区域以形成与壳体接触的支撑部分，所述支撑部分用于内部地支撑壳体以抵抗外力。

在一个实施方式中，每个层的在第一区域和第二区域之间延伸的区域基本上保持不结合。

在一个实施方式中，壳体是连续的，且基本上或完全地限定对象的外部。

在一个实施方式中，第一区域通过选自以下的方法结合：局部烧结、局部熔化、液体结合剂的沉积或局部光聚合。

在一个实施方式中，第二区域通过选自以下的方法结合：局部烧结、局部熔化、液体结合剂的沉积或局部光聚合。

在一个实施方式中，第一区域和第二区域通过共同的结合方法来结合。

在一个实施方式中，第一区域和第二区域分别通过不同的结合方法来结合。

在一个实施方式中，第一区域和第二区域被结合成使得第一区域比第二区域相对更强地被结合。

在一个实施方式中，第一区域与第二区域相比，每单位层面积被结合有更大体积的液体结合剂。

在一个实施方式中，支撑部分具有横过壳体并在壳体内延伸的结合材料列的形式。

在一个实施方式中，支撑部分具有横过壳体并在壳体内延伸的结合材料的三维网格的形式。

在一个实施方式中，网格包括规则且重复的单元结构。

在一个实施方式中，网格包括不规则结构。

在一个实施方式中，该方法还包括从保留在壳体外部的构造材料分离壳体和封围的构造材料。

在一个实施方式中，该方法还包括使壳体和封围的构造材料升高到第一温度，壳体和封围的构造材料在第一温度被烧结到一起以形成对象。

在一个实施方式中，该方法还包括，在壳体和封围的构造材料从保留在壳体外部的构造材料分离之后，并且在使壳体和封围的构造材料升高到第一温度之前，在低于第一温度的第二温度下进行的脱离结合过程中，使构造材料的结合区域脱离结合。

根据本公开的第七方面，提供了一种处理对象数据的方法。该方法包括获得表示待被制造的对象的对象数据。该方法包括识别待被制造的对象的表面部分。该方法包括基于所识别的表面部分生成壳体数据，壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分。该方法包括基于所识别的表面数据生成支撑部分数据，所述支撑部分数据表示接触壳体的支撑部分，所述支撑部分用于内部地支撑壳体以抵抗外力。该方法包括组合支撑部分数据和壳体数据，以获得表示壳体和布置在壳体内的支撑部分的组合数据。该方法包括输出组合数据。

根据本公开的第八方面，提供了一种携带程序指令的数据载体，该程序指令被配置为当被执行时使数据处理器执行根据第七方面的方法。

根据本公开的第九方面，提供了一种对象数据处理器。该对象数据处理器包括对象数据获取单元，用于获取表示待被制造的对象的对象数据。对象数据处理器包括表面部分识别单元，其可操作用于识别待被制造的对象的表面部分。对象数据处理器包括壳体数据生成单元，其可操作用于基于所识别的表面部分生成壳体数据，壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分。对象数据处理器包括支撑部分数据生成单元，其可操作以用于基于所识别的表面数据生成支撑部分数据，所述支撑部分数据表示接触壳体的支撑部分，所述支撑部分用于内部地支撑壳体以抵抗外力。对象数据处理器包括组合单元，其可操作以组合支撑部分数据和壳体数据，以获得表示壳体和布置在壳体内的支撑部分的组合数据。对象数据处理器包括用于输出组合的壳体数据的组合数据输出单元。

根据本公开的第十方面，提供了通过根据第六方面的方法制造的对象。

附图说明

为了更好地理解本公开的内容，并且为了说明如何实施本发明，仅作为示例参考附图，其中：

图1至6表示增材制造工艺中的步骤；

图7示出了增材制造工艺的流程图；

图8表示增材制造工艺中的一个沉积的且选择性结合的层；

图9表示根据被公开的增材制造工艺的制造对象，其已被分割以显示其内部；

图10A表示通过根据本公开的方法形成的对象的微观结构；

图10B表示通过比较方法形成的对象的微观结构；

图11表示与在图9中表示的制造对象相当的制造对象，具有替代内部结构配置；

图12示出了表示根据本公开的处理数据的方法的流程图；

图13表示根据本公开的用于处理对象数据的装置；

图14表示根据本公开的处理对象数据的替代方法；和

图15表示根据本公开的另一方面的用于处理对象数据的装置。

具体实施方式

图1示出了一制造装置，在该制造装置中可实现本公开的思想。图1的装置10具有带上表面11a的台11。这里，上表面11a是平坦的。设置在台11的表面11a中的是一个凹阱12，其两侧由从台的表面11a在垂直的方向延伸的侧壁11b限定。排列在凹阱12中并且具有在桌表面的平面(XY平面)内与凹阱相匹配的延伸范围的是支撑板13。支撑板13也具有平坦的上表面13a，且可移动地布置在凹阱12中，使得凹阱的深度在垂直于台11的表面11a的方向(Z方向)上、从而在台11的表面11a和支撑板13的表面13a之间的凹阱的深度是可变的。例如，支撑板13可以通过活塞14移动，活塞14适于根据来自装置的控制单元(未示出)的指令升高和降低支撑板13。

虽然图1在剖面(XZ平面的横截面)画出，但是，凹阱、台和板均具有沿着在进入纸面的方向(Y方向)的延伸范围。例如，凹阱12以及相应的支撑板13可以是矩形的、正方形的、圆形的、椭圆形的，或者当在垂直于台11的表面11a的方向(即，进入凹阱)观察时可以具有其它形状。

当然，尽管台11的表面在这里被公开为平坦的，但是该表面可以是弯曲的或倾斜的，并且在一些结构中可能相对于凹阱稍微向上倾斜或向下远离。

在台11的表面上方，打印头15布置成能至少在X方向上平移。例如，可以设置导轨16，其沿着X方向延伸，打印头15可以沿着所述导轨布置成通过例如滑轮、齿轮齿条驱动或蜗杆驱动来平移。打印头15可以在装置的控制单元的控制下移动。这里的打印头15具有两个分配部件，即，布置成当打印头15横过凹阱12平移时将颗粒构造材料沉积到凹阱12中的构造材料沉积单元15a，和布置成当打印头15横过凹阱12时在凹阱12中的选定位置分配结合剂(例如液体结合剂)以将先前沉积的颗粒构造材料的部分结合在一起的结合剂沉积单元15b。

构造材料沉积单元15a和结合剂沉积单元15b中的每一个均可耦接到适当的材料储存器，每个储存器可以作为打印头15的一部分被提供，或者可以被布置在装置10的另一部分，或者可以从外部提供。

打印头15可以布置成仅在一个方向(X方向)上正向和反向横过凹阱12平移，或者也可以布置成在另一个方向以一定角度(例如垂直方向(Y方向))平移到第一方向。

在本结构中，打印头15布置成在凹阱12上方在仅一个方向(X方向)上行进。为了允许构造材料沉积单元15a跨过凹阱12的整个宽度在垂直于打印头15的平移方向(Y方向)的方向上沉积颗粒构造材料，构造材料沉积单元15a可以在垂直于打印头15的行进方向(Y方向)的方向上具有与凹阱12的最大宽度方向相同或更大的延伸范围，并且可以提供一个或多个构造材料沉积位置，在控制单元的控制下，构造材料可以从所述构造材料沉积位置被分配，以便在凹阱的宽度上沉积均匀的粉末层。例如，构造材料沉积单元15a可以具有在凹阱12的整个宽度上延伸的缝隙形状的单个大的分配孔口，或者可以被设置有在凹阱12的宽度上以阵列被布置的足够紧密地被间隔开的若干较小分配孔，以便沉积均匀的粉末层到凹阱中。

通过这种结构，当打印头15沿着导轨16横过凹阱12时，基本上均匀的粉末层可以被分配到凹阱中，其厚度可以由颗粒构造材料从构造材料沉积单元15a中被分配的速率和打印头15横向跨过凹阱12的速度来确定。

打印头15还可以设置有平滑装置，例如刮刀或平滑辊，其可以相对于其中打印头15在从构造材料沉积单元15a分配构造材料的同时移动的向前方向(X方向)在构造材料沉积单元15a的后面被布置，以便平滑在此移动期间沉积的构造材料层的深度的任何不规则性。平滑单元可以相对于打印头15缩回，或者可以相对于台11的表面11a或相对于构造材料沉积单元15a的一个或多个分配孔口的高度在高度上被固定。

结合剂沉积单元15b相对于其中打印头15在从构造材料沉积单元15a沉积构造材料的同时行进的行进方向被布置在构造材料沉积单元15a的后面。结合剂沉积单元15b适于在凹阱12中的各种位置选择性地沉积结合剂，以便将预先沉积的构造材料的部分结合在一起，以形成在沉积的层中的接合区域。

在本结构中，结合剂沉积单元15b是布置成根据来自装置的控制单元的命令喷射结合剂液滴的喷墨式打印头。结合剂沉积单元15b可以提供一组以预定间隔在凹阱12的宽度方向上延伸的孔口，每个孔口可独立地控制，以便当打印头15沿着导轨16横过凹阱12时，在沉积的层上在不同位置选择性地沉积结合剂。在另一种结构中，结合剂沉积单元15b可以仅具有一个或较少数量的孔口，结合剂可以从该孔口喷射，并且可以布置成在垂直于打印头15横过凹阱12的行进方向的方向上平移跨过打印头15。在第一种结构中，结合剂被沉积的位置由被激活以沉积结合剂的孔口和打印头15跨过凹阱12的位置决定，而在第二种结构中，跨过凹阱12的宽度方向的结合剂沉积单元15B的位置也确定了其中结合剂被沉积的位置。

在一些结构中，打印头15从初始位置跨过凹阱12做第一次通过，其中构造材料层被沉积，然后返回到初始位置，然后在相同方向上进行第二次通过，其中结合剂被沉积在先前沉积的层上。在另一种结构中，构造材料从构造材料沉积单元15a被沉积，并且在整个层已经沉积之前，结合剂在同一次通过中从结合剂沉积单元15b选择性地被沉积。这两种结构的后者在以下被采用，虽然前者是一种替代实施方式。

如果由结合剂沉积单元15b沉积的结合剂不需要特定的固化处理，例如，如果结合剂在与空气接触时固化，或者如果结合剂通过两个同时或随后的一起反应和固化的喷射组分的组合形成，不需要额外的固化单元。然而，结合剂可以是例如可辐射固化的，并且可能需要施加例如紫外光来硬化和固化结合剂。在这种结构中，打印头15可以包括在其中当沉积结合剂时打印头15移动的向前方向上在结合剂沉积单元的后面被布置的固化单元，使得由结合剂沉积单元15b沉积的结合剂可以通过从固化单元施加紫外(UV)光固化。在本结构中，假设使用的结合剂不需要固化单元，因此没有显示固化单元。

在另外可能的结构中，结合剂是可热固化的，并且打印装置可以被配置成提高凹阱的温度以烘烤和固化结合剂。

打印头的移动、构造材料沉积单元的激活以及结合剂沉积单元的激活和控制可以均由装置的控制单元单独地控制，使得当打印头横过凹阱12时均匀的粉末层可以被沉积，并且该层的选定区域可以被结合在一起以形成该层的结合区域。

通常，层的厚度被控制成使得由结合剂沉积单元15b喷射的结合剂不仅穿透该层的整个厚度，且因此将层的全部厚度结合在一起，而且也将穿透过至层的下方，以便足以将层的结合部分与下层的结合部分结合。如果更厚的层待被沉积，则控制单元可以增加每单位面积被沉积层的被沉积结合剂量，并且如果更薄的层待被沉积，则可以减少该量。

在如图2所示的结构中，支撑板13已经从表面11a被降低至少一个待沉积构造材料层的厚度。从在图2中所示的位置，打印头15横过凹阱12并从构造材料沉积单元15b沉积一层构造材料，同时将沉积的层的部分与从结合剂沉积单元15b沉积的结合剂结合在一起。这导致图3所示的配置。其中具有选择性地结合在一起的部分的构造材料层7在凹阱12中位于支撑板13的上表面13a上。并且其中打印头15现在位于凹阱的与在图2中所示的起始位置相反的一侧。从如图3所示的位置，打印头15返回到如图2所示的起始位置，且支撑板13被进一步降低另一层的厚度，如图4所示。随后打印的层可以具有与第一层相同的厚度，或者可以具有不同的厚度。在本结构中，为简便起见，假设所有层具有相同的厚度。

从图4所示的结构，打印头15跨过凹阱12进行另一次通过，以便在凹阱12中的层7的顶部上沉积另外的层8，如与从图2到图3的转变相联系所描述的，如图5所示。层8的部分被接合在一起，并且结合剂充分地穿透层8，以将层8的接合部分接合到直接位于下方的层7的接合部分。从图4到图5过渡过程然后被重复用于所需数量的层，层的数量和厚度以及每个层上的结合剂被沉积的位置根据待被制造的对象的设计来控制。最终，最后一层被打印，并且可选地在固化结合剂的烘烤过程后，打印的对象从凹阱12中被取出，得到图6所示的结构。从该结构，支撑板13可以由活塞提升以获得在图1中所示的结构，可从此点再次开始打印。

制造装置10的控制，尤其是至少在每个层上结合剂被沉积的位置的控制由根据限定待被制造的物体的预定组制造指令通过控制单元(未示出)来进行。通常，对于图1中所示的装置，制造指令定义通过待被制造的对象的一系列连续的切片，代表待被一起沉积的单个层的每个切片具有每个层上的结合剂待被沉积和因此组成层的颗粒将被接合在一起的位置的信息。这样的信息可以例如作为连续XY平面上的一组沉积矢量，或者替代地，作为连续XY平面的一组像素图像来被提供。

在一些配置中，控制单元可以被配置为以其他格式接受对象定义信息，并通过将对象数据适当地处理为定义一系列层的数据来控制装置10以产生由这样的数据定义的对象。例如，对象可以通过CAD数据来定义，所述数据将对象定义为待被结合在一起的包围对象区域的一组表面，作为从一组几何图元形成的复合结构，或者作为3D光栅网格上的体素数据。为了处理这种表示，控制单元可以将由对象数据表示的待被制造的对象划分成一系列平面或切片，然后可以确定在其上结合剂待被沉积的每个平面或切片上的位置，以形成待被制造的对象。

在图1至图6中所示的且由制造装置实现的制造工艺，可以是如图7所示的更大的制造工艺的部分。在图7所示的工艺中，在图1至6所示的打印工艺被表示为步骤S2。在打印工艺之前，在打印工艺中使用的颗粒构造材料可以在制备步骤中制备，例如可以被清洁以除去表面杂质，或者可以进行表面处理以活化表面，以便更好地与施加的结合剂结合。这种制备工艺如图7的步骤S1所示。

在打印工艺之后，如果结合剂在打印工艺中不会发生固化，则结合剂可以在步骤S3中例如通过加热对象至固化温度而固化。这样的步骤可以在制造装置的凹阱中或其它地方进行。接下来，对象可以被清洁以从对象的外表面去除多余的未结合的粉末，例如在步骤S4中使用液体或气体射流和/或振动去除多余的构造材料。

接下来，可以进行脱离结合步骤，如步骤S5所示，其中，对象的温度被升高，且/或适当的气氛被施加，以便蒸发或分解结合剂。例如，取决于结合剂或者粉末，脱离结合可以在低于烧结温度的升高的温度下进行，或者可能在室温下发生。例如，脱离结合温度可以不超过构造材料的熔点的90％、不超过80％、不超过70％或不超过60％。脱离结合可以在例如空气气氛、低真空(例如小于800mBar)、中真空(例如小于1mBar)、或高真空(例如小于0.01mBar)，反应性气氛(如催化气氛)，氧化气氛或还原气氛，或惰性气氛(如氮气或氩气)下进行。氧化气氛可以包括氧气。催化气氛可以包括硝酸。还原气氛可以包括氢气。脱离结合条件的选择将取决于所使用的结合剂和构造材料的组成，并且可以由本领域技术人员通过直接的实验来优化。

最后，在步骤S6中，对象可以被加热到升高的温度并保持在该温度，从而在步骤S6中颗粒构造材料被烧结在一起。S5和S6可以在相同的位置进行，例如在热处理室或其他地方。烧结温度可以不超过构造材料的熔点的90％、不超过80％或不超过70％。

根据本公开的结构中，不是在最终产品中结合整个待固化的区域，而是围绕这些区域的壳体被沉积，其中，区域的内部基本上不结合。

在现有的方法中，圆柱形或球形对象已经这样制造：依次沉积一系列层且在每个层上具有结合在一起的圆形区域，从而每层之间的结合部分堆叠并在层之间连接在一起，形成圆柱形或球形对象。参考图8，在平面图中示出了一个这样的层7，位于圆形边界7a内的圆形区域7b将被结合在一起。然而，本发明人认为通过采用这种方法，即使使用脱离结合步骤，例如图7的脱离结合步骤S5，所制造的对象的内部中位于远离对象的任何表面的结合剂可能难以渗透至对象，或者如果脱离结合步骤包括分解结合剂，则为结合剂的分解产物难以渗透。在不希望受到任何特定理论束缚下，认为在烧结步骤之前残留在所制造的对象内部的残留结合剂或结合剂分解产物可能会抑制烧结工艺期间构造材料颗粒表面之间的相互作用，从而可能导致在制造对象中的弱点。

因此，根据本公开，不是在与待被打印的对象的内部相关联的每个层上的每个位置处施加结合剂，本公开的结构至少将结合剂施加至从待被制造的对象的表面向内延伸的壳体区域，其包围基本上未结合的粉末。例如，由壳体包围的体积的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％或至少95％在制造对象中可能是未结合的。

关于每个层，如图8所示，不是结合外表面7a的整个内部7b，而结合从外表面7a延伸到内表面7c的相对较薄的边界区域，使得基本上未结合的粉末构成对象的预期内部。当制造球体或圆柱体时，如图8所示，限定在壳体的外表面7a和内表面7c之间的结合区域7d可以形成环7d。然而，当其他形状被打印时，结合边界区域7d可以具有另一适当的形状。在一些情况下，边界区域7d可以具有最大和最小厚度，或者可以具有例如垂直于对象的外表面7a延伸的基本均匀的厚度。例如，壳体可以具有小于2mm、小于1mm、小于0.5mm、小于0.25mm或小于0.125mm的厚度。

通过采用如图8所示的结构，一旦在如图1至图6所示的工艺完成，结果将是在对象内部具有围绕未结合粉末的结合外部壳体的对象。壳体的厚度可以适当地被调节，以便给予对象足够的强度以允许在对象通过最终的烧结工艺获得其最终制造强度之前处理和清洁。

根据本公开的图1和图6所示的工艺结果可以在图9中看到，其中，制造对象20(被表示为在对象被形成的层7、8中的一个的平面中已被截面)被示为具有在对象的外表面20a和壳体的内表面20c之间延伸的外壳体部分20d，在壳体20d内侧基本上未结合的粉末处于区域20b中。脱离结合和烧结与图7相关描述的这样的对象，或者甚至不进行脱离结合步骤而烧结这样的对象，可以导致更强的烧结结合，特别是在没有提供结合剂的对象的内部。因此，与其中结合剂在对象的所有最终固体部分存在的对象相比，可以获得大大改善的机械性能。

为了在烧结之前对象可以被清洁和处理，优选地，壳体20d可以基本上连续，即在其中没有孔形成。然而，对于一些类型的粉末，允许在网状壳体中具有小孔且制造时的粉末的填料足以防止内部未结合区域的粉末在处理过程中通过孔落下是可以接受的。

本公开的思想具有有利应用的一类构造材料是纯金属或合金，其具有质量上大于50％、大于60％、大于70％或大于80％的铁、钛、金、铜、银或镍。

本公开的思想具有有利应用的一类构造材料是具有六方密排晶体结构的纯金属或合金。

实验研究证实，与现有技术方法相比，根据本公开制造的对象得到了显著改善。例如，图10A和10B示出了一个这样的实验的比较结果。

两个立方体部分通过将316L钢的粉末用空气硬化结合剂结合来制造。在根据先前实践的工艺中，整个立方结构在制造工艺中用结合剂结合。在根据本公开的示例中，厚度为1mm的立方壳体被打印以围绕基本上未结合的粉末。颗粒粒度近似为15微米，并且在打印之后，两种结构都在空气中于350℃脱离结合，在1370℃烧结。

样品在烧结之后从两个结构的中心被取出。

图10A示出了根据本公开的工艺获得的结构的显微照片。图10B示出了根据其中打印后结合剂注入整个对象的工艺获得的微观结构。可以清楚地看出，与图10B相比，图10A表现出大大减小的孔径，这与经验观察到的静态和动态强度的改善是一致的。此外，与图10B的情形相比，在图10A中的密度也增加。在每种情况下微观结构的测量之后，已经发现从其中衍生出在图10A中所示的样品的对象的相对密度为99.7％，而从其中衍生出在图10B中所示的样品的对象的相对密度为97.9％。

当使用Ti6Al4V的粉末进行类似的工艺时，其中，所有参数保持相同，除了Ti6Al4V的脱离结合在惰性氩气气氛中进行，烧结在1350℃下进行，类似的结果可以被获得，其中，通过在整个结构中注入结合剂而产生的部件具有91％的相对密度，而通过仅在壳体区域中提供结合剂而产生的部件实现了99.7％的相对密度。

因此可以理解，通过采用在本公开中阐述的方法和概念可以获得有利的效果。

对于大部件，可以理解，即使超过例如2mm的相对较厚的壳体也不足以在处理对象期间在烧结之前保持打印对象的结构，这是由于例如对象的重量和/或质量。因此，以下进一步的方法可以被采用，其中，壳体如参照图8和9所公开的那样被打印，但是壳体由支撑部分内部支撑，所述支撑部分延伸跨过壳体的内部并且由其中用结合剂结合的区域形成。这可以通过例如包括从图8所示的边界区域7d的内表面7c的一侧延伸的支撑部分来实现，其延伸到在壳体内部的更远的一点的位置。为了与图9进行比较，获得的内部结构如图11所示，其中，具有外表面30a和终止于壳体的内表面30c并且围绕未结合区域30b的壳体区域30d的对象30也呈现横过壳体的内部支撑结构30e，以便向壳体提供内部支撑。

在图11中，内部支撑被显示为柱状支柱。然而，其他结构也是可能的，包括其中支撑部分形成结合材料的网格的结构，其可以是三维网格，其横过壳体并在壳体内延伸。在这种结构中，网格可以包括规则且重复的单元结构，例如结晶或多孔结构，而在其它结构中，支撑结构可以包括不规则结构，例如纤维结构。

通过采用在图11所示的结构，壳体可以被加强以抵抗外力，而在壳体内部和内部支撑结构之间延伸的未结合材料的区域允许支撑结构的结合剂至少部分地渗透。因此，与图9的结构有关的优点可以至少部分地被获得，同时在烧结之前改善对象的结构，防止由于处理或其自身的重量或质量引起的变形或损坏。

在一些结构中，图1所示的结合剂沉积单元15b可以适于沉积两种不同类型的结合剂，且在图11中所示的支撑结构30e可以由与壳体30d中使用的结合剂不同的结合剂形成。例如，在支撑结构中使用的结合剂可以在颗粒结构介质的颗粒之间提供比在壳体30d中使用的结合剂更弱的结合，但是可以比在壳体30d中使用的结合剂更容易分解和/或渗透。在某些情况下，结合剂的量可以在壳体和支撑结构之间的每单位层面积上变化，使得支撑结构可以比壳体具有每单位体积结构相对较小的液体结合剂的体积。

在一些结构中，可以通过替代技术而不是液体结合剂的应用来至少结合形成支撑结构30e的构造材料，包括应用激光能量的局部烧结，通过施加热量局部熔化或局部光聚合。或者，壳体可以通过除液体结合之外的方法结合，而支柱30e通过施加液体结合剂被结合。

在上文中，已经描述了如何通过增材制造装置的适当的操作来制造对象，其在烧结时能实现改善的机械性能。此外，本文公开的思想还可以用于转换描述待被制造的对象的形式的对象定义数据，使得当通过数据描述的对象在常规3D打印设备上被制造时，有利的特性可以被实现。

将参照图12描述用于转换对象数据的一种这样的方法。图12示出了用于转换对象数据的工艺的流程图，该对象数据是描述待在三维上制造的对象的数据，以获得表示相同对象的数据，但是当使用常规增材制造系统制造时，可以在烧结后实现与本发明相关的改进的机械特性。

在图12所示的第一处理D1中，对象数据被获得。该对象数据可以是计算机辅助设计(CAD)软件的输出，并且可以将待被制造的对象表示为包围对象的固体部分的一系列表面，可以将对象限定为预定组几何图元的组合或者可以将对象表示为在3D空间中的栅格网格上定义对象的一组像素。或者，对象数据可以已经被表示为穿过对象的一系列切片，将对象分成多个层，每个层具有待被结合在一起的限定区域，例如通常用于控制3D打印装置。

在图12所示的方法中，表示待被制造对象的对象数据被处理，以识别对象表面。这可以通过各种方法来实现，这些方法可以取决于输入数据被提供的格式。例如，对于被表示为各种几何图元的复合物的对象，这些图元的表面可以被识别，并且那些图元的邻接或位于其它图元内的表面可以被去除，以便限定对象的整个表面。对于由一系列表面表示的对象，该系列表面可以用于限定对象的表面，此外完全位于对象的实心部分内的表面，或者邻接其它表面的表面被从对象表面上省去。

在被定义为具有被限定于其中以待与结合剂结合在一起的区域的一系列切片的对象的情况下，边缘检测算法可以在每个切片上被执行以确定每个区域的边缘，然后每个区域的边缘可以与对象的表面相关联。可以采用类似的方法，其中对象以体素被定义，或者可选地网格拟合方法可以被使用以拟合有限元网格到对象的外表面，以将该对象的表面定义为这样的网格。对象表面的识别可能是精确的或可以接近于任何期望的精度。对象的表面的识别可以包括在对象的表示之间进行变换以实现与用于识别对象的表面的技术最相容的对象的表示。

在工艺D2中获得的对象表面数据然后在工艺D3中应用以生成表示从对象表面向内延伸并具有某些预定属性的壳体的数据。例如，最小或最大厚度可以归于壳体，或者壳体可以具有在垂直于对象表面的方向上注明的精确均匀的厚度。限定壳体的其他方法可以包括在对象内定义一个或多个球体，立方体或其他几何图元，以便实现壳体的某些属性，然后从定义对象的数据中移除对象的位于那些几何对象内的部分。

然后，代表壳体的数据在工艺D4中以适当的格式从工艺中输出，例如被指示为适合于输入到前面描述的工艺D1的任何格式。在一些结构中，特别是在其中输出工艺D4直接用于控制增材制造装置的结构中，输出被设置为表示对象的顺序层的一系列像素图像，其中形成壳体的部分的像素从表示对象外部和对象的未结合内部的像素被区分开。

如图12所示的工艺可以在如图13所示的对象数据处理装置100中实现。系统100是适于执行图12的方法的数据处理装置。在图13中，装置100由系列离散的模块表示。这些可以是诸如离散的微处理器或数据处理单元的硬件模块，无论是在同一芯片上集成，还是设置在不同的板上，或者被设置在较大数据处理系统的不同部分。模块的替代方案可以被设置为在如本领域中已知的一个或多个微处理器上运行的软件模块。

装置100具有适于从由数据存储单元SD指示的数据源读取对象数据的对象数据获取单元110。然而，获取单元110还可以从例如网络存储器获得对象数据，来自另一个数据处理单元的数据流，或者可以获得从例如本领域已知的激光扫描器或其它对象计量系统读取的对象数据。

由获取单元110获得的对象数据被发送到表面识别单元120。表面识别单元120对获得的对象数据进行操作以识别对象的表面。然后，表示对象的表面的数据从表面识别单元发送到壳体生成单元130，在其中表示从对象表面向内直立的壳体的数据被生成。然后生成的壳体数据被传递到输出单元140，其中数据被适当地格式化并输出。在图13所示的例子中，对象数据被输出到网络N，但也可以输出到本地数据存储器或能够处理数据的任何其他设备。在一个变型中，输出对象数据可以直接用于控制如图1至图6所示和描述的制造装置。

还可以考虑用于制造具有结合壳体和内部支撑部分的对象的对象数据处理方法，如先前关于图11所示和描述的。这种工艺的一个例子如图14所示，并且共享参照图12示出和描述的类似工艺的共同特征。然而，不是如图12所示的生成壳体数据的步骤D3，而是如图14所示的工艺包括分别产生壳体数据、生成支撑数据和组合数据的步骤D3.1、D3.2和D3.3。

在生成壳体数据的工艺D3.1中，参考图12的工艺D3所描述的等价工艺被执行。然后，在步骤D3.2中，表示适当的支撑结构的数据根据预定参数被生成。例如，网格可以横过壳体的内部被产生，或者支撑柱可以随机地或算术地被放置，以实现对壳体内部的适当程度的支撑。然后，在工艺D3.3中，壳体和支撑数据被组合以提供输出对象数据。在某些情况下，步骤D3.1和D3.2可以一起被执行，例如通过填充具有空隙的对象的内部，然后其被扩大直到它们达到在它们之间和对象外表面之间的最小距离。

如参照图13所公开的，图14的工艺可以在与图13所示的数据处理装置100相似的数据处理装置100中实现，但壳体数据生成单元130被壳体数据生成单元131，支撑数据生成单元132和数据组合单元133分别替换，它们分别适于执行处理D3.1，D3.2和D3的功能，如上所述。

本公开的思想也可以作为软件模块被分发，用于在通用计算机上执行或在常规制造装置的控制系统中执行。在后一种情况下，特别地，常规对象数据可以由装置的用户提供，然后制造装置本身用于识别表面，产生壳体，以及可选地支撑结构，并根据本公开制造对象。数据处理装置可以作为常规制造装置的一部分来提供，或者作为硬件单元或软件，例如在常规制造装置的控制单元中执行。这样的软件可以作为数据载体来分发，所述数据载体包括软件指令的机器可读表示，所述软件指令当被适当配置的处理器执行时使得处理器执行根据本发明的概念的方法。

不言而喻，上述公开内容应被认为是纯粹的示例性的，并且本公开可以通过替代、变化、省略或添加各种元素而以各种各样的配置来体现，以实现各种工程要求。因此，所附权利要求被认为是提供可提供本公开的优点的主题的特定组合。

Claims (16)

1.一种用于制造对象的增材制造方法，包括：

沉积构造材料的连续的层；

选择性地结合每个层的第一区域，以形成构造材料的限定所述对象的外部的结合壳体；

选择性地结合每个层的第二区域，以形成支撑部分，所述支撑部分接触所述壳体并用于支撑所述壳体以抵抗外力；

其中，第二区域通过选自以下的方法结合：局部烧结、局部熔化、液体结合剂的沉积或局部光聚合；

其中，第一区域和第二区域被结合成使得第一区域比第二区域相对更强地被结合，

其中，每个层的在第一区域与第二区域之间延伸的区域未结合。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述壳体是连续的，且基本上或完全地限定所述对象的外部。

3.根据权利要求1或2所述的增材制造方法，其特征在于，第一区域通过选自以下的方法结合：局部烧结、局部熔化、液体结合剂的沉积或局部光聚合。

4.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，第一区域和第二区域通过共同的结合方法来结合。

5.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，第一区域和第二区域分别通过不同的结合方法来结合。

6.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，第一区域与第二区域相比，每单位层面积被结合有更大体积的液体结合剂。

7.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，支撑部分具有横过壳体并在壳体内延伸的结合材料列的形式。

8.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，支撑部分具有横过壳体并在壳体内延伸的结合材料的三维网格的形式。

9.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，所述网格包括规则且重复的单元结构。

10.根据权利要求8所述的增材制造方法，其特征在于，所述网格包括不规则结构。

11.根据权利要求1、2、4、5、9、10中任一项所述的增材制造方法，其特征在于，该方法还包括从保留在壳体外部的构造材料分离壳体和封围的构造材料；和

使壳体和封围的构造材料升高到第一温度，壳体和封围的构造材料在第一温度被烧结到一起以形成对象。

12.根据权利要求11所述的增材制造方法，其特征在于，该方法包括：在壳体和封围的构造材料从保留在壳体外部的构造材料分离之后，并且在使壳体和封围的构造材料升高到第一温度之前，在低于第一温度的第二温度下进行的脱离结合过程中，使构造材料的结合区域脱离结合。

13.一种处理对象数据的方法，用于根据权利要求1-12中任一项所述的增材制造方法，包括：

获取表示待被制造的对象的对象数据；

识别待被制造的对象的表面部分；

基于所识别的表面部分生成壳体数据，所述壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分；

基于所识别的表面数据生成支撑部分数据，所述支撑部分数据表示接触壳体的支撑部分，所述支撑部分用于内部地支撑壳体以抵抗外力；

组合支撑部分数据和壳体数据，以获得表示壳体和布置在壳体内的支撑部分的组合数据；

输出组合数据。

14.一种携带程序指令的数据载体，所述程序指令被配置为：在被执行时使数据处理器执行根据权利要求13所述的方法。

15.一种对象数据处理器，用于根据权利要求1-12中任一项所述的增材制造方法，包括：

对象数据获取单元，其可操作以获取表示待被制造的对象的对象数据；

表面部分识别单元，其可操作以识别待被制造的对象的表面部分；

壳体数据生成单元，其可操作以基于所识别的表面部分生成壳体数据，所述壳体数据表示待被制造的对象的从所识别的表面部分向内延伸的壳体部分；

支撑部分数据生成单元，其可操作以用于基于所识别的表面数据生成支撑部分数据，所述支撑部分数据表示接触壳体的支撑部分，所述支撑部分用于内部地支撑壳体以抵抗外力；

组合单元，其可操作以组合支撑部分数据和壳体数据，以便获得表示壳体和布置在壳体内的支撑部分的组合数据；和

用于输出组合的壳体数据的组合数据输出单元。

16.一种对象，其根据如权利要求1-12中任一项所述的方法来制造。

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