CN107530960A - 构造材料分析 - Google Patents

Abstract

根据一个实例，提供了构造材料测量模块以从要分析的构造材料来确定构造材料特性。

Description

构造材料分析

背景技术

增材制造技术，例如三维(3D)打印，使对象能够逐层在基底上生成。3D打印技术可通过选择性地固化构造材料层的一部分而生成对象层。

所生成的3D对象的性质与所使用的构造材料的性质相关。

附图说明

现在将参照附图，仅通过非限制性实例描述实例，其中：

图1为根据一个实例的构造材料分析仪的框图；

图2为概述根据一个实例的示例性方法的流程图；

图3为根据一个实例的构造材料层的平面图；

图4为根据一个实例的构造材料层的平面图；

图5为显示根据一个实例的构造材料的样品的高度曲线(profile)的图示；

图6为显示根据一个实例的构造材料的样品的高度曲线的图示；

图7为概述根据一个实例的示例性方法的流程图；

图8为根据一个实例的构造材料制备单元的框图；并且

图9为根据一个实例的3D打印系统的框图。

具体实施方式

一些3D打印技术利用各种技术选择性地固化构造材料层的部分。例如，一些3D打印系统以对应于正生成的对象层的图案选择性地在构造材料层上施加(例如利用打印装置)聚结剂或熔剂。通过向构造材料层的整个或局部部分施加能量，在其上沉积有聚结剂的构造材料的那些部分吸收足够的能量以造成那些部分的温度升高，从而使构造材料发生聚结和随后的固化。在其上没有沉积聚结剂的构造材料的那些部分没有吸收足够的能量以造成聚结，并因此不会固化。

其它3D打印系统可将粘结剂施加至构造材料层以造成构造材料的选择性部分的固化。另外其它的3D打印系统可以以不同方式操作。

如本文使用的术语“构造材料”是指适用于3D打印机以生成3D对象的任何材料。可基于包括例如以下的标准来选择构造材料的确切性质：通过所用的3D打印技术利用的固化装置；和所生成的3D对象的预期性质。本文使用的术语“构造材料”通常是指非固化的构造材料。

一些3D打印系统使用具有粉末状或颗粒状的形式的构造材料。根据一个实例，合适的构造材料可为粉末状半结晶热塑性材料。一种合适的材料可为Nylon 12，例如可获自Sigma-Aldrich Co.LLC。另一种合适的材料可为PA 2200，可获自Electro OpticalSystemsEOS GmbH。

在其它实例中，可使用其它合适的构造材料。这类材料可包括，例如，粉末状金属材料、粉末状塑料材料、粉末状复合材料、粉末状陶瓷材料、粉末状玻璃材料、粉末状树脂材料、粉末状聚合物材料等。

通常可选择新构造材料(即，以前没有在3D打印过程中使用过的构造材料)以具有符合选用规格的颗粒特性。例如，3D打印机制造商可推荐使用具有特定特性的构造材料。例如，可选择新构造材料以具有约20至50微米的范围内的平均粒径以及具有小于约10％的最大粒径变化。构造材料供应商可具有适当的质量控制体系以确保每批粉末状构造材料都符合选用规格。

然而，如果用户从不可信的来源获得构造材料，那么构造材料可能具有不符合所选规格的颗粒特性。

类似地，许多3D打印系统使生成3D对象之后仍未固化的构造材料能够回收，以使其能够在随后的3D对象生成中重新使用。这通常称为构造材料再循环。回收的构造材料可能不适合直接重新使用，但可往往与新构造材料按比例混合从而有助于确保混合的特性符合选用规格。然而，由于各种原因，回收的和新的构造材料的混合可能不符合选用规格。

能够鉴别意欲使用生成3D对象的构造材料是否符合选用规格是特别有用的，因为其使得能够采取许多手段。例如，除了其它方面，其可还用于：防止3D对象生成；限制3D打印系统的功能性；修改3D打印系统的操作参数以使3D对象可以正确生成；和允许对待制造的构造材料的修改以使其确实符合选用规格。

根据本文描述的各种实例，提供了一种系统和方法以验证意欲使用生成3D对象的构造材料的特性。

现在参照图1，示出了根据一个实例的构造材料分析仪100的框图。

分析仪100包括构造材料室102，构造材料的样品可置于其中以使构造材料测量模块104能够对构造材料的样品进行测量，从而使构造材料的样品的特性能够被确定。构造材料可以以任何合适的方式置于室102中，例如通过用户手动放置，或通过合适的机械方法自动放置。

室102可采用任何合适的形式。在一个实例中，室可为构造材料层可形成于其上的支撑平台，例如使用构造材料分配器(例如辊、刮擦器或任何合适的装置)。在另一实例中，室可为构造材料可设置于其中的容器，并且可包括透明窗部分，测量模块104可通过透明窗部分对构造材料进行测量。

在一个实例中，构造材料测量模块104可包括一个或多个高度传感器，所述高度传感器能够精确确定从构造材料层的表面起的小的高度差。例如，这种高度传感器能够精确测量数百微米的级别的差异，具有小于1微米的精确度。在其它实例中，可使用具有其它容量的高度传感器。以这种方式，可确定构造材料层的高度曲线，如在下面将更详细的描述。

在一个实例中，用于构造材料测量模块104中的高度传感器可为基于通常可用且相对便宜的CD或DVD拾音器的光学传感器。这种高度传感器通常是众所周知的，并且适于精确测量小的高度差。在其它实例中，可使用其它种类的传感器，例如激光传感器。

分析仪100通常由控制器106控制。控制器106包括耦合至存储器110的处理器108。存储器110存储构造材料特性鉴定指令112，当所示指令由处理器108执行时，控制分析仪100确定构造材料的特性，如本文所描述的。

现在将另外参考图2的流程图以及图3、4、5和6来描述根据一个实例的分析仪100的操作。

在202处，将构造材料的样品放置在构造材料室102中。在一个实例中，控制器106可控制构造材料分配器以在合适的支撑平台(例如，图3中所示的支撑平台300)上形成构造材料层304。

在204处，控制器106控制构造材料测量模块104以进行构造材料的样品的测量。在一个实例中，控制器106控制构造材料测量模块104以沿着穿过构造材料层304的至少一部分的线302(示于图3中)进行多个高度测量。在一个实例中，可安排测量模块104和室102以允许它们之间的相对运动。例如，测量模块104可安装在活动滑架或其它合适的可活动结构上。各高度测量之间的空间间隔可为任何合适的距离。在一个实例中，空间间隔可在约10微米与20微米之间，但是在其它实例中可使用其它空间间隔。

在另一实例中，控制器106控制构造材料测量模块104以沿着穿过构造材料层304的多条线302a至302n(示于图4中)进行多个高度测量。

通过沿着线进行多个高度测量能够使构造材料的样品表面的高度曲线被确定，如图5中通过线502示出的。一对参照线504和506分别示出选用构造材料规格的可接受的高度上限和下限。如图5中所示，高度曲线502在可接受的界限内，并且因此沿着构造材料304的样品的线302得到的测量表明构造材料符合选用规格。如图6中所示，高度曲线602具有在可接受的界限之外的部分604。

沿着构造材料的样品的多条线进行高度测量能够获得更高的精确度，例如通过增加从其进行测量的构造材料的数量。

在204处，通过控制器106解析所得的高度测量，以确定一组构造材料特性。在一个实例中，该特性与构造材料的粒径相关。重新参照图5和6，高度曲线502和602的“不平稳(bumpy)”性质是从邻近的粉末状构造材料的颗粒获取的测量得到的结果。在图5中可见，颗粒尺寸通常为大约相同的尺寸，而在图6中可见，颗粒尺寸之间存在较大变化。

在沿着多条线302a至302n进行高度测量时，可以以任何合适的方式将多个结果一起中断。

控制器106解析高度测量以确定构造材料的特性。例如，控制器106可基于进行的测量确定由颗粒尺寸在给定范围内的颗粒组成的构造材料的百分比，以及由颗粒尺寸不在给定范围内的颗粒组成的构造材料的百分比。

可以以各种方式利用所确定的特性，如下面进一步描述的。

现在参照图7的流程图，控制器106最初执行之前描述的框202和204。在702处，控制器106确定所确定的特性是否可接受。例如，控制器106可具有与所确定的特性相比较的一组预定的可接受的特性。在一个实例中，所述一组预定的可接受的特性可例如与要使用分析的构造材料的3D打印系统的构造材料推荐相关。

如果在702处，控制器106确定所确定的特性是可接受的，那么在704处，控制器106表明这是一个合适的方式。在一个实例中，控制器106在分析仪100的合适的用户界面上显示信息以表明所确定的特性是可接受的。在另一实例中，控制器106可在与存储构造材料的容器或构造材料模块相关的非挥发性存储器上存储合适的数据。存储器可在将构造材料用于生成3D对象之前例如通过3D打印系统来读取。

如果在702处，控制器106确定所确定的特性是不可接受的，那么在706处，控制器106确定是否可以使用构造材料。

如果在760处，控制器106确定可以使用构造材料，那么在708处，控制器106确定构造材料可以如何使用。

如果在760处，控制器106确定不可以使用构造材料，那么它在710处表明不可以使用构造材料。

实施构造材料分析仪100的方式可影响在708处的确定构造材料可以如何使用。

例如，在一个实例中，如本文所描述的构造材料分析仪可作为构造材料制备单元的一部分来实施，如图8所示。

构造材料制备单元800包括第一室802以接收例如之前在3D打印过程中已使用但未固化的构造材料。

构造材料制备单元800进一步包括第二室804以接收例如新构造材料。

构造材料制备单元800进一步包括构造材料分析仪模块806从而以如上所述的方式确定构造材料的特性。在一个实例中，安排构造材料分析仪模块806以确定第一室802中的构造材料的特性。在另一实例中，可安排构造材料分析仪模块806以确定第一室802和第二室804中的构造材料的特性。

构造材料制备单元802还包括混合模块808以使来自第一室802和第二室804的大量构造材料能够以合适的数量混合在一起。

构造材料制备单元800的操作通常由控制器810控制。控制器810包括耦合至存储器814的处理器812(例如微处理器)。存储器814存储构造材料分析指令816，当由处理器812执行该指令时，该指令使得处理器810确定构造材料的特性。

存储器814还存储构造材料制备指令818，当由处理器812执行该指令时，该指令使得处理器812从第一室和第二室制备符合选用规格的构造材料的混合物。

以这种方式，如图7的流程图中所列出的，可利用构造材料制备单元800以确定第一室中的构造材料的特性，从而在框702处确定构造材料是否具有可接受的特性。然而，如果在框702处确定了构造材料不具有可接受的特性，那么在框706处，制备单元800就会确定是否可使用构造材料。例如，制备单元800可确定通过将构造材料与一定百分比的来自第二室804的新构造材料混合来使用该构造材料。例如，如果制备单元800确定第一室802中的构造材料包括15％的在可接受的范围之外的颗粒，并且在可接受的范围之外的颗粒的可接受限为5％，那么制备单元800确定要与构造材料混合的一定量的新构造材料以生成具有可接受的特性的构造材料的混合物。混合模块808可随后被控制以生成可接受的构造材料混合物。在一个实例中，所使用的新粉末的量可另外基于新粉末的所确定的特性来确定。

在另一实例中，如图9中所示，如本文所描述的构造材料分析仪可在3D打印系统900中实施。

3D打印系统900包括一组3D打印系统模块902。根据3D打印系统的类型，3D打印系统模块902可包括以下中的任意一种或多种：构造材料存储器；构造材料分配器；试剂分配器；能量源。

打印系统900还包括构造材料分析仪模块，例如如本文中所描述的。

3D打印系统900的操作通常由控制器906所控制。控制器906包括耦合至存储器910的处理器908，例如微处理器。存储器910存储3D打印机控制指令912，当该指令由处理器908执行时，该指令使得处理器908控制3D打印系统900的操作。存储器910还存储构造材料分析指令914，当该指令由处理器908执行时，该指令使得构造材料分析仪模块904确定要用来生成3D对象的构造材料的特性。

以这种方式，构造材料分析仪模块904可如图7的流程图中所列出的那样操作，以在框702处确定要通过3D打印系统使用的构造材料是否具有可接受的特性。然而，如果在框702处，分析仪模块904确定构造材料不具有可接受的特性，那么在框706处，控制器906确定构造材料是否可以使用。

例如，分析仪模块904可确定构造材料在某些条件下可以使用，例如对于使用“草图”或低质量输出来生成3D对象，或者对于不具有特定强度或其它特性的3D对象。例如，可基于查找表中存储的实验或测试数据来作出该确定。例如，如果确定构造材料具有20％至30％的可接受范围之外的颗粒，那么分析仪模块904可限制3D打印系统在“低”至“中”质量打印模式下打印，并且对于具有30％至40％的可接受范围之外的颗粒的构造材料，可限制3D打印系统在“低”质量打印模式下打印。在其它实例中，可使用其它功能性限制或范围。

在另一实例中，分析仪模块904可确定如果修改对3D打印系统900的一个或多个操作参数的更改，则可使用构造材料。例如，由于较大颗粒可花费较长时间到充分聚结或熔融，因此分析仪模块904可增加3D打印操作的熔融阶段过程中所施加的能量的量或施加能量的时间长度。在另一实例中，分析仪模块可确定在3D打印操作的熔融阶段之前应该施加的熔剂的增加的量。可对操作参数作出修改，例如基于查找表中存储的实验或测试数据。

在又一实例中，3D打印系统900中的构造材料分析仪模块904可能不包括任何高度传感器，但可分析存储在构造材料容器的存储器或以其它方式与构造材料容器相关的数据。例如，数据可通过本文所描述的构造材料制备单元存储在构造材料容器的存储器上。

Claims (15)

1.一种构造材料分析仪，包括：

构造材料测量模块，以从要分析的构造材料样品确定构造材料特性；

处理器，以：

确定所述构造材料是否具有可接受的特性；和表明所述构造材料具有可接受的特性，或者确定是否可通过3D打印系统使用所述构造材料以生成3D对象。

2.如权利要求1所述的构造材料分析仪，其中所述构造材料测量模块包括高度传感器，并且其中所述处理器控制所述高度传感器从所述构造材料样品起进行测量并且从这些测量确定所述构造材料样品的粒径。

3.如权利要求1所述的构造材料分析仪，其中所述处理器存储在与所确定的特性的构造材料细节相关的存储器上。

4.如权利要求1所述的构造材料分析仪，其中所述构造材料分析仪整合入构造材料处理单元，所述构造材料处理单元接收第一室以接受第一构造材料以及第二室以接收第二构造材料。

5.如权利要求4所述的构造材料分析仪，其中所述构造材料处理单元包括混合模块，并且其中所述处理器：

确定一定量的来自所述第一室的构造材料与一定量的来自所述第二室的构造材料混合，以使所生成的构造材料混合物具有可接受的特性；并且

控制所述混合模块以生成确定量的构造材料的混合物。

6.如权利要求1所述的构造材料分析仪，其中所述构造材料分析仪整合入三维打印系统。

7.如权利要求6所述的构造材料分析仪，其中所述处理器基于所确定的特性来确定是否可以通过所述3D打印系统使用所述构造材料。

8.如权利要求7所述的构造材料分析仪，其中所述处理器基于所确定的特性限制所述3D打印系统的功能性。

9.如权利要求7所述的构造材料分析仪，其中所述处理器基于所确定的特性确定对所述3D打印系统的操作参数的修改。

10.一种三维打印系统，包括：

处理器，以：

获得要用于生成三维对象的构造材料的特性；

确定所述构造材料是否具有预定的特性；并且

在确定所述构造材料不具有预定的特性时，基于所确定的构造材料特性修改所述三维打印系统的操作。

11.如权利要求10所述的三维打印系统，其中所述构造材料的所述特性从整合的构造材料分析仪获得。

12.如权利要求10所述的三维打印系统，其中所述构造材料的所述特性从与构造材料容器相关的存储器获得。

13.如权利要求10所述的三维打印系统，其中所述控制器基于所获得的特性限制所述三维打印系统的功能性。

14.如权利要求10所述的三维打印系统，其中所述控制器基于所获得的特性修改所述三维打印系统的操作参数。

15.一种确定用于三维打印机中的构造材料的特性的方法，包括：

接收构造材料的样品；

从所述构造材料的表面起进行多个高度测量，以确定所述构造材料的高度曲线；和

由与所述构造材料的粒径相关的多个高度测量数据进行确定。