CN107614249B - 3d打印系统和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个示例，提供一种3D打印系统(300)，包括构建材料测量模块(310)，以确定一层构建材料的固化部分的收缩水平。该系统进一步包括控制器(312)，用以确定所确定的收缩水平是否在可接受范围内，并用以修改打印系统的一个或多个运行参数，使得随后处理的一层构建材料的固化部分具有在可接受范围内的收缩水平。

Description

3D打印系统和方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术，特别是一种3D打印系统和一种操作3D打印机的方法。
背景技术
诸如3D打印的增材制造技术使得物体能够基于叠层而生成。3D打印技术可通过选择性地固化一层构建材料的一部分而生成物体的一层。
发明内容
根据本公开一方面，提供一种3D打印系统，包括：
构建材料分配器，用以使得一层构建材料能够在构建模块内形成；
试剂分配模块，用以将至少一种聚结剂选择性地分配至形成的一层构建材料上；
能量源，用以将能量应用至聚结剂已经沉积在其上的一层构建材料的部分，使得所述一层构建材料的部分聚结和固化；
构建材料测量模块，用以确定所述一层构建材料的固化部分的垂直收缩水平；和
控制器，用以：
确定所述确定的垂直收缩水平是否在可接受范围内；和
修改所述打印系统的一个或多个运行参数，使得随后处理的一层构建材料的固化部分具有在可接受范围内的垂直收缩水平。
根据本公开另一方面，提供一种操作3D打印机的方法，包括：
形成一层构建材料；
选择性地固化所形成的一层构建材料的一部分；
确定构建材料的固化部分的垂直收缩程度；
将确定的垂直收缩程度与参考范围比较；如果确定的垂直收缩程度在参考范围以外，修改3D打印机的运行参数，使得构建材料的随后层的固化部分具有在参考范围内的垂直收缩程度。
根据本公开又一方面，提供一种3D打印系统，包括：
构建材料分配器，用以使得一层构建材料能够在构建模块内形成；
试剂分配模块，用以将至少一种聚结剂选择性地分配至形成的一层构建材料上；
能量源，用以将能量应用至聚结剂已经沉积在其上的一层构建材料的部分，使得所述一层构建材料的部分聚结和固化；
高度传感器，用以测量形成的一层构建材料的部分的高度；和
控制器，用以：
控制高度传感器，以便从一层构建材料的非固化部分获得高度测量值以及从一层构建材料的固化部分获得高度测量值；
使用获得的高度测量值确定一层构建材料的固化部分的垂直收缩程度；
确定所确定的垂直收缩程度是否在可接受范围内；和
修改3D打印系统的运行，其中确定垂直收缩程度不在可接受范围内，使得随后的固化部分具有在该可接受范围内的垂直收缩程度。
附图说明
示例现在将仅通过非限定示例的方式参考附图进行描述，其中：
图1是一定体积的构建材料的示意图，其中已经使用根据一个示例的3D打印系统生成3D物体；
图2是根据一个示例的一层构建材料的一部分的侧视示意图；
图3是根据一个示例的3D打印系统控制器的方块图；
图4是概述根据一个示例的控制3D打印系统的方法的流程图；
图5A至图5D是根据一个示例高度测量值可从何处取得的示意图；和
图6A至图6D是根据一个示例的高度测量值的示意图。
具体实施方式
一些3D打印技术使用各种技术选择性地固化一层构建材料的部分。
例如，一些3D打印系统例如使用打印机构在对应于一层将生成的物体的图案中选择性地将聚结剂涂覆至一层构建材料上。通过将能量应用至全部或大部分该层构建材料，其上沉积有聚结剂的构建材料的那些部分吸收充分能量以使那些部分的温度升高，从而发生构建材料的聚结以及随后的固化。其上未沉积有聚结剂的构建材料的那些部分不吸收导致聚结的充分能量，因此不固化。
其他3D打印系统可将粘合剂涂覆至一层构建材料以使构建材料的选择部分固化。然而其他3D打印系统可以不同的方式运行。
如这里使用的术语“构建材料”是指任意适于由3D打印机生成3D物体的材料。构建材料的确切性质可基于标准选择，该标准可包括例如：由使用的3D打印技术使用的固化机制；和生成的3D物体的特性。
这里使用的术语“构建材料”一般是指非固化的构建材料。
图1示出3D打印过程已经由3D打印系统(未示出)进行以后的3D打印系统构建模块的内容的示意图，此后称为构建容积100。为了清楚构建模块本身未示出，但是构建模块可为合适的容器，在其中3D打印系统可生成3D物体。例如，构建模块可包括侧壁和可移动地板。3D打印系统可在可移动地板上和上方形成非固化的构建材料104构成的连续层102a至102n，并且可选择性地固化其部分106以生成3D物体，例如以以上描述的方式。每层构建材料的厚度可根据使用的3D打印系统的类型和配置参数而改变，但是在一些示例中可在约50至200μm的区域中。
在一些示例中，构建材料可为干粉末的形式。在其他示例中，构建材料可为糊状、凝胶、浆体等等的形式。
根据一个示例，一种合适的构建材料可为粉末半晶态热塑材料。一种合适的材料可为尼龙12，其例如从西格玛奥尔里奇(Sigma-Aldrich)责任有限公司可获得。另一种合适的材料可为PA 2200，其从电子光学系统(EOS)股份有限公司可获得。
在其他示例中，可使用其他合适的构建材料。这些材料可包括例如粉末金属材料、粉末塑料材料、粉末合成材料、粉末陶瓷材料、粉末玻璃材料、粉末树脂材料、粉末聚合物材料等等。
一些种类的构建材料、一些如基于粉末的构建材料，在其固化时如图2中图示收缩。例如，当聚结剂已经在其上的一部分粉末构建材料暴露于足够的能量时构建材料颗粒聚结，该部分构建材料变得更密集并且占据更少的空间。在一个示例中，形成的一层非固化的构建材料可具有约100微米的厚度，尽管在其他示例中，形成的一层非固化的构建材料具有更大或更小的厚度。
图2示出通过图1的构建容积104的层102x的一部分的侧视示意图。层102x包括较低密度的非固化构建材料构成的一部分104，和一部分更高密度的固化构建材料106。能够清楚地看到该部分固化的构建材料106与部分非固化的构建材料104相比已经收缩。在图2中，能够看到收缩垂直地发生，但是收缩也可水平地发生。
收缩程度可由多个因素影响，其可包括例如：在一部分构建材料上的聚结剂的数量；在一部分构建材料上的聚结剂的空间分布或密度；聚结剂已经沉积在其上的构建材料达到的温度；一部分构建材料上的温度一致性；和形成的一层构建材料的压紧的程度(和因此的空气的比例)。使用3D打印系统生成3D物体的过程也可随着时间影响收缩的程度。例如，随着3D打印机内的温度变化，这可影响沉积在一层构建材料上的聚结剂的液滴尺寸。这可转而影响由此吸收的能量的量，并且因此可影响收缩的程度。同样地，由能量源发出的能量的量可随着时间而改变，其也可影响收缩的程度。
为了确保由3D打印系统生成的物体的质量，诸如以上描述的3D打印系统，有用的是在3D物体由3D打印系统生成时确保构建材料层的固化部分的收缩程度被小心地控制。例如，可有利地是在3D物体生成时保持大体上恒定的收缩程度。大体上意味着在可接受范围内，如以下更详细地描述。可接受的收缩程度可根据使用的3D打印系统和构建材料而改变。在一个示例中，可接受的收缩程度可在非固化构建材料的约40％和60％之间。在一个示例中，收缩程度可大约50％。但是，在其他示例中，更高或更低的收缩程度可以是可接受的。
在另一示例中，可有利的是在3D物体生成时能够改变构建材料的不同层的收缩程度。例如，这可使得在一些层中的收缩程度能够控制在第一可接受范围内，并且可使得在其他层中的收缩程度能够在第二可接受范围内。例如，这可使得一些层能够具有与其他层不同的特性，诸如不同的机械特性。
现在参考图3，示出根据一个示例的3D打印系统300的示意图。将意识到，为了便于解释，不是完整的3D打印系统的全部元件均示出。
3D打印系统300包括构建模块302，其中可生成3D物体。在一些示例中，构建模块302可从3D打印系统300移除，例如使得构建模块302能够从3D打印系统300移除和运送至外部处理单元(未示出)。外部处理单元可例如用于将生成的3D物体从非固化构建材料分离，并且在一些示例中可制备新鲜的构建材料和在之前的3D打印过程中使用的非固化的构建材料的混合物，以生成适于在随后的3D打印过程中使用的构建材料混合物。
系统300还包括构建材料分配器304，以使得一层构建材料能够在构建模块302内形成。构建材料分配器304可包括例如刮片或滚筒机构，以使用来自构建材料供应(未示出)的构建材料形成大体上一致的一层构建材料。
系统300还包括试剂分配模块306，以将一种或多种试剂分配至形成的一层构建材料上。试剂分配模块306可例如包括一个或多个打印头，诸如热喷墨或压电打印机，以打印一种或多种试剂。在一个示例中，试剂为流体形式。
在一个示例中，试剂分配模块306包括打印头喷嘴的阵列，其以页宽阵列配置遍布或大体上遍布构建模块302的宽度。在另一示例中，试剂分配模块306可包括在可移动载架上的一个或多个打印头，其可扫描越过构建模块302的宽度。在一个示例中，试剂分配模块306可被控制，以将至少一种聚结剂、或熔剂选择性地分配至形成的一层构建材料上。在另一示例中，试剂分配模块306可被控制，以选择性地分配除了聚结剂之外的可在3D物体的生成中使用的其他试剂，诸如聚结改性剂、染色剂、光泽剂等等。
在一个示例中，系统300还包括能量源308，以将能量应用至形成的构建材料层，使得聚结剂已经沉积在其上的那些层的部分可聚结和固化。在一个示例中，能量源300可将能量应用至形成的构建材料层的整个或大体上整个表面。在一个示例中，能量源300为例如定位在构建模块上方的固定能量源，以将确定水平的能量应用至形成的构建材料的层。在另一示例中，能量源300可为例如安装在可移动载架上的可移动能量源，以向其应用能量。在进一步示例中，能量源300可包括固定的和可移动的能量源。在其他示例中，能量源308可不出现。
系统300还包括构建材料测量模块310，以确定固化的构建材料的一部分的收缩程度。在一个示例中，构建材料测量模块310可包括一个或多个高度传感器，其适于精确地确定一部分非固化的构建材料和一部分固化的构建材料之间的小的高度差。例如，这种高度传感器可需要精确地测量几百微米数量级中的差别，具有几微米的精度。以此方式，构建材料的固化部分的垂直收缩程度可被确定。
在一个示例中，构建材料测量模块310中使用的高度传感器可为基于通用可获得的光学传感器，和相对便宜的CD或DVD拾音器。这种高度传感器大体上众所周知，并且适于精确地测量小的高度差。在其他示例中，诸如激光传感器的其他种类的传感器可被使用。
系统300进一步包括3D打印系统控制器312，以控制3D打印系统300的运行。控制器312包括联接至存储器316的处理器314。存储器316存储打印机控制计算机可读指令318，该指令318当由处理器312执行时控制如这里描述的3D打印系统300的一般运行。存储器316进一步存储构建材料层测量指令320，该指令320当由存储器312执行时控制3D打印系统的元件，以便根据这里描述的示例确定一层构建材料的固化部分的收缩程度。存储器316进一步存储打印机参数控制指令322，该指令322当由处理器312执行时根据这里描述的示例修改3D打印系统的参数，以使得固化的构建材料的收缩程度能够控制。
根据一个示例，3D打印系统300的运行现在将另外参考图4的流程图描述。
在402，控制器312控制3D打印系统300，以例如利用构建材料分配器304形成一层构建材料。
在404，如之前描述的，控制器312控制3D打印系统300，以便选择性地固化形成的一层构建材料的部分。例如，选择的部分可根据表示在构建容积100内生成的一个或多个3D物体的模型的3D打印数据而固化。3D打印数据可例如限定构建材料的层的那些部分将被固化，例如根据3D物体模型的切片。
在406，控制器312控制3D打印系统300，以确定在404固化的一部分构建材料的收缩程度，如以下更详细地描述。
在408，控制器312确定收缩程度是否在可接受范围或限制内。如果控制器312确定收缩程度在可接受范围内，则控制器312控制3D打印系统300继续形成和选择性地固化形成的构建材料的层的部分，以形成3D物体。但是，如果控制器312确定收缩程度不在可接受范围内，则控制器312在块410采取适当的修正动作，诸如修改打印系统的一个或多个运行参数，如以下更详细地描述。在一个示例中，可接受范围可在参考收缩水平的约±10％以内。在其他示例中，更高或更低的范围可以是可接受的。修正动作目标在于确保随后处理的构建材料的层中固化构建材料的部分具有可接受范围内的收缩程度。
在一个示例中，如果在408确定构建材料收缩程度高于或低于预定阈值，可发出警报或者3D打印构建过程可停止或中断以指示，因为这种情况可以是生成的物体的质量问题的指示。预定阈值可高于可接受的收缩程度。
现在参考图5，示出控制器312如何控制构建材料测量模块310测量包括被固化的一部分构建材料的一部分构建材料的高度的一系列示例。
在一个示例中，如图5A中所示，测量模块310能够被控制为沿着单条线502取得多个高度测量值，该单条线502横切包括固化的构建材料的一部分504的一层构建材料500的一部分。独立的高度测量值之间的空间间隔可为任意合适的距离。在一个示例中，空间间隔可在约0.5cm和5cm之间，尽管在其他示例中其他的空间间隔可被使用。
在另一示例中，如图5B中所示，测量模块310能够被控制为沿着多条线502a至502n取得多个高度测量值，多条线502a至502n每个横切包括固化的构建材料的一部分504的一层构建材料500的一部分。
沿着单条线、或者沿着多条线取得多个高度测量值使得平均高度测量值能够确定。
在另一示例中，如图5C中所示，测量模块310能够被控制为沿着第一线502a取得多个高度测量值，该第一线502a横切包括固化的构建材料的一部分504的一层构建材料500的一部分，并沿着第二线502b取得多个高度测量值，该第二线502b横切不包括任何固化的构建材料的一层构建材料500的一部分。
在另一示例中，如图5D中所示，测量模块310被控制为沿着多条线502a至502n取得多个高度测量值，这多条线中的一些横切包括固化的构建材料的一部分504的一层构建材料500的一部分，一些不包括固化的构建材料的一部分。
在一个示例中，测量模块310可包括单个高度传感器，其可定位在可移动载架上，使得其能够相对于一层构建材料定位和移动，以使得高度测量值能够从一层构建材料的适当的部分取得。在另一示例中，测量模块310可包括例如彼此间隔的多个高度传感器，以使得高度测量值能够从一层构建材料的合适的部分取得。在另一示例中，测量模块310可附接至其上安装试剂分配器的载架。
从固化的构建材料的一部分和非固化的构建材料的一部分取得高度测量值使得固化的构建材料的一部分的收缩程度能够与非固化的构建材料的一部分的高度比较，如图6A至图6D图示的。
图6A示出从测量模块310对于包括非固化和固化的构建材料的一层构建材料的一部分而做出的多个间隔的测量值获得的高度轮廓。如可见的，高度HNS代表非固化的构建材料500(图6B中示出)的测量高度，高度HS代表固化的构建材料(图6B中示出)的测量高度。代表期望的收缩水平的参考高度HREF也被示出。
图6A中可见固化的构建材料504的一部分已被收缩多于参考高度HREF。超出参考高度HREF的收缩可表示其上已经沉积聚结剂的构建材料已经吸收过多的能量。这可以例如是因为已经应用更高量的能量、能量已经应用过长时间、或者多余的聚结剂已经沉积。其他原因可包括构建材料的问题，诸如不足的构建材料压紧密度。
在图6C和6D中，可见固化的构建材料504的一部分已被收缩小于参考高度HREF。小于参考高度HREF的收缩可表示其上已经沉积聚结剂的构建材料吸收过少的能量。这可以例如是因为已经应用更低量的能量、能量已经应用过短时间、或者不足的聚结剂已经沉积。其他原因可包括构建材料的问题，诸如过量的构建材料压紧密度。
相应地，如果控制器312确定已经发生超出参考水平的收缩，打印机参数控制指令322可修改3D打印系统的一个或多个运行参数，以降低将处理的构建材料的未来层的部分的收缩程度。
在一个示例中，控制器312降低由能量源308发出的能量的量。能量的量可例如基于查找表格降低，或者可通过调节应用至不同层的构建材料的能量的量和确定哪个能量水平导致参考的收缩水平而重复地导出。
在一个示例中，控制器312降低由能量源308发出的能量的时间长度。再一次地，时间长度可例如基于查找表格降低，或者可通过调节应用至不同层的构建材料的能量的量和确定哪个能量水平导致参考的收缩水平而重复地导出。
在一个示例中，控制器300可减小应用至将被固化的一部分构建材料的聚结剂或熔剂的质量。例如，这可通过修改用于控制试剂分配模块306的数据、或者增加补偿以减小沉积的聚结剂的质量或密度而实现。质量或密度的降低可基于查找表格或者可通过调节应用至不同层的构建材料的试剂的量或密度和确定哪些量或密度导致参考的收缩水平而重复地导出。
类似地，如果控制器300确定已经发生少于参考水平的收缩，打印机参数控制指令322可修改3D打印系统的一个或多个运行参数，以增加将处理的构建材料的未来层的部分的收缩程度。
在一个示例中，控制器300增加由能量源308发出的能量的量。能量的量可例如基于查找表格增加，或者可通过调节应用至不同层的构建材料的能量的量和确定哪个能量水平导致参考的收缩水平而重复地导出。
在一个示例中，控制器300增加由能量源308发出的能量的时间长度。再一次地，时间长度的增加可例如基于查找表格，或者可通过调节应用至不同层的构建材料的能量的量和确定哪个能量水平导致参考的收缩水平而重复地导出。
在一个示例中，控制器300可增加应用至将被固化的一部分构建材料的聚结剂或熔剂的量。例如，这可通过修改用于控制试剂分配模块306的数据、或者增加补偿以增加沉积的聚结剂的量或密度而实现。量或密度的增加可基于查找表格或者可通过调节应用至不同层的构建材料的试剂的量或密度和确定哪个量或密度导致参考的收缩水平而重复地导出。
在一个示例中，控制器300可通过修改应用的能量的量、同时修改沉积的聚结剂的量或密度而调节多个打印机运行参数。
以此方式，控制器312帮助确保，对于包括固化的构建材料的每层构建材料，期望的收缩程度发生。这转而帮助从这种3D打印系统生产高质量3D物体。
将意识到，这里描述的示例能够以硬件、软件、或者硬件和软件的组合的形式实现。任意这种软件可以例如是否可擦除或可重写的ROM的存储设备的瞬时或非瞬时存储的形式存储，或者以为例如RAM、存储器芯片、设备或集成电路的存储器的形式存储，或者存储在诸如例如CD、DVD、磁盘或磁带的光或磁可读介质上。将意识到，存储设备或存储媒介为适于存储程序的机器可读存储的示例，当执行时其实现这里描述的示例。相应地，一些示例提供包括用于实现如所附权利要求中要求的系统或方法的编码的程序，和存储这种程序的机器可读存储。
在此说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)公开的全部特征，和/或这样公开的任意方法或过程的全部步骤可以任意组合方式组合，除了组合方式中这种特征和/或步骤的至少一些相互排斥。
在此说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)公开的每个特征可由提供相同的、等价的或类似的目的的替代特征代替，除非以其他方式清楚地陈述。因此，除非以其他方式清楚地陈述，公开的每个特征仅为一般系列的等价或类似的特征的一个示例。

Claims (15)

1.一种3D打印系统，包括：
构建材料分配器，用以使得一层构建材料能够在构建模块内形成；
试剂分配模块，用以将至少一种聚结剂选择性地分配至形成的一层构建材料上；
能量源，用以将能量应用至聚结剂已经沉积在其上的一层构建材料的部分，使得所述一层构建材料的部分聚结和固化；
构建材料测量模块，用以确定所述一层构建材料的固化部分的垂直收缩水平；和
控制器，用以：
确定所述确定的垂直收缩水平是否在可接受范围内；和
修改所述打印系统的一个或多个运行参数，使得随后处理的一层构建材料的固化部分具有在可接受范围内的垂直收缩水平。
2.如权利要求1所述的3D打印系统，其中所述控制器修改由聚结剂已经沉积于其上的一部分构建材料接收的能量的量，使得随后处理的一层构建材料的固化部分具有在可接受范围内的垂直收缩水平。
3.如权利要求2所述的3D打印系统，其中所述控制器控制所述能量源，用以：增加所述能量源发出能量的时间长度；或者增加所述能量源发出的能量的量。
4.如权利要求1所述的3D打印系统，其中所述控制器修改沉积的聚结剂的量，使得随后处理的一层构建材料的固化部分具有在可接受范围内的垂直收缩水平。
5.如权利要求1所述的3D打印系统，其中所述构建材料测量模块包括高度传感器，其中所述控制器控制所述高度传感器，以便从一层构建材料的固化部分获得高度测量值。
6.如权利要求5所述的3D打印系统，其中所述控制器控制所述高度传感器，以便从形成的一层构建材料的固化部分和非固化部分获得高度测量值。
7.如权利要求1所述的3D打印系统，其中所述构建材料测量模块包括多个高度传感器，其中所述控制器控制所述高度传感器，以便从形成的一层构建材料的不同部分取得多个高度测量值，以使得所述控制器能够确定一层构建材料的固化部分的垂直收缩程度。
8.如权利要求1所述的3D打印系统，其中所述控制器控制所述3D打印系统，使得构建材料的固化部分的可接受的垂直收缩范围在非固化的构建材料的垂直收缩范围的40％和60％之间。
9.如权利要求1所述的3D打印系统，其中如果确定的垂直收缩水平在第一可接受范围内，所述控制器确定第一层构建材料，如果确定的垂直收缩水平在第二可接受范围内，所述控制器确定第二层构建材料。
10.一种操作3D打印机的方法，包括：
形成一层构建材料；
选择性地固化所形成的一层构建材料的一部分；
确定构建材料的固化部分的垂直收缩程度；
将确定的垂直收缩程度与参考范围比较；如果确定的垂直收缩程度在参考范围以外，修改3D打印机的运行参数，使得构建材料的随后层的固化部分具有在参考范围内的垂直收缩程度。
11.如权利要求10所述的方法，其中修改3D打印机的运行参数包括修改沉积在该层构建材料上的聚结剂的密度。
12.如权利要求10所述的方法，其中修改3D打印机的运行参数包括修改由能量源发出至所形成的一层构建材料上的能量的量。
13.如权利要求10所述的方法，其中修改3D打印机的运行参数包括修改能量源将能量发出至所形成的一层构建材料上的时间长度。
14.如权利要求10所述的方法，进一步包括，如果确定垂直收缩程度在预定限制以外则发布警告或中断3D打印机的运行。
15.一种3D打印系统，包括：
构建材料分配器，用以使得一层构建材料能够在构建模块内形成；
试剂分配模块，用以将至少一种聚结剂选择性地分配至形成的一层构建材料上；
能量源，用以将能量应用至聚结剂已经沉积在其上的一层构建材料的部分，使得所述一层构建材料的部分聚结和固化；
高度传感器，用以测量形成的一层构建材料的部分的高度；和
控制器，用以：
控制高度传感器，以便从一层构建材料的非固化部分获得高度测量值以及从一层构建材料的固化部分获得高度测量值；
使用获得的高度测量值确定一层构建材料的固化部分的垂直收缩程度；
确定所确定的垂直收缩程度是否在可接受范围内；和
修改3D打印系统的运行，其中确定垂直收缩程度不在可接受范围内，使得随后的固化部分具有在该可接受范围内的垂直收缩程度。
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