CN107848200B - 供应构造材料 - Google Patents

Abstract

根据一个示例，提供一种用于将构造材料供应至三维打印系统的装置。该装置包括可旋转叶片。

Description

供应构造材料

技术领域

本发明涉及用于将构造材料供应至三维打印系统的装置、三维打印系统以及提供用于铺设在三维打印系统的构造平台上的可预定体积的构造材料的方法。

背景技术

诸如三维(3D)打印的增材制造技术能够逐层地生成物体。通过在构造件或构造平台上形成连续层的构造材料并选择性地固化每层构造材料的部分，3D打印技术可生成物体层。

发明内容

本发明的一个方面提供用于将构造材料供应至三维打印系统的装置，包括：构造材料供应模块；构造材料传送系统，用于将构造材料传送至所述构造材料供应模块；以及可旋转叶片，用于将一部分构造材料从所述构造材料供应模块移动至供给位置，其特征在于：所述装置进一步包括分配机构，用于在所述供应模块内分配构造材料，其中所述叶片包括构造材料支撑区段和构造材料返回区段，所述叶片被布置为使得随着所述构造材料支撑区段移动至所述供给位置，过量的构造材料能滑下所述构造材料返回区段并返回至所述构造材料供应模块，由此在所述构造材料支撑区段上留下可预定量的构造材料。

本发明的另一方面提供一种三维打印系统，包括：构造材料传送系统；构造材料供应模块；其特征在于，所述三维打印系统进一步包括：构造材料分配系统；构造材料铺设器；以及控制器，用于：控制所述构造材料传送系统将构造材料传送至所述构造材料供应模块；控制所述构造材料分配系统在所述构造材料供应模块内分配构造材料；控制所述构造材料供应模块内的可旋转叶片将一部分构造材料从所述构造材料供应模块移动至水平供给位置，所述叶片具有构造材料支撑区段和构造材料返回区段，从而，随着所述叶片旋转以水平定位所述构造材料支撑区段，过量的构造材料能滑下所述构造材料返回区段以返回至所述构造材料供应模块，并使可预定量的构造材料留在所述构造材料支撑区段上。

本发明的再一方面提供一种提供用于铺设在三维打印系统的构造平台上的可预定体积的构造材料的方法，包括：将构造材料传送至构造材料供应模块，其特征在于，所述方法进一步包括：在所述构造材料供应模块中基本上均匀地分配所述构造材料；以及使叶片旋转通过所述供应模块中的构造材料，以将所述叶片定位在供给位置，其中在所述供给位置，所述叶片的第一远端部分水平，并且所述叶片的第二部分在水平面下倾斜至所述叶片的旋转轴线或者倾斜通过所述叶片的旋转轴线。

附图说明

现在将仅通过非限制示例的方式并参照附图描述各示例，其中：

图1是根据一个示例的3D打印系统的一部分的简化等轴图示；

图2a是根据一个示例的构造材料供应模块的简化侧视图；

图2b是根据一个示例的构造材料供应模块的简化侧视图；

图3是控制器的方框图；

图4是概述根据一个示例的示例方法的流程图；

图5是根据一个示例的3D打印系统的简化侧视图示；以及

图6是根据一个示例的3D打印系统的简化侧视图示。

具体实施方式

一些3D打印系统使用具有粉末状或颗粒状形式的构造材料。根据一个示例，合适的构造材料可以是粉末状的半晶态热塑材料。一种合适的材料可以是Nylon 12，其例如可从西格玛奥德里奇有限公司(Sigma-Aldrich Co.LLC.)获得。另一种合适的材料可以是可从易欧司光电系统有限公司(Electro Optical Systems EOS GmbH.)获得的PA2200。

在其它示例中，可以使用其它合适的构造材料。这些材料例如可包括粉末状的金属材料、粉末状的塑料材料、粉末状的复合材料、粉末状的陶瓷材料、粉末状的玻璃材料、粉末状的树脂材料、粉末状的聚合物材料等等。不同粉末可具有不同特性，例如不同的平均粒径、不同的最小、最大粒径、不同的摩擦系数、不同的休止角等等。在一些示例中，可使用非粉末状的构造材料，例如凝胶、糊料和料浆。

这些3D打印系统通常沿着构造平台的一侧提供一定量的构造材料，以便铺满构造平台，从而在构造平台上形成薄薄一层构造材料。然后可使用任意合适的固化技术，例如熔剂沉积和加热系统、粘结剂沉积系统、激光烧结系统等，固化层的各部分。

在3D打印操作期间，构造材料的初始层可直接铺在构造平台的表面上，而构造材料的后续层可形成在先前形成的构造材料层上。在此，谈及在构造平台上形成构造材料层根据上下文可以指在构造平台的表面上直接形成构造材料层，或者在先前形成的构造材料层上形成构造材料层。

现在将描述各个示例，其提供了一种紧凑且方便的系统，用于提供构造材料以使其铺设在构造平台上，例如用于在由3D打印系统生成3D物体中使用。在此描述的示例能够沿着构造平台的边缘形成一剂量的预定量的构造材料。该剂量的构造材料于是可使用适当的构造材料铺设机构铺设在构造平台或支撑平台上。形成一剂量的构造材料可能是有用的，例如，对于减少在已形成构造材料层之后剩余的过量构造材料的量而言、对于确保提供足够的构造材料以能形成完整层的构造材料而言、以及对于减少可能在形成构造材料层时变得气载的构造材料的量而言。

现在参照图1，其显示了根据一个示例的3D打印系统100的一部分的图示。为了清楚，并非示出3D打印系统100的所有元件。例如，在此所显示的图示并不显示任意特定的构造材料固化系统，尽管可使用任何合适的构造材料固化系统，例如熔剂沉积和加热系统、粘结剂沉积系统、激光烧结系统等等。

系统100包括构造材料供应模块102，一定量的构造材料可从构造材料供应模块102制备，以便通过水平可移动的构造材料铺设器108横过构造平台104铺设。铺设器108在一个示例中可安装在合适的载架或构台(未显示)上。构造平台104可沿如箭头106所示的z轴移动，以使其能少量降低，从而能在其上形成每层构造材料。在所示示例中，构造材料铺设器108为滚筒，尽管在其它示例中可使用其它合适形式的铺设器，例如刮刀。构造材料从构造材料仓(未显示)供应至供应模块102。在一个示例中，如稍后所述，构造材料仓可位于供应模块102高度之下，尽管在其它示例中可使用其它构造。

供应模块102具有一定的长度，该长度在一个示例中与构造平台104的长度基本上相同。然而，在其它示例中，供应模块102可比构造平台104更长或更短。

供应模块102形成大致开放的容器，构造材料可在其中沉积或传送，并且，构造材料可从该大致开放的容器移动，以使其能铺设在构造平台104上。在图1中，供应模块102的前端板未显示，以使供应模块102的内部结构可见。在所示的示例中，供应模块102具有限定圆弧的横截面。在所示的示例中，该圆弧限定比半圆大的一部分圆。供应模块102的顶部与构造平台104的顶部大致齐平，尽管当构造材料层铺设在构造平台104上时构造平台104的顶部将低于供应模块的顶部。在其它示例中，供应模块102的设计可具有不同的形状。

供应模块102进一步包括叶片或桨叶110，其连接到心轴112或形成心轴112的一部分，该心轴112绕轴线114可旋转。叶片110的旋转轴线114经过供应模块102的横截面圆弧形状所限定的圆心。

叶片110具有角形式，包括紧邻心轴112的第一区段110a和远端的第二区段110b。第一区段110a可称为构造材料返回区段，第二区段110b可称为构造材料支撑区段。由第一区段110a和第二区段110b形成的角度可基于打印系统100将使用的构造材料或多种构造材料的特性进行选择，如下文进一步详细描述的。在一个示例中，当第二区段110b水平时(处于“供给位置”)，第一区段110a以锐角朝着心轴112倾斜，该锐角在一个示例中可在水平面之下大约20至45度之间，尽管在其它示例中可选择更大或更小的角度。第一区段110a和第二区段110b的长度被选择为，使得区段110b的自由端随着叶片110旋转抵靠供应模块102的弯曲内表面形成实质密封。

在一个示例中，叶片110被形成为单个物体，例如，通过挤压材料，或者通过对一片材料进行弯曲。在此示例中，叶片的第一部分110a和第二部分110b相对于彼此固定，并且第一部分110a和第二部分110b之间的角度是不可调节的。这种叶片具有机械上简单的设计，该设计没有移动部件，并且使叶片机构能够在粉末状的构造材料环境下起作用。

叶片110可由任何合适的驱动机构(未显示)驱动，例如步进电机、齿条小齿轮机构等，并且可额外地联接至位置确定模块(未显示)，例如角编码器，以能够精确控制和确定叶片的角位置。

现在参照图2a，显示了根据示例的供应模块102和叶片110的示意性横截面图。一定量的构造材料202已传送至供应模块102，并且叶片110已沿着顺时针方向旋转通过构造材料202，从而叶片的第二区段110b处于水平供给位置。在此位置，第二区段110b与供应模块102的顶部齐平。由于叶片的形状，随着一定体积的构造材料204由旋转叶片110铲起，该体积的构造材料在叶片的第二区段110b的远端处抵靠供应模块102的内侧壁受到约束。随着叶片的第二区段110b接近水平位置，由叶片的第二区段110b支撑的构造材料开始以其自然休止角进行稳定，并且过量的构造材料在重力作用下开始下落，滑下叶片的第一部分110a并且返回至供应模块102中。由于过量的构造材料滑下第一部分110a，所以其与在重力作用下自由下落相比具有更低的速度。

一旦叶片的第二区段110b水平并且过量的构造材料已落回到供应模块202中，则由叶片的第二区段110b支撑的一定体积的构造材料204基本上为预定体积。对于具有给定休止角的构造材料而言，通过修改叶片的第二区段110b的深度，可修改该预定体积。使用具有不同休止角的构造材料，也将修改预定量。根据在处理每一层时3D打印机100所使用的构造材料的体积，可相应地选择叶片110的参数。

叶片的第一区段110a在使过量的粉末返回至构造模块202同时减少可能变得气载的构造材料的量方面起到重要作用。这是因为，一旦构造材料变得气载，这会造成问题，例如可包括：遮蔽视觉传感器；对用于在构造材料上沉积试剂的打印头造成污染；导致爆炸风险；以及环境问题。因而，通过选择例如小于45度、或者小于30度、或者小于20度的平缓坡度，减少了过量的构造材料返回至供应模块的速度，并因此减少了变得气载的构造材料的量。当叶片的第二区段110b水平时由叶片的第一区段110a形成的角度可基于例如所使用的构造材料的休止角或者构造材料的其它特性进行选择。

在一些示例中，叶片的第一部分110a可继续超过心轴112，从而任意构造材料可自由落回到供应模块102中的距离可进一步减小，以便甚至进一步减少可能变得气载的构造材料的量。在此示例中，叶片110的旋转轴线可在构造材料返回区段110a内。

图2b显示了供应模块210的另一示例。在此示例中，供应模块210包括往复式构造材料分配元件212。构造材料分配元件212可被控制为沿着供应模块210的底座少量往复运动或滑动，以有助于在供应模块210内分配构造材料，如下文进一步描述。在一个示例中，构造材料分配元件212可被控制为滑动或振动多达大约1cm，尽管在其它示例中构造材料分配元件可被控制为滑动更大或更小的量。在一个示例中，构造材料分配元件可包括网眼状结构，并且可由任意合适的驱动系统，例如马达进行驱动。

在其它示例中，诸如构造材料分配元件212的构造材料分配元件可以合适的方式被合并在供应模块102中。

3D打印系统100的操作通常由控制器116进行控制，如图3更详细地显示。

控制器116包括联接至存储器304的处理器302。存储器304存储构造材料供应管理指令306，指令306当由处理器302执行时控制3D打印系统100，以管理构造材料的供应，如本文所述。

现在将参照图4的流程图和图5的附图描述3D打印系统100的示例操作。

在402处，控制器116控制构造材料到供应模块102的传送。构造材料可如何传送到供应模块102的一个示例在图5中显示。在图5中显示了包括构造材料504的构造材料仓502和用于将构造材料504从构造材料仓502移动至供应模块512内的传送区域508的供给通道506。供给通道506包括例如螺杆(auger screw)510的供给机构，或者任何其它合适的供给机构。

在一个示例中，构造材料供给机构510可被控制为将预定量的构造材料传送至供应模块102。例如，如果螺杆机构用作供给机构，则螺杆的旋转数可被控制为传送预定量的粉末。

传送区域508可沿着供应模块512的长度位于任何合适的位置，但至少在一些示例中，传送区域508并不是基本上沿着供应模块的长度延伸。例如，在一些示例中，传送区域可具有小于供应模块512的长度的大约10％的长度。

在一个示例中，构造材料仓502可额外包括振动器或者压缩器(未显示)，以有助于确保构造材料仓502内的构造材料504在供给机构510的下端周围压缩，从而确保构造材料到供给机构510的规律供应。

与构造材料仓位于3D打印系统的一侧相比，构造材料仓大致位于构造平台104和供应模块102下方，能够减少这种3D打印系统的占用空间。

然而，在其它示例中，构造材料可使用例如来自高架构造材料储料器的其它合适构造传送至供应模块102。

在404处，控制器116控制构造材料分配元件514往复运动，从而沿着供应模块512的长度均匀地分配传送的构造材料504。在一个示例中，随着构造材料被传送至供应模块512，控制器116将叶片516移动至诸如大致垂直位置的位置。这允许构造材料508在叶片516的两侧上分配至大致均匀的水平。在其它示例中，控制器116可使叶片516往复运动，以有助于在供应模块102内均匀分配构造材料。

在406处，控制器116控制叶片516移动至供给位置，即以使叶片的第二部分水平。如上所述，随着叶片516移动至水平位置，过量的构造材料可滑下叶片516的第一部分，并返回至供应模块512。根据构造材料的类型，直到叶片516移动至供给位置的时刻，由叶片516的第二部分支撑的构造材料的量将稳定，使预定量的构造材料准备好以横过构造平台104铺设。然而，在一个示例中，可采用例如小于一秒的短暂延迟，以允许由叶片516的第二部分支撑的构造材料在构造材料横过构造平台104铺设之前稳定。

在图6中例示了又一示例，其显示了根据一个示例的3D打印系统600的一部分的横截面图示。在此示例中，在构造平台104的相对侧上提供一对供应模块602a和602b。该示例使构造材料能够供应至构造平台104的任一侧。而且，任何过量的构造材料可返回至相对的供应模块。

通过这种方式，协调每个供应模块602a和602b的控制，可在3D打印系统600被配置为以双向方式操作时提供提高的效率。双向指的是构造材料层可通过构造材料铺设器108使用来自构造模块602a或602b的构造材料在构造平台104上形成。3D打印系统600可还能在以任一方向进行操作时选择性地固化形成的构造材料层的部分。

在一个示例中，构造平台104可以是可插入到3D打印系统中的可拆除的构造模块的一部分。因而，在此谈及构造平台将理解为一般指的是在这种构造模块插入到3D打印系统中时。

尽管在此描述的叶片的示例描述了具有角形式的叶片，但在其它示例中，叶片可包括其它形式，例如包括一个或多个弯曲部分。例如，构造材料返回部分在一些示例中可具有弯曲形式。

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。任意这种软件可以诸如像是否可擦除或可重写的ROM的存储设备的易失或非易失存储的形式存储，或者以诸如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CD、DVD、磁盘或磁带的光或磁可读介质上。将意识到，存储设备和存储媒介为适于存储程序的机器可读存储的示例，该程序当执行时实现在此描述的示例。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。另外，一些示例可经由诸如有线或无线连接上承载的通信信号的任意媒介进行电子传输。

在此说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的全部特征，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，除了这种特征和/或步骤的至少一些相互排斥的组合方式以外。

在此说明书(包括任意所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可由用于相同的、等价的或类似的目的的替代特征代替，除非以其它方式清楚地陈述。因此，除非以其它方式清楚地陈述，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.用于将构造材料供应至三维打印系统的装置，包括：

构造材料供应模块；

构造材料传送系统，用于将构造材料传送至所述构造材料供应模块；以及

可旋转叶片，用于将一部分构造材料从所述构造材料供应模块移动至供给位置，

其特征在于：

所述装置进一步包括分配机构，用于在所述供应模块内分配构造材料，

其中所述叶片包括构造材料支撑区段和从所述构造材料支撑区段的边缘延伸的构造材料返回区段，所述叶片被布置为使得随着所述构造材料支撑区段移动至所述供给位置，过量的构造材料能滑下所述构造材料返回区段并返回至所述构造材料供应模块，由此在所述构造材料支撑区段上留下可预定量的构造材料。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述叶片的旋转轴线为下述之一：在所述构造材料返回区段的一端处以及在所述构造材料返回区段内。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述供给位置是所述构造材料支撑区段水平的位置。

4.如权利要求1所述的装置，进一步包括控制器，用于：

控制所述构造材料传送系统将构造材料传送至所述构造材料供应模块；

控制所述分配机构在所述供应模块内分配构造材料；以及

控制所述可旋转叶片将一部分构造材料从所述构造材料供应模块移动至所述供给位置，以使可预定量的构造材料留在所述构造材料支撑区段上。

5.如权利要求1所述的装置，其中留在所述构造材料支撑区段上的所述可预定量的构造材料部分地基于所述构造材料支撑区段的深度，并且部分地基于所述构造材料的特性。

6.如权利要求1所述的装置，进一步包括构造材料铺设器，用于将构造材料从处于所述供给位置时的所述叶片铺设在构造平台上。

7.如权利要求1所述的装置，进一步包括位于所述供应模块下方的构造材料仓，并且其中所述构造材料传送系统用于将构造材料从所述构造材料仓在所述供应模块内的传送区域中传送至所述构造材料供应模块。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述分配机构包括能沿着所述供应模块的底座往复运动的往复式构件。

9.如权利要求1所述的装置，其中当所述构造材料支撑区段水平时，所述构造材料返回区段在水平面下呈大约20度和45度之间的角度。

10.一种三维打印系统，包括：

构造材料传送系统；

构造材料供应模块；

其特征在于，所述三维打印系统进一步包括：

构造材料分配系统；

构造材料铺设器；以及

控制器，用于：

控制所述构造材料传送系统将构造材料传送至所述构造材料供应模块；

控制所述构造材料分配系统在所述构造材料供应模块内分配构造材料；

控制所述构造材料供应模块内的可旋转叶片将一部分构造材料从所述构造材料供应模块移动至水平供给位置，所述叶片具有构造材料支撑区段和从所述构造材料支撑区段的边缘延伸的构造材料返回区段，从而，随着所述叶片旋转以水平定位所述构造材料支撑区段，过量的构造材料能滑下所述构造材料返回区段以返回至所述构造材料供应模块，并使可预定量的构造材料留在所述构造材料支撑区段上。

11.如权利要求10所述的打印系统，其中所述叶片的远端抵靠所述供应模块的内侧形成实质密封。

12.如权利要求10所述的打印系统，其中所述构造材料传送系统将构造材料传送至所述供应模块内的传送区域，所述传送区域具有小于所述供应模块的长度的长度，并且，其中所述控制器控制所述构造材料分配系统沿着所述供应模块的长度均匀地分配所述构造材料。

13.如权利要求10所述的打印系统，其中所述构造材料支撑区段与所述构造材料返回区段之间的角度在大约20度和45度之间。

14.如权利要求10所述的打印系统，其中当所述构造材料支撑区段处于所述供给位置时留在所述构造材料支撑区段上的构造材料的量部分地基于所述构造材料支撑区段的深度，并且部分地基于所述构造材料的特性。

15.一种提供用于铺设在三维打印系统的构造平台上的可预定体积的构造材料的方法，包括：

将构造材料传送至构造材料供应模块，

其特征在于，所述方法进一步包括：

在所述构造材料供应模块中基本上均匀地分配所述构造材料；以及

使叶片旋转通过所述供应模块中的构造材料，以将所述叶片定位在供给位置，其中在所述供给位置，所述叶片的第一远端部分水平，并且所述叶片的从所述第一远端部分的边缘延伸的第二部分在水平面下倾斜至所述叶片的旋转轴线或者倾斜通过所述叶片的旋转轴线，并且过量的构造材料滑下所述第二部分并返回至所述构造材料供应模块，由此在所述第一远端部分上留下可预定量的构造材料。

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