CN107848220A - 用于增材制造的构造材料供应装置 - Google Patents

Abstract

在一个示例中，一种用于增材制造机的构造材料供应装置，包括用于使粉末状构造材料的供应物解聚的容器。

Description

用于增材制造的构造材料供应装置

背景技术

增材制造机通过构建材料层来生产3D(三维)物体。一些增材制造机通常被称为“3D打印机”。3D打印机和其它增材制造机使将物体的CAD(计算机辅助设计)模型或其它数字表现形式直接转化成实际物体成为可能。模型数据被加工成切片(slice)，每个切片限定将要形成到物体中的构造材料的层的那一部分。

附图说明

图1是例示实施新的构造材料供应鼓的一个示例的增材制造机的方框图。

图2是例示将粉末状构造材料分散到工作区域的供应鼓的一个示例的等距视图。

图3-图11是例示使用诸如可以在图1的机器中使用的供应鼓来供应解聚并预热的构造材料的一个示例的剖视图。

图12是例示为诸如可以用图3-图11中所示的供应鼓实施的增材制造供应构造材料的方法的一个示例的流程图。

图13-图21是例示使用如图3-图11中所示的供应鼓制造物体的一个示例的剖视图。

图22是例示诸如可以以图4-图11和图13-图21中所示的顺序实现的增材制造方法210的一个示例。

图23是例示带有在增材制造期间使粉末状构造材料解聚的指令的处理器可读介质的一个示例的方框图。

图24是例示实施具有处理器可读介质的控制器的增材制造机的一个示例的方框图，所述处理器可读介质带有在增材制造期间使粉末状构造材料解聚的指令。

在全部附图中，相同的部件附图标记指示相同或相似的部件。附图不一定按比例绘制。

具体实施方式

在一些增材制造方法中，使用加热以将粉末状构造材料中的颗粒熔合在一起以形成固体物体。例如，熔合构造材料的热量可例如通过按照物体切片的图案对构造材料薄层施加液体助熔剂，并随后将该图案区域暴露于光而产生。助熔剂中的光吸收成分吸收能量以帮助熔结、熔化或以其它方式熔合构造材料。构造材料(在形成图案之前)可被预热以促进熔合。

粉末状构造材料中的颗粒易于结块。结块物在增材制造构造材料中是不受欢迎的---结块的构造材料难以精确地分散，并且结块物可产生不均匀的空隙部分(voidfraction)，导致各构造材料层内产生各向异性密度梯度。这些密度梯度限制对于将助熔剂吸入构造材料中的毛细作用力的控制，从而增加了低质量熔合的风险。

已开发出一种用于在增材制造机中供应粉末状构造材料的新技术，以帮助使结块物被分散到工作区域的风险最小化。在该新技术的一个示例中，供应容器在造成容器内的粉末状构造材料的瀑泻流(cataracting flow)的条件下旋转，以打碎结块物。容器内的粉末可在其流动时被加热到期望的预熔合温度，使得预热的、解聚的粉末可从容器被分散到工作区域用于熔合。堆积体(bulk)表面的粉末颗粒和那些下落通过被截留在容器内的热空气的粉末颗粒被迅速加热，并通过由旋转的容器引起的构造材料中的瀑泻流不断地被混合到堆积体中。因此，当构造材料流动时对其加热有助于更有效地维持均匀的构造材料粉末的预热供应物。

在下面描述并在附图中示出的这些和其它示例例示但不限制本专利的范围，该范围在本说明书后附的权利要求书中限定。

如本文所使用的，“瀑泻”流是指填充系数(fill fraction)大于0.2(f>0.2)且弗劳德数大于0.1并且小于1.0(0.1<Fr<1.0)的流动；“助熔剂”是指导致或有助于使粉末状构造材料熔结、熔化或以其它方式熔合的物质；“细化剂”是指例如通过改变助熔剂的效果来阻止或防止或增强熔合构造材料的物质；并且“能量”是指具有任何波长的电磁辐射。

图1是例示实施新的构造材料供应鼓12的一个示例的增材制造机10的方框图。图1的方框图示出了实施鼓12的增材制造机10的布局的一个示例。其它布局也是可能的。参见图1，机器10包括构造材料供应鼓12、能量条14和位于工作区域18附近的助熔剂分散器16。附图中的工作区域18通常表示支撑或保持用于熔合的构造材料26的任何合适的平台、粉末床或其它结构。在该示例中，构造材料供应鼓12与一对光条14一起被安装在可移动滑架20上。如方向箭头22所指示，滑架20在工作区域18上方来回运送鼓12和能量条14。如方向箭头24所指示，助熔剂分散器16也可在工作区域18上方来回移动。分散器16和滑架20横过工作区域18的交替“停放”位置在图1中用虚线描绘。

图2是示出在工作区域18上方的供应鼓12和能量条14的等距视图。现在也参见图2，在操作中，随着滑架20(运送鼓12)在工作区域18上方扫描，解聚的构造材料从鼓12分散到工作区域18上。在图2所示的示例中，构造材料26从鼓12中的轴向槽28分散到工作区域18上。(鼓12和工作区域18之间的间隔在图2中被大大放大，以使槽28从这个视角可见。)随着分散器16扫描横过工作区域18，液体助熔剂按照对应于物体切片的图案被选择性地施加到工作区域18上的构造材料。随着滑架20(运送能量条14)在工作区域18上方扫描，一个或两个能量条14被通电以使形成图案的区域暴露于光或其它电磁辐射，以将被施加了助熔剂的构造材料熔合成物体切片。在图2所示的示例中，每个能量条被配置为跨越工作区域18的LED、激光二极管或其它光源30的阵列。可以对多个层重复进行分散、施加和光照的过程，以制造多切片物体。

图3-图11是例示使用诸如可以在图1的机器中使用的供应鼓来供应解聚并预热的构造材料的一个示例的剖视图。首先参见图3，构造材料供应鼓12包括阀32，阀32可被打开以装载或分散构造材料26，并且可被关闭以将构造材料26容纳在圆柱形鼓12中。在图3中，当粉末状构造材料26通过打开的阀32从料斗34装载到鼓12中时，鼓12是静止的。在图4中，阀32被关闭，并且带有构造材料26的供应物36的鼓12如方向箭头38所指示那样被旋转。供应物36是指鼓12中的构造材料26的堆积体，并且包括单个颗粒40和仍在构造材料中的任何结块物42。鼓12在足以造成图4所示的构造材料的瀑泻流的条件下旋转。对于诸如供应鼓12的圆柱形容器，弗劳德数根据下面方程式确定：

其中R_cylinder是圆柱体的半径，ω是容器的旋转速度，g是重力加速度。

虽然不能精确地知道鼓26内的粉末状构造材料26的瀑泻流的特性，但可以确信这种流展现出多个组成部分，包括由流动箭头44指示的气载颗粒40、“液化”表面流46、沿着鼓12底部的“段塞”流48、进入和爬上鼓12侧面的“分离”流50、以及在构造材料供应物36的顶部处的“重力再循环”流52。在鼓12中的构造材料26的瀑泻流中，重力比向心力更强，以使得构造材料颗粒40都未被完全地围绕鼓12运送。一些颗粒被抛入空气中，并且一些颗粒在堆积体36内再循环到鼓的底部。气载颗粒混合回到液化表面流46中，在液化表面流46中剪切混合非剪切的段塞流48顶部的颗粒。在段塞流48中产生的向心力将较小的颗粒吸至鼓壁，在表面处的颗粒和壁处的颗粒之间产生密度梯度。该密度梯度引起密度较低的结块物42的分离流50去往供应物36的表面，在供应物36的表面处，结块物42从堆积体喷出。表面流和压实的较小颗粒阻止被喷射的结块物被重新吸收回堆积体中。如图4-图6的顺序所示，结块物42沿着堆积体的表面翻滚、旋转和弹跳，撞出单个颗粒，直到构造材料基本上没有结块物。随着粉末状构造材料颗粒在增加的向心力下被压紧，在瀑泻流流态中的较高弗劳德数下，压实程度增加。较致密的堆积体提供较硬的表面，与较低弗劳德数下的瀑泻流相比，该较硬的表面可有助于更有效地瓦解结块物。

现在参见图7-图9，在该示例中，供应鼓12还包括加热器54，以加热构造材料26。加热器54通常代表任何合适的加热装置，并且可包括例如辐射或微波加热元件。在所示的示例中，辐射加热元件54沿鼓12的中心轴向设置。从元件54辐射的热量在图7-图9中由线56描绘。鼓12内的构造材料26的瀑泻流的特性有助于有效地形成并保持预热的供应物36——当加热器54被通电时，表面流46和再循环流52将加热的表面颗粒混合到供应物36中。气载颗粒40也将热量运送到表面流46中。图8和图9中的点状图案58描绘构造材料供应物36中的热从图8中的流46附近的区域进展到图9中的全部堆积体。鼓12在预热期间的持续旋转防止构造材料再结块。

预热温度可根据构造材料和助熔剂的特性以及其它工艺参数而不同。在一个示例中，对于诸如下面参考图13-图21所描述的熔合方法，预热温度可低于构造材料的熔点5℃至50℃。恒温器或其它适合的温度控制装置可被用于将构造材料供应物36保持在期望的温度。

解聚、预热的构造材料18可从供应鼓12被分散，例如如图10中所示。参见图10，鼓12旋转到构造材料26可通过槽28被分散的位置。在本示例中，槽28被显示为垂直直线向下(六点钟方向)。如由图10中的箭头60所指示，当鼓12扫描横过工作区域18时阀32可被打开，以分散构造材料26的层，或者鼓12可在工作区域18上方静止，以分散构造材料26的堆。鼓12可以在工作区域18上方来回旋转(达到供应物36的休止角)，以促进通过槽28分散构造材料18。例如，可能需要一些粉末状构造材料26和/或一些几何形状的槽28来回摇动鼓12以保持构造材料26在鼓12内移动，从而有助于构造材料持续且均匀地流动通过槽28。此外，如图11中所示，通过在构造材料上方滚动鼓12(如由旋转箭头62所指示)和/或通过在构造材料上方拖动鼓12(如由平移箭头64所指示)，鼓12可被用于在工作区域18上分配和压紧构造材料26。

图12是例示为诸如可以用图3-图11中所示的供应鼓12实施的增材制造供应构造材料的一个示例方法200的流程图。参见图12，在方框202处，例如通过如图4-图6所示在鼓12中倾注构造材料26的供应物36，圆柱形容器或其它容器中的构造材料的供应物被解聚。随后，在方框204处，例如如图10中所示，通过从鼓12中的槽28分散构造材料26，解聚的构造材料从容器分散到增材制造工作区域。

现在参见图13-图21中所示的一系列剖视图，图13-图21例示使用诸如图3-图11中所示的鼓12的供应鼓12制造物体66(图21中所示)的一个示例。在图13中，从鼓12向工作区域18上分散解聚的构造材料26的第一层68。虽然图13示出构造材料26从供应鼓12被分散成层68，但是其它成层方法也是可能的。对于另一示例，如上所述，构造材料26可从鼓12分散成堆，并随后使用鼓12或者用分立的刀片或辊子摊开成层68。如果需要，例如如以上参考图7-图9所述，可在鼓12中预热构造材料26。本文中的“预热”是指在施加熔合能量之前的加热。

在图14中，例如用喷墨型分散器16将助熔剂70按照对应于第一物体切片的图案72分散到层68中的构造材料26上。助熔剂70的图案72在图中由深色点画区域描绘。在一些示例中，如图15所示，例如可以用喷墨型分散器76将细化剂74分散到层68中的构造材料26上。细化剂74可在助熔剂70之前和/或之后施加，以阻止或防止或增强构造材料26的熔合目标区域，从而提高所制造物体的尺寸精度和整体质量。在图15中所示的示例中，细化剂74被分散到区域78上，区域78覆盖了第二物体切片将突出于第一切片之上的区域。用细化剂74处理的区域78在图中由浅色点画描绘。细化剂74可被分散到构造材料层68的其它区域上，以帮助限定目标切片的其它方面，包括穿插助熔剂的图案，以例如改变切片的材料特性。

虽然示出两个分散器16和76，但是试剂70和74可以例如使用单个喷墨打印头组件中的不同打印头(或打印头组)从集成到单个装置中的分散器被分散。在本示例中，助熔剂70包括光吸收成分以吸收光从而产生热量，所产生的热量熔结、熔化或以其它方式熔合形成图案的构造材料26。因此，在图16中，层68的用助熔剂70形成图案的区域被暴露于来自光条14的光80，以熔合构造材料并形成第一物体切片82。

在图17中，构造材料26的第二层84从鼓12分散在第一层68之上。在图18中，助熔剂70按照对应于第二物体切片的图案86分散在层84中的构造材料14上。在图19中，细化剂74被分散到区域88中的层84中的构造材料26上，以有助于防止构造材料沿第二切片的边缘发生不需要的熔合。在图20中，层84的用助熔剂70形成图案的区域86被暴露于光80以熔合构造材料并形成第二物体切片90。虽然图20中示出明显的第一切片82和第二切片90，但是这两个切片实际上熔合在一起成为单个部分。现在已熔合的切片82、90可作为图21中所示的完成的物体66从工作区域18被移除。虽然示出一个简单的两切片物体66，但是可以使用相同的方法来形成更复杂的多切片物体。

图22例示诸如可以以图4-图11和图13-图21所示的顺序实施的增材制造方法210的一个示例。参见图22，在方框212处，在容器内造成粉末状构造材料的瀑泻流，例如图4-图6中所示的旋转的鼓12中的构造材料26。在方框214处，例如用图7-图9中所示的鼓12中的辐射加热元件54加热构造材料的瀑泻流，并且随后在方框216中，加热的粉末状构造材料被分散到工作区域，例如图10所示的从鼓12中的槽28分散的构造材料26。在方框218处，粉末状构造材料在工作区域中熔合，以例如图13-图16所示形成物体切片82。

图23是例示具有指令94的处理器可读介质92的方框图，指令94用以例如通过在图22中的方框212处的在供应容器内造成粉末状构造材料的瀑泻流而在3D物体的增材制造期间解聚粉末状构造材料。解聚指令94还可包括用于预热和将粉末状构造材料分散到工作区域的指令，例如通过在图22中的方框214和216处的加热构造材料的瀑泻流并将加热的粉末状构造材料分散到工作区域。图23中的处理器可读介质92是能够体现、包含、存储或维护供处理器使用的指令的任何非瞬态有形介质，并且可包括例如硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、存储卡和记忆棒以及其它便携式存储设备。具有指令94的处理器可读介质92可以例如在CAD计算机程序产品中、对象模型处理器中或增材制造机的控制器中实施。

图24是例示实施具有解聚指令94的控制器96的增材制造机10的一个示例的方框图。参见图24，机器10包括控制器96、工作区域18、构造材料供应鼓12、助熔剂分散器16、细化剂分散器76和能量源14。控制器96代表处理器(或多个处理器)、相关联的存储器(或多个存储器)和指令，以及控制增材制造机10的操作元件所需的电子电路和部件。具体地，控制器96包括具有带有解聚指令94的处理器可读介质92的存储器98，和用于读取并执行指令94的处理器100。例如，作为制造物体的方法的一部分，控制器96将接收由用于制造物体的CAD程序生成的控制数据和其它指令，并执行解聚指令94。如以上参考图3-图10所描述，粉末状构造材料可在鼓12中被解聚和预热(如果需要)。

可以使用任何合适的粉末状构造材料，包括例如金属、复合材料、陶瓷、玻璃和聚合物，并对其进行处理以制造所需的固体物体，该固体物体可以是硬的或软的、刚性的或柔性的、弹性的或非弹性的。用于如图13-21中所示的增材制造方法的合适的构造材料可包括例如聚酰胺和其它热塑性塑料。构造材料还可包括用于抑制或以其它方式改变填充特性的填充剂和/或用于改善流动性的流动助剂。

能量源14供应光或其它电磁辐射以帮助熔合用助熔剂形成图案的构造材料。能量源14可以被实施为例如红外(IR)或近红外光源、卤素光源或发光二极管。光源14可以是被配置为以大致均匀的方式向构造材料层的整个区域同时施加光能，或者将光能仅施加到构造材料层的选定区域的单个光源或多光源阵列。

合适的助熔剂可包括颜料、染料、聚合物和具有显著的光或其它能量的吸收作用的其它物质。可从惠普公司获得的商业上称为CM997A、CE039A和CE042A的炭黑墨和吸光彩色墨在适当的光源下可以是合适的助熔剂。

合适的细化剂可分离构造材料的单个颗粒以防止颗粒熔合。这种类型的细化剂的示例包括胶体墨、染料基墨和聚合物基墨，以及平均尺寸小于构造材料颗粒的平均尺寸的固体颗粒。在一个示例中，盐溶液可被用作细化剂。在其它示例中，可从惠普公司获得的商业上称为CM996A和CN673A的墨可被用作细化剂。合适的细化剂可通过防止构造材料达到高于其熔点的温度来起到改变助熔剂效果的作用。可以使用表现出适合的冷却效果的流体作为这种类型的细化剂。例如，当用冷却液处理构造材料时，施加到构造材料的能量可被吸收，从而蒸发液体以帮助防止构造材料达到其熔点。因此，例如，具有高含水量的流体可以是合适的细化剂。可以使用其它类型的细化剂。增强熔合的细化剂的示例可包括塑化剂和表面张力改性剂(其增加构造材料颗粒的润湿性)。

在权利要求中使用的“一”和“一个”表示一个或多个。

在图中示出并在上面描述的示例例示但不限制本专利，本专利在所附权利要求书中限定。

Claims (15)

1.一种用于增材制造机的构造材料供应装置，包括用于使粉末状构造材料的供应物解聚的容器。

2.根据权利要求1所述的供应装置，其中用于使粉末状构造材料供应物解聚的容器包括能旋转的容器，并且所述供应装置包括用于旋转所述容器以造成所述容器内的粉末状构造材料的瀑泻流的控制器。

3.根据权利要求2所述的供给装置，其中所述容器包括圆柱形鼓，所述鼓具有沿所述鼓纵向延伸的槽和用于打开和关闭所述槽的阀，解聚的粉末状构造材料能够通过所述槽从所述鼓被分散。

4.根据权利要求3所述的供给装置，包括在所述鼓内的加热器。

5.根据权利要求4所述的供给装置，包括所述鼓中的粉末状构造材料。

6.一种非瞬态处理器可读介质，其上包括指令，在所述指令被执行时使增材制造机将粉末状构造材料的供应物解聚，并将解聚的粉末状构造材料从所述供应物分散到工作区域。

7.根据权利要求6所述的处理器可读介质，包括用于加热解聚的粉末状构造材料的所述供应物并将加热的解聚的粉末状构造材料从所述供应物分散到工作区域的指令。

8.一种增材制造机控制器，包括根据权利要求6所述的处理器可读介质。

9.一种增材制造方法，包括:

在容器内造成粉末状构造材料的瀑泻流；

加热所述粉末状构造材料的瀑泻流；

将加热的粉末状构造材料从所述容器分散到工作区域；以及

随后在所述工作区域中熔合粉末状构造材料。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述容器是细长容器，并且所述分散包括通过所述容器中的纵向槽分散加热的粉末状构造材料。

11.根据权利要求10所述的方法，包括用所述容器压紧所述工作区域中的构造材料。

12.根据权利要求10所述的方法，其中包括在所述工作区域中的构造材料上方滚动和/或拖动所述容器。

13.根据权利要求9所述的方法，包括将空气截留在所述容器中，并且所述加热包括加热被截留在所述容器中的空气。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述容器是圆柱形容器，并且所述造成包括旋转所述容器。

15.根据权利要求9所述的方法，其中所述熔合包括在所述工作区域中熔合粉末状构造材料以形成切片，并且所述方法包括连续地重复所述分散和熔合以形成多个切片。