CN108602268B - 三维(3d)打印 - Google Patents

Abstract

在示例实施方式中，操作三维(3D)打印系统的方法包括在3D打印机的打印托盘中形成熔合的3D物体，以及振动所述托盘以使未熔合的材料与熔合的3D物体分离。

Description

三维(3D)打印

背景技术

通过提供逐层累积以及通过根据数字模型图案化的材料的统一，增材制造工艺可产生三维(3D)物体。在3D打印中，例如，连续材料层的数字图案化部分可经由包括烧结、挤出和辐射的工艺通过熔合、粘结或凝固被结合在一起。由这种系统产生的物体的质量、强度和功能根据所使用的增材制造技术的类型可能不同。通常，可利用较低成本系统产生较低质量和较低强度的物体，而可利用较高成本系统产生较高质量和较高强度的物体。

附图说明

现在将参照附图描述各示例，其中：

图1显示3D打印系统的示例，其适用于使该系统的打印托盘振动，以使未熔合的构建材料与形成3D物体的熔合的构建材料分离。

图2显示具有额外细节的图1的3D打印系统的示例，包括能够实现形成构建体积的额外的系统部件，该构建体积包括未熔合的构建材料和形成熔合的3D物体的熔合的构建材料。

图3显示动态模型的示例，其将图1的示例3D打印系统表示为三质量块系统。

图4显示3D打印系统的可替代示例，其中反作用质量块是联接到系统的打印托盘的力致动器的整体部件。

图5、图6和图7是显示操作3D打印系统的示例方法的流程图。

整个视图中，相同的附图标记指代类似但未必相同的元件。

具体实施方式

在三维(3D)打印的一些示例中，在3D打印系统(即，3D打印机)中可通过沉积和处理构建材料的层产生3D物体。构建材料的层可连续地沉积到打印托盘或平台的工作区域中。在构建材料将要熔合到一起的区域中可选择性地将熔剂施加到构建材料的层。熔剂可覆盖构建材料的层的外表面并渗透到该层构建材料中。工作区域可暴露于诸如光辐射的熔合能。施加到构建材料的熔剂能够吸收熔合能并将其转化成热能。热能可熔合构建材料的已施加熔剂的区域。随着每层构建材料沉积到工作区域中，该过程可重复，因而在打印托盘中形成构建体积，其包括构建材料的熔合区域和未熔合区域。

构建体积的熔合部分包括正产生的3D物体。构建体积的围绕熔合3D物体的剩余的未熔合部分包括通过摇动可分离的构建材料的薄弱熔合连续区。在一些示例中，其中已形成有构建体积的打印托盘可振动，以使未熔合的和/或薄弱熔合的构建材料与熔合的材料分离，从而展现熔合的3D物体。例如，可通过对托盘施加水平力以使托盘在水平方向上振动来实现打印托盘的振动。在一些示例中，力致动器可施加振荡力，其相等且相反地推动托盘和反作用质量块，以便使保持构建体积的托盘水平振动。反作用质量块又可推靠3D打印系统的底架，从而形成底架的旋转失衡。旋转失衡可对其上搁置3D打印系统的地板或支撑平台产生不希望的竖向反作用力。竖向反作用力可造成地板或平台的不希望的振动。

在于此公开的一些示例中，3D打印系统和3D打印方法使保持构建体积的打印托盘能振动，以便将熔合的构建材料和未熔合的构建材料分离，同时使对地板或支撑平台激发不希望的力的系统底架的旋转失衡最小化。示例3D打印系统包括电磁力致动器，以便对托盘和反作用质量块施加相等且相反的力。该系统包括置于打印托盘与反作用质量块之间以及反作用质量块与系统底架之间的诸如片簧的弹性支撑构件。该系统包括固定至底架的柔性座，以便接合其上搁置有系统的地板或支撑平台。针对弹性支撑构件以及针对柔性座可确定弹簧常数，从而弹性支撑构件和座可被适当地定尺寸以形成共振条件，该共振条件使打印托盘内的构建体积的振动最大化，同时使激发不希望的地板振动的旋转失衡最小化。

在具体示例中，操作三维(3D)打印系统的方法包括：在3D打印机的打印托盘中形成熔合的3D物体，然后振动托盘以使未熔合的材料与熔合的3D物体分离。在一种实施方式中，振动托盘包括对托盘施加水平力，同时使对其上搁置3D打印机的地板或其他支撑平台的力反作用力矩最小化。

在另一示例中，3D打印系统包括将在其中构建3D物体的托盘。托盘通过第一柔性支撑构件联接到反作用质量块。反作用质量块通过第二柔性支撑构件联接到3D打印系统的底架。3D打印系统包括致动器，用于通过对托盘和反作用质量块施加相等且相反的力使托盘水平振动。

在另一示例中，操作3D打印系统的方法包括在3D打印机的打印托盘内产生构建体积。该方法还包括使构建体积振动，以便将未熔合的材料与熔合的材料分离。在一些实施方式中，使构建体积振动可包括改变由力致动器对打印托盘施加的振荡力的频率和/或幅度。

图1显示3D打印系统100的示例，其适用于使系统的打印托盘102振动，以使未熔合的构建材料与形成3D物体的熔合的构建材料分离。图2显示具有额外细节的图1的3D打印系统100的示例，包括能够实现形成构建体积116的额外的系统部件(104、106、108、110、112)，该构建体积116包括未熔合的构建材料118和在构建体积116内形成熔合的3D物体114的熔合的构建材料114。

现在参照图1和图2，示例3D打印系统100包括其上可产生3D物体114的构建托盘或打印托盘102。系统100包括可控制各个系统部件的功能以便实现产生3D物体114的控制器112。通常，产生3D物体114包括：形成包括未熔合的构建材料118和熔合的构建材料114的构建体积116；和随后的振动或摇动打印托盘102内的构建体积116，以便将熔合的构建材料114(即，3D物体114)与未熔合的构建材料118分离。

如图2所示，示例控制器112可包括处理器(CPU)200和存储器202。控制器112可额外包括用于与3D打印系统100的各部件通信并对其进行控制的其他电子器件(未显示)，例如分立的电子器件和ASIC(专用集成电路)。存储器202可包括易失(即，RAM)和非易失性存储器件(例如，ROM、硬盘、光盘、CD-ROM、磁带、闪存等)。存储器202的器件包括非暂态、机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质，其用于存储机器可读编码程序指令、数据结构、程序指令模块、JDF(作业定义格式)，以及可由3D打印系统100的处理器200执行的其他数据和/或指令。

存储在存储器202中的指令的示例包括与模块204和206相关的指令，而存储数据的示例包括控制数据208。在一些示例中，控制器112可从诸如计算机的主机系统接收数据208。数据208例如表示对待在3D打印系统100上产生的3D物体进行定义的目标文件。因而，数据208包括3D打印作业，其可包括用于控制构建材料在托盘102中的分布、熔剂在构建材料的层上的施加、辐射对构建材料的层的施加等的命令和/或命令参数。利用控制数据208，处理器200可执行用于控制打印系统100的部件以便产生包括熔合的3D物体的构建体积116的指令(例如，来自构建模块204)。通常，模块204和206包括可由处理器200执行的程序设计指令，以便使3D打印系统100执行与产生构建体积116并使其振动相关的各种功能，例如，方法500、600和700的操作，在下文中分别关于图5、图6和图7进行描述。

来自构建模块204的指令例如可在处理器200上执行，以便控制构建材料供应部104将构建材料118供给到打印托盘102中。诸如辊或叶片的材料铺设设备106可被控制，以便将构建材料118的层铺设到托盘102中。来自供应部104的构建材料118可包括由适用于产生3D物体的各种材料制成的粉末状材料，例如包括诸如尼龙、聚苯乙烯和其他热塑性材料的聚合物、以及陶瓷、金属和其他材料。

来自供应部104的粉末状的构建材料118的层可依次沉积并铺设在打印托盘102中，从而形成构建体积116。尽管构建材料118逐层沉积到托盘102中，但构建材料118的不同的层在图1和图2中未显示。相反，构建材料118在图2中显示为构建体积116的形式，构建体积116随着构建材料118的层在托盘102内累积已被构建。随着每层构建材料铺设在托盘102中，喷墨打印头108或打印头可以前后方式或者以页宽阵列配置扫描通过托盘102，以便将熔剂或其他液体功能性材料选择性地沉积到层上。熔剂可在构建材料待熔合在一起以便形成3D物体114的一部分的范围内沉积到每层的区域上。熔剂可覆盖一层构建材料的外表面并渗透到该层构建材料中。通常，熔剂提高熔合能的吸收以及熔合能至热能的转化，以促进对形成3D物体的一部分的构建材料的区域的熔合。其他液体功能性材料例如可包括细化剂(detailing agent)，其可使构建材料的层的边缘增强、改良、平滑等和/或在正在形成的3D物体的层内提供不同水平的固化或熔合。

在熔剂已施加到一层构建材料118之后，构建材料可暴露于诸如来自辐射源110的辐射的熔合能。辐射源110例如可实现为IR(红外)、近IR、UV(紫外)或可见光固化灯和/或LED(发光二极管)或者激光。在一些示例中，3D打印系统包括托架120，用于支撑各种部件并将各种部件在打印托盘102上方传送，以便处理构建材料118。因而，诸如辐射源110、打印头108和材料铺设设备106的各部件可由托架120支撑和/或传送。将构建材料沉积和铺设到打印托盘102中、施加熔剂、以及将构建材料选择性地暴露于熔合能的逐层过程可重复，直到在打印托盘102内已形成构建体积116。如上所述，构建体积116包括未熔合的构建材料118和熔合的构建材料114两者，其可通过摇动或振动彼此分离，以便展示由熔合的构建材料114形成的熔合的3D物体。

在假设系统中，摇动或振动打印托盘102内的构建体积116可通过力致动器实现，该力致动器对打印托盘施加水平力，以使托盘沿水平方向振动。然而，当力致动器推靠打印托盘时，其还相等且相反地推靠联接到力致动器的任何构件(例如，系统底架或其他质量块)。托盘和所联接的构件因而将趋向于沿相反方向移动并产生旋转失衡，该旋转失衡对其上搁置系统的地板或平台造成竖向反作用力。这些竖向反作用力反过来可产生不希望的地板振动。

因而，除了能够形成构建体积116的各种部件之外，图1和图2的示例3D打印系统100包括下述部件，其能够对打印托盘102施加水平振荡力以便振动托盘102和构建体积116，同时使可造成不希望的地板振动的旋转失衡最小化。这种部件包括通过第一柔性支撑构件124联接到打印托盘102的反作用质量块122和通过第二柔性支撑构件128联接到反作用质量块122的系统底架126。系统100的底架126可通过柔性系统座138搁置在地板136或支撑平台上或抵靠地板136或支撑平台。通常，通过在托盘102和反作用质量块122之间倾斜第一柔性支撑构件124，可产生具有水平分量和竖直分量两者的托盘振动，其可使构建体积116的薄弱熔合的材料松散并对其进行输送。

力致动器130功能性地设置在打印托盘102与反作用质量块122之间，以便在如方向箭头132所示的水平方向上对托盘施加振荡力。图1和图2中所示的示例力致动器130包括电磁力致动器，其通过狭窄的气隙134对托盘102施加水平振荡力，以使托盘102和托盘内的构建体积116振动。可适用于振动打印托盘102的其他类型的力致动器例如包括偏心旋转质量振动电动机、音圈电动机等。

诸如第一柔性支撑构件124和第二柔性支撑构件128的柔性支撑构件可实现为任何合适的柔性支撑构件，其在附接柔性支撑构件的两个质量块之间实现运动。例如，第一柔性支撑构件124联接到包括打印托盘102的第一质量块，并联接到包括反作用质量块122的第二质量块，并且第一柔性支撑构件124能使两个质量块相对于彼此移动。类似地，第二柔性支撑构件128联接到反作用质量块122，并联接到底架126的质量块，并且第二柔性支撑构件128能使两个质量块相对于彼此移动。柔性支撑构件可例如实现为片簧、卷簧或扭力弹簧。

柔性系统座138联接到底架126，并在3D打印系统100抵靠地板136或平台时支撑3D打印系统100。柔性系统座138可例如实现为由橡胶或一些其他合适的弹性材料制成的弹性座，其有助于将底架126的振动与其上搁置系统100的地板136或平台隔离。柔性支撑构件124、128和系统座138具有固有弹簧率(即，弹簧常数)，该弹簧率可进行调节，以便增大或减小支撑构件和座的柔性。用于柔性支撑构件124、128和柔性系统座138的弹簧常数例如可通过调节各构件的几何形状和材料而调节。

当力致动器130产生力以便推靠打印托盘102时，该力相等且相反地推靠反作用质量块122。反作用质量块122反过来通过第二柔性支撑构件128推靠系统底架126，这趋向于在系统底架126中形成旋转失衡。当致动器130施加力时，托盘102、反作用质量块122和底架126各自的质心140、142和144可水平地移位相应的量U1、U2和U3。系统底架126的失衡致使底架126利用可造成不希望的地板振动的竖向反作用力通过柔性系统座138推靠地板/平台136。

控制器112可控制力致动器130和水平振荡力对打印托盘102的施加。例如，来自振动模块206的指令在处理器200上可执行，以便控制由力致动器130施加到打印托盘102的振荡力的幅度和频率(即，扰动频率)。在一些示例中，改变振动频率和/或振动幅度可实现构建体积116中未熔合的构建材料与熔合的构建材料更为有效的分离。在这些示例中，扰动频率可改变以匹配系统的动态共振，由此使托盘振动响应最大化。扰动频率的这种控制在一些实施方式中有利于适应与去除分离的未熔合的和/或薄弱熔合的材料有关的质量损失。

在通过振动与熔合的构建材料分离之后，未熔合的和/或薄弱熔合的构建材料(即，粉末)可通过各种方式从托盘102去除。例如，未熔合的粉末可通过托盘上方或下方的歧管通路从托盘抽真空。这种通路例如可包括增压室上方的多个管和/或穿孔托盘，空气和粉末被抽吸通过增压室。在一些示例中，托盘可包括装有格栅的外围区域，以便在托盘振动期间允许粉末穿过。在一些示例中，柔性支撑构件(例如，片簧)可在振动期间倾斜，以从托盘移走粉末。

图3例示动态模型的示例，其将示例3D打印系统100表示为三质量块系统。如图3所示，打印托盘102和构建体积116在动态模型内可共同由质量m₁表示。类似地，反作用质量块122和系统底架126可分别由质量m₂和m₃表示。柔性支撑构件124、128和柔性系统座138的弹簧常数在动态模型内可分别由常数k₁、k₂和k₃表示。

可利用下文的方程式(1)至(6)推导出其中托盘102和构建体积116的振动最大化同时系统旋转失衡最小化的共振系统条件。这可通过找出具体的共振模式或振型(其保持系统质心并消除系统旋转失衡)、然后在示例3D打印系统100内选择(即，确定)合适的弹簧常数(k₁、k₂和k₃)来实现该振型而达成。当包括托盘102、反作用质量块122和底架126的系统以这种具体振型(振动模式)振动时，出现零角动量，因而，对地板132没有竖向作用力，以便维持动态旋转平衡。

(1)

(2)m₁U₁+m₂U₂+m₃U₃＝0

(3)m₁h₁U₁+m₂h₂U₂+m₃h₃U₃＝0

(4)(-w²m₁U₁-k₁)U₁-k₁U₂＝0

(5)-k₁U₁+(-w²m₂+k₂)U₂-k₂U₃＝0

(6)-k₂U₂+(-w²m₃+k₃)U₂＝0

图1至图3所示以及方程式(1)至(6)中的变量和符号可如下在表1中定义：

表1

右手侧为零的矩阵方程式(1)的答案是未受力的共振响应，其使得打印托盘102和构建体积116的质量m₁的振动最大化。右手侧为零的线性动量方程式(2)实施未变化的线性动量和未变化的质心(质量块的中心)位置的条件。右手侧为零的角动量方程式(3)实施角动量变化为零的条件，由此通过抑制抵消旋转失衡通常所需的反转力矩使地板振动最小化。已经假设，弹簧率k₃远小于方程式(2)和(3)中的弹簧率k₁和k₂。通过在系统座130中使用相对于柔性支撑构件124和128的金属材料的软弹性材料，可实现该假设。通过相加矩阵方程式(1)中的三个方程式以及通过关系u_i＝U_i sin wt以振型幅度U_i和角频率w表示位移u_i(其中，w是角频率，t是时间，指数i＝1,2,3表示质元(mass element))，可得到方程式(2)。方程式(4)至(6)是以振型要素U_i和角频率w表示的矩阵方程式(1)的三个独立的方程式，分别描述了包括打印托盘102和构建体积116的质量m₁、反作用质量m₂和基底m₃的动态。振型[U₁ U₂ U₃]^T是描述三个质量m_i的共振时振动模式的尺度无关的三元向量。上标T表示转置。振型的尺度无关特性允许振型要素U_i随意按比例缩放，同时保持其相对幅度。

方程式(7)和(8)以振型要素U₁表示振型要素U₂和U₃，并通过利用U₁对方程式(2)和(3)进行求解而得到。振型可方便地进行比例缩放，从而振型要素U₁等于一(即，1)。

(7)

(8)

然后通过利用下文所示的方程式(9)和(10)可确定未知的弹簧常数k₁和k₂，通过利用已知的振型要素U₁、U₂和U₃求解用于k₁和k₂的方程式(4)和(6)，可得到方程式(9)和(10)。

(9)

(10)

图4例示3D打印系统100的可替代示例，其中反作用质量块122是力致动器130的整体构件。在该示例中，力致动器130可直接安装到打印托盘102，并可沿水平方向132对托盘施加振荡力。第一柔性支撑构件124也整合到力致动器130，以便柔性地支撑致动器130的主体内的反作用质量块122。在该示例中，第二柔性支撑构件128将打印托盘102联接到系统底架126。

图5、图6和图7是显示操作三维(3D)打印系统的示例方法500、600和700的流程图。方法600是包括额外细节的方法500的扩展。现在参照图5的方法500，操作3D打印系统的示例方法首先包括如方块502所示的在3D打印机的托盘中形成熔合的3D物体。熔合的3D物体可包括由构建体积内的未熔合的或薄弱熔合的构建材料围绕的熔合的构建材料。如方块504所示，方法500包括振动打印托盘以使未熔合的材料与熔合的3D物体分离。

现在参照图6，操作3D打印系统的示例方法600提供方法500的额外细节。因而，方法600在方块602处起始于在3D打印机的托盘中形成熔合的3D物体。在一些示例中，在3D打印机的托盘中形成熔合的3D物体包括：将构建材料层叠到托盘中，对构建材料的层的部分选择性地施加熔剂、以及施加熔合能以便对层的施加熔剂的部分进行熔合，分别如方块604、606和608所示。

方法600如方块610处所示可通过振动托盘以使未熔合的材料与熔合的3D物体分离继续。如方块612所示，在一些示例中，振动托盘可包括对托盘施加水平力。施加力可包括通过气隙施加电磁力。振动托盘还可以包括如方块614所示的使对其上搁置3D打印机的支撑平台的力反作用力矩最小化。

在3D打印机包括联接到反作用质量块的托盘的一些示例中，如方块616所示，使力反作用力矩最小化包括：分别确定用于将托盘联接到反作用质量块的第一柔性支撑构件的第一弹簧常数、用于将反作用质量块联接到底架的第二柔性支撑构件的第二弹簧常数、和用于将底架联接到支撑平台的柔性座的第三弹簧常数。确定弹簧常数可包括计算弹簧常数以形成共振条件，该共振条件使托盘的振动最大化，同时使造成支撑平台的振动的旋转失衡最小化，如方块618所示。

在一些示例中，如方块620所示，振动托盘可包括控制施加到托盘的振荡力的频率。

现在参照图7的方法700，操作3D打印系统的示例方法700包括在3D打印机的打印托盘内产生构建体积，如方块702所示。构建体积可包括熔合的构建材料和未熔合的构建材料。如方块704所示，方法700可包括振动构建体积以使未熔合的构建材料与熔合的构建材料分离。振动构建体积可包括对打印托盘施加振荡力，同时使由该力造成的旋转失衡最小化，分别如方块706和708所示。振动构建体积还可包括改变由力致动器施加到打印托盘的振荡力的频率和幅度，如方块710所示。

Claims (13)

1.一种操作三维打印系统的方法，包括：

在三维打印机的托盘中形成熔合的三维物体；以及

振动所述托盘以使未熔合的材料与所述熔合的三维物体分离，

其中振动所述托盘包括：

通过第一柔性支撑构件将所述托盘联接到反作用质量块；

通过第二柔性支撑构件将所述反作用质量块联接到底架；

对所述托盘施加水平力；以及

使对其上搁置所述三维打印机的支撑平台的力反作用力矩最小化，包括：针对所述第一柔性支撑构件和所述第二柔性支撑构件确定弹簧常数以形成共振条件，该共振条件使所述托盘内的构建体积的振动最大化，同时使旋转失衡最小化。

2.如权利要求1所述的方法，其中施加水平力包括通过气隙施加电磁力。

3.如权利要求1所述的方法，其中振动所述托盘包括控制施加到所述托盘的振荡力的频率。

4.如权利要求1所述的方法，其中使力反作用力矩最小化包括：

分别确定所述第一柔性支撑构件的第一弹簧常数、所述第二柔性支撑构件的第二弹簧常数、以及用于将所述底架联接到所述支撑平台的柔性座的第三弹簧常数。

5.如权利要求4所述的方法，其中确定第一弹簧常数、第二弹簧常数和第三弹簧常数包括计算所述弹簧常数以形成共振条件，该共振条件使所述托盘的振动最大化，同时使造成所述支撑平台的振动的旋转失衡最小化。

6.如权利要求1所述的方法，其中形成熔合的三维物体包括：

将构建材料层叠到所述托盘中；

对所述构建材料的层的部分选择性地施加熔剂；以及

施加熔合能以便对所述层的施加所述熔剂的所述部分进行熔合。

7.一种三维打印系统，包括：

其中将构建三维物体的托盘；

通过第一柔性支撑构件联接到所述托盘的反作用质量块；

通过第二柔性支撑构件联接到所述反作用质量块的底架；以及

联接到所述反作用质量块以便对所述托盘施加振荡力来水平振动所述托盘的力致动器。

8.如权利要求7所述的三维打印系统，其中所述力致动器包括设置在所述托盘与所述反作用质量块之间的电磁气隙致动器。

9.如权利要求7所述的三维打印系统，进一步包括柔性座，用于将所述底架安装到其上将搁置所述三维打印系统的地板。

10.如权利要求9所述的三维打印系统，其中所述第一柔性支撑构件、所述第二柔性支撑构件和所述柔性座分别包括第一弹簧常数、第二弹簧常数和第三弹簧常数，这些弹簧常数被调整，以使对所述托盘的振动最大化，同时使由所述力对所述地板造成的力矩反作用最小化。

11.如权利要求7所述的三维打印系统，其中所述柔性支撑构件包括片簧。

12.一种操作三维打印系统的方法，包括：

在三维打印机的打印托盘内产生构建体积；以及

振动所述构建体积以使未熔合的材料与熔合的材料分离，

其中振动所述构建体积包括：

通过第一柔性支撑构件将所述打印托盘联接到反作用质量块；

通过第二柔性支撑构件将所述反作用质量块联接到底架；

对所述打印托盘施加振荡力；以及

使所述振荡力造成的旋转失衡最小化，包括：针对所述第一柔性支撑构件和所述第二柔性支撑构件确定弹簧常数以形成共振条件，该共振条件使所述打印托盘内的构建体积的振动最大化，同时使所述旋转失衡最小化。

13.如权利要求12所述的方法，其中振动所述构建体积包括改变由力致动器施加到所述打印托盘的振荡力的频率和幅度。

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