CN108712956A - 形成三维物体 - Google Patents

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Abstract

一种形成三维物体的方法包括，采用热图像相机检测构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度，以及如果构建材料基床的至少一个区域的控制点的所检测温度不等于设定温度，调节向灯具阵列的至少一个灯具提供的功率水平。

Description

形成三维物体
背景技术
增材制造机器通过构建材料层来制造三维(3D)物体。一些增材制造机器可以称作“3D打印装置”，因为它们通常使用喷墨或其他打印技术以施加一些制造材料。3D打印装置和其他增材制造机器使得能够将计算机辅助设计(CAD)模型或物体的其他数字表示直接地转换为物理物体。
附图说明
附图图示了在此所述原理的各个示例并且是说明书的一部分。所示的示例仅为了示意说明而给出，并且并未限制权利要求的范围。
图1是根据在此所述原理的一个示例的、用于形成三维物体的计算装置的方框图。
图2是根据在此所述原理的一个示例的、三维(3D)打印装置的方框图。
图3是根据在此所述原理的一个示例的三维(3D)打印装置的等角剖视图。
图4是根据在此所述原理的一个示例的、图2和图3的3D打印装置的构建材料基床的顶视方框图。
图5是示出了根据在此所述原理的一个示例的、形成3D物体的方法的流程图。
图6是示出了根据在此所述原理的一个示例的、形成3D物体的方法的流程图。
遍及附图，相同的附图标记指示类似的、但是并非必须相同的元件。
具体实施方式
增材制造机器通过固化在打印装置内的粉末基床上的多个层构建材料而制造3D物体。增材制造机器基于例如采用CAD计算机程序产品所生成的物体的3D模型中的数据而制造物体。将模型数据处理成切片，每个限定待固化的构建材料的单层或多层的一部分。以下所述的增材制造的示例使用有时被称作“光区域处理”(LAP)的技术，包括选择性激光烧结(SLS)和多喷口熔融3D打印装置。采用LAP，将聚结剂以所需图案分配至构建材料诸如可烧结材料的层上，并且随后暴露至电磁辐射。电磁辐射可以包括红外光、激光、或其他合适的电磁辐射。聚结剂中的光吸收组分吸收电磁辐射以生成额外的热量，该额外的热量烧结、熔化或另外聚结图案化的构建材料，允许图案化构建材料固化。
LAP中构建材料的加热可以以两个过程而发生。在第一过程中，构建材料被加热至并维持在刚好低于构建材料的聚结温度的温度下。在第二过程中，将聚结剂以所需图案“打印”或另外分配至构建材料上并暴露至另一相对较高强度的电磁辐射源。该相对较高强度的光被吸收至图案化的聚结剂中，使得周围的构建材料聚结。以宽光谱发光的卤素灯可以用于这两个过程中。
采用这些3D打印装置，当在烧结之前构建材料在整个构建材料层之上维持在预定温度下时可以实现所打印3D物体的较高品质。在一个示例中，所维持的温度可以是刚好低于构建材料的聚结温度的温度。在该示例中，所维持的温度可以是偏离构建材料的聚结温度2°至3℃。可以不出现任何较冷、并且可能不正确地完成构建材料的烧结而直接地使得形成了3D物体的形变的构建材料或烧结。
一些3D打印装置可以使用高温计以测量粉末基床温度，而其他3D打印装置可以使用小型热图像相机以测量粉末基床的整个表面或者构建材料基床上除了由高温计所监控的之外的至少一些点。
在打印过程期间，构建材料基床内温度波动可以使得机械应力施加在被打印的物体上。进一步，在其中提供了电磁辐射的不足水平或环境温度太低的情形中可能无法实现构建材料的可烧结性。这导致并未形成物体的层的至少一部分并且可以使得物体结构上和视觉上有缺陷。另外进一步，太多电磁辐射或者太高环境温度可以使得沉积在3D打印装置的构建材料基床上的可烧结材料过早地烧结，并且创建并未由以所需图案打印在构建材料上的聚结剂所限定的物体的一部分。因此，构建材料基床的表面上的温度梯度可以导致劣等的打印物体。跨越构建材料基床的相对于设置控制温度正负2℃的温度均匀性将导致结构上和视觉上优良的3D打印物体。然而，不同于之前的3D打印装置，在此所述的方法和系统维持了在构建材料基床上的温度均匀性。
在此所述的示例提供了形成3D物体的方法和对应的系统。方法可以包括采用灯具阵列照射构建材料。灯具阵列包括多个灯具。方法也可以包括采用热图像相机检测构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度。
热图像相机将区域的所感测到的温度传播至处理器和比例积分微分(PID)控制器以确定区域的所检测到的温度是否在所需的温度数值或数值范围之外。如果区域的所检测到的温度并未在所需的温度数值或数值范围外，则再次检测构建材料基床的温度。然而，如果区域的检测到的温度在所需温度数值或数值范围之外，则处理器和PID控制器基于灯具阵列内的灯具的位置而限定分配至多个灯具中的每个灯具的若干权重。在一个示例中，可以在加热或者检测构建材料基床的温度之前或之后执行灯具权重的限定。K1,K2,...Kn限定对于灯具阵列内n组灯具的所分配的灯具权重。在一个示例中，灯具阵列内灯具的权重可以如下限定：被定位于灯具阵列角落的灯具被分配1.0的权重，被定位于灯具阵列侧边上的灯具被分配近似在0.7和0.8之间的权重，以及被定位于灯具阵列的内部部分上的灯具被分配近似在0.2和0.4之间的权重。
PID控制器提供控制回路反馈并且连续地计算误差值作为在所需设置点诸如3D打印装置的构建材料基床的所需温度与测得工艺变量之间的差值。作为PID控制器的计算的一部分而输入以上权重。
在此所述的示例也提供了用于形成三维物体的系统。系统包括构建材料基床，以及定位用于辐射至构建材料基床上的灯具阵列。灯具阵列包括被定位于灯具阵列的中心的多个灯具，被定位于灯具阵列的边缘的多个灯具，以及被定位于灯具阵列角落的多个灯具。系统可以进一步包括比例积分微分(PID)控制器以控制向灯具阵列的每个灯具提供的功率。PID控制器使得灯具阵列照射构建材料基床，采用热图像相机检测在构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度，以及如果构建材料基床的至少一个区域的控制点的所检测温度不等于设定温度，则调节提供至灯具阵列的至少一个灯具的功率水平。
灯具阵列被定位于与构建材料基床分离的封闭环境内。此外，热图像相机是用于检测从构建材料基床辐射出的红外辐射的红外成像相机。
在此所述的示例也提供了一种用于形成三维物体的计算机程序产品。计算机程序产品包括非暂时性计算机可读存储介质。计算机可读存储介质包括嵌入其中的计算机可用的程序代码。计算机可用的程序代码当由处理器执行时采用热图像相机检测在构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度，并且如果检测到的构建材料基床的至少一个区域的控制点的温度不等于设定温度则调节提供至照射构建材料的灯具阵列的多个灯具的至少一个的功率水平。
计算机程序产品包括用于当由处理器执行时基于灯具阵列内的灯具的位置而限定分配至每个灯具的多个权重的计算机可用的程序代码。被定位于灯具阵列的角落的灯具被分配1的权重，被定位于灯具阵列的侧边上的灯具被分配小于1的权重，被定位于灯具阵列的内部部分上的灯具被分配比被定位于灯具阵列的侧边上的灯具较小的权重。计算机程序产品包括用于当由处理器执行时基于对于每个灯具的权重水平而提供至灯具阵列的灯具的功率水平的计算机可用程序代码。在一个示例中，构建材料基床的至少一个区域包括构建材料基床的多个区域。
方法可以进一步包括，如果检测到的构建材料的至少一个区域的控制点的温度不等于设置温度则调节提供至灯具阵列的至少一个灯具的功率水平。基于对于多个灯具中的每个灯具所限定的权重水平而执行该功率调节。
如在本说明书和所附权利要求中所使用，术语“构建材料基床”或类似语言意在广义地理解为3D物体构建材料沉积在其上的任何衬底。在一个示例中，构建材料可以是陶瓷粉末。聚结剂可以沉积在构建材料基床上。聚结剂吸收额外的电磁辐射以生成额外的热量，该额外的热量烧结、熔化或另外聚结了构建材料基床的构建材料，允许构建材料固化并形成3D物体。
在以下说明书中，为了解释说明的目的，阐述多个具体细节以便于提供对于本发明系统和方法的全面理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，本发明的设备、系统和方法可以不采用这些具体细节而实施。说明书中对于“示例”或类似语言的参考意味着如所述包括结合该示例描述的特定特征、结构或特性，但是可以不包括在其他示例中。
现在参照附图，图1是根据在此所述原理的一个示例的、用于形成三维物体的计算装置(100)的方框图。计算装置(100)可以实施在电子装置中。电子装置的示例包括服务器、台式计算机、膝上型计算机、个人数字助理(PDAs)、移动装置、智能电话、游戏系统、和平板以及其他电子装置。
计算装置(100)可以利用在任何数据处理场景中，包括独立硬件、移动应用，通过计算网络、或者其组合。进一步，计算装置(100)可以用于计算网络、公用云网络、专用云网络、混合云网络、其他形式网络、或者其组合中。在一个示例中，由计算装置(100)提供的方法由例如第三方作为服务而通过网络提供。在该示例中，服务可以包括例如以下：软件即服务(SaaS)，托管(hosting)多个应用；平台即服务(PaaS)，除了其他之外托管例如操作系统、硬件和存储装置的计算平台；以及基础结构即服务(IaaS)，托管设备诸如例如服务器、存储部件、网络、和部件，除了其他之外；应用程序接口(API)即服务(APIassS)，其他形式的网络服务，或者其组合。本发明系统可以实施在一个或多个硬件平台上，其中系统中的模块可以执行在一个平台上或跨多个平台而执行。该些模块可以运行在各种形式的云技术和混合云技术上，或者作为可以实施在云端或离开云端实施的SaaS(软件即服务)。在另一示例中，由计算装置(100)提供的方法由本地管理员执行。
为了实现其所需功能，计算装置(100)包括各种硬件部件。在这些硬件部件之中可以有多个处理器(101)，多个数据存储装置(102)，多个外围装置适配器(103)，多个网络适配器(104)，以及比例积分微分(PID)控制器(110)。这些硬件部件可以通过使用多个总线和/或网络连接而互联。在一个示例中，处理器(101)、数据存储装置(102)、外围装置适配器(103)、网络适配器(104)和PID控制器(110)可以经由总线(105)而通信地耦合。
处理器(101)可以包括硬件架构以从数据存储装置(102)检索可执行代码并执行该可执行代码。可执行代码可以当由处理器(101)执行时使得处理器(101)实施以下功能：至少使得3D打印装置采用包括多个灯具的灯具阵列照射构建材料基床、采用热图像相机检测构建材料基床的至少一个区域内的控制点温度、以及如果构建材料基床的至少一个区域的控制点的所检测温度不等于设定温度，则调节向灯具阵列的至少一个灯具提供功率水平，根据在此所述本发明说明书的方法。在执行代码的过程中，处理器(101)可以从多个剩余的硬件单元接收输入并且向其提供输出。
数据存储装置(102)可以存储数据，诸如由处理器(101)或其他处理装置执行的可执行程序代码。如将讨论的，数据存储装置(102)可以特别地存储表示了处理器(101)执行用于实施至少在此所述功能的多个应用的计算机代码。
数据存储装置(102)可以包括各种类型存储模块，包括易失性和非易失性存储器。例如，本发明示例的数据存储装置(102)包括随机存取存储器(RAM)(106)，只读存储器(ROM)(107)，以及硬盘驱动(HDD)存储器(108)。也可以利用多个其他类型存储器，并且本发明说明书设计了在数据存储装置(102)中使用多个变化类型的存储器，如可以适用在此所述原理的特定应用。在特定示例中，数据存储装置(102)中不同类型存储器可以用于不同的数据存储需求。存储器(ROM)(107)维持了在硬盘驱动(HDD)存储器(108)中的非易失性存储，并且执行存储在随机存取存储器(RAM)(106)中的程序代码。
通常，数据存储装置(102)可以包括计算机可读介质，计算机可读存储介质，或者非暂时性计算机可读存储介质，除了别的之外。例如，数据存储装置(102)可以是但不限于是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置，或者前述装置的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例可以包括例如以下：具有多个引线的电连接，便携式计算机软盘，硬盘，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)，光学存储装置，磁性存储装置，或者前述装置的任何合适组合。在本文献的上下文中，计算机可读存储介质可以是包含或存储由指令执行系统、设备或装置所使用或者与其结合而使用的计算机可用程序代码的任何有形介质。在另一示例中，计算机可读存储介质可以是包含或存储由指令执行系统、设备或装置使用或者与其结合使用的程序的任何非暂时性介质。
计算装置(100)中的硬件适配器(103,104)使得处理器(101)与在计算装置(100)外部和内部的各种其他硬件元件接口。例如，外围装置适配器(103)可以提供至诸如例如显示装置(109)、3D打印装置(200)、鼠标或键盘的输入/输出装置的接口。外围装置适配器(103)也可以提供至其他外部装置诸如外部存储装置、多个网络装置诸如例如服务器、交换机、和路由器、客户端装置、其他类型计算装置、以及其组合的访问。
PID控制器(110)是用在工业控制系统中的控制回路反馈机制或控制器，并且其在此用于调节在单点温度控制模式和多区域温度闭环控制模式中3D打印装置(200)的构建材料基床(图2和图3,205)的温度。在一个示例中，PID控制器(110)用于调节沉积在构建材料基床(图2和图3,205)上的构建材料的温度。如上所述，构建材料被维持在刚好低于构建材料的聚结温度的目标温度下，其在一个示例中可以与构建材料的聚结温度偏离2°至3℃。
对于单点温度控制模式和多区域温度闭环控制模式两者，PID控制器(110)用于确定将要如何调节向3D打印装置(200)内多个灯具提供的功率。PID控制器(110)连续地计算误差值作为在所需设定点诸如3D打印装置(200)的构建材料基床的所需温度与测得工艺变量之间的差值。PID控制器(110)通过将控制变量诸如向3D打印装置(200)内灯具阵列内的多个灯具提供的功率(伏特为单位)调节为如下权重求和所确定的新数值而最小化随时间变化的误差：
方程1
其中均是非负的Kp,Ki,和Kd分别表示对于比例、积分和微分项的系数，并且有时标注为P、I和D。在该模型中，“P”代表误差的当前数值。例如，如果误差是大且正的，控制输出也将是大且正的。“I”代表误差的过去数值。例如，如果电流输出不够强，误差将随着时间累积，并且控制器将通过应用更强动作而响应。“D”表示误差的可能的未来数值，基于其当前变化率。
单点温度控制模式控制了使用方程1作为整体所控制的3D打印装置(200)的灯具以确定作为阵列的灯具的功率变化以影响构建材料基床的温度，仿佛整个构建材料基床是单个区域一样。
然而，关于多区域温度闭环控制模式，PID控制器(110)利用于上方程1以通过单独地或分组的调节分配至特定区域的多个灯具的功率水平而单独地影响构建材料基床的多个逻辑分隔区域的温度。在一个示例中，可以由在被定位于灯具或灯具分组之下区域处检测到的温度而控制3D打印装置(200)中每个灯具或灯具分组。以下的方程2适用于每个区域，基于由在各自灯具或灯具分组之下的热图像相机所检测到的温度。因此，在多区域温度闭环控制模式中，可以如下由方程2控制对于3D打印装置(200)中每个灯具的功率：
方程2：
LampVoltage＝K1(Eq1 for zone 1)+K2(Eq1 for zone 2)+...Kn(Eq1 for zonen)
其中K1,K2,...Kn是取决于每个区域从每个灯具所接收的辐射量的权重。如果特定灯具直接被定位于特定区域之上，该系数相对于并未直接在特定区域之上灯具而较高。因此，灯具越远离特定区域，灯具对于该特定区域的影响越低，并且因此系数越低。
K1,K2,...Kn的权重可以基于例如逻辑地限定在3D打印装置(200)的构建材料基床上的每个区域从特定灯具或灯具分组接收到的辐射水平而定义为分配至3D打印装置(200)的多个灯具中的每个灯具的多个权重。如果构建材料基床中逻辑限定区域的数目等于3D打印装置(200)的灯具的数目，则可以分配灯具和区域之间的一对一的对应关系，其中一个区域分配被定位于该区域之上的灯具。如果灯具的数目大于逻辑限定区域的数目，则被定位于特定区域之上的灯具分组可以分配至该特定区域。在一个示例中，对于灯具阵列内灯具的权重可以定义如下：被定位于阵列角落的灯具被分配1的权重，被定位于阵列侧边上的灯具被分配小于1的权重，以及被定位于阵列内部部分上的灯具被分配比被定位于灯具阵列侧边上的灯具较小的权重。
进一步，在一个示例中，被定位于阵列角落的灯具可以被分配1.0的权重，被定位于阵列侧边上的灯具可以被分配大约在0.7和0.8之间的权重，并且被定位于灯具阵列的内部部分上的灯具可以被分配大约在0.2和0.4之间的权重。在另一示例中，被定位于阵列角落的灯具可以分配1.0的权重，被定位于阵列侧边上的灯具可以分配大约0.8的权重，以及被定位于灯具阵列的内部部分上的灯具可以分配大约在0.05和0.4之间的权重。调节单独地提供至灯具的功率水平是基于对于多个灯具中的每个灯具所限定的权重水平。如在本发明说明书和所附权利要求中所使用，术语“大约”或类似语言意味着结合以上权重广义地理解为所述权重加上或减去(±)0.5。
对于灯具调节的功率水平可以是基于切割了电压信号的固定正弦张力的均方根(RMS)电压。在该示例中，使用脉冲宽度调制(PWM)切割恒定电流(cc)电压以实现所需输出RMS信号。在一个示例中，可变cc电压电平、可变正弦幅度电平、或其他电流控制方法诸如经由可变电阻器的电流控制可以用于实现输出至灯具的目标功率水平。
因为PID控制器(110)依赖于测得工艺变量，并且不知晓下层工艺，其广泛地可应用。通过微调模型的三个参数，PID控制器(110)可以应对特殊的工艺需求。可以根据其对于误差的反应、系统过载设定点的程度、以及任何系统振荡程度而描述PID控制器(110)的响应。
在一个示例中，计算装置(100)可以经由网络连接耦合至3D打印装置(200)，或者可以直接地耦合至3D打印装置(200)。在另一示例中，计算装置(100)可以是3D打印装置(200)的一部分。在该示例中，计算装置(100)的元件可以包括在3D打印装置(200)内以形成单个计算机使能的装置。因此，计算装置(100)和3D打印装置(200)可以包括至相同的装置中。
可以提供显示装置(109)以允许计算装置(100)的用户与计算装置(100)交互并实施其功能。外围装置适配器(103)也可以在处理器(101)与显示装置(109)、打印机或其他媒体输出装置之间创建接口。网络适配器(104)可以提供至在例如网络内其他计算装置的接口，由此使能在计算装置(100)和被定位于网络内其他装置之间数据的传输。
计算装置(100)可以当由处理器(101)执行时在与可执行程序代码相关联的显示装置(109)上显示代表了存储在数据存储装置(102)上应用数目的图形用户界面(GUIs)的数目。GUIs可以包括可执行代码的特征方面。GUIs可以例如显示采用例如CAD计算机程序产品所生成的物体的3D模型，作为将要由3D打印装置(200)打印的物理物体的表示。额外地，经由在显示装置(109)的GUIs上做出多个交互手势，用户可以准备代表了物体的数据并且指示3D打印装置(200)以打印物体。显示装置(109)的示例包括计算机屏幕，膝上型计算机屏幕，移动装置屏幕，个人数字助理(PDAs)屏幕，以及平板屏幕，以及其它显示装置(106)。以下将更详细描述3D打印装置(200)。
计算装置(100)进一步包括用于在此所述方法和系统的实施方式中的多个模块。计算装置(100)内各个模块包括可以分立地执行的可执行程序代码。在该示例中，各个模型可以存储作为分立计算机产品。在另一示例中，计算装置(100)内各个模块可以在多个计算机程序产品内组合；每个计算机程序产品包括多个模块。
计算装置(100)可以包括例如灯具功率模块(111)以当由处理器(101)执行时如果检测到的构建材料基床的至少一个区域的控制点的温度不等于设定温度，则调节向灯具阵列的至少一个灯具提供的功率。在一个示例中，功率的调节是基于由PID控制器(110)提供的控制回路反馈。以该方式，当构建材料的温度不等于所需温度时，处理器(101)执行灯具功率模块(111)，并且基于由PID控制器(110)提供的控制回路反馈，调节向灯具、阵列内灯具分组或单个灯具提供的功率的量。
现在将描述图2和图3的3D打印装置(200)。根据在此所述原理的一个示例，图2是3D打印装置(200)的方框图。进一步，图3是根据在此所述原理的一个示例的3D打印装置(200)的等角剖视图。在一个示例中，3D打印装置(200)和PID控制器(110)替代了计算装置(100)。
3D打印装置(200)包括构建材料基床(205)。构建材料基床(205)可以是其上层压了构建材料诸如可烧结材料的任何类型衬底。如上所述，构建材料基床(205)可以容纳任意数目的构建材料和聚结剂层：一次在构建材料基床(205)上沉积每个层以便于形成3D物体的不同层。在示例中，多个构建材料供应储槽可以傍靠构建材料基床(205)而定位。构建材料层压装置(215)可以从构建材料供应储槽接收一定量构建材料并且将构建材料的第一或新的层沉积至构建材料基床(205)上。因此，如在本发明说明书和所附权利要求中所使用，术语“构建材料基床”或类似语言意味着广义地理解为其上沉积了3D物体构建材料的任何衬底。
3D打印装置(200)包括灯具阵列(225)。灯具阵列(225)包括多个灯具(210-1至210-24)，共同地在此称作灯具(210)。灯具(210)可以包括发出电磁辐射以向构建材料基床(205)提供热量的任意数目的装置。在一个示例中，灯具(210)可以是红外(IR)灯具，其发出在700纳米和1微米波长之间的红外波长中的电磁辐射。在一个示例中，灯具阵列(225)的灯具(210)包含在外壳中，外壳包括顶部部分以及来自灯具(210)的电磁辐射穿过其投射出的玻璃嵌板(240)。玻璃嵌板(24)将灯具(210)与3D打印装置(200)的内部分离。进一步，在一个示例中，在外壳内的灯具阵列(225)可以暴露至专用的制冷系统以在操作期间保持灯具(210)凉冷，但是也将由制冷系统提供的冷空气与3D打印装置(200)内部和构建材料基床(205)分离以便于在3D打印装置(200)的打印区域内维持已调节温度而同时仍然能够冷却在分隔开环境内的灯具(210)。
热图像相机(212)可以耦合至灯具阵列(225)。在一个示例中，热图像相机(212)耦合至灯具阵列(225)的中心部分。在灯具阵列(225)的灯具(210)之中热图像相机(212)的中心位置提供了对构建材料基床(205)和布置在其上的构建材料层的均匀加热。进一步，在灯具阵列(225)的灯具(210)之中热图像相机(212)的中心位置提供对存在于构建材料基床(205)上温度分布的更高效和包括性检测和测量，因为热图像相机(212)能够从直接成角度的位置对整个构建材料基床(205)成像。在该示例中，定位灯具(210)以使得灯具(210)可以精确地加热在构建材料基床(205)上的构建材料层，包括并未直接地由灯具(210)覆盖但是由热图像灯具(212)所占据的构建材料基床(205)的中心部分。
然而，在其他示例中，热图像相机(212)可以被定位于3D打印装置(200)内任何位置。热图像相机(212)可以是可以检测例如从构建材料基床(205)的至少一部分发出的电磁辐射诸如红外辐射的任何类型相机。可以使用任意数目热相机以检测构建材料基床(205)的整个表面的全部或一部分。在示例中，热图像相机(212)检测从构建材料基床(205)发出的具有高达14,000nm波长的电磁辐射。在该示例中，相机连续地沿着整个构建材料基床(205)的检测发出的红外辐射。在示例中，可以替代于热图像相机(212)而使用高温计的阵列，每个高温计检测在构建材料基床(205)的表面上单个点的发射率。在该示例中，温度数据的像素的数目可以取决于阵列中高温计的数目。在另一示例中，高温计可以与热图像相机(212)结合使用于获得构建材料基床(205)的多个区域的温度。在另外另一示例中，多个热图像相机(212)可以用于获得构建材料基床(205)的多个区域的温度。在又一示例中，单个热图像相机(212)可以用于获得构建材料基床(205)的多个区域的温度。
参照图3，3D打印装置(200)包括构建材料基床(205)，热图像相机(212)，具有滚轴(235)的构建材料层压装置(215)，多个灯具(210)，以及打印头(230)。现在将更详细描述这些的每一个之间的相互作用。
在工作期间，热图像相机(212)可以连续地监控构建材料基床(205)的温度。热图像相机(212)监控由构建材料基床(205)发出的红外辐射，此时构建材料基床(205)被灯具(210)加热至在构建材料的聚结温度之下的2°至3℃之间的温度。在一个示例中，热图像相机(212)也可以监控由构建材料发出的红外辐射，构建材料也由灯具(210)加热升温。构建材料层压装置(215)在构建材料基床(205)之上行进。构建材料层压装置(215)在构建材料基床(205)的每个部分之上经过并且将构建材料层放置至构建材料基床(205)上。滚轴(235)沿着构建材料基床(205)的表面铺开或平摊构建材料以便于实现沿着构建材料基床(205)的整个表面的构建材料的均匀覆盖。
如上所述，打印头(235)也可以经过构建材料基床(205)的全部以便于将聚结剂沉积至构建材料的第一或新形成层的表面上。在示例中，聚结剂从打印头(230)上多个发电磁辐射的灯吸收额外的能量。因为由聚结剂吸收该额外能量，聚结剂开始加热周围的构建材料至等于或高于构建材料的聚结温度。这熔化、烧结或另外聚结了构建材料，使得以形成3D物体的一部分。
3D打印装置(200)中灯具阵列(225)的功能是用于将构建材料基床的未打印部分设置为特定温度。再次参照图2和图3两者，灯具阵列(225)可以包括任意数目灯具(210)。在图2中，示出了24个灯具(210)。然而，可以在灯具阵列(225)中包括任意数目灯具(210)以便于加热构建材料基床(205)。计算灯具阵列(225)中灯具的数目和布置以提供在构建材料基床(205)的表面之上的均匀辐射，考虑了可以在不同功率水平下对灯具(210)供电。因此，3D打印装置(200)可以包括灯具阵列(225)，其包括不同的布置并且灯具(210)的定位例如基于构建材料基床(205)的大小。在一个示例中定位相对更靠近灯具阵列(225)中心的灯具(210-21，210-22，210-23，210-24)可以在比灯具阵列(225)的(外侧边缘的、可以工作在相对较高功率水平下的)灯具(210-1至210-20)以相对较低的功率水平工作。这是因为构建材料基床(205)的中心从所有灯具(210)接受辐射，而构建材料基床(205)的外侧边缘从直接地被定位于构建材料基床(205)区域之上的灯具(210-1至210-20)接受辐射。在一个示例中，并且如以下更详细所述，灯具(210)可以分配权重因子，其限定了相对于灯具(210)的功率变化如何影响特定灯具(210)。例如，被定位于灯具阵列(225)角落的灯具(210)可以被分配1的权重，被定位于灯具阵列(225)侧边上的灯具可以被分配小于1的权重，以及被定位于灯具阵列(225)的内部部分上的灯具(210)被分配小于被定位于灯具阵列(225)侧边上的灯具(210)的权重。调节提供至灯具阵列(225)的灯具(210)的功率水平可以是基于对于多个灯具(210)的每一个限定的权重等级。
如上所述，由被定位于灯具阵列(225)内或附近的热图像相机(212)提供用于控制灯具(210)的反馈。此外，如上所述，如图2所示被定位于灯具阵列(225)中心处的单个热图像相机可以是足够的。然而，在一个示例中，多个热图像相机(212)也可以被定位于灯具阵列(225)的侧边处以检测构建材料基床(205)的外侧部分的温度。
图4是根据在此所述原理的一个示例的、图2和图3的3D打印装置(200)的构建材料基床(205)的顶视方框图。图4示出了在构建材料基床(205)上打印的3D物体(405)。在图4的示例中，3D物体(405)包括环面形状。当形成3D物体时，可以不在其上打印构建材料基床(205)的一部分。这些未打印部分由3D打印装置(200)和计算装置(100)使用于沿着构建材料基床(205)的表面维持均匀的温度。
在一个示例中，构建材料基床(205)可以逻辑地划分为多个不同区域(400-1至400-9)，共同在此称作区域(400)。图4中示出九个区域(400)。然而，更少或更多区域(400)可以逻辑地划分构建材料基床(205)的表面。在一个示例中，区域的数目是用户可定义的。进一步，在一个示例中，区域的数目等于灯具阵列(225)中灯具(210)的数目。来自不同区域(400)的温度读数可以用于确定构建材料基床(205)的什么部分具有在所需温度数值或数值范围之外的温度。在多区域温度闭环控制系统中，构建材料基床(205)逻辑地划分为图4中所示的区域(400)，并且每个区域(400)的温度受到由灯具阵列(225)中不同灯具(210)所发出辐射的影响。在一个示例中，特定灯具(210)越靠近特定区域(400)，特定灯具(210)对于特定区域(400)温度的影响越大。可以以该方式限定多区域温度闭环控制系统，并且可以由PID控制器(110)基于分配至每个灯具(210)和对于每个区域(400)的多个权重而限定每个灯具(210)的功率水平以及作为结果的所发出电磁辐射的水平。在一个示例中，每个灯具(210)或一组灯具可以基于在区域(400)或灯具(400)或一组灯具之下区域的检测到的温度而控制每个灯具(210)或每组灯具。
可以选择多个控制点(410)并沿着构建材料基床(205)的表面限定。控制点(410)可以是构建材料基床(205)上并未打印的任何点。因此，选择用作温度闭环控制点的控制点将是构建材料基床(205)的未打印部分。尽管构建材料基床(205)的已打印区域的温度可以用于3D打印装置中其他热量控制系统，构建材料自身或已打印区域的温度通常不与灯具阵列(225)结合使用。
图5是示出了根据在此所述原理的一个示例的形成3D物体的方法的流程图。图5的方法可以开始于采用灯具(210)的阵列(225)照射(方框501)构建材料基床(205)。灯具(210)的阵列(225)包括多个灯具(210)。方法也可以包括采用热图像相机(212)检测在构建材料基床(205)的至少一个区域(400)内控制点(410)的温度。如果检测到的构建材料基床(205)的至少一个区域(400)的控制点(410)的温度不等于设置温度，可以调节(方框503)向灯具阵列(225)的至少一个区域(400)提供的功率水平。现在将结合图6描述关于图5的方法的更多细节。
图6是根据在此所述原理的另一示例的、形成3D物体的方法的流程图。图6的方法可以开始于采用灯具(210)的阵列(225)照射(方框601)构建材料基床(205)。灯具(201)的阵列(225)包括多个灯具(210)。方法也可以包括采用热图像相机(212)检测(方框602)在构建材料基床(205)的至少一个区域(400)内控制点(410)的温度。
热图像相机(212)将区域(400)的感测到温度转发至处理器(101)和PID控制器(110)以判定(方框603)区域(400)的检测到温度是否在所需温度数值或数值范围之外。如果检测到的区域(400)的温度并未在所需温度数值或数值范围之外(方框603，判定为否)，则方法循环返回至方框602以再次检测温度。以该方式，连续地感测并分析构建材料基床(205)的温度。
然而，如果检测到区域(400)的温度在所需温度数值或数值范围之外(方框603，判定为是)，则处理器(101)和PID控制器(110)基于灯具阵列(225)内灯具(210)的位置而限定(方框604)分配至多个灯具(210)的每一个的多个权重。在一个示例中，可以在方框601、602或603之前或之后执行灯具(210)的权重的限定(方框604)，并且可以甚至离线执行。如上所述，灯具阵列(225)可以包括以任意数目或布置类型设置的任意数目灯具(210)。然而，在一个示例中，灯具(210)可以分配权重因子，其限定了相对于灯具(210)的功率变化如何影响特定灯具(210)。通常，为了得到均匀辐射，并且以便于获得作为结果的均匀加热的构建材料基床(205)，在特定功率水平下对每个灯具(210)供电。因此，在一个示例中，被定位于灯具阵列(225)角落的灯具(210)可以被分配1的权重，被定位于灯具阵列(225)的侧边上的灯具(210)可以被分配小于1的权重，并且被定位于灯具阵列(225)内部部分上的灯具(210)被分配比在灯具阵列(225)侧边上的灯具(210)较小的权重。
在灯具(210)之间提供相对功率水平的该类型权重方案考虑了构建材料基床(205)的中心区域从灯具阵列(225)内所有灯具(210)接收电磁辐射，而构建材料基床(205)的边缘主要地从角落和边缘灯具诸如灯具(210-1至210-20)接收电磁辐射，并且并未从在灯具阵列(225)角落和侧边内的灯具(210)诸如灯具(210-21，210-22,210-23，210-24)接收如此多电磁辐射。因此，在灯具阵列(225)的角落和侧边内的灯具(210)诸如灯具(210-21,210-22,210-23,210-24)以比被定位于灯具阵列(225)的角落和侧边处的灯具(210)诸如灯具(210-1至210-20)较低的水平而加权。
在一个示例中，灯具阵列(225)内灯具(210)的权重可以定义如下：被定位于灯具阵列(225)角落的灯具(210)被分配1.0的权重，被定位于灯具阵列(225)侧边上的灯具(210)被分配近似在0.7和0.8之间的权重，以及被定位于灯具阵列(225)内部部分上的灯具(210)被分配近似在0.2和0.4之间的权重。如在本发明说明书和所附权利要求中所使用的，术语“近似”或类似语言意味着应该结合以上权重广义地理解为所述权重加或减(±)0.5。
如上所述，PID控制器(110)提供控制回路反馈并且连续地将误差值计算作为在所需设置点诸如3D打印装置(200)的构建材料基床(205)的所需温度、与测得工艺变量之间的差值。以上权重作为PID控制器的计算的一部分而输入。
图6的方法可以继续，如果检测到的构建材料基床(205)的至少一个区域(400)的控制点(410)的温度不等于设定温度，则调节(方框605)向灯具阵列(225)的至少一个灯具(210)提供的功率水平。在方框605处，基于对于多个灯具(210)的每一个所限定的权重水平而执行调节。此外，设定温度大约刚好低于构建材料的聚结温度。
在一个示例中，可以在执行图6的方框601至605之前而限定控制点(410)。可以基于CAD模型或者待打印的3D物体(405)的其他数字表示而限定控制点(410)。在该示例中，可以从3D物体(405)的数字表示确定构建材料基床(205)的多个未打印区域，并且将这些区域的一个选择作为控制点(410)。因此，构建材料基床(205)的未打印区域可以由打印数据限定。进一步，在3D物体(405)的打印期间或之后，处理器(101)可以调节控制点(410)为构建材料基床的至少一个区域(400)内的不同控制点。
在关于图6的方框604的另一示例中，可以基于分配至每个区域(400)的权重而调节向灯具阵列(225)的灯具(210)的至少一个提供的功率水平。因此，在一个示例中，处理器(101)和PID控制器(110)可以限定权重至每个区域(400)，并且通过控制向灯具(210)供电而控制每个区域(400)的温度。在该示例中，特定灯具(210)对特定区域(400)的温度的影响是基于特定灯具(210)对于特定区域(400)的邻近性。
进一步，在该示例中，基于构建材料基床(205)内区域(400)的位置限定分配至每个区域(400)的多个权重可以定义如下：被定位于构建材料基床(205)的角落的区域(400)被分配1的权重，被定位于构建材料基床(205)的侧边上的区域(400)被分配小于1的权重，以及被定位于构建材料基床(205)的内部部分上的区域(400)被分配小于被定位于构建材料基床的侧边上的区域(400)的权重。向灯具阵列(225)的灯具(210)的至少一个提供的功率水平随后可以是基于对于多个区域(400)的每一个所限定的权重水平。
在图5和图6中，可以独立于所有其他灯具(400)进行灯具(400)的功率水平的调节。在该示例中，灯具阵列(225)达到对于在灯具(210)被定位于其之上的区域(400)的温度目标。因此，每个灯具(210)能够独立于其他灯具(210)而控制。在一个示例中，多个灯具(210)可以分配或者另外影响给定区域(400)内的温度。在该示例中，可以影响给定区域(400)的温度的灯具(210)协调工作以实现给定区域(400)中的所需温度。
在其中执行单点温度控制模式的图5和图6的一个示例中，各个灯具(210)的权重设置可以限定灯具阵列分布，其使得基于灯具阵列分布作为整体或一起调节灯具阵列(225)内所有灯具(400)。在该示例中，如果构建材料基床(205)的温度在所需温度范围之外，则灯具(210)的功率水平的调节遵从灯具阵列分布。
在此参照根据在此所述原理的示例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图描述本发明系统和方法的特征方面。流程图和方框图的每个方框以及流程图和方框图中方框的组合可以由计算机可用程序代码实施。计算机可用程序代码可以提供至通用计算机、专用计算机、或其他可编程数据处理设备的处理器以生成机器，以使得当例如经由计算装置(100)或其他可编程数据处理设备的处理器(101)和/或PID控制器(110)执行时，计算机可用程序代码实施在流程图和/或方框图的方框中所详述的功能或动作。在一个示例中，计算机可用程序代码可以实施在计算机可读存储介质内；计算机可读存储介质是计算机程序产品的一部分。在一个示例中，计算机可读存储介质是非暂时性计算机可读介质。
已经展示了之前说明书以图示和描述所述原理的示例。该说明书并非意在穷举或者限制这些原理为所公开的任何精确形式。多个修改和变形根据以上教导是可能的。

Claims (15)

1.一种形成三维(3D)物体的方法，包括：
采用灯具阵列照射构建材料基床，所述灯具阵列包括多个灯具；
采用热图像相机检测在所述构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度；并且
如果检测到的所述构建材料基床的所述至少一个区域的控制点的温度不等于设定温度，则调节向所述灯具阵列的至少一个灯具提供的功率水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调节向所述灯具阵列的至少一个灯具提供的功率水平包括：
基于所述灯具阵列内的灯具的位置，限定分配至多个灯具中的每个灯具的多个权重，其中：
被定位于所述灯具阵列的角落的灯具被分配1的权重；
被定位于所述灯具阵列的侧边上的灯具被分配小于1的权重；以及
被定位于所述灯具阵列的内部部分上的灯具分配比被定位于所述灯具阵列的侧边上的灯具小的权重；并且
基于对于所述多个灯具中的每个灯具限定的权重水平调节向所述灯具阵列的至少一个灯具提供的功率水平。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，K1,K2,...Kn限定对于所述灯具阵列内的n组灯具的灯具所分配的权重。
4.根据权利要求1所述的方法，包括：调节所述控制点至所述构建材料基床的至少一个区域内的不同控制点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制点是所述构建材料基床的未打印表面。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于3D物体的数字表示限定所述控制点的位置。
7.根据权利要求1所述的方法，包括：如果所述灯具阵列中灯具的数目等于区域的数目，则将每个灯具以一对一的关系分配至区域。
8.根据权利要求1所述的方法，包括：如果所述灯具阵列的灯具的数目大于区域的数目，则将一组灯具分配至一区域。
9.一种用于形成三维物体的系统，包括：
构建材料基床；
灯具阵列，被定位为辐射所述构建材料基床，所述灯具阵列包括：
被定位于所述灯具阵列的中心的多个灯具；
被定位于所述灯具阵列的边缘的多个灯具；以及
被定位于所述灯具阵列的角落的多个灯具；以及
热图像相机，在所述灯具阵列内居中定位。
10.根据权利要求9所述的系统，包括：
控制器，用于控制向所述灯具阵列的每个灯具提供的功率，所述控制器用于：
使得所述灯具阵列照射所述构建材料基床；
采用所述热图像相机检测所述构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度；并且
如果检测到的所述构建材料基床的至少一个区域的控制点的温度不等于设定温度，则调节向所述灯具阵列的至少一个灯具提供的功率水平。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述灯具阵列定位在与所述构建材料基床隔离的封闭环境内。
12.一种用于形成三维物体的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：
非暂时性计算机可读存储介质，包括在所述介质上实施的计算机可用程序代码，所述计算机可用程序代码用于当由处理器执行时：
采用热图像相机检测构建材料基床的至少一个区域内的控制点的温度；并且
如果检测到的所述构建材料基床的至少一个区域的控制点的温度不等于设定温度，则调节向照射所述构建材料基床的灯具阵列的多个灯具中的至少一个灯具提供的功率水平。
13.根据权利要求12所述的计算机程序产品，包括：
计算机可用程序代码，用于当由所述处理器执行时：
基于所述灯具阵列内的所述灯具的位置而限定分配至所述灯具中的每个灯具的多个权重，其中：
被定位于所述灯具阵列的角落的灯具被分配1的权重；
被定位于所述灯具阵列的侧边上的灯具被分配小于1的权重；以及
被定位于所述灯具阵列的内部部分上的灯具被分配比被定位于所述灯具阵列的侧边上的灯具较小的权重；并且
基于对于每个灯具限定的权重水平调节向所述灯具阵列的灯具提供的功率水平。
14.根据权利要求12所述的计算机程序产品，包括计算机可用程序代码，用于当由所述处理器执行时，如果所述灯具阵列中灯具的数目等于所述区域的数目，则将每个灯具以一对一的关系分配至区域。
15.根据权利要求12所述的计算机程序产品，包括计算机可用程序代码，用于当由所述处理器执行时，如果所述灯具阵列中灯具的数目大于所述区域的数目，则分配一组灯具至区域。
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