CN108778685A - 制造方法和制造装置 - Google Patents

Abstract

根据本公开的第一方面，提供了一种增材制造方法。在该方法中，连续沉积的粒状构造材料层的区域被结合在一起，以便形成延伸穿过各层和在各层之间的结合材料的三维结构。该方法包括将第一粒状构造材料作为层沉积到构建区域中。该方法包括选择性地将第一粒状构造材料的区域结合在一起以在层内形成结合区域。该方法包括从层中除去未结合的粒状构造材料，以便在层中提供至少一个空隙。该方法包括将第二粒状构造材料沉积到构建区域中以填充至少一个空隙。该方法包括选择性地将第二粒状构造材料的区域结合在一起以在层内形成结合区域。在该方法中，第二粒状建筑材料与第一粒状构造材料不同。重复该方法以形成物体。还公开了一种适于实施该方法的设备。

Description

制造方法和制造装置

技术领域

本公开涉及制造物体的方法，并且特别涉及制造这样的物体的方法：其中该物体由一系列构造材料层构成，每个构造材料层的各区域在该层的沉积期间或之后并且在沉积接续层之前被选择性地结合在一起。本公开还涉及适合于实施所述方法的制造设备。

背景技术

三维打印是一类增材制造技术，其中连续的材料层沉积到构建区域中，每层的各部分被接合在一起，使得由连续层的被接合部分构成所需的物体。

一种三维打印技术采用这样的工艺：其中粒状构造材料(例如粉末)的连续层从打印头沉积到构建区域中，所述打印头在构建区域之上经过并跨过构建区域。在该层的沉积之后或期间，构造材料的各部分选择性地结合在一起。例如，可以使用类似于喷墨打印的技术将液体结合剂从打印头喷射到构建材料上。这种结合剂可以是固体化或固化的粘合剂，从而随着时间的推移将构造材料的颗粒结合在一起(例如在空气干燥结合剂的情况下通过与空气接触)，或者在固化之后，例如使用紫外线(在可紫外线固化的结合剂的情况下)，可选地，可将辐射选择性地施加到每层的各部分以局部烧结或熔化该层的各区域，借此例如通过施加适当高强度的激光束或聚焦的红外辐射将这些区域结合在一起。

使沉积的粉末层足够薄，从而当接续的各粉末层沉积成具有结合在一起的选择性区域时，每层的结合部分延伸穿过该层到具有下层的边界，从而形成延伸穿过两层或更多层的连续的三维结构。

为了使增材制造可与其他制造工艺竞争，期望增材制造能够制造期望的物体以在物体内的适当区域处具有适当的性质。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种增材制造方法。在该方法中，粒状构造材料的连续沉积的各层的区域被结合在一起，以便形成延伸穿过各层和在各层之间的结合材料的三维结构。该方法包括将第一粒状构造材料作为层沉积到构建区域中。该方法包括选择性地将第一粒状构造材料的各区域结合在一起以在层内形成结合区域。该方法包括从层中除去未结合的粒状构造材料，以便在该层中提供至少一个空隙。该方法包括将第二粒状构造材料沉积到构建区域中以填充所述至少一个空隙。该方法包括选择性地将第二粒状构造材料的区域结合在一起以在该层内形成结合区域。在该方法中，第二粒状构造材料与第一粒状构造材料不同。重复该方法以形成物体。

在一种实施方式中，该方法包括将沉积的第二粒状构造材料平滑至均匀的厚度。平滑在选择性地将第二粒状构造材料的各区域结合在一起之前进行。

在一种实施方式中，该方法包括将沉积的第一颗粒状构造材料平滑至均匀的厚度。平滑在将第一粒状构造材料的各区域选择性地结合在一起之前进行。

在一种实施方式中，从该层移除未结合的粒状构造材料包括对该层施加抽吸。

在一种实施方式中，第一粒状材料具有与第二粒状材料不同的溶解度，不同的溶解度是关于i)极性溶剂或ii)非极性溶剂。

在一种实施方式中，该方法还包括将溶剂施加到三维结构上以溶解由第一和第二粒状构造材料之一形成的结构的各部分，但不溶解由第一和第二粒状构造中的另一个形成的结构的各部分。

在一种实施方式中，第一粒状构造材料的沉积在沉积单元的以下通过中发生，该通过用于沿第一方向在构建区域上沉积粒状构造材料。在该实施方式中，第二粒状构造材料的沉积在沉积单元的以下通过中发生，该通过用于在与第一方向相反的第二方向上在打印区域上沉积第二粒状构造材料。

在一种实施方式中，结合第一粒状构造材料发生在结合单元的以下通过中，该通过用于在第一方向上在打印区域之上结合第一粒状材料。在该实施方式中，结合第二粒状构造材料发生在沉积单元的以下通过中，该通过用于在与第一方向相反的第二方向上在打印区域之上沉积第二粒状构造材料。

在一种实施方式中，移除的粒状构造材料在移除后被收集。

在一种实施方式中，通过使用喷墨方法选择性地施加液体结合剂，对第一和第二粒状构造材料进行选择性结合。

根据本公开的第二方面，提供了一种增材制造设备。该设备包括用于将第一粒状构造材料和第二粒状构造材料沉积到构建区域中以在构建区域中形成层的装置。该设备包括用于选择性地将所沉积的层的各区域结合在一起的装置。该设备包括用于从构建区域移除未结合的粒状构造材料的装置。

在一个实施方案中，用于沉积第一和第二粒状构造材料的装置包括第一粒状构造沉积单元和第二粒状构造沉积单元，第一粒状构造沉积单元设置成在构建区域上方往复运动并将第一粒状构造材料沉积到构建区域中。第二粒状构造沉积单元设置成在构建区域上方往复运动并将第二粒状构造材料沉积到构建区域中。

在一个实施方案中，用于选择性地将沉积层的区域结合在一起的装置包括喷墨结合单元，该喷墨结合单元设置成在构建区域上方往复运动并选择性地将液体结合剂沉积到构建区域中。

在一个实施例中，该设备还包括固化单元，该固化单元设置成在构建区域上方往复运动并将UV辐射施加到沉积的结合剂上，从而固化沉积的结合剂。

在一个实施例中，用于从构建区域移除未结合的粒状构造材料的装置包括抽吸单元，该抽吸单元布置成在构建区域上方往复运动。

在一个实施例中，该设备还包括平滑元件，该平滑元件布置成在构建区域上方往复运动，以平滑沉积层的顶表面。

在一个实施例中，该设备具有一个或多个操作单元，所述操作单元选自分别布置在独立往复运动的托架上的结合单元、固化单元、移除单元和抽吸单元。

在一个实施例中，移除单元布置在托架上，该托架可相对于其上布置有结合单元的托架独立地移动。

在一个实施例中，移除单元布置在往复式托架上，该托架可相对于在其上设置有粒状构造材料沉积单元的往复式托架独立移动。

在一个实施例中，构建区域由在构建台的表面中形成的井限定。在该实施例中，井的底表面由构建板限定。在该实施例中，构建板可逐渐从靠近构建台表面的第一位置移动到远离构建台表面的第二位置。

在一个实施例中，该设备具有控制器，该控制器可操作以使该设备执行第一方面的方法的实现。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且为了示出如何实现本发明，仅作为示例，将参考附图，其中：

图1示出了作为本发明第一实施例的增材制造设备的第一状态；

图2示出了作为本发明第一实施例的增材制造设备的第二状态；

图3示出了作为本发明第一实施例的增材制造设备的第三状态；

图4示出了形成本发明第一实施例的一部分的打印头的示意图；

图5示出了作为本发明第二实施例的增材制造设备的第一状态；

图6示出了作为本发明第二实施例的增材制造设备的第二状态；

图7示出了作为本发明第二实施例的增材制造设备的第三状态。

具体实施方式

本公开涉及一种3D打印技术，其中物体由一系列接续沉积的层构成，这些层的各部分均在该层内被接合在一起，且与下层的部分接合在一起。特别地，本公开涉及粉末床3D打印，其中粉末层(或另一种粒状构造材料)被接续沉积，每层的各区域在下一个接续层沉积之前被结合在一起以形成所需物体的各部分。

本公开将以粉末床和喷墨头3D打印系统为例进行举例说明，其中结合剂选择性地从扫描喷墨头喷射到预先沉积的粒状构造材料床上。然而，本公开不限于此，并且本文公开的概念适用于涉及将先前沉积的粉末层结合在一起的其他增材制造技术(包括选择性激光烧结和局部熔化制造)。

图1显示了粉末床和喷墨头增材制造设备10的示意图。设备10具有打印台11，在其上表面中形成有井12。在井12内设置有可移动的平台13，该平台13布置成可沿第一方向Z在井12内移动，在图1的配置中，第一方向Z垂直于打印台11的表面平面。在本配置中，平台13是由可伸缩支撑件13a支撑，可伸缩支撑件13a可以以受控方式缩回，以实现平台13降入井12中。例如，可伸缩支撑件可设置有齿状部分，其使得支撑件能够通过齿轮(以齿轮齿条驱动的方式)的操作以受控方式缩回。可替代地，并且仅作为示例，可伸缩支撑件可以是液压可缩回的、电磁可缩回的或可通过一些其他机构缩回的，而没有限制。还构想了提供单个支撑件或几个这样的支撑件。

装置10还包括打印头15，打印头15布置成沿第一方向X在井12上方横过，同时在其平移时支撑在井上方。在图1的实施例中，第一方向X平行于打印台11的表面平面。在图1的实施例中，打印头15支撑在轨道16上，打印头15布置成沿着轨道16移动。打印头15可以通过例如驱动带、驱动螺杆、内部驱动马达或任何其他合适的装置以往复方式在井12之上移动。重要的是，打印头15能够在X方向上横跨井12的整个延伸范围。

必须注意的是，虽然图1的图示描绘了横截面中的X-Z平面，但是井12具有在垂直于X和Z方向的第三方向Y上的延伸范围，并且例如延伸到纸面之外。打印台11和平台13也具有在该方向上的延伸范围，但是对于该方向上的形状或尺寸没有进一步的特殊限制。例如，当沿Z方向观察时，井12在平面图中可以具有矩形或正方形形状，但也可以具有其他形状，包括多边形或圆形。井12的横截面不随Z方向的延伸范围而变化，而平台13具有的平面视图使得与井12的竖直壁紧密配合，平台13相对于该竖直壁移动。因此，在井12的竖直壁和平台13之间在打印台11的表面下方可以存在一个体积，粉末能分配到该体积中，使得在井12的侧面和平台13的边缘之间基本上没有粉末泄漏。平台13可以在每个边缘处设置密封件，例如弹性刮件，以避免平台13的边缘和井12的侧面之间的这种泄漏。

打印头15还具有沿Y方向的延伸范围，使得打印头15能够在沿X方向移动的同时跨过井12的整个X-Y横截面延伸范围而通过。这可以通过提供沿Y方向延伸井的整个长度的打印头15来实现。可选地，这可以通过提供这样的打印头来实现：该打印头的一个或多个部件布置成在Y方向上往复运动以光栅方式扫描井的表面，使得当打印头在X方向上横过井时(无论是连续的还是步进的)，打印头的在Y方向上往复运动的部件都穿过井在X-Y平面中的每个点。这种往复式打印头可以使用例如从例如传统喷墨打印机技术中已知的往复式皮带驱动器来提供。

上面概述的配置对于已为发明人所先知的粉末床和喷墨头3D打印机是常见的。

在图1的实施例中，打印头15包括沿X方向顺序布置的两个粉末沉积单元15a，15c，每个粉末沉积单元适于在打印头15沿X方向横过井时将一层粉末分配到井12中。在本实施例中，每个粉末沉积单元15a，15c具有相应的分配孔，所述分配孔延伸井12在Y方向上的整个宽度，使得当打印头15横过井12时，可以从所述孔分配整层粉末。在替代配置中，每个粉末沉积单元15a，15c可以形成为扫描部件，其在Y方向上分配接续的粉末排，这些排在X方向上顺序排列。

每个粉末沉积单元15a，15c分别连接到不同的粉末储存器。

打印头15还包括沿X方向布置在粉末沉积单元15a，15c之间的结合单元15b。在本实施例中，结合单元15b包括喷墨头，该喷墨头设置成在打印头15跨过井12经过时将结合剂喷射到井12中。通过在打印头15横过井12时选择性地喷射结合剂，通过粉末沉积单元15b沉积的每层粉末的各部分可以被选择性地结合在一起，以便形成待制造的物体的一层。

在一种结构中，结合单元15b可以被设置为扫描喷墨头，该扫描喷墨头在Y方向上往复运动并且可操作为在打印头沿X方向前进之前或之时，在Y方向上的一排中预定位置处沉积结合剂液滴，使得结合剂分配器可以选择性地将结合剂沉积在每个连续行的位置上。可选地，每个结合剂分配器可以包括在Y方向上延伸井的整个延伸范围并且具有多个结合剂分配孔的单个喷墨头，所述结合剂分配孔在至少Y方向上布置成一排以使得通过在打印头15沿X方向跨过井12平移时激活结合剂分配器的个体孔，可以将结合剂沉积到井的X-Y平面中的选定位置。这些方法的组合也是可能的，其中每个结合剂分配器布置成在Y方向上平移，但是还包括至少在Y方向上布置的多个孔。打印头15的孔也可以沿X方向布置，例如作为倾斜的线性阵列，例如以便在孔之间在Y方向上实现更紧密的间隔。

在本实施例中，打印头15另外包括至少一个平滑元件，例如刮刀或平滑辊，布置在打印头上并适于提供平滑表面，该平滑表面能够随着打印头15横过井12而使分配的粉末层的上表面平整以获得均匀的层厚度。在本实施例中，例如，这样的第一平滑刀片15e沿第一方向布置在粉末沉积单元15a和结合单元15b之间，并且第二平滑刀片15f沿第一方向布置在结合单元15b和粉末沉积单元15a之间。在本实施例中，平滑元件(平滑刀片)具有其平滑表面(下平滑边缘)在至少Z方向上的可调节位置，使得平滑表面可在Z方向上在至少两个位置之间缩回或伸出，并且可选地在一组各种位置中。然而，在其他实施例中，平滑元件或多个平滑元件可具有固定位置。

此外，为了与需要主动固化(例如通过UV光)的结合剂一起使用，打印头15可以包括与结合单元15b相关联的一个或多个固化单元，例如UV灯。在本实施例中，第一固化单元15g设置在结合单元15b的X方向的一侧，第二固化单元15h设置在结合单元15b的X方向的另一侧。在其他实施例中，可以提供单个固化单元，例如，使得固化单元用于将刚刚由结合单元分配的结合剂或在给定的打印通过中结合剂被分配到其上的层的之前层的结合剂固化。

在图1的实施例中，打印头15还包括作为粉末移除单元的抽吸单元15k，其适于从抽吸单元下方抽吸粉末。在本实施例中，抽吸单元15k在X方向上布置在结合单元15b的后面，并且在X方向上布置在粉末沉积单元15a的前面。在本实施例中，抽吸单元15k包括延伸打印头15宽度的抽吸孔15x，该抽吸孔15x通过阀连接到抽吸源，例如真空泵或公用设施真空管线。在本实施例中，粉末收集器相对于抽吸方向设置在抽吸孔15x的下游，以收集移除的粉末。因此，可以收集并回收移除的粉末，并且可以避免移除的粉末行进到抽吸源。

在本实施例中，抽吸孔15x与结合单元15b和粉末沉积单元15a充分分离，使得抽吸单元15k的操作不会干扰结合操作或粉末沉积操作。在其他实施例中，抽吸单元可以与特定部件(例如粉末沉积单元或结合单元)更靠近地放置在一起，只要该部件不在与抽吸单元相同的打印通过中被致动。

在变型实施例中，抽吸单元15k可以基于静电抽吸的原理操作，或者对于磁粉，可以基于磁吸力原理操作。在另一变型实施例中，作为抽吸单元15k的替代，粉末移除单元可以设置为吹风单元，其适于将粉末从吹风单元下方吹走。在这样的实施例中，可以在构建区域附近提供单独的抽吸装置(例如相对于井12固定)，以移除由吹风单元吹送的粉末。

现在将描述图1的实施例的操作。在图1中，平台13的上表面，在图1的实施例中是平的并且平行于X-Y平面，已经缩回到打印台11的表面下方一小段距离以提供构建区域(或构建体积)，一层粉末可以分配到该构建区域中。构建区域的深度以及由此待分配到平台13上方的粉末层的深度可以被选择成使得层的整个深度可以通过结合单元的作用选择性地结合在特定位置处，以便一层可以结合到前一层的结合部分，而不会不希望地将前一层的大部分结合在一起。

从图1所示的配置，打印头15沿前进(X)方向横过井12，以将第一粉末层2a从粉末沉积单元15c的分配孔沉积到平台13的表面上的井中。而且，随着打印头沿前进方向横过，平滑刀片15f处于降低状态，平滑刀片15e处于缩回状态。因此，平滑刀片15f用于使所沉积的粉末的顶表面平滑到基本水平，从而为层2a提供均匀的厚度。而且，随着打印头沿前进方向横过，结合单元15b选择性地将结合剂沉积到平滑的沉积层的各部分上，以选择性地将该层的各部分结合在一起。而且，随着打印头沿前进方向横过，固化单元15g将UV光施加到沉积的结合剂上以固化结合剂。而且，随着打印头沿前进方向横过，抽吸单元15k用于移除在选择性结合区域已经结合在一起并固化之后剩余的未结合粉末，从而留下空隙或多个空隙，另外的粉末可以待分配到所述空隙中。而且，随着打印头沿前进方向横过，粉末沉积单元15a操作以将第二粉末的部分层2a'分配到通过使用抽吸单元15k产生的空隙或多个空隙中，以及分配到在除去未结合的粉末后留下的第一粉末的结合区域的顶部上。最终配置如图2所示。

一旦沉积了部分层2a'，打印头15沿相反(-X)方向行进，其中平滑刀片15e处于降低状态，平滑刀片15f处于缩回状态。因此，平滑刀片15e用于使沉积的第二粉末的顶表面平滑到足够水平，以及从第一粉末的结合区域的顶部移除未结合的粉末。因此，集合层也具有均匀的厚度。而且，随着打印头沿相反方向横过，结合单元15b选择性地将结合剂沉积到平滑的沉积层的部分上，以选择性地将该层的部分结合在一起。这允许结合单元15b将结合剂施加到在沿前进(+X)方向的前一次通过中沉积的第二粉末的未结合区域。而且，随着打印头沿相反方向横过，固化单元15h将UV光施加到沉积的结合剂上以固化结合剂。通过这样的过程，产生具有两种不同粉末区域(每种粉末选择性地结合在一起)以及第二粉末的未结合区域的层，以便达到图3所示的状态。

在一个变型中，粉末沉积单元15a可以仅在已经从其上移除第一粉末的区域上方选择性地致动，以防止在没有空隙容纳第二粉末的线或区域中进行粉末沉积。

如果粉末被选择为具有不同的性质，那么由不同粉末形成的层的不同区域将具有相应不同的性质。

例如，如果使用不同颜色的粉末，则可以产生具有不同颜色区域的层。例如，通过将具有所需颜色的染料施加到陶瓷粉末上，可以生产有色粉末。

可选地或额外地，如果使用具有不同物理性质的粉末，则可以制备具有不同物理性质的层。例如，如果使用不同的合金来形成粉末，则可以产生具有不同导热率、不同抗拉强度或不同密度的区域。

可选地或额外地，如果使用具有不同化学性质的粉末，则可以产生具有不同化学性质的层。例如，如果使用不同的材料来形成粉末，则可以产生具有不同溶解度、不同反应性或与结合剂的不同相互作用强度的区域。例如，如果两种粉末是针对给定溶剂而言的可溶性材料(例如可溶性聚合物)和不溶性材料(例如不溶性陶瓷)，可以形成其一部分可以通过溶剂渗透或浸渍溶解的层。这种方法允许形成难以通过其他方法形成的复杂产品，尤其是包括在制造过程(包括进一步加工，例如加工打印部件)中结构稳定性所需但又不希望存在于成品中的支撑区域的产品。溶剂可以是非极性的，例如己烷或甲苯，或极性的，例如丙酮、乙醇或水。

在沿相反(-X)方向通过之后，平台13进一步降低一段例如下一层的预期厚度，并且通过类似工艺在由部分层2a和部分层2b形成的第一集合层的顶部上沉积一个或多个另外的层。

在一些配置中，结合剂可能根本不沉积在沉积于打印台13上的第一层粉末上，以便允许打印物体容易地从打印台13的上表面释放。

图4示出了打印头15的示意图，清楚地示出了粉末沉积单元15a和15c、固化单元15g，15h、移除单元15k、平滑刀片15e，15f和结合单元15b。

每个粉末沉积单元15a，15c具有相应的粉末分配孔15m，15n，其通过供应管15p，15q连接到相应的外部粉末储存器。每个相应的粉末储存器可以设置为支撑在打印头15上。可选地，每个相应的粉末储存器可以在打印头15的外部，并且可以适当地流化的粉末可以从外部储存器输送到相应的供应管15p，15q。每个粉末沉积单元15a，15c还包括相应的阀单元15r，15s，其可以是叶片阀，并且其用于通过相应的供应孔15m，15n致动从相应的供应管15p，15q分配粉末。然而，通过每个相应的孔供应粉末可以通过本领域已知的其他方式选择性地致动。从每个粉末沉积单元的粉末供应是可独立致动的。

定位在粉末沉积单元15a和粉末沉积单元15c之间的是结合单元15b，所述结合单元具有通过供应管道15j连接到结合剂储存器的喷墨孔15i。打印头15可以例如通过合适长度的柔性管连接到外部储存器。喷墨孔可以是可致动的以分配结合剂液滴。

定位在结合单元15b的任一侧的是固化单元15g，15h，每个固化单元设置有适于固化分配的结合剂的波长和强度的UV灯。每个UV固化单元可以是独立可致动的。

定位在每个粉末沉积单元15a，15c的结合单元侧上的是相应的平滑装置15e，15f，这里是平滑刀片。每个平滑装置15e，15f可通过相应的致动单元15v，15w(这里被提供为相应的螺线管单元)在伸展位置和缩回位置之间移动。每个平滑装置可以在伸展位置和缩回位置之间独立地致动。

定位在粉末沉积单元15a和粉末沉积单元15c之间的是粉末移除单元15k，其具有连接至抽吸源的移除孔15x。在所描绘的实施例中，粉末移除单元布置在平滑装置15e和固化单元15g之间，但是可以设想其他位置。粉末移除单元15k可以(例如，通过合适长度的管)连接到外部抽吸源，例如工厂真空服务线，或内部抽吸源，例如风扇。例如，通过选择性地驱动抽吸源或通过选择性地驱动抽吸源和移除孔15x之间的阀，粉末移除单元可以选择性地在移除孔15x处施加抽吸。

打印头15可以通过成对的驱动辊15t沿着轨道16在X方向上被驱动，驱动辊15t分别成对地在它们之间夹紧轨道16，并且例如可以电驱动以实现打印头15在前进和相反X-方向上的运动。在所公开的实施例中，打印头15的整体被封闭在外壳15u内，使得粉末沉积单元15a和15c、固化单元15g，15h、移除单元15k、平滑刀片15e，15f和结合单元15b共用一个共同的托架。

所公开实施例的操作由控制器C控制，控制器C根据控制逻辑驱动所公开的各种元件，以便执行本文公开的方法。控制器可以以例如工业PC的形式提供，并且控制逻辑可以例如以存储在非暂时性介质上的机器可读指令的形式提供。控制器可以通过布线织机W连接到打印头。控制器C可以接受定义要制造的物体的源数据，例如针对一系列层中的每一层的光栅数据或者针对体积的体素数据，以及在驱动所公开的各种元件时可以考虑源数据以及控制逻辑，以便制造由源数据定义的对象。

然而，可以实现这样的实施方式：其中，例如，图4中所示的打印头15被分成几个单独的托架，每个托架设置有其自己的驱动装置，托架分别包含诸如粉末沉积单元15a，15c、固化单元15g，15h、移除单元15k、平滑叶片15e，15f和结合单元15b的打印部件的子集。因此，可以独立地实现沿X方向驱动每个单独的托架，并且特别地可以分别以不同的速度实现，适合于用每个托架执行的操作。

例如，如图5所示，打印装置20具有五个托架25a，25b，25c和25d，每个托架25a，25b，25c和25d布置成沿着X方向在打印台22中形成的井22上方平移，以便沉积和结合布置在可移动支撑平台23上的材料层。托架25a和25d分别设有粉末沉积单元15a和15c，以及平滑刀片15e和15f。托架25c设置有结合单元15b，该结合单元15b具有布置在结合单元的在X方向上任一侧上的固化单元15g，15h。托架25b设有抽吸单元15k。

从图5中所示的配置，托架25c和25d一起跨过井22在前进(X)方向上横过，使得从粉末沉积单元15d沉积第一粉末层，然后由结合单元15b选择性地结合并由固化单元15g固化以形成图6所示的状态。托架25c和25d可以以相同的速度和相邻的形式一起行进，或者托架25d可以更早地离开或者可以比托架25c更快地移动，如所希望的那样。

从图6中所示的配置，托架25b跨过井22在前进方向上横过，使得抽吸单元15k移除未结合的粉末，以形成类似于图3中所示的状态。

从该状态开始，托架25a跨过井22在前进方向上横过，使得粉末沉积单元15a能够在由使用抽吸单元15k产生的空隙或多个空隙中以及在除去未结合的粉末后留下的第一粉末的结合区域的顶部上沉积第二粉末的层2a'。

一旦沉积了层2a'，托架25a，25b，25c和25d在相反(-X)方向上一起行进，其中平滑刀片15e处于降低状态，平滑刀片15f处于缩回状态。因此，平滑刀片15e用于使沉积的第二粉末的顶表面平滑到足够水平，以及从第一粉末的结合区域的顶部移除未结合的粉末。而且，当托架25c沿相反方向横过时，结合单元15b选择性地将结合剂沉积到平滑的沉积层的各部分上，以选择性地将该层的各部分结合在一起。这允许结合单元15b将结合剂施加到在沿前进(+X)方向的前次通过中沉积的第二粉末的未结合区域。

通过这种方法，产生具有两种不同粉末区域(每种粉末选择性地结合在一起)以及第二粉末的未结合区域的层。

托架25a，25b，25c和25d可以以相同的速度和相邻的形式一起行进，或者托架25a可以更早地离开或者可以比托架25b更快地移动，如可能期望的那样，对于托架25b和托架25c以及对于托架25c和托架25d，也可以是这样的。

在托架25d完成其对井22的横越之后，实现了图7中所示的状态，其中所有托架25a，25b，25c和25d一起布置在井12的一侧上。

当然，从图5所示的位置，在托架25b开始其横越之前，不需要等待托架25c和25d到达井22的另一侧。类似地，在托架25a开始其横越之前，不需要等待托架25b到达井22的另一侧。实际上，在某些情况下，例如当具有粉末沉积单元25c的托架25d的横越速度与具有结合单元15b的托架25c的横越速度相比降低到例如允许沉积均匀层或足够深度的粉末时，优选的是，具有结合单元15b的托架25c在托架25d已完成其横越之前开始其横越。在这样的配置中，可以选择托架25c在托架25d完成其横越的同时或之后不久完成其横越。类似地，可以相对于托架25a和25c的移动来控制具有移除单元15k的托架25b的移动，使得移除单元15k的致动不会干扰粉末沉积或结合剂沉积。

在上述公开的托架仅需要与另一托架一起行进的情况下，这种托架可以组合成单个托架。相反，在某些情况下，可以决定将其他部件如固化单元和平滑装置保留到独立的托架上。

此外，通过提供若干粉末沉积单元，上述公开内容可以扩展到提供多达三种、四种或更多种粉末用于形成成品物体。

在另一变型中，仅提供单个粉末沉积单元，其具有通过切换阀连接到若干不同粉末储存器的分配孔，使得可通过适当选择切换阀在不同时间将不同粉末施加为单层。因此，例如，在第一次沉积通过中，可以使用粉末沉积单元沉积第一层选择性结合的粉末，该层可以选择性地结合，然后可以移除该层的未结合区域。然后，在第二次沉积通过中，可以将不同的粉末施加到该层中，并且根据需要再次结合。然后平台13进一步降低一个例如下一层的预期厚度，沉积一个或多个另外的层。如所期望的，第二沉积通过可以是前进(X)或相反(-X)沉积通过。

在另一个变体中，可以提供一个以上的结合单元，例如以提供用于各种构造材料经适当的结合方法的结合。仅举一个例子，金属粉末构造材料可以通过选择性地施加激光束来局部加热金属粉末的结合单元采用选择性激光烧结而结合，而陶瓷粉末构造材料可以通过应用可UV固化的液体结合剂通过喷墨头来结合。

取决于移除强度，例如移除单元的抽吸强度，可能需要结合否则完成的层的任何未结合区域，例如通过在下一层沉积之前对至少那些未结合区域施加弱结合。这种弱结合可以例如通过施加水溶性结合剂或较少量的可UV固化的结合剂来实现。这可以避免由于来自移除单元的强力抽吸而使来自前一层的未结合粉末区域被扰乱的情况。这种弱结合区域可以在制造之后从成品物品中除去，例如通过施加合适的溶剂，如水，或者例如通过机械刷洗。

尽管上面的公开内容是针对在前进通过上提供某些操作并且在相反通过上提供某些其他操作的打印头进行的，但是上述公开也可以在例如仅在前进通过上施加一个或多个操作的打印头上实现。在这种情况下，可能需要在打印头上以适当的顺序提供额外的部件，例如其他结合单元、固化单元、平滑元件、粉末移除单元和粉末沉积单元，以允许在单次通过中完成所有需要的操作。这可能增加打印头的复杂性，但可能降低所需控制的复杂性。

此外，尽管已经针对在限定打印区域的井上方的至少第一线性方向上往复运动的打印头进行了上述公开，但是上述公开内容也适用于这样的应用：其中打印头布置成从构建区域的中心轴线径向延伸以及扫描围绕轴线的圆形通过以将粉末沉积到圆形构建区域中并选择性地将粉末的各区域结合在一起。

特别地，上述公开内容适用于除了具体描述的那些之外的各种3D打印技术，包括使用陶瓷、聚合物和金属粉末构造材料，反应性的、UV可固化的、可接触固化的或其他喷射结合剂，或其他结合技术，如激光或热结合。一个具体实施方案使用金属粉末和聚合物结合剂。在这样的实施方式中，在从打印设备移除物体之后，可以将烧结过程应用于金属粉末。

以上公开内容仅被认为是示例性的。期望的是，本领域技术人员能够以各种所需的这些修改、替换、替代或变化来实现上述公开内容，以满足特定工程要求而无需过度负担。

Claims (21)

1.一种增材制造方法，其中连续沉积的粒状构造材料层的区域被结合在一起，以形成延伸穿过各层和在各层之间的结合材料的三维结构，该方法重复地包括以下步骤：

将第一粒状构造材料作为一层沉积到构建区域中；

选择性地将第一粒状构造材料的各区域结合在一起以在该层内形成结合区域；

从该层中除去未结合的粒状构造材料，以便在该层中提供至少一个空隙；

将第二粒状构造材料沉积到构建区域中以填充所述至少一个空隙；和

选择性地将第二粒状构造材料的各区域结合在一起以在该层内形成结合区域，

其中第二粒状构造材料与第一粒状构造材料不同。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在将第二粒状构造材料的各区域选择性地结合在一起之前，将所沉积的第二粒状构造材料平滑至均匀的厚度。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：

在将第一粒状构造材料的各区域选择性地结合在一起之前，将所沉积的第一粒状构造材料平滑至均匀的厚度。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述层移除未结合的粒状构造材料包括对所述层施加抽吸。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中第一粒状材料具有与第二粒状材料不同的溶解度，不同的溶解度是关于i)极性溶剂或ii)非极性溶剂。

6.如权利要求5所述的方法，其中还包括将溶剂施加到三维结构上以溶解该三维结构的由第一和第二粒状构造材料之一形成的部分，但不溶解该三维结构的由第一和第二粒状构造材料中的另一个形成的部分。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

第一粒状构造材料的沉积发生在沉积单元的以下通过中：该通过用于在第一方向上在构建区域之上沉积粒状构造材料，并且

第二粒状构造材料的沉积发生在沉积单元的以下通过中：该通过用于在与第一方向相反的第二方向上在打印区域之上沉积第二粒状构造材料。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，

结合第一粒状构造材料发生在结合单元的以下通过中：该通过用于在第一方向上在打印区域之上结合第一粒状材料；

结合第二粒状构造材料发生在沉积单元的以下通过中：该通过用于在与第一方向相反的第二方向上在打印区域之上沉积第二粒状构造材料。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所移除的粒状构造材料在移除后被收集。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中选择性的结合通过使用喷墨方法选择性施加液体结合剂针对第一和第二粒状构造材料进行。

11.一种增材制造设备，包括：

用于将第一粒状构造材料和第二粒状构造材料沉积到构建区域中以在构建区域中形成层的装置；

用于选择性地将所沉积的层的各区域结合在一起的装置；

用于从构建区域移除未结合的粒状构造材料的装置。

12.如权利要求11所述的设备，其中，用于沉积第一和第二粒状构造材料的装置包括第一粒状构造沉积单元以及第二粒状构造沉积单元，所述第一粒状构造沉积单元设置成在构建区域上方往复运动并将第一粒状构造材料沉积到构建区域中，所述第二粒状构造沉积单元设置成在构建区域上方往复运动并将第二粒状构造材料沉积到构建区域中。

13.如权利要求11或12所述的设备，其中用于选择性地将所沉积的层的各区域结合在一起的装置包括喷墨结合单元，所述喷墨结合单元布置成在构建区域上方往复运动并且选择性地将液体结合剂沉积到构建区域中。

14.如权利要求13所述的设备，还包括固化单元，所述固化单元布置成在所述构建区域上方往复运动并且将UV辐射施加到所沉积的结合剂上，从而固化所沉积的结合剂。

15.如权利要求11至14中任一项所述的设备，其中用于从所述构建区域移除未结合的粒状构造材料的装置包括抽吸单元，所述抽吸单元布置成在所述构建区域上方往复运动。

16.如权利要求11至15中任一项所述的设备，还包括平滑元件，所述平滑元件布置成在所述构建区域上方往复运动，以平滑所沉积的层的顶表面。

17.如权利要求11至16中任一项所述的设备，具有一个或多个操作单元，所述操作单元选自分别布置在独立往复运动的托架上的结合单元、固化单元、移除单元和抽吸单元。

18.如权利要求17所述的设备，其中，一移除单元布置在托架上，所述托架能相对于其上布置有结合单元的托架独立地移动。

19.如权利要求17或18所述的设备，其中，一移除单元设置在往复式托架上，所述往复式托架能相对于其上设置有粒状构造材料沉积单元的往复式托架独立地移动。

20.如权利要求11至19中任一项所述的设备，其中所述构建区域由在构建台的表面中形成的井限定，并且其中所述井的底表面由构建板限定，并且其中构建板能逐渐地从靠近构建台表面的第一位置移动到远离构建台表面的第二位置。

21.如权利要求11至20中任一项所述的设备，具有控制器，所述控制器可操作以使所述设备执行如权利要求1至10中任一项所述的方法。