CN108943699A - 控制3d打印中的翘曲的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及控制3D打印中的翘曲的方法。公开了用于控制3D打印的部件中的翘曲和/或卷曲的系统和方法。一种方法可包括：通过增材制造逐层制造部件，该部件具有附连到部件的一个或更多个锚固件。部件和锚固件可以由第一材料形成。所述方法还可包括：制造支撑结构，用于在制造部件时支撑部件的多个部分。支撑结构可至少部分地包围锚固件。可以在部件被制成之后从部件移除锚固件和支撑结构。每个锚固件可以是相同尺寸和形状的，这可减少设计时间并允许跨多个部件使用相同的锚固件设计。包围锚固件的支撑结构可将锚固件固定就位并防止部件翘曲或卷曲(例如，在冷却期间由膨胀或收缩而造成的翘曲或卷曲)。

Description

控制3D打印中的翘曲的方法
技术领域
本公开涉及例如通过约束部件几何形状来控制3D打印中的翘曲(warping)的方法。
背景技术
增材制造，也称为3D打印，是一种允许逐层制造部件的制造工艺。存在多种类型的增材制造工艺，这些工艺可使用喷墨式打印机、激光固化/烧结、基于光的固化或其它技术。对于生产一个部件或少量部件(例如，对于原型或小批量制造)来说，增材制造可能非常具有成本和时间效益。尽管能够通过3D打印来形成错综复杂的部件几何形状，但是该工艺的本质可能提出特别的挑战。一个挑战是在每个层冷却时打印材料的膨胀或收缩。
发明内容
在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可包括：通过增材制造逐层制造部件，部件具有附连到该部件的一个或更多个锚固件，部件和锚固件是由第一材料形成的；制造支撑结构，用于在制造部件时支撑部件的多个部分，支撑结构至少部分地包围锚固件；在部件被制成之后从部件移除锚固件和支撑结构。
在一个实施例中，支撑结构是由与第一材料不同的第二材料形成的。第二材料可以是溶解性材料，并且所述移除步骤可包括使支撑结构溶解。在一个实施例中，多个锚固件附连到部件。所述多个锚固件中的每个可具有相同的形状和/或尺寸。所述多个锚固件可围绕所述部件的周边间隔开。围绕周边间隔开的所述多个锚固件中的每个可以部分地、而非完全地被支撑结构包围。所述多个锚固件中的至少一个可位于部件的拐角处。在一个实施例中，所述一个或更多个锚固件中的至少一个完全被支撑结构包围。在另一实施例中，锚固件可包括基部和从基部延伸的附连部，附连部包括锚固件附连到部件的附连表面。附连表面可包括附连部的小于25％的表面积。
在至少一个实施例中，提供一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有由计算机处的处理器执行的计算机可读指令。所述指令可包括控制增材制造计算机系统，以：使用第一材料逐层制造部件，部件具有附连到该部件的一个或更多个锚固件；制造支撑结构，用于在制造部件时支撑部件的多个部分，支撑结构至少部分地包围锚固件。
可以控制增材制造计算机系统，以由与第一材料不同的第二材料形成支撑结构。可以控制增材制造计算机系统，以制造附连到部件的多个锚固件，每个锚固件具有相同的尺寸和形状。在一个实施例中，控制增材制造计算机系统，以制造多个部件，每个部件具有附连到该部件的一个或更多个锚固件，所述一个或更多个锚固件中的每个具有相同的尺寸和形状。
在至少一个实施例中，提供一种3D打印的部件。该部件可包括：部件主体；多个锚固件，附连到部件主体，锚固件和部件由第一材料形成；支撑结构，由第二材料形成，附连到部件主体并且至少部分地包围每个锚固件。
在一个实施例中，每个锚固件具有相同的尺寸和形状。在另一实施例中，每个锚固件可包括基部和从基部延伸的附连部，附连部包括锚固件附连到部件的附连表面。附连表面可包括附连部的小于25％的表面积。
附图说明
图1是根据实施例的将要使用3D打印构建的部件的前透视图；
图2是图1的部件的后透视图；
图3是根据实施例的连同支撑材料一起3D打印的图1的部件的前透视图；
图4是根据实施例的连同支撑材料一起3D打印的图1的部件的另一前透视图；
图5是根据实施例的连同支撑材料一起3D打印的图1的部件的后透视图；
图6是根据实施例的连同支撑材料一起3D打印的图1的部件的另一后透视图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例并且可以以各种可替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式应用本发明的代表性基础。
增材制造也称为3D打印。存在多种类型的增材制造，但这些工艺通常均包括通过将三维(3D)物体划分为“2D”切片来构建物体，并且一次一个切片(一个切片在另一个切片之上)地构建物体。虽然这些切片或层被称为“2D”，但每个层均具有有限的厚度，所述厚度可取决于使用的设备的类型、设备的分辨率或其它因素。
在至少一个实施例中，增材制造包括形成多个连续的层，每个层具有均匀的厚度。可使用多种材料来执行增材制造，所述材料包括聚合物和金属。此外，一些增材制造技术能够将多于一种的材料(例如，两种或更多种材料)纳入到最终物体中。增材制造技术已被美国检测与材料协会(ASTM)组“ASTM F42-增材制造”分为七个类别。这七个类别包括：(1)容器内光聚合；(2)材料喷射；(3)粘结剂喷射；(4)材料挤出；(5)粉末床熔合；(6)片层压；和(7)定向能量沉积。将在下文中更详细地描述若干技术，然而，上面类别中的任何技术可纳入到公开的方法中。
在一个实施例中，增材制造工艺可包括使用诸如光的电磁辐射源来对液态聚合物进行固化。光可以是可见光、UV光、红外线或其它。光可具有任何合适的形式，诸如激光。在容器内光聚合中，可以使用诸如UV激光器的光源一次一层地固化容器(vat)内的液态聚合物。光固化(SLA)是使用紫外线激光器来一次一层地构建物体的容器内光聚合技术。为了形成每个层，光源(例如，激光束)可描绘与未固化聚合物容器的表面上的物体的特定截面相对应的二维形状。光(例如，UV)可对在聚合物上描绘的2D形状进行固化，以构建具有特定厚度的硬化层。第一层可形成在基底上，而随后的层被固化在之前的层之上。在每个层被固化之后，平台可将部分形成的物体降低单个层的深度。未固化的聚合物可覆盖部分形成的物体，使得新的层能够被形成。重复该过程直到完全形成的物体被构建为止。
材料喷射是另一种形式的3D打印。与SLA类似，材料喷射包括使用诸如UV光(例如，通过激光器)的光来对未固化的聚合物进行固化。材料喷射可包括使用喷墨打印机式喷嘴沉积少量未固化的聚合物。喷嘴可将未固化的材料置于预定的2D图案中，以形成物体的层。随后，光源可在聚合物沉积之后快速地固化聚合物，以将其固定就位并将其结合到前一层。在另一实施例中，可通过将源材料至少加热到其熔化温度并将该材料从喷嘴中挤出而产生部件。这种技术的一个示例是熔合沉积成型(FDM)。FDM使用可以是聚合物或金属的丝或线，其被供应到挤出喷嘴。喷嘴被加热以使材料熔化并使其以2D层的形状沉积。熔化的材料在其离开喷嘴时冷却并凝固，以形成物体的每个层。
另一3D打印工艺包括使用热源(例如，激光)来使源材料粉末熔合或使源材料粉末熔化。以该原理操作的粉末床熔合的一个示例是选择性激光烧结(SLS)。SLS通常包括使用激光将粉末烧结或熔合成物体的2D层。SLS可用于塑料和/或金属粉末。在激光扫描每个2D层之后，可将粉末床降低一个层的厚度，并且将新的粉末层引导到部分形成的物体上并烧结下一层。选择性层熔化(SLM)与SLS类似，除了不烧结材料，而是使材料熔化并且随后冷却而以期望的形状凝固。
上面描述的增材制造技术均可使用例如通过计算机辅助设计(CAD)程序创建或生成的3D模型来实施。这些技术可以使用可通过计算机辅助制造(CAM)程序控制的数控机构。相应地，上面描述的增材制造工艺可以使用被编程或配置为执行逐层增材制造步骤的专用或专门适配的计算机系统。控制器编程可根据所使用的增材制造工艺的类型而改变。增材制造工艺可包括使用可编程的机械臂。
如上所述，3D打印通常包括逐层构建部件。相应地，每个新的层必须由之前的层支撑。如果新的层将具有比之前的层更大的占用面积(footprint)或具有与之前的层不同的占用面积，则新的层将不得不在一些区域悬垂于之前的层之上。对于相对较小的悬垂，这可能不是问题。然而，如果对于许多随后的层悬垂将向外延伸和/或悬垂的角度相对陡峭，则重力作用可能引起材料下垂(sag)、下沉(droop)或否则不能保持设计的形状。
为了解决该问题，3D打印的部件可包括支撑材料或支撑结构。支撑材料连同设计的部件一起打印，但是一旦打印完成便意在被移除，从而留下预期的形状。支撑材料可以以任何合适的方式打印，例如，作为间隔开的柱或开放的格子结构。虽然可使用实心的支撑结构，但是类似柱或格子的更开放的结构可减少所必需的材料的量，并且可以允许支撑材料更容易地被移除。支撑材料何时是必要的可取决于多个因素，诸如3D打印技术的类型、被打印的材料、部件的设计/形状等。对于一些3D打印技术，一般的经验法则可以是：超过45度的悬垂应具有支撑材料。与3D打印机相关联的软件(或其它软件)可自动为部件设计生成支撑结构。相应地，部件可被设计(例如，使用CAD)并被输入到打印软件中，随后该打印软件可自动生成支撑材料结构并控制打印过程。
支撑材料的类型及其设计可取决于所使用的3D打印技术和设备。在一些实施例中，支撑材料可以是与设计的部件相同的材料。例如，仅使用单一材料的3D打印工艺可能要求支撑材料和部件材料是相同的。在其它实施例中，支撑材料可与部件材料不同。当3D打印设备被用于允许在单个打印操作中打印多种材料时，这会是可能的。在这些实施例中，支撑材料可以是成本较低的材料和/或可回收材料，这是因为一旦打印完成便将移除并丢弃支撑材料。在一些实施例中，支撑材料可以是可溶解的材料。这可允许在不切除或破碎支撑材料的情况下移除支撑材料，并且可以减少或消除诸如磨光的后处理。
在3D打印中可能发生的一个问题是层在其冷却和/或凝固时发生翘曲或卷曲。大多数材料在冷却或凝固时它们的尺寸/体积发生变化，要么变大要么变小，这取决于它们的热膨胀系数(CTE)。因热膨胀系数而导致的这种尺寸变化可以导致层翘曲或卷曲。由于可能没有下层结构来进行附着，因此该问题对于部件的悬垂部分可能更为普遍。可选地，悬垂部分可以由可以是与部件不同的材料的支撑材料支撑。在这些情况下，对支撑材料的粘附可能不如对相同材料的下层的粘附强。翘曲和/或卷曲通常可随着距打印平台(如果存在的话)的距离而增大。相应地，部件的在部件上较高处(相对于打印方向)的悬垂部分可能具有更高的翘曲或卷曲的风险。
参照图1至图6，公开了控制或限制3D打印的部件的翘曲和/或卷曲的方法。参照图1和图2，示出了可通过3D打印(增材制造)形成的部件10。部件10可以是能够通过3D打印制造的任何部件。在一个实施例中，部件10可以是车辆部件或用于车辆测试的部件，诸如用于振动测试的支架设计(例如，图1至图6)。示出了不具有支撑材料的部件10。因此，部件10可表示可用作3D打印工艺的输入的部件的3D渲染。可基于图1和图2中的部件的设计生成支撑材料。
已经发现，翘曲和/或卷曲的改进控制可通过在部件10中包括锚固件12来提供。锚固件12可位于部件的发生翘曲或卷曲的风险高的区域或部位。每个锚固件12可包括基部14和从基部14延伸的附连部16。附连部16可以与部件的主体18接触，其中，主体18表示部件10的预期的最终形状(例如，在任何修剪、磨光等之后)的部分。附连部16可以是锚固件12与主体18接触的唯一的部分。例如，基部14可不直接接触主体18。
在至少一个实施例中，附连部16可在与主体18接触的位置处具有相对小的面积。这可以允许在打印完成之后利用很小的力从主体移除锚固件12。小的接触面积还可在移除锚固件12之后在主体18的表面中留下很少的瑕疵或不留下瑕疵，从而减少或消除诸如磨光的后处理。在一个实施例中，附连部16可包括或被形成为从基部14延伸的立柱或柱20。立柱20可具有任何合适的形状，诸如截面为圆形或矩形(例如，形成圆柱或矩形棱柱)。基部14可具有比立柱20更大的水平截面。这可以为支撑材料提供增大的附连面积(在下面更详细地描述)。在一个实施例中，基部14可被成形为板(例如，薄的、平坦的材料片)。板可具有任何合适的形状，诸如盘形(例如，短圆柱)、矩形棱柱或任何其它几何形状或不规则形状。
一个或多个锚固件12可位于部件10的发生翘曲或卷曲的风险高的部分上。这些部分的非限制性示例可包括悬伸部分(cantilevered portion)、有角度的或倾斜的部分或者部件的拐角/边缘。相应地，一个或更多个锚固件12可位于部件10的这些部分中的一个或更多个处，以在打印工艺期间防止或减轻翘曲或卷曲。锚固件12还可位于部件10的不太容易发生翘曲/卷曲的区域中。在一个实施例中，锚固件12可围绕部件10的周边(例如，围绕整个周边)间隔开。锚固件12的间隔可以是均匀的，然而，这不是必需的。在另一实施例中，锚固件12可设置在部件10的一个或更多个拐角22处。拐角可以是部件的两侧或两边在平行于打印平台的平面中会合的任何位置。拐角可具有相对尖锐的角度，例如，小于135度、小于120度或者大约90度或更小。拐角可以是圆角。
因此，部件10可包括附连到部件10的一个或更多个锚固件12(例如，多个锚固件12)。锚固件12可附连到部件10的底部或下侧。在至少一个实施例中，两个或更多个锚固件12可具有相同的形状和/或尺寸。在一个实施例中，两个或更多个锚固件12可基本上相同(例如，可以是镜像)。在一个实施例中，所有的锚固件12可具有相同的形状和/或尺寸，或者可以是相同的。在另一实施例中，对于单个部件可使用两种或更多种锚固件设计(例如，尺寸/形状)。可基于诸如所使用的材料、特定区域的特定形状/尺寸、所使用的支撑材料的类型等因素使用不同的锚固件设计(在单个部件内或跨多个部件)。
锚固件12(或多个锚固件)的尺寸和形状可存储在3D打印系统(例如，具有3D打印机/设备的处理器、存储器和软件)的存储器中，并且可由打印软件(例如，基于CAD的软件)访问。相应地，相同的锚固件尺寸/形状可以容易地在部件和/或跨多个部件设计的打印指令内添加和复制。例如，相同的锚固件尺寸和形状可用于并添加到两个或更多个不同的部件设计中。因此，锚固件的尺寸/形状/设计可以是通用的并且独立于部件设计的其余部分。因此，这可以节省时间并简化单个部件和多个部件的设计过程。
参照图3至图6，示出了与支撑材料30一起打印的部件10的若干透视图。如上所述，设置支撑材料30以支撑部件10的悬垂或悬伸的部分。在示出的示例中，支撑材料具有格子式结构，然而，支撑材料可具有任何合适类型的结构(例如，柱)。在该实施例中，支撑材料30是与部件10不同类型的材料。在该实施例中，部件10由尼龙形成，而支撑材料由StratasysSR30 Soluble Support(甲基丙烯酸、苯乙烯和丙烯酸丁酯的三元共聚物)形成。然而，根据本公开，可使用任何合适的可3D打印的材料，包括其它聚合物、金属或陶瓷材料。如上所述，部件和支撑材料可由相同材料或不同材料形成。
在至少一个实施例中，部件10可包括在打印工艺完成时(在移除支撑材料之前)至少部分地嵌入在支撑材料30中的一个或更多个锚固件12。锚固件12可部分或完全地嵌入在支撑材料30内或者由支撑材料30包围/封闭。锚固件被嵌入/包围/封闭的程度可取决于锚固件在部件10上的位置。如上所述，锚固件12可设置在部件的拐角22处。这些锚固件可以仅部分地嵌入/包围/封闭在支撑材料中。例如，对于90度拐角，锚固件的大约1/4可被嵌入/封闭。嵌入的量可与拐角的尖锐度相对应。例如，90度拐角可嵌入1/4，60度拐角可嵌入1/6并且120度拐角可嵌入1/3。类似地，位于直边24上的锚固件可被嵌入大约1/2。设置在部件10的内部部分中的锚固件12(诸如不在外边缘上的那些锚固件)可以完全嵌入/封闭在支撑材料30中。完全嵌入的锚固件12的示例可以是图2中示出的锚固件26。如图5和图6中的后透视图所示，由于锚固件26被完全嵌入在支撑材料30中，因此锚固件26不可见。
如图3至图6所示，对于位于部件10的周边的锚固件12，锚固件的一部分可延伸超过部件的周边(例如，在俯视图中)。该部分可包括基部14的一部分以及有可能包括立柱20的一部分。因此，基部14的延伸超过部件10的周边的部分(例如，在修剪/移除锚固件之后留下的部分)可在其下方具有支撑材料30。支撑基部14的支撑材料30可具有与基部14的形状相对应的形状。例如，在示出的实施例中，基部14在与平台平行的平面中具有圆形形状。因此，支撑材料30具有从支撑材料的底部(例如，初始平台高度)延伸到基部14的底部的圆柱形状。如果基部14部分地嵌入在支撑材料30中，则在基部的暴露部分下方的支撑材料可与暴露部分的形状相对应。例如，如果基部是圆形的并且是半暴露的，则支撑材料可以是半圆柱，如果基部的3/4是暴露的，则支撑材料可以是3/4圆柱(例如，分别在侧部和拐角)。
因此，在打印期间，锚固件可至少部分地被嵌入/封闭在支撑材料中。除对支撑材料提供粘附之外，这种封闭还可提供对诸如翘曲或卷曲的运动的抵抗性。由于锚固件是由与部件相同的材料形成的，因此，相较于部件与下方支撑材料的结合，锚固件与部件的结合可更加牢固。围绕锚固件的支撑材料可将锚固件固定就位，从而防止部件的连接部分移动、翘曲或卷曲。一旦部件完成打印，便可使用诸如机械修剪或化学溶解的标准方法移除支撑材料。如上所述，锚固件可经由与部件的主体具有小的接触面积的附连部连接到部件。这可以使锚固件易于折断或修剪(例如，手动地或经由自动化设备)。小的接触面积还可产生小的将被磨光或以其他方式进行后机加工的区域。在一些实施例中，可能不需要磨光或其他处理。在一个实施例中，附连部的接触面积可以小于附连部的表面积的50％，例如，小于40％、30％、25％、20％、15％、10％或5％。
可将锚固件的形状和设计(例如)作为预定义对象保存在打印/设计软件或可对其进行访问的其他存储器中。因此，锚固件可被快速和容易地添加到部件设计并在其中重复。可以跨不同的部件设计使用相同的锚固件，从而简化设计过程。打印/设计软件可将锚固件视为部件的一部分，而由相同的材料来形成锚固件。软件还可为锚固件生成支撑材料或支撑结构，就像对待部件的其余部分一样。这可再次使锚固件的添加变得简单，并且不会为设计过程增加额外的时间或复杂性。
虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作出各种改变。此外，可组合各个实现的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (15)

1.一种方法，包括：
通过增材制造逐层制造部件，所述部件具有附连到所述部件的一个或更多个锚固件，所述部件和锚固件是由第一材料形成的；
制造支撑结构，用于在制造所述部件时支撑所述部件的多个部分，支撑结构至少部分地包围锚固件；
在所述部件被制成之后从所述部件移除锚固件和支撑结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，支撑结构是由与第一材料不同的第二材料形成的。
3.如权利要求2所述的方法，其中，第二材料是溶解性材料，并且所述移除步骤包括使支撑结构溶解。
4.如权利要求1所述的方法，其中，多个锚固件附连到所述部件。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述多个锚固件中的每个具有相同的形状。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述多个锚固件中的每个具有相同的尺寸。
7.如权利要求4所述的方法，其中，所述多个锚固件围绕所述部件的周边间隔开。
8.如权利要求7所述的方法，其中，围绕所述周边间隔开的所述多个锚固件中的每个部分地、而非完全地被支撑结构包围。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个锚固件中的至少一个位于所述部件的拐角处。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或更多个锚固件中的至少一个完全被支撑结构包围。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述锚固件包括基部和从基部延伸的附连部，附连部包括所述锚固件附连到所述部件的附连表面。
12.一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有由计算机处的处理器执行的计算机可读指令，用于：
控制增材制造计算机系统，以：
使用第一材料逐层制造部件，所述部件具有附连到所述部件的一个或更多个锚固件；
制造支撑结构，用于在制造所述部件时支撑所述部件的多个部分，支撑结构至少部分地包围锚固件。
13.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，控制增材制造计算机系统，以由与第一材料不同的第二材料形成支撑结构。
14.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，控制增材制造计算机系统，以制造附连到所述部件的多个锚固件，每个锚固件具有相同的尺寸和形状。
15.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，控制增材制造计算机系统，以制造多个部件，每个部件具有附连到该部件的一个或更多个锚固件，所述一个或更多个锚固件中的每个具有相同的尺寸和形状。
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