CN109070451A - 在熔融前的温度控制 - Google Patents

Abstract

在示例中，一种方法包括：测量第一层建造材料的熔融区域的温度和非熔融区域的温度；响应于所述第一层的非熔融区域的所测得的温度来确定用于后续层建造材料的预热设置；确定用于将印刷剂施加到后续层建造材料的印刷指令，其中，响应于所述第一层的熔融区域的所测得的温度，由用于所述后续层的所述印刷指令所指定的印刷剂的施加会使得所述预热的建造材料的温度是在熔融之前的预热温度；形成所述后续层建造材料；根据所述预热设定来预热所述后续层建造材料；以及基于所述印刷指令将所述印刷剂选择性地施加到所述后续层上。

Description

在熔融前的温度控制

背景技术

增材制造技术可以通过固化建造材料在逐层的基础上生成三维物体。在这种技术的示例中，建造材料以逐层的方式被供应，并且固化方法可以包括加热建造材料层以引起选定区域中的熔融。在其他技术中，可使用诸如化学固化方法或粘合材料的其他固化方法。

附图说明

现在将参考附图来描述非限制性示例，在附图中：

图1是确定用于施加印刷剂的印刷指令的示例方法的流程图；

图2a到图2d是示例热/印刷图的示意图；

图3是示例增材制造装置的简化示意图；以及

图4是与机器可读介质相关联的示例处理器的简化示意图。

具体实施方式

增材制造技术可以通过固化建造材料来生成三维物体。在一些示例中，建造材料可以是粉末状颗粒材料，其可以例如是塑料、陶瓷或金属粉末。所生成的物体的性质可取决于建造材料的类型和所使用的固化机制的类型。建造材料可例如在建造平台上沉积并且例如在制造室内被逐层处理。

在一些示例中，选择性固化通过能量的定向施加来实现，例如使用激光或电子束，所述激光或电子束在施加定向能量时导致建造材料的固化。在其他示例中，至少一种印刷剂可被选择性地施加到建造材料。例如，聚结剂(在下文中称为“熔融剂”)可以以以下图案被选择性地分布到建造材料的层的部分上，所述图案从代表要生成的三维物体的切片的数据导出(其可以例如从结构设计数据生成)。聚结剂可以具有这样的组成，使得当能量(例如，热量)被施加到层时，建造材料根据图案聚结(熔融)并固化以形成三维物体的切片。在其他示例中，聚结可以以某另一种方式来实现。

除了熔融剂之外，在一些示例中，印刷剂还可以包括聚结改性剂(下文称为“细化剂”)，其用于减少或放大熔融作用。例如，细化剂可以反射入射能量，以防止建造材料的熔融。细化剂可用于控制物体的表面光洁度。在一些示例中，熔融剂和/或细化剂在本文中可称为试剂和/或印刷剂。

如上所述，增材制造系统可以基于结构设计数据来生成物体。这可能涉及设计者生成要生成的物体的三维模型，例如使用计算机辅助设计(CAD)应用程序来实现。该模型可以定义物体的实体部分。为了通过使用增材制造系统从模型生成三维物体，模型数据可被处理以生成模型的平行平面的切片。每个切片可以限定相应的建造材料层的一部分，该建造材料层要被固化或被使得通过增材制造系统来聚结。

图1是方法的示例，该方法可以是增材制造的方法，该方法包括：在框102中，测量第一层建造材料的熔融区域的温度和非熔融区域的温度。第一层建造材料可提供在建造平台上，直接地或覆盖在至少一个先前形成的层上(并且在一些示例中，先前形成的层可通过施加至少一种印刷剂而已经被处理，并且利用来自诸如加热灯的能量源的能源被辐射)。

在一些示例中，第一层建造材料的表面上的多个温度可被测量以形成温度分布曲线。例如，第一层建造材料可被认为是多个像素，并且多个像素中的每个可以与温度测量相关联。在一个示例中，像素长度大约为1-2cm，其将大约30cm×30cm的建造平台划分成约32×32的像素矩阵，尽管可以形成更大或更小的像素。在一些示例中，第一层的温度可以在第一层的处理之后被测量。温度可通过使用任何类型的温度传感器来测量。在一些示例中，温度可以通过使用热成像摄像机或红外(IR)摄像机来测量。熔融区域和非熔融区域的位置可以例如基于物体模型数据被确定或从所测得的温度被识别。

框104包括：响应于第一层的非熔融区域的所测得的温度来确定后续层建造材料的预热设置。在框104中所确定的预热设置可以从响应于第一层的非熔融区域的所测得的温度而施加到第一层的预热设置来修改。建造材料可以通过使用在建造平台上提供的预热灯阵列来预热。预热设置规定建造材料的预热温度。预热温度被设置成低于建造材料的熔融温度，使得建造材料不熔融。但是，通过预热建造材料，减少了为将建造材料的温度从预热温度提高到熔融温度以便熔融建造材料所需要的附加能量。预热灯阵列可以一致地操作使得它们每者输出相同的功率，以便于确保层内的建造材料处于均匀温度。由预热灯输出的功率可通过使用脉冲宽度调制(PWM)来控制，所述PWM被设置成提供期望水平的预热。因此，预热设置可以是预热灯的占空比。因此，在一些示例中，预测建造材料的层可包括利用如本文所述的至少一个能量源将能量暂时地施加到这种层。在一些示例中，预热设置可以被用于通过改变PWM占空比来调节预热灯的功率，从而升高或降低建造材料的温度。例如，如果第一层的非熔融区域的所测得的温度高于预期温度，则可以减少占空比以便降低非熔融区域的温度。这避免了当预热灯的输出与期望的输出不符时非熔融区域被无意地熔融。相反，如果第一层的非熔融区域的所测得的温度低于预期温度，则可以增加占空比以便提高非熔融区域的温度。因此，这最小化了引起后续层中的建造材料的熔融所需的能量。非熔融区域的所测得的温度与预期温度的差异可能是由于在印刷物体所花费的时间期间发生的改变导致的。例如，环境温度可能改变或者预热灯的输出可能随它们老化而改变。可以基于所测得的温度与预设温度的比较并通过使用诸如比例-积分-微分(PID)控制、机器学习算法、比例控制等的合适控制方法来控制预热灯。可以在多个位置处测量非熔融区域的温度并且可以调节每个预热灯的操作以考虑到灯的功率输出的偏差。

框106包括：确定用于将印刷剂施加到后续层建造材料上的印刷指令。该印刷指令可以从代表要被生成的物体的物体模型数据导出。这种物体模型数据可以例如包括计算机辅助设计(CAD)模型，和/或可以例如是立体光刻(STL)数据文件，并且可以例如指定物体的“切片”中的材料分布(例如，识别实心部分)。响应于第一层的熔融区域的所测得的温度，由用于后续层的印刷指令指定的印刷剂的施加会使得预热的建造材料的温度是在熔融之前的预定温度。在一些示例中，将印刷剂施加到建造材料可能致使建造材料通过与印刷剂的对流热传递而暂时地冷却到低于预热温度。如果在熔融阶段之前充分施加印刷剂，那么建造材料可以返回到预热温度。但是，如果在熔融之前立即施加印刷剂，则温度可能没有充足的时间来恢复到预热温度。要理解的是，实现熔融所需的能量取决于建造材料的温度。因此，可以利用印刷剂的冷却效果以便提供在熔融之前的温度的局部变化。例如，将印刷剂施加到层上的顺序可以被构造成在熔融之前提供在后续层的表面上的预定温度分布曲线。这可以被用于抵消框102中为第一层所测得的温度分布曲线的变化。例如，如果预热灯阵列产生建造材料的比所预期的更热的一部分(可能由于异常灯引起)，那么该部分在熔融期间可能会过热。这个问题可通过如下来抵消：通过在熔融之前的合适的时间施加印刷剂来降低在该部分上的建造材料的温度，以便实现期望水平的冷却。例如，印刷剂可以在施加过程的结束时被施加到该部分，使得其没有足够的时间来恢复。替代性地，在印刷剂施加过程足够快的情况下，可能有必要在施加过程的开始时将印刷剂施加到该部分，以便允许有足够时间来发生热损失。

框108包括：形成后续层建造材料。后续层建造材料铺设在先前形成的第一层上。

框110包括：根据框104中确定的预热设置来预热后续层建造材料。

框112包括：基于框106中确定的印刷指令将印刷剂选择性地施加到后续层上。

在已经将印刷剂施加到后续层上之后，则可以例如通过使用能量源将能量施加到预热的建造材料上，以在该层的一部分上将建造材料的温度提高至超出熔融温度，以便形成熔融区域和非熔融区域。这可以例如包括：将热量施加到建造材料层上，例如通过使用加热灯来进行；或利用光、微波能量等来辐射该层。如要理解的，通过这种操作形成的熔融区域可以被称为“部件区域”，其中每层的部件区域可以对应于要形成的三维物体的横截面。

在一些示例中，可以形成后续层建造材料，例如从而覆盖经试剂处理的且至少部分地熔融的第一层，并且可以测量该后续层的温度，例如在将任何印刷剂施加到其上之前进行。

还可以控制印刷剂的施加，以便改变施加在该层的表面上的印刷剂的量，以便改变印刷剂的冷却效果。这可以通过以不同比率组合不同的试剂来实现。

在一些示例中，将所测得的温度与建模的预期温度进行比较。这可以例如包括：将区域或层的所测得的温度分布曲线(即，热图)与建模的温度分布曲线进行比较；或者比较其在空间上对准的像素。在其他示例中，确定温度条件可以包括：将层上的至少一个位置或区域中的每者处的温度与阈值温度进行比较。

在一些示例中，可以存在与要生成的物体的层、用于每层的印刷剂的指定量和/或放置相关联的印刷指令的初始集合。印刷指令可以通过使用物体生成过程的热模型来导出。在实践中，即使考虑热模型，物体生成中的建造材料层的热行为可能偏离该模型，例如是由于所使用的建造材料和/或印刷剂的热性质的变化(例如，建造材料可以再循环，并且其热性质在其寿命期间可能改变)、环境条件(包括环境温度和湿度)、不完整的模型等导致的。因此，印刷指令的初始集合可能导致印刷物体中的缺陷，例如诸如脆性、强度损失、尺寸精度损失和/或增加的粗糙度的不期望的物理性质，或者由于在物体形成期间的过热/处于加热而导致的物体的外观变化。因此，用于将印刷剂施加到后续层的预定印刷指令可以基于用于第一层的所测得的温度来修改，如上文所述。

在一些示例中，后续层在熔融之后可以被当作图1中的第一层，并且该方法可以相对于在增材制造中形成的每层或至少一些层被执行。

图2a示出了作为“热图”200a的在建造材料层的表面上的温度测量的示例。这种图可以表示多个成像像素，每个成像像素与温度测量相关联。在图2a中，较高的温度表示为较暗的区域，较低的温度表示为较亮的区域。

图2a示出了已经用熔融剂处理并用加热灯加热的建造材料层的热图200a。出于该示例的目的，在该层中形成的物体包括圆角矩形横截面202。如由较暗区域所示，建造材料层在矩形的部分204上更热。可以预期，层的熔融后的温度在矩形上会是均匀的，并且该较热部分204可能是偏离了预期温度。较热部分204可能是某种异常的结果，例如预热灯、能量源或建造材料的差异，或任何其他原因。周围的非熔融的建造材料的温度低于熔融区域的温度。应该注意的是，在实践中，可能存在更多的温度变化，这在附图中未示出以避免使附图过于复杂。

图2b示出了印刷图，其描绘了将熔融剂施加到在图2a中所示的第一层上面形成的后续层建造材料上。在该图中，较暗区域表示较高浓度的熔融剂，但以每像素/体素较低的体积施加；并且较亮区域表示较低浓度的熔融剂，但以每像素/体素较高的体积施加。如图所示，在图2a中所示的较热部分204上，熔融剂以较低浓度、但较大体积施加。增加体积的熔融剂增加了从预热的建造材料和下面的熔融层消散的热量。因此，施加熔融剂的冷却效果被构造成在较热部分204上比在物体的其余部分上更大。因此，熔融剂的施加被构造成抵消温度的局部变化。虽然熔融剂的体积在层的表面上不同，但浓度的变化确保了熔融剂的效果在所述层的随后熔融期间是一致的。熔融剂还可通过将细化剂施加到相同区域来稀释。添加细化剂不会影响熔融期间能量的吸收，但附加体积的细化剂增强了印刷剂的冷却效果。因此，可以通过改变熔融剂与细化剂的比例来调节熔融剂的浓度，并且这些试剂可以在不同的施加步骤中被施加。特别地，对于后续层的特定区域，第一体积(其还可以表述为流率、质量、浓度等)的熔融剂和第二体积的细化剂可以至少部分地基于所测得的温度来确定。熔融剂和细化剂的体积可以参考用于后续层的在熔融之前的预定温度来确定。因此，前文描述的将印刷剂选择性地施加到后续层上的框112可以包括：将第一体积的熔融剂选择性地施加到后续层的特定区域，以及将第二体积的细化剂选择性地施加到该特定区域。

图2c示出了在施加熔融剂之后并且正好在熔融开始之前的后续层建造材料的热图200c。如所示出的，熔融剂的冷却效果使得先前较热的部分204a冷却到低于周围建造材料的温度，以形成更冷部分204c。

图2d示出了在后续层熔融之后的热图200d。如所示出的，局部更冷部分204c抵消在熔融期间在该区域上增加的热量输入，使得熔融区域具有均匀的温度。

如前所述，印刷剂的施加可以以其他方式被控制，以便在熔融之前提供局部温度变化。所得温度在熔融区域上也不需要是均匀的，并且可以选择不同的温度曲线。

图3是包括温度传感器310和处理电路312的增材制造装置300的示例。建造平台可以在增材制造装置300的使用中被提供以支撑建造材料层，所述建造平台可以是可移除的部件(例如，被提供作为手推车的一部分)。还可以提供建造材料分配器302，以在逐层增材制造过程中在建造平台上形成相继层的建造材料。例如，建造材料分配器可以包括辊以将建造材料展开在建造平台314上。在一些示例中，其上提供建造平台314的可移除部件还可以包括建造材料源，并且可以包括机构以提升建造材料并准备建造材料以使建造材料分配器可以将建造材料展开在建造平台314上。

温度传感器310(可以是热摄像机，热成像阵列等)测量第一层建造材料的熔融区域的温度和非熔融区域的温度。在一些示例中，温度传感器310可以测量在建造材料层上的多个位置(例如，热成像像素)处的温度。多个位置可包括熔融区域内的多个位置和非熔融区域内的多个位置。

处理电路312包括温度控制模块316。温度控制模块316被构造成基于由温度传感器310所测得的第一层的熔融区域的温度和非熔融的温度来控制后续层的建造材料在熔融之前的温度。温度控制模块316响应于第一层的非熔融区域的所测得的温度来确定用于后续层的预热设置，并且响应于第一层的熔融区域的所测得的温度来确定用于将印刷剂施加到后续层的印刷指令，以便使得预热的建造材料是在熔融之前的预定温度。

由温度控制模块316确定的印刷指令可用于控制印刷剂涂敷器(未示出)。印刷剂涂敷器可被控制以响应于印刷指令将印刷剂选择性地印刷到建造平台上的建造材料层上。例如，印刷剂涂敷器可以包括印刷头(例如喷墨印刷头)，并且可以将印刷剂作为液体施加，例如在建造平台上传送一次或多次。

由温度控制模块316确定的预热设置可用于控制预热设备(未示出)。预热设备根据预热设置将建造材料层预热到预热温度，该预热温度低于熔融温度。例如，预热设备可包括预热灯阵列，该预热灯阵列设置在建造平台314上方以将建造材料加热到预热温度。该设备还可以包括能量源，该能量源可以是加热灯，其在该层的一部分上将预热的建造材料的温度升高超过熔融温度，以便形成熔融区域和非熔融区域。

温度控制模块316可以控制预热设备，使得建造材料保持在预热温度。特别地，温度控制模块316可以确保建造材料的温度不超过预热温度，使得避免建造材料的无意熔融。温度控制模块316可以通过施加印刷剂来调节建造材料在熔融之前的温度，以便校正在熔融之后熔融区域的温度曲线。

在一些示例中，温度控制模块316可以被布置成响应于熔融和非熔融区域的所测得的温度来修改预定的控制数据(即，预热设置和印刷指令)。

温度传感器310还可以用于控制该装置的其他方面，例如以确定何时冷却所生成的物体。温度传感器310还可以用于测量增材制造装置的其他部件的温度，例如集液器、幅材擦拭物或液滴检测器的温度。

图4是与处理器402相关联的机器可读介质400的示例。机器可读介质400包括指令，当由处理器402执行时，所述指令致使处理器402确定在逐层增材制造过程中后续层建造材料的预热设置并确定用于将印刷剂施加到后续层的印刷指令。响应于先前层的非熔融区域的所测得的温度来确定预热设置，并且响应于先前层的熔融区域的所测得的温度来确定印刷指令以便使得预热的建造材料的温度是在熔融之前的预定温度。

在一些示例中，印刷指令(以及可选地，预热设置)可以形成为从正在形成的物体的特定层导出的印刷指令的一部分。确定控制数据(即，预热设置和/或印刷指令)可以包括修改预定控制数据。预定控制数据可以基于正在形成的物体的预测热模型来生成。所测得的温度可以与预测温度进行比较并且与预测温度的偏差被使用以对控制数据作出调节。

预热设置可以是用于预热灯阵列的设置。特别地，该设置可以是占空比设置。印刷指令可以包括定时信息，该定时信息排定在熔融之前施加印刷剂的顺序。印刷指令还可以包括关于印刷剂本身的信息，例如体积(即，液滴尺寸/速率)、浓度、类型等。印刷指令可以用于在熔融之前改变区域的温度以便在熔融之后提供期望温度。

在印刷指令的修改作用于印刷剂的施加的排定的情况下，可能还需要考虑对层的其他区域的影响。因此，机器可读介质400可以包括寻求最佳解决方案的指令，该最佳解决方案实现在所述层的一部分上的预定局部温度，同时最小化对所述层的其他区域的影响。

在一些示例中，可以使用基于阈值的方法或诸如基于比例-积分-微分(PID)控制的计算的更复杂的方法或通过遵循统计方法(例如，基于机器学习)来确定控制数据的调节。

本公开中的示例可以作为方法、系统或机器可读指令被提供，例如软件、硬件、固件等的任何组合。这样的机器可读指令可以包括在计算机可读存储介质(包括但不限于盘存储器，CD-ROM，光学存储器等)上，所述计算机可读存储介质在其中或其上具有计算机可读程序代码。

参考根据本公开的示例的方法、设备和系统的流程图和/或框图来描述本公开。尽管上述流程图示出了特定的执行顺序，但是执行顺序可以与所描绘的顺序不同。关于一个流程图所描述的框可以与另一流程图的框组合。应当理解，流程图和/或框图中的每个流程和/或框，以及流程图和/或框图中的流程和/或图的组合可以通过机器可读指令来实现。

机器可读指令可以例如由通用计算机、专用计算机、嵌入式处理器或其他可编程数据处理设备的处理器来执行，以实现说明书和图中所描述的功能。特别地，处理器或处理装置可以执行机器可读指令。因此，装置的功能模块可以由执行存储在存储器中的机器可读指令的处理器或根据嵌入在逻辑电路中的指令操作的处理器来实现。术语“处理器”要被广义地解释为包括CPU、处理单元、ASIC、逻辑单元或可编程门阵列等。方法和功能模块可全部由单个处理器执行或在多个处理器之间分配。

这样的机器可读指令还可以存储在计算机可读存储器中，该计算机可读存储器可以指导计算机或其他可编程数据处理设备以特定模式操作。

机器可读指令还可以加载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得计算机或其他可编程数据处理设备执行一系列操作以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上所执行的指令实现了由流程图中的流程和/或框图中的框所指定的功能。

此外，本文的教导可以以计算机软件产品的形式来实现，该计算机软件产品存储在存储介质中并且包括多个指令，所述指令用于使计算机设备实现在本公开的示例中所述的方法。

尽管已经参考某些示例描述了方法、装置和相关的方面，但是在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行各种修改、改变、省略和替换。因此，旨在所述方法、装置和相关的方面由所附权利要求及其等同物的范围限制。应当注意，上述示例说明而不是限制本文所描述的内容，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代的实施方式。关于一个示例所描述的特征可以与另一示例的特征组合。

词语“包括”不排除存在除了权利要求中列出的元件之外的元件，“一”或“一个”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所记载的多个单元的功能。

任何从属权利要求的特征可以与任何独立权利要求或其他从属权利要求的特征组合。

Claims (15)

1.一种方法，包括：

测量第一层建造材料的熔融区域的温度和非熔融区域的温度；

响应于所述第一层的非熔融区域的所测得的温度来确定用于后续层建造材料的预热设置；

确定用于将印刷剂施加到所述后续层建造材料的印刷指令，其中，响应于所述第一层的熔融区域的所测得的温度，由用于所述后续层的所述印刷指令所指定的印刷剂的施加会使得预热的建造材料的温度是在熔融之前的预定温度；

形成所述后续层建造材料；

根据预热设置来预热所述后续层建造材料；以及

基于所述印刷指令将所述印刷剂选择性地施加到后续层上。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述非熔融区域内的多个位置处测量所述非熔融区域的温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，为所述多个位置中的每者确定预热设置。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预热设置为预热灯的占空比。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述非熔融区域的所测得的温度与预定预热温度相比较，并且其中，基于所测得的温度和所述预定预热温度之间的差异来确定用于所述后续层的所述预热设置。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于所述后续层的印刷指令包括：修改用于所述后续层的预定印刷指令。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述熔融区域的温度在多个位置处被测量以形成温度分布曲线，并且其中，将所述温度分布曲线与预测温度分布曲线相比较。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于所述后续层的印刷指令包括：确定用于将印刷剂施加到所述后续层的排定以使得所述预热的建造材料的温度是在熔融之前的所述预定温度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，确定用于所述后续层的印刷指令包括：确定印刷剂类型或组分以使得所述预热的建造材料的温度是在熔融之前的所述预定温度。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于温度测量或基于物体的模型来识别所述熔融和非熔融区域。

11.一种增材制造装置，其包括：

温度传感器，其用于测量第一层建造材料的熔融区域的温度和非熔融区域的温度；以及

处理电路，其包括：

温度控制模块，其用于基于由所述温度传感器测得的所述第一层的熔融区域的温度和非熔融区域的温度来控制后续层的建造材料在熔融之前的温度；

其中，所述温度控制模块响应于所述第一层的非熔融区域的所测得的温度来确定用于后续层的预热设置并且响应于所述第一层的熔融区域的所测得的温度来确定用于将印刷剂施加到所述后续层的印刷指令，以便使得所述预热的建造材料处于在熔融之前的预定温度。

12.根据权利要求11所述的增材制造装置，其中，所述温度传感器包括热成像摄像机。

13.一种机器可读介质，其包括指令，当被处理器执行时，所述指令使得所述处理器：

确定在逐层的增材制造过程中用于后续层建造材料的预热设置；以及

确定用于将印刷剂施加到所述后续层的印刷指令；

其中，所述预热设置响应于先前层的非熔融区域的所测得的温度被确定，并且所述印刷指令响应于所述先前层的熔融区域的所测得的温度被确定以便使得预热的建造材料的温度是在熔融之前的预热温度。

14.根据权利要求13所述的机器可读介质，其中，所述印刷指令包括用于将印刷剂施加到所述后续层建造材料上的排定。

15.根据权利要求14所述的机器可读介质，还包括指令，当被处理器执行时，所述指令使得所述处理器：获得最佳排定，所述最佳排定提供在熔融之前在所述层上的期望温度分布。