CN109219490B - 用粉末材料进行添加制造的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于建构一三维生坯压实体的系统，包括：一打印站，配置为在一建构表面上打印一掩模图形，其中所述掩模图形由一可凝固的材料形成；一粉末输送站，配置为在所述掩模图形上施加一粉末材料层；一模压站，用于压实由所述粉末材料形成的所述粉末材料层及所述掩模图形；以及一工件台，配置为重复地将一建构托盘推送至所述打印站、所述粉末输送站及所述模压站中的每一个，以建构数个层，所述数个层共同形成所述三维生坯压实体。

Description

用粉末材料进行添加制造的方法及装置

相关申请

本申请主张于2016年4月11日提交的美国临时专利申请号62/320,655及2017年3月20日提交的美国临时专利申请号62/473,605的优先权，其中的内容通过引用整体并入本文。

技术领域及背景技术

在本发明的一些实施例中，本发明涉及具有数个粉末材料层的三维(3D)打印(three dimensional printing)，更具体地但非排他性地，涉及用粉末金属作为所述建构材料的金属物体的3D打印。

已知许多种使用连续的粉末材料层进行3D打印制造数种固态物体的不同方法。一些已知的3D打印技术基于所述物体的一3D模型选择性地施加一液体粘合剂材料，将所述材料逐层地结合在一起以形成一固体结构。在一些制程中，所述物体被加热及/或烧结(sintered)，以在所述建构过程结束时进一步加强所述材料的粘合。

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)使用一激光(laser)作为所述电源以烧结粉末材料层。控制所述激光以瞄准由一3D模型限定的空间中的数个点，将所述材料逐层地结合在一起以形成一坚固的结构。选择性激光熔化(Selective lasermelting,SLM)是可比较的技术，其应用的材料是完全熔化而不是烧结的。通常在所述粉末的所述熔化温度均匀时施加SLM，例如：当纯金属粉末用作所述建构材料时。

名称为「MOLDING PROCESS」的美国专利号4,247,508描述了用于在数层中形成一3D制品的一模塑制程(molding process)，其内容通过引用并入本文。在一个实施例中，依序地沉积数个平面材料层。在每一层中，在沉积所述下一层之前，其中一部分区域固化以限定所述层中所述制品的部分。每一层的选择性固化可以通过使用加热及一选择的掩模(selected mask)或通过使用一受控的热扫描制程(heat scanning process)来完成。取代使用一激光以选择性地熔化每一层，可以采用每一层的一单独掩模及一热源。所述掩模放置在与所述掩模相关的层上，以及一热源位于所述掩模上方。穿过所述掩模开口的热量将使通过所述掩模开口暴露的所述颗粒熔合在一起。未暴露于所述直接加热的所述颗粒不会熔化。

名称为「MULTIPLE MATERIAL SYSTEMS FOR SELECTIVE BEAM SINTERING」的美国专利号5,076,869描述了一种用于选择性地烧结一粉末层以产生包括多个烧结层的一部件的一方法及装置，其内容通过引用并入本文。所述装置包括控制一激光器的一计算机，以将所述激光能量引导到所述粉末上以产生一烧结块(sintered mass.)。对于每一个横截面，所述激光束的所述目标是在一粉末层上扫描，并且接通光束以仅烧结所述横截面边界内的所述粉末。施加粉末并且连续的烧结层直至形成一完整的部件。优选地，所述粉末包括具有不同解离或黏接温度的多种材料。所述粉末优选地包含混合或涂覆的材料。

名称为「METHOD AND APPARATUS FOR 3D PRINTING BYSELECTIVE SINTERING」的国际专利公开号WO2015/170330，其内容通过引用并入本文，公开了一种通过3D打印形成一物体的一方法，包括在一建构盘上提供一粉末层，在所述层上进行模压，通过选择性激光烧结或选择性激光熔化经过模压的所述层，并且重复所述提供、所述模压及所述每一层地烧结，直到所述三维物体完成。公开的所述选择性烧结是通过一掩模图案，所述掩模图案限定了待烧结的所述层的一部分的一负片。

发明内容

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种使用粉末层进行3D打印的一系统及一方法。所述系统及方法可以用于形成具有粉末金属作为所述建构材料的一金属物体。任选地，可以使用其他粉末材料，例如：塑料及陶瓷(ceramics)。根据一些示例性的实施例，首先采用三维打印机打印每一层的掩模，所述三维打印机沉积可凝固的材料(solidifiable material)，例如：一光聚合物材料或一相变油墨(例如：热油墨)然后通过在所述掩模上散布一粉末层以形成一层。通常，所述掩模描绘可凝固材料的一图形。由多个层形成的所述物体由所述掩模图案限定，所述掩模图案利用所述可凝固材料勾勒出所述物体的一轮廓，并且将所述物体与所述周围区域分开，例如：所述支撑区域。

在一些示例性实施例中，所述印刷金属物体(也称为「生坯体」)在一生坯压实体(也称为「生坯块」)内形成，随后在所述层的制造过程结束时，在一炉中烧结。在一些实施例中，形成所述掩模图案的所述可凝固材料在烧结之前的专用加热过程期间被燃烧、液化或蒸发，并且通过移除所述周围的支撑区域(也称为支撑或支撑区或区域)从所述生坯压实体(green compact)中萃取所述物体。根据一些示例性实施例，每一层施加的所述掩模图形提供由所述可凝固材料形成的数个分隔壁(dividing walls)，所述分隔壁将围绕所述物体的所述支撑区域划分成在所述层建构过程结束时可以容易地与所述物体分离的数个部分。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于建构一三维生坯压实体的一系统，包括：一打印站(printing station)，配置为在一建构表面上打印一掩模图形，其中所述掩模图形由一可凝固的材料形成；一粉末输送站(powder delivery station)，配置为在所述掩模图形上施加一粉末材料层；一模压站(diecompaction station)，用于压实所述粉末材料层及所述掩模图形；以及一工件台(stage)，配置为重复地将一建构盘推至所述打印站、所述粉末输送站及所述模压站中的每一个，以建构数个层，所述数个层共同形成所述三维生坯压实体。

可选的，所述三维生坯压实体包括被形成的一物体及一支撑区域。

可选的，所述可凝固的材料是选自由一相变油墨(phase-change ink)、一热油墨(thermal ink)、一光聚合物材料(photopolymer material)、蜡(wax)或其任意组合所组成的群组。

可选的，所述相变油墨配置成基本上在超过300℃的一温度下会蒸发。

可选的，所述粉末材料是一铝合金。

可选的，所述粉末输送站包括一粉末分配站(powder dispensing station)及一粉末散布站(powder spreading station)。

可选的，所述粉末输送站包括：一粉末料斗(powder hopper)，配置为储存所述粉末材料；一分配尖管(dispensing tip)，配置为分配所述粉末材料；一粉末分配托盘(powder dispensing tray)，配置为接收来自所述分配尖管的所述粉末材料；以及一致动器(actuator)，配置为将位于所述粉末分配托盘上的所述粉末材料运送至所述建构盘。

可选的，所述粉末分配托盘包括数个沟槽(troughs)，所述数个沟槽配置为接收所述粉末材料。

可选的，所述系统包括：一第一导轨(first rail)，配置为推进所述粉末分配托盘，使得所述料斗将粉末分配到所述粉末分配托盘的所述数个沟槽的每一个。

可选的，所述致动器配置为同时翻转所述数个沟槽。

可选的，所述致动器配置为同时打开位于每一个所述数个沟槽的所述底部的一纵向孔径(longitudinal aperture)。

可选的，所述系统包括：一第二导轨(second rail)，配置为推进所述粉末分配托盘，使得所述料斗沿着所述粉末分配盘上的一沟槽分配粉末。

可选的，所述料斗包括一螺旋钻(auger)，所述粉末材料通过所述螺旋钻被可控制地推进到所述分配尖管中。

可选的，所述粉末输送站包括一滚筒(roller)，以及其中所述滚筒被致动以旋转并且移动越过所述层以散布所述粉末材料。

可选的，所述滚筒是一前行滚筒(forward roller)。

可选的，所述粉末输送站包括数个檐槽(gutters)，所述数个檐槽配置为在所述滚筒移动越过所述层时，接收从所述建构盘的所述数个边缘掉落的多余的粉末材料。

可选的，所述数个檐槽包括一第一对檐槽，在散布所述粉末材料的期间，所述第一对檐槽被致动以与所述滚筒一起移动。

可选的，所述第一对檐槽是位于所述滚筒的所述数个侧端的下方。

可选的，所述第一对檐槽中的每个檐槽的一长度至少是所述滚筒的所述直径的两倍，并且在所述滚筒的所述侧端的两侧延伸。

可选的，在所述粉末材料通过一空气抽吸散布粉末的期间，堆积在所述第一对檐槽中的所述粉末连续地从所述檐槽内部的空间移除。

可选的，所述数个檐槽包括一第二对檐槽，所述第二对檐槽相对于所述滚筒越过所述建构盘的一移动方向定位在所述建构盘的一前端及一后端处。

可选的，所述第二对檐槽被致动以朝向及远离所述建构盘移动。

可选的，所述第二对檐槽位于所述滚筒的所述水平处，以及一空气抽吸(airsuction)是用于将堆积在所述数个檐槽中的所述粉末移除。

可选的，当所述第一对檐槽中施加的所述空气抽吸被切断时，所述空气抽吸施加于所述第二对檐槽中。

可选的，所述粉末输送站配置为将所述多余的粉末重新循环到所述粉末料斗中。

可选的，所述粉末输送站包括至少一个旋风分离器(cyclone separator)，所述旋风分离器配置为从所述数个檐槽中收集的所述粉末材料中去除空气。

可选的，所述粉末输送站包括包括数个串联运作的旋风分离器。

可选的，所述至少一个旋风分离器包括一盖体(cap)，所述盖体配置为在所述旋风分离器操作的期间密封一出口。

可选的，所述粉末输送站包括一网筛(mesh)，所述网筛配置为在所述粉末材料输送到所述粉末料斗之前，将所述粉末材料与所述碎屑分开。

可选的，所述模压站包括数个侧壁，所述数个侧壁配置为被引入至所述建构盘的周围。

可选的，所述侧壁配置为基于所述数层与所述建构盘接触而被引入至所述建构盘的周围。

根据本发明的一个方面，提供一种用于形成一三维物体的一系统，所述系统包括：用于建构一三维生坯压实体的一系统；以及一后期处理站(post-processing station)，选自由一第二压实站、一加热站、一烧结站及其任意组合所组成的群组。

根据本发明的一个方面，提供一种一种用于建构一三维生坯压实体的一方法，其特征在于：所述方法包括步骤：在一建构表面上以一可凝固的材料打印一掩模图形；在所述掩模图形上通过散布一粉末材料形成一层；压实所述层；并且重复所述打印、形成及压实的步骤，直到完成所述三维生坯压实体。

可选的，所述三维生坯压实体包括被形成的一物体(object)及一支撑区域(supporting region)。

可选的，散布所述粉末材料包括：在所述建构表面上分配多排的粉末材料，并且用一滚轮散布所述多排的粉末材料。

可选的，在分配到所述建构盘上之前，在产线外制备所述多排的粉末材料。

可选的，所述多排的粉末材料垂直于一散布方向定位。

可选的，所述散布包括：在所述粉末材料上滚动一滚筒。

可选的，所述散布方向从一个粉末层至随后的下一粉末层被反转。

可选的，所述多排的粉末的所述定位从一个粉末层到所述随后的下一粉末层而变化。

可选的，所述方法进一步包括：在所述散布及重新循环所述多余的粉末材料至一粉末料斗的期间，收集从所述建构表面的所述边缘掉落的多余的粉末材料。

可选的，在产线上进行所述收集及重新循环。

可选的，抽吸所述多余的粉末到至少一个旋风分离器并且将所述粉末从至少一个旋风分离器中分离出。

可选的，所述方法包括：使数个串联的旋风分离器运作。

可选的，所述方法包括：用一网筛过滤来自至少一个旋风分离器的粉末材料并且将通过所述网筛过滤出的粉末材料输送至一粉末料斗，其中所述粉末料斗提供用于建构所述三维生坯压实体的所述粉末材料。

可选的，所述方法包括：在所述压实期间施加热量。

可选的，所述压实是模压。

可选的，所述掩模图形包括每层所述生坯压实体的一轮廓。

可选的，所述打印、形成及压实是在环境温度(ambient temperatures)下进行。

可选的，一第一层形成在涂布一胶黏材料(tacky material)的一建构托盘上。

根据本发明的一个方面，提供一种用于形成一三维物体的方法，其特征在于：所述方法包括：根据前述的方法建构一三维生坯压实体，其中所述三维生坯压实体包括一物体及一支撑区域，所述物体及支撑区域包括一可凝固的材料；以及通过下述对所述生坯压实体进行后期处理：移除所述可凝固的材料；将所述物体与支撑区域分开；及烧结所述物体。

可选的，在燃结之前，进行移除所述可凝固的材料并且将所述物体与所述支撑区域分开。

可选的，在燃结期间进行移除所述可凝固的材料。

可选的，后期处理进一步包括：将所述生坯压实体压实成一整体。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法及材料可用于实践或测试本发明的实施例，但下文描述了示例性的方法及/或材料。如有冲突，将控制专利说明书，包括定义。另外，材料、方法及实施例仅是说明性的，并非旨在限制。

附图说明

仅通过举例的方式，在本文中参考附图描述了本发明的一些实施例。现在详细地且具体地参考附图，要强调的是，所示的细节是作为示例并且出于说明性讨论本发明的实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。

在所述附图中：

图1是一根据本发明的一些实施例的一示例性3D打印系统的一简化示意图；

图2是根据本发明的一些实施例中，用于打印用于定义所述物体的数个掩模层的一示例性打印机的一简化方框图；

图3A及图3B是根据本发明的一些实施例中，打印在一建构托盘上的两种掩模层图案的简化示意图；

图4是根据本发明的一些实施例的一粉末分配站的一简化方框图；

图5是根据本发明的一些实施例的一粉末散布站的一简化方框图；

图6是根据本发明的一些实施例的一生胚压实体层的一简化示意截面图，所述生胚压实体层包括一打印掩模图形及一粉末材料；

图7A及图7B分别是根据本发明的一些实施例的处于一释放及压缩状态的一示例性压实系统的简化示意图；

图8A及图8B分别是根据本发明的一些实施例中，用于一压实状态的一压实系统及一压实后状态的压实系统的一示例性抗剥离机构的简化示意图。

图9是根据本发明的一些实施例中，在压实制程之后及研磨之前的一层的一简化示意图；

图10是根据本发明的一些实施例的用于形成一物体的三个印刷层的一简化示意图。

图11是根据本发明的一些实施例的用于通过3D打印建构数个生胚压实体层的一示例性方法的一简化流程图。

图12是根据本发明的一些实施例的使用基于3D打印形成的一物体的一示例性方法的一简化流程图；

图13是根据本发明的一些实施例的每层建构过程的一示例性的一简化示意图；

图14是根据本发明的一些实施例的一示例性建构过程的一简化方框图；

图15是根据本发明的一些实施例的一示例性打印系统的一图像；

图16是根据本发明的一些实施例的一粉末分配器的一示例图；

图17是根据本发明的一些实施例的一滚筒、建构托盘及周围数个檐槽的一示例图；以及

图18是根据本发明的一些实施例的一粉末重新循环系统的一示例图。

具体实施方式

在本发明的一些实施例中，本发明涉及具有粉末材料层的三维(3D)打印，更具体地但非排他性地，涉及用粉末金属作为所述建构材料的金属物体的3D打印。

如本文所用，所述术语「可凝固的材料」是指一液体或可液化以允许沉积并且当沉积在一建构表面上时可以固化的材料。可凝固材料的一个例子是一可凝固的油墨，当可凝固的油墨在一建构表面上打印时，所述油墨是呈液态并且可以在所述建构表面上固化。可凝固油墨的非限制性实例包括光固化聚合物(也称为「光聚合物材料」)、热油墨(也称为「相变油墨」)，其中一个实例是蜡，及其任意的组合。如本文所用的热油墨及相变油墨是可互换的术语，并且可以定义为在室温下(例如：约25℃)具有低于120℃的一熔点，在所述熔点温度及120℃之间小于50布氏粘度单位的粘度的材料，并且在高于100℃的温度下蒸发时基本上没有碳痕迹。基本上，没有碳痕迹定义为小于5％重量百分比或小于1％重量百分比。在一些示例性的实施例中，所述热油墨的一熔化温度在55℃至65℃之间，以及一工作温度为约65℃至75℃，所述粘度可以在15布氏粘度单位至17布氏粘度单位之间。根据本发明的数个实施例，所述热油墨被配置为响应于加热而蒸发，且具有很少或没有碳痕迹。

如本文所用，所述术语「生坯压实体」及「生坯块」可互换地指通过将粉末材料散布在可凝固材料的一掩模上形成的数层的所述连续压实而形成的一块状体。一生坯压实体通常在其体积中包括一个或多个正在建构的物体，也称为「生坯体」，一支撑区域，围绕所述生坯体及可凝固的材料。所述可凝固的材料限定了所述生坯体的所述轮廓，并且可以用于将所述支撑区域分成更容易去除的数个子区域。当提到所述生坯压实体的一特定层时，所述生坯体显示为一「模型区域」(或「物体区域」)，并且所述支撑区域显示为一个或多个「支撑区域」。

如本文所用，所述术语「掩模」及「掩模图形」可互换地指通过将一可凝固材料沉积到一建构表面(例如：建构托盘，前一层)上而形成的一结构。所述掩模图形通常包括一个或多个固体结构元件，例如：线、点、角、周长或由所述可凝固材料的所述凝固产生的任何其他几何结构。所述可凝固的材料可以自发地或在一外部触发器激活之后固化，例如：紫外线。

如本文所用，所述术语「打印站」或「3D打印站」包括适于在一建构表面上沉积一种或多种可凝固材料的任何装置。所述打印站可包括：一打印头、一挤出机及/或本领域已知的任何其他合适的装置。

根据本发明的一些实施例，提供了一种3D打印系统及方法，所述系统及方法使用由至少一种可凝固材料(例如：一相变油墨、一热油墨、一光聚合物材料、一蜡或其任何组合)形成的一掩模图形以建构一烧结物体。可选地，所述热油墨具有低碳含量并且被配置为响应于加热而蒸发，并且留下很少或没有碳痕迹。在一些示例性实施例中，所述系统及方法应用于用诸如铝的纯金属建构物。值得注意的是所述系统及方法不限于与纯铝一起使用，并且还可以用于建构金属合金、塑料、陶瓷及/或不同材料的一组合。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括一建构托盘、一3D打印机用于打印一掩模图形、一粉末分配器具有用于在所述掩模上施加粉末材料的散布器、一第一压实单元用于压实所述层并且可选地一研磨(或辗磨)单元，用于刮除每一层的所述上表面。根据一些示例性实施例，一受控线性驱动器可以重复地将所述建构托盘推进到所述3D打印机(也称为「数位打印站」或「打印站」)、粉末分配站及粉末散布站中的每一个(在一些实施例中组合成一「粉末输送站」)及所述压实站(也称为「制程压实站」)，用于建构所述多个层。可选地，在建构所述第一层之前，所述建构托盘涂有诸如胶的一粘性材料。

在一些示例性实施例中，所述系统另外包括一第二压实站及一炉烧结站，用于分别在所述层建构过程终止时压实然后烧结所述多个层。在一些实施例中，所述掩模在所述烧结过程的一第一阶段中(在特定条件及气体环境中)燃烧，然后合并所述多个层。在一些其他示例性实施例中，所述掩模由热油墨形成，并且所述热油墨被配置为蒸发而不是在烧结之前或烧结期间在一专用加热过程中燃烧。在所述专用加热过程之后或所述烧结之后，所述物体与所述周围材料分离。

根据一些示例性实施例，一粉末分配器在每层散布多排的粉末材料。在一些示例性实施例中，所述多排定位在所述建构托盘上，使得它们与所述散布器平行，例如：平行于所述散布器的一旋转轴线并且垂直于所述滚筒穿过所述建构托盘的线性运动。可选地，每层涂布2至20排粉末。在一些示例性实施例中，所述多排在包括多个槽的一散布托盘上在产线外散布，然后转移到所述建构托盘(例如：通过同时打开或翻转多个槽)。在所述建构托盘上分配多排可以被配置为帮助所述散布器将所述粉末更均匀地分布在所述建构托盘上，并且还可以保持跨越所述建构托盘的所述层的一恒定高度。所述散布器通常是具有一限定直径的一滚筒，所述滚筒在移动穿过所述建构托盘时被致动以在跨越所述建构盘的期间散布所述粉末。在散布期间，收集位于所述建构托盘周围的数个檐槽中多余的粉末。

根据一些示例性实施例，将收集在所述数个檐槽中的所述粉末混合到一容器中，例如：一料斗，包括用于建构所述数个后续层的粉末供应。可以应用抽吸来收集所述数个檐槽中的所述材料并且使所述材料前进通过一粉末重新循环系统。在一些示例性实施例中，在所述建构托盘上每层分配一多余的粉末以促进一均匀的粉末层的散布。可选地，分配的所述粉末量是每层使用量的2倍至5倍。在散布期间，每一层中分配的相对大部分的粉末被推至所述数个檐槽并循环回到所述料斗中。可选地，所述重新循环粉末主动地混合到所述料斗的所述粉末供应中。

在一些示例性实施例中，数个檐槽定位在所述建构托盘的所述四个侧面中的每一个上。在一些示例性实施例中，所述前檐槽及后檐槽(相对于所述滚筒的运动方向)具有一小范围的运动，允许所述前檐槽及后檐槽朝向所述建构托盘移动以收集所述粉末并且远离所述建构托盘移动以允许所述建构托盘在所述垂直方向及横向方向上移动并且推进到下一个所述站。可选地，将50％至80％的所述分配粉末收集在所述数个檐槽中并且重新循环。所述粉末重新循环系统有助于更有效地使用所述粉末并且避免不必要的粉末积聚。

在一些示例性实施例中，所述粉末重新循环系统包括：数个檐槽用于收集所述多余粉末、一真空泵用于输送所述多余粉末、一个或多个旋风分离器用于从所述空气中收集粉末、一网筛用于从收集的粉末中分离任何碎屑及一振动器用于促进通过所述网筛过滤。在一些实施例中，所述粉末重新循环系统包括：一串联的旋风分离器。可选地，所述串联有助于以一高效率收集具有不同尺寸及重量的粉末颗粒，例如：用于非均质粉末。在一些示例性实施例中，每个所述旋风分离器底部的所述出口在所述旋风分离器的操作期间被密封。可选地，一旦所述分离活动完成，将所述密封件释放在所有旋风分离器上，然后将所述粉末分配到一网筛上，所述网筛将粉末从可能已收集的任何碎屑或结块粉末中过滤掉。可选地，所述网筛由一振动器致动。然后将通过所述网筛过滤的粉末引入所述料斗中，并且在所述料斗中混合成所述粉末。

根据一些示例性实施例，所述3D打印机是一喷墨3D打印机，例如：由以色列Stratasys有限责任公司提供的PolyJetTM打印机。在特定实施例中，由所述3D打印机打印的所述掩模图形描绘每层图形的一周边，并且可选地还包括从沿着所述周边的数点朝向所述建构托盘的边缘延伸的数条径向线。油墨材料的所述径向线可以有助于将位于所述数个层图形的所述描绘周边内的所述物体，从不是所述物体的一部分的所述数个掩模的所述周边外的建构材料中分离。在所述层建构过程中，建构材料可以用作所述建构物体的负斜面或包括在所述物体中的中空体积的支撑。在一些示例性实施例中，所述3D打印机包括组装在一扫描打印块上的喷墨打印头，所述扫描打印块在打印期间在建构托盘上移动以扫描所述层，同时所述建构托盘保持静止。或者，可以使用一精密平台使所述建构托盘沿着所述扫描方向前进，同时所述喷墨打印头块在所述方向上保持静止，并且可以在正交方向上移动或完全静止。在一些实施例中，所述特定层的所述整个掩模图形可以单次印刷。

在一些示例性实施例中，所述压实单元是一模压单元，包括围绕所述建构托盘的数个壁及在所述建构托盘上散布的所述粉末层，并且保持所述数个层的所述覆盖区。在一个实施例中，所述托盘的覆盖面积可以在20×20公分至25×25公分之间。可选地，所述压实单元包括一液压机并且在室温下操作。所述液压机可以在高达300百万帕的压力下按压每层，例如：在使用al6061铝粉的情况下。在大多数情况下，每层的所述压实压力可低于300百万帕，例如：小于100百万帕。由于所述粉末体积含有空气，所述粉末的密度(以格令/立方公分测量)通常低于所述锻造材料的所述密度。所述压实的所述质量可以通过所述相对密度来测量，所述相对密度由所述压实的粉末密度除以所述锻造材料的密度(以％表示)来定义。由所述滚筒施加的所述散布压力可以使一层的所述密度从约50％增加到60％，并且所述每层的压实压力可以将一层的所述密度增加到约70％至90％。可选地，压实之前的一平均层厚度可以在100微米至300微米之间。

在压实期间，形成所述掩模图形的所述可凝固材料可能在所述层的所述上表面附近变形。一研磨(或辗磨)单元可选地提供去除可能经历变形的所述层的部分。可选地，通过研磨(或辗磨)单元除去10％至50％的所述层。可选地，除去20微米至50微米的所述层。可选地，限定所述层的一厚度，使得在压实及可选的研磨(或辗磨)之后，所述层将具有一期望的预定厚度。然后可以在所述研磨(或辗磨)之后在所述现有层上打印一另外的掩模以继续所述层建构过程。根据一些示例性实施例，整个层建构过程可以在环境温度下执行。在环境温度下操作的所述能力通常与较低的操作成本相关并且还降低了所述系统的成本。在高温下操作通常需要更多的安全措施，这通常与更高的成本相关。

根据一些示例性实施例，在所述层建构过程完成之后，形成所述生坯压实体的数个层的整体可以在较高压力及温度下再次在一第二压实站中压实，并且也可以在一较长的持续时间内压实。或者，不需要所述第二压实站。

已知使用铝的建构物是有利的，因为铝的重量轻、热及电传导以及其相对的耐腐蚀性。通常，铝的所述熔化温度相对较低。用铝粉建构的挑战之一是粉末的的所述铝颗粒倾向于形成一氧化铝涂层，例如：矾土。所述氧化铝涂层在所述铝颗粒之间引入一阻挡层，所述阻挡层在烧结过程中干扰所述颗粒的结合。所述最终结果通常是由于所述粉末元件之间的不良粘合而具有降低强度的一物体。

在一些示例性实施例中，在所述压实过程中施加的所述压实强度被定义为提供所述粉末层的永久变形，例如：将所述粉末颗粒压过弹性状态并进入所述粉末颗粒的塑性状态。通常，通过压实来改善所述物体的所述密度并且从而提高所述机械强度。通过分解所述氧化铝层以暴露所述铝并且允许所述粉末材料的铝颗粒之间的直接接合，所述压实还促进了烧结期间的结合。任选地，压实增加了所述粉末层的导热性并允许更均匀的烧结。可选地，压实改善了所述粉末层之间的所述粘合并防止在烧结后可能发生的层分离。在一些示例性实施例中，每层中的所述压实产生一块状形式的一生坯压实体，所数生胚压实体包括一个或多个生坯(即形成的物体)，所述生胚可选地由所述3D打印机沉积的一可凝固材料分离，例如：固态相变墨水或光聚合物材料(即所述掩模图形)。

在一些示例性实施例中，所述第二压实站在150百万帕至350百万帕的压力及在高达430℃的温度下压缩所述整体1至6分钟。可选地，所述第二压实站也是保持所述Z轴准确性的一模压站。尽管所述限定的物体仅在所述掩模图形的周边内，形成所述数个矩形层的所述附加粉末材料被保持并用于在所述模压期间支撑所述物体的所述形状。可选地，它是所述第二个压实站，其完成了所述生坯压实体的所述压实。

炉烧结通常在一最终压实阶段之后施加，但也可以在生产所述生坯压实体的所述最终层之后直接施加。烧结的温度及持续时间通常取决于使用的所述粉末材料并且可选地取决于所述物体的所述尺寸。在一些示例性实施例中，所述粉末材料是铝。所述炉烧结过程的所述第一阶段可以在300℃至400℃下持续20分钟至180分钟。在此阶段，炉子环境可以是惰性的(氮气)或充气的。在一些实施例中，形成所述掩模的所述可凝固材料包括一光聚合物材料，在所述烧结期间的一第一阶段可以配置为燃烧所述光聚合物材料。所述聚合物使用其结构氧分子燃烧并且不需要外部氧气的供应。在较高温度下的烧结通常可在一氮气环境中进行。可选地，对于铝粉，所述物体可以在570℃至630℃下持续60分钟至180分钟。例如：对于不锈钢粉末，所述温度可能达到1250℃。可选地，所述炉能够以2℃至20℃/分钟的速率改变温度。通常，烧结在多个阶段上进行，每个阶段在一限定的温度下进行并且在一限定的时间内持续进行。可选地，在所述第一阶段之后冷却所述块状物，并且萃取所述物体及完成烧结。

在一些示例实施例中，本文所述的3D打印系统提供以改善的速度进行打印。例如：每层的印刷时间可以在25秒至35秒之间，并且所述生坯(即被印刷的物体，包括约400层)的估计建构时间可以是例如：4小时。作为建构在所述建构托盘上的一生坯压实体的一块状物可以包括多个嵌入的生坯，例如：1个至15个物体。所述块状物的一示例性覆盖区域可以是20×20cm。

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明不一定限于其应用于以下描述中所阐述的所述构造细节及所述组件设置及/或方法及/或在所述附图及/或实施例中的说明。本发明能够具有其他实施例或者能够以各种方式实践或实施。

现在参考所述附图，图1示出了根据本发明一些实施例一的示例性3D打印系统的一简化方框图。根据本发明的一些实施例，一3D打印系统100集成在一工作平台500上。根据本发明的一些实施例，工作平台500包括：一精密台250、一建构托盘200在所述精密台250上推进通过多个平台，所述站用于一次打印一层的一生坯压实体15。通常，精密站250是一线性站，例如：一XZ站沿着一单轴提供运动，例如：在建构一层的同时提供一X轴并且还在所述垂直方向(Z轴)上提供用于调节所述建构托盘200的高度的运动，例如：当添加每个新层时降低所述建构托盘200。

根据本发明的一些实施例，工作平台500包括用于打印一掩模图形的一打印平台站30，用于在建构托盘200上分配一粉末层的一粉末分配站10，用于在所述打印掩模图形上散布一分配层的一粉末散布站20，用于压实所述粉末层的一压实站40，以及用于在打印另一层之前用于刮除一当前层的上表面的一研磨站50。通常，对于每一层，所述打印托盘200推进到每个所述站，然后重复所述过程直到所有层都已被打印。在一些示例性实施例中，所述托盘200在一个方向上推进，在打印平台站30处停止，然后在粉末分配站10、粉末散布站20、压实站40及研磨站50处停止反转方向。根据一些实施例，在本发明中，一控制器300控制3D打印系统100的操作并且通过所述托盘200在精密平台250上的定位及/或移动来协调每个站的操作。通常，控制器300包括及/或与存储及处理能力相关联。

根据一些示例性实施例，在所述层建构过程结束时，可将生坯压实体15推进或定位在一第二压实站60中以进行最终压实，然后进入烧结站70以进行烧结。或者，所述第一压实站40在所述层建构过程中或在所述层建构过程结束时完成所述压实。在一些具体实施例中，在烧结过程中，由打印站30建构的所述掩模燃烧以及所述生胚压实体15凝固。所述掩模的燃烧允许在所述掩模的所述层状周边内的限定生坯压实体15与所述周边外部的所述层的所述部分分离。

可选地，惰性气体源510是氮源。通常，烧结站70及可选的第二压实站60是独立于工作平台500的数个独立站。可选地，生胚压实体15以手动定位在烧结站70并且可选地定位在第二压实站60中，而不是通过精密站250定位的。

可选地，第二压实站60及烧结站70中的每一个都具有用于操作所述相应站的一单独控制器。

现在参考图2，图2示出了根据本发明一些实施例的一示例性3D打印系统的一简化示意图。根据本发明的一些实施例，打印平台站30包括一直接喷墨打印头35，所述打印头35基于一生成的掩模数据39沉积光聚合物材料32。通常，所述掩模图形由通常储存在存储器中的掩模数据39定义。通常，所述掩模数据由一计算机辅助设计(CAD)软件程序或其相似物所产生。

在一些示例性实施例中，打印头35是固定的，并且打印机控制器37与系统控制器300一起控制当建构托盘200在打印头35下前进时沉积材料32的定时。通常，当建构托盘200在打印头下前进时，一固化单元33固化沉积的材料。可选地，打印头35及固化单元33安装在一Y轴平台上并且沿垂直于建构托盘200的方向移动。或者，建构托盘200在打印期间是静止的，并且打印头35及固化单元33由一X、Y或XY平台支撑，用于在一个或多个方向上移动打印头35。通常，打印头35包括一喷嘴阵列，通过所述阵列喷嘴选择性地沉积所述材料。

现在参考图3A，图3A示出了根据本发明的一些实施例的打印在一建构托盘上的一个掩模层图形的一简化示意图。根据本发明的一些实施例，打印头35使用一可凝固的材料(例如：光聚合物材料或相变油墨)打印在每层处形成的所述物体的一轮廓150。通常，所述掩模的第一层打印在建构托盘200或其他建构表面上。在一些示例性实施例中，打印头另外打印从轮廓150朝向建构托盘200的数个边缘延伸的数个辐射状条(rays)155或朝向建构托盘200的数个边缘处的数个檐槽250。在一些示例性实施例中，辐射状条155在轮廓150外部的所述粉末中引入数个切口，使得在建构物处理结束时或固化所述建构层之后，轮廓150的外部区域(即支撑区域)可以容易地与轮廓区域内的所述物体分离。通常，未遮盖/未图形化的数个部分利用所述粉末材料填充以用于建构所述物体。

现在参考图3B，在一些示例性实施例中，可凝固的材料可被图形化以完全地或部分地占据支撑区域157，相对于轮廓150外部的辐射状条155，以填充不成为所述物体的一部分的所述层的部分。可选地，支撑区域由一可凝固的材料结构及粉末材料的一组合形成。

在一些示例性实施例中，通过使用可凝固的材料打印所述轮廓150外部区域的一部分，可以节省用于形成所述数层的粉末材料的所述体积。在一些示例性实施例中，在轮廓150外部打印的可凝固的材料的所述数量取决于所述可凝固的材料在所述物体周围提供的所述支撑的类型。

现在参考图4，图4示出了根据本发明一些实施例的一粉末分配站的一简化方框图。通常，粉末分配站10包括容纳粉末51的一容器12，一螺旋钻14，用于通过一管16萃取特定数量及/或体积的粉末51并且进入建构托盘200。在一些示例性实施例中，基于来自系统100及/或控制器300的反馈在所述建造程序的过程中调节所述限定的体积。可选地，在建构托盘200运动时分配粉末51，使得粉末51在建构托盘200的一定长度上展开。在一些示例性实施例中，粉末分配站10适于输送粉末铝。在其他示例性实施例中，其他金属、合金及/或材料由粉末分配站10储存及输送。可选地，容器12包括多个混合的组件。可选地，容器12包括用于混合储存的内容的一机构。

现在参考图5，图5示出了根据本发明一些实施例的一粉末散布站的一简化方框图。通常，散布站20包括可旋转地安装在一轴24上的一电动滚筒25。在一些示例性实施例中，一线性电动机22耦合轴24并且移动通过所述层以散布一均匀的粉末层。在一些示例性实施例中，一工作台200的高度是可调节的，例如：使用一Z轴工作台向上/向下移动以获得一限定层的厚度。在一些示例性实施例中，一粉末层的厚度约150微米，例如：用滚筒25散布100微米至300微米的厚度。通常，所述粉末层散布在所述掩模层上并且在压实之前在所述掩模层的上方具有一高度。通常，在压实之后，所述粉末层的所述高度减小至所述掩模层的所述高度。在一些示例性实施例中，监测压实后的一层的一厚度，并且调节建构托盘200的高度以改变当前层的一厚度，以补偿一个或多个先前层的层厚度的漂移或变化。可选地，一粉末重新循环机构连接到容器12，用于收集未散布的粉末并将所述粉末重新循环到容器12中。

在一些示例性实施例中，滚筒25基本上在建构托盘200的整个长度上延伸，并且仅需要所述滚筒的一次性通过来散布所述粉末。

可选地，在建构托盘200运动时操作滚筒25。可选地，滚筒25保持在建构盘200上方的一高度，并且根据需要用一Z轴升降器降低以便散布。

现在参考图6，图6显示了根据本发明的一些实施例中，包括一打印掩模图形及粉末材料的一生坯压实体的一简化示意截面图。根据本发明的一些实施例，首先通过打印掩模图形150然后在掩模图形上散布粉末51以形成一层300。通常，限定层300使得粉末51达到与掩模150的高度相同的高度。

在一些示例性实施例中，在托盘200上方建构之前，将一层胶剂或其他粘性材料散布在托盘200上，例如：在打印所述第一掩模150之前。所述胶层的厚度可以是1微米至10微米。在一些示例性实施例中，所述薄的胶层稳定所述托盘上的所述数层，并且还提供在所述层建构过程终止时将所述层与建构托盘分离。在一些示例性实施例中，选择所述胶层的所述厚度以及其机械性质以便于通过所述胶层穿透所述粉末。所述穿透可以帮助稳定所述建构托盘上的所述第一层。

现在参考图7A及图7B,图7A及图7B分别示出了根据本发明的一些实施例的处于一释放及压缩状态的一示例性压实系统的简化示意图。

根据本发明的一些实施例，在所述将粉末层散布在所述掩模层上之后，压缩一层300。根据本发明的一些实施例，作为每层执行的所述压实过程，所述压实站在每层产生一个模具。

根据本发明的一些实施例，所述压实站包括一活塞42，所述活塞42可操作以提供所述压实压力用于压实一层300。根据本发明的一些实施例，在压实期间，活塞42通过一孔洞49升高，并且可选地将杆42A推到工作平台500或精密平台250中，并且朝向位于托盘200上方的表面45提升建筑托盘200.可选地，杆42A的所述添加减少了活塞42移动以实现所述压实的所述距离。

可选地，一旦层300与表面45接触，数个壁43围绕所述层300闭合，以在压实期间保持所述层300的一恒定覆盖区。

在一些示例性实施例中，托盘200固定到一个或多个线性引导件41，当活塞42升高及/或降低托盘200时，线性引导件41沿着线性轴承46行进。

可选地，托盘200被提升抵靠一个或多个压缩弹簧47。在一些示例性实施例中，在压实所述层300之后，提供重力及数个弹簧用以降低活塞42。

根据本发明的一些实施例，施加高达250百万帕或300百万帕的一压力以压实一粉末及掩模层。通常，所述施加的压力用于去除空气并使层300中的粉末超过其弹性状态，从而实现所述层的永久变形。可选地，所述压实提供将所述层的相对密度增加至约70％至75％。对于几种合金，所述相对密度可达到90％。可选地，所述压实将层的厚度减少多达25％。可选地，施加约50百万帕至90百万帕的一压实压力。可选地，所述压实在室温下进行。

在一些示例性实施例中，上表面45被加热，例如：在压实过程中用一加热元件44预热，并进行温模压实。当加热所述表面45时，层300可以在施加在层上的较小压力下达到其塑性及/或永久变形状态。可选地，在铝粉盒中，将上表面45加热至150℃的一温度，例如：150℃至200℃。通常在压实温度及压力之间存在一平衡。在压实过程中升高所述温度可以在较低压力下达到塑性变形。另一方面，降低上表面45的温度可能降低所述压实的能量效率，因为可能需要更高的压力。

通常，施加的所述压力及所述温度是基于粉末材料及层300的所述厚度来定义。

在一些示例性实施例中，例如：当使用铝粉时，所述压实是可操作的以破坏所述氧化物层，例如：所述粉末颗粒上的所述氧化铝。通常，暴露所述铝促进了所述粉末材料的铝颗粒之间的直接耦合，并且改善在烧结过程中所述颗粒的结合。

在一些示例性实施例中，掩模图形150可在压实期间变形。通常，在所述掩模图形150暴露的所述表面45附近发生变形。通常，由围绕所述层的数个壁43所保持的粉末51在所述上表面下方的掩模图形150处提供支撑，使得在所述层的所述上表面下方不会发生变形。

根据本发明的一些实施例，所述物体的高度，例如：当所述物体在建构时，在所述压实站处检测、确定及/或感测所述物体的一个或多个层的高度。可选地，检测所述托盘200在压靠所述表面45时的一高度。根据本发明的一些实施例，当需要调整层厚度以补偿从一所需高度漂移及/或改变高度时，控制器300(图1)监控所述高度及/或所述高度的变化并且向托盘200的粉末分配站及/或Z阶段提供输入。在一些示例性实施例中，控制器300使用存储在存储器或数学公式中的一个或多个查找表来控制层厚度的调整。

在一些示例性实施例中，沿着精密平台250的一路径的一个或多个站被支撑在沿着所述路径延伸的数个导轨上及/或通过一个或多个搭桥，例如：位于工作平台500上方的搭桥。在一些示例性实施例中，压实站40包括位于工作平台500下方的一活塞42，所述活塞42被操作以使杆42A朝向位于托盘200或其他表面上方的一平坦表面45上升，在下文中将进一步详述。

现在参考图8A及图8B，图8A及图8B分别是根据本发明的一些实施例中，用于一压实状态的一压实系统及一压实后状态的压实系统的一示例性抗剥离机构的简化示意图。根据本发明的一些实施例，一箔及/或薄膜49松散地附接到所述表面45的所述侧面。在压实过程中，所述箔49压在所述表面45及层300之间。在所述压实过程结束时，建构托盘200向下移动，并且所述层轻轻地与所述箔分离，并且避免层剥离，位于层300并且在压实过程中，接触模具48的表面45。可选地，所述箔的厚度在0.1毫米至0.4毫米之间，例如：0.3毫米。可选地，所述箔是一不锈钢302；301或316L箔。通常，箔49保护表面45免于积聚粉末并且还防止在表面45分离期间，层300的显着剥离。本发明人已经发现所述箔的这种逐渐分离现象避免了箔49上的层300的材料的剥离及/或损失。

现在参考图9，图9是根据本发明的一些实施例中，在压实制程之后及研磨(或辗磨)之前的一层的一简化示意图；根据一些示例性实施例，层300的一上部301可包括由于所述压实而在所述掩模150中的变形。根据一些示例性实施例，对层300进行研磨(或辗磨)以去除包括所述变形的所述上表面301。所述去除的部分由线410示意性地表示。在所述压实过程之后及研磨(或辗磨)之前，一层可具有约50微米至180微米的厚度。研磨(或辗磨)可以在10微米至50微米的层300之间刮除。在一些示例性实施例中，层300可以被定义为在压实过程及研磨之后具有约25微米至120微米的一厚度。

现在参考图10，图10示出了根据本发明的一些实施例的用于形成一物体的三个打印层的一简化示意图。根据本发明的一些实施例，掩模图形150通常可以形成一连续的边界或轮廓，其中一个掩模图形150在添加数个附加层300时接触另一个掩模图形。由堆叠的数个掩模图形150形成的所述连续边界限定了待形成的所述物体的一3D轮廓以及在所述生坯压实体成形过程结束时，在所述物体外部的所述支撑区域内的数个部分。

现在参考图11，图11是根据本发明的一些实施例的用于通过3D打印建构数个生胚压实体层的一示例性方法的一简化流程图。根据本发明的一些实施例，所述方法包括在每层打印一掩模图形，所述掩模图形限定正在形成的一物体或生坯体的一边界，以及稍后有助于将所述物体与周围材料(框305)分离并且延伸。在打印所述掩模之后，所述方法还包括在一建构托盘(框310)上分配粉末层并将粉末层散布在所述掩模图形上以获得一均匀的粉末层(框320)。在一些示例性实施例中，所述粉末是铝。可选地，使用其他金属或陶瓷材料作为所述建构材料，例如：所述粉末。可选地，所述粉末是多种材料的一混合物。在一些示例性实施例中，压缩(框330)每个层，然后可选地研磨所述压实层的所述上表面(框340)以去除由于压实而在所述掩模中的所述上表面上形成的任何变形。通常，所述压实提供从所述打印层去除空气。

可选地，通常所述压实还提供破坏在所述金属粉末颗粒上形成的一氧化涂层，例如：铝粉。通常，重复这些步骤直到所有数个层都已打印。

根据一些示例性实施例，如图11中所描述的所述层建构过程可以在一自动化阶段及环境温度下进行。由于所述环境温度条件，不需要提供一正的惰性气体流量或添加在高温或惰性气体环境下工作时通常可能需要的额外预防措施。通常，提供一正的惰性气体流或增加防止燃烧的预防措施与增加的成本相关联。如本文所述的所述层建构过程的可能优点包括：更安全的操作及更低的成本。

现在参考图12。图12是根据本发明的一些实施例的使用基于3D打印形成的一物体的一示例性方法的一简化流程图；根据一些示例性实施例，一旦所述建构层的程序完成时，形成一生坯压实体的所述建构层从所述自动化阶段(框405)移除并且在任选地一更高压力、温度及/或更长的持续时间(框410)下再次压实。在一些示例性实施例中，所述整个生坯体的所述最终压实在铝制的情况下以150百万帕至300百万帕的一压力进行，例如：250百万帕或低于430℃的一温度。可选地，将所述层压缩一段延长的时间，例如：2分钟至6分钟。通常，所述压实是模压，因此在所述过程中仅压缩所述Z轴。在压实之后，通常施用烧结(框415)。在一些示例性实施例中，烧结以多个阶段施加。可选地，在一第一阶段，所述数个建构层在相对低的温度下加热，例如：在一第一持续时间内低于400℃，例如：20分钟至180分钟。在使用铝粉及一些其他金属如不锈钢的情况下，所述步骤可能需要氮气的一惰性环境。在一些实施例中，所述掩模图形在所述阶段燃烧，主要是由于所述聚合物中含有的所述氧。在一第二阶段，温度可以升高，例如：450℃并且可以在一第二持续时间中维持所述温度，例如：0分钟至30分钟。上升及冷却可以是定义的速率，例如：10℃/分钟。在一第三阶段，所述温度可以再次升高，例如：570℃至630℃(在铝粉的情况下，取决于使用的所述合金)并且可以在一第三持续时间中维持所述温度，例如：60分钟至120分钟。在铝粉的情况下，所有这些步骤可以在一惰性环境中处理。在烧结及冷却之后，可以从所述数个层块中萃取所述物体。可能需要其他后处理步骤(即，在生成所述生坯压实体之后执行的数个步骤)以改善所述打印物体的所述密度。

本发明的一些示例性实施例的一方面提供了一种用于建构一三维物体的一系统，包括：一数位印刷站，配置为在一建构表面上打印一掩模，其中所述掩模由至少一种光聚合物材料及蜡所形成，并且配置为在烧结过程中燃烧；一粉末输送站，配置为在所述掩模图形上施加一层粉末材料；一制程压实站用于压实每层粉末材料，其中所述压实站包括用于接收所述层的一模具；一个平台，被配置为将所述建构托盘重复地推进到每一个所述数位打印站、所述粉末输送站及所述制程压实站以一起建构形成所述三维物体的多个层；以及一烧结站，配置用于烧结多个层。

可选地，所述制程压实站包括一加热元件，用于加热与所述层交界的所述模具的表面。

可选地，所述制程压实站是可操作的以在所述层上施加高达300百万帕的压力。

可选地，所述制程压实站包括数个侧壁，所述侧壁配置成基于所述层与所述压实站的接触而被引入所述建构托盘周围。所述数个侧壁被锁定在适当位置，使得所述数个侧壁具有最小的运动，例如：在压实期间在所述粉末块中产生的所述反作用力小于0.1毫米。

可选地，其中所述制程压实站包括一抗剥离机构，所述抗剥离机构包括位于所述模具之间的一箔。

可选地，所述系统包括一研磨或辗磨站，其中所述研磨或辗磨站配置成在压实之后移除所述层的一表面，其中所述阶段配置成将所述建构托盘重复地推进到每个所述数位打印站、所述粉末输送站、所述制程压实站及研磨或辗磨站以建构多个层，所述多个层一起形成所述三维物体。

可选地，所述研磨或辗磨站配置成刮除10％至40％的层厚度。

可选地，所述系统包括一最终压实站，其被配置为压缩所述多个层。

可选地，所述最终压实站的热量在多个加热阶段上压缩所述多个层。

可选地，粉末输送站包括一机动滚筒，所述机动滚筒配置成在所述层上移动以散布所述粉末。

可选地，所述粉末输送站包括用于接收多余粉末的一檐槽，所述檐槽基于在所述层上移动的所述滚筒以用于散布粉末。

任选地，所述粉末输送站配置成重新循环所述多余的粉末。

本发明的一些示例性实施例的一个方面提供了一种用于建构一三维物体的一方法，包括：在建构表面上印刷掩模，其中所述掩模由至少一种光聚合物材料及蜡形成，所述光聚合物材料及蜡配置成在烧结期间燃烧；在所述掩模图形上散布一层粉末；压实所述粉末层；重复所述打印、散布及压缩，直到完成所述三维物体的多个层；并且烧结所述三维物体的所述多个层。

可选地，所述方法包括在所述压实过程中施加热量。

可选地，所述压实是模压。

可选地，所述掩模包括所述物体每一层的一轮廓。

可选地，所述掩模还包括从所述物体的每一层的所述轮廓朝向所述层的一覆盖区的边缘延伸的图形。

可选地，所述方法包括在压实之后以及在所述层上打印一另外的掩模之前，研磨或碾磨所述层。

可选地，基于所述研磨或碾磨，去除10％至40％的所述层厚度。

可选地，所述打印、散布及压实在环境温度下进行。

可选地，所述方法包括在烧结之前进行所述最终的热压实，其中所述最终的热压实在多个加热阶段上进行。

可选地，所述方法包括在所述烧结过程中燃烧至少一种光聚合物材料及蜡中。

现在参考图13，图13示出了根据本发明一些实施例的另一示例性每层建构过程的一简化示意图。图13示出了在一示例性第一层502及第二层504上建构的过程中的一示例性第三层506。在一些示例性实施例中，使用一三维打印机在每层一分配掩模图案510。根据一些示例性实施例，掩模图形510由诸如相变油墨的一可凝固的材料形成。掩模图形510可以物理性地接触一先前层中的一掩模图形510，例如：层504或可以在包括所述建构材料的所述先前层的一区域上的图案化层。每层的掩模图形510的高度可以与所述层的高度基本相同，或者可选地可以短于所述层的高度，例如：层504中的掩模图形510的部分510A。可选地，不需要研磨。

根据一些实施例，粉末51散布在所述掩模图形510上并穿过一建构托盘200的一覆盖区。在一些示例性实施例中，粉末51用一滚筒25散布。可选地，滚筒25被致动以围绕其轴24旋转并且沿着一X轴移动穿过建构托盘200。一旦粉末51散布在托盘200的所述覆盖区上，就可以在所述整个层上施加压实520以压实层506。通常，由于压实的过程，层506的一高度减小。

现在参考图14，图14示出了一示例性建构制程的一简化方框图，并且图15示出了根据本发明一些实施例的一示例性3D打印系统的简化示意图。根据一些示例性实施例，可以在一循环过程中在一生坯压实体内逐层建构一物体(即生坯体)。所述循环过程的每个循环可以包括在一打印站535处打印一掩模图形(框530)，在分配及散布站545处将所述粉末材料(框540)分配及散布在所述掩模上的步骤(也称为「粉末输送站」)并且在压实站555处压实包括掩模图形(方框550)的所述粉末层。在一些示例性实施例中，所述掩模图形由诸如相变油墨的一可凝固材料形成。在一些示例性实施例中，如参考图7A及图7B所述执行压实。根据本发明的实施例，每个循环建构一层所述生坯压实体，并且重复所述循环直到已经建构了所有层。可选地，一个或多个层可以不需要一掩模图形，并且可以从所选择的层中排除所述打印掩模图形(框530)的所述步骤。可选地，一个或多个层可以不需要粉末材料，并且可以从所选择的层中排除分配及散布一粉末材料的所述步骤(方框540)。

根据本发明的数个实施例，所述循环过程产生一生坯压实体或生胚块。所述生坯压实体可包括由掩模及建构材料围绕的一个或多个物体(即生坯体)，形成所述物体外部的数个支撑区域。根据本发明的数个实施例，所述物体及所述围绕的支撑区域同时包括构成一生胚压实体的所述掩膜以形成在所述循环过程中分配及散布的所述粉末材料。根据本发明的实施例，被打印的所述掩模图形限定了一个或多个所述物体周围的一边界，在所述块内的多个区域，所述区域使得一个或多个所述物体能够从所述周围材料中萃取出来。根据一些示例性实施例，一旦从所述周围材料中萃取出来的一个或多个所述物体可以进行进一步的一后处理，例如：在烧结之前，可以在一个或多个步骤中进行进一步压实。

现在参考图16，图16示出了根据本发明的一些实施例的一粉末分配器的一示例图。根据一些示例性实施例，一粉末分配器600在每层分配所述多排粉末材料。在一些示例性实施例中，由粉末分配器600分配的多排所述粉末在一专用的散布托盘670上在产线外散布，所述散布托盘670包括多个沟槽660，粉末51容纳在所述沟槽660中。在一些示例性实施例中，粉末分配器600包括一第一导轨610，所述第一导轨610推进位于所述料斗640下方的所述沟槽，使得所述料斗可以依次将粉末分配到所述粉末分配托盘的每一个沟槽660中，以及一第二轨道620将所述粉末分配托盘移动到所述料斗下方，使得所述料斗640通过一分配尖管650沿着每一个沟槽660分配粉末51，直到所有的沟槽已经被填充。通常，沿着每一个第一导轨610及第二导轨620的移动由一专用马达致动。在一些示例性实施例中，粉末料斗640包括用于每行精确粉末定量给料的一螺旋钻，例如：每一个沟槽。通常，所述螺旋钻可用一专用电动机可控制地旋转。可选地，当第二轨道620在粉末料斗640下方移动粉末分配托盘时，所述螺旋钻被致动，因为所述粉末料斗沿着多个槽660中的每一个分配粉末51并且在第一轨道610移动所述粉末分配托盘时不被致动，使得所述粉末料斗640依次位于多个槽660中的每一个上方。

根据一些示例性实施例，粉末分配器600包括一活塞630，一旦准备好所有粉末材料排，所述活塞630致动将所述粉末材料排从散布托盘670输送到所述建构托盘200(图15)。在一些示例性实施例中，活塞630配置成同时将散布托盘670的每个沟槽660翻转到建构托盘200上。在其他示例性实施例中，每个所述沟槽660包括沿着沟槽的底部覆盖或关闭的一纵向孔并且活塞630配置成同时致动打开所述纵向孔以将多排粉末材料分配到构构托盘200上。

根据一些示例性实施例，所述多排粉末材料被定位在所述构构托盘上，使得它们与一滚筒25(图13)平行，例如：与滚筒25的旋转轴24平行并且垂直于滚筒25穿过所述建构托盘的线性运动，例如：垂直于所述X轴(图13)。可选地，每层涂布2排至20排的粉末在散布盘670上散布。根据一些示例性实施例，滚筒25将所述粉末排51散布在建构托盘200上。

现在参考图17，图17示出了根据本发明一些实施例的一示例性散布单元。根据一些示例性实施例，一散布单元700包括一滚筒25、一对侧檐槽730及一对端檐槽740。侧檐槽730及端檐槽740配置成在滚筒25滚动通过建构托盘时，将多余的粉末51收集在建构托盘200上。滚筒25被致动以沿着所述X轴(图13)穿过建构托盘200沿着一导轨710移动，并且还被一马达720致动以围绕其轴24旋转。通常，当马达720沿着所述X轴的一方向移动穿过建构托盘200时，马达720在导轨710上行进并使滚筒25旋转。滚筒25可被致动以沿着所述X轴的一方向前、向后移动或同时沿着所述X轴的一方向向前级向后移动。可选地，散布单元700在一向前及向后方向上在移动滚筒25之间交替。通常，滚筒25围绕其轴24的一旋转方向适用于滚筒25的所述线性移动方向。

根据一些示例性实施例，每个侧檐槽730定位在滚筒25的每个端部下方，并且所述一对侧檐槽730与滚筒25一起沿着导轨710移动。多个侧檐槽配置成收集从建构托盘上掉落的多余粉末51。在一些示例性实施例中，沿着导轨710的一方向(在X轴的方向上)的侧檐槽730的一长度是滚筒25的直径的至少两倍。

根据一些示例性实施例，每个端檐槽740位于建构托盘200的一边缘附近，所述边缘与滚筒25平行并且垂直于导轨710，并且至少沿着建构托盘200的所述整个边缘延伸以收集掉落的多余粉末，在一些示例性实施例中，端檐槽740定位在滚筒25接触建构托盘200或建构表面的所述水平处，例如：最上层的顶部。数个端檐槽740与滚筒25一起沿着导轨710移动，但也根据需要单独致动以朝向及远离所述建构托盘200移动。可选地，数个端檐槽740朝向及远离所述建构托盘200的移动的量级为1毫米至1公分。在一些示例性实施例中，数个端檐槽被配置成朝向所述建构托盘200移动以收集多余的粉末并且在所述建构托盘移动的期间移动远离所述建构托盘，例如：建构托盘200的垂直或横向移动。

根据一些示例性实施例，当所述滚筒将粉末51散布在建构托盘200上时，施加一真空(产生一空气抽吸)以去除积聚在每个所述侧檐槽730及端檐槽740中的粉末。可选地，基于滚筒25的位置，交替施加所述真空到所述数个侧檐槽730及数个端檐槽740处。可选地，基于滚筒25的位置，交替施加所述真空到一对端檐槽740中的每一个。在一些示例性实施例中，在建构托盘200上每层分配的50％至80％之间的粉末51被收集在数个侧檐槽730及数个端檐槽740中。所述收集的粉末可以被转移到一重新循环系统，所述重新循环系统将收集的粉末重新引入粉末料斗640。

现在参考图18，图18示出了根据本发明的一些实施例的一粉末重新循环系统的一示例图。根据一些示例性实施例，一粉末重新循环系统800包括一容器810，所述容器810配置成接收从数个侧檐槽730及散布单元700的数个端檐槽740收集的粉末，一个或多个旋风分离器820配置成移除位于容器810的粉末中的空气，一网筛840用于将所述粉末与由旋风分离器820及一喷口860分离的粉末分离，所述粉末通过所述喷口860分配到粉末料斗640中。在一些示例性实施例中，旋风分离器820以串联操作。可选地，所述串联通过改变从一个旋风分离器820到另一个旋风分离器820的所述过滤条件(例如：空气流速、旋风分离器直径)，有助于以一高效率收集具有不同尺寸及重量的粉末颗粒。例如：首先，可以将容器810中的内容物引入数个旋风分离器820中的一个。从所述第一旋风分离器中移出的空气可被引入一第二旋风分离器820中。可选地，从所述第一旋风分离器移除的空气可能仍含有粉末材料，并且所述材料可在所述第二旋风分离器中分离。对于所有所述旋风分离器，可以继续所述过程。通常，粉末在散布过程中基本上连续地引入容器810中，并且基本上连续地从一个旋风分离器流到下一个旋风分离器，使得所有旋风分离器同时操作。可选地，粉末重新循环系统800包括四个旋风分离器。

根据一些示例性实施例，所述旋风分离器包括数个盖体，所述盖体配置成在所述旋风分离器的操作期间密封一出口。在一些示例性实施例中，周期性地释放盖体以从旋风分离器820收集粉末。通常，在散布单元700的操作期间释放盖体。可选地，一活塞830控制所有盖体的一同时释放。在一些示例性实施例中，从数个旋风分离器820收集的粉末通过网筛840过滤，以将所述粉末与可能已经收集的任何碎片或结块粉末分离。可选地，一活塞850致动网筛840的振动以促进所述过滤。然后可以将通过网筛过滤的粉末引入所述料斗中并在料斗640中混合成所述粉末。

所述术语「包括」、「包含」、「含有」、「蕴含」、「具有」及所述术语的结合用语表示「包括但不限于」。

所述术语「由...组成」表示「包括但限于」。

所述术语「基本上由...组成」是指所述组合物、方法或结构可包括其他成分、步骤及/或部分，但仅在附加成分、步骤及/或部分不实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本及新颖特征的情况下。

应当理解，为了清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反地，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者在本发明的任何其他描述的实施例中适当地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例在没有那些元件的情况下不起作用。

Claims (50)

1.一种用于建构一三维生坯压实体的系统，所述系统包含︰

一打印站，配置为在一建构表面上打印一掩模图形，其中所述掩模图形由一可凝固的材料形成，其中当所述可凝固的材料沉积在所述建构表面上及在所述建构表面上凝固时，所述可凝固的材料呈液态；

一粉末输送站，配置为在所述掩模图形上施加一粉末材料；

一模压站，用于压实所述粉末材料及所述掩模图形以形成一层；以及

一工件台，配置为重复地将所述建构表面推至所述打印站、所述粉末输送站及所述模压站中的每一个，以建构数个层，所述数个层共同形成所述三维生坯压实体

其中所述粉末输送站包括：一粉末料斗，配置为储存所述粉末材料；一分配尖管，配置为分配来自所述粉末料斗的所述粉末材料；一粉末分配盘，包括数个沟槽，所述数个沟槽配置为接收经由所述分配尖管分配的所述粉末材料；以及一致动器，配置为将来自所述数个沟槽中的每一个的所述粉末材料运送至所述建构表面。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述三维生坯压实体包括被形成的一物体及一支撑区域。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述可凝固的材料是选自由一相变油墨、一热油墨、一光聚合物材料、蜡或其任意组合所组成的群组。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述相变油墨配置成在超过100℃的一温度下蒸发。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述粉末材料是一铝合金。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括一粉末分配站及一粉末散布站。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括：一第一导轨，配置为推进所述粉末分配盘，使得所述粉末料斗将所述粉末材料分配到所述粉末分配盘的所述数个沟槽的每一个。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述致动器配置为同时翻转所述数个沟槽。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述致动器配置为同时打开位于每一个所述数个沟槽的一底部的一纵向孔径。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括：一第二导轨，配置为推进所述粉末分配盘，使得所述粉末料斗沿着所述粉末分配盘上的一沟槽分配所述粉末材料。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述粉末料斗包括一螺旋钻，所述粉末材料通过所述螺旋钻被可控制地推进到所述分配尖管中。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括一滚筒，以及其中所述滚筒被致动以旋转并且移动越过所述建构表面以散布所述粉末材料。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述滚筒是一前行滚筒。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括数个檐槽，所述数个檐槽配置为在所述滚筒移动越过所述建构表面时，接收从所述建构表面的数个边缘掉落的多余的所述粉末材料。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述数个檐槽包括一第一对檐槽，在散布所述粉末材料的期间，所述第一对檐槽被致动以与所述滚筒一起移动。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于：所述第一对檐槽是位于所述滚筒的数个侧端的下方。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于：所述第一对檐槽中的每个檐槽的一长度至少是所述滚筒的一直径的两倍，并且在所述滚筒的所述侧端的两侧延伸。

18.如权利要求15所述的系统，其特征在于：在所述粉末材料通过一空气抽吸散布粉末的期间，堆积在所述第一对檐槽中的所述粉末材料连续地从所述檐槽内部的空间移除。

19.如权利要求15所述的系统，其特征在于：所述数个檐槽包括一第二对檐槽，所述第二对檐槽相对于所述滚筒越过所述建构表面的一移动方向定位在所述建构表面的一前端及一后端处。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述第二对檐槽被致动以朝向及远离所述建构表面移动。

21.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述第二对檐槽位于所述滚筒的一水平处，以及一空气抽吸是用于将堆积在所述数个檐槽中的所述粉末材料移除。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于：当所述第一对檐槽中施加的所述空气抽吸被切断时，所述空气抽吸施加于所述第二对檐槽中。

23.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站配置为将多余的所述粉末材料重新循环到所述粉末料斗中。

24.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括至少一个旋风分离器，所述旋风分离器配置为从所述数个檐槽中收集的所述粉末材料中去除空气。

25.如权利要求24所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括数个串联运作的旋风分离器。

26.如权利要求24所述的系统，其特征在于：所述至少一个旋风分离器包括一盖体，所述盖体配置为在所述旋风分离器操作的期间密封一出口。

27.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述粉末输送站包括一网筛，所述网筛配置为在所述粉末材料输送到所述粉末料斗之前，将所述粉末材料与碎屑分开。

28.如权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于：所述模压站包括数个侧壁，所述数个侧壁配置为被引入至所述建构表面的周围。

29.一种用于形成一三维物体的系统，其特征在于：所述系统包括：

根据权利要求1至6任一项所述的用于建构一三维生坯压实体的一系统；以及

一后期处理站，选自由一第二压实站、一加热站、一烧结站及其任意组合所组成的群组。

30.一种用于建构一三维生坯压实体的一方法，其特征在于：所述方法包括步骤：

在一建构表面上以一可凝固的材料打印一掩模图形，其中当所述可凝固的材料沉积在所述建构表面上及在所述建构表面上凝固时，所述可凝固的材料呈液态；

基于在所述建构表面上分配多排的粉末材料并且用一滚轮散布多排的所述粉末材料，从而利用所述粉末材料填充所述建构表面上的数个未遮盖区域以形成一层；

压实所述层；并且

重复所述打印、所述形成及所述压实的步骤，直到完成所述三维生坯压实体。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：所述三维生坯压实体包括被形成的一物体及一支撑区域。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于：在分配到所述建构表面上之前，在产线外制备多排的所述粉末材料。

33.如权利要求30所述的方法，其特征在于：多排的所述粉末材料垂直于一散布方向定位。

34.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述散布包括：在所述粉末材料上滚动一滚筒。

35.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述散布方向从一个层至随后的下一层被反转。

36.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：多排的所述粉末材料的定位从一个层到随后的下一层而变化。

37.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括：在所述散布及重新循环多余的所述粉末材料至一粉末料斗的期间，收集从所述建构表面的数个边缘掉落的多余的所述粉末材料。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：在产线上进行所述收集及重新循环。

39.如权利要求37所述的方法，包括：抽吸多余的所述粉末材料到至少一个旋风分离器并且将所述粉末材料从至少一个旋风分离器中分离出。

40.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述方法包括：使数个串联的旋风分离器运作。

41.如权利要求39所述的方法，其特征在于：所述方法包括：用一网筛过滤来自至少一个旋风分离器的粉末材料并且将通过所述网筛过滤出的粉末材料输送至所述粉末料斗，其中所述粉末料斗提供用于建构所述三维生坯压实体的所述粉末材料。

42.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述方法包括：在所述压实期间施加热量。

43.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述压实是模压。

44.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述掩模图形包括每层所述生坯压实体的一轮廓。

45.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述打印、形成及压实是在环境温度下进行。

46.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：一第一层形成在涂布一胶黏材料的一建构表面上。

47.如权利要求30或31所述的方法，其特征在于：所述三维生坯压实体包括一物体及一支撑区域，所述物体及所述支撑区域包括一可凝固的材料；以及所述方法还包括：

通过下述对所述生坯压实体进行后期处理：

移除所述可凝固的材料；

将所述物体与所述支撑区域分开；及

烧结所述物体。

48.如权利要求47所述的方法，其特征在于：在烧结所述物体之前，进行移除所述可凝固的材料并且将所述物体与所述支撑区域分开。

49.如权利要求47所述的方法，其特征在于：在烧结所述物体的期间，进行移除所述可凝固的材料并且将所述物体与所述支撑区域分开。

50.如权利要求47所述的方法，其特征在于：后期处理进一步包括：将所述生坯压实体压实成一整体。

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