CN109715369A - 提取3d物体 - Google Patents

Abstract

在示例实施方案中，提取三维(3D)物体的方法包括：在振动提取平台上形成包括包裹在构造材料内的熔融3D物体的构造坯体，以及振动该提取平台以使构造材料分裂并使其筛分通过提取平台中的开口。

Description

提取3D物体

背景技术

增材制造工艺可以通过提供从数字模型图案化的构造材料的逐层累积和固化来生成三维(3D)物体。在一些示例中，利用热处理构造材料层以使在每层的选定区域中的材料熔化和固化。选定区域包括2D截面区域，其表示正在形成或打印的物体的3D切片。在一些示例中，可以在熔化过程之前预热构造材料层。在一些示例中，可以通过沉积熔融剂来限定选定区域，该熔融剂有助于吸收热以熔化选定区域内的材料。在一些示例中，这样的增材制造工艺可以导致固化的3D物体被包裹在可以以不同程度的坚固度结合在一起的构造材料的块或“坯体”内。

附图说明

现在将参考附图描述示例，其中：

图1示出用于从粉末构造坯体中提取3D物体的示例性提取系统的透视图；

图2示出已在容器中沉积和加工的构造坯体的示例；

图3示出振动提取平台以将粉末构造材料从构造坯体中分裂的示例；

图4示出提取平台的示例，其被实施为具有交叉线的线路筛格(course screengrid)的筛平台；以及

图5示出提取3D物体的示例方法的流程图。

在整个附图中，相同的附图标记表示相似但不一定相同的元件。

具体实施方式

在3D打印的一些示例中，在完成3D打印作业的打印之后，得到包括其内包含固化的3D物体的加热的构造材料块的构造体积。这样的构造材料块可以例如用实施粉末构造材料的逐层累积和固化的基于粉末的打印系统来生产。用于在这样的逐层3D打印工艺中打印3D物体的构造材料可包括各种粉末材料，比如聚苯乙烯、陶瓷、玻璃、尼龙和金属(包括钢、钛、铝和银)。因此，包含3D物体的构造材料块在本文中可替代地称为“坯体”、“粉末坯体”、“构造坯体”、“粉末构造坯体”等。

3D物体周围的粉末坯体的强度或坚固度可取决于与用于产生坯体的特定打印工艺相关的各种因素。这样的因素可包括，例如，所用粉末构造材料的类型、施加到构造材料层的预热的量、用于熔化构造材料层的选定区域所施加的热量等。因此，在不同的示例中，除了完全熔融和固化的3D物体之外，坯体还可包括连续的构造材料，其坚固度范围从松散结合的粉末到弱熔融的粉末。在一些示例中，坯体可以在更接近3D物体的区域(其在打印期间已经暴露于更高水平的热)中包括更坚固地熔融的粉末。

因此，在完成打印过程之后，从加热的粉末坯体中提取3D物体可能涉及许多打印后步骤。例如，初始的打印后布骤可包括在提取物体之前允许加热的坯体冷却的时间。在一些示例中，可将坯体从打印系统中移除并置于冷却的环境中以帮助加速冷却。如果坯体包括松散结合的粉末，则提取3D物体的下一步骤可包括用手挖到松散的粉末中并小心地移除物体。然而，在坯体包括部分熔融的粉末的一些示例中，下一步骤可包括使坯体物理破裂以帮助坯体更快地冷却并使坯体块破裂脱离3D物体或多个3D物体。其他打印后步骤可包括使用加压空气清洁3D物体以去除剩余的细粉末、抛光物体的表面、将涂层施加到物体的表面，等等。

这些和其他打印后过程可涉及人与粉末坯体的显著的相互作用。例如，在将包括部分熔融粉末的坯体分裂之前，可以将坯体从3D打印装置中物理地移除并重新定位到有助于向坯体施加可能导致坯体分裂的机构的设置中。这样的机构通常包括各种类型的手持器械，比如锤子、铲子、刷子，等等。这些和其他器械可用于进一步将坯体分裂成越来越小的块，从而可以将粉末从3D物体或多个3D物体上清除。这样的打印后过程会增加创建3D打印部件的有效时间、劳动力和成本。

因此，本文描述了用于提取三维(3D)物体的系统和方法的示例，其能够从在3D打印装置中创建的粉末构造坯体中自动提取3D物体。在一些示例中，系统采用振动提取平台，其可以振动粉末构造坯体，在坯体内产生有助于使坯体破裂的应力点。在一些示例中，提取平台包括筛网表面，当平台振动时，筛网表面可以使坯体碎裂通过。筛网平台可以机械地剪切掉小块坯体，并使小块粉末构造材料筛分通过平台。在不同的示例中，坯体可以从3D打印系统转移到振动提取平台，或者坯体可以在3D打印系统内的振动提取平台上形成。在一些示例中，系统采用冲击机构，该冲击机构可以向粉末坯体和/或容纳粉末坯体的容器施加冲击，以便在坯体中产生裂缝。冲击通过比如线性马达、螺线管或齿轮释放系统的冲击机构产生穿过坯体的高震动或g力。

在一些示例中，用于提取3D物体的系统可包括独立系统，其单独竖直放置并且接收从3D打印装置转移的用于打印后处理的粉末构造坯体。在一些示例中，用于提取3D物体的系统可包括3D打印系统的完整部分，其中粉末构造坯体在3D打印系统中形成并且保留在3D打印系统中用于打印后处理。在任一情况下，用于提取3D物体的系统使各种提取步骤能够自动化，这可以显著减少从粉末坯体中提取3D物体所涉及的时间和精力。例如，利用冲击使粉末构造坯体破碎或使用振动平台使其分裂可显著减少坯体冷却所花费的时间，这使得能够更快地从坯体中提取3D物体。然而，在一些示例中，因为较冷的坯体已经显示出比仍然热的坯体更容易通过冲击破裂，所以可以在施加冲击之前使坯体冷却以促进坯体的破裂。此外，在提取平台上振动粉末坯体以剪切掉粉末构造材料并使材料筛分通过平台可以减少从坯体中提取3D部件所花费的时间以及减少取得部件所额外涉及的精力。

在特定示例中，提取3D物体的方法包括：在振动提取平台上形成包括包裹在构造材料内的熔融3D物体的构造坯体，以及振动提取平台以使构造材料分裂并使材料筛分通过提取平台中的开口。

在另一个示例中，用于提取3D物体的系统包括包含构造坯体的工作区域，该构造坯体包括包裹在粉末构造材料内的熔融3D物体。振动提取平台形成工作区域的底板。该系统包括振动装置，该振动装置振动提取平台以使构造材料分裂并使其筛分通过提取平台中的开口。在一些示例中，工作区域包括其中形成构造坯体的3D打印装置内的工作区域。在一些示例中，工作区域包括在独立的提取系统内的工作区域，构造坯体可以转移到该工作区域。

在另一示例中，用于提取3D物体的装置包括3D打印系统以在提取平台上形成3D物体。3D物体将在包括构造材料的坯体内形成。该装置还包括用于振动提取平台的振动装置。振动提取平台是为了使坯体分裂并使构造材料筛分通过提取平台中的开口。

图1示出用于从粉末构造坯体中提取3D物体的示例提取系统100的透视图。示例提取系统100被实施为基于粉末的3D打印系统100，其通过包括粉末构造材料的逐层累积和固化的过程来形成3D物体。因此，如图1所示，示例系统100除了提供从粉末构造坯体中提取3D物体的提取功能之外，还可以提供3D打印功能以形成包括3D物体的粉末构造坯体。形成构造坯体的工艺可以根据所使用的增材制造工艺而变化。因此，虽然本文一般性地描述了用于生产/打印在构造坯体内的3D物体的一个示例工艺，但是其他基于粉末的工艺也是可能的并且是可考量的。例如，这样的基于粉末的3D打印工艺可包括选择性激光烧结、选择性激光熔化和粘合剂喷射。在一些示例中，提取系统100可以实施为独立提取装置，其提供独立于3D打印功能的提取功能。在这样的示例中，提取系统可以接收先前在单独的3D打印装置中形成的粉末构造坯体，并从粉末构造坯体中提取3D物体。

参考图1，示例系统100包括可移动打印平台102或构造平台102，其可以用作工作空间104的底板，在工作空间104中可以打印3D物体(图1中未示出)。在一些示例中，平台包括振动提取平台102，振动提取平台102包括在下文中讨论的开口103。因为平台102可以执行多种功能，所以平台102在本文中可以替代地称为打印平台102、构造平台102、提取平台102、振动提取平台102、筛网平台102，等等。

工作空间104可位于构造容器109内，构造容器109包括壁105(图示为前壁105a(显示为透明)、侧壁105b、后壁105c、侧壁105d)，其中构造平台102或振动提取平台102用作构造容器109的底板。在一些示例中，提取平台102可以刚性地附接到构造容器109的壁105，使得当提取平台102振动时，整个构造容器109振动。在其他示例中，提取平台102可以不附接到构造容器109的壁105。如图2所示，构造容器109和平台102可以包含一定体积的粉末构造材料106，其已经沉积到工作空间104中并且在3D物体107的打印期间在逐层3D打印过程中被加热。该一定体积的粉末构造材料可以替代地称为“坯体”106、“粉末坯体”106、“构造坯体”106、“粉末构造坯体”106等。

图2示出在构造容器109内以逐层过程形成的构造坯体106的示例。构造坯体106显示为搁置在振动提取平台102上。在一些示例中，振动提取平台102可包括如图1所示的3D打印系统100的整体部分。在这样的示例中，振动提取平台102包括构造平台102，构造坯体106形成在构造平台102上。在其他示例中，振动提取平台102可包括用于从粉末构造坯体106中提取3D物体的独立提取系统的一部分。在这样的示例中，构造坯体106不形成在提取平台102上，而是可以转移到提取平台以从构造坯体106提取3D物体。

一般地参考图1和图2，可以在构造容器109的工作空间104内形成构造坯体106。构造坯体106可包括3D物体107，其在图2中以虚线示出，以指示其在一定体积的构造坯体106内的位置。3D物体107可以由粉末构造材料108的层形成，粉末构造材料108的层各自通过材料涂布器110(例如，辊、刀片等)在平台102上展开，并且随后通过沉积来自液体试剂分配器114的液体熔融剂112并通过施加来自热源116的热来处理。在一些示例中，分配器114可以实施为包括多个按需滴液打印头(比如热喷墨打印头和/或压电喷墨打印头)的打印杆。在一些示例中，托架(未示出)可与分配器114相关联，以在将液体试剂112施加到平台102上的构造粉末层上期间以扫描运动(由方向箭头118示出)方式在平台102上传送分配器114。热源116可以实施为辐射源116，以提供熔融能量R(例如，辐射)以熔化每个构造粉末层的选定区域。在一些示例中(未示出)，还可以以扫描运动或一些其他运动方式横跨平台102传送热源116。完成的构造坯体106可包括3D物体107，该3D物体107包裹在构造粉末内并由构造粉末支撑，该构造粉末已通过在打印过程期间产生的热而弱熔融在一起。

如图1所示，振动提取平台102(即，构造平台102)可在工作空间104内沿向上和向下方向移动，分别如向上箭头120和向下箭头122所示。当3D物体的打印开始时，随着第一粉末构造材料层沉积到平台102上并被处理，平台102可以位于朝向工作空间104的顶部的向上位置。因此，在构造坯体和3D物体的形成期间，从工作空间104和构造容器109的顶侧施加粉末材料。在一些示例中，在沉积和处理要打印的3D物体的第一层之前，可以将多个粉末构造材料层沉积到平台102上作为牺牲层。牺牲层可用于堵塞平台102中的开口103并产生稳定的表面，在该表面上开始形成层以构造3D物体107。考虑到构造材料108可以是具有细小颗粒尺寸的粉末材料，显然，图1中所示的开口103未按比例绘制。在一些示例中，平台102的开口103可以足够小，以至于当许多颗粒间接地落在开口上和开口周围时，它们彼此推挤并防止任何颗粒进入开口，从而堵塞开口。在若干牺牲层已沉积到平台102上、堵塞开口103并产生稳定表面之后，可以将要打印的3D物体的第一层沉积到最后的牺牲层上。在如上所述已经用熔融剂和热来处理第一粉末层之后，随着附加的粉末构造材料层沉积到平台102上并被处理，平台102可以沿向下方向122移动。

如图1中进一步所示，提取系统100可包括振动装置，比如振动装置124和126。振动装置可以联接到振动提取平台102以振动平台102，以便从构造坯体106中分裂构造材料并且使破碎的构造材料筛分通过提取平台102中的开口103。在一些示例中，可采用振动装置124以在水平方向上振动提取平台102，同时可采用振动装置126以在垂直方向上振动提取平台102。在一些示例中，可以通过控制振动装置124、126来控制提取平台102的振动的频率、幅度和方向。振动装置124、126可以以各种方式实施，包括例如，作为偏心旋转质量振动电机(ERM)和线性谐振致动器(LRA)。

图3示出提取平台102的示例，该提取平台102被振动以从构造坯体106分裂粉末构造材料并且使破碎的构造材料筛分通过提取平台102中的开口103。因此，当如上所述在构造坯体的形成期间粉末构造材料可以从构造容器109的顶侧施加时，在构造坯体的振动和破碎期间，粉末材料可以从构造容器109的底侧(即，通过平台102)提取。提取平台102的振动可在粉末构造坯体106内产生应力，该应力导致坯体106破裂，如图3中的破裂线128所示。除了分裂构造材料之外，使坯体破裂增加了坯体的表面积，这可以增加坯体和坯体内的3D物体的冷却速率。

除了在坯体106中导致破裂之外，振动提取平台102还可以剪切掉小块坯体并使小块松散的粉末构造材料130筛分通过平台102中的开口103。提取平台102中的开口103可包括各种不同类型的开口，当平台102通过振动装置124、126振动时，这些开口便于构造坯体106的破碎和/或剪切。例如，提取平台102可包括：如图1中一般示出的具有孔的筛网平台、如图4所示的具有交叉线的线路筛格的筛平台、包括不规则通道网络的迷宫平台、包括覆盖有具有略微凸起的切削刃的表面的锉刀平台，等等。

如图1和图3所示，提取系统100还可包括颗粒收集区域132，以收集已经从构造坯体106上脱离和/或剪切掉的松散粉末构造材料130。在一些示例中，颗粒收集区域130可包括颗粒收集容器(未示出)，以收集由重力下落而通过提取平台102中的开口103的粉末构造材料130。在一些示例中，提取系统100可包括真空源131，其定位在例如提取平台102下方，以增加通过开口103并远离坯体106和3D物体107的松散粉末的提取速率。除了拉动松散粉末通过开口103之外，真空131还可以通过产生通过断裂线128的空气对流来增加坯体和3D物体的冷却。在一些情况下，随着时间的推移，粉末坯体可以随着冷却而增加坚固度，这可影响向坯体中施加振动或冲击的时间。

在一些示例中，提取系统100可包括冲击发生器134以向粉末构造坯体106施加冲击。在振动提取平台102上的坯体之前，可以采用冲击发生器134来使坯体106破裂。在一些示例中，使坯体106破裂可用于有助于在振动之前加速坯体的冷却。在一些示例中，冲击发生器134可以向保持粉末构造坯体106的构造容器109施加冲击。向坯体106或构造容器109施加的冲击可以向坯体106赋予高水平的g力，其机械地震动坯体并在整个坯体106中传递内部机械应力，导致其破裂。冲击发生器134可以实施为各种不同的装置，包括例如线性电机、螺线管和齿轮释放系统。

仍然参考图1，示例提取系统100另外包括示例控制器136。控制器136可以控制提取系统100的各种操作，以便于一般如上所述的3D物体的打印和从包含3D物体的粉末构造坯体106中提取3D物体。如图1所示，示例控制器136可包括处理器(CPU)138和内存140。控制器136可以另外包括用于与提取系统100的各种组件通信并控制提取系统100的各种组件的其他电子装置(未示出)。这样的其他电子装置可包括：例如，分立电子组件和/或ASIC(专用集成电路)。内存140可包括易失性(即RAM)和非易失性内存组件(例如，ROM、硬盘、光盘、CD-ROM、磁带、闪存等)。内存140的组件可包括非暂时性、机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质，其可以提供机器可读编码程序指令、数据结构、程序指令模块、JDF(作业定义格式)、3MF格式的数据，以及可由提取系统100的处理器138执行的其他数据和/或指令的存储。

要存储在内存140中的可执行指令的示例包括与构造模块142和提取模块144相关联的指令，而存储数据的示例可包括物体数据146。一般来说，模块142和144包括可由处理器138执行的编程指令，以使提取系统100实施与在工作空间104内打印3D物体和从打印过程中生成的粉末构造坯体106中提取3D物体有关的操作。这样的操作可包括例如下面关于图5描述的方法500的操作。

在一些示例中，控制器136可以从比如计算机的主机系统接收物体数据146。物体数据146可以表示，例如，限定要在提取系统100中产生的3D物体模型的物体文件。执行来自构造模块146的指令，处理器138可以由物体数据146生成3D物体模型的每个截面切片的打印数据。该打印数据可以限定，例如，3D物体模型的每个截面切片、用于覆盖每个截面切片内的构造粉末的液体试剂，以及如何施加熔融能量来熔融每个粉末构造材料层。处理器138可以使用打印数据来控制提取系统100的打印组件以处理每个构造粉末层。因此，物体数据可用于生成命令和/或命令参数，其用于控制通过涂布器110在提取平台102上分配构造粉末108、通过打印杆114将熔融剂112施加到粉末层上、通过辐射源116向粉末层施加辐射，等等。

提取模块144包括进一步的可执行指令，以使处理器138能够控制提取系统100来实施从在打印过程期间生成的构造坯体106提取3D物体107。更具体地，提取模块指令可以执行以控制振动装置124和126来振动所述振动提取平台102，以便从构造坯体106分裂构造材料并使破碎的构造材料筛分通过提取平台102中的开口103。可以控制振动装置124和126以在水平和垂直方向上振动提取平台102。还可以通过控制振动装置124、126来控制提取平台102的振动的频率、幅度和方向。

提取模块指令还可以执行以使处理器138能够控制冲击发生器134以向粉末构造坯体106(或包含坯体106的构造容器109)施加冲击，以在振动提取平台102之前使坯体106破裂。可以控制冲击发生器134以向坯体106施加不同水平的冲击，这可以向坯体106赋予不同水平的g力，该g力机械地震动坯体并通过坯体106传递内部机械应力，使其破裂。提取模块指令可以执行以基于比如坯体106的粉末构造材料的类型、坯体106的温度、坯体106内包含的3D物体的尺寸和形状等因素来确定不同水平的冲击。

图5示出提取3D物体的示例方法500的流程图。方法500与以上关于图1至图4讨论的示例相关联，并且可以在这样的示例的相关讨论中找到方法500中所示的操作的细节。方法500的操作可以体现为存储在非暂时性、机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质(比如图1中所示的内存140)上的编程指令。在一些示例中，实施方法500的操作可以由处理器(比如图1的处理器138)读取并执行存储在内存140中的编程指令来实现。在一些示例中，实施方法500的操作可以单独使用ASIC和/或其他硬件组件或者将其与处理器138可执行的编程指令相结合来实现。

方法500可包括多于一个实施方案，并且方法500的不同实施方案可以不采用图5的流程图中呈现的每个操作。因此，虽然方法500的操作在流程图中以特定顺序呈现，但是它们的呈现顺序并不旨在限制为实际可能实施操作的顺序，或者限制为操作是否可以全部实施。例如，方法500的一个实施方案可以通过实施若干初始操作而不实施一个或多个后续操作来实现，而方法500的另一个实施方案可以通过实施所有操作来实现。

现在参考图5的流程图，提取3D物体的示例方法500开始于框502，在振动提取平台上形成构造坯体，该构造坯体包括包裹在构造材料内的熔融3D物体。在分别如框504、506、508和510所示的一些示例中，在振动提取平台上形成构造坯体可包括：将构造材料的牺牲层沉积到提取平台上以阻挡提取平台中的开口，在最后的牺牲层上沉积构造材料层，在构造材料层上选择性地沉积熔融剂，以及施加热量以将构造材料层熔融成3D物体的集成的截面切片。

方法500可以如框512所示继续，振动提取平台以使构造材料分裂并使其筛分通过提取平台中的开口。在一些示例中，如框514所示，振动提取平台可包括：将构造材料从构造坯体机械剪切掉，成为足够小的松散颗粒，以适于通过提取平台中的开口，以及利用真空拉动松散颗粒通过开口。如框516所示，在一些示例中，振动提取平台可包括向提取平台施加水平力和垂直力。在一些示例中，向提取平台施加力可包括改变力的频率和幅度，如框518所示。

在一些示例中，方法500可包括在振动提取平台之前向构造坯体施加冲击以使构造坯体破裂，如框520所示。在一些示例中，在振动提取平台之前，可以在施加冲击之后实施时间延迟。这样的延迟可用于例如在振动之前加速坯体的冷却。在一些示例中，向构造坯体施加冲击可包括冲击构造坯体周围的构造容器，如框522所示。

Claims (15)

1.一种提取三维(3D)物体的方法，包括：

在振动提取平台上形成包括包裹在构造材料内的熔融3D物体的构造坯体；以及振动所述提取平台以使所述构造材料分裂并使所述构造材料筛分通过所述提取平台中的开口。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在振动所述提取平台之前，对所述构造坯体施加冲击以使所述构造坯体破裂。

3.如权利要求2所述的方法，其中向所述构造坯体施加冲击包括冲击所述构造坯体周围的构造容器。

4.如权利要求1所述的方法，其中振动所述提取平台包括：

将构造材料从所述构造坯体机械地剪切掉，成为足够小的松散颗粒，以适于通过所述提取平台中的所述开口；以及

利用真空拉动所述松散颗粒通过所述开口。

5.如权利要求1所述的方法，其中形成构造坯体包括：

将构造材料的牺牲层沉积到所述提取平台上以阻挡所述提取平台中的所述开口；

在最后的牺牲层上沉积构造材料层；

在所述构造材料层上选择性地沉积熔融剂；以及

施加热以将所述构造材料层熔融成所述3D物体的集成的截面切片。

6.如权利要求1所述的方法，其中振动所述提取平台包括：

向所述提取平台施加水平力；以及

向所述提取平台施加垂直力。

7.如权利要求6所述的方法，其中向所述提取平台施加力包括改变所述力的频率和大小。

8.一种用于提取三维(3D)物体的系统，包括：

构造容器，所述构造容器包含构造坯体，所述构造坯体包括包裹在粉末构造材料内的熔融3D物体；

振动提取平台，所述振动提取平台形成所述构造容器的底板；

振动装置，所述振动装置用于振动所述提取平台以使所述构造材料分裂并筛分通过所述提取平台中的开口。

9.如权利要求8所述的系统，进一步包括：

控制器，所述控制器用于控制所述提取平台的振动的频率、幅度和方向。

10.如权利要求8所述的系统，进一步包括：

构造材料分配器，所述构造材料分配器用于从所述构造容器的顶侧将构造材料层沉积到所述提取平台上；

试剂分配器，所述试剂分配器用于将熔融剂选择性地输送到所述构造材料层的部分上；以及

热源，所述热源用于向所述构造材料层施加热。

11.如权利要求8所述的系统，其中所述振动提取平台选自由以下组成的组：包括孔的滤网平台、包括交叉线筛格的筛平台、包括不规则通道网络的迷宫平台、包括具有凸起的切削刃的孔的锉刀平台。

12.如权利要求8所述的系统，其中所述振动装置是选自由偏心旋转质量振动电机(ERM)和线性谐振致动器(LRA)组成的组的装置。

13.一种用于提取三维(3D)物体的装置，包括：

3D打印系统，所述3D打印系统用于在提取平台上形成3D物体，所述3D物体在弱结合的构造材料的坯体内形成；以及

振动装置，所述振动装置用于振动所述提取平台以使所述坯体分裂并使所述弱结合的构造材料筛分通过所述提取平台中的开口。

14.如权利要求13所述的装置，进一步包括：

构造容器，在所述构造容器中将形成所述坯体；以及

冲击机构，所述冲击机构用于在振动所述提取平台之前向所述构造容器施加冲击以使所述坯体破裂。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述冲击机构是选自由线性电机、螺线管和齿轮释放系统组成的组的装置。