CN109874323A - 3d打印方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于打印三维物体的打印设备，该设备包括操作表面、至少一个用于将粉末层沉积到操作表面上的供料斗和用于将至少一个能量束发射到所述粉末层上的能量源。该供料斗和能量源被配置成使得当最上层的粉末被沉积到操作表面上的下层的粉末上时，在沉积所述最上层时供料斗行进的方向与沉积下层时供料斗行进的方向不同，以及至少一个能量束被发射到所述最上层上并且至少一个另外的能量束被同时发射到所述下层上，以熔化、熔合或烧结所述最上层和下层。

Description

3D打印方法及设备
技术领域
本发明涉及3D打印方法及设备。
更具体地，本发明涉及适用于高速制造物体的3D打印方法和设备。
背景技术
根据三维(3D)数字图像通过铺设连续的薄层材料而制造的3D打印部件产生物理物体。
典型地，这些3D打印部件可以通过多种方式制造，诸如选择性激光熔化或烧结，其通过粉末床来操作，在该粉末床上投射能量束以熔化该粉末床的顶层，并使得它焊接到基板或底板上。重复执行该熔化过程以向底板添加另外的层，以递增地构建该部件直至其被完全制造。
这些打印方法执行起来非常耗时，并且可能需要几天或几周来制造合理尺寸的物体。对于包含错综复杂的零部件的复杂物体，这个问题将会恶化。这显著降低了3D打印机的实用性，并且是目前妨碍消费者和工业中大规模采用3D打印的主要障碍之一。
本发明试图至少部分地克服前面所描述的3D打印方法和设备的缺点。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于打印三维物体的打印设备，包括：
操作表面；
至少一个供料斗，用于将粉末层沉积到所述操作表面上；以及
能量源，用于将至少一个能量束发射到所述粉末层上，其中所述供料斗和能量源被配置成使得当最上层的粉末正被沉积到所述操作表面上的下层的粉末上时：
在沉积所述最上层时所述供料斗移动的方向与在沉积所述下层时所述供料斗移动的方向不同；以及
至少一个能量束被发射到所述最上层上，并且至少一个另外的能量束被同时发射到所述下层上，以同时熔化、熔合或烧结所述最上层和所述下层。
所述供料斗可以沿垂直于所述操作表面的基本上呈正弦曲线的摆动路径行进。
所述供料斗可以沿着垂直于所述操作表面的符合正方形、三角形或其他波形的摆动路径行进。
所述设备可以包括用于基本上调平沉积在操作表面上的粉末层的调平装置。
所述调平装置可以包括刀片，在使用中，该刀片周期性地刮擦粉末层的上表面。
所述调平装置可以包括静电充电装置。
所述调平装置可以包括振动产生装置，其用于向包含在粉末层中的颗粒施加振动力。
所述振动产生装置可以包括机械振动发生器。
所述振动产生装置可以包括超声波振动发生器。
所述设备可以包括扫描装置，其用于当包括在所述粉末中的颗粒或每个颗粒正在所述供料斗和所述操作表面之间行进时确定包括在所述粉末中的一个或多个颗粒的位置、速度和/或尺寸。
所述扫描装置可以适于测量所述粉末的气载密度。
所述扫描装置可以适于测量沉积在所述操作表面上的粉末的体积。
所述扫描装置可以适于测量沉积在操作表面上的粉末的水平(level)。
所述扫描装置可以适于测量粉末层或其部分的拓扑结构。
所述扫描装置可以适于测量粉末层或其部分的化学组成。
所述扫描装置可以适于测量每个粉末层或其部分的温度。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于打印三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：
使用供料斗将多个粉末层沉积到操作表面上，使得当最上层的粉末正被沉积到所述操作表面上的下层的粉末上时，在沉积所述最上层时所述供料斗移动的方向与沉积所述下层时所述供料斗移动的方向不同；以及
使用能量源将能量束发射到被沉积的每个最上层和下层上，使得至少一个能量束被发射到所述最上层上，并且同时至少一个另外的能量束被发射到所述下层上，以同时熔化、熔合或烧结所述最上层和所述下层。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明，其中：
图1是本领域已知的常规3D打印设备的侧面示意图；
图2是根据本发明第一实施方式的3D打印设备的侧面示意图；
图3是图2中的3D打印设备的另一侧面示意图；以及
图4是根据本发明第二实施方式的3D打印设备的侧面示意图。
具体实施方式
参照图1，其示出了本领域已知的常规3D打印设备10的示意图。设备10包括具有操作表面14的基板12，在该操作表面14上将通过3D打印来制造打印的物体。
设备10还包括供料斗16，其将单层粉末18沉积到操作表面14上。
能量枪20(通常为激光或电子枪)将能量束22发射到粉末层18上，使粉末层18选择性地熔化或烧结以形成3D物体的单独的层。重复该过程以添加另外的层并递增地构建该物体直到其被完成为止。
参照图2，其示出了根据本发明第一实施方式的3D打印设备24的示意图。
设备24包括操作表面28、用于将粉末34的层32沉积到操作表面28上的至少一个供料斗30和用于将至少一个能量束38发射到粉末层32上的能量源。供料斗30和能量源被配置成使得当最上层的粉末40在操作表面28上被沉积的下层的粉末42上时，在沉积最上层40时供料斗30移动的方向不同于在其沉积下层42时供料斗30的移动方向，并且至少一个能量束38被发射到最上层40上并且至少一个另外的能量束46被同时发射到下层42上，以同时熔化、熔合或烧结该最上层和下层40、42至下层粉末层或基板。
更具体地，设备24包括基板26，基板26形成操作表面28，以及在该操作表面28上通过3D打印来制造打印的物体。在使用中，当沉积每层粉末时，供料斗30以垂直于操作表面28的交替的方向行进。例如，在图2中，设备24被示为处于以下状态：第一粉末层42已被完全沉积，并且供料斗30主动沉积覆盖第一层42的第二粉末层40。在覆盖的第二粉末层40被形成的同时，供料斗30被示出当前正在以附图标记49所指示的方向行进。
在图3中，设备24被示为处于进一步的状态，其中第一粉末层和第二粉末层42、40都已被全部沉积，并且供料斗30主动沉积直接位于第二层40上方的第三粉末层48。在形成第三粉末层48同时，供给料斗30被示出当前正在以由附图标记50所指示的方向行进，这与其先前所行进的方向49不同。
供料斗30在垂直于操作表面28的摆动路径中反复地前后移动，以将粉末层32递增地沉积到操作表面28上。优选地，供料斗30所遵循的路径在与平面的操作表面28垂直的至少一个维度上基本上呈正弦曲线。然而，可预期的是，供料斗30可以遵循所有在本发明范围内的可替代的振荡路径。
设备24还包括能量源，在图2和3所示的本发明的第一实施方式中，该能量源包括用于将第一能量束38发射到粉末层32上的第一能量枪36和用于将第二能量束46发射到粉末层32上第二能量枪52，以选择性地熔化或烧结粉末，从而形成3D物体的部分。
两个能量枪36、52操作使得第一能量束38被引导到并且作用于由供料斗30正主动沉积的最上层的粉末上。同时，第二能量束46被同时引导并作用于最上层下面的一层粉末。
作为示例，在图2中，第一能量束38被示出为正被引导到粉末的第二层40上，其形成由供给料斗30正主动沉积的粉末的最上层。同时，第二能量束46被示出为正同时地被引导到先前完全被沉积的并直接位于第二粉末层40下方的第一粉末层42上。
作为另一示例，在图3中，第二能量束46被示出为正被引导到第三粉末层48上，其在此时形成由供给料斗30正主动沉积的最上层的粉末。同时，第一能量束38被示出为正同时地被引导到第二粉末层46上，其在此时已经被完全沉积并形成位于第三粉末层48下面的层。
本发明使得两个粉末层能够通过能量源同时被有效地操作，导致打印生产率相应地增加两倍。
设备24中使用的能量源可以是以下中的任意一者：激光束、准直光束、微等离子体焊接电弧、微波束、超声波束、电子束、粒子束或其他合适的能量束。
在利用电子束能量源的本发明的实施方式中，打印设备24(包括操作表面28)可以被完全包含并操作在真空室内，以促进电子束到粉末层上的传播。
本发明的效果基本上取决于以受控方式所形成的每个粉末层32。尤其重要的是，要确保所形成的层具有均匀的厚度和当粉末层32正被能量源作用时顶部表面是基本水平的。
由于粉末颗粒的性质，当将粉末沉积在操作表面28上时，它们往往倾向于在操作表面28上滚动。这通常是由于粉末颗粒的形状，例如大致圆形的粉末颗粒，其在操作表面28上弹跳并与已经位于其上的其他粉末颗粒碰撞，或者所述滚动可以是由运载来自粉末供料斗30的粉末颗粒的气体进料的力所引起的，或者如果太多粉末颗粒沉积在相同的位置，所述滚动可以是由于粉末重力从“堆”上滚落而引起的。
同样已知的是，由于例如颗粒收缩，在层被能量源作用之后，粉末层32的厚度可能被减小。厚度的减小可能不利地影响随后由供料斗30沉积的粉末层和/或被制造的所得3D物体。
因此，设备24附加地包括用于在操作期间基本调平每个粉末层32的调平装置。
在附图中公开的实施方式中，调平装置包括刀片54，在使用中该刀片54周期性地在粉末层32的顶部表面上刮擦，以便根据需要改变其厚度，并且确保其顶面保持基本水平。
使用机械控制装置和由软件或固件驱动的控制电子器件(未示出)来控制刀片54，该软件或固件实现用于控制刀片54的位置、速度和方位的算法。
所实现的算法可以使刀片54选择性地在全部或部分沉积的任何粉末层上与能量枪36、52的操作同时或独立地进行。
例如，在图2中，刀片54被示出在已经完全沉积的第一粉末层42上操作，同时第一和第二能量枪52、36分别在第一和第二粉末层42、40上操作。
在图3中，刀片54被示出在第二粉末层40上操作，该第二粉末层在此时已经完全沉积，同时第一和第二能量枪52、36分别在第二和第三粉末层40、48上操作。
可替换或可附加至刀片54的，设备24所使用的调平装置可替代地包括用于将振动力施加到尚未被能量源熔化或烧结的粉末层32的振动产生装置(未示出)。这些振动力使粉末层32中的单个颗粒振动，这又转而使得它们变成动态的。振动力可以被选择性地施加至一个或多个粉末层，直到包含在该层或每个层中的颗粒形成并沉降成所需的排列。
设备24使用的振动产生装置可以是机械振动发生器，或者可选地，超声波振动发生器。
此外，可替代或可附加至刀片和/或振动产生装置的，调平装置可以包括静电充电装置，其以相反的极性对粉末颗粒和操作表面28进行静电充电。
例如，可将正电荷施加到操作表面28上，并且可为离开供料斗30的粉末颗粒充负电荷。因此，当粉末颗粒离开供料斗30时，它们被朝着操作表面28排出，并且粉末颗粒一旦与其接触，其就贴在操作表面28上。
这种粘附的优点在于，首先由于粉末颗粒可以被精确地放置，所以其导致最终部件的解析度得以提高，并且其次，由于在供料斗30和操作表面28之间的粉末颗粒灰尘较少，所以打印设备24内的工作环境得到改善。此外，也还可能使用其它静电装置来控制带静电粉末颗粒的流动方向。
为了使设备24能够控制从供给料斗30和上述调平装置排出的气载粉末34的体积流量和密度，设备24优选还包括扫描装置(未示出)。
优选地，扫描装置适于当颗粒或每个颗粒从供料斗30行进到操作表面28时，确定包含在粉末34中的一个或多个颗粒的位置、速度和/或尺寸。
扫描装置优选也适于测量粉末34的气载密度。
扫描装置优选也适于测量沉积在操作表面28上的粉末体积。
扫描装置优选也适于测量沉积在操作表面28上的粉末水平。
扫描装置可以使用超声波束、电子束、激光或其他适当的扫描或定位技术。
使用扫描装置收集的信息和数据与控制电子设备和软件结合使用以确定从供料斗30发射的粉末的体积流率、方向和/或速度，和/或能量束46、38的方向和强度以优化正被打印的部分的制造。
参照图4，示出了根据本发明第二实施方式的3D打印方法和设备24的示意图。其所公开的实施方式相对于图2和3中公开的第一实施方式，除了能量源包括适于将单个能量束58发射到能量分离装置60上的单个能量枪56，其他所有的都是相对应的。
能量束分离装置60将单个能量束58分成两个单独的定向能量束62、64。能量束分离装置60与控制机构(未示出)结合操作，该控制机构确保从能量束分离装置60发射的每个能量束62、64以与上述针对本发明的第一实施例所描述的相同的方式被同时引导到粉末层32的不同的暴露表面上。
对本领域技术人员而言，所作出的显而易见的进一步的修改和变型应被视作是在本发明的范围内。
在本发明的前述具体实施方式和所附权利要求书中，除了由于语言表述或必要暗示而引起上下文另外要求外，词语“包括”或诸如“包含”或“含有”的变型都可被以包括的意义来使用，即指定所陈述的特征的存在，但并不排除在本发明的各种实施方式中存在或添加额外的特征。

Claims (17)

1.一种用于打印三维物体的打印设备，包括：
操作表面；
至少一个供料斗，用于将粉末层沉积到所述操作表面上；以及
能量源，用于将至少一个能量束发射到所述粉末层上，其中所述供料斗和能量源被配置成使得当最上层的粉末正被沉积到所述操作表面上的下层的粉末上时：
在沉积所述最上层时所述供料斗行进的方向与在沉积所述下层时所述供料斗行进的方向不同；以及
至少一个能量束被发射到所述最上层上并且至少一个另外的能量束被同时发射到所述下层上，以熔化、熔合或烧结所述最上层和下层。
2.根据权利要求1所述的打印设备，其中所述供料斗被配置成沿着垂直于所述操作表面的摆动路径行进，其中所述路径基本上呈正弦曲线。
3.根据权利要求1或2所述的打印设备，其中所述设备还包括调平装置，用于基本上调平沉积在所述操作表面上的粉末层。
4.根据权利要求3所述的打印设备，其中所述调平装置包括刀片，该刀片被配置成在使用中周期性刮擦所述操作表面上的粉末层的最上表面。
5.根据权利要求3所述的打印设备，其中所述调平装置包括静电充电装置。
6.根据权利要求3所述的打印设备，其中所述调平装置包括振动产生装置，用于向包括在所述操作表面上的粉末层中的颗粒施加振动力。
7.根据权利要求6所述的打印设备，其中所述振动产生装置包括机械振动发生器。
8.根据权利要求6所述的打印设备，其中所述振动产生装置包括超声波振动发生器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的打印设备，其中所述设备还包括扫描装置，用于当包括在所述粉末中的颗粒或每个颗粒正在所述供料斗和所述操作表面之间行进时，确定包括在所述粉末中的一个或多个颗粒的位置、速度和/或尺寸。
10.根据权利要求9所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量所述粉末的气载密度。
11.根据权利要求9或10所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量沉积在所述操作表面上的粉末的体积。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量沉积在所述操作表面上的所述粉末的水平。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量粉末层或其部分的拓扑结构。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量粉末层或其部分的化学组成。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的打印设备，其中所述扫描装置适于测量每个粉末层或其部分的温度。
16.根据前述权利要求中任一项所述的打印设备，其中该设备包括用于发射多个能量束的多个能量源，其中所述能量束各自被引导到共同焦点上。
17.根据权利要求1至15中任一项所述的打印设备，其中所述设备还包括能量束分离装置，用于将所述能量束分成多个单独的能量束并将各个单独的能量束引导到共同焦点上。
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