CN110325347A - 增材制造 - Google Patents
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Abstract
在一个示例中,一种用于增材制造机的熔合系统包括:加热器,其预加热工作区域中的未熔合构建材料;分配器,其以对应于物体切片的图案将熔剂分配到所述工作区域中的构建材料上;熔合灯,其使所述工作区域中的图案化构建材料熔合;温度传感器,其测量所述工作区域中的预加热的未熔合构建材料的温度;以及控制器,其操作性地连接到所述加热器和所述温度传感器,以基于由所述温度传感器测量的温度来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
Description
背景技术
增材制造机通过构建材料层来产生3D物体。一些增材制造机通常被称为“3D打印机”。3D打印机和其他增材制造机使得可以将物体的CAD(计算机辅助设计)模型或其他数字表示转变成物理物体。模型数据可被处理成切片,这些切片限定一个或多个构建材料层的待形成该物体的部分。
附图说明
图1和图2分别是正视图和平面图,其图示了用于增材制造机的熔合系统的一个示例。
图3-20呈现了一系列视图,其示出了使用图1和图2的熔合系统的熔合循环的一个示例。
图21和图22是图示了示例性熔合过程的流程图,其中熔合灯对工作区域的热输出基于对该熔合灯的热输出的测量来调整。
图23和图24是图示了示例性熔合过程的流程图,其中加热器对工作区域的热输出基于对工作区域中的未熔合构建材料的温度的测量来调整。
图25是图示了熔合过程的一个示例的流程图,其中熔合灯对工作区域的热输出基于对该熔合灯的热输出的测量来调整,并且加热器对工作区域的热输出基于对工作区域中的未熔合构建材料的温度的测量来调整。
图26是图示了具有熔合器热输出控制指令的处理器可读介质的一个示例的框图。
图27是图示了用于增材制造的熔合系统的一个示例的框图,该熔合系统实施了具有熔合器热控制指令的控制器。
图28是图示了具有加热器热输出控制指令的处理器可读介质的一个示例的框图。
图29是图示了用于增材制造的熔合系统的一个示例的框图,该熔合系统实施了具有加热器热控制指令的控制器。
图30是图示了具有热量控制指令的处理器可读介质的一个示例的框图,该热量控制指令包括熔合器热输出控制指令和加热器热输出控制指令。
图31是图示了用于增材制造的熔合系统的一个示例的框图,该熔合系统实施了具有热量控制指令的控制器,该热量控制指令包括熔合器热输出控制指令和加热器热输出控制指令。
贯穿附图,相同的附图标记标示相同或相似的部分。附图不一定按比例绘制。
具体实施方式
在一些增材制造过程中,使用热来烧结、熔化粉末状构建材料中的颗粒或以其他方式将其熔合在一起,以形成固体物体。在这样的过程中,在施加熔合热之前,可使用加热器将未熔合的构建材料预加热到低于熔合温度的温度。然后,通过将液体熔剂以基于相对应的物体切片的图案施加于粉末状构建材料的薄层,并且随后,用熔合灯照射图案化区域,可产生将预加热的未熔合粉末的温度升高到熔合温度的热。熔剂中的光吸收组分吸收来自熔合灯的光能。熔合灯所输出的辐射热与熔剂中的光吸收组分在内部产生的热一起熔合预加热的构建材料。逐层并且逐切片重复该过程,以完成所述物体。
已经开发出新的技术来帮助改善将未熔合的构建材料加热到期望的预加热温度。在一个示例中,红外摄像机或其他温度传感器被用于测量工作区域中的未熔合构建材料的温度,并且给预加热加热器的功率基于测量温度来调整,以增加或减少加热器的热输出,从而将测量温度保持在期望的范围内。例如,脉冲宽度调制使得能够实现对加热器的输入功率的小的频繁调整,并且能够实现对热输出的相对应的小的频繁改变,以维持未熔合构建材料的预加热温度的狭窄范围。小的频繁功率调整还使得能够有效地使用卤素灯、陶瓷加热器以及具有较高热惯性和较低热扩散率的其他比较便宜的加热器。
在下文中描述和在附图中示出的这个和其他示例说明但不限制本专利的范围,本专利的范围在本说明书之后的权利要求中限定。
如本文件中所使用的:“和/或”意指关联事物中的一个或多个;“熔剂”意指使得或有助于使得构建材料烧结、熔化或以其他方式熔合的物质;“精细剂”意指例如通过改变熔剂的效果来抑制或防止或增强熔合构建材料的物质;“光”意指任何波长的电磁辐射;“液体”意指不主要由一种或多种气体组成的流体;“处理器可读介质”意指可实施、包含、存储或维护指令和其他信息以供处理器使用的任何非暂时性有形介质,并且例如可包括电路、集成电路、ASIC(专用集成电路)、硬盘驱动器、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存;以及“工作区域”意指支撑或包含用于熔合的构建材料的任何合适的结构,包括处于下面的构建材料层和处理中的切片以及其他物体结构。
图1和图2分别是正视图和平面图,其图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例。图3-20呈现了一系列视图,其示出了使用系统10的示例性熔合过程。参照图1和图2,熔合系统10包括第一“熔合器”滑架12和第二“分配器”滑架14。滑架12和14按控制器16的命令在工作区域18上方来回移动。控制器16表示控制系统10的操作元件所需的处理和存储器资源以及指令、电子电路和部件。
在该示例中,熔合器滑架12承载层叠装置20、加热器22以及三个熔合灯26A、26B、26C的组24。分配器滑架14承载喷墨打印头组件或其他合适的液体分配组件28,以分配液体熔剂。在所示示例中,分配组件28包括分配熔剂的第一分配器30和分配精细剂的第二分配器32。分配器滑架14还承载温度传感器34,以测量工作区域18中的构建材料的温度。虽然预期温度传感器34通常将被实施为例如红外摄像机之类的热成像装置,但是也可使用其他合适的温度传感器。
熔合系统10还包括热传感器36,以检测熔合灯26A、26B、26C的热输出。在该示例中,热传感器36被安装在滑架38上,该滑架38在熔合滑架12下方来回移动,以将传感器36定位在图2中的虚线所示的多个感测位置处。例如,热传感器36可被实施为热电堆或直接测量辐射热通量的其他热传感器。
在图1和图2中所示的示例中,层叠装置20被实施为辊20,该辊20在当滑架12在工作区域18上方移动时层叠(layer)构建材料的展开位置(图5中所示)和当滑架12在工作区域18上方移动时不层叠构建材料的缩回位置(图1中所示)之间移动。当层叠辊20在工作区域18之上移动时,层叠辊20可自由旋转,从而根据行进方向顺时针或逆时针地惯性滑行(freewheeling),或者辊20可在任一方向上被旋转地驱动(共同旋转或反向旋转)。层叠装置20的其他合适的实施方式也是可能的,包括例如直接在工作区域之上将构建材料分配成一层的刮片或装置。
加热器22可被实施为“加温”灯或其他辐射加热装置22。在这种背景下“加温”是指加热器22的将工作区域18中的未熔合构建材料加热到低于该材料的熔合温度的温度的预加热功能。尽管示出了单一的装置22,但是也可使用多个加温灯或其他辐射加热装置22。因此,加热器22的其他合适的实施方式也是可能的。尽管描绘了三个熔合灯26A、26B、26C,但是也可使用更多或更少的熔合灯。
加温灯22和熔合灯26A、26B、26C的特性可根据构建材料和熔剂的特性(以及其他熔合过程参数)而变化。通常较低色温的加温灯22和较高色温的熔合灯26A、26B、26C将是期望的,以相应地更好地匹配未用熔剂处理的构建材料和用熔剂处理的构建材料的光谱吸收,以便增加从灯到构建材料的能量传递。例如,可使用在800K至2150K的范围内操作的单个加温灯22来实现所期望的功率吸收水平,以便有效地预加热未处理的白色聚酰胺粉末状构建材料40(图5),并且可使用各自在2400K至3500K的范围内操作的三个熔合灯26A、26B、26C来实现所期望的功率吸收水平,以便有效地熔合用黑色液体熔剂42处理的相同的构建材料(图9)。吸收由较高色温的熔合灯发出的几乎所有辐射能量的黑色熔剂熔合经处理的构建材料,而不会也熔合周围的未处理构建材料。然而,在较高色温下操作会缩短灯的寿命。因此,虽然为改善熔合可能期望处于有效范围的上端处的操作色温,以增加经处理的构建材料的能量吸收,并减少未处理的构建材料的能量吸收,但成本约束可能会迫使实际的灯操作状态趋向该范围的下端。
如上所述,工作区域18表示支撑或包含用于熔合的构建材料的任何合适的结构,包括处于下面的构建材料层和处理中的切片以及其他物体结构。对于第一层构建材料,例如如图7中所示,工作区域18可形成在平台44的表面上,该平台44上下移动以适应层叠过程。对于随后的构建材料层,例如如图15中所示,工作区域18可形成在下面的物体结构上,该下面的物体结构可包括未熔合和熔合的构建材料。
在图1和图2中,熔合器滑架12和分配器滑架14被停放,从而等待下一个构建循环。在图3和图4中,所有四个灯都已被供能,并且给予时间以到达它们的操作状态。由于这些灯的相当大的热输出,这些灯通常在供能时将不会静止超过几秒钟,以避免使熔合系统过热。因此,扫掠的滑架12可在任何加热期期间在平台44上方来回扫掠,以避免过热。在加热期之后,滑架12在热传感器36上方扫掠,以测量每个熔合灯26A、26B、26C的热输出。传感器36可沿滑架38移动到多个位置,以测量处于多个位置处的每个熔合灯的热输出。如下面参照图21和图22更详细地描述的,控制器16使用来自热传感器36的测量结果来确定是否期望调整熔合灯对工作区域的热输出,并且如果是,则进行适当的调整。
为了更精确地测量在熔合期间熔合灯对工作区域的热输出,热电堆36可被定位在滑架38上,使得在测量期间该热电堆的热吸收表面和熔合灯之间的距离D1基本上等于在熔合期间熔合灯和工作区域中的构建材料之间的距离D2。在此背景下,“基本上”等于意味着在±1mm内。
在图5和图6中,构建材料粉末40的带46已沿与工作区域18相邻的左侧台板48沉积。当熔合器滑架12在如运动箭头50所示的第一次通过中向右移动时,层叠辊20展开,并且加温灯22预加热供应带46中的粉末40。熔合灯26A、26B、26C可向未处理的粉末40贡献少量的热。然而,如上所述,在该示例中,熔合灯被构造成对加热未处理的构建材料进行优化,并且因此,不充分地加热未处理的构建材料。在图7和图8中,当熔合器滑架12在第一次通过中继续向右移动时,这些灯加热构建平台44(或下面的基层或后续层中的物体结构),同时辊20在平台44之上将构建材料40层叠成层52。
在图9和图10中,当熔合器滑架12在运动箭头54所示的第二次通过中向左移动时,层叠辊20缩回,并且加温灯22打开,以预加热层52中的未熔合的构建材料40。同样在该第二次通过中,分配器滑架14在工作区域18上方跟随熔合滑架12。传感器34打开以测量预加热的构建材料40的温度,并且分配器30将熔剂42以对应于物体切片的图案58分配到构建材料上。如下面参照图23和图24更详细地描述的,控制器16使用传感器34的测量结果来确定是否期望调整加温灯22的热输出,并且如果是,则进行所期望的调整。
在图11和图12中,当分配器滑架14在运动箭头50所示的第三次通过中向右移动时,分配器32将精细剂62分配到层52中的构建材料40上。同样在该第三次通过中,熔合滑架12跟随分配器滑架14,其中熔合灯26A、26B、26C打开,以将图案化的构建材料熔合成物体切片64。在图13和图14中,熔合器滑架12和分配器滑架14已到达工作区域18的右侧,以在于层52中形成切片64之后为下一层作准备。
针对下一个切片重复该操作序列,如图15-20中所示。在图15-16和图17-18中,熔合器滑架12和分配器滑架14在运动箭头54所示的第一次通过中向左移动。在图15和图16中,辊20被展开,以在工作区域18之上将构建材料层叠在下一层66中,并且加温灯22打开,以预加热层66中的构建材料。在图17和图18中,当滑架12和14继续穿过工作区域18时,传感器34打开以测量层66中的预加热的未熔合构建材料的温度,并且分配器30以对应于下一个物体切片的图案68来分配熔剂42。在图19和图20中,当分配器滑架14在第二次通过中向右移动时,分配器32将精细剂62分配到层66中的构建材料上。同样在该第二次通过中,熔合器滑架12在工作区域18上方跟随分配器滑架14,其中熔合灯26A、26B、26C打开以将图案化的构建材料68熔合成第二切片70。
可针对每个后续的构建材料层逐个切片地继续该操作序列,以完成所述物体。
图1-20仅图示了熔合系统10和熔合序列的一个示例。其他合适的熔合系统和序列也是可能的。例如,加热器22和/或熔合灯26A、26B、26C可被实施为固定装置,而不是实施为滑架安装的装置。可使用更多或更少的熔合灯。熔合滑架12和分配器滑架14可沿垂直路径而不是平行路径移动,可使用更多或更少的试剂分配器来分配更多或更少的试剂,并且层叠、分配和熔合的序列可与所示的序列不同。
图21图示了用于增材制造的熔合过程100的一个示例,该熔合过程100例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图21,测量熔合灯的热输出(框102),并且随后,熔合灯对工作区域的热输出基于测量的热输出来调整(框104)。例如,可通过改变供应给熔合灯的电功率,和/或通过改变熔合灯在工作区域上方扫掠的速度,来调整熔合灯的热输出。
图22图示了用于增材制造的熔合过程110的另一个示例,该熔合过程110例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图22,测量熔合灯的热输出(框112),并且测量的输出与灯的阈值热输出进行比较(框114)。如果测量的热输出低于阈值,则增加熔合灯对工作区域的热输出(框116),例如,这是通过增加给灯的电功率,或通过减慢灯在工作区域上方扫掠的速度。虽然减少的热输出是更可能的,并且更可能是所关注的,但是该过程还可包括在测量的输出高于阈值的情况下降低熔合灯的热输出。
可通过调制电源信号的脉冲宽度来改变给熔合灯的电功率。脉冲宽度(或另一个功率控制参数)与熔合灯的热输出之间的关系可根据灯的技术规范建立,或者基于熔合系统中的灯的操作凭经验建立。可在构建循环之前或之后或者在构建循环期间调整熔合灯的热输出。
虽然可使用针对热输出的任何有用的阈值,但是预期对于许多增材制造应用来说,处于新灯的热输出处或附近的阈值将是期望的,以在使用相同类型的熔合灯的系统中保持一致的性能。类似地,尽管可使用任何合适的热传感器来测量熔合灯的热输出,但是热电堆或直接测量辐射热通量的其他热传感器对于许多增材制造应用来说将是期望的,以帮助降低复杂性并提高调整过程中的精度。
图23图示了用于增材制造的熔合过程120的一个示例,该熔合过程120例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图23,测量工作区域中的构建材料层中的未熔合构建材料的温度(框122),并且随后,加热器对工作区域的热输出基于测量温度来调整(框124)。例如,可通过改变供应给加热器的电功率,和/或通过改变加热器在工作区域上方扫掠的速度,来调整加热器的热输出。
图24图示了用于增材制造的熔合过程130的另一个示例,该熔合过程130例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图24,测量工作区域中的构建材料层中的未熔合构建材料的温度(框132),并且测量温度与构建材料的阈值温度进行比较(框134)。如果测量温度低于阈值温度,则增加加热器对工作区域的热输出(框136),例如,这是通过增加给加热器的电功率,或通过降低加热器在工作区域上方扫掠的速度。如果测量温度高于阈值温度,则降低加热器对工作区域的热输出(框138),例如,这是通过减小给加热器的电功率,或通过增加加热器在工作区域上方扫掠的速度。
可通过调制电源信号的脉冲宽度来改变给加热器的电功率。脉冲宽度调制使得能够实现对加热器的输入功率和相对应的热输出的小的频繁调整,例如在构建循环期间的调整,以维持未熔合构建材料的预加热温度的狭窄范围。例如,测试显示对于160℃的目标温度,在每次变化在小于50ms内发生的情况下,具有表现出大约0.33x10-4m2/s的热扩散率的加热元件的石英红外卤素灯的额定功率的5%或更小的多次功率变化足以在构建循环期间将未熔合的聚酰胺粉末状构建材料的稳态温度维持在155℃至165℃的范围内。小的频繁调整使得能够使用带有具有较低热扩散率的加热元件的较便宜的加热器,如上面所述的石英卤素灯。测试表明,在小于50ms内以其额定功率的5%或更小来调制的具有处于4-6W/cm2的范围内的热通量以及表现出小于1.0x10-4m2/s的热扩散率的加热元件的石英卤素灯、陶瓷加热器或其他加热器将为许多聚酰胺粉末构建材料提供足够均匀的预加热。
虽然可使用任何有用的温度阈值,但是预期该阈值将包括最大温度阈值和最小温度阈值,它们限定了未熔合构建材料的预加热温度的期望范围。类似地,尽管可使用任何合适的温度传感器来测量未熔合构建材料的温度,但是对于许多增材制造应用来说,例如红外摄像机、微测辐射热计或热电堆之类的非接触式的热感测装置可能是期望的,以使得能够远离构建材料定位。该温度传感器可被安装到滑架,如图1-20中所示,以在工作区域上方扫掠,或者可使用固定位置的温度传感器。
在图25中所示的熔合过程140中结合熔合灯和加热器的调整。参照图25,测量熔合灯的热输出(框142),并且熔合灯对工作区域的热输出基于测量的热输出来调整(框144)。测量工作区域中的未熔合构建材料的温度(框146),并且加热器对工作区域的热输出基于测量温度来调整(148)。在一种特定实施方式中,在构建循环之前(包括在先前的构建循环之后)调整多个熔合灯,同时在构建循环期间连续或重复地调整单个加热器。
图21-25不一定指示特定的执行顺序。图21-25中的一个或多个框的执行顺序可与所示的执行顺序不同。
图26是图示了处理器可读介质72的框图,该处理器可读介质72具有熔合器热控制指令74,以调整用于增材制造的熔合系统中的一个或多个熔合灯的热输出。例如,指令74可包括执行图21中的过程100或图22中的过程110的指令。
图27是图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例的框图,该熔合系统10实施了具有熔合器热控制指令74的控制器16。参照图27,系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料层叠装置20、熔剂分配器30、精细剂分配器32、加热器24和熔合灯26。控制器16表示控制系统10的操作元件所需的处理和存储器资源以及指令及电子电路和部件。特别地,控制器16包括具有热控制指令74的处理器可读介质72以及读取和执行指令74的处理器76。
图28是图示了处理器可读介质72的框图,该处理器可读介质72具有温度控制指令78,以调整加热器的热输出,从而帮助在用于增材制造的熔合过程中维持未熔合构建材料的期望温度。例如,指令78可包括执行图23中的过程120或图24中的过程130的指令。
图29是图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例的框图,该熔合系统10实施了具有温度控制指令78的控制器16。参照图29,系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料层叠装置20、熔剂分配器30、精细剂分配器32、加热器24和熔合灯26。控制器16表示控制系统10的操作元件所需的处理和存储器资源以及指令及电子电路和部件。特别地,控制器16包括具有温度控制指令78的处理器可读介质72以及读取和执行指令78的处理器76。
图30是图示了具有热量控制指令80的处理器可读介质72的框图,该热量控制指令80包括调整熔合灯的热输出的热控制指令74以及在用于增材制造的熔合过程中调整加热器的热输出的温度控制指令78。例如,指令80可包括执行图25中的过程140的指令。
图31是图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例的框图,该熔合系统10实施了具有热量控制指令80的控制器16。参照图31,系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料层叠装置20、熔剂分配器30、精细剂分配器32、加热器24和熔合灯26。控制器16表示控制系统10的操作元件所需的处理和存储器资源以及指令及电子电路和部件。特别地,控制器16包括具有热量控制指令80的处理器可读介质72以及读取和执行指令80的处理器76。
附图中所示和上文中所述的示例说明但不限制本专利,本专利在下面的权利要求中限定。
权利要求中所使用的“一”、“一种”、“一个”和“所述”意指至少一个。例如,“熔合灯”意指一个或多个熔合灯,并且后续对“所述熔合灯”的引用意指所述一个或多个熔合灯。
Claims (15)
1.一种用于增材制造机的熔合系统,包括:
加热器,其预加热工作区域中的未熔合构建材料;
分配器,其以对应于物体切片的图案将熔剂分配到所述工作区域中的构建材料上;
熔合灯,其使所述工作区域中的图案化构建材料熔合;
温度传感器,其测量所述工作区域中的预加热的未熔合构建材料的温度;以及
控制器,其操作性地连接到所述加热器和所述温度传感器,以基于由所述温度传感器测量的温度来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
2.如权利要求1所述的熔合系统,其特征在于,所述控制器通过改变给所述加热器的电功率,来调整所述加热器的所述热输出。
3.如权利要求2所述的熔合系统,其特征在于,所述控制器基于由所述温度传感器测量的温度与阈值温度的比较,来调整所述加热器的所述热输出。
4.如权利要求3所述的熔合系统,其特征在于,所述控制器通过在小于50ms内在所述灯的额定功率的±5%的范围内调制给所述加热器的电功率信号,来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
5.如权利要求4所述的熔合系统,其特征在于,所述加热器包括灯,所述灯具有处于800K至2150K的范围内的操作色温。
6.如权利要求5所述的熔合系统,其特征在于,所述熔合灯包括具有处于2400K至3500K的范围内的操作色温的熔合灯。
7.一种用于增材制造机的熔合系统,包括:
能够在工作区域上方移动的第一滑架,所述第一滑架承载加热器,以加热未熔合的层叠的构建材料,并且承载熔合灯,以加热用熔剂图案化的层叠的构建材料;
能够在所述工作区域上方移动的第二滑架,所述第二滑架承载分配器,以按对应于物体切片的图案将所述熔剂分配到层叠的构建材料上;以及
温度传感器,其测量所述工作区域中的未熔合构建材料的温度。
8.如权利要求7所述的熔合系统,包括控制器,所述控制器操作性地连接到所述加热器和所述温度传感器,以基于由所述温度传感器测量的温度来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
9.如权利要求8所述的熔合系统,其特征在于,所述控制器通过改变所述第一滑架在所述工作区域上方的扫掠速度,和/或通过改变给所述加热器的电功率,来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
10.如权利要求7所述的熔合系统,包括热传感器,以测量所述熔合灯的热输出。
11.如权利要求10所述的熔合系统,包括控制器,所述控制器操作性地连接到所述加热器、所述熔合灯、所述温度传感器和所述热传感器,以便:
基于由所述温度传感器测量的温度,来调整所述加热器对所述工作区域的热输出;以及
基于由所述热传感器测量的热输出,来调整所述熔合灯对所述工作区域的热输出。
12.一种处理器可读介质,其上具有指令,所述指令使得执行所述指令的控制器通过在小于50ms内在加热器的额定功率的±5%的范围内调制给所述加热器的电功率信号,而基于增材制造机中的工作区域中的未熔合构建材料的温度,来调整所述加热器对所述工作区域的热输出。
13.如权利要求12所述的介质,其上具有指令,所述指令使得执行所述指令的控制器基于由靠近所述工作区域的热传感器测量的熔合灯的热输出,来调整所述熔合灯对所述工作区域的热输出。
14.如权利要求12所述的介质,其特征在于,所述加热器包括卤素灯,并且所述介质具有在800K至2150K的色温范围内操作所述灯的指令。
15.一种增材制造机控制器,其实施如权利要求12所述的处理器可读介质。
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