CN110382209A

CN110382209A - 增材制造

Info

Publication number: CN110382209A
Application number: CN201780087395.5A
Authority: CN
Inventors: 阿尔文·波斯特; 亚瑟·H·巴尔内斯; 谢尔登·伯纳德; 马修·A·谢泼德; 托德·霍延
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2017-04-08
Filing date: 2017-04-08
Publication date: 2019-10-25
Also published as: US11351733B2; US20210206108A1; EP3558640A1; WO2018186893A1; EP3558640A4

Abstract

在一个示例中，一种用于增材制造机器的熔融系统包括：熔融灯，其对工作区域中的构建材料进行加热；热传感器，其测量熔融灯的热输出，以及操作地连接到熔融灯和热传感器的控制器，其基于热传感器测量到的热输出来调整熔融灯的热输出。

Description

增材制造

背景技术

增材制造机器通过构建材料层来产生3D物体。一些增材制造机器通常被称为“3D打印机”。3D打印机和其他增材制造机器使得将物体的CAD(计算机辅助设计)模型或其他数字表示转换为物体成为可能。可以将模型数据处理为定义要形成的物体的构建材料的层或层的一部分的切片。

附图说明

图1和图2分别是图示出用于增材制造机器的熔融系统的示例的正视图和平面图。

图3至图20呈现使用图1和图2的熔融系统的熔融周期的示例的视图序列。

图21和图22是图示出示例熔融处理的流程图，其中基于熔融灯的热输出的测量来调整熔融灯的到工作区域的热输出。

图23和图24是图示出示例熔融处理的流程图，其中基于工作区域中的未熔融的构建材料的温度的测量来调整加温器的到工作区域的热输出。

图25是图示出熔融处理的示例的流程图，其中基于熔融灯的热输出的测量来调整熔融灯的到工作区域的热输出，并且基于工作区域中的未熔融的构建材料的温度的测量来调整加温器的到工作区域的热输出。

图26是图示出具有熔融器热输出控制指令的处理器可读介质的示例的框图。图27是图示出利用熔融器加热控制指令来实施控制器的用于增材制造的熔融系统的一个示例的框图。

图28是图示出具有加温器热输出控制指令的处理器可读介质的示例的框图。

图29是图示出利用熔融器加热控制指令来实施控制器的用于增材制造的熔融系统的一个示例的框图。

图30是图示出具有包括熔融器热输出控制指令和加温器热输出控制指令的热控制指令的处理器可读介质的示例的框图。

图31是图示出利用包括熔融器热输出控制指令和加温器热输出控制指令的热控制指令来实施控制器的用于增材制造的熔融系统的示例的框图。

贯穿附图，相同的部件数字指定相同的或相似的部件。图不一定是按比例的。

具体实施方式

在一些增材制造处理中，热被使用以烧结、熔融或以另外方式将粉状构建材料中的粒子一起熔融以形成固体物体。可以通过基于对应的物体切片在图案中向粉状构建材料的薄层施加液体熔剂并且然后利用熔融灯辐射图案化的区域来生成熔融构建材料的热。熔剂中的吸光成分从熔融灯吸收光能。由熔融灯产生的辐射热输出与由熔剂中的吸光成分内部地生成的热一起将构建材料熔融。逐层且逐切片地重复处理以完成物体。

熔融灯的热输出可以随着使用而例如由于时间和污染而削弱。不充足的加热可能不利地影响制造的物体的质量。为了一致的熔融和更好的物体质量，已经开发了新的熔融系统来帮助将熔融灯的热输出维持在期望的水平。在一个示例中，一种熔融系统包括：热传感器，其测量熔融灯的热输出；以及操作地连接到熔融灯和热传感器的控制器，其基于热传感器测量到的热输出来调整熔融灯的到工作区域的热输出。可以例如通过改变到熔融灯的电功率或通过改变熔融灯在工作区域上方的扫描速度，或功率和扫描速度的改变的组合来作出对热输出的调整。在其他的示例中，可调整的掩模或电子控制的着色能够用于调整熔融灯的到工作区域的热输出。

如下所述并且在图中示出的这些和其他示例说明但不限制在说明书之后的权利要求中所限定的专利的范围。

如在本文档中使用的：“和/或”意指连接的物品中的一个或多个；“熔剂”意指引起或帮助引起构建材料烧结、熔融或以另外方式熔融的物质；“细化制剂”意指例如通过修改熔剂的效果来禁止或阻止或增强将构建材料熔融的物质；“光”意指任何波长的电磁辐射；“液体”意指不是主要由一种或多种气体组成的流体；“处理器可读介质”意指能够实施、包含、存储，或维持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以包括电路、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)以及闪速存储器；并且“工作区域”意指支持或包含要熔融的构建材料的任何合适的结构，包括底层构建材料和生产中的切片和其他物体结构。

图1和图2分别是图示出用于增材制造机器的熔融系统10的一个示例的正视图和平面图。图3至图20呈现示出使用系统10的示例熔融处理的视图序列。参考图1和图2，熔融系统10包括第一“熔融器”托架12和第二“分配器”托架14。托架12和托架14在控制器16的指导下在工作区域18上方来回移动。控制器16表示用于控制系统10的操作元件所需要的处理和存储器资源和指令、电子电路和元件。

在该示例中，熔融器托架12运载成层设备20、加温器22以及三个熔融灯26A、26B、26C的组24。分配器托架14运载喷墨打印头组件或其它适当的液体分配组件28来分配液体熔剂。在示出的示例中，分配组件28包括分配熔剂的第一分配器30和分配细化制剂的第二分配器32。分配器托架14也运载温度传感器34来测量工作区域18中的构建材料的温度。尽管人们期望温度传感器34通常将被实施为诸如红外照相机之类的热成像设备，但可以使用其它适当的温度传感器。

熔融系统10还包括用于直接测量熔融灯26A、26B、26C的热输出的热传感器36。在该示例中，热传感器36被安装在托架38上，该托架38在熔融托架12之下来回移动以将传感器36定位在通过图2中的短划线所指示的多个感测位置。热传感器36可以例如被实施为直接测量辐射的热流的热电堆或其他热传感器。

在图1和图2中示出的示例中，成层设备20被实施为辊20，该辊20在随着托架12在工作区域18上方移动对构建材料进行成层的展开位置(在图5中示出)与随着托架12在工作区域18上方移动不将构建材料成层的缩回位置(在图1中示出)之间移动。成层辊20可以根据行进的方向在其在工作区域18上方移动时自由地旋转(顺时针方向或反时针方向单向转动)，或可以在任一方向(正转或反转)旋转地驱动辊20。用于成层设备20的其它适当的实施方式可能例如包括在层中直接在工作区域上方分配构建材料的叶片或设备。

加温器22可以被实施为“加温”灯或其他辐射加热设备22。在该上下文中“加温”指的是将工作区域18中的未熔融的构建材料加热到低于材料的熔融温度的温度的加温器22的预热功能。尽管示出了单个设备22，但能够使用多个加温灯或其他辐射加热设备22。因此，用于加温器22的其它适当的实施方式是可能的。尽管描绘了三个熔融灯26A、26B、26C，但可以使用更多或更少熔融灯。

加温灯22和熔融灯26A、26B、26C的特性可以根据熔剂和构建材料的特性(和其他熔融处理参数)而改变。通常期望分别用于匹配不利用熔剂处置的构建材料和利用熔剂处置的构建材料的光谱吸收的较低色温的加温灯22和较高色温的熔融灯26A、26B、26C，以用于增加的从灯到构建材料的能量转移。例如，操作在800K至2150K范围内的单个加温灯22可以用于实现期望水平的功率吸收用于有效地对未处置的白色聚酰胺粉状构建材料40(图5)进行预热，并且每个均操作在2400K至3500K范围内的三个熔融灯26A、26B、26C可以用于实现期望水平的功率吸收用于有效地熔融利用黑色液体熔剂42(图9)处置的相同的构建材料。吸收几乎所有由较高色温的熔融灯所发射的辐射能的黑色熔剂熔融处置的构建材料，而并不熔融周围未处置的构建材料。然而，在较高色温进行的操作减少灯寿命。因此，尽管为了改善的熔融可能期望在有效范围的上端的操作色温以用于增加到处置的构建材料中的能量吸收并且减小到未处置的构建材料中的能量吸收，但成本约束可能朝向范围的下端推动实际的灯操作条件。

如上面指出的，工作区域18表示支持或包含用于熔融的构建材料的任何适当的结构，包括构建材料的基本层和生产中的切片和其他物体结构。对于例如如在图7中所示的构建材料的第一层，可以在平台44的表面上形成工作区域18，该平台44上下移动以适应成层处理。对于例如如图15中所示的构建材料的后续的层，可以基本的物体结构上形成工作区域18，其可以包括未熔融的和熔融的构建材料。

在图1和图2中，熔融器托架12和分配器托架14被停泊以等待接下来的构建周期。在图3和图4中，所有四个灯已经被通电并且被允许达到它们的操作状态的时间。由于灯的相当多的热输出，所以在通电时灯通常将在超过数秒不是固定的，以避免使熔融系统过热。因此，可以在任何加热时段期间在平台44上方来回扫描托架12以避免过热。在加热时段之后，在热传感器36上方扫描托架12以测量每个熔融灯26A、26B、26C的热输出。可以将传感器36移动到沿着托架38的多个位置以测量在多个位置的每个熔融灯的热输出。如以下参考图21和图22更详细地描述的，控制器16使用来自热传感器36的测量以确定是否期望对熔融灯的到工作区域的热输出的调整，并且如果期望，则进行适当的调整。

为了在熔融期间更准确地测量熔融灯的到工作区域的热输出，可以将热电堆36定位在托架38上，使得在测量期间热电堆的吸热表面和熔融灯之间的距离D1基本上等于在熔融期间熔融灯和工作区域中的构建材料之间的距离D2。在该上下文中，“基本上”等于意指在±1mm内。

在图5和图6中，已经沿着与工作区域18相邻的左侧平台48沉积了构建材料粉末40的条带46。随着熔融器托架12如由运动箭头50所指示地在第一程中向右侧移动将成层辊20展开，并且加温灯22对供应条带46中的粉末40进行预热。熔融灯26A、26B、26C可以向未处置的粉末40贡献少量的热。然而，如上面指出的，在该示例中，熔融灯被配置为优选对未处置的构建材料进行加热，并且因此不怎么加热未处置的构建材料。在图7和图8中，随着熔融器托架12在第一程中继续向右侧移动，灯对构建平台44(或基本基础层或随后层中的物体结构)进行加热，同时辊20将平台44上方的层52中的构建材料40成层。

在图9和图10中，随着熔融器托架12在第二程中通过运动箭头54所指示地向左侧移动，成层辊20被缩回并且加温灯22将对层52中的未熔融的构建材料40进行预热。而且在该第二程中，分配器托架14在工作区域18上方跟随熔融托架12。传感器34将测量预热的构建材料40的温度并且分配器30在与物体切片相对应的图案58中将熔剂42分配到构建材料上。如以下参考图23和图24更详细地描述的，控制器16使用由传感器34作出的测量来确定是否期望对加温灯22的热输出的调整，并且如果是，则作出期望的调整。

在图11和图12中，随着分配器托架14在第三程中通过运动箭头50所指示地向右侧移动，分配器32将细化制剂62分配到层52中的构建材料40上。而且在该第三程中，熔融托架12跟随分配器托架14，其中熔融灯26A、26B、26C将图案化的构建材料熔融成物体切片64。在图13和14中，熔融器托架12和分配器托架14在形成层52中的切片64之后已经到达工作区域18的右侧以为接下来的层做准备。

重复操作序列以用于接下来的切片，如图15至图20中所示。在图15至图16和图17至图18中，通过运动箭头54指示，熔融器托架12和分配器托架14在第一程中向左侧移动。在图15和图16中，辊20被展开以将接下来的层66中的工作区域18上的构建材料成层，并且加温灯22将对层66中的构建材料进行预热。在图17和图18中，随着托架12和托架14继续跨过工作区域18，传感器34将测量层66中的预热的未熔融的构建材料的温度，分配器30并且在与接下来的物体切片相对应的图案68中分配熔剂42。在图19和20中，随着分配器托架14在第二程中向右侧移动，分配器32将细化制剂62分配到层66中的构建材料上。而且在该第二程中，熔融器托架12在工作区域18上方跟随分配器托架14，其中熔融灯26A、26B、26C将图案化的构建材料68到第二切片70中。

可以继续操作的序列以逐切片地用于构建材料的每个后续的层继续，以完成物体。

图1至图20图示出熔融系统10和熔融序列的仅仅一个示例。其它适当的熔融系统和序列是可能的。例如，加温器22和/或熔融灯26A、26B、26C可以被实施为固定设备，而不是实施为托架安装设备。能够使用更多或更少熔融灯。熔融托架12和分配器托架14能够沿着竖直路径而不是平行路径移动，更多或更少制剂分配器能够用于分配更多或更少的制剂，并且成层、分配和熔融的序列可以不同于所示出的。

图21图示出诸如可以利用图1和图2中示出的熔融系统10被实施的、用于增材制造的熔融处理100的一个示例。参考图21，测量熔融灯的热输出(框102)并且然后基于测量到的热输出来调整熔融灯的到工作区域的热输出(框104)。例如，可以通过改变供应到熔融灯的电功率和/或通过改变熔融灯在工作区域上方的扫描速度来调整熔融灯的热输出。

图22图示出诸如可以利用图1和图2中示出的熔融系统10被实施、用于增材制造的熔融处理110的另一个示例。参考图22，测量熔融灯的热输出(框112)并且将测量到的输出与灯的阈值热输出相比较(框114)。如果测量到的热输出低于阈值，则例如通过增加到灯的电功率或通过减慢灯在工作区域上方的扫描速度来增加熔融灯的到工作区域的热输出(框116)。同时减少的热输出是可能的并且更可能需关注，所以处理还可以包括如果测量到的输出高于阈值则减小熔融灯的热输出。

可以通过调制电源信号的脉冲宽度来改变到熔融灯的电功率。可以从灯的技术规格或基于熔融系统中的灯的运行以经验为根据地确立用于熔融灯的脉冲宽度(或另一个功率控制参数)和热输出之间的关系。可以在构建周期前后或在构建周期期间调整熔融灯的热输出。

尽管可以使用关于热输出的任何有用的阈值，但期望的是，为了在使用相同类型的熔融灯的系统中维持一致的性能，对于许多增材制造应用，可以预期在新的灯的热输出的或者接近其的阈值。类似地，尽管可以使用任何适当的热传感器来测量熔融灯的热输出，但为了帮助减少复杂度并且促进调整过程中的准确度，对于许多增材制造应用，期望直接测量辐射热流的热电堆或其他热传感器。

图23图示出诸如可以利用图1和图2中示出的熔融系统10被实施的、用于增材制造的熔融处理120的一个示例。参考图23，测量工作区域中的构建材料的层中的未熔融的构建材料的温度(框122)并且然后基于测量到的温度来调整加温器的到工作区域的热输出(框124)。例如，可以通过改变供应到加温器的电功率和/或通过改变加温器工作区域上方的扫描速度来调整加温器的热输出。

图24图示出诸如可以利用图1和图2中示出的熔融系统10被实施、用于增材制造的熔融处理130的另一个示例。参考图24，测量工作区域中的构建材料的层中的未熔融的构建材料的温度(框132)并且将测量的温度与构建材料的阈值温度相比较(框134)。如果测量到的温度低于阈值温度，则例如通过增加到加温器的电功率或通过降低加温器在工作区域上方的扫描速度来增加加温器的到工作区域的热输出(框136)。如果测量到的温度高于阈值温度，则例如通过减小到加温器的电功率或通过增加加温器在工作区域上方的扫描速度来减小加温器的到工作区域的热输出(框138)。

尽管可以使用用于温度的任何有用的阈值，但期望的是，阈值将包括定义用于未熔融的构建材料的期望的预热温度范围的最高温度阈值和最低温度阈值。类似地，尽管可以使用任何适当的温度传感器来测量未熔融的构建材料的温度，但为了实现远离构建材料的定位，对于许多增材制造应用，可以期望诸如红外照相机、微测热辐射计，或热电堆之类的非接触式热感测设备。如图1至图20中所示，温度传感器可以被安装到托架以在工作区域上方扫描，或可以使用固定位置的温度传感器。

在图25中图示出的熔融处理140中将熔融灯和加温器调整组合。参考图25，测量熔融灯的热输出(框142)和基于测量到的热输出来调整熔融灯的到工作区域的热输出(框144)。测量工作区域中的未熔融的构建材料的温度(框146)并且基于测量到的温度来调整加温器的到工作区域的热输出(148)。在一种具体实施方式中，在构建周期之前(包括在先前的构建周期之后)调整多个熔融灯，而在构建周期期间连续地或重复地调整单个加温器。

图21至图25不一定指示执行的特定顺序。图21至图25中的一个或多个框的执行的顺序可以不同于所示出的。

图26是图示出在用于增材制造的熔融系统中具有调整熔融灯或多个熔融灯的热输出的熔融器加热控制指令74的处理器可读介质72的框图。例如，指令74可以包括执行图21中的处理100或图22中的处理110的指令。

图27是图示出利用熔融器加热控制指令74来实施控制器16的、用于增材制造机器的熔融系统10的一个示例的框图。参考图27，系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料成层设备20、熔剂分配器30、细化制剂分配器32、加温器24和熔融灯26。控制器16表示用于控制系统10的操作元件所需要的处理和存储器资源和指令，以及电子电路和元件。具体地，控制器16包括具有加热控制指令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是图示出具有温度控制指令78的处理器可读介质72的框图，所述温度控制指令78在用于增材制造的熔融处理中调整加温器的热输出以帮助维持未熔融的构建材料的期望的温度。例如，指令78可以包括执行图23中的处理120或图24中的处理130的指令。

图29是图示出利用温度控制指令78来实施控制器16的、用于增材制造机器的熔融系统10的一个示例的框图。参考图29，系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料成层设备20、熔剂分配器30、细化制剂分配器32、加温器24和熔融灯26。控制器16表示用于控制系统10的操作元件所需要的处理和存储器资源和指令，以及电子电路和元件。具体地，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是图示出具有热控制指令80的处理器可读介质72的框图，该热控制指令80包括在增材制造的熔融处理中调整熔融灯的热输出的加热控制指令74和调整加温器的热输出的温度控制指令78。例如，指令80可以包括执行图25中的处理140的指令。

图31是图示出利用热控制指令80来实施控制器16的、用于增材制造机器的熔融系统10的一个示例的框图。参考图31，系统10包括控制器16、工作区域18、构建材料成层设备20、熔剂分配器30、细化制剂分配器32、加温器24和熔融灯26。控制器16表示用于控制系统10的操作元件所需要的处理和存储器资源和指令，以及电子电路和元件。具体地，控制器16包括具有热控制指令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。

在图中示出的并且在以上描述的示例说明但不限制在所附权利要求中所限定的专利。

在权利要求中使用的“一”和“所述”意指至少一个。例如，“熔融灯”意指一个或多个熔融灯，并且对“熔融灯”的随后的引用意指一个或多个熔融灯。

Claims

1.一种用于增材制造机器的熔融系统，所述熔融系统包括：

用于对工作区域中的构建材料进行加热的熔融灯；

用于直接测量所述熔融灯的热输出的热传感器；以及

可操作地连接到所述熔融灯和所述热传感器、以基于由所述热传感器测量到的热输出来调整所述熔融灯的到所述工作区域的所述热输出的控制器。

2.根据权利要求1所述的熔融系统，其中用于调整所述熔融灯的到所述工作区域的所述热输出的控制器包括改变所述托架在所述工作区域上方的扫描速度和/或改变到所述熔融灯的电功率的控制器。

3.根据权利要求2所述的熔融系统，其中所述控制器用于基于由所述热传感器测量到的热输出和阈值热输出的比较来调整所述熔融灯的所述热输出。

4.根据权利要求3所述的熔融系统，包括在工作区域上方可移动的托架，所述托架运载所述熔融灯以对所述工作区域中的构建材料进行加热。

5.一种用于增材制造机器的熔融系统，包括：

在工作区域上方可移动的第一托架，所述第一托架运载用于对未熔融的成层构建材料进行加热的加温器，以及用于对利用熔剂被图案化的成层构建材料进行加热的熔融灯；

在所述工作区域上方可移动的第二托架，所述第二托架运载用于以与物体切片相对应的图案将所述熔剂分配到成层构建材料上的分配器；以及

用于测量所述熔融灯的热输出的热传感器。

6.根据权利要求5所述的熔融系统，包括可操作地连接到所述熔融灯和所述热传感器、以基于由所述热传感器测量到的热输出来调整所述熔融灯的到图案化后的构建材料的热输出的控制器。

7.根据权利要求5所述的熔融系统，包括用于测量所述工作区域中的未熔融的构建材料的温度的热成像设备。

8.根据权利要求7所述的熔融系统，包括可操作地连接到所述加温灯、所述熔融灯、所述热成像设备和所述温度传感器的控制器，所述控制器用于：

基于由所述热成像设备测量到的热输出来调整所述加温器的所述热输出；并且

基于由所述热传感器测量到的热输出来调整所述熔融灯的所述热输出。

9.根据权利要求8所述的熔融系统，其中：

所述热传感器包括热电堆；并且

所述热成像设备包括红外照相机。

10.根据权利要求5所述的熔融系统，包括运载所述温度传感器的第三托架，所述第三托架可移动以将所述热传感器定位在沿着所述熔融灯的多个不同的位置处。

11.根据权利要求10所述的熔融系统，其中所述熔融灯包括多个熔融灯，并且所述第一托架可移动以将每个灯定位在所述热传感器上方以测量所述灯的独立的热输出。

12.一种处理器可读介质，所述处理器可读介质上具有指令，所述指令使执行指令的控制器基于由热传感器直接测量到的熔融灯的热输出来调整到增材制造机器中的工作区域的所述熔融灯的热输出。

13.根据权利要求12所述的介质，其中用于调整所述熔融灯的热输出的指令包括改变所述熔融灯在所述工作区域上方的扫描速度和/或改变到所述熔融灯的电功率的指令。

14.根据权利要求12所述的介质，所述介质上具有将热传感器测量到的所述熔融灯的热输出与阈值热输出相比较的指令，并且其中调整所述熔融灯的热输出的指令包括基于测量到的所述热输出与所述阈值热输出的比较来调整所述熔融灯的热输出的指令。

15.一种实施根据权利要求12所述的处理器可读介质的增材制造机器控制器。