CN110382211A

CN110382211A - 增材制造的改进

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Publication number: CN110382211A
Application number: CN201780087835.7A
Authority: CN
Inventors: J·G·克拉布特里; K·瑞巴尔森可; A·盖伊奥
Original assignee: Additive Manufacturing Technologies Ltd
Current assignee: Additive Manufacturing Technologies Ltd
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: GB2582225B; DE202017007250U1; US20230091181A1; CN110382211B; ES2961482T3; DK3565712T3; EP3565712B1; GB202006900D0; GB202004405D0; GB201721485D0; EP3565712A1; DE202017007255U1; WO2018127683A1; GB2582222A; GB2560073A; GB201700346D0; GB2560073B; GB2582225A; US20190375158A1; GB2582222B

Abstract

本发明提供了用于对增材制造的聚合物部件进行后处理的装置，包括用于容纳液体溶剂的储液器(402)、与储液器可控制地流体连通的处理室(408)和控制器(418)，其中所述控制器(418)配置为响应于与该部件相关联的至少一个参数，通过溶剂可控制地后处理位于处理室中的增材制造的聚合物部件。还提供了一种用于后处理增材制造的聚合物部件的方法。

Description

增材制造的改进

技术领域

本发明涉及增材制造(additive manufacturing)工艺。特别地，但非排他地，本发明涉及聚合物部件的后处理，聚合物部件通过粉末基的增材制造工艺(例如激光或红外烧结)或挤压基工艺(例如熔融沉积成型(FDM))制成。

背景技术

增材制造(AM)是一种将材料连接起来，从三维模型数据制作物体的过程，通常是层层叠加，而不是像铣削或切割这样的减成制造技术。AM工艺通常根据所使用的机器和技术进行分类，例如，激光或挤压；以及根据所用原料的状态进行分类，即基于液体的、基于粉末的或基于固体的。特别是与传统制造技术相比，AM的不同加工条件会产生不同的机械性能和表面光洁度。例如，注塑成型的表面光洁度由模具确定，而AM部件的外表面具有粗糙感，并且由于层层叠加过程，其在视觉上是暗淡的。这种表面光洁度通常是不可取的，特别是如果该部件用于美学应用时。此外，表面粗糙度可能会对AM部件的机械性能产生不利的影响，例如撕裂强度、拉伸和/或弯曲强度、材料的杨氏模量和断裂应变。另外，粗糙的表面光洁度可能难以清洁，可能容易弄脏，或者可能对使用中的相邻部件造成不可取的损坏。

因此，AM部件通常在制造之后进行后处理，以试图平滑通常不可取的粗糙外表面，并且有时还去除制造过程中使用的支撑结构。后处理的两个关键类别是主要和次要后处理。主要后处理通常包括必须对所有AM部件执行的强制性步骤，以使它们适用于任何应用程序。这些步骤因技术而异，但通常包括清洁和支撑结构的移除。次要后处理包括可选部件精加工以改善部件的美观和/或功能。最常见的是，次要后处理包括打磨、填充、涂底漆和喷漆。通常，聚合物AM部件被机械滚磨、沙磨或涂层以改善表面外观和触感。然而，这些主要和次要的后处理步骤是手动的，由于需要大量的实际操作，这增加了制造过程的大量的成本和时间，并且因此可能损害AM在某些应用中的益处。这种手动后处理还会在最终部件几何形状中引起无法量化的尺寸变化，如果不是不可能的话，部件修整器要使得每个部件具有完全相同的修整量和程度，即可重复和可再现的表面光洁度，是很难的。对于具有精细特征的复杂部件，通常会制造重复零件，以防原始零件在后处理阶段损坏或断裂，这不期望地进一步增加了成本、能量和材料。由于手动后处理技术，AM部件上的精细细节可能不可避免地丢失。此外，手动后处理技术是“视线”过程，并且不适合于平滑隐藏/复杂特征，例如晶格结构的内表面。

正因如此，认为AM技术提供了一个简单、快速和自动化的数字工作流程的看法只有在AM部件从AM机器上移除时才是准确的。一旦AM部件进入后处理阶段，自动按钮流程就变成了一种手动操作，不可预期地影响时间、成本、材料、能源和质量。

已知溶剂蒸汽(例如丙酮)可以用来改善主要由ABS型材料制成的AM部件的表面光洁度。这种处理依赖于合适的溶剂来溶解AM部件的一些粗糙外表面，以提高表面的光滑度、光泽以及部件本身的潜在机械性能。然而，这些已知的溶剂处理也是手工和耗费体力的，因此与上述机械技术有相同的缺点。此外，已知的溶剂处理不适用于改善尼龙12的表面光洁度，尼龙12是用于激光烧结最常见的聚合物，并且是聚酰胺组材料的一部分，其特别耐受诸如丙酮之类的化学品。此外，在某些情况下，使用溶剂后处理提高表面光洁度后发现AM部件的重量增加。这种不期望的重量增加可能高达8％，并且发现是AM部件表层吸水(尤其是尼龙材料)的结果。

发明内容

本发明的某些实施例的目的是提供一种后处理AM聚合物部件的自动化方法，以在不损害部件的完整性、外观或性能的情况下改善其表面光洁度。

本发明的某些实施例的目的是提供一种后处理AM聚合物部件的自动化方法，以改善其表面光洁度，这在质量、时间、成本和材料方面是有效和一致的。

本发明的某些实施例的目的是提供一种后处理AM聚合物部件的自动化方法，通过以受控方式将AM部件暴露于溶剂中以获得所需的表面光洁度来改善其表面光洁度，而不会增加不期望的重量。

本发明的某些实施例的目的是提供一种以“智能”方式对AM聚合物部件进行后处理的自动方法，利用机器从多个设备学习来改进部件精加工过程的处理参数和效率。

本发明的某些实施例的目的是提供用于实施后处理AM聚合物部件的自动方法的装置，以便以受控和自动的方式改善其表面光洁度，这是有效且环保的。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对增材制造的聚合物部件进行后处理的装置，包括：

用于容纳液体溶剂的储液器；

与储液器可控制地流体连通的处理室；

控制器，其配置为响应于与该部件相关联的至少一个参数，通过溶剂可控制地后处理位于处理室中的增材制造的聚合物部件。

可选地，所述至少一个参数包括所述部件的材料、所述部件的期望表面粗糙度、和/或所述部件的几何特性，几何特性包括表面积、体积，尺寸和/或部件复杂性。

可选地，该装置还包括真空泵，该真空泵可由控制器可操作地控制并且配置成将负压施加到处理室的内部。

可选地，控制器配置为选择性地操作所述真空泵向所述处理室中施加预定时间的负压。

可选地，负压约为10-400毫巴。

可选地，该装置还包括可由控制器可操作地控制的溶剂输送阀，以允许通过施加在其中的负压选择性地将预定量的溶剂吸入处理室。

可选地，该装置还包括溶剂输送系统，该溶剂输送系统位于处理室的上游，并且由控制器可操作地控制，以选择性地从储液器接收溶剂并将预定量的溶剂引入处理室。

可选地，溶剂输送系统包括泵和计量阀，用于将预定量的溶剂可控地输送到处理室中。

可选地，溶剂输送系统还包括加热元件，该加热元件配置为可控制地将预定量的溶剂加热至预定的溶剂温度。

可选地，预定的溶剂温度使溶剂蒸发。

可选地，通过溶剂分配系统将溶剂引入处理室。

可选地，溶剂分配系统包括至少一个喷嘴，用于控制溶剂蒸汽分配到处理室中。

可选地，该装置还包括加热器，用于将处理室内部可控地加热到预定的室温。

可选地，加热器包括加热元件，该加热元件配置为可控制地加热处理室的至少一个内表面。

可选地，该装置还包括冷却器，用于可控地冷却位于处理室中的AM部件。

可选地，控制器配置为在经过预定的处理时间之后选择性地操作所述真空泵达另一预定时间以在所述处理室中重新施加负压。

可选地，基于至少一个参数，处理时间在大约5秒至大约120分钟之间。

可选地，真空泵还配置为当再次施加负压以从处理室和位于其中的部件提取溶剂蒸汽时，选择性地将处理室连通到大气。

可选地，该装置还包括溶剂回收系统，用于从处理室中回收用过的溶剂。

可选地，溶剂回收系统包括冷凝器，用于将溶剂与空气分离。

可选地，溶剂回收系统与储液器和/或溶剂输送系统流动连接，使得回收的用过的溶剂可以返回到其中。

可选地，储存器包括用于原始溶剂的第一隔室和用于回收溶剂的另一隔室。

可选地，该装置还包括用户界面，供用户输入待处理部件的材料和所需的表面粗糙度，其中控制器进一步配置为至少基于材料和所需的表面粗糙度执行处理程序。

根据本发明的第二方面，提供了一种后处理增材制造的聚合物部件的方法，包括：

将增材制造的聚合物部件定位在处理室中；以及

响应于与该部件相关的至少一个参数，通过可控制地引入处理室的溶剂可控制地对部件进行后处理。

可选地，所述至少一个参数包括所述部件的材料、所述部件的期望表面粗糙度、和/或所述部件的几何特性，几何特性包括表面积、体积、尺寸和/或复杂性。

可选地，该方法还包括选择性地将预定量的溶剂输送到处理室中。

可选地，该方法还包括向所述处理室的内部施加预定时间的负压。

可选地，该方法还包括使用负压选择性地将预定量的溶剂输送到处理室中。

可选地，该方法还包括将预定量的溶剂加热至预定的溶剂温度，以使溶剂在进入处理室之前蒸发。

可选地，该方法还包括选择性地将处理室的内部加热到预定的室温。

可选地，该方法还包括加热处理室的至少一个内表面。

可选地，该方法还包括在处理室中的AM部件和溶剂之间产生势能。

可选地，该方法还包括选择性地冷却位于处理室中的AM部件以产生势能并使溶剂蒸汽在AM部件上冷凝。

可选地，该方法还包括在经过预定的处理时间后，在处理室中重新施加预定时间的负压。

可选地，该方法还包括当再次施加负压以从处理室和位于其中的部件提取溶剂蒸汽时，选择性地将处理室连通至大气。

可选地，该方法还包括从处理室回收用过的溶剂。

可选地，该方法还包括将回收的用过的溶剂返回到储液器。

可选地，该方法还包括通过用户界面输入或选择与部件相关联的至少一个参数。

可选地，该方法还包括由控制器基于至少一个参数执行处理程序。

根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，当由计算机执行时，执行根据本发明的第二方面的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种溶剂的用途，用于响应于与该部件相关的至少一个参数，可控地后处理增材制造的聚合物部件。

可选地，溶剂选自1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)、二甲基甲酰胺、硫酸、间甲酚、甲酸、三氟乙酸和苯甲醇。

可选地，该用途还包括选择性地在AM部件和溶剂之间产生势能。

可选地，该用途还包括选择性地控制溶剂温度和AM部件温度，其中溶剂温度高于AM部件温度。

可选地，该用途还包括将溶剂加热至预定的溶剂温度并冷却AM部件以在其间产生所需的温度梯度，以使溶剂蒸汽在AM部件上冷凝预定的处理时间。

附图说明

现在将参考附图对本发明的实施例进行描述，其中：

图1a示出了根据本发明某些实施例的AM部件后处理装置的示意图；

图1b至图1e示出了图1a的装置的各个部件的示意图；

图2示出了使用图1a的装置的方法的后处理步骤；

图3示出了根据本发明某些实施例的表面粗糙度和曝露时间之间的关系；

图4示出了图1a的装置的传感器列表；

图5示出了可由图1a的装置控制的参数列表；

图6示出了由图1a的装置监视的输入列表；

图7示出了根据本发明某些实施例的AM部件后处理装置的另一示意图；

图8示出了使用图7的装置的方法的后处理步骤；

图9示出了图7的装置的传感器列表；

图10示出了可由图7的装置控制的参数列表；

图11示出了根据本发明某些实施例的待平滑的不同AM聚合物的热力学加工条件；

图12示出了根据本发明某些实施例的各种表面处理的处理时间和势能等级；

图13示出了聚酰胺12的加工数据；

图14示出了热塑性聚氨酯的加工数据；

图15示出了HFIP溶剂的压力-温度图，用于调节加工参数以使AM聚合物部件的表面平滑；

图16a和16b示出了根据本发明的某些实施例，通过控制溶剂和AM部件之间的势能来产生不同等级的表面平滑度的过程；

图17示出了平滑过程中溶剂状态的控制；

图18a和18b示出了根据本发明某些实施例的溶剂在AM部件上快速冷凝的影响；

图19和19b示出了根据本发明某些实施例从AM部件中除去残留溶剂；

图20a和20b示出了根据本发明某些实施例处理的TPU和聚酰胺12部件的浸水测试结果；

图21示出了根据本发明某些实施例的加工聚合物的热重测试结果；

图22示出了显示根据本发明某些实施例从加工聚合物中回收HFIP溶剂的效率的色谱图；

图23说明了根据本发明某些实施例的残留HFIP去除条件。

具体实施例

如图1a所示，根据本发明某些实施例的装置100包括可移除的溶剂盒102、用于容纳溶剂的溶剂计量和加热系统104、溶剂分配系统106、处理室108、真空泵110和溶剂回收系统112。该装置也包括连接到溶剂计量和加热系统104的控制室114和用于将加热的空气排放到处理室108中的空气加热泵116。处理室108也包含部件支撑件系统109，例如架子等。

第一控制阀V₁位于溶剂盒102和溶剂计量/加热系统104之间。第二控制阀V₂位于溶剂计量/加热系统104和溶剂分配系统106之间。第三控制阀V₃位于溶剂计量/加热系统104和控制室114之间。第四控制阀V₄位于腔室的下游，恰好位于真空泵110处，以允许装置，特别是处理室108选择性地连通至大气中。第五控制阀V₅位于溶剂回收系统112和溶剂计量和加热系统104/溶剂盒102之间。阀V₅是分流阀，其选择性地控制回收的溶剂流向溶剂计量和加热系统104或者盒102，如下面进一步描述的。

装置100还包括具有用户界面的控制器118，例如，触摸屏显示器，允许操作者输入与要进行后处理的AM部件相关联的预定参数，如下面将进一步描述的。操作员可以使用存储在计算设备(如平板电脑或移动电话)上的应用程序，在设备上或通过有线或无线连接远程与控制器交互。控制器118通过诸如Raspberry Pi^TM的计算机系统或其他开源或闭源系统电连接到可控部件；连接到装置100的系统和传感器，以允许控制器自动地和选择性地控制装置；同时还在后处理操作期间接收反馈信号，如下面进一步描述的。控制器还配置为在该装置使用时记录该装置的环境操作条件，即环境温度AT1和湿度AH1。控制器适当地连接到紧急停止按钮ES1，以在需要时立即停止机器。还配置传感器AP1，用于在操作期间移除任何维护检修面板的情况下停止设备100。控制器118还与数据存储介质(例如基于云的数据库120)进行读/写通信，以允许访问和/或存储操作参数、程序和数据。

仅出于说明性目的，在后处理操作期间液态溶剂的流动由点划线示出并且标记为SP_L。蒸汽状态的溶剂的流动由相对粗的实线表示，并以SP_V表示。水流以WP表示，空气流量以A表示。控制链路以相对较细的线条表示，标记为C。

图2示出了根据本发明某些实施例使用装置100对AM部件进行后处理的方法S200的步骤的流程图。

如步骤S202所示，选择包含合适溶剂的“预包装”和密封盒102，并通过合适的连接机构102c(例如快速释放机构等)将其可拆卸地连接到装置100。如图1b所示，溶剂盒102包括两个隔室；一个用于原始溶剂，另一个用于使用过的溶剂。传感器SL₁感测原始溶剂水平线，传感器SL₃感测使用的溶剂水平线。原始溶剂隔室至少具有一个出口，使用过的溶剂隔室至少具有一个入口用于将使用过的溶剂返回到盒中，如下面进一步描述的。盒102包括闭源电子芯片102a，其与控制器118通信以允许可操作地发送传感器信号到其上。盒102还包括快速释放耦合手柄机构102b，用于在连接到装置和从装置移除时握持盒子。手柄机构102b可以连接到连接机构102c，使得手柄机构102b驱动快速连接/释放连接机构102c，以快速且容易地将盒连接到装置或从装置移除。可以提供传感器QR₁(未示出)以向控制器118确认盒已经正确定位并连接到装置。

合适的溶剂包括质子极性溶剂和非质子极性溶剂，例如但不限于1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)、二甲基甲酰胺、硫酸、间甲酚、甲酸、三氟乙酸和苯甲醇。适当地，可以使用表现出强氢键性质的溶剂。该性质允许溶剂处理用作氢键受体的物质，例如Nylons^TM(聚酰胺)。

在步骤S204中，将至少一个AM聚合物部件经由其通道门(例如位于设备的上表面上的可密封盖，以便于通过)放置在处理室108中，并且放置在可选的位于室中的支撑结构109(例如架子)上。支撑结构109配置为确保部件完全暴露于引入室的溶剂中。关闭通道门/盖，使处理室108密封。一旦处理室门传感器Do/Dc指示门已关闭，即令处理室108密封。

适当地，通过控制器118的用户界面，或自动响应密封的室和/或位于其中的部件，控制器118运行系统检查以确保装置100处于“空挡”状态并准备处理AM部件。空挡状态检查确保所有控制阀处于正确位置，溶剂盒包含足够量的原始溶剂并且已正确连接到该装置，并且处理室门/盖牢固地关闭。

在步骤S206中，用户将数字CAD文件输入到控制器118中，以便通过来自程序/应用程序的互联网/以太网/无线的连接或者来自预先存储的CAD数据文件的数据库的连接处理要处理的AM部件。CAD文件详细说明了要处理的部件在处理室108中的支撑结构109上的取向和位置。这确保了可重复性和再现性，并允许通过了解部件的表面积和“复杂性”来精确计算处理参数。

在步骤S208中，通过控制器118的用户界面，用户选择AM部件的材料和所需的表面光洁度，例如粗糙度，进而决定了控制器要选择和运行的所需的处理程序。该部件材料可选自非详尽的材料清单，包括尼龙12(PA220 Duraform^TM PA)、尼龙11(Duraform^TM EXNatural、Duraform^TM EX Black)、热塑性聚氨酯(TPU)、TPE-210弹性体材料、ABS等。触摸屏显示器可列出许多可供用户选择的材料，以响应待后处理的AM部件。表面粗糙度可以从大约1.5微米至“如打印的”表面粗糙度(即没有平滑)的范围进行选择，增量约为1微米。或者，可根据表面处理说明(例如，哑光或光泽度，和/或显示在用户界面或移动计算设备显示器上的可视示例)选择表面光洁度。

在步骤S210中，控制器118响应于所选择的部件材料和期望的表面粗糙度来选择处理程序，然后执行该处理程序。

如图1c所示，溶剂计量/加热系统104包括溶剂计量室104a和用于测量其中的溶剂水平线的溶剂水平传感器SL₂、溶剂计量泵104b和用于测量由此泵传送的溶剂的压力的压力传感器Sp₁、另一控制阀V_1A、溶剂加热元件104c(例如加热线圈)和用于检测加热系统104中溶剂的温度的温度传感器S_t1。

在步骤S212中，通过控制器118打开第一控制阀V₁，并且使用溶剂定量泵104b在受控的溶剂泵加料速度为SDs时，把至少部分地填充溶剂计量/加热系统104的溶剂计量室104a的预定量的溶剂(恰好大约1000ml)从盒102转移到溶剂计量/加热系统104。

在步骤S214中，关闭第一控制阀V₁。溶剂计量泵104b通过阀V1A将预定剂量的液体溶剂从溶剂计量室104a转移至溶剂加热器线圈104c。液体溶剂的“剂量”通过合适的加热装置(例如位于溶剂加热器线圈104c内或周围的电加热元件)通过溶剂加热线圈104c加热到预定温度S_t1。根据所用溶剂的类型、处理室108的体积、部件的表面积、处理温度(溶剂沸点的函数)和处理压力(真空度)来计算溶剂量。从溶剂计量室通过加热线圈的计量量约为25-200ml。该关系确定了正确的溶剂量，以便在所有待处理的部件上获得所需的均匀层厚度。或者，盒102本身可以通过单独的或整体的加热装置加热，例如配置在盒中的电加热元件，以将其中的溶剂温度升高到预定温度S_t1。在这样的实施例中，可以不需要溶剂计量/加热系统104，并且可以直接从盒而不是通过计量/加热系统104将溶剂引入处理室108中。对溶剂进行加热，使不同沸点的一系列溶剂得到有效处理。溶剂温度S_t1可以在室温和100℃之间，这取决于用于待处理的AM部件的溶剂的类型。某些溶剂可能不需要加热。在将溶剂引入处理室108之前预热溶剂以将其转化为气相，允许较低的压差(真空)施加到溶剂上，因此减少能量，以将溶剂从液态转化为蒸汽状态并将溶剂蒸汽吸入处理室108。此外，加热溶剂的能力可以加速溶剂蒸发的热力学过程。

在步骤S216中，通过真空泵110在处理室108内施加负压，持续真空时间VT₁，使处理室压力VP₁降低约10-200mbar，并且恰好约为70mbar。适当地，可以在处理室108中产生绝对真空。由传感器ACP1测量的处理室108中的临界压力定义为溶剂在室温下的蒸发点，即在溶剂的临界点处，如果压力/温度升高，则在进入气相(the gaseous phase)之前处于汽相(the vapour phase)。

在步骤S218中，打开第二和第三控制阀V₂和V₃，并且溶剂计量/加热系统104与处理室108和控制室114之间的压力差将溶剂吸入室108、114。考虑到大气压下的溶剂蒸汽与施加到处理室108、114的所选真空压力VP₁之间的压力差，溶剂的“剂量”立即被吸入处理室108和控制室114并立即填充处理室108、控制室114。位于处理室108中的AM部件和位于控制室114中的测试试样/样品被溶剂蒸汽完全包围。剂量由溶剂计量/加热系统104控制，并定义为使汽相完全饱和所需的溶剂量。这取决于特定溶剂相对于汽相和液相的温度和压力的汽液平衡。如图1d所示，溶剂分配系统106包括三个分配通道106a，每个分配通道106a具有等间隔的多个孔，以确保均匀且快速地将溶剂汽相引入真空处理室108中。

作为替代或补充，对施加到处理室108的负压，可以向溶剂施加正压力以将溶剂从溶剂储液器104推进到处理室108、114。

在步骤220中，关闭第二和第三控制阀V₂和V₃。

在步骤222中，打开第四控制阀V₄，并且由加热器泵116的适合的加热器H1(未示出)加热到预定温度aT的环境空气被抽吸或泵送到处理室108中。随着温度和压力的增加，在处理室108中，溶剂蒸汽立即冷凝到AM部件上，在部件的外表面上形成均匀的残留物和均匀的液态溶剂薄膜。可选的，可打开第二控制阀V₂以使处理室108暴露于溶剂计量/加热系统104，从而暴露于另外的溶剂以控制所需的冷凝速率。

冷凝的液体溶剂膜在AM部件上维持预定部件的暴露时间PET₁，其范围可以为用于尼龙12部件的约5秒至用于TPU型部件的约10分钟。如图3所示，预定部件曝露时间PET₁确定部件的最终表面粗糙度并且可以控制为约1.5μm。

当达到正在处理的部件的预定部件曝露时间PET₁时，真空泵110(在步骤S224中)将大约10-200mbar的负压VP₂施加到处理室108中，持续预定时间VT₂。向处理室108重新施加负压增加了蒸汽压力，以使冷凝的溶剂从液态返回到蒸汽态。

在步骤S226中，打开第四控制阀V₄，并且处理室108通过真空泵110与大气相通，并且溶剂蒸汽从处理过的AM部件的表面和处理室108本身完全除去。外部大气歧管和加热器泵上有碳过滤器，以确保溶剂蒸汽不会释放到大气中。部件表面上没有残留蒸汽，没有残留痕迹，部件的后处理立即停止。这不仅可以确保过程得到完全控制，而且一些应用，例如医疗或牙科设备，要求部件完全清洁并且能够安全使用，并且还要具有特别准确的表面粗糙度，如果由于部件表面上残留的溶剂残留物而导致部件的进一步处理，则无法达到特别准确的表面粗糙度。

溶剂传感器SS₁位于处理室108中以检测其中溶剂蒸汽的存在，并向控制器118发送处理室108中是否存在溶剂的信号。在步骤S228中，重复提取/干燥步骤，直到通过溶剂传感器SS₁检测到处理室108内没有溶剂(挥发性有机化合物-VOCs)。

从处理室108中提取的溶剂蒸汽可以通过溶剂回收单元112传递，其由珀尔帖模块热泵系统(Peltier module heat pump system)等或类似的组成。溶剂蒸汽在溶剂回收系统112中以预定温度CT1冷凝穿过珀尔帖热泵系统，冷凝液体(考虑到加热的环境空气在步骤S222被引入处理室中的溶剂和水)被收集在溶剂回收系统112底部的液体收集器中。然后在高于溶剂沸腾温度但低于水的沸腾温度(即100℃)的温度HCT1下，将液体(含有溶剂和水)通过加热器线圈蒸馏。这使溶剂蒸发，同时保持水为液相。然后将再蒸发的溶剂通过珀尔帖热泵送回，从蒸汽冷凝成液体。水在废水容器122中回收。或者，可以使用分子筛从系统中除去水。然后通过第五控制阀V₅将回收的溶剂返回到溶剂计量/加热系统104。因此，装置100形成闭环。在经由分流阀V₅回收和送到溶剂盒102的用过的溶剂室中以便安全处理之前，溶剂大约用于一百次操作或直到达到最大处理表面积，以较早者为准。在盒102达到使用寿命并且需要更换之前，电子芯片102a(电子芯片102a配置成使用传感器Nc监视溶剂循环通过盒的频率)将自动与控制器118通信，使得自动或手动安排新盒进行输送。移除用过的盒，插入含有“新鲜”溶剂的新盒，用于下一步操作。来自蒸馏的水产物被引到废水容器122，以便由操作者安全地收集和处理。废水容器122包括水位传感器WL1(未示出)，以指示容器何时需要清空或更换。

在步骤S230中，响应于指示处理室108中没有残留溶剂蒸汽的信号SS₁，控制器118使真空泵110停止工作并关闭第四阀V₄。处理程序结束，并通过听觉和/或视觉指示通知操作员。

在步骤S232中，打开装置100的通道门从处理室108取回后处理的AM聚合物部件。根据需要重复该过程。

如图1e所示，测试试样114b(如狗骨标本)由与正在加工的AM部件相同的AM工艺和材料制成，其位于控制室114中，该控制室114不是真空的，因此可能从周围大气中吸收水分。在后处理期间，使测试试样与溶剂蒸气一起经受与正在处理的AM部件相同的溶剂暴露时间PET1，并且通过合适的装置(例如称重传感器114c)连续监测测试试样的重量。随着表面粗糙度的提高，重量增加。已经量化了这种关系，并且已知质量增加(可以高达8％)是由于表面层中的水吸收而不是溶剂的吸收。将根据CAD数据(在真空下并且没有吸水)计算的原始部件重量与真空室外的测试试样(不在真空下并且吸收了水分)进行比较。为了提供准确的反馈，测试样品需要与被平滑部件相同的表面积与体积比。

溶剂暴露时间PET1与样品重量增加之间的函数关系用于计算实际获得的表面粗糙度。为了确保控制室114和处理室108之间的关系处于校准状态，通过实验反馈得出它们之间的相关性，结果来自对每种类型材料的已知样品量和表面光洁度进行迭代测试。或者，可以在控制室114中的样品部件上使用诸如激光测量和/或白光干涉仪或激光扫描共聚焦显微镜的非接触式光学方法，以实时确定表面粗糙度变化。以这种方式，可以连续地评估AM部件是否在处理室108中被平滑并且确保部件已经被处理成具有正确的表面粗糙度。如果尚未达到所需的表面粗糙度，则使用来自控制室114中的称重传感器数据(或直接非接触表面粗糙度测量)的反馈，可以实时调整处理参数，并且处理室108中的AM部件将被再次自动处理，直到达到所需的表面粗糙度。

在该过程结束时打开阀门V3a(如图1e所示)，让控制室114暴露于处理室108中的真空中，从而安全地排出溶剂蒸汽并除去位于其中的样品表面上的溶剂。

就这样，在对AM部件进行后处理的同时使用重力传感器自动测量测试试样的重量增加，准确控制所加工AM部件的溶剂暴露量(体积和时间)，进而控制部件平滑所需的程度，以达到理想的表面光洁度。此外，测试试样中的重量增加与AM部件的表面光洁度之间的关系将创建为所生成的数据集的一部分，控制器118配置为使用此反馈，并随着时间的推移学习响应零件材料、几何结构、表面积和/或溶剂类型获得所需表面光洁度所需的参数。这还能够以闭合反馈回路的形式实时验证结果和过程。

对于每个操作，控制器118监视并记录图4至6的表中列出的所有操作变量，并将它们上传到存储在网络服务器120或其它类似物的读/写数据库中。

现在将描述根据本发明某些实施例的另一个例子。如图7所示，用于后处理AM部件的装置400包括可移除的储液器402、溶剂计量和加热系统404、溶剂分配系统406、AM部件处理室408、真空泵410和溶剂回收系统412。

溶剂计量和加热系统404包括蠕动泵405和阀407，以通过溶剂分配系统406选择性地将预定量/剂量的溶剂从储液器402输送到处理室408。溶剂计量和加热系统404进一步包括溶剂流量计409和加热板或线圈形式的加热元件411。热电偶413配置在加热元件411处以监测其温度ST1。

溶剂分配系统406确保溶剂蒸汽均匀地分布在处理室408中。它由至少一个分配通道组成，该分配通道具有位于处理室408内的孔，优选位于处理室408的中央的孔。适当地，大约每30升有效处理室容积设置一个孔。对于体积大于30升的处理室，需要更多的孔以确保位于室内不同位置的聚合物组分的工艺条件相同。例如，处理室408的有效容积约90升，将需要至少三个孔，使溶剂蒸汽分散到室中。

在溶剂计量和加热系统404内，蠕动泵405和阀407之间，可以有另一个阀471，以用于从机器400中提取出液体溶剂样品用于测试目的。

处理室408包括可移除盖415和部件支撑系统417，部件支撑系统417用于支撑待后处理的一个或多个AM部件，例如支架、挂钩、框架等。处理室408的内壁可通过合适的加热元件适当地加热，设置有热电偶451以监测其温度CT1。盖子415也可以通过合适的加热元件适当地加热，设置有热电偶421以监测其温度。设置有用于监测处理室408内的压力的压力传感器423以及用于监测室中温度的温度传感器(例如另一个热电偶419)。还提供开关/传感器425以用于检测盖子相对于处理室的状态，即打开或关闭。在装置的内部和外部提供热电偶453、455等用于监测内部和外部环境温度，还提供湿度传感器457以监测环境湿度。

一对控制阀427a和427b设置在处理室408和活性炭过滤器堆栈416之间，用于使设备(特别是处理室408)选择性地与大气连通。其中一个阀允许较小的通风口与大气相通，而另一个阀允许较大的通风口，例如整个阀门。

第二阀429位于处理室408和真空泵410之间，用于从处理室408中选择性地回收溶剂。还提供泵热电偶459、461、463，用于监测泵体的温度及其入口和出口的温度。冷凝阀431设置在真空泵410和溶剂回收系统412之间，用于维护目的地隔离真空泵。冷凝器热电偶465、467设置在溶剂回收系统412的入口和出口处，并且在冷凝器内部。还提供压力传感器469用于监测冷凝器内的压力。

在溶剂回收系统412和溶剂储液器402之间提供第二蠕动泵433，用于将回收的溶剂从溶剂回收系统412返回到储液器402中。在第二蠕动泵433和溶剂回收系统412之间提供另一个控制阀435，在泵433的下游设置用过的溶剂流量计437。为了测试目的，在冷凝器412和储液器402之间提供另一个阀473，用于提取回收溶剂的样品。

冷凝器空气阀439设置在溶剂回收系统412和过滤器堆栈416之间。此外，冷却空气阀441设置在溶剂回收系统416和处理室408之间。

可选地，另外的控制阀(未示出)可以位于溶剂计量和加热系统404与处理室408之间。在这种情况下，溶剂计量和加热系统404将充当一个高压容器，能够在将溶剂释放到处理室之前将液相或汽相中的溶剂预热到特定温度。

装置400还包括具有用户界面的控制器418，例如，触摸屏显示器，以允许操作者输入与要进行后处理的AM部件相关联的预定参数，如下面将进一步描述的。操作员可以使用存储在计算设备463(如平板电脑或移动电话)上的应用程序，在设备上或通过有线或无线的远程连接与控制器进行交互。控制器418通过诸如Raspberry Pi^TM或其他开源或闭源系统的计算机系统电连接到装置400的可控部件；连接到装置400的系统和传感器，以允许控制器自动地和选择性地控制该装置，同时还在后处理操作期间接收反馈信号，如下面进一步描述的。控制器还配置成在使用设备时记录设备环境操作条件，即环境温度和湿度。控制器适当地连接到紧急停止开关/按钮(信号EM1-参见图10的表格)，以便在需要时立即停止机器。还可以配置传感器(信号AP1)，用于在操作期间移除维护检修面板的情况下停止装置400。控制器418还可以与数据存储介质(例如基于云的数据库)进行读/写通信，以允许访问和/或存储操作参数、程序和数据。

仅出于说明的目的，在后处理操作期间液态溶剂的流动由图7中的点划线表示，并且蒸汽状态的溶剂(或空气)的流动由图7中的比较粗的实线表示。

图8示出了根据本发明某些实施例使用如图7所示的装置400对AM部件进行后处理的方法的步骤的流程图。

如步骤S402所示，选择包含合适溶剂的“预包装”且密封的储液器402，并通过诸如快速释放机构等的合适连接将其可拆卸地连接到装置400。如图7所示，溶剂储液器402包括两个隔室420、422，一个用于装原始溶剂，另一个用于装使用过/回收的溶剂。水平传感器443感测原始溶剂隔室中的原始溶剂水平线，水平传感器445感测使用过的溶剂隔室中使用过的溶剂水平线。原始溶剂隔室420至少具有一个出口，使用过的溶剂隔室至少具有一个用于将使用过的溶剂返回到盒的入口，如下面进一步描述的。盒402包括闭源电子芯片，其与控制器418通信以允许可操作地发送传感器信号到控制器418上。盒402还可以包括快速释放耦合手柄机构，用于在连接到装置和从装置移除时握持盒子。手柄机构可以连接到连接机构，使得手柄机构启动快速连接/释放耦合机构，以快速且容易地将盒连接到装置/从装置移除。可以提供传感器以通过控制器418确认盒已正确定位并连接到装置。

合适的溶剂包括质子极性溶剂和非质子极性溶剂，例如但不限于1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)、二甲基甲酰胺、硫酸、间甲酚、甲酸、三氟乙酸和苯甲醇。适当地，可以使用有强氢键性质的溶剂。该性质允许溶剂处理作为氢键受体的物质，例如Nylons^TM(聚酰胺)。

在步骤S404，将至少一个AM聚合物部件经由通道盖415放置在处理室408中，并且放置在位于室中的部件钩挂结构417上。支撑结构417配置成确保部件完全暴露于引入室的溶剂。关闭通道盖415，使室408密封。处理室门传感器425指示已关闭盖并且使处理室密封。控制器418检测来自指示盖已关闭的盖传感器425的相应信号L1(参见图10的表)。

适当地，通过控制器418的用户界面，或根据密封室408和/或其中的部件的自动响应，控制器418运行系统检查，以确保装置400处于“空挡”状态，并准备后处理AM部件。空挡状态检查确保所有控制阀处于正确位置，溶剂盒包含足够量的原始溶剂并且已正确连接到装置，并且牢固地关闭处理室门/盖。

在S406中，用户把要待后处理的AM部件有关的信息输入到控制器418中。该信息包括但不限于在处理室内的材料、表面积、体积、几何形状、复杂性和/或方向/位置。部件材料可选自非详尽的材料清单，包括尼龙12(PA220 Duraform^TM PA)、尼龙11(Duraform^TM EXNatural，Duraform^TM EX Black)、热塑性聚氨酯(TPU)、TPE-210弹性体材料、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯(ASA)等。可以使用根据本发明某些实施例的装置和方法加工的其它聚合物，包括聚酰胺6、聚酰胺11、聚酰胺12、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、乙丙橡胶(EDPM)、丁腈橡胶(NBR)、热塑性弹性体(TPE)、ULTEM^TM 9085，ULTEM^TM 1010等。从预先存储的材料列表中选择部件材料确保工艺的可重复性和再现性。

在S408中，通过控制器418的用户界面，用户选择所需的表面光洁度，例如平滑度/粗糙度，与步骤S406的输入参数一起，确定由控制器选择和运行所需的处理程序(参见图11的表)。表面粗糙度可以选自约1.0μm至“如打印的”表面粗糙度(即没有平滑)的范围。或者，可根据光洁度说明(例如，哑光或光泽度)和/或显示在用户界面或移动计算设备的显示器上的可视示例选择表面光洁度。

在步骤S410中，控制器418根据所选择的部件材料和期望的表面粗糙度来选择处理程序，然后执行该处理程序。处理程序根据均衡处理特定材料所需的能量等级进行定义(参见图11的表，以及图13和14的图)，如下所述。待均衡的能量取决于溶剂、材料、所需的光滑度、以及材料和溶剂之间所需的温差。温差越大，待均衡的能量越高。例如，对于聚酰胺12，待均衡的最小能量应为：E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H＝k×(21-15)/21＝0.3k，而对于热塑性聚氨酯(TPU)至少为：E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H＝k×[39-(-20)]/39＝1.5k，其中k是表示不同聚合物的传热的系数，T_H是HFIP蒸汽的温度，T_M是待处理的聚合物的温度。较高的值将导致不同程度的表面处理，当与处理时间相结合时，可以产生不同程度的表面光洁度(参见图12，在图12的表中，Eq等级相对地描述为每种材料的“低”和“高”，即对于TPU来说Eq是“低”的，对于聚酰胺12而言Eq是“高”的，而对于聚酰胺12而言“低”的Eq将不适合于处理TPU)。T_M值由申请人得出，如图11所示。T_H值取决于申请人得出的工艺条件，如图11中所示，并根据特定溶剂的压力-温度图相应地导出(例如，图15的HFIP溶剂)。

在步骤S412中，真空泵410用于降低处理室408内的压力，并且室壁加热器403将室的内壁预热到预定温度。处理室408的压力和温度是基于待处理的AM聚合物部件(参见图11的表)。图13和14分别显示了聚酰胺12和热塑性聚氨酯的溶剂特异性热力学关系。

在步骤S414中，溶剂计量和加热系统404的溶剂计量阀407由控制器418打开，使用溶剂计量泵405以可控的溶剂泵计量速度SDs(见图10的表)将预定量/剂量的溶剂(见图11的表)从储液器402转移到溶剂计量/加热系统404内的加热元件411。根据所用溶剂的类型、处理室108的体积、部件的表面积和部件的材料计算溶剂量(参见图11的表)。例如，如果处理室408填充有总表面积为1000cm²的聚酰胺12成分，那么所需的HFIP溶剂的量将为0.08ml/cm²×1000cm²＝80ml(参见图11的表中的对于HFIP溶剂的数量乘数，其将根据所用溶剂的类型而变化)。

在步骤416中，然后将溶剂计量/加热系统404内的溶剂加热(提供能量)至预定温度St1(参见图10的表)。提供给溶剂的能量(热量)取决于该工艺的热力学条件，而该热力学条件又取决于待处理的聚合物的类型(参见图10和11的表格)。如图13、14、15和17中所说明的，溶剂必须遵循特定的热力学路径并在特定条件下在聚合物上冷凝以使进行处理聚合物的表面。溶剂计量/加热系统404中的溶剂温度St1可以在室温和100℃之间，这取决于用于待处理的AM部件的溶剂类型(参见图9，显示HFIP溶剂的热力学图)。某些溶剂可能不需要加热。结果，溶剂变成蒸汽状态并经由溶剂分配系统406输送到处理室408中。

溶剂分配系统406包括至少一个分配通道，该分配通道具有至少一个孔，该孔优选位于室的中央，以确保在其中均匀和快速地引入溶剂蒸汽。如上所述，位于室里的孔的数量取决于室的尺寸，室越大需要的孔越多，以确保溶剂蒸汽均匀地覆盖位于室中的所有聚合物部件。申请人认为，一个位于中心的孔足以使溶剂蒸汽均匀地分布在体积约为30升的处理室中。

或者，盒402本身可以通过单独的或整体的加热装置加热，例如设置在盒中的电加热元件，将其中的溶剂温度升高到预定温度St1。在这样的实施例中，可以不需要溶剂计量/加热系统404，并且可以通过溶剂分配系统406将溶剂直接从盒中引入处理室408中。

另一种替代方案可以是压力膨胀型装置，其中溶剂计量/加热系统404通过阀与储液器402和处理室408隔离开。在这种情况下，溶剂计量/加热系统404变成将溶剂加热达到蒸汽状态的高压容器，然后蒸汽过热并进一步具有能量，进而增加溶剂计量/加热系统404内的压力。然后打开分离溶剂计量/加热系统404和处理室408的阀，具有过热蒸汽的溶剂计量/加热系统404和处理室408之间的压差驱使蒸汽到处理室408中。

结果，该装置允许实现预热溶剂蒸汽与处理室108中的较高或较低压力的组合。AM聚合物材料的温度也可以通过冷空气等预冷却来选择性地控制，例如，从冷凝器/溶剂回收系统412和通过位于两者之间的控制阀441传递到处理室408。这反过来允许在不同的AM聚合物部件的溶剂蒸汽和AM聚合物部件之间实现各种能级差异(即温度梯度)，如图16a和16b所示。这些图说明了通过控制待均衡的可用能量E_q来产生各种等级的表面平滑度的过程：当a)通过提高溶剂蒸气的温度T_H和降低待处理的AM聚合物部件的温度T_M而将E_q设定得相对较高时；b)当E_q设定得相对较低时。在E_q相对较高的情况下，更多的溶剂将在部件的表面上快速冷凝，这将导致在材料表面上更多的溶剂溶解并因此使表面更光滑。相比之下，当E_q相对较低时，将会有较少的溶剂在材料表面上凝结，这将导致溶解的溶剂较少和得到的表面较不光滑。

在将溶剂蒸汽引入处理室408后，位于其中的AM部件被溶剂蒸汽完全包围。剂量由溶剂计量/加热系统404控制，并根据特定AM聚合物部分的处理要求和/或完全饱和蒸汽相所需的溶剂量来确定。在后一种情况下，这取决于特定溶剂相对于蒸汽相和液相的温度和压力的汽-液平衡(例如，参见图15的HFIP汽液图)。

在步骤418中，溶剂开始在位于处理室408中的AM聚合物部件上冷凝。由于压力和/或温度条件和所得到的蒸汽过饱和而触发冷凝，其中所得到的蒸汽过饱和由特定溶剂的汽-液平衡线控制(见图15)。这通过各种方法操纵：使用室加热器403降低处理室408内的温度；通过溶剂计量/加热系统404或打开排气阀427a、b将更多的溶剂蒸汽引入处理室408来增加压力(参见图13,14和17)。图17示出了控制处理室408中和AM部件上的溶剂的压力和温度的处理效果。

例如，蒸汽状态的HFIP溶剂足够快地在聚合物部件上冷凝，以在表面上形成边界层。图18a示出了由于孔的毛细管压力而使冷凝的溶剂液滴吸收到多孔聚合物基质中，这是在标准条件下使用常规方法时不希望发生的；图18b示出了冷凝溶剂液滴快速积聚在多孔聚合物表面上，比吸收更快，这可以根据本发明的某些实施例实现。

在此阶段，聚合物部件的上层中的颗粒溶解并重新分布以形成光滑表面(参见图16a和16b)。每单位时间的冷凝溶剂的量取决于聚合物和溶剂蒸汽之间待均衡的能量等级E_q。每单位时间冷凝更多的溶剂将导致聚合物部件外层更大的溶解，因此表面更光滑；相反，表面上较少量的溶剂冷凝会使表面的溶解较少，这反过来意味着较不光滑的表面光洁度。处理室408中用于待均衡E_q的最佳能量的热力学条件由申请人推导出并且根据不同的聚合物而变化(参见图11和12的表以及图13和14的图表)。

还可以使用用于惰性气体的附加存储室来增加压力或添加冷却空气来降低温度通过惰性气体的增加从而触发冷凝。为了避免处理室408内壁上的冷凝，要将这些壁的温度控制在恰好高于溶剂冷凝线的温度(参见图15和17)。结果，溶剂蒸汽预期地仅在AM聚合物部件上冷凝。

在AM部件上保持冷凝的液体溶剂膜预定的部件暴露时间PET₁，其范围可以大约从用于尼龙12部件的5秒到用于TPU型部件的10分钟(参见图12的表)。预定部件曝光时间PET₁和待均衡能量的等级E_q决定部件的最终表面粗糙度并且可以控制在约1.0μm(参见图12和图16a、b的表)。

处理室408的其余部分保持在溶剂的冷凝点之上，以确保溶剂仅在部件上冷凝。例如，图13和14分别代表聚酰胺12(尼龙12)和TPU材料在处理室内的压力-温度处理的过程。

在步骤420中，一旦达到正在处理的部件的预定部件曝露时间PET₁，就完成了部件的平滑处理。在图12的表格中可以看到根据本发明的某些实施例实现各种等级的表面光洁度所需的时间。图3示出了根据本发明的某些实施例的表面粗糙度和曝露时间之间的关系。

然后，真空泵410将约10-200mbar的负压VP1施加到处理室408并持续预定时间VT1。向处理室108重新施加负压增加了蒸汽压力，以使冷凝的溶剂从液态返回到蒸汽态。这样做是为了干燥处理过的部件并回收多余的溶剂(见图19a、b)。

在步骤S422中，打开真空泵410和溶剂回收系统412之间的阀429，并通过溶剂回收系统412将处理室408中的溶剂蒸汽完全除去，其中溶剂以液体形式被收集并通过蠕动泵433被转移到储液器402的回收溶剂隔室422。溶剂回收系统412可包括具有至少一个柱形物的冷凝器等。

装置400因此形成闭环。用于安全目的，在回收并送至储液器402的使用/回收溶剂隔室422前，使用溶剂直至达到最大处理表面积。在储液器402达到其使用寿命并且需要更换之前，配置成监视溶剂通过储液器的循环频率的电子芯片将自动与控制器418通信，使得自动或手动地安排新的储液器以用于运输。移除使用过的储液器并插入含有“新鲜”溶剂的新储液器以用于下一操作。

碳过滤器416置于外部大气歧管上以确保没有溶剂蒸汽释放到大气中。部件表面上没有残留蒸汽，没有残留痕迹，并且依次立即停止部件的后处理。这不仅可以确保过程得到完全控制，而且一些应用()例如医疗或牙科设备)要求部件完全清洁和能够安全使用，并且还要具有特别准确的表面粗糙度，如果由于部件表面上残留的溶剂残留物而导致部件需要进一步加工，则无法达到特别准确的表面粗糙度。

溶剂传感器(未示出)可位于处理室408内以检测其中溶剂蒸汽的存在，并向控制器418发送信号，指示处理室408内是否存在溶剂。在步骤S424中，重复提取/干燥的步骤直到溶剂传感器SS1检测到处理室408内没有溶剂(挥发性有机化合物-VOCs)。

在步骤S426中，为响应于SS1信号显示处理室408内没有溶剂蒸汽残留，控制器418停止真空泵410并关闭处理室408和真空泵410之间的阀429。处理程序结束并且通过听觉和/或视觉指示通知操作员。

在步骤S428中，可以打开设备400的通道门/盖415以从处理室408中取回经后处理的AM聚合物部件。根据需要重复该过程。

对于每个操作，控制器418监视并记录图9和10的表中指示的所有操作变量，并将它们上传到存储在网络服务器120等上的读/写数据库中。

在使用中，选择一组定义操作参数之间各种关系的预定算法，并用于根据AM部件的材料、体积、表面积、几何结构和所需表面光洁度来控制其后处理，如上所述。

现在根据本发明的某些实施例描述一个示例。将关于待后处理的AM部件的信息加载到控制器118、418中，其中已知以下参数：

每个部件的体积：V_p

每个部件的表面积：A_p

每个部件的最大高度、宽度和长度——计算“边界框”体积：V_b-L、W、H

由这些参数计算出以下值:

部件体积比

部件的体积＝V_p

边界框的体积＝V_b

面积比

T_min——部件的最小厚度

T_max——部件的最大厚度

复杂因子C_F计算如下：

C_F＝C_TR+C_AR+0.1C_PR

所需的表面粗糙度与部件材料类型一起输入控制器。控制器根据图3所示的表面粗糙度和时间之间的关系计算所需的部件曝露时间PET1。

例如，对于尼龙12，这种关系为因此，为了获得5微米的特定表面粗糙度，过程PET1计算如下：

然后将其乘以复杂因子C_F以得到PET1。对于中等复杂部件的处理，C_F值约为2.1，总处理时间为7.8秒。

总的来说，该过程可由相应的能量级E_q来描述，其值由申请人推导，并在图12中提供。

根据AM聚合物材料类型，在HFIP T_H和聚合物材料T_M之间待均衡的最大能量E_q可以从等式E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H得出，其中k是表示不同聚合物的传热的系数，T_H是HFIP蒸汽的温度，T_M是待处理的聚合物的温度。相对较高的E_q导致溶剂蒸汽在AM聚合物部件上快速冷凝并且具有有光泽的表面光洁度，而相对低的E_q导致较慢的冷凝速度和无光泽的表面光洁度(参见图16a、b)。控制器使用预定算法来自动控制自动化处理的关键变量，以实现用户所需的表面光洁度。

已经表明，根据本发明某些实施例的具有高约400mm、深约400mm和宽约600mm的处理室408的装置能够在约20秒内批量处理尺寸约为31×31×53mm的AM聚合物部件，因此，在大约12分钟内处理约50个部件，这比用传统的用于后处理AM聚合物部件的手动方法快100倍。

作为另一个例子，根据本发明某些实施例的后处理方法包括使用正压或负压选择性地将预定量的1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)溶剂释放到处理室中。所需的HFIP溶剂的量取决于待处理的AM聚合物部件的类型和数量。该方法包括提供溶剂预定量的能量量并将其加热到特定温度，这使得溶剂在进入处理室之前被蒸发。根据本发明某些实施例的装置和方法配置成在AM聚合物部件和HFIP溶剂之间产生能量(热)电势：溶剂具有特定量的能量并被蒸发，而可以将AM聚合物部件预冷却到特定温度，以使溶剂蒸汽和AM聚合物部件之间存在能量差(熵)。液态HFIP变成蒸汽，然后迅速冷凝在聚合物材料的表面上。由于溶剂蒸汽和AM聚合物部件之间的能量差异，聚合物材料的速度不足以吸收其基质内的溶剂冷凝物液滴，而是溶剂冷凝物液滴积聚在聚合物的上层。在此阶段，上层中的聚合物颗粒被溶解并重新分布以形成平滑的边界层。结果，材料颗粒聚结并且令上层密封，防止溶剂更深地侵入/吸收聚合物基质。对于不同的AM聚合物，在部件表面上产生足够的冷凝物的热力学能量条件是不同的。这种颗粒表面密封效果又可以在水密封应用中具有进一步的应用。与标准条件下的冷凝相比，冷凝速度适当增加，以确保聚合物表面得到处理。其缘由是导致了冷凝液滴的逐渐吸收的聚合物表面的多孔结构，，例如海绵的吸水行为。对于弹性体如热塑性聚氨酯(TPU)尤其如此。由于这种是吸附的现象而不是聚集在聚合物表面上的现象，溶剂通常会在聚合物基质中被吸收。然而，通过提高冷凝速度，多孔聚合物不能足够快地吸收冷凝液滴，结果冷凝液滴积聚在聚合物表面上而不是被吸收，这反而溶解和平滑了AM聚合物部件的表面。在封闭系统(处理室)中，必须增加在该过程中待均衡的能量的有效性，即减小系统的熵。这反过来又提高了冷凝速度。在HFIP T_H和聚合物材料T_M之间待均衡的最大能量E_q可以从等式E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H得出，其中k是表示不同聚合物的传热的系数，T_H是HFIP蒸汽的温度，T_M是待处理聚合物的温度。为了获得系统中所需的平衡能量等级，使用内置加热系统来增加HFIP的温度，而可以使用内置或外部鼓风冷冻系统来冷却聚合物材料。还可以控制室内的压力来实现待均衡的能量的所需差异。对于待处理的不同聚合物，存在能量平衡的阈值等级。例如，对于聚酰胺12，待均衡的最小能量应至少为：E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H＝k×([(-1)×21]-25)/21＝0.2k。而对于热塑性聚氨酯，至少为：E_q＝k×(T_H-T_M)/T_H＝k×[39-(-20)]/39＝1.5k。T_M值由申请人得出，如图11所示。T_H值取决于申请人得出的工艺条件，如图11中所列，并且相应地从特定溶剂的压力-温度图得出(例如，图15的HFIP溶剂)。处理室壁适当地保持在HFIP冷凝条件之上，以确保冷凝优先发生在聚合物部件上，而不是处理室本身。一旦处理完成，HFIP被转换回气相以将其从聚合物中除去。施加真空以帮助从已处理的聚合物中除去残留溶剂。通过快速冷凝过程使进入聚合物材料基质的HFIP的量最低。因此，上表面中的聚合物颗粒聚结并用作密封边界层。在处理的最后阶段，打开通风口并调节室的温度和压力以确保回收聚合物基质内的所有残余溶剂(参见图22和23)。图22说明了经处理的的聚合物材料的热重分析结果，表明残留的HFIP的存在和及回收残留的HFIP的温度。图23示出了色谱图，显示了从处理过的聚合物中回收HFIP的效率。灰色实线表示未经过溶剂去除程序处理的聚合物中剩余的HFIP量，而黑色实线表示经过溶剂去除程序处理的聚合物样品中剩余的HFIP量。黑色虚线用于参考，并显示未处理的聚合物样品中剩余的HFIP量。这确保了AM聚合物部件中没有增加不需要的重量或残留的化学物质。进行热重分析和色谱实验是为了找到回收残留溶剂最有效的处理室温度-真空参数组合(参见图24的表)。

因此，提供了使用1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)冷凝物通过操纵热力学系统和HFIP和聚合物的能量等级来处理增材制造的(AM)聚合物的表面。根据本发明某些实施例的装置配置成操纵热力学系统并为待平滑的AM聚合物创造有利的能量条件。该装置和工艺方法配置为处理通过增材制造方法(例如3D打印)制造的几种聚合物部件的表面。与未处理的表面相比，经处理的聚合物的表面变得更光滑，由其是可以用本文所述的一组预定参数来控制平滑度。HFIP冷凝物对聚合物材料的表面进行快速处理，这通过使HFIP和聚合物之间的待均衡的能量(熵)最大化来实现，即在冷却聚合物材料的同时加热HFIP。根据本发明的某些实施例，提供了一种HFIP的新用途，即通过控制HFIP与聚合物材料之间的可用平衡能量，在聚合物上通过HFIP冷凝处理聚合物的表面，特别是TPU的表面。

根据本发明某些实施例所述的装置配置为处理由3D打印/增材制造工艺制成的任何聚合物部件。例如，该设备能够处理由多个聚合物组产生的部件，例如尼龙12(PA220Duraform^TMPA)、尼龙11(Duraform^TMEX Natural，Duraform^TMEX Black)、热塑性聚氨酯(TPU)和TPE-210弹性体材料等。此外，该装置能够处理其他聚合物材料，例如ABS。通过熔融沉积成型(FDM)、激光烧结(LS)、高速烧结(HSS)以及多喷射熔合制成的AM部件可以使用根据本发明某些实施例所述的设备和方法来完成。

根据本发明所述的加工方法可以理想地密封多孔材料的表面，例如TPU和聚酰胺12，这在AM部件用于水密封应用或材料的水密性特别重要的情况下是有利的(见图20a和20b)。这种颗粒表面密封效果又可以在水密封应用中具有进一步的应用。根据本发明所述的处理方法还可以理想地提高AM聚合物部件的拉伸强度。

根据本发明某些实施例所述的加工方法的控制干燥的步骤，有利地避免了由于在部件表面上存在未蒸发的溶剂而导致AM部件的继续加工。

使用预先包装和可互换的溶剂储液器/盒消除了例如在通风橱中处理溶剂的需要。如上所述的闭环系统允许回收溶剂，能够最小化盒的总溶剂消耗，从而降低操作成本以及溶剂产生和处置等方面的环境影响。

尽管这里已经参考“静态”处理室描述了根据本发明某些实施例的装置和方法，但是本发明可以实现为“动态”传送器类系统的一部分，该系统通过3D打印设备和自动检查/监控系统移动AM部件。

本发明的某些实施例所述的装置和方法的应用范围很广，并且可适用于处理任何需要达到美学和/或功能目的所需处理的AM部件，例如鞋类、汽车内饰/装饰组件、和牙科/医疗设备等。

Claims

1.用于后处理增材制造聚合物部件的装置，包括：

储液器，所述储液器用于容纳液体溶剂；

处理室，所述处理室与储液器可控地流体连通；

控制器，所述控制器配置为：响应于与该部件相关联的至少一个参数，通过溶剂可控地后处理位于处理室中的增材制造聚合物部件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个参数包括所述部件的材料、所述部件的所需表面粗糙度和/或所述部件的几何特性，所述几何特性包括表面积、体积、尺寸和/或部件的复杂性。

3.根据前述任一项权利要求所述的装置，还包括真空泵，所述真空泵可由所述控制器可操作地控制并且配置为将负压施加到所述处理室的内部。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述控制器配置为选择性地操作所述真空泵一预定时间以向所述处理室中施加负压。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述负压约为10-400mbar。

6.根据权利要求3到5中任一项所述的装置，还包括溶剂输送阀，所述溶剂输送阀可由控制器可操作地控制，以允许通过施加在处理室中的负压选择性地将预定量的溶剂引入处理室。

7.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中所述装置还包括溶剂输送系统，该溶剂输送系统位于所述处理室的上游，并且由所述控制器可操作地控制，以选择性地从所述储液器接收溶剂并将预定量的溶剂引入所述处理室。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述溶剂输送系统包括泵和计量阀，用于将预定量的溶剂可控地输送到处理室中。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述溶剂输送系统还包括加热元件，所述加热元件配置为将所述预定量的溶剂可控地加热到预定的溶剂温度。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述预定的溶剂温度使溶剂蒸发。

11.根据前述任一项权利要求所述的装置，其中通过溶剂分配系统将溶剂引入处理室。

12.根据权利要求11所述的装置，所述溶剂分配系统包括至少一个喷嘴，以用于可控的将溶剂蒸汽分配到处理室中。

13.根据前述任一项权利要求所述的装置，还包括加热器，用于将处理室内部可控地加热到预定的室温。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述加热器包括加热元件，所述加热元件配置为可控地加热所述处理室的至少一个内表面。

15.根据前述任一项权利要求所述的装置，还包括冷却器，用于可控地冷却位于处理室中的AM部件。

16.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其中所述控制器配置为在经过预定的处理时间之后选择性地操作所述真空泵达另一预定时间以在所述处理室中重新施加负压。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，基于所述至少一个参数，所述处理时间在大约5秒到大约120分钟之间。

18.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其中，所述真空泵还配置为：当再次施加负压以从所述处理室和位于其中的部件提取溶剂蒸汽时，选择性地将所述处理室连通到大气。

19.根据权利要求18所述的装置，其中所述装置还包括溶剂回收系统，以用于从处理室回收用过的溶剂。

20.根据权利要求19所述的装置，其中溶剂回收系统包括冷凝器以将溶剂与空气分离。

21.根据权利要求19或20所述的装置，其中所述溶剂回收系统与所述储液器和/或所述溶剂输送系统流体地连接，使得回收的用过的溶剂可以返回到其中。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述储液器包括用于原始溶剂的第一隔室和用于回收的溶剂的另一隔室。

23.如前述任一项权利要求所述的装置，还包括用户界面，以供用户输入待处理部件的材料和所需的表面粗糙度，其中，控制器还配置为至少基于材料和所需的表面粗糙度执行处理程序。

24.一种后处理增材制造的聚合物部件的方法，包括：

将增材制造的聚合物部件定位在处理室中；和

响应于与所述部件相关的至少一个参数，通过可控制地引入处理室的溶剂可控制地对部件进行后处理。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述至少一个参数包括所述部件的材料、所述部件的所需的表面粗糙度和/或所述部件的几何特性，几何特性包括表面积、体积、尺寸和/或复杂性。

26.根据权利要求24或25所述的方法，还包括选择性地将预定量的溶剂输送到处理室中。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括向所述处理室的内部施加预定时间的负压。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括使用负压选择性地将预定量的溶剂输送到处理室中。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，还包括将预定量的溶剂加热到预定的溶剂温度，以使溶剂在进入处理室之前蒸发。

30.根据权利要求24至29中任一项所述的方法，还包括选择性地将所述处理室的内部加热到预定的室温。

31.根据权利要求30所述的方法，包括加热处理室的至少一个内表面。

32.根据权利要求24至31中任一项所述的方法，还包括在位于处理室中的AM部件与溶剂之间产生势能。

33.根据权利要求32所述的方法，还包括选择性地冷却位于处理室中的AM部件以产生势能并使溶剂蒸汽在AM部件上冷凝。

34.根据权利要求27或28所述的方法，还包括在经过预定的处理时间之后，在处理室中重新施加预定时间的负压。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括当再次施加负压以从处理室和位于其中的部件提取溶剂蒸汽时，选择性地将处理室连通到大气。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括从处理室中回收用过的溶剂。

37.根据权利要求36所述的方法，还包括将回收的用过的溶剂返回到储液器。

38.根据权利要求24至37中任一项所述的方法，还包括通过用户界面输入或选择与所述部件相关联的至少一个参数。

39.根据权利要求24至38中任一项所述的方法，还包括由控制器基于至少一个参数执行处理程序。

40.一种计算机程序，当由计算机执行所述计算机程序时，执行如权利要求24至39中任一项所述的方法。

41.一种溶剂的用途，用于响应于与部件相关的至少一个参数，可控地后处理增材制造的聚合物部件。

42.根据权利要求41所述的用途，其中所述溶剂选自由包括硫酸、间甲酚、甲酸、三氟乙酸、苯甲醇和六氟丙醇(HFIP)组成的组。

43.根据权利要求41或42所述的用途，包括选择性地在AM部件和溶剂之间产生势能。

44.根据权利要求44所述的用途，包括选择性地控制溶剂温度和AM部件温度，其中溶剂温度高于AM部件温度。

45.根据权利要求45所述的用途，包括将溶剂加热到预定的溶剂温度并冷却AM部件以在其间产生所需的温度梯度，以使溶剂蒸汽在AM部件上冷凝预定的处理时间。