CN110494236A - 使用粉末的材料增材制造的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种通过增材制造产生一三维模型的方法，所述方法包括使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块。所述生胚块包括一生胚可用模型。所述固化的非粉末的材料从所述生坯中被移除以从所述生胚块中取出所述生胚可用模型，并通过施加冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)提高所述生胚可用模型的密度。然后烧结所述生胚可用模型以产生一三维模型。

Description

使用粉末的材料增材制造的方法及系统
技术领域
在一些实施例中，本发明涉及增材制造领域，并且更具体地但非排他地涉及用于产生具有一高材料密度的三维打印模型的方法及系统。
背景技术
已知通过连续的粉末的材料层的增材制造来制造固体物体的许多不同方法。一些已知的增材制造技术是基于物体的三维模型选择性地施加液体粘合材料，将粉末状的材料逐层粘合在一起以构建一固体结构。在一些过程中，在构建过程结束时，将物体加热及/或烧结以进一步加强材料的结合。
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)使用激光作为动力源来烧结粉末的材料层。激光经控制以瞄准由一三维模型界定的空间中的多个点，将材料逐层粘合在一起以构建一固体结构。选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)是一种与选择性激光烧结可比的技术，选择性激光熔化包括完全熔化材料而非烧结。通常在粉末的熔化温度均匀时使用选择性激光熔化，例如当纯金属粉末用作建筑材料时。
标题为“模制方法(MOLDING PROCESS)”的美国专利第4,247,508号描述了一种用于逐层形成三维的物品的模制方法，其内容通过引用并入本文。在一个实施例中，材料的平面层依顺沉积。在每一层中，在沉积下一层之前，将其一部分的区域固化，以界定所述层中的所述物品的部分。可以通过使用热及一选定的掩膜或通过使用一经控制的热扫描过程来实现每一层的选择性固化。可对每一层使用一单独的掩模及一热源以取代使用激光来选择性地熔合每一层。将所述掩模放置在其相关层上方，并将一热源放置在所述掩模的上方。通过所述掩模开口的热将融合通过所述掩模的开口暴露的颗粒。未暴露于直接热的颗粒将不会熔化。
标题为“多种用于选择性束烧结的材料系统(MULTIPLE MATERIAL SYSTEMS FORSELECTIVE BEAM SINTERING)”的美国专利第5076869号描述了一种用于选择性地烧结一粉末层以产生包括多个烧结层的一部件的方法及设备，其内容通过引用并入本文。所述设备包括一计算机，所述计算机控制一激光以将所述激光的能量引导到粉末上以产生一烧结块。对于每个横截面，激光束的目标是在一粉末层上扫描，并且打开光束以仅烧结横截面边界内的粉末。施加粉末并烧结连续的层，直到形成一完整的部件。优选地，粉末包括具有不同解离或结合温度的多种材料。优选地，粉末包括混合的或涂覆的材料。
标题为“用于通过选择性烧结进行三维打印的方法及装置(METHOD ANDAPPARATUS FOR 3D PRINTING BY SELECTIVE SINTERING)”的国际专利公开第WO 2015/170330号，其内容通过引用并入本文，公开了一种通过三维打印形成一物体的方法，所述方法包括在一建构盘子上提供一层粉末，在所述层上进行模压，烧结所述层，所述层通过选择性激光烧结或选择性激光熔化而压模，并重复提供，模压及烧结每层直到完成三维物体。所公开的选择性烧结是通过一掩模图案来进行的，所述掩模图案界定了待烧结的层的一部分的一负片。
发明内容
根据本发明的一些实施例的一方面，提供了一种用于后处理通过使用多个粉末层增材制造构建的一粉末压坯的系统及方法。在一些示例性实施例中，铝合金粉末用作构建材料。可选地，可以使用其他材料，例如纯铝、其他金属粉末、陶瓷粉末的材料、聚合物塑料粉末的材料或任何组合的粉末的材料。可选地，在逐层构建过程的终止时，一粉末压坯块的形成包括嵌入其中的一图案，所述图案界定一个或多个生胚物体。根据一些示例性实施例，通过冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)压实粉末压坯。可选地，施加冷等静压以增加一个或多个生坯体的密度，例如，嵌入在压坯(例如压坯块)中的多个生坯物体。冷等静压可以将形成多个生坯物体的材料的密度增加到构建材料的加工密度的约90至97％。剩下的3至10％可能是空气。可选地，冷等静压之前的多个生坯体的一密度可以是构建材料的加工密度的85至90％。
在冷等静压之后，嵌入粉末压坯中的多个生坯物体可以与周围的多个支撑元件分离并且可以被烧结。在一些示例实施例中，可以施加一第二冷等静压工艺以在烧结之前进一步增加多个生坯物体(或一个生坯物体)的密度。可选地，在粉末压坯中的固化的墨水及支撑材料去除之后，将第二冷等静压工艺施加到多个生坯物体上。在一些示例性实施例中，第二冷等静压工艺可使形成物体的材料的密度高于其加工密度的95％并接近100％。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种通过增材制造产生一三维模型的方法，所述方法包括：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式构建一生坯块，所述生坯块包括一生坯可用模型；从所述生坯块中去除所述固化的非粉末的材料，从所述生坯块中取出所述生坯可用模型；通过施加冷等静压来增加所述生坯可用模型的密度；以及烧结所述生坯可用模型以产生一三维模型。
可选地，所述冷等静压施加于所述生胚块，所述生胚块包括所述生胚可用模型。
可选地，在从所述生胚块取出所述生胚可用模型之后，将所述冷等静压施加于所述生胚可用模型。
可选地，将一第一冷等静压施加于所述生胚块，所述生胚块包括所述生胚可用模型，并且在所述生胚可用模型从所述生胚块分离之后将一第二冷等静压施加于所述生胚可用模型。
可选地，所述生胚可用模型是一可用模型的一粉末压坯。
可选地，以所述逐层方式构建所述生坯块的步骤是通过一增材制造系统进行，所述增材制造系统被配置为通过以下方式而构建一层：(1)使用一固化的非粉末的材料打印一图案以追踪所述生胚可用模型的轮廓；(2)在所述图案上分配及涂布一粉末的材料；以及(3)使用所述图案压实粉末层。
可选地，所述粉末的材料选自于一合金粉末、一纯金属粉末、一陶瓷粉末、一聚合物粉末，及其任何的组合物或混合物。
可选地，所述粉末的材料是一铝合金。
可选地，所述固化的非粉末的材料是一固化的墨水，所述固化的墨水选自于多个可光固化的墨水、蜡、多个热固墨水及其任何的组合。
可选地，从所述生坯块去除所述固化的非粉末的材料的步骤是通过加热所述生坯块来熔化、烧或蒸发所述固化的非粉末的材料而进行的。
可选地，所述生胚可用模形是通过移除多个生胚支撑元件而从所述生胚块取出的。
可选地，将所述冷等静压施加到所述生坯块包含将所述生坯块插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并对包含所述生胚块的所述湿袋施加一等静压。
可选地，所述等静压高达2500巴(bar)。
可选地，在将所述生胚可用模型从所述生胚块取出之后而将一冷等静压施加于所述生胚可用模型包含将所述生胚可用模型与一缓冲材料一起插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并对所述湿袋施加一等静压，所述湿袋包含所述生胚可用模型。
可选地，所述等静压在两个步骤中施加，其中第一步骤包括施加一第一等静压，所述第一等静压足以熔化所述缓冲材料以使所述缓冲材料在所述生胚可用模型的中空结构内流动，以及第二步骤包括施加一第二等静压以压实所述生胚可用模型。
可选地，所述缓冲材料是蜡粉，所述第一等静压高达50巴，以及所述第二等静压高达2600巴。
可选地，在冷等静压期间所施加的一温度为约40℃。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生坯块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中多个所述可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；通过将冷等静压施加于所述生胚块来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压坯；以及烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生胚块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中多个所述可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；通过将一第一冷等静压施加于所述生胚块来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压胚；通过在所述一个或多个粉末压坯从所述生胚块取出之后对所述一个或多个粉末压坯施加一第二冷等静压来进一步增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；以及烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生胚块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中多个所述可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压胚；通过在所述一个或多个粉末压坯从所述生胚块取出之后对所述一个或多个粉末压坯施加一冷等静压来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；以及烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种用于增加一生胚可用模型的密度的方法，其特征在于，所述方法包含：将所述生胚可用模型与一缓冲材料一起插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并向所述湿袋施加一等静压以增加所述生胚可用模型的密度。
可选地，所述等静压在两个步骤中施加，其中第一步骤包括施加一第一等静压，所述第一等静压足以熔化所述缓冲材料并使所述缓冲材料在所述生胚可用模型的多个中空结构内流动，以及所述第二步骤包括施加一第二等静压以增加所述生胚可用模型的密度，同时所述缓冲材料帮助保持所述生胚可用模型的结构完整性。
可选地，所述缓冲材料是蜡粉，所述第一等静压高达50巴，所述第二等静压高达2600巴。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种通过增材制造产生一三维模型的系统，其特征在于，所述系统包含：一增材制造系统，包括一打印平台站、一粉末分配站、一粉末涂布站及一压实站；一附加独立压实站；以及一烧结站。
可选地，所述附加独立压实站是一冷等静压站。
可选地，所述粉末分配站及所述粉末涂布站包括在一单个粉末输送站中。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法及材料可用于实践或测试本发明的实施例，但下文仍描述了示例性方法及/或材料。如有抵触，包括定义，以本专利的说明书为准。另外，材料、方法及实施例仅是示例性的，并非旨在限制。
附图说明
参考附图并仅通过举例的方式对本文中本发明的一些实施例进行描述。现在具体参考附图，要强调的是，所示的细节是通过举例的方式，并且是出于说明性讨论本发明的实施例的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实施本发明的实施例。
在图式中：
图1是根据本发明一些实施例的一示例性增材制造系统的一简化的示意图；以及
图2是根据本发明的一些实施例的一示例性的每层构建过程(侧视图)的一简化的示意图；
图3是根据本发明一些实施例的用于构建多个层的一示例性循环过程的一简化的方块图；以及
图4A及图4B是根据本发明的一些实施例的一示例性的压实系统分别在一松开及压缩状态下(侧视图)的一简化的示意图。
图5A及5B是根据本发明的一些实施例的形成在一层中以构建一物体(上视图)的多个示例性的图案的简化的示意图；
图6是根据本发明一些实施例的包括多个压实的粉末层的一生坯块在一冷等静压站中被处理的一简化的方块图；
图7是根据本发明一些实施例的用于制造一三维模型的一示例性的方法的一简化的流程图；
图8是根据本发明的一些实施例的在一冷等静压站中被压实的一可用模型的一粉末压坯的一简化的方块图；
图9是根据本发明的一些实施例的在一可用模型的一粉末压坯的一冷等静压过程中施加的示例压力的一简化的图；
图10是根据本发明一些实施例的用于制造一三维模型的另一示例性的方法的一简化的流程图；以及
图11是根据本发明的一些实施例的用于制造一三维模型的一另一示例性的方法的一简化的流程图。
具体实施方式
在一些实施例中，本发明涉及增材制造的领域，并且更具体地但非排他地涉及用于产生具有高材料密度的三维打印模型的方法、设备及系统。
如本文所用，术语“生坯”及“粉末压坯”是可互换的。此外，如本文所用，“多个可用模型的粉末压坯”及“多个生坯体”是可互换的。本文所使用的术语“物体”、“模型”及“可用模型”是可互换的。
另外，如本文所用，“多个支撑元件的多个粉末压坯”、“支撑元件”、“一支撑区域的多个离散部分”及“多个离散部分”是可互换的。
如本文所用，术语“生坯”、“粉末压坯”、“多个可用模型的粉末压坯”、“多个生坯体”、“多个支撑元件的粉末压坯”分别指一“块”、一“压坯”、“多个可用模型的压坯”、“多个体”及“多个支撑元件的多个压坯”，其主要成分是一粘合材料，在进行一烧结过程之前，通常为粘合粉末的形式。
此外，术语“掩模”、“图案”、“掩模图案”、或“打印图案”被认为是指由一固化的非粉末的材料，例如固化的墨水所形成的一图案。
一些增材制造过程产生一粉末压坯，所述粉末压坯包括多个粉末层及一一非粉末的固化的材料，所述非粉末的固化的材料独立于所述多个粉末层被打印或沉积。在一些实施例中，可以通过压实多个粉末层来产生生坯块，其中，对于至少一些压实层，在压实之前一固化的非粉末的材料已被沉积。所述生坯块通常包括一可用模型的一粉末压坯(也称为“物体”)、一支撑元件的一粉末压坯及一非粉末的固化的材料，例如，已通过一喷墨打印头沉积的一墨水，并且在喷射后固化(也称为“固化的墨水”)。在一些实施例中，固化的墨水按照一特定的图案被沉积，以界定一模型的轮廓或形状，并将其表面与其他模型或块内的支撑元件的表面分开。在一些实施例中，在压实先前的一粉末层之后，在增材制造过程中通过一三维打印机选择性地分配固化的墨水。所述经打印的图案可以界定一边界，例如，物体与周围粉末的材料之间的物理隔离。当从块中分离或取出可用模型的粉末压坯时，图案还可以将块内的支撑区域划分为多个离散的部分，以易于移除支撑元件。在增材制造过程中，可以对每一层进行压模以从层中去除多余的空气。任选地，粉末层可以达到形成粉末的材料的加工密度的85-90％的密度。
在一些实施例中，图案使用固化的非粉末的材料，例如一固化的墨水而被打印。如本文所指，固化的墨水是指在环境温度下为固体且在打印时为液体的墨水材料。固化的墨水的非限制性例子包括光固化的墨水、蜡、热固墨水及其任何组合。如本文所用的热固墨水及相变墨水是可互换的术语，可以定义为在室温下为固体，熔点低于120℃，在熔点温度与120℃之间的粘度低于50cPs并在高于100℃的温度下蒸发且没有碳痕的材料。基本上，没有碳痕可定义为小于固化的墨水的5wt％或1wt％。热固墨水的熔融温度为55-65℃，工作温度为约65-75℃，粘度可在15-17cPs之间。热固墨水被配置为响应加热而蒸发，且几乎没有或没有碳痕。
根据一些示例性的实施例，多个可用模型的粉末压坯可被进一步后处理，例如在烧结之前，可以在一个或多个步骤中进一步压实粉末，以除去过量的空气。所述后处理过程可以包括冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)过程，一图案去除过程(通常也称为“脱蜡过程”)及一炉烧结过程。根据一些示例性的实施例，在生坯块的构建过程结束时，利用一冷等静压站实现了生胚块的进一步压实。所述冷等静压站可用于在烧结之前增加生坯块内包含的多个可用模型的粉末压坯的密度。在一些示例实施例中，在冷等静压期间，可以将生坯可选地包在一织物中并密封在湿袋中。在密封湿袋之前，可以施加真空以从湿袋去除空气。冷等静压可以用生坯块中包含的固化的墨水来施加。以此方式，块内包括的多个可用模型的粉末压坯的密度可以从构建材料的加工密度的约85-90％增加到约90-95％。由于生坯块中存在固化的非粉末的材料，因此难以达到构建材料的加工密度的95％以上的密度，因为固化的非粉末的材料可能比粉末的材料不可压缩或压缩性较低。
根据一些示例性的实施例，在冷等静压结束时，可将生坯块放置在一“脱蜡”站中，在所述站中，可将生坯块加热至引起固化的非粉末的材料(例如：固化的墨水)会燃烧、液化或蒸发(即脱蜡过程)的温度。例如，可以施加约100-1000℃、200-800℃、300-600℃或350-500℃的范围的温度。在去除固化的非粉末的材料之后，可以通过去除多个支撑元件的粉末压坯来从生坯块中分离出或取出生坯块中所包括的多个可用模型的粉末压坯。然后可以烧结多个生坯可用模型。
根据一另外的示例性的实施例，可以在脱蜡过程之后并且在烧结之前施用一冷等静压过程，以在从生坯块分离或取出多个生坯可用模型之后进一步增加所述多个生胚可用模型的密度。在此冷等静压过程中，可将多个生胚可用模型插入一湿袋中，并可使用一材料填塞或包围及/或填充所述多个生胚可用模型，所述材料旨在在冷等静压过程中缓冲所述多个模型并保持其结构完整性。在一些实施例中，缓冲材料可以是由蜡例如石蜡形成的粉末。在密封湿袋之前，可以先去除空气。在冷等静压过程中，首先可以将压力升高到一第一水平，例如缓冲材料将熔化并开始流动的一水平。缓冲材料的流动可允许其渗透到物体中所包括的多个中空部分中，例如缝隙、通道、管或孔，从而在冷等静压过程中可完全支撑物体的几何形状(即：防止其变形)。可以选择缓冲材料的粘度，从而避免填充物体内的多个孔，其在压实过程中会塌陷。在一界定的延迟后，压力可以进一步提高到一第二水平，以压实多个生坯可用模型。可选地，冷等静压方法压实多个生胚可用模型以去除物体中的多个粉末颗粒之间的基本上所有空气，从而形成物体的材料具有100％的加工密度的一密度，或接近100％的密度，例如97％及以上。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解，本发明的应用并不一定限于以下描述中阐述及/或在附图及/或示例中示出的部件及/或方法的建构细节及配置。本发明能够具有其他实施例，或者能够以各种方式被实践或执行。
现在参考图1，其示出根据本发明一些实施例的一示例性的增材制造系统的一简化的方块图。根据本发明的一些实施例，一增材制造系统100包括一工作平台500，在所述工作平台500上的一构建盘200被推进通过多个站以构建一生坯块，例如一块多个粉末层15，一次一层。通常，一精密台250在一循环过程中将构建盘200推进到每个站。多个站可包括一打印平台站30，用于打印一非粉末的固化的材料的一图案；一粉末分配站10，用于分配一粉末层；一粉末涂布站20，用于涂布经分配的粉末的层；以及一压实站40，用于压实粉末的层及/或经打印的图案。通常，对于每一层，构建盘200推进到每个站，然后重复过程直到已经打印所有的层。根据本发明的一些实施例，一控制器300控制一工作平台500上的每个站的操作，并且通过盘200在精密平台250上的定位及/或移动来协调每个站的操作。通常，控制器300包括及/或与存储器及处理能力相关联。可选地，粉末分配站10及粉末涂布站20被组合成一单个粉末输送站。
根据一些示例性的实施例，增材制造系统包括一附加压实站60，例如一冷等静压站。在一些示例性的实施例中，在完成层构建过程之后，可以在附加压实站60中进一步压实在工作平台500上制造的生坯块。可选地，在压实之前，生坯块被放置在一湿袋中，并且空气从所述湿袋中被抽出。一湿袋是一可挠性的外壳，且流体不会穿过所述外壳，例如一橡胶袋。在一些示例性的实施例中，附加压实站60可被用于压实生坯块，以及用于一旦从生坯块中取出多个可用模型之后，再次压实所述多个可用模型的粉末压坯。
在一些实施例中，可以在一个或两个冷等静压工艺之后施加炉烧结。烧结的温度及持续时间通常取决于所使用的粉末的材料，并且可选地，取决于物体的尺寸。可选地，烧结在一惰性气体环境中进行。可选地，惰性气体源510是氮气源。
在一些示例性的实施例中，本文所述的增材制造系统提供了改进的打印速度。例如，每层的打印时间可以在25-35秒之间，并且包括400层的一生胚块的一估计的构建时间可以是约4小时。构建在构建盘200上的一生坯块15可以包括多个生坯可用模型，例如1-15个模型。块的示例性的占有的面积可以是20×20公分。
烧结站70及附加压实站60可以是与工作平台500分离的独立站。可选地，生坯块15被手动地定位到附加压实站60中，然后被定位到烧结站70中，且非通过精密台250。可选地，每个附加压实站60及烧结站70具有用于操作相应站的一单独的控制器。
现在参考图2，其示出根据本发明一些实施例的一示例性的每层构建过程的一简化的示意图。图2示出在一示例性的第一层502及第二层504的上方构建一示例性的第三层506的过程。在一些示例性的实施例中，利用一三维打印机每层分配一图案510。根据一些示例性的实施例，图案510由一固化的非粉末的材料例如一固化的墨水形成。图案510可物理接触在一先前的层或多个层例如层504及502中的一图案510，例如，或者可在包括粉末的材料的先前的层的一区域上被图案化。每层的图案510的一高度可以与所述层的一高度相同，或者可选地，可以短于所述层的高度，例如，层504中的图案510的部分510A。
根据一些例子，粉末51被涂布在图案510上并且遍及一构建盘200的一占有的面积。在一些示例性的实施例中，粉末51通过一辊25而被涂布。可选地，辊25经致动而均绕其轴24旋转，并沿着一X轴在构建盘200上移动。一旦粉末51被涂布在盘200的占有的面积上，就可以在整个层上施加压实520以压实层506。通常，由于压实工艺，因此层506的一高度减少，可选地，以及先前的层502及504。
现在参考图3，其示出根据本发明的一些实施例的用于构建多个生胚块层的一示例性的循环过程的一简化的方块图。根据一些示例性的实施例，可以在一循环过程中在一生胚块内逐层构造一物体(即：一可用模型的一粉末压坯)。循环过程的每个循环可以包括以下步骤：在一打印平台站30打印一图案(方块250)，在一分配站10及一涂布站20的图案上分配(方块260)及涂布(方块270)一粉末的材料，以及在一压实站40压实包括图案(方块280)的粉末层。在一些实施例中，分配站及涂布站10及20被组合成一个单个站，也称为“粉末输送站”。在一些示例性的实施例中，图案由一固化的非粉末的材料，例如一固化的墨水形成。压实可包括每层的模压。根据本发明的多个实施例，每个循环形成一层生胚块，并且重复循环直到已经构建所有的层。可选地，一层或多个层可不需要一图案，并且可以从选定的多个层中排除打印图案的步骤(方块250)。可选地，一层或多个层可不需要粉末的材料，并且可以从选定的多个层中排除分配及涂布一粉末的材料的步骤(方块260及270)。所述循环过程产生一生坯块，其包括多个可用模型的一个或多个粉末压胚、多个支撑元件的一个或多个粉末压坯以及一固化的非粉末的材料。
现在参考图4A及图4B，其示出根据本发明的一些实施例的分别处于一松开及压缩状态的一示例性的模压站的一简化的示意图。一压实站40可包括一活塞42，活塞42提供压实压力以压实一层300。在压实期间，活塞42可通过一孔49而升高，并可选地将杆42A推入工作平台500或精密平台250中，并将构建盘200朝着位于盘200上方的一表面45提起。杆42A可起到减少活塞42移动以实现压实所需要的距离的作用。
可选地，一旦层300与表面45接触，壁43就在层300周围闭合以在压实期间保持层300的一恒定的占有的面积。
构建盘200可以固定到一个或多个线性导轨41，当活塞42升高及/或降低盘200时，线性导轨沿着线性轴承46行进。可选地，盘200抵着一个或多个压缩弹簧47而被提升。重力以及多个弹簧47可在压实层300之后提供降低活塞42的作用。
可以施加高达250百万帕(MPa)或300百万帕的压力来压实一层。通常，施加的压力用于去除空气并使层300中的粉末超过其弹性状态，从而实现层的永久变形。可选地，压实提供将层的相对密度增加到粉末的材料的约70％至75％的加工密度。对于几种合金，相对密度可能达到90％的加工密度。可选地，压实可将层的厚度减少高达25％。可选地，约30-90百万帕的一压实压力被施加。可选地，压实在室温下进行。
在一些实施例中，上表面45可被加热，例如在压实期间使用一加热元件44进行预加热。当加热表面45时，层300可以在其上施加较小压力的情况下达到其塑性及/或永久变形状态。可选地，在铝粉的情况下，将上表面45加热至150℃的温度，例如150℃-200℃。通常在压实温度与压力之间需要权衡。在压实期间升高温度可提供在较低压力下达到塑性变形的目的。另一方面，降低上表面45的温度会降低压实的能量效率，因为可能需要更高的压力。
现在参考图5A及5B，其示出根据本发明的一些实施例的形成在一层中用以构建一三维物体的多个示例性图案的简化的示意图。根据多个示例性的实施方式，一固化的非粉末的材料，例如固化的墨水，描绘一物体750的一轮廓150，并且还通过多个构图线155将支撑区域划分为在生坯块构建过程结束时易于与物体750分离的多个部分。一些支撑区域被划分为多个大的支撑部分710。其他支撑区域可被划分为多个较小的支撑部分720(图5A)，多个较小的支撑部分720将物体750的一几何形状更仔细地考虑进去，并且有利于在生坯块构建过程的结束时，将多个支撑部分720从物体750分离出。在一些示例性的实施例中，多个支撑部分720可以被界定为提供一期望的拔模角度以易于从生坯块中取出物体750。多个支撑部分720的尺寸及形状都可以被定义为易于从生坯块中取出物体。多个较小的支撑部分720可以被界定在物体750的一表面附近，并且多个较大的支撑部分710可以被界定为远离物体750的表面。
现在参考图5B，可以在一界定的支撑区域中施加负掩膜，在所述区域中可能难以去除多个整个固化的支撑部分，例如，在物体750定义的多个腔内。负掩蔽产生支撑部分730，支撑部分730在除去可固化的非粉末的材料之后将保持粉末状态，因此易于从腔移除(即，与在处理过程中固化成多个离散部分的其他多个支撑区域相反)。根据一些示例性的实施例，通过在一界定区域730中抖动可固化的非粉末的材料来形成负掩膜。抖动程度可为在层中的固化的非粉末的材料的5-50％或5-100％之间。通常，固化的非粉末的材料的一分隔物将负掩模与物体分开。一层的一些部分可以使用负掩模图案化，而其他部分可包括将支撑区域分成多个离散部分710的图案。可固化的非粉末的材料也可以被包括在一层的多个区域中以向生坯块提供结构支撑。
现在参考图6，其示出根据本发明的一些实施例的一生坯块的一简化的一方块图，其包括在一冷等静压站中一被压实的粉末的材料，可选地，被压实的粉末的材料包括一固化的非粉末的材料(例如：固化的墨水)。根据一些示例性的实施例，附加压实站60是包括一冷等静压室650的一冷等静压站，在其中可以通过使用容纳在室650中的一流体615在放置在一湿袋620中的物体的周围施加一基本均匀的压力630来压实一物体，其中容纳有流体615。在650室在一些示例性的实施例中，通过一增材制造方法构建的一生坯块600在一压实站60的一室中被压实。生坯块600可以包括一粉末的材料及一非固化的非粉末的材料，例如：固化的墨水。在压实期间，生坯块600被插入湿袋620中。可选地，在一真空下从湿袋620的体积中抽出空气。然后，可以通过冷等静压压实包括生坯块600的湿袋620。冷等静压可以在压实期间维持生坯块600以及嵌入其中的(多个)可用模型的比例。冷等静压可以在最高约2500巴的一压力下进行，可选地，也可以在最高40℃的温度下进行。在一些示例性的实施例中，生坯块600在插入湿袋之前被一织物包裹。
现在参考图7，其示出根据本发明一些实施例的用于制造一三维模型的一示例性的方法的一简化的流程图。一层构建过程可被执行以构建包含粉末的材料及固化的非粉末的材料(例如：一固化的墨水，)的一生坯块，其中多个可用模型的一个或多个粉末压胚及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯由一固化的非粉末的材料界定(方块905)。在构建过程结束时，可以将冷等静压施加于生坯块以提供附加的压实(方块910)。在冷等静压期间，可以通过围绕块的一液体施加一等静压，其与在层构建过程中每层被施加的单向压力相反。在冷等静压终止时，可以加热生坯块，以熔化、燃烧或蒸发其中包含的非粉末的固化的材料(方块915)。一旦去除固化的非粉末的材料，就可以将(多个)生坯可用模型与多个生坯支撑元件相分离(方块920)，并且可以烧结(多个)生坯可用模型(方块925)。
现在参考图8，其示出在一冷等静压站中被压实的一生坯模型的一简化的方块图，并且图9示出根据本发明的一些实施例的在所述冷等静压过程期间施加的示例性的压力的一简化的图。可选地，所述冷等静压过程旨在在烧结之前进一步压实生坯模型，并且在将一第一冷等静压施加到包括生坯模型的生坯块并从所述块中取出生坯模型之后进行。可选地，在所述冷等静压过程中，可以除去例如用于构建生坯可用模型的粉末中的基本上的所有空气，例如产生用于构建物体的粉末的材料的100％的加工密度(或至少97％或98％)。在冷等静压过程中，生坯可用模型可与一缓冲材料640(例如：一蜡粉)一起插入一湿袋620中。可以从湿袋620中去除空气。冷等静压过程可以分两个步骤进行。在一第一阶段中，可将湿袋620加压至例如一第一压力水平680(图9)，例如50巴，在所述第一压力水平680下，湿袋620中的缓冲材料640可熔化。一旦缓冲材料640熔化，它就可以流入由物体几何形状界定的任何的中空结构(例如通道、缝隙)中，以帮助在压实过程中保持模型的结构完整性。可选地，可以施加热以熔化缓冲材料。一旦缓冲材料熔化并扩散到多个中空结构中，就可以执行此冷等静压过程的第二阶段。在一些示例性的实施例中，在第二阶段期间，在一限定的持续时间内施加附加的压力(690)以压实生坯模型750。可选地，可以施加高达2600巴的压力。在压力690被释放之后，可以将生坯模型从湿袋620中取出并进行烧结。在一些实施例中，在1至60分钟，2至30分钟或5至15分钟的一时间窗期间施加第一压力水平680。如果使用一粉末的形式的一缓冲材料，例如一蜡粉，并通过加热使所述粉末熔化，则可以缩短达到全压施加的延迟时间，并可以持续长达1分钟。
现在参考图10，其示出根据本发明的一些实施例的用于制造一三维模型的一另一示例性的方法的一简化的流程图。一层构建过程可被执行以构建一生坯，所述生坯包括一粉末的材料及一非粉末的材料(例如：一固化的墨水)，其中多个可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯由一固化的非粉末的材料界定(方块905)。在构建过程结束时，可以在生坯块上施加冷等静压以提供附加的压实(方块910)。在冷等静压期间，形成物体的构建材料的密度可以达到材料的约85-90％至约90-97％的一加工密度。在冷等静压终止时，可以将生坯加热到非粉末的固化的材料熔化、燃烧或蒸发的温度(方块915)。一旦去除固化的材料，可以将一个或多个生坯模型与多个生坯支撑元件分离(方块920)。然后，可以在一第二冷等静压过程中再次压实取出的多个生坯模型(方块922)。在第二冷等静压过程中，多个模型可填塞或包围及/或填充一缓冲材料，以帮助保持多个模型的结构完整性。在一些实施例中，缓冲材料可以是由蜡例如石蜡形成的一粉末。第二冷等静压过程可以包括施加一第一压力水平，在第一压力水平下，缓冲材料熔化，然后施加一第二压力水平，在第二压力水平下，多个生坯模型被压实以达到几乎100％的粉末的材料的一加工密度。可选地，一连续的增量压力可被施加。在第二冷等静压过程之后，多个生坯模型可被烧结以形成最终的多个三维模型(方块925)。
现在参考图11，其示出根据本发明一些实施例的用于制造一三维打印模型的一另一示例的方法的一简化的流程图。一层构建过程可被执行以构建包含一粉末的材料及一非粉末的固化的材料(例如：一固化的墨水)的生坯，其中一个或多个可用模型的粉末压坯及一个或多个支撑元件的粉末压坯由一固化的非粉末的材料界定(方块905)。在层构建过程结束时，可以将生坯加热到非粉末的固化的材料熔化、燃烧或蒸发的温度(方块915)。一旦移除非粉末状的固化的材料，可将多个模型的一个或多个粉末压坯与多个支撑元件相分离(方块920)。然后，可以在一冷等静压过程(方块922)中对取出的多个模型进行压实，其中，将取出的多个模型填塞或包围及/或填充一缓冲材料，以帮助保持多个模型的结构完整性。在一些实施例中，缓冲材料可以是由蜡例如石蜡形成的一粉末。冷等静压过程可以包括施加一第一压力水平，在第一压力水平下，缓冲材料熔化，然后施加一第二压力水平，在第二压力水平下，多个模型被进一步压实，以达到材料的几乎100％的一加工密度。可选地，一连续的增量压力可被施加。在冷等静压过程之后，多个生坯模型可被烧结以形成最终的多个三维模型(方块925)。
术语"包括(comprises)"、"包括(comprising)"、"包括(includes)"、"包括(including)"、"具有(having)"及其词形变化是指"包括但不限于"。
术语"由...组成(consisting of)"意指"包括幷且限于"。.
术语"本质上由......组成"指的是组成物、方法或可包括额外的成分和/或步骤，但仅当额外的成分和/或步骤不实质上改变所要求保护的组成或方法的基本和新颖特性。
可以理解，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各种实施例的内文中所描述的特定特征，并不被认为是那些实施方案的必要特征，除非该实施例没有那些元素就不起作用。

Claims (26)

1.一种通过增材制造产生一三维模型的方法，其特征在于，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生坯块包括一生胚可用模型；从所述生坯块去除所述固化的非粉末的材料以从所述生胚块取出所述生胚可用模型；通过施加冷等静压增加所述生胚可用模型的密度；以及烧结所述生胚可用模型以产生一三维模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将所述冷等静压施加于所述生胚块，所述生胚块包括所述生胚可用模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在从所述生胚块取出所述生胚可用模型之后，将所述冷等静压施加于所述生胚可用模型。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：将一第一冷等静压施加于所述生胚块，所述生胚块包括所述生胚可用模型，并且在所述生胚可用模型从所述生胚块分离之后将一第二冷等静压施加于所述生胚可用模型。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生胚可用模型是一可用模型的一粉末压坯。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：以所述逐层方式构建所述生坯块的步骤是通过一增材制造系统进行，所述增材制造系统被配置为通过以下方式而构建一层：(1)使用一固化的非粉末的材料打印一图案以追踪所述生胚可用模型的轮廓；(2)在所述图案上分配及涂布一粉末的材料；以及(3)使用所述图案压实粉末层。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于：所述粉末的材料选自于一合金粉末、一纯金属粉末、一陶瓷粉末、一聚合物粉末，及其任何的组合物或混合物。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述粉末的材料是一铝合金。
9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于：所述固化的非粉末的材料是一固化的墨水，所述固化的墨水选自于多个可光固化的墨水、蜡、多个热固墨水及其任何的组合。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：从所述生坯块去除所述固化的非粉末的材料的步骤是通过加热所述生坯块来熔化、烧或蒸发所述固化的非粉末的材料而进行的。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述生胚可用模形是通过移除多个生胚支撑元件而从所述生胚块取出的。
12.如权利要求2或4所述的方法，其特征在于：将所述冷等静压施加到所述生坯块包含将所述生坯块插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并对包含所述生胚块的所述湿袋施加一等静压。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述等静压高达2500巴。
14.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：在将所述生胚可用模型从所述生胚块取出之后而将一冷等静压施加于所述生胚可用模型包含将所述生胚可用模型与一缓冲材料一起插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并对所述湿袋施加一等静压，所述湿袋包含所述生胚可用模型。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：所述等静压在两个步骤中施加，其中第一步骤包括施加一第一等静压，所述第一等静压足以熔化所述缓冲材料以使所述缓冲材料在所述生胚可用模型的中空结构内流动，以及第二步骤包括施加一第二等静压以压实所述生胚可用模型。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述缓冲材料是蜡粉，所述第一等静压高达50巴，以及所述第二等静压高达2600巴。
17.如权利要求1至16任一项所述的方法，其特征在于：在冷等静压期间所施加的一温度为约40℃。
18.一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，其特征在于，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生坯块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中所述多个可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；
通过将冷等静压施加于所述生胚块来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；
加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；
通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压坯；以及
烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
19.一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，其特征在于，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生胚块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中所述可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；
通过将一第一冷等静压施加于所述生胚块来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；
加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；
通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压胚；
通过在所述一个或多个粉末压坯从所述生胚块取出之后对所述一个或多个粉末压坯施加一第二冷等静压来进一步增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；以及
烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
20.一种通过增材制造产生多个三维模型的方法，其特征在于，所述方法包含：使用一粉末的材料及一固化的非粉末的材料以一逐层方式建构一生坯块，所述生胚块包括一可用模型的一个或多个粉末压坯及多个支撑元件的一个或多个粉末压坯，其中所述可用模型及所述多个支撑元件通过选择性沉积所述固化的非粉末的材料所形成的多个图案线而被界定；
加热所述生胚块以去除所述固化的非粉末的材料；
通过移除所述多个支撑元件的一个或多个粉末压坯而从所述生胚块取出所述可用模型的一个或多个粉末压胚；
通过在所述一个或多个粉末压坯从所述生胚块取出之后对所述一个或多个粉末压坯施加一冷等静压来增加所述可用模型的一个或多个粉末压坯的密度；以及
烧结所述可用模型的一个或多个粉末压坯以产生多个三维模型。
21.一种用于增加一生胚可用模型的密度的方法，其特征在于，所述方法包含：将所述生胚可用模型与一缓冲材料一起插入一湿袋中，可选地从所述湿袋移除空气，将所述湿袋放入一冷等静压室中，并向所述湿袋施加一等静压以增加所述生胚可用模型的密度。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于：所述等静压在两个步骤中施加，其中第一步骤包括施加一第一等静压，所述第一等静压足以熔化所述缓冲材料并使所述缓冲材料在所述生胚可用模型的多个中空结构内流动，以及所述第二步骤包括施加一第二等静压以增加所述生胚可用模型的密度，同时所述缓冲材料帮助保持所述生胚可用模型的结构完整性。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述缓冲材料是蜡粉，所述第一等静压高达50巴，所述第二等静压高达2600巴。
24.一种通过增材制造产生一三维模型的系统，其特征在于，所述系统包含：一增材制造系统，包括一打印平台站、一粉末分配站、一粉末涂布站及一压实站；
一附加独立压实站；以及
一烧结站。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于：所述附加独立压实站是一冷等静压站。
26.如权利要求24或25所述的系统，其特征在于：所述粉末分配站及所述粉末涂布站包括在一单个粉末输送站中。
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CN114161705A (zh) * 2021-12-08 2022-03-11 中国林业科学研究院木材工业研究所 一种木质纤维生物质材料的3d打印成型及后处理方法
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