CN110520279A - 用于3d打印机的计量机构 - Google Patents

Abstract

公开了3D打印系统和用于3D打印机的构建材料散布方法，所述方法包括：在第一次通过中沿第一方向在距离计量表面第一间隔距离处将散布器移动通过构建材料堆，从而推送第一数量的构建材料；通过距离调节单元将第一间隔距离改变为第二间隔距离；以及在第二次通过中沿第二方向朝向构建表面移动散布器，以在朝向构建表面的方向上推送第二数量的构建材料。

Description

用于3D打印机的计量机构

背景技术

通常称为三维(3D)打印机的增材制造系统能够逐层产生物体。例如，基于粉末的3D打印系统在打印机中形成连续的构建材料层，并且选择性地固化构建材料的某些部分，以形成正在产生的一个或多个物体的层。

3D打印系统可以包括用于精确测量要在连续层中的每个层中使用的粉末数量的机构，以保证每个层具有合适的粉末数量，并且系统的条件(例如层温度)是合适的。

附图说明

现在将参考附图仅以非限制性示例的方式描述示例，附图中：

图1A示出根据一个示例的3D打印系统的等距视图；

图1B是图1A中3D打印系统的平面图；

图2A示出根据一个示例的散布过程的初始位置；

图2B示出图2A的散布过程的最终位置；

图3是例示一个示例的计量过程的示意性侧视图；

图4示出例示根据一个示例的散布过程的流程图；

图5示出根据一个示例的计量构建材料的顺序。

具体实施方式

现在参考图1A和1B，示出3D打印系统的一部分的示意图。

具体而言，图1A示出系统的等距视图，该系统包括附接到托架103的散布器104，散布器在托架内至少在垂直方向(图中的Z轴)上是可移动的，使得散布器能相对于例如计量表面102A或构建表面105位于不同的间隔距离或高度处。

图1A和1B中的3D打印系统还包括构建表面105，其中确定数量的构建材料将被散布以在构建表面105上或在先前处理的构建材料层上产生构建材料层。构建材料通过散布器104进行散布，散布器104在图中显示为辊，但是可以是任何能够传送粉末材料的装置，例如刮板。

在一个示例中，构建表面105可以是形成构建室的构建单元106的一部分，或者，构建单元可以从3D打印系统的其他部件中移除。随着3D打印系统100选择性地固化每个构建材料形成层的某些部分，3D打印系统100在构建室内形成3D物体。在每个构建材料层都被选择性地固化之后，构建表面105沿着z轴降低，以使得新的构建材料层能够在其上形成。根据所使用的特定3D打印系统，所形成的每个构建材料层在区域中可以具有大约50至120微米的高度。

此外，该系统可以包括至少一个辅助平台，其能够用于诸如构建材料的计量或多余构建材料的处理的支撑过程。具体而言，图1A和1B的系统包括：与构建表面105相邻的计量表面102A，其中材料被处理以进行精确的计量；和支撑表面102B，与计量表面102A的相对侧上的构建材料相邻，其中例如，多余的材料可以被转移以再利用或处理。

现在参考图2A和2B，示出示例散布过程，其中，在第一阶段，构建材料堆200通过合适的装置(例如料斗、进料盘、螺杆等等)，从存储单元转移到计量表面102A。由于构建材料可以是粉末或颗粒材料，所以从存储单元实际转移到计量表面102A的构建材料数量的测量可能难以精确量化。由于构建材料可能被快速转移使得其转移不影响每个构建材料层的处理时间的事实，情况进一步复杂化。因此，从存储单元转移到计量平台的构建材料通常比每一层所需的构建材料的理论数量多大约10％至30％，

构建材料堆200通过传送器(例如料斗)沿着计量表面的Y轴形成。如下文进一步描述的，该构建材料堆200包括足够的构建材料以提供一定数量的多余构建材料203、构建材料基底202和在构建平台上的构建材料形成层201。

假定构建材料堆200包含比在构建表面上产生构建材料层所需材料更多的材料，则可以在散布构建材料层之前对材料进行量化。在一个示例中，托架103沿第一方向D₁用散布器104在第一高度处进行第一次推送或通过，这移除了多余构建材料203，从而在构建材料堆200上留下平的顶面。在一个示例中，在散布器104第一次通过之后留在计量表面102A上的构建材料可以具有六面体的形状，并且散布器的当前位置(散布器在第一次通过中的高度)可以用作确定将要散布在构建表面105上的构建材料数量的参考。将要被散布的构建材料的体积可以作为六面体计算，具有等于散布器的长度的长度、之前由料斗限定的宽度、以及可以由散布器与计量表面之间的间隔距离可控地限定的高度。

为了在构建表面上形成合适的构建材料层，散布器104可用于进一步限定构建材料堆200的将要用于在构建表面上形成构建材料层的部分。散布器104和计量平台102A附接到不同的参考表面，即计量平台附接到构建单元，并且散布器104附接到不同的结构元件(例如托架103)，这使得难以设计将它们放置在例如100μm的间隔内并且将它们放置为在热膨胀之前和之后保持平行的系统。因此，去估计散布器与计量平台之间的距离进而去估计在每次的第二次通过中转移的计量的构建材料200的数量是复杂的。

为了散布构建材料，可以沿第二方向D2进行第二次通过或推送，以散布在第一次通过计量表面102A、通过构建表面105之后留下的构建材料的至少一部分。在一个示例中，该过程可以将计量的构建材料201铺设在构建表面上，将构建材料基底202铺设在计量表面102A上，和/或将残留的构建材料204铺设在支撑表面102B上。

然后，用计量的构建材料201在构建表面105上形成的构建材料层可以通过打印机构选择性地固化，并且可以将新的构建材料堆转移到计量表面102A，其中该量化和散布过程是不断重复的。

在散布器104沿第一方向D1的第一次通过中移除的多余构建材料可以被转移到存储器中，在那里可以对其进行处理，然后再利用，例如，通过将其返回到构建材料存储器中。转移可以例如通过重力(构建材料可以从计量表面推出)或真空来完成。这种用于再利用的转移也可以应用于构建材料基底202和残余的构建材料204。

图3是示意性侧视图，例示散布器104和散布方法的一个示例，该散布方法有助于在构建表面102A上散布精确数量的构建材料。

图3示出转移到计量表面102A的构建材料堆200不具有规则形状的示例。此外，散布器104的底部与计量表面102A之间的距离可能不能够准确确定，这是由于，例如难以在热膨胀前后以100μm的精度将散布器104平行于计量表面102A安装到托架上。

为了将精确数量的构建材料朝向构建表面105推送，散布器104可用于建立相对于构建材料堆200的参考距离。并且，该行为用于使构建材料堆200的形状具有规律性，并且允许将一定数量的构建材料转移到待确定的构建表面，即计量的构建材料201。

首先，散布器104在相对于计量表面的第一间隔距离或第一高度h₁处沿第一方向D₁进行第一次推送，在第一次推送时，从构建材料堆200中移除一定数量的构建材料，该移除数量的构建材料将被作为多余构建材料202处理，例如通过将其发送到存储单元以再次使用。随后，散布器104移动到第二间隔距离，或者换句话说，降低到第二高度h₂，例如，该第二高度H₂可以符合以下公式：

Q_L＝Δh*W*L；

其中Δh是散布器需要降低的距离，Q_L是要转移到构建表面105的构建材料的目标体积，W和L分别是构建材料堆200的宽度和长度。距离Δh可以被精确地测量，并且独立于制造和/或附接误差。特别地，在图3中，相对于计量表面102A，Δh＝h₁-h₂。长度和宽度可以例如在转移到计量表面时在料斗等上配置，或者可以被限定，例如通过使用辅助散布器来限定要被散布的构建材料的形状。

在第一示例中，辅助散布器可被配置为沿着y轴沿着构建材料支撑件102A的长度移动，以便例如在构建表面102A上散布之前配置构建材料堆200的长度，使得构建材料仅沉积在构建表面102A的一部分中。

然后，散布器104在第二高度h₂处沿第二方向D₂进行第二次通过。该第二次通过是在朝向构建表面105的方向上进行的，以便将计量的构建材料201散布在构建表面上，同时在计量平台上留下构建材料基底202。

例如，高度h₂是比h₁低的高度，但是使得构建材料基底202留在计量表面102A上，这将免除在散布器104和计量表面102A的位置之间进行校准的需要。例如h₁可以在1至1.5毫米的范围内，h₂可以在0至0.5毫米的范围内。

图4示出用于解释将要在构建表面上形成的构建材料的精确计量的示例方法的流程图。

首先，将要沉积形成层的构建材料的数量由用户确定(401)或者在系统上预先确定。该构建材料的数量被发送到控制器416，控制器416控制传送器，以便将构建材料堆200传送到计量表面(402)。如上所述，向计量表面传送的数量可以例如比形成完整层所需的理论数量多10％-30％。此外，这种信息可以用于确定使用散布器104进行精确计量所需的高度差Δh(403)。

然后，要进行精确计量(411)，因此，控制器416命令散布器104在第一高度h₁处在构建材料堆200上进行第一次通过。该第一次通过具有两个主要功能：消除多余构建材料203，并在将要向构建表面转移的构建材料上产生基本均匀的形状。这可以允许更容易地确定将要转移的构建材料的数量并提供将在后面阶段用于精确测量的参考高度。

在提供与构建材料直接相关的参考高度后，控制器416可用于将散布器垂直向下移动距离Δh至第二高度h₂(412)，从而减小散布器与计量表面之间的间隔距离。第二高度h₂可能已经在精确计量(403)中预先限定。在一个示例中，该第二高度h₂低于第一高度(更靠近计量表面)，但是被配置为留下构建材料基底202。与第二高度h₂为零的配置(其中例如由于构建材料与计量表面102A之间的摩擦，会留下一些材料)相比，留下构建材料基底202确保将精确数量的材料朝向构建表面105推送。此外，这种配置可以引起对散布器104的较少磨损。

应该注意的是，在图1-3的示例中，计量表面102A和散布器104附接到不同的基准面，因此，需要复杂的校准过程以能够测量要转移到构建表面的构建材料的数量。然而，散布器104的垂直移动可以被更精确地确定，并且可以用作确定待散布的构建材料的体积的基础，例如，通过在移动散布器104的马达中或者在散布器104本身中使用编码器。在这种情况下，替代用计量表面102A作为测量的参考，第一高度h₁可以用于这种参考。

在散布器已经定位在第二高度h₂处后，控制器控制散布器104的移动以在第二高度处进行第二次推送(413)，从而将计量的构建材料201朝向构建表面105转移，从而产生构建材料层。由于第二高度h₂通常是构建表面上方的较小距离，所以第二次推送可能只能转移走构建材料六面体的上部而留下下部，即计量平台上的构建材料的基底。该构建材料基底可以以与多余构建材料203或残留构建材料204相同的方式进行处理，即转移到材料回收装置进行处理和再利用，或者转移回存储器，使得其在新的构建材料堆200中被再利用。

随后，在构建表面上或在先前打印的构建材料层上形成材料(414)，最后，构建材料被选择性地固化以产生处理的构建材料层。

然后，进行构建材料堆200到计量表面的新转移，以处理下一层构建材料，直到3D件最终完成。

图5示意性示出先前参考图4描述的方法。

图5例示将构建材料传送(402)到计量表面，其中产生构建材料堆200。构建材料堆具有可以在传送器106上预先限定的确定的宽度W和长度L。可选地，长度和宽度可以由控制器416通过散布器104的移动来限定，长度L由散布器的长度限定，宽度W由散布器的推送动作限定。此外，如上所述，宽度W和长度L可以由控制器416使用辅助散布器来配置。

此外，图5示出第一推送动作(411)，其中控制器416移动散布器104以在第一高度h₁处进行第一推送动作。示出构建材料堆200已经被推送，使得一些多余材料203从其顶面被取出，并被转移到例如中间存储单元以再次使用。然后，形成六面体，并且对控制器来说能更简单地计算出这种六面体内的体积。在一个示例中，计算基于具有基本规则形状的六面体，然而，例如考虑到六面体形状的不规则性，也可以设想使用不同的算法。

在该示例中，控制器控制散布器在远离构建表面102A的方向上进行第一次推送，使得多余的材料在例如朝向材料回收装置或朝向存储单元的方向上被发送。

随后，控制器416通过距离调节单元使散布器104降低一个高度差Δh至第二高度(412)。考虑到六面体的体积，控制器416可以预先计算出该高度差Δh。特别地，Δh是六面体上部的高度，使得其具有与在构建表面上产生具有确定厚度或体积的层所需的构建材料的体积相应的体积。

最后，控制器416控制散布器以在朝向构建表面102A的方向上移动散布器，以便朝向构建表面102A移动计量数量的构建材料201，并在计量表面上留下构建材料基底202。

即使在上述示例中，散布器将在不同高度处进行通过，但是也可以设想计量表面可以沿着Z轴移动，以改变散布器与计量表面之间的间隔距离。因此，第一高度同样可以被解释为散布器与计量表面之间的第一间隔距离，并且第二高度同样可以被解释为散布器与计量表面之间的第二间隔距离，该间隔距离由控制器和/或距离调节单元控制。

本质上，公开了一种用于3D打印机的构建材料散布方法，该方法包括通过传送器将构建材料从存储单元传送到计量表面，从而在计量表面上产生构建材料堆；在第一次通过中沿第一方向在距离计量表面第一间隔距离处将散布器移动通过构建材料堆，从而从构建材料堆中推送第一数量的构建材料；通过距离调节单元将第一间隔距离改变为第二间隔距离；以及在第二次通过中沿第二方向朝向与计量表面相邻的构建表面移动散布器，以在朝向构建表面的方向上推送第二数量的构建材料。

此外，在第一次推送中，构建材料可以在与第二次通过的方向不同的方向上进行推送，例如，第一次推送的方向是不同于第二次推送的方向的方向，或者，在另一个示例中，与第二次推送的方向相反。

在一个示例中，在第二次推送中移动散布器涉及在第二次推送后在计量表面上留下构建材料基底。这有助于实现对散布器和/或计量表面造成较少磨损。这是在由距离调节单元所改变的间隔距离大于0的情况下实现的。

此外，在第一次通过中，方法可以包括朝向材料回收装置或朝向存储器推送第一数量的构建材料。在一个示例中，该材料回收装置可以处理构建材料，然后将其返回到存储单元。

在另一个示例中，该方法包括通过距离调节单元例如通过在垂直于计量表面的方向上移动散布器来改变散布器与计量表面之间的第一间隔距离。然而，距离调节单元还可以包括在正交于或垂直于计量表面的方向，即向上或朝向散布器的方向上移动计量表面。

另一方面，3D打印机可以包括控制器，用于接收具有构建材料的数量的输入，计算符合接收到的构建材料的数量的第二间隔距离，以及控制距离调节单元，以将散布器或计量表面移动至先前计算的第二间隔距离。

在一个示例中，第二间隔距离通过处理装置或控制器计算，考虑第二数量的构建材料是高度为第二间隔距离的六面体。可选地，其他几何形状也可以用于这种计算。

此外，公开了一种3D打印系统，包括：

用于接收构建材料的存储单元；

传送器，用于将构建材料堆从存储单元输送到计量表面；

邻近计量表面的构建表面；

散布器；

距离调节单元；和

控制器，用于：控制散布器的移动，以移动散布器在距离计量表面第一间隔距离处第一次通过构建材料堆，从而推送第一数量的构建材料；控制距离调节单元将第一间隔距离改变为第二间隔距离；以及在第二次通过中移动散布器，以在朝向构建表面的方向上推送第二数量的构建材料。

在一个示例中，在第一次通过中，散布器将构建材料堆转变成六面体。

此外，控制器可以用于控制距离调节单元，以在第二次通过中将六面体的具有等于第二间隔距离的高度的上部朝向构建表面推送。体积的这种预先设定可以是3D打印系统上的设置或用户可选择的输入，例如体积输入。

在另一个示例中，在第二次推送之后，六面体的高度等于第二间隔距离的上部被朝向构建表面推送。

在另一个示例中，在第一次通过中，控制器控制散布器将构建材料朝向材料回收装置或朝向存储单元推送。

Claims (15)

1.用于3D打印机的构建材料散布方法，包括：通过传送器将构建材料从存储单元传送到计量表面，从而在计量表面上产生构建材料堆；在第一次通过中沿第一方向在距离所述计量表面第一间隔距离处将散布器移动通过所述构建材料堆，从而从所述构建材料堆中推送第一数量的构建材料；通过距离调节单元将所述第一间隔距离改变为第二间隔距离；以及在第二次通过中沿第二方向朝向与所述计量表面相邻的构建表面移动所述散布器，以在朝向所述构建表面的方向上推送第二数量的构建材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一次通过的方向是不同于所述第二次通过的方向的方向。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一次通过的方向是与所述第二次通过的方向相反的方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在第二次通过中移动所述散布器包括在所述第二次通过之后在所述计量表面上留下构建材料基底。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述散布器在所述第一次通过中的移动包括将第一数量的构建材料朝向材料回收装置或朝向所述存储单元推送。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述散布器与所述计量表面之间的所述第一间隔距离的所述改变包括在垂直于所述计量表面的方向上移动所述散布器。

7.根据权利要求1所述的方法，包括控制器，用于接收具有构建材料的数量的输入，计算符合接收到的所述构建材料的数量的所述第二间隔距离，以及控制所述距离调节单元，以将所述散布器或所述计量表面移动至先前计算的所述第二间隔距离。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二间隔距离通过所述处理装置计算，考虑所述第二数量的构建材料是高度为所述第二间隔距离的六面体。

9.3D打印系统，包括：

用于接收构建材料的存储单元；

传送器，用于将构建材料堆从所述存储单元输送到计量表面；

邻近所述计量表面的构建表面；

散布器；

距离调节单元；和

控制器，用于：

控制所述散布器的移动，以移动所述散布器在距离所述计量表面第一间隔距离处第一次通过所述构建材料堆，从而推送第一数量的构建材料；

控制所述距离调节单元将所述第一间隔距离改变为第二间隔距离；以及

在第二次通过中移动所述散布器，以在朝向所述构建表面的方向上推送第二数量的构建材料。

10.根据权利要求9所述的系统，其中在所述第一次通过中，所述散布器将所述构建材料堆转变成六面体。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器用于将所述第二间隔距离计算为符合所述第二数量的构建材料的预定体积的所述六面体的高度。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述预定体积是用户可选择输入的体积。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器用于控制所述距离调节单元，以在所述第二次通过中将所述六面体的具有等于所述第二间隔距离的高度的上部朝向所述构建表面推送。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述散布器是辊。

15.根据权利要求9所述的系统，其中在所述第一次通过中，所述控制器控制所述散布器将构建材料朝向材料回收装置或朝向所述存储单元推送。