CN110545939B - 使用粉末的材料增材制造的方法及系统 - Google Patents

使用粉末的材料增材制造的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于建构包括一三维生坯可用模型的一生坯块的增材制造系统，包含一打印站、一粉末输送站、一压实站及一平台。所述打印站通过选择性地沉积一固化的非粉末的材料而在一建构盘上打印一图案，所述固化的非粉末的材料通过描迹每层待打印的一可用模型的一周围，并描迹所述可用模型周围的一支撑区域的多个离散部分来形成一分区。所述粉末输送站在所述图案上施加一层粉末的材料。所述压实站压实所述每层粉末的材料，并包括用于接收所述层的一模具。所述平台将所述建构盘反复地推进至所述打印站、所述粉末输送站及所述压实站中的每一个，以建构多个层，所述多个层共同形成所述生坯块。

Description

使用粉末的材料增材制造的方法及系统
技术领域
在本发明的一些实施例中，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使用粉末的材料增材制造三维物体。
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一三维模型选择性地施加一液体粘合材料，将粉末的材料逐层粘合在一起以建构一固体结构。在一些过程中，在建构过程末端时，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的多个层。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建构一固体结构。
选择性激光熔化(Selective lasermelting,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构材料时。
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，材料的多个平面层依顺沉积。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熔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5,076,869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上提供一层粉末，在所述层上进行模压，烧结所述层，所述层是通过选择性激光烧结或选择性激光熔化而被模压，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，所述掩模图案界定待烧结的层的一部分的一负片。
发明内容
根据本公开的一些实施例的一方面，提供了一种使用多个粉末层进行增材制造的系统及方法。在一些示例性实施例中，一铝合金粉末被用作建构材料。可选地，可以使用其他材料，例如纯铝、其他金属粉末、陶瓷材料、聚合物材料以及不同类型材料的组合。根据一些示例性实施例，相同的粉末材料用于建构物体及支撑物体。例如，在层建构过程中，粉末可以用作建构物体的多个负斜面或物体中包含的多个中空体积的一支撑。可选地，在层建构过程末端时，形成一生坯块，所述生坯块包括嵌入其中的一图案，所述图案界定一个或多个元件，例如，多个可用模型的粉末压坯及多个支撑元件的粉末压坯。可选地，在层建构过程末端时以及在将多个可用模型的粉末压坯与多个支撑元件的粉末压坯分离之前，将压实施加于生坯块。然后可烧结例如多个可用模型的粉末压坯以完成所述物体。
根据一些示例性实施例，通过每层沉积的非粉末的材料的一图案界定支撑区域(例如：旨在包括多个支撑元件的粉末压坯的多个区域)与模型区域(例如：旨在包括多个可用模型的粉末压坯的多个区域)之间的一边界。对于每一层，一三维打印机分配一非粉末的材料，所述非粉末的材料会将用于建构物体的粉末的材料与用于支撑正在建构的物体的粉末的材料分开。在一些示例实施方式中，图案也被界定为将支撑区域分成多个离散的支撑部分，所述多个离散的支撑部分可以在层建构过程末端时与物体分离，即多个支撑元件的粉末压坯。
根据一示例性的实施例，非粉末的材料是每层被打印的一固化的油墨(例如：热敏油墨)。对于每一层，一三维打印机分配一油墨，所述油墨会将用于建构物体的粉末的材料与用于支撑正在建构的物体的粉末的材料分开。在一些示例性实施方式中，固化的油墨的图案也被界定为将支撑区域分成多个离散的支撑部分，所述多个离散的支撑部分可以在层建构过程末端时与物体分离，即多个支撑元件的粉末压坯。在一些附加的示例性实施方式中，固化的油墨可以在被界定的多个区域中被施加用作为一负性掩模。当多个层被压实时，所述负性掩模可以防止多个粉末颗粒之间的内聚。在一些附加的示例性实施方式中，固化的油墨可被施加以在多个层被建构时改变所述多个层的块中的多个被界定的位置中的机械性能。在一些示例性实施方式中，固化的油墨的图案还被界定以区分或形成两个或更多个不同模型或模型部件(例如：多个可用模型的粉末压坯)之间的一边界。
根据一些示例性实施例的一方面，提供了一种用于建构包括一三维生坯可用模型的一生坯块的增材制造系统，所述系统包含：一打印站，被配置为在一建构盘上打印一图案，其中所述图案是通过选择性地沉积一固化的非粉末的材料而形成的，所述固化的非粉末的材料通过描迹每层待打印的一可用模型的一周围，并描迹所述可用模型的周围的一支撑区域的多个离散部分来形成一分区；一粉末输送站，被配置为在所述图案上施加一层粉末的材料；一压实站，被配置为压实所述每层粉末的材料，其中所述压实站包括用于接收所述层的一模具；一平台，被配置为将所述建构盘重复地推进至所述打印站、所述粉末输送站及所述压实站中的每一个，以建构多个层，所述多个层共同形成所述生坯块。
可选地，所述固化的非粉末的材料是一固化的油墨，选自于由一热敏油墨、一可光固化的油墨、蜡或其任意组合所组成的群组。
可选地，所述多个离散部分包括多个不同尺寸的部分。
可选地，所述多个离散部分的一部分成形为菱形。
可选地，基于到所述可用模型的距离及所述离散部分的尺寸来界定围绕一离散部分的一迹线的宽度。
可选地，所述离散部分被界定为具有一选定的脱模角度。
可选地，所述多个离散部分中的至少一个是使用固化的非粉末的材料的一抖动来被图案化的。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动被配置为在所述固化的非粉末的材料去除之后，避免所述粉末的材料的粘结。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动占所述多个离散部分高达50％。
可选地，所述多个离散部分中的抖动的一百分比是基于一离散部分距所述建构盘的一角的距离。
可选地，所述多个离散部分使用所述固化的非粉末的材料而被抖动。
可选地，所述建构盘的四个角形成有所述固化的非粉末的材料的柱。
可选地，所述系统还包含至少一个延伸通过多个层的固化的非粉末的材料的柱。
可选地，通过描迹所述可用模型的一周围而形成的一分区被界定为包括多个间隙。
可选地，所述多个间隙窄于100微米。
根据一些示例实施例的一方面，提供了一种使用一固化的非粉末的材料形成的图案，包含：描迹每层待打印的一可用模型的一周围的一分区；以及
描迹一支撑区域的多个离散部分的多个分区。
可选地，所述固化的非粉末的材料是一固化的油墨，所述固化的油墨选自于由一热敏油墨、一可光固化的油墨、蜡或其任意组合所组成的群组。
可选地，所述多个分区描迹出多个不同尺寸的离散部分。
可选地，所述多个离散部分的一部分成形为菱形。
可选地，基于到所述可用模型的距离及所述离散部分的尺寸来界定围绕一离散部分的一迹线的宽度。
可选地，所述离散部分被界定为具有一选定的脱模角度。
可选地，所述多个离散部分中的至少一个是使用所述固化的非粉末的材料的一抖动来被图案化的。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动被配置为在所述固化的非粉末的材料去除之后，避免所述粉末的材料的粘结。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动占所述多个离散部分高达50％。
可选地，所述多个离散部分中的抖动的一百分比是基于一离散部分距其上建构有所述可用模型的一建构盘的一角的距离。
可选地，所述多个离散部分使用所述固化的非粉末的材料而被抖动。
可选地，在其上建构有所述可用模型的一建构盘的四个角形成有所述固化的非粉末的材料的柱。
可选地，所述图案包含至少一个延伸通过多个层的固化的非粉末的材料的柱。
可选地，通过描迹所述可用模型的一周围而形成的一分区被界定为包括多个间隙。
可选地，所述多个间隙窄于100微米。
根据一些示例实施例的一方面，提供了一种用于增材制造包括一生坯可用模型的一生坯块的方法，所述方法包含：
在一建构盘上打印一图案，所述图案通过描迹每层待打印的所述可用模型的一周围，并描迹所述可用模型周围的一支撑区域的多个离散部分来形成一分区；其中所述图案是使用一固化的非粉末的材料来被打印的；在所述图案上施加一层粉末的材料；压实所述层的粉末的材料以及所述固化的非粉末的材料的图案；重复打印、施加及压实以建构多个层的所述生坯块；
去除所述非粉末的材料；以及将所述生坯可用模型与所述多个离散支撑部分分开。
可选地，所述方法包含烧结与多个离散的支撑部分分开的所述生坯可用模型。
可选地，所述固化的非粉末的材料是一固化的油墨，选自于由一热敏油墨、一可光固化的油墨、蜡或其任意组合所组成的群组。
可选地，所述多个离散部分包括多个不同尺寸的部分。
可选地，所述多个离散部分的一部分成形为菱形。
可选地，基于到所述可用模型的距离及所述离散部分的尺寸来界定围绕一离散部分的一迹线的宽度。
可选地，所述离散部分被界定为具有一选定的脱模角度。
可选地，所述多个离散部分中的至少一个是使用所述固化的非粉末的材料的一抖动来被图案化的。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动被配置为在所述固化的非粉末的材料去除之后，避免所述粉末的材料的粘结。
可选地，所述固化的非粉末的材料的抖动占至少一个所述离散部分高达50％。
可选地，所述多个离散部分中的抖动的一百分比是基于一离散部分距所述建构盘的一角的距离。
可选地，所述多个离散部分使用所述固化的非粉末的材料而被抖动。
可选地，所述建构盘的四个角形成有所述固化的非粉末的材料的柱。
可选地，所述方法包含至少一个延伸通过多个层的固化的非粉末的材料的柱。
可选地，通过描迹所述可用模型的一周围而形成的一分区被界定为包括多个间隙。
可选地，所述多个间隙窄于100微米。
除非另有定义，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所理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可以用于本发明的实施例的实践或测试中，但是下文描述了示例性方法及/或材料。如有抵触，以专利说明书及其定义为准。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是根据本发明的一些实施例的一示例性增材制造系统的一简化示意图；
图2是根据本发明的一些实施例的一示例性的每层建构过程的一简化示意图(侧视图)；
图3是根据本发明的一些实施例的一示例性的循环的层建构过程的一简化方块图；
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松开及压缩状态下的一简化示意图(侧视图)；
图5是根据本发明的一些实施例的用于打印每层的图案以定义物体的一示例性的打印机的一简化方块图；
图6是根据本发明的一些实施例的在一层中的被打印的一图案的表示的一简化示意图(俯视图)；
图7是根据本发明一些实施例的三个被打印的层的表示的一简化示意图(侧视图)；
图8是根据本发明的一些实施例的形成在一层中的另一示例性的图案的一简化示意图(俯视图)；
图9是根据本发明的一些实施例的包括一负性掩模区域的一示例性的图案的一简化示意图(俯视图)；
图10是根据本发明的一些实施例的一粉末层内的一示例性的图案的一图像(俯视图)；
图11是根据本发明的一些实施例的由固化的油墨形成的一示例性的分区的一简化示意图(侧视图)；
图12A及图12B是根据本发明的一些实施例的分别以俯视图及侧视图示出的示例性的柱的简化示意图，所述示例性的柱由固化的油墨通过层而形成；
图13是根据本发明的一些实施例的由固化的油墨形成在多个层上的示例性的多个锚的一简化示意图(侧视图)；
图14是根据本发明的一些实施例的使用粉末的材料进行增材制造的一示例性的方法的一简化流程图；以及
图15A、15B、15C、15D、15E及15F示出使用本文所述的增材制造方法及设备制造的示例性的物体。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中，本发明涉及使用多个粉末的材料层的三维打印，并且更具体地但非排他地涉及多个使用粉末的金属的金属物体的三维打印。
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，例如固化的油墨所形成的一图案。
术语“打印块”是指三维喷墨打印系统或站的一部分，尤其是容纳喷墨打印头的部分。
根据本公开的一些实施例的一方面，提供了一种使用多个粉末层进行增材制造的系统及方法。在一些示例性实施例中，一铝合金粉末被用作建构材料。可选地，可以使用其他材料，例如纯铝、其他金属粉末、陶瓷材料、聚合物材料以及不同类型材料的组合。根据一些示例性实施例，相同的粉末材料用于建构物体及支撑物体。例如，在层建构过程中，粉末可以用作建构物体的多个负斜面或物体中包含的多个中空体积的一支撑。可选地，在层建构过程末端时，形成一生坯块，所述生坯块包括嵌入其中的一图案，所述图案界定一个或多个元件，例如，多个可用模型的粉末压坯及多个支撑元件的粉末压坯。可选地，在层建构过程末端时并且在将多个可用模型的粉末压坯与多个支撑元件的粉末压坯分离之前，将压实施加于生坯块。然后可烧结例如多个可用模型的粉末压坯以完成所述物体。
根据本发明的一些实施例，提供了一种使用由固化的非粉末的材料界定的图案来建构三维物体的增材制造系统及方法。
根据一些实施例中，固化的非粉末的材料是一固化的油墨。如本文所用，术语“固化的油墨”是指在环境温度下为固体且在打印时为液体的一油墨材料。固化的油墨的非限制性例子包括蜡、光固化聚合物、热敏油墨(或相变油墨)及其任何组合。如本文所用的热敏油墨及相变油墨是可互换的术语，并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一材料。基本上，没有碳痕可定义为小于5wt％或小于1wt％。在一些示例性的实施例中，热敏油墨的熔融温度为55-65℃，工作温度为约65-75℃，粘度可在15-17cPs之间。根据本发明的实施例，热敏油墨被配置为响应加热而蒸发，且几乎没有或没有碳痕。
根据本发明的一些实施例，所述系统包括一建构盘、一三维打印机，用于以一固化的非粉末的材料打印一图案、一粉末分配器，具有一涂布器，用于将粉末的材料施加到图案上、以及一工艺压实件，用于逐层压实层。根据一些示例性的实施例，一控制的线性驱动器可以将所述建构盘重复地推进到所述三维打印机、所述粉末分配器及所述工艺压实件中的每一个，以建构多个层。在一些示例性的实施例中，所述系统包括一附加压实件，用于压实生坯块，例如在生坯块建构过程末端时。可选地，通过在一专用加热过程中加热来蒸发固化的非粉末的材料的图案，并去除多个支撑区域以从生坯块中取出多个可用模型的粉末压坯。可选地，将多个可用模型的粉末压坯在一炉烧结件中进行烧结。在特定的实施例中，在烧结过程中将固化的非粉末的材料燃烧并且将多个层合并。
根据一些示例性的实施例，所述三维打印机是一喷墨打印机，并且所述固化的非粉末的材料是一固化的油墨。所述固化的油墨被选择性地沉积以描迹每个层的一图案，所述图案可包括各种结构元素，例如线、点、角、虚拟元素及边界。在特定的实施例中，经打印的图案描迹要建构的(多个)模型的一周围，并且还将支撑区域划分为多个离散部分，所述多个离散部分随后可以与多个可用模型的压坯分离。所述多个离散部分的形状及大小都可以相对于它们与所建立的(多个)模型(即：可用模型)的接近程度来被界定。在一些示例性的实施例中，基于与模型的接近度以及周围、相邻或相近的离散部分的尺寸来选择界定周围的固化的油墨元件的厚度。可选地，固化的油墨被界定为在多个层上或通过多个层形成菱形图案。在一些示例性的实施例中，固化的油墨被界定为基于物体的几何形状以一限定的脱模角度来建构支撑的一离散部分。
根据一些示例性的实施例，三维打印还可被应用于将粉末内的固化的非粉末的材料在每层的支撑区域中抖动，以形成可防止或减弱压实期间粉末颗粒之间的内聚力的一负性掩模。这种负性掩模可暂时用于建构内部具有狭窄的空洞(例如：管子或管道)或具有小孔的空腔的模型。在这种情况下，一旦固化的非粉末的材料蒸发，残留的粉末就可以很容易地从管子或空腔中去除。在一些另外的示例性的实施例中，可以在支撑区域中施加抖动以增强粉末层及/或支撑在整个建构盘的界定位置中的多个层之间的粘附。可选地，用于抖动的固化的非粉末的材料具有与用于打印图案元件的固化的非粉末的材料不同的成分，所述图案元件界定了模型周围的边界(即：界定了模型的轮廓)以及在支撑材料的各部分之间的边界。
在一些示例性的实施例中，在第一层的粉末被分配在建构盘上之前，三维打印机还可被应用于在建构盘的整个面积上打印一层固化的非粉末的材料。所述固化的非粉末的材料的层可以稳固(多个)第一层的粉末，并且还可以在建构过程末端时使生坯块与建构盘分离。
在一些示例性的实施例中，三维打印机也可以被应用于沿着多个层的块的一高度使用固化的非粉末的材料来建构支撑的柱。
在一些示例性的实施例中，三维打印机包括多个喷墨打印头，所述多个喷墨打印头组装在一扫描打印块上，所述扫描打印块在建构盘上方移动以在打印期间扫描层，同时所述建构盘保持静止。可选地，可使用一精密平台在扫描方向上推进所述建构盘，同时所述多个喷墨打印头块在所述方向上保持静止并在正交方向上移动，或者完全静止。在一些实施例中，一特定层的整个图案可被单次打印。
根据一些示例性的实施例，整个层的建构过程可在环境温度下被执行。在环境温度下操作的能力通常与较低的操作成本以及降低的系统成本相关联。在高温下运行通常需要采取更多的安全措施，而这些措施通常会带来更高的成本。
根据一些示例性的实施例，在生坯块建构过程完成之后，整体的多个层可在更高的压力及/或温度下在一第二压实件中再次被压实，并且还持续更长的持续时间。可选地，不需要第二压实件。
已知使用铝建构是有利的，因为铝的重量轻、导热及导电，并且相对耐腐蚀。通常，铝的熔化温度较低。使用铝粉建构的挑战之一是粉末的铝颗粒易于形成一氧化铝涂层，例如氧化铝。氧化铝涂层在铝颗粒之间引入一阻挡层，所述阻挡层在烧结期间干扰颗粒的结合。最终结果通常是由于粉末状的元素之间的不良粘合而导致强度降低的物体。多个生坯可用模型的压实可通过破坏氧化铝层以暴露铝及允许粉末材料的铝颗粒之间直接接合来促进烧结过程中的粘结。
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局限于以下描述中阐述及/或在附图或图像中示出的部件及/或方法的构造及布置的细节。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，其示出了根据本发明一些实施例的一种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，增材制造系统100被整合在一工作平台500上。根据本发明的一些实施例，工作平台500包括一精密平台250，一建构盘200在所述精密平台250上被推进通过多个站以形成一生坯块，例如多个层的一块15，一次一层。通常，精密平台250是一线性平台，例如一X-Z平台，提供沿着一单个轴，例如X轴运动，同时建构一层，并在垂直方向(Z轴)上提供移动以调整盘200的高度，例如当增加每个新的层时，降低盘200。
根据本发明的一些实施例，工作平台500包括一打印平台站30，用于打印一非粉末的材料的一图案，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层，及一压实站40，用于压实粉末层，所述粉末层可选地包括一打印图案。通常，对于每一层，建构盘200推进到每个站，然后重复过程，直到所有层皆被打印。在一些示例性的实施例中，盘200沿一个方向被推进，且在打印平台站30停止，然后在粉末分配站10、粉末涂布站20及压实站40停下反转方向。根据本发明的一些实施例，一控制器300控制工作平台500上的每个站的运作，并通过盘200在精密平台250上的定位及/或移动来协调每个站的运作。通常，控制器300包括及/或关联于存储器及处理器的能力。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。
在一些示例性的实施例中，一附加压实站60在150-350百万帕的压力下以及可选地在高达430℃的温度下压实整体的层1-6分钟。所述附加压实站还可使模具压实，其保持Z轴精度。可选地，是附加压实站60压实多个层的块以形成一生坯块，其包括后处理之前的多个可用模型的粉末压坯及多个支撑元件的粉末压坯。可替代地，压实站40在层建构过程期间或层建构过程末端时完成压实。
通常，烧结站70及可选的附加压实站60是与工作平台500分开的独立站。可选地，多个层15的块被手动定位到烧结站70及/或附加压实站60中，而非通过精密平台250。可选地，附加烧结站使用例如惰性气体源510提供用于烧结的惰性环境。可选地，惰性气体源510是一氮气源。
可选地，每个附加压实站60及烧结站70具有一独立的控制器，用于操作每个相应站。
根据一些示例性的实施例，在烧结之前，由固化的非粉末的材料形成的图案在一专用的加热过程中通过加热而蒸发，并且多个支撑部分被去除以分离多个可用模型的粉末压坯。加热温度可在100℃-150℃或最高200℃。固化的非粉末的材料可被配置为在这样的温度下蒸发而基本上没有碳痕迹。可选地，在一个或多个压实阶段完成之后进行加热。然后多个可用模型的粉末压坯可被烧结，以形成最终物体。
可以在一附加压实阶段之后进行炉烧结。烧结的温度及持续时间通常取决于所使用的粉末的材料，并可选地取决于要制造的物体的尺寸。在一些示例性的实施例中，粉末的材料是铝。炉烧结过程的第一阶段可以在300至400℃的温度下进行20至180分钟。在此阶段，烧结炉环境可以是惰性的(氮气)或通气的。较高温度下的烧结通常可以在氮气环境中进行。可选地，对于铝粉，物体可以在570℃至630℃的温度下60至180分钟。例如，对于不锈钢粉末，温度可能达到1250℃。不锈钢的烧结所需的气体是还原性气体，例如氢，而非惰性气氛。可选地，烧结炉能够以2-20℃/分的速度改变温度。通常，烧结在多个阶段中进行，每个阶段是在界定的温度及界定的时间区段下。在一些特定的实施例中，使用可固化的光聚合物在多个层的块内形成一图案，烧结阶段可以用于燃烧光聚合物，从而可使模型脱离周围的多个支撑部分。
在一些示例性的实施例中，本文所述的增材制造系统100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层的一生坯块的估计的建构时间可以是约4小时。建构在建构盘200上的一块15可包括多个被嵌入的可用模型，例如，1-15个物体。块15的一示例性面积可以是20×20公分。
现在参考图2，其示出了根据本发明一些实施例的示例性的一每层建构过程的一简化示意图。图2示出了在一示例性的第一层502及第二层504之上建构一示例性的第三层506的过程。在一些示例性的实施例中，使用一三维打印机在每层分配一图案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形成，例如，一固化的油墨。图案510可物理地接触一个或多个先前的层中的一图案510，例如层504及502，或者可以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基本上相同，或者可以可选地低于所述层的高度，例如，层504中的图案510的部分510A。
根据一些示例，粉末51被涂布在图案510上及整个建构盘200的一面积。在一些示例性的实施例中，粉末51使用一辊25而被涂布。可选地，辊25经致动以既绕其轴24旋转又沿一X轴在整个建构盘200上移动。一旦粉末51被涂布在盘200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，层506的高度减小，可选地，以及先前的层502及504。
现在参考图3，其示出了根据本发明一些实施例的用于建构多个层的一示例性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坯块内逐层建构一物体(即：一可用模型的一粉末压压)。循环过程的每个循环可包括以下步骤：在一打印平台站30上打印一图案(方块250)；在分配站10及涂布站20(可选地组合成一单个“粉末输送站”)上分配(方块260)及涂布(方块270)一粉末的材料在所述图案上，并在一压实站40压实包括所述图案的粉末的层(方块280)。在一些示例性的实施例中，所述图案由一固化的非粉末的材料例如一固化的油墨形成。压实可包括每层模压。根据本发明的实施例，每个循环形成生坯块的一个层，并且所述循环经重复直到所有的层已被建构。可选地，一个层或多个层可不需要一图案，并且可以从经选择的层中排除打印所述图案的步骤(方块250)。可选地，一个层或多个层可不需要粉末的材料，并且分配及涂布一粉末的材料的步骤(方块260及270)可以从经选择的层中排除。所述循环过程产生一生坯块，所述生坯块包括一个或多个可用模型的粉末压坯、一个或多个支撑元件的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具压实站的一简化的示意图。一压实站40可包括一活塞42，所述活塞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升高，并可选地将杆42A推入工作平台500或精密平台250中，并朝向位于盘200上方的一表面45抬起建构盘200。杆42A可起到减小活塞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，则壁43在层300的周围闭合，以在压实期间保持层300的一恒定面积。
建构盘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，所述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。重力及弹簧47可在压实层300之后用于降低活塞42。
可施加高达250百万帕或300百万帕的一压力来压实一层。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，从而实现所述层的永久变形。可选地，压实提供了将层的相对密度增加到粉末材料的加工密度的约70％至75％。对于几种合金，相对密度可达到加工密度的90％。可选地，压实可将一层的厚度减少多达25％。可选地，施加约30-90百万帕的一压实压力。可选地，压实在室温下进行。
在一些实施例中，可加热上表面45，例如在压实期间使用一加热元件44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，上表面45被加热至150℃的温度，例如150℃-200℃。通常在压实温度和压力之间需要权衡。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5，其示出了根据本发明一些实施例的一示例性的三维打印系统的一简化的示意图。根据本发明的一些实施例，打印平台站30包括一喷墨打印头35，所述喷墨打印头35基于一所产生的图案数据39沉积一固化的油墨32。通常，所述图案由存储在存储器中的图案数据39被界定。通常，图案数据是通过一计算机辅助设计软件程序或其他所生成的。
在一些示例性的实施例中，打印头35是固定的，并且打印机控制器37与系统控制器300一起控制在盘200在打印头35下方推进时沉积固化的油墨32的定时。可选地，打印头35安装在一Y轴平台上，并在垂直于盘200的方向上移动。可选地，盘200在打印期间是固定的，并且打印头35由一X、Y或XY平台支撑，以在一个或多个方向上移动打印头35。通常，打印头35包括多个喷头的一阵列，固化的油墨通过所述多个喷头的阵列被选择性地沉积。
现在参考图6，其示出了根据本发明一些实施例的打印在建构盘(或一先前的上层表面)上的一个图案层的一简化的示意图(俯视图)。根据本发明的一些实施例，打印头35在每一层中使用固化的油墨打印界定正在形成的模型的一轮廓150的一图案。通常，第一图案层被打印在建构盘200或其他建构表面上。在一些示例性的实施例中，打印头另外打印从轮廓150向建构盘200的边缘或建构盘200的边缘处的沟槽250延伸的多个图案线155。在一些示例性的实施例中，层内的固化的油墨的图案的多个图案线155被界定为将轮廓150外部的粉末(即在支撑区域中)划分为多个不连续的部分，以使轮廓150外部的区域在生坯块建构过程末端时可轻易地与模型分离。
现在参考图7，其示出了根据本发明一些实施例的用于形成一物体的三个打印层的一简化的示意图。根据本发明的一些实施例，在一个层300上构图的固化的油墨510可以与在一随后的层300上构图的固化的油墨510物理接触，以形成穿过多个层300的一连续边界。由多个堆叠的图案510形成的所述连续边界可在生坯块建构过程末端时界定模型的一三维轮廓，并且还可以界定多个支撑部分。
现在参考图8，其示出了根据本发明的一些实施例的在一层中形成一示例性的图案以建构一三维物体的一简化的示意图。根据示例性的实施方式，固化的非粉末的材料例如一固化的油墨，描迹一物体750的一轮廓150，并且还通过多个构图线155将支撑区域划分为易于在生坯块建构过程末端时与物体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，其更仔细地考虑了物体750的几何形状，并且在生坯块建构过程末端时促进多个支撑部分720与物体750的分离。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脱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界定使物体易于分离于生坯块。多个较小的支撑部分720可被界定在物体750的一表面的附近，并且多个较大的支撑部分710可被界定为远离物体750的表面。
现在参考图9，其示出了根据本发明一些实施例的包括一负性掩模区域的一示例性的图案的一简化的示意图。可以在难以去除固化的支撑部分的界定区域中施加负性掩膜，例如在物体界定的空腔内。负性掩模形成一支撑部分730，所述支撑部分730在固化的非粉末去除之后将保持粉末状态，从而易于从空腔中移除(即：与在处理过程中固化成离散的部分的其他支撑区域相反)。根据一些示例性的实施例，通过在一界定的支撑部分730中抖动固化的非粉末材料来形成负性掩膜。抖动的程度可以在层中的固化的非粉末的材料的5-50％或5-100％之间的范围内。通常，固化的非粉末的材料的一分区将负性掩模与物体分开。一层的一些部分可以使用负性掩模图案化，而其他部分可包括将支撑区域分隔成多个离散的支撑部分710的一图案。
现在参考图10，其示出了根据本发明一些实施例的在一粉末层内的一固化的非粉末材料，例如一固化的油墨的一示例性的一图案的一图像。由固化的非粉末的材料所建构的结构元件显示为白线或点，而粉末的材料显示为黑色。灰色区域包括粉末的材料中的固化的非粉末的材料的一抖动。在一些示例性的实施方式中，形成围绕物体的轮廓150的固化的非粉末的材料的多个壁或多个分区相较于离散的支撑部分的周围的壁或构图线155来得厚，离散的支撑部分例如部分710、720及725。较厚的壁有助于以较小的力分开多个周围部分，而较薄的壁则使用较少的固化的非粉末的材料。在一些示例性的实施方式中，可期望选择性地限制用于建构多个分区的非粉末的材料的量。多个固化的非粉末的材料的分区可减少与多个分区相邻的粉末的压缩，因为固化的非粉末的材料基本上不可压缩。此外，大量的固化的非粉末的材料可在压力下引起分区的弯曲及变形。
可选地，多个较小的支撑部分720可被界定在围绕物体750的多个支撑区域中，并且所述多个支撑部分的尺寸在它们与一物体750相距遥远时可以增加，例如支撑部分725及710。与移除多个大的支撑部分710相比，多个较小的支撑部分720以及多个支撑部分725可以更紧密地跟随物体的形状，并且可以以较小的力与物体分离。多个较小尺寸的支撑部分720及多个可能的支撑部分725也可以定位在物体750内形成的空腔中，从而可以通过空腔的多个开口将支撑去除。在一些示例性的实施方式中，在多个支撑区域中界定多个菱形的支撑部分以分隔支撑区域。
根据一些示例性的实施方式，固化的非粉末的材料在经选择的整个支撑区域上抖动，例如支撑部分710。固化的非粉末的材料的抖动可作为一粘合剂，其可帮助将粉末保持在一起，特别是在压实过程中压力较低的区域。可选地，抖动的量可以被界定为在整个建构盘上变化，其中在建构盘的角附近有更多的抖动，而朝向建构盘的中心区域的抖动较少。通常，仅支撑区域使用固化的非粉末的材料抖动。可选地，抖动可占层的体积的5％至50％或5％至100％。可选地，抖动是在一界定区域上施加的固化的非粉末的材料的滴的一随机的图案。
现在参考图11，其示出了根据本发明的一些实施例的由固化的非粉末的材料形成的一示例性分区的一简化的示意图。固化的非粉末的材料的三个示例性的层被示出。在一些示例性的实施例中，由固化的非粉末的材料810形成的多个分区可包括多个经界定的间隙820。可选地，所述多个间隙820在60-100微米宽或约80微米宽之间。所述多个狭窄的间隙820可被界定使得在固化的非粉末的材料的图案810上的粉末涂布期间，相对少的粉末或没有粉末会渗透到所述多个间隙820中。所述多个间隙可以为所述分区增加一可压缩的特性。响应压力，固化的非粉末的材料可弯曲或塌陷到所述多个间隙中。这可以使邻近所述多个分区的粉末适当地压缩。
间隙820被示出为跨层交错。可选地，交错可用于限制可能渗入到间隙820中的粉末的量。可选地，每个层可包括被密封的间隙，使得粉末不能穿透所述间隙。
现在参考图12A及图12B，其示出了根据本发明的一些实施例分别以一俯视图及侧视图示出的示例性的柱的简化示意图，所述示例性的柱由固化的非粉末的材料通过多个层而形成。在压实期间施加在建构盘上的压力通常在整个建构盘200上可能不均匀。通常，压力的分布可以由多个同心等压线830界定。由于压力的变化及建构盘200的正方形形状，建构盘200的角处的压力最低，因此压实在角处最低。在一些示例性的实施例中，固化的非粉末的材料的柱840可被建构在角处。柱840可包括粉末及固化的非粉末的材料的一混合物，例如具有50-100％之间的固化的非粉末的材料。固化的非粉末的材料可为角提供机械支撑。根据一些示例性的实施例，除了柱840之外或代替柱840，固化的非粉末材料在整个建构盘200的支撑区域中以不同的浓度抖动。可选地，用于支撑区域的固化的非粉末的材料的浓度可以从建构盘的边缘(以相对较高的抖动浓度进行图案化)朝向中心区域(以相对较低的抖动浓度进行图案化)线性变化，例如跟随同心等压线830。可选地，所述变化是在边缘及一界定的中心区域之间，并且在界定的中心区域中在支撑区域中施加一恒定浓度的抖动。
现在参考图13，其示出了根据本发明的一些实施例的多个示例性的锚的一简化示意图，所述多个示例性的锚由固化的非粉末的材料通过多个层而形成。根据一些示例性的实施例，施加一个或多个通过多个层由固化的非粉末的材料或固化的非粉末的材料与粉末的一混合物所形成的锚850，以防止例如在所述建构盘200上方的下部860中多个层的分离，其通常不包括物体750，因此可不包括固化的非粉末的材料的一图案。包括物体750的层与部860中不包括物体750的基层之间的机械性能的差异可能导致一应变，所述应变将导致底层与上层的分离。可选地，从物体750移开的一个或多个锚850可在层建构过程中增加多个层之间的结合。
现在参考图14，其示出了根据本发明的一些实施例的使用粉末的材料进行增材制造的一示例性的方法的一简化流程图。根据一些示例性的实施例，三维打印系统建构多个层的一块，即，包括由多个生坯支撑部分包围的一个或多个生坯物体的一生坯块(方块905)，即，多个可用模型的粉末压块及多个支撑元件的粉末压块。多个可用模型的粉末压坯及多个支撑元件的粉末压坯均可由一粉末的材料形成，例如相同的粉末的材料。在建构过程末端时，所述生坯块可进行一附加的压实过程(方块910)。所述附加的压实可以被配置为使块的密度达到加工材料密度的95％或更高。可选地，压实在大约2,500巴下进行。可选地，通过一冷等静压工艺进行附加的压实。可选地，压实在多个循环中进行。
然后可去除所述固化的非粉末的材料(方块915)。去除可基于将所述生坯块加热至所述固化的非粉末的材料被蒸发的一温度。可选地，在此过程中，可将所述块升高到100-150℃之间的一温度。
在去除固化的非粉末的材料之后，可将所述多个支撑元件与所述块中的一个或多个可用模型相分离(方块920)。可选地，用手手动移除所述多个支撑元件。在其他示例性的实施例中，可基于将所述生坯块浸入一液体中，例如水而去除所述多个支撑元件。然后，经分离的所述多个生坯可用模型可被烧结(方块925)。烧结温度可在600℃左右或更高。烧结将所述多个生坯可用模型转换为一最终的三维物体。
现在参考图15A、15B、15C、15D、15E及15F，其示出了使用本文所述的增材制造方法及装置制造的三维物体的例子。可以看出，可以使用本文所述的方法以相对较高的精度来建构具有复杂几何形状及小通道的物体。
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)”是指包括幷且限于。
术语“本质上由......组成”指的是组成物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件，但仅当额外的成分、步骤及或部件实质上不改变所要求保护的组成或方法的基本及新颖特性。
可以理解，为清楚起见，在分开的实施例的内文中所描述的本发明中的某些特征，也可以在单个实施例中组合提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单个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，除非所述实施例没有那些元素就不起作用。

Claims (23)

1.一种用于建构包括一三维生坯的物体的一生坯块的增材制造系统，其特征在于：所述系统包含：
一打印站，被配置为在一建构盘上打印一图案，其中所述图案是通过选择性地沉积在环境温度下为固体而在打印时为液体的一固化的油墨而形成，并且所述固化的油墨通过描迹每层待打印的所述物体的一周围，并描迹所述物体的周围的一支撑区域的多个离散部分来形成一分区，其中所述固化的油墨选自于由一热敏油墨、一可光固化的油墨、蜡或其任意组合所组成的群组，并且基于到所述物体的距离及所述离散部分的尺寸来界定围绕一离散部分的一迹线的宽度；
一粉末输送站，被配置为在所述图案上施加一层粉末的材料；
一压实站，被配置为压实所述每层粉末的材料，其中所述压实站包括用于接收所述层的一模具；以及
一平台，被配置为将所述建构盘反复地推进至所述打印站、所述粉末输送站及所述压实站中的每一个，以建构多个层，所述多个层共同形成所述生坯块，其中对于每一层，所述平台首先将所述建构盘推进至所述打印站，然后到所述粉末输送站，并且然后到所述压实站。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述多个离散部分包括多个不同尺寸的部分。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述多个离散部分的一部分成形为菱形。
4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述离散部分被界定为具有一选定的脱模角度。
5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述多个离散部分中的至少一个是使用固化的油墨的一抖动来被图案化的。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述固化的油墨的抖动被配置为在所述固化的油墨去除之后，避免所述粉末的材料的粘结。
7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述多个离散部分使用所述固化的油墨而被抖动。
8.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述建构盘的四个角形成有所述固化的油墨的柱。
9.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述系统还包含至少一个延伸通过多个层的固化的油墨的柱。
10.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：通过描迹所述物体的一周围而形成的一分区被界定为包括多个间隙。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述多个间隙窄于100微米。
12.一种用于增材制造包括一生坯物体的一生坯块的方法，其特征在于，所述方法包含：
在一建构盘上打印一图案，所述图案通过描迹每层待打印的所述物体的一周围，并描迹所述物体周围的一支撑区域的多个离散部分来形成一分区；其中基于到所述物体的距离及所述离散部分的尺寸来界定围绕一离散部分的一迹线的宽度，并且其中所述图案是使用一固化的油墨来被打印的，所述固化的油墨在环境温度下为固体而在打印时为液体；
在所述图案上施加一层粉末的材料；
压实所述层的粉末的材料以及所述固化的油墨的图案；
重复打印、施加及压实以建构多个层的所述生坯块；
去除所述固化的油墨；
将所述生坯物体与所述多个离散的支撑部分分开；以及
烧结与所述多个离散的支撑部分分开的所述生坯物体。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述固化的油墨选自于由一热敏油墨、一可光固化的油墨、蜡或其任意组合所组成的群组。
14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述多个离散部分包括多个不同尺寸的部分。
15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述多个离散部分的一部分成形为菱形。
16.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述离散部分被界定为具有一选定的脱模角度。
17.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述多个离散部分中的至少一个是使用所述固化的油墨的一抖动来被图案化的。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述固化的油墨的抖动被配置为在所述固化的油墨去除之后，避免所述粉末的材料的粘结。
19.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述多个离散部分使用所述固化的油墨而被抖动。
20.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述建构盘的四个角形成有所述固化的油墨的柱。
21.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：所述增材制造方法还包含至少一个延伸通过多个层的固化的油墨的柱。
22.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：通过描迹所述物体的一周围而形成的一分区被界定为包括多个间隙。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于：所述多个间隙窄于100微米。
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