CN110640948B - 生成三维对象 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生成三维对象。能量可施加于建造材料的层，以促使层的第一部分以第一图案聚结和固化。冷却剂可选择性传送到建造材料的层的第二部分上，以便以第二图案降低第二部分的温度，第一图案和第二图案彼此独立。

Description

生成三维对象
本申请是申请日为2014年1月31日、申请号为201480073360.2(国际申请号PCT/US2014/014044)且名称为“生成三维对象”的发明的分案申请。
技术领域
本发明涉及三维对象生成技术，特别涉及一种用于生成三维对象的装置和方法。
背景技术
已提议将基于逐层生成三维对象的增材制造系统用作生产少量的三维对象的潜在便利方式。
由这样的系统生产的对象的质量可依据所使用的增材制造技术的类型而有很大不同。一般而言，低质量和低强度的对象可使用较低成本的系统生产，而高质量和高强度的对象可使用较高成本的系统生产。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于实施概念服务的方法和装置。
一种用于生成三维对象的装置，该装置包括：
能量源，用于向建造材料的层施加能量，以促使该层的第一部分聚结和固化；以及
剂分布器，用于将冷却剂选择性传送到建造材料的层的第二部分上；以及
控制器，用于：
控制所述能量源，以向该层施加能量，以促使所述第一部分以第一图案聚结和固化；以及
控制所述剂分布器，从而以从表示从该层测得的温度分布的数据或者表示由热处理模型预测的温度分布的数据得到的第二图案，选择性将所述冷却剂传送至该层的所述第二部分上，所述第一图案和所述第二图案彼此独立。
较佳的，所述的装置进一步包括温度传感器，所述温度传感器用于在传送所述冷却剂之前，获得表示从所述建造材料的层测得的温度分布的温度反馈，其中所述冷却剂基于所述测得的温度分布选择性传送。
较佳的，其中所述控制器用于在控制所述剂分布器来传送所述冷却剂之前，基于热处理模型确定所述建造材料的层的温度分布，其中所述控制器用于控制所述剂分布器以基于所述温度分布选择性传送所述冷却剂。
较佳的，其中所述控制器用于基于在选择性传送所述冷却剂之前所述建造材料的温度分布，确定要选择性传送以实现目标温度分布的冷却剂的量和位置。
较佳的，其中：
所述剂分布器或第二剂分布器中的至少一个用于将聚结剂选择性传送到该层的所述第一部分上，
其中所述控制器用于控制所述剂分布器或所述第二剂分布器，以选择性将所述聚结剂传送到该层的所述第一部分上，以促使所述第一部分在施加能量时聚结。
较佳的，其中：
所述剂分布器或所述第二剂分布器中的至少一个用于将附加的聚结剂选择性传送到该层的第三部分上，
其中所述控制器用于控制所述剂分布器或所述第二剂分布器，以将所述聚结剂选择性传送到该层的所述第三部分上，以促使所述第三部分在施加能量时被加温，而不导致所述第三部分由于所述附加的聚结剂和所述建造材料的组合而聚结。
较佳的，其中所述冷却剂包括水。
较佳的，其中所述控制器用于控制所述剂分布器来在控制所述能量源施加能量之前选择性传送所述冷却剂。
较佳的，其中所述控制器用于控制所述剂分布器来在控制所述能量源施加能量之后选择性传送所述冷却剂。
本发明还提供了一种用于生成三维对象的方法，该方法包括：
向传送的建造材料的层施加能量，以促使该层的第一部分以第一图案聚结和固化；以及
以从表示从该层测得的温度分布的数据或者表示由热处理模型预测的温度分布的数据得到的第二图案，将冷却剂选择性传送到所述建造材料的层的第二部分上，以降低所述第二部分的温度。
较佳的，所述的方法进一步包括获得温度反馈，所述温度反馈表示在传送所述冷却剂之前从所述建造材料的层测得的温度分布。
较佳的，所述的方法进一步包括：在传送所述冷却剂之前，基于由所述热处理模型预测的所述温度分布确定建造材料的层的温度分布。
较佳的，所述的方法，进一步包括：向所述建造材料的所述第一部分选择性传送聚结剂，以促使所述第一部分在施加能量时聚结。
较佳的，所述的方法，进一步包括：选择性传送所述冷却剂，以控制所述建造材料的期望聚结之处的机械特性。
本发明还提供了一种用于生成三维对象的方法，该方法包括：
传送建造材料的层；
将聚结剂选择性沉积到所述层的第一部分；
向所述层施加能量以促使具有所述聚结剂的所述第一部分以第一图案聚结和固化；以及
基于表示要选择性传送冷却液体的位置的数据，以从表示从该层测得的温度分布的数据或者表示由热处理模型预测的温度分布的数据得到的第二图案向所述层的第二部分选择性传送所述冷却液体，以降低所述建造材料的第二部分的温度，所述第一图案和所述第二图案彼此独立。
附图说明
参照附图描述一些示例。
图1是例示根据一些示例的生成三维对象的方法的流程图；
图2a是根据一些示例的增材制造系统的简化等距视图；
图2b是根据一些示例的增材制造系统的加热器的简化等距视图；
图3是例示根据一些示例的三维对象的方法的流程图；
图4a-d示出根据一些示例的建造材料的层的一系列剖面侧视图；
图5a-d示出根据一些示例的图4a-d的建造材料的层的一系列俯视图；以及
图6a-d示出根据一些示例的图4a-d的建造材料的层中的温度分布的一系列示意性俯视图。
具体实施方式
当由说明书或权利要求叙述时，以下词语理解为表示如下意思。单数形式的词“一”和“所述”意指“一个或多个”。词语“包含”和“具有”意在与词语“包括”一样具有相同的非排它性含义。
增材制造技术可通过建造材料的一个或多个连续层的部分的固化而生成三维对象。建造材料可以是基于粉末的，并且生成的对象的特性取决于建造材料的类型和所使用的固化机制的类型。
对象特性可取决于所使用的建造材料的性质，固化建造材料以形成期望的三维对象所用的过程，以及建造材料在这样的过程期间的温度。这样的特性可包括例如表面粗糙度、精确度和强度。
聚结剂是当合适量的能量施加于建造材料和聚结剂的组合时，会促使建造材料聚结和固化的材料。然而，在一些示例中，其上已经传送或已经渗入了聚结剂的建造材料吸收的能量也可能传播到周围的建造材料中。能量可能足以导致周围的建造材料变热。例如，能量可通过建造材料在当前层之下横向传播，和/或一旦施加至最新的层上就会传播到未来层中。当使用可具有相对低的热导率的建造材料时，这种效应可更严重，因为这会导致随着每个新创建的层的形成而在其表面下方形成储热库。然后，储热库中的热可在最新的层下，慢慢地横向传播穿过建造材料，和/或一旦施加至最新的层上就会传播到未来层中。
因此，建造材料可能被加热至适于导致建造材料软化和黏结的温度。该温度可高于或低于材料熔点。这会导致建造材料的本不打算固化的部分要在后续固化，并且这种效应在本文称为聚结渗出(coalescence bleed)。聚结渗出可导致例如所生成的三维对象的整体精确度降低。例如，变形可包括三维部分，例如从对象的侧部横向延伸的变形，以及从对象的底部之下延伸的变形。变形也可包括由于在建造材料上的不期望的温度分布或热传导效应而导致的固化中的较小的不规则。
相应地，本公开可允许创建三维对象，其中可通过在建造材料的合适部分上传送冷却剂而可降低聚结渗出效应。在一些示例中，冷却剂可施加于建造材料的层的所选部分。这可允许多余的热散去，促使建造材料的层具有匹配预定目标温度分布的温度分布，例如均匀或基本均匀的温度分布。这可降低建造材料的其上已经传送了冷却剂的部分的聚结程度。
图1是例示根据一些示例的生成三维对象的方法的流程图。在框102处，可向建造材料的层施加能量，以促使层的第一部分以第一图案聚结和固化。在框104处，可在建造材料的层的第二部分上选择性传送冷却剂，以便以第二图案降低第二部分的温度，第一图案和第二图案彼此独立。例如，可在施加能量之前或之后传送冷却剂。
图2a是根据一些示例的增材制造系统200的简化等距视图。系统200可如参照图3的流程图在以下进一步描述的那样，操作为生成三维对象。
在一些示例中，建造材料可以是基于粉末的建造材料。在本文使用时，词语基于粉末的材料意在包含干的和湿的基于粉末的材料，微粒材料和颗粒状材料。在一些示例中，建造材料可包括空气和固体聚合物微粒的混合物，例如以约40％的空气和约60％的固体聚合物微粒的比例。一种合适的材料可以是尼龙12，其可从例如西格玛奥德里奇(Sigma-Aldrich)有限责任公司得到。另一种合适的尼龙12材料可以是PA 2200，其可从电光系统EOS公司(Electro Optical Systems EOS GmbH)得到。合适的建造材料的其它示例可包括例如粉末状的金属材料、粉末状的复合材料、粉末陶瓷材料、粉末状的玻璃材料、粉末状的树脂材料、粉末状的聚合物材料等等，以及它们的组合。然而，应当理解，本文描述的示例不限于基于粉末的材料或以上列出的任何材料。在其它示例中，建造材料可以是糊或凝胶。根据一个示例，合适的建造材料可以是粉末状的半晶状热塑性材料。一些材料可具有低热导率，导致聚结渗出风险增大。例如，一些尼龙可具有室温下的约0.1W/mK的热导率和其熔点处的约0.2W/mK的热导率。
增材制造系统200可包括系统控制器210。本文公开的任何操作和方法可在增材制造系统200和/或控制器210中实施和控制。
控制器210可包括用于执行诸如本文的方法中描述的那些指令的处理器212。处理器212可例如是微处理器、微控制器、可编程门阵列、应用程序专用集成电路(ASIC)、计算机处理器等等。处理器212可例如包括单芯片上的多核、多芯片上的多核、多设备上的多核或其组合。在一些示例中，处理器212可包括至少一个集成电路(IC)、其它控制逻辑、其它电子电路或其组合。
控制器210可支持直接用户交互。例如，增材制造系统200可包括联接至处理器212的用户输入设备220，例如键盘、触摸板、按键、键区、拨号盘、鼠标、轨迹球、读卡器或其它输入设备中的一个或多个。附加地，增材制造系统200可包括联接至处理器212的输出设备222，例如液晶显示器(LCD)、打印机、视频监视器、触摸屏显示器、发光二极管(LED)或其它输出设备中的一个或多个。输出设备222可响应于指令来显示文本信息或图形数据。
处理器212可以经由通信总线214与计算机可读存储介质216通信。计算机可读存储介质216可包括单个介质或多个介质。例如，计算机可读存储介质216可包括ASIC的存储器和控制器210中的分立存储器中的一个或两个。计算机可读存储介质216可以是任何电、磁、光或其它物理存储设备。例如，计算机可读存储介质216可以是例如随机存取存储器(RAM)、静态存储器、只读存储器、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、硬驱、光驱、存储驱动、CD、DVD等等。计算机可读存储介质216可以是非瞬时性的。计算机可读存储介质216可存储、编码或携带计算机可执行指令218，当由处理器执行时，计算机可执行指令218可促使处理器212执行根据各种示例的本文公开的任意一种或多种方法或操作。例如，指令可用于向系统200的各种组件提供一个或多个控制信号，以执行本文描述的方法。
系统200可包括聚结剂分布器202，以将聚结剂选择性传送至在支持构件204上提供的建造材料的连续层。根据一个非限制性示例，合适的聚结剂可以是包括炭黑的墨类型的配方，例如可从惠普公司得到的商业上所知的CM997A墨配方。在一个示例中，这种墨可附加地包括红外光吸收体。在一个示例中，这种墨可附加地包括近红外光吸收体。在一个示例中，这种墨可附加地包括可见光吸收体。在一个示例中，这种墨可附加地包括UV光吸收体。包括可见光增强体的墨的示例为基于彩色墨的染料和基于彩色墨的颜料，例如商业上所知的可从惠普公司得到的CE039A和CE042A墨。
系统200也可包括冷却剂分布器206，以将冷却剂选择性传送至在支持构件204上提供的建造材料的层。冷却剂可用作降低建造材料的被传送了冷却剂之处的温度，如将更详细讨论的那样。在一些示例中，可将冷却剂选择为具有比建造材料的熔点低的沸点。建造材料的表面温度可取决于其是否经受来自加热器230和/或能量源226的加热。因此，冷却剂可选择为具有比在要传送冷却剂时建造材料的表面温度低的温度，以便可创建热梯度，来在冷却剂传送至建造材料时允许热向冷却剂转移。在一些示例中，冷却剂可选择为具有合适的蒸发压力、合适的热导率和/或合适的蒸发焓，以促使从建造材料快速热转移和随后的蒸发。
在一些示例中，呈现出合适的冷却效果的诸如液体之类的流体可用作冷却剂。在一个示例中，包括高比例的水的剂已被证明是合适的冷却剂。在一些示例中，冷却剂可以是无颜料的基于水的墨。在一些示例中，聚乙烯乙二醇可用作冷却剂。在其它示例中，可使用其它类型的冷却剂。
在一个示例中，支持构件204具有从约10cm乘10cm到100cm乘100cm范围内的维度。在其它示例中，支持构件204可具有更大或更小的维度。支持构件204可以是系统200的固定部分，或可不是系统200的固定部分，而是例如可移除模块的一部分。
剂分布器202和206可以是打印头，例如热打印头或压电喷墨打印头。打印头可以具有喷嘴阵列。在一个示例中，可使用诸如那些通常用在商业上可得到的喷墨打印机中的打印头。在其它示例中，剂可通过喷射喷嘴而非通过打印头传送。也可使用其它传送机制。
剂分布器202和206可用于选择性传送，例如沉积处于诸如液体之类的合适的流体的形式的聚结剂和冷却剂。在一些示例中，剂分布器202和206可选择为以300至1200点每英寸(DPI)，例如600DPI，的分辨率传送滴剂。在其它示例中，剂分布器202和206可选择为能够以更高或更低的分辨率传送滴剂。在一些示例中，剂分布器202和206可具有喷嘴阵列，通过喷嘴阵列，剂分布器202和206能够选择性的喷出流体滴。在一些示例中，喷嘴可能够在一个或多个位置以紧接的顺序喷出多滴。在一些示例中，每滴可以处于约10微微公升(pi)每滴的量级，尽管在其它示例中，可使用能够传送更高滴大小或更低滴大小的剂分布器202和206。在一些示例中，可使用能够传送可变大小的滴的剂分布器202和206。
在各种示例中，剂分布器202可以用于传送与从剂分布器206传送的冷却剂的滴相比具有较大、较小或相同大小的聚结剂的滴。
在一些示例中，聚结剂可包括液体载体，例如水或任何其它合适的溶液或分散剂，以使得其能经由打印头传送。
在一些示例中，打印头可以是按需滴落打印头。在其它示例中，打印头可以是连续滴落打印头。
在一些示例中，剂分布器202和206可以是系统200的集成部分。在一些示例中，剂分布器202和206可以是用户可替换的，在这种情况下，它们可被可移除地可插入到合适的剂分布器接收器或系统200的接口模块。
在一些示例中，可使用单个剂分布器，例如打印头，来选择性的传送聚结剂和冷却剂两者。例如，剂分布器的第一组喷嘴可配置为传送聚结剂，并且剂分布器的第二组喷嘴可配置为传送冷却剂。
在图2a中所例示的示例中，剂分布器202和206具有以所谓的页面宽度阵列配置使他们能够跨越支持构件204的整个宽度的长度。在一个示例中，这可通过适当排布多个打印头来实现。在其它示例中，可使用具有喷嘴阵列的单个打印头，喷嘴阵列具有使得它们能够跨越支持构件204的宽度的长度。在其它示例中，剂分布器202和206可具有不允许它们跨越支持构件204的整个长度的较短的长度。
剂分布器202和206安装在可移动载体上以使得它们能够跨支持构件204的长度沿所例示的y轴方向双向移动。这使能在单趟中跨支持构件204的整个宽度和长度选择性传送聚结剂和冷却剂。在其它示例中，剂分布器202和206可固定，并且支持构件204可相对于剂分布器202和206移动。
应当注意，本文使用的词语“宽度”一般性的用来表示平面中平行于图2a中所例示的x轴和y轴中的最短的维度，而本文使用的词语“长度”一般性的用来表示该平面中的最长的维度。然而，应当理解，在其它示例中，词语“宽度”与词语“长度”是可交换的。例如，在其它示例中，剂分布器202和206可具有使得它们跨越支持构件204的整个长度的长度，而可移动载体可跨支持构件204的宽度双向移动。
在其它示例中，剂分布器202和206不具有使得它们跨支持构件的整个宽度的长度，但附加地在所例示的x轴上跨支持构件204的宽度双向可移动。这种配置使能在多趟中跨支持构件204的整个宽度和长度选择性传送聚结剂和冷却剂。然而，诸如页面宽度的阵列配置之类的其它配置可使得能更快地创建三维对象。
聚结剂分布器202可包括聚结剂源或者可以可连接至分立的聚结剂源。冷却剂分布器206可包括冷却剂源或者可以可连接至分立的冷却剂源。
系统200进一步包括建造材料分布器224，以在支持构件204上提供，例如传送和/或沉积建造材料的连续层。合适的建造材料分布器224可包括例如刮片和滚筒。建造材料可从储料器或建造材料仓库供应至建造材料分布器224。在示例中示出建造材料分布器224跨支持构件204的长度(y轴)移动，以沉积建造材料层。如先前所描述，建造材料层将沉积在支持构件204上，而建造材料的后续层将沉积在建造材料的先前沉积的层上。建造材料分布器224可以是系统200的固定部分，或可不是系统200的固定部分，而是例如可移除模块的一部分。
在一些示例中，相对于图2a所示的分布器，可有附加的聚结剂分布器、冷却剂分布器和建造材料分布器。在一些示例中，系统200的分布器可位于同一载体上，或者彼此邻近或分开短距离。在其它示例中，两个或多个载体各自可包含一个或多个分布器。例如，每个分布器可位于其自身的分立载体中。
在示例中示出支持构件204在z轴上可移动，以便在沉积建造材料的新层时，在建造材料的最近沉积的层的表面与剂分布器202和206的下表面之间保持预定间隙。然而，在其它示例中，支持构件204可不在z轴上可移动，而是剂分布器202和206可在z轴上可移动。
系统200可附加地包括能量源226，以向建造材料施加能量，以促使建造材料的部分根据聚结剂已传送至或已渗入之处固化。在一些示例中，能量源226是红外(IR)辐射源、近红外辐射源、卤素辐射源或发光二极管。在一些示例中，能量源226可以是能够向支持构件204上沉积的建造材料均匀地施加能量的单个能量源。在一些示例中，能量源226可包括能量源阵列。
在一些示例中，能量源226配置为以基本均匀的方式向建造材料的层的整个表面施加能量。在这些示例中，能量源226可被称为非聚焦式能量源。在这些示例中，整个层可具有同时施加至其上的能量，这可帮助提高可生成三维对象的速度。
在其它示例中，能量源226配置为以基本均匀的方式向建造材料的层的整个表面的一部分施加能量。例如，能量源226可配置为向建造材料的层的整个表面的一条施加能量。在这些示例中，能量源可被跨建造材料的层移动或扫描，以便基本等量的能量被最终施加在建造材料的层的整个表面。
在一些示例中，能量源226可安装在可移动载体上。
在其它示例中，能量源226可在其跨建造材料的层移动时施加可变量的能量。例如，控制器210可只控制能量源，以向建造材料的其上已经施加了聚结剂的部分施加能量。
在进一步示例中，能量源226可以是聚焦式能量源，例如激光束。在该示例中，可控制激光束跨建造材料的层的整个或部分扫描。在这些示例中，可控制激光束根据剂传送控制数据跨建造材料的层扫描。例如，可控制激光束向已经向其传送了聚结剂的层上的那些部分施加能量。
系统200可附加地包括加热器230，以发出热量，以将沉积在支持构件204上的建造材料保持在预定温度范围内。加热器230可具有任何合适的配置。一个示例示于图2b中，图2b是根据一些示例的增材制造系统的加热器230的简化等距视图。加热器230可具有加热元件232阵列，如所示。加热单元232可各自是任何合适的加热单元，例如诸如红外灯之类的加热灯。加热单元232可具有合适的形状或配置，例如如图2b中所示的矩形。在其它示例中，它们可以是例如圆形的、杆形的或灯泡形的。可对配置进行优化以提供朝向建造材料所跨区域的同质热分布。每个加热单元232或加热单元232的组可具有可调节电流或电压源，以可变地控制施加于建造材料表面的本地能量密度。
每个加热单元232可对应于其自身的建造材料的各个区域，以便每个加热单元232可基本朝其自身区域而非由其它加热单元232覆盖的区域发射热量。例如，图2a中的十六个加热单元中的每一个可加热建造材料的十六个不同区域中的一个，其中十六个区域合起来覆盖建造材料的整个区域。然而，在一些示例中，每个加热单元232也可在较小程度上发射将影响邻近的区域的一些热量。
使用加热器230可帮助减小必须由能量源226施加以促使已经向其上传送或渗透了聚结剂的建造材料的聚结和随后的固化的能量的量。
系统200可附加地包括温度传感器228，例如无接触点传感器，例如一个或多个热偶或一个或多个热电堆，或热成像摄像机。温度传感器228可用于捕获表示跨支持构件204上的建造材料所跨的区域的建造材料的每个点发出的辐射分布的温度值或图像。温度传感器228可将辐射分布输出至控制器210，控制器210可基于用作建造材料的材料的温度和辐射强度之间的诸如黑体分布之类的已知的关系，来确定建造材料中的温度分布。例如，辐射分布的辐射频率可在近红外(IR)范围中的特定值处具有它们的最高的强度。这可用于确定包括建造材料中的多个温度的温度分布。
尽管在图2a中，能量源226、加热器230和温度传感器228被示出处于支持构件204之上的特定位置，但他们可各自位于支持构件204之上或周围的任何适合的位置。
控制器210可根据剂控制传送数据208控制剂的传送。例如，控制器210可根据包括聚结剂传送控制数据的指令来控制聚结剂向提供的建造材料的层的选择性传送。附加地，控制器210可根据包括冷却剂传送控制数据的指令来控制冷却剂向提供的建造材料的层的选择性传送。控制器210也可例如根据剂传送控制数据208控制能量源226可随其在建造材料的层上移动时施加可变量的能量。
剂传送控制数据208可针对要生成的三维对象的每一片定义建造材料上的，如果有的话，要传送聚结剂和冷却剂中至少之一的部分或位置。
聚结剂传送控制数据可例如通过合适的三维对象处理系统来得到。在一些示例中，三维对象处理系统可包括在增材制造系统200内。例如，指令218可附加地包括当由处理器212执行时，促使处理器212作为本文描述的三维对象处理系统操作的指令。在其它示例中，三维对象处理系统可在增材制造系统200之外。例如，三维对象处理系统可以是在与系统200分离的计算设备上可执行的软件应用，或软件应用的一部分。
在一些示例中，聚结剂传送控制数据可基于表示要生成的对象的三维模型的对象设计数据生成，和/或从表示对象的特性的对象设计数据生成。模型可定义对象的固体部分，并且可由三维对象处理系统处理以生成模型的平行平板片。每个片可定义要由增材制造系统固化的建造材料的各个层的一部分。对象特性数据可定义对象的特性，例如密度、表面粗糙度、强度等等。
对象设计数据和对象特性数据可以例如从用户经由输入设备220作为来自用户的输入、从软件驱动、从诸如计算机辅助设计(CAD)应用之类的软件应用接收到，或可从存储缺省或用户定义的对象设计数据和对象特性数据的存储器得到。
在一些示例中，冷却剂传送控制数据可例如基于温度反馈、热处理模型生成，如将在框308所讨论的那样。
在一些示例中，对象处理系统可获得与增材制造系统200的特性特征有关的数据。这样的特征可包括例如建造材料层厚度、聚结剂的特性、冷却剂的特性、建造材料的特性以及能量源226的特性、加热器230的特性，以及温度传感器228的特性。
剂传送控制数据208可针对要处理的建造材料的每层描述建造材料上的聚结剂和冷却剂中至少之一要传送至的位置或部分。在一个示例中，建造材料的聚结剂和冷却剂要传送至的位置或部分通过各自的图案的方式定义。在一些示例中，对象处理系统可确定要向建造材料传送聚结剂和冷却剂的顺序，例如以及可例如定义传送聚结剂和冷却剂之间的时间延迟的相应时间数据。
依据以上描述的特征，可改变要传送聚结剂和冷却剂之处的密度。例如，当建造材料的已经传送或渗入了聚结剂的部分接收到施加的能量，则由那些部分吸收的能量传播至其它周围区域。在一个示例中，聚结剂的特性和传送的聚结剂的量可被选择为使得能量以球形在层厚度的约1.5倍的范围中传播。这可帮助不仅确保足够的内层黏结，还能确保建造材料的横向相邻部分之间的足够的黏结。也可改变密度来调节建造材料的温度，如参照框310所讨论的。
以此方式，对象处理系统可例如确定聚结剂的相邻滴之间的横向间距可增大而仍确保足够的对象强度。这样做，降低了聚结剂可被传送至建造材料的层之处的平均密度，并且降低了聚结剂的消耗，而不影响对象强度。
在一些示例中，剂传送控制数据可针对建造材料的任何部分定义是在聚结剂之前、期间和之后中的一种、两种或全部传送冷却剂。
在描述图3时，将参照图2a-b，4a-d，5a-d和6a-d。图4a-d示出根据一些示例的建造材料的层的一系列剖视侧视图。图5a-d示出根据一些示例的图4a-d的建造材料的层的一系列俯视图。图6a-d示出根据一些示例的图4a-d的建造材料的层中的温度分布的一系列示意性俯视图。
图3是例示根据一些示例的生成三维对象的方法300的流程图。该方法可以是计算机实施的。在一些示例中，可改变所示顺序，例如一些步骤可同时发生，可添加一些步骤，以及可省略一些步骤。
在302处，控制器210可获得诸如聚结剂传送控制数据之类的剂传送控制数据208。
在304处，可提供建造材料的层402b，如图4a和5a所示。例如，控制器210可控制建造材料分布器224，通过促使建造材料分布器224沿早前讨论的y轴移动，在支持构件204上的先前完成的层402a上提供层402b。完成的层402a可包括固化的部分408。尽管在图4a-d中出于例示目的示出完成的层402a，但要理解，可最初应用步骤304至310，以生成第一层402a。
在一些示例中，提供的建造材料的层402b的厚度可具有从约50至约300微米、或约90至约110微米之间的范围内、或约250微米选择的值，尽管在其它示例中，可提供建造材料的更薄的或更厚的层。厚度可通过控制器210例如基于剂传送控制数据208控制。
在306处，建造材料可由加热器230加热至发热和/或将建造材料保持在预定温度范围内。预定温度范围可例如低于建造材料在有聚结剂404存在时会经历黏结的温度。例如，预定温度范围可在约155摄氏度和约160摄氏度之间，或是以约160摄氏度为中心的范围。预加热可帮助减小必须由能量源226施加以促使已经向其上传送或渗入了聚结剂的建造材料的聚结和随后的固化的能量的量。可基于假定建造材料可具有均匀的基线温度，例如约90摄氏度至约100摄氏度，应用均匀的加热。因此，加热的程度将提供为以将均匀的基线温度升高至预定的温度范围。然而，在一些示例中，建造材料在此阶段实际上可不具有均匀的温度。因此，建造材料在建造材料的一个点或多个点处可具有可处于预定温度范围外的不均匀温度分布。
在308处，可确定建造材料的温度分布。例如，诸如温度传感器228之类的温度传感器可通过捕获表示建造材料的辐射分布的图案，获得温度反馈。控制器210可使用辐射分布来例如基于早前讨论的方法确定建造材料的温度分布500a。在图6a的示例中，区域502可具有基线温度，并且区域506可具有比基线温度高的各自的温度。这些不均匀性可源自，例如在框312处能量施加期间的先前沉积的层的部分的聚结和固化。在创建先前的层402a期间已经传送聚结剂406的区域可具有比基线温度明显高的温度，如图6a中所示。
在一些示例中，控制器210可基于以聚结剂传送控制数据为基础对热扩散进行数学建模的热处理模型生成温度分布500a，而非获得温度反馈。模型可涉及使用有限元分析求解热方程，或可涉及任何其它合适的方法。在一些示例中，控制器210可具有存储的定义各种三维对象的热扩散特征的查找表。因此，控制器210可将剂传送控制数据208与合适的查找表匹配以生成温度分布500a。
在一些示例中，可使用温度反馈、热处理模型和/或查找表的组合。
因此，控制器210可基于以温度反馈、热处理模型或查找表为基础确定的所确定的温度分布500a获得剂控制传送数据208，例如冷却剂传送控制数据。
在框310处，聚结剂404和冷却剂406可被选择性传送至建造材料的层402b的表面的一个或多个部分，如图4b和5b所示。如早前所讨论的，剂404和406可由剂分布器202和206例如以诸如液体滴的流体形式传送。
聚结剂404的选择性传送可以一图案在层402b的诸如聚结剂传送控制数据之类的剂传送控制数据208可定义为变为固体以形成所生成的三维对象的一部分的部分上执行。聚结剂406的选择性传送可以一图案在层402b的诸如冷却剂传送控制数据之类的剂传送控制数据208可定义为要使用冷却剂降低温度的部分的部分上执行。
“选择性传送”意思是聚结剂和冷却剂可以各种图案被传送建至造材料的表面层的所选部分。图案可由剂传送控制数据208定义。剂404和406的图案可彼此独立意思是，在建造材料的每个点处，剂404和406可不以彼此固定的比例传送。
在各种示例中，控制器210控制聚结剂分布器202在控制冷却剂分布器202或206选择性传送冷却剂406之前、之后或期间中的一种或多种情况选择性传送聚结剂404。在这些示例中的任意示例中，可使用不同的剂分布器202和206来传送各自的剂404和406。附加地，在这些示例的任意示例中，可仅使用一个剂分布器202，以便，例如(1)可使用打印头202中的一些喷嘴传送聚结剂404，以及可使用同一打印头202中的其它喷嘴来传送冷却剂406，(2)可以以混合物或溶液制备聚结剂404和冷却剂406，以便打印机202中的至少一些喷嘴可传送混合物或溶液，和/或(3)或者相同的喷嘴可在不同时间传送不同的剂404和406，而不混合剂404和406。
冷却剂406可选择性传送至层402b的温度分布500a指示为具有比基线温度高的温度的部分中。冷却剂406在传送之前可例如具有约20摄氏度到约60摄氏度的温度，或约室温，或约50摄氏度。在一些示例中，温度可高于室温，在高于室温的范围中，例如约40至约60摄氏度的范围中，例如因为喷射冷却剂406的过程可导致从室温的某些程度的加热。冷却剂406可降低建造材料在其冷却剂406被传送至的部分处的温度。例如，冷却剂406的量和位置可被选择性传送以将温度分布500a转换到预定目标温度分布，例如以便图6a的区域506可被冷却以获得区域502的相同温度。这可导致具有均匀或基本均匀区域502的图6b的均匀或基本均匀温度目标温度分布500b。在其它示例中，目标温度分布反而可以是定制非均匀温度分布，其同样可实现适当的变形减轻。
如果冷却剂406被传送至建造材料的没有传送聚结剂404的部分，则可防止其上已经传送了冷却剂406的建造材料达到建造材料的熔点处或以上的温度。在一些示例中，为了帮助在框312中施加能量时降低横向聚结渗出效应，冷却剂406可传送在(1)高温，以及(2)临近传送了聚结剂之处的区域中。这可例如用于改善对象边缘或表面的清晰度或精确度，和/或降低表面粗糙度。因此，冷却剂406可充当降低其上已经传送或已经渗入了冷却剂406的建造材料的部分的聚结度。
如果冷却剂406被传送至建造材料的传送了聚结剂404之处的部分，则冷却剂406可不一定要意在防止熔化，而是可降低建造材料中热的不期望累积。
在一些示例中，冷却剂406具有比建造材料的熔点低且比传送冷却剂406时建造材料的温度低的沸点。例如，冷却剂406可以是具有100摄氏度的沸点的水，并且建造材料的温度可以在约160摄氏度。因此，在传送时，冷却剂406可从建造材料的传送了冷却剂406的部分吸收热，促使冷却剂406超出其沸点并蒸发。这可促使建造材料的部分温度降低。
在一些示例中，冷却剂406具有高于建造材料的当前温度的沸点。例如，建造材料可经历不足或没有预加热，使得其当前温度低于冷却剂406的沸点。因此，冷却剂406可通过将讨论的吸收在框312中施加于建造材料的能量而蒸发，从而冷却建造材料。
在一些示例中，冷却剂406也可应用于控制建造材料的要被固化的部分的诸如例如拉伸强度之类的强度等机械特性。如果在冷却剂406的传送与框312处的能量的施加之间有长时间的延后，则冷却剂406可不在机械特性上呈现任何效应，例如因为冷却剂406可太快蒸发。然而，如果时间延后缩短，则建造材料传送了聚结剂404以及冷却剂的部分可呈现出例如比传送了聚结剂404但没传送冷却剂的部分中更高的强度。可创建这种效应是因为较小的温度梯度可导致建造材料上的较低的机械应力。
在一些示例中，聚结剂404也可传送用以升高温度，例如如果在温度分布500a中有任何低温区域，例如如果温度低于区域502中的基线温度。过度加热可以是由于在建造材料上存在聚结剂404可促使建造材料在具有聚结剂404的区域中响应于施加能量，例如在框312处提供能量的施加而经受更大的加热而导致。为了实现该效应，可控制要传送的聚结剂404的量和密度。
在一些示例中，可传送过量的聚结剂404用于对建造材料的已经接收的聚结剂404用于聚结和固化的部分进行加热。在这样的示例中，可以与传送仅用于聚结目的相比以更高的量和密度传送聚结剂404。
在一些示例中，聚结剂404可被传送用于在不期望聚结和固化的区域中加热。在这些示例中，聚结剂404的量或密度可被传送低于需要促使聚结的聚结剂404的阈值量或密度。然而，传送的量或密度可仍足以促使建造材料在传送了聚结剂404的区域中的加热。
在一些示例中，调节建造材料的温度以达到目标分布可涉及以下的组合：(1)在要冷却的区域中传送冷却剂406，和(2)在要加热的区域中传送超出期望聚结的量或密度的过量聚结剂404。
图4c和图5c示出基本完全渗入进建造材料的层402b中的聚结剂404，但在其它示例中，渗入的程度可低于100％。渗入的程度可例如取决于传送的剂的量、建造材料的性质、剂的性质等等。图6c示出建造材料可仍具有具有均匀区域502的基本均匀的温度分布500c。
在310处，预定水平的能量可短暂施加于建造材料的层402b。在各种示例中，施加的能量可以是红外或近红外能量、微波能量、紫外(UV)光、卤素光、超声能量等等。施加能量的时间长度或能量暴露时间可取决于例如以下一种或多种：能量源的特性；建造材料的特性；聚结剂的特性；以及冷却剂的特性。所使用的能量源的类型可取决于以下中的一种或多种：建造材料的特性；聚结剂的特性；以及冷却剂的特性。在一个示例中，能量可施加预定长度的时间。
能量的短暂施加可导致建造材料的已经传送或已经渗入了聚结剂404的部分变热至建造材料的熔点之上并聚结。例如，层402b的温度可达到约220摄氏度。在冷却后，已聚结的部分变成固体并形成生成的三维对象的一部分。如早前所讨论的，在先前的循环中可已经生成一个这样的部分408。在施加能量期间吸收的热可传播到先前固化的部分408，导致部分408的一部分变热至高于其熔点。这种效应帮助创建在固化的建造材料的相邻层之间具有强层间黏结的部分410，如图4d中所示。
附加地，如果传送的冷却剂406在施加能量前已蒸发，例如如果没有预加热或预加热不足，则冷却剂406可通过吸收所施加的能量而蒸发，以便冷却建造材料。这可由于施加的能量可将层402b的温度升至高于冷却剂406的沸点。
其上已经传送了或已经渗入了聚结剂404的建造材料吸收的能量也可传播到周围的建造材料中，并可足以导致周围的建造材料变热。在没有冷却剂406时，这可导致例如建造材料加热至超出其熔点，或可导致例如建造材料加热至低于其熔点但是适于导致建造材料软化和黏结的温度。这会导致建造材料的本不打算固化的部分要在后续固化，并且这种效应在本文称为聚结渗出(coalescence bleed)，如早前所讨论的。然而，如早前所讨论的，传送冷却剂406可用于降低聚结渗出。
在一些示例中，能量的施加可导致出现新的温度不均匀，如图6d的温度分布500d所示，包括与图6a的那些类似的区域502和506。因此，在后续层的处理期间，较热的区域506可被冷却。
在一些示例中，可在施加能量之后传送冷却剂406，而非如早前讨论的在施加能量之前传送冷却剂406。由于能量的施加可能已经施加了，因此，建造材料的传送了聚结剂404的部分的温度可处于诸如220摄氏度的高温，这可高于冷却剂406的沸点。因此，在传送时，冷却剂406可从建造材料的传送了冷却剂406的部分吸收热，促使冷却剂406超出其沸点并蒸发。这可促使建造材料的部分温度降低。
可选择所施加的能量、建造材料以及聚结剂404和冷却剂406的组合，以便排除任何聚结渗出效应：i)建造材料的其上没有传送聚结剂404的部分在短暂向其施加能量时不聚结；ii)建造材料的其上仅传送或渗入了聚结剂404的部分在向其短暂施加能量时聚结；以及iii)建造材料的其上仅传送或渗入了冷却剂406的部分在向其短暂施加能量时不聚结。
建造材料的其上传送或渗入了聚结剂404和冷却剂406二者的部分可经受或不经受聚结，并可经受改进的程度的聚结。改进的程度可例如取决于以下任意一个或多个：在建造材料的任何部分处的聚结剂和冷却剂的比例；向建造材料传送聚结剂和/或冷却剂的图案；聚结剂、冷却剂和/或建造料的化学特性，建造材料和剂之间的化学相互作用；以及施加能量时建造材料和剂之间的相互作用。在一些示例中，改进的程度可取决于向建造材料传送聚结剂和冷却剂的顺序。在一些示例中，改进的程度可取决于向建造材料传送聚结剂和冷却剂的时间。
在如上所讨论的处理了建造材料的层之后，可在建造材料的先前处理的层的顶部上提供建造材料的新的层。以此方式，建造材料的先前处理的层充当建造材料的后续层的支持构件。然后可重复框304至312的处理以逐层生成三维对象。
在本申请文件(包括所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有的特征，和/或如此公开的任何方法或处理的所有步骤，可以任何组合方式被组合，除非这些特征和/或步骤中的至少一些的组合彼此排斥。
在以上描述中，给出了很多细节以提供对本文公开的主题的理解。然而，可在没有这些细节中的一些或全部的情况下实施示例。其它示例可包括从以上讨论的细节的改变和变化。所附权利要求意在覆盖这些改变和变化。

Claims (10)

1.一种利用冷却剂控制聚结渗出的三维对象生成装置，该装置包括：
能量源，用于向建造材料的层施加能量；以及
剂分布器，用于将所述冷却剂选择性传送到所述层的不打算被固化的第二部分上；
控制器，用于：
控制所述剂分布器以第二图案将所述冷却剂选择性传送到所述层的不打算被固化的第二部分上，以便以所述第二图案降低所述第二部分的温度，其中，所述第二图案是从表示从所述建造材料的层测得的温度分布的数据或者表示由热处理模型预测的温度分布的数据得到的；并且
控制所述能量源在所述冷却剂被传送之后向该层施加能量，以促使所述层的第一部分以第一图案聚结和固化；
其中，所述第二图案和所述第一图案彼此独立。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述剂分布器将所述冷却剂传送到高温并且邻近传送了聚结剂之处的区域，以降低建造材料的已传送了所述冷却剂的部分的聚结程度。
3.如权利要求1所述的装置，其中：
所述剂分布器或第二剂分布器中的至少一个用于将聚结剂选择性传送到所述层的所述第一部分上，
其中所述控制器用于控制所述剂分布器或所述第二剂分布器，以选择性将所述聚结剂传送到所述层的所述第一部分上，以促使所述第一部分在施加能量时聚结。
4.如权利要求3所述的装置，其中：
所述剂分布器或所述第二剂分布器中的至少一个用于将附加的聚结剂选择性传送到所述层的第三部分上，
其中所述控制器用于控制所述剂分布器或所述第二剂分布器，以将所述聚结剂选择性传送到该层的所述第三部分上，以促使所述第三部分在施加能量时被加温，而不导致所述第三部分由于所述附加的聚结剂和所述建造材料的组合而聚结。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述冷却剂包括水。
6.一种利用冷却剂控制聚结渗出的方法，该方法包括：
以第二图案将所述冷却剂选择性传送到建造材料的层的不打算被固化的第二部分上，以便以所述第二图案降低所述第二部分的温度，其中，所述第二图案是从表示从所述建造材料的层测得的温度分布的数据或者表示由热处理模型预测的温度分布的数据得到的；并且
在所述冷却剂被传送之后向所述层施加能量，以促使所述层的第一部分以第一图案聚结和固化；
其中，所述第二图案和所述第一图案彼此独立。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述冷却剂被传送到高温并且邻近传送了聚结剂之处的区域，以降低建造材料的已经传送了所述冷却剂的部分的聚结程度。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括：将附加的聚结剂选择性传送到所述层的第三部分上，以促使所述第三部分在施加能量时被加温，而不导致所述第三部分由于所述附加的聚结剂和所述建造材料的组合而聚结。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述冷却剂包括水。
10.如权利要求6所述的方法，进一步包括：选择性传送所述冷却剂，以控制所述第一部分的建造材料的机械特性。
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