CN111344137B - 功能试剂的选择性沉积 - Google Patents

Abstract

本文描述的某些示例控制沉积在三维打印系统中的功能试剂的量。在某些示例中，基于距离函数控制功能试剂的量，其中距离函数与将要制造的物体的特定部分与物体的表面之间的距离相关联。功能试剂可以是粘合剂、熔融剂或细化剂等等。

Description

功能试剂的选择性沉积

背景技术

制造系统，包括通常被称为“3D打印机”的那些，提供了生产三维物体的便捷方式。这些系统可以接收以物体模型的形式的三维物体的限定。处理这种物体模型以指令系统使用一种或多种材料组分生产物体。在系统的工作区域中这可以在逐层的基础上进行。可以将化学试剂(称为“功能试剂”)选择性地沉积到工作区域内的每各层上。在一种情况下，功能试剂可以包括使构造材料颗粒聚结的粘合剂，在另一种情况下，功能试剂可以包括熔融剂和/或细化剂等等。在这种情况下，将熔融剂选择性地施加到层的区域中，在该层的区域中构造材料的颗粒通常会熔融在一起。然后可以比如使用红外灯施加能量，以熔融已经沉积了熔融剂的层的区域。可以施加细化剂来控制构造材料的层的热方面，例如，来提供层的部分的冷却。然后针对另外的层可以重复根据物体模型施加功能试剂和固化的一般过程，直到物体被制造。

附图说明

图1是根据示例的三维打印系统的示意图。

图2是示出由示例三维打印系统构造的物体的示意图。

图3是示出根据示例的如何可以将物体的模型转换为打印控制数据的示意图。

图4A至图4C是示出根据示例的如何可以逐层地制造物体的示意图。

图5是示出根据示例的制造三维物体的方法的流程图。

图6是示出用于不同的z轴距离的示例缩放系数的组的表。

图7是示出用于不同的x-y平面距离的示例缩放系数的组的表。

图8是示出根据示例的非暂时性机器可读介质的示意图。

具体实施方式

本文描述的某些示例控制在三维打印系统中沉积的功能试剂的量。特别地，某些示例基于距离函数来控制功能试剂的量，其中距离函数与将要制造的物体的特定部分与物体的表面或边缘之间的距离相关联。这些示例对于配置在物体部件的制造期间如何施加功能试剂可以是有用的。可以在制造开始时和/或在构造材料的非固化层上形成物体的部分的任何时间应用示例。在例如悬伸区域中或者在构造体积中多个物体嵌套在一起的情况下，可以在构造材料的非固化层上形成物体的部分。在后面的情况下，可以在构造室内在不同高度制造多个物体。在不同的示例中，功能试剂可以是粘合剂、熔融剂或细化剂等等。

在三维打印系统内，通常期望制造高质量物体。例如，这些可以是表面轮廓清晰且稳定性好的物体。稳定性可以限定为构造过程的属性；稳定的物体可以避免例如由于构造材料的层的固化部分的抬起的或卷曲的边缘而导致的部件和打印机故障。类似地，通常期望减少或避免制造包括“模糊”或轮廓差的表面、卷曲和部分固化的人工制品。制造期间物体质量的问题可能导致物体被丢弃。如果边缘的抬起很严重，则可能需要中断并重新开始构造过程。

三维打印系统也可以使用各种构造材料。这些构造材料可以包括粉末状构造材料等。不同的构造材料可以具有不同的性质，比如供应系统内的流动性质、物理性质(比如颗粒尺寸)和化学性质(比如熔融温度或可回收性)。例如，基于系统组件的设计配置，不同的三维打印系统实施可以使用不同的构造材料。

通过基于距离函数改变功能试剂的量，可以实现改善物体质量的羽化效果。例如，可以改善表面质量，使得物体具有轮廓清晰的外部部分和边缘。另外，可以减少或避免“渗出”效应，“渗出”效应是例如由于热渗出效应或液体试剂的物理流动，物体的表面的固化“渗出”到周围的应该不被固化的构造材料中。

通过改变功能试剂的量，可以减少或避免沉积期间构造材料的移位。例如，当施加功能试剂时，这可以允许使用易于“飞溅”的粉末材料，比如较细的粉末材料。设定功能试剂的量的功能可以取决于构造材料类型，例如，使得较少的功能试剂可以被施加到具有较小的颗粒尺寸的构造材料。这可以例如通过减少或避免在施加功能试剂之后构造材料移位到附近区域而增加部件质量。通过减少构造材料的移位，也可以改善打印系统的功能性，例如，通过减少或避免打印头喷嘴被杂散的空气传播的构造材料堵塞，可以增加打印头组件的可靠性。例如，通过在构造材料的未固化的部分的初始层上较不密集地打印一种或多种功能试剂，可以减小通过喷射打印剂施加到构造材料的总力，直到下面的层固化为止。一旦若干下面的层已经固化，则构造材料的部分可以承受更大的力，并且功能试剂用量可以例如通过增加功能试剂施加的密度而增加。

图1示出示例三维打印系统100。三维打印系统100包括打印头110。打印头110布置为选择性地将功能试剂115沉积在构造材料的床120上。打印头110可以是相对于构造材料的床120可移动的。在一种情况下，打印头110可以位于可移动的托架中，该托架位于构造材料的床120的上方。打印头可以在构造材料的床120之上在一个或两个方向上移动。在另一种情况下，构造材料的床120可以是在静态打印头之下可移动的。方法的各种组合是可能的。

在使用时，“选择性地沉积”可以指功能试剂液滴受控地沉积在构造材料的床120的可寻址区域上。例如，三维打印系统100可以控制打印头110与构造材料的床120的上表面之间的相对运动，使得可以将一滴或多滴功能试剂沉积在上表面的N*M个区域中的一个中，其中N是x轴(打印)分辨率，并且M是y轴(打印)分辨率。液滴尺寸的示例是9皮微升，但取决于打印头配置，更大或更小的液滴尺寸是可能的。这可能类似于在比如纸的打印介质上打印油墨的过程。功能试剂可以包括通过打印头110的喷射机构喷射的液体。例如，打印头110可以包括可以独立控制以喷射功能试剂的多个喷嘴。喷射机构可以基于压电元件或热元件。三维打印系统100可以具有与二维打印系统的分辨率类似的分辨率，例如，每平方英寸600或1200点(DPI)。

在图1的三维打印系统100中，可以逐层构建物体。构造材料的每个层可以具有在z轴上的厚度。在一种情况下，该厚度可以在70-120微米之间，但是在其他示例中可以形成更厚或更薄的层。三维打印系统100被布置为根据功能试剂的选择性沉积来固化每个连续层中的构造材料的部分。

在一个示例中，功能试剂包括结合试剂或“粘合剂”。将功能试剂沉积在构造材料的层的可寻址区域上可以导致在该可寻址区域内的构造材料经由结合而固化。在某些情况下，在施加化学结合试剂之后，可以例如使用能量源将能量施加到构造材料的层。能量的施加可以起到干燥、固化和/或活化化学结合试剂以结合构造材料的层的部分的作用。例如，干燥可以包括热干燥，而固化可以包括化学结合试剂的热固化和/或紫外线固化。

在另一个示例中，功能试剂包括能量吸收熔融剂。在这种情况下，三维打印系统100还包括将能量施加到构造材料的床120的能量源。在这种情况下，熔融剂控制构造材料的颗粒与构造材料的床的熔融。例如，在简单情况下，在施加能量之后构造材料的床120接收熔融剂的液滴的区域可以固化，而其上没有递送熔融剂的构造材料的部分可以不固化。在更复杂的情况下，可以基于床的热曲线来用熔融剂控制构造材料的床120的熔融；在这种情况下，固化与熔融剂沉积之间可能没有一对一的映射，例如，热渗出可能导致一些其上未打印熔融剂的部分充分加热而固化。当确定在何处施加熔融剂以生成对应于期望的物体的固体部分的固体部分时，可以考虑这些影响。

当向其施加能量时，能量吸收熔融剂可以导致能量吸收熔融剂被施加到其上的构造材料的部分加热到高于构造材料熔点。然后，这可以导致构造材料的部分熔化，并且随后固化，例如冷却固化。熔融剂可以包括吸收特定的电磁辐射带(比如红外波长和光波长的宽带)的化学化合物。该化学化合物可以包括炭黑的衍生物。该化学化合物可以驻留在水基载体内。能量源可以包括电磁辐射源，比如红外灯或激光。能量源可以被静态地安装以将能量均匀地施加到构造材料的床120，或者可以被动态地安装在床的上方，例如，以类似于用于打印头110的可移动托架的方式。

在又一个示例中，功能试剂包括细化剂。熔融剂和细化剂是单独类型的功能试剂，例如，熔融剂可以起到增加热吸收的作用，而细化剂可以起到冷却构造材料的部分的作用。它们可以单独使用或一起使用。在这种情况下，三维打印系统100还进一步包括如上所述的能量源。

细化剂例如经由冷却作用起到控制构造材料的层的热曲线的作用。在一种情况下，细化剂可以包括液体，比如水。细化剂可以不包括用于熔融剂的能量吸收化学化合物。当施加能量时，细化剂可用于抑制构造材料的熔融。在这种情况下，在施加能量之后可以防止仅接收细化剂的液滴的构造材料的床120的区域固化。例如，在施加能量以引起熔融的地方(例如，构造材料的层被加热到刚好超过熔融点)，在施加细化剂的地方，熔融可以被抑制(例如，施加了细化剂的部分保持在熔融点以下)。细化剂可以沉积在构造材料的层的未施加熔融剂的部分上，以减少和/或防止热渗出到这些区域。例如，可以在与施加熔融剂的部分邻近的地方施加细化剂，以提供更好的物体边缘清晰度。细化剂也可以用于施加熔融剂的区域以对那些区域提供热控制(例如，提供冷却作用)，但是不防止那些区域的热熔融。在还有其他情况下，可以使用细化剂来“调节”聚结的程度，例如，来控制物体的部分的机械性质(比如强度)。

在某些情况下，可以使用多种功能试剂。在这种情况下，每种功能试剂可以有不同的打印头。可以有具有不同的颜色的多种给定类型的功能试剂。例如，可以提供多种粘合剂或熔融剂，其中每种试剂与不同的颜色相关联(例如，青色、品红色、黄色和黑色的着色试剂)。在这种情况下，构造材料可以包括白色粉末材料，其呈现出沉积的功能试剂的颜色。在某些情况下，可以对细化剂着色，并将其施加到物体的边界之外的构造材料的部分。这可以使在熔融过程期间结合到物体的表面的任何杂散构造材料着色，以改善物体的色域。

在某些情况下，熔融剂和细化剂可以一起使用。例如，如上所述，细化剂可以沉积在正在制造的物体的边缘旁边的构造材料的床120的部分上，其中，将要形成物体的固体部分的床的部分接收熔融剂。在这种情况下，可以提供多个打印头，例如，熔融剂和细化剂各一个。在某些情况下，在使用一种或多种熔融剂和细化剂时，应注意，其上未沉积细化剂和熔融剂的构造材料的床的部分可以不加热到足以固化(例如，排除热渗出的任何影响)。

在一种情况下，功能试剂可以包括被配置为改变构造材料的材料性质的转化剂。例如，转化剂可以影响构造材料的区域的机械性质和/或物理性质。这可以通过化学或材料机理达到目的，例如导电液体形式的转化剂可以改变固化部分的导电性。

图1的三维打印系统100进一步包括打印控制器130。打印控制器130可以包括三维打印系统100内的嵌入式处理器。嵌入式处理器可以耦合到嵌入式存储器，可以从嵌入式存储器检索并执行程序代码形式的指令。打印控制器130可以可替换地包括特定的电子电路，比如微处理器、芯片上系统、现场可编程门阵列或专用集成电路。在一种情况下，打印控制器130可以包括通信耦合到三维打印机的计算装置。

在图1中，打印控制器130被通信耦合到打印头110并且被布置为控制打印头110。打印控制器130可以生成用于控制功能试剂的液滴从打印头110喷射的打印控制数据。在图1的示例中，打印控制器130确定将要通过打印头110沉积在构造材料的床120的给定部分140上的功能试剂115的量。打印控制器130根据给定部分与将要制造的三维物体的表面之间的距离的函数确定该量。例如，打印控制器130可以确定部分140与将要制造的物体的表面的距离。在一种情况下，可以根据将要在构造材料的床120的限定区域之上施加的液滴来确定量，即基于试剂施加的密度。该表面可以是物体的底部或侧面。该表面可以形成物体的边界的部分，例如，可以包括外表面。该表面也可以是例如物体的空洞或孔的内表面。给定部分140可以对应于数字域中的体素，即，建模的三维空间中的可寻址单元。可以基于三个空间维度(x、y和z)中的一个的体素的数量来计算从对应于给定部分140的体素到表示物体表面的体素的距离。在某些情况下，没有数字域中的体素与构造材料的层的部分之间的一对一的映射，例如，可以将体素映射到构造材料的层和/或多个层的多个可寻址区域。在这种情况下，该距离仍可以基于在数字域中测量的体素距离来计算，或者可以基于打印分辨率距离，比如x-y平面中的若干可寻址区域和/或z方向上的若干层来计算。在某些情况下，该距离可以是归一化的距离。如果表面不均匀或弯曲，则层中的每个部分可以具有不同的到表面的距离。在一种情况下，该功能可以基于距离缩放或调节将要沉积的功能试剂的量。这可以涉及随着在z轴上到物体的下表面的距离减小而减少功能试剂的量。在另一种情况下，这可以涉及随着在x-y平面内到物体的侧表面的距离减小而增加功能试剂的量。功能试剂的这种调节可以帮助减少热渗出和/或物理流动并增加打印物体的边缘质量。在打印头110包括热喷射打印头的示例中，可以由打印控制器130确定功能试剂用量的密度。这可以与功能试剂的液滴的数量成比例。在打印头110包括压电打印头的示例中，则可以确定液滴尺寸和/或液滴的数量。

这样，在上述布置的前提下，打印控制器130被配置为基于不同的距离区别地指令功能试剂的打印。例如，考虑将要固化的构造材料的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分在不同的位置上并且对应于将要制造的三维物体的不同的部分。在这种情况下，打印控制器130指令打印头110，基于第一部分与三维物体的表面之间的第一距离，在构造材料的第一部分上打印第一量的功能试剂115。打印控制器130还指令打印头110，基于第二部分与三维物体的表面之间的第二距离，在构造材料的第二部分上打印第二量的功能试剂115。在这种情况下，第一量和第二量基于不同的第一距离和第二距离而不同。

构造材料可以是干燥的或基本上干燥的粉末或粉末状材料。在其他示例中，构造材料可以包括液体型构造材料，比如粘性液体、糊剂或凝胶。构造材料可以具有以下中的任一个之间的基于体积的平均截面粒径：约5微米和约400微米之间，约10微米和约200微米之间，约15微米和约120微米之间或约20微米和约70微米之间。合适的基于体积的平均粒径范围的其他示例包括约5微米至约70微米，或约5微米至约35微米。基于体积的颗粒尺寸是与构造材料颗粒具有相同体积的球体的尺寸。“平均”旨在解释大多数基于体积的颗粒尺寸在所提及的尺寸或尺寸范围内，但是某些颗粒的直径可能超出所提及的范围。可以选择颗粒尺寸以有助于分布厚度在约10微米和约500微米之间，或约10微米和约200微米之间，或约15微米和约150微米之间的构造材料层。

示例构造材料可以包括以下中的至少一种：聚合物、结晶塑料、半结晶塑料、聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、无定形塑料、聚乙烯醇塑料(PVA)、聚酰胺、热(固性)塑料、树脂、透明粉末、着色的粉末、金属粉末、陶瓷粉末(比如例如玻璃颗粒)和/或这些或其他材料中至少两种的组合，其中这种组合可以不同的材料各自包括不同的颗粒，或者可以包括在单个化合物颗粒中的不同的材料。共混的构造材料的示例包括尼龙铝粉材料(可以包括铝和聚酰胺的共混物)、多色粉末和塑料/陶瓷共混物。共混的构造材料可以包括两个或更多个不同的各自的平均颗粒尺寸。本文所用的构造材料还涵盖了包括纤维的构造材料。这些纤维例如可以通过将挤出的纤维切割成短的长度来形成。例如，可以选择纤维长度以允许构造材料有效地散布到压板或构造平台上。例如，长度可以约等于纤维的直径。在一些示例中，粉末可以由短纤维形成或可以包括短纤维，该短纤维可以例如由材料的长股或长线切割成短的长度而来。

在一个特定示例中，构造材料可以包括聚酰胺颗粒，比如聚酰胺11(PA-11)或聚酰胺12(PA-12)或聚丙烯颗粒(PP)。随距离减少功能试剂的量可以避免聚酰胺11或聚丙烯的较细颗粒(例如，与聚酰胺12相比)的置换。当功能试剂将要沉积在一个或多个未固化的构造材料的层上时，比如当开始制造时，这可能是有用的。

在某些示例中，由打印控制器130进行的确定是基于构造材料类型来配置的。比如在查找表等中可以为每种构造材料类型限定一系列缩放系数。例如，与聚酰胺12相比，对于聚酰胺11可以施加减少更多的功能试剂量。对于某些构造材料，可以没有功能试剂用量的缩放或变化。在其他情况下，功能试剂用量的缩放或变化的程度可以基于对所使用的构造材料的类型的确定，例如，较大的缩放可以施加于较细的粉末。

图2示出由多个构造材料的层240制造的物体的示例200。图2示出可以用于形成如图1所示的构造材料的床120的组件。图2示出了压板210和构造材料供应系统220。可以将构造材料的层240依次沉积在压板上。压板210可以形成三维打印系统100的部分。压板210可以在制造期间相对于构造材料供应系统220移动，例如，压板可以在z方向上向下移动。在某些示例中，压板210可以形成构造单元的部分，该构造单元是可以从三维打印系统100移除的，例如，以允许提取所制造的物体。一个三维打印系统100可以具有多个可替换的构造单元。在其他示例中，压板210可以形成三维打印系统200的组成部分。

构造材料供应系统220被配置为在压板210上方依次形成构造材料的层。在启动时，在压板210上可以没有构造材料的层，因为这种构造材料供应系统220可以在压板210的上表面上沉积层230。然后可以将随后的层沉积在先前的层的顶部上。尽管未在图2中示出，但是在某些示例中，可以在制造开始之前沉积一个或多个构造材料的层，例如以形成作为构造基础的初始的构造材料的床。

图2示出了如何在四个构造材料的层240内制造物体。在这个简单的示例中，x轴上每层有六个可寻址部分。在y方向上可以有类似数量的可寻址部分，例如，使得每个层在每个层中具有36个可寻址区域。这些可寻址区域中的每个可以对应于物体的数字模型中的体素，或者在体素与可寻址部分之间可以存在映射。对应于包含物体的固体部分的体素的构造材料的给定层的部分被固化为固体部分260。对应于不形成物体的部分的体素的构造材料的给定层的部分不被固化；这些保持为未固化的构造材料250。当制造结束时，可以通过去除未固化的构造材料250来取得物体。

图3示出了如何可以生成打印控制数据以指令将功能试剂沉积在构造材料的床上的示例300。可以在接收到三维物体320的模型310之后开始制造。图3所示的三维物体320可以对应于图2所示的物体，并且稍后参考图4A至图4C进行描述。模型310可以被供应为计算机辅助设计(CAD)数据，例如作为CAD文件。

为了生成打印控制数据，可以将物体的模型310解构为一系列z轴切片330。在一种情况下，三维打印系统可以进行此解构。在另一种情况下，三维打印系统可以直接以z轴切片330的形式接收数据，例如作为一系列光栅图像。可以处理每个z轴切片330以生成与切片340相关联的打印控制数据，该打印控制数据指令至少一种功能试剂的选择性沉积。例如，在图3中，打印控制数据切片340形成为固化映射，其中区域350指示固化，而区域360指示不发生固化。区域350因此对应于物体320的底部。然后固化的区域可以映射到功能试剂的沉积。例如，在一种情况下，基于例如在制造期间的热反馈或热建模，可以以不同的密度和/或图案施加熔融剂和细化剂。如前所述，细化剂可以与熔融剂一起使用，以控制层的热曲线，以允许在区域350中固化。在某些情况下，并非所有区域350都可以映射到熔融剂的沉积，例如，可以认为某些部分将经由例如从构造材料的侧部分或邻近部分的热渗出或热传导而固化。在一种情况下，可以通过将物体320的边界内的体素映射到接收熔融剂的层内的区域来构造打印控制数据切片340。可以将物体320的边界之外的体素映射到不沉积功能试剂的指令或沉积细化剂的指令，例如，可以将与物体的边缘相邻的区域(例如，紧邻物体的区域)映射到沉积细化剂的指令。在这些相邻区域之外，可以既不沉积熔融剂也不沉积细化剂。在一种情况下，可以将物体模型的体素映射到表示物体的性质的向量，该向量然后被进一步转换为用于一个或多个打印头的离散沉积指令。

在一种情况下，可以通过考虑对应于物体的热图来生成打印控制数据。例如，在施加熔融剂的情况下，可以基于构造材料的给定部分的期望的温度来计算熔融剂用量。例如，在简单的情况下，构造材料一部分可能需要达到T_F摄氏度的温度来融化和熔融，而能量源可以将床升温到背景温度T_A。在这种情况下，熔融剂的沉积可以导致构造材料的部分吸收电磁辐射，使得该部分的温度从T_A升高到T_F。在更复杂的示例中，层的温度曲线可以取决于以下因素：比如所测量的能量源的加热曲线、预测的层的冷却和/或所测量的先前层的温度的组。在这种情况下，可以基于如模型310中所指示的物体320的将要固化的部分来计算第一组打印控制数据，并且这可以基于温度曲线调节以形成第二组打印控制数据。该调节可以涉及将用于构造材料的给定部分的沉积的熔融剂的量设置为特定范围的值，例如，具有熔融剂用量的最小值和最大值的范围。最小值可以对应于小部件的低热水平或构造材料的初始层的初始热水平。该调节还可以涉及设置一定量的细化剂以冷却其温度被预测或测量高于最佳熔融温度T_F的构造材料。在其他情况下，模型310与打印控制数据340之间的映射可以隐含地考虑在每个层上的温度影响，例如，可以基于将模型数据作为输入的参数化功能来设置功能试剂的量。

在上述情况下，以用于指令将一定量的功能试剂沉积在构造材料的层的可寻址区域中的打印控制数据的形式提供用于物体制造的输出。区域是“可寻址的”的意义在于有可能对齐打印头以在该区域内沉积一滴或多滴功能试剂。功能试剂的量可以对应于液体的液滴的数量，其中每个液滴具有预限定体积的液体。可以例如经由具有多个液滴尺寸的喷射机构和/或包括打印头的可移动托架的多次通过将多滴功能试剂沉积在一个区域中。根据本文所述的某些示例，打印控制数据被进一步处理以根据给定部分与三维物体的表面之间的距离的函数调节将要沉积在给定层中的构造材料的给定部分上的功能试剂的量。下面参考图4A至图4C对此进行描述。

在图4A至图4C中，描述了示例400，其中连续的构造材料的层440例如以类似于图3的方式在压板420上构建。在图4A至图4C中，打印头410在打印控制器430的控制下沉积大量的功能试剂415。打印头410和打印控制器430可以类似于参照图1描述的那些。在该示例中，打印控制器430基于给定层部分与将要制造的物体的表面之间的距离来缩放功能试剂的用量。在本示例中，该表面是底表面。为了便于说明，在这些示例中，假设在数字域中的体素与打印域中的层之间存在一对一的映射。在其他示例中，情况可能并非如此，并且如上所述，可以基于体素距离和层距离中的一个或多个来计算距离。

在图4A中，已经在压板420上形成了第一构造材料的层440。在这种情况下，正在制造类似于图3的物体320并且在图2中示出的物体。在图4A中，打印控制器430确定对应于物体的底部的三个构造材料的部分位于距物体的下表面0个体素或层的位置(即，这些部分包括物体的下表面)。打印控制器430被配置为获得功能试剂用量的值的缩放系数(例如，在打印控制数据内设置的要沉积的功能试剂的量)，并且将该缩放系数施加于当前部分的沉积指令(在这种情况下部分465)。在该示例中，缩放系数是0.25，即，功能试剂的量被打印控制器430减少到其初始值的25％。通过使用在未固化的构造材料上形成的物体的层的用量的100％以下的功能试剂的水平，可以减少功能试剂的液滴的数量。反过来，这减少或避免了构造材料的“飞溅”，并允许构造材料的部分温度逐渐增加，这确保了良好的稳定性和质量。在图4A中，功能试剂沉积在层的三个可寻址区域中。这可以通过打印头410关于压板420的相对运动来实现。如果功能试剂包括熔融剂，则可以在沉积之后施加能量以固化对应于三个可寻址区域的体积中的构造材料。

图4B示出了已经在包括固化部分460的先前的构造材料的层440之上形成的后续的构造材料的层450。对于后续的层450，打印控制器430确定对应于物体的下一层的三个构造材料的部分位于距物体的下表面1个体素的位置，即它们在底部部分460上方一个层处。因此，打印控制器430获得不同的缩放系数以施加于功能试剂用量。在这种情况下，缩放系数是0.5，即先前确定的量的50％。因而，相对于先前的层，在对应于层450中的物体的三个可寻址区域中沉积两倍量的功能试剂；然而，这仍然是正常用量的一半。与前面一样，如果功能试剂是熔融剂，则可以施加能量以熔融部分470以固化物体的下一层。因此，在图4B中所示的过程结束时，物体包括两个固化的层，其中各个层的部分在层内(例如与x-y平面中的相邻部分)熔融以及在层之间(例如与在z方向上的相邻部分)熔融。

图4C示出了进一步后续的构造材料的层455。对于进一步后续的层455，打印控制器430确定对应于物体的下一层的构造材料的部分位于距该物体的下表面2个体素的位置，即其在底部部分460上方两个层处。因此，打印控制器430获得不同的缩放系数以施加于功能试剂用量。在这种情况下，缩放系数为1，即，打印控制器430将不修改接收到的要沉积的功能试剂的量。从该层向上(例如，直到如图2所示完成物体)，打印控制器430被布置为不调节功能试剂用量。

图4A至图4C的示例400示出了如何可以将可变缩放系数施加于功能试剂用量以确定在制造期间将要沉积的功能试剂的量。制造过程的这种缓慢的“启动”有助于防止构造材料移位并增强部件稳定性。而且，通过减少施加到物体的早期层的功能试剂的量，减少或避免了当液体沉积在温暖的构造材料的床上时感觉到的冷却作用。反过来，这可以防止翘曲和卷曲。

示例400使三个构造材料的层之上的功能试剂的施加“羽化”。在其他示例中，这种可变缩放可以施加于任何数量的层之上，并且可以取决于比如层厚度的性质。例如，为了清楚说明，示例400被示出为具有规则的平面下表面；然而，物体可以具有不规则的表面，并且在z轴上的一列构造材料的部分可以包括多个表面(例如，在给定的z轴体素列中，“E”形状可以具有三个下表面)。在一种情况下，将缩放施加于根据热图调节之后输出的功能试剂用量值，即，施加表示由热图指定的功能试剂量的比例的缩放系数。通过将缩放系数施加于热图调节的输出，可以确保独立于缩放的施加，物体的较大部分比较小部分接收更多的熔融剂。

在数字域中的体素与打印域中的可寻址区域的分辨率不同的情况下，则表示数字模型中物体的部分的体素可以映射到多个可寻址区域。然后可以通过确定映射到体素的每个可寻址区域将要沉积的液滴的数量来设置功能试剂用量，即，功能试剂使用的密度可以变化。这使得功能试剂的量能够在具有固定液滴尺寸的打印系统中变化。

图5示出了制造三维物体的示例方法500。该方法开始于其中形成构造材料的层的框510。这可以使用如图2所示的构造材料供应系统220来形成。它可以通过在压板或先前的构造材料的层上分布一薄层粉末构造材料来形成。在框520处，确定将要沉积在形成的层的可寻址区域内的功能试剂的量。这是基于例如指示将要在何处施加功能试剂以固化层的适当部分的源自三维物体的模型的数据确定的。在某些情况下，基于层内的部分到三维物体的表面的距离来调节初始的功能试剂值的组。在框530处，基于在框520处确定的量，将功能试剂选择性地沉积在整个层上。在框540处，根据功能试剂的选择性沉积来选择性地固化层内的构造材料的部分。例如，在施加能量之后，接收熔融剂的部分可以升温并熔融，接收粘合剂的部分可以结合在一起，并且即使施加了能量，接收细化剂的部分也可以不固化。

如图5所示，针对多个层重复该方法，直到物体被制造为止。例如基于到物体的表面的距离，功能试剂用量的修改可以针对每个层而变化。这样，该方法可以包括针对在三维物体的表面上方的多个层调节将要沉积的功能试剂的量。因此，框520可以对应于将缩放系数施加于初始沉积量，其中缩放系数针对每个层而变化。

在某些示例中，该方法可以包括获得源自三维物体的模型的数据。例如，这可以包括如图3所示的模型310或切片330。然后可以处理数据以确定用于多个z轴切片的打印控制数据。该打印控制数据包括用于功能试剂的选择性沉积的指令。例如，这可以包括生成如图3所示的打印控制数据切片340。在该示例中，在框520处确定将要沉积的功能试剂的量可以包括根据构造材料的给定部分与三维物体的表面之间的距离的函数缩放打印控制数据内的沉积值。在一种情况下，打印控制数据可以包括已经基于对应于给定层的确定的、期望的或预测的温度图而调节的功能试剂用量值。

在功能试剂包括熔融剂的情况下，框530可以包括将熔融剂沉积在构造材料的给定层的对应于三维物体的固体部分的部分上，并且框540可以包括施加能量以选择性地熔融接收熔融剂的构造材料的给定层的部分。熔融能量可以或多或少均匀地施加在整个层上，其中选择性是通过熔融剂的沉积来提供的。在这种情况下，框520可以涉及，例如，与基于源自物体模型的数据确定的熔融剂的初始量相比，减少将要沉积的熔融剂的量。在一种情况下，例如基于层的热图热校正之后，计算的沉积值可以减少施加。

在功能试剂包括细化剂的情况下，框530可以包括将细化剂沉积在构造材料的给定层的部分上。这些可以是不对应于三维物体的固体部分的部分，或者对应于固体部分但需要温度控制的部分。框540可以包括将能量施加到构造材料的给定层，其中细化剂控制给定层的温度。在这种情况下，框520可以包括例如与基于源自物体模型的数据确定的初始细化剂的量相比，减少将要沉积的细化剂的量。在一种情况下，例如基于层的热图热校正之后，计算的沉积值可以减少施加。在一种情况下，可以将细化剂沉积在部件几何形状之外的区域中以抑制熔融(例如，沉积到紧邻的区域或相邻的区域以提供清晰的边缘)。在另一种情况下，可以将细化剂沉积在与部件几何形状相关联的区域内以调节熔融，即基于温度控制。对于任何给定的物体，两种情况都可以发生。

在某些示例中，在构造方向(例如，与z轴对齐的方向)上形成层。在这种情况下，可以在构造方向上确定距离，例如距离可以是在z方向上从构造材料的部分到下表面的距离。

图6示出了示例查找表600，该示例查找表600可以用于确定施加于例如如以上示例中所描述的构造材料的层的特定可寻址区域的缩放系数。为了使用查找表，可以确定对应于给定部分或可寻址区域的体素。然后，可以例如通过计数体素的数量，直到达到物体之外或物体边缘处的体积，来确定从该体素到下表面中的体素的体素距离。可替换地，可以通过计数当前层与包含将要制造的物体的表面的层之间的层的数量来确定距离。然后使用该距离在表的第一行中查找值。然后从同一列中的下一行检索缩放系数(以百分比表示)。适用于图4A至图4C的示例，图4A中的部分460距物体的底部0体素，因此在这种情况下从表中检索到的缩放系数为15％，并且然后图4A中的部分470离物体的底部1体素的距离，因此检索到缩放系数为25％。

在某些示例中，根据在给定部分与三维物体的表面之间的层平面内的距离的函数可以确定将要沉积在构造材料的给定部分上的功能试剂的量。例如，可以基于距x-y平面中的侧边缘的距离来缩放功能试剂的量。这可以对应于施加锐化功能以减少或避免“模糊”的部件边缘。在这种情况下，缩放系数可以根据从对应于物体的部件的给定体素或可寻址区域到在x-y平面中的表面的距离的函数而变化。

图7示出了示例查找表700，该示例查找表700可以用于确定施加于构造材料的层的特定可寻址区域的缩放系数。它可以代替关于图6的表600施加的缩放来被施加，或与其一起施加。表700的首行示出体素中的距离范围。表700的底行示出了将要施加于将要沉积的功能试剂的量的缩放系数。因此，该表增加了功能试剂在x-y平面中的侧边缘或表面附近的沉积。例如，缩放系数可以被施加于熔融剂的量。当构造材料的给定部分距离边缘较远时，功能试剂的量返回到正常量(例如，在此示例中，距离15体素或更大)。在某些情况下，可以在施加图6所示的缩放系数之后，施加图7所示的缩放系数，例如通常，在z方向上到表面的缩放之后可以施加在x-y平面上到表面的缩放。这可以达到最终锐化过滤器的目的，该过滤器防止由于表600的缩放系数减小使得施加的功能试剂用量的任何减少导致早期层中的边缘变得模糊。

图8示出了计算机装置800，该计算机装置800包括存储指令820的非易失性计算机可读存储介质810，该指令820当被加载到存储器中并由至少一个处理器830执行时，使该处理器以类似于先前描述的示例的方式处理功能试剂用量值。计算机可读存储介质810可以包括任何机器可读存储介质，例如，比如存储器和/或存储装置。机器可读存储介质可以包括许多物理介质中的任何一种，比如，例如，电子介质、磁性介质、光学介质、电磁介质或半导体介质。合适的机器可读介质的更具体的示例包括但不限于硬盘驱动、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器或便携式光盘。在一种情况下，处理器830可以被布置为将指令820存储在比如RAM的存储器中以实施复杂事件处理引擎。

将指令820配置为使处理器首先经由指令840来获得表示将要制造的三维物体的数据。例如，这可以包括表示根据模型320的物体的模型的数据或根据切片330的切片数据。经由指令850，使处理器处理数据以生成用于在z轴内延伸的多个层的打印控制数据。在这种情况下，每个层被定义为在x轴和y轴内延伸的多个可寻址区域(例如，类似于图3所示的切片330)。打印控制数据指令用于给定层的功能试剂的沉积，比如如上所述的粘合剂或熔融剂。打印控制数据指示哪些可寻址区域将要成为将要制造的三维物体的部分，例如，如何将数字域中表示物体的体素映射到构造材料的物理部分，其中根据功能试剂的沉积，构造材料在给定层中被选择性地固化，例如它可以在施加能量源之后熔融。然后指令760被配置为使处理器将缩放系数施加于与打印控制数据内的可寻址区域相关联的功能试剂沉积值，其中缩放系数基于给定可寻址区域与三维物体的表面之间的z轴上的距离。该距离反过来可以基于体素距离来确定，例如，通过将层映射回到数字域中的体素来确定。在其他示例中，缩放系数可以附加地或可替换地基于x-y平面中的距离。

本文描述的某些示例将缩放系数施加于功能试剂用量值。缩放系数可以取决于例如在z轴或x-y平面中的构造材料的给定部分到物体的表面的距离。该表面可以是下表面或侧表面。在一种情况下，缩放系数可以减少用于物体的初始层的熔融剂用量。缩放可以进一步防止针对物体的初始层功能试剂用量值上升太快。缩放系数可以例如通过改变预定值而直接施加，或间接施加，例如设置绝对值或预定值以并入本文描述的羽化效果。可以在有或没有前体热图调节阶段的情况下进一步确定功能试剂用量。

本文描述的某些示例可以通过缓慢增加功能试剂用量来增加物体的下表面或底表面的质量。这可以防止在早期的层中构造材料的移位，并且有助于确保平坦的表面保持光滑(例如，使得底部可以放在比如书桌或桌子的表面上)。某些示例还增加了早期物体形成的稳定性；在部件升温到足以适应试剂施加的冷却作用之前，才施加增加量的功能试剂(比如熔融剂)。这也可以增加平坦表面的质量并且避免粗糙。

本文描述的某些示例因为可以减少由于部件不稳定性和构造材料移位引起的误差，所以还增加了制造过程的可靠性。该示例还可以减少空气传播的粉末的量，并且因此减少或避免堵塞并增加打印头可靠性。本文描述的某些示例进一步允许以较冷的背景温度(例如，T_A)制造。这可以导致改善的可靠性，因为背景温度可以受到更宽松的控制(例如可以落入更宽的范围)，因为不维持构造材料刚开始“蒙皮”的转变温度以防止“飞溅”。这也有助于构造材料的可回收性，因为未固化的构造材料保持在其开始“蒙皮”的阶段以下。它还使未固化的构造材料更易于去除。物体热渗入未固化的构造材料的趋势也有所减少。

已经提出了前面的描述以说明和描述所描述的原理的示例。该描述并不意图是详尽的或将这些原理限制为所公开的任何精确形式。在以上教导的启示下，许多修改和变化是可能的。应当注意，所描述的三维物体包括物体的部件和部分，即，涵盖可以由三维打印系统制造的任何实体。还应当注意，即使示例以单个物体的生产为特征，多个物体也可以归简在一个批次中，例如，在图2或图4A-图4C的层内。应当理解，关于任何一个示例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他示例的任何特征或任何其他示例的任何组合结合使用。

Claims (15)

1.一种制造三维物体的方法，包括：

形成构造材料的层；

基于源自所述三维物体的模型的数据，将功能试剂选择性地沉积在所述构造材料的层上；以及

根据所述功能试剂的选择性沉积，在所述层内选择性地固化构造材料的部分，

其中，所述方法包括：

在给定层中的构造材料的给定部分上将要沉积的所述功能试剂的量根据所述给定部分与所述三维物体的表面之间的距离的函数来确定，其中，如果所述表面不均匀或弯曲，则所述给定层中的所述构造材料的每个部分具有不同的到所述表面的距离。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

获取源自所述三维物体的所述模型的数据；以及

处理所述数据以确定多个z轴切片的打印控制数据，所述打印控制数据包括用于所述功能试剂的选择性沉积的指令；

其中确定将要沉积的所述功能试剂的量包括：

根据构造材料的给定部分与所述三维物体的表面之间的距离的函数来缩放所述打印控制数据内的沉积值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述功能试剂是熔融剂，

选择性地沉积所述功能试剂包括：

在构造材料的给定层的对应于所述三维物体的固体部分的部分上沉积熔融剂；选择性地固化构造材料的部分包括：

施加能量以选择性地熔融所述构造材料的给定层的接收熔融剂的所述部分；并

且

确定所述功能试剂的所述量包括：

减少将要沉积的熔融剂的初始量，所述初始量是基于源自所述三维物体的所述模型的所述数据来确定的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述功能试剂是细化剂；

选择性地固化构造材料的部分包括：

将能量施加到构造材料的所述给定层，其中所述给定层的温度由所述细化剂控制；并且

确定所述功能试剂的所述量包括减少将要沉积的细化剂的初始量，所述初始量是基于源自所述三维物体的所述模型的所述数据来确定的。

5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述功能试剂的量包括：

针对在所述三维物体的所述表面上方的多个层，调节将要沉积的熔融剂的量和细化剂的量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在构造方向上形成所述层，并且确定所述功能试剂的量包括：

在构造材料的给定部分上将要沉积的所述功能试剂的量根据所述给定部分与所述三维物体的表面之间的在所述构造方向内的距离的函数来确定。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述功能试剂的量进一步包括：

在构造材料的给定部分上将要沉积的所述功能试剂的量根据所述给定部分与所述三维物体的表面之间的在层平面内的距离的函数来确定。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述功能取决于所使用的构造材料的类型。

9.一种三维打印系统，包括：

打印头，所述打印头用于在功能材料的床上选择性地沉积功能试剂，其中，所述三维打印系统布置为根据所述功能试剂的选择性沉积来固化功能材料的部分；以及

打印控制器，用于根据给定层中的构造材料的给定部分与三维物体的表面之间的距离的函数来确定在所述给定部分上将要沉积的所述功能试剂的量，其中，如果所述表面不均匀或弯曲，则所述给定层中的所述构造材料的每个部分具有不同的到所述表面的距离；所述打印控制器针对将要固化的所述构造材料的第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分在不同的位置上并且对应于将要制造的所述三维物体的不同部分，所述打印控制器用于：

基于所述第一部分与所述三维物体的所述表面之间的第一距离，指示所述打印头在构造材料的所述第一部分上打印第一量的所述功能试剂；以及

基于所述第二部分与所述三维物体的所述表面之间的第二距离，指示所述打印头在构造材料的所述第二部分上打印第二量的所述功能试剂，

其中所述第一量和所述第二量基于不同的第一距离和第二距离而不同。

10.根据权利要求9所述的三维打印系统，包括：

提供能量以固化构造材料的部分的能量源；

构造材料供应系统；以及

压板；

其中，所述构造材料供应系统供应在所述压板上逐层形成的构造材料，并且

其中，在使用时，所述压板位于所述打印头下面。

11.根据权利要求10所述的三维打印系统，其中，所述打印头被布置为选择性地沉积熔融剂，并且其中，所述三维打印系统在施加所述能量源之后使接收熔融剂的构造材料的部分熔融。

12.根据权利要求11所述的三维打印系统，包括：

打印头，所述打印头用于将细化剂选择性地沉积在构造材料的床上，

其中，所述细化剂起到控制所述构造材料的温度的作用，并且

其中，所述细化剂由所述打印控制器调节。

13.根据权利要求9所述的三维打印系统，其中，所述构造材料包括粉末状聚酰胺。

14.一种非暂时性机器可读介质，所述非暂时性机器可读介质包括指令，当将所述指令加载到存储器中并由至少一个处理器执行时，所述指令使所述处理器：

获得表示将要制造的三维物体的数据；

处理所述数据以生成用于在z轴内延伸的多个层的打印控制数据，每个层被限定为在x轴和y轴内延伸的多个可寻址区域，所述打印控制数据指令用于给定层的功能试剂的沉积，所述打印控制数据指示将要成为将要制造的所述三维物体的部分的可寻址区域，其中，根据所述功能试剂的所述沉积来选择性地固化所述给定层中的构造材料，其中，在所述给定层中的所述构造材料的给定部分上将要沉积的所述功能试剂的量根据所述给定部分与所述三维物体的表面之间的距离的函数来确定，其中，如果所述表面不均匀或弯曲，则所述给定层中的所述构造材料的每个部分具有不同的到所述表面的距离；并且

将缩放系数施加于与所述打印控制数据内的可寻址区域相关联的功能试剂沉积值，所述缩放系数基于给定的可寻址区域与所述三维物体的所述表面之间的在所述z轴上的距离。

15.根据权利要求14所述的介质，其中，所述缩放系数起到减小更靠近所述三维物体的下表面的层的初始功能试剂沉积值的作用，并且所述指令使所述处理器进一步：

将进一步的缩放系数施加于所述功能试剂沉积值，所述缩放系数基于给定的可寻址区域与所述三维物体的侧表面之间的在x-y平面内的距离。

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