CN111629884B - 用于构造材料加热的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了设置在灯和材料之间的待加热的板。该材料吸收来自灯的能量的一部分并且反射能量的第二部分。该板吸收反射的能量并且将反射的能量传递回材料。

Description

用于构造材料加热的方法和设备

背景技术

在增材制造中，所利用的构造材料可在较接近可见光的电磁光谱的红外部分(0.75um与3um之间)中具有高反射性并且在电磁光谱的红外区域(3um与8um之间)中具有高吸收性。

例如，增材制造中使用的普通聚合物被称为PA12。在低于3.0um，PA12具有相对低的能量吸收，即，低于约70％，其中在0.5um与2um之间的吸收始终低于50％。从3.0um至3.5um，PA12吸收几乎100％的那些波长。在高于4.0um，PA12通常吸收80％。

当利用红外加热源用于构造材料的升温时，通常利用普遍可获得的便宜的石英红外卤素灯。这些灯具有限定灯输出的光谱功率分布的各种色温。普通色温在1800°K-2700°K的范围内，产生的灯的峰值功率在1um-2um之间。因此，这些灯在低于3.0um产生其功率的～70％-90％。

附图说明

在下述详细描述中且参考附图描述了某些示例，其中：

图1为根据一些示例的用于捕获并且再利用反射的能量的设备的简化图。

图2为示出根据一些示例的两个石英红外卤素灯相对于构造材料的能量吸收的相对能量强度的图，

图3为根据一些示例的用于示出升温或熔融对构造材料的影响的设备的简化图。

图4为根据一些示例的用于示出图1的板如何能够捕获损失的热的设备的简化图。

图5A和图5B为根据一些示例的用于示出图1的板如何有助于既吸收热又将热传递回构造材料的设备的简化图。

图6为根据示例的与构造材料的吸收率相比，图1的板的相对强度的图。

图7为根据示例的能够使用图1的板清除构造材料的反射的热的设备的简化图。

图8A为示出根据示例的用于使用图1的板来增加构造材料加热的效率的方法的流程图。

图8B为示出根据示例的用于使用该板和图7的透明板来增加构造材料加热的效率的方法的流程图。

图9为根据示例的利用图1的板的打印机的熔融模块的简化图。

在本公开和图中通篇使用相同的数字以指代相同的组件和特征。100系列中的数字是指最初在图1中发现的特征，200系列中的数字是指最初在图2中发现的特征，以此类推。

具体实施方式

根据本文描述的示例，板设置在升温灯和要被灯加热的构造材料之间。构造材料在电磁光谱的一些红外区域中具有高吸收性，并且在其他区域中具有高反射性。熔融石英或其他透明材料可设置在板的任一侧上，以隔离朝向构造材料的热。为了更好的吸收，可涂覆板。板既机械地捕获从构造材料反射掉的能量，又再发射具有3um与8um之间的波长的红外区域中的能量，从而更有效地加热构造材料。

图1为根据示例的用于捕获并且再利用反射的能量的设备100的简化图。板104设置在灯102和目标区(比如构造平台)之间，在其上可形成构造材料106的层。构造材料106(其可为粉末或粉末型材料)形成为设置在构造平台或其他目标区上的薄层。

构造材料106可为聚合物或聚合物类物质，或可包括粉末形式的其他塑料、陶瓷或金属。在一些示例中，粉末可由短纤维形成，或可包括短纤维，该短纤维可例如已经从材料的长股或长线切成短的长度。可采用图1的设备100与许多可为粉末或粉末状的材料中的任一种。

灯102提供红外发射源以加热构造材料106。灯102可用于熔融构造材料(熔融灯)，或可用于将构造材料保持在某一温度(升温灯)。在一些示例中，灯102为石英红外卤素灯。

图2为根据示例的示出石英红外卤素灯的两个示例的相对能量强度(即，能量发射)，以及构造材料的吸收(即，能量吸收)百分比的图200。两个灯包括石英红外卤素灯。第一石英红外卤素灯具有1800°K的色温(本文中称为“1800灯”)，峰值功率在1.7um处(长虚线)。第二石英红外卤素灯具有2750°K的色温(本文中称为“2750灯”)，峰值功率在1.1um处(短虚线)。在该示例中，构造材料为PA12聚合物(点线)。

PA12聚合物具有所示的吸收轮廓。点线曲线显示构造材料在每个波长处将吸收多少能量。该图显示，在高于3.0um，PA12聚合物具有高吸收性，但在低于3.0um，其吸收率相对低。在3.0um和3.5um之间，PA12聚合物具有高于90％的吸收率。

两条曲线显示了两个灯，1800灯(虚线)和2750灯(点线)的强度。图200显示，当PA12构造材料仅具有轻微的吸收性时，灯1800和灯2750产生其大部分能量。向上驱动电力使用以克服导致不期望的能量浪费的这种不匹配。例如，构造材料从1800灯和2750灯吸收的能量可低至15％-30％。

图200示出了1800灯和2750灯的红外源发射光谱与PA12构造材料的吸收轮廓之间的不匹配。1800灯在1.7um处提供峰值功率，而2750灯在1.1um处提供峰值功率。所以，两个灯都在其中PA12构造材料具有低吸收的波长中提供峰值功率。相反，当PA12构造材料具有高吸收性时，在3um与3.5um之间，灯的相对强度非常低，1800灯为约30％-40％，并且2750灯为约10％-15％。

此外，当构造材料不具有很高的吸收性时，其恰好也具有高反射性。因此，在低于3.0um(当灯提供最高功率时)，PA12聚合物具有高反射性。由于灯与构造材料之间的不匹配，浪费了意图用于加热构造材料的能量。

图3为根据一些示例的用于示出升温或熔融对构造材料的影响的设备300的简化图。升温灯302向构造材料106发送红外能量306的形式的升温热，如面向下的虚线箭头所示。三个熔融灯304的组向构造材料106发送熔融热308，如面向下的实线箭头所示。部件312A–312C设置在构造材料106中(统称为“部件312”)。通过在选定位置，在构造材料106上沉积吸收能量的液体材料，熔融剂，随后熔化熔融剂连同构造材料，来形成部件312。熔融剂有时称为粘合剂或粘合试剂，并且可包括热固化的化学粘合剂。当施加熔融能量时，吸收足以熔化的能量的构造材料106的部分是在其上已经施加了熔融剂的部分。如上所述，其中未施加熔融剂的构造材料反射性更强。部件312A被熔融并且在构造室的升温部件中，而部件312B和312C设置在该室的熔融部件中。

因此，在图3中，将升温热306和熔融热308施加至构造材料106(包括部件312)。因为所描述的不匹配，所以构造材料(其中缺少一部分)将热反射远离构造材料，作为反射的热310A(在部件312A的左侧)、反射的热310B(在部件312A和312B之间)、反射的热310C(在部件312B和312C之间)和反射的热310D(在部件312C的右侧)，如面向上的实线箭头所示。因此，在部件312吸收升温热和熔融热的同时，按照设计，也发生反射的热310形式的损失。

图4为根据一些示例的用于示出图1的板104如何能够捕获反射的热310的设备400的简化图。如前面一样，在构造材料106的方向上，升温灯302发送升温热306并且熔融灯304发送熔融热308。通过在构造材料上选择性沉积熔融剂而形成部件312。设置在升温灯302和以部件312A为特征的构造材料106的部分之间的板104捕获来自升温灯302的升温热306。来自熔融灯304的熔融热308达到以部件312B和312C为特征的构造材料106的部分。来自图3中的反射的热310A和310B现在图示为捕获的反射的热402A和402B(统称为“捕获的反射的热402”)，并且不像前面那样逸散，而是被引导至板104。不在板104下面的反射的热310C和310D未被捕获。以此方式，板104吸收至少一些从构造材料106反射掉的热。板104的存在使得捕获的反射的热402朝向构造材料106(包括部件312A)辐射回去。

在一些示例中，板104包括导热的材料以用于均匀的热分布。在一个示例中，板104包括铝材料。在第二示例中，板104包括陶瓷材料。在第三示例中，板包括复合材料。提供导热性和均匀的热分布的任一种或多种材料可为用于制造板104的良好候选。此外，板104可用“光学黑色”涂层涂覆，以用于有效的宽光谱能量吸收。

板104既是来自升温灯302的以升温热306的形式的红外能量的吸收体，又是来自构造材料106的反射的热402的吸收体。组合的能量吸收加热板104。在一些示例中，板104被加热至大约500°K。在一些示例中，板104充当黑体辐射器，其色温远低于1800灯或2750灯的色温。在一些示例中，板104在高于3.0um的构造材料106的高吸收区域中发射其98％的能量。

图5A和图5B分别为用于示出图1的板104如何有助于既吸收热又将热传递回构造材料106和部件312的设备500A和设备500B的简化图。设备500A包括升温灯302，而设备500B包括升温灯302和熔融灯304两者。升温灯302朝向构造材料106和部件312辐射第一发射光谱处的升温热306，其中的一些被板104吸收。将第二发射光谱处的升温热504从板104传递至构造材料106和部件312。

由于其在较低波长处的反射性，构造材料106反射第二发射光谱处的升温热504中的一些(示为反射的热502)，其中的一些朝向板104辐射。已经吸收了第一发射光谱处的来自升温灯的升温热306和第二发射光谱处的来自构造材料106的反射的热502的板104，将能量作为热504朝向构造材料辐射回去。因此，由于接收可能在第二发射光谱处的升温灯的热和反射的热两者，板接收的热可由多于一种发射光谱组成。

在设备500B中，构造材料106和部件312接收升温热306和熔融热308两者。第一发射光谱处的升温热306朝向构造材料106和部件312辐射，其中的一些被板104吸收。第二发射光谱处的升温热504从板104传递至构造材料106和部件312。第三发射光谱处的熔融热308既被部件312B吸收又被构造材料106反射掉。反射的热506被板吸收。因此，由于接收升温灯的热、熔融热和反射的热，板接收的热可由多于一种发射光谱组成。

图6为根据示例的示出与PA12构造材料的吸收率相比，板104的相对强度的图600。当1800灯和2750灯的峰值功率在1um与2um之间时，板104，在大约500°K处，具有的峰值功率在约5.7um。因此图600显示，与1800灯和2750灯的强度相比，PA12构造材料的吸收和板104的功率发射的重叠的显著位移。

图600显示板106的光谱功率发射，以及PA12构造材料的吸收。在一些示例中，板106使构造材料对发射的能量的吸收提高了87％，这比没有板的吸收提高3-6倍。

图7为根据示例的能够使用图1的板104吸收构造材料的反射的热的设备700的简化图。设备700以板104为特征，这次是夹在透明板702和704之间。透明板702和704促进板104对热的捕获。为了简单起见，不是所有的构造材料106都显示为被加热，并且描绘了从灯302、304发射的或从板104反射的能量或热射线的缩略图示。

升温热/红外能量306从升温灯302向下朝向构造材料106传递。升温热306经过透明板702作为穿过的升温热706，以被板104吸收。熔融热308从熔融灯304向下朝向构造材料106传递。一些熔融热308被部件312吸收，而一些熔融热被构造材料106反射掉，显示为反射的热502，朝向板104返回。

由于透明板704的存在，反射的热在板104和透明板之间被捕获，显示为捕获的反射的热708，其进一步使板104升温。板704的透明性允许来自板104的能量穿过以达到构造材料106和部件312。因此，捕获的反射的热708作为穿过的捕获的热710向下朝向构造材料106传递。

在一些示例中，透明板702和704由熔融石英制成。设备700可包括透明板704，以用于提高板104对反射的热502的捕获，而不包括透明板702。设备700可包括透明板702和704两者，以用于通过板104从升温灯302和反射性构造材料106两者最佳地捕获热。

尽管图3、图4、图5和图7中的上述图示区分了从升温灯302接收的升温热306和从熔融灯304接收的熔融热308，但是灯的类型可互换。换句话说，来自熔融灯304的反射的熔融热308可被板104捕获，而升温热306由被升温的部件接收并且向上反射以被板104吸收。同样地，来自升温灯302的升温热306可从构造材料106向上反射以被板104捕获，而来自熔融灯304的熔融热被板捕获。此外，板104可如图所示直接设置在升温灯302下方，或可直接设置在熔融灯304下方，或可设置在升温灯和熔融灯两者下方。最后，板104可被移动以便在第一时间段期间设置在构造材料106的不同部分上方或设置在熔融灯304下方，并且在第二时间段期间设置在升温灯302下方。

图8A和图8B为根据示例的示出用于使用图1的板104来增加构造材料加热的效率的方法800A和800B的流程图。方法800A利用板，比如图1的板，而方法800A利用比如图7中的板和相邻的透明板两者。方法显示采用的两个路径。这些路径可同时或顺序地发生。此外，方法步骤描述的灯能量可包括升温灯能量、熔融灯能量或两者。

在第一路径中，灯能量被传递至构造材料和部件(框802)。传递的能量的一部分被构造材料反射掉(框804)。传递的能量和反射的能量的发射光谱可不同，两者都被板吸收(框808)。

在第二路径中，灯能量被直接传递至板(框810)，并且被板吸收(框814)。然后板的吸收的能量传递至构造材料(框816)。完成了增加构造材料加热的效率的方法。

在方法800B中，两个透明板设置在板的任一侧上，比如图7的构造。灯能量被传递至构造材料和部件(框802)。传递的能量的一部分被构造材料反射掉(框804)。传递的能量和反射的能量的发射光谱可变化。反射的能量的部分穿过下透明板(框806)。传递的能量和反射的能量两者都被板吸收(框808)。

在第二路径中，灯能量被传递至板(框810)，但首先穿过上透明板(框812)。传递的能量和反射的能量的发射光谱可不同，两者都被板吸收(框814)。然后板的吸收的能量被传递至构造材料和部件(框816)。完成了增加构造材料加热的效率的方法。

用于增加构造材料加热效率的方法和设备提供了提高的构造材料加热的效率，减少了红外源(灯)和普通聚合物构造材料的光谱功率发射之间的不匹配，并且由于提高的能量效率而减少了功率消耗。尽管图示描绘了PA12构造材料，但这些原理可应用于用于增材制造的其他类型的构造材料。此外，尽管这里描述了1800灯和2750灯，但当使用其他类型的用于增材制造的灯时可应用这些原理。本文中描述的方法和设备通过重新捕获未利用的熔融能量而减少了浪费，减少了废热，并且降低了来自被构造的部件的冷却空气的排气温度。这种能量提高可减轻进行这种增材制造的建筑物中空调系统的负荷。

图9为根据示例的用于多射流熔融打印机的熔融设备900的简化图。横截面图显示了三个熔融灯904，它们主要熔化已经将熔融剂施加至构造材料918的构造平台914的部分，得到增材制造部件912。在一些示例中，在尚未施加熔融剂的区域中，几乎所有的熔融灯能量被反射。来自熔融灯904的能量916穿过熔融石英908以被构造材料918和部件912接收。来自构造材料918的反射的能量920被板910吸收。因此，来自熔融灯904的直接发射的能量916从裸露的构造材料(918)反射掉并且被板910吸收。

在熔融设备900的左侧上，升温灯902加热板910，其中面向下的箭头指示直接发射的能量或光916。直接发射的能量916穿过熔融石英板906。在一些示例中，板910上方的升温灯902也将能量供应至板，以产生足以将未打印的构造材料918保持在期望的温度的黑体辐射温度。板910被夹在熔融石英的两个板906和908之间。这允许板910与对流冷却隔离同时允许红外能量传递。

尽管本技术可能容易受到各种修改和可替换形式的影响，但以上讨论的技术已经通过示例的方式显示。应理解，该技术不旨在限于本文公开的特定示例。实际上，本技术包括落入下述权利要求的范围内的所有可替换物、修改和等效物。

Claims (13)

1.一种设备，包括：

装置，所述装置用于当构造材料的层存在于构造平台上时将热施加至所述构造材料的层，其中所述构造材料要吸收所述热的第一部分，并且反射所述热的第二部分；和

设置在材料加热装置和所述构造材料之间的板，其中，所述板是导热的，并且用于在所述板的第一侧吸收来自所述材料加热装置的热，在所述板的第二侧吸收所述热的所述第二部分，将来自所述材料加热装置的所述热辐射至所述构造材料，并且将所述热的所述第二部分再发射至所述构造材料。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

设置在所述材料加热装置和所述板之间的第二板，其中所述第二板对由所述材料加热装置发射的能量的波长具有高透射性。

3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括：

设置在所述板和所述构造材料之间的第三板，其中在所述板和所述第三板之间设置空气间隙。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二板和所述第三板包括熔融石英。

5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：

设置在所述板的所有表面上的涂层，其中所述涂层供应所述板的宽光谱能量吸收。

6.一种方法，包括：

当在目标区上形成/存在材料时，通过设置在灯和所述材料之间的板吸收从所述灯传递到所述板的能量以及从所述材料反射到所述板的能量，其中所述板是导热的；和

将被所述板吸收的从所述灯传递的所述能量以及被所述板吸收的反射的所述能量发射至所述材料。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

使用所述灯加热所述材料，其中所述材料吸收热的第一部分并且反射所述热的第二部分。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

通过所述板吸收所述热的所述第二部分。

9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

通过所述板吸收困在所述板与设置在所述灯和所述板之间的玻璃板之间的热。

10.一种设备，包括：

板，当在构造平台上形成材料的层时，所述板设置在灯和所述材料的层之间，所述板和所述材料要被所述灯加热，其中所述板是导热的并且吸收来自所述灯的能量以及从所述材料反射的能量，并且朝向所述材料发射所吸收的能量。

11.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：

设置在所述灯和所述板之间的第一熔融石英板；和

设置在所述板和所述材料之间的第二熔融石英板。

12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括：

用于涂覆在所述板的所有表面上的光学黑漆，其中所述板加热至大约500开尔文。

13.根据权利要求10所述的设备，其中被加热的所述材料包括PA12聚合物。

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