CN112020418A - 控制三维打印中的能量源 - Google Patents

Abstract

根据一个示例，提供了一种控制3D打印系统中的能量源的方法。该方法包括指示构建平台驱动模块将构建平台降低一定量，在构建平台上形成构建材料的层，确定构建平台被降低的实际量，基于构建平台被降低的确定的实际量控制能量源发射能量的量。

Description

控制三维打印中的能量源

背景技术

一些三维打印系统通过选择性地固化在可移动构建平台上形成的构建材料的连续层来生成3D对象。一些这样的系统，例如，基于要生成的对象的3D对象模型，将能量吸收剂熔剂（absorbent fusing agent）选择性地施加或打印到构建材料的形成的层上。然后从合适的能量源向构建材料的层施加能量，这使得其上施加了熔剂的构建材料层的那些部分充分加热以熔化（melt）、烧结（sinter）或否则熔合（fuse）在一起，从而形成正在生成的3D对象的层。由熔剂吸收的能量的波长通常可以与由能量源发射的波长匹配。

其他3D打印技术包括所谓的粘结剂喷射（binder jet）系统，其选择性地将粘结剂打印到构建材料的层上，以选择性地粘结层的部分来形成正在生成的对象的层。这种系统可以使用热能或紫外能量来硬化（cure）或活化（activate）粘结剂。

通常，在3D打印作业的处理期间，构建材料的每个形成的层可以具有相同的厚度。对于目标在于生成具有高质量和高尺寸准确度的对象的3D打印过程，层厚度可以例如从大约50到120微米的范围选择。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述示例，在附图中：

图1A和1B是根据一个示例的3D打印系统的简化侧视图示；

图2是根据一个示例的测量模块的图示；

图3是根据一个示例的3D打印机控制器的框图；

图4是概括根据一个示例的控制3D打印系统的示例方法的流程图；

图5是根据一个示例的3D打印系统的简化侧视图示；

图6是概括根据一个示例的控制3D打印系统的示例方法的流程图；以及

图7是示出了根据一个示例的熔合功率和实际层厚度之间的关系的图。

具体实施方式

构建材料的形成的层的厚度通常由构建材料涂覆器（recoater）元件的基部与其上将形成构建材料的层的构建平台的通常是顶表面的表面之间的距离决定。可以在构建平台上直接形成构建材料的第一层，并且可以在先前形成的层上形成后续层。

在向构建材料的层施加能量以引起其选择性熔合的3D打印系统中，基于将从其生成3D对象的待形成的层的预期厚度，将施加的能量的量对于3D打印过程通常是固定的。

已经观察到，尽管可能预期在对象的生成期间构建材料的连续层的厚度是恒定的，但是层的实际厚度可以稍微变化。预期层厚度与实际层厚度之间的变化可以基于多个因素。

例如，如果通过使用电机旋转导螺杆（lead screw）来移动构建平台，则可能难以准确地控制电机轴的角旋转，这可能导致导螺杆移动与预期量不同的量。此外，如果齿轮用于将控制电机耦合到导螺杆，则齿轮侧隙（backlash）或“游隙（play）”可以进一步导致构建平台移动非预期的量。

粉末的构建材料也可能进入构建平台边界与构建腔室的壁之间的区域，这可能增加可能导致构建平台的非可预测的移动的在构建平台移动时的其摩擦。

因此，这些和其他因素可能影响每个形成的层的实际厚度。

本文描述的示例提供了用于基于构建平台的测量的位移确定构建材料的形成的层的实际厚度的系统和方法。根据实际的构建平台位移以及因此实际的构建材料层厚度，从基于预期的层厚度的基本量修改施加到每个形成的层的能量。这样，将熔合能量的合适的量施加到构建材料的每个层以确保每个形成的层的部分的熔合的预期程度。由此，这种技术有助于防止比预期厚的层被欠熔合（under fused），并且还防止比预期薄的层被过度熔合（over fused）。与最佳熔合层相比，欠熔合层可能例如呈现出较弱的层间强度。过度熔合层可能例如引起未预期熔合的构建材料的熔合，例如通过层之间的热渗出（thermalbleed）和/或通过层内的横向热渗出。

因此，使用本文描述的示例，与施加到具有预期厚度的层的能量相比，比预期厚的构建材料的形成的层可以接收附加的熔合能量。相反，与施加到具有预期厚度的层的能量相比，比预期薄的形成的层可以接收减少的熔合能量。

如本文所使用的术语“层厚度”通常旨在指形成在构建平台上或形成在先前形成的层上的构建材料的层的一般厚度。层厚度通常将是构建平台的顶表面（或构建材料的先前形成的层的顶表面）与构建材料涂布器（spreader）或涂覆器的基部之间的高度差。然而，应当理解，在先前形成的层上形成的构建材料的层的厚度可以局部不同，所述层的部分已经被选择性地固化。这可能是因为固化的构建材料可以在竖直轴上收缩、压实（compact）或致密化，并且因此可以提供低于相同层的非固化构建材料的部分的基部。

现在参考图1A，其示出了根据一个示例的三维（3D）打印系统100的简化侧视图。为了清楚起见，未示出完整3D打印系统的所有元件。

示例3D打印系统100包括在其上安装诸如涂覆器之类的构建材料分层模块102的托架（carriage）（未示出）和能量源104。托架以及因此构建材料分层模块102和能量源104可沿x轴双向移动，如箭头106所示。构建材料分层模块102将在构建平台110上形成构建材料的层。例如，在一个示例中，构建材料分层模块可以是涂覆器，其将在构建单元112的构建平台110之上涂布构建材料的体积108，诸如粉末、微粒（particulate）或颗粒（granular）类型的构建材料，如图1B中所示。构建材料可以是任何合适类型的构建材料，包括塑料、金属和陶瓷构建材料。合适的塑料构建材料可以是可从HP公司获得的商业上称为V1R10A“HPPA12”的PA12构建材料。

构建材料分层模块102可以是例如反向旋转辊、擦拭器（wiper）或任何其他合适的涂布机构的形式。在一个示例中，构建材料分层模块102可以是构建材料分散（dispersion）设备，其例如通过空中（overhead）沉积而直接在构建平台110上形成构建材料的层。

能量源104可以是任何合适的能量源，诸如卤素灯，其例如可以用于在能量源104在构建平台110之上移动时向构建材料的每层施加大致均匀量的能量。

可以通过构建材料配料（dosing）模块（未示出）在构建材料供应平台114上形成构建材料的体积108。合适的配料模块可以是料斗（hopper）、可移动叶片或任何其他合适的构建材料配料机构。构建材料的体积108可以形成为具有沿构建材料供应平台的长度，即沿垂直于图的平面的y轴延伸的基本上均匀的横截面的构建材料的体积。在涂布之后，任何过量的构建材料都可以留在构建材料接收平台116上，任何过量的构建材料可以从该平台例如在相反涂布过程中重新使用，或者恢复以便在后续操作中使用。

构建平台110耦合到支撑元件118，支撑元件118耦合到驱动或控制模块120。在一个示例中，支撑元件118包括穿通固定螺母（未示出）的导螺杆。因此，驱动模块120对导螺杆的旋转使得构建平台110的位置依赖于导螺杆的旋转方向而变化。在另一个示例中，支撑元件118可以是液压活塞，并且驱动模块120可以是液压驱动系统以改变活塞内的液压压力。在使用中，驱动模块120被指示或被控制以将构建平台110降低预期的量。该预期的量是在3D打印构建操作期间要使用的预定层厚度。然而，如上文所讨论的，构建平台110可能预期移动的距离可以不同于构建平台110实际移动的距离。

为了使得能够准确地确定构建单元112内的构建平台110的竖直位移，提供了测量模块122。在一个示例中，“准确地确定”可以被理解为意指准确到在被形成的构建材料的层的预期厚度的约5%内、准确到约10%内、或约20%内、或约30%内。例如，如果预期层厚度是约80微米，则测量模块122可能能够测量构建平台的位移至约+/-4微米的准确度。在图1中所示的示例中，测量模块122被示出为附接到构建平台110的下侧。在其他示例中，测量模块122可以放置在任何合适的位置处，以使得构建平台122的位移能够被准确地确定。

在一个示例中，如图2中所示，测量模块122可以包括耦合到构建平台110的下侧的光学编码器122A。该光学编码器122A可以包括例如光学传感器和光源。光学传感器可以例如基于从光源接收的从编码器条（encoder strip）反射的光的量来生成电信号。

另外，固定到构建单元112的内部体积的一侧或结合到构建单元112的内部体积的一侧中或否则与构建单元112的内部体积的一侧相关联的是编码器条122B。编码器条122B可以例如是类似于打印系统中使用的那些的编码器条，以确定沿托架路径的打印托架的位置。例如，编码器条122B可以包括具有对比色的背景上的规则间隔的视觉标记的集合。这样，当光学编码器122A在编码器条之上移动时，可以检测和计数在每个视觉标记之上的转变。这种光学编码器和编码器条的准确度取决于视觉标记的分辨率。在一个示例中，编码器条可以具有每微米四个编码器单元的分辨率，允许0.25微米的精度。

在其他示例中，测量设备122可以是任何其他合适种类的测量设备，诸如激光测量设备或超声测量设备。这种设备可以例如用于通过测量构建平台的基部的位移，或通过测量构建平台的上表面或外表面或形成在其上的构建材料的层的位移，来确定构建平台位移。

在一个示例中，构建单元112可以集成到3D打印系统100中。在另一示例中，构建单元112可以是可移除元件，其可以被插入到3D打印系统100中，使得可以在构建单元112中生成一个或多个3D对象。

3D打印系统100的操作通常由打印机控制器126来控制，打印机控制器126的进一步的细节在图3中示出。

现在参考图3，根据一个示例的打印机控制器126被更详细地示出。打印机控制器126包括处理器302，诸如微处理器或微控制器。处理器302经由合适的通信总线（未示出）电耦合到存储器304。存储器304存储机器可读指令的集合，机器可读指令的集合可由处理器302读取和执行以根据指令控制3D打印系统。指令的执行使得操作3D打印系统100的方法得以执行，如图4的流程图中所示并且如下所述。

具体地，存储器304包括平台位移控制指令306，当由处理器302执行时，使得驱动模块120移动（框402），例如将构建平台110降低预期的高度。存储器304附加地包括平台位移确定指令308，其在由处理器302执行时确定（框404）构建平台110的竖直位移。例如，指令可使处理器302从测量模块122接收电子信号，以使得能够准确地确定构建平台的竖直位移。如果如上所述，测量模块122包括光学编码器122A，则指令可以使处理器302在光学编码器122A经过光学编码器条122B时从光学编码器122A接收电子信号，以使得构建平台的竖直位移能够被确定到与光学编码器条122B的分辨率匹配的准确度。

在框406处，打印机控制器126控制构建材料分层模块102以在构建平台110上形成构建材料的层。例如，打印机控制器126可以使构建材料分层模块102从构建平台110的一侧移动到另一侧，以使在构建材料供应平台114上形成的构建材料的体积108在构建平台110之上涂布来在其上形成层。

存储器304附加地包括能量校正指令310，当由处理器302执行时，所述能量校正指令310使处理器基于构建平台110的所确定的竖直位移来确定（框408）通过能量源104施加（框410）到构建材料的形成的层的能量的量。在一个示例中，施加熔合能量的确定的量包括将电力的设置的量施加至熔合能量源，以使能量源在能量源以预定速度在构建材料的层之上移动时将相关量的能量发射至构建材料的层。

在框410处，打印机控制器126控制能量源104以将能量的确定量施加至构建平台110上的构建材料的形成层。

应当理解，可以改变执行上述一些框的顺序而不影响过程的结果。一些框也可以与其他框的执行并行执行。

现在参考图5，示出了根据一个示例的3D打印系统500的简化图示。图5中所示的一些元件是图1中所示的相似元件或是等同元件，并且因此被赋予相同的附图标记。

3D打印系统500包括熔合模块501，具有剂分配器502、位于剂分配器502的一侧上的第一能量源504和位于剂分配器502的另一侧上的第二能量源506。熔合模块的元件可以安装在可在构建平台110之上移动的托架上。熔合模块的元件可以跨构建平台的宽度，以使得能量和打印剂能够被施加到构建材料的形成的层上的任何可寻址位置。

剂分配器502可以是打印头，诸如热喷墨（TIJ）打印头或压电打印头。剂分配器502基于将由3D打印系统500生成的3D对象的3D对象模型以图案将能量吸收熔剂的液滴打印或施加到构建材料的层。例如，3D对象模型可以被切片成一系列平行平面，每个切片由位图图像表示，该位图图像表示要由3D打印系统500固化的构建材料的每个层的部分。在一个示例中，那些部分可以表示要施加熔剂的构建材料的层的部分。

在所示的示例中，通过从能量源504和506中的一个或两个施加熔合能量，使得其上施加了熔剂的构建材料的层的部分被充分加热以熔化、烧结或否则熔合，以形成正在生成的3D对象的层。其上未施加熔剂的构建材料的层的部分通常将没有充分加热以熔化、烧结或熔合。

在所示的示例中，随着熔合模块501在构建平台110之上移动，剂分配器502可以选择性地打印熔剂，并且尾随（trailing）能量源（相对于熔合模块501的行进方向）可以施加第一水平的能量，该第一水平的能量引起其上施加了熔剂的构建材料的充分加热和熔合。在该示例中，熔合能量源是指当剂分配器502在构建平台110之上移动时尾随剂分配器502的能量源504或506。

在另一个示例中，前导能量源（相对于熔合模块的行进方向）可以施加低于尾随能量源的能量的水平，以将构建材料的形成的层加温或预加热至接近但低于构建材料的熔化温度的温度。在此示例中，加温能量源是指在剂分配器502在构建平台110之上移动时先于剂分配器502的能量源504或506。

熔合模块501的对称布置允许在熔合模块501在构建平台110之上双向移动的同时发生熔剂的打印和熔合能量的施加。

在另一示例中，可以使用静态空中加温能量源，诸如卤素灯阵列，来完成对构建材料的形成的层的加温。

打印系统500通常由类似于图1和3中所示的打印机控制器126的打印机控制器508来控制。

打印机控制器508包括机器可读指令，当由控制器508执行时，所述机器可读指令使得打印系统500根据图6中示出的流程图中示出的方法进行操作。

在框602处，控制器508指示驱动模块120降低构建平台110以降低预定高度。在一个示例中，该预定高度可以是80微米的高度。在一个示例中，在驱动模块120包括电机的情况下，指示驱动模块120可以包括向电机发送电信号达预定的时间长度，以引起耦合到支承构件118的电机轴的旋转。在另一个示例中，指示驱动模块120可以包括例如通过发送一系列电脉冲来指示电机，以引起电机轴旋转预定次数或预定角度。

在框604处，控制器508控制构建材料分层模块102以在构建平台110上形成构建材料的层。例如，构建材料分层模块102可以在构建平台110之上移动或扫描，以涂布沉积或形成在构建材料供应平台114上的构建材料的体积108。在所示的示例中，构建材料分层模块102被示出为可独立于熔合模块501移动，尽管在其他示例中，涂覆器可以位于与熔合模块501相同的托架上。

在框606处，控制器508使用测量模块122确定构建平台的实际位移。

在框608处，控制器508确定将由熔合能量源（504或506）施加到构建材料的层的熔合能量的量。

在框610处，控制器508控制熔合模块501在构建平台110之上移动，并且控制剂分配器基于要生成的对象的3D对象模型来选择性地打印或施加熔剂。在框612处，控制器508控制熔合能量源（504或506）施加确定量的能量，以使其上施加了熔剂的构建材料的形成的层的部分充分加热以熔化、烧结或否则熔合。

对于给定的层厚度要施加的能量的量可以通过合适的实验来确定。然而，在一个示例中，如图7中所示，由能量源104施加的能量的量与所确定的层厚度之间的关系是线性的，并且因此以算法来表示。基于层厚度和要施加的能量的量之间的关系的数据可以存储在打印机控制器可访问的存储器中，例如存储在查找表中。

图7中的数据基于PA12构建材料，诸如商业上称为V1R10A“HP PA12”的构建材料和商业上称为V1Q60Q“HP熔剂”的熔剂，二者均可从HP公司获得。

如可以看到的，70微米的层厚度可能需要约3000瓦特的熔合能量以引起其上已经施加了熔剂的部分熔化或烧结，而80微米的层厚度可能需要约3200瓦特的熔合能量。

熔合功率和层厚度之间的关系可以基于例如以下中的任何一个或多个而变化：构建材料的特性；熔合能量源在构建平台之上移动的速度；所用的熔剂的特性；所施加的熔剂的密度；在熔合过程期间的热损失；以及在熔合之前将构建材料预加热至的温度。

尽管上述示例涉及基于构建平台移动的所确定的实际距离来确定要施加的熔合能量的量，但是在一些示例中，相同的技术也可以被应用于基于构建平台移动的所确定的实际距离来确定要施加的加温能量的量。

上述示例涉及基于熔剂和熔合能量的3D打印系统。然而，相同的技术也可以应用于其他类型的3D打印系统，诸如选择性激光烧结（SLS）、立体平版印刷（SLA）和粘结剂喷射型3D打印系统。例如，在SLS系统中，施加到烧结激光器的功率可以基于构建平台移动的实际距离并且不基于构建平台移动的预期距离。在SLS系统中，烧结激光器可以被控制以基于要生成的3D对象的3D对象模型选择性地加热、烧结、熔化或否则熔合构建材料的部分。

类似地，在SLA系统中，施加到诸如激光器或数字光投影仪源之类的硬化能量源的功率也可以基于构建平台移动的实际距离，并且不基于构建平台移动的预期距离。

尽管通篇提及了构建平台的“高度”，但应理解，在其他示例中，可能更适当的是指构建平台移动的位移或距离。例如，在一些示例中，诸如在SLA系统的情况下，构建平台可以以竖直取向定位在包含液体构建材料的构建单元中。在该示例中，当通过构建单元的侧部选择性地固化液体构建材料的层时，构建平台可以水平移动。在另一示例SLA系统中，构建平台可以定位在构建单元的底部处，并且可以在液体构建材料的层通过构建单元的基部选择性地固化时竖直地升高。在这样的系统中，可以省略在构建平台上形成构建材料的层的主动（active）过程，因为构建平台在包含液体构建材料的构建单元内的移动可以使得构建材料的层自动地形成在其上。

应当理解，本文描述的示例可以以硬件、软件或硬件和软件的组合形式来实现。任何这样的软件可以以易失性或非易失性存储装置的形式来存储，易失性或非易失性存储装置诸如例如是像ROM的存储设备，无论是否可擦除或可重写，或者以存储器的形式来存储，存储器诸如例如是RAM、存储器芯片、设备或集成电路，或者存储在光或磁可读介质上，光或磁可读介质诸如例如是CD、DVD、磁盘或磁带。应当理解，存储设备和存储介质是适于存储一个或多个程序的机器可读存储装置的示例，所述一个或多个程序在被执行时实现本文描述的示例。因此，一些示例提供了包括用于实现如任何前述权利要求中要求保护的系统或方法的代码的程序以及存储这样的程序的机器可读存储装置。

本说明书（包括任何所附权利要求书、摘要和附图）中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合来组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。

除非另外明确说明，否则本说明书（包括任何所附权利要求书、摘要和附图）中公开的每个特征都可以由服务于相同、等同或类似目的的替代特征来替换。因此，除非另外明确说明，否则所公开的每个特征仅是等同或类似特征的一般性系列的一个示例。

Claims (15)

1.一种三维打印系统，包括控制器，以：

指示构建平台控制模块将构建平台移动预定距离；

使用测量模块确定构建平台移动的实际距离；

控制构建材料分层模块以在构建平台上形成构建材料的层；以及

控制能量源以将能量的量施加至构建材料的形成的层，能量的量基于所确定的实际距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，控制器控制能量源以使构建材料的形成的层的部分充分地加热以基于3D对象模型熔化、烧结或否则熔合在一起。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括剂分配器，并且其中，控制器还控制剂分配器基于要生成的对象的3D对象模型选择性地将能量吸收熔剂施加到构建材料的层，并且其中，将能量的量施加到在其上施加熔剂的构建材料的一部分使所述部分充分加热以熔化、烧结或否则熔合。

4. 根据权利要求1所述的系统，其中，测量模块包括：

光学传感器，耦合到构建平台的下侧；以及

编码器条，与构建单元的内部体积的一侧相关联。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，测量模块包括激光传感器，以通过以下之一来确定构建平台位移：测量构建平台的基部的位移；以及测量构建平台的上表面或外表面或先前形成在其上的构建材料的层的位移。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，控制器控制包括耦合到导螺杆的电机的控制模块，并且其中，指示控制模块移动构建平台包括指示电机轴进行预定数量的旋转或旋转预定角度。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括能量源，以在能量源在构建平台之上移动时向构建材料的每个层施加大致均匀量的能量。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括烧结激光器，并且其中，控制器还控制烧结激光器以将能量的量选择性地施加到构建材料的一部分，以使所述部分充分加热以熔化、烧结或否则熔合。

9.一种控制3D打印系统中的能量源的方法，包括：

指示构建平台驱动模块将构建平台降低一定量；

在构建平台上形成构建材料的层；

确定构建平台被降低的实际量；

控制能量源以向所形成的层发射一定量的能量，以选择性地固化所形成的层的部分，能量的量基于构建平台被降低的所确定的实际量。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括基于要生成的对象的三维对象模型以图案将能量吸收熔剂施加在构建材料的形成的层上。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括控制能量源以在能量源在构建平台之上移动时向构建材料的形成的层施加大致均匀量的能量，施加到能量源的功率基于构建平台被降低的所确定的实际量。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括控制烧结激光器以基于要生成的3D对象的3D对象模型来选择性加热、烧结、熔化或否则熔合构建材料的部分，烧结激光器的功率基于构建平台移动的实际量。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括通过使用耦合到构建平台的基部的光学编码器和线性编码器条来确定构建平台被降低的实际量，所述线性编码器条固定到构建单元的内部体积的一侧、结合到构建单元的内部体积的一侧中或否则与构建单元的内部体积的一侧相关联。

14.一种三维打印系统，包括：

分层模块，在构建单元中在构建平台上形成构建材料的层；

熔合能量源；以及

控制器：

控制构建平台在构建单元内移动预定距离；

控制分层模块在构建平台上形成构建材料的层；

确定构建材料的形成的层的厚度；以及

控制熔合能量源的电功率以将一定量的能量施加至构建材料的形成的层，能量的量基于构建材料的形成的层的所确定的厚度。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，控制器通过确定构建平台移动的距离来确定所形成的层的厚度。

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