CN112703099B - 使用闭环温度控制的用于增材制造的方法及系统 - Google Patents

使用闭环温度控制的用于增材制造的方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种用于增材制造的系统，所述系统包含：一配发头(16)，用于将数个建构材料配发在一工作表面(12，360)上；一硬化系统(134)，用于硬化所述数个建构材料；一冷却系统(134)，用于自所述数个建构材料排除热；及一计算机化控制器(152)。一热感测系统(136)以允许在所述感测系统与所述工作表面之间的相对移动的一方式被安装在所述工作表面上方，且是配置以因应于所述感测系统感测到的热能而产生感测信号。所述控制器控制所述配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料，控制所述感测系统仅当所述感测系统是在曾被硬化的所述建构材料上方时产生所述感测信号，及因应于所述感测信号而控制所述冷却系统的热排除速率。

Description

使用闭环温度控制的用于增材制造的方法及系统
相关申请
本申请自申请日为2018年9月27日的美国临时专利申请第62/737,172号请求优先权，上述申请的内容通过引用以其整体被并入本文中。
技术领域与背景技术
本发明，在其一些实施例中，是关于增材制造及，更特定地，但非排除性地，是关于使用闭环温度控制的用于增材制造的方法及系统。
增材制造(AM)是一种允许经由增材形成步骤直接自计算机资料制造任意形状的结构的科技。任何增材制造系统的基本操作由下述步骤组成：将一个三维计算机模型切片为数个薄剖面；将结果转译为二维位置资料；及将所述资料馈至控制设备，所述控制设备以一分层的方式制造一个三维结构。
增材制造涉及制造方法的许多不同手段，包括三维(3D)列印，比如3D喷墨列印(3Dinkjet printing)、电子束熔融(electron beam melting)、立体光刻(stereolithography)、选择性激光烧结(selective laser sintering)、分层物件制造(laminated object manufacturing)、熔融沉积成形(fused deposition modeling)及其它。
一些3D列印程序，举例而言，3D喷墨列印，是通过建构材料的分层喷墨沉积被执行。因此，一建构材料是自一配发头被配发，所述配发头具有一组数个喷嘴，以在一支撑结构上沉积数个层体。视所述建构材料而定，所述数个层体可以接着使用一适宜的装置被固化(cured)或固体化(solidified)。
有各种三维列印技术存在及是被揭示于例如，美国专利第6,259,962号、第6,569,373号、第6,658,314号、第6,850,334号、第6,863,859号、第7,183,335号、第7,209,797号、第7,225,045号、第7,300,619号、第7,500,846号、第7,991,498号及第9,031,680号及美国申请公布第20160339643号及第20060054039号中，以上所有均由同一专利权人揭示，及在此通过引用以其整体被并入本文中。
美国申请公布第20060054039号揭示一种用于在一托盘上三维列印建模材料以形成一物件的一列印单元。所述列印单元包括一温度控制元件。所述控制元件包括一加热源及一冷却源(cooling source)，且是被与一温度感测元件关联以感测所述列印单元、所述托盘及所述建构材料的温度。
发明内容
根据本发明一些实施例的一个面向，提供了一种用于增材制造的系统。所述系统包含：一配发头，用于将数个建构材料配发在一工作表面上；一硬化系统，用于硬化所述数个建构材料；一冷却系统，用于自所述数个建构材料排除热；一热感测系统，以允许在所述感测系统及所述工作表面之间的相对移动的一方式被安装在所述工作表面上方，及是被配置以因应于所述感测系统感测到的热能而产生感测信号；及一计算机化控制器，具有：用于控制所述配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料的一电路；用于控制所述感测系统仅当所述感测系统是在曾被硬化的所述数个建构材料上方时产生所述感测信号的一电路；及用以因应于所述感测信号而控制所述冷却系统的一热排除速率的一电路。
根据本发明的一些实施例，所述热感测系统包含至少一个像素化感测器，其中所述感测信号组成所述经硬化的数个建构材料的一热图。
根据本发明的一些实施例，所述用于控制所述热排除速率的电路是配置以在所述热图中辨识一较高温度的一第一像素群体及一较低温度的一第二像素群体，及是配置以基于所述第一群体及所述第二群体而控制所述热排除速率。
根据本发明的一些实施例，所述用于控制所述热排除速率的电路是配置以控制所述热排除速率，以将所述第一像素群体维持在低于一第一预定阀值的一温度。
根据本发明的一些实施例，所述用于控制所述热排除速率的电路是配置以控制所述热排除速率，以将所述第二像素群体维持在高于一第二预定阀值的一温度。
根据本发明的一些实施例，所述配发头是安装在所述硬化系统与所述感测系统之间。
根据本发明的一些实施例，所述配发头包含一喷嘴阵列，所述喷嘴阵列具有一长度且沿着一分度方向被排列，及其中所述感测系统是被安装在相距所述工作表面的一距离处，所述距离被选择而使得所述感测系统在所述工作表面上方沿所述分度方向的一视场符合所述长度。
根据本发明的一些实施例，所述用于控制所述感测系统的电路是配置以使所述信号的一取样速率适配于所述相对移动的一速度。
根据本发明的一些实施例，所述冷却系统包含一风扇，及其中所述用于控制所述热排除速率的电路是配置以改变所述风扇的一旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述风扇的所述旋转速度是根据一温度差异的一函数而被改变，所述温度差异是介于由所述感测系统感测的一温度与一预先决定的温度之间，所述函数包含所述温度差异的一个二次函数。
根据本发明的一些实施例的一个面向，提供了一种增材制造方法。所述方法包含步骤：将数个建构材料配发在一接收表面上；硬化所述数个建构材料，以形成经硬化的数个材料；感测至少由所述经硬化的数个建构材料释放的热能；因应于由所述经硬化的数个建构材料释放的热能，但不因应于由其它物体释放的热能，而自所述数个建构材料排除热；及重复数次所述配发、所述硬化、所述感测及所述排除，以对应于一个三维物件的数个切片以数个层体的方式形成所述物件。
根据本发明的一些实施例，所述感测是通过至少一个像素化感测器，以提供所述经硬化的数个建构材料的一热图。
根据本发明的一些实施例，所述方法包含：在所述热图中辨识一较高温度的一第一像素群体及一较低温度的一第二像素群体，其中所述排除所述热是以基于所述第一群体及所述第二群体而选择的一速率进行。
根据本发明的一些实施例，所述速率是被选择以将所述第一像素群体维持在低于一第一预定阀值的一温度。
根据本发明的一些实施例，所述速率是被选择以将所述第二像素群体维持在高于一第二预定阀值的一温度。
根据本发明的一些实施例，所述方法包含：所述配发是通过一配发头，所述配发头包含一喷嘴阵列，所述喷嘴阵列具有一长度且沿着一分度方向被排列，及其中所述感测是以符合所述长度且在所述经硬化的数个材料上方的一视场为特征。
根据本发明的一些实施例，所述方法包含：使感测的一取样速率适配于所述相对移动的一速度。
根据本发明的一些实施例，所述排除是通过一风扇，及所述方法包含改变所述风扇的一旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述风扇的所述旋转速度是根据一温度差异的一函数而被改变，所述温度差异是介于对应于所述感测到的热能的一温度与一预先决定的温度之间，所述函数包含所述温度差异的一个二次函数。
根据本发明的一些实施例的一个面向，提供了一种用于增材制造的系统。所述系统包含：一配发头，用于配发数个建构材料；一硬化系统，用于硬化所述数个建构材料；一冷却系统，具有一风扇，并用于自所述数个建构材料排除热；及一计算机化控制器，具有一电路，所述电路用于：控制所述配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料；控制所述硬化系统硬化所述数个建构材料；及控制所述冷却系统自所述数个层体排除热，其中所述电路是被配置以一各自的层体的一面积的一递减函数来改变所述风扇的一旋转速度。
根据本发明的一些实施例，对于至少一个所述层体，所述数个配发头于一接收表面上方在多于一次的通过中配发所述数个建构材料，且其中所述电路是配置以基于所述数个通过的一数量来选择所述风扇的所述旋转速度。
根据本发明的一些实施例，对于至少一个所述层体，所述电路是配置以控制所述硬化系统在配发一个类型的建构材料以形成所述层体的一个部份后，但在配发另一个类型的建构材料以形成所述层体的另一个部分前，硬化所述层体的所述部分。
根据本发明的一些实施例，所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；以及亦基于所述关联而选择所述旋转速度。
根据本发明的一些实施例，所述系统包含：一热感测系统，配置以感测至少一个所述层体的一温度，其中所述电路是配置以自所述感测系统接收数个温度感测信号，及配置以基于所述数个温度感测信号选择所述旋转速度。
根据本发明的一些实施例的一个面向，提供了一种用于增材制造的系统，所述系统包含：数个配发头，用于配发各自的数个建构材料；一硬化系统，用于硬化所述数个建构材料；及一计算机化控制器，具有一电路，所述电路用于：控制所述数个配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料；及控制所述硬化系统硬化所述数个建构材料，其中对于至少一个所述层体，所述电路是配置以控制所述硬化系统在配发一个类型的建构材料以形成所述层体的一第一部份后，但在配发另一个类型的建构材料以形成所述层体的一第二部分前，硬化所述层体的所述第一部分。
根据本发明的一些实施例，所述第一部分的所述硬化是在一第一温度进行，及其中所述电路是配置以控制所述硬化系统在不同于所述第一温度的一第二温度硬化所述第二部分。
根据本发明的一些实施例，所述第二温度高于所述第一温度。
根据本发明的一些实施例，所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联而选择一各自的硬化温度。
根据本发明的一些实施例，所述电路是配置以传输数个脉冲式的操作信号至所述数个配发头，所述传输是以不同宽度的脉冲被传输至不同的配发头的一方式进行。
根据本发明的一些实施例，所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联选择一各自的脉冲宽度。
根据本发明的一些实施例，所述系统包含：一加热系统，用于加热围绕所述数个层体的一环境，其中所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联而选择控制所述加热系统的一功率及操作间隔中的至少一者。
根据本发明的一些实施例，所述加热系统包含：产生加热辐射的一加热辐射源。
根据本发明的一些实施例，所述辐射是红外线辐射。
根据本发明的一些实施例，所述电路是配置以将所述加热系统的运作与所述硬化系统的运作同步化。
根据本发明的一些实施例，所述同步化是使得所述硬化系统的所述运作是在所述加热系统的所述运作被终止后被起始。
根据本发明的一些实施例的一个面向，提供了一种物件的增材制造的方法，所述方法包含步骤：接收一计算机物件资料，所述计算机物件资料界定一物件的一形状；及根据所述计算机物件资料而操作本文所述的增材制造系统，以制造所述物件。
除非另外定义，在本文中使用的所有技术及/或科学术语与本发明所属领域中的一般技术人员所通常理解者具有相同的意义。虽然与本文中所描述者类似或等同的方法及材料可以被用于本发明的实施例的实施或测试中，示例性的方法及/或材料在下文中被描述。在冲突的情况下，本专利说明书，包括定义，将占有主导地位。此外，所述材料、方法及示例仅是例示性的及并不意在必然是限制性的。
本发明的数个实施例的方法及/或系统的实施可以涉及手动地、自动地或以其结合的一方式执行或完成数个选定的作业。此外，根据本发明的所述方法及/或系统的数个实施例的实际仪器配置(instrumentation)及设备，数个被选定的作业可以通过硬体、通过软体或通过韧体或通过其结合使用一操作系统被实施。
举例而言，用于执行根据本发明的数个实施例的数个选定的作业的硬体可以做为一芯片或一电路被实施。作为软体，根据本发明的数个实施例的数个被选定的作业可以作为数个软体指令被实施。所述数个软体指令通过一计算机使用任何适宜的操作系统被执行。在本发明的一示例性实施例中，根据如本文中所描述的方法及/或系统的数个示例性实施例的一个或更多个作业是通过一资料处理器，比如用于执行数个指令的一计算平台被执行。可选地，所述资料处理器包括用于储存指令及/或资料的一易失性记忆体及/或用于储存指令及/或资料的一非易失性记忆体，举例而言，一磁性硬碟及/或可卸除媒体。可选地，一网路连结也被提供。一显示器及/或一使用者界面，比如一键盘或滑鼠可选地也被提供。
附图说明
本发明的一些实施例在本文中仅作为示例，参考随附的附图而被描述。现在详细参考附图，需要强调的是，所展示的特定细节是以示例性的方式及为了本发明的实施例的例示性讨论的目的而被展示。在此方面，连同附图的描述使得本发明的数个实施例可以如何被实行对本领域的一般技术人员成为明显的。
在附图中：
图1A至1D是根据本发明的一些实施例的一增材制造系统的示意图；
图2A至2C是根据本发明的一些实施例的数个列印头的示意图；
图3A至3B是演示根据本发明的一些实施例的座标转换的示意图；
图4是根据本发明的各种示例性实施例的，适于增材制造的一方法的一流程图；
图5是根据本发明的一些实施例的，可以被应用在一增材制造系统中的一热感应系统的一视场的一示意图；
图6是根据本发明的一些实施例的，可以被一增材制造系统的一控制器应用的数个电路的一示意方块图；
图7是根据本发明的一些实施例的适于容纳一热感应器及一电路板的一结构的一示意图；
图8是在根据本发明的一些实施例而执行的实验中获得的一可行性测试图；
图9A及9B是展示在一实验中自一感测器接收的原始资料的图表，在所述实验中，所述感测器在一棱柱状物体的一制造中相对于一托盘而移动；
图10A及10B是展示在根据本发明的一些实施例被执行的数个实验中，使用一静态高分辨率红外线摄影机测得的数个温度的图表，所述摄影机是被安装以捕捉整个层体；
图11A至11C是自根据本发明的一些实施例执行的数个实验获得的描述具有不同高度的一顶表面的一物件的制造的一绘示(图11A)、由一高分辨率红外线摄影机产生的一热图(图11B)及一图表(图11C)；及
图12是展示一感测器在数个实验中的数个温度读数的一图表，所述感测器在所述数个实验中被放置于数个不同位置。
具体实施方式
本发明，在其一些实施例中，是关于增材制造及更特定地，但非排除性地，是关于使用闭环温度控制的用于增材制造的方法及系统。
在详细解释本发明的至少一个实施例前，应被了解的是，本发明在其应用上不必然受限于在下文的描述中提出的及/或在附图中及/或示例中例示的元件及/或方法的构造及安排的细节。本发明能够有其它实施例或以各种方式被实践或实行。
当前的数个实施例的方法及系统通过以对应于数个三维物件的形状的一被配置的模式形成数个层体，而以一分层的方式基于计算机物件资料制造所述数个物件。所述计算机物件资料可以是任何已知的格式，包括但不限于，一标准镶嵌语言(StandardTessellation Language，STL)或一立体光刻轮廓(StereoLithography Contour，SLC)格式、虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language，VRML)、增材制造档案(Additive Manufacturing File，AMF)格式、图形交换格式(Drawing Exchange Format，DXF)、多边形档案格式(Polygon File Format，PLY)或适于计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)的任何其它格式。
如本文中所使用的，“物件”一词意指一完整物件或所述完整物件的一部份。
每个层体是通过一增材制造设备被形成，所述设备扫描一个二维表面并将所述二维表面图案化(patterns)。在扫描时，所述增材制造设备造访在所述二维层体或表面上的数个目标地点，及对每个目标地点或数个目标地点的一群组决定所述目标地点或数个目标地点的群组是否将被建构材料配方占据，及何种类型的建构材料配方将被递送至所述目标地点或数个目标地点的群组。所述决定是根据所述表面的一计算机影像而被作成。
在本发明的数个优选实施例中，所述增材制造包含三维列印，更优选地三维喷墨列印。在这些实施例中，一建构材料配方是自一配发头(dispensing head)被配发，所述配发头具有一组数个喷嘴，以在一支撑结构上以数个层体的方式沉积建构材料配方。所述增材制造设备因此在将被占据的数个目标地点处沉积建构材料配方及保留其它目标地点为空洞。所述增材制造设备典型地包括数个配发头，每个所述配发头可被配置以配发一不同的建构材料配方。因此，不同的目标地点可以被不同的建构材料配方占据。建构材料配方的数个类型可以被分类为两个主要类别：建模材料配方及支撑材料配方。所述支撑材料配方用于一支撑基质或构造，用于在所述制造过程中支撑所述物件或数个物件部分及/或用于其它目的，例如，提供中空的或多孔的物件。支撑构造可以，例如，为了进一步的支撑强度，额外地包括数个建模材料配方元件。
所述建模材料配方一般地是一组成物，所述组成物是被调配以供在增材制造中使用及所述组成物能够凭自身，亦即，不需要与任何其它物质混合或结合，而形成一个三维物件。
贯穿本文，“未固化建构材料”一词如在本文中被描述地，集合地描述在所述制造过程中被配发以基本上形成所述数个层体的所述数个材料。此词汇包括被配发以形成被列印物件的数个未固化材料(在本文中也被称为(数个)建构材料配方)，亦即，一个或更多个未固化的建模材料配方，及被配发以形成支撑的数个未固化材料，亦即数个未固化支撑材料配方。
在本文中，所述数个被配发的材料也集合地被称为“数个材料配方”。所述数个材料配方用于，典型地在硬化时(除非另有指示)，典型地当暴露于如在本文中被界定的一固化条件下而固化时(除非另有指示)，形成一各自的材料。
贯穿本文，被可互换地使用的“经固化建模材料”及“经硬化建模材料”等词汇，描述所述建构材料的部分，所述部分如本文中所界定的，当将所述被配发的建构材料暴露于固化及在所述支撑材料的移除后形成一建模物件。如本文中所描述的，视在本方法中被使用的所述数个建模材料配方而定，所述经固化的或经硬化的建模材料可以是一单一经硬化材料或两个或更多个经硬化材料的一混合物。
贯穿本文，在本文中也被可互换地称为“建模配方”的“建模材料配方”一词，描述所述未固化建构材料的一部份，如本文中所描述地，所述部分是被配发以形成所述建模物件。所述建模配方是一未固化建模配方，所述未固化建模配方在暴露于一固化条件时，形成最终物件或所述最终物件的一部份。
一未固化建构材料可以包含一个或更多个建模配方，及可以被配发而使得所述建模物件的不同部分是在固化不同的建模配方时被形成，及因此是由不同的经固化建模材料或数个经固化建模材料的数个不同的混合物制成的。
贯穿本文，“经硬化支撑材料”一词在本文中也被可互换地称为“经固化支撑材料”或简单地称为“支撑材料”，及是描述所述建构材料的部份，所述部分是意在于所述制造程序中支撑被制造的最终物件，且是一旦所述程序被完成及一经硬化的建模材料被获得即被移除。
贯穿本文，在本文中也可互换地被称为“支撑配方”或简单地称为“配方”的“支撑材料配方”一词描述所述未固化建构材料的一部份，如本文中所描述的，所述部分是被配发以形成所述支撑材料。所述支撑材料配方是一未固化配方。当一支撑材料配方是一可固化配方，所述支撑材料配方在暴露于一固化条件下时形成一经硬化的支撑材料。
支撑材料，可以是液态材料或经硬化的，典型地是胶状的材料，在本文中也被称为牺牲材料(sacrificial materials)，所述牺牲材料可以在数个层体被配发及暴露于一固化能量后被移除，从而暴露所述最终物件的所述形状。
在本文中及在本领域中，“胶体”一词描述一材料，经常称为半固体材料，所述材料包含一个三维固体网络，所述网络典型地是由彼此之间化学性地或物理性地连结的纤维状结构，及被禁锢于此网络中的一液态相所形成。胶体典型地以一固体的一连贯性(consistency)(例如，是非流体的)为特征，及以相对较低的抗张强度、相对较低的剪力模量(shear modulus)，例如低于100千帕、及低于1的一剪力损失模量对剪力储存模量(介损(tan delta,G”/G’))值为特征。胶体可以当经受至少0.5巴(bar)，优选地至少1巴或更高的一正向压力时可流动为特征，或替代地，以当经受低于1巴或低于0.5巴或0.3巴或更低的一压力时不可流动为特征。
目前被实际应用的数种支撑材料典型地包含可固化及不可固化材料的一混合物，及在本文中也被称为胶体支撑材料。
目前被实际应用的数种支撑材料典型地是可与水混溶的(miscible)，或水分散性的(water-dispersible)或可溶于水的(water-soluble)。
贯穿本文，“可与水混溶的”一词描述至少是可部分溶解或分散于水中的一材料，亦即，在混合时至少50％的分子移动至水中。此词汇包括“可溶于水的”及“水分散性的”等词汇。
贯穿本文，“可溶于水的”一词描述一材料，当所述材料被与水以等体积或等重量混合时，一均质溶液被形成。
贯穿本文，“水分散性的”一词描述一材料，当所述材料被与水以等体积或等重量混合时，形成一均质分散。
贯穿本文，“溶解速率”一词描述一物质被溶解在一液态介质中的一速率。在数个当前实施例的背景下，溶解速率可以由溶解一特定量的一支撑材料所需的时间被决定。被测得的时间在本文中被称为“溶解时间”。
最后的三维物件是由所述建模材料或数个建模材料的一组合或数个建模及支撑材料的一组合或其修改(例如，在固化后的修改)所制成。所有这些操作皆是固体自由成形制造(solid freeform fabrication)领域的一般技术人员所熟知的。
在本发明的一些示例性实施例中，一物件是通过配发一个或更多个不同的建模材料配方而被制造。当多于一个建模材料配方被使用时，每个材料配方是可选地且优选地自所述增材制造设备的一不同的喷嘴阵列(属于相同的或不同的配发头)被配发。
在一些实施例中，所述增材制造设备的所述配发头是一多管道配发头，在此案例中，不同的建模材料配方可以自位于所述相同的多管道配发头中的两个或更多个喷嘴阵列被配发。在一些实施例中，配发不同建模材料配方的数个喷嘴阵列是位于数个分离的配发头，举例而言，配发一第一建模材料配方的一第一喷嘴阵列是位于一第一配发头，及配发一第二建模材料配方的一第二喷嘴阵列是位于一第二配发头。
在一些实施例中，配发一建模材料配方的一喷嘴阵列及配发一支撑材料配方的一喷嘴阵列皆是位于相同的多管道配发头中。在一些实施例中，配发一建模材料配方的一喷嘴阵列及配发一支撑材料配方的一喷嘴阵列是位于数个分离的配发头中。
所述数个材料配方是可选地及优选地在所述数个列印头的相同的通过中以数个层体的方式被配发。在所述层体中的所述数个材料配方及数个材料配方的组合是根据所述物件的数个所欲的性质被选择。
根据本发明的一些实施例的，适于一物件112的增材制造的一系统110的一代表性的及非限制性的示例被绘示在图1A中。系统110包含一增材制造设备114，所述增材制造设备114具有一配发单元16，所述配发单元16包含数个配发头。如绘示于下文描述的图2A至2C中的，每个配发头优选地包含一个或更多个喷嘴122的一阵列，一液体建构材料配方124经由所述阵列被配发。
优选地，但非强制性地，增材制造设备114是一个三维列印设备，在此案例中，所述数个配发头是数个列印头，及所述建构材料配方是经由喷墨科技被配发。情形不必然须是如此，因为，对一些应用而言，所述增材制造设备可以不必应用三维列印技术。根据本发明的各种示例性实施例而被预期的增材制造设备的数个代表性示例包括，但不限于，融合沉积建模设备(fused deposition modeling apparatus)及融合材料配方沉积设备(fusedmaterial formulation deposition apparatus)。
每个配发头是可选地及优选地经由一建构材料配方储槽被给料，所述建构材料配方储槽可以可选地包括一温度控制单元(例如，一温度感测器及/或一加热装置)，及一材料配方水平感测器。为了配发所述建构材料配方，一电压信号被施加到所述数个配发头，以选择性地经由所述数个配发头喷嘴沉积材料配方的数个液滴，举例而言，如在压电喷墨列印科技(piezoelectric inkjet printing technology)中的。每个配发头的配发速率取决于数个喷嘴的数量、数个喷嘴的类型及所施加的电压信号率(频率)。这样的数个配发头是为固体自由成形制造领域的一般技术人员所知的。
优选地，但非强制性地，数个配发喷嘴或数个喷嘴阵列的总数被选择，以使得所述数个配发喷嘴的半数是被指定以配发支撑材料配方及所述数个配发喷嘴的半数是被指定以配发建模材料配方，亦即，喷射建模材料配方的数个喷嘴的所述数量是与喷射支撑材料配方的数个喷嘴的所述数量相同。在图1A的所述代表性示例中，四个配发头16a、16b、16c及16d被绘示。配发头16a、16b、16c及16d中的每个具有一喷嘴阵列。在此示例中，配发头16a及16b可以被指定用于(数个)建模材料配方及配发头16c及16d可以被指定用于支撑材料配方。因此，配发头16a可以配发一个第一建模材料配方，配发头16b可以配发一第二建模材料配方及配发头16c及16d可以皆配发支撑材料配方。在一替代实施例中，配发头16c及16d，举例而言，可以被结合在具有用于沉积支撑材料配方的两个喷嘴阵列的一单一配发头中。在一进一步的替代实施例中，所述数个配发头中的一个或更多个可以具有用于配发多于一种材料配方的一个或更多个喷嘴阵列，例如，用于配发两个不同的建模材料配方或一个建模材料配方及一个支撑材料配方的两个喷嘴阵列，每个配方经由一个不同的喷嘴阵列或不同数量的喷嘴被配发。
然而应被了解的是，这并非意在限制本发明的范围，及建模材料配方沉积头(建模头)的所述数量及支撑材料配方沉积头(支撑头)的所述数量可以不同。一般地，数个建模头的所述数量、数个支撑头的所述数量及在每个个别的配发头或配发头阵列中的数个喷嘴的所述数量是被选择以在所述支撑材料配方的最大配发速率及所述建模材料配方的最大配发速率之间提供一预先决定的比率a。所述预先决定的比率a的数值优选地是被选择以确保在每个被形成的层体中，建模材料配方的高度等于支撑材料配方的高度。a的典型的数值是自约0.6至约1.5。
如在本文中所使用的，“约”一词意指±10％。
举例而言，对于a＝1，当所有的建模头及支撑头运作时，支撑材料配方的总体配发速率是与所述建模材料配方的总体配发速率大致相同。
在一优选实施例中，有M个建模头，其中每个建模头具各有p个喷嘴的m个阵列，及有S个支撑头，每个支撑头具有各q个喷嘴的s个阵列，使得M×m×p＝S×s×q。所述M×m个建模阵列及S×s个支撑阵列中的每个可以作为一分离的实体单元被制造，所述数个单元可以自数个阵列的群组被组装及拆卸。在此实施例中，每个这样的阵列可选地及优选地包含它自己的一温度控制单元及一材料配方水平感测器，及接收一个被个别控制的用于其操作的电压。
增材制造设备114可以进一步包含一固体化装置324，所述固体化装置324可以包括任何配置以发射造成所述被沉积的材料配方硬化的光、热等的装置。举例而言，固体化装置324可以包含一个或更多个辐射源。所述辐射源可以是，举例而言，一紫外线或可见光或红外线灯，或其它电磁辐射源，或电子束源，视所使用的建模材料配方而定。在本发明的一些实施例中，固体化装置324用于固化或固体化所述建模材料配方。
在本发明的一些实施例中，设备114包含冷却系统134，比如一个或更多个风扇等。
所述配发头及辐射源优选地被安装在一框架或区块(block)128中，所述框架128是优选地可操作以在一托盘360上方交互移动，所述托盘360作为工作界面。在本发明的一些实施例中，所述数个辐射源是被安装在所述区块中，而使得所述数个辐射源跟随于所述数个配发头后，以至少部分地固化或固体化刚由所述数个配发头配发的所述材料配方。托盘360被水平放置。根据一般惯例，一X-Y-Z笛卡尔座标系统被选择而使得所述X-Y平面平行于托盘360。托盘360是优选地被配置以垂直(沿着所述Z方向)地，典型地向下移动。在本发明的各种示例性实施例中，增材制造设备114进一步包含一个或更多个调平装置132，例如，一滚轮326。调平装置326用于在接续的层体在新形成的层体上形成前矫直、调平及/或建立所述新形成的层体的一厚度。调平装置326优选地包含一废料收集装置136，用于收集在调平时产生的过量材料配方。废料收集装置136可以包含将所述材料配方递送至一废料箱或废料盒的任何机构。
在使用中，单元16的数个配发头在一扫描方向中移动，所述扫描方向在本文中指所述X方向，及可选地在所述数个配发头通过托盘360的过程中以一预先决定的配置选择性地配发建构材料配方。所述建构材料配方典型地包含一个或更多个类型的支撑材料配方及一个或更多个类型的建模材料配方。单元16的所述数个配发头的所述通过随后是由辐射源126执行的所述(数个)建模材料配方的所述固化。在所述数个配发头的反向通过中，根据预先决定的配置，建构材料配方的一额外配发可以被执行。在所述数个配发头的数个所述向前及/或反向通过中，刚被配发的所述数个层体可以通过调平装置326被矫直，所述调平装置326优选地跟随所述数个配发头在所述数个配发头的向前及/或反向移动中的所述路径。一旦所述数个配发头回到所述数个配发头沿着所述X方向的起始点，所述数个配发头可以沿着一分度方向(indexing direction)，在本文中称为Y方向，移动至另一位置，及通过沿着所述X方向的交互移动继续建构相同的层体。替代地，所述数个配发头可以在数个向前及反向移动之间或在多于一个向前-反向移动后在所述Y方向中移动。由所述数个配发头执行以完成一单一层体的数个系列的扫描在本文中被称为一单一扫描循环。
一旦所述层体被完成，根据接续要被列印的所述层体的所欲的厚度，托盘360在所述Z方向中被降低至一预先决定的Z水平。所述程序被重复以以一分层的方式形成三维物件112。
在另一实施例中，托盘360可以在单元16的所述配发头在所述层体中的向前及反向通过之间在所述Z方向上被移位。如此的Z方向移位被执行以在一个方向中造成所述调平装置与所述表面的接触及在另一个方向中避免接触。
系统110可选地及优选地包含一建构材料配方供给系统330，包含数个建构材料配方容器或配方盒及供给数个建构材料配方至增材制造设备114。
一控制器152控制增材制造设备114且可选地及优选地也控制所述供给系统330。控制器152可以是一计算机化控制器，具有一电子电路及可由所述电路读取的一非易失性存储介质，其中所述存储介质储存数个程式指令，当被所述电路读取时，所述数个程式指令造成所述电路执行如下文中进一步详述的数个控制操作。在本发明的一些实施例中，所述控制器152的所述电子电路也配置以执行数个资料处理操作。所述控制器152优选地与一资料处理器154通信，所述资料处理器154传输有关数个制造指令的数字资料，所述数个制造指令是基于计算机物件资料，例如，以一标准镶嵌语言(STL)格式等的一形式被呈现在一计算机可读介质上的一计算机辅助设计(CAD)配置。典型地，所述控制器152控制被施加到每个配发头或喷嘴阵列的所述电压及在个别的所述列印头中的所述建构材料配方的温度。
一旦所述制造资料被加载到控制器152，所述控制器152可以在没有使用者介入的情况下运作。在一些实施例中，控制器152自操作者接收额外的输入，例如使用资料处理器154或使用与单元152通信的一使用者界面116。使用者界面116可以属于本领域中已知的任何类型，比如，但不限于一键盘、一触摸屏等。举例而言，控制器152可以作为额外输入，接收一个或更多个建构材料配方类型及/或属性，比如但不限于，颜色、特性失真及/或转变温度、黏滞性、电性质、磁性质。其它属性及数个属性的数个群组也是被预期的。
根据本发明的一些实施例的用于一物件的增材制造的一系统10的另一代表性及非限定性示例被绘示于图1B至1D中。图1B至1D绘示系统10的一俯视图(1B)、一侧视图(1C)及一等角视图(图1D)。
在当前数个实施例中，系统10包含一托盘12及多个喷墨列印头16，每个所述喷墨列印头16具有多个分离的喷嘴，及是被排列以自供给系统330接收建构材料配方。托盘12可以具有一圆盘的一形状或可以是环状的。只要所述托盘12可以绕一垂直轴被旋转，非圆形的形状对系统10也是已被预期的。
托盘12及数个喷墨列印头16是可选地及优选地被安装以允许托盘12及数个喷墨列印头16之间的一相对旋转运动。这可以通过(i)配置托盘12相对于数个喷墨列印头16绕一垂直轴14旋转，(ii)配置数个喷墨列印头16相对于托盘12绕垂直轴14旋转，或(iii)配置托盘12及数个喷墨列印头16皆绕垂直轴14但以不同旋转速率旋转(例如，以相反方向旋转)。虽然下文的数个实施例是特别强调配置(i)而被描述，其中所述托盘是被配置以相对于数个喷墨列印头16绕垂直轴14旋转的一旋转托盘，应被了解的是，本应用也预期了配置(ii)及(iii)。在本文中被描述的数个实施例的任何一个可以被调整以适用于配置(ii)及(iii)中的任何配置，及被提供以本文中所描述的细节的本领域一般技术人员，将知道如何作出这样的调整。
在下文的描述中，平行于托盘12及自轴14向外指的一方向被称为径向方向r，平行于托盘12及垂直于所述径向方向r的一方向在本文中被称为方位角方向φ(azimuthaldirectionφ)，及垂直于托盘12的一方向在本文中被称为垂直方向z。
如本文中所使用地，“径向位置”一词意指在距轴14有一特定距离处在托盘12上或托盘12上方的一位置。当本词汇连接到一列印头而被使用时，本词汇意指所述列印头的一位置，所述列印头在距轴14有一特定距离处。当本词汇连接到托盘12上的一个点而被使用时，本词汇对应于属于数个点的一轨迹(locus)的任何点，所述轨迹是半径为距轴14的所述特定距离及中心位于轴14处的一圆圈。
如在本文中所使用地，“方位角位置”一词意指相对于一预先决定的参考点处于一特定方位角的，在托盘12上或在托盘12上方的一位置。因此，径向位置意指属于数个点的一轨迹的任何点，所述轨迹是相对于所述参考点形成特定方位角的一直线。
如本文中所使用地，“垂直位置”一词意指在一平面上的一位置，所述平面在一特定点横断所述垂直轴14。
托盘12作为三维列印的一支撑结构。一个或数个物件在其上被列印的所述工作区域典型地，但非必然地，小于托盘12的总面积。在本发明的一些实施例中，所述工作区域是环形的。所述工作区域被展示于26。在本发明的一些实施例中，托盘12在物件的形成过程当中始终朝相同方向持续旋转，及在本发明的一些实施例中，托盘在物件的形成过程当中(例如，以一振荡的方式)反转旋转的方向至少一次。托盘12可选地及优选地是可移除的。移除托盘12可以是为了系统10的维护，或者，若需要，为了在列印一新物件前替换所述托盘。在本发明的一些实施例中，系统10具有一个或更多个不同的替换托盘(例如，数个替换托盘的一套组)，其中两个或更多个托盘被指定给不同类型的物件(例如，不同重量)不同运作模式(例如，不同旋转速度)等。如所欲地，托盘12的所述替换可以是手动的或自动的。当自动替换被应用时，系统10包含一托盘替换装置36，配置用以自托盘12在数个列印头16下方的位置移除所述托盘12及以一替换托盘(未展示)替代所述托盘12。在图1B的代表性绘示中，托盘替换装置36被例示为一驱动器(drive)38，所述驱动器38具有被配置以拉动托盘12的一可移动臂部40，但其它类型的托盘替换装置也是被预期的。
所述列印头16的数个例示性实施例在图2A至2C中被绘示。这些实施例可以为任何上文描述的所述增材制造系统而被应用，包括但不限于系统110及系统10。
图2A至2B绘示具有一个(图2A)及两个(图2B)喷嘴阵列22的一列印头16。在所述阵列中的所述数个喷嘴优选地是被线状地沿着一条直线排列。在一特定的列印头具有两个或更多个线状喷嘴阵列的数个实施例中，所述数个喷嘴阵列可选地及优选地可以是平行于彼此。
当类似于系统110的一系统被应用，所有的列印头16是可选地及优选地在它们沿着所述扫描方向的位置彼此错开之下，沿着所述分度方向被定向。
当类似于系统10的一系统被应用时，所有的列印头16是可选地及优选地在它们的方位角位置彼此错开之下，被径向(平行于所述径向方向)地定向。因此，在这些实施例中，不同列印头的所述数个喷嘴阵列并非平行于彼此，而是彼此呈一角度，所述角度约略等于所述数个个别的列印头之间的所述方位角的偏移。举例而言，一个列印头可以被径向地定向及被定位于方位角位置φ1，及另一个列印头可以被径向地定向及被定位于方位角位置φ2，在此示例中，所述两个列印头之间的所述方位角偏移是φ1-φ2，及所述两个列印头的所述数个线状喷嘴阵列之间的角度也是φ1-φ2。一特定的列印头被(径向)定向的一特定方向被称为所述列印头的“分度方向”。
在一些实施例中，两个或更多个列印头可以被组装到数个列印头的一区块，在该案例中所述区块的所述数个列印头典型地是彼此平行的。包括数个喷墨列印头16a、16b、16c的一区块被绘示在图2C中。
在一些实施例中，系统10包含一支撑结构30，所述支撑结构30被定位在数个列印头16下方，而使得托盘12在支撑结构30及数个列印头16之间。支撑结构30可以用于预防或减少当数个喷墨列印头16运作时可能发生的托盘12的振动。在数个列印头16绕着轴14旋转的配置中，支撑结构30优选地也旋转，而使得支撑结构30总是直接位于数个列印头16下方(托盘12在数个列印头16及托盘12之间)。
托盘12及/或数个列印头16是可选地及优选地被配置以沿着所述垂直方向z，平行于垂直轴14移动，以便改变托盘12及数个列印头16之间的垂直距离。在所述垂直距离是通过沿着所述垂直方向移动所述托盘12而被改变的配置中，支撑结构30优选地也与托盘12一起垂直地移动。在所述垂直距离是由数个列印头16沿着所述垂直方向改变，同时保持托盘12的所述垂直位置固定的配置中，支撑结构30也被保持于一固定的垂直位置。
所述垂直移动可以通过一垂直驱动器28而被确立。一旦一层体被完成，托盘12与数个列印头16之间的所述垂直距离可以，根据随后要被列印的所述层体的所欲的厚度，通过一预先决定的垂直步进(vertical step)被增加(例如，托盘12相对于数个列印头16被降低)。所述程序被重复以以一分层的方式形成一个三维物件。
数个喷墨列印头16的所述运作及可选地及优选地系统10的一个或更多个其它元件的运作，例如托盘12的移动，是由一控制器20控制。所述控制器可以具有一电子电路及可由所述电路读取的一非易失性存储介质，其中所述存储介质储存数个程式指令，当被所述电路读取时，所述数个程式指令造成所述电路执行如下文中进一步详述的数个控制操作。在本发明的一些实施例中，所述控制器20的所述电子电路也配置以执行数个资料处理操作。
控制器20可以也与一主计算机24通信，所述主计算机24传输有关数个制造指令的数字资料，所述数个制造指令是基于计算机物件资料，例如：一标准镶嵌语言(STL)或一立体光刻轮廓(SLC)格式、虚拟现实建模语言(VRML)、增材制造档案(AMF)格式、图形交换格式(DXF)、多边形档案格式(PLY)或适于计算机辅助设计(CAD)的任何其它格式的计算机物件资料。所述物件资料格式典型地是根据一笛卡儿座标系统被建构。在这些案例中，计算机24优选地执行一程序，用于将所述计算机物件资料中的每个切片的所述数个座标自一笛卡尔座标系统转换至一极座标系统。计算机24可选地及优选地依照经转换的座标系统传输所述数个制造指令。替代地，计算机24可以依照所述计算机物件资料所提供的原始座标系统传输所述数个制造指令，在此案例中，所述座标的转换是由控制器20的所述电路执行。
所述座标转换允许在一旋转中的托盘上的三维列印。在传统的三维列印中，数个列印头沿着数条直线在一静止托盘上方移动。在这样的传统的系统中，只要数个列印头的配发速率是一致的，列印解析度在所述托盘上的所有点上皆相同。与传统的三维列印不同，并非所述数个列印头位点(head points)的所有所述数个喷嘴在相同时间内在托盘12上覆盖相同的距离。所述座标的转换可选地及优选地被执行，以确保在不同径向位置有相等量的过量材料配方。根据本发明的一些实施例的，座标转换的数个代表性示例被提供于图3A至3B中，图3A至3B展示一物件的一切片(每个切片对应于所述物件的一不同层体的数个制造指令)，图3A以笛卡尔座标系统绘示一切片，及图3B绘示对所述个别切片应用一座标转换后的相同切片。
典型地，控制器20如下文所述地基于所述数个制造指令及基于储存的程式指令控制施加到所述系统10的所述个别元件的电压。
一般地，控制器20控制数个配发头16在托盘12旋转时以数个层体的方式配发建构材料配方的数个液滴，从而在托盘12上列印一个三维物体。
系统10可选地及优选地包含硬化装置324，所述硬化装置324可以包括一个或更多个辐射源18，比如，但不限于一紫外线或可见光或红外线灯，或其它电磁辐射源，或电子束源，视所使用的建模材料配方而定。所述辐射源可以包括任何类型的辐射发射装置，包括但不限于，发光二极管(LED)、数位光处理(DLP)系统、电阻灯等。辐射源18用于固化或固体化所述建模材料配方。在本发明的各种示例性实施例中，所述辐射源18的所述运作是由控制器20控制，所述控制器20可以启用及停用辐射源18及可以可选地也控制由所述辐射源18产生的辐射的量。
在本发明的一些实施例中，系统10进一步包含一个或更多个调平装置32，所述调平装置32可以被制造为一滚轮或一刀片。调平装置32用于在另外的层体于新形成的层体上被形成前，矫直所述新形成的层体。在一些实施例中，调平装置32具有一锥形滚轮(conicalroller)的形状，所述锥形滚轮被定位以使其对称轴34相对于托盘12的所述表面是倾斜的及其表面平行于所述托盘的所述表面，此实施例被例示于系统10的所述侧视图(图1C)中。
所述锥形滚轮可以具有一锥体(cone)或一圆锥台(conical frustum)的形状。
所述锥形滚轮的开启角度是优选地被选择，而使得在沿着所述锥形滚轮的轴34的任何位置处，所述锥体的半径与该位置及轴14之间的距离之间有一固定比例。此实施例允许滚轮32有效率地调平所述数个层体，因为当所述滚轮旋转时，在所述滚轮的所述表面上的任何点p具有一线性速度(linear velocity)，所述线性速度与所述托盘在点p垂直下方的一点处的所述线性速度成比例(例如，相同)。在一些实施例中，所述滚轮具有一圆锥台的一形状，所述圆锥台具有一高度h、在距轴14的最近距离处有一半径R1及在距轴14的最远距离处有一半径R2，其中所述参数h、R1及R2满足关系R1/R2＝(R-h)/h及其中R是所述滚轮距轴14最远的距离(举例而言，R可以是托盘12的半径)。
调平装置32的运作可选地及优选地由控制器20控制，所述控制器20可以启用及停用调平装置32及可以可选地也控制所述调平装置32沿着一垂直方向(平行于轴14)的位置及/或一径向方向(平行于托盘12及指向或远离轴14)的位置。
在本发明的一些实施例中，系统10包含冷却系统134(见图1C及1D)，比如一个或更多个风扇等。
在本发明的一些实施例中，数个列印头16被配置以沿着所述径向方向r相对于托盘交互地移动。这些实施例在数个列印头16的所述数个喷嘴阵列22的长度比托盘12上的所述工作区域26沿所述径向方向的宽度短时是有用的。数个列印头16沿着所述径向方向的移动可选地及优选地是由控制器20控制。
一些实施例考虑到通过自不同配发头配发不同材料配方来制造一物体。这些实施例，除其它以外，提供自一给定数量的材料配方选择数个材料配方及界定被选择的材料配方的数个所欲的组合及它们的性质的能力。根据当前的数个实施例，每个材料配方的所述沉积对于所述层体的数个空间地点被界定，以通过不同材料配方达成占据不同的三维空间地点，或通过两个或更多个不同材料配方达成占据基本上相同的三维空间地点或相邻的三维空间地点，以允许所述层体中的所述数个材料配方的沉积后空间性组合，从而在各自的地点或数个地点形成一复合材料配方。
任何数个建模材料配方的沉积后组合或混合是被预期的。举例而言，一旦一特定材料配方被配发，所述材料配方可能保存其原始性质。然而，当所述特定材料配方与被配发于相同的或邻近的地点的另一个建模材料配方或其他被配发的材料配方被同时配发时，具有与被配发的数个材料配方不同的一性质或数个性质的一复合材料配方被形成。
当前的数个实施例因此允许一广范围的材料配方组合的沉积，及根据用以特征化一物件的每个部份的所欲的数个性质，在所述物件的数个不同部分由数个材料配方的多个不同组合组成的所述物件的制造。
关于适于当前数个实施例的一增材制造系统的原理及运作的进一步的细节见于美国专利第9,031,680,号，其内容通过引用被并入本文中。
本发明的发明者设计了一种技术，所述技术允许在所述增材制造系统中维持一温度，所述温度是在数个温度的一预定的范围中。这是有益的，因为这允许当前的数个实施例的所述系统适配于所述增材制造程序的工作温度，所述增材制造程序是基于由所述操作者提供的资讯或自动被提取的资讯。
一个类型的资讯可以涉及将被用于所述增材制造的所述建构材料或数种建构材料。既然最佳工作温度可能在不同类型的建构材料之间有所不同，当前数个实施例的系统可以适配于基于将被配发的所述材料或所述数个材料的所述工作温度。因此，在本发明的一些实施例中，所述数个温度的一预定的范围是由所述操作者或由所述增材制造系统的所述控制器，基于将被配发的所述数个材料而选择。举例而言，当所述数个材料是丙烯酸的(acrylic)，相对低的温度(例如，自约60°至约100°)是优选的；当所述数个材料是需要溶剂干燥的基于溶剂的材料(solvent-based materials)(例如，陶瓷材料，含有聚酰亚胺的材料)时，更高的温度(例如，自约100°至约150°)是优选的；及当所述数个材料需要烧结(举例而言，是导电材料)时，甚至更高的温度(例如，自约150°至约200°)是优选的。
一些建模材料，特别是紫外线可聚合材料(UV polymerizable material)，在所述物件的制造中展现不被希望的变形，比如卷曲。这样的卷曲倾向被发现是在自液态至固态的相转换时发生的材料收缩的结果。卷曲的程度是一可测量的量值。用于测量卷曲的程度的一适合的程序可以包括：在一平坦且水平的表面上制造一预定的形状的物件，例如，具有一矩形或方形的横截面的一长形条状物；在所述物件的一端上施加一预定负载；及测量相对端在所述表面以上的升高。
卷曲的程度与被制造的物件中沿着垂直方向的一温度梯度的存在相关联，及也与所述建构材料特有的热变形温度(Heat Deflection Temperature，HDT)与当制造时在所述增材制造系统中的温度之间的差异相关联。
如本文中所使用地，“热变形温度(HDT)”一词意指一温度，在所述温度下，各自的材料或数个材料的组合在一些特定温度下的一预定的负载下变形。用于测定一材料或数个材料的一组合的所述HDT的数个适宜的检测程序是ASTM D-648系列方法，特别是ASTM D-648-06及ASTM D-648-0方法。
不希望被任何理论所限制地，被假设的是：在制造时于所述系统中的且接近所述数个材料在固化时发展出来的HDT的一温度，允许所述数个材料相较于所述系统中的所述温度距所述HDT遥远的一情况，经受应力松弛或塑性变形至一更大的程度。
在本发明的各种示例性实施例中，温度的所述预定范围是含括将被所述系统配发的所述数个材料的所述HDT的一范围，具有±10°或更优选地±5°的一容许值。这在减少卷曲的可能性的立场而言是有利的，因为它减少了所述被发展出来的HDT及在所述增材制造系统中的所述温度之间的所述差异。
图4是根据本发明的各种示例性实施例的，适于增材制造的一方法的一流程图。应被了解的是，除非另外界定，在下文中被描述的数个操作可以许多执行组合或顺序同时地或接续地被执行。特定地，流程图的排序不被视为限制性的。举例而言，以一特定顺序出现在下文的描述中或流程图中的两个或更多个操作，可以一不同的顺序(例如，一相反的顺序)被执行或基本同时被执行。此外，在下文中被描述的数个操作是可选的及可以不被执行。
所述方法可以通过一增材制造系统(例如，系统110或系统10)被执行，所述增材制造系统由一控制器(例如，控制器152或控制器20)操作。所述方法在400处开始及可选地且优选地进展至401，在401处，集合地关于所述物件的一个三维形状的计算机物件资料被接收。所述资料可以由一资料处理器(例如，资料处理器154或资料处理器24)接收，所述资料处理器可选地与所述增材制造系统相关联。举例而言，所述资料处理器可以存取一计算机可读存储介质(未展示)及自所述介质收回所述资料。所述资料处理器也可以举例而言，通过一计算机辅助设计(CAD)或计算机辅助制造(CAM)软体产生所述资料，或所述资料的一部份，而非，或附加于，自所述存储介质回收资料。所述计算机物件资料典型地包括数个切片资料，所述数个切片资料中的每个界定将被制造的所述物件的一层体。所述资料处理器可以将所述资料，或所述资料的一部份传送至所述增材制造系统。典型地，但非必要地，所述控制器是在一逐片(slice-by-slice)的基础上接收所述资料。所述资料可以是本领域已知的任何资料格式，包括任何上文提及的计算机物件资料格式。
所述方法继续至402，在402，数个建构材料被配发，举例而言，使用一个或更多个配发头16被配发在一接收表面上。所述接收表面可以是所述增材制造系统的所述工作表面(例如，托盘12或360)或可以是一个或更多个建构材料的一先前被形成的层体。所述方法继续至403，在403，所述数个被配发的建构材料被硬化以形成数个经硬化的材料。操作403可以由硬化装置324执行，及可以包括将固化辐射施加到所述(数个)被配发的材料。辐射的类型(例如，电磁的、电子束等)是基于被使用的所述数个建构材料而被选择。举例而言，对于数种紫外线可聚合材料，一紫外线电磁辐射是优选的。
所述方法可选地且优选地进展至404，在404，至少由所述经硬化的数个建构材料释放的热能被感测。所述感测是由于图1A及1B中的138处被示意地展示的一热感测系统被执行。感测系统138因应于通过感测器138感测到的热能而产生感测信号。感测系统138典型地包含一个或更多个热能感测器，比如但不限于，一个或更多个红外线感测器。
优选地，感测系统138是以允许在所述感测系统138及所述工作表面之间沿着所述扫描方向x或方位角方向φ的相对移动的一方式被安装在所述工作表面(例如，托盘12或360)上方。这允许配置感测系统138局部性地及可选地且优选地亦选择性地，感测在制造时自所述物件的所述最顶层的一部份被释放的能量，其中感测系统138之间的所述相对移动确保所述感测系统138以一序列的方式扫描所述最顶层，以一个段落一个段落地局部地感测由所述层体释放的所述热能。因此，在本发明的数个优选实施例中，感测系统138产生数个感测信号的一时间序列，每个信号含有关于由所述最顶层的一不同段落释放的热能的局部信息。
优选地，感测系统138的所述数个感测器中的一个或更多个是被安装在距硬化装置324有一足够距离处，以减少或避免由装置324产生的热能直接抵达所述各自的感测器。举例而言，如绘示于图1A中的，感测系统138可以相对于装置324地被安装在框架128上，而使得配发头16是在感测系统138及装置324之间。在装置324产生较少热或提供一较多的定向辐射(例如，当装置324包含一个或更多个LED时)的数个实施例中，所述感测系统可以被安装得更接近于或邻近于所述装置324，因为在这些实施例中，在装置324及系统138间有更少的热交扰(thermal cross talk)。
在本发明的各种示例性实施例中，感测系统138包含至少一个像素化感测器，在此案例中，由所述各自的感测器产生的所述感测信号组成所述经硬化的数个建构材料的一热图。
上文提及的配置(在所述配置中，所述感测系统138扫描所述最顶层)的优势在于，所述配置允许使用数个低成本感测器以足够高的空间解析度获得热信息。举例而言，假设于ΔA平方毫米的一最小特征尺寸获得热信息是可欲的，及一特定层体的表面积是A平方毫米。在此案例中需要A/ΔA个信息样本以提供所欲的解析度。应了解的是，对于小数值的ΔA及大数值A，比例A/ΔA可以是相对大的(例如，10000或更多)。即刻地提供一大数量的资料样本的一高解析度摄影机可以是相对昂贵且笨重的。根据当前的数个实施例，感测系统138并不需要在单一信号捕捉中提供所有A/ΔA个资料样本。通过扫描所述最顶层及提供数个扫描信号的一时间序列，相同的解析度可以通过其中像素的数量显著少于A/ΔA的数个像素化感测器被达成。在本发明的各种示例性实施例中，感测系统138的每个像素化感测器的像素的所述数量是少于1000，更优选地是少于500，更优选地是少于250，更优选地是少于125，例如，是100或更少。举例而言，在由发明者所执行的数个实验中被发现的是，上文所述的配置允许使用一像素化感测器达成一足够的空间解析度，在所述像素化感测器中所述数个感测元件是被排列在一4×16阵列中。
感测系统138分别沿着所述分度方向及所述扫描方向的角视场(angular field-of-view)，优选地是自约40°×10°至约120°×25°，更优选地自约40°×10°至约60°×15°。当感测系统138包含一个或更多个像素化感测器时，每个感测器是优选地相距一距离被而安装，所述距离是被选择而使得所述数个像素化感测器的空间解析度对应于约1×1毫米的一最小可辨识特征尺寸，更优选地0.8×0.8毫米，更优选地0.6×0.6毫米，更优选地0.5×0.5毫米。
可预期的是，在一专利自此申请开始计算的生命中，许多相关的热感测器将被发展出来及“热感测器”一词的范围意在先验地包含所有这样的新科技。
感测系统138具有在所述经硬化的数个材料上方的一视场，允许感测系统138在所述经硬化的数个材料的一区域中感测热能。在本发明的一些实施例中，沿着所述分度方向的所述视景与所述配发头的所述(数个)喷嘴阵列沿着所述分度方向的长度相符。这些实施例被绘示在图5中，图5展示感测系统138、配发头16及托盘12或360。虽然图5展示具有一单一感测器的一感测系统，应被了解的是，感测系统138包含数个感测器的配置也是被预期的。配发头16的所述喷嘴阵列(未展示在图5中)沿着所述分度方向的所述长度(在系统110的案例中是沿着方向y，及在系统10的案例中是沿着方向r)，是由LH标示及是被界定为所述数个喷嘴(未展示于图5中)沿着所述分度方向被分布的距离。感测系统138沿着所述分度方向的视景由LFOV标示。应注意的是，LFOV是感测系统138的结合视景。当感测系统138包含多于一个感测器时，每个个别感测器的所述视景可以少于LFOV。如所绘示的，LH＝LFOV。因此，当感测系统138包含一单一感测器时，所述单一感测器的所述视景优选地等于或约略等于LH，及当感测系统138包含数个感测器时，每个感测器的所述视景可以少于LH，但所有所述数个感测器的结合视景优选地等于或约略等于LH。举例而言，当在感测系统138中有n个感测器时，每个个别感测器的所述视景可以是至少LH/n及少于LH。典型地，每个个别感测器的所述视景是接近于但大于LH/n，以允许相邻的数个感测器的视景之间的重迭。
沿着正交水平方向(x或φ方向)被提供至感测系统138的视景不需要与所述配发头沿着此方向的宽度相同，因为优选地在所述感测器及所述托盘之间有沿着方向x或φ的相对移动。
回到图4，所述方法进展到405，在405处，热自所述数个建构材料被排除。这可以通过操作冷却系统134被执行。优选地，但非必要地，冷却系统134是以允许在所述冷却系统134及所述工作表面之间沿着所述扫描方向x或所述方位角方向φ的相对移动的一方式被安装在所述增材制造系统的所述工作表面(例如，托盘12或360)上方。这允许冷却系统134以一大致局部性的方式排除热，在此方式中热自冷却系统134下方的区域比自距冷却系统134较远的区域更有效率地被排除。在所述相对移动中，数个不同的区域通过冷却系统134被有效地冷却。在本发明的一些实施例中，冷却系统134是与感测系统138及一个或更多个配发头16一起被安装在所述列印系统的所述列印区块上。举例而言，如绘示于图1A中的，冷却系统134、感测系统138及数个配发头16是被安装在框架128上。
热是以一速率被排除，所述速率是因应于由所述经硬化的数个建构材料释放的所述热能而被选择。所述速率可以通过控制供给至冷却系统134的能量而被选择。举例而言，当冷却系统134包含一个或更多个风扇时，所述能量被控制以改变所述(数个)风扇的转动速度，因此也改变所述热排除速率。对供给至冷却系统134的所述能量的控制可以通过改变由冷却系统134使用的任何操作性参数而被实现，所述操作性参数包括但不限于电压、脉冲宽度、脉冲重复速率、脉冲宽度调制(pulse width modulation)等。
在本发明的各种示例性实施例中，被选择的速率仅基于由所述经硬化的数个建构材料释放的热能。特定地，在这些实施例中，热排除的速率不是基于由其它物体(例如，在被硬化前的建构材料，或所述系统的其它元件，包括但不限于所述系统的所述托盘或所述数个侧壁)释放的热能而被选择。这可以通过与所述数个配发头及与所述托盘及/或所述数个配发头的动作同步地操作所述热感测器而被实现。所述同步化可以使得所述感测信号仅在所述数个配发头配发所述材料后及仅在所述数个经硬化的材料进入所述感测器的所述视景中时被取样。这样的同步化可以通过控制器20或152基于关于所述配发头的状态及所述配发头在所述托盘上方的位置的信息而被执行。
作为一同步化操作的一代表性示例，考虑绘示在图1A中的配置。在所述被例示的配置中，所述数个配发头16是在所述硬化装置324及所述感测系统138之间。考虑一配发规程(protocol)，在所述配发规程中，所述数个配发头在于+x方向中(在图1A的表示中向左)移动时配发，其中当于相反的-x方向中(在图1A的表示中向右)移动时并无配发。假定感测系统138沿着所述y方向的所述视景是如图5中所绘示的，亦即与配发头16的所述喷嘴阵列的所述长度相同。在于+x方向中的所述移动中，所述配发头16配发由所述调平装置132调平及由所述硬化装置324硬化的数个建构材料。在于相反方向的移动中，没有材料被配发，及因此物件112的所述最上层当感测系统138在所述最上层上方移动时被固化。当所述最上层在于所述-x方向的移动时进入感测系统138的所述视景，控制器152发信号给感测系统138以开始所述感测信号的所述取样，及当所述最上层离开感测系统138的所述视景时，感测系统138的控制器152发信号给感测系统138以停止所述取样。这确保了所述感测信号仅包含与由形成物件112的数个经硬化的材料释放的热能相关的信息。
作为用于一同步化操作的类似的同步化的另一示例，考虑一旋转系统，在所述系统中所述托盘在一方向中旋转，但不在相反方向中旋转。举例而言，考虑绘示于图1B中的配置，在所述配置中所述托盘12沿着所述+φ方向旋转。在此配置中，所述材料在经过硬化装置324下方后进入感测系统138的所述视景中，及因此被硬化。当所述被制造的物体的所述最上层进入感测系统138的所述视景中时，控制器20发信号给感测系统138以开始所述感测信号的所述取样，及当所述最上层离开感测系统138的所述视景，控制器20发信号给感测系统138以停止所述取样。
除了用于定时所述取样，以确保所述取样仅在数个经硬化的材料处在感测系统138的所述视景中时发生，当前的数个实施例也考量到将感测系统138的所述取样速率与所述感测器及所述托盘之间的所述相对移动的所述速度同步化。这是有利的，因为这减少了所述感测的准确度的波动。优选地，取样速率随所述移动的所述速度线性地增加。
所述排热速率优选地是以来自所述热感测器的所述数个信号被以闭环方式动态地改变，以确保所述数个经硬化的材料的温度，优选地在所述被制造的物体的所述数个最顶层处的所述数个经硬化的材料的温度是在数个温度的一预定范围内。这可以通过设定阀值(thresholding)而被完成。典型地，当被感测到的温度是高于一第一预定阀值T1时，供给至所述冷却系统134的所述能量被增加，以确保一较高的热排除速率，而使得所述温度不显著地增加超过T1。优选地，当被感测到的温度是低于一第二预定阀值T2时(T2＜T1)，供给至所述冷却系统134的所述能量被减少，以减少所述热排除速率，而使得所述温度不显著地减少到低于T2。
在感测系统138提供一热图的数个实施例中，所述热图是优选地被分析以在所述热图中辨识一较高温度的一第一像素群体及一较低温度的一第二像素群体。当所述第一像素群体的所述温度高于所述阀值T1时，被供给至所述冷却系统134的能量可以被增加。优选地，当所述第二像素族群的所述温度低于所述阀值T2时，被供给至所述冷却系统134的能量可以被减少。
在本发明的一些实施例中，所述排除速率是作为温度差异ΔT的一非线性函数而被改变，所述温度差异ΔT是介于所述被感测到的温度与一预定的参考温度之间。优选地，所述非线性函数包含ΔT的一个二次函数。
在本发明的一些实施例中，所述增材制造系统的所述控制器控制所述硬化装置在配发另一个类型的建构材料前硬化一个类型的建构材料。当在所述增材制造时被使用的两种或更多种所述材料的优选的制造条件(例如，优选的温度范围)基本上不同于彼此时，这些实施例是特别有用的。考虑，举例而言一制造过程，在所述制造过程中两个类型的材料被使用，其中这两种材料的所述数个优选的温度范围并不重迭。既然所述数个温度范围并不重迭，操作所述冷却系统134以提供维持这些温度范围的热排除速率所需要的操作参数可能也不同。
假定用于一特定切片的所述计算机物件资料是使两个材料皆要被配发以形成同一层体。在此案例中，所述数个材料中的一个是被配发及被硬化以形成所述层体的一第一部分，及所述冷却系统的所述功率被控制以确保在所述层体的所述第一部分附近的温度是在此材料的优选温度范围内。其后，所述另一个材料被配发及硬化以形成所述层体的一第二部分，及所述冷却系统的所述功率被控制以确保在所述层体的所述第二部分附近的温度是在所述另一材料的优选温度范围内。这样的一个程序可以确保即使在数个优选的温度范围并不重迭时，两个材料皆享受到优选的温度范围。
所述数个温度范围及/或用于所述冷却系统的数个操作参数可以是由所述操作者人工地提供至增材制造系统，或所述数个操作参数可以是自动被获得的。举例而言，储存数个建构材料的数个群组及数个对应的操作参数的一计算机可读介质可以被存取。将被用在所述增材制造程序中的所述数个材料中的每个可以被与所述数个群组中的一个相关联，及对应的操作性参数可以被提取。
当前的数个实施例额外地考虑一个程序，在所述程序中所述热排除速率是，至少部分地，基于在401处被接收的所述计算机物件资料被选择。在这些实施例中，操作404可以被略过。替代地，所述热排除速率可以基于所述感测404及所述计算机物件资料而被选择。
在一代表性的示例性实施例中，所述热排除速率是作为由所述配发头配发的一个各自的层体的一面积的一递减函数而被改变。因为经硬化材料的更大的面积允许更高的热散逸，作为所述面积的一递减函数而改变所述热排除速率可以减少所述层体处的所述温度显著超过所述温度阀值T1的可能性。
在另一个代表性的例示实施例中，所述热排除速率是基于所述配发头于每个层体在所述接收表面上方执行的数个通过的数量。因为数个通过的所述数量与所述层体的所述面积相关，所述热排除速率可以做为数个通过的所述数量的一递减函数而被改变。
自405，所述方法可选地且优选地循环返回401或402以形成所述物体的一额外的层体。所述循环可以持续直到所述物件的所有所述数个层体被形成。所述方法在406处结束。
如所述地，所述热排除速率是优选地由所述增材制造系统的所述控制器控制。典型地，所述控制器包括一个或更多个电路，所述一个或更多个电路用于执行各种操作。虽然所述控制器152及20在图1A及1B中被展示为单一区块，应该被了解的是，执行所述数个操作的所述各种电路可以被物理性地附着到所述增材制造系统的不同元件。
根据本发明的一些实施例的，可以被所述控制器20/152应用的数个电路的一示意方块图被绘示在图6中。在不应被视为限制的示例性实施例中，展示了三个电路板600、602及604。电路板600作为所述增材制造系统的所述主控制(main control)，及可选地且优选地配置以因应自处理器154或24接收的输入资料而控制所述增材制造系统除所述热感测系统138及所述冷却系统134以外的各种元件。因此，举例而言，电路板600可以被配置以至少控制所述数个列印头及在所述数个列印头及所述托盘之间的所述相对移动。
电路板602作为感测系统138的所述控制器(“感测器控制”)及是配置以因应于来自电路板600(“主控制”)的数个控制信号，启用及停用接收自所述感测器的所述数个信号的取样，及可选地且优选地也控制所述取样速率。数个被取样的信号由电路板602传送至处理器24或154供处理。替代地，所述数个被取样的信号可以被传送至主控制电路板600。处理器24/154或主控制电路板600分析所述信号以判定所述热排除速率是否要如上文中所进一步详述地被改变，并将与所述分析相关的数个信号传送至电路板604。
电路板604作为一“冷却控制”及是配置以基于由处理器154或24执行的所述分析而控制所述冷却系统的所述运作，例如，通过如上文所进一步详述地改变所述操作参数而控制所述冷却系统的所述运作。电路板604可以可选地且优选地自冷却系统134接收数个回馈信号。所述数个回馈信号含有关于冷却系统134的运作的资料。举例而言，当冷却系统134包含一风扇时，所述数个回馈信号可以包括描述所述风扇的旋转的转速计资料(tachometer data)。
电路板600、602及604可以皆被排列在一相同的实体电路板上。替代地，电路板600、602及604中的一个或更多个可以自其它的电路板被物理性地分离。在一优选的实施中，电路板600，602是被安排在相同的实体电路板上，及电路板604是被自电路板600及602分离。在此实施例中，电路板604可以与感测系统138被安装在相同的结构上。适于容纳感测系统138的所述数个感测器中的一个或更多个与电路板604的一结构610被展示于图7中。感测系统138沿着所述分度方向的所述视景LFOV也被展示在图7中。
如本文中所使用地，“约”一词意指±10％。
“示例性”一词在本文中被使用以意指“作为一示例、实例或例证”。被描述为“示例性”的任何实施例不必然被视为优选的或较其它实施例具有优势及/或是排除来自其它实施例的特征的并入。
“可选的”一词在本文中被用以意指“在一些实施例中被提供及在其它实施例中不被提供”。本发明的任何特定实施例可以包括数个“可选”特征，除非这样的数个特征是冲突的。
“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includs)”、“包括(including)”、“具有(having)”等词汇及它们的变化意指“包括但不限于”。
“由...组成(consisting of)”是意在意指“包括且限于”。
“主要由...组成”意指仅在额外成分、步骤及/或零件并不本质地改变所主张权利的组成物、方法或结构的基本及新颖特征时，所述组成物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤及/或零件。
如在本文中所使用地，单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”包括复数所指物，除非上下文明显另有指示。举例而言，“一化合物”或“至少一化合物”可以包括数个化合物，包括其混合物。
遍及本申请，本发明的各种实施例可以以一范围形式被呈现。应被理解的是，呈范围格式的描述仅是为了便利及简短，及不应被视为对本发明的范围的非弹性的限制。因此，一范围的描述应被视为已特定地揭示在该范围中的所有可能的次范围以及个别数字数值。举例而言，一范围，比如自1至6，的描述应被视为已特定地揭示了数个次范围，比如自1至3、自1至4、自1至5、自2至4、自2至6、自3至6等，以及在该范围中的个别数字，举例而言1、2、3、4、5及6。这不论范围的宽度而适用。
每当一数值性范围在本文中被指示，所述数值性范围是意在包括在所指示的范围内的任何引用的数字(分数或整数)。在一第一指示数字及一第二指示数字“之间”及“自”一第一指示数字“至”一第二指示数字在本文中被可互换地使用及是意在包括所述第一及第二指示数字及其间的所有分数及整数。
应被了解的是，为了清楚起见而在分离的实施例的背景下被描述的本发明的特定特征，也可以在一单一实施例中结合地被提供。相反地，为了简洁起见而在一单一实施例的背景下被描述的本发明的各种特征，也可以在本发明的任何其它被描述的实施例中分离的或以任何适宜的次组合被提供。在各种实施例的背景下被描述的特定特征不被视为那些实施例的必要特征，除非所述实施例没有那些特征便无法运作。
如上文所描述的及如在下文的权利要求段落中被主张权利的本发明的各种实施例及面向在下文的数个示例中觅得实验性支持。
示例
现在参考下文的数个示例，所述数个示例与上文的描述一同以一非限定性的方式例示本发明的一些实施例。
示例1
原型系统
执行了实验以调查一原型增材制造系统稳定所述经硬化建构材料的温度的能力，所述原型增材制造系统具有可相对于所述托盘移动的一热感应器。在所有被描述的实验中，所述冷却系统包括数个风扇，及所述增材制造系统是如示意地绘示于图1A中的一系统。
图8是一可行性测试图，展示在所述分度方向上300DPI的配发被应用的一实验中，以摄氏度计的所述层体的温度，所述温度作为以秒计的时间的一函数。所述数个温度是使用被安装以捕捉整个层体的一静态高分辨率红外线摄影机测得。被展示的是当数个风扇是始终关闭(空心圆)、始终开启(叉号)及由所述控制器控制(加号)时的温度。所述控制器是被设定以维持75℃的一温度。如展示地，所述控制器成功地稳定所述温度。
图9A是展示在一实验中自感测系统138接收的原始资料(暗灰色线)及经过滤资料(白线)的图表，在所述实验中，包括一单一感测器的感测系统138在一棱柱状物体的一制造中相对于所述托盘而移动。被展示的是所述感测器的所述视景中的温度，所述温度作为以分钟计的时间的一函数且以摄氏度计。所述数个温度是使用一红外线摄影机测得，所述摄影机被安装以捕捉整个层体。被展示的是当所述数个风扇由所述控制器控制时的温度(菱形)。所述控制器是被设定以维持75℃的一温度。如展示地，所述控制器成功稳定所述温度。
图9B是展示在一实验中自感测系统138接收的原始资料的一图表，在所述实验中，包括一单一感测器的感测系统138在一棱柱状物体的一制造中相对于所述托盘而移动。被展示的是所述感测器的所述视景中的温度，所述温度作为以分钟计的时间的一函数且以摄氏度计。所述数个温度是使用一红外线摄影机测得，所述摄影机被安装以捕捉整个层体。被展示的是当所述数个风扇由所述控制器控制时的温度(菱形)。所述控制器是被设定以维持72℃的一温度。如展示地，所述控制器成功稳定所述温度。
图10A及10B是展示使用一静态高分辨率红外线摄影机测得的数个温度的图表，所述摄影机是被安装以捕捉整个层体。所述资料对应于数个实验，在所述数个实验中，所述控制器被设定以维持75℃(图10A)及72℃(图10B)的一温度。如所展示地，所述控制器成功地预防所述温度显著地升至高于所述输入温度。
图11A至11C是描述具有不同高度的一顶表面的一物件的制造的一绘示(图11A)、由一高分辨率红外线摄影机产生的一热图(图11B)及一图表(图11C)。所述控制器是设定以维持少于80℃的一温度。
四个顶表面被标记在所述绘示(图11A)上，每个顶表面具有一不同高度。最高的表面被标记为“部分1”；次高的表面被标记为“部分2”；最低的表面被标记为“部分3”；及次低的表面被标记为“部分4”。四个像素群体被标记在所述热图(图11B)上，群体1至4分别对应于部分1至4。最高的温度是群体1的温度，因为群体1是新形成的表面。所述图表(图11C)作为以分钟计的时间的一函数展示以摄氏度计的每个表面的温度。方块符号对应于群体1的温度；空心三角形符号对应于群体2的温度；叉号符号对应于群体3的温度；及实心圆圈符号对应于群体4的温度。所述控制器成功地能够辨识具有最高温度的群体并将所述群体的温度维持在约80℃。
图12是一图表，展示在感测系统138被放置在配发头16及固体化装置324之间的一实验中感测系统138的数个温度读数(上方曲线)，及在配发头16在感测系统138及固体化装置324之间的一实验中感测系统138的所述数个温度读数(下方曲线)，所述数个温度读数以摄氏度计，且作为以秒计的时间的一函数。图12显示当所述感测器距所述硬化装置更远时，读数误差显著减少。在两个实验中，感测系统138包括一单一感测器。在此示例中，所述硬化系统包括一水银灯(mercury lamp)，所述水银灯与所述感测系统产生高温交扰。可预见的是，LED或较冷的硬化系统的使用，可以减少所述交扰，在该案例中所述感测系统可以被安装得更接近或邻近于所述硬化系统。
示例2
额外考量
此示例描述一计算机化控制器，所述计算机化控制器促成数个物件自数个建构材料的增材制造(例如，喷墨列印)，所述数个建构材料需要数个不同的制造条件。所述数个材料中的一些是基于溶剂的(例如，陶瓷、导电材料及PI基墨水)，其它材料，比如但不限于，发泡、支撑及标准材料(例如，VeroTM材料家族)是100％反应性配方。所述数个基于溶剂的材料具有不同的溶剂(例如，醋酸己酯，TGME)及不同量的溶剂(例如，20至35重量百分比)。此示例的所述计算机化控制器允许用于不同的基于溶剂的材料的一不同的干燥程序，举例而言，使用一红外线灯的一干燥程序。其它材料，例如，数个导电墨水，除所述干燥程序外也被烧结，及此示例的所述计算机化控制器也促成所述烧结操作。所述数个完全反应性配方，比如但不限于，数个支撑材料及VeroTM材料家族，是热敏感的。
发明者发现，适于不同类型的材料的制造条件并不彼此吻合，及可能甚至是彼此抵触的。
既然不同的建构材料可能具有不同的流变学(rheological)性质，此示例的所述计算机化控制器允许在不同的喷射条件下配发不同的建构材料，其中所述数个喷射条件包括但不限于，喷射温度、脉冲波形及脉冲宽度。可选地且优选地，此示例的所述计算机化控制器允许对不同的建构材料应用不同的硬化(例如，固化)、干燥及/或烧结条件。
在本发明的一些实施例中，一计算机可读介质可以包括数个建构材料的一清单，所述数个建构材料被分类为数个材料的数个群组。建构材料的一示例性清单在下文的表1中被提供。
表1
当前的数个实施例的所述增材制造系统可以可选地且优选地包含一加热系统，比如但不限于一红外线灯，及所述计算机化控制器可选地且优选地在功率及暴露时间中的至少一者的方面控制所述加热系统。所述加热系统具有数个功能：(1)在配发前将所述物质加热至所需的设定点，及(2)加热所述数个经配发材料，以固化、干燥及/或烧结。所述加热系统可以由所述增材制造系统的所述硬化装置实施，或所述加热系统可以附加于所述硬化装置被提供。
在本发明的一些实施例中，紫外线辐射被用于固化数个光反应性成分。举例而言，所述紫外线辐射可以由数个LED施加。当所述建构材料是基于溶剂的，此示例的所述计算机化控制器可选地且优选地确保干燥是在固化前被完成。举例而言，此示例的所述计算机化控制器可以同步化所述紫外线辐射的启用及停用、所述加热系统的启用及停用与所述数个配发头的启用及停用。
虽然本发明已连同其特定实施例而被描述，明显的是，对于本技艺的一般技术人员而言，许多替代、修改及变化将是明显的。因此，本发明是意在涵括落在随附的权利要求的精神及范围内的所有这样的替代、修改及变化。
在本说明书中被提及的所有出版物、专利及专利申请通过引用以其整体被并入本说明书中，其程度如同每个个别的出版物、专利及专利申请被特定地及个别地指示通过引用被并入本文中。此外，在本申请中对任何参考资料的引用或辨识不应被视为承认这样的参考资料可以作为本发明的先前技术。在段落标题被使用的情况下，它们不应被视为必然具限制性的。
此外，本申请的任何(多件)优先权文件通过引用以其整体被并入本文中。

Claims (21)

1.一种用于增材制造的系统，其特征在于：所述系统包含：
一配发头，用于将数个建构材料配发在一工作表面上；
一硬化系统，用于硬化所述数个建构材料；
一冷却系统，用于自所述数个建构材料排除热；
一热感测系统，以允许在所述热感测系统及所述工作表面之间相对移动的一方式被安装在所述工作表面上方，及是被配置以因应于所述热感测系统感测到的热能而产生感测信号，其中所述热感测系统包含至少一个像素化感测器，其中所述感测信号组成经硬化的数个建构材料的一热图；及
一计算机化控制器，具有一电子电路及可由所述电子电路读取的一存储介质，其中所述存储介质储存数个程式指令，当通过所述电子电路读取时，使所述电子电路：（i）控制所述配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料；（ii）控制所述热感测系统仅当所述热感测系统是在曾被硬化的所述数个建构材料上方时产生所述感测信号的一电路；（iii）在所述热图中辨识一较高温度的一第一像素群体及一较低温度的一第二像素群体；及通过根据由所述热感测系统感测到的热能相对应的温度与一预定的参考温度之间的温度差异的一非线性函数来改变一热排除速率以因应于所述感测信号控制所述冷却系统的所述热排除速率，以将所述第一像素群体维持在低于一第一预定阈值的一温度，及将所述第二像素群体维持在高于一第二预定阈值的一温度，所述第二预定阈值低于所述第一预定阈值。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述配发头是安装在所述硬化系统与所述热感测系统之间。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述配发头包含一喷嘴阵列，所述喷嘴阵列具有一长度且沿着一分度方向被排列，及其中所述热感测系统是被安装在相距所述工作表面的一距离处，所述距离被选择而使得所述热感测系统在所述工作表面上方沿所述分度方向的一视场符合所述长度。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述用于控制所述热感测系统的电路是配置以使所述信号的一取样速率适配于所述相对移动的一速度。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述冷却系统包含一风扇，及其中所述控制所述冷却系统的热排除速率的电路是配置以改变所述风扇的一旋转速度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述风扇的所述旋转速度是根据一温度差异的所述非线性函数而被改变，所述温度差异是介于由所述热感测系统感测的一温度与一预先决定的温度之间，所述非线性函数包含所述温度差异的一个二次函数。
7.一种增材制造方法，其特征在于：所述方法包含步骤：
将数个建构材料配发在一接收表面上；
硬化所述数个建构材料，以形成经硬化的数个材料；
通过至少一个像素化感测器，感测至少由所述经硬化的数个建构材料释放的热能，以提供经硬化的所述数个建构材料的一热图；
在所述热图中辨识一较高温度的一第一像素群体及一较低温度的一第二像素群体；
基于所述第一像素群体及所述第二像素群体，因应于由所述经硬化的数个建构材料释放的热能，但不因应于由其它物体释放的热能，而自所述数个建构材料排除热，当所述第一像素群体的温度高于一第一预定阈值T1时，增加热排除速率，而当所述第二像素群体的像素群体低于一第二预定阈值T2时，降低热排除速率，其中T2小于T1；及
重复数次所述配发、所述硬化、所述感测及所述排除，以对应于一个三维物件的数个切片以数个层体的方式形成所述物件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述配发是通过一配发头，所述配发头包含一喷嘴阵列，所述喷嘴阵列具有一长度且沿着一分度方向被排列，及其中所述感测是以符合所述长度且在所述经硬化的数个材料上方的一视场为特征。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述方法包含：使感测的一取样速率适配于相对移动的一速度。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述排除是通过一风扇，及所述方法包含改变所述风扇的一旋转速度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述风扇的所述旋转速度是根据一温度差异的一函数而被改变，所述温度差异是介于对应于所述感测到的热能的一温度与一预先决定的温度之间，所述函数包含所述温度差异的一个二次函数。
12.一种用于增材制造的系统，其特征在于：所述系统包含：
数个喷墨配发头，用于配发各自的数个建构材料；
一硬化系统，用于硬化所述数个建构材料；及
一计算机化控制器，具有一电子电路及可由所述电子电路读取的一存储介质，其中所述存储介质储存数个程式指令，当通过所述电子电路读取时，使所述电子电路：（i）控制所述数个喷墨配发头以数个层体的方式配发所述数个建构材料；（ii）控制所述硬化系统硬化所述数个建构材料，其中所述存储介质储存数个程式指令，当通过所述电子电路读取时，使所述电子电路控制所述硬化系统在由一第一喷墨配发头配发一个类型的建构材料以形成所述数个层体的至少一个层体的一第一部份后，但在一第二喷墨配发头配发另一个类型的建构材料以形成所述层体的一第二部分前，硬化所述层体的所述第一部分，
其中所述第一部分的硬化是在一第一温度进行，及其中所述存储介质储存数个程式指令，当通过所述电子电路读取时，使所述电子电路控制所述硬化系统在高于所述第一温度的一第二温度硬化所述第二部分。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联而选择一各自的硬化温度。
14.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述电路是配置以传输数个脉冲式的操作信号至所述数个喷墨配发头，所述传输是以不同宽度的脉冲被传输至不同的喷墨配发头的一方式进行。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于：所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联选择一各自的脉冲宽度。
16.如权利要求12所述的系统，其特征在于：所述系统包含：一加热系统，用于加热围绕所述数个层体的一环境，其中所述电路是配置以：存取储存数个建构材料的数个群组的一计算机可读介质；将一各自的建构材料与所述数个群组中的一个相关联；及基于所述关联而选择控制所述加热系统的一功率及操作间隔中的至少一者。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于：所述加热系统包含：产生加热辐射的一加热辐射源。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于：所述加热辐射源是红外线辐射。
19.如权利要求16所述的系统，其特征在于：所述电路是配置以将所述加热系统的运作与所述硬化系统的运作同步化。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于：所述同步化是使得所述硬化系统的所述运作是在所述加热系统的所述运作被终止后被起始。
21.一种物件的增材制造的方法，其特征在于：所述方法包含步骤：
接收一计算机物件资料，所述计算机物件资料界定一物件的一形状；及根据所述计算机物件资料而操作如权利要求12所述的用于增材制造的系统，以制造所述物件。
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