CN112888549B - 具有平滑的表面饰面的增材制造的零件 - Google Patents

Abstract

生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法包括提供具有平台的旋压装置。所述零件被固定到所述平台，其中所述零件至少部分地用来自树脂池的未固化树脂润湿。旋转所述平台，其中所述未固化树脂的第一部分保持在所述零件上并且去除所述未固化树脂的第二部分。在所述旋转之后，固化所述零件。在一些实施方案中，方法包括通过修改期望的设计来为零件创建补偿设计以补偿要保持在所述零件上的未固化的表面饰面材料的第一部分，以及根据所述补偿设计以增材制造工艺来形成所述零件。

Description

具有平滑的表面饰面的增材制造的零件

相关申请

本申请要求于2019年3月21日提交的题为“具有平滑的表面饰面的增材制造的零件”的美国非临时专利申请号16/360,675的优先权，其要求于2018年9月14日提交的题为“具有平滑的表面饰面的增材制造的零件”的美国临时专利申请号62/731,404的优先权；所述专利都通过引用整体并入本文。

背景技术

有许多类型的增材制造(即，3D打印)系统和方法。一种方法利用了光敏聚合物(即，光聚合物)，其在曝光时交联并且从液体树脂硬化成固体聚合物材料。这些光反应性3D打印系统通常包括树脂池、照明系统和打印平台，其中照明系统将图像(即，图案)投射到树脂池中，从而致使在打印平台上形成聚合物体的层。随后，打印平台将打印出的层移出照明系统的焦平面，并且随后使下一层曝光(即，打印)。其他类型的3D增材制造方法包括立体光刻、选择性激光烧结和熔融沉积建模。

不管所使用的增材制造工艺的类型如何，打印零件通常会经历后处理步骤，以从零件清除多余的材料(例如，未固化的聚合物)以及使在打印期间创建的材料的任何阶梯状层变平滑。用于平滑3D打印零件表面的现有方法包括打磨、抛光、机加工、蒸汽平滑、施加涂层(例如，漆料、环氧树脂)和丙酮冷焊。在一些情况下，后处理步骤本身(诸如，异丙醇(IPA)清洗浴、超声波浴和固化)可能会通过在固化的打印表面上导致点蚀和孔隙而在零件上导致粗糙。这些粗糙的表面饰面可能是非常不期望的，诸如，对于被用于熔模铸造以生产金属零件的图案的3D打印的零件而言。仍然需要以有效的具有成本效益的方式生产具有高质量饰面的3D打印的零件。

发明内容

在一些实施方案中，生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法包括提供已经通过增材制造工艺形成的零件。所述增材制造工艺包括树脂池中树脂的光聚合。提供旋压装置，所述旋压装置具有围绕轴线旋转的平台。所述零件被固定到所述平台，其中所述零件至少部分地用来自树脂池的未固化树脂润湿。旋转所述平台，其中所述未固化树脂的第一部分保持在所述零件上并且去除所述未固化树脂的第二部分。在所述旋转之后，固化所述零件。

在一些实施方案中，一种生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法包括通过修改期望的设计来为零件创建补偿设计以补偿要保持在所述零件上的未固化的表面饰面材料的第一部分。所述方法还包括根据所述补偿设计，以所述增材制造工艺来形成所述零件，以及提供旋压装置，其中所述旋压装置具有围绕轴线旋转的平台。将所述零件固定到所述平台，其中所述零件至少部分地用所述未固化的表面饰面材料润湿。旋转所述平台，其中所述未固化的表面饰面材料的所述第一部分保持在所述零件上并且去除所述未固化的表面饰面材料的第二部分。在所述旋转之后，固化所述零件。

在一些实施方案中，生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法包括通过修改期望的设计来为零件创建补偿设计以补偿要保持在所述零件上的表面饰面材料的第一部分，以及根据所述补偿设计，以所述增材制造工艺来形成所述零件。用未固化的表面饰面材料润湿所述零件的至少一个部段。向所述表面饰面材料施加力，其中将所述表面饰面材料的所述第一部分保持在所述零件上，并且去除所述表面饰面材料的第二部分。在施加所述力之后，固化所述零件。

附图说明

图1A至1B是根据一些实施方案的光反应性3D打印系统(PRPS)的简化透视图。

图2是根据一些实施方案的旋压装置的透视图。

图3是根据一些实施方案的旋压装置的透视图。

图4A至4B是根据一些实施方案的在构建托盘上的3D打印零件的侧视图。

图5A至5B是根据一些实施方案的具有用于收集表面饰面材料的腔室的旋压装置的透视图。

图6A至图6B是根据一些实施方案的补偿用于将被添加至零件的表面饰面材料的零件设计的整体尺寸的示意图。

图7是根据一些实施方案的补偿零件设计的拐角几何形状的示意图。

图8A至8B示出了根据一些实施方案的补偿边缘清晰度的示意图。

图9是根据一些实施方案的补偿零件的几何形状的各个方面的示意图。

图10是根据一些实施方案的在旋压装置的平台上的3D打印零件的平面图。

图11是根据一些实施方案的向表面饰面材料施加力的方法的示意图。

图12是表示根据一些实施方案的制造具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法的流程图。

具体实施方式

本实施方案提供了用于以增材制造来生产零件的方法和系统，使得部件具有平滑的表面饰面，同时减少了在常规的后处理步骤，诸如机加工和抛光上花费的时间。一些实施方案对于在熔模铸造中用作图案的零件，诸如在需要极高质量的表面饰面的应用(例如，医疗植入物)中可能特别有用，但不限于此。通过产生具有期望的表面质量的图案，根据该图案铸造的零件还将减少或甚至消除铸造零件的后处理机加工和抛光时间。更一般而言，本实施方案适用于需要高质量表面饰面的任何零件，包括通过除了增材制造之外的方法，诸如注塑成型或铸造而制造的零件。例如，可以通过CNC减材制造来制成零件，并且然后可以将表面饰面材料施加至零件上，以及在旋压装置上旋转该零件以提高零件的表面的平滑度。也可以在施加表面饰面材料之前执行机加工零件(例如，由CNC制造的)的旋压，以便去除从减材制造留下的碎片和碎屑。

在实施方案中，在零件被3D打印之后用未固化的表面饰面材料来润湿零件，其中未固化的表面饰面材料可能是从打印工艺残留的或可能在打印之后以单独的步骤施加。向表面饰面材料施加力以去除多余的表面饰面材料，同时将表面饰面材料的一部分保持在零件上。在一些实施方案中，通过在旋压机上旋转零件来施加力，使得多余的表面饰面材料从零件排出，同时使保持在零件上的表面饰面材料的部分填充粗糙区域并且创建平滑的饰面。在一些实施方案中，可以收集从零件去除的表面饰面材料以供重复使用。在一些实施方案中，方法包括修改用于打印零件的设计，诸如通过调整尺寸和几何特征以补偿将被施加于零件且保持在零件上的表面饰面材料。因此，本实施方案不仅生产出具有高质量极其平滑的表面饰面的零件，而且还具有精确的尺寸和几何形状。

在本公开中，术语“增材制造”和“3D打印”应互换使用。另外，尽管将使用树脂的光聚合作为示例性的增材制造工艺来描述许多实施方案，但是这些实施方案也适用于其他类型的增材制造工艺。此外，本实施方案可以应用于非3D打印方法。类似地，对“树脂”的引用可以与其他表面处理材料互换，如将在本公开全文中描述的那样。在本公开中，“平滑的表面饰面”是比起始状态更平滑的饰面，诸如粗糙度的降低，从而产生直至釉状或镜面饰面。例如，3D打印零件可以具有最终的平滑度，该最终平滑度可以产生粗糙度Ra在诸如但不限于0.025μin至1000μin的范围内的熔模铸造的金属零件。

图1A至1B示出了根据一些实施方案的光反应性打印系统100(PRPS)的示例。图1A至图1B中所示的PRPS 100包含底座105、照明系统110、图像显示系统115、树脂池120、聚合物界面125、树脂槽130、膜片135、打印平台140、升降器系统145和升降臂150。

底座105是框架，PRPS部件中的一些(例如，升降器系统145)附接到该框架。在一些实施方案中，底座105的一个或多个部分竖直定向，这限定了竖直方向(即，z方向)，PRPS部件中的一些(例如，升降器系统145)沿着该竖直方向移动。打印平台140连接到升降臂150(图1B)，升降臂150可移动地连接到升降器系统145。升降器系统145使打印平台140能够在z方向上移动。由此，打印平台140可以在打印期间降低到树脂池120中以支撑打印的零件，并且将其从树脂池120中提升出来。

照明系统110通过膜片135将图案投影到树脂池120中，所述树脂池120被约束于树脂槽130内。构建区域是树脂曝光(例如，曝光于来自照明系统的紫外光)并交联以在打印平台140上形成第一固体聚合物层的树脂池120中的区域。树脂材料的一些非限制性示例包括丙烯酸酯、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、氨基甲酸酯、硅酮、乙烯树脂、它们的组合或在曝光于光照时交联的其他光反应性树脂。在一些实施方案中，与具有平均固化时间的光敏树脂相比，所述树脂具有相对较短的固化时间。在一些实施方案中，树脂对约200nm至约500nm的照明波长或该范围之外的波长(例如，大于500nm或从500nm至1000nm)是光敏的。在一些实施方案中，树脂在固化后形成具有对于所制造的特定物体来说所期望的性质的固体，诸如所期望的机械性质(例如，高断裂强度)、所期望的光学性质(例如，在可见波长下的高光学透射率)或所期望的化学性质(例如，当暴露于湿气时为稳定的)。在第一层曝光之后，打印平台140向上(即，在如图1A所示的正z方向上)移动，并且第二层可以通过曝光从照明系统110投影的第二图案来形成。然后可以重复执行此“自底向上”的过程，直到打印出整个物体为止，并且然后将完成的物体从树脂池120中提升出来。

在一些实施方案中，照明系统110发射在不同波长范围内(例如，200nm至500nm、或500nm至1000nm或在其他波长范围内)的辐射能量(即，照度)。照明系统110可以使用能够投影图案以打印3D零件的任何照明源。照明源的一些非限制性示例为以下的阵列：发光二极管、基于液晶的投影系统、液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)显示器、基于汞蒸气灯的投影系统、数字光处理(DLP)投影仪、分立激光器和激光投影系统。

图1A至图1B所示的示例系统(PRPS 100)为增材制造系统的非限制性示例。可以相对于图1A至图1B所示的系统倒置其他PRPS。在这种“自顶向下”的系统中，照明源位于树脂池上方，打印区域位于树脂池的上表面处，并且打印平台在树脂池内在每个打印层之间向下移动。此外，本方法和系统可以与通过其他增材制造工艺(包括基于树脂或基于粉末的工艺)打印的零件一起使用。基于树脂的增材制造工艺的示例包括但不限于立体光刻(SLA)和连续液体界面打印(CLIP^TM)。基于粉末的增材制造工艺的示例包括但不限于选择性激光烧结(SLS)、多射流熔融^TM和直接金属激光烧结。

创建平滑的表面饰面

本发明的实施方案独特地通过填充缺陷，诸如粗糙区域、凹坑、孔和裂缝来向在零件上的未固化的表面饰面材料施加力以创建最终的平滑表面。例如，在图1A至图1B的光聚合系统100中，从树脂池120出来的3D打印零件将使未固化的树脂保持在其表面上并且可能在其内部，这取决于零件的几何形状。在一些实施方案中，这种未固化的树脂用作表面饰面材料，其中通过用旋压装置旋转零件来施加力。旋转被配置为使得所产生的离心力致使树脂中的一些将从零件排出，而树脂中的一些将保持在零件上，诸如，由于表面张力或被截留在零件的几何特征中。旋压还可以有利地允许回收多余的树脂，其中回收减少了浪费并且使整体生产效率最大化。此外，通过旋压来收集多余的树脂有可能消除传统上用于清洁3D打印零件的有害IPA，从而降低与生产线中的有害物处置、安全性和/或防火努力相关联的成本。

图2是可以在本方法中使用的旋压装置200的实施方案的透视图。旋压装置200具有平台210，该平台210围绕轴线旋转，并且用未固化的树脂或其他表面饰面材料润湿的3D打印零件将固定至该平台210。旋压装置200(在本公开中也可以称为离心机)包括使平台旋转的机动或气动旋转机构220。平台直接地或经由齿轮箱和/或变速器联接到旋转机构的旋转轴。轴用作旋压装置200的旋转轴。

图3示出了旋压装置300的替代实施方案，其中旋压装置300用升降器马达315安装在支架310上，该升降器马达315可以用于升高或降低正在处理的打印零件。可以例如在制造线上使用图3的配置，在该制造线中，零件将从打印站转移到旋压站。旋压装置300包括旋压马达320和联接至旋压马达320的平台330。图3还示出了附接到安装到平台330的构建托盘340的3D打印零件350。与图2相比，旋压装置300被示为颠倒的，使得打印零件350从构建托盘340向下悬挂。旋压装置300还可以包括树脂防溅板360，以保持旋压马达320清洁而没有从零件350去除的多余树脂。防溅板360可以由例如塑料材料制成，并且还可以包括紫外线(UV)阻挡性质，以防止未固化的树脂在旋压期间固化。

在一些实施方案中，将3D打印零件直接安装到平台210(或平台330)。例如，零件可以从3D打印机的构建平台移除，并且然后可以直接附接到平台，诸如由机械紧固件(例如，螺钉、夹紧机构、与零件几何形状接合的钩子)或由粘合剂进行。在其他实施方案中，如图2所示，旋压装置200的平台210被设计有一个或多个安装特征，其能够安装构建托盘，该构建托盘容纳新打印的3D增材制造的零件。例如，在图2中，平台210具有安装特征，其是升高的块，构建托盘中的匹配凹部可以装配至该升高的块中。

图4A和图4B示出了打印机的构建托盘400，作为3D打印过程的结果，3D打印零件410附接至该打印机的构建托盘400上。在图4A的侧视图中，构建托盘400已经从树脂池出来并且仍在3D打印机中，并且在图4B的倒置的侧视图中，已从3D打印机移除了构建托盘400。在图4B中，在从打印机移除之后，未固化的树脂420仍保持在零件410上。构建托盘400的后侧401(即，与在其上打印有零件的表面相对的表面)被配置有安装特征435，以将托盘400联接到旋压装置。在该实施方案中，安装特征435是块430中的凹部，其中安装特征435被设计为装配到例如图2中的平台210的升高的块上。可以在本实施方案中使用的安装特征包括，例如，凹槽、销、成形为与平台安装特征配合的凹入区域以及机械紧固件，诸如支架、夹具和螺钉。

在一些实施方案中，平台可以被配置为容纳单个或多个构建托盘。在一些实施方案中，零件可以相关于旋转轴线定位和布置在平台上，以使得由于旋转期间的离心力而能够从零件去除多余的树脂，以及还能够平衡由平台承载的负载。例如，如稍后将更详细描述的，可以将零件安装在平台上，使得零件的中心轴线与平台的旋转轴线对准，以实现树脂的轴对称分布，或者零件可以偏离平台的旋转轴线以实现树脂的定向分布。零件的放置可能取决于特定零件的几何形状，诸如通过相关于离心力的方向对零件进行定向以使得树脂能够从表面释放和/或从空腔逸出。

一旦零件被固定和安装，旋压装置(例如，图2的装置200)则被打开以离心地迫使多余的树脂离开打印零件，同时将树脂中的一些保持在零件上。一旦已旋压零件，由于保持在零件上的未固化树脂的部分，在零件的表面上出现平滑的(例如，干净的“釉状”和/或均匀的)饰面。旋压动作还从零件清除未固化的树脂，而无需使用IPA，并且可以俘获和回收多余的树脂。然后将零件发送到固化站，在固化站，零件固化以硬化由保持在零件上的树脂所创建的薄釉饰面。

图5A至图5B示出了根据一些实施方案的具有腔室580以在零件的旋压期间收集多余的树脂的旋压装置500。旋压装置500与图3的旋压装置300相同。在图5A中，旋压装置500安装到站570，该站570具有定位在旋压装置500下方的腔室580。旋压装置500和构建托盘540(在该视图中看不到打印零件)由升降器马达515沿着支架510降低至腔室580中。旋压打印零件，并且在腔室580中收集多余的树脂以进行回收。腔室580可以包括排放管585以清空所回收的树脂。防溅板560用作覆盖物，以将去除的树脂容纳在腔室580中。在一些实施方案中，防溅板560可以包含阻挡用于固化树脂(例如，UV)的波长的材料，以防止收集的树脂在位于腔室580中时固化。例如，在一些实施方案中，系统500可以存储在降低位置中，在该降低位置，防溅板覆盖腔室580的开口。以这种方式，防溅板560可以帮助使树脂能够被回收和再循环以供将来使用。

在图5B中，旋压装置500被安装到包括机器人手臂590(例如，6轴机器人)的自动化站575。图5B还示出了升降器马达515、旋压马达520、平台530、构建托盘540和打印零件550。在操作中，机器人手臂590用于从PRPS拾取和放置构建托盘540和打印零件550，以及将构建托盘540(具有打印零件550)安装到旋压装置500上，而无需人工干预。旋压装置500由升降器马达515降低到腔室580中。在降低位置中，如图5B所示，旋压马达520使平台530旋压以从打印零件550去除多余的树脂。在一些实施方案中，机器人手臂590也可以用于其他功能。例如，代替旋压装置500或与其相结合地，机器人手臂590可以用于执行动作以从打印零件550去除多余的树脂。作为示例，机器人手臂590可以用于以各种角度旋压打印零件550，以执行角加速/减速动作和/或线性加速/减速动作或执行其他移动以去除多余的树脂。

尽管已经使用源于制造3D打印零件的光聚合工艺的残余树脂描述了用于创建平滑的表面饰面的上述步骤，但是在其他实施方案中，可以在单独的步骤中用表面饰面材料润湿3D打印零件。此外，表面饰面材料可以与用于生产零件的材料相同或不同。例如，可以首先通过基于树脂的(例如，SLA或连续液体界面打印“CLIP^TM”)或基于粉末的(例如，SLS、多射流熔融^TM或直接金属激光烧结)增材制造工艺来打印零件。然后，可以施加与用于打印零件的材料相同或不同的表面饰面材料。如果将使用不同的材料，则可以在打印之后和在施加表面饰面材料之前清洁零件。在另外的实施方案中，可以通过任何工艺，包括3D打印和非3D打印方法来制造零件，并且施加与制造零件的材料相同或不同的表面饰面材料。表面饰面材料的示例包括但不限于虫漆(例如，虫胶)、聚氨酯、光聚合物、环氧树脂(例如，多部分的)和漆料。在施加表面饰面材料之前，可以用例如常规的IPA清洁来清洁零件。在一些实施方案中，可以通过将零件浸入表面饰面材料中来施加表面饰面材料。在其他实施方案中，可以使用喷涂或喷漆来用表面饰面材料涂覆3D打印零件的表面。在一些实施方案中，零件可以完全涂覆有表面饰面材料，而在其他实施方案中，表面饰面材料可以仅被施加到零件的某些部分。

在旋压装置的操作中，设置旋转参数，以使未固化的树脂中的一部分保持在零件的表面上，以创建期望的平滑表面。例如，可以按指定的旋转速度在指定的旋转持续时间内打开离心机。在一些实施方案中，旋转参数可以包括速度斜率、速度减速率、多步旋转(例如，在第一持续时间内的缓慢旋压，随后为第二持续时间内的较快的旋压)和/或旋转轴线的进动(即，以成角度的方式分度或旋转该旋转轴线，其中可以修改进动的速率和/或角度)。旋压持续时间可以是例如10秒至30秒，或30秒至180秒，或180秒至3600秒或更长。旋转速度可以是例如10RPM至500RPM，或500RPM至6000RPM，或大于6000RPM。速度斜升或斜降速率可能涉及旋转速率的变化，其范围是例如5秒、10秒或20秒内从0至3000RPM。轴向旋转角度可以在例如0至90度或90至180度的范围中。旋转参数值将取决于零件的几何形状、树脂粘度和其他参数，以提供足够的加速度以离心地迫使未固化的树脂中的一部分从零件移开，同时施加使得一些树脂能够由于表面张力而保持在零件上的足够低的力。剩余的树脂(或使用的其他表面饰面材料)可以覆盖零件中的一些或全部。例如，在一些实施方案中，剩余的表面饰面材料可以是整个表面上的薄层涂层。在其他实施方案中，剩余的表面饰面材料可以填充大于某个尺寸的凹坑、孔、裂纹或其他缺陷，但却不需要覆盖已经具有足够平滑表面的零件的部分。在其他实施方案中，可以仅对零件的一部分施加平滑过程，诸如仅对零件的外表面，而不是对将结合至另一部件的内表面进行平滑处理(其针对表面饰面具有较低的公差要求)。在这种情况下，零件可以在需要高质量表面饰面的部段中部分地浸有或涂覆有表面饰面材料。

在一些实施方案中，可以在用于实现某些特性的过程期间改变表面饰面材料的粘度。例如，可以在旋转期间加热或冷却表面饰面材料，以与室温相比降低或增加粘度，从而在零件的旋压期间增加或减少表面饰面材料的分布和/或去除。利用温度来控制表面饰面材料的粘度可以用于使得能够使用表面饰面材料，该表面饰面材料在环境温度下可能具有太高或太低的粘度以至于无法实现期望的几何特征。在另一个示例中，控制温度以控制粘度可能有助于确保在具有不同的环境温度的不同地理位置处的设施之间的过程可重复性。

在旋压和建立期望的平滑饰面之后，可以将零件暴露于固化过程。在一些实施方案中，表面饰面材料可以自行硬化，诸如通过自然干燥或通过固有的化学反应进行。在发生特定固化步骤的实施方案中，固化过程可以使部件更具刚性和更稳定，并且硬化保持在零件上的未固化的树脂层。相反地，在常规方法中，将任何剩余的未固化树脂从零件上洗掉。在本实施方案中，剩余表面饰面材料的固化还有助于蒸发或消除水分，否则水分会在熔模铸造过程中引起问题。固化过程可能涉及各种已知的方法，诸如惰性气体(例如，氩气、氮气或其他用于置换氧气的气体)中的高强度放电灯泡和/或带有或不带有惰性气体的任何光源。在本实施方案中，可以在旋压之后的时间框架内固化零件，这防止了表面饰面可能的劣化。该时间框架可能取决于树脂粘度。例如，与较厚的(高粘度)树脂相比，可能期望在旋压步骤之后更快速地固化较薄(低粘度)树脂，这是因为较薄的树脂如果不固化的话，则更可能滴落或渗出。

零件设计的几何补偿

在一些实施方案中，用于打印增材制造的零件的指令考虑了将施加至零件的表面饰面材料。即，在一些实施方案中，确定几何偏移校正，其考虑了将在零件的表面上堆积的表面饰面材料的厚度，以及表面饰面材料对几何特征，诸如拐角和边缘的影响。几何补偿可以通过计算机建模、计算机辅助设计和/或手动计算来执行，并且可以用于校正由于添加的表面饰面材料的存在而引起的零件尺寸的变化。为了控制具有表面饰面材料的零件的最终尺寸，零件的所需设计(即客户的初始设计规格)可以缩小或者在几何上偏移以创建补偿设计(即，启动用于打印零件的物理几何形状)，这将产生期望的最终零件的几何形状和尺寸(即，在施加表面饰面材料之后，施加力并且干燥或固化表面饰面材料)。零件设计可以关于例如整体尺寸、拐角几何形状或边缘几何形状进行补偿，其中补偿可以基于例如表面饰面材料的预测的釉料厚度或分布，以及零件相关于旋压轴线的位置和/或定向。制造的零件是几何偏移的校正零件，在施加表面饰面材料之后，其将具有平滑的表面饰面和匹配原始设计规格的最终尺寸。

用于打印增材制造的零件的指令可以被称为打印配方。打印配方包含要由增材制造系统(诸如PRPS)构建的3D打印零件中每一层的信息。打印配方可以包含在打印运行之前、期间和之后的用于PRPS的指令。例如，打印配方可以包括与构建几何形状、照明能量、每一层的曝光时间、各层之间的等待时间、打印平台的位置、打印平台的速度、打印平台的加速度、树脂槽的位置、树脂槽的力、树脂化学反应性和树脂粘度。可以基于来自PRPS中的一个或多个传感器的输入，在打印运行之前、期间和/或之后更新包含在打印配方内的参数和/或指令。在一些实施方案中，可以在打印所打印物体内的给定层之前、期间和/或之后更新打印配方。

图6A至图6B是实施方案的示例，其中零件设计补偿了在整个零件上的一层表面饰面材料。在这些横截面图中，原始零件600a和600b是要交付给客户的最终零件的期望设计。在图6A中，原始零件600a具有圆形横截面，诸如圆柱体，其中圆柱体的基座附接到旋压平台，其中圆柱体的中心轴线与旋压平台的旋转轴线一致。在旋压之后，表面饰面材料620a将大致均匀地覆盖零件的侧向圆形圆周。在图6B中，原始零件600b具有高低不平的丘状物602，其中丘状物602的基部604在旋转轴线上居中地附接到旋压平台，并且表面饰面材料620b将在旋压之后覆盖丘状物602。根据本实施方案，整体尺寸被修改为稍小，如用于原始零件600a的修订的几何形状610a和用于原始零件600b的修订的几何形状610b所示，以考虑将保持在零件上以创建平滑的表面饰面的分别在图6A和图6B中的树脂620a和620b(或其他表面饰面材料)的厚度。例如，可以对在表面饰面材料的粘度、旋转速度、旋转时间和零件相关于旋压轴线的位置和定向之间的相互作用进行建模，以预测将保持在零件上的表面饰面材料的层厚度。然后，可以通过从期望设计的整体尺寸减去该厚度量来计算补偿设计(即，修订的几何形状610a/610b)以考虑该厚度。在6A中，修订的几何形状610a涉及圆形横截面的减小的直径，而在图6B中，修订的几何形状610b涉及丘状物的降低的高度。在一些实施方案中，表面饰面材料的厚度在整个零件上可以是均匀的，而在其他实施方案中，厚度可以变化，并且几何设计校正可以补偿任何一种情况。

图7是示出根据一些实施方案的修改内部拐角几何形状的示例的透视图。在该示例中，由于未固化的表面饰面材料(例如，树脂)的表面张力，具有纯直角的内部拐角的期望的(原始)零件设计700在施加表面饰面材料时将在拐角中形成圆角702。拐角的这种制圆可能导致零件无法满足期望的设计规格。根据本方法，可以诸如通过在拐角中创建切口特征710的修订的几何形状来创建补偿设计以使拐角中的圆角堆积最小化，其中添加的树脂将芯吸至切口特征710中。尽管示出了圆形切口，但是也可以使用其他几何形状，诸如椭圆形切口或改变拐角的整体角度以允许表面饰面材料的堆积。

图8A至图8B示出了修改零件设计以保留期望的外部拐角几何形状(即，具有90度角)的示例。在图8A中，示出了根据原始的期望设计的3D打印零件823的透视图810和侧视图820，其中不具有针对表面饰面材料825的补偿。在该示例中，增材制造的零件823是圆盘。3D打印零件的粗糙度在透视图810中也通过零件的上圆形表面上的麻点标记811表示出来，其中上表面通过覆盖有表面饰面材料825而进行平滑处理。如从侧视图820可以看出的，由于表面张力，表面饰面材料的凸弯月面828在零件的圆周边缘处引起制圆。相反地，根据本实施方案，侧视图830示出了根据补偿设计打印的零件833。如可以看出的，补偿零件833已在零件的圆周处设计有凹入的圆角边缘838，该凹入的圆角边缘838将由表面饰面材料825(例如，树脂)填充并且将导致更尖锐的外部拐角(例如，更接近于90度角)，如原始期望的。在图8B中还提供了具有修订的几何形状的原始零件823和补偿零件833的特写视图。

图9示出了被施加至零件的多个几何校正的示例，其使用了L形块的2D几何形状以用于说明的目的。侧视图910和端视图920代表原始的期望零件设计。侧视图930和端视图940代表补偿设计，其中零件的所有面都已从平坦表面修改为整体尺寸比原始设计更小的凹形表面。圆形横截面的切口932也已经并入“L”的内部拐角。区域950示出了将保持的表面饰面材料，从而产生准确地匹配期望设计的尺寸和特征(例如，尖锐的拐角和平坦表面)。

在一些实施方案中，将期望的设计修改为补偿设计可以包括添加不在原始设计中的空腔特征。即，补偿设计可以在旋压装置上旋转零件期间利用表面饰面材料的堆积或芯吸。例如，图10中的零件1000具有凹形表面1002，其已被定向为面向平台1020的旋转轴线1025(即，中心)。平台1020在旋转方向1028上旋转。零件1000具有背离旋转轴线1025的向外表面1004。面向内的凹形表面1002将比向外表面1004具有更多的表面饰面材料的堆积，在向外表面1004处，多余的树脂可以更容易地逸出。因此，向内表面可以被设计成具有空腔特征(未示出)，诸如切口或尺寸减小得比外表面更多。空腔特征的其他实施方案包括例如沟槽、凹槽、切口或其他空腔特征，以在沿着凹形表面1002的一个或多个位置处俘获树脂，以使用该树脂来实现零件的最终尺寸。

将零件放置在旋压装置的平台上可以作为一个因素被计入补偿设计中。例如，轴对称零件可以居中在平台的旋转轴线上(即，使其对称轴线与平台的旋转轴线对准)。非轴对称零件可以在轴线上居中或离轴放置(例如，如图10所示)，并且根据在创建补偿设计中如何修改零件的特征而定向为使特定侧面面向旋转轴线。在一些实施方案中，可以在旋压装置上处理多个零件，其中这些零件可以彼此相同或不同。关于将零件放置在平台上何处及其相关于由旋压装置赋予的离心力的定向的相同考虑将适用于多个零件，就像单个零件一样。另外地，当一次旋压多个零件时，可以考虑旋转平台的负载平衡。

控制表面饰面的去除

本方法还包括控制“釉状”表面饰面材料(例如，树脂)的厚度和分布。可被调整以控制最终配置的参数包括例如旋转速度(例如，RPM中的角速度)、旋转持续时间、零件相对于旋压装置的旋转轴线的放置、表面饰面材料的性质(例如，树脂的粘度)、在零件和表面饰面材料之间的表面张力、零件的几何形状和零件的结构完整性。如上面所解释的，可以利用这些考虑以创建补偿设计。可以在零件上(无论是在整个零件上还是在选定的部段中)实现的表面饰面材料的示例数量为例如0.001”至0.100”英寸的厚度。

在一些实施方案中，可以通过控制在旋压期间树脂的温度(或如下所述的其他力的施加)来调整多余树脂的去除速率，以实现树脂的期望的最终厚度和分布。在一些实施方案中，当去除多余的树脂时，可以引入热量以降低树脂的粘度，从而提供另一种程度的控制(除了速度、斜率和本文所述的其他参数之外)。在一些实施方案中，可以施加冷却，诸如以增加粘度。作为利用温度来影响树脂去除的示例，可以在从零件的整个表面去除表面树脂中使用热量，同时将预期的圆角树脂保持在适当位置中。在各种实施方案中，加热或冷却可以均匀地施加到整个零件，诸如在烤箱或温控室中，或者可以施加到零件的特定区域，诸如通过在旋压期间使热喷嘴指向零件的某个部分而进行。

用于旋压的替代方法

在其他实施方案中，可以通过向表面饰面材料施加力的其他方法来代替旋压。图11示出了在构建托盘1120上的3D打印零件1110，其中未固化的表面饰面材料1130在零件1110的表面上。在一些实施方案中，可以使用如图11中由箭头1140和1145所示的竖直或水平受控的加速度或速度来代替离心力。在一些实施方案中，可以通过在表面饰面材料1130上吹送强制空气1150来施加力。例如，可以使用气刀或风刀来吹走多余的表面饰面材料，其中控制空气以去除表面饰面材料的第一部分，但却将表面饰面材料的第二部分保持在零件上。施加力的其他实施方案包括但不限于施加线性加速度、施加振动力或摇动零件。可以按与本文所述的旋压实施方案相同的方式对通过这些方法施加的力进行建模和补偿。

可以调整用于这些工艺的参数以实现期望的表面饰面涂层。例如，可以按指定的持续时间和量值施加力。在一些实施方案中，其他的力施加参数可以包括力的斜率、力的减速率、多步力施加(例如，可以在第一持续时间内施加低量值的力，随后在第二持续时间内施加较高量值的力)和/或在所施加的力的方向上的改变(例如，在多个方向上的线性力或摇动)。施加到零件的力可以是例如1g(即，9.81m/s²)至2g，或3g至20g，或大于20g。被选择施加到零件的力可以由例如树脂的性质(例如，粘度)，在零件和树脂之间的表面张力、零件的几何特性和零件的结构完整性来确定。

方法流程图

图12是根据一些实施方案的表示用于在通过增材制造形成的零件上创建平滑的表面饰面的方法的流程图1200。在一些实施方案中，方法可以在步骤1210开始于提供已经通过增材制造工艺形成的零件。可以通过树脂池中的树脂的光聚合，诸如用图1A至图1B的系统，或其他增材制造工艺，诸如SLA、CLIP、SLS、多射流熔融、直接金属激光烧结或熔融沉积建模(FDM)来执行增材制造工艺。一些实施方案还包括在步骤1210之前的步骤1202和步骤1204，步骤1202通过修改期望的设计来创建补偿设计以补偿将保持在零件上的未固化的表面饰面材料(例如，树脂)的第一部分，并且步骤1204根据补偿设计来用增材制造工艺形成零件。在步骤1202中创建补偿设计可以包括修改整体尺寸、拐角几何形状或边缘几何形状中的至少一者；或者通过在随后的步骤1250中添加空腔特征来实现，在零件的旋转期间，表面饰面材料将芯吸到空腔特征中。

步骤1220涉及用未固化的表面饰面材料来润湿零件的至少一个部段。在一些实施方案中，诸如基于树脂的3D打印技术，由已经用表面饰面材料(例如，树脂)润湿的打印过程形成了零件。因此，在一些实施方案中，步骤1220被并入到步骤1210中。在其他实施方案中，可以用不同于用于打印零件的材料的表面材料来润湿零件，并且在形成零件之后，可以在单独的步骤中添加表面材料。例如，零件可以在步骤1204中进行3D打印，在步骤1210中进行清洗且移动到表面精加工站并且随后在步骤1220中用表面饰面材料进行润湿。润湿可能涉及但不限于用表面饰面材料来对零件中的一些或全部进行浸没、喷涂或喷漆。在一个实施方案中，增材制造工艺包括树脂池中树脂的光聚合以及在形成零件之后用表面饰面材料来润湿零件，其中表面饰面材料是不同于树脂的材料或可以是树脂本身。

在步骤1230中，提供旋压装置，该旋压装置具有围绕轴线旋转的平台。在步骤1240中，将增材制造的零件固定到平台，这可能涉及将零件直接附接到平台。在其他实施方案中，零件可以保持在构建托盘(零件是在构建托盘上形成的)上，并且构建托盘被联接到平台，以便将零件固定到平台。在步骤1240期间，零件仍至少部分地用来自树脂池的未固化树脂或用在未固化状态中的表面饰面材料来润湿。

在步骤1250中旋转平台，这旋压零件，使得未固化的表面饰面材料(例如，树脂)的第一部分保持在零件上，并且去除未固化的表面饰面材料的第二部分。该方法可以包括在步骤1255中设置旋转参数以在旋转期间保持未固化树脂的第一部分，其中参数可以可选地根据补偿设计来进行设置。旋转参数包括旋转速度和旋转时间，其中设置旋转参数还可以考虑表面饰面材料(例如，树脂)的粘度。在一些实施方案中，设置旋转参数以在旋转期间保持期望数量的表面饰面材料的第一部分，诸如在步骤1202中在创建补偿设计期间确定的数量。保持在零件上的表面饰面材料通过填充和/或覆盖粗糙的表面特征来提供平滑的表面饰面。在旋转期间去除多余的表面饰面材料还实现了零件的清洁，从而减少了后处理的时间。清洁是在不使用材料，诸如IPA(其可能本身会在零件的表面上引入点蚀)的情况下实现的，从而减少了源于处理流程的有害材料。

步骤1240和1250可能涉及用旋压装置一次旋压一个零件或多个零件，其中零件可以彼此相同或不同。在这样的实施方案中，固定零件的步骤1240涉及基于多个零件的几何形状将多个零件布置在平台上，以使得能够去除多余的未固化树脂(或其他表面饰面材料)以及保持未固化树脂的期望部分。一些实施方案可能涉及将零件居中地放置在旋压平台的旋转轴线上或偏离旋转轴线。

在流程图1200的其他实施方案中，步骤1230可以被替换为提供一种装置，该装置施加除了离心力之外的力，如在公开中上面所述。例如，可以使用装置以向零件施加强制空气、线性加速度、振动力或摇动。在这样的实施方案中，旋转平台的步骤1250将被替换为向表面饰面材料施加力，其中表面饰面材料的第一部分保持在零件上，并且去除表面饰面材料的第二部分。步骤1255将涉及设置力参数(例如，力的量值或加速度、施加力的持续时间)，这考虑到了表面饰面材料的粘度以实现在零件上的表面饰面材料的期望数量和分布。

返回到流程图1200的主流程，一些实施方案包括步骤1260，该步骤将零件封闭腔室中的，诸如关于图5A至图5B中所述的，并且收集在旋转期间去除的未固化表面饰面材料(例如，树脂)的第二部分。这种材料的收集使得能够实现多余树脂的再循环，例如，该多余的树脂可以在光聚合过程中重复使用，或者收集可以用于在其他零件上创建平滑表面饰面的多余表面饰面材料。

在步骤1270中，通过固化零件来完成最终零件，使得硬化已保持在零件上的未固化表面饰面材料。在根据补偿设计打印零件的实施方案中，在零件上具有表面饰面材料的最终零件具有匹配原始期望设计的尺寸。

在一些实施方案中，可以以多阶段过程来实现期望的表面饰面。在这样的实施方案中，用表面饰面材料来润湿零件的步骤1220至固化零件1270的步骤可以重复一次以上。例如，在初次执行步骤1220至1270之后，表面饰面材料可以第二次进行施加(例如，通过将零件浸入表面饰面材料中或用表面饰面材料来喷涂零件)、旋转和固化，随后表面饰面材料可以第三次进行施加、旋转和固化，其中每次可以使用相同或不同的表面饰面材料。在每次固化后，可以定量和/或定性评估零件，以检查是否已达到表面饰面材料的期望厚度和/或平滑度。

已详细参考了所公开的发明的实施方案，在附图中已示出所述实施方案的一个或多个示例。每个示例均以解释本技术而非限制本技术的方式提供。事实上，尽管已参照本发明的具体实施方案来详细描述本说明书，但应理解的是，本领域的技术人员在理解前述内容之后可容易构想出这些实施方案的替代物、变化和等同物。例如，示出或描述为一个实施方案的一部分的特征可以与另一个实施方案一起使用以产生又一个另外的实施方案。因此，期望本主题涵盖所附权利要求及其等效物的范围内的所有此类修改和变化。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以对本发明进行这些和其他修改和变型，本发明的范围在所附权利要求中被更具体地阐述。此外，本领域的一般技术人员应理解前述描述是仅通过举例的方式，而不意图限制本发明。

Claims (19)

1.一种生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法，所述方法包括：

创建补偿设计，该补偿设计用作用于形成一零件的增材制造工艺的打印运行的打印配方，其中该创建包括用几何偏移校正来修改期望的设计，以补偿将保留在零件上的未固化树脂的第一部分；

根据该补偿设计，用增材制造工艺形成零件；

在增材制造工艺的打印运行之后，提供已经通过增材制造工艺形成的零件，其中所述增材制造工艺包括树脂池中树脂的光聚合；

提供旋压装置，所述旋压装置具有围绕轴线旋转的平台；

将所述零件固定到所述平台，其中所述零件至少部分地用来自所述树脂池的未固化树脂润湿；

旋转所述平台，其中在该平台的旋转过程中所述未固化树脂的第一部分以几何偏移特征保持在所述零件上并且由于由所述旋转施加的力来去除所述未固化树脂的第二部分；以及

在所述旋转之后，固化所述零件。

2.如权利要求1所述的方法，其还包括根据所述补偿设计设置旋转参数以在所述旋转期间保持所述未固化树脂的所述第一部分，其中：

所述旋转参数包括旋转速度和旋转时间；以及

设置所述旋转参数考虑了所述树脂的粘度。

3.如权利要求1所述的方法，其还包括：

将所述零件封闭在腔室中；以及

收集在所述旋转期间去除的所述未固化树脂的所述第二部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

形成所述零件包括在构建托盘上形成所述零件；以及

将所述零件固定到所述平台包括将所述构建托盘联接到所述平台。

5.如权利要求1所述的方法，其中几何偏移校正包括修改以下各项中的至少一项：整体尺寸、拐角几何形状或边缘几何形状。

6.如权利要求1所述的方法，其中几何偏移校正包括添加空腔特征，所述树脂将在所述旋转期间芯吸至所述空腔特征中。

7.一种生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法，所述方法包括：

创建补偿设计，该补偿设计用作用于一零件的增材制造工艺的打印配方，其中该创建包括用几何偏移校正来修改期望的设计，以补偿要保持在所述零件上的未固化的表面饰面材料的第一部分；

根据所述补偿设计，以增材制造工艺来形成所述零件；

提供旋压装置，所述旋压装置具有围绕轴线旋转的平台；

将所述零件固定到所述平台，其中所述零件至少部分地用所述未固化的表面饰面材料润湿；

旋转所述平台，其中在该平台的旋转过程中所述未固化的表面饰面材料的所述第一部分以几何偏移特征保持在所述零件上并且由于由所述旋转施加的力来去除所述未固化的表面饰面材料的第二部分；以及

在所述旋转之后，固化所述零件。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括：

将所述零件封闭在腔室中；以及

收集在所述旋转期间去除的所述未固化的表面饰面材料的所述第二部分。

9.如权利要求7所述的方法：

其中所述增材制造工艺包括树脂池中树脂的光聚合；以及

所述方法还包括在形成所述零件之后用所述表面饰面材料来润湿所述零件。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述表面饰面材料是与所述树脂不同的材料。

11.如权利要求7所述的方法，其中几何偏移校正包括修改以下各项中的至少一项：整体尺寸、拐角几何形状或边缘几何形状。

12.如权利要求7所述的方法，其中创建所述补偿设计包括添加空腔特征，所述表面饰面材料将在所述旋转期间芯吸至所述空腔特征中。

13.如权利要求7所述的方法，其还包括设置旋转参数以在所述旋转期间保持期望数量的所述表面饰面材料的所述第一部分，其中：

所述旋转参数包括旋转速度和旋转时间；以及

设置所述旋转参数考虑了所述表面饰面材料的粘度。

14.如权利要求7所述的方法，其中所述固定包括基于多个零件的几何形状将所述多个零件布置在所述平台上，以使得能够保持所述未固化的表面饰面材料的所述第一部分以及去除所述未固化的表面饰面材料的所述第二部分。

15.一种生产具有平滑的表面饰面的增材制造的零件的方法，所述方法包括：

创建补偿设计，该补偿设计用作用于一零件的增材制造工艺的打印配方，其中该创建包括用几何偏移校正来修改期望的设计，以补偿要保持在所述零件上的表面饰面材料的第一部分；

根据所述补偿设计，以增材制造工艺来形成所述零件；

用未固化的表面饰面材料润湿所述零件的至少一个部段；

向所述表面饰面材料施加力，其中在施加力的过程中将所述表面饰面材料的所述第一部分以几何偏移特征保持在所述零件上，并且由于所述力来去除所述表面饰面材料的第二部分；以及

在施加所述力之后，固化所述零件。

16.如权利要求15所述的方法，其中施加所述力包括在所述表面饰面材料上吹送强制空气。

17.如权利要求15所述的方法，其中施加所述力包括向所述零件施加线性加速度、振动力或摇动。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述润湿包括将所述表面饰面材料喷涂到所述零件上。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述润湿包括将所述零件浸入所述表面饰面材料中。