CN113165260B - 用于增材制造的构建材料散布设备 - Google Patents

Abstract

这种用于增材制造的构建材料散布设备包括可移动散布器、构建材料分配器和控制器，该控制器用于校准形成层所需的构建材料的量。该控制器控制构建材料分配器以分配预定量的构建材料。该控制器控制可移动散布器来散布所分配的构建材料以形成层。该控制器确定在散布之后剩余的构建材料的量。该控制器基于所确定的剩余构建材料的量，来修改待随后由构建材料分配器提供的构建材料的预定量。

Description

用于增材制造的构建材料散布设备

背景技术

有时称为3D打印机的增材制造装置通过添加连续材料层由一系列剖面来产生打印部件，这些剖面被接合在一起以创建最终部件。在一些增材制造机器中，构建材料散布设备沿整个构建区域形成层。可使用热将每个连续层中的颗粒选择性地熔合在一起，以形成最终部件的剖面。制造可逐层进行，直到物体完成。

附图说明

下面将通过参考以下附图来描述各种示例，附图中：

图1是根据本公开的一个示例的增材制造装置的示意图。

图2是来自图1的示例性增材制造装置的构建材料散布设备的侧视图。

图3是根据本公开的另一个示例的构建材料散布设备的等距视图。

图4是图3的示例性构建材料散布设备的侧视图。

图5是沿图4中的线V-V截取的剖视图。

图6是本公开的示例性构建材料散布方法的流程图。

图7图示了由图3至图5的示例性构建材料散布设备的摄像机拍摄的图像的示例。

图8图示了对图7的示例性图像实施的一示例性构造。

图9图示了对图7的示例性图像实施的另一示例性构造。

具体实施方式

在一个示例中，构建材料分配器用于提供构建材料来散布，以便形成层。为了确保每一层构建材料正确地形成，通常提供多于所需的材料来散布，以形成每一层，在该层形成之后剩余的材料通常被引导到溢出腔室中。

在一个示例中，控制器考虑到为了形成已经散布在构建区域上的层而分配的构建材料的过剩量，来校准形成后续层所需的构建材料的量。这可通过如下方式减少构建材料的溢出，即使得增材制造机器可能够利用相同的供应腔室尺寸和较小的溢出腔室来进行更大的作业。

在一个示例中，摄像机允许拍摄构建区域上的层的照片。分析摄像机拍摄的照片允许将其转换成后续层所需的材料量。

在图1上描绘的一个示例中，增材制造装置10包括由打印结构14界定的打印腔室12。

在该示例中，直接正交矢量基16附加到打印结构14。矢量基16可包括矢量X、矢量Y和矢量Z。当打印结构14被布置在平面水平表面上时，矢量Z竖直向上定向。

增材制造装置10可包括位于打印腔室12内的热源18。在该示例中，热源18能够相对于打印结构14沿若干个、例如三个平移自由度和若干个、例如三个、旋转自由度移动。为了做到这一点，增材制造装置10可包括：杆20。其沿矢量Y的方向延伸；盒22，其可相对于杆20沿矢量Y的方向平移移动；臂24，其保持热源18，并且可相对于盒22在垂直于矢量X的平面中旋转移动。

增材制造装置10可包括构建材料散布设备26。图2是构建材料散布设备26的侧视图。

参考图2，构建材料散布设备26可包括构建区域28、构建材料分配器30、可移动散布器32和控制器34。在该示例中，构建材料分配器30可容纳大量的构建材料。可移动散布器32可沿矢量X和Y的方向在构建区域28上方平移移动。在该示例中，构建材料可以是粉末状材料。

借助这种布置结构，在构建区域28上形成层之前，构建材料分配器30可为可移动散布器32提供预定体积的构建材料。可移动散布器32可在构建区域28上方平移移动，以便在构建区域28上形成第一层。然后，控制器34可确定为形成该第一层而分配的构建材料的过剩量，即，在散布操作之后剩余的构建材料的量。控制器34可考虑到为形成第一层而分配的构建材料的过剩量，来计算形成第二层所需的构建材料的量，并且可引导构建材料分配器30向可移动散布器32提供修改量的构建材料。因此，控制器34可校准形成第二层所需的构建材料的预定量。

在图3至图5上描绘的另一个示例中，构建材料散布设备36包括包封在打印腔室40内的壳体38。打印腔室40可部分地由细长壁42界定。在另一个示例中，构建腔室可与构建材料散布设备分开。

在图3至图5的示例中，直接正交矢量基43附加到细长壁42。矢量基43可包括矢量X、矢量Y和矢量Z。当细长壁42平行于矢量X布置时，矢量Z竖直向上定向。

除非另有说明，否则用语“向上”、“向下”、“上”和“下”应理解为指竖直向上定向的矢量Z的方向，并且用语“水平”意指垂直于矢量Z。

壳体38可包括平台腔室44、第一供应腔室46、第二供应腔室48、第一溢出腔室50和第二溢出腔室52。在该示例中，平台腔室44位于腔室46和48之间，第一供应腔室46位于腔室50和44之间，并且第二供应腔室48位于腔室44和52之间。

在图3至图5的示例中，平台腔室44向下由平台54（参见图5）界定。平台54可例如借助于千斤顶56沿矢量Z的方向相对于壳体38平移移动。第一供应腔室46和第二供应腔室48可向下由相应的活塞58和60界定，该活塞58和60可沿矢量Z的方向平移移动。活塞58和60可借助于相应的千斤顶62和64致动。

构建材料散布设备36可包括散布器66。散布器66可包括外壳68和容纳在外壳68内的辊70。辊70可以是可绕平行于矢量X的轴线旋转的圆柱体。散布器66可相对于壳体38在腔室46、44和48上方水平平移移动。散布器66可在第一溢出腔室50和第二溢出腔室52之间绕矢量X和Y的方向平移移动。辊70可相对于外壳68绕其自身的轴线旋转移动。

在该示例中，构建材料散布设备36包括摄像机76。摄像机76可被附接到增材制造装置的打印结构，例如附接到壁42。摄像机76可位于打印腔室40的一个角部中。因此，不需要透镜，并且与增材制造装置的其他子系统碰撞的风险降低。摄像机76的范围在图3至图5上以虚线77表示。在该示例中，摄像机76具有包含腔室46、44和48的上表面的视场。因此，摄像机76可拍摄散布在腔室46、44和48的上表面上方的层的照片。稍后将描述的图7图示了这样的照片的示例的一部分。

构建材料散布设备36可包括控制器78。控制器78可与摄像机76、千斤顶62和千斤顶64数据通信。

在图6上描绘的一个示例中，现在将详述使用图3至图5的示例性构建材料散布设备36的构建材料散布方法。可在每次形成层时实施图6的示例性方法。在该示例性方法的初始状态期间，散布器66位于第一溢出腔室50和第一供应腔室46之间。

该示例性方法可包括，在框80处，控制千斤顶62向上移动活塞58。结果，从第一供应腔室46向散布器66和平台腔室44之间的区域提供一定量、例如12克的构建材料。图6的示例性方法中使用的构建材料可以是任何合适类型的构建材料，例如塑料、金属、陶瓷等。在第一步骤80期间，千斤顶64还可向下移动活塞60。活塞60沿矢量Z的方向的位移可具有高度h_{predetermined}。

该示例性方法可包括，在框82处，控制散布器66移动到第二溢出腔室52中。通过这样做，在平台腔室44和第二供应腔室48上形成层。同时，额外的构建材料可散布在第二供应腔室48上。

该示例性方法可包括，在框84处，拍摄在框82处形成的层的图像。在框82处散布的额外构建材料可形成层的一部分89，该部分89与散布器66在框82处的位移结束时的散布器66的位置相邻。图7上描绘了所拍摄的示例性图像的一部分89。

该示例性方法可包括，在框86处，分析在框84处所拍摄的图像上示出的捕获的溢出粉末的一侧。所分析的一侧可以是在框82处形成的层的一侧，该侧在散布器66在框82处的位移结束时在其位置上与散布器66相邻。换言之，当散布器66从腔室50移动到腔室52时，所分析的一侧可以是在框82处形成的层的与第二溢出腔室52相邻的一侧。

该示例性方法可包括，在框88处，计算分配的构建材料的过剩量a_excess。

为了计算量a_excess，该示例性方法可使用在框84处拍摄的图像的一部分。在图7上描绘的一个示例中，在框84处拍摄的图像的部分89示出了对应于平台腔室44的边缘的直线90。该部分89还可包括对应于在框82处形成的层的侧面的曲线92。

根据图8上描绘的几何构造的示例，曲线92可被分成直线94、抛物线96和直线98。然后，控制器78可将线90和92之间的区域分成：沿矢量Y的方向由线90和94界定的第一区域100；沿矢量Y的方向由线90和96界定的第二区域102；以及沿矢量Y的方向由线90和98界定的第三区域104。控制器78随后可计算相应地对应于区域100、102和104的表面积A₁₀₀、A₁₀₂和A₁₀₄。然后，控制器78可将构建材料的过剩表面积A_excess计算为表面积A₁₀₀、A₁₀₂和A₁₀₄之和。

在该示例性方法中，控制器78可将构建材料的过剩体积V_excess计算为表面积A_excess与预定高度的乘积，该预定高度可以是高度h_{predetermined}。

在该示例性方法中，控制器78可通过将计算的体积V_excess乘以构建材料的体积质量密度ρ来计算过剩量a_excess。

参考图6，该示例性方法可包括，在框106处，加热在框82处形成的层。热源18可用于加热该层。颗粒可被熔合在一起，以便形成最终部件的剖面。如果在图6的示例性方法中使用的构建材料是金属，则加热该层可能不实施。

该示例性方法还可包括，在框108处，降低平台54。为了做到这一点，千斤顶56可按照如下方式来致动，即：使得其降低高度h_{predetermined}的平台54。

该示例性方法可包括，在框110处，计算形成下一层所需的构建材料的量a_{next_layer}。为了做到这一点，控制器78可通过从预定的恒定量A中减去过剩量a_excess来计算量a_{next_layer}。例如，量A可在9克至15克的范围内。

然后，在图6的示例性方法中，可重复步骤80、82、84、86、88、106、108和110，以便形成下一层。例如，可使用第二供应腔室48来实施步骤80，并且可通过将散布器66移动到第一溢出腔室50中来实施步骤82。在图6的示例性方法中，控制千斤顶62向上移动活塞58以如下方式实施，即：使得提供给散布器66的构建材料的量等于先前刚在框110处确定的量a_{next_layer}。

在图9上所示的部分89的几何构造的另一个示例中，位于线90和92之间的区域被分成多个矩形区域112。每个矩形区域112可具有与线90无法区分的边以及位于线90和92之间并且与线92具有一个公共点的边。在图9的示例性构造中，矩形区域112沿矢量X的方向的尺寸e₁₁₂对于所有矩形区域112都是相同的。

在图9的几何构造的情况下，计算过剩量a_excess的步骤可包括计算每个矩形区域112的表面积。为了做到这一点，对于每个矩形区域112，垂直长度l₁₁₂可通过摄像机76测得并乘以尺寸e₁₁₂。然后，表面积A_excess可被计算为所有矩形区域112的表面积之和。然后，可通过以与图6的示例性方法和图8的示例性几何构造中相同的方式计算过剩体积V_excess，来获得过剩量a_excess。

在图9的几何构造中，可修改尺寸e₁₁₂的值，以便调整表面积A_excess的确定的精度。即，可减小尺寸e₁₁₂，以便更精确地确定尺寸e₁₁₂。

除非另有明确说明，否则本说明书（包括任何所附权利要求、摘要和附图）中所公开的每个特征都可由用于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列一般性的等同或类似特征的一个示例。

Claims (13)

1.一种用于增材制造的构建材料散布设备，包括：

可移动散布器，其将构建材料散布在构建区域上，

构建材料分配器，其为所述可移动散布器提供构建材料，

控制器，其校准形成待散布在所述构建区域上的一层所需的构建材料的量，其中，所述控制器：

控制所述构建材料分配器以分配预定量的构建材料；

控制所述可移动散布器来散布所分配的构建材料，以在所述构建区域上形成构建材料层；

确定在散布之后剩余的构建材料的量；

基于所确定的剩余构建材料的量，来修改待随后由所述构建材料分配器提供的构建材料的预定量，以及

摄像机，其至少部分地可视化所述构建材料层的上表面，其中，所述控制器使用由所述摄像机发出的单一图像来确定剩余构建材料的量。

2.根据权利要求1所述的构建材料散布设备，其中，所述控制器：

使用由所述摄像机发出的图像来测量所述层的一部分的表面积；

通过将所确定的所述表面积乘以预定高度来计算体积；

根据计算出的所述体积来推断所述剩余构建材料的量。

3.根据权利要求1所述的构建材料散布设备，其中，所述摄像机可视化所述层的远离所述构建区域的区域。

4.根据权利要求1所述的构建材料散布设备，其中，所述摄像机可视化所述构建材料层的一侧。

5.根据权利要求4所述的构建材料散布设备，其中，所述侧在所述层的形成结束时与所述可移动散布器的位置相邻。

6.根据权利要求4所述的构建材料散布设备，其中，所述控制器：

将所述侧分成至少两个区段，

对于每个区段，测量与所述区段相邻的所述层的一部分的表面积；

通过计算与所述侧的所述区段相关联的表面积之和，来确定由所述侧界定的表面积。

7.一种构建材料散布设备，包括：

供应容积，其容纳构建材料，

可移动的散布辊，

控制器，其调整形成待散布的层所需的构建材料的量，其中，所述控制器：

引导所述供应容积来供应预定量的构建材料；

移动所述散布辊，以形成构建材料层；

确定在所述构建材料层形成之后过剩的构建材料的量；

基于所确定的过剩的构建材料的量，来调整待随后由所述供应容积供应的构建材料的所述预定量，以及

摄像机，其可视化所述构建材料层的上表面，其中，所述控制器处理由所述摄像机发出的单一图像，以便确定在散布之后过剩的构建材料的量。

8.根据权利要求7所述的构建材料散布设备，其中，所述供应容积包括第一供应腔室和第二供应腔室，所述第二供应腔室相对于平台与所述第一供应腔室相对，所述散布辊能够在所述第一供应腔室和所述第二供应腔室之间移动。

9.根据权利要求7所述的构建材料散布设备，其中，所述摄像机可视化所述层的与所述第一供应腔室或所述第二供应腔室相邻的区域。

10.根据权利要求7所述的构建材料散布设备，包括相对于所述第一供应腔室与所述平台相对的第一溢出腔室、相对于所述第二供应腔室与所述平台相对的第二溢出腔室，所述摄像机具有的视场包含位于所述平台与所述第一溢出腔室之间的第一区域以及位于所述平台与所述第二溢出腔室之间的第二区域。

11.根据权利要求10所述的构建材料散布设备，其中，所述控制器根据所述层的一侧的图像来推断过剩的构建材料的量，当所述散布辊从所述第一供应腔室移动到所述第二供应腔室时，所述侧与所述第二供应腔室相邻，当所述散布辊从所述第二供应腔室移动到所述第一供应腔室时，所述侧与所述第一供应腔室相邻。

12.一种构建材料散布方法，包括：

将第一层构建材料散布在构建区域上，

通过使用摄像机来确定为形成所述第一层而分配的构建材料的过剩量，所述摄像机可视化所述构建材料层的上表面，其中，由所述摄像机发出的单一图像被处理，以便确定在散布之后过剩的构建材料的量，

根据为形成所述第一层而分配的构建材料的所述过剩量，来计算形成第二层所需的构建材料的量，

引导构建材料分配器，以为可移动散布器提供所确定的量的构建材料，以及

使用由所述构建材料分配器提供的构建材料，来将第二层构建材料散布在所述构建区域上。

13.根据权利要求12所述的构建材料散布方法，其中，计算形成所述第二层所需的构建材料的量包括应用以下公式：

abm＝A-eabm

其中，abm是形成所述第二层所需的构建材料的量，eabm是为形成所述第一层而分配的构建材料的所述过剩量，并且A是构建材料的恒定的预定量。

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