CN113333776A - 三维打印系统和三维打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为三维打印系统和三维打印方法。本发明公开了一种三维打印系统，该三维打印系统包括构建平台，该构建平台包括构建表面。该打印系统还包括壳体系统，该壳体系统具有完全围绕构建表面延伸的侧面部分、邻接该侧面部分的顶板部分、以及底部部分。该侧面部分、该顶板部分和该底部部分形成围绕该构建表面的封闭空间。该顶板部分是可移动的，以便调节该封闭空间的体积。3D打印机打印头邻近该壳体系统设置，以用于将打印材料沉积到该构建表面上。该打印系统还包括用于加热该封闭空间的加热系统。

Description

三维打印系统和三维打印方法
技术领域
本公开涉及一种包括热容系统的三维打印系统。本发明还公开了一种使用热容系统在制造期间加热3D对象的三维打印方法。
背景技术
用于由熔融铝构建3D对象的导电液体三维打印机在本领域中是已知的。此类系统的示例公开于美国专利号9,616,494中。该系统通过使用由电磁线圈施加的直流脉冲来工作，以响应于一系列脉冲而排出熔融铝滴。液滴所指向的台板平移以允许液滴连接并且积聚以产生三维对象。
然而，熔融铝滴有时不能平滑地或以足够的粘结强度结合。此外，3D 对象可具有不期望的孔隙度，以及在制造期间不均匀的构建表面、未焊接的液滴和形状不一致性。所有这些均导致最终对象劣化的物理特性，诸如疲劳强度和拉伸强度，以及较差的外观问题。
因此，用于提高由导电液体三维打印机制成的三维对象的质量的方法和系统将是本领域中的一大进步。
发明内容
本公开的另一个实施方案涉及导电液体三维打印系统。该系统包括构建平台，该构建平台包括构建表面。打印系统还包括壳体系统，该壳体系统具有完全围绕构建表面延伸的侧面部分、邻接该侧面部分的顶板部分、以及底部部分。侧面部分、顶板部分和底部部分形成围绕构建表面的封闭空间。顶板部分是可移动的，以便调节该封闭空间的体积。3D打印机打印头邻近壳体系统设置，以用于将打印材料沉积到构建表面上。打印系统还包括用于加热封闭空间的加热系统。
本公开的实施方案还涉及一种护罩系统。该护罩系统包括具有第一中心开口的第一平板，第一平板具有宽度尺寸。第二平板包括第二中心开口，并且设置在该第一平板上。该第二平板的宽度尺寸小于第一平板的宽度尺寸。第三平板包括第三中心开口，并且设置在该第二平板上。该第三平板的宽度尺寸小于第二平板的宽度尺寸。第一平板、第二平板和第三平板竖直地堆叠，使得第一中心开口、第二中心开口和第三中心开口对准以在护罩系统中形成孔口。该孔口被构造为接纳可移动对象。当第一平板保持静止时，该孔口可在XY平面内的任何方向上移动。
本公开的另一实施方案涉及一种三维打印的方法。该方法包括在壳体系统中包封构建平台的构建表面。该壳体系统具有完全围绕构建表面延伸的侧面部分、邻接该侧面部分的顶板部分以及底部部分。侧面部分、顶板部分和底部部分形成围绕构建表面的封闭空间。顶板部分是可移动的，以便调节该封闭空间的体积。该方法还包括加热该封闭空间中的构建表面。利用3D打印机打印头将打印材料沉积在构建表面上以形成3D对象。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都只是示例性和解释性的，而不是对所要求保护的本教导内容的限制。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导内容的实施方案，并与说明书一起用于解释本教导内容的原理。
图1示出了根据本公开的实施方案的三维打印系统的透视图。
图2示出了根据本公开的示例的三维打印系统的透视图。
图3示出了根据本公开的实施方案的三维打印系统的透视图。
图4示出了根据本公开的实施方案的在热护罩中采用的平板的顶视图。
图5A示出了根据本公开的实施方案的在第一位置具有孔口的热护罩的透视顶视图。
图5B示出了根据本公开的实施方案的图5A的热护罩的透视顶视图，该热护罩的孔口已经移动到与第一位置不同的第二位置。
图6示出了根据本公开的实施方案的三维打印系统的透视示意图，其中热容系统的一部分和打印头盖被剖开以示出打印头的细节。
图7示出了根据本公开的实施方案的图6所示的打印头的剖视图。
应注意的是，附图的一些细节已被简化并被绘制为有利于理解实施方案，而不是保持严格的结构准确性、细节和比例。
具体实施方式
现在将详细地参考本教导内容的实施方案，附图中示出了这些实施方案的示例。在附图中，通篇使用类似的附图标号来命名相同的元件。在以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中以举例的方式示出了可实践本教导内容的具体示例性实施方案。因此，以下描述仅是示例性的。
出于各种原因，在3D制造期间控制对象的温度可能是较为重要的。 3D对象在制造期间的温度可影响3D对象特性，包括3D对象的强度、3D 对象的孔隙度以及3D对象外观的总体质量等。这对于由各种材料制成的3D 对象而言是真实存在的，包括聚合物对象、金属对象等。
作为示例，在通过导电液体三维打印机打印熔融金属的过程期间，从打印机喷射的熔融液滴和构建表面之间的温差导致最终3D对象的构建强度、孔隙度和表面光洁度的不一致。测试已表明，为了将熔融金属适当地熔合到基部构建材料，可将接收表面温度控制到所期望的沉积温度。所期望的沉积温度将根据正沉积的材料而变化。对于铝(例如，纯铝或铝合金)，该沉积温度为约400℃至约550℃或更高。导电液体三维打印机系统使用设定至例如约400℃的加热基板来加热初始层。然而，随着对象4从基板继续生长，来自基板的加热无法在上表面上保持所期望的温度以便确保熔融液滴与3D对象之间的良好粘结。
本公开涉及与一种3D打印机(诸如，例如，导电液体三维打印机)结合使用的动态热容系统。本公开的系统和方法的优点包括以下中的一个或多个：动态热容系统，该动态热容系统可基于构建时间、所使用的能量和/ 或最终3D对象的质量来提高构建性能；改善的3D打印对象特性，诸如更低的孔隙度、更高的屈服强度、更高的疲劳循环和/或表面质量；在3D打印期间保持3D对象的所期望温度以改善材料粘结的能力；独立于对象的形状、大小或材料而控制打印对象的温度的能力；允许加热被打印的整个对象(例如，该对象的整个体积)，而不管打印期间对象的方向变化；避免针对构建平台移动而使用高温驱动系统的能力；允许闭合系统，该闭合系统可保持惰性气体环境并且限制惰性气体从系统中损失；以及改善诸如表面外观的构建特性和其它3D对象特性的能力。
图1示出了根据本公开的实施方案的三维打印系统2的示例。三维打印系统2包括构建平台10(在图6中更清楚地示出该构建平台的示例)，该构建平台包括可在上面构建三维对象4的构建表面12。图1中的构建平台 10被示出为由任选的热护罩50围绕，这将在下文更详细地讨论。三维打印系统2还包括壳体系统14，该壳体系统包括完全围绕构建表面12延伸的侧面部分16、邻接该侧面部分的顶板部分18、以及底部部分20。侧面部分 16、顶板部分18和底部部分20形成围绕构建表面12的封闭空间，该封闭空间允许壳体内的环境温度保持在所期望的沉积温度下或该温度附近。顶板部分18可为可移动的以便调节封闭空间的体积，从而在打印期间容纳3D 对象生长的同时潜在地减小待加热的空间的体积。三维打印系统2还包括用于加热封闭空间的加热系统30。3D打印机打印头40邻近壳体系统14设置，用于通过顶板部分18中的孔口(未示出)将打印材料沉积到构建表面 12上。
在实施方案中，如图1所示，打印头40和顶板部分18的位置均能够沿 z轴调节。在图1中，将顶板部分18示出为处于封闭空间的最顶部位置，而在图2中，将该顶板部分18示出为处于沿z轴降低的位置。在实施方案中，如图3所示，将打印头40所附接到的打印头安装板42定位在顶板部分18 的区域内。使用打印头安装板42，将打印头附接到顶板部分18，使得当打印头沿z轴上下移动时，顶板部分18也沿z轴移动。在打印期间，打印头 40和顶板部分18可降低到构建表面12上方的位置中，以便与构建表面相距所期望的距离。随着3D对象4被打印，打印头40然后可升高以将连续层的3D对象4沉积在构建表面12上。随着3D对象4的大小在打印过程期间从构建表面12增大，打印头40和顶板部分18可递增地升高以适应3D对象4所增大的大小。
在实施方案中，顶板部分18包括设置在顶板部分18邻接侧面部分16 的位置处的密封件19(如图2中的线所示)。也可对侧面部分16和底部部分20进行密封。采用此类密封件可有助于减少或消除不需要的气体诸如在顶板部分18和侧面部分16之间进入壳体系统，这可用于保持壳体系统14 内的惰性气体氛围。此外，密封件可允许顶板部分18相对于侧面部分16在z轴上上下滑动。密封件可包括能够承受构建温度的垫圈材料，诸如
Figure BDA0002926983650000051
侧面部分16和顶板部分18可为任何合适的材料，该材料能够承受3D 打印过程的热而不降解，同时提供所期望的结构稳定性和/或其它所期望的特性，诸如绝热性和/或气密性。合适的材料的示例包括金属、陶瓷、玻璃等。用于顶板部分18的材料可与侧面部分16相同或不同。虽然将壳体示出为具有立方体形状，但可采用任何所期望的形状，诸如圆柱形形状。
在实施方案中，例如，如图1所示，底部部分20包括热护罩50，该热护罩从构建平台10延伸并且邻接侧面部分16。如本领域所熟知的，构建平台10的位置沿XY平面的x轴和y轴是可调节的，以便允许来自打印头的打印材料在打印期间沉积在构建平台上所期望的位置中。热护罩50包括孔口，该孔口被构造为接纳诸如构建平台10的可移动对象。热护罩孔口能够进行两个自由度的移动，并且能够在XY平面内的任何方向上移动，以便在打印期间匹配构建平台10的横向移动、角度移动和径向移动。另选地，不采用热护罩50，在这种情况下，壳体系统14的底部部分20可为另一表面，诸如，例如基部60。
壳体系统14可包括用于保持封闭空间内所需的温度的闭环温度控制系统。此类闭环系统可包括用于控制加热系统30的热输出的温度传感器和反馈回路。如图3所示，壳体系统还可包括用于提供通向壳体系统14的入口的门22。
图4、图5A和图5B示出了根据本发明的实施方案的热护罩50。如图 4所示，热护罩50包括两个或更多个单独的板52，诸如3个板至50个板、或4个板至20个板、或4个板至10个板。板52中的每个板包括中心开口 54。如图5A所示，板52竖直地堆叠，使得开口54对准以在热护罩50中形成孔口，构建平台10延伸穿过该孔口。将板52的大小设计成避免在x或y 方向上在任何板之间形成间隙，而不管孔口在XY平面中的位置如何，从而形成围绕孔口的连续护罩。再次参见图4，叠堆中的板52中的每个板具有比其所堆叠到的板52小的一个或多个尺寸，以便允许孔口和构建平台10在 XY平面内的任何方向上一起移动。例如，在板52为矩形的情况下，如图4 所示，板52C的尺寸x’、y’将小于板52B的x”、y”，并且x”、y”将小于板52A的x”’、y”’。对于其他板构造，板52的尺寸中的一个或多个尺寸可随每个连续板递增地减小。例如，在板52为圆形的情况下，对于叠堆中的每个连续板，板52的直径可减小。在具有3条或更多条边的多边形情况下，对于叠堆中的每个连续板，边中的一个或多个边(诸如全部边)的尺寸可减小。
另外，对于叠堆中的板的整个移动范围，板52中的每个板的尺寸将足够大以有效地覆盖叠堆中直接位于该板下方的板52的开口54。例如，板 52B的尺寸x”可等于或大于板52A的开口54的宽度Wox”’加上板52A的侧面的宽度Wps”’。这样，当板52B的边缘EB1一直定位到板52A的边缘 EA1时，板52B的相对侧B2将重叠或至少延伸到板52A的开口54的远边缘EOB1。以类似的方式，在叠堆的整个移动范围内，板52中的每个板的侧部将覆盖叠堆中直接位于该板下方的板的开口54的远侧边缘。
一旦进行堆叠，构建平台10的移动可迫使板52相对于彼此在XY平面中的任何期望方向上滑动，诸如通过板52的伸缩式套叠移动。图5A和图 5B示出了包括四个滑动板52A至52D的热护罩50，该热护罩允许在XY平面中自由移动，同时为三维打印系统的驱动系统提供保护。顶板52D包括孔口56，该孔口可以任何所期望的形状和大小来构造以附接到构建平台10 (图1)。底板52A附接到侧面部分16并且可由此保持静止。当构建平台 10施加力时，板52B、52C和52D相对于彼此以及相对于板52A滑动，从而将孔口56从例如如图5A所示的第一位置移动到如图5B所示的第二位置。可同时完成X方向和Y方向上的移动，从而允许构建平台10进行复杂的二维移动。
板在叠堆中不是物理连接的，而是通过重力保持在一起并且由底板 52A支承，该底板附接到壳体系统的侧面部分16并由此保持静止。可任选地在板之间设置用于提供密封的垫圈材料和/或诸如石墨或液体润滑剂的润滑剂。板52可由可承受加工温度的任何所期望的材料制成，例如选自陶瓷、金属(诸如，钢、铝或其他金属)或聚合物(诸如，可承受350℃或更高(诸如，400℃、500℃或600℃或更高)的温度而不降解的高温聚合物) 中的一种或多种材料。
热护罩50可用于防止用于移动构建平台10的驱动系统暴露于高温中，暴露于高温中可能潜在地损坏和/或缩短驱动系统的寿命。在不使用热护罩 50的另选的实施方案中，高温驱动系统可用于移动被设计成承受构建温度(例如，在约400℃至约550℃范围内的温度)的构建平台10。此类高温驱动系统是本领域所熟知的。
在实施方案中，加热系统30包括选自辐射加热系统、传导加热系统和对流加热系统中的至少一种热源。将包括附接到顶板部分18的表面的红外 (“IR”)灯的辐射加热系统示出为图1中的加热系统30。可商购获得的红外灯的示例为由德国贺利氏特种光源(Noblelight Heraeus of Hanau, Germany)制造的嵌套弯曲红外加热管。该IR加热管可具有任何合适的直径，例如8mm的直径。可采用任何其他合适类型的辐射加热系统，包括附接在壳体内部或外部的任何位置以便加热构建平台10和/或待构建在该构建平台上的三维对象4的辐射加热系统。可采用任何合适的对流加热系统32 (图6)。例如，对流加热系统32可使受热气体诸如惰性气体或空气流动通过壳体，以便加热构建平台10和/或待构建在其上的三维对象4。可使用任何合适的惰性气体，诸如氩气或氮气。例如，使用惰性气体可减少氧气与金属(诸如铝合金中的镁)的所不期望的反应。可采用任何合适的传导加热系统34。例如，传导加热系统34可包括诸如通过在构建平台10内或附近采用线圈或其他加热机构的用于加热构建平台10的系统。用于加热壳体系统14的任何其他合适的技术可用于代替本文所讨论的加热系统或与本文所讨论的加热系统结合使用。在实施方案中，可采用辐射加热系统、对流加热系统和传导加热系统中的两种或更多种，例如采用所有三种。
打印头40可为可用于3D打印的任何打印头。各种合适类型的打印头是本领域已知的。示例包括通常用于3D打印的挤出机类型打印头，如本领域所熟知的。
在实施方案中，三维打印系统2包括打印头40，该打印头被构造为将导电液体打印材料(例如，熔融铝或其他液态金属)的液滴喷射到构建平台10上。如下所述，打印头包括用于施加DC脉冲以喷射液滴的电磁线圈。采用其他合适机构来喷射导电液体打印液滴的打印头也可用作打印头 40。
图6示出本文中称为液态金属3D打印机100的导电液体三维打印系统的示例。由被塔104支承的打印头40产生用于形成三维金属对象的液态金属液滴。打印头40附连到竖直的z轴轨道106a和106b，并且可在塔104上竖直调节，表示为沿z轴的移动。塔104由例如由钢管或任何其他合适的材料制成的框架108支承。
与框架108相邻的是由例如花岗岩或其他合适材料形成的基部60。基部60支承基部平台10，在该基部平台上形成3D对象。基部平台10由x轴轨道114a和114b支承，这使得基部平台10能够沿x轴移动。X轴轨道114a 和114b附连到级116。级116由y轴轨道118a和118b支承，这使得级116 能够沿y轴移动。
当熔融金属(例如，熔融铝或其他合适的金属)120的液滴落到基部平台10上时，基部平台10沿x轴和y轴的编程水平移动导致形成三维对象。如本领域的普通技术人员将理解的，级116和基部平台10沿x轴轨道114a 和114b以及y轴轨道118a和118b的编程移动可借助于例如致动器122a和 122b执行。致动器122a和122b和轨道构成构建平台10的驱动系统。该驱动系统可为或可不为如上所述的高温系统。液态金属3D打印机100被设计成以竖直取向操作，但也可以采用其他取向。
图6还示出了铝源132和铝线130。另选的实施方案可利用条状、棒状、颗粒状或附加形式的铝。在另选的实施方案中，如本领域的普通技术人员将理解的，可使用对系统进行适当调节的任何具有足够良好的导电性的液态或胶态混合物来代替铝。如本文所使用，将术语“铝”定义为包括纯铝和铝合金两者，诸如，例如300系列(例如，356)合金、2000系列合金、3000系列合金、4000系列(例如，4043)合金、5000系列合金、6000 系列(例如，6061)合金、7000(例如，7075)系列合金和8000系列合金，或适用于3D打印的任何其他铝合金。将纯铝定义为99重量％或更高的铝，诸如约99.5重量％至约100％的铝，并且包括例如1000系列的铝。
打印头40包括喷嘴泵300。液态金属3D打印机100和操作打印机的方法在美国专利号9,616,494中进行了更详细的描述，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。
图7示出了打印头40的一部分的剖视图，该部分包括冷却的线材入口 608、外部套管606和由电磁线圈510包封的喷嘴泵300。在一个实施方案中，将铝线130馈送到冷却的线入口608以及由铜制成的线引导件和气体密封件610中。然后，铝线130穿过由例如Macor陶瓷制成的绝缘耦合器604，其中惰性气体142通过也由例如Macor陶瓷制成的熔体屏蔽气体入口 602供应，以在铝熔化之前施加保护性惰性气体142屏蔽。
熔融铝或其他导电液体在重力和惰性气体142沿纵向z轴施加到喷嘴泵 300的正压作用下向下流动。由例如镍铬合金制成的电加热元件620a和 620b将由例如火砖制成的加热炉618的内部加热至所期望的温度(例如，高于铝的熔点660℃)。导热中间包402将热量传递到从铝源132供应的铝线130，从而使其在进入喷嘴泵300时熔化。中间包402可包含例如氮化硼或其他合适的导热材料。
熔融铝向下流动以形成熔融铝710的装料。熔融铝710的装料主要包含在喷嘴泵300的泵室内。电磁线圈510被成形为围绕喷嘴泵300。调节喷嘴泵300内部的惰性气体142的压力以克服喷嘴410处的表面张力，以便形成凸出的弯月面(未示出)。该压力由杨氏定律确定为P＝2×表面张力/喷嘴 410的孔口半径。
围绕喷嘴泵300成形电磁线圈510，使得磁场线竖直聚焦穿过熔融铝 710的装料。喷嘴泵300对磁场透明。电磁线圈510基于磁流体力学原理对熔融铝710的装料施加力以泵送液态金属。施加于电磁线圈510的阶跃函数直流(DC)电压分布使得施加于电磁线圈510的电流快速增大，从而产生沿磁场线的增大的磁场。用于有效操作的脉冲电压和电流强度的最佳范围以及脉冲持续时间的范围根据流体的电阻率、粘度和表面张力而变化。可能的有效范围很宽，其中另选的实施方案可最佳地在10伏特(V)至1000V 和10安培(A)至1000A的范围内。
根据法拉第感应定律，增大的磁场在泵室内产生电动势，这继而引起熔融铝710中的感应电流沿圆形路径流动通过熔融铝710的装料。熔融铝 710中的感应电流和磁场通过熔融铝710的装料在环形元件中的熔融铝上产生合成的径向向内的力(称为洛伦兹力)。熔融铝上的径向向内的力与所施加的DC电压的平方成比例。
在喷嘴410的入口处出现的峰值压力也与所施加的直流电压的平方成比例。该压力克服了熔融铝中的表面张力和惯性以排出熔融铝的液滴。同时，计算机使级116移动以将熔融铝的液滴沉积在基部平台10上的所期望的位置中。
本公开的实施方案涉及一种三维打印方法。该方法包括将构建平台的构建表面包封在壳体系统中，诸如本文所述的壳体系统中的任一种。该壳体系统具有完全围绕构建表面延伸的侧面部分、邻接该侧面部分的顶板部分以及底部部分。侧面部分、顶板部分和底部部分形成围绕构建表面的封闭空间。顶板部分是可移动的，以便调节该封闭空间的体积。在封闭空间中加热构建表面。使用3D打印机打印头将打印材料沉积到构建表面上以形成3D对象。该方法包括沉积打印材料，诸如通过例如从打印头喷射第一滴熔融金属，以便在第一沉积温度下将第一滴沉积在预热的液滴接触点上，如上文所述。该方法还包括沿z轴调节顶板部分和打印头的位置。该方法还包括沿x轴、y轴或者沿x轴和y轴两者调节构建表面的位置。如本文所述，热护罩的孔口可在XY平面内移动，以便匹配构建平台横向移动、角度移动和径向移动中的一者或多者。
尽管阐述本公开的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体示例中列出的数值是尽可能精确地报告的。然而，任何数值固有地包含一定的误差，这些误差必然是由它们各自的测试测量值中存在的标准偏差引起的。此外，本文所公开的所有范围应理解为涵盖其中所包含的任何和所有子范围。
虽然已经相对于一个或多个实施方式示出了本教导内容，但是可以对所示示例做出改变和/或修改，而不脱离所附权利要求的实质和范围。此外，虽然本教导内容的特定特征可能仅相对于几个实施方式中的一个被公开，但是这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征相结合，这对于任何给定的或特定的功能可能是需要的和有利的。此外，如果术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于具体实施方式和权利要求中，则此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式呈包括性。此外，在本文的论述和权利要求中，术语“约”表示列出的值可以有所改变，只要该改变不会导致过程或结构与所示实施方式不一致。最后，“示例性”指示该描述用作示例，而非暗示其是理想的。
应当理解的是，以上公开的和其他的特征和功能的变型或其另选方案可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被所附权利要求书所涵盖。

Claims (20)

1.一种三维打印系统，所述系统包括：
构建平台，所述构建平台包括构建表面；
壳体系统，所述壳体系统具有完全围绕所述构建表面延伸的侧面部分、邻接所述侧面部分的顶板部分、以及底部部分，所述侧面部分、所述顶板部分和所述底部部分形成围绕所述构建表面的封闭空间，所述顶板部分能够移动以便调节所述封闭空间的体积；
3D打印机打印头，所述3D打印机打印头邻近所述壳体系统设置以用于将打印材料沉积到所述构建表面上；和
加热系统，所述加热系统用于加热所述封闭空间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述打印头和所述顶板部分的位置均能够沿z轴调节。
3.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括打印头安装板，所述打印头安装板定位在所述顶板部分的区域内，所述打印头附接至所述打印头安装板。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述底部部分包括从所述构建平台延伸并且邻接所述侧面部分的热护罩。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述构建平台的位置能够沿XY平面的x轴和y轴调节，所述热护罩包括孔口，所述孔口被构造为在所述XY平面内的任何方向上移动。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述热护罩包括具有中心开口的两个或更多个单独的板，所述板竖直堆叠成叠堆，使得所述板的所述开口对准以在所述热护罩中形成孔口，所述构建平台延伸穿过所述孔口，所述叠堆中的每个板的的尺寸小于所述每个板所堆叠到的板的尺寸，以便允许所述孔口和所述构建平台在XY平面内的任何方向上一起移动。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述打印头被构造成将导电液体打印材料的液滴喷射到所述构建平台上。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述打印头包括电磁线圈，所述电磁线圈用于施加DC脉冲以喷射所述液滴。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热系统包括选自辐射加热系统、传导加热系统和对流加热系统的至少一个热源。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热系统包括辐射加热系统。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热系统包括对流加热系统。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述顶板部分包括设置在所述顶板部分邻接所述侧面部分的位置处的密封件。
13.一种护罩系统，所述系统包括：
第一平板，所述第一平板包括第一中心开口，所述第一平板具有宽度尺寸；
第二平板，所述第二平板包括第二中心开口并且设置在所述第一平板上，所述第二平板的宽度尺寸小于所述第一平板的所述宽度尺寸；
第三平板，所述第三平板包括第三中心开口并且设置在所述第二平板上，所述第三平板的宽度尺寸小于所述第二平板的所述宽度尺寸；
所述第一平板、所述第二平板和所述第三平板竖直堆叠，使得所述第一中心开口、所述第二中心开口和所述第三中心开口对准以在所述护罩系统中形成孔口，所述孔口被构造为接纳能够移动的对象，当所述第一平板保持静止时，所述孔口能够在XY平面内的任何方向上移动。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第一平板、所述第二平板和所述第三平板包括选自陶瓷、金属、高温聚合物以及它们的混合物的材料。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述护罩系统包括一个或多个附加板，每个附加板包括中心开口，每个附加板的宽度尺寸小于所述每个附加板所设置到的板的所述宽度尺寸。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述板的大小被设计成避免在所述x或y方向上形成间隙，从而形成围绕所述孔口的连续护罩。
17.一种三维打印方法，所述方法包括：
将构建平台的构建表面包封在壳体系统中，所述壳体系统具有完全围绕所述构建表面延伸的侧面部分、邻接所述侧面部分的顶板部分、以及底部部分，所述侧面部分、所述顶板部分和所述底部部分形成围绕所述构建表面的封闭空间，所述顶板部分能够移动以便调节所述封闭空间的体积；
加热所述封闭空间中的所述构建表面；以及
利用3D打印机打印头将打印材料沉积到所述构建表面上以形成3D对象。
18.根据权利要求17所述的方法，其中沉积所述打印材料包括从所述打印头喷射熔融金属的第一液滴，以便在第一沉积温度下将所述第一液滴沉积在预热的液滴接触点上。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括沿z轴调节所述顶板部分和所述打印头的位置。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括沿x轴、y轴或者沿所述x轴和所述y轴两者调节所述构建表面的所述位置；热护罩在所述XY平面内移动，以便匹配所述构建平台的横向移动、角度移动和径向移动中的一者或多者。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023042934A (ja) * 2021-09-15 2023-03-28 新東工業株式会社 試験システム及び試験方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4221419A (en) * 1977-02-19 1980-09-09 Keith Riley Gripping devices
CN103639412A (zh) * 2013-12-30 2014-03-19 王利民 一种3d打印机
US20150273577A1 (en) * 2014-03-28 2015-10-01 Scott Vader Conductive Liquid Three Dimensional Printer
CN105109043A (zh) * 2015-09-16 2015-12-02 珠海天威飞马打印耗材有限公司 三维打印机及其打印方法
US20170312849A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Electronics And Telecommunications Research Institute Extruder for metal material and 3d printer using the same
CN108162382A (zh) * 2018-02-27 2018-06-15 厦门光服科技有限公司 一种3d打印机
CN108602244A (zh) * 2015-12-01 2018-09-28 麻省理工学院 高产出量的三维打印系统、装置和方法
US20180290365A1 (en) * 2017-04-11 2018-10-11 Innosun Llc Portable 3d printer
CN208682132U (zh) * 2018-08-29 2019-04-02 广州立铸电子科技有限公司 一种恒温3d打印机
CN109866422A (zh) * 2019-03-01 2019-06-11 浙江大学 具有容积可变高温成型室3d打印装置
CN209920546U (zh) * 2016-08-23 2020-01-10 斯特塔思有限公司 具有滑动热绝缘体的增材制造系统
CN209999689U (zh) * 2016-08-23 2020-01-31 斯特塔思有限公司 用于打印三维部件的具有挡板门的增材制造系统及其构建腔室
US20200078859A1 (en) * 2015-07-23 2020-03-12 Kyungil Cho 3d printer for metal alloy filament
US20200223129A1 (en) * 2017-07-14 2020-07-16 8098549 Canada Inc. Additive manufacturing system and method

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6722872B1 (en) * 1999-06-23 2004-04-20 Stratasys, Inc. High temperature modeling apparatus
US7942987B2 (en) * 2008-06-24 2011-05-17 Stratasys, Inc. System and method for building three-dimensional objects with metal-based alloys
US8944971B2 (en) * 2013-01-04 2015-02-03 Gary Thomas Shorter Progressive multi-purpose exercise device
US20160361763A1 (en) * 2015-06-15 2016-12-15 Stratasys, Inc. Magnetically throttled liquefier assembly
US10668535B2 (en) 2016-09-29 2020-06-02 Nlight, Inc. Method of forming three-dimensional objects
CN108857031A (zh) 2018-09-05 2018-11-23 南京中科煜宸激光技术有限公司 连续送丝自主感应加热增材制造装置及方法

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4221419A (en) * 1977-02-19 1980-09-09 Keith Riley Gripping devices
CN103639412A (zh) * 2013-12-30 2014-03-19 王利民 一种3d打印机
US20150273577A1 (en) * 2014-03-28 2015-10-01 Scott Vader Conductive Liquid Three Dimensional Printer
US20200078859A1 (en) * 2015-07-23 2020-03-12 Kyungil Cho 3d printer for metal alloy filament
CN105109043A (zh) * 2015-09-16 2015-12-02 珠海天威飞马打印耗材有限公司 三维打印机及其打印方法
CN108602244A (zh) * 2015-12-01 2018-09-28 麻省理工学院 高产出量的三维打印系统、装置和方法
US20170312849A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Electronics And Telecommunications Research Institute Extruder for metal material and 3d printer using the same
CN209920546U (zh) * 2016-08-23 2020-01-10 斯特塔思有限公司 具有滑动热绝缘体的增材制造系统
CN209999689U (zh) * 2016-08-23 2020-01-31 斯特塔思有限公司 用于打印三维部件的具有挡板门的增材制造系统及其构建腔室
US20180290365A1 (en) * 2017-04-11 2018-10-11 Innosun Llc Portable 3d printer
US20200223129A1 (en) * 2017-07-14 2020-07-16 8098549 Canada Inc. Additive manufacturing system and method
CN108162382A (zh) * 2018-02-27 2018-06-15 厦门光服科技有限公司 一种3d打印机
CN208682132U (zh) * 2018-08-29 2019-04-02 广州立铸电子科技有限公司 一种恒温3d打印机
CN109866422A (zh) * 2019-03-01 2019-06-11 浙江大学 具有容积可变高温成型室3d打印装置

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