CN113365798A - 用于增材制造的热过滤的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于增材制造的设备、系统和方法。该设备、系统和方法包括至少一个其上具有粉末状打印材料的打印床；分散头，其用于根据印刷计划的指示，将一种或多种热致动剂分散到所述粉末状打印材料上；宽带红外能量源，其在所述打印床上通过来致动分散剂；以及热能的滤波器，其与宽带红外能量源接口连接，用于将驱动能量过滤到小于红外能量源的可用宽带的一个或一个波长范围。

Description

用于增材制造的热过滤的设备、系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月20日提交的美国临时申请62/782,729的优先权权益，其标题为：“用于增材制造的热过滤的设备、系统和方法”，其全部内容通过引用并入本文，如同其全部内容被阐述一样。

技术领域

本公开涉及增材制造，并且更具体地，涉及用于增材制造的热过滤的设备、系统和方法。

背景技术

三维(3D)打印是其中材料在计算机控制下接合或固化以产生三维物体的各种方法中的任一种。3D打印材料例如以添加的液体分子或粉末颗粒的层或熔融进料的形式被“添加”到基底上，并且在打印材料连续熔合到基底时，形成3D物体。3D打印因此是增材制造(AM)的子集。

3D打印物体可以具有几乎任何形状或几何形状，并且通常，监督3D物体的创建的计算机控制根据数字数据模型或类似的增材制造文件(AMF)文件(即，“打印计划”)来执行。通常，该AMF在逐层的基础上执行，并且可以包括对用于形成层的其他硬件的控制，例如激光器或热源。

存在许多不同的技术用于执行AMF。示例性技术可以包括：熔融沉积成型(FDM)；立体光刻(SLA)；数字光处理(DLP)；选择性激光烧结(SLS)；选择性激光熔化(SLM)；高速烧结(HSS)；喷墨印刷和/或颗粒喷射制造(IPM)；层压物体制造(LOM)；和电子束熔化(EBM)。

前述方法中的一些熔化或软化印刷材料以产生印刷层。例如，在FDM中，通过挤出硬化以形成层的材料的小珠或流来制造3D物体。热塑性塑料、金属丝或其它材料的细丝被送入挤出喷嘴头，该喷嘴头通常加热材料并开启和关闭流动。

其它方法，例如激光或类似的基于光束的技术或烧结技术，可以加热或以其它方式激活打印材料，例如打印粉末，以便将粉末颗粒熔合成层。例如，这些方法可以使用高能激光熔化粉末以产生完全致密的材料，该材料可以具有与常规制造方法类似的机械性能。例如，SLS使用激光将塑料、陶瓷、玻璃、金属或其它材料的晶粒固化并结合成层以产生3D物体。激光追踪每层切片的图案进入粉末床，然后降低粉末床，并且在前一层的顶部追踪并结合另一层。

作为对比，其他类似的方法，例如IPM，可以通过散布粉末层并在3D物体的横截面中印刷粘合剂而一次一层地产生3D物体。该粘合剂可以使用喷墨类工艺印刷。

作为进一步的例子，并且如本领域技术人员将理解的，高速烧结(HSS)采用通过使用加热灯如红外(IR)灯的部件形成。更具体地说，实际上，如通篇所讨论的，用于生产的部件被“切片”成印刷计划中的层，并且这些虚拟层然后在通过印刷过程将IR施加到打印床的经处理的区域时变成实际层。

也就是说，HSS通常使用粉末状打印材料的“床”发生。打印计划可以选择粉末床内的一个或多个位置，其将用作零件生成位置。使用吸热油墨将每个部件层“印刷”到粉末床中的部件生成图案上。在典型的工艺中，宽带IR灯然后跨整个打印床传递热量。该热量被吸热油墨吸收，从而形成仅具有如上所述的由置于粉末床上的油墨图案所指示的那些成形特征的部件层。

然后，逐层重复前述过程，直到形成完成的部件。HSS工艺因此允许高度精细的设计，其可允许内部移动和类似的相互作用，甚至在给定零件的内部方面之间。此外，为了允许这种精细的图案化，还可以将诸如水的防热剂放置在给定层图案的印刷边界周围的选定位置处，以便防止那些层的不期望的热吸收以及部件的随之发生的变形。

根据前述，HSS中的部件特性可逐层或甚至在层内变化，例如基于所使用的油墨和/或所施加的热量水平。此外，整个床可以用于利用IR灯每单次通过印刷粉末床来产生用于许多部分的单独层图案。

然而，HSS的已知技术具有几个明显的缺点。其中主要的是HSS的使用对于除了聚酰胺之外的印刷材料通常是高度受限的。这是由于在很大程度上使用了宽带IR灯，该宽带IR灯不允许在给定波长下唯一地传递热量，该特定波长可能允许响应于那些目标波长的各种其它材料的目标印刷。也就是说，宽带IR光谱冒着对图案区域的不期望激活的风险，该图案区域可以响应于IR光谱上的多个频率，并且冒着在激活某些类型的打印材料所必需的波长下不能输送足够的目标热量的风险，例如在打印图案的没有“燃烧”方面的情况下。

此外，一些聚合物吸收大部分IR光谱，使得IR喷墨区域(即印刷构造)和非喷墨区域(即粉末床或支撑区域)中的能量吸收的差异不足以有差别地熔化或加热印刷构造。因此，通过载体的熔化或不将载体区域升高到固化载体材料区域的温度而导致的部件的不利生长可能引起畸形，并且进一步引起未使用的粒度的生长，从而限制粉末可以被再循环的次数。

发明内容

实施例是包括用于增材制造的至少一种设备、系统和方法。该设备、系统和方法包括至少一个其上具有粉末状打印材料的打印床；分散头，其用于根据印刷计划的指示，将一种或多种热致动试剂分散到所述粉末状打印材料上；宽带红外能量源，其用于经过所述打印床以致动分散的试剂；以及热能的滤波器，其与所述宽带红外能量源接口连接，用于将致动能量过滤到小于所述红外能量源的可用宽带的一个波长或波长范围。

附图说明

所公开的非限制性实施例是关于附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是打印系统的图示；

图2是打印系统的图形说明；以及

图3示出了示例性计算系统。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的装置、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似设备、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的设备、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不促进对本公开的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供实施例，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施例的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施例。因此，实施例不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施例中，可能不详细描述公知的工艺、公知的器件结构和公知的技术。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不是旨在进行限制。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，除非另外清楚地指出，否则其可以直接在另一元件或层上、接合到、连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

所公开的装置、系统和方法提供了用于增材制造打印的热能过滤系统。更具体地，波长滤波器可以放置在热能源和其被设计来致动的打印材料之间。

如图1所示，实施例可包括具有上述HSS打印机的非典型方面的系统100。例如，这些方面可以包括其上具有粉末状打印材料104的打印床102。尽管粉末状打印材料104可包括通篇引用的聚酰胺，但其他打印材料可被实现用于实施例中所公开的HSS系统100。

还包括适于将一种或多种热致动的，例如红外(IR)致动的试剂108以由印刷计划1190指示的形状和/或深度分散到粉末床104上的分散头106。并且系统100包括宽带红外能量源110，诸如IR灯，其适于在打印床102上通过，并且在其通过时致动分散剂108，从而在粉末状打印材料104中形成打印计划1190的期望图案。

还示出了热能滤波器120，其可放置在热能灯110上，即在IR灯和粉末床104之间。该滤波器120可用于过滤热能的一个或一个范围的波长，例如IR光，使其不从灯传递到粉末床104，或者可仅允许某一波长或某一范围的波长从IR灯传递到粉末床104。

此外，在实施例中，滤波器120可以是手动或自动可调节的122，例如根据印刷计划1190，使得可以选择仅递送热能波长的期望范围的期望过滤。如所提及的，这可以允许热量的改变，例如IR能量。这种修改可以基于例如粉末打印材料104的聚合物类型，其中IR灯所传送的波长范围可以仅是该特定聚合物类型可接受的波长范围。

更具体地，由于在已知的IR灯实施例中，IR加热器被限制为接通或断开，并且因此不能根据具体情况被“调暗”，即调谐，因此所公开的滤波器120可以仅在需要滤波并且特定于期望IR剂激活的打印材料的情况下提供低通、带通或高通功能。这样，手动滤波器120可以是“可点击的”，例如可以围绕中心入口旋转以提供对材料的特定波长的滤波，例如可以根据滤波器120可用的每个可点击旋转的标记来指定。

同样，滤波器120可自动调节，例如根据来自本文所述的控制系统1100的指令来调节。该自动过滤可以基于对印刷计划1190中的每印刷材料104的材料类型的了解而发生，或者诸如可以基于将印刷材料类型手动输入到控制系统1100中而发生，诸如预印刷。

因此，实施例可允许使用诸如IR灯的宽谱热能来针对特定类型或等级的材料或针对特定图案深度或细化瞄准特定印刷物。此外，本文讨论的波长限制可以允许避免聚合物温度的不期望的升高或降低，例如可能导致结块、部分变形等。

作为非限制性实例，特定等级的TPU，例如芳族TPU，历史上在HSS印刷的使用中存在问题。实施例允许将施加的IR能量仅选择性地调谐到在使用芳族TPU印刷材料的印刷中最有用的那些波长。

作为非限制性示例，为了调整到对于TPU打印材料的使用而言最优合适的波长，用户可以选择TPU材料的打印计划，或者作为示例将“芳香族TPU”输入到控制系统中，以允许将滤波器120自动调整到对于所选TPU打印材料而言合适的波长。另外或者作为选择，用户可以手动地将放置在IR灯前面的滤光器调整到已知的或者标记为对应于芳香TPU的位置。

图2图示了实施例的使用。更具体地说，图2示出了表示由示例性IR灯传送的宽带IR能量的宽谱IR能量曲线。还图示了代表两种不同聚合物，聚合物1和2的两条曲线。每个聚合物曲线包括一个或多个峰值，其对应于聚合物打印材料对所施加的IR能量最敏感的波长范围。如图所示，上面关于图1讨论的过滤系统包括，作为非限制性示例，滤波器可以将所施加的IR能量调谐到的两个可选过滤范围，并且这些范围中的每一个可以离散地对应于两种可用打印材料之一的峰值响应波长。

在全文中讨论的滤波器必须具有适用于所公开的打印环境的性能特性。例如，当滤波器受到来自滤波器120所对应的热能供应源如IR灯的最大能量时，滤波器不应过热或熔化。另外，滤波器应被安装为允许在不撞击打印床的情况下的可调节性，并且应被安装为覆盖IR灯的部分或整个IR灯，这可能是必要的，以便仅在需要的地方提供过滤，视情况而定。

根据上文，滤波器可由合适的材料形成以如所讨论的那样运行。此外，滤波器可以被隔热或主动冷却，例如通过一个或多个冷却风扇，以避免过热。此外，所公开的滤波器可以类似于现有技术中的适于所公开的目的波长滤波器，并且因此可以以类似于已知波长滤波器的方式来使用。因此，通过非限制性实例，所公开的波长滤波器可以任选地“堆叠”以提供可用波长滤波的增加的变化或提供带通滤波等。

图3描绘了与本文所述的系统和方法结合使用的示例性计算和控制系统1100。计算系统1100能够执行软件，例如操作系统(OS)和/或一个或多个计算应用程序/算法1190，例如应用这里讨论的打印计划、监控、过程控制、过程监控和过程修改的应用程序，并且可以使用数据，例如材料和过程相关数据1115来执行这样的应用程序1190，所述数据可以本地或远程存储。

更具体地说，示例性计算系统1100的操作主要由计算机可读指令控制，例如存储在计算机可读存储介质中的指令，所述计算机可读存储介质例如硬盘驱动器(HDD)1115、诸如CD或DVD的光盘(未示出)、诸如USB“U盘”的固态驱动器(未示出)等。这些指令可以在中央处理单元(CPU)1110内执行，以使计算系统1100执行贯穿本文所讨论的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、个人计算机等中，CPU 1110在称为处理器的集成电路中实现。

可以理解，尽管示例性计算系统1100被示为包括单个CPU 1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个CPU 1110。另外，计算系统1100可以例如通过通信网络1170或一些其它数据通信手段来利用远程CPU(未示出)的资源。

在操作中，CPU 1110从计算机可读存储介质，例如HDD 1115，获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在软件中，例如操作系统(OS)、诸如上述相关应用的可执行程序等。诸如计算机指令和其它计算机可读数据的信息经由系统的主数据传输路径在计算系统1100的组件之间传输。主数据传输路径可以使用系统总线体系1105，尽管可以使用其他计算机体系结构(未示出)，诸如使用串行器和解串器以及纵横开关以通过串行通信路径在设备之间传送数据的体系结构。系统总线1105可以包括用于发送数据的数据线、用于发送地址的地址线、以及用于发送中断和用于操作系统总线的控制线。一些总线提供总线仲裁，该总线仲裁通过扩展卡、控制器和CPU 1110来调节对总线的访问。

耦合到系统总线1105的存储器设备可以包括随机存取存储器(RAM)1125和/或只读存储器(ROM)1130。这种存储器包括允许存储和检索信息的电路。ROM 1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在RAM 1125中的数据可以由CPU 1110或其它硬件设备读取或改变。对RAM 1125和/或ROM 1130的访问可以由存储器控制器1120控制。存储器控制器1120可以提供地址转换功能，其在执行指令时将虚拟地址转换成物理地址。存储器控制器1120还可以提供存储器保护功能，该功能隔离系统内的进程并且将系统进程与用户进程隔离。因此，在用户模式下运行的程序通常只能访问由其自身进程虚拟地址空间映射的存储器；在这种情况下，程序不能访问另一进程的虚拟地址空间内的存储器，除非已经建立了进程之间的存储器共享。

此外，计算系统1100可以包含外围通信总线1135，其负责将指令从CPU 1110传送到外围设备和/或从外围设备接收数据，所述外围设备诸如外围设备1140、1145和1150，其可以包括打印机、键盘和/或本文通篇讨论的传感器。外围总线的一个例子是外围部件互连(PCI)总线。

由显示控制器1155控制的显示器1160可以用于响应于上述计算程序的操作，显示由计算系统1100生成的或应其请求而生成的视觉输出和/或其他呈现，诸如以GUI的形式。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。显示器1160可以用基于CRT的视频显示器、基于LCD或LED的显示器、基于气体等离子体的平板显示器、触摸面板显示器等来实现。显示控制器1155包括产生发送到显示器1160的视频信号所需的电子组件。

此外，计算系统1100可以包含网络适配器1165，其可以用于将计算系统1100耦合到外部通信网络1170，其可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络1170可以向计算系统1100提供用户访问，其具有电子地通信和传送软件和信息的装置。另外，通信网络1170可以提供分布式处理，其涉及若干计算机以及在执行任务时的工作量或协作工作的共享。可以理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算系统1100和远程用户之间建立通信链路的其它手段。

网络适配器1165可以使用任何可用的有线或无线技术来与网络1170进行通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、红外等。

可以理解，示例性计算系统1100仅示出了此处所描述的系统和方法可在其中操作的计算环境，并且不限制此处所描述的系统和方法在具有不同组件和配置的计算环境中的实现。也就是说，本文描述的发明概念可以在使用各种组件和配置的各种计算环境中实现。

在上述详细描述中，为了本公开的简洁，各种特征可以在各个实施例中组合在一起。这种公开方法不应被解释为反映了任何随后要求保护的实施例需要比明确记载的特征更多的特征的意图。

此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施例。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其它变化。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (5)

1.一种用于增材制造的装置，包括：

其上具有粉末状打印材料的打印床；

分散头，其用于根据印刷计划的指示，将一种或多种热致动试剂分散到所述粉末状打印材料上；

宽带红外能量源，其用于经过所述打印床以致动分散的试剂；以及

热能的滤波器，其与所述宽带红外能量源接口连接，用于将致动能量过滤到小于所述红外能量源的可用宽带的一个波长或波长范围。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述滤波器是自动的。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，自动的滤波与所述粉末状打印材料的类型相对应。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热能的滤波器包括多个堆叠滤波器中的第一滤波器。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述多个堆叠滤波器包括由电磁能致动的滤波器。

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