CN113811437A - 减少构建材料的结块 - Google Patents

Abstract

根据一个方面，提供了一种在3D打印系统中选择性地固化构建材料的连续层的方法。该方法包括：获取与待生成的3D物体相关的数据，在构建平台上形成构建材料层，将与待固化的层的一部分相对应的熔融剂的图案施加到已形成的层以形成所述物体的层，将抗结块剂的图案施加到已形成的层上的非固化部分上的已形成的层以形成所述物体的层，以及向整个所形成的层施加能量，使其上施加有熔融剂的层的部分加热、熔化、聚结，然后在冷却时固化，并使所形成的层中其上施加有抗结块剂的部分控制构建材料在这些部分中的结块。

Description

减少构建材料的结块

背景技术

一些三维(3D)打印系统在构建平台上形成一层颗粒状构建材料，例如粉末状构建材料，将能量吸收熔融剂施加到该层的部分以对应于待生成物体的层，然后向所形成的层施加能量，使施加有熔融剂的层的部分加热、聚结和在冷却时固化。这样的系统可以额外地在物体表面附近施加细化剂或冷却剂，以防止来自其上施加有熔融剂的构建材料部分的热量过分加热，以便聚结和固化。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性实例的方式描述实例，其中：

图1是根据实例的简化的3D打印机的侧视图；

图2是根据实例概述控制3D打印机的方法的流程图；且

图3是构建材料层以及熔融剂和细化剂的图案的俯视图。

具体实施方式

一些3D打印系统在构建材料的每个形成层上通常均匀地施加熔融能量，例如热量。此类系统中使用的构建材料通常颜色较浅(例如白色，或接近白色的颜色)，并且与其上施加了熔融剂的构建材料部分相比，其对熔融能量的吸收较差。这种能量吸收选择性允许在施加熔融能量时，其上施加有熔融剂的层的那些部分被充分加热以聚结或熔化，而其上没有施加熔融剂的层的部分不会被充分加热到聚结或熔化。

不同的构建材料具有不同的化学特性和物理特性。已经观察到，一些其上未施加熔融剂的构建材料在承受熔融能量后仍保持大的自由流动，而其他类型的构建材料则表现出通常称为“结块”的现象。结块是指在施加熔融能量(并且没有熔融剂)的情况下，颗粒状构建材料的单个颗粒会结合在一起或聚结。一些构建材料表现出相对较弱的结块结合，而其他材料表现出相对较强的结块结合。

构建材料结块使将非固化构建材料与由固化构建材料形成的3D物体分离的过程复杂化。例如，构建材料结块可能需要机械或手动碎开，以允许访问结块中形成的3D打印物体，并且结块的构建材料可能必须进行机械处理，例如使用筛子，然后才能重新用于生成进一步的3D物体。

在本文中，术语“固化的构建材料”用于指已经聚结并且已经固化以形成由打印机100生成的3D物体的预期部分的构建材料。它不用于指已经结块并且不形成由打印机100生成的3D物体的预期部分的构建材料。

本文描述的实施例提供了方法和设备以在3D物体的生成过程中减少构建材料结块。

参考图1，示出了根据实例的简化的3D打印机的侧视图。

示例打印机100包括：托架102，在托架102上安装重涂器104，例如擦拭器或辊，以在打印区112中形成构建材料层；试剂分配器，例如打印头106，以在所述打印区112中形成的构建材料层上打印熔融剂的图案；试剂分配器或打印头108，以在打印区112中形成的构建材料层上打印细化剂的图案；以及熔融能量模块110，以将熔融能量施加到在打印区112中形成的构建材料层。所示的示例打印机100仅显示了元件104至110的一种可能配置。在其他实例中，元件104至110可以不同地配置，例如配置在一个或多个托架上、提供多次(例如提供两个或更多个熔融模块等)。

根据一个实例，合适的熔融剂可以是包含炭黑的油墨型制剂，例如可从HP Inc.获得的市场上称为V1Q60A“HP熔融剂”的熔融剂制剂。在一个实例中，这种熔融剂可以另外包含红外光吸收剂。在一个实例中，这种油墨可以另外包括近红外光吸收剂。在一个实例中，这种熔融剂可以另外包含可见光吸收剂。在一个实例中，这种油墨可以另外包含UV光吸收剂。包含可见光增强剂的油墨的实例是基于有色油墨的染料和基于有色油墨的颜料，例如可从HP Inc.获得的市场上称为CE039A和CE042A的油墨。根据一个实例，合适的细化剂可以是可从HP Inc.获得的市场上称为V1Q61A“HP细化剂”的制剂。根据一个实例，合适的构建材料可以是可从HP Inc.获得的市场上称为V1R10A“HP PA12”的PA12构建材料。

打印机100可以包括构建单元114。在一个实例中，构建单元114可以是打印机100的集成部分。在另一实例中，构建单元114可以是打印机100的移除元件，例如以允许构建单元在打印机100和一个或多个其他处理站之间传输。处理站可以包括例如去结块站或拆包站，其中由打印机100生成的3D物体与未固化的构建材料分离。

构建单元114包括构建室，构建室由壳体116形成，在该壳体116内设有可垂直移动的构建平台118。构建室提供可由打印机100在其中生成3D物体的体积。构建平台118由诸如活塞或导螺杆120等驱动机构移动。

在一个实例中，构建材料计量机构(未示出)在构建平台118的一侧提供一定体积的构建材料，并由重涂器104展开以形成具有由构建平台118位于壳体116的顶部下方的高度定义的厚度的构建材料层122。

打印机100的操作由打印机控制器124控制，如下面参照图2的流程图进一步详细描述的。控制器124包括存储器126，其上存储有物体打印数据生成指令128和防结块打印数据指令130。这些指令可以是例如计算机或控制器可理解的指令，当由控制器124执行时，使这些指令控制器124控制打印机100的操作，如下所述。进一步参考图3，其示出了在构建平台118上形成的构建材料层的平面图。

在框202，控制器124获取对应于要由打印机100生成的一个物体或一组物体的数据。该数据可以是任何合适的格式，例如3MF数据文件的格式，表示三角形网格的数据，表示一个物体或一组物体的一组二维切片的数据。

在框204，控制器124处理所获得的物体数据，并针对待处理的一组构建材料层中的每一层，确定要施加到在打印区112中形成的构建材料的每一层上的可寻址位置的一种或多种试剂的图案，以生成物体层。

在一个实例中，控制器124可以基于所获得的物体数据唯一地确定熔融剂302的图案以生成物体。在一个实例中，基于获得的物体数据，控制器124可以确定熔融剂和细化剂两者的图案以生成物体层。

例如，基于所获得的物体数据，控制器124可以基于待固化以形成3D物体层的每个构建材料层的部分来确定将被施加到打印区112中的每个构建材料层的熔融剂302的图案。在一个实例中，控制器124还可以另外确定将被选择性地施加到打印区112中的每一构建材料层的细化剂304的图案，以控制来自其上施加了熔融剂的构建材料的一部分的热渗出。热渗出的控制可以包括，例如，热渗出的减少水平，其范围从基本上防止热渗出到热渗出的可接受的减少。例如，当施加熔融能量后，其上施加了熔融剂的构建材料的一部分升温，而这部分热迁移或流出到其上未施加熔融剂的构建材料的一部分时，就可以发生热渗出。热渗出可以导致其上未施加熔融剂的构建材料受热和聚结，或至少部分聚结，并粘附到其上施加了熔融剂的部分。因此，热渗出可导致所形成的物体的尺寸不准确，或者可导致物体的表面光洁度存在其他质量缺陷。

熔融剂302的图案和细化剂304的图案可以彼此独立。

在一个实例中，控制器124可以确定将熔融剂302的图案紧邻施加到细化剂304的图案。在另一个实例中，控制器124可以确定将细化剂304的图案紧邻施加到熔融剂302的图案。在一个实例中，可在距细化剂304部分约0.1mm至2mm的距离内施加细化剂。

应注意，控制器124可以确定将熔融剂的图案仅施加到构建材料层，该构建材料层具有将形成待生成的3D物体的层的部分。然而，控制器124可以确定细化剂304的图案将被施加在其上将施加熔融剂的构建材料层之上或之下，例如以防止或控制相邻构建材料层之间的热渗出。

控制器124可以确定施加细化剂304的图案的连续色调水平。细化剂304的图案的目的是防止、或至少减少来自一旦将熔融能量施加到熔融剂302的图案由其所吸收的能量的热渗出的影响。施加细化剂的图案的连续色调水平可根据细化剂的冷却效果、由打印头108喷射的细化剂液滴的尺寸和其他因素而变化。热渗出可导致不意图形成3D物体一部分的构建材料充分加热以聚结或至少部分聚结，并粘附到3D物体的表面。细化剂有助于防止构建材料加热到足以聚结，从而有助于改善所生成的3D物体的尺寸精度和表面光洁度。为了防止或减少热渗出，控制器124可以确定以相对高的密度或连续色调水平施加细化剂304的图案。在施加熔融能量之后，施加有细化剂304的图案的那部分构建材料可以大致保持不固化。

在一些实施例中，控制器124还可以确定要在与可以施加熔融剂的位置相同的位置处施加的细化剂的图案(未示出)。这样做例如可以防止其上施加有熔融剂的构建材料的部分过热。

如上所述，熔融剂302的图案、或者熔融剂302的图案和细化剂304的图案用于物体的生成。

在206处，控制器124确定要施加的细化剂的图案306，以控制不旨在形成正在生成的3D物体(一个或多个物体)的一部分的构建材料上的结块。在一个实例中，图案是控制不旨在形成正在生成的3D物体(一个或多个物体)的一部分的层中的所有构建材料的结块。在另一个实例中，图案用于控制不旨在形成正在生成的3D物体(一个或多个物体)的一部分的层中的构建材料的至少一部分上的结块。在一个实例中，该部分可包括大于50％、或大于60％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于95％的不旨在形成3D物体(一个或多个物体)的构建材料。

结块的控制可以包括例如基本上防止结块，或至少将结块减少到可接受的结块程度。可接受的结块控制水平或期望的结块减少程度可以例如基于用于去结块打印作业的技术。在物体的生成中不使用细化剂的该图案306。控制器124可以确定要施加细化剂306的图案的连续色调水平。在一个实例中，细化剂的图案306的连续色调水平可以小于各个细化剂304的图案的确定的连续色调水平。与较低的连续色调水平相比，用于细化剂图案306的较高连续色调水平可降低结块程度，代价是细化剂的使用增加。取决于特定需要，细化剂图案306的连续色调水平可以被选择为细化剂的有效使用和去结块的容易性之间的折中。要在图案306中使用的细化剂的量可以基于例如在该过程中使用的构建材料类型的特性，并且可以例如通过实验获得。在一个实例中，控制器124可以获得一种用于生成物体的构建材料类型，并且可以相应地确定要使用的细化剂的图案306。

在一个实例中，连续色调水平可以是细化剂的密度，例如，每平方厘米x皮升细化剂。在一个实例中，控制器124可以确定不将细化剂的图案306施加到构建材料的特定层。

在另一个实例中，控制器124可以确定将细化剂的第一图案306施加到构建材料的第一层，并且细化剂的第二不同图案306将被施加到构建材料的第二层，以使得第一图案和第二图案防止或至少减少第一层和第二层上的结块。例如，第一图案可以包括第一方格图案，并且第二图案可以包括互补方格图案。以这种方式，与如果以规则图案施加细化剂相比，可以减少施加的用于防止或减少结块的细化剂的量。在其他实例中，控制器124可以确定其他合适的图案。

在又一个实例中，控制器124可以确定细化剂将以预定的密度以半随机均匀分布的方式施加到构建材料的连续层，例如，以10％的密度、或20％的密度、或30％的密度、或40％的密度、或50％的密度、或60％的密度、或70％的密度、或80％的密度、或90％的密度。

在一个实例中，控制器124确定细化剂的图案306不与细化剂302的图案对应，也不与细化剂304的图案对应。

在框208，控制器124控制打印机100的元件，如上所述，以在构建平台118上形成构建材料层122。

在框210，控制器124控制打印机100以将确定的熔融剂302、细化剂304和细化剂306的图案施加到构建材料层122。

在框212，控制器124控制打印机100以将熔融能量施加到构建材料层122以引起其上施加有熔融能量的构建材料部分充分加热以聚结，然后在冷却时固化。框208、210和212，然后重复直到正在生成的3D物体的所有层都已经形成。

通过以合适的图案将细化剂306的图案施加到构建材料的每一层，防止或至少减少了不旨在形成正在生成的3D物体的部分的构建材料所经历的结块量。因此，在处理所有层之后，可以更容易地将3D物体与未固化的构建材料分离。这可能有助于减少分离生成的3D物体所需的工作量或时间，进而可有助于改善3D打印系统的生产量。此外，通过减少或消除结块，可以实现更简单的构建材料后处理操作，这又可有助于降低生成3D物体的成本。

在进一步的实例中，可以使用除细化剂之外的可印刷流体将图案306施加到构建材料层。例如，可以使用不同于细化剂的抗结块剂。在该实例中，可以在打印机100中提供第三试剂分配器或打印头以在打印区112中形成的构建材料层上打印抗结块剂的图案。例如，抗结块剂可以包含高百分比的水，例如大于98％的水，使得在构建材料上施加熔融能量时，抗结块剂从构建材料中充分蒸发，而不会过度影响其所施加在其上的构建材料。以这种方式，抗结块剂不会过度影响重新使用其上施加了抗结块剂的构建材料以生成进一步的3D物体的能力。

应理解，本文描述的实例可以以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式来实现。任何这样的软件可以以易失性或非易失性存储器的形式存储，例如像ROM这样的存储设备，无论是否可擦除或可重写，或者以存储器的形式，例如RAM，存储芯片、设备或集成电路或在光学或磁性可读介质上。应理解，存储设备和存储介质是适用于存储一个或多个程序的机器可读存储的实例，这些程序在执行时实现这里描述的实例。因此，一些实施例提供了包括用于实现如任一前述权利要求的系统或方法的代码的程序以及存储这种程序的机器可读存储器。更进一步地，一些实施例可以经由任何介质例如通过有线或无线连接承载的通信信号以电子方式传送。

本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除非组合中至少有这种特征和/或步骤中的一些是相互排斥的。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征都可以被用于相同、等效或相似目的的替代特征替换。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是等效或相似特征的一般系列的一个实例。

Claims (15)

1.一种三维打印机，包括：

重涂器，用于形成构建材料层；

第一试剂分配器，用于在已形成的构建材料层上选择性地分配熔融剂的图案；

第二试剂分配器，用于在已形成的构建材料层上选择性地分配细化剂的图案；

能量模块，用于将熔融能量施加到已形成的构建材料层；和

控制器，用于：获取与待生成的物体对应的数据；控制所述重涂机以形成构建材料层；确定待施加到已形成的构建材料层的熔融剂的图案以生成所述物体的层；确定待施加到所述构建材料层的细化剂的第一图案，以减少或防止不形成所述物体的部分的构建材料结块；控制所述试剂分配器以将熔融剂和细化剂的确定图案施加到已形成的构建材料形成层；控制能量源以将熔融能量施加到已形成的构建材料层。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于确定所述第一图案以覆盖超过50％的不旨在形成所述物体的部分的构建材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步用于确定待施加到已形成的构建材料层的细化剂的第二图案，以控制来自其上施加有熔融剂的构建材料的部分的热渗出。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于确定细化剂的所述第一图案具有第一密度或连续色调水平，并且确定细化剂的所述第二图案具有不同的第二密度或连续色调水平。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于确定用于生成所述物体的构建材料的类型，并且其中所述控制器进一步用于基于所确定的构建材料的类型来确定细化剂的所述第一图案的密度或连续色调水平。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于确定细化剂的所述第一图案为预定密度下的半随机均匀分布。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器用于确定，对于第一构建材料层，细化剂的所述第一图案具有第一方格图案，并且对于后续的构建材料层，细化剂的所述第一图案具有互补方格图案。

8.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括第三试剂分配器，以选择性地分配抗结块剂的图案，并且其中所述控制器用于控制所述第三试剂分配器以在所述第一图案中施加抗结块剂。

9.一种在3D打印系统中选择性固化构建材料的连续层的方法，包括：

获取与待生成的3D物体相关的数据；

在构建平台上形成构建材料层；

将与待固化的层的一部分相对应的熔融剂的图案施加到所形成的层以形成所述物体的层；

将抗结块剂的图案施加到所形成的层的未被固化的部分上以形成所述物体的层；以及

向整个已形成的层施加能量，使其上施加有熔融剂的层的部分加热、熔化、聚结，然后在冷却时固化，并使已形成的层的其上施加有抗结块剂的部分控制构建材料在这些部分中的结块。

10.根据权利要求9所述的方法，其中施加抗结块剂的图案包括施加细化剂。

11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括确定用于生成所述物体的构建材料的类型，并基于所述构建材料的类型确定所述抗结块剂的图案。

12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括向已形成的层施加细化剂的图案，以防止或减少来自其上施加有熔融剂的构建材料的区域的热渗出。

13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括以第一连续色调水平或密度水平施加所述抗结块剂，以及以不同的第二连续色调水平或密度水平施加所述细化剂。

14.根据权利要求9所述的方法，其中基于预先确定的结块控制水平施加抗结块剂的量。

15.一种计算机可读介质，包括计算机可执行指令，当由控制器执行时，使所述控制器控制如权利要求1所述的三维打印机。

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