CN114364513A - 用于基于选择性沉积的增材制造的层输注排序 - Google Patents

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塞缪尔·J·巴彻尔德
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Cai TeFalahe
Evolutionary Additive Solutions Co ltd
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Abstract

一种利用基于静电照相的增材制造系统制造三维(3D)零件的方法，该方法包括建立第一控制参数曲线和第二控制参数曲线，建立输注序列，以及根据该输注序列将n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上。这些第一控制参数曲线和第二控制参数曲线各自包括可用于输注该3D零件的单个层的不同温度和压力参数组合。该输注序列指定以指定的次序使用第一控制参数曲线和第二控制参数曲线中的每一个。这n+m个层的总厚度小于热扩散深度。输注步骤包括根据该第一控制参数曲线输注n个层，以及在输注这n个层之后，根据该第二控制参数曲线输注m个层。

Description

用于基于选择性沉积的增材制造的层输注排序
本申请在所有国家的指定申请人、美国国营公司Evolve Additive Solutions公司，以及在所有国家的指定发明人、美国公民J.Samuel Batchelder和美国公民ManishBoorugu的名义下作为PCT国际专利申请于2020年5月15日提交，并且要求于2019年5月17日提交的美国临时专利申请号62/849,213的优先权，该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。
背景技术
本披露内容涉及用于三维(3D)零件的增材制造的系统和方法，并且更具体地，涉及用于对选择性输注的层的特性进行排序以构建3D零件及其支撑结构的增材制造系统和工艺。
增材制造通常是用于利用物体的计算机模型通过选择性层沉积来制造三维(3D)物体的工艺。增材制造系统的基本操作由以下操作组成：将三维计算机模型切割成薄的截面；将结果转换成位置数据；以及位置数据以控制设备，该设备使用一种或多种增材制造技术以分层方式制造三维结构。增材制造的制造方法需要许多不同的途径，包括熔融沉积成型、喷墨、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔化、电子照相成像和立体光刻工艺。
在通过沉积零件材料层来制造3D零件时，支撑层或结构通常被构建在悬伸部分下方或构建的物体的腔内，这些悬伸部分或腔不被零件材料本身支撑。可以利用与沉积零件材料的技术相同的沉积技术来构建支撑结构。在一些情况下，主计算机可以任选地生成附加的几何形状，充当所形成的3D零件的悬伸段或自由空间段的支撑结构，并且在一些情况下，充当所形成的3D零件的侧壁的支撑结构。支撑材料在制造期间粘附到零件材料上，并且在打印过程完成时可以从完成的3D零件上移除。
在静电照相3D打印过程中，使用电子照相引擎打印3D零件及其支撑结构的数字表示的切片或使其显影。静电照相引擎通常根据2D电子照相打印工艺，使用被配制用于构建3D零件的带电粉末材料(例如，聚合物调色剂材料)操作。静电照相引擎通常使用涂覆有光电导材料层的支撑鼓，其中在由光源按图像方式暴露光电导层之后，通过静电充电形成静电潜像。静电潜像然后被移动到显影站，在该显影站处，聚合物调色剂被施加到带电区域，或者替代性地被施加到光电导绝缘体的放电区域，以形成表示3D零件的切片的带电粉末材料层。显影层被转印到转印介质，通过热和压力将该层从转印介质输注到先前打印的层，以构建3D零件。
除了上述可商购的增材制造技术之外，已经出现了一种新颖的增材制造技术，其中首先在成像过程中选择性地沉积颗粒，从而形成与要制造的零件的切片相对应的层；然后这些层相互粘合，从而形成零件。这是选择性沉积工艺，与例如其中成像和零件形成同时发生的选择性烧结相反。选择性沉积工艺中的成像步骤可以使用电子照相术来完成。在二维(2D)打印中，电子照相术(即，静电复印术)是用于在如打印纸等平面基底上创建2D图像的流行技术。电子照相系统包括涂覆有光电导材料层的导电支撑鼓，其中通过充电然后由光源按图像方式暴露光电导层来形成静电潜像。静电潜像然后被移动到显影站，在该显影站处，调色剂被施加到光电导绝缘体的带电区域，以形成可视图像。形成的调色剂图像然后被转印到基底(例如，打印纸)上，并且通过加热或压力附着到基底上。
发明内容
在本披露内容的一个方面，一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法包括：建立第一控制参数曲线；建立第二控制参数曲线；建立可用于输注多个层的输注序列；以及根据该输注序列将n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上，其中，n和m各自为正整数。该第一控制参数曲线包括可用于输注该3D零件的单个层的第一温度和压力参数组合，该第二控制参数曲线包括可用于输注该3D零件的单个层的第二温度和压力参数组合，并且该第二温度和压力参数组合不同于该第一温度和压力参数组合。该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个。在输注每个层时，热能被从该粘合区域添加到这些先前累积层，到达这些先前累积层内的热扩散深度，并且这n+m个层的总厚度小于该热扩散深度。输注步骤包括根据该第一控制参数曲线将n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上，以及在输注这n个层之后，根据该第二控制参数曲线将m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上。
在本披露内容的另一个方面，一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法包括：建立第一控制参数曲线；建立第二控制参数曲线；建立可用于输注多个层的输注序列；根据该输注序列将n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上，其中，n和m各自为正整数；以及根据该输注序列将另一个n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上。该第一控制参数曲线包括可用于控制该基于静电照相的增材制造系统构建该3D零件的单个层的第一温度和力参数组合，并且被配置为构建在第一类别中具有相对高性能并且在第二类别中具有较低性能的层。该第二控制参数曲线包括可用于控制该基于静电照相的增材制造系统构建该3D零件的单个层的第二温度和力参数组合，并且被配置为构建在第二类别中具有相对高性能并且在第一类别中具有较低性能的层。该第二温度和力参数组合不同于该第一温度和力参数组合。该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个，并且包括用于根据该第一控制参数曲线将n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上以及在输注这n个层之后根据该第二控制参数曲线将m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上的指令。在输注每个层时，热能被从该粘合区域添加到这些先前累积层，到达这些先前累积层内的热扩散深度，并且这n+m个层的总厚度小于该热扩散深度。
在另一个方面，一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法包括：建立第一控制参数曲线；建立第二控制参数曲线；利用该基于静电照相的增材制造系统的输注组件建立可用于执行输注组件轮次的输注序列，这些输注组件轮次涉及n+d个输注组件轮次，其中，n和d各自为正整数；根据该第一控制参数曲线将n个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上；以及利用该输注组件执行d个非输注轮次，使得使用该第二控制参数曲线来执行这d个非输注轮次中的至少一个。该第一控制参数曲线包括可用于输注该3D零件的单个层的第一参数(例如，温度和压力)组合，该第二控制参数曲线包括第二参数组合，并且该第二参数组合不同于该第一参数组合。该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个，以输注多个层。这d个非输注轮次不在该粘合区域上输注任何新层。
本发明内容仅作为示例而非限制地提供。鉴于本披露内容的全部内容，包括全文、权利要求和附图，将理解本发明的其他方面。
定义
除非另有说明，否则本文使用的下列术语具有以下含义：
术语“共聚物”是指具有两种或更多种单体种类的聚合物。
术语“优选的”和“优选地”是指在某些情况下可以提供某些益处的本发明实施例。然而，在相同或其他情况下，其他实施例也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施例的叙述并不意味着其他实施例是无用的，也不旨在将其他实施例排除在本披露内容的发明范围之外。
提及“一种”化合物是指该化合物的一个或多个分子，而不是限于该化合物的单个分子。此外，一个或多个分子可以相同或可以不相同，只要它们属于化合物的类别即可。
术语“至少一个”和“一个或多个”要素可以互换地使用，并且具有包括单个要素和多个要素的相同含义，并且还可以由要素末端的后缀“(s)”表示。
如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等定向方向是参考沿3D零件的打印轴的方向进行的。在打印轴是竖直z轴的实施例中，层打印方向是沿竖直z轴的向上方向。在这些实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等基于竖直z轴。然而，在3D零件的层沿不同的轴线打印的实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等相对于给定轴线。
当在权利要求中叙述时，如用于“提供材料”等术语“提供”不旨在要求提供的物品的任何特定递送或接收。相反，为了清楚和易于阅读的目的，术语“提供”仅用于叙述将在(多个)权利要求的后续要素中提及的项。
术语“选择性沉积”是指一种增材制造技术，其中一个或多个颗粒层随着时间的推移利用热和压力融合到先前的沉积层上，其中颗粒融合在一起形成零件层，并且还融合到先前的打印层。
术语“静电照相术”是指形成和利用潜在静电荷图案，以在表面上形成零件层、支撑结构或两者的图像。静电照相术包括但不限于使用光能形成潜像的电子照相术、使用离子形成潜像的离子照相术和/或使用电子形成潜像的电子束成像。
除非另有说明，否则本文中提及的温度基于大气压力(即，一个大气压)。
由于本领域的技术人员已知的预期变化(例如，测量中的限制和可变性)，术语“约”和“基本上”在本文中用于关于可测量值和范围。
附图说明
图1是根据本披露内容的实施例的用于以分层方式构建3D零件和相关联的支撑结构的示例基于电子照相术的增材制造系统的简化示意性前视图。
图2是根据本披露内容的实施例的示例电子照相引擎的示意性前视图。
图3是根据本披露内容的实施例的包括转印鼓或皮带的示例电子照相引擎的示意性前视图。
图4是根据本披露内容的实施例的示例层输注组件的示意性前视图。
图5是示意性地展示了用于构建3D零件的给定层的示例循环温度摆动的温度对深度图。
图6是示意性地展示了在一系列相对热的层输注过程中增长的构建错误空隙的3D零件的截面视图。
图7是示意性地展示了通过一系列相对冷的层输注而桥接的构建错误空隙的3D零件的截面视图。
图8是根据本披露内容的实施例的根据以不同输注控制参数曲线序列输注各层的示例输注序列构建的3D零件的示意性截面视图。
图9是根据本披露内容的实施例的根据输注序列以分层方式构建3D零件和相关联的支撑结构的示例方法的流程图。
图10A、图10B、图10C和图10D是根据本披露内容的实施例的根据输注序列输注各层的示例方法的流程图。
虽然上述附图阐述了本发明的一个或多个实施例，但是如讨论中所指出的，还可以设想其他实施例。在所有情况下，本披露内容通过表示而非限制的方式呈现本发明。应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多其他的修改和实施例，这些修改和实施例落入本发明的原理的范围和精神内。附图可能未按比例绘制，并且本发明的应用和实施例可以包括附图中未具体示出的特征、步骤和/或部件。
具体实施方式
下文将参考附图更全面地对本披露内容的实施例进行描述。使用相同或相似的附图标记标识的元件是指相同或相似的元件。然而，本披露内容的各个实施例可以以许多不同的形式具体化，并且不应被解释为受限于在本文中所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本披露内容将是彻底和完整的，并且将本公开的范围充分传递给本领域的技术人员。
以下描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，电路、系统、网络、过程、框架、支撑件、连接器、电机、处理器和其他部件可能未示出，或以框图形式示出，以免在不必要的细节中模糊实施例。
如本领域的技术人员将进一步理解的，本披露内容可以具体化为例如方法、系统、设备和/或计算机程序产品。因此，本披露内容可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例或组合软件和硬件方面的实施例的形式。本披露内容的计算机程序或软件方面可以包括存储在计算机可读介质或存储器中的计算机可读指令或代码。由如控制器的一个或多个处理器等一个或多个处理器(例如，中央处理单元)对程序指令的执行导致一个或多个处理器执行本文所描述的一个或多个功能或方法步骤。可以利用任何合适的专利主题的合格计算机可读介质或存储器，包括例如，硬盘、CD-ROM、光存储设备或磁存储设备。这种计算机可读介质或存储器不仅仅构成短暂的波或信号。
本文提到的计算机可读介质或存储器可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质的更具体示例(非详尽列表)将包括以下：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、随机轴存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤和便携式光盘只读存储器(CD-ROM)。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是纸或在其上打印程序的其他合适的介质，因为程序可以通过例如对纸或其他介质的光学扫描以电子方式被捕获，然后被编译、解释或以其他合适的方式处理(如果需要的话)，然后被存储在计算机存储器中。
如上文所提到的，在静电照相3D零件增材制造或打印操作期间，静电照相引擎使用静电照相工艺从带电粉末材料(例如，聚合物调色剂)中对3D零件的每个层进行显影。3D零件的完整层通常包括：由零件材料通过一个静电照相引擎形成的零件部分，该零件部分被转印到如转印皮带或转印鼓等合适的转印介质；和/或由支撑材料通过不同的静电照相引擎形成的支撑结构部分，该支撑结构部分与对应的零件部分配准地被施加到转印介质。替代性地，零件部分可以与转印介质上先前打印的支撑结构部分配准地被显影并转印到转印介质上。进一步，可以以与打印相反的次序对多个层进行成像，并且在转印介质上将一个层堆叠在另一个层上以形成具有选定厚度的堆叠。以这些方式，层可以由零件和/或支撑材料的几个叠加或分离的部分组成。
转印介质将显影层或层堆叠递送到输注组件，在该输注组件中执行输注过程，以逐层方式、逐堆叠方式或单个层和层堆叠的组合形成3D结构，从而形成3D零件和对应的支撑结构。在输注过程期间，热和压力将显影层或层堆叠融合在一起，以构建3D结构的表面。在构建3D结构之后，支撑结构然后可以在水溶液或分散体中溶解或分解，以显示完成的3D零件。
本披露内容的实施例提供了用于调整层、正在构建的零件和输注组件部件的热曲线的系统和方法。如加热器设备和冷却器设备等热通量设备可以用于在给定层的输注循环期间在不同时间和位置选择性地和可控地添加热能和去除热能。本披露内容通过减少或消除正在构建的零件中不必要的热能积累，同时促进相对快速和高效的层输注循环时间，来允许相对高效地使用热资源。鉴于本披露内容的全部内容(包括附图)，将认识到本披露内容的其他特征、方面和益处。
虽然本披露内容可以与任何基于静电照相术的增材制造系统一起利用，但是本披露内容将结合基于电子照相术(EP)的增材制造系统进行描述。然而，本披露内容不限于基于EP的增材制造系统，并且可以与任何基于静电照相术的增材制造系统一起利用。
图1是根据本披露内容的实施例的用于以逐层方式构建3D零件和相关联的支撑结构的示例基于电子照相术的增材制造系统10的简化图。虽然展示为以逐层方式构建3D零件和相关联的支撑结构，但是系统10还可以用于形成层堆叠，并且对堆叠进行输注以形成3D零件和相关联的支撑结构。
如图1所示，系统10包括一个或多个电子照相(EP)引擎，通常被称为12，如EP引擎12a-d、转印组件14、至少一个偏置机构16、和输注组件20。系统10的合适的部件和功能操作的示例包括在Hanson等人的美国专利号8,879,957和8,488,994以及在Comb等人的美国专利申请公开号2013/0186549和2013/0186558中披露的那些。
EP引擎12是用于分别对带电粉末零件和支撑材料的3D零件的完整层(通常被称为22)进行成像或以其他方式显影的成像引擎。带电粉末零件和支撑材料各自优选地被工程化为与EP引擎12的特定架构一起使用。在一些实施例中，系统10的EP引擎12中的至少一个(如EP引擎12a和12c)对支撑材料的层进行显影，以形成层22的支撑结构部分22s，并且EP引擎12中的至少一个(如EP引擎12b和12d)对零件材料的层进行显影，以形成层22的零件部分22p。EP引擎12将形成的零件部分22p和支撑结构部分22s转印到转印介质24。在一些实施例中，转印介质24是转印皮带的形式，如图1所示。转印介质24可以采用如转印鼓或转印片等或者除了转印皮带之外的其他合适的形式来代替转印皮带。因此，本披露内容的实施例不限于使用转印皮带形式的转印介质24。
在一些实施例中，系统10包括至少一对EP引擎12，如EP引擎12a和12b，这些引擎协作形成完整层22。在一些实施例中，如EP引擎12c和12d等附加的EP引擎12对可以协作形成完整层22。
在一些实施例中，EP引擎12中被配置为形成给定层22的支撑结构部分22s的每一个EP引擎相对于转印皮带24的进料方向或轨道内方向32位于被配置为形成层22的零件部分22p的对应EP引擎12的上游。因此，例如，各自被配置为形成支撑结构部分22s的EP引擎12a和12c相对于转印皮带24的进料方向32位于被配置为形成零件部分22p的其对应的EP引擎12b和12d的上游，如图1所示。在替代性实施例中，EP引擎12的该布置可以颠倒，使得形成零件部分22p的EP引擎可以相对于转印皮带24的进料方向32位于被配置为形成支撑结构部分22s的对应EP引擎12的上游。因此，例如，相对于转印皮带24的进料方向32，EP引擎12b可以位于EP引擎12a的上游，并且EP引擎12d可以位于EP引擎12c的上游。在进一步的实施例中，EP引擎12的不同分组是可能的(例如，三个一组、四个一组等)，如在利用两种以上材料的情况下，或者在不同材料具有显著的不同特性并且更多的EP引擎12专用于某种或某些材料而不是其他材料的情况下。
如下文所讨论的，显影层22被转印到转印组件14的转印介质24，该转印介质将层22递送到输注组件20。输注组件20操作以通过在构建平台28上将层22输注在一起，以逐层方式构建包括3D零件26p、支撑结构26s和/或其他特征的3D结构26。
在一些实施例中，转印介质24包括皮带，如图1所示。用于转印介质24的合适的转印皮带的示例包括在Comb等人(美国专利申请公开号2013/0186549和2013/0186558)中披露的那些。在一些实施例中，皮带24包括前表面24a和后表面24b，其中前表面24a面向EP引擎12，并且后表面24b与偏置机构16接触。
在一些实施例中，转印组件14包括一个或多个驱动机构，该一个或多个驱动机构包括例如电机30和驱动辊33，或其他合适的驱动机构，并且操作以在进料方向32上驱动转印介质或皮带24。在一些实施例中，转印组件14包括为皮带24提供支撑的惰辊34。图1中展示的示例性转印组件14被高度简化，并且可以采用其他配置。另外地，转印组件14可以包括为了简化展示而未示出的附加部件，例如，用于维持皮带24中的期望张力的部件、用于从接收层22的表面24a去除碎屑的皮带清洁器以及其他部件。
系统10还包括控制器36，该控制器表示被配置为执行指令的一个或多个处理器，这些指令可以本地存储在系统10的存储器中或者存储在远离系统10的存储器中，以控制系统10的部件执行本文描述的一个或多个功能。在一些实施例中，控制器36的处理器是一个或多个基于计算机的系统的部件。在一些实施例中，控制器36包括一个或多个控制电路、基于微处理器的引擎控制系统、一个或多个可编程硬件部件(如现场可编程门阵列(FPGA))、和/或用于控制系统10的部件执行本文描述的一个或多个功能的数控光栅成像处理器系统。在一些实施例中，例如，控制器36基于从主计算机38或从另一位置接收的打印指令以同步方式控制系统10的部件。
在一些实施例中，控制器36通过合适的有线或无线通信链路与系统10的部件通信。在一些实施例中，例如，控制器36如通过网络连接(例如，局域网(LAN)连接)通过合适的有线或无线通信链路与如主计算机38或其他计算机和服务器等外部设备通信。
在一些实施例中，主计算机38包括一个或多个基于计算机的系统，这些系统被配置为与控制器36通信以提供打印指令(和其他操作信息)。例如，主计算机38可以向控制器36传递与3D零件和支撑结构的切片层相关的信息，从而允许系统10以逐层方式打印层22并且形成包括任何支撑结构的3D零件。
系统10的部件可以由一个或多个框架结构保持。另外地，系统10的部件可以保持在可封闭的壳体(未示出)内，该壳体防止系统10的部件在操作期间暴露于环境光，并且有助于控制通过系统循环的空气的温度和湿度。
图2是根据本披露内容的示例性实施例的系统10的EP引擎12a和12b的示意性前视图。在所示实施例中，EP引擎12a和12b可以包括如具有导电体44和光电导表面46的光电导体鼓42等相同的部件。导电体44是导电的体(例如，由铜、铝、锡等制成)，其可以被电接地(或被偏置到除接地之外的特定电压)并且被配置为围绕轴48旋转。轴48对应地连接到驱动电机50，该驱动电机被配置为以基本恒定的速率在箭头52的方向上旋转轴48(和光电导体鼓42)。虽然EP引擎12的实施例被讨论和展示为利用光电导体鼓42，但是还可以利用具有导电材料或其他合适的主体的皮带来代替光电导体鼓42和导电体44。
光电导表面46是围绕导电体44的圆周表面延伸的薄膜(示出为鼓，但是替代性地可以是皮带或其他合适的主体)，并且优选地源自如非晶硅、硒、氧化锌、有机材料等一种或多种光电导材料。如下文所讨论的，表面46被配置为接收3D零件或支撑结构的切片层的带电潜像(或负像)，并且将零件或支撑材料的带电粒子吸引到带电或放电图像区域，从而创建3D零件26p或支撑结构26s的层22。
如进一步所示，示例性EP引擎12a和12b中的每一个还包括电荷引发器54、成像器56、显影站58、清洁站60和放电设备62，其中的每一个都可以与控制器36进行信号通信。电荷引发器54、成像器56、显影站58、清洁站60和放电设备62相应地限定了用于表面46的成像组件，而驱动电机50和轴48在方向52上旋转光电导体鼓42。
EP引擎12使用带电粒子材料(例如，如聚合物调色剂或热塑性调色剂、陶瓷或磁性材料等相对较差的导电体)，在本文中通常被称为66，以对层22进行显影或形成这些层。在一些实施例中，用于EP引擎12a的表面46的成像组件用于形成支撑材料66s的支撑结构部分22s，其中支撑材料66s连同载体颗粒的供应可以由(EP引擎12a的)显影站58保持。类似地，用于EP引擎12b的表面46的成像组件用于形成零件材料66p的零件部分22p，其中零件材料66p连同载体颗粒的供应可以由(EP引擎12b的)显影站58保持。
电荷引发器54被配置为当表面46在方向52上旋转经过电荷引发器54时，在表面46上产生均匀的静电荷。用于电荷引发器54的合适的设备包括电晕器、电晕管(scorotron)、充电辊和其他静电充电设备。
成像器56是数控逐像素光暴露装置，该数控逐像素光暴露装置被配置为当表面46在方向52上旋转经过成像器56时，选择性地朝向表面46上的均匀静电荷发射电磁辐射。电磁辐射对表面46的选择性暴露由控制器36引导，并且导致静电电荷的离散逐像素位置被去除(即，放电)，从而在表面46上形成潜像电荷图案。
用于成像器56的合适的设备包括扫描激光(例如，气态或固态激光)光源、发光二极管(LED)阵列暴露设备以及2D电子照相系统中常规使用的其他暴露设备。在替代性实施例中，用于电荷引发器54和成像器56的合适的设备包括离子沉积系统，这些离子沉积系统被配置为选择性地将带电离子或电子直接沉积到表面46，以形成潜像电荷图案。根据该实施例，可以消除电荷引发器54。在一些实施例中，由成像器56发射的电磁辐射具有控制在表面46上形成的潜像电荷图案中的电荷量的强度。因此，如本文所使用的，术语“电子照相术”可以广义地被认为是“静电照相术”，或在表面上产生电荷图案的过程。替代方案还包括如离子照相术等东西。
每个显影站58是保持零件材料66p或支撑材料66s连同载体颗粒的供应的静电和磁性显影站或盒。显影站58可以以与在2D电子照相系统中使用的单或双部件显影系统和调色剂盒类似的方式起作用。例如，每个显影站58可以包括用于保持零件材料66p或支撑材料66s以及载体颗粒的外壳。当被搅动时，载体颗粒生成摩擦电荷以吸引零件材料66p或支撑材料66s的粉末，这将吸引的粉末充电到期望的符号和量值，如下文所讨论的。
每个显影站58还可以包括如输送器、毛刷、桨轮、辊和/或磁刷等用于将支撑材料66p或66s的带电粒子转印到表面46的一个或多个设备。例如，当表面46(包含带电潜像)沿方向52从成像器56旋转到显影站58时，利用带电区域显影或放电区域显影(取决于利用的电子照相模式)将带电零件材料66p或支撑材料66s吸引到表面46上的潜像的适当带电区域。这在光电导体鼓42继续沿方向52旋转时在表面46上产生连续层22p或22s，其中连续层22p或22s与3D零件或支撑结构的数字表示的连续切片层相对应。
在一些实施例中，表面46上的层22p或22s的厚度取决于表面上的潜像电荷图案的电荷。因此，可以通过使用控制器36控制表面上的图案中的电荷的量值来控制层22p或22s的厚度。例如，控制器36可以通过控制电荷引发器54、通过控制由成像器56发射的电磁辐射的强度、或者通过控制表面46暴露于由成像器56发射的电磁辐射的持续时间来控制层22p或22s的厚度。
然后将连续层22p或22s与表面46一起沿方向52旋转到转印区域，在该转印区域中，将层22p或22s从光电导体鼓42连续地转印到皮带24或另一个转印介质，如下文所讨论的。虽然展示为光电导体鼓42与皮带24之间的直接接合，但是在一些优选的实施例中，EP引擎12a和12b还可以包括中间转印鼓和/或皮带，如下文进一步讨论的。
在给定层22p或22s从光电导体鼓42转印到皮带24(或中间转印鼓或皮带)之后，驱动电机50和轴48继续在方向52上旋转光电导体鼓42，使得表面46的先前保持层22p或22s的区域经过清洁站60。清洁站60是被配置为去除零件66p或支撑材料66s的任何残留的、未转印部分的站。用于清洁站60的合适的设备包括刀片清洁器、刷子清洁器、静电清洁器、基于真空的清洁器及其组合。
在经过清洁站60之后，表面46继续在方向52上旋转，使得表面46的已清洁区域经过放电设备62，以在开始下一个循环之前去除表面46上的任何残留的静电荷。用于放电设备62的合适的设备包括光学系统、高压交流电晕器和/或电晕管、具有施加有高压交流电的导电芯的一个或多个旋转介电辊、及其组合。
偏置机构16被配置为通过皮带24引发电势，以将层22s和22p从EP引擎12a和12b静电吸引到皮带24。因为层22s和22p在该过程中在该点处各自只是单个层厚度增量，所以静电引力适用于将层22s和22p从EP引擎12a和12b转印到皮带24。在一些实施例中，皮带24的表面24a上的层22p或22s的厚度取决于由对应的偏置机构16通过皮带引发的电势。因此，可以由控制器36通过控制由偏置机构16通过皮带引发的电势的量值来控制层22p或22s的厚度。
控制器36优选地以与皮带24的线速度和/或与任何中间转印鼓或皮带的线速度同步的相同旋转速率控制EP引擎12a和12b的光电导体鼓42的旋转。这允许系统10从单独的显影剂图像彼此协调地对层22s和22p进行显影和转印。具体地，如所示出的，层22p的每个零件可以与每个支撑层22s适当配准地被转印到皮带24，以产生组合的零件和支撑材料层，该组合的零件和支撑材料层通常被指定为层22。如可以理解的，层22中转印到层输注组件20的一些层可以仅包括支撑材料66s，或者可以仅包括零件材料66p，这取决于特定的支撑结构和3D零件几何形状以及层切片。
在替代性实施例中，零件部分22p和支撑结构部分22s可以可选地沿皮带24分别如以交替层22s和22p显影和转印。这些连续的、交替层22s和22p然后可以转印到层输注组件20，在该层输注组件中，这些层可以分别输注以打印或构建包括3D零件26p、支撑结构26f和/或其他结构的结构26。
在进一步的替代性实施例中，EP引擎12a和12b中的一个或两个还可以包括位于光电导体鼓42与皮带或转印介质24之间的一个或多个转印鼓和/或皮带。例如，如图3所示，EP引擎12b还可以包括中间转印鼓42a，该中间转印鼓在电机50a的旋转动力下沿与鼓42旋转的方向52相反的方向52a旋转。中间转印鼓42a与光电导体鼓42接合，以从光电导体鼓42接收显影层22p，并且然后携带接收到的显影层22p并且将它们转印到皮带24。
EP引擎12a可以包括中间转印鼓42a的相同布置，用于将显影层22s从光电导体鼓42携带到皮带24。如果期望的话，将这种用于EP引擎12a和12b的中间转印鼓或皮带用于将光电导体鼓42与皮带24热隔离是有益的。
图4展示了层输注组件20的实施例。如所示出的，输注组件20包括构建平台28、夹辊70、预输注加热器72和74、可选的输注后加热器76和空气射流78(或其他冷却单元)。构建平台28是系统10的平台组件或台板，其被配置为接收加热的组合层22(或单独的层22p和22s)，用于以逐层方式打印零件26，该零件包括由零件层22p形成的3D零件26p和由支撑层22s形成的支撑结构26s。在一些实施例中，构建平台28可以包括用于接收打印层22的可移除膜基底(未示出)，其中可以使用任何合适的技术(例如，真空抽吸)将可移除膜基底限制为抵靠构建平台。
构建平台28由台架84或其他合适的机构支撑，该机构可以被配置为沿z轴和x轴(以及可选地，还有y轴)移动构建平台28，如图1中示意性展示的(y轴在图1中进入和离开页面，z轴、x轴和y轴相互正交，遵循右手定则)。台架84可以产生相对于夹辊70和其他部件的循环移动图案，如图4中的虚线86所示。台架84的特定移动图案基本上可以遵循适用于给定应用的任何期望路径。台架84可以由电机88基于来自控制器36的命令来操作，其中电机88可以是电动机、液压系统、气动系统等。在一个实施例中，台架84可以包括集成机构，该集成机构精确控制构建平台28在z轴方向和x轴方向(以及可选的y轴方向)上的移动。在替代性实施例中，台架84可以包括多个可操作地耦合的机构，每个机构控制构建平台28在一个或多个方向上的移动，例如，产生沿z轴和x轴两者移动的第一机构以及产生仅沿y轴移动的第二机构。多个机构的使用可以允许台架84沿不同的轴线具有不同的移动分辨率。此外，多个机构的使用可以允许将附加机构添加到可沿少于三个轴线操作的现有机构中。
在所展示的实施例中，构建平台28可以用加热元件90(例如，电加热器)加热。加热元件90被配置为在如3D零件26p和/或支撑结构26s的期望平均零件温度等高于室温(25℃)的升高的温度下加热和维持构建平台28，如在Comb等人的美国专利申请公开号2013/0186549和2013/0186558中所讨论的。这允许构建平台28帮助将3D零件26p和/或支撑结构26s维持在该平均零件温度。
夹辊70是示例可加热/可冷却元件或可加热/可冷却层输注元件，其被配置为随着皮带24的移动围绕固定轴线旋转。具体地，当皮带24在进料方向32上旋转时，夹辊70可以在箭头92的方向上抵靠后表面22s滚动。在所示的实施例中，夹辊70可用加热元件94(例如，电加热器)加热。加热元件94被配置为在如层22的期望转印温度等高于室温(25℃)的升高的温度下加热和维持夹辊70。在进一步的实施例中，可以使用如气刀等冷却元件来冷却夹辊70。
预输注加热器72包括一个或多个加热设备(例如，红外加热器和/或加热空气射流)，其被配置为在到达夹辊70之前将皮带24上的层22加热到层22的选定温度，如高达零件材料66p和支撑材料66s的熔融温度。每个层22期望地经过(或穿过)加热器72持续足够的停留时间，以将层22加热到预期的转印温度。预输注加热器74可以以与加热器72相同的方式起作用，并且将构建平台28上的3D零件26p和支撑结构26s的顶表面加热到升高的温度，并且在一个实施例中，在接触时向层供热。
可选的输注后加热器76位于夹辊70的下游和空气射流78的上游，并且被配置为将输注层22加热到升高的温度。
如上所述，在一些实施例中，在构建平台28上构建零件26之前，可以将构建平台28和夹辊70加热到它们的选定温度。例如，可以将构建平台28加热到3D零件26p和支撑结构26s的平均零件温度。比较之下，可以将夹辊70加热到层22的期望转印温度，该温度可以比峰值输注温度更低，因为可能期望压印线入口更热(用于将构建材料颗粒融合在一起)并且压印线出口更冷(用于减少对皮带24的粘附力)。
如图4进一步所示，在操作期间，台架84可以往复图案86移动构建平台28(具有3D零件26p和支撑结构26s)。具体地，台架84可以沿x轴在加热器74下方、沿该加热器或穿过该加热器移动构建平台28。加热器74将3D零件26p和支撑结构26s的顶表面加热到如零件和支撑材料的转印温度等升高的温度。如在Comb等人的美国专利申请公开号2013/0186549和2013/0186558中所讨论的，加热器72和74可以将层22以及3D零件26p和支撑结构26s的顶表面加热到约相同的温度，以提供一致的输注界面温度。替代性地，加热器72和74可以将层22以及3D零件26p和支撑结构26s的顶表面加热到不同的温度，以获得期望的输注界面温度。
皮带24的持续旋转和构建平台28的移动使加热层22与3D零件26p和支撑结构26s的加热顶表面对齐，且沿x轴适当配准。台架84可以以与皮带24在进料方向32上的旋转速率同步的速率(即，相同的方向和速度)继续沿x轴移动构建平台28。这导致皮带24的后表面24b围绕夹辊70旋转以夹住皮带24和加热层22抵靠3D零件26p和支撑结构26s的顶表面上。这在夹辊70的位置处在3D零件26p与支撑结构26s的加热顶表面之间挤压加热层22，这至少部分地将加热层22转印到3D零件26p和支撑结构26s的形成构建表面96的顶层。
当输注层22经过夹辊70的压印线时，皮带24包绕压在夹辊70周围，以与构建平台28分离和脱离。这有助于从皮带24释放输注层22，从而允许输注层22保持粘附到3D零件26p和支撑结构26s。将输注界面温度维持在高于其玻璃化转变温度但低于其熔融温度的转印温度，允许加热层22足够热以粘附到3D零件26p和支撑结构26s，同时还足够冷以容易从皮带24释放。
释放后，台架84继续沿x轴将构建平台28移动到输注后加热器76。在可选的输注后加热器76处，然后可以将3D零件26p和支撑结构26s的最顶层(包括输注层22)至少加热到在融合后或热定型步骤中的基于热塑性的粉末的熔融温度。这可选地将输注层22的材料加热到高度可熔状态，使得输注层22的聚合物分子快速相互扩散，以实现与3D零件26p的高水平界面缠结。
此外，当台架84继续沿x轴移动构建平台28经过输注后加热器76到达空气射流78时，空气射流78将冷却空气吹向3D零件26p和支撑结构26s的项层。这有效地将输注层22冷却至平均零件温度或低于平均零件温度，如在Comb等人的美国专利申请公开号2013/0186549和2013/0186558中所讨论的。
为了有助于将3D零件26p和支撑结构26s保持在平均零件温度，在一些优选的实施例中，加热器74和/或加热器76可以操作以仅加热3D零件26p和支撑结构26s的最顶层。例如，在加热器72、74和76被配置为发射红外辐射的实施例中，3D零件26p和支撑结构26s可以包括吸热器和/或被配置为将红外波长的穿透限制在最顶层内的其他着色剂。此外，穿透到零件26p和支撑结构26s中的红外辐射可以基本上小于热扩散深度(DTD)，该热扩散深度与累积层内的热扩散率和加热表面被允许将热扩散到累积层中的时间长度相关，如下文进一步解释的。替代性地，加热器72、74和76可以被配置成将加热的空气吹过3D零件26p和支撑结构26s的顶表面。在任一情况下，限制热穿透到3D零件26p和支撑结构26s允许最顶层被充分输注，同时还减少了将3D零件26p和支撑结构26s保持在平均零件温度所需的冷却量。
台架84然后可以向下致动构建平台28，并且按往复矩形图案86沿x轴将构建平台28移回到沿x轴的起始位置。构建平台28期望地到达起始位置，以便与下一个层22适当配准。在一些实施例中，台架84还可以向上驱动构建平台28和3D零件26p/支撑结构26s，以便与下一个层22适当配准。然后可以对3D零件26p和支撑结构26s的每个剩余层22重复相同的过程。
在输注操作完成之后，所得3D零件26p和支撑结构26s可以从系统10中去除，并且经历一个或多个打印后操作。例如，可以使用如碱性水溶液等水基溶液从3D零件26p牺牲性地去除支撑结构26s。在该技术下，支撑结构26s可以至少部分地溶解在溶液中，以免手动方式将其与3D零件26p分离。
比较之下，零件材料对碱性水溶液具有耐化学性。这允许在不降低3D零件26p的形状或质量的情况下使用要采用的碱性水溶液去除牺牲支撑结构26s。用于以该方式去除支撑结构26s的合适的系统和技术的示例包括在Swanson等人的美国专利号8,459,280；Hopkins等人的美国专利号8,246,888；和Dunn等人的美国专利申请公开号201I/0186081中披露的那些系统和技术，这些系统和技术中的每一个都在不与本披露内容冲突的程度上通过引用并入。
此外，在去除支撑结构26s之后，3D零件26p可以经历一个或多个附加的打印后过程，如像喷砂和滚球等表面处理工艺。合适的表面处理工艺的示例包括在Priedeman等人的美国专利号8,123,999；和Zinniel的美国专利号8,765,045中披露的那些表面处理工艺。
在替代性实施例中，输注组件20可以利用可选的精轧辊或挤压元件，该精轧辊或挤压元件用于压实层以减少空隙，潜在地加热层以去除至少一些水分和溶剂，和/或产生支撑拉伸载荷的膜。给定层22的精轧可以在该层22输注了零件26的累积层之前发生。
当输注层22构建3D零件26时，零件26的累积层经历与每个新层22的输注相关联的循环温度摆动。图5是示意性地展示了用于在给定层22的输注循环时间τlayer内构建3D零件的给定层的示例循环温度摆动的温度对深度的图。如图5所示，竖直z轴表示从构建表面96到3D零件26的累积层的深度，并且水平轴表示温度。在图5的图上绘制的点状区域100描绘了3D零件26的累积层内不同深度处的循环温度波动，从相对最低温度Tmin(在图5的左侧边界)到相对最高温度Tmax(在图5的右侧边界)。指示了零件26的先前累积层的核心温度Tcore，并且其表示远离构建表面96的零件26的先前累积层的大部分的整体温度。
一般来说，在构建过程的至少一个实施例中，将要输注到构建表面96处的3D零件26的累积层上的层22加热，同时如通过加热器72将其输送到可加热输注压印线元件70(例如，夹辊或另一个合适的挤压元件)。同时，在输送层22的同时，如通过加热器74、构建平台加热器等加热3D零件26的累积层。在输送层22的同时，还可以加热可加热输注压印线元件70。因此，3D零件26的累积层中的温度通常在循环时间τlayer的第一部分内增加，循环时间τlayer的第一部分至少发生在层22到达可加热输注压印线元件70的时间。在使用输注后加热器76的情况下，循环时间τlayer的第一部分可以在具有新输注层22的3D零件26的累积层经过可加热输注压印线元件70之后继续，并且直到3D零件26的累积层经过输注后加热器76。
在经过可加热输注压印线元件70(以及任何输注后加热器76)之后，可以如利用在刚刚输注新层22的构建表面96处吹送冷却空气的空气射流78将具有新输注层22的3D零件26的累积层冷却。因此，3D零件26的累积层中的温度通常在循环时间τlayer的最后部分内降低，其中循环时间τlayer的最后部分发生在层22经过可加热输注压印线元件70和任何输注后加热器76之后的时间。
如刚刚所描述的，图5所示的区域100内浅深度处的温度在循环时间τlayer期间通常先升高后降低。然而，应当注意，在进一步的实施例中，更复杂的温度波动是可能的，如在输注之前和/或之后通过使用分阶段加热循环和冷却循环。此外，在一些实施例中，循环时间τlayer和其他输注相关的特性(如加热和冷却的程度)可以逐层变化。
3D零件26的累积层的核心温度Tcore可以在显著深度处保持基本恒定，这在图5中由区域100的窄的尖峰形状描绘，该区域在最大z轴深度处几乎是线性的。尽管取决于系统10执行的加热操作和冷却操作，核心温度Tcore可以在多层输注操作中变化，但是在一些实施例中，核心温度Tcore可以在多层输注中，或者甚至在大多数或所有层输注中保持基本恒定的整体温度。在一些实施例中，核心温度Tcore可以以期望的深度依赖性变化来维持，如朝向最大z轴深度基本线性下降。
热扩散深度
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其中τlayer是表面温度围绕给定层的平均温度呈正弦变化的循环时间(例如，3D零件26的累积层的加热与冷却之间)，并且κ是零件和/或支撑构建材料(例如，聚合物调色剂)的热扩散率。层的任意温度曲线可以表示为这些层时间的叠加，并且所得热深度成为这些时间的加权平均值。例如，层时间为4.2秒的系统花费0.6秒加热层和1.8秒冷却层，有效τlayer为约2.4秒。热扩散深度DTD表示在循环时间τlayer期间热能从构建表面96扩散到3D零件26的累积层中的特性距离。在一个示例实施例中，构建材料热扩散率κ为180平方密耳/秒，并且循环时间τlayer为2.4秒，使得热扩散深度DTD为298μm(11.7密耳)。如果层厚度(Γ)为20μm(0.8密耳)，则该示例中的热扩散深度DTD相当于约十五层的厚度。在一些实施例中，热扩散深度DTD可以在大约125μm到750μm的范围内。
在一些基于静电照相术的增材制造工艺中，层的融合可以被称为沉积过程，其中正在构建的零件所经历的多个输注压力从零件中基本上去除了所有的空隙。然而，在一些替代性工艺中，零件在最近转印层处是多孔的(具有较低的密度)，大约十到二十层变得完全融合到零件中。
一旦被压成熔体，调色剂颗粒就会迅速升温。举例来说，位于明尼苏达州伊甸草原(Eden Prairie，Minnesota)的Stratasys公司(Stratasys，Inc.)出售的ABS细丝和可溶性支撑材料在熔融温度下的热扩散率大致为κ＝160平方密耳/秒。EP构建过程中使用的示例调色剂颗粒的直径为约s＝0.82密耳＝21微米。与热扩散一个粒径距离相关联的热扩散时间为0.82/160＝4.2毫秒。
一旦熔化，层22的新调色剂颗粒在流动时被压平成膜，并且被浇铸到转印介质24上，留下具有显著更少孔(如果有的话)的固结零件表面。在该压平过程中，新层22的较低温度(“冷”)调色剂颗粒被挤压部件70(例如，以夹辊的形式)和转印介质24在较高温度下挤压成零件26的一个或多个先前累积层。在零件26的粘合区域下方，零件的远离构建表面96的至少本体区域可以保持在较低的温度。将调色剂层压入熔体的另一个优点是，加热调色剂颗粒产生的气体(如水蒸气)更倾向于驻留在层-皮带界面，而不是驻留在零件中捕获的空隙中。
因此，在一些实施例中，代替使用沉积工艺，其中随着施加的后续层的数量增加而发生零件材料层的逐渐固结，相反，零件材料层可以在通过将该层压入快速加热的零件表面然后冷却而施加时完全固结。使用所披露的方法，材料在界面上快速相互扩散，然后冷却组合。在该过程中，需要较少的热，因为热扩散深度DTD较浅。然而，目前披露的实施例仍然可以与沉积过程一起使用。
控制系统10的控制不同参数组合在构建的3D零件26中产生不同的性能特性。在至少一些情况下，控制参数的组合导致性能折衷，每个性能折衷具有积极方面和消极方面两者。例如，如果相对“热”地输注(即，具有相对热的构建表面96)层22，则所得零件26中的层的强度可以很好；但是来自空气射流78的空气冷却冲击速度必须相对高，以从“热”输注中去除额外的热，这往往会导致如搁板或桥等相对脆弱的结构失效。桥接发生在给定层被输注到先前累积层的粘合区域中的间隙、孔、开口等上。当给定层悬伸到先前累积层的粘合区域上超过阈值量(例如，超过层的厚度)时，发生搁置。如果代替地使用来自空气射流78的对构建表面96的相对温和或低冲击空气冷却，则新层22可以更好地搁置或桥接随机打印缺陷；但是需要降低输注温度以防止零件26的核心过热，这往往会降低所得融合零件26的强度。如果使用来自输注压印线元件70的相对高的力或压力，则调色剂颗粒紧密接触，从而允许聚合物链蠕动并产生相对强的零件；但是这种高输注压印线元件压力可能在零件26的核心中产生蠕变和流动，从而趋向于导致所得零件26的几何准确度变差。如果相反使用相较低的输注压印线元件压力，则所得零件26的几何特征通常保持在它们在空间中的打印位置；但是较低的压力会产生相对较弱的零件26。
图6和图7展示了刚刚讨论的折衷的一些示例。图6是示意性地展示了在一系列所有相对热的层输注过程中构建错误空隙104增长到大空隙104’的3D零件26’的截面视图。对于相对热的层输注，通常需要来自输注后空气射流78的相对高的冷却空气流。这种高冷却空气流可以起到气刀的作用，其可以通过冷却空气剪切效应导致搁板和/或桥结构失效。不直观地，在相对高温构建的零件26’中的这种空隙扩大效应可能更容易发生故障，即使相对热的输注通常会产生机械强度更强的层间粘合和所得零件，因为通常需要破坏性的空气冷却水平来维持合适的零件温度。搁板和/或桥的故障或已经增长到显著大小的空隙的存在可能导致对所得零件26’的拒绝。即使具有大空隙104’的零件26’是可接受的，大空隙104’的存在也可能至少导致零件强度的局部降低。
图7是示意性地展示了通过一系列所有相对冷的层输注的由桥106包含或“愈合”的构建错误空隙104”的3D零件26”的截面视图。对于相对冷的层输注，来自输注后空气射流78的冷却空气流可以相对温和，这可以避免可能通过冷却空气剪切效应导致搁板和/或桥结构失效的气刀效应。因此，尽管相对低温构建的零件26”可能通常比相对热层输注平均产生更弱的层间粘合，但是构建缺陷(空隙)104”对零件26”的整体影响受到维持桥106的结构完整性和后续附加层输注的能力的限制和治愈。
当图6和图7中所示的零件26’和26”完全使用“热”层输注或“冷”层输注制成时，上文所讨论的类型的折衷趋向于持续存在。然而，通过根据跨多层输注不同、交替或以其他方式变化的控制参数曲线的序列来构建3D零件，可以实现每个控制参数曲线的积极方面。以这种方式，至少可以部分超越粗略的性能折衷，排序提供了一组混合的性能优势，这些性能优势可以促进积极的性能特性，并且降低特定控制参数曲线的负面影响的风险(如避免在一系列相对“热”层输注中的构建错误空隙的不可接受的大的增长风险)。例如，第一控制参数曲线可以被配置为构建在第一类别中具有相对高性能(例如，3D零件断裂强度或层从转印介质到零件构建表面的可靠转印)并且在第二类别中具有较低性能(例如，桥或搁板的形成质量)的层，而第二控制参数曲线可以被配置为构建在第二类别中具有相对高性能并且在第一类别中具有较低性能的层。曲线和输注序列的可控参数的数量和类型(例如，温度和压力或力参数)将根据给定的基于电子照相术的增材制造系统10的特定配置而变化，如基于系统10的加热、冷却和压力施加元件的类型、数量和位置。此外，给定控制参数曲线的各个参数可以是常数值、禁止值的范围或窗口、时间相关多项式函数、转换速率限制等，并且给定控制参数曲线可以包括不同类型参数的组合(例如，一些参数是常数，并且其他参数是值的范围)。控制参数曲线可以指定目标(系统10的相关部件的开环控制参数)或实际(感测)值，或目标和实际值的组合。控制参数曲线中实际值的使用通常要求系统10提供合适的传感器，以便提供用于根据闭环传感器反馈来实施实际值控制的感测数据。输注序列和控制参数曲线可以由控制器36实施，并且可以经由计算机或处理器可读指令来实施。
例如，在一些实施例中，两个不同控制参数曲线的循环可以用于建立输注序列。然而，如所期望的，也可以使用具有规则图案(例如，每个控制参数曲线依次用作循环，然后循环再次开始以构建期望数量的层)或更复杂的不规则图案(例如，两个不同的曲线与每特定层数使用的第三不同的曲线交替，如在序列中每第七层使用的第三曲线)的多于两个控制参数曲线的序列。在一些实施例中，输注序列可以包括任何合适数量的不同控制参数曲线的组合，该组合构建3D零件的多个层，其中根据输注序列构建的那些层具有小于或显著小于热扩散深度DTD的总厚度，使得可以预期施加到构建表面96的温度和压力以在3D零件的累积层内融合，不管给定控制参数曲线的特定控制参数如何(例如，即使给定层被相对“冷”地输注)。进一步，在一些实施例中，可以建立多个输注序列，并且然后选择给定输注序列用于期望数量的层输注，并且选择不同输注序列用于期望数量的进一步层输注。对不同输注序列的这种选择可以允许针对构建部分的特定特性定制的序列，如用于大部分或全部由支撑材料制成的层的相对简单的输注序列和用于由构建误差容限更严格的大量零件材料制成的层的更复杂的输注序列。在一些仍进一步的实施例中，输注序列可以包括模式切换，其中通过一个或多个虚拟输注，其中新层没有被输注到零件构建表面上，而是执行其他典型的输注加热、冷却和压力施加步骤。应当注意，对于一些应用，可以开始但不能完全完成输注序列，如在输注序列的中间完全构建零件。
图8是根据以不同输注控制参数曲线的序列构建多个层22的示例输注序列129构建的3D零件126的示意性截面视图。第一控制参数曲线P1包括可用于输注3D零件126的单个层22的第一温度和压力(或力)参数组合，并且第二控制参数曲线P2包括可用于输注3D零件126的单个层22的第二温度和压力参数组合。控制参数曲线P1和P2各自指定用于系统10操作的可控设置。每个曲线P1和P2的温度参数可以包括预输注图像加热器温度(例如，对于加热器72和/或74)、可加热输注压印线元件温度(例如，对于夹辊70)、累积零件层加热器温度(例如，对于加热器90)、累积零件层加热器入射角(例如，基于加热器取向提供累积零件层的某些部分的选择性加热)、压印线后冷却空气流速(例如，来自射流78)。在一些实施例中，加热输注压印线元件温度的范围可以是大约60℃到180℃，或者大约110℃到140℃，其中压印线元件的外表面具有较高的瞬时温度(例如，大约160℃到280℃)，该外表面然后通过与压印线元件内部的传导而冷却。每个控制参数曲线P1和P2的压力或力参数可以包括可加热输注压印线元件压力(例如，对于施加在构建表面96上的夹辊70)。第二控制参数曲线P2的第二温度和压力参数组合不同于第一控制参数曲线P1的第一温度和压力参数组合，尽管差异可能只是压力参数的单个不同温度或许多温度和/或压力参数的不同。此外，每个控制参数曲线P1和P2可以包括指定层厚度、(多种)层材料和/或其他特性的控制参数，尽管在一些实施例中，层厚度对于所有控制参数曲线P1和P2可以基本上是恒定的。例如，在一些实施例中，层厚度可以在5μm到22μm的范围内变化，或者在仍其他实施例中，可以在10μm到18μm的范围内变化。关于(多种)层材料，控制参数曲线P1或P2可以将一个或多个层限制为仅一种材料或可以排除该材料。
输注序列129指定使用控制参数曲线P1和P2来构建3D零件126的层22的有序序列。如图8的示例实施例中示意性示出的，根据第一控制参数曲线P1构建n个层22，随后根据第二控制参数曲线P2构建m个层22，随后根据相应第一和第二控制参数曲线P1和P2重复n+m个层序列。n和m的值各自为正整数。在一些实施例中，n＝m，但是在其他实施例中，n和m可以不同。在一些实施例中，n和/或m中的任一个或两个可以大于一，如在以下示例实施例中，其中第二控制参数曲线P2相对冷地输注层并且m＞1，使得3D零件126的多个层22以直接序列相对冷地构建，以便在根据具有相对强烈热和输注后冷却空气流的第一控制参数曲线P1相对热地构建n≥1个层之前，为如空隙等小构建缺陷提供了相对较好的机会被桥接或搁置。在一些示例输注序列中，图案的点是周期性地引入在输注之前已经烧结成连续膜的层22，这可以桥接或搁置先前累积零件层中的缺陷，并且从而增加所得零件将成功完成的机会。可以通过在输注之前将层22大量加热来实现烧结。单层桥层可能很脆弱，因此应该降低输注后的冷却空气速率，以免将这些层吹走；尽管在许多情况下，最好以更多的粉末形式转印零件和支撑材料，以便溶剂和捕获的气体可以更好地从新融合的层中排出(并且避免起泡)。作为另一个示例，第一控制参数曲线P1包括相对高的可加热输注压印线元件压力或力，并且第二控制参数曲线P2包括相对低的可加热输注压印线元件压力或力，这允许3D零件126的所有累积层在热扩散深度DTD内经历相对高的压力，同时随着时间减小构建表面96上的总脉冲平均值。
下表提供了控制参数曲线和相关联的输注序列的示例实施例。这些示例表仅通过示例的方式披露。许多其他的曲线和序列也是可能的。
表1
Figure BDA0003381462480000261
表2
Figure BDA0003381462480000262
表3
Figure BDA0003381462480000263
表4
Figure BDA0003381462480000271
图9是根据输注序列以分层方式构建3D零件26或126(和相关联的支撑结构)的方法的流程图。根据所展示的方法，建立x个不同的控制参数曲线P1至Px，其中x为大于或等于二的整数(步骤200-1至步骤200-x)。然后利用控制参数曲线P1到Px中的至少两个控制参数曲线来建立输注序列。然后，由基于电子照相术的增材制造系统10执行构建事件，以根据输注序列输注多个层22(步骤204)。
图10A至图10D是根据输注序列来输注层22的示例方法的流程图。例如，图10A或图10B所展示的方法中的任一种可以与图9所展示的方法结合使用。应当注意，也可以设想根据输注序列的层输注的仍进一步的实施例，如根据输注序列的进一步的实施例的层输注(例如，具有多于三个不同的控制参数曲线和/或具有更复杂的控制参数曲线的排序)。
在图10A所展示的方法中，根据第一控制参数曲线P1，将n个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中n为正整数(步骤300)。如果n＞1，则在步骤300处，可以根据第一控制参数曲线P1以连续方式输注n个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到n个层22中的任何层之间。接下来，根据不同于曲线P1的第二控制参数曲线P2，将m个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中m为正整数(步骤302)。如果m＞1，则在步骤302处，可以根据第二控制参数曲线P2以连续方式输注m个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到m个层22中的任何层之间。随着步骤300和302中每个层22的输注，热能从构建表面96被添加到3D零件26或126的先前累积层中，到达先前累积层内的热扩散深度DTD。步骤300和302一起涉及根据输注序列304将n+m个层输注到3D零件26或126的先前累积层上。n+m个层22的组合厚度可以小于热扩散深度DTD。例如，在一些实施例中，n+m个层的总厚度可以满足关系Γ*(n+m)*2＜DTD，其中Γ是层厚度。
当输注序列304完成时，进行查询以评估是否期望输注任何进一步的层(步骤306)。如果期望进一步的层输注，则方法可以返回到步骤300并且可以重复输注序列304。在替代性实施例中，在步骤306之后，可以使用不同输注序列(图10A中未示出)来输注附加层22。如果不期望进一步的层输注，则方法可以结束。
在图10B所展示的方法中，根据第一控制参数曲线P1，将n个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中n为正整数(步骤300)。如果n＞1，则在步骤300处，可以根据第一控制参数曲线P1以连续方式输注n个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到n个层22中的任何层之间。接下来，根据不同于曲线P1的第二控制参数曲线P2，将m个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中m为正整数(步骤302)。如果m＞1，则在步骤302处，可以根据第二控制参数曲线P2以连续方式输注m个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到m个层22中的任何层之间。接下来，根据不同于曲线P1和P2的第三控制参数曲线P3，将q个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中q为正整数(步骤303)。如果q＞1，则在步骤302处，可以根据第三控制参数曲线P3以连续方式输注q个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到q个层22中的任何层之间。随着步骤300、302和303中每个层22的输注，热能从构建表面96被添加到3D零件26或126的先前累积层中，到达先前累积层内的热扩散深度DTD。步骤300、302和303一起涉及根据输注序列304’将n+m+q个层输注到3D零件26或126的先前累积层上。n+m+q个层22的组合厚度可以小于热扩散深度DTD。
当输注序列304’完成时，进行查询以评估是否期望输注任何进一步的层(步骤306)。如果期望进一步的层输注，则方法可以返回到步骤300并且可以重复输注序列304’。在替代性实施例中，在步骤306之后，可以使用不同输注序列(例如，图10A所示的输注序列304)来输注继输注序列304’之后的附加层22。如果不期望进一步的层输注，则方法可以结束。
在图10C所展示的方法中，根据第一控制参数曲线P1进行n+d个输注组件轮次，其中n和d各自为正整数(步骤299)。作为n+d个输注轮次的一部分，根据第一控制参数曲线P1，将n个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上(步骤300)。作为步骤299和300的一部分，在粘合区域或构建表面96上没有新层22输注的情况下，d个输注组件轮次发生。输注组件20的非输注轮次可以涉及在典型输注事件期间执行的大部分或全部温度和压力步骤，但是没有输注新层，使得这些非输注轮次类似于虚拟轮次，这些虚拟轮次不添加到零件26或126的先前累积层，但是可以允许系统10在输注下一层22之前有时间调整一个或多个输注参数，以帮助固结多孔材料，在零件26或126上产生相对光滑的顶表面等。如果n＞1，则在步骤300处，可以根据第一控制参数曲线P1以连续方式输注n个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到n个层22中的任何层之间。在一些实施例中，在n个层输注之后，d个非输注输注组件轮次可以发生。接下来，根据不同于曲线P1的第二控制参数曲线P2，将m个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中m为正整数(步骤302)。如果m＞1，则在步骤302处，可以根据第二控制参数曲线P2以连续方式输注m个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到m个层22中的任何层之间。随着步骤300和302中每个层22的输注，热能从构建表面96被添加到3D零件26或126的先前累积层中，到达先前累积层内的热扩散深度DTD。步骤300和302一起涉及根据输注序列304”将n+m个层输注到3D零件26或126的先前累积层上。n+m个层22的组合厚度可以小于热扩散深度DTD。
当输注序列304”完成时，进行查询以评估是否期望输注任何进一步的层(步骤306)。如果期望进一步的层输注，则方法可以返回到步骤299并且可以重复输注序列304”。在替代性实施例中，在步骤306之后，可以使用不同输注序列(例如，图10B所示的输注序列304’)来输注继输注序列304”之后的附加层22。如果不期望进一步的层输注，则方法可以结束。
在控制参数曲线之间切换通常需要超过一个层循环时间。例如，系统10可以以每层约45牛顿(10lbf)使输注压印线元件力斜升。零件26或126的累积层的位于粘合区域96处或附近的顶部1-2mm的温度可能需要10-100个输注轮次(或层输注)来稳定。如果变化较慢的参数作为输注序列的部分而变化，则可以为过渡状态提供(虚拟的)非输注轮次，以允许系统10的过程参数赶上目标参数。因此，可以使用模式切换来花费输注事件或输注轮次的层时间或更多的运动，但实际上不将任何层从转印介质24转印到粘合区域96。更具体地，这可以允许输注组件20轮次实际上要在相对低的整体温度和相对高的转印压力下执行的输注层22，并且然后使输注组件轮次零件构建表面仅被轻轻按压而没有图像被转印的地方，并且累积零件层的顶部1-2mm的平均温度高。这有助于制造出既准确又坚固的零件，同时也要权衡系统10的产量有所降低。
在图10D所展示的方法中，根据第一控制参数曲线P1，将n个层22输注到3D零件26或126的先前累积层的粘合区域或构建表面96上，其中n为正整数(步骤300)。如果n＞1，则在步骤300处，可以根据第一控制参数曲线P1以连续方式输注n个层22，使得没有其他控制参数曲线用于将层输注到n个层22中的任何层之间。接下来，根据不同于曲线P1的第二控制参数曲线P2来执行输注组件20的d1个非输注轮次，其中d1为正整数(步骤302-1)，随后根据相应控制参数曲线Px来执行输注组件20的x个附加非输注轮次dx。随着步骤300和302-1至302-x中每个层22的输注，热能从构建表面96被添加到3D零件26或126的先前累积层中，到达先前累积层内的热扩散深度DTD。然后决定是否期望任何附加非输注轮次(步骤305)，如果期望，则方法可以返回到步骤302-1。步骤300、302-1至302-x以及根据步骤305的任何重复一起涉及根据输注序列304”’将n个层输注到3D零件26或126的先前累积层上。n个层22的组合厚度可以小于热扩散深度DTD。
当输注序列304”’完成时，进行查询以评估是否期望输注任何进一步的层(步骤306)。如果期望进一步的层输注，则方法可以返回到步骤300并且可以重复输注序列304”’。在替代性实施例中，在步骤306之后，可以使用不同输注序列(例如，图10B所示的输注序列304’)来输注继输注序列304”’之后的附加层22。如果不期望进一步的层输注，则方法可以结束。
表5提供了控制参数曲线和相关联的输注序列的附加示例实施例。该示例表仅通过示例的方式披露。许多其他的曲线和序列也是可能的。在根据表5的一个实施例中，n＝d，并且n可以为六。
表5
Figure BDA0003381462480000311
在一些实施例中，以上讨论的方法可以在软件和/或固件上实施，并且经由一个或多个处理器与系统10一起执行。
尽管已经参考优选实施例描述了本披露内容，但是本领域的技术人员将认识到，在不脱离本披露内容的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (22)

1.一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法，该方法包括：
建立第一控制参数曲线，其中，该第一控制参数曲线包括能够用于输注该3D零件的单个层的第一温度和压力参数组合；
建立第二控制参数曲线，其中，该第二控制参数曲线包括能够用于输注该3D零件的单个层的第二温度和压力参数组合，并且其中，该第二温度和压力参数组合不同于该第一温度和压力参数组合；
建立能够用于输注多个层的输注序列，其中，该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个；以及
根据该输注序列将n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上，其中，n和m各自为正整数，其中，在输注每个层时，热能被从该粘合区域添加到这些先前累积层，到达这些先前累积层内的热扩散深度，并且其中，这n+m个层的总厚度小于该热扩散深度，该输注步骤包括：
根据该第一控制参数曲线将n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上；以及
在输注这n个层之后，根据该第二控制参数曲线将m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上。
2.如权利要求1和3至12中任一项所述的方法，其中，该第一控制参数曲线的第一温度和压力参数组合包括用于预输注层加热器温度、可加热输注压印线元件温度、累积零件层加热器温度、累积零件层热量的入射角、压印线后冷却空气流速和可加热输注压印线元件压力的基于静电照相的增材制造系统设置，并且其中，该第二控制参数曲线的第二温度和压力参数组合包括用于预输注层加热器温度、可加热输注压印线元件温度、累积零件层加热器温度、压印线后冷却空气流速和可加热输注压印线元件压力的基于静电照相的增材制造系统设置。
3.如权利要求1至2和4至12中任一项所述的方法，其中，第一控制参数曲线包括相对高的可加热输注压印线元件温度和相对高的压印线后冷却空气流速，并且其中，该第二控制参数曲线包括适中的可加热输注压印线元件温度和相对低的压印线后冷却空气流速。
4.如权利要求1至3和5至12中任一项所述的方法，其中，m>1。
5.如权利要求1至4和6至12中任一项所述的方法，其中，至少一个n层包括由层构建错误产生的空隙，并且其中，至少一个m层在该空隙的至少部分上形成桥或搁板。
6.如权利要求1至5和7至12中任一项所述的方法，其中，该第一控制参数曲线包括相对高的可加热输注压印线元件压力，并且其中，该第二控制参数曲线包括相对低的可加热输注压印线元件压力。
7.如权利要求1至6和8至12中任一项所述的方法，其中，该热扩散深度为大约125μm到大约750μm。
8.如权利要求1至7和9至12中任一项所述的方法，其中，该热扩散深度为该3D零件的大约二十四个累积层的厚度。
9.如权利要求1至8和10至12中任一项所述的方法，并且进一步包括：
执行至少一个输注轮次，而不将新层输注到该粘合区域上。
10.如权利要求1至9和11至12中任一项所述的方法，并且进一步包括：根据该输注序列将另一个n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上。
11.如权利要求1至10和12中任一项所述的方法，其中，该第一控制参数曲线被配置为构建在第一类别中具有相对高性能并且在第二类别中具有较低性能的层，并且其中，该第二控制参数曲线被配置为构建在该第二类别中具有相对高性能并且在该第一类别中具有较低性能的层。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，该第一类别包括3D零件断裂强度，并且其中，该第二类别包括桥或搁板的形成质量。
13.一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法，该方法包括：
建立第一控制参数曲线，其中，该第一控制参数曲线包括能够用于控制该基于静电照相的增材制造系统构建该3D零件的单个层的第一温度和力参数组合，并且其中，该第一控制参数曲线被配置为构建在第一类别中具有相对高性能并且在第二类别中具有较低性能的层；
建立第二控制参数曲线，其中，该第二控制参数曲线包括能够用于控制该基于静电照相的增材制造系统构建该3D零件的单个层的第二温度和力参数组合，其中，该第二控制参数曲线被配置为构建在该第二类别中具有相对高性能并且在该第一类别中具有较低性能的层，并且其中，该第二温度和力参数组合不同于该第一温度参数和力参数组合；
建立能够用于输注多个层的输注序列，其中，该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个，该输注序列包括用于根据该第一控制参数曲线将n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上以及在输注这n个层之后根据该第二控制参数曲线将m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上的指令；
根据该输注序列将n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的粘合区域上，其中，n和m各自为正整数，其中，在输注每个层时，热能被从该粘合区域添加到这些先前累积层，到达这些先前累积层内的热扩散深度，并且其中，这n+m个层的总厚度小于该热扩散深度；以及
根据该输注序列将另一个n+m个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上。
14.如权利要求13和15至20中任一项所述的方法，其中，第一控制参数曲线包括相对高的可加热输注压印线元件温度和相对高的压印线后冷却空气流速，并且其中，该第二控制参数曲线包括适中的可加热输注压印线元件温度和相对低的压印线后冷却空气流速。
15.如权利要求13至14和16至20中任一项所述的方法，其中，m>1。
16.如权利要求13至15和17至20中任一项所述的方法，其中，至少一个n层包括由层构建错误产生的空隙，并且其中，至少一个m层在该空隙的至少部分上形成桥或搁板。
17.如权利要求13至16和18至20中任一项所述的方法，其中，第一控制参数曲线包括相对高的可加热输注压印线元件力，并且其中，该第二控制参数曲线包括相对低的可加热输注压印线元件力。
18.如权利要求13至17和19至20中任一项所述的方法，并且进一步包括：
执行至少一个输注轮次，而不将新层输注到该粘合区域上。
19.如权利要求13至18和20中任一项所述的方法，其中，该第一类别包括3D零件断裂强度，并且其中，该第二类别包括桥或搁板的形成质量。
20.如权利要求13至19中任一项所述的方法，并且进一步包括：
使用至少一个静电照相引擎来对粉末材料进行显影，以提供这n+m个层中的第一层；
在转印介质上支撑这n+m个层中的该第一层；
经由该转印介质将这n+m个层中的该第一层输送到输注组件；
在由输注压印线元件施加输注力之前，加热这n+m个层中的第一层；以及
在由该输注压印线元件施加该输注力之后，冷却该3D零件的这n+m个层中的第一层以及这些先前累积层。
21.一种利用基于静电照相的增材制造系统以分层方式制造三维(3D)零件的方法，该方法包括：
建立第一控制参数曲线，其中，该第一控制参数曲线包括能够用于输注该3D零件的单个层的第一参数组合；
建立第二控制参数曲线，其中，该第二控制参数曲线包括第二参数组合，并且其中，该第二参数组合不同于该第一参数组合；
建立能够用于利用该基于静电照相的增材制造系统的输注组件执行输注组件轮次的输注序列，这些输注组件轮次涉及n+d个输注组件轮次，其中，n和d各自为正整数，其中，该输注序列指定以指定的次序使用该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线中的每一个，以输注多个层；
根据该输注序列将n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上，其中，根据该第一控制参数曲线将这n个层输注到该3D零件的先前累积层的该粘合区域上；以及
根据该输注序列，利用该输注组件执行d个非输注轮次，其中，这d个非输注轮次不在该粘合区域上输注任何新层，并且其中，这d个非输注轮次中的至少一个是使用该第二控制参数曲线来执行的。
22.如权利要求21所述的方法，其中，根据该输注序列，利用该输注组件执行d个非输注轮次的步骤包括：
根据该第二控制参数曲线来执行d1个非输注轮次；以及
根据不同于该第一控制参数曲线和该第二控制参数曲线两者的附加控制参数曲线来执行d2个非输注轮次。
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