CN115570152A - 金属液滴喷射三维（3d）物体打印机和用于形成金属支撑结构的操作方法 - Google Patents

Abstract

三维(3D)金属物体制造装置被配置为增加喷射的熔融金属液滴的氧化，以在利用设备制造金属物体期间形成金属支撑结构。氧化可以通过增加喷射器头部与支撑金属物体的平台之间的距离，或通过提供横向于熔融金属液滴的移动方向的气流，或两者来增加。

Description

金属液滴喷射三维(3d)物体打印机和用于形成金属支撑结构 的操作方法

技术领域

本公开涉及三维(3D)物体打印机，其喷射熔融金属液滴以形成物体，并且更具体地，涉及用于利用此类打印机形成物体的金属支撑结构的形成。

背景技术

三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制备三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材法，其中增材制造设备在先前沉积的层的顶部上形成部件的连续层。这些技术中的一些技术使用喷射UV可固化材料的喷射器，诸如光聚合物或弹性体。打印机通常操作一个或多个挤出机以形成塑性材料的连续层，以构造具有各种形状和结构的三维打印物体。在形成三维打印物体的每一层之后，将塑性材料进行UV固化并硬化以将该层粘结到三维打印物体的下面层。这种增材制造方法与传统物体形成技术不同，该传统物体形成技术主要依赖于通过减成法(诸如切割或钻孔)从工件上去除材料。

最近，已经开发出一些3D物体打印机，从一个或多个喷射器喷射熔融金属液滴以形成3D物体。这些打印机具有固体金属源，诸如线材辊或球丸，其被进料到打印机中贮器的加热接收器中，其中固体金属熔融并且熔融金属填充接收器。接收器由非导电材料制成，电线围绕所述接收器包裹以形成线圈。电流穿过线圈以产生电磁场，该电磁场致使接收器的喷嘴处的熔融金属的弯月面与接收器内的熔融金属分离并且从喷嘴推进。与喷射器的喷嘴相对的平台通过控制器操作致动器而在平行于平台平面的X-Y平面上移动，使得喷射的金属液滴在平台上形成物体的金属层，并且另一个致动器由控制器操作以改变喷射器或平台在竖直方向或Z方向上的位置，以维持喷射器与所形成的金属物体的最上层之间的恒定距离。这种类型的金属液滴喷射打印机也被称为磁流体动力学(MHD)打印机。

在使用弹性体材料的3D物体打印系统中，通过使用另外的喷射器以喷射不同材料的液滴来形成临时支撑结构，以形成用于悬垂物和在形成物体期间远离物体延伸的其他物体特征的支撑件。因为这些支撑结构是由与形成物体的材料不同的材料制成的，所以它们不能与物体很好地粘附或粘结。因此，这些支撑结构可以很容易地与在物体制造期间它们所支撑的物体特征分离，并在物体形成完成后从物体移除。而金属液滴喷射系统则不是这样。如果打印机中的熔融金属用于形成支撑结构，其中金属被喷射以形成物体，则该结构与物体的在其固化时需要支撑的特征紧密粘结。因此，需要大量的机械加工和抛光来从物体移除支撑件。在这种制造后处理期间可以对物体造成损坏。使用不同金属来协调另一台金属液滴喷射打印机是困难的，因为不同金属的热条件可以影响物体形成系统的构建环境。例如，具有较高熔融温度的支撑结构金属可以弱化或软化形成物体的金属，或者具有较低熔融温度的支撑金属结构可以在物体特征接触结构时弱化。能够形成支撑结构将是有益的，这些支撑结构使得金属液滴喷射打印机能够形成金属物体悬垂物和其他延伸特征。

发明内容

操作3D金属物体打印机的新方法形成支撑结构，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。该方法包括当从喷射器头部中的接收器喷射熔融金属液滴时，在熔融金属液滴周围供应惰性气体；用控制器检测数字模型中的支撑结构层；生成在熔融金属液滴已从喷射器头部内的接收器喷射之后增加喷射的熔融金属液滴的氧化的机器就绪指令；以及执行所生成的机器就绪指令以操作金属液滴喷射装置以在平台上形成金属物体期间利用氧化的熔融金属液滴形成支撑结构，该平台被定位成接收从喷射器头部喷射的熔融金属液滴。

新的3D金属物体打印机形成支撑结构，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。新的3D金属物体打印机包括喷射器头部，该喷射器头部具有贮器，该贮器内具有接收器，该喷射器头部被配置为从接收器喷射熔融金属液滴；加热器，该加热器被配置为当贮器处于喷射器头部中时，将该贮器加热至足以使贮器的接收器内的固体金属熔融的温度；平台，该平台被定位成接收从贮器的接收器喷射的熔融金属液滴；惰性气体源，该惰性气体源被配置为在熔融金属液滴朝向平台移动时提供包围这些熔融金属液滴的惰性气体流；以及控制器，该控制器被配置为检测数字模型中的支撑结构层，生成在熔融金属液滴已被喷射之后增加所喷射的熔融金属液滴的氧化的机器就绪指令，以及执行所生成的机器就绪指令以操作金属液滴喷射装置以在用金属液滴喷射装置形成金属物体期间利用氧化的熔融金属液滴形成支撑结构。

附图说明

下面结合附图说明了用于形成支撑结构的方法的前述方面和其他特征，在没有不利地影响3D金属物体打印机和实现该方法的3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密地粘附到由这些结构支撑的物体特征。

图1描绘了新的3D金属物体打印机，其形成支撑结构，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。

图2描绘了新的3D金属物体打印机的另选实施方案，其形成支撑结构，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。

图3是形成支撑结构的过程的流程图，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。

图4描绘了现有技术3D金属打印机，其不包括用于形成支撑结构的部件，在没有不利地影响3D金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。

具体实施方式

为了如本文所公开的3D金属物体打印机及其操作的环境以及该打印机及其操作的细节的一般性理解，参考附图。在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。

图4示出了先前已知的3D金属物体打印机100的实施方案，其喷射单一熔融金属的液滴以在不使用支撑结构的情况下形成物体。在图4的打印机中，从具有单个喷嘴108的可移除贮器104的接收器喷射熔融块体金属液滴，并且来自喷嘴的液滴在平台112上形成用于物体的层的条带。如本文档中所用，术语“可移除贮器”是指具有被构造用于保持液体或固体物质的接收器的中空容器，并且该容器作为整体被构造用于在3D金属物体打印机中进行安装和移除。如本文档中所用，术语“贮器”是指具有被构造用于保持液体或固体物质的接收器的中空容器，并且该容器作为整体被构造用于从3D金属物体打印机安装和移除。如本文档中所用，术语“块体金属”是指可以聚集体形式获得的导电金属，诸如通常可用规格的线材或宏观尺寸比例的球丸。

进一步参考图4，将块体金属源116(诸如金属线材120)进料到线材引导件124中，该线材引导件延伸穿过喷射器头部140中的上壳体122并且在可移除贮器104的接收器中熔融，以提供熔融金属以用于通过喷射器头部140的底板114中的孔口110从喷嘴108喷射。如本文档中所用，术语“喷嘴”是指以流体方式连接到容纳熔融金属的贮器的接收器内的容积的孔口，该孔口被构造用于从贮器内的接收器排出熔融金属液滴。如本文档中所用，术语“喷射器头部”是指3D金属物体打印机的熔融、喷射和调节熔融金属液滴的喷射以用于产生金属物体的壳体和部件。熔融金属液位传感器184包括激光传感器和反射传感器。激光从熔融金属液位的反射由反射传感器检测，该反射传感器生成指示到熔融金属液位的距离的信号。控制器接收这种信号并确定熔融金属的体积在可移除贮器104中的液位，因此其可以在可移除贮器的接收器中被维持在上液位118处。可移除贮器104滑入加热器160中，使得加热器的内径接触可移除贮器，并且能够将可移除贮器的接收器内的固体金属加热至足以使固体金属熔融的温度。如本文档中所用，术语“固体金属”是指如由元素周期表所定义的金属或由这些金属形成的合金，其是固体形式而不是液体或气体形式。加热器与可移除贮器分隔以在加热器与可移除贮器104之间形成容积。惰性气体供应源128通过气体供应管132向喷射器头部提供惰性气体(诸如氩气)的压力调节源。气体流过加热器与可移除贮器之间的容积，并且围绕喷嘴108和底板114中的孔口110离开喷射器头部。这种靠近喷嘴的惰性气体流将熔融金属的喷射液滴与底板114处的环境空气隔绝，以防止在喷射液滴飞行期间形成金属氧化物。喷嘴和喷射的金属液滴所降落在的表面之间的间隙有意保持足够小，以使围绕喷嘴离开的惰性气体在惰性气体流内的液滴降落之前不消散。

喷射器头部140可动地安装在Z轴轨道内，以用于喷射器头部相对于平台112竖直移动。一个或多个致动器144操作地连接到喷射器头部140以沿着Z轴移动喷射器头部，并且操作地连接到平台112以在喷射器头部140下方的X-Y平面中移动平台。致动器144由控制器148操作，以维持喷射器头部140的底板114中的孔口110与平台112上的物体的最上表面之间的适当距离。

当朝平台112喷射熔融金属液滴时，在X-Y平面中移动平台112可形成正在形成的物体上的熔融金属液滴的条带。控制器148还操作致动器144以调整喷射器头部140与衬底上最近形成的层之间的竖直距离，以便于在物体上形成其他结构。虽然熔融金属3D物体打印机100在图4中被描绘为以竖直取向操作，但是也可采用其他另选取向。另外，虽然图4所示的实施方案具有在X-Y平面中移动的平台并且喷射器头部沿Z轴移动，但其他布置方式也是可能的。例如，致动器144能够被构造用于使喷射器头部140在X-Y平面中并且沿着Z轴移动，或者这些致动器能够被构造用于在X-Y平面和Z轴两者中移动平台112。

控制器148操作开关152。能够选择性地由控制器操作一个切换装置152以将电功率从源156提供到加热器160，同时能够选择性地由控制器操作另一个切换装置152以从另一个电源156向线圈164提供电功率，以用于生成从喷嘴108喷射液滴的电场。因为加热器160在高温下生成大量热量，所以线圈164定位在由喷射器头部140的一个壁(圆形)或更多个壁(直线形状)形成的室168内。如本文档中所用，术语“室”是指金属液滴喷射打印机内的一个或多个壁内所容纳的容积，3D金属物体打印机的加热器、线圈和可移除贮器定位在该容积中。可移除贮器104和加热器160定位在此类室内。该室通过泵176以流体方式连接到流体源172，并且还以流体方式连接到热交换器180。如本文档中所用，术语“流体源”是指具有可用于吸收热量的特性的液体的容器。热交换器180通过返回件连接到流体源172。来自源172的流体流过室以从线圈164吸收热量，并且流体携带所吸收的热量通过交换器180，在该交换器处通过已知方法移除热量。经冷却的流体返回到流体源172，以进一步用于将线圈的温度保持在适当的可操作范围内。

3D金属物体打印机100的控制器148需要来自外部源的数据以控制用于金属物体制造的打印机。通常，将要形成的物体的三维模型或其他数字数据模型存储在操作地连接到控制器148的存储器中。控制器可以选择性地通过服务器等、存储数字数据模型的远程数据库或存储数字数据模型的计算机可读介质来访问数字数据模型。该三维模型或其他数字数据模型由用控制器实现的截剪器处理以生成机器就绪指令，这些机器就绪指令用于由控制器148以已知方式执行，从而操作打印机100的部件并形成对应于模型的金属物体。机器就绪指令的生成可包括中间模型的产生(诸如当设备的CAD模型被转变为STL数据模型、多边形网片或其他中间表示时)，继而能够处理该中间模型以生成机器指令，诸如用于由打印机制造物体的G代码。如本文档中所用，术语“机器就绪指令”是指由计算机、微处理器或控制器执行以操作3D金属物体增材制造系统的部件以在平台112上形成金属物体的计算机语言命令。控制器148执行机器就绪指令以控制熔融金属液滴从喷嘴108的喷射、平台112的定位以及保持孔口110与平台112上的物体的最上层之间的距离。

图1中示出了一种新的3D金属物体打印机100'，使用相同的参考标号来表示相同的部件。控制器148'已被配置有存储在操作地连接到控制器的非暂时性介质中的编程指令，当由控制器执行时，这些编程指令致使控制器检测模型数据中的金属支撑结构层，并生成机器就绪指令，这些机器就绪指令操作致动器144中的一个或多个致动器，以维持喷嘴108与物体或平台112之间的距离，这使得离开孔口110的惰性气体能够在喷射的金属液滴降落在物体或平台上之前消散。因为喷射的液滴周围的惰性气体消散，空气中的氧气和水将金属液滴氧化到足以形成金属支撑结构的程度，这些金属支撑结构不会牢固地粘附到这些结构所接触的物体特征上。因此，在物体的制造完成后，支撑结构可以与物体分离而无需机加工。

图1中示出了一种新的3D金属物体打印机100'的另一个实施方案，使用相同的参考标号来表示相同的部件。控制器148”已被配置有存储在操作地连接到控制器的非暂时性介质中的编程指令，当由控制器执行时，这些编程指令致使控制器检测模型数据中的金属支撑结构层，并生成机器就绪指令，这些机器就绪指令操作气流发生器188以产生横向于喷射的金属液滴的飞行路径的气流，以使惰性气体消散并在喷射的金属液滴降落在物体或平台之前将喷射的液滴引入氧气和水中。因为喷射液滴周围的惰性气体消散，横向气流中的氧气和水将金属液滴氧化到足以形成金属支撑结构的程度，这些金属支撑结构不会牢固地粘附到这些结构所接触的物体特征上。因此，在物体的制造完成后，支撑结构可以与物体分离而无需机加工。加湿器192和氧气源196通过阀198连接到气流发生器188。控制器148'选择性地控制阀198以将氧气、水蒸气或两者施加到气流发生器188，以改变横向气流中氧气和水蒸气的量。以这种方式，可以调节金属氧化的量以改变支撑结构层在支撑结构内和对物体的粘附程度。气流发生器可以是风扇、加压空气源，例如空气喷射器等。

控制器148’和148”能够用执行编程指令的一个或多个通用或专用可编程处理器实现。执行编程功能所需的指令和数据可以存储在与处理器或控制器相关联的存储器中。处理器、处理器的存储器和接口电路配置控制器来执行前面描述的以及下面描述的操作。这些组件可以设置在印刷电路卡上，或者设置为专用集成电路(ASIC)中的电路。每个电路可以由单独的处理器实现，或者多个电路可以在同一处理器上实现。另选地，这些电路可以由分立元件或设置在超大规模集成(VLSI)电路中的电路来实现。此外，本文所述描述的电路可以用处理器、ASIC、分立元件或VLSI电路的组合来实现。在金属物体形成期间，用于要产生的结构的图像数据从扫描系统或者从在线连接或工作站连接被发送到控制器148’或控制器148”的一个或多个处理器，以用于处理和生成操作打印机100’或打印机100”的部件以在平台112上形成物体和支撑结构的信号。

图3中示出了用于操作3D金属物体打印机100'以在金属物体形成期间形成支撑结构的过程。在该过程的描述中，该过程正在执行某一任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行编程指令以操作打印机中的一个或多个部件来执行任务或功能，该编程指令存储在操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中。上述控制器148’和控制器148”可以是此类控制器或处理器。另选地，控制器可由多于一个的处理器和相关联的电路和部件来实现，它们中的每一者均被配置为形成本文所描述的一个或多个任务或功能。此外，该方法的步骤可以以任何可行的时间顺序执行，而与图中所示的顺序或描述处理的顺序无关。

图3是过程300的流程图，该过程在金属物体形成期间引入有利于金属氧化以形成支撑结构的环境，并且控制器148’和148”被配置为执行存储在操作地连接的非暂时性存储器中的编程指令以实现该过程。该过程开始于检测正被处理的数字数据模型中的金属支撑层以生成机器就绪指令(方框304)。该过程生成机器就绪指令，这些机器就绪指令增强打印机内的环境以利用金属氧化物材料形成支撑结构(方框308)。在打印机100'中，执行机器就绪指令以增加喷射器头部与平台112的分隔，因此惰性气体在喷射的金属液滴降落之前消散(方框312)。在打印机100”中，执行机器就绪指令以操作气流发生器188和阀198，以引入具有不同量的氧气和水蒸气的横向气流以使惰性气体消散并且使金属液滴氧化从而形成支撑结构(方框316)。

应当理解的是，以上公开的与其他特征和功能的变型或其替代者可期望地被组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。例如，虽然已经描述增加喷射器头部与平台之间的分隔以增加喷射的金属液滴的氧化的实施方案，但是已经描述了产生横向气流以增加熔融金属液滴的氧化的另一实施方案，这些实施方案可以组合，因此可以在单个打印机中存在用于增加金属氧化的两种机制。本领域的技术人员随后可做出各种当前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被以下权利要求书涵盖。

Claims (20)

1.一种金属液滴喷射装置，包括：

喷射器头部，所述喷射器头部具有贮器，所述贮器内具有接收器，所述喷射器头部被配置为从所述接收器喷射熔融金属液滴；

加热器，所述加热器被配置为当所述贮器处于所述喷射器头部中时，将所述贮器加热至足以使所述贮器的所述接收器内的固体金属熔融的温度；

平台，所述平台被定位成接收从所述贮器的所述接收器喷射的熔融金属液滴；

惰性气体源，所述惰性气体源被配置为在所述熔融金属液滴朝向所述平台移动时提供包围所述熔融金属液滴的惰性气体流；以及

控制器，所述控制器被配置为：

检测数字模型中的支撑结构层；

生成在所述熔融金属液滴已被喷射之后增加所喷射的熔融金属液滴的氧化的机器就绪指令；以及

执行所生成的机器就绪指令以操作所述金属液滴喷射装置以在用金属液滴喷射装置形成金属物体期间利用氧化的熔融金属液滴形成支撑结构。

2.根据权利要求1所述的金属液滴喷射装置，还包括：

至少一个致动器，所述至少一个致动器操作地连接到所述喷射器头部和所述平台中的至少一者；并且

所述控制器操作地连接到所述至少一个致动器，所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述至少一个致动器以增加所述喷射器头部与所述平台之间的距离，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

3.根据权利要求1所述的金属液滴喷射装置，还包括：

气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述气流发生器以将气流横向引导至所喷射的熔融金属液滴的路径，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

4.根据权利要求3所述的金属液滴喷射装置，还包括：

加湿器，所述加湿器通过第一阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述第一阀以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的水蒸气的量。

5.根据权利要求4所述的金属液滴喷射装置，还包括：

氧气源，所述氧气源通过第二阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述第二阀以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

6.根据权利要求3所述的金属液滴喷射装置，还包括：

氧气源，所述氧气源通过第二阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述第二阀以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

7.根据权利要求2所述的金属液滴喷射装置，还包括：

气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述气流发生器以将气流横向引导至所喷射的熔融金属液滴的路径，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

8.根据权利要求7所述的金属液滴喷射装置，还包括：

加湿器，所述加湿器通过第一阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述加湿器以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的水蒸气的量。

9.根据权利要求8所述的金属液滴喷射装置，还包括：

氧气源，所述氧气源通过第二阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述加湿器以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

10.根据权利要求7所述的金属液滴喷射装置，还包括：

氧气源，所述氧气源通过第二阀操作地连接到所述气流发生器；并且

所述控制器还被配置为：

执行所生成的机器就绪指令以操作所述加湿器以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

11.一种操作金属液滴喷射装置的方法，包括：

当从喷射器头部中的接收器喷射熔融金属液滴时，在所述熔融金属液滴周围供应惰性气体；

用控制器检测数字模型中的支撑结构层；

生成在所述熔融金属液滴已从所述喷射器头部内的所述接收器喷射之后增加喷射的熔融金属液滴的氧化的机器就绪指令；以及

执行所生成的机器就绪指令以操作所述金属液滴喷射装置以在平台上形成金属物体期间利用氧化的熔融金属液滴形成支撑结构，所述平台被定位成接收从所述喷射器头部喷射的所述熔融金属液滴。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作操作地连接到所述喷射器头部和所述平台中的一者的至少一个致动器，以增加所述喷射器头部与所述平台之间的距离，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作气流发生器以将气流横向引导至所喷射的熔融金属液滴的路径，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作操作地连接到所述气流发生器的加湿器以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的水蒸气的量。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作氧气源以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作氧气源以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作气流发生器以将气流横向引导至所喷射的熔融金属液滴的路径，以在所喷射的熔融金属液滴降落之前增加所喷射的熔融金属液滴的氧化。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作加湿器以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的水蒸气的量。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作氧气源以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括：

执行所生成的机器就绪指令以操作氧气源以增加由所述气流发生器产生的所述气流中的氧气的量。

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