CN115722686A - 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)金属物体制造装置配备有可移动的定向能量源，以熔融硬化金属液滴并形成氧化层。金属支撑结构可以形成在该氧化层之上，物体特征可以形成在该氧化层之上，或者金属支撑结构和物体特征两者均可以形成在位于金属支撑结构的相对侧的氧化层之上。氧化层将金属支撑结构弱附接到由金属支撑结构支撑的物体特征上，因此可在完成制造物体之后容易地移除支撑结构。

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，该三维物体打印机喷射熔融金属液滴以形成物体，并且更具体地，涉及金属支撑结构的形成，该形成使用的是用于在此类打印机中形成物体的喷射的金属。

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零件的连续层。这些技术中的一些使用喷射可UV固化材料的喷射器，该可UV固化材料诸如光聚合物或弹性体，而其他的则是熔融塑料材料以产生热塑性材料，该热塑性材料被挤出以形成连续的热塑性材料层。这些技术用于构造具有各种形状和特征的三维物体。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，该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金属物体。这些打印机具有固体金属源，诸如线材卷、宏观尺寸的球粒或金属粉末，并且将固体金属馈送到打印机中贮器的加热接收器中，其中固体金属被熔融并且熔融金属填充接收器。接收器由非导电材料制成，电线围绕该接收器包裹以形成线圈。电流通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液滴的从所述接收器内的熔融金属分离并且从所述喷嘴被推射出去。平台被配置成通过控制器操作致动器在平行于平台平面的X-Y平面中移动，因此从喷嘴喷射的熔融金属液滴在平台上形成物体的金属层。控制器操作另一个致动器以改变喷射器或平台的位置，以维持喷射器与形成中的金属物体的现有层之间的恒定距离。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，所以它们可以被设计成不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。如果打印机中用于形成物体的熔融金属也用于形成支撑结构，则该支撑结构与物体特征会坚固地粘结，其中该物体特征在固化期间需要支撑件。因此，需要大量的机械加工和抛光来从物体移除支撑件。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两台打印机的构建环境。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具有较低熔融温度的支撑金属结构，当采用较高温度的熔融金属制成的物体特征接触该具有较低熔融温度的支撑金属结构时，该物体可能弱化该支撑金属结构。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。所述方法包括用控制器操作至少一个致动器，以将定向能量源移动到在平面构件上的部分形成的硬化金属物体上，并且用所述控制器操作定向能量源以在所述硬化金属物体的表面上形成第一氧化层。

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。所述新的3D金属物体打印机包括喷射器头部，所述喷射器头部具有内带接收器的贮器，所述贮器被配置成容纳大量熔融金属；平面构件，所述平面构件被定位成接收从所述喷射器头部喷射的熔融金属液滴；定向能量源，所述定向能量源被配置成朝向所述平面构件引导能量束；至少一个致动器，所述至少一个致动器操作地连接到所述定向能量源和所述平面构件；以及控制器，所述控制器操作地连接到所述至少一个致动器和所述定向能量源，所述控制器被配置成操作所述定向能量源，以将能量束引导到硬化的金属上面以在所述硬化的金属上形成第一氧化层。

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示出了图1中所示的3D金属物体打印机的用途，以形成不紧密粘附到物体特征的支撑结构。

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是现有技术的3D金属打印机的框图，该3D金属打印机不包括部件，该部件用于形成采用用于形成物体的相同金属制成的支撑结构。

具体实施方式

为了对如本文所公开的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，该3D金属物体打印机无法使用用于形成金属物体的相同熔融金属来形成支撑结构，而不导致支撑结构太过紧密粘附到物体特征的情况。在图4的打印机中，熔融块体金属液滴从具有单个喷嘴108的可移除贮器104的接收器被喷射，以在构建平台112上形成所制造物体的层。如本文档中所用，术语“可移除贮器”是指具有被构造成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成在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”是指具有被构造成保持液体或固体物质的接收器的中空容器，该容器作可以被构造成在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“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、宏观尺寸的球粒以及金属粉末。

进一步参考图4，块体金属的源116(诸如金属线材120)被进料到线材引导件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，以提供熔融金属用于通过喷射器头部140的底板114中的孔110从喷嘴108喷射。如本文档中所用，术语“喷嘴”是指流体连接到容纳熔融金属的贮器的接收器内的容积的孔，该孔被构造成从贮器内的接收器中排出熔融金属液滴。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保持在适当液位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熔融固体金属的温度。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离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110离开喷射器头部。这种邻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。喷嘴与喷射的金属滴降落的表面之间的间隙有意地保持足够小，使得在喷嘴周围离开的惰性气体在这种惰性气体流中的液滴降落之前不会消散。

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，以保持喷射器头部140的底板114中的孔110与平台112上的物体的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能够被构造成使喷射器头部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成在X-Y平面和Z轴两者中移动平台112。

控制器148操作切换装置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以将电功率从另一个电源156提供到线圈164，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定位在这种室内。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打印机用于金属物体制造。通常，待形成的物体的三维模型或其它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选择性地访问数字数据模型。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，该指令用于由控制器148以已知方式执行，从而操作打印机100的部件并且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喷射、平台112的定位以及保持孔110与平台112上的物体的表面之间的距离。

图1中示出了一种新的3D金属物体打印机100'，它使用类似部件的类似参考号，并且移除了不用于形成在形成期间不紧密粘附于物体的金属支撑结构的部件中的一些。打印机100'包括由控制器148'操作的定向能量源188，该控制器被配置有存储在连接到控制器的非暂时性存储器中的编程指令，因此当控制器148'执行编程的指令时，它操作定向能量源和致动器，如下文所描述，移动定向能量源以采用用于形成金属物体的相同熔融金属形成金属支撑结构界面，而不将支撑结构过于坚固地附接到所支撑的物体特征。如本文档中所使用的，术语“定向能量源”是指光、原子颗粒或亚原子颗粒的聚焦束流的发生器，该聚焦料流具有足够的能量来再熔融用于在氧气存在下形成金属物体特征的金属。图1中所示的定向能量源是可以具有足以在氧气存在下重新熔化金属构建材料的任何波长或功率的激光器。在其他实施方案中，定向能量源包括原子颗粒、电子束或其他亚原子颗粒的发生器。用于形成支撑结构界面的激光器的类型不同于在熔融金属水平传感器中使用的激光器，因为其强度和波长足以熔化在由喷射器头部140喷射之后已经硬化的金属液滴。如本文所用，术语“再熔融”意指将金属升高到足以引起硬化金属变成液体的温度。此温度被称为液相线温度。如本文所用，术语“硬化金属”是指具有变成固体的相变的熔融金属。在一个实施方案中，加热硬化金属的温度的目标范围在液相线温度至高于液相线温度约25℃的温度之间。

打印机100'通过采用从喷射器头部140喷射的熔融金属形成支撑层来形成金属支撑结构，并且然后操作定向能量源以在不存在惰性气体的情况下再熔融支撑结构层。环境空气中的再熔融导致支撑结构层的氧化。支撑结构的附加层形成有熔融金属液滴，该熔融金属液滴主要是未被氧化的，直到形成支撑结构的最终层为止。该最终层也在环境空气中再熔融，因此中间的支撑结构在结构的基部和其最终层两者处弱附接到物体。这些弱附接使支撑结构能够在物体完成之后容易地移除。打印机100'还包括气流发生器192。气流发生器192可以是电风扇、加压空气源等。控制器148'操作地连接到气流发生器192以选择性地操作气流发生器，而氧化层得以形成以增强氧化层的形成。

图3示出示例性过程的五个步骤，用于形成多个弱附接的支撑结构，该支撑结构用于在采用图1的打印机形成的金属物体中的水平悬垂物。在步骤(A)中，使用以已知方式从喷射器头部喷射的熔融金属液滴在平台112上形成多个金属支撑柱304。在步骤(B)中，以相同的方式形成封盖结构308。在步骤(C)中，控制器148'操作致动器144和激光器188，以使激光束在封盖结构308上方移动，并在不存在惰性气体情况下将封盖结构加热到足以至少熔融封盖结构的最上层的一部分的温度。此再熔融的封盖结构308形成氧化层。在步骤(D)中，在封盖结构308的氧化层上形成水平悬垂物312。在完成物体的制造之后，如在步骤(E)中所示，可以容易地移除柱304，因为封盖结构上的氧化层会衰减悬垂物312的基础层与封盖结构308之间的粘合。

控制器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。这些部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部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、分立部件或VLSI电路的组合来实现。在金属物体形成期间，用于待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工位连接被发送到控制器148'的一个或多个处理器，以用于处理和生成操作打印机100'的部件以在平台112上形成物体的信号。

图3中示出了用于操作3D金属物体打印机100'以形成弱附接到物体特征的金属支撑结构的过程。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纵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态计算机可读存储介质中。上述控制器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，该过程使用激光器和控制器148'，该控制器被配置成执行存储在操作地连接到该控制器的非暂时性存储器中的编程指令，以构建金属支撑结构，该金属支撑结构弱附接到其支撑或在其上构建的物体特征。该过程形成物体的层(框304)，直到检测到用于支撑结构的基础层(框308)。控制器操作致动器和激光器以再熔融形成的最后层，从而可形成氧化层(框312)。支撑结构由从喷射器头部喷射的熔融金属液滴形成(框316)。控制器操作致动器和激光器，以再熔融为支撑结构形成的最后一层，从而可形成氧化层(框320)。由金属支撑结构支撑的物体特征形成于支撑结构的氧化层上(框324)。当完成物体的制造时(框328)，通过在氧化层处对支撑结构施加应力来移除支撑结构(框332)。

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。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，所述金属液滴喷射装置包括：

喷射器头部，所述喷射器头部具有内带接收器的贮器，所述贮器被构造成保持大量熔融金属；

平面构件，所述平面构件被定位成接收从所述喷射器头部喷射的熔融金属液滴；

定向能量源，所述定向能量源被配置成朝向所述平面构件引导能量束；

至少一个致动器，所述至少一个致动器操作地连接到所述定向能量源和所述平面构件；以及

控制器，所述控制器操作地连接到所述至少一个致动器和所述定向能量源，所述控制器被配置成操作所述定向能量源，以将所述能量束引导到硬化金属上以在所述硬化金属上形成第一氧化层。

2.根据权利要求1所述的金属液滴喷射装置，其中所述定向能量源是激光器。

3.根据权利要求1所述的金属液滴喷射装置，其中所述定向能量源是原子或亚原子颗粒束的发生器。

4.根据权利要求2所述的金属液滴喷射装置，所述控制器被进一步配置成：

操作所述喷射器头部以在所述第一氧化层上形成一层或多层所述熔融金属液滴，以在所述第一氧化层上形成金属支撑结构。

5.根据权利要求4所述的金属液滴喷射装置，所述控制器被进一步配置成：

操作所述喷射器头部以将熔融金属液滴喷射到所述硬化金属上以形成所述金属支撑结构的最后一层；以及

操作所述至少一个致动器以使所述激光束在所述金属支撑结构的所述最后一层之上移动，同时操作所述激光器以在所述金属支撑结构的所述最后一层上形成第二氧化层。

6.根据权利要求5所述的金属液滴喷射装置，所述控制器被进一步配置成：

操作所述喷射器头部以在所述第二氧化层上形成一层或多层所述熔融金属液滴，以在所述第二氧化层上形成物体特征。

7.根据权利要求6所述的金属液滴喷射装置，所述金属液滴喷射装置进一步包括：

气流发生器；

所述控制器操作地连接到所述气流发生器，并且所述控制器被进一步配置成：

操作所述气流发生器以向用所述激光束照射的所述硬化金属的区域引导空气。

8.根据权利要求7所述的金属液滴喷射装置，其中所述气流发生器是电风扇或加压空气源。

9.根据权利要求3所述的金属液滴喷射装置，所述金属液滴喷射装置进一步包括：

气流发生器；

所述控制器操作地连接到所述气流发生器，并且所述控制器被进一步配置成：

操作所述气流发生器以朝向用所述原子或亚原子颗粒束照射的所述硬化金属的区域引导空气。

10.根据权利要求9所述的金属液滴喷射装置，其中所述气流发生器是电风扇或加压空气源。

11.一种操作金属液滴喷射装置的方法，所述方法包括：

用控制器操作至少一个致动器，以使定向能量源在平面构件上的部分形成的硬化金属物体之上移动；以及

用所述控制器操作所述定向能量源以在所述硬化金属物体的表面上形成第一氧化层。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述定向能量源是激光器。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述定向能量源是原子或亚原子颗粒束的发生器。

14.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括：

用所述控制器操作喷射器头部以在所述第一氧化层上形成一层或多层熔融金属液滴，以在所述第一氧化层上形成金属支撑结构。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括：

用所述控制器操作所述喷射器头部以喷射熔融金属液滴并形成所述金属支撑结构的最后一层；以及

用所述控制器操作所述至少一个致动器以使所述激光束在所述金属支撑结构的所述最后一层之上移动，以在所述金属支撑结构上形成第二氧化层。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括：

操作所述喷射器头部以在所述第二氧化层上形成一层或多层熔融金属液滴，以在所述第二氧化层上形成物体特征。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：

用所述控制器操作气流发生器以朝向用所述激光束照射的所述硬化金属物体的表面的区域引导空气。

18.根据权利要求17所述的方法，所述气流发生器的所述操作进一步包括：

操作电风扇或加压空气源，以朝向用所述激光束照射的所述硬化金属物体的所述表面的区域引导空气。

19.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括：

用所述控制器操作气流发生器以朝向用所述原子或亚原子颗粒束照射的所述硬化金属物体的所述表面的区域引导空气。

20.根据权利要求19所述的方法，所述气流发生器的所述操作进一步包括：

操作电风扇或加压空气源以朝向用原子或亚原子颗粒束照射的所述硬化金属物体的表面的区域引导空气。

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