TWI583538B - 產生三維物件之技術 - Google Patents

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阿利 伊瑪喬美
艾利克Ｇ 維斯涅爾
溫斯洛普 賈德斯
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惠普發展公司有限責任合夥企業
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Description

產生三維物件之技術
本發明係有關於產生三維物件之技術。
以一層接一層為基礎產生三維物件的層積造型系統已經被提出作為用以產生三維物件，例如，客製製造物品或原型，之一可能有效方法。藉由此等系統所產生之物件的解析度和材料性質可能取決於所使用之層積造型技術類型而廣泛地變化。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用以產生一個三維物件之系統，該系統包含：第一和第二劑料分配器，其用以分別地選擇性遞送一黏合劑料和一聚結劑料至一層建構材料之部份上；以及一控制器，其用以控制該等第一和第二劑料分配器以分別地選擇性遞送該黏合劑料和該聚結劑料至自代表將被產生的該三維物件之一切片的資料所導出之樣型之該層的分別之第一和第二部份上，其中具有該黏合劑料之該第一部份是用以黏合以及凝固成為一黏合劑矩陣，並且其中當能量被施加至該層時具有該聚結劑料之該第二部份將會聚結和凝固。
100‧‧‧系統
102‧‧‧第一劑料分配器
104‧‧‧第二劑料分配器
106‧‧‧控制器
110、300‧‧‧產生三維物件方法
112-118、302-308‧‧‧產生三維物件步驟
120‧‧‧非暫態電腦可讀取儲存媒體
122-126‧‧‧指令
200‧‧‧層積造型系統
202a-g、206‧‧‧劑料分配器
204‧‧‧支撐構件
208‧‧‧劑料遞送控制資料
210‧‧‧系統控制器
212‧‧‧處理器
214‧‧‧匯流排
216‧‧‧電腦可讀取儲存媒體
218‧‧‧指令
220‧‧‧輸入裝置
222‧‧‧輸出裝置
224‧‧‧建構材料分配器
226‧‧‧能量源
402a、402b‧‧‧建構材料層
404‧‧‧聚結劑料
406a、406b‧‧‧黏合劑料
408‧‧‧黏合修飾劑料
414‧‧‧補償部份
410、412、510、512、610、710、712、714‧‧‧建構材料部份
一些範例關於下面圖形被說明：圖1a例示根據一些範例用以產生三維物件之系統；圖1b是例示根據一些範例用以產生三維物件之方法的流程圖；圖1c是例示根據一些範例之一非暫態電腦可讀取儲存媒體的方塊圖；圖2是根據一些範例之一層積造型系統的簡化等位分解例示圖；圖3是例示根據一些範例以產生一三維物件之方法的流程圖；圖4a展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面側視圖；圖4b展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面側視圖；圖4c展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面側視圖；圖4d展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面側視圖；圖5展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面頂視圖；圖6展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面頂視圖；圖7展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面 頂視圖；以及圖8展示根據一些範例之一建構材料層的橫截面頂視圖。
當藉由發明說明或申請專利範圍所引述時，下面的專門名詞應理解是指如下面所述之意。單數形式之“一”、“一個”、以及“該”是指“一個或多個”之意。用詞“包括”和“具有”是意欲具有如用詞“包含”之相同範圍的含意。
一些層積造型系統透過連續的建構材料層(例如，一粉狀或液體建構材料)之部份的凝固而產生三維物件。所產生物件之性質可以是依賴於所使用之建構材料型式和凝固機構型式。
在一些範例中，凝固可以使用一聚結劑料而達成，該聚結劑料是一種材料，當一適當數量的能量被施加至建構材料和聚結劑料之組合時，其可以導致該建構材料聚結且凝固。聚結是當微粒或團塊狀的建構材料形成一較大的團塊時，例如，微粒可以是加熱而熔解，以至於溫度之上升可以熔化且直接地聚結該等微粒在一起。該建構材料可以，例如，包括可以有助於聚結之其他成分，並且在其中該建構材料是粉狀範例中，有助於粉末的流動。於這些範例中，物件可以，例如，達成高強度。但是，此等物件，例如，當凝固時，可能經歷內部抗拉應力及/或收縮，其可能影響所產生物件之大小，例如，較大的物件可能遭遇到變形。
在一些範例中，凝固可以使用黏合和凝固建構材料成為一黏合劑矩陣的一黏合劑料而達成，該黏合劑矩陣通常是分離的微粒或堆塊狀之建構材料的混合，其是利用一黏合劑而膠黏地黏合在一起。於這些範例中，物件可以，例如，當凝固時遭受膨脹及/或壓縮應力，但也是可能，例如，不達成高強度。在一些範例中，黏合劑料中的著色劑之存在可能對於黏合和凝固具有少許或無影響。
因此，在一些範例中，本揭示提供混合的系統和方法，其藉由施加聚結劑料和能量於該物件之一第一區域中以及施加一黏合劑料於該物件之一第二區域中而產生三維物件。這可以，例如，允許廣泛變化之物件性質的調變和最佳化。例如，第一區域中之抗拉應力和收縮可以藉由第二區域中之壓縮應力和膨脹而抵補。這也可以，例如，允許具有包括高強度之高品質性質的較大物件之產生。這也可以，例如，允許物件著色而不會影響任何之其他物件性質。
圖1a是例示根據一些範例而用以產生一個三維物件之系統100的方塊圖。該系統100可以包括第一和第二劑料分配器102和104，其用以分別地選擇性遞送一黏合劑料和一聚結劑料至一層建構材料之部份上。一控制器106，其可以控制該等第一和第二劑料分配器以分別地選擇性遞送該黏合劑料和該聚結劑料至自代表將被產生的該三維物件之一切片的資料所導出之樣型之該層的分別之第一和第二部份上。具有該黏合劑料之該第一部份是可以黏 合以及凝固成為一黏合劑矩陣。當能量被施加至該層時具有該聚結劑料之該第二部份是用以聚結和凝固。
圖1b是例示根據一些範例用以產生三維物件之方法110的流程圖。在一些範例中，所展示之順序可以變化(例如，116可以發生在114之前)，一些元件可以同時地發生(例如，114和116可以同時地發生)，一些元件可以被添加，及/或一些元件可以被省略。在112，一層粉狀建構材料可以被提供於一支撐構件上。在114，一黏合劑料可以選擇性地被遞送至該層之一第一部份以導致一黏合劑矩陣形成於該第一部份中。在116，一聚結劑料可以選擇性地被遞送至不與該第一部份重疊之該層的一第二部份。在118，能量可以被施加至該層以導致該第一部份聚結且隨後凝固。在一些範例中，一附加的第三部份可以接收黏合劑料和聚結劑料兩者，但這不是必須的。
圖1c是例示根據一些範例之非暫態電腦可讀取儲存媒體120的方塊圖。該非暫態電腦可讀取儲存媒體120可以包括指令122，指令122當藉由一處理器被執行時，導致該處理器得到代表將被產生之一個三維物件的一切片之資料。該非暫態電腦可讀取儲存媒體120可以包括指令124，指令124當藉由一處理器被執行時，導致該處理器控制一黏合劑料分配器以選擇性地遞送一黏合劑料至自該資料所導出的一第一樣型之一層建構材料的一第一部份上，其中接收該黏合劑料之該第一部份是用以黏合成為一黏合劑矩陣。該非暫態電腦可讀取儲存媒體可以包括指令 126，指令126當藉由該處理器被執行時，導致該處理器用以控制一聚結劑料分配器以選擇性地遞送一聚結劑料至該第一樣型之該層之該第一部份上或至自該資料所導出的一第二樣型之該層的一第二部份上，該第二樣型是不同於該第一樣型，其中當能量被施加至該層時，具有該聚結劑料的該第一或該第二部份將會聚結。
圖2是例示根據一些範例之層積造型系統200的簡化等位分解圖。該系統200可以被操作，如參考圖3之進一步地下面之流程圖之說明，以產生三維物件。
在一些範例中，建構材料可以被選擇以便利於使用一聚結劑料而聚結以及使用一黏合劑料而黏合。在一些範例中，二建構材料之混合可以被選擇以至於一建構材料便利於使用聚結劑料而聚結並且另一建構材料便利於使用一黏合劑料而黏合。在一些範例中，該建構材料可以是粉末為基礎之建構材料。如此處所使用地，用詞粉末為基礎材料是指在包括乾性和濕性的兩粉末為基礎材料、微粒狀材料、以及顆粒狀材料。在一些範例中，該建構材料可以包括氣體和固體聚合物微粒之混合，例如在大約為40%的氣體和大約為60%的固體聚合物微粒之比率。一適當的粉狀建構材料可以是尼龍(Nylon)11(聚醯胺11)或尼龍12(聚醯胺12)，例如，其是可由西格瑪-奧爾德里奇(Sigma-Aldrich)有限責任公司所供應，並且其可以是適用於使用聚結劑料之聚結以及使用黏合劑料之黏合。另一適當的尼龍12材料可以是PA 2200，其是可得自電子光學系 統EOS GmbH。另一適當的粉狀建構材料可以是鈣半水化合物，其可以是適用於使用一黏合劑料之黏合。適當的建構材料之其他範例可以包括，例如，粉狀金屬材料、粉狀複合材料、粉狀陶瓷材料、粉狀玻璃材料、粉狀樹脂材料、粉狀聚合物材料、與其類似者，以及其組合。適當的建構材料之其他範例可以包括粉狀聚合物，其是不定形、半結晶、結晶、及/或其之組合。在一些範例中，該建構材料可以包含一聚合物，其包括苯乙烯(styrene)、丙烯酸酯、聚乙烯、聚烯烴、聚酯、聚氨酯、聚丙烯、丙烯酸酯、聚芳醚酮、各種醯胺類、各種胺類、其他適當的聚合物、及/或其組合。在一些範例中，不定形建構材料可以被使用，例如，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或聚碳酸酯。但是，應了解，此處所說明之範例是不受限定於粉末為基礎材料或上面所列出之任何材料。在其他範例中，該建構材料可以是糊狀、液體或凝膠之形式。根據一範例，一適當的建構材料可以是粉狀半結晶熱塑性材料。在一些範例中，上面建構材料之任何混合或組合可以被使用。
層積造型系統200可以包括一系統控制器210。此處揭示之任何操作和方法可以藉由控制器210而實行和控制。
控制器210可以包括一處理器212，其用以執行可以實行此處所說明之方法的指令。處理器212可以是，例如，一微處理器、一微控制器、一可程控閘陣列、一特定應用積體電路(ASIC)、一電腦處理器、或其類似者。處理器212可以，例如，包括一晶片上之複數個核心、複數 個晶片上之複數個核心、複數個裝置上之複數個核心、或其組合。在一些範例中，處理器212可以包括至少一積體電路(IC)、其他控制邏輯、其他電子電路、或其組合。
控制器210可以支援直接使用者互動。例如，層積造型系統200可以包括耦合至處理器212之使用者輸入裝置220，例如，一鍵盤、觸控墊、按鈕、袖珍鍵盤、數字盤、滑鼠、軌跡球、讀卡器、或其他輸入裝置。另外地，層積造型系統200可以包括耦合至處理器212之輸出裝置222，例如，一液晶顯示器(LCD)、視訊監視器、觸控螢幕顯示器、發光二極體(LED)、或其他輸出裝置。輸出裝置222可以是響應至指令以顯示文字資訊或圖形資料。
處理器212可以是經由通訊匯流排214而與一電腦可讀取儲存媒體216通訊。該電腦可讀取儲存媒體216可以包括一單獨媒體或複數個媒體。例如，該電腦可讀取儲存媒體216可以包括ASIC的一記憶體、以及控制器210中的一各自記憶體之一者或兩者。該電腦可讀取儲存媒體216可以是任何電子式、磁式、光學式、或其他實際儲存裝置。例如，該電腦可讀取儲存媒體216可以是，例如，隨機存取記憶體(RAM)、靜態記憶體、唯讀記憶體、一電氣地可消除可程控唯讀記憶體(EEPROM)、一硬碟驅動器、一光學驅動器、一儲存驅動器、一CD、一DVD、以及其類似者。該電腦可讀取儲存媒體216可以是非暫態。該電腦可讀取儲存媒體216可以儲存、編碼、或攜帶電腦可執行的指令218，其當藉由處理器212被執行時，可以導致處理器212進 行根據各種範例於此處所揭示之任何方法或操作。
系統200可以包括劑料分配器202a-g，如於圖2之展示。
一聚結劑料分配器202a可以是選擇性地遞送聚結劑料至支撐構件204上所提供之連續的建構材料層。根據一非限定性範例，一適當的聚結劑料可以是一包含炭黑之墨水型式製劑，例如，該墨水製劑商業上習知如CM997A，其是可由惠普(Hewlett-Packard)公司所供應。於一範例中，此一墨水可以另外地包含一紅外線光吸收劑。於一範例中，此一墨水可以另外地包含一近紅外線光吸收劑。在一範例中，此一墨水可以另外地包含一可見光吸收劑。於一範例中，此一墨水可以另外地包含一紫外線光吸收劑。包含可見光吸收劑之墨水範例是染料為主的彩色墨水以及顏料為主的彩色墨水，例如，商業上習知的墨水CM993A和CE042A，其可由惠普公司所供應。在一些範例中，聚結劑料可以包含一液晶載體，例如，水或任何其他適當的溶劑或分散劑。
劑料分配器202c-g可以是選擇性地遞送黏合劑料至提供於一支撐構件204上之連續的建構材料層。根據一非限定性範例，一適當的劑料可以包括一流體(例如，液體)，其包含，例如，一活化劑料，例如，一膠黏劑，例如，聚乙烯醇(PVOH)、聚醋酸乙烯酯(PVA)或聚合樹脂。該膠黏劑可以包含劑料重量之大約5至大約50百分比。該黏合劑料可以，例如，也包括一非反應性聚合物， 其可以包含劑料重量之大約5至大約50百分比。該黏合劑料可以，例如，也包括一著色劑，例如，一染料或顏料。在圖2之範例中，例如，如果此等劑料被使用以提供色彩於產生物件之邊界上時，根據一減色模式，包括於各個分別的劑料中藉由分別的劑料分配器202c-f所遞送之著色劑是青色(C)、洋紅色(M)、黃色(Y)、以及黑色(K)著色劑。例如，如果劑料被使用以產生一物件之內部部份時，藉由劑料分配器202g所遞送之劑料可以不包括一著色劑。在一些範例中，該等黏合劑料各可以，例如，也包括一液體載體，例如，水或任何其他適當的溶劑或分散劑。在一些範例中，一附加劑料分配器可以遞送具有一白色(W)的著色劑之一黏合劑料。
在一些範例中，膠黏劑可以被包括於建構材料中而不是於黏合劑料中。例如，該建構材料可以包括一粉末(例如，一聚合物粉末，例如，聚醯胺11或12)、不定形建構材料、或其他型式之建構材料。該建構材料可以，例如，包含大約45至大約70百分比之建構材料重量。該建構材料可以，例如，也包括一可活化劑料(例如，一膠黏劑，例如，聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、或聚合樹脂)，其可以包含大約4至大約8百分比的建構材料重量。該建構材料可以，例如，也包括一膠泥，其可以包含大約25至大約45百分比之建構材料重量。該建構材料可以，例如，也包括一促進劑，其可以包含大約1至大約3百分比之建構材料重量。促進劑之內涵物可以，例如，增加黏合之速率。膠 黏劑、膠泥、以及促進劑可以被散佈於粉末中，或可以被形成於所遞送粉末之各層的表面上的一薄活性塗層。因此，於這些範例中，黏合劑料可以包含一流體(例如，水)，當劑料被遞送至建構材料時，該流體可以活化建構材料中之膠黏劑，以至於具有膠黏劑和所遞送黏合劑料(例如，流體)的建構材料黏合且凝固成為一黏合劑矩陣。該膠黏劑可以是易溶解於黏合劑料所遞送的流體中。
一黏合修飾劑料分配器202b選擇性地遞送黏合修飾劑料至被提供於支撐構件204上之一層建構材料。一黏合修飾劑料可以適用於修改，例如，增加或降低，黏合修飾劑料已被遞送或已被滲入於其上之一部份建構材料的黏合度。不同的物理及/或化學作用可以被使用以修改一黏合劑料之效用。可以降低黏合度之一黏合修飾劑料的範例可以是，例如，一排斥劑，例如，具有蠟微粒之一流體。在一些範例中，該黏合修飾劑料可以包含一液體載體，例如，水或任何其他適當的溶劑或分散劑。
於一範例中，支撐構件204具有範圍自大約為10厘米x10厘米高至100厘米x100厘米之尺度。在其他範例中，支撐構件204可以具有較大或較小的尺度。該支撐構件204可以是系統200之一固定部件，或可以不是系統200之一固定部件，替代地，例如，是一可移動模組之部件。
控制器210依據包含劑料遞送控制資料208之指令218而控制劑料的選擇遞送至所提供之一建構材料層。劑料分配器202a-g各可以包括適當劑料之一供應或可以是 可連接至適當劑料之一分別的供應。
劑料分配器202a-g可以是列印頭，例如，熱列印頭或壓力噴墨列印頭。該等列印頭可以具有噴嘴陣列。於一範例中，列印頭，例如，那些通常使用於商業上之可用的噴墨印表機中者，可以被使用。在其他範例中，劑料可以經過噴嘴而非經過列印頭而被遞送。其他遞送機構也可以被使用。
該等劑料當以適當的流體形式時，例如，液體，劑料分配器202a-g可以被使用以選擇性地遞送劑料，例如，沈積劑料。在一些範例中，該等劑料分配器202a-g可以被選擇以在每英寸有300至1200點之間的解析度(DPI)(例如，600個DPI)而遞送劑料點滴。在其他範例中，該等劑料分配器202a-g可以被選擇而能夠以一較高或較低解析度而遞送劑料點滴。在一些範例中，該等劑料分配器202a-g可以具有一噴嘴陣列，劑料分配器202a-g可以透過噴嘴陣列而選擇性地噴射流體點滴。雖然在其他範例中，可遞送一較高或較低的點滴大小之劑料分配器202a-g是可以被使用，而在一些範例中，各點滴可以是以每點滴大約為10個微微升(pl)之級數而噴射。在一些範例中，可遞送可變大小的點滴之劑料分配器202和206也是可以被使用。在一些範例中，列印頭可以是一隨選點滴的列印頭。在其他範例中，列印頭可以是一連續點滴的列印頭。
在一些範例中，劑料分配器202a-g可以是系統200之一整合部件。在一些範例中，劑料分配器202a-g可 以是可取代之使用器，於其情況，它們可以是可拆卸地插入系統200之適當的劑料分配器接收器或介面中。
在一些範例中，一單一劑料分配器，例如，一列印頭，可以被使用以選擇性地遞送複數個劑料。例如，不同的噴嘴集合可以遞送不同的劑料。
在圖2例示之範例中，劑料分配器202a-g具有一長度，其致使它們跨越所謂的頁寬陣列組配之支撐構件204的整個寬度。於一範例中，這可以透過複數個列印頭之適當的配置而達成。在其他範例中，具有一長度以致使它們跨越支撐構件204寬度之具有一噴嘴陣列的一單一列印頭可以被使用。在其他範例中，劑料分配器202a-g可以具有一較短的長度，其不致使它們跨越支撐構件204之整個寬度。
劑料分配器202a-g可以被裝設在一可移動滑架上以致使它們沿著例示之y軸越過支撐構件204長度而雙向地移動。這致使在一單一回合劑料選擇性遞送越過支撐構件204之整個寬度和長度。在其他範例中，劑料分配器202a-g可以是固定的，並且支撐構件204可以相對至劑料分配器202a-g而移動。
應注意到，此處所使用之詞語‘寬度’通常是使用以表示例示於圖2中平行於x和y軸的平面之最短尺度，而此處所使用之詞語‘長度’通常是使用以表示這平面之最長尺度。但是，應了解到，在其他範例中，詞語‘寬度’可以是與詞語‘長度’可互換的。例如，在其他範例中，劑料分配器202a-g可以具有一長度，其致使它們跨越支撐構件 204之整個長度，而可移動滑架則可以越過支撐構件204寬度而雙向地移動。
於另一範例中，劑料分配器202a-g不具有致使它們跨越支撐構件204整個寬度之一長度，但是另外地可沿著例示的x軸越過支撐構件204的寬度而雙向地移動。這組配致使越過支撐構件204之整個寬度和長度而使用複數個回合之劑料的選擇遞送。但是，其他組配，例如，一頁寬陣列組配，可以致使三維物件更快地被產生。
系統200可以進一步地包含一建構材料分配器224以提供，例如，遞送或形成，連續的建構材料層於支撐構件204上。適當的建構材料分配器224可以包括，例如，一刷器刮片和一滾筒。建構材料可以自一送料槽或建構材料儲存器被供應至建構材料分配器224。在展示之範例中，建構材料分配器224移動越過支撐構件204長度(y-軸)以沉積一建構材料層。如先前所述，一建構材料層將被沈積於支撐構件204上，因而隨後之建構材料層將被沈積於一先前的建構材料沈積層上。該建構材料分配器224可以是系統200之一固定部件，或可能不是系統200之一固定部件，替代地，例如，是一可移動模組的一部件。在一些範例中，該建構材料分配器224可以被裝設在滑架203a或203b上。
在一些範例中，建構材料分配器224可以是提供具有一厚度之一建構材料層，該厚度範圍是在大約為20至大約為200微米(micron)、或大約為50至大約為300微米、或大約為90至大約為110微米之間、或大約為25微米、或 大約為50微米、或大約為75微米、或大約為100微米、或大約為250微米，雖然在其他範例中，較薄或較厚的建構材料層可以被提供。該厚度可以藉由控制器210被控制，例如，基於指令218，例如，包括界定將產生之三維物件的物件設計資料。
在一些範例中，其可以是相對於展示於圖2中之分配器的任何數目之附加劑料分配器和建構材料分配器。在一些範例中，系統200之分配器可以被安置於相同滑架上，而彼此相鄰或分離一短距離。在其他範例中，二個或更多個滑架各可以包含分配器。例如，各個分配器可以被安置於其自有的各自滑架中。任何附加分配器可以具有相似如那些參考劑料分配器202a-g之特點之先前所討論者。
在展示之範例中，支撐構件204是可沿著z-軸而移動的，以至於當新的建構材料層被沈積時，一預定之間隙被保持在最近的建構材料沈積層表面以及劑料分配器202a-g之下方表面之間。但是，在其他範例中，支撐構件204可以不是可沿著z-軸而移動且劑料分配器202a-g可以是可沿著z-軸而移動的。
系統200可以另外地包括一能量源226。該能量源226可以根據聚結劑料被遞送或被滲入至處而施加能量至建構材料以導致部份建構材料之凝固。在一些範例中，具有黏合媒劑料之一部份的建構材料可以是響應於能量，例如，紫外線(UV)能量之施加而可凝結以形成一黏合劑矩陣。但是，在其他範例中，具有黏合劑料之部份可以凝固 成為一黏合劑矩陣而不必施加用於固化或乾燥之能量。於其中具有黏合劑料之部份是可凝結之範例中，能量源226也可用以固化或乾燥具有黏合劑料之部份以凝固該部份成為一黏合劑矩陣。
在一些範例中，能量源226是一紅外線(IR)發光源、近紅外線發光源、可見光源、微波能量源、紫外線(UV)發光源、鹵素發光源、或一發光二極體。在一些範例中，能量源226可以是一單一能量源，其是能夠均勻地施加能量至沈積於支撐構件204上之建構材料。在一些範例中，能量源226可以包含一能量源陣列。
在一些範例中，能量源226可以是一單一能量源，其是能夠均勻地施加能量至建構材料。在一些範例中，該能量源226可以包含一能量源陣列。在一些範例中，該能量源226可以包括一第一能量源以根據聚結劑料已被遞送或滲入之處而施加適當的能量以導致建構材料部份之凝固，並且一第二能量源用以施加適當的能量，例如，UV能量，以固化或乾燥具有黏合劑料之部份成為一凝固的黏合劑矩陣。
在一些範例中，能量源226被組配而以實質上均勻的方式施加能量至建構材料層之整個表面。於這些範例中，能量源226可以說為是不聚焦的能量源。於這些範例中，一整層可能同時地具有能量被施加到該處，其可以協助增加一三維物件可以被產生之速率。
在其他範例中，能量源226被組配而以實質上均 勻的方式施加能量至一建構材料層的整個表面之一部份。例如，能量源226可以被組配以施加能量至一建構材料層之整個表面的一帶狀處。於這些範例中，能量源可以移動或掃描而越過建構材料層，以至於一實質上相等的能量數量最後施加越過一建構材料層之整個表面。
在一些範例中，能量源226可以被裝設在可移動的滑架上。
在其他範例中，當能量源移動而越過建構材料層時，該能量源226可以，例如，依據指令208而施加一可變數量的能量。例如，控制器210可以控制該能量源以施加能量至聚結劑料已被施加之建構材料部份上及/或施加至具有黏合劑料之部份上，但是不施加至聚結劑料未被施加及/或不具有一聚結劑料之部份上。
在進一步的範例中，能量源226可以是一聚焦之能量源，例如，一雷射光束。在這範例中，該雷射光束可以被控制以掃描而越過整個或一部份的建構材料層。於這些範例中，雷射光束可以依據劑料遞送控制資料被控制以掃描而越過一建構材料層。例如，雷射光束可以被控制以施加能量至聚結劑料被遞送的一建構材料層之那些部份上及/或具有一黏合劑料之部份上。
被供應之能量、建構材料、和聚結劑料的組合，黏合修飾劑料，以及黏合劑料可以被選擇，以至於：i)無聚結劑料被遞送於其上之建構材料部份，當能量暫時地被施加至該處時並不聚結；ii)無黏合劑料於其上之建構 材料部份並不形成一黏合劑矩陣；iii)具有一黏合劑料但是無黏合修飾劑料之建構材料部份，取決於具有黏合劑料之部份是否需要固化以便凝固，以施加或不施加固化能量而凝固成為一黏合劑矩陣；iv)具有一聚結劑料和黏合劑料，但是不具有黏合修飾劑料之建構材料部份，當施加能量時則聚結，並且取決於建構材料和黏合劑料是否需要固化以便黏合而不論施加或不施加固化能量，也可黏合成為一黏合劑矩陣；v)具有黏合修飾劑料，但是不具有聚結劑料、亦無黏合劑料之建構材料部份，當能量暫時地被施加至該處時亦不聚結或黏合；vi)具有黏合劑料和黏合修飾劑料兩者之建構材料部份可以經歷一修改，例如，增加或降低，黏合度，例如，以調變或調整這些部份的機械性質。
在一些範例中，系統200可以另外地包含一預加熱器以在一預定的溫度範圍之內保持建構材料沈積於支撐構件204上。一預加熱器之使用可以有助於降低必須藉由該能量源226以導致聚結劑料已被遞送或已滲入於其上之建構材料的聚結和隨後的凝固所施加之能量數量。
圖3是例示根據一些範例產生一三維物件之方法300的流程圖。該方法之論點可以由電腦實行。在一些範例中，展示之順序可以變化，一些元件可以同時地發生，一些元件可以被添加，及/或一些元件可以被省略。於說明圖3中，將參考至圖2、圖4a-4d、以及圖5。圖4a-d展示根據一些範例之建構材料層的一系列橫截面側視圖。圖5-9展示根據一些範例之建構材料層的截面頂視圖。
在步驟302，劑料遞送控制資料208可以藉由控制器210被產生或被得到。該劑料遞送控制資料208，其可以界定建構材料上將產生之三維物件的各個切片之部份或位置，如果有的話，各種劑料將被遞送之處。
在一些範例中，劑料遞送控制資料208可以基於代表將被產生的一物件之一三維模式的物件設計資料、及/或自代表該物件性質之物件設計資料而產生。該模式可以界定該物件之固體部份，並且可以藉由該三維物件處理系統被處理以產生平行的模式平面之切片。各切片可以界定藉由層積造型系統而凝固之分別的建構材料層之一部份。該物件性質資料可以界定該物件之性質，例如，密度、表面粗糙度、強度、以及其類似者。
物件設計資料和物件性質資料可以被接收，例如，經由一輸入裝置220自一使用者、如來自一使用者之輸入、自一軟體驅動器、自一軟體應用，例如，一電腦輔助設計(CAD)應用而接收、或可以自一記憶體儲存原定值或使用者界定物件設計資料和物件性質資料被得到。
劑料遞送控制資料208可以說明，對於將被處理之各建構材料層，各種劑料藉由劑料分配器202a-g被遞送之建構材料上的位置或部份。於一範例中，劑料將被遞送之建構材料的該等位置或部份藉由分別的樣型被界定。
304至308之疊代接著可以被進行以產生三維物件，如所將說明者。圖5是藉由一建構材料分配器224所提供的建構材料層402a之橫截面頂視圖並且其藉由施加劑料 和能量被凝固，如參考圖2之說明。圖4a代表經過圖5之4a-4a所採用的一截面部份。於圖4a-4d和圖5，以及展示於圖6-8中之其他範例中，被標記為“B”之部份412b、512、以及712b也是建構材料之部份，其已接收無著色劑之一黏合劑料406b，被標記為“C”之部份410、510、610、以及710是那些已接收一聚結劑料404者，並且被標記為“C/B”之部份714是那些已接收無著色劑之一聚結劑料404和一黏合劑料406b兩者。圖4a中之“B”和“C”部份因此是圖5之“B”和“C”部份的橫截面表示。在圖4a-d和5中，部份412a是已接收具有著色劑之一黏合劑料406a的建構材料部份。建構材料部份也可以接收黏合修飾劑料408，如於圖4a-d和5之展示。
於圖5中，一者包含一“B”且其他者包含一“C”之相鄰部份是非重疊部份，於其中一黏合劑料或一聚結劑料是分別地被遞送。在該等“B”和“C”部份之間的線可以代表零寬度之一區域或可以具有一限定的寬度。在限定寬度的範例中，各線可以代表無黏合劑料或聚結劑料被遞送於其上的建構材料之一薄的部份，或替代地可以是聚結劑料和黏合劑料兩者被遞送於其中的一“C/B”部份，以至於有一些重疊於黏合劑料和聚結劑料之間。
在304，一建構材料層402b可以被提供，如於圖4a和圖5之展示。例如，控制器210可以控制建構材料分配器224以藉由導致建構材料分配器224沿著y-軸移動而在支撐構件204上提供層402b於一先前完成之層402a上，如先前之討論。該完成之層402a，如於圖4a和5之展示，可以 包括凝固部份410、412a、和412b之樣型。內部凝固部份410(被標記藉為一“C”)可以是聚結劑料和能量被施加至其上之部份，以聚結且凝固該等部份。外部凝固部份412a(被標記為一“B”)可以是具有著色劑之黏合劑料於其上之部份，例如，來自劑料分配器202c-202f的一個、兩個、三個或四個CMYK黏合劑料之任何組合，其被施加至該等部份以黏合且凝固該等部份成為黏合劑矩陣，其提供一色彩於物件外部上。內部凝固部份412b可以是其上無著色劑之黏合劑料(例如，來自劑料分配器202g)的部份，該黏合劑料被施加至該等部份以黏合且凝固該等部份成為物件內部中之黏合劑矩陣。
如所展示地，使用黏合劑料所凝固之部份412b可以於內部中形成一單一連續的充填區域。相對地，使用聚結劑料所凝固之部份410可以是藉由部份412b所界定在單一連續的充填區域內之複數個分散域。在其他範例中，使用聚結劑料所凝固之部份可以代替地形成連續的充填區域，並且使用黏合劑料所凝固的部份可以是在使用聚結劑料所凝固部份之連續的充填區域內之分散域。
雖然為了例示之目的，一完成層402a被展示於圖4a-d中，應了解，步驟304至308可以啟始地被應用以產生層402a。此外，雖然未被展示，附加層可以在層402a之前被產生，其包括界定使用CMYK黏合劑料所產生之物件的一底部外部界線之一層。
在步驟306，如於圖4b之展示，聚結劑料404、 具有著色劑之黏合劑料406a(例如，一、二、三、或四種CMYK黏合劑料之任何組合)、無著色劑之黏合劑料406b、以及黏合修飾劑料408可以選擇性地被遞送至層402b之部份表面。如先前所討論，該等劑料可以藉由劑料分配器202a-g被遞送，例如，以流體形式，例如，液體點滴。如先前所討論，黏合劑料406a-b可以包括一膠黏劑，或替代地，建構材料可以包括膠黏劑。
聚結劑料404、黏合劑料406a-b、以及黏合修飾劑料408可以是以樣型被遞送於層402b部份上，其中劑料遞送控制資料208可以界定成為固體以形成所產生之三維物件部份。劑料遞送控制資料208可以自將產生之一三維物件的模式被導出。“選擇遞送”意謂著劑料可以各種樣型被遞送至建構材料表面層之選擇部份。
在一些範例中，聚結劑料404可以根據一第一樣型而選擇性地被遞送至一部份之建構材料，黏合劑料406a可以根據一第二樣型而選擇性地被遞送至一部份建構材料，黏合劑料406b可以根據一第三樣型而選擇性地被遞送至一部份建構材料，並且黏合修飾劑料408可以根據一第四樣型而選擇性地被遞送至一部份建構材料。在圖4a-d和5之範例中，層402b中之樣型是相同如層402a中之樣型，但是在其他範例中，它們可以依一層接一層之基礎而變化。
圖4c展示滲入建構材料層402b部份之劑料404、406a-b、以及408。在不同的劑料之間的劑料滲入程度可以不同，或實質上可以是相同。圖4c展示實質上完全地滲 入建構材料層402b部份之劑料404、406a-b、以及408，但是在其他範例中，滲入程度可以是較小於100%。滲入程度可以，例如，依據被遞送之劑料數量、依據建構材料性質、依據劑料性質等等。
雖然為了例示目的，各劑料之遞送和滲入被展示以實質上在相似時間發生，在其他範例中，劑料可以任何其他順序被遞送，其包括但是不受限定於：(i)406a，接著406b，接著404，接著408；(ii)406a，接著406b，接著408，接著404；(iii)404，接著406a，接著406b，接著408；(ii)404，接著408，接著406a，接著406b；(ii)408，接著404，接著406a，接著406b；或(ii)408，接著406a，接著406b，接著404。
在步驟308，一預定能量位準可以暫時地被施加至建構材料層402b。在各種範例中，被施加之能量可以是紅外線或近紅外線能量、可見光、微波能量、紫外線(UV)光、鹵素光、超聲波能量、或其類似者。能量之暫時施加可以導致被遞送在建構材料部份上之聚結劑料404加熱高至建構材料融化點之上並且聚結。在一些範例中，能量源可以被集中。在其他範例中，能量源可以是未集中的，並且能量之暫時施加可以導致已被遞送或已滲入建構材料部份上之聚結劑料404加熱高至建構材料融化點之上並且聚結。例如，一些或所有層402b之溫度可以達到大約為攝氏220度。當冷卻時，具有聚結劑料404之部份可以成為固體並且形成將產生的三維物件之部份，如於圖4d之展示。
在一些範例中，能量，例如，UV光，的暫時施加可以導致黏合劑料406a-b呈現於其上之建構材料部份被固化或被乾燥成為一黏合劑矩陣，如先前之討論。這可以使用相同或不同之能量源(如被使用以導致具有聚結劑料之部份聚結的能量源)而完成。被施加以供固化或乾燥之能量可以被施加於供聚結的能量被施加的相同時間之前，在聚結能量施加的相同時間，或在聚結能量施加之後。
但是，在其他範例中，黏合劑料406a-b被遞送和滲入於其上之建構材料部份可以黏合和凝固成為一黏合劑矩陣而不必任何能量之施加。
在一些範例中，稱為“滲色”之效果中，黏合劑料406a之一些膠黏劑可以外部地輸送進入建構材料以凝固原不欲凝固之部份。藉由施加黏合修飾劑料408在藉由黏合劑料406a所界定的界線外部周遭，這些非所需的區域中之黏合可以被降低或被防止，因此於物件上提供較大之精確度和較高級的外部表面性質。
如先前之討論，包括部份410和412a-b之凝固部份可以在304至308的疊代之前先行產生。在能量施加期間所吸收的熱量可以輸送至先前凝固部份410以導致部份410之部份加熱高至它們的融化點之上。另外地，在層402a中具有黏合劑矩陣之部份412a-b可以與層402b中新產生的黏合劑矩陣黏合以產生凝固部份416a-b。這些效應有助於在相鄰的凝固建構材料層之間產生具有強的層間結合之凝固部份，如於圖4d之展示。
在一建構材料層已如上所述地於304至308中被處理之後，新的建構材料層可以被提供於先前所處理的建構材料層之頂部上。以此方式，先前所處理的建構材料層作用如同用於一隨後建構材料層之一支撐。304至308之處理接著可以被重複以逐層地產生一三維物件。
使用方法300所產生的三維物件可以，例如，允許物件性質之調變和最佳化。在一些範例中，使用聚結劑料之凝固部份414可以作用如同可以是貫穿三維物件內部之交織的堅挺纖維，但是可能受限定於容積並且可能彼此隔離，以便避免物件收縮和抗拉應力。同時，當產生大物件時，部份412a-b之膨脹和壓縮應力可以補償部份414中之收縮並且可以允許較大之精確度。方法300可以，例如，也允許高品質色彩，例如，於物件之界線上，而不影響其他物件性質。在一些範例中，物件不同部份中的彈性模數可以是可控制地可變化，以至於不同的部份可以具有不同的彈性模數。
圖6展示相似於圖4a-d和5中所展示之物件的一物件之截面部份。例如，該物件包括使用無著色劑之黏合劑料406b所凝固之部份512以及使用聚結劑料404所凝固的部份510。但是，在這範例中，具有著色劑之黏合劑料406a是不被施加至物件之外部界線，例如，因為一彩色物件不是所需的。劑料404和406b可以依樣型被遞送於層部份上，其中劑料遞送控制資料208可以界定以形成固體而形成將產生的三維物件之部份。
圖7展示相似於圖4a-d和5中所展示之物件的一物件之截面部份。例如，該物件包括使用具有著色劑之黏合劑料406a所凝固的部份612以及使用聚結劑料404所凝固的部份610。但是，於這範例中，該部份610包含整個物件內部，因此沒有黏合劑料406b被使用於物件內部中。劑料404和406a可以依樣型被遞送於層部份上，其中劑料遞送控制資料208可以界定以形成固體而形成將產生的三維物件之部份。
圖8展示相似於圖4a-d和5中所展示之物件的一物件之截面部份。例如，該物件包括使用無著色劑之黏合劑料406b所凝固之內部部份712b、使用具有著色劑之黏合劑料406a所凝固的外部界線部份712a、以及使用聚結劑料404所凝固的部份710。但是，於這範例中，具有使用黏合劑料406b和聚結劑料404兩者所凝固的附加部份714，以至於該等部份714遭受經過聚結和黏合成為一黏合劑矩陣之結合而凝固。劑料404和406a-b可以劑料遞送控制資料208可以界定成為固體之層部份上的樣型被遞送，以形成將產生的三維物件之部份。
在一範例中，例如，展示於圖2中之一系統可以被使用，除了系統可能不包括黏合修飾劑分配器202b之外。聚結劑料可以包括一紅外線(IR)光吸收劑。黏合劑料各可以包括水狀流體，其包括聚醋酸乙烯酯(PVA)膠黏劑或聚乙烯醇(PVOH)膠黏劑。建構材料可以包括熱熔微粒之粉狀聚醯胺12，及/或附著助長劑，例如，膠泥微粒和 促進劑微粒，其可以便利於PVA與粉末微粒之結合。黏合劑料可以，例如，也分別地包括具有不同色彩著色劑的一著色劑，其可以是黑色(K)、白色(W)、青色(C)、黃色(Y)、洋紅色(M)之一者、或沒有著色劑。黏合劑料可以是UV可凝結，但這不是必須的。在黏合劑料達成黏合而不需UV能量之範例中，能量源可以包括一IR能量源以導致具有聚結劑料之部份聚結。在黏合劑料是UV可凝結之範例中，能量源可以包括用以聚結劑料之一IR能量源以及用以黏合劑料之一UV能量源。各粉末層之厚度範圍可以是大約為50微米至大約為150微米。該等層可以使用圖3之方法300被凝固。例如，具有著色劑之黏合劑料可以被提供於物件之外部上。另外地，物件的一些層可以包括於內部中之非重疊部份的黏合劑料(無著色劑)和聚結劑料兩者，如於圖4a-4d和5之展示，而物件之其他層可以包括於內部中之黏合劑料(無著色劑)，但不是聚結劑料，並且物件之其他層仍然可以包括內部中之聚結劑料，但不是黏合劑料(無著色劑)。在一些範例中，於一些內部部份中可以是重疊，以至於一部份可以接收聚結劑料和黏合劑料兩者(無著色劑)。產生之物件可以具有三維中一非重疊部份之安排，於其中粉末微粒被聚結，例如，直接地融合在一起，或被黏合，例如，非直接地融合在一起。劑料之遞送可以是基於劑料遞送控制資料。
揭示於這說明文(包括任何所附之申請專利範圍、摘要和圖形)中的所有特點，及/或因此被揭示之任何 方法或處理程序的所有元件，除了其中至少一些的此等特點及/或元件是相互地排斥之組合外，都可以任何組合方式而組合。
在前面之說明中，許多細節被提出以提供此處揭示之主題的了解。但是，範例可以被實施而無需一些或所有的這些細節。其他範例可以包括來自上面討論之細節的修改和變化。其是意欲所附加之申請專利範圍含蓋此等修改和變化。
100‧‧‧系統
102‧‧‧第一劑料分配器
104‧‧‧第二劑料分配器
106‧‧‧控制器

Claims (15)

  1. 一種用以產生三維物件之系統，該系統包含：第一和第二劑料分配器，其用以分別地選擇性遞送一黏合劑料和一聚結劑料至一層建構材料之部份上；以及一控制器，其用以控制該等第一和第二劑料分配器以分別地選擇性遞送該黏合劑料和該聚結劑料至自代表將被產生的該三維物件之一切片的資料所導出之樣型之該層的分別之第一和第二部份上，其中具有該黏合劑料之該第一部份是用以黏合以及凝固成為一黏合劑矩陣，並且其中當能量被施加至該層時，具有該聚結劑料之該第二部份是用以聚結和凝固。
  2. 如請求項1之系統，其中該黏合劑料包含一膠黏劑，該膠黏劑黏合該第一部份成為該黏合劑矩陣。
  3. 如請求項1之系統，其中該層建構材料包括一膠黏劑，該膠黏劑藉由該黏合劑料而致動以黏合該第一部份成為該黏合劑矩陣。
  4. 如請求項1之系統，其中該等第一和第二部份是非重疊的。
  5. 如請求項4之系統，其中該第一部份是藉由該資料所界定的該三維物件之一第一內部部份，其中該第二部份是藉由該資料所界定的該三維物件之一第二不同內部部份。
  6. 如請求項4之系統，其中該第一部份是藉由該資料所界定的該三維物件之一表面部份，其中該第二部份是藉由該資料所界定的該三維物件之一內部部份。
  7. 如請求項6之系統，其中該黏合劑料包含一著色劑以提供色彩於該三維物件之一表面上。
  8. 如請求項7之系統，其中該黏合劑料包含青色、黃色、洋紅色和黑色著色劑之二者或更多者。
  9. 如請求項4之系統，其中當該能量被施加時，該層之該第一部份並不聚結。
  10. 如請求項4之系統，其中該控制器是用以控制該等第一和第二劑料分配器以分別地選擇性遞送該黏合劑料和該聚結劑料至自該資料所導出的一樣型之該層的一第三部份中之該層上，其中當能量被施加至該層時，該第三部份聚結，並且黏合成為一黏合劑矩陣，其中該第三部份隨後地凝固。
  11. 如請求項1之系統，其進一步地包含一第三劑料分配器以選擇性地遞送一黏合修飾劑料至一層建構材料之部份上，其中該控制器是用以控制該第三劑料分配器以選擇性地遞送該黏合修飾劑料於自該資料所導出的一樣型之該層的一第三部份中，該第三部份是相鄰於該第一部份，其中該黏合修飾劑料是用以降低自該第一部份至該第三部份的滲入。
  12. 如請求項1之系統，其中該建構材料包含一粉狀建構材料。
  13. 如請求項1之系統，其中具有該黏合劑料之該第一部份是當施加能量以固化或乾燥第一部份時用以黏合且凝固成為一黏合劑矩陣。
  14. 一種用以產生三維物件之方法，該方法包含下列步驟： 提供一層之粉狀建構材料於一支撐構件上；選擇性地遞送一黏合劑料至該層之一第一部份以導致一黏合劑矩陣形成於該第一部份中；選擇性地遞送一聚結劑料至不與該第一部份重疊的該層之一第二部份；以及施加能量至該層以導致該第一部份聚結且隨後凝固。
  15. 一種包括可執行指令之非暫態電腦可讀取儲存媒體，當該等指令藉由一處理器執行時，將導致該處理器進行下列動作：得到代表將被產生之一個三維物件的一切片之資料；控制一黏合劑料分配器以選擇性地遞送一黏合劑料至自該資料所導出的一第一樣型之一層建構材料的一第一部份上，其中接收該黏合劑料之該第一部份是用以黏合成為一黏合劑矩陣；以及控制一聚結劑料分配器以選擇性地遞送一聚結劑料至該第一樣型之該層之該第一部份上或至自該資料所導出的一第二樣型之該層的一第二部份上，該第二樣型是不同於該第一樣型，其中當能量被施加至該層時，具有該聚結劑料的該第一或該第二部份將會聚結。
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