TWI642534B - 積層製造方法和裝置 - Google Patents

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Abstract

為了積層製造3D物件，沉積一層材料於一接收表面上。選擇性沉積液滴於該層的數個第一部份上，其中至少一些液滴至少包括第一色劑。氣體放電照明體選擇性地在該層之該等第一部份中引發第一加熱量，其實質大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二加熱量。

Description

積層製造方法和裝置
本揭示係有關於包括選擇性加熱之積層製造技術。
3D列印戲劇性地改變製造競爭生態。經由3D列印，在沒有工廠或其他大型生產設施的資源下可製造物件及組件。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種積層製造方法，其包含：沉積一層材料於一接收表面上；經由單一回合，使用一頁寬式流體噴射陣列，選擇性地沉積包括至少一第一色劑的液滴於該層的數個第一部份上；與應用一氣體放電照明體以選擇性地在該層之該等第一部份中引發第一能量吸收量，其實質大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二能量吸收量。
在以下詳細說明中，參考形成彼之一部份的附圖，且舉例說明可實施本發明的特定實施例。應瞭解，可使用其他的實施例且在不脫離本發明的範疇下可改變結構或邏輯。因此，以下詳細說明不應被視為有限定的意思。應瞭解，描述於本文之各種實施例的特徵可部份或全部互相結合，除非特別註明。
本揭示內容的至少一些實施例針對3D物件之積層製造。在一些實施例中，一種積層製造之方法包含：沉積一層材料於一接收表面上，該接收表面可能已有或沒有先前沉積材料層。在一些實施例中，該材料為一聚合物材料。在一些實施例中，該材料包含粉狀材料。
該方法包括：選擇性地沉積包括至少一第一色劑的液滴於該層的數個第一部份上。氣體放電照明體(gas discharge illuminant)選擇性地在該層之該等第一部份中引發第一加熱量，其實質大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二加熱量。在一些實施例中，該加熱量有時用第一部份或第二部份中之材料的能量吸收量表達。
在一些實施例中，與第一色劑關聯的第一加熱量造成在該等第一部份中的該材料熔融，且第二加熱量不造成在第二部份之中的材料熔融。在一些實施例中，該第一加熱量比該第二加熱量大至少一個數量級。
經由此配置，可進行材料層中之數個目標部份的選擇性加熱，其中此類加熱透過熔化或燒結造成材料目標部份熔融。
在一些實施例中，藉由運用相對於該氣體放電照明體之一輻射光譜各有不同吸收光譜的不同色劑，根據已沉積在材料層上之各個不同位置的色劑，選擇性加熱可應用於在材料層上之不同位置處的材料層。在一些實施例中，此類色劑可包括青色、洋紅色、黃色及黑色，與彼等之混合物，例如可經由半色調列印與類似技術實施的混合物。
此外，在一些實施例中，一色劑有最小吸光性，致使此類色劑在特定位置的沉積可減少或實質防止加熱該位置。在一些實施例中，此類色劑之一可為白色或灰白色。在一些實施例中，在沉積材料已包含有充分吸光性(例如，能量吸收性)的顏色且沉積色劑用來選擇性地遮罩該沉積材料的數個部份時使用此配置。
此外，在一些實施例中，該氣體放電照明體可極快且高強度地進行此類加熱，致使有高熔化溫度的聚合物材料可用來積層製造3D物件。在一些實施例中，這些聚合物材料都有高強度。
此外，經由氣體放電照明體來加熱的速度可實質減少涉及積層製造3D物件的時間量，因為它允許更快地相繼沉積數個材料層。
這些實施例及附加實施例的描述至少結合圖1至圖7。
圖1的示圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示用於積層製造3D物件的裝置30。
如圖1所示，裝置30包含材料分配器(material dispenser)50，其經配置為可沉積材料於接收表面42上以積層形成3D物件，例如圓柱體90。應瞭解，可製造有任何形狀的3D物件，且圓柱體90僅提供一示範形狀。然而應瞭解，各種沉積或分配技術中之任一可併入裝置30，在有些情形中，裝置30有時可被稱為3D列印機係指它能夠積層製造3D物件。
在一些實施例中，裝置30包括材料分配器50、氣體放電照明體55、流體噴射陣列58及試劑供應器60。
在一些實施例中，材料分配器50具有足以沉積材料於接收表面42之整個長度(L)上的長度(L)，致使材料分配器50在材料分配器50旅行接收表面42的寬度(W)時能夠以單一回合塗上整個接收表面。在一些實施例中，材料分配器50可選擇性地沉積長度及圖案小於材料分配器50之全長的材料。在一些實施例中，材料分配器50可使用多個回合將材料(s)塗上接收表面42而不是單一回合。
在一些實施例中，材料分配器50在第一定向(用有向箭頭F表示)移動同時流體噴射陣列58在大體與第一定向垂直的第二定向(用有向箭頭S表示)移動。在一些實施例中，材料分配器50在沿著第一定向之往返旅行路徑的每個回合可沉積材料，同時流體噴射陣列58在沿著第二定向之往返旅行路徑的每個回合可沉積試劑。當然，如前述，在至少一些實施例中，用材料分配器50完成一回合，接著是在材料分配器50的第二回合之前啟動流體噴射陣列58的回合，依此類推。
在一些實施例中，該沉積材料為聚合物材料。在一些實施例中，該材料的形式為粉末。在一些實施例中，該材料為非粉末材料。
在一些實施例中，該材料不包括金屬材料，然而在一些實施例中，該材料包括金屬材料。在一些實施例中，該材料包括導電材料。
在一些實施例中，該材料具有吸光性最小的顏色。在一些實施例中，該材料可為白色。在一些實施例中，此類吸光性最小的材料為灰白色，其包括純白色以外但是吸光性仍最小的顏色。
在一些實施例中，吸光性最小的顏色為在暴露於有在紫外線-可見光波長範圍內之輻射光譜的氣體放電照明體55後不引發材料熔融(經由熔化或燒結)的顏色。在一些實施例中，氣體放電照明體55的此類實施例不包括超過可見光波長範圍的波長。
在一些實施例中，吸光性最小的顏色為在暴露於有在紫外線-可見光-近紅外線波長範圍內之輻射光譜的氣體放電照明體55後不引發材料熔融(經由熔化或燒結)的顏色。在一些實施例中，氣體放電照明體55的此類實施例實質不包括超過近紅外線波長範圍的波長。
在一些實施例中，經由材料分配器50沉積的材料包含高強度聚合物材料。在一些實施例中，此類材料包含聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)、聚四氟乙烯(PTPE)、全氟烷氧基樹脂(perfluoroalkoxy alkanes，PFA)、全氟聚醚(perfluoroploymer，PFPE)、全氟磺酸(perfluorosulphonic acid，PFSA)、聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚醯胺4,6(PA46)、聚醯胺6,6(PA66)、或聚丁烯對苯二甲酸酯(polybutylene terephthalate，PBT)。
在一些實施例中，此類高強度材料有高熔點。在一些實施例中，聚醚醚酮(PEEK)材料有350°C的熔點，聚醚酮(PEK)材料有360°C的熔點，聚苯硫醚(PPS)材料有280°C的熔點，聚四氟乙烯(PTPE)材料有327°C的熔點，全氟烷氧基樹脂(PFA)材料有300°C的熔點，全氟聚醚(perfluoroploymer，PFPE)材料有300°C的熔點，全氟磺酸(PFSA)材料有280°C的熔點，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)材料有260°C的熔點，聚醯胺4,6(PA46)材料有295°C的熔點，聚醯胺6,6(PA66)材料有255°C的熔點，以及聚丁烯對苯二甲酸酯(PBT)材料有230°C的熔點。
在一些實施例中，待沉積諸材料的這些熔點中之至少一些可超過形成市售積層製造裝置及/或包含於其內之組件之材料的熔點，致使企圖施加能量以熔化此類高熔點材料來形成3D物件可能損壞該市售積層製造裝置。不過，根據本揭示內容的至少一些實施例，經由氣體放電照明體55輻射的極快速能量輻射及高強度能量，此類高熔點材料可使用於經由裝置30的積層製造而不損壞裝置30。因此，根據本揭示內容的至少一些實施例，氣體放電照明體55致能在積層製造中使用先前由於與此類高熔化溫度關聯之裝置限制而不被使用的高強度材料。
在一些實施例中，該材料包含有至少200°C之熔化溫度的聚合物。在一些實施例中，該材料包含有至少300°C之熔化溫度的聚合物。在一些實施例中，該材料包含有至少350°C之熔化溫度的聚合物。在一些實施例中，該材料包含有小於200°C之熔化溫度的聚合物。
在一些實施例中，流體噴射陣列58包含列印機構，其包含列印頭陣列，各列印頭包括複數個可個別定址噴嘴用於選擇性噴射試劑於接收表面42上，如圖1所示。應瞭解，在材料層(s)已存在於接收表面42上的情形下，液滴係沉積於材料層上，而不是直接於接收表面42上。
在一些實施例中，流體噴射陣列58包含熱噴墨陣列。在一些實施例中，流體噴射陣列58可噴射有約數個皮升(picoliter)或約數個奈升(nanoliter)之容積的個別液滴。
在一些實施例中，液滴的選擇性沉積以一個一個體素(voxel)地進行。體素為容積像素，亦即，容積圖像元素。在一些實施例中，經由流體噴射陣列58實施每英吋1200體素的解析度。
在一些實施例中，流體噴射陣列58具有能夠沉積試劑於接收表面42之整個寬度(W)上的寬度(W)，因此有時可被稱為提供頁寬式製造(page-wide manufacturing)(例如，頁寬式列印)。在此類實施例中，經由此配置，在流體噴射陣列58旅行接收表面42的長度(L1)時，流體噴射陣列58可以單一回合沉積試劑於整個接收表面上。在一些實施例中，流體噴射陣列58可使用多個回合沉積試劑於一層材料上，而不是單一回合。
不過，應瞭解，流體噴射陣列58包括可個別定址的數個噴嘴以允許選擇性噴射/分配液滴於接收表面42上的目標部份，例如圖示於圖1的目標部份80A、80B、80C。應進一步瞭解，圖1之部份80A-80C的尺寸、數量及/或形狀僅供圖解說明且可實施目標部份的其他尺寸、數量及/或形狀。
應進一步瞭解，經由裝置30積層所形成的3D物件可具有小於接收表面42之寬度(W)及/或長度(L)的寬度及/或長度。在一方面，在一些實施例中，一旦形成，3D物件即與接收表面42分開且獨立。
在一些實施例中，裝置30的試劑供應器60與流體噴射陣列58流體連通且包含一貯器陣列以容納各種試劑，例如但不限於：色劑62與其他試劑64，例如，細節處理劑(detailing agent)、補助助熔劑(supplemental fusing agent)等等。以下該等不同色劑中之至少一些的進一步描述至少結合圖5至圖6。如前述，至少該等色劑可促進加熱材料層中的至少選定部份以引發熔融，例如經由熔化、燒結等等。在一些實施例中，可使用該等色劑中之至少一些而沒有(亦即，排除)補助助熔劑，例如近紅外線(NIR染料)。在一些實施例中，可使用所有該等色劑而沒有(亦即，排除)補助助熔劑，例如近紅外線(NIR染料)。因此，在此類實施例中，該等色劑不包括NIR染料，亦即，不用NIR染料或其他補助助熔劑來補助。
不過，在一些實施例中，使用色劑(s)與補助助熔劑以進一步促進吸收由氣體放電照明體55輻射的光能量。在一些實施例中，該補助助熔劑包含近紅外線(NIR)染料。在一些實施例中，該補助助熔劑包含除NIR染料以外的試劑。
在一些實施例中，裝置30可用來經由多流體熔融(MJF)製程(可購自HP公司)積層形成3D物件。在一些實施例中，經由裝置30進行的積層製造製程不包括：選擇性雷射燒結(SLS)；選擇性雷射熔化(SLM)；3D黏合劑列印(例如3D黏合劑噴射)；熔融沉積建模(fused deposition modeling，FDM)；光固化(stereolithography，SLA)；或可固化液體光聚合物噴射(Polyjet)。
在至少一些實施例中，積層製造製程的進行與裝置30(圖1)關聯而沒有削減製程，例如機械加工、蝕刻等等。
在一些實施例中，積層所形成的整個3D物件是實心的，然而在一些實施例中，僅僅3D物件的數個部份是實心的。在一些實施例中，整個3D物件或3D物件的數個部份是中空的，亦即，被形成為一起界定中空內部空間的牆體(s)。
進一步如圖1所示，裝置30包括氣體放電照明體55用於照射沉積材料、試劑等等以導致材料加熱，接著這可導致材料顆粒彼此互相熔融，其中此熔融係經由熔化、燒結等等發生。
在一些實施例中，至少氣體放電照明體55的大部份(例如，51百分比)輻射光譜出現在紫外線-可見光波長範圍內。在一些實施例中，至少氣體放電照明體55的絕對多數(例如，67百分比)輻射光譜出現在紫外線-可見光波長範圍內。
在一些實施例中，氣體放電照明體55致能每單元時間有高能量輻射速率。
在一些實施例中，經由有約1焦耳/平方厘米至約50焦耳/平方厘米之能量密度且有數十微秒(例如50微秒)至數十毫秒(例如20、30毫秒)之持續時間的單閃(single flash)，氣體放電照明體55可照射沉積材料及試劑。在一些實施例中，經由用作氣體放電照明體的氙閃光燈可實現用於照射的這些參數。
在一些實施例中，氣體放電照明體55與材料層隔開約15毫米。
在一些實施例中，氣體放電照明體55輻射高強度脈衝，而不是連續(CW)照射。在某些情況下，高強度脈衝可加快目標材料的受熱步伐，同時可能減少導向非目標材料及積層製造裝置內(或與其關聯)之組件的總熱量。
在一些實施例中，用相對於接收表面42可沿著第一定向(F)移動的共用托架(common carriage)57支撐材料分配器50與氣體放電照明體55。鑑於氣體放電照明體(如以下進一步至少結合圖6所描述的)的短時間及高強度輻射，在一些實施例中，為了以單一回合照射接收表面42上的整個材料層，氣體放電照明體55輻射一系列的閃爍。相較於在積層製造方法中使用照射單元的數個回合以充分照射材料層導致熔融的市售單元，此配置可大幅增強積層製造的速度。
在一些實施例中，氣體放電照明體55有在接收表面42上方或朝向它的固定位置因而不被活動托架57支撐。在此類實施例中，氣體放電照明體55的支撐與材料分配器50分開或獨立。在一些此類實施例中，氣體放電照明體55產生有足夠面積的單閃以照射整個接收表面42，因此可照射在接收表面42上的整個材料層。
在一些實施例中，氣體放電照明體55由活動托架57支撐，如前述。不過，而不是提供一序列閃爍的氣體放電照明體55，活動托架57使氣體放電照明體55移到在接收表面42上方的中央位置，在此氣體放電照明體55輻射足以照射在接收表面42上之整個材料層的單閃。在此單閃後，必要時，托架57移到可初始化材料分配之下一回合的位置。
在一些實施例中，在經由氣體放電照明體55施加能量後，可按需要經由裝置30沉積材料及/或試劑的附加層以及隨後經由氣體放電照明體55進一步施加能量。
在一些實施例中，氣體放電照明體55包含脈衝放電燈，例如氙閃光燈、氪閃光燈管、氬閃光燈及氖閃光燈，以及包括氙、氪、氬及氖之各種組合的閃光燈。
在一些實施例中，氣體放電照明體55包含高強度連續波(CW)放電燈，例如但不限於：汞(Hg)蒸氣照明體、金屬鹵化物照明體、鈉(Na)蒸氣照明體及短弧氙燈(Xenon short arc lamp)。
在一些實施例中，以迴旋加速器輻射源(cyclotron radiation source)代替氣體放電照明體55。
圖2包括側視圖的示圖150根據本揭示內容之一實施例示意圖示色劑在3D物件之積層製造期間的施加。如圖2所示，在182處，施加成為液滴陣列184的色劑(例如，經由流體噴射陣列58)於駐留在第一材料層160上面的第二材料層170上。進一步如圖2所示，第一層160包括非熔融部份162與熔融部份164。虛線A表示第一層160與第二層170之間的層連接(layer connection)。在經由裝置30沉積色劑之液滴184後，施加能量，進一步如圖3所示。
圖3中包括側視圖的示圖200根據本揭示內容之一實施例示意圖示能量在3D物件之積層製造期間的施加。如圖3所示，經由氣體放電照明體55，施加能量212於第二材料層170上，其包括第二層170中已施加色劑於其上的部份。如圖3所示，由於氣體放電照明體55有與該色劑之吸收光譜實質重疊的輻射光譜，第二層的目標部份(T)變熱到超過第二層170中之材料之熔點的溫度，從而導致目標部份T中的材料顆粒熔融。關於色劑之吸收光譜與氣體放電照明體之輻射光譜的實質重疊的進一步細節例如但不限於：氣體放電照明體(例如，氙閃光燈)，如以下進一步至少結合圖6所描述的。與此同時，進一步如圖3所示，非目標部份(N)由於在該位置缺少色劑而不會熔融。
用至少結合圖1至圖3所描述的架構，裝置30可用來至少用以下方式來積層製造3D物件。經由材料分配器50，可沉積一層材料於接收表面上。經由單一回合，使用流體噴射陣列58，裝置30選擇性地沉積至少包括第一色劑的液滴於該層的數個第一部份上。不過，在一些實施例中，多個回合可用來沉積該等液滴。在這兩種情形下，氣體放電照明體55則用來選擇性地在該層之該等第一部份中引發第一能量吸收量，其實質大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二能量吸收量。在一些實施例中，第一部份的實質較大能量吸收量比第二部份大3至4倍。在一些實施例中，第一部份的實質較大能量吸收量至少比第二部份大5倍。在一些實施例中，第一部份的實質較大能量吸收量至少比第二部份大10倍以上(例如，至少一個數量級)。
在一些實施例中，與該第一色劑關聯之該第一能量吸收量造成在該等第一部份中的該材料熔融，且該第二能量吸收量不造成該等第二部份熔融。在一些實施例中，該第一能量吸收量比該第二能量吸收量大至少一個數量級。
應瞭解，在後續一層材料覆蓋任何先前所沉積的色劑時，這些位置幾乎不會出現升溫直到/除非在施加該後續材料層後施加額外的光吸收色劑至這些位置。
在一些實施例中，對於有些層，沉積材料層有預設顏色，其具有充分吸光性以在暴露於來自氣體放電照明體55之充分高能量輻射時變熔融(經由熔化、燒結等等)。在此類實施例中，在施加來自氣體放電照明體55的能量之前，流體噴射陣列58可選擇性地沉積有第二顏色的色劑，該第二顏色有最小吸光性致使在暴露於來自氣體放電照明體55之能量輻射後不會引發熔融。經由此一配置，氣體放電照明體55可引發材料(已有第一顏色)的熔融且不造成被經選擇性沉積之色劑(第二顏色)覆蓋的材料熔融。換言之，該沉積色劑用來選擇性地遮罩沉積材料的數個部份以實現由沉積材料中不被沉積色劑覆蓋之數個部份組成的所欲熔融圖案。
在一些實施例中，經由裝置30之積層製造的方法包括：使用材料分配器50沉積第一材料層於接收表面上，其方式與先前描述於上文的實質相同。經由流體噴射陣列58，裝置30在第一層上的不同位置處選擇性地沉積至少有第一色劑的液滴與有第二色劑的液滴。氣體放電照明體55用來在該第一層中有該第一色劑的數個位置處引發熔融而在有該第二色劑的數個位置處不引發熔融。在一些實施例中，大體有吸光性的第一色劑，且第二色劑為吸光性最小的顏色，其中第二色劑係沉積於不想要熔融的地方。與此同時，第一色劑有與氣體放電照明體之輻射光譜充分重疊的吸收光譜以導致被第一色劑覆蓋的材料熔融(經由熔化或燒結)。
在一些實施例中，裝置30(圖1)包括控制部份及/或與其合作操作以實施3D物件的積層製造，其中控制部份300之一示範實施的描述至少結合圖4。
圖4根據本揭示內容之一實施例示意圖示控制部份300的方塊圖。
在一些實施例中，控制部份300提供控制部份的一示範實施，其形成下列各項中之任一者的一部份、實施及/或管理：裝置、材料分配器、試劑供應器、流體噴射陣列、氣體放電照明體、引擎、功能、參數及/或方法，如本揭示內容結合圖1至圖3及圖5至圖7所呈現的。
在一些實施例中，控制部份300包括控制器302與記憶體310。
大致上說，控制部份300的控制器302包含至少一處理器304及相關記憶體。控制器302與記憶體310可電性耦接或通訊以產生控制訊號來控制如本揭示內容所述的裝置、材料分配器、試劑供應器、流體噴射陣列、氣體放電照明體、引擎、功能、參數及/或方法中之至少一些的操作。在一些實施例中，產生的這些控制訊號包括但不限於：運用存入記憶體310的製造引擎311以用描述於本揭示內容之至少一些實施例的方式至少指示及管理3D物件的積層製造。
響應或基於經由使用者介面(例如，圖4的使用者介面320)及/或經由機器可讀取指令收到的命令，控制器302根據本揭示內容之至少一些實施例產生控制訊號以實施3D物件的積層製造。在一些實施例中，控制器302具體化於通用計算裝置中，同時在一些實施例中，控制器302與描述於本揭示內容中的相關裝置、材料分配器、試劑供應器、流體噴射陣列、氣體放電照明體、引擎、功能、參數及/或方法等等中之至少一些合作或關聯。
出於本申請案的目的，參考控制器302，用語「處理器」應指目前已開發或未來將開發的處理器(或處理資源)，其係執行容納於記憶體中的機器可讀取指令序列。在一些實施例中，執行機器可讀取指令序列，例如經由控制部份300之記憶體310提供者，造成處理器做動作，例如操作控制器302，以實施3D物件的積層製造，大體如本揭示內容之至少一些實施例所述(或與其一致)。該等機器可讀取指令可從在唯讀記憶體(ROM)、大量儲存裝置或一些其他永久性儲存所(例如，非暫時性有形媒體或非揮發性有形媒體)中的儲存位置載入隨機存取記憶體(RAM)供處理器執行，如記憶體310所示。在一些實施例中，記憶體310包含電腦可讀取有形媒體提供可由控制器302之行程(process)執行的機器可讀取指令之非揮發性儲存所。在其他實施例中，硬體佈線電路(hard wired circuitry)可用來取代或結合機器可讀取指令以實施所描述的功能。例如，控制器302可具體化為至少一特殊應用積體電路(ASIC)的一部份。在至少一些實施例中，控制器302不限於硬體電路與機器可讀取指令的任何特定組合，也不限於用於由控制器302執行之機器可讀取指令的任何特定來源。
在一些實施例中，控制部份300全部在獨立裝置內實施或由獨立裝置實施，該獨立裝置的特徵及屬性至少一些與先前至少結合圖1至圖3所描述之裝置30的實質相同。在一些實施例中，控制部份300部份實施於裝置30中且部份實施於與裝置30分開且獨立但是與裝置30通訊的計算資源中。
在一些實施例中，控制部份300包括如圖4所示的使用者介面320。在一些實施例中，使用者介面320包含使用者介面或其他顯示器供用於同時顯示、激活及/或操作裝置、材料分配器、試劑供應器、流體噴射陣列、氣體放電照明體、引擎、功能、參數及/或方法中之至少一些，如結合圖1至圖3與圖5至圖7所描述的。在一些實施例中，使用者介面320的至少一些部份或方面經由圖形使用者介面(GUI)提供，且可包含顯示器324與輸入322。
圖5根據本揭示內容之一實施例示意圖示製造引擎350的方塊圖。在一些實施例中，製造引擎350在圖4的控制部份300中提供製造引擎311的一示範實施。在一些實施例中，控制部份製造引擎350包含與結合圖4之製造引擎311的實質相同的至少一些特徵及屬性。
如圖5所示，在一些實施例中，製造引擎350包含分配引擎360、合成引擎(composition engine)380及/或能量引擎390。在一些實施例中，製造引擎350指示及管理3D物件的積層製造，包括材料相對於接收表面的沉積以積層形成三維(3D)物件。
大致上說，分配引擎360致能沉積材料、試劑等等於接收表面及/或部份成形的3D物件上的選擇(自動或手動地)。在一些實施例中，分配引擎360包含材料參數362。經由材料參數362，製造引擎350指定那些材料及材料數量可用來積層形成3D物件的主體。在一些實施例中，這些材料的沉積係經由裝置30的材料分配器50(圖1)。
該等材料可包含有充分強度、可塑性、靭度等等的聚合物、陶瓷等等用於3D物件的預期用途，其中先前已結合圖1描述至少一些示範材料。
在一些實施例中，分配引擎360包含試劑函數364以指定將會試劑被選擇性地沉積於材料及/或其他試劑的先前沉積層。在一些實施例中，此類試劑的沉積係經由流體噴射陣列58(圖1)。在一些實施例中，試劑函數364包括顏色陣列參數366、細節處理參數368及熔融參數369。
顏色陣列參數366致能可能被沉積之不同色劑及彼等之混合物的選擇。在一些實施例中，該等不同色劑可包含青色、洋紅色、黃色及黑色。不過，可使用其他的色劑，包括特別色(spot color)。以下至少結合圖6進一步描述與可經由顏色陣列參數366選擇之此類色劑關聯的至少一些方面。經由來自氣體放電照明體55之光能量的吸收，該等色劑可促進材料的熔融。
在一些實施例中，細節處理參數368控制細節處理劑的沉積以補充沉積材料的熔融，同時顏色陣列參數366控制補助助熔劑的沉積，它可與色劑合作促進沉積材料熔融於整塊結構中。在一些實施例中，選擇性地沉積其他試劑或附加試劑。應瞭解，在至少一些實施例中，在色劑(選擇性地沉積於材料上)足以引發以熔融為目標的材料適當地加熱及熔化下，省略補助助熔劑且不沉積於材料上。
應瞭解，在一些實施例中，分配引擎360不限於指定與圖5之參數362、366、368、369關聯的材料、試劑等等之類型，反而可指定有助於積層製造3D物件的任何類型材料、試劑等等，其中材料、試劑等等的類型取決於3D物件的尺寸、類型、形狀、用途等等，且取決於用來進行3D物件之積層製造之方法的特定類型。
不同類型的試劑等等各自可個別容納於試劑供應站60的不同貯器中(例如圖1的62、64)且在3D物件的積層製造期間可按需要選擇性地抽出。同樣，只要每個參數362使用於不同的材料，則各個不同材料可容納於個別貯器中直到經由分配器50被沉積(圖1)。
大致上說，製造引擎350的合成引擎380致能選擇(自動或手動地)被沉積之選定試劑的屬性。例如，在一些實施例中，合成引擎380包含位置參數382、尺寸參數384、形狀參數386、數量參數388及間距參數389。位置參數382可指定安置各種試劑及/或3D物件之結構特徵的位置。例如，位置參數382可指定色劑將會被沉積以造成一層材料熔融(例如，經由熔化、經由燒結等等)的位置。與此同時，尺寸參數384可指定特定試劑(例如，顏色、細節處理等等)沉積於上面之區域的尺寸。該尺寸可指定為絕對數量或相對數量，亦即，相對於不接收特定試劑之周圍材料之尺寸或容積的尺寸。
在一些實施例中，形狀參數386致能指定特定試劑沉積於其上的形狀，它可絕對或相對於3D物件的一般形狀。在一些實施例中，數量參數388致能指定特定試劑沉積於一層材料上之位置的數量。在一些實施例中，間距參數389致能指定多個特定試劑沉積位置之間的間距。
大致上說，製造引擎350的能量引擎390致能指定在沉積材料及試劑上的各種處理步驟，例如施加能量以造成沉積材料的熔融等等。
在一些實施例中，能量函數390包含時間函數392、強度參數397及波長參數398。時間函數392包含靜態參數394與動態參數395。
在一些實施例中，時間函數392指定能量從氣體放電照明體55朝向接收表面42上之材料、試劑等等輻射的時間量。在一些實施例中，氣體放電照明體55以單閃照射材料層。因此，在照射時間經由靜態參數394指定的輻射期間，氣體放電照明體55可保持靜止不動(亦即，靜態)。不過，在氣體放電照明體55在一序列閃爍期間通過材料、試劑等等(在接收表面42上)的一些實施例中，動態參數395可指定輻射的總時間量或每一次閃爍的輻射時間。
在一些實施例中，在波長參數398選擇性地控制可由氣體放電照明體55輻射的波譜範圍時，強度參數397控制可由氣體放電照明體55輻射的能量強度。
圖6為包括曲線圖452的示圖450，曲線圖452根據本揭示內容之一實施例示意圖示吸光度(absorbance)與輻射。
如圖6所示，示圖450包括表示吸光度的第一y軸454，表示輻射(任意單位)的第二y軸456，以及表示波長(奈米)的x軸458。經由圖例460，根據對應的曲線圖案及相關元件符號(例如，470、472、474、476)標示各個色劑(例如，青色、洋紅色、黃色、黑色)。此外，圖例460提供根據對應曲線圖案的標示及相關元件符號與用於兩個不同示範氣體放電照明體的相關元件符號480、482，例如氙閃光燈(例如，各自為氙閃光燈1與氙閃光燈2)。
在一方面，曲線圖452並列各個氙閃光燈經由曲線480、482相對於各個色劑中之每一者之吸收光譜(C-470；M-472；Y-474；與K-478)所呈現的輻射光譜。從此並列可看見，2000任意單位以上之燈能量輻射480、482與黃色474的吸收在約300至約425奈米的波長範圍內出現明顯的重疊。進一步參考曲線圖452，可看見，2000任意單位以上之燈能量輻射480、482與色劑洋紅色472的吸收在約500至約600奈米的波長範圍內出現明顯的重疊。進一步參考曲線圖452，可看見，2000任意單位以上之燈能量輻射480、482與色劑青色470的吸收在約550至約700奈米的波長範圍內出現明顯的重疊。此資訊表明氙閃光燈的波譜各自與黃色、洋紅色及青色色劑的波長出現明顯的重疊，致使各個色劑黃色、洋紅色、及/或青色吸收閃光燈480、482所輻射的實質大部份能量。
經由此配置，色劑(例如，青色、洋紅色、黃色)的吸收光譜與氙閃光燈的輻射光譜出現實質重疊。
在一些實施例中，揭露於本揭示內容之至少一些實施例的氣體放電照明體可為實質排除大於近紅外線(IR)輻射光譜之波長的紫外線(UV)-可見光氣體放電照明 體。
在此一紫外線(UV)-可見光氣體放電照明體的一些實施例中，該氣體放電照明體也排除近紅外線(NIR)光譜的波長。換言之，此一紫外線(UV)-可見光氣體放電照明體實質排除大於紫外線-可見光輻射光譜的波長。
圖7的流程圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示製造3D物件之方法。在一些實施例中，方法600的進行至少經由下列各物中之一些：材料分配器、流體噴射陣列、試劑供應器、氣體放電照明體、裝置、引擎、功能、方法，如先前至少結合圖1至圖6所描述的。在一些實施例中，方法600的進行至少經由下列各物中之一些：材料分配器、流體噴射陣列、試劑供應器、氣體放電照明體、裝置、引擎、功能、方法，除先前至少結合圖1至圖6所描述的以外。特別是，在一些實施例中，方法600的實施至少經由製造引擎，例如圖5的製造引擎350。
如圖7所示，在步驟602，方法600包含：對於一接收表面沉積一層材料以積層地形成一整塊3D物件。在先前已沉積一層材料及/或試劑於接收表面上的一些實施例中，則後面的材料層不再直接沉積於接收表面上反而於先前被沉積的材料、試劑等等上。
在步驟604，方法600包含：選擇性地沉積包括至少第一色劑的液滴於該材料層的數個第一部份上。在步驟606，方法600包括：應用一氣體放電照明體以選擇性地在該層的該等第一部份中引發第一能量吸收量，其實質大於該層中不包括該第一色劑之該等第二部份的第二能量吸收量。
儘管本文已圖解及描述數個特定實施例，然而有各種替代及/或等效實施可取代所圖示及描述的特定實施例而不脫離本揭示內容的範疇。本申請案旨在涵蓋提及於本文之特定實施例的任何修改及變體。
30‧‧‧裝置
42‧‧‧接收表面
50‧‧‧材料分配器
55‧‧‧氣體放電照明體
57‧‧‧(共用/活動)托架
58‧‧‧流體噴射陣列
60‧‧‧試劑供應器/試劑供應站
62‧‧‧色劑
64‧‧‧其他試劑
80A-80C‧‧‧目標部份
90‧‧‧圓柱體
150‧‧‧示圖
160‧‧‧第一層
162‧‧‧非熔融部份
164‧‧‧熔融部份
170‧‧‧第二層
182‧‧‧施加色劑處
184‧‧‧液滴陣列
200‧‧‧示圖
212‧‧‧能量
250‧‧‧製造引擎
300‧‧‧控制部份
302‧‧‧控制器
304‧‧‧處理器
310‧‧‧記憶體
311‧‧‧製造引擎
320‧‧‧使用者介面
322‧‧‧輸入
324‧‧‧顯示器
350‧‧‧製造引擎
360‧‧‧分配引擎
362‧‧‧材料參數
364‧‧‧試劑函數
366‧‧‧顏色陣列參數
368‧‧‧細節處理參數
369‧‧‧熔融參數
380‧‧‧合成引擎
382‧‧‧位置參數
384‧‧‧尺寸參數
386‧‧‧形狀參數
388‧‧‧數量參數
389‧‧‧間距參數
390‧‧‧能量引擎
392‧‧‧時間函數
394‧‧‧靜態參數
395‧‧‧動態參數
397‧‧‧強度參數
398‧‧‧波長參數
450‧‧‧示圖
452‧‧‧曲線圖
454‧‧‧第一y軸
456‧‧‧第二y軸
458‧‧‧x軸
460‧‧‧圖例
470、472、474、476‧‧‧色劑
480、482‧‧‧燈能量輻射
600‧‧‧方法
602-606‧‧‧步驟
A‧‧‧虛線
F‧‧‧第一定向
L‧‧‧長度
N‧‧‧非目標部份
S‧‧‧第二定向
T‧‧‧目標部份
W‧‧‧寬度
圖1包括上視圖的方塊圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示積層製造3D物件的裝置。
圖2包括側視圖的示圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示色劑(color agent)在積層製造3D物件期間的施加。
圖3包括側視圖的示圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示能量在積層製造3D物件期間的施加。
圖4根據本揭示內容之一實施例示意圖示控制部份的方塊圖。
圖5根據本揭示內容之一實施例示意圖示製造引擎的方塊圖。
圖6的曲線圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示關於能量輻射及吸收的資訊。
圖7的流程圖根據本揭示內容之一實施例示意圖示積層製造3D物件之方法。

Claims (14)

  1. 一種積層製造方法，其包含：沉積一層材料於一接收表面上；使用一頁寬式流體噴射陣列、經由單程，選擇性地沉積包括至少一第一色劑的液滴於該層的數個第一部份上；與應用一氣體放電照明體以選擇性地引發該層之該等第一部份中之第一能量吸收量，該第一能量吸收量實質上大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二能量吸收量；其中，該氣體放電照明體具有一輻射光譜，該輻射光譜實質上不包括大於近紅外線(NIR)輻射光譜波長之波長。
  2. 如請求項1之方法，其中，與該第一色劑關聯之該第一能量吸收量造成在該等第一部份中的該材料熔融，且該第二能量吸收量不造成該等第二部份熔融。
  3. 如請求項1之方法，其中，該第一能量吸收量比該第二能量吸收量大至少一個數量級。
  4. 如請求項1之方法，其中，該材料包含具有至少200℃之熔化溫度的一聚合物。
  5. 如請求項4之方法，其中，該材料選自由下列各物組成之群組：聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮(PEK)，聚苯硫醚(PPS)，聚四氟乙烯(PTPE)，全氟烷氧基樹脂 (PFA)，全氟聚醚(PFPE)，全氟磺酸(PFSA)，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)，聚醯胺4,6(PA46)，聚醯胺6,6(PA66)，聚丁烯對苯二甲酸酯(PBT)。
  6. 一種積層製造裝置，其包含：一材料分配器，其用於沉積一第一層之材料於一接收表面上；一頁寬式流體噴射噴嘴陣列，其用於選擇性地沉積具有至少一第一色劑的液滴與具有一第二色劑的液滴於該第一層的不同位置上；與一氣體放電照明體，其用於在該第一層中具有該第一色劑的數個位置處引發熔融而在具有該第二色劑的數個位置處不引發熔融；其中，該氣體放電照明體具有一輻射光譜，該輻射光譜實質上不包括大於近紅外線(NIR)輻射光譜波長之波長。
  7. 如請求項6之裝置，其中，對於該氣體放電照明體之一輻射光譜，該第一色劑具有一吸光度，其實質上大於該第二色劑對於該氣體放電照明體之該輻射光譜的一吸光度。
  8. 如請求項7之裝置，其中，該第一色劑之該吸光度比該第二色劑之該吸光度大至少一個數量級。
  9. 如請求項6之裝置，其中，該材料包含具有至少200℃之熔化溫度的一聚合物，且該材料選自由下列各物組成之群組：聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮(PEK)，聚 苯硫醚(PPS)，聚四氟乙烯(PTPE)，全氟烷氧基樹脂(PFA)，全氟聚醚(PFPE)，全氟磺酸(PFSA)，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)，聚醯胺4,6(PA46)，聚醯胺6,6(PA66)，聚丁烯對苯二甲酸酯(PBT)。
  10. 如請求項6之裝置，其包含：一控制部份，其包括一顏色陣列參數以選擇地沉積來自包括該第一色劑及該第二色劑的一色劑陣列的數個顏色，其中，至少該第一色劑具有與該氣體放電照明體之一輻射光譜實質上重疊的一吸光度光譜，並且該第二色劑具有對於該氣體放電照明體之該輻射光譜的一吸光度光譜，藉此以在具有該第二色劑的該等位置處不引發熔融。
  11. 如請求項10之裝置，其中，該控制部份包含一合成引擎，其包括下列中之至少一者：用於選擇欲施加之各個色劑沉積之數個位置的一位置參數；用於選擇各個色劑沉積之區域之尺寸的一尺寸參數；用於選擇各個色劑沉積之區域之形狀的一形狀參數；用於選擇該等各個色劑沉積之數個位置之數量的一數量參數；與用於選擇該等各個色劑沉積之數個位置之間的間距的一間距參數。
  12. 如請求項10之裝置，其中，該控制部份包含一能量引擎，其包括一時間函數用以根據下列參數中之 至少一者來選擇施加來自該氣體放電照明體的能量：該氣體放電照明體在能量施加期間靜止不動的一靜態參數；與該氣體放電照明體在能量施加期間在該接收表面上方以單程移動以實現該材料在具有該第一色劑之數個位置處之熔融的一動態參數。
  13. 一種積層製造裝置，其包括能執行儲存於一非暫時性媒體中的數個機器可讀取指令的一處理資源，用以：沉積一層聚合物材料於一接收表面上；選擇性地沉積至少包括一第一色劑的液滴於該層的數個第一部份上；與經由一氣體放電照明體，選擇性地引發該層之該等第一部份中之第一加熱量，其實質上大於該層中不包括該第一色劑之數個第二部份的第二加熱量；其中，該氣體放電照明體具有一輻射光譜，該輻射光譜實質上不包括大於近紅外線(NIR)輻射光譜波長之波長。
  14. 如請求項13之積層製造裝置，該等指令用於施加一氙閃光燈之歷時約100微秒至300毫秒的一單閃。
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