背景技术
[0001] 增材制造机通过构建材料层来产生3D物体。一些增材制造机通常被称为“3D
打印机”。
3D打印机和其他增材制造机使得可以将物体的CAD(
计算机辅助设计)模型或其他数字表示转变成物理物体。模型数据可被处理成切片，这些切片各自限定一个或多个构建材料层的待形成该物体的部分。
附图说明
[0002] 图1和图2分别是正视图和平面图，其图示了用于增材制造机的熔合系统的一个示例。
[0003] 图3-28呈现了一系列视图，其示出了使用图1和图2的熔合系统的四通熔合循环的一个示例。
[0004] 图29是图示了四通熔合循环的一个示例的示图。
[0005] 图30和图31是图示了用于增材制造的熔合过程的示例的
流程图，该熔合过程例如可用图1和图2的熔合系统来实施。
[0006] 图32是图示了处理器可读介质的一个示例的
框图，该处理器可读介质具有熔合指令，以在3D物体的增材制造期间熔合构建材料。
[0007] 图33是图示了用于增材制造机的熔合系统的一个示例的框图，该熔合系统实施了具有熔合指令的
控制器，该熔合指令用于在3D物体的增材制造期间熔合构建材料。
[0008] 贯穿附图，相同的附图标记标示相同或相似的部分。附图未按比例绘制。附图中极大地放大了构建材料层和物体切片的比例。例如图3-28中所示的熔合过程的熔合过程中的每层构建材料可小于100μm，而以数千层来制造物体。
具体实施方式
[0009] 在一些增材
制造过程中，使用热将粉末状构建材料中的颗粒熔合在一起，以形成固体物体。例如，可通过将液体熔剂以基于物体切片的图案施加于粉末状构建材料的薄层，并且随后将
图案化区域暴露于熔合光，来生成熔合构建材料的热。熔剂中的光吸收组分吸收光能以帮助将图案化的构建材料加热到熔合
温度以上，以
烧结、
熔化或以其他方式熔合构建材料。可使用其他液体
试剂来产
生物体的期望特性。例如，精细剂可用于增强或抑制物体的某些区域中的熔合，
着色剂可用于不同
颜色的物体或单个物体中的不同颜色，并且其他试剂可被用于影响例如延展性和
导电性之类的物理性质。逐层并且逐切片重复该过程，以完成所述物体。
[0010] 已经开发出新的熔合技术来帮助改善塑料物体的延展性。在一个示例中，使用四通熔合过程将构建材料加热到熔合温度以上并将其保持在那里处于熔融状态足够长的时间以便蠕动(reptation)，并且随后，将熔合的构建材料冷却至低于结晶温度，并将其短暂地留在那里以帮助将
聚合物锁定到无定形状态，同时抑制结晶。在一个这样的四通熔合过程中，例如，在第一次滑架通过期间，预加热未熔合构建材料层中的构建材料，并且随后，液体熔剂被选择性地分配到预加热的未熔合构建材料上。在第二次滑架通过期间，用熔合光来照射其上已分配有熔剂的构建材料，以将构建材料加热到熔合温度以上，以形成熔合的构建材料。尽管熔合光通常被施加于整个工作区域，从而照射用熔剂处理的构建材料以及未处理的构建材料，但是也可使用选择性光照来针对经处理的构建材料。在第三次滑架通过期间，用熔合光照射熔合的构建材料，并且在第四次滑架通过期间，再次用熔合光照射熔合的构建材料，以在期望的蠕动期内将熔合的构建材料保持在熔合温度以上。然后，同样在第四次滑架通过期间，通过将下一层未熔合的构建材料铺展在热的构建材料上，熔合的构建材料被快速地冷却到结晶温度以下。然后，该序列立即以第一次滑架通过再次开始。在第一次滑架通过中预加热新的未熔合构建材料层将下面的熔合构建材料加温到结晶温度以上，以限制“极端”冷却的持续时间，并且因此，抑制结晶和沿周边的边缘卷曲。
[0011] 对于增材制造塑料物体，新的熔合技术的这个和其他示例使得构建材料中的聚合物能够形成并保持与其他增材制造技术相比表现出较高的延展性和较低的脆性的无定形结构。然而，示例不限于增材制造塑料物体。在其他示例中，可使用其他类型的构建材料来制造物体。
[0012] 在下文中描述和在附图中示出的这些和其他示例说明但不限制本
专利的范围，本专利的范围在本
说明书之后的
权利要求中限定。
[0013] 如本文件中所使用的：“和/或”意指关联事物中的一个或多个；“熔剂”意指使得或有助于使得构建材料烧结、熔化或以其他方式熔合的物质；“精细剂”意指例如通过改变熔剂的效果来抑制或防止或增强熔合构建材料的物质；“照射”意指暴露于
辐射，包括热和光；“光”意指任何
波长的
电磁辐射；“液体”意指不主要由一种或多种气体组成的
流体；“处理器可读介质”意指可实施、包含、存储或维护指令和其他信息以供处理器使用的任何非暂时性有形介质，并且例如可包括
电路、集成电路、ASIC(
专用集成电路)、
硬盘驱动器、随机存取
存储器(RAM)、
只读存储器(ROM)和闪存；以及“工作区域”意指
支撑或包含用于熔合的构建材料的任何合适的结构，包括处于下面的构建材料层和处理中的切片以及其他物体结构。
[0014] 图1和图2分别是正视图和平面图，其图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例。图3-28呈现了一系列视图，其示出了使用系统10的四通熔合过程的一个示例。参照图1和图2，熔合系统10包括第一“熔合器”滑架12和第二“分配器”滑架14。滑架12和14在工作区域18上方在轨道16上来回移动。熔合器滑架12承载层叠装置22、加热器24和熔合灯26。分配器滑架14承载喷墨打印头组件或其他合适的液体分配组件28，以分配液体熔剂。在所示示例中，分配组件28包括分配熔剂的第一分配器30和分配例如精细剂的另一种试剂的第二分配器32。
[0015] 在图1和图2中所示的示例中，层叠装置22被实施为辊22，该辊22在当滑架12在工作区域18上方移动时层叠(layer)构建材料的展开
位置和当滑架12在工作区域18上方移动时不层叠构建材料的缩回位置(图9中所示)之间移动。层叠装置22的其他实施方式也是可能的，包括例如直接在工作区域之上将构建材料分配成一层的刮片或装置。
[0016] 加热器24可被实施为“加温”灯或其他辐射加热装置24。在这种背景下“加温”是指加热器24的将工作区域18中的未熔合构建材料加热到更接近熔合温度的温度的预加热功能。尽管示出了单一的装置24，但是也可使用多个加温灯或其他辐射加热装置24。同样，虽然描绘了单一的熔合灯26，但是也可使用多个熔合灯，以例如使得能够实现更大范围的熔合光。
[0017] 尽管加温灯24和熔合灯26的特性可根据构建材料和熔剂的特性(以及其他熔合过程参数)而变化，但通常较低
色温的加温灯24和较高色温的熔合灯26将是期望的，以相应地更好匹配未处理和经处理的构建材料的
光谱吸收，以便增加从灯到构建材料的
能量传递。例如，可使用在800K至2150K的范围内操作的加温灯24来实现期望的功率吸收
水平，以便有效地预加热未处理的白色或其他浅色的构建材料，并且可使用在2400K至3500K的范围内操作的熔合灯26来实现期望的功率吸收水平，以便有效地熔合用黑色或高吸收性低
色调(low tint)液体熔剂处理的相同构建材料，而不会显著地加热周围的未处理构建材料。吸收由较高色温的熔合灯发出的几乎所有辐射能量的黑色熔剂熔合经处理的构建材料，而不会也熔合周围的未处理构建材料。
[0018] 如上所述，工作区域18表示支撑或包含用于熔合的构建材料的任何合适的结构，包括处于下面的构建材料层和处理中的切片以及其他物体结构。例如，对于第一层构建材料，工作区域18可形成在平台34的表面上，该平台34上下移动以适应层叠过程。对于随后的构建材料层，工作区域18可形成在下面的结构36上。在图1中，下面的结构36是一层未熔合的构建材料38。在图15中，下面的结构36是包括未熔合的构建材料和已熔合成物体切片的构建材料的物体结构。
[0019] 在图1和图2中，未熔合构建材料38的带40沿与工作区域18相邻的台板42沉积，层叠辊22展开，加温灯24和熔合灯26打开，并且熔合器滑架12在第一次通过中向右移动，如运动箭头44所示。在图3和图4中，当熔合器滑架12继续向右移动时，加温灯24加热下层36，同时辊22在下层36之上将未熔合的构建材料层叠成层46。熔合灯26可为下层36中的未熔合构建材料贡献少量的热。然而，如上所述，在该示例中，熔合灯被构造成优化加热已用熔剂处理的构建材料，并且因此，不充分地加热未处理的构建材料。
[0020] 在图5和图6中，熔合器滑架12在熔合序列的由运动箭头48表示的第一次通过中向左移动。层叠辊22被展开以重新层叠层46中的任何过量的构建材料，并且加温灯24打开以预加
热层46中的构建材料。过量的构建材料可能是期望的，以例如帮助确保完全
覆盖下面的结构，包括在熔合期间可能形成的腔。先前在图3和图4中向右移动的辊22可被缩回，以跳过积聚在左侧台板42上的任何过量的构建材料，以准备在图5和图6中所示的熔合循环的第一次通过中重新层叠该过量的构建材料。
[0021] 在图7和图8中，分配器滑架14在第一次通过中在工作区域18上方跟随熔合器滑架12，并且分配器30以基于期望的物体切片的图案54将熔剂52分配到层46中的构建材料38上。在该示例中，分配器32还在第一次通过中将精细剂或其他试剂56分配到层46中的图案化的构建材料54和/或未图案化的构建材料上。
[0022] 在图9和图10中，当分配器滑架14在运动箭头44所示的第二次通过中向右移动时，分配器30和32相应地将试剂52和56分配到层46中的图案化和/或未图案化的构建材料上。在图11和图12中，熔合器滑架12在第二次通过中在工作区域18上方跟随分配器滑架14，并且熔合灯26打开以用熔合光来照射图案化的构建材料54，以熔合图案化的构建材料。熔合的构建材料58形成第一物体切片60。在该示例中，加温灯24在第二次通过中打开，以例如减缓熔合的材料58的冷却。
[0023] 在图13和图14中，分配器滑架14保持停放，而熔合器滑架12在运动箭头48所示的第三次通过中向左移动，其中加温灯24和熔合灯26打开以照射熔合的构建材料58。几乎连续地暴露于来自加热器24的热和来自灯26的光二者有助于将熔合的构建材料58保持在熔合温度或以上。在图15和图16中，熔合器滑架12在第四次通过中向右移动，其中加温灯24和熔合灯26打开以照射熔合的构建材料58。辊22紧跟这些灯，该辊22在下面的结构62之上将未熔合的构建材料38铺展成下一层64，以冷却熔合的构建材料58。
[0024] 然后，序列再次以第一次滑架通过开始，以预加热层64并且加温下面的熔合的构建材料58，如图17和图18中所示。针对下一层64的四通熔合循环在图17-28中示出，以形成被下一个后续层70覆盖的第二切片68。该熔合过程逐层并且逐切片地继续，以完成所述物体。四次滑架通过的
序列表示制造期间的持续循环，并且因此，上述示例中的第一、第二、第三和第四的通过编号不一定意味着开始和结束。例如，针对一层的序列的开始可以是针对另一层的序列的结束。这些通过可与所述通过不同地进行编号。
[0025] 其他处理和系统构造也是可能的。例如，层叠辊22可在整个第二次通过(图5和图6)中缩回，例如当不期望重新层叠构建材料时缩回。更多或更少的试剂分配器是可能的，以分配更多或更少的试剂，并且可使用更多或更少的滑架来承载可移动部件。此外，分配试剂的顺序也可与所示的顺序不同，并且尽管在一些通过中一个滑架紧跟在另一个滑架之后，但作为相同通过的一部分这些滑架可以错开。在一些系统构造中，可使用固定的加热器和/或熔合灯来用熔合光(除被滑架阻挡时)连续地照射工作区域，而不是如滑架安装的部件那样间歇地照射。
[0026] 图29是图示了四通熔合循环的一个示例的示图，该四通熔合循环例如上面参照图3-28所描述的四通熔合循环。图29中的温度表示用于例如PA-12粉末之类的聚酰胺构建材料粉末的处理温度。参照图29，在第一次滑架通过期间(沿
时间线由“1”表示)，例如如图17-
20中所示，下一层中的未熔合构建材料被预加热，如通过1中急剧上升的温度曲线所示，并且随后，液体试剂被分配到该层中的预加热的未熔合构建材料上，如通过1中急剧下降的温度曲线所示。来自下面的切片的热加温下一层中的构建材料，如通过1中逐渐上升的温度曲线所示。
[0027] 在第二次滑架通过期间(沿时间线由“2”表示)，例如如图21-24中所示，更多的试剂被分配到该层中的构建材料上，并且随后，用熔合光照射其上已分配有至少熔剂的构建材料，以将构建材料加热到熔合温度以上，如急剧上升到“熔合1”的温度曲线所示。现在已熔合的构建材料可在下一次滑架通过之前略微冷却，如通过2中熔合1之后逐渐下降的温度曲线所示。
[0028] 在第三次滑架通过期间(沿时间线由“3”表示)，例如如图25和图26中所示，熔合的构建材料被用熔合光照射，以将熔合的构建材料保持在熔合温度以上，如急剧上升到“熔合2”的温度曲线所示。熔合的构建物可在下一次滑架通过之前冷却，如通过3中熔合2之后逐渐下降的温度曲线所示。
[0029] 在第四次滑架通过期间(沿时间线由“4”表示)，例如如图27和图28中所示，熔合的构建材料再次用熔合光照射，以将熔合的构建材料保持在熔合温度以上，如急剧上升到“熔合3”的温度曲线所示，并且随后，通过将下一层未熔合的构建材料铺展在熔合的构建材料上而快速冷却，如通过4中熔合3之后急剧下降的温度曲线所示。在针对下一个熔合循环的通过1之前，来自新的下面的切片的热加温下一层构建材料，如通过4中逐渐上升的温度曲线所示。
[0030] 仍然参照图29，未熔合的构建材料在通过1和2中被预加热到高于结晶温度且低于熔合温度的中性区，上述温度在该示例中分别为大约145℃和大约180℃。在第二次通过期间的大约熔合1处开始，熔合的构建材料的温度被升高到高于熔合温度且低于上限温度的熔合区，该上限温度在该示例中为大约215℃。图29中所呈现的例如PA-12之类的聚酰胺构建材料不在单一温度下熔合。相反，当颗粒开始在限定熔合区的下端的“熔合”温度下熔合时，聚合物进入熔融状态，并且随后，随着温度在熔合区中升高，熔合继续。例如，PA-12粉末可在大约180℃下进入熔融状态，并且在大约187℃下完全熔化。熔合的材料可在熔合区域中被保持在熔融状态下1.0-3.0秒，以给予足够的时间用于期望的蠕动，并且随后，被冷却至结晶区小于0.75秒，以帮助将聚合物锁定到无定形状态，同时抑制结晶。然后，例如当为下一个熔合循环预加热新的未熔合构建材料层时，冷却的熔合构建材料被加温到中性区中以稳定2-3秒。
[0031] 图30图示了用于增材制造的熔合过程100的一个示例，该熔合过程100例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图30，在第一次滑架通过期间，未熔合构建材料层中的构建材料被加温到期望的预加热温度，并且随后，液体熔剂被分配到层中的温热的未熔合构建材料上(框102)，例如如图5-8中所示。在第二次滑架通过期间，液体熔剂或其他试剂被分配到层中的未熔合构建材料上，并且随后，层中的其上已分配有熔剂的构建材料被用熔合光照射，以形成熔合的构建材料(框104)，例如如图9-12中所示。
[0032] 在第三次滑架通过期间，熔合的构建材料被用熔合光照射(框106)，例如如图13和图14中所示。在第四次滑架通过期间，熔合的构建材料再次被用熔合光照射，并且随后，熔合的构建材料被短暂地冷却至处于或低于构建材料的结晶温度的温度(框108)，例如如图15和图16中所示。对于多个接连的构建材料层，重复如下序列，即：在第一次滑架通过中加温和分配，在第二次滑架通过中分配和照射，在第三次滑架通过中照射，以及在第四次滑架通过中照射和冷却。
[0033] 图31图示了用于增材制造的熔合过程120的另一个示例，该熔合过程120例如可用图1和图2中所示的熔合系统10来实施。参照图31，过程120包括：形成第一层未熔合的构建材料(框122)，例如如图3和图4中所示；以基于第一物体切片的图案来熔合第一层中的构建材料(框124)，例如如图11和图12中所示；将处于熔融状态的熔合的构建材料的温度维持在处于或高于构建材料的熔合温度至少1秒(框126)，例如如图13-16和图29所示；并且随后，将熔合的构建材料冷却至处于或低于构建材料的结晶温度的温度小于0.75秒，以形成第一物体切片(框128)，例如如图15-16和图29中所示。
[0034] 图31中的熔合过程120还包括：在第一物体切片上形成第二层未熔合的构建材料(框130)，例如如图15和图16中所示；以基于第二物体切片的图案来熔合第二层中的构建材料(框132)，例如如图23和图24中所示；将处于熔融状态的第二层中的熔合的构建材料的温度维持在处于或高于构建材料的熔合温度至少1秒(框134)，例如如图25-28和图29中所示；并且随后，将第二层中的熔合的构建材料冷却至处于或低于构建材料的结晶温度的温度小于0.75秒，以形成第二物体切片(框136)，例如如图27-28和图29中所示。对于多个后续的层和切片，重复上述形成、熔合、维持和冷却(框138)。
[0035] 图32是图示了处理器可读介质72的框图，该处理器可读介质72具有熔合指令74，以在3D物体的增材制造期间熔合构建材料并形成物体切片。例如，熔合指令74可包括执行图30中所示的过程100的指令。再例如，熔合指令74可包括执行图31中所示的过程120的指令。
[0036] 具有熔合指令74的处理器可读介质72例如可实施在CAD
计算机程序产品中、物
体模型处理器中和/或用于增材制造机中的熔合系统的控制器中(其可以是用于增材制造机的控制器的一部分)。例如，通过物体模型处理器中的通常为CAD计算机程序产品的源应用上的处理器可读指令，和/或通过用于增材制造机中的熔合系统的控制器上的处理器可读指令，可生成使用四通序列来熔合构建材料的控制数据，所述四通序列例如图3-28中所示的四通序列。
[0037] 图33是图示了用于增材制造机的熔合系统10的一个示例的框图，该熔合系统10实施了具有熔合指令74的控制器76。参照图33，熔合系统10包括控制器76、工作区域18、构建材料层叠装置22、熔剂分配器30、另一试剂分配器32、加热器24和熔合灯26。层叠装置22在工作区域18之上层叠构建材料，并且例如可包括分配构建材料的装置以及为每一层铺展构建材料的刮片或辊。熔剂分配器30和另一试剂分配器32按控制器76的命令选择性地分配它们相应的试剂，例如如上面参照图7-10所述。虽然可使用任何合适的分配器30、32，但在增材制造机中有时使用喷墨打印头，这是因为它们可分配试剂的
精度以及它们分配不同类型和配方的试剂的灵活性。
[0038] 控制器76表示控制系统10的操作元件所需的处理和存储器资源、指令以及
电子电路和部件。特别地，在该示例中，控制器76包括具有熔合指令74的处理器可读介质72以及读取和执行指令74的处理器78。
[0039] 附图中所示和上文中所述的示例说明但不限制本专利，本专利在下面的权利要求中限定。
[0040] 权利要求中所使用的“一”、“一种”、“一个”和“所述”意指至少一个。例如，“熔合灯”意指一个或多个熔合灯，并且后续对“所述熔合灯”的引用意指所述一个或多个熔合灯。
