打印多结构3D物体的制作方法
背景技术：
三维(3d)打印是一种铺设(laydown)连续的材料层以从数字模型形成三维物体的增材制造工艺。在增材制造中，连续的材料层可通过包括烧结、挤压和辐照的工艺通过融合、粘合或凝固而接合在一起。由这种系统产生的物体的品质、外观、强度和功能可取决于所使用的增材制造技术的类型而变化。通常，使用较低成本的系统可以产生品质较差并且强度较低的物体，而使用较高成本的系统可以产生品质较好并且强度较高的物体。
附图说明
现在将参考附图描述示例，附图中：
图1a示出了用于制造多结构三维(3d)物体的3d打印系统的示例；
图1b示出了可通过图1a中3d打印系统形成的多结构3d物体的示例；
图2示出了包括用于执行3d打印系统的功能(诸如处理3d物体的多结构)的引擎的3d打印系统的示例性控制器；
图3、图4和图5示出了与3d打印系统中的多结构3d物体的产生相关的示例性方法的流程图。
图6a至图6f示出了用于制造多结构3d物体的3d打印系统的另一示例。
在整个附图中，相同的参考标记表示相似但不一定相同的元件。
具体实施方式
在三维(3d)打印的一些示例中，使用光区域处理技术形成3d物体。在光区域处理期间，构造材料(诸如，可烧结材料)的整个层被暴露在辐照中。可烧结构造材料的选定区域被融合(即，聚结)，并且随后被凝固或硬化，从而变成3d物体的层。在一些示例中，聚结剂或融合剂被选择性地沉积为与可烧结材料的选定区域接触。融合剂能够渗入到可烧结材料的层中并且铺展到可烧结材料的外表面上。融合剂能够吸收辐照并且将吸收的辐照转换为热能，热能反过来又熔化或烧结与融合剂接触的可烧结材料。这使得可烧结材料融合、粘合、固化等，从而形成3d物体的层。用可烧结材料的多个层重复这一过程，使多个层接合在一起，从而形成3d物体。
当打印3d彩色物体时，通常会在期望的物体颜色与物体的机械性能之间进行权衡。当对可烧结材料施加较大量的热能以将层烧结并融合在一起时，可产生具有明显机械强度和功能的较高密度的3d物体。可用于进行烧结的热能的量部分地取决于融合剂所吸收的辐照的强度，而融合剂的辐照吸收率部分地取决于融合剂的颜色。例如，具有青色、品红色或黄色(c、m或y)染料的近红外染料基融合剂的吸收强度通常低于碳黑基融合剂的吸收强度。因此，用于3d打印彩色物体的可烧结材料的融合水平可能低于类似产生的3d打印黑色物体的可烧结材料的融合水平，这导致彩色物体具有比可比较的黑色物体低的密度以及机械强度和功能。更高的融合水平(例如，在较高温度下)可产生具有与黑色物体可比较的机械强度的较高密度的彩色物体。然而，使用用于彩色物体的较高融合水平通常会导致偏离融合剂的原始颜色的颜色偏差。在一些示例中，颜色偏差可能会很明显，导致3d物体不是最初打算使用的颜色。一直在努力缓和3d打印彩色物体的期望的颜色与机械性能之间的权衡。
在此公开的三维(3d)打印的示例使得能够产生具有较高的密度和与3d黑色物体的机械强度可比较的改善的机械强度的具有生动的颜色的3d彩色功能物体。通常，3d打印工艺使得能够产生多结构3d物体，其中每个结构被独特地处理以实现特定结构和/或视觉特征。对多结构3d物体内的每个结构进行独特的处理可产生例如具有高机械强度的具有高密度结构的3d物体、以及具有与期望的颜色紧密匹配的生动的颜色的低密度结构。在特定示例中，多结构3d物体可包括具有高密度和高机械强度的核心结构，该核心结构由具有较低密度和高品质的生动的颜色的外部外壳结构包围。因此，可利用选定的不同的3d打印处理参数对多结构3d物体内的每个结构进行处理，以实现该结构的期望的特征。
在一个示例中，一种打印多结构3d物体的方法包括：形成可烧结材料的层。该方法包括：使用第一组处理参数处理可烧结材料的第一部分；以及使用第二组处理参数处理可烧结材料的第二部分。处理后的可烧结材料的第一部分和第二部分分别形成多结构3d物体的第一结构的一部分和第二结构的一部分。
在另一示例中，一种用于打印多结构3d物体的系统包括：支撑构件接收器，接收可烧结材料的支撑件；以及分配器接收器，接收可烧结材料分配器以在支撑件上提供可烧结材料的层。该系统还可包括多结构处理模块，以对可烧结材料的层应用多组处理参数，其中每组处理参数有助于3d物体的不同结构的形成。
在另一示例中，一种存储有指令的非暂时性机器可读存储介质，该指令当由3d打印装置的处理器执行时使3d打印装置在制造床上形成可烧结材料的第一层并且使用第一组处理参数处理可烧结材料的第一层。该指令还使装置在制造床上形成可烧结材料的第二层并且使用第二组处理参数处理第二层。处理后的可烧结材料的第一层和第二层分别包括多结构3d物体的第一结构的一部分和第二结构的一部分。
图1a示出了用于制造多结构3d彩色物体的3d打印系统100的示例，该多结构3d彩色物体具有生动的颜色以及高密度部分和与黑色部分的机械强度可比较的高机械强度。示例性3d打印系统100使得多结构3d物体内的每个结构能够使用独特的一组处理参数被处理，该处理参数可导致3d物体内的具有不同特征(诸如不同的机械强度特征和不同的颜色特征)的不同结构。
如图1a所示，3d打印系统100包括支撑构件102。在一些示例中，支撑构件102可以是可附接至支撑构件接收器103并且可从支撑构件接收器103移除的可移除的支撑构件。支撑构件102起到制造床的作用，以接收并保持用于形成3d物体(诸如多结构3d彩色物体)的可烧结材料(图1a中未示出)。在一个示例中，支撑构件102具有在约10cm×10cm至约100cm×100cm的范围内的尺寸，但支撑构件102也可具有更大或更小的尺寸，这取决于将被形成的3d物体。
可烧结材料分配器104在支撑构件102上提供可烧结材料的层。在一些示例中，可烧结材料分配器104可以是可附接至分配器接收器105并且可从分配器接收器105移除的可移除的可烧结材料分配器104。可烧结材料分配器的示例包括刮片、滚筒及其组合。在一些示例中，可烧结材料分配器104可包括供给床和制造活塞，以将可烧结材料推送到支撑构件102上，如下文将参照图6a至图6f而进一步描述的。可烧结材料可从漏斗或其他适当的递送系统供给至可烧结材料分配器104。在图1a所示的示例性系统100中，可烧结材料分配器104跨支撑构件102的长度(y轴)移动以沉积可烧结材料的层。如下所述，在支撑构件102上沉积可烧结材料的第一层，随后在先前沉积(凝固)的层上沉积可烧结材料的后续层。因此，支撑构件102可沿y轴移动，从而在沉积可烧结材料的新层时在最新近形成的层的表面与试剂分配器106的下表面之间保持预定间隙，试剂分配器106被示出为融合剂分配器106a和细化剂分配器106b。在其他示例中，支撑构件102可沿z轴固定，而试剂分配器106可沿z轴可移动以维持此预定间隙。
试剂分配器106分别经由融合剂分配器106a和细化剂分配器106b以可选的方式将融合剂和/或细化剂递送到设置在支撑构件102上的可烧结材料的层的一部分上。例如，融合剂分配器106a可将融合剂递送至可烧结材料的层的可选部分，同时细化剂分配器106b可将细化剂递送至设置在支撑构件102上的可烧结材料的层的同一部分和/或其他部分。试剂分配器106a和106b可分别包括融合剂和细化剂的供应，或者可分别可操作地连接至融合剂和细化剂的单独供应。
虽然其他类型的试剂分配器是可行的并且在本文中被考虑，但图1a的示例性3d打印系统100中所示的试剂分配器106(即，106a、106b)包括一个或多个打印头，诸如热喷墨打印头或压电喷墨打印头。打印头106a和106b可以是按需滴液打印头或连续滴液打印头。当融合剂和细化剂为适当流体的形式时，打印头106a和106b可分别用于选择性地递送此类试剂。在打印系统100的其他示例中，单个打印头106可用于选择性地既递送融合剂和细化剂两者。在此类示例中，单个打印头106上的第一组打印头喷嘴可递送融合剂，而单个打印头106上的第二组打印头喷嘴可递送细化剂。如下所述，融合剂和细化剂中的每个包括水性载体，诸如水、共溶剂、表面活性剂等，从而使其能够经由打印头106a和106b被递送。
每个打印头106可包括喷嘴阵列，流体液滴可通过该喷嘴阵列选择性地喷射。在一个示例中，每滴可以在每滴约10皮升(pl)的量级上，但可设想的是，也可使用更大或更小的液滴尺寸。在一些示例中，打印头106a和106b可递送可变尺寸的液滴。在一个示例中，打印头106a和106b可以以约300点/英寸(dpi)至约1200dpi的范围内的分辨率递送融合剂和细化剂。在另一些示例中，打印头106a和106b可以以更高或更低的分辨率递送融合剂和细化剂的液滴。液滴速率可在约5m/s至约24m/s的范围内，并且点火频率可在约1khz至约100khz的范围内。打印头106a和106b可以是打印系统100的组成部分，或者可以是用户可替换的。当打印头106a和106b是用户可替换的时，打印头106a和106b可以可移除地插入至适当的分配器接收器或接口模块(未示出)内。
如图1a所示，试剂分配器106a和106b中的每个具有使得其能够在页宽(page-wide)阵列配置中跨越支撑构件102的整个宽度的长度。在一个示例中，页宽阵列配置是通过适当布置多个打印头而实现的。在另一示例中，页宽阵列配置通过带有具有一定长度的喷嘴阵列的单个打印头来实现，以使得喷嘴阵列可以跨越支撑构件102的宽度。在打印系统100的又一些其他示例中，试剂分配器106a和106b可以具有无法使它们能够跨越支撑构件102的整个宽度的较短长度。
在一些示例中，试剂分配器106a和106b安装在可移动托架上，以使得它们能够沿着所示出的y轴跨支撑构件102的长度而双向移动。这使得融合剂和细化剂能够在单程中跨支撑构件102的整个宽度和长度而选择性地递送。在其他示例中，支撑构件102可以在试剂分配器106a和106b保持在固定位置时相对于试剂分配器106a和106b移动。
在此使用的术语“宽度”通常表示与图1a所示x和y轴平行的平面中的最短尺寸，而术语“长度”表示此平面中的最长尺寸。然而，在另一些示例中，术语“宽度”可以与术语“长度”可互换。举例而言，试剂分配器106可以具有使得其跨越支撑构件102的整个长度的长度，而可移动托架可以跨支撑构件102的宽度而双向移动。
在试剂分配器106a和106b具有无法使它们能够跨越支撑构件102的整个宽度的较短长度的示例中，分配器106a和106b也可以在所示出的x轴上跨支撑构件102的宽度而双向移动。此配置使得融合剂和细化剂能够利用多程跨支撑构件102的整个宽度和长度而选择性地递送。
如图1a所示，3d打印系统100包括辐照源108以发射辐射r。辐照源108可以多种方式实现，包括例如红外(ir)、近ir、uv或者可见固化灯；ir、近ir、uv或者可见光发光二极管(led)；或者具有特定波长的激光。所使用的辐照源108至少部分地取决于所使用的融合剂的类型。辐照源108例如可附着至也可保持打印头106的托架(未示出)。托架可将辐照源108移动至邻近于支撑构件102的位置中。在不同示例中，辐照源108对沉积的可烧结材料的层、融合剂和细化剂施加能量，以使可烧结材料的一部分凝固。在一个示例中，辐照源108是能够均匀地向沉积在支撑构件102上的材料施加能量的单个能源。在另一示例中，辐照源108包括能量源阵列，以均匀地向所沉积的材料施加能量。
在一些示例中，辐照源108可以以基本均匀的方式向沉积在支撑构件102上的可烧结材料的层的整个表面施加能量。这种类型的辐照源108可被称为不聚焦能量源。使可烧结材料的整个层暴露在能量中同时可助于提高生成三维物体的速度。
如图1a所示，示例性3d打印系统100包括控制器110。图1a所示的示例性控制器110适于控制打印系统100针对多结构3d物体内的结构中的每个使用不同的处理参数来形成多结构3d物体。对可烧结材料的层内的基底烧结材料的不同部分和/或对可烧结材料的不同层应用不同处理参数能够使得制造结构具有不同特征的多结构3d物体，诸如不同的机械强度、不同的颜色品质等。
控制器110通常包括处理器(cpu)112和存储器114，并且可额外地包括用于与3d打印系统100的各种组件通信并控制3d打印系统100的各种组件的固件和其他电子元件。存储器114可包括易失性(即，ram)和非易失性存储组件(例如，rom、硬盘、光碟、cd-rom、磁带、闪存等)。存储器114的组件包括用于存储机器可读编码程序指令、数据结构、程序指令模块、jdf(任务定义格式)以及由3d打印系统100的处理器112可执行的其他数据和/或指令的非暂时性机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质。存储在存储器114中的指令的示例包括与多结构处理模块116相关联的指令，而所存储的数据的示例包括递送控制数据120。模块116可包括由处理器112可执行的编程指令，以使3d打印系统100执行各种通用和/或专门功能，诸如以下参照图3、图4和图5描述的方法300、400和500中的操作。
存储在存储器114中的程序指令、数据结构、模块等可以是由处理器112可执行以实现各种示例(诸如在此讨论的示例)的安装包的一部分。因此，存储器114可以是便携式介质，诸如cd、dvd或者闪存驱动器或者由服务器维持的存储器，可从该服务器下载并安装安装包。在另一示例中，存储在存储器114中的程序指令、数据结构、模块等可以是已经安装的一个或多个应用程序的一部分，在这种情况下，存储器114可包括集成存储器，诸如硬盘驱动器。
如上所示，控制器110控制3d打印系统100使用不同的参数来形成多结构3d物体，以处理多结构化3d物体内的不同结构。在一些示例中，控制器110使用来自存储器114(例如，指令模块116)的递送控制数据120和编程指令来管理打印系统100内的可烧结材料、融合剂和细化剂以及辐照的施加，以有助于多结构3d物体的产生。
更具体地，控制器110从诸如计算机的主机系统接收递送控制数据120，并且将数据120存储在存储器114中。数据120代表例如用于定义即将打印的多结构3d物体的物体文件或打印作业。用于定义3d物体的此类文件可包括将被用于控制处理的各个方面的处理参数118，诸如融合剂的打印流体(例如，墨水)浓度、到可烧结材料的层的不同部分上和/或可烧结材料的不同层上的融合剂和细化剂的选择性递送。通常，处理参数118可包括可以在可以改变正在打印的3d物体的各种特征的3d打印工艺之前或期间由打印系统100调整或在打印系统100内调整的任何参数或参数组。例如，处理参数118可包括控制用于形成3d物体的可烧结材料的每一层的厚度的参数、控制喷射到可烧结材料的层的不同部分上的融合剂的量的参数、控制喷射到可烧结材料的不同层上的融合剂的量的参数、控制施加到融合剂的墨水的颜色的参数、控制融合剂的墨水浓度(即，融合剂内墨水的量)的参数、控制暴露于可烧结材料的层的不同部分的辐射的持续时间的参数、控制暴露于可烧结材料的不同层的辐射的持续时间的参数、控制由辐照源施加的辐照的强度的参数等。因此，处理参数118可以包括提供优化的处理轮廓的参数或参数组，该处理轮廓被设计成实现正在打印的3d物体的期望特征。
对可烧结材料的不同层和/或对可烧结材料的单层内的可烧结材料的不同部分应用不同的处理参数118使得能够制造多结构3d物体，其中3d物体内的不同结构可形成为具有变化的特征，诸如不同的部分密度、不同的机械强度和不同的颜色特征。因此，数据120包括定义用于打印系统100的多结构3d物体的3d打印作业的打印作业数据、命令和/或命令参数。使用来自数据120的打印作业，控制器110的处理器112执行(例如，来自模块116的)指令以控制打印系统100的组件(例如，支撑构件102、可烧结材料分配器104、试剂分配器106、辐照源108)通过下文中更详细描述的3d打印工艺以一次一层的方式形成多结构3d物体。
图1b示出了可通过3d打印系统100形成的此类多结构3d物体122的示例。图1b示出了多结构3d物体122的透视图和剖视图。如图1b所示，第一外部结构124形成围绕第二内部结构126或核心结构的外壳。在此示例中，核心126是由3d打印系统100使用处理参数118形成的，该处理参数118提供产生具有高密度和高机械强度的特征的核心的高融合水平。提供较高融合水平的处理参数的示例可包括：具有较高墨水浓度的融合剂；以及在融合期间在可烧结材料内生成较高热能的辐射的较长、更强烈的施加。此类较高融合水平可导致成品物体的与融合剂的原始颜色相比的颜色偏差。因此，在图1b的示例性多结构3d物体122中，不同的处理参数118用于形成提供降低的融合水平的外壳结构126。降低的融合水平导致外壳结构126具有低密度和低机械强度的特征，但与融合剂的原始颜色紧密匹配的更生动的颜色。提供较低的融合水平的处理参数的示例可包括：具有较低墨水浓度的融合剂；以及在融合期间在可烧结材料内产生较低热能的辐射的较短、较不强烈的施加。
再次参照图1a，多结构处理模块116包括可执行为根据递送控制数据120控制将可烧结材料的层施加到支撑构件102上的编程指令。此外，来自模块116的指令可执行为控制将融合剂施加到可烧结材料的可选部分上，该可选部分根据控制数据120“成像”或定义3d物体的横截面。例如，执行来自模块116的指令，控制器110可使打印头106a将融合剂以液体形式喷射(即，喷出、沉积、施加)到可烧结材料层的选定部分上，以根据控制数据120成像/定义3d物体的横截面。根据处理参数118和其他控制数据120，融合剂可以以不同的量和不同的油墨强度施加到可烧结材料的层的不同部分，以在3d物体内形成不同的结构。在一些示例中，来自模块116的指令进一步执行为控制将细化剂施加到可烧结材料的层上。例如，执行来自模块116的指令，控制器110可根据递送控制数据120使打印头106b将细化剂以液体形式喷射到该可烧结材料的层的选定的其他部分和/或同一部分上。
执行多结构处理模块116内的其他指令还使得控制器110在融合剂(在一些情况下，细化剂)已被喷射到可烧结材料上之后能够控制将来自辐照源108的辐照施加到可烧结材料的每一层上。例如，根据处理参数118和其他控制数据120，可以控制辐照源108以各种方式(诸如使用变化的强度以及在变化的持续时间内)施加辐照。来自辐射源108的辐射的这种变化的施加可以有助于在具有不同机械和视觉特征的3d物体内形成不同的结构。在一些示例中，可以在多个操作中施加辐照，诸如在第一预融合操作之后进行融合操作。可以通过辐射源108跨可烧结材料层的短持续时间扫描来施加辐射，以使层的“刚成像”区域(即，刚接收融合剂的区域)的温度升高到或略高于周围可烧结材料的温度。在第二融合操作中，辐射可以在辐射源108跨可烧结材料层的缓慢的较长持续时间扫描中施加，以将刚成像的区域的温度升高到完全融合该层的刚成像的区域的高得多的温度。在一些示例中，此类辐照扫描持续时间和辐照强度可跨相同的可烧结层和/或不同的可烧结层而变化。
如上所述，控制器110还可以包括用于与3d打印系统100的各种组件通信并且对该各种组件进行控制的其他电子元件。因此，在3d打印系统100的一些示例中，诸如模块116的指令模块的功能可以被实现为3d打印系统100的各个引擎(例如，多结构处理引擎)，每个引擎包括实现引擎的功能的硬件和编程的任意组合。因此，如图2所示，3d打印系统100的控制器110’可包括多结构处理引擎116’。引擎116’可包括例如执行指定功能的硬件和编程的各种组合，诸如下文中分别参照图3、图4和图5描述的方法300、400和500中的操作。引擎116’的硬件可包括例如分立电子组件、asis(专用集成电路)、处理器和存储器，而编程指令可存储在引擎存储器和/或存储器114上并且由处理器可执行以执行指定功能。
图3、图4和图5分别示出了与诸如3d打印系统100的3d打印系统中的多结构3d彩色功能物体的产生相关的示例性方法300、400和500的流程图。方法300-500与在此参照图1a、图1b和图2以及图6a至图6f(下文讨论)描述的示例相关联，并且可在这些示例的相关讨论中找到这些方法中所示的操作的细节。方法300-500的操作可以被实现为存储在非暂时性机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质上的编程指令，诸如图1a中所示的存储器114。在一些示例中，实现方法300-500中各操作可通过处理器(诸如读取并执行存储在114中的来自模块116的指令的编程指令的图1a中所示的处理器112)来实现。在一些示例中，实现方法300-500的操作可单独使用包括诸如asic(专用集成电路)的硬件和/或其他硬件组件的组合的3d打印系统的引擎来实现，或者与由处理器可执行的编程指令组合而实现。
在一些示例中，方法300-500可包括多于一个的实施方式，而且方法300-500的不同实施方式可不采用相应流程图图3至图5中呈现的每个操作。因此，虽然方法300-500的操作以流程图中的特定顺序呈现，但是它们的呈现顺序并不是旨在对操作可能实际实施的顺序进行限制，或者对是否可以实施所有的操作进行限制。例如，方法400的一种实施方式可通过执行多个初始化操作执行来实现，而不执行一个或多个后续操作，而方法400的另一种实施方式可通过执行所有的操作来实现。
现在参照图3的流程图，打印多结构三维(3d)物体的示例性方法300起始于块302，形成可烧结材料的层。形成可烧结材料的层可包括例如将可烧结材料的层施加、沉积、堆积、铺设、构建或者以其他方式放置在3d打印系统的支撑构件或制造床上。形成可烧结材料的层的一个示例包括使用可烧结材料分配器(诸如供给床)，以将可烧结材料推送到支撑构件上，如下文中参照图6a至图6f所述。
如块304和306分别所示，方法300可继续进行至：使用第一组处理参数处理可烧结材料的第一部分；以及使用第二组处理参数处理可烧结材料的第二部分。在示例性方法300中，处理后的第一部分和第二部分分别形成多结构3d物体的第一结构的一部分和第二结构的一部分，如块308所示。
现在参照流程图图4，将描述打印多结构3d物体的示例性方法400，其中包括作为方法300的一些操作的补充或替代的操作。方法400起始于块402：形成可烧结材料的第一层。如上所述，形成可烧结材料的一层可包括将可烧结材料的层沉积到3d打印系统的支撑构件或制造床上的各种不同方式，诸如，使用可烧结材料分配器将可烧结材料推送到支撑构件上。
方法400继续进行至块404：使用第一组处理参数处理可烧结材料的第一部分。如块404所示，处理后的第一部分形成多结构3d物体的第一结构的一部分，第一结构包括围绕核心结构的外壳结构。在方法400的一些示例中，使用第一组处理参数包括：对可烧结材料的第一部分施加具有第一墨水浓度的融合剂。
方法400继续进行至块406：使用第二组处理参数处理可烧结材料的第二部分。如块406所示，处理后的第二部分形成多结构3d物体的第二结构的一部分，第二结构包括由第一外壳结构围绕的核心结构。在方法400的一些示例中，使用第二组处理参数包括：对可烧结材料的第二部分施加具有第二墨水浓度的融合剂。
在块408中，方法400继续进行至：形成可烧结材料的第二层。如块410所示，方法继续进行至：使用第二组处理参数处理第二层。处理后的第二层可形成第二结构的一部分。
方法400继续进行至块412：形成可烧结材料的第三层。然后，可使用第一组处理参数处理第三层，并且处理后的第三层形成第一结构的一部分。
现在参照流程图图5，与打印多结构3d物体相关的示例性方法500起始于块502：将可烧结材料的第一层形成到制造床中。形成可烧结材料的层可包括例如将可烧结材料的层施加、沉积、堆积、铺设、构建或者以其他方式放置在3d打印系统的支撑构件或制造床上。形成可烧结材料的一个示例包括使用可烧结材料分配器(诸如供给床)，以将可烧结材料推送到支撑构件上，如下文中参照图6a至图6f所述。
在块504中，该方法继续进行至：使用第一组处理参数处理第一层，并且处理后的第一层包括多结构3d物体的第一结构的一部分。在方法500的一些示例中，处理第一层包括对第一层施加具有第一墨水浓度的融合剂。在一些示例中，处理第一层包括对第一层施加第一强度的辐照。在一些示例中，处理第一层包括在第一持续时间内对第一层施加辐照。
如块506所示，方法500继续进行至：在制造床上形成可烧结材料的第二层。如块508所示，该方法包括使用第二组处理参数处理第二层，并且处理后的第二层包括多结构3d物体的第二结构的一部分。在方法500的一些示例中，处理第二层可包括对第二层施加具有第二墨水浓度的融合剂；对第二层施加第二强度的辐照；以及在第二持续时间内对第二层施加辐照。
现在参照图6(图6a至图6f)，描绘了图1a的3d打印系统100’的另一示例。系统100’包括供给床122、递送活塞126、滚筒128、制造床130(具有接触表面132)以及制造活塞134。供给/递送床122包括可烧结材料124的供给。系统100’的物理元件中的每个可以可操作地连接至控制器(未示出)，诸如图1a所示的打印系统100中的控制器110。执行存储在非暂时性有形的计算机可读存储介质中的编程指令的处理器操纵并转换打印机寄存器和存储器内的被表示为物理(电子)量的数据，以控制该物理元件创建多结构3d物体。用于选择性递送可烧结材料124、融合剂等的数据可从将被形成的3d物体的模型获取。
递送活塞126和制造活塞134可以是相同类型的活塞，但可被控制为(例如，由图1中控制器110)在相反的方向上移动。在一个示例中，当3d物体的第一层将被形成时，递送活塞126可被控制为将预定量的可烧结材料124从供给床122的开口推出，制造活塞134可被控制为在与递送活塞126相反的方向上移动，以增加制造床130的深度。递送活塞126将足够行进，从而当滚筒128将可烧结材料124推入制造床130中并且推到接触表面132上时，制造床130的深度足以使得可烧结材料124的层136形成在床130中。滚筒128能够将可烧结材料124铺展到制造床130中以形成厚度上相对均匀的层136。在一个示例中，层136的厚度在约90um至约110um的范围内，但也可使用更薄或更厚的层。除滚筒128之外的工具可用于铺展可烧结材料124，诸如，可能需要用于铺展不同类型的粉末的刀片、或辊和刀片的组合。
在制造床130中沉积可烧结材料124的层136之后，可将层136暴露于加热，如图6b所示。可执行加热，以将可烧结材料124预加热至低于可烧结材料124熔点的温度。因此，所选择的温度将取决于所使用的可烧结材料124。举例而言，加热温度可以是约5℃至约50℃，低于可烧结材料的熔点。在一个示例中，加热温度可在约50℃至约400℃的范围内。在另一示例中，加热温度可在约150℃至约170℃的范围内。预加热可烧结材料124的层136可使用将制造床130中的所有可烧结材料124暴露在热量中的任意适当的热源完成。热源的示例包括热学热源或者光学辐照源。
在预加热层136之后，选择性地将融合剂138施加到层136中的可烧结材料124的一部分上，如图6c所示。如图6c所示，可从喷墨打印头106a分配融合剂138。虽然图6c中示出了单个打印头，但应理解的是，可使用跨越制造床130宽度的多个打印头。打印头106a可附着至使打印头106a移动为邻近于制造床130以将融合剂138沉积到期望区域中的移动的xy平台或平移托架(两者均未示出)。
可由控制器110控制打印头106a，以根据将被形成的多结构3d物体的层的横截面的图案来沉积融合剂138。如在此使用的，将被形成的物体的层的横截面指的是平行于接触表面132的横截面。打印头106a选择性地将融合剂138施加到层136的将被融合以成为3d物体的第一层的那些部分上。举例而言，如果第一层将被成形为立方体或圆柱体，则融合剂138将分别被沉积在可烧结材料124的层136的至少一部分上的方形图案或圆形图案(从顶视图看)中。在图6c所示的示例中，融合剂138以方形图案沉积在层136的部分140上，而不是在部分142上。
适当的融合剂138的示例是包括辐照吸收粘合试剂(即，活性材料)的水基分散剂。活性试剂可以是红外光吸收剂、近红外光吸收剂或可见光吸收剂。举例而言，融合剂138可以是包括碳黑作为活性材料的墨水型配方。墨水型配方的一个示例是可从惠普公司购得且商业上被称为cm997a。包括作为活性剂的可见光增强剂的墨水的示例为染料基彩色墨水和颜料基彩色墨水。颜料基墨水的示例包括可从惠普公司购得的商业上可购得的墨水cm993a和ce042a。
融合剂138的水性质使得融合剂138能够至少部分地渗入到可烧结材料124的层136中。可烧结材料124可以是疏水的，且融合剂138中的共溶剂和/或表面活性剂的存在可助于获取期望的润湿特性。在一些示例中，可选择新地施加单个融合剂138以形成3d物体的层，而在另一些示例中，可选择新地施加多个融合剂138以形成3d物体的层。
在期望的部分140上选择性地施加融合剂138之后，可在可烧结材料124的同一部分和/或不同部分上选择性地施加细化剂144。在图6d中示意性地示出了选择性施加细化剂144的示例，其中参考标记142代表细化剂144被选择性地施加的可烧结材料124的部分。
细化剂144包括无机盐、表面活性剂、共溶剂、湿润剂、抗微生物剂和水。在一些示例中，细化剂144包括这些成分，而不包括其他成分。已发现，这种特定的成分的组合可有效地降低或者防止聚结渗漏，这部分地是因为无机盐的存在。
细化剂144中使用的无机盐具有相对较高的热容，但是相对较低的热发射率。这些特征使得细化剂144能够吸收所施加的辐照(及其相关联的热能)，并且保持大量热能。因此，即便有，很少的热能从细化剂144转移到与其接触的可烧结材料124。此外，与可烧结材料124的热导率和/或熔点相比，在一些情况下，与融合剂138中的活性材料的热导率和/或熔点相比，无机盐还可具有更低的热导率和/或更高的熔点。在吸收了辐照和热能之后，无机盐不会熔化，并且不会将足够的热量转移到周围的可烧结材料124。因此，当可烧结材料124与融合剂138和细化剂144二者接触时，细化剂144可有效地减少可烧结材料124的固化；并且当可烧结材料124只与细化剂144接触时，细化剂144可防止可烧结材料124的固化。
无机盐是可水溶的。适当的可水溶无机盐的示例包括碘化钠、氯化钠、溴化钠、氢氧化钠、硫化钠、碳酸钠、磷酸钠、碘化钾、氯化钾、溴化钾、氢氧化钾、硫化钾、碳酸钾、磷酸钾、碘化镁、氯化镁、溴化镁、磷酸镁及其组合。相对于细化剂144的总重量，无机盐可以以约5.0wt％至约50wt％的范围的量存在。
细化剂144还包括表面活性剂。可选择表面活性剂的类型和量，使得与可烧结材料124的接触线的接触角θ小于45度。小于45度的接触角θ确保了细化剂144将足以润湿可烧结材料124。可将细化剂144的成分混合在一起，然后可将表面活性剂的量调节为实现期望的接触角。已发现，实现期望的接触角θ的表面活性剂的适当量可以相对于细化剂144的总重量为约0.1wt％至约10wt％的范围内。适当的表面活性剂的示例包括四甘醇、脂质乙二醇1(leg-1)、基于炔二醇化学的可自乳化的非离子润湿剂(例如，来自空气化工产品有限公司的
如上所示，细化剂144还包括共溶剂、湿润剂和抗微生物剂。相对于细化剂144的总重量，共溶剂以在约1.0wt％至约20wt％范围内的量存在，湿润剂以在约1.0wt％至约15wt％范围内的量存在，并且抗微生物剂以在约0.01wt％至约5wt％范围内的量存在。适当的共溶剂包括：2-羟乙基-2-吡咯烷、2-吡咯烷、1,6-己二醇及其组合。适当的湿润剂的示例包括：二-(2-羟乙基)-5、5-二甲基海因(例如，来自龙沙(lonza)有限公司的
细化剂144的平衡是水。因此，水的量可取决于所包含的无机盐、表面活性剂、共溶剂、湿润剂和抗微生物剂的量而变化。
以与融合剂138类似的方式，可选择性地施加细化剂144。在一个示例中，可利用单程或利用多程，在分配融合剂138的同时施加细化剂144。在另一示例中，可在分配融合剂138之后施加细化剂144。如图6d描绘的，可从喷墨打印头106b分配细化剂144。虽然图6d中示出了单个打印头，但将理解的是，可以使用跨越制造床130宽度的多个打印头。打印头106b可附着至使打印头106b移动为邻近于制造床130以将细化剂144沉积到期望的区域中的移动的xy平台或平移托架(两者均未示出)。打印头106b可以被控制为将细化剂144沉积到期望的区域中，诸如部分140和/或142中。
在一个示例中，可能期望对正形成的多结构3d物体的层的边缘进行增强、改进、平滑等。在此示例中，可根据3d物体的该层的横截面(平行于接触表面132)的图案选择性地施加融合剂138，并且可沿着横截面的边缘边界146的至少一部分选择性地施加细化剂144，如图6d所示(系统100’的侧剖视图)。在所示示例中，将被形成的3d物体层的形状是矩形棱柱，并且平行于接触表面132的横截面的图案是具有边缘边界146的方形或矩形。边缘边界146内的可烧结材料124是选择性施加有融合剂138的部分140。置于边缘边界146与制造床130的边缘之间的可烧结材料124在横截面的图案之外，因此是选择性施加有细化剂144的部分142。
通常，细化剂144能够防止可烧结材料124的部分142的固化(融合、烧结等)，而融合剂138能够增强可烧结材料124的部分140的固化(融合、烧结等)。在一些示例中，可能期望在正形成的3d物体的层内获得不同的固化/融合/烧结水平。可能期望以不同的固化/融合/烧结水平来控制3d物体的内部应力分布、翘曲、机械强度性能和/或伸长性能。在此示例中，可根据3d物体的层的横截面(平行于接触表面132)的图案选择性地施加融合剂138，并且可在该横截面的至少一部分内选择性地施加细化剂144。因此，细化剂144被施加到可烧结材料124的施加有融合剂138的部分140的全部或一些上。举例而言，细化剂144可被施加在可烧结材料124的部分140的中心处或中心附近，并且可不被施加在可烧结材料124的部分140的边缘边界146附近。当将被形成的层的边缘要比层的内部机械地更强时，这种类型的施加是可取的。在此示例中，细化剂144能够降低可烧结材料124的部分140的中心处的固化(融合、烧结等)水平。由于融合剂138在部分140中与细化剂144一起存在，不能完全避免固化。将理解的是，当细化剂144与融合剂138被施加到同一部分140内时，可以以任何期望的图案施加细化剂144。
在又一示例中，可能期望对正形成的3d物体的层的边缘进行增强、改进、平滑等，并且期望在正形成的3d物体的层内获得不同的固化/融合/烧结水平。在此示例中，可根据3d物体的层的横截面(平行于接触表面132)的图案选择性地施加融合剂138；可沿着横截面的边缘边界146的至少一部分(即，在部分142中)或者在该至少一部分外选择性地施加细化剂144；并且可在横截面的至少一部分内(即，在部分142中)选择性地施加细化剂144。
当多结构3d物体的层是在z方向上构建时，可沿着xy平面和/或沿着z轴实现固化/融合/烧结的均匀性或变化。基本上均匀的固化/融合/烧结可通过以相同的体素密度在每一层的图案的横截面内施加融合剂138并且在每一层的边缘边界146之外施加细化剂144而实现。在一个示例中，层的横截面内的固化/融合/烧结的变化可通过以相同的体素密度在每一层施加融合剂138以及以不同的体素密度在相应层中的每一层的整个横截面上施加细化剂144而实现。举例而言，如果期望沿着z轴逐层降低固化/融合/烧结水平，则沉积在各个横截面内的细化试剂144的体素密度可能在第一层中最低并且在随后形成的层中增加。
选择性地在期望的部分140和/或142中施加融合剂138和细化剂144之后，将可烧结材料124的整个层136暴露在从辐照源108发射的辐照r中，如图6e所示。在一些示例中，如以上参照图1a、图1b和图2至图5所示，在已经施加了融合剂138后，但尚未施加细化剂144时，将可烧结材料124的层暴露在辐照r中。此外，如上所示，在第一持续时间内的预融合操作中，可烧结材料层可暴露在辐照中，然后在第二持续时间内的融合操作中再次将可烧结材料层暴露在辐照中。例如，在预融合操作中，辐照源108(例如，加热灯)可以第一速度(例如，用于快速暴露)跨可烧结材料而扫描，随后在熔化操作中辐照源108以第二速度(例如，用于缓慢暴露)跨可烧结材料而扫描。
辐照源108可发射辐照r，诸如，ir、近ir、uv或可见固化灯；ir、近ir、uv或可见光发光二极管(led)；或具有特定波长的激光。所使用的辐照源108将至少部分地取决于所使用的融合剂138的类型。辐照源108可例如附着至还可保持打印头106a和106b的托架。托架可将辐照源108移动至邻近于制造床130的位置中。辐照源108可被控制为使包含融合剂138和细化剂144的层136暴露在辐照r中。施加辐照r的时长或者能量暴露时间可能取决于例如以下特征中的一个或多个：辐照源108的特征；可烧结材料124的特征；和/或融合剂138的特征。
融合剂138增强辐照r的吸收率，将吸收的辐照转换为热能，并且促使热量被递送到与其接触的可烧结材料124(即，部分140中)。在一个示例中，融合剂138足以将部分140中可烧结材料124的温度提升至熔点以上，从而允许可烧结材料124的颗粒的固化(例如，烧结、粘合、融合等)。
当在部分140的至少一部分中施加细化剂144以及融合剂138时，可以实现不同的固化水平。在此示例中，细化剂144的存在可能引起融合剂138将可烧结材料124加热到低于其熔点但适于引起可烧结材料124的颗粒的软化和粘合的温度。此外，可烧结材料124中的施加了融合剂138但没有施加细化剂144的部分142会吸收能量。然而，细化剂144改性不会将吸收的能量发射到邻近的可烧结材料124。因此，在这些情况下，部分142内的可烧结材料颗粒124通常不会超过熔点并且不会固化。
暴露于辐照r中形成将被形成的3d物体156的一个层148，如图6f所示。可重复以上参照图6a至图6f描述的操作以创建诸如层150、152和154(图6f)的后续层，并且均匀地形成3d物体156。在施加辐照能量期间，从可烧结材料124中的已递送或渗入了融合剂138的部分吸收的热量可以被递送到先前凝固的层中，诸如，层148中，使得层的至少一些被加热至其熔点以上。这种效果有助于在3d物体156的相邻层之间创建强的层间结合。图6f示出了3d物体156的一个示例。然而，通过改变形成3d物体的层(例如，层148、150、152、154)的形状、尺寸和厚度，无限多种3d物体是可行的。
如图6f所示，当形成层148、150、152和154时，递送活塞126被推动为更靠近递送床122的开口，并且递送床122中的可烧结材料124的供给减少(例如，与图6a中的供给相比)。制造活塞134被推动为进一步远离制造床130的开口，以容纳可烧结材料124的后续层、选择性施加的融合剂138和选择性施加的细化剂144。由于可烧结材料124中的至少一些在形成每个层148、150、152和154之后保持未固化，3d物体156至少部分地被制造床130中未固化的可烧结材料124和细化剂144包围。当完成该3d物体156时，可将其从制造床130移除，并且使未固化的可烧结材料124与细化剂144彼此分离。在一个示例中，可使用水处理(例如，细化剂的溶解，过滤等)将融合剂144从可烧结材料124移除。然后，未固化的可烧结材料124可以被清洗然后重新使用。
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