利用磁性颗粒来改善3D打印对象的z轴强度的制作方法

利用磁性颗粒来改善3d打印对象的z轴强度
1.本公开整体涉及三维(3d)打印对象，并且更具体地讲，涉及使用磁性颗粒与3d打印材料来改善3d打印对象的z轴强度。


背景技术：

2.三维打印机可用于打印3d对象。3d打印机可用于使用不同类型的材料来打印各种不同类型的对象。不同类型的过程可用于3d打印。例如，3d打印可使用减材过程(例如，其中蚀刻材料块以打印最终对象)或增材过程(例如，逐层打印3d对象)。
3.一种类型的增材3d打印过程可以是熔融沉积成型(fdm)。fdm过程可以将材料层分配到平台上。可将粘结剂流体打印到材料层上。可将能量施加到该层并且可将该层的接收粘结剂流体的部分熔合在一起。可重复该过程并且可经由去结块过程移除每个层的非熔合部分。然而，当前fdm过程可能遭受相对较弱的z轴强度(例如，层的横截面方向)。


技术实现要素：

4.根据本文所示的方面，提供了一种用于改善3d打印对象的z轴强度的方法、非暂态计算机可读介质和装置。实施方案的一个公开特征是一种方法，该方法用聚合物和磁性颗粒打印三维(3d)对象，将该3d对象加热到约为该聚合物的熔化温度的温度，以及将磁场施加到该3d对象以局部地移动该聚合物中的该磁性颗粒，以便生成热量并且熔合该磁性颗粒周围的该聚合物以改善该3d对象的z轴强度。
5.实施方案的另一个公开特征是一种在其上存储有多个指令的非暂态计算机可读介质，该多个指令包括在由处理器执行时致使该处理器执行以下操作的指令：用聚合物和磁性颗粒打印三维(3d)对象，将该3d对象加热到约为该聚合物的熔化温度的温度，以及将磁场施加到该3d对象以局部地移动该聚合物中的该磁性颗粒，以便生成热量并且熔合该磁性颗粒周围的该聚合物以改善该3d对象的z轴强度。
6.实施方案的另一个公开特征是一种装置，该装置包括处理器和存储多个指令的计算机可读介质，该多个指令包括在由该处理器执行时致使该处理器执行以下操作：用聚合物和磁性颗粒打印三维(3d)对象，将该3d对象加热到约为该聚合物的熔化温度的温度，以及将磁场施加到该3d对象以局部地移动该聚合物中的该磁性颗粒，以便生成热量并且熔合该磁性颗粒周围的该聚合物以改善该3d对象的z轴强度。
附图说明
7.通过结合附图考虑以下具体实施方式可以容易地理解本公开的教学内容，在附图中：
8.图1示出了本公开的系统的框图；
9.图2示出了本公开的使用聚合物和磁性颗粒来打印3d对象的示意图；
10.图3示出了本公开的使用聚合物和磁性颗粒来打印3d对象的另一个示意图；
11.图4示出了本公开的用于改善3d打印对象的z轴强度的示例性方法的流程图；
12.图5示出了适用于执行本文所述功能的示例性计算机的高级框图。
13.为了便于理解，在可能的情况下已经使用了相同的附图标号来指定附图共有的相同元件。
具体实施方式
14.本公开广义地公开了一种方法和打印材料，该方法和打印材料包括磁性颗粒以改善3d打印对象的z轴强度。如上所讨论，一些3d打印过程可使用fdm过程。然而，每个层之间的粘结可以是相对较弱的。因此，z轴强度(例如，竖直延伸通过3d对象的每个层的轴线)可以是相对较弱的。
15.本公开提供了一种用于3d打印的独特打印材料，其包括磁性颗粒。打印材料可能以粉末形式或长丝形式并且可被分配用于fdm 3d打印过程。可在打印每个层之后施加磁场以生成磁场，局部移动磁性颗粒以生成热量，并且进一步局部熔合层之间的聚合物粉末以改善层之间的粘结强度。此外，磁场可对准磁性颗粒以进一步改善粘结强度。因此，本公开的方法和打印材料可改善3d打印对象的z轴强度。
16.图1示出了本公开的示例性系统100。在一个实施方案中，系统100可包括3d打印机102、烘箱104和用于施加磁场116的装置106。虽然烘箱104和装置106被示为单独设备，但应当指出的是，烘箱104和装置106可被组合为单个设备。
17.在一个实施方案中，3d打印机可包括打印材料114的供应源以打印3d对象108。3d打印机102可包括打印头112以将打印流体分配在打印材料114的层上。可逐层打印3d对象108。尽管3d对象108在图1中被示出为球体，但应当指出的是，可打印任何形状的对象。3d对象108可被打印成不同的形状、尺寸和复杂性。
18.在一个实施方案中，打印材料114可使用聚合物和磁性颗粒的组合来改善3d对象108的z轴110的强度。z轴110可为竖直延伸通过3d对象108的每个打印层的方向。取决于打印材料114是作为粉末还是作为长丝进行分配，磁性颗粒可以在10纳米(nm)至10微米(μm)以及0.1重量百分比(重量％)至15重量％的范围内。
19.如下文进一步详细讨论的，向3d对象施加的磁场116可有助于对准3d对象108中的磁性颗粒。由于磁性颗粒的磁性吸引，磁性颗粒的对准可改善z轴强度。此外，磁场116可由磁性颗粒的移动产生局部加热以产生更多的层间熔合链和层间聚合物链，从而进一步改善3d对象108的z轴强度。例如，局部移动可产生磁性颗粒的摩擦以生成热量。此外，磁感应和磁滞可生成热量。
20.在一个实施方案中，3d打印机102可为任何类型的3d打印机。例如，3d打印机可为选择性激光烧结(sls)打印机、熔融沉积成型(fdm)打印机等。打印材料114可能以粉末形式提供以用于sls打印机或以连续长丝形式提供以用于fdm打印机。
21.图2示出了使用打印材料114的3d打印机的示意图，其中聚合物202和磁性颗粒204混合在一起。然后可分配聚合物202和磁性颗粒204的组合以打印3d对象108的每个层。
22.图2示出了供应源/容器214中的聚合物202和磁性颗粒204的基于粉末的组合的示例。例如，基于粉末的组合可用于sls 3d打印机。
23.在一个实施方案中，聚合物202可包括材料，诸如聚乳酸(pla)、尼龙(例如，尼龙6、10或12)、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丙烯、聚苯乙
烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)等。聚合物202可能以具有适用于特定3d打印机200的任何平均直径尺寸的粉末形式分配。
24.在一个实施方案中，磁性颗粒204可包括磁性金属，诸如铁氧体、氧化铁、铁氧体和二氧化硅(sio2)芯壳纳米颗粒、磁性/金属纳米颗粒、铁、钴、镍、它们的金属合金等。对于基于粉末的打印材料114，磁性颗粒204可具有1nm至5μm的平均粒径尺寸。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约50nm至3μm。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约75nm至1μm。
25.在一个实施方案中，磁性颗粒204可占打印材料114(例如，聚合物202和磁性颗粒204的组合的总重量)的约0.1重量％至15重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒204可占约3重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒204可占约4重量％至6重量％。
26.在一个实施方案中，磁性颗粒204可与聚合物202共混。磁性颗粒204和聚合物202可在具有高共混功率的温控共混器中进行共混，使得磁性颗粒204可部分地嵌入到聚合物202上。
27.在一个实施方案中，聚合物202和磁性颗粒204的组合可被分配到平台210上以形成层2121。在处理器或控制器的控制下，打印头206可将打印流体分配到层2121的期望部分上。打印头206可在层2121上方沿x
‑
y坐标平面移动。打印流体可以是粘结剂，该粘结剂有助于熔化聚合物202以形成在暴露于能量源208时被打印的3d对象108的部分。未接收打印流体的部分可不被熔合，并且可在所有层2121至212
n
被打印之后的去结块过程期间被移除。
28.平台210可竖直地移动(如箭头218所示)。在层2121被打印之后，可降低平台210以接收聚合物202和磁性颗粒204的另一个层212
n
。对于每个层2121至212
n
，可重复打印过程。
29.如上所述，图2示出了sls打印机的示例。然而，3d打印机200也可为用连续长丝来打印的fdm打印机。因此，磁性颗粒204可与聚合物202的连续长丝组合。长丝可被形成为包括聚合物202和磁性颗粒204两者。
30.在一个实施方案中，磁性颗粒204可在拉伸过程期间(例如，当聚合物202的长丝在挤出期间高于熔化温度时)被吸收或熔合到聚合物202的挤出长丝上。磁性颗粒204可被粉末喷涂到聚合物202的挤出长丝上以在沉积聚合物202的层时进行组合。
31.在一个实施方案中，当聚合物202和磁性颗粒204作为连续长丝分配时，磁性颗粒204的平均粒径可为约10nm至10μm。在一个实施方案中，磁性颗粒204的平均粒径可为约90nm至8μm。在一个实施方案中，磁性颗粒204的平均粒径可为约1μm至5μm。
32.在一个实施方案中，磁性颗粒204可占长丝(例如，当作为用于fdm打印机的长丝递送时的聚合物202和磁性颗粒204的总重量)的约1重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒204可占约1重量％至8重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒204可占约2重量％至5重量％。因此，磁性颗粒204的尺寸和近似重量百分比可根据聚合物202是以用于sls打印机的粉末递送还是作为用于fdm打印机的连续长丝递送。
33.图3示出了打印机300的示例，其中打印材料114的聚合物302和磁性颗粒304被单独递送。在一个实施方案中，打印机300可为sls 3d打印机。打印机300可包括以粉末形式的聚合物302的供应容器314。可分配聚合物302以在可移动平台310上形成聚合物302的层312。在处理器或控制器的控制下，打印头306可将打印流体分配到层312的期望部分上。打印流体可以是粘结剂流体，该粘结剂流体在暴露于能量源308时有助于熔合层312的选定部分(如上所述)。
34.在层312被打印之后，可将磁性颗粒304的层316分配到聚合物302的层312上。在一个实施方案中，打印头306可将打印流体分配到层316上并使层316暴露于能量源308。
35.在层312和316被打印之后，平台310可竖直地降低或移动(如箭头318所示)。然后可重复该过程，直到3d对象108的所有层均被打印。
36.在一个实施方案中，磁性颗粒304的平均粒径和重量百分比可与上文针对sls或基于粉末的打印所述的相同。例如，磁性颗粒304可具有1nm至5μm的平均粒径尺寸。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约50nm至3μm。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约75nm至1μm。
37.在一个实施方案中，磁性颗粒304可占打印材料114(例如，聚合物202和磁性颗粒204的组合的总重量)的约0.1重量％至15重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒304可占约3重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒304可占约4重量％至6重量％。
38.虽然在图3中示出了基于粉末的打印机的示例，但打印机300也可以是使用以长丝形式的聚合物302的供应源的fdm 3d打印机。因此，可通过从挤出长丝分配聚合物302来形成层312。可打印层312(例如，利用来自打印头306的打印流体并且通过能量源308来熔合)。然后可分配层316以将磁性颗粒304的层单独沉积在聚合物302的层312的顶部上。
39.在一个实施方案中，磁性颗粒304的平均粒径和重量百分比可与上文针对fdm或基于长丝的打印所述的相同。例如，磁性颗粒304可具有10nm至10μm的平均粒径尺寸。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约90nm至8μm。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约1μm至5μm。
40.在一个实施方案中，磁性颗粒304可占打印材料114(例如，聚合物202和磁性颗粒204的组合的总重量)的约1重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒304可占约1重量％至8重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒304可占约2重量％至5重量％。
41.重新参考图1，在用包括聚合物和磁性颗粒两者的打印材料114打印3d对象108之后，可将3d对象108放置在烘箱104中。然后可将3d对象108加热到接近聚合物202或302的熔化温度的温度。换句话讲，温度可以是接近聚合物202或302的熔化温度而不会致使3d对象108因熔化失去形状的温度。例如，温度可为比聚合物202或302的熔化温度低约20摄氏度(℃)至约聚合物202或302的熔化温度。
42.在使3d对象108达到期望温度之后，可将磁场116施加到3d对象108。在一个实施方案中，磁场116的强度可为约1奥斯特(oe)。在一个实施方案中，磁场116可有助于对准3d对象108中的磁性颗粒204或304的极移动。磁性颗粒204或304的对准可有助于产生磁性颗粒204或304之间的磁性吸引，以有助于改善层间粘结强度。因此，可改善3d对象108的总体z轴强度。
43.在一个实施方案中，磁场116可以是振荡的或脉冲的。磁场116的振荡可产生3d对象中的磁性颗粒204或304的局部移动。例如，磁场116的振荡可致使磁性颗粒204或304根据磁场116的振荡模式来回旋转。该移动可导致磁性颗粒204或304与聚合物202或302之间的摩擦，以在3d对象108的各种内部位置中产生局部热量。移动和摩擦可有助于熔化3d对象108的层(例如，层212)之间以及磁性颗粒204或304周围的区域中的聚合物202或302。磁场116还可导致磁感应和/或磁滞以生成热量并熔化3d对象108的层(例如，层212)之间的区域中的聚合物202或302。层之间的区域的熔化可促进聚合物链的进一步混合和缠结以改善3d
对象108的z轴强度。
44.在一个实施方案中，磁场116可能以约10赫兹(hz)至500兆赫兹(mhz)的范围振荡或脉冲。在一个实施方案中，磁场116可能以约250hz至100mhz的范围振荡或脉冲。在一个实施方案中，磁场116可能以约500hz至10mhz的范围振荡或脉冲。
45.在一个实施方案中，可实现反馈回路。例如，可在施加磁场116之后测试3d对象108的z轴强度。如果z轴强度的测试失败，则可将3d对象108放回到烘箱104和/或装置106中以用于进一步加热和施加磁场116。
46.图4示出了本公开的用于改善3d打印对象的z轴强度的示例性方法400的流程图。在一个实施方案中，方法400的一个或多个框可由系统100或控制系统100的操作的计算机/处理器执行，如图5所示和下文所讨论。
47.在框402处，方法400开始。在框404处，方法400用聚合物和磁性颗粒打印三维(3d)对象。例如，基于sls或fdm的3d打印机可使用包括聚合物和磁性颗粒的混合物的打印材料。在一个实施方案中，基于sls的3d打印机可使用与磁性颗粒组合的基于粉末的聚合物。基于sls的3d打印机可用聚合物和磁性颗粒的组合来打印每个层，或者可打印聚合物和磁性颗粒的单独层，如上所述。
48.在一个实施方案中，对于基于sls的3d打印机，磁性颗粒可具有1nm至5μm的平均粒径尺寸。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约50nm至3μm。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约75nm至1μm。
49.在一个实施方案中，磁性颗粒可占打印材料(例如，聚合物和磁性颗粒的组合的总重量)的约0.1重量％至15重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒可占约3重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒可占约4重量％至6重量％。
50.在一个实施方案中，基于fdm的3d打印机可使用与磁性聚合物组合的基于长丝的聚合物。可将磁性颗粒与聚合物混合以形成长丝。在另一个实施方案中，当挤出长丝时，可将磁性颗粒喷涂到聚合物的长丝上。然后，磁性颗粒可与挤出的熔化聚合物熔合。
51.在另一个实施方案中，基于fdm的3d打印机可打印聚合物和磁性颗粒的单独层。例如，可从长丝挤出聚合物层并且可将磁性颗粒层分配在聚合物层的顶部上，如上所述。
52.在一个实施方案中，对于基于fdm的3d打印机，磁性颗粒可具有75nm至10μm的平均粒径尺寸。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约90nm至8μm。在一个实施方案中，平均粒径尺寸可为约1μm至5μm。
53.在一个实施方案中，磁性颗粒可占打印材料(例如，聚合物和磁性颗粒的组合的总重量)的约1重量％至10重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒可占约1重量％至8重量％。在一个实施方案中，磁性颗粒可占约2重量％至5重量％。
54.在框406处，方法将3d对象加热到约为聚合物的熔化温度的温度。例如，温度可为比聚合物的熔化温度低约20摄氏度(℃)至约聚合物的熔化温度。
55.在框408处，方法将磁场施加到3d对象以局部地移动聚合物中的磁性颗粒，以便生成热量并且熔合磁性颗粒周围的聚合物以改善3d对象的z轴强度。例如，在使3d对象达到期望温度之后，可将磁场施加到3d对象。磁场的强度可为约1oe。
56.在一个实施方案中，磁场可以是振荡的或脉冲的。磁场的振荡可产生3d对象中的磁性颗粒的局部移动。例如，磁场的振荡可致使磁性颗粒根据磁场的振荡模式来回旋转。该
移动可在3d对象的各种内部位置中产生局部热量以熔化3d对象的层之间的区域。层之间的区域的熔化可促进聚合物链的进一步混合和缠结以改善3d对象的z轴强度。
57.在一个实施方案中，磁场可能以约10赫兹(hz)至500兆赫兹(mhz)的范围振荡或脉冲。在一个实施方案中，磁场可能以约250hz至100mhz的范围振荡或脉冲。在一个实施方案中，磁场可能以约500hz至10mhz的范围振荡或脉冲。
58.在一个实施方案中，磁场可有助于对准3d对象中的磁性颗粒的极移动。磁性颗粒的对准可有助于产生磁性颗粒之间的磁性吸引，以有助于改善层间粘结强度。因此，可改善3d对象的总体z轴强度。在框410处，方法400结束。
59.图5示出了专用于执行本文所述功能的计算机的高级框图。如图5中所示，计算机500包括：一个或多个硬件处理器元件502(例如，中央处理单元(cpu)、微处理器或多核处理器)；存储器504，例如，随机存取存储器(ram)和/或只读存储器(rom)；用于改善3d打印对象的z轴强度的模块505；以及各种输入/输出设备506(例如，存储设备，包括但不限于，带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或致密盘驱动器、接收器、发射器、扬声器、显示器、语音合成器、输出端口、输入端口和用户输入设备(诸如键盘、小键盘、鼠标、麦克风等))。尽管仅示出了一个处理器元件，但应当指出的是，计算机可采用多个处理器元件。
60.应当指出的是，本公开可在软件和/或软件和硬件的组合中实现，例如，使用专用集成电路(asic)、可编程逻辑阵列(pla)、包括现场可编程门阵列(fpga)、或部署在硬件设备上的状态机，计算机或任何其他硬件等同物，例如，有关上述方法的计算机只读指令可用于配置硬件处理器以执行上述公开方法的步骤、功能和/或操作。在一个实施方案中，用于改善3d打印对象的z轴强度的本模块或过程505的指令和数据(例如，包括计算机可执行指令的软件程序)可被加载到存储器504中并由硬件处理器元件502执行，以实现上文结合示例性方法400讨论的步骤、功能或操作。此外，当硬件处理器执行用于执行“操作”的指令时，这可包括直接执行操作和/或促进、引导或与另一硬件设备或组件(例如，协处理器等)进行协作以执行操作的硬件处理器。
61.执行与上述方法相关的计算机可读指令或软件指令的处理器可被感知为编程处理器或专用处理器。因此，本公开的用于改善3d打印对象的z轴强度的本模块505(包括相关数据结构)可存储在有形或物理(广义上非暂态)计算机可读存储设备或介质上，例如，易失性存储器、非易失性存储器、rom存储器、ram存储器、磁性或光盘驱动器、设备或软盘等。更具体地，计算机可读存储设备可包括任何物理设备，这些物理设备提供存储诸如数据和/或指令的信息的能力以被处理器或计算设备诸如计算机或应用服务器访问。
62.应当理解的是，以上公开的和其他的特征和功能的变型或其另选方案可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被所附权利要求书所涵盖。