制造三维物体的制作方法

背景技术：

已经作为生成三维物体的潜在方便方式而提出了基于逐层而产生或制造三维物体的增材制造系统。

在这种增材制造系统中，可以使用能量源以加热构建材料和试剂。

附图说明

为了更好地理解在此所述的示例，以及更清楚地显示可以如何实现示例，现在借由非限定性示例的方式参考以下附图，其中：

图1示出了待打印的三维物体的示例；

图2示出了在制造过程期间的温度曲线的示例；

图3示出了在制造过程期间温度曲线的另一示例；

图4示出了在制造过程期间温度曲线的又一示例；

图5示出了由本公开所提供的方法的示例；

图6示出了根据本公开示例的温度曲线的示例；以及

图7示出了根据本公开的设备的示例。

具体实施方式

生成有形三维物体的过程可以包括一系列阶段，其包括形成构建材料的层，选择性地输送试剂(例如熔剂，其包括例如聚结剂和/或聚结改性剂和/或一些其他形式试剂)至构建材料层的表面的至少一部分，以及临时地施加能量至构建材料层。能量的临时施加可以引起试剂已经输送或已经穿透在其上的构建材料的一部分加热升温至构建材料和试剂开始聚结的温度点之上。该温度可以称作熔化温度。一旦冷却，已经聚结的部分变为固态并且形成了所生成的三维物体的一部分。这些阶段可以随后重复以形成三维物体。其他阶段和工序也可以用于该过程。

在此所述的示例中，试剂(可以包括聚结剂和/或聚结改性剂，或其他形式试剂)可以包括可以使用任何合适的流体输送机构、也称作试剂分配器而输送的流体。在一个示例中，试剂以微滴形式输送。在一个示例中，聚结剂可以是强光吸收剂，例如，诸如色素着色剂。

根据在此所述一些示例的试剂分配器可以包括打印头，诸如热打印头或压电打印头。在一个示例中，可以使用打印头，诸如用于商业可应用喷墨打印机中的合适的打印头。

聚结改性剂可以用于各种目的。在一个示例中，聚结改性剂可以与输送聚结剂所在位置相邻而输送，例如用以帮助减小横向聚结渗透的效果(也即帮助防止聚结剂渗透至构建材料的相邻区域中)。这可以例如用于改进物体边缘或表面的清晰度或精确度，和/或减小表面粗糙度。在另一示例中，聚结改性剂可以与聚结剂交替输送，可以用于使得与仅已经施加聚结剂的物体的一部分相比改性了物体特性。

在此所述的示例中，涉及构建材料可以包括例如基于粉末构建材料的构建材料。如在此所使用，术语基于粉末材料意在包括干式和湿式基于粉末材料、颗粒材料和粒状材料。在一个示例中构建材料可以是通常弱光吸收聚合物粉末媒介。在另一示例中构建材料可以是热塑性的。

在此所述的示例中，可以通过顺序地一个在另一个顶部上层叠并熔化构建材料层而构建三维物体。每个构建材料层沉积在前一个层之上并且形成了在此称作构建表面的平坦表面。

图1示出了将要逐层的物体的示例403_1、403_2、403_3，其中图1示出了生成了正在生成的3d物体的切片的层的表面。构建材料的连续层沉积在构建表面或处理基床之上。在该示例中构建表面被划分为多个区域401。多个区域的每一个可以基本上相同大小或者可以大小变化。多个区域形成了区域401_1_1至401_m_n的m×n阵列。在图1中所示的示例中，第一物体403_1占据五个区域。

在3d物体的生成期间例如使用能量源、诸如加热整个构建表面的灯或辐射源、或者用于加热处理基床的区域的一组灯或辐射源而加热构建表面或处理基床。

图2示出了对应于在打印期间已经被试剂(例如聚结剂和/或聚结改性剂或其他试剂)覆盖的构建表面的不同深度(高达1cm深度)的温度曲线的示例。每个曲线分别代表在表面处或在某一深度处的温度。例如，标注为31的曲线示出了在试剂覆盖部分的表面处的温度，曲线32示出在0.05cm深度处温度，曲线33示出在0.11cm深度处温度，曲线34示出在0.26cm深度处温度，曲线35示出在0.53cm深度处温度，曲线36示出在0.79cm深度处温度，以及曲线37示出在1cm深度处温度。向下的尖峰代表当试剂沉积在构建材料之上时(例如在打印或沉积试剂期间)的时刻。尖峰之前的温度代表施加至构建材料的预加热温度，以及尖峰之后的温度对应于施加用于将构建材料的区域与沉积其上的试剂聚结的熔化温度。

图3示出了由能量源例如卤素灯在已经采用试剂打印或覆盖的区域之上所引起的加热效应的迹线。例如由卤素灯熔化而加热构建表面提供了熔化，但是也提供了透射至原始构建材料(也即构建材料的没有试剂沉积其上的区域，也在此称作白色区域)的不受控制的过量能量。标注41的尖峰对应于当沉积试剂时温度的突降，如之前图2中所解释。标注43的区域对应于当能量源诸如卤素灯将构建材料的一部分与聚结剂一起加热至熔化温度、也即至其上具有聚结剂的构建材料的区域开始熔化的温度时的时间段。标注45的区域对应于当再涂覆机铺设构建材料的新层而构遮蔽构建材料避开能量源、因此使得被遮蔽区域温度突降时的时间段。

图4示出了在构建表面上打印或分布试剂并且加热构建表面至熔化温度以使得具有构建材料和打印试剂的区域开始熔化的阶段期间温度演化的示例。标注51的曲线示出了对于在构建过程期间构建表面的被试剂覆盖部分的温度曲线的示例，虚划线53代表对于熔化的目标温度。标注55的曲线示出了在构建过程期间对于原始构建材料的温度曲线的示例，点划线57代表对于原始构建材料的目标温度。在一些示例中，对于原始构建材料的目标温度对应于预加热温度。可以由屏蔽构建表面避开能量源的支架、或者由沉积试剂的试剂分配器而引起温度的突降(采用参考数字52标注)，这可以导致温度突降，例如以上图2和图3中所述。响应于温度的突降，可以经由能量源施加能量以补偿该温度的突降。在标注56的时间段中，这可以导致过热。这可以导致能量的过度，这通过不必要地提高不具有聚结剂区域(也即原始构建材料)的温度而减小了选择性。

在此所述的示例涉及一种用于在3d物体的制造期间加热表面、也即控制用于生成三维物体的设备中温度的方法和设备。用于三维打印的设备的性能可以取决于工艺的可重复性以及构建物之间的一致性。为了获得一致地高品质构建物，在示例中可以将构建表面的温度分布控制在窄范围(例如±1℃)内。也可以需要在构建表面之上温度分布的均匀性。这可以包括动态地修改热量分布和温度测量以对于变化的表面热量分布快速做出反应。与此同时，可以提供精细微粒临时温度控制以使得为加热子系统提供选择性能量供给以使得在正确的时刻并采用最佳能量的量执行材料的相变，而并未危害材料的选择性。材料的选择性涉及当施加相同量的能量至由试剂所覆盖的区域时相对于并未被试剂所覆盖区域而出现的表面温度间隙。在此所述的示例中，材料选择性、或表面温度间隙足够大以使得涂覆具有试剂的区域可以加热至熔化所需的温度，而并非覆盖试剂的区域不开始熔化。

在此所述的示例涉及一种控制由能量源施加至构建表面上构建材料层的能量、以使得在加工处理的每个阶段(例如散布、打印/分配聚结剂/改性聚结剂，熔化)处构建材料的层处于制造优良部件品质的最佳温度。

图5示出了根据本公开的方法。方法包括501，使用来自表面上的第一位置处的第一温度反馈信号在制造工艺的第一阶段期间控制由能量源辐射的能量。方法包括503，使用来自表面上的第二位置处的第二温度反馈信号在制造工艺的第二阶段期间控制由能量源辐射的能量。

例如，第一阶段可以涉及制造工艺的预加热阶段，在此时期间从包括原始构建材料例如白色粉末的构建表面的区域接收第一温度反馈信号。因此，在该示例中，方法包括监视第一位置的温度，其中第一位置其上具有原始构建材料，并且使用该监视到的温度作为第一温度反馈信号。

第二级可以包括例如熔化阶段，在此期间其上具有试剂的构建材料的区域被加热至熔化温度，在此期间从包括被打印或处理的构建材料(也即其上具有沉积的试剂的构建材料)的构建表面的区域接收第二温度反馈信号。因此，在该示例中，方法包括监视第二位置的温度，其中第二位置其上沉积具有试剂，并且使用该监视到的温度作为第二温度反馈信号。

因此，在一个示例中第一阶段包括预加热阶段，而第二阶段包括熔化阶段。

在一个示例中，方法可以包括控制能量源以基于第一温度反馈信号在第一阶段期间将表面加热至第一目标温度，以及控制能量源以基于第二温度反馈信号在第二阶段期间将表面加热至第二目标温度。在一个示例中，可以在第一阶段期间将整个构建表面(或粉末基床)均匀地加热至预加热温度，以及在第二阶段期间将整个构建表面(或粉末基床)均匀地加热至熔化温度。在另一示例中，不同的区域可以取决于它们中是否具有试剂而具有不同的目标温度和反馈信号。在另一示例中，可以在第一阶段期间将特定区域的温度加热至预加热温度并且在第二阶段期间加热至熔化温度，在不同阶段期间采用从该区段内不同区域获取的反馈信号，例如在第一阶段期间来自该区段的白色区域(其上不具有施加的试剂)，以及在第二阶段期间来自采用试剂覆盖的区域。构建过程可以因此包括不同的周相或阶段，对于根据在该周相或阶段中采取什么动作而确定或选择的每个周相或阶段具有参考温度。在一个示例中，可以动态地改变读取温度所在的点(或位置)。也可以同时地处理不同的温度参考点，例如对于不同和/或独立的工艺。

在一个示例中，从位于构建表面之上的热传感器、热度计、或热成像相机接收第一温度反馈信号。在一些示例中，从位于构建表面之上的热传感器、热度计、或热成像相机接收第二温度反馈信号。第一和第二温度反馈信号可以监视构建表面的相同区域、或者构建表面的不同区域、诸如构建表面的相邻非重叠区域、或者在一些示例中构建表面的不同非相关区域的温度。在一些示例中，构建过程的第一阶段可以是在采用新构建材料层再涂覆构建表面与将聚结改性剂或聚结剂打印或分配至构建材料层上之间的阶段。在另一示例中，构建过程的第一阶段可以是在采用新构建材料层再涂覆构建表面至当在构建材料层上的被打印试剂诸如聚结改性剂或聚结剂已经开始聚结或熔化时之间的阶段。在一些示例中，第二阶段可以对应于当构建材料层被加热至熔化温度以熔化构建材料层的已经采用聚结剂或聚结改性剂打印了的区域时。在其他示例中，构建过程的第一和第二阶段可以对应于构建过程的不同阶段。

从上述示例，层打印过程可以包括将层打印过程(或制造过程)划分为多个阶段或周相，其中在不同的周相期间使用不同的目标温度和不同的测量区域。作为示例，第一周相的目标可以是在所有打印基床或构建表面之上达到稳定和均匀的温度，使用原始粉末温度作为参考。然而，当采用试剂例如聚结剂和/或改性聚结剂和/或其他试剂打印截面时，如上所述，某些事件可以引起温度的下降。首先，当打印试剂材料时执行该操作的支架可以遮蔽构建表面的区域避开加热系统，这可以导致构件表面的温度的轻微下降。其次，由描绘了截面的笔所沉积的试剂可以在被打印区域上引起温度下降加重，与没有施加试剂的剩余区域相比。在一个示例中，在被遮蔽区域消失不久之后，温度控制器检测岛基床上温度衰减并且增大所施加的能量以恢复损失的温度。在该时间段期间，采用试剂覆盖的被打印部分累积更多温度并且到达熔点，而粉末覆盖的区域达到目标温度(归功于试剂材料所提供的选择性)。在该点处，根据在此所述的示例，通过从使用第一温度反馈信号改变至使用第二温度反馈信号、也即改变对于截面试剂覆盖区域的参考温度测量而维持由试剂所覆盖截面的熔化。在一个示例中，以该方式改变温度反馈信号可以避免温度控制机制趋向于缩减所施加的能量(当达到目标时)，此时其上具有聚结剂的截面仍然并未完全与构建材料熔化。

在一个示例中，在使用第二温度反馈信号一段时间之后，例如数毫秒，材料被熔化，并且方法可以返回至使用第一温度反馈信号，也即返回至监视原始构建材料区域(白粉末)，因为施加太多能量可以缩减在试剂覆盖部分与原始材料部分之间的选择性。

该温度反馈信号变化的效果示出在图6的示例中。标注61的曲线示出在构建过程期间对于构建材料的其上具有沉积试剂的区域的温度曲线的示例，虚划线63代表对于构建材料的其上具有沉积试剂的区域的目标温度。标注65的曲线示出在构建过程期间对于原始构建材料的温度曲线的示例，点划线67代表对于原始构建材料的目标温度。在该示例中，初始地将温度控制在对于原始构建材料的目标温度67处(白色目标温度)，例如使用可以从构建表面的包括原始构建材料的区域获取的第一温度反馈信号。如上所述，温度的突降可以由支架屏蔽构建表面避开能量源、或者由沉积试剂的试剂分配器引起，两者可以引起温度跌落。在此时刻，根据示例，系统改变至使用例如从构建材料的被试剂所覆盖的区域获取的第二温度反馈信号以控制能量源。在该周相期间，控制温度以达到对应于聚结剂或聚结改性剂的目标温度63的第二目标温度。结果在图6中由参考标记64示出，由此可见，试剂的温度上升以匹配其目标温度63。标注66的曲线的一部分示出能量调制是基于在白色(也即原始构建材料)区域上温度引起某些拨动的试剂覆盖区域，然而当所输送能量最优以维持材料的状态改变时，在原始构建材料(白色区域)上没有显著的温度变化。

以该方式可以通过改变目标温度和对于传感器的参考而优化能量使用，因此在材料的相变期间，能量源调制对准熔化温度而不是白色温度。

在一个示例中，温度控制机制可以在一层的打印期间不同阶段处、或者在不同层的打印期间使用不同的参考温度读数(例如来自白色区域，来自有色区域，来自试剂覆盖区域等)。

相变可以由事件、时间约束、温度读数、或可以受益于参考改变的任何其他事件而触发，因此改进了打印过程。因此，第一和第二阶段之间的变化可以由事件的发生、时间段流逝、或达到阈值的温度信号而触发。

可以编程能量源控制系统例如灯控制子系统以在所有打印基床之上实现目标的稳定和均匀的温度。这可以通过控制向加热打印或构建表面的一组灯所提供的能量的量而实现。一组温度传感器(例如红外传感器、热相机等)可以用于永久地读取当前表面温度。可以使用多个传感器、热相机等，每一个监视在打印基床上的几乎非重叠区域。

在一个示例中，使用来自传感器的输入构建温度地图并用于馈送灯控制回路。此外，在每个打印层处，可以向灯控制回路报告图像截面信息。控制回路可以根据其位置、当前温度、目标温度以及图像信息而计算将要向灯子系统施加的能量。可以提供根据在此所述示例的温度控制机制以将每个传感器位置与所打印图像的位置匹配，并且因此理解什么温度读数对应于什么图像部分。位置校准机制可以用于确定之前所述的匹配。

在一个示例中，确定第一位置或第二位置包括分析从热或光学成像接收岛的图像数据以确定构建材料的具有试剂沉积在其上的区域，或者构建材料的不具有试剂沉积在其上的区域。在另一示例中，确定第一位置或第二位置包括分析3d物体的规格数据以确定构建材料的具有试剂沉积在其上的区域，或者构建材料的不具有试剂沉积其上的区域。在一个示例中，可以基于在该区域或区段中发现的试剂的百分比而选择将要监视被的区域或区段、或者将要监视到以用于提供温度反馈信号的区域或区段。

在一个示例中，可以将能量源控制系统的操作划分为对准不同目标的周相或阶段。例如，一个目标可以是保持具有稳定温度的原始构建材料(也即白色)区域，并且紧接在沉积试剂之后(也即在打印过程之后)加热试剂并维持状态改变温度直至材料熔化。在该点，执行温度参考改变，如上所述，因此对于所需时间量维持了熔点。

在此所述的示例可以扩展以包括具有多个参考点或多个不同温度反馈信号的多个阶段或周相，例如在一个阶段或点期间监视试剂温度，在一些其他阶段或点处监视抑制剂，在一些其他阶段或点处监视原始构建材料(白色区域)，在另一阶段或点处监视已处理的构建材料(或有色区域)。

作为示例，以下工序示出了可以在层的打印期间发生的阶段：

阶段1－将目标温度设置为所需粉末温度(也即对于原始构建材料或白色粉末的所需目标温度)。

阶段2－能量源(例如加热子系统)根据从白色区域接收、也即从包括原始构建材料的区域接收到的第一温度反馈信号而调制能量。这可以包括在打印基床或构建表面上使用白色控制区段或白色区段。在一个示例中，图像信息可以用于丢弃在其上具有打印的试剂或部分的构建表面上的那些部分。

阶段3－例如在沉积试剂之后预定时间段内触发第二阶段。在该点处，能量源调制可以保持至来自白色或原始构建材料的温度读数(也即所使用的第一温度反馈信号)直至试剂材料开始阶段改变也即开始熔化。接着，加热子系统的目标温度改变至材料的熔化温度(也即第二目标温度)，并且从采用试剂覆盖的区域获得传感器读数(也即使用第二温度反馈信号)。这可以是来自所打印图像的一部分(例如基于图像信息)或者来自由试剂所覆盖的打印基床上的控制区域。在后者中，为了监视目的可以特殊地由试剂覆盖打印基床的区域，例如对应于具有为此目的而提供的温度传感器的区域，而此时在前者中来自所打印图像的已知区域的试剂被用作参考点。

阶段4－在一段时间之后，例如在熔化试剂所覆盖区域所需的足够时间量之后，或者在对于采用试剂覆盖区域与构建材料熔化的足够时间量之后，目标温度再次改变至所需粉末温度(白色)，第一目标温度。传感器输入也改变至原始构建材料区域，也即使用第一温度反馈信号，因此将温度稳定化至该新目标。

应该注意的是，在此所述的一些示例可以通过在打印过程期间改进温度稳定性而帮助改进制造3d物体的方法。一些示例可以改进并稳定化熔化或熔化过程而无需使用过量能量也没有选择性损失。示例采用减少表面过热而提供了优化的能耗，并且可以改进整体打印过程，因为稳定的温度可以帮助促成所制造3d物体的品质，并且改进其机械特性。

根据一个示例，控制由能量源辐射的能量包括将构建材料的整个表面加热至第一或第二目标温度，或者将构建表面的区域加热至第一或第二目标温度。例如，可以将具有原始构建材料的第一区域控制在第一目标温度，并且可以将具有试剂沉积其上的构建材料的第二区域控制在第二目标温度。

图7示出了用于生成3d物体的设备700的示例。设备包括至少一个传感器701以监视表面的多个区域的温度，以及对于多个区域的每一个输出至少一个温度反馈信号。设备700包括能量源703(例如辐射打印基床的不同区段的一组灯)。设备700包括温度控制器705以使用从第一位置或区域接收到的第一温度反馈信号在构建过程的第一阶段期间控制有能量源703辐射的能量，以及使用从第二位置或区域接收到的第二温度反馈信号在构建的第二阶段期间控制由能量源703辐射的能量。

在一个示例中，温度控制器705控制能量源以基于第一温度反馈信号在第一阶段期间加热表面至第一目标温度，以及控制能量源以基于第二温度反馈信号在第二阶段期间加热表面至第二目标温度。第一目标温度可以包括例如原始构建材料的目标温度。第二目标温度可以包括例如用于熔化试剂的目标温度。

在一个示例中，至少一个传感器701的传感器监视表面的其上具有原始构建材料的区域的温度以提供第一温度反馈信号。

在一个示例中，至少一个传感器701的传感器监视表面的其上沉积有试剂的区域的温度以提供第二温度反馈信号。

根据另一示例，提供了一种用于当制造3d物体时加热的温度控制器705。温度控制器705使用第一温度反馈信号在制造过程的第一阶段期间控制由能量源辐射的能量，以及使用第二温度反馈信号在制造过程的第二阶段期间控制由能量源辐射的能量。

上述示例提供了基于多相的温度控制，这使能根据制造过程的特定周相的目标而采用合适的温度参考而驱动并稳定化能量输送。

上述示例提供了能够在一层打印期间的不同周相处或跨越多层而目标对准所需温度的最优能量输送机制。这可以帮助优化能量输送，并且帮助避免与试剂覆盖部分和原始材料或任何其他有色部分之间最大化选择性方向相反的过量能量使用。示例通过输送正确的能量的量并且因此改进整体层打印过程而使能了最优熔化控制。

在上述示例中，应该注意的是，在制造过程的一个循环期间、例如在构建过程的一个层的制造期间的第一和第二位置可以不同于在第二或其他后续循环期间的第一和第二位置。

应该注意的是上述说明书示出而不是限制了示例，以及可以提供其他示例而并未脱离所附权利要求的范围。词语“包括”并未排除除了权利要求中所列出那些之外元件或阶段的存在，“一”或“一个”并未排除多个，以及单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所引述数个单元的功能。权利要求中任何参考标记不应构造为限制它们的范围。