CN112789127B - 用于3d打印生坯部件的固化时间 - Google Patents

用于3d打印生坯部件的固化时间 Download PDF

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Abstract

在一个示例中，一种存储器，其上具有指令，该指令在执行时使3D打印***作为构建平台位置的函数来确定施加用以打印部件的功能剂的固化时间，并且随后，在所确定的固化时间内固化该功能剂。

Description

用于3D打印生坯部件的固化时间
背景技术
3D打印***将物体的数字表示转换成物理物体。3D打印包括如下各种过程中的任何过程，即：其中，材料在计算机控制下被结合或固化以创建三维物体。3D打印通常也被称为增材制造。3D打印***通常被用于使用诸如热塑性塑料、聚合物、陶瓷和金属之类的材料来制造具有复杂几何形状的物体。在基于粉末的3D打印中，形成连续的粉末状构建材料层，并且每层的一部分以期望的图案结合或熔合，以构建3D物体。
附图说明
图1是图示了3D打印***的一个示例的框图，该3D打印***包括控制器，该控制器编程为基于在其中打印生坯部件的粉末床的深度来确定固化时间。
图2-5呈现了一系列视图，其示出了具有基于粉末床的深度的自动固化时间控制的3D打印***的过程的一个示例。
图6和图7图示了用于3D打印***的构建单元的一个示例。
图8是图6和图7的细节图。
图9和图10是示出了粉末床的深度与固化时间之间的函数关系的示例的示图。
图11和图12是图示了例如可在图1和图2-5中所示的3D打印***中实施的示例性固化过程的流程图。
贯穿附图，相同的附图标记标示相同或相似的部分。附图不一定按比例绘制。
具体实施方式
金属部件可通过如下方式来打印，即：以与表示该部件的每一层的数字切片相对应的图案，选择性地将液体粘结剂施加于每个连续的金属粉末层。该粘结剂被固化，以将金属粉末颗粒以期望的形状结合在一起，以用于进一步处理。结合但未熔合的过渡打印结构通常被称为“生坯部件（green part）”。生坯部件足够坚固，以承受脱粉过程，在该脱粉过程中，周围的未结合粉末被从部件移除。在脱粉之后，该生坯部件在烧结炉中被加热，以烧尽任何残余的粘结剂，并且烧结/熔合金属颗粒，以形成最终金属物体。
在使用热来活化可热固化的乳胶基粘结剂中的乳胶颗粒的固化过程中，完全固化粘结剂的时间可能会根据部件的厚度而变化。在其中打印部件的粉末床的深度可被用作部件厚度的代用指标。较深的粉末床表示较厚的部件。另外，在多个部件在相同的粉末床中分层打印在一起的情况下，粉末床的深度也表示这些部件的累积厚度。并且，粉末床自身的深度也可能会影响固化时间。因此，粉末床的深度可用于帮助更精确地确定固化时间。在一个示例中，在部件打印之后的构建平台的位置被用于确定粉末床的深度。在另一个示例中，在打印过程中施加的粉末层数被用于确定粉末床的深度。
可实施新的技术，例如，这是通过使用来自传感器的信号在打印***控制器上编程，该信号指示在部件打印之后构建平台的位置，或者通过记录施加于平台的构建材料粉末层数。该控制器可根据算法计算固化时间或从查找表读取固化时间。该控制器可被编程为自动指示固化单元在所确定的固化时间内固化粘结剂。该控制器还可（或替代地）包括编程，以向操作者显示固化时间，例如用于允许操作者手动实施该固化时间。
该新技术的示例不限于金属部件或液体粘结剂，而是可利用其他材料实施。本文所述的示例说明但不限制本专利的范围，该范围在本说明书后的权利要求中限定。
如本文档中所用的，“和/或”意指关联事物中的一个或多个；“生坯部件”意指通过将功能剂施加于3D打印构建材料并固化该功能剂而形成的粘连但未熔合的结构；“功能剂”意指粘结剂和/或另一种可固化剂；以及“存储器”意指可收录、包含、存储或维护供处理器使用的信息和指令的任何非暂时性有形介质。
图1是图示了3D打印***的一个示例的框图，该3D打印***包括控制器，该控制器编程为基于粉末床的深度来确定固化时间。参考图1，3D打印***10包括打印单元12、固化单元14和控制器16。打印单元12包括：平台18，其在打印期间支撑构建材料；平台驱动器20，其逐渐降低平台18，以容纳接连的粉末状构建材料层；成层装置22，其在平台18上方分层放置构建材料；位置传感器24，其在打印期间感测平台18的位置；以及施加器26，其选择性地将功能剂施加于平台18上的构建材料。3D打印单元12可包括并且确实通常包括图1中未示出的附加部件。
固化单元14包括能量源28，以使该功能剂暴露于热或其他固化能量。用于生坯部件的固化单元14可包括在图1中未示出的附加部件。***10中的打印单元12和固化单元14可被收容或以其他方式一起整合到单个3D打印机中，或者它们可以是分开收容的不同单元。例如，固化单元14可被实施为能量源28，其靠近构建平台18定位并且与成层装置22和施加器26一起被收容。又例如，在利用便携式容器内的构建平台18的3D打印***10中，固化单元14可被实施为远离打印单元12的独立单元。
控制器16表示控制***10的操作部件所需的处理和存储器资源、编程以及电子电路和部件。控制器16可包括用于打印单元12和固化单元14以及每个单元12、14内的部件的不同的控制元件。控制器16包括GUI（图形用户界面）30、具有固化时间控制指令34的存储器32以及处理器36，该处理器36用于执行指令34以确定期望的固化时间，并自动指示固化单元14在所确定的固化时间内固化功能剂，和/或在GUI 30上显示固化时间。
图2-5呈现了一系列视图，其示出了用于实施固化时间控制的3D打印***10的过程的一个示例。从图3和图4中省略了控制器16。参考图2，***10在单个机器中包括打印单元12和固化单元14。打印单元12包括来自图1的平台18、平台驱动器20、成层辊22、位置传感器24、试剂施加器26以及具有固化时间控制指令34的控制器16。图2中未示出指令34。固化单元14包括能量源28。一堆粉末状构建材料38暂存在平台18旁边，以为下一层作准备。辊22和施加器26按照控制器16的指令在平台18上方来回移动。
在图3中，辊22向右移动，从而在平台18上方将构建材料散布在第一层40中。在图4中，平台18已被驱动器22降低，辊22在散布构建材料的第二层42，并且施加器26以与正打印的生坯部件的数字切片相对应的图案将功能剂44选择性地施加于构建材料上。对于多个连续的层，重复分层放置构建材料和施加功能剂的过程。图5示出了粉末床48中的一组打印的生坯部件46，其中固化能量源28打开以固化试剂。图2-5中仅示出了几层构建材料，并且每一层的厚度都被大大夸大，以更好地图示打印过程。在3D打印中通常使用数百或数千个非常薄的构建材料层，以形成打印部件。图2-5仅图示了3D打印***10的一个示例。也可使用其他合适的***来实施固化时间控制。
在一个示例中，位置传感器24在部件46被打印之后向控制器16发信号通知平台18的位置。控制器16上的固化时间控制指令34（图1）使用平台18的位置来计算或以其他方式确定粉末床48的深度。可替代地，位置传感器24自身可被构造成用信号通知粉末床的深度。在任一情况下，控制器16确定期望的固化时间，并且自动地为能量源28供能，以在期望的固化时间内维持适当的固化条件。
在另一个示例中，控制器34计数或以其他方式记录施加于平台18以形成粉末床48的构建材料38的层数。在许多3D打印***中，每一层的标称深度是相同的，并且控制器16上的固化时间控制指令34（图1）可使用层数来计算粉末床48的深度。虽然期望***控制器16通常基于输入到控制器的部件的数字表示来确定将用于打印部件的总层数，包括在部件的下方、之间和上方形成的层，层数量可包含在控制器所接收的部件的数字表示中。附加地或作为替代，控制器可对打印部件时实际施加的层数计数，该层数用于在确定粉末床的深度中使用。
图6和图7图示了构建单元50的一个示例，其具有平台18、平台驱动器20和编码器（位置传感器）24，诸如可在图2-5中所示的打印单元12中实施的。图6示出了处于粉末床48中的两层生坯部件46。图7示出了处于粉末床48中的四层生坯部件46。图8是来自图6和图7的位置传感器的细节图。
参考图6-8，构建单元50包括：平台18，其连接到驱动器20；以及容器52，其围绕平台18，以在打印和固化期间将构建材料容纳在平台18上。容器52的前面板被切除，以更好地示出处于粉末床48中的部件46。容器52被安装到固定的底架54或整合到该底架54中，该底架54支撑打印单元12中的平台驱动部件。在固化单元14远离打印单元12的情况下，容器52和平台18可被构造为便携式组件，该便携式组件与底架54分离，以便输送到固化单元。平台18位于框架56的顶部上，该框架56利用丝杠58相对于底架54上下移动。丝杠58（并且因此，框架56和平台18）通过从驱动组件62中的底架54悬挂的驱动螺母60下降和上升。驱动组件62包括马达64，以使螺母60转动。
在操作中，马达64按照控制器16（图1和图2）的指令被供能，以使螺母60逐渐转动，并为每个连续的构建材料层驱动承载平台18的丝杠58降低。线性编码器24包括：编码器条66，其随框架56、并且因此随附接到框架56的平台18上下移动；以及安装到底架54的光学读取器68。读取器68读取条66上的标度标记，以确定在打印部件46期间和之后平台18的位置。图6和图7中所示的线性编码器仅是用于感测平台18的位置的位置传感器24的一个示例。也可使用其他合适的位置传感器。
每个部件46的厚度以及在粉末床48中分层放置的多个部件46的累积厚度通过与平台18的位置相对应的粉末床48的深度来近似。在已知打印部件46之下、之间和之上的未结合粉末的基层数量的情况下，在打印所有部件之后，可由平台的位置接近地近似出这些部件的实际厚度。然而，由于粉末床的深度和周围的未结合构建材料粉末也会影响固化时间，因此可使用粉末床的深度来帮助更精确地确定适当的固化时间。
图9和图10是示出了对于诸如图1和图2-5中所示的***10的3D打印***，粉末床48的深度Z与固化时间t之间的一族函数关系F的示例的示图。图9和图10的描述中的附图标记参考图1-5中所示的示例。Z表示基于部件打印之后构建平台18的位置或基于用于形成粉末床48的构建材料的层数的粉末床48的深度。图9中的一族函数F表示在相同的打印***10或相似的打印***10中使用的具有不同特性的三种构建材料38和/或功能剂44中的每一种。每个函数F的斜率例如可基于固化能量传递和构建材料38的密度和/或试剂44的组分的蒸发点来确定。例如，与在打印期间未压缩的相同的构建材料粉末38相比，对于利用IR加热灯28的固化，具有高热导率且在打印期间压缩的金属构建材料粉末38的函数F可具有不那么陡的斜率。图10中的一族函数F表示三个固化单元14中的每一个，它们具有不同的特性，以固化用于相同生坯部件46的功能剂。每个函数F的偏移量b（t截距）例如可基于在固化单元14中源28所施加的固化能量来确定。
虽然期望图9和图10中的每个函数关系F将针对不同的构建材料、试剂和打印***经验性地来确定，但是也可能可以通过建模或其他分析技术以足够的精度来确定函数关系F。而且，虽然在图9和图10中示出了线性函数F，但是非线性关系也是可能的。如果期望，则可使用线性函数F来近似非线性关系，以简化确定固化时间的过程。
图11是图示了诸如可在图1和图2-5中所示的3D打印***10中实施的固化过程的一个示例的流程图。参考图11，过程100包括确定粉末床的深度（框102），作为粉末床的深度的函数来确定功能剂的固化时间（框104），并且随后在所确定的固化时间内固化功能剂（框106）。在一个示例中，该函数可由方程t = mZ + b来表示，其中t为固化时间，Z为粉末床的深度，m为构建材料的因子，并且b为固化单元的偏移量。在一种示例性实施方式中，对于316L不锈钢构建材料粉末、水溶液中的乳胶粘结剂和作为固化能量源的红外加热器，t =(350s/mm x Zmm) + 3400s。
图12是图示了诸如可在图1和图2-5中所示的3D打印***10中实施的3D打印过程的示例的流程图。参考图12，过程110包括使构建平台移位（框112），以及通过选择性地将功能剂施加于每个连续的构建材料层而在移位的平台上打印部件（框114）。过程110还包括在打印部件之后，例如利用图1-8中的位置传感器24来确定平台的实际位移（116），基于所确定的实际位移来确定固化时间（框118），以及自动地在所确定的固化时间内固化功能剂（框120）和/或显示所确定的固化时间（框122），例如用于允许用户手动设置用于固化单元的固化时间。
如本说明书的开头处指出的，附图中所示和上面所述的示例说明但不限制本专利的范围，该范围在所附权利要求中限定。
如权利要求中使用的“一个”和“一种”意指一个或多个。

Claims (13)

1.一种3D打印***，包括：
打印单元，其包括：
驱动器，其逐渐地降低构建平台，以容纳连续的构建材料层；
成层装置，其将粉末状构建材料分层放置到所述构建平台上；
施加器，其选择性地将功能剂施加于所述构建平台上的构建材料；
固化单元，其固化施加于所述构建材料的功能剂；以及
控制器，其编程为：
指示所述驱动器逐渐降低所述构建平台，以容纳连续的构建材料层，所述连续的构建材料层一起形成构建材料粉末床；
指示所述施加器将功能剂施加于一些或全部构建材料层中的构建材料，以在所述粉末床中形成部件；
确定所述粉末床的深度；
基于所确定的深度根据方程t＝mZ+b或者查找表来确定固化时间，其中t为固化时间，Z表示所述粉末床的所述深度，m为构建材料的因子，并且b为所述固化单元的偏移量，所述查找表具有作为所述粉末床的深度的函数而确定的固化时间，其中所述构建材料的因子基于固化能量传递和构建材料的密度和/或所述功能剂的组分的蒸发点来确定，并且所述偏移量基于在所述固化单元中的源所施加的固化能量来确定；以及
显示所确定的固化时间以允许用户手动设置用于所述固化单元的固化时间和/或自动指示所述固化单元在所确定的固化时间内固化所述功能剂。
2.根据权利要求1所述的***，其中：
所述打印单元包括传感器，以感测所述构建平台的位置；以及
所述控制器被编程为从位置传感器接收在所述部件形成之后的所述构建平台的位置，并且基于感测到的所述构建平台的位置来确定所述粉末床的所述深度。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述控制器被编程为基于形成所述粉末床的构建材料的层数来确定所述粉末床的所述深度。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述控制器被编程为自动指示所述固化单元在所确定的固化时间内固化功能剂部分。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述打印单元和所述固化单元被一起整合到单一单元中。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述编程来确定固化时间包括编程来读取所述查找表。
7.一种其上具有指令的存储器，所述指令在执行时使得3D打印***：
确定粉末床的深度；
基于所确定的深度根据方程t＝mZ+b或者查找表来确定施加到构建材料以打印部件的功能剂的固化时间，其中t为固化时间，Z表示所述粉末床的所述深度，m为构建材料的因子，并且b为固化单元的偏移量，所述查找表具有作为所述粉末床的深度的函数而确定的固化时间，其中所述构建材料的因子基于固化能量传递和构建材料的密度和/或所述功能剂的组分的蒸发点来确定，并且所述偏移量基于在所述固化单元中的源所施加的固化能量来确定；并且随后
在所确定的固化时间内固化所述功能剂，以形成生坯部件。
8.根据权利要求7所述的存储器，其上具有以下指令：
使构建平台逐渐地移位，以容纳连续的构建材料层，所述连续的构建材料层一起形成构建材料粉末床；
在移位的构建平台上打印所述部件；
在所述部件被打印之后，感测所述构建平台的位置，以确定所述构建平台的实际位移；以及
基于所述实际位移确定所述粉末床的深度。
9.根据权利要求8所述的存储器，其中，确定固化时间的所述指令包括读取所述查找表的指令。
10.根据权利要求9所述的存储器，其中，所述函数是线性函数。
11.一种3D打印***控制器，其包括根据权利要求7所述的存储器。
12.一种3D打印过程，包括：
施加功能剂，以在构建材料粉末床中打印部件；
在打印所述部件之后，确定所述粉末床的深度；
基于所确定的深度根据方程t＝mZ+b或者查找表来确定固化时间，其中t为固化时间，Z表示所述粉末床的所述深度，m为构建材料的因子，并且b为固化单元的偏移量，所述查找表具有作为所述粉末床的深度的函数而确定的固化时间，其中所述构建材料的因子基于固化能量传递和构建材料的密度和/或所述功能剂的组分的蒸发点来确定，并且所述偏移量基于在所述固化单元中的源所施加的固化能量来确定；以及
在所确定的固化时间内固化所述功能剂和/或显示所确定的固化时间以允许用户手动设置用于所述固化单元的固化时间。
13.根据权利要求12所述的过程，包括：
将所述构建材料粉末分层放置到构建平台上，所述构建平台逐渐移位，以容纳连续的构建材料层，所述连续的构建材料层一起形成粉末床，其中，施加所述功能剂包括将所述功能剂选择性地施加于多个连续的构建材料层，以在移位的构建平台上方逐层地打印所述部件；以及
感测所述构建平台的位移，其中，确定所述粉末床的所述深度包括检测在打印所述部件之后所述构建平台的位置。
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