三維(3D)打印的制作方法
背景技術(shù)：
三維(3d)打印是其中連續(xù)材料層被沉積以從數(shù)字模型形成三維物體的增材制造過程。在增材制造中，通過經(jīng)由包括燒結(jié)、擠壓以及照射的過程的熔化、粘結(jié)或者固化來將連續(xù)材料層結(jié)合在一起。由此類系統(tǒng)生產(chǎn)的物體的質(zhì)量、強(qiáng)度以及功能能夠根據(jù)所使用的增材制造技術(shù)的類型而變化。通常，能夠使用較低成本的系統(tǒng)來生產(chǎn)質(zhì)量較低且強(qiáng)度較低的物體，而能夠使用較高成本的系統(tǒng)來生產(chǎn)質(zhì)量較高且強(qiáng)度較高的物體。
附圖說明
現(xiàn)在將參考附圖描述示例，其中：
圖1示出了用于制造包括具有提高的機(jī)械強(qiáng)度和密度的彩色功能部件的3d物體的三維(3d)打印系統(tǒng)的示例，其中該提高的機(jī)械強(qiáng)度和密度可比肩于黑色部分的機(jī)械強(qiáng)度和密度；
圖2示出了3d打印系統(tǒng)的示例新控制器，其包括引擎，用于執(zhí)行諸如成像和預(yù)熔/熔化功能之類的3d打印系統(tǒng)的功能；
圖3、圖4和圖5示出了圖示在3d打印系統(tǒng)中與3d彩色功能部件的生產(chǎn)有關(guān)的示例性方法的流程圖；
圖6a-6f示出了用于制造3d物體的3d打印系統(tǒng)的另一示例。
貫穿附圖的相同附圖標(biāo)記指定類似的、但是不一定相同的要素。
具體實施方式
在三維(3d)打印的一些示例中，使用光線區(qū)域處理(lightareaprocessing)技術(shù)來形成3d物體。在光線區(qū)域處理期間，將諸如可燒結(jié)材料之類的構(gòu)建材料的整個層暴露至輻射中。可燒結(jié)的構(gòu)建材料的選擇的區(qū)域被熔化(即，聚結(jié))并且隨后被固化或硬化以變?yōu)?d物體的層。在一些示例中，聚結(jié)劑或熔劑被選擇性地沉積以與可燒結(jié)材料的選擇的區(qū)域接觸。熔劑能夠滲入到可燒結(jié)材料層中并且散布到可燒結(jié)材料的外部表面上。熔劑能夠吸收輻射并且將吸收的輻射轉(zhuǎn)換為熱能，該熱能進(jìn)而使與熔劑接觸的可燒結(jié)材料熔化或燒結(jié)。這引起可燒結(jié)材料熔化、粘結(jié)、固化等等以形成3d物體的層。關(guān)于可燒結(jié)材料的多個層重復(fù)該處理以使層結(jié)合在一起，引起3d物體的形成。
當(dāng)向可燒結(jié)材料施加更大量的熱能以用于將層燒結(jié)和熔化在一起時，能夠產(chǎn)生具有改善的機(jī)械強(qiáng)度和功能的更高密度的3d部件。然而，可用于燒結(jié)的熱能的量部分地取決于熔劑吸收輻射的密度，并且熔劑的輻射吸收率部分地取決于熔劑的顏色。例如，利用藍(lán)綠色、品紅色或者黃色(c、m，或者y)彩色染料的基于近紅外染料的熔劑的吸收強(qiáng)度通常低于基于炭黑的熔劑的吸收強(qiáng)度。因此，相比于3d打印的黑色部件，3d打印的彩色部件的可燒結(jié)材料的熔化的水平較低，這可以引起彩色部分與可比較的黑色部分相比具有較低的密度和較差的機(jī)械強(qiáng)度和功能。在一些示例中，利用近紅外加彩色染料生產(chǎn)的彩色功能部件的機(jī)械強(qiáng)度小于類似的黑色功能部件的機(jī)械強(qiáng)度的60％至80％。
本文所公開的三維(3d)打印的示例實現(xiàn)了具有更高的密度和提高的機(jī)械強(qiáng)度的3d彩色功能部件的生產(chǎn)，該3d彩色功能部件的密度和機(jī)械強(qiáng)度可以比肩于3d黑色部件。通常，預(yù)熔操作應(yīng)用于包括彩色熔劑已經(jīng)被選擇性地沉積在其上的彩色圖像區(qū)域(即，3d物體的彩色橫截面)的可燒結(jié)材料(例如，粉末)的3d物體層。預(yù)熔操作包括向3d物體層的暴露較短的輻射。彩色圖像區(qū)域內(nèi)的更大的輻射吸收生成提高彩色圖像區(qū)域內(nèi)的可燒結(jié)材料的溫度的附加的熱。然后預(yù)熔操作后面是熔化操作，該融化操作提供對3d物體層的更長的輻射暴露，這使彩色圖像區(qū)域內(nèi)的可燒結(jié)材料熔化并且引起改善的層間粘著。
在一個示例中，一種三維(3d)打印的方法包括施加可燒結(jié)材料，在可燒結(jié)材料的一部分上選擇性地施加熔劑，向該可燒結(jié)材料的一部分施加第一輻射能量，以及向該可燒結(jié)材料的一部分施加不同于第一輻射能量的第二輻射能量。
在另一示例中，一種用于3d打印的系統(tǒng)包括用于可燒結(jié)材料的支撐件。該系統(tǒng)包括：可燒結(jié)材料分配器，用于在支撐件上提供可燒結(jié)材料層，以及溶劑分配器，用于將熔劑選擇性地遞送到可燒結(jié)材料層的一部分上。系統(tǒng)包括輻射源和預(yù)熔/熔化模塊以控制輻射源在第一預(yù)熔操作期間向可燒結(jié)材料層施加第一輻射能量，并且在熔化階段期間向可燒結(jié)材料層施加第二輻射能量。
在另一示例中，非暫時性機(jī)器可讀存儲介質(zhì)存儲當(dāng)由3d打印設(shè)備的處理器執(zhí)行時使3d打印設(shè)備進(jìn)行以下操作的指令：將可燒結(jié)材料沉積到制造底座上以形成3d物體層、將可燒結(jié)材料加熱到范圍從大約50℃到大約400℃的溫度、根據(jù)3d物體層的橫截面的圖像圖案將熔劑沉積到可燒結(jié)材料的一部分上、在預(yù)熔階段中將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第一時長，以及在熔化階段中將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第二時長，其中，第二時長比第一時長長。
圖1圖示了用于制造包括具有改善的機(jī)械強(qiáng)度和密度的彩色功能部件的3d物體的3d打印系統(tǒng)100的示例，其中彩色功能部件的機(jī)械強(qiáng)度和密度可比肩于黑色部件的機(jī)械強(qiáng)度和密度。圖1的3d打印系統(tǒng)包括用作用于接收和保持可燒結(jié)材料(在圖1中未示出)以形成3d物體的制造底座的支撐構(gòu)件102。在示例中，支撐構(gòu)件102具有從大約10cm乘10cm到高至大約100cm乘100cm的范圍的尺寸——盡管取決于要被形成的3d物體，支撐構(gòu)件102可以具有更大或更小的尺度。
可燒結(jié)材料分配器104將可燒結(jié)材料層提供到支撐構(gòu)件102上。適當(dāng)?shù)目蔁Y(jié)材料分配器的示例包括刮水片、輥子及其組合。在一些示例中，可燒結(jié)材料分配器104可以包括供應(yīng)器底座和制造活塞，以將可燒結(jié)材料推送到支撐構(gòu)件102上，如在下面在本文進(jìn)一步描述的。能夠從漏斗或其它適當(dāng)?shù)倪f送系統(tǒng)向可燒結(jié)材料分配器供應(yīng)可燒結(jié)材料。在圖1中示出的示例系統(tǒng)100中，可燒結(jié)材料分配器104在支撐構(gòu)件102的長度(y軸)上移動以沉積可燒結(jié)材料層。
如下所述，可燒結(jié)材料的第一層被沉積在支撐構(gòu)件102上，接著將可燒結(jié)材料的隨后的層沉積到先前沉積的(且固化的)層上。因此，支撐構(gòu)件102可以沿著z軸可移動，使得當(dāng)可燒結(jié)材料的新的層被沉積時，在最近形成的層的表面與被圖示為熔劑分配器106a和具體制劑分配器106b的制劑分配器106的下表面之間維持預(yù)先確定的空隙。在其他示例中，支撐構(gòu)件102可以是沿著z軸固定的，并且制劑分配器106可以是沿著z軸可移動的，以維持這樣的預(yù)先確定的空隙。
制劑分配器106以選擇性的方式分別經(jīng)由熔劑分配器106a和具體制劑分配器106b將熔劑和/或具體的制劑遞送到在支撐構(gòu)件102上提供的可燒結(jié)材料層的多個部分上。例如，熔劑分配器106a可以將熔劑遞送到可燒結(jié)材料層的選擇的部分，同時具體制劑分配器106b可以將具體的制劑遞送到相同的部分和/或遞送到在支撐構(gòu)件102上提供的可燒結(jié)材料層的其他部分。制劑分配器106a和106b可以分別包括熔劑和具體的制劑的供給器，或者它們可以被分別操作地連接到熔劑和具體的制劑的單獨的供給器。
盡管其他類型的制劑分配器是可能的并且在本文被預(yù)期，但圖1的示例3d打印系統(tǒng)100中示出的制劑分配器106(即，106a、106b)包括一個或多個打印頭，諸如熱噴墨打印頭或壓電噴墨打印頭。打印頭106a和106b可以是按需噴墨打印頭或連續(xù)噴墨打印頭。當(dāng)熔劑和具體的制劑是適當(dāng)?shù)牧黧w的形式時，打印頭106a和106b可以用于選擇性地遞送此類熔劑和具體的制劑。在打印系統(tǒng)100的其他示例中，單個打印頭106可以用于選擇性地遞送熔劑和具體的制劑兩者。在此類示例中，單個打印頭106上的第一打印頭噴嘴集合能夠遞送熔劑，并且單個打印頭106上的第二打印頭噴嘴集合能夠遞送具體的制劑。如下所述，熔劑和具體的制劑中的每一個包括諸如水的水性載體、共溶劑、表面活化劑等等，以使得其能夠經(jīng)由打印頭106a和106b來遞送。
每個打印頭106能夠包括通過其它們能夠選擇性地噴射流體滴劑的噴嘴陣列。在一個示例中，每個滴劑可以是大約沒個滴劑10皮升(pl)的數(shù)量級——盡管預(yù)期到可以使用更高的或更低的液滴尺寸。在一些示例中，打印頭106a和106b能夠遞送可變尺寸的滴劑。在一個示例中，打印頭106a和106b能夠以范圍從大約每英寸300點(dpi)到大約1200dpi的分辨率遞送熔劑和具體的制劑的滴劑。在其他示例中，打印頭106a和106b能夠以更高的或更低的分辨率遞送熔劑和具體的制劑的滴劑。滴劑速度范圍可以從大約5m/s到大約24m/s并且發(fā)射頻率的范圍可以從大約1khz到大約100khz。
打印頭106a和106b可以是打印系統(tǒng)100的組成部分，或者它們可以是用戶可更換的。當(dāng)打印頭106a和106b是用戶可更換的時，它們可以被可移除地可插入到適當(dāng)?shù)姆峙淦鹘邮掌骰蚪涌谀K(未示出)中。
如圖1所示，制劑分配器106a和106b中的每一個具有使得其能夠在頁面寬度陣列配置中跨越支撐構(gòu)件102的整體寬度的長度。在示例中，通過多個打印頭的適當(dāng)?shù)牟贾脤崿F(xiàn)頁面寬度陣列配置。在另一示例中，通過具有噴嘴陣列的單個打印頭實現(xiàn)頁面寬度陣列配置，該噴嘴陣列具有使得噴嘴能跨越支撐構(gòu)件102的寬度的長度。在打印系統(tǒng)100的另一些示例中，制劑分配器106a和106b可以具有不能使得它們能夠跨越支撐構(gòu)件102的整體寬度的更短的長度。
在一些示例中，制劑分配器106a和106b被安裝在可移動的托架上以使得它們能夠沿著所圖示的y軸在支撐構(gòu)件102的長度上雙向地移動。這使得能夠單程進(jìn)行在支撐構(gòu)件102的整體寬度和長度上的熔劑和具體的制劑的選擇性遞送。在其他示例中，在制劑分配器106a和106b保持在固定的位置中時，支撐構(gòu)件102能夠相對于制劑分配器106a和106b移動。
如在本文所使用的，術(shù)語‘寬度’通常表示與圖1中示出的x和y軸平行的平面中的最短的尺寸，并且術(shù)語‘長度’表示在該平面中最長的尺寸。然而，在其他示例中，術(shù)語‘寬度’可以與術(shù)語‘長度’是可互換的。作為示例，制劑分配器106可以具有使得其能夠跨越支撐構(gòu)件102的整體長度的長度，而可移動的托架可以在支撐構(gòu)件102的寬度上雙向地移動。
在其中制劑分配器106a和106b具有不能使得它們能夠跨越支撐構(gòu)件102的整體寬度的較短長度的示例中，分配器106a和106b也可以在所圖示的x軸上在支撐構(gòu)件102的寬度上是雙向地可移動的。該配置使得能夠使用多個路徑在支撐構(gòu)件102的整體寬度和長度上進(jìn)行熔劑和具體的制劑的選擇性遞送。
如圖1所示，3d打印系統(tǒng)100包括輻射源108以發(fā)射輻射r。能夠以各種方式實施輻射源108，例如包括ir、接近-ir、uv或者可見固化燈、ir、接近ir、uv或者可見可見的發(fā)光二極管(led)，或者具有特定波長的激光器。所使用的輻射源108至少部分地取決于所使用的熔劑的類型。輻射源108可以例如附接到保持打印頭106的托架(未示出)。托架可以將輻射源108移動到與支撐構(gòu)件102相鄰的位置中。在不同的示例中，輻射源108用于向沉積的可燒結(jié)材料層、熔劑和具體的制劑施加能量以引起可燒結(jié)材料的數(shù)個部分的固化。在一個示例中，輻射源108是能夠均勻地向沉積到支撐構(gòu)件102上的材料施加能量的單個能量源。在另一示例中，輻射源108包括能量源陣列以向沉積的材料均勻地施加能量。
在一些示例中，輻射源108能夠以基本上均勻的方式向沉積到支撐構(gòu)件102上的可燒結(jié)材料層的整個表面施加能量。該類型的輻射源108可以被稱為非聚焦能量源。將可燒結(jié)材料的整個層同時暴露至能量可以幫助提高生成三維物體的速度。
如圖1所示，3d打印系統(tǒng)100包括控制器110。圖1中示出的示例性控制器110適于控制打印系統(tǒng)100以實施在本文描述的預(yù)熔和熔化操作，以使得能夠進(jìn)行具有更高密度和提高的機(jī)械強(qiáng)度的3d彩色功能部件的生產(chǎn)，該更高密度和提高機(jī)械強(qiáng)度可比肩于黑色部分的密度和機(jī)械強(qiáng)度?？刂破?10通常包括處理器(cpu)112和存儲器114，并且可以另外包括固件和其他電子儀器用于與3d打印系統(tǒng)100的各個組件進(jìn)行通信并且對其進(jìn)行控制。
存儲器114能夠包括易失性(即，ram)存儲器組件和非易失性存儲器組件(例如，rom、硬盤、光盤、cd-rom、磁帶、閃速存儲器，等等)兩者。存儲器114的組件包括非暫時性機(jī)器可讀取(例如，計算機(jī)/處理器可讀取的)介質(zhì)，其提供機(jī)器可讀取的編碼程序指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序指令模塊、jdf(作業(yè)定義格式)，以及可由3d打印系統(tǒng)100的處理器112執(zhí)行的其他數(shù)據(jù)和/或指令的存儲。存儲在存儲器114中的指令的示例包括與模塊116和118相關(guān)聯(lián)的指令，而存儲的數(shù)據(jù)的示例包括遞送控制數(shù)據(jù)120。模塊116和118能夠包括可由處理器112執(zhí)行以使3d打印系統(tǒng)100執(zhí)行諸如以下分別關(guān)于圖3和4所描述的方法300和400的操作之類的各種一般和/或特定功能的編程指令。
存儲在存儲器114中的程序指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模塊等可以是實施諸如在本文討論的示例之類的各種示例的安裝數(shù)據(jù)包的一部分。因此，存儲器114可以是諸如cd、dvd，或者閃盤驅(qū)動之類的便攜式介質(zhì)，或者能夠從其下載和安裝安裝數(shù)據(jù)包的由服務(wù)器維持的存儲器。在另一示例中，存儲在存儲器114中的程序指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模塊等可以是已經(jīng)安裝的一個或多個應(yīng)用的一部分，在這種情況下，存儲器114可以包括諸如硬盤驅(qū)動器之類的集成存儲器。
如上面指出的，控制器110控制3d打印系統(tǒng)100以實施預(yù)熔和熔化操作，以使得能夠生產(chǎn)具有更高密度和提高的機(jī)械強(qiáng)度的3d彩色功能部件，該更高密度和提高的機(jī)械強(qiáng)度可比肩于3d黑色部分的密度和機(jī)械強(qiáng)度。在一些示例中，控制器110使用來自存儲器114的遞送控制數(shù)據(jù)120和編程指令存儲器114(例如，模塊116、118中的指令)，以管理溶劑和具體的制劑的施加，以及打印系統(tǒng)100內(nèi)的輻射，以促進(jìn)3d部分的生產(chǎn)。更具體地，控制器110從諸如計算機(jī)之類的主機(jī)系統(tǒng)接收遞送控制數(shù)據(jù)120，并且把數(shù)據(jù)120存儲在存儲器114中。數(shù)據(jù)120表示例如定義要被打印的3d物體的目標(biāo)文件、控制熔劑和具體的制劑到可燒結(jié)材料層上的選擇性遞送的相關(guān)聯(lián)的制劑遞送數(shù)據(jù)，以及控制由輻射源108施加輻射能量的量，以及向可燒結(jié)材料層施加輻射的方式的相關(guān)聯(lián)的輻射源控制數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)120形成每個均包括打印作業(yè)命令和/或命令參數(shù)的、用于打印系統(tǒng)100的一個或多個3d打印作業(yè)。使用來自數(shù)據(jù)120的打印作業(yè)，控制器110中的處理器112執(zhí)行(例如，來自模塊116、118的)指令以控制打印系統(tǒng)100的組件(例如，支撐構(gòu)件102、可燒結(jié)材料分配器104、制劑分配器106、輻射源108)以通過在本文在下面更詳細(xì)地描述的3d打印過程一層一層地形成3d物體。
成像模塊116包括用于以根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)120控制將可燒結(jié)材料層施加至支撐構(gòu)件102上的可執(zhí)行編程指令。可進(jìn)一步執(zhí)行來自成像模塊116的指令以根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)120來控制向定義3d物體的橫截面的可燒結(jié)材料層的被選擇的部分上施加熔劑。例如，執(zhí)行來自成像模塊116的指令，控制器110能夠根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)120使打印頭106a以液體形式將熔劑噴射到可燒結(jié)材料層的被選擇的部分上。在一些示例中，進(jìn)一步執(zhí)行來自成像模塊116的指令以控制向可燒結(jié)材料層上施加具體的制劑。例如，執(zhí)行來自成像模塊116的指令，控制器110能夠根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)120使打印頭106b以液體形式將具體的制劑噴射(即，噴出)到可燒結(jié)材料層的被選擇的其他部分和/或相同的部分上。
預(yù)熔/熔化模塊118包括用于在熔劑(并且在某些情況下，具體的制劑)已經(jīng)被噴射到可燒結(jié)材料上之后控制向可燒結(jié)材料的每個層施加來自輻射源108的能量的可執(zhí)行編程指令。在第一預(yù)熔操作中，向可燒結(jié)材料層施加第一輻射能量。在一些示例中，以輻射源108快速掃描的方式在可燒結(jié)材料層上施加輻射能量，以使層的“僅成像的”區(qū)域(即，已經(jīng)僅僅接收了熔劑的區(qū)域)的溫度提升到高達(dá)或略微地高于周圍可燒結(jié)材料的溫度。在第二熔化操作中，向可燒結(jié)材料層施加第二輻射能量。在一些示例中，這包括以輻射源108低速掃描的方式在可燒結(jié)材料層上施加輻射能量，以使僅僅成像的區(qū)域的溫度提升到徹底地熔化層的僅僅成像的區(qū)域的高得多的溫度。
在3d打印系統(tǒng)100的其他示例中，模塊116和118的功能可以被實施為3d打印系統(tǒng)100的相應(yīng)的引擎(例如，圖像引擎和預(yù)熔/熔化引擎)，每個引擎包括硬件和編程的任意組合，以實施引擎的功能，如下所述。因此，如圖2中所示，3d打印系統(tǒng)100的控制器110'能夠包括圖像引擎116'和預(yù)熔/熔化引擎118'。引擎116'和118'能夠例如包括硬件和編程的各種組合，以執(zhí)行諸如以下分別關(guān)于圖3和4所描述的方法300和400中的操作之類的指定功能。用于每個引擎116'和118'的硬件能夠例如包括分立的電子組件、asic(專用集成電路)、處理器和存儲器，而可以將編程指令存儲在引擎存儲器和/或存儲器114上并且可由處理器執(zhí)行以執(zhí)行指定的功能。
圖3、圖4和圖5示出了流程圖，流程圖圖示了在諸如3d打印系統(tǒng)100之類的3d打印系統(tǒng)中分別與3d彩色功能部件的生產(chǎn)有關(guān)的示例方法300、400和500。方法300-500與關(guān)于圖1-2，以及圖6a-6f(在下面討論)在本文討論的示例相關(guān)聯(lián)，并且能夠在此類示例的有關(guān)討論中找出這些方法中示出的操作的細(xì)節(jié)。方法300-500的操作可以實施為存儲在諸如圖1中示出的存儲器114之類的非暫時性、機(jī)器可讀取的(例如，計算機(jī)/處理器可讀取的)介質(zhì)上的編程指令。在一些示例中，能夠通過諸如圖1中示出的處理器112之類的處理器讀取和執(zhí)行諸如來自存儲在存儲器114中的模塊116和118的指令之類的編程指令來實現(xiàn)實施方法300-500的操作。在一些示例中，能夠使用包括諸如asic(專用集成電路)之類的硬件和/或其他硬件組件的組合、單獨地或與可由處理器執(zhí)行的編程指令結(jié)合的3d打印系統(tǒng)的引擎來實現(xiàn)實施方法300-500的操作。
在一些示例中，方法300-500可以包括多于一種實施方式，并且方法300-500的不同的實施方式可能不采用呈現(xiàn)在圖3-5的相應(yīng)的流程圖中的每個操作。因此，盡管方法300-500的操作在流程圖內(nèi)以特定次序呈現(xiàn)，但它們的呈現(xiàn)的次序并不意圖關(guān)于可以實際上實施操作的次序，或者關(guān)于是否可以實施所有操作被限制。例如，可能通過在不執(zhí)行一個或多個后續(xù)操作的情況下的許多初始操作的執(zhí)行來實現(xiàn)方法400的一種實施方式，而可能通過所有操作的執(zhí)行來實現(xiàn)方法400的另一種實施方式。
現(xiàn)在參考圖3的流程圖，三維(3d)打印的示例性方法300從框302開始，在302處施加諸如可燒結(jié)材料之類的構(gòu)建材料。施加可燒結(jié)的構(gòu)建材料能夠例如包括將可燒結(jié)材料層沉積、累加、放下、構(gòu)建或以另外方式放置到3d打印系統(tǒng)的支撐構(gòu)件或制造底座上。施加可燒結(jié)材料的一個示例包括使用諸如供應(yīng)器底座之類的可燒結(jié)材料分配器以將可燒結(jié)材料推送到支撐構(gòu)件上，如在下面參考圖6a-6f所討論的。
如在框304所示，方法300能夠繼續(xù)選擇性地向可燒結(jié)材料層的一部分施加熔劑。選擇性地向可燒結(jié)材料的一部分施加熔劑能夠包括根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)定義3d物體的橫截面的圖案來將來自諸如噴墨打印頭之類的熔劑分配器的熔劑分配到可燒結(jié)材料上。在一些示例中，熔劑是定義3d物體的彩色圖像區(qū)域橫截面的彩色熔劑。
如在框306所示，方法300能夠繼續(xù)向該可燒結(jié)材料的一部分施加第一輻射能量。向該可燒結(jié)材料的一部分施加第一輻射能量包括生成熱并且提高彩色圖像區(qū)域內(nèi)的可燒結(jié)材料的溫度的預(yù)熔操作。然后此類預(yù)熔操作之后能夠是熔化操作，其包括向該可燒結(jié)材料的一部分施加不同于第一輻射能量的第二輻射能量，如在框308所示的。熔化操作能夠提供大于第一輻射能量的第二輻射能量，以熔化彩色圖像區(qū)域內(nèi)的可燒結(jié)材料。
現(xiàn)在參考圖4的流程圖，將討論3d打印的示例方法400，其中包括作為方法300的一些操作的補(bǔ)充或者作為其替換的操作。方法400從框402開始，在402處施加可燒結(jié)材料。如以上所討論的，施加可燒結(jié)材料能夠包括將可燒結(jié)材料層沉積到3d打印系統(tǒng)的支撐構(gòu)件或制造底座上的各種方式，諸如使用可燒結(jié)材料分配器來將可燒結(jié)材料推送到支撐構(gòu)件上。方法400在框404繼續(xù)，在404處向可燒結(jié)材料層的一部分選擇性地施加熔劑，這能夠例如包括根據(jù)遞送控制數(shù)據(jù)定義3d物體的橫截面的圖案，以將來自諸如噴墨打印頭之類的熔劑分配器的熔劑分配到可燒結(jié)材料上。在一些示例中，熔劑是定義3d物體的彩色圖像區(qū)域橫截面的彩色熔劑。
如框406所示，方法400能夠繼續(xù)在預(yù)熔操作中向該可燒結(jié)材料的一部分施加第一輻射能量，該預(yù)熔操作生成熱并且提高彩色圖像區(qū)域內(nèi)的可燒結(jié)材料的溫度。在一些示例中，施加第一輻射能量包括以第一速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈。在方法400中，以第一速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈可以包括例如以15英寸每秒與20英寸每秒之間的速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈。
方法400然后能夠繼續(xù)在熔化操作中向該可燒結(jié)材料的一部分施加不同于第一輻射能量的第二輻射能量，如在框408所示的。在一些示例中，施加第二輻射能量包括以不同于第一速度的第二速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈。在方法400中，以第二速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈可以包括以與第一速度相比更慢的速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈。在一些示例中，以第二速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈包括以5英寸每秒與15英寸每秒之間的速度在該可燒結(jié)材料的一部分上掃掠加熱燈。
如在框410所示，方法400能夠包括在可燒結(jié)材料的相同的部分上、在另一個部分上，或者在該部分和另一個部分兩者上施加具體的制劑。在一些示例中，選擇性地施加具體的制劑包括施加包括無機(jī)鹽、表面活化劑、共溶劑、濕潤劑、抗微生物劑以及水的具體的制劑。
如在方法400的框412所示，在一些示例中，在如在框404中所示的施加熔劑之前，能夠?qū)⒖蔁Y(jié)材料加熱。在一些示例中，將可燒結(jié)材料加熱能夠包括將可燒結(jié)材料加熱到范圍從大約50℃到大約400℃的溫度。
現(xiàn)在參考圖5的流程圖，與3d打印有關(guān)的示例性方法500從框502開始，在502處將可燒結(jié)材料沉積到制造底座上以形成3d物體層。在框504處，方法繼續(xù)將可燒結(jié)材料加熱到范圍從大約50℃到大約400℃的溫度。然后根據(jù)3d物體層的橫截面的圖像圖案將熔劑沉積到可燒結(jié)材料的一部分上，如在框506所示的。沉積熔劑能夠包括沉積從包括以下顏色的組中選擇的彩色熔劑：藍(lán)綠色、品紅色、黃色及其組合。
方法500在框508繼續(xù)，在預(yù)熔階段中將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第一時長。在框510處，然后在熔化階段中將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第二時長。第二時長比第一時長長。然后在可燒結(jié)材料的該部分上、另一個部分上，或者該部分和另一個部分兩者上沉積具體的制劑，如在框512所示的。然后，如在框514所示的，方法500繼續(xù)以重復(fù)下面的操作：將可燒結(jié)材料散布到制造底座中、加熱可燒結(jié)材料、沉積熔劑、將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第一時長，以及將可燒結(jié)材料暴露至輻射達(dá)第二時長，以便形成3d物體的隨后的物體層。
現(xiàn)在參考圖6(圖6a-6f)，圖6描繪了3d打印系統(tǒng)100'的另一示例。系統(tǒng)100'包括供應(yīng)器底座122、遞送活塞126、輥子128、制造底座130(具有接觸表面132)以及制造活塞134。供應(yīng)/遞送底座122包括諸如可燒結(jié)材料124之類的構(gòu)建材料的供應(yīng)。系統(tǒng)100'的物理元件中的每一個可以操作地連接到諸如圖1中示出的打印系統(tǒng)100的控制器110之類的控制器(未示出)。執(zhí)行存儲在非暫時性有形計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中的編程指令的處理器操作和變換被表示為打印機(jī)的寄存器和存儲器內(nèi)的物理(電子)量的數(shù)據(jù)，以便控制物理元件以創(chuàng)建3d物體?？梢詮囊纬傻?d物體的模型導(dǎo)出用于可燒結(jié)材料124、熔化聚結(jié)制劑等的選擇性遞送的數(shù)據(jù)。
遞送活塞126和制造活塞134可以是相同類型的活塞，但是能夠被(例如通過控制器110，圖1)控制為在相反的方向上移動。在一示例中，當(dāng)3d要形成物體的第一層時，遞送活塞126可以被控制以推送供應(yīng)器底座122中的開口當(dāng)中的預(yù)定量的可燒結(jié)材料124，并且制造活塞134可以被控制以在遞送活塞126的相反方向上移動以便增加制造底座130的深度。遞送活塞126將充分推進(jìn)，以使當(dāng)輥子128將可燒結(jié)材料124推送到制造底座130中以及推送到接觸表面132上時，制造底座130的深度足夠，從而使得可以在底座130中形成可燒結(jié)材料124的層136。輥子128能夠?qū)⒖蔁Y(jié)材料124散布到制造底座130中以形成在厚度方面相對均勻的層136。在示例中，層136的厚度范圍從大約90μm到大約110μm——盡管也可以使用更薄或更厚的層。除輥子128之外的工具可以用于散布可燒結(jié)材料124，諸如對于散布不同類型的粉末可以是理想的葉片，或者輥子和葉片的組合。
在可燒結(jié)材料124的層136被沉積在制造底座130中之后，層136能夠被暴露以進(jìn)行加熱，如圖6b中所示。加熱能夠被執(zhí)行以將可燒結(jié)材料124預(yù)熱到低于可燒結(jié)材料124的熔點的溫度。照此，被選擇的溫度將依賴于所使用的可燒結(jié)材料124。作為示例，加熱溫度可以是低于可燒結(jié)材料的熔點大約5℃到大約50℃。在示例中，加熱溫度范圍從大約50℃到大約400℃。在另一示例中，加熱溫度范圍從大約150℃到大約170℃?？梢允褂脤⒅圃斓鬃?30中的所有可燒結(jié)材料124暴露以進(jìn)行加熱的任意適當(dāng)?shù)臒嵩磥韺崿F(xiàn)預(yù)熱可燒結(jié)材料124的層136。熱源的示例包括熱量熱源或光輻射源。
在預(yù)熱層136之后，在層136中的可燒結(jié)材料124的一部分上選擇性地施加熔劑138，如圖6c中所示。如圖6c中所圖示的，可以從噴墨打印頭106a分配熔劑138。盡管在圖6c中示出了單個打印頭，但應(yīng)當(dāng)理解，可以使用跨越制造底座130的寬度的多個打印頭。打印頭106a可以附接到移動與制造底座130相鄰的打印頭106a以便將熔劑138沉積在理想的區(qū)域中的移動xy載物臺或平移托架(兩者都未示出)。
打印頭106a可以被控制器110控制以根據(jù)要被形成的3d物體的層的橫截面的圖案來沉積熔劑138。如在本文所使用的，要被形成的物體的層的橫截面指的是與接觸表面132平行的橫截面。打印頭106a在將被熔化以變?yōu)?d物體的第一層的層136的那些部分上選擇性地施加熔劑138。作為示例，如果第一層的形狀被塑造為立方體狀或圓柱狀，則在可燒結(jié)材料124的層136的至少一部分上分別在方形圖案或圓形圖案(從頂視圖看)中沉積熔劑138。在圖6c中示出的示例中，在層136的部分140上的方形圖案中沉積熔劑138，而不在部分142上進(jìn)行沉積。
適當(dāng)?shù)娜蹌?38的示例是水性分散體，包括輻射吸收粘合劑(即，活性物質(zhì))?；罨瘎┛梢允羌t外光吸收劑、近紅外光吸收劑或者可見光吸收劑。作為一個示例，熔劑138可以是包括炭黑作為活性物質(zhì)的油墨類型配制劑。該油墨類型配制劑的示例被商業(yè)地熟知為可從惠普公司得到的cm997a。包括可見光增強(qiáng)劑作為活化劑的油墨的示例是基于染料的彩色油墨和基于顏料的彩色油墨。基于顏料的油墨的示例包括可從惠普公司得到的商業(yè)上可得到的油墨cm993a和ce042a。
熔劑138的含水性質(zhì)使得熔劑138能夠至少部分地滲透到可燒結(jié)材料124的層136中。可燒結(jié)材料124可以是疏水性的，并且熔劑138中的共溶劑和/或表面活化劑的存在可以幫助獲取理想的潤濕特性。在一些示例中，可以選擇性地施加單個熔劑138以形成3d物體的層，而在其他示例中可以選擇性地施加多個熔劑138以形成3d物體的層。
在熔劑138被選擇性地施加在期望的部分140上后，能夠在可燒結(jié)材料124的相同的和/或在不同的部分上選擇性地施加具體的制劑144。在圖6d中示意行地示出了具體制劑144的選擇性施加的示例，其中附圖標(biāo)記142表示選擇性地施加具體的制劑144的可燒結(jié)材料124的數(shù)個部分。
具體的制劑144包括無機(jī)鹽、表面活化劑、共溶劑、濕潤劑、抗微生物劑以及水。在一些示例中，具體的制劑144包括這些成分，并且沒有其他成分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種特定成分組合有效地減少或阻止聚結(jié)滲漏，這在一定程度上由于無機(jī)鹽的存在。
在具體的制劑144中使用的無機(jī)鹽具有相對高的熱容量、但是具有相對低的熱輻射率。這些特性使得具體的制劑144能夠吸收施加的輻射(和其相關(guān)聯(lián)的熱能)，并且保持許多熱能。照此，極少的(如果有的話)熱能被從具體的制劑144傳遞到其接觸的可燒結(jié)材料124。另外，與可燒結(jié)材料124的(并且在一些實例中，熔劑138中的活性物質(zhì)的)導(dǎo)熱性和/或熔點相比，無機(jī)鹽也可以具有更低的導(dǎo)熱性和/或更高的熔點。在吸收輻射和熱能時，無機(jī)鹽不熔化，并且也不向周圍的可燒結(jié)材料124傳遞足夠量的熱。因此，具體的制劑144能夠在燒結(jié)材料124與熔劑138和具體的制劑144兩者接觸時有效地減少可燒結(jié)材料124的固化，并且在燒結(jié)材料124與具體的制劑144單獨接觸時阻止可燒結(jié)材料124的固化。
無機(jī)鹽是水溶性的。適當(dāng)?shù)乃苄詿o機(jī)鹽的示例包括碘化鈉、氯化鈉、溴化鈉、氫氧化鈉、硫酸鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、碘化鉀、氯化鉀、溴化鉀、氫氧化鉀、硫酸鉀、碳酸鉀、磷酸鉀、碘化鎂、氯化鎂、溴化鎂、磷酸鎂及其組合。無機(jī)鹽可以呈現(xiàn)為從關(guān)于具體的制劑144的總重量的大約5.0wt％到大約50wt％的范圍的量。
具體的制劑144還包括表面活化劑。可以選擇表面活化劑的類型和量，使得與可燒結(jié)材料124的接觸線的接觸角θ小于45°。小于45°的接觸角θ保證具體的制劑144足以將可燒結(jié)材料124弄濕。具體的制劑144的成分可以混合在一起，并且然后表面活化劑的量可以被調(diào)整以達(dá)到理想的接觸角。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)期望的接觸角θ的適當(dāng)量的表面活化劑范圍可以從關(guān)于具體的制劑144的總重量的大約0.1wt％到大約10wt％。適當(dāng)?shù)谋砻婊罨瘎┑氖纠ㄋ母蚀?、liponic乙二醇1(leg-1)、可自乳化、基于炔二醇化學(xué)的非離子濕潤劑(例如，來自airproductsandchemicals有限公司的
如上面指出的，具體的制劑144還包括共溶劑、濕潤劑，以及抗微生物劑。共溶劑的量呈現(xiàn)為從大約1.0wt％到大約20wt％的范圍、濕潤劑的量呈現(xiàn)為從大約0.1wt％到大約15wt％的范圍，并且抗微生物劑的量呈現(xiàn)為從大約0.01wt％到大約5wt％的范圍，其每個都是關(guān)于具體的制劑144的總重量而言的。適當(dāng)?shù)墓踩軇┌?-羥乙基-2-吡咯烷酮，2-吡咯烷酮，1、6-己二醇，以及其組合。適當(dāng)?shù)闹聺裎锏氖纠p-(2-羥乙基)-5、5-二甲基乙內(nèi)酰脲(例如，來自龍沙股份有限公司的
具體的制劑144的平衡劑是水。照此，水的量可以取決于被包括的無機(jī)鹽、表面活化劑、共溶劑、濕潤劑，以及抗微生物劑的量而改變。
可以以類似于熔劑138的方式選擇性地施加具體的制劑144。在示例中，可以使用單程或使用多個路徑在分配熔劑138時施加具體的制劑144。在另一示例中，可以在熔劑138被分配之后施加具體的制劑144。如圖6d中所描繪的，可以從噴墨打印頭106b分配具體的制劑144。盡管在圖6d中示出單個打印頭，但應(yīng)當(dāng)理解，可以使用跨越制造底座130的寬度的多個打印頭。打印頭106b可以附接到移動與制造底座130相鄰的打印頭106b以便將具體的制劑144沉積在理想的區(qū)域中的移動xy載物臺或平移托架(兩者都未示出)。打印頭106b可以被控制以將具體的制劑144沉積在諸如部分140和/或142之類的期望的部分中。
在一示例中，可能希望使被形成的3d物體的層的邊緣增強(qiáng)、改進(jìn)、平滑等等。在該示例中，可以根據(jù)3d物體的層的(與接觸表面132平行的)橫截面的圖案選擇性地施加熔劑138，并且可以沿著該橫截面的邊緣邊界146的至少一部分選擇性地施加具體的制劑144，如在圖6d(系統(tǒng)100'的側(cè)面橫截面視圖)中所示的。在示出的示例中，要形成的3d物體層的形狀是直角棱鏡，并且與接觸表面132平行的橫截面的圖案是具有邊緣邊界146的方形或矩形。邊緣邊界146內(nèi)的可燒結(jié)材料124是熔劑138被選擇性地施加在其上的部分140。在邊緣邊界146與制造底座130的邊緣之間定位的可燒結(jié)材料124在橫截面的圖案外部，并且因此是具體的制劑144被選擇性地施加在其上的部分142。
總體上，具體的制劑144能夠阻止可燒結(jié)材料124的部分142的固化(熔化、燒結(jié)，等等)，而熔劑138能夠增強(qiáng)可燒結(jié)材料124的部分140的固化(熔化、燒結(jié)，等等)。在一些示例中，可能希望在被形成的3d物體的層內(nèi)的不同級別的固化/熔化/燒結(jié)。對于控制3d物體的內(nèi)部應(yīng)力分布、翹曲、機(jī)械強(qiáng)度性能，和/或伸長性能，不同級別的固化/熔化/燒結(jié)可以是理想的。在此類示例中，可以根據(jù)用于3d物體的層的(與接觸表面132平行的)橫截面的圖案選擇性地施加熔劑138，并且可以在該橫截面的至少一部分內(nèi)選擇性地施加具體的制劑144。照此，向在其上施加熔劑138的可燒結(jié)材料124的部分140中的所有或一些施加具體的制劑144。舉例來說，可以在可燒結(jié)材料124的部分140的中心或者在其附近施加具體的制劑144，并且可以在可燒結(jié)材料124的部分140的邊緣邊界146附近不施加具體的制劑144。在要被形成的層的邊緣的機(jī)械性能強(qiáng)于層的內(nèi)部時，該類型的施加可以是理想的。在該示例中，具體的制劑144能夠降低在可燒結(jié)材料124的部分140的中心固化(熔化、燒結(jié)，等等)的級別。因為熔劑138存在于具有具體的制劑144的部分140中，所以固化沒有被完全地阻止。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)與熔劑138一起在相同的部分140內(nèi)施加具體的制劑144時，可以以任意理想的圖案施加具體的制劑144。
在又一個示例中，可能希望使被形成的3d物體的層的邊緣增強(qiáng)、改進(jìn)、平滑，等等并且獲取被形成的3d物體的層內(nèi)的不同級別的固化/熔化/燒結(jié)。在該示例中，可以根據(jù)用于3d物體的層的(與接觸表面132平行的)橫截面的圖案選擇性地施加熔劑138，并且可以沿著該橫截面的邊緣邊界146的至少一部分/超出該橫截面(即，在部分142中)選擇性地施加具體的制劑144，并且可以在該橫截面的的至少一部分內(nèi)(即，在部分140中)選擇性地施加具體的制劑144。
由于在z-方向上構(gòu)建3d物體的層，因此可以沿著xy平面和/或沿著z軸實現(xiàn)均勻的或變化的固化/熔化/燒結(jié)?？梢酝ㄟ^以相同的體素密度在每個層的圖案的橫截面內(nèi)施加熔劑138以及在每個層的邊緣邊界146的外部施加具體的制劑144來實現(xiàn)基本上均勻的固化/熔化/燒結(jié)。在一個示例中，可以通過在每個層中以相同的體素密度施加熔劑138，并且以不同的體素密度貫穿相應(yīng)的層中的每一個的橫截面施加具體的制劑144，以實現(xiàn)層的橫截面內(nèi)的固化/熔化/燒結(jié)的變化。作為示例，如果期望固化/熔化/燒結(jié)的級別沿著z軸從層至層降低，則沉積在相應(yīng)的橫截面內(nèi)的具體的制劑144的體素密度可以在第一層中最低，并且可以在隨后形成的層中增加。
在熔劑138和具體的制劑144被選擇性地施加在期望的部分140和/或142中之后，可燒結(jié)材料124的整個層136被暴露至從輻射源108發(fā)出的輻射r，如圖6e中所示的。在一些示例中，如上面參考圖1-5指出的，可燒結(jié)材料124的層能夠在熔劑138已經(jīng)被施加之后、但是還沒有施加具體的制劑144的情況下被暴露至輻射r。此外，如上面指出的，可燒結(jié)材料層能夠在預(yù)熔操作中暴露至輻射達(dá)第一時長，并且然后在熔化操作期間再次暴露達(dá)第二時長。例如，在預(yù)熔操作中，能夠以第一速度在可燒結(jié)材料上掃掠輻射源108(例如，加熱燈)(例如，用于快速暴露)，接著是以第二速度在可燒結(jié)材料上掃掠輻射源108的熔化操作(例如，用于較慢暴露)。
輻射源108可以發(fā)射輻射r，諸如ir、接近ir、uv或者可見固化燈、ir、接近ir、uv或者可見發(fā)光二極管(led)，或者具有特定波長的激光。所使用的輻射源108將至少部分地取決于所使用的熔劑138的類型。輻射源108可以例如附接到保持打印頭106a、106b的托架。托架可以將輻射源108移動到與制造底座130相鄰的位置中。輻射源108可以被控制以將包括熔劑138和具體的制劑144的層136暴露至輻射r。輻射r被施加的時間的長度或者能量暴露時間可以例如取決于以下中的一個或多個：輻射源108的特性；可燒結(jié)材料124的特性和/或熔劑138的特性。
熔劑138增強(qiáng)輻射r的吸收、將吸收的輻射轉(zhuǎn)換為熱能，并且促進(jìn)至其接觸的可燒結(jié)材料124(即，在部分140中)的熱量的熱傳遞。在示例中，熔劑138在熔點之上足夠地提高部分140中的可燒結(jié)材料124的溫度，允許可燒結(jié)材料124的粒子的固化(例如，燒結(jié)、粘結(jié)、熔化，等等)。
當(dāng)在部分140的至少一部分中與熔劑138一起施加具體的制劑144時，可以實現(xiàn)不同的固化級別。在該示例中，具體的制劑144的存在可以使熔劑138將可燒結(jié)材料124加熱到低于其熔點但適合于引起可燒結(jié)材料124的粒子的軟化和粘合的溫度。此外，可燒結(jié)材料124的部分142不具有施加到其的熔劑138、但是具有施加到其的具體的制劑144以確吸收能量。然而，具體的制劑144修改不向相鄰的可燒結(jié)材料124發(fā)射吸收的能量。因此，在這些實例中，部分142內(nèi)的可燒結(jié)材料粒子124通常不超過熔點并且不固化。
暴露至輻射r形成要被形成的3d物體156的一個層148，如圖6f中所示的。能夠重復(fù)在以上關(guān)于圖6a-6f描述的操作以創(chuàng)建諸如層150、152，和154(圖6f)之類的隨后的層并且最終形成3d物體156。在輻射能量的施加期間，從熔劑138已經(jīng)被遞送或者已經(jīng)滲透的可燒結(jié)材料124的部分吸收的熱可以傳播到諸如層148之類的先前固化的層，使該層中的至少一些加熱到其熔點之上。該效果幫助創(chuàng)建3d物體156的相鄰的層之間的強(qiáng)壯的層間粘合。圖6f圖示出3d物體156的一個示例。然而，通過形成3d物體的層(例如，層148、150、152、154)的形狀、尺寸以及厚度的變化，無限種類的3d物體是可能的。
如圖6f中所圖示的，隨著層148、150、152以及154被形成，遞送活塞126被推送到靠近遞送底座122的開口，并且在遞送底座122中的可燒結(jié)材料124的供應(yīng)被減少(例如與圖6a中的供應(yīng)相比較)。將制造活塞134推送進(jìn)一步遠(yuǎn)離制造底座130的開口，以便容納可燒結(jié)材料124的隨后的層、選擇性地施加的熔劑138以及選擇性地施加的具體的制劑144。因為在每個層148、150、152以及154被形成之后至少一些可燒結(jié)材料124保持未固化，3d物體156至少部分地被未固化的可燒結(jié)材料124和制造底座130中的具體的制劑144圍繞。當(dāng)3d物體156完成時，可以將其從制造底座130中移除，并且未固化的可燒結(jié)材料124和具體的制劑144可以與彼此分離。在一示例中，水處理(例如，具體的制劑的溶解、過濾等)可以用于從可燒結(jié)材料124中移除具體的制劑144。未固化的可燒結(jié)材料124可以被洗滌并且然后被重新使用。
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