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CN115943041A - 过渡三维物体的增材制造 - Google Patents

过渡三维物体的增材制造 Download PDF

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CN115943041A
CN115943041A CN201980085553.2A CN201980085553A CN115943041A CN 115943041 A CN115943041 A CN 115943041A CN 201980085553 A CN201980085553 A CN 201980085553A CN 115943041 A CN115943041 A CN 115943041A
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K·瑙卡
C·P·舒丁
J·S·D·詹格姆
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Hewlett Packard Development Co LP
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Abstract

一些示例包括一种用于产生三维物体的方法，该方法包括在打印区域内连续形成多个层。在打印区域内连续形成多个层包括：沉积包括第一固体颗粒的第一材料；在该第一材料上选择性地喷涂第二材料，该第二材料包括悬浮在液体介质中的第二固体颗粒，其中，该第一材料具有不同于该第二材料的化学组成；以及对该多个层中的每一层中的第一材料和第二材料施加熔融能量，以形成三维物体，该三维物体包括：由该第一材料构成的第一区域，由该第二材料构成的第二区域，以及在该第一区域与该第二区域之间延伸的、由该第一材料和该第二材料构成的过渡区域。

Description

过渡三维物体的增材制造
背景技术
增材制造机器通过构建多个材料层来产生三维(3D)物体。一些3D打印技术被认为是增材工艺，因为它们涉及施加连续的材料层。一些增材制造机器常被称为“3D打印机”。3D打印机和其他增材制造机器使得可以将物体的其他数字表示的CAD(计算机辅助设计)模型转换成物理物体。
附图说明
图1是根据本公开的方面的用于产生渐变三维物体的示例方法的流程图。
图2是根据本公开的方面的在产生渐变三维物体时有用的示例增材制造系统的框图。
图3是根据本公开的方面的在产生渐变三维物体时有用的示例增材制造系统的示意图。
图4A和图4B是根据本公开的方面的形成渐变三维物体的示例增材制造过程的截面示意图。
图5是示例渐变三维物体的立体示意图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中，对附图进行了参考，附图形成具体实施方式的一部分，并且在附图中通过说明的方式示出了可以实践本公开的具体示例。应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他示例并且可以做出结构或逻辑变化。因此以下具体实施方式不应当被理解为限制性的意义，并且本公开的范围由所附权利要求限定。应当理解的是，除非另外特别指出，否则本文所描述的各种示例的特征可以部分地或全部地彼此组合。
各种三维打印技术的不同之处可以在于，沉积和熔融或以其他方式固化多个层以创建构建物体的方式、以及在每个过程中采用的材料。可以将本文提供的描述和示例应用到用于基于3D物体模型的数据来形成3D物体的各种增材制造技术、环境和材料中。
增材制造或3D打印可以包括两个过程：以逐层方式沉积(多种)粉状材料、以及将这些层选择性地熔融以形成期望的3D物体。选择性的熔融可以以多种方式实现。例如，在沉积材料层之后，选择性地打印粘合剂。然后，以相同的方式形成下一层，其中粘合剂“胶合”每层内和层间的粉状材料。在完成该过程之后，在炉中对形成的“绿色”部分进行退火，从而去除粘合剂并熔融粉状颗粒。该过程被称为粘合剂喷涂。
实现选择性熔融的另一种方式是如以上描述的方式沉积层，然后用激光束(或电子束或离子束)在限定被打印物体的截面的区域内逐点加热直到熔融该层。对每层重复该过程来产生最终的3D打印物体(通常无需额外进行炉加热)。实现选择性熔融的又另一种方式是沉积层，然后用增强或抑制能量吸收的试剂选择性地涂覆该层，随后用使粉状材料熔融的光脉冲均匀地辐照。该试剂可以是负面的(抑制吸收)——覆盖不要被熔融的区域，或正面的(增强吸收)——覆盖要被熔融的区域。该方法与激光(或其他类型的射束)过程的不同之处在于辐照整个表面而不是单点，并且被称为射流熔融或光子熔融。然后，沉积下一层，并且重复整个过程直到完成期望物体的3D打印。可以结合所描述的过程。例如，光子熔融之后可以接着进行某种炉退火，或者光子熔融可以与粘合剂的使用结合等。
本公开的示例在粘合剂喷涂增材制造过程的背景下进行讨论。同样可以采用其他类型的增材制造过程和系统。在增材制造过程中，计算机根据3D物体的数字模型来控制构建材料(例如，粉末)的散布和粘合或熔融并控制试剂的散布，以形成连续的材料层。
本公开提供用于打印具有功能上渐变的特征或渐变特征的三维(3D)物体或部分的系统和方法。一些3D物体包括金属材料。由增材制造系统产生的3D物体如果包括任何金属材料，则它们可以包括单一金属材料，该金属材料有时被称为基底金属。
本公开的示例包括3D物体的增材制造，这些3D物体包括功能上渐变的材料组成。如本文所使用的功能上渐变的材料组成或渐变材料组成是在材料的空间分布上变化的化学组成。示例可以包括在单个3D构建物体中使用陶瓷、塑料、金属陶瓷(即，陶瓷和金属颗粒的混合物)、各种金属等。根据本公开的方面，可以采用喷涂过程来将多种材料组合到组成上渐变的结构中，在此，组成上的渐变可以提供其他3D打印过程无法实现的特定优点。
图1是根据本公开的方面的用于产生渐变三维物体的示例方法的流程图。在102处，在打印区域内连续形成多个层。在打印区域内连续形成多个层包括框104至108。在104处，沉积包括第一固体颗粒的第一材料。在106处，将第二材料选择性地喷涂在第一材料上。第二材料包括悬浮在液体介质中的第二固体颗粒。第一材料具有不同于第二材料的化学组成。第一固体颗粒和第二固体颗粒中的至少一者包括金属颗粒。如下面进一步讨论的，在108处，对该多个层中的每一层中的第一材料和第二材料施加熔融能量，以形成三维物体，该三维物体包括：由第一材料构成的第一区域，由第二材料构成的第二区域，以及在第一区域与第二区域之间延伸的、由第一材料和第二材料构成的过渡区域。
图2是根据本公开的方面的示例增材制造系统200的框图。增材制造系统200包括构建空间202、喷涂组件204以及控制器206。下面提供了各个部件的细节。然而，一般而言，控制器206控制喷涂组件204在构建空间或构建体积202内分配材料，以形成3D构建物体。
控制器206可以是计算设备、基于半导体的微处理器、中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)和/或另一种硬件设备。控制器206可以与数据存储(未示出)进行通信，该数据存储可以包括与要由增材制造系统200形成的3D构建物体相关的数据。控制器206可以接收限定要被打印的物体的数据，该数据包括例如3D物体模型数据和材料性质(例如，化学性质)数据。在一个示例中，3D物体模型数据包括与构建物体大小、形状、位置、取向、传导性、颜色等相关的数据。该数据可以从计算机辅助设计(CAD)系统或在三维构建物体的创建中有用的其他电子系统进行接收。控制器206可以操纵和变换所接收的数据以生成打印数据。控制器206采用根据3D构建物体的3D物体模型数据和材料性质数据得到的所生成的打印数据，该打印数据可以被表示为物理(电子)量，以便控制增材制造机器的元件以导致构建材料、粘合剂和能量的传输，从而创建3D构建物体。
可以对所接收的包括3D物体模型数据的构建物体数据进行变换，以确定与所期望的化学性质和机械性质相对应的材料，从而在3D构建物体的区域中实现所期望的材料性质(例如，化学性质)，该3D构建物体的区域将表现出所希望的化学、机械、电子或结构性质，以这种方式确定对应于为所期望的(多个)区域实现所期望的性质或特性的材料。可以采用机器可读指令(其存储在非暂态计算机可读介质上)使控制器206控制由喷涂组件204分配的材料。
在这方面，控制器206可以执行一组功能208至210。在208处，控制器206控制喷涂组件204将第二材料沉积到第一材料上的第二区域处。在210处，控制器206控制能量源施加熔融能量以形成物体层。3D构建物体的物体层包括：由第一材料构成的第一区域，由第二材料构成的第二区域，以及在第一区域与第二区域之间延伸的、由第一材料和第二材料构成的过渡区域。
图3是根据本公开的方面的在产生渐变三维物体时有用的示例增材制造系统300的示意图。类似于图2的增材制造系统200，增材制造系统300包括构建体积332、喷涂组件304以及控制器306。增材制造系统300还可以包括流体分配器320、能量源322，并且在一些示例中还包括构建材料供应设备323。如下面进一步描述的，控制器302可以操纵和变换数据，该数据可以被表示为物理(电子)量，以便控制用于形成3D构建物体的喷涂组件304、流体分配器320、能量源322以及构建材料供应设备323。
在一个示例中，构建表面302可以被包括在构建空间332内。在一个示例中，构建表面302可以与构建体积332分离，可以从增材制造系统300移除该构建体积。构建表面302可以接收包括第一材料和第二材料的构建材料，用于形成三维构建物体。例如，构建表面302可以是构建室内的台板的表面、或台板上的构建材料的底层构建层。控制器306控制构建材料供应设备323将第一材料324沉积到构建表面302上，以形成构建材料层330。在一些示例中，构建材料供应设备323可以包括容器、分配器、分布器(例如，辊、刮擦器等)。在一些示例中，构建材料供应设备323呈第二喷涂器的形式。在一些示例中，构建材料供应设备可以被包括为喷涂组件304的一部分。构建材料供应设备323向构建体积内供应和沉积连续的构建材料层。例如，可以使构建材料供应设备323在托架(未示出)上跨构建空间332内的构建表面302移动。
第一材料324可以是粉末类型的包括固体颗粒的构建材料。例如，第一材料324可以包括陶瓷、金属、聚合物、或复合粉末(和粉末状材料)。在一个示例中，可以使用多于一种第一材料324。第一材料324具有不同于第二材料的化学组成，并且其中，第二材料包括悬浮在液体介质中的固体颗粒。
喷涂组件304适于将第二材料326选择性地沉积在第一材料324上，该第二材料包括悬浮在液体介质中的固体颗粒。喷涂组件304可以包括喷嘴328和喷涂组件304，该喷嘴用于分配第二材料326，该喷涂组件用于保持固体颗粒悬浮在液体介质中直到这些固体颗粒基于所生成的打印数据而从喷嘴328被分配到材料层上。控制器306控制喷涂组件304基于打印数据选择性地沉积第二材料326。在一些示例中，还可以从喷涂组件304或从另一喷涂组件(这里未示出)分配附加材料(例如，多于一种第二材料326)。如本文所使用的第二材料326可以包括一种或多种不同的独立的第二材料，并且可以是单数或复数。在一些示例中，可以采用同一喷涂组件304来沉积第一材料324和第二材料326两者。在其他示例中，针对多种材料324、326种的每一种而使用多个喷嘴328。控制器306可以控制喷涂组件304，使其在构建表面302上方的一次或多次经过中，同时、非同时、或部分同时地将第二材料326施加到构建材料层330上。
可以在移动托架系统上承载喷涂组件304跨构建空间332移动。喷涂组件304可以在x轴和y轴方向上移动或行进。在一个示例中，喷涂组件304可以以图案化的形式(例如，之字形、阶梯状平行列形等)移动以将第二材料326选择性地分配在第一材料324上。可以通过喷涂组件304在单次或多次经过中分配第二材料326，以形成具有期望的层厚度的构建层。在一些示例中，第二材料326的层厚度与第一材料324的层厚度相同，从而提供整个层的平面性。
第二材料326可以是包括悬浮在液体介质或溶剂中的固体颗粒的混合物。固体颗粒可以具有各种大小、形状和材料类型，并且可以包括大小、形状、和材料类型的均匀或不均匀混合。例如，固体颗粒可以是金属的、陶瓷的、聚合物、或金属陶瓷。在一个示例中，固体颗粒可以具有大约10微米(μm)的直径。在一些示例中，可以采用水、醇类(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇等)、以及水醇混合物作为介质，因为它们可获得、毒性低、表面张力低、沸点低并且蒸气压相对较高。例如，其他可接受的介质可以包括其他简单的亚醇和叔醇、丙酮、苯、氯仿、乙二醇、煤油、松节油、以及甲苯等。在一些示例中，材料326可以包括高达60％的固体颗粒(按体积计)。在一个示例中，第二材料326包括50％的固体颗粒。
为了防止悬浮在液体介质中的固体颗粒结块，可以包括适当的分散剂。例如，无机纳米颗粒可以包括二氧化硅、二氧化钛、以及其他金属氧化物。还可以使用阴离子的、或阳离子的或两性离子的有机分散剂。在一些示例中，应用液体皂作为表面活性剂可以明显提高在材料326中的分散。令人期望的是，表面活性剂的浓度足够低而不影响最终的3D打印的物体的质量。固体颗粒在材料326中的附加的分散可以借助于安装在喷涂组件304的加压容器(未示出)内的机械混合器(例如，桨叶、超声发生器、被吹动通过液体的气泡)来实现。
流体分配器320适于基于所生成的打印数据将如打印剂等液体试剂沉积在构建材料层上。例如，打印剂可以是粘合剂。例如，流体分配器320可以是打印头。流体分配器320可以包括例如单个喷墨笔、或多个喷墨笔。可以在移动托架系统(未示出)上承载流体分配器320跨构建空间332移动。
控制器306控制流体分配器320以基于打印数据选择性地沉积打印剂。可以将打印剂或粘合剂选择性地沉积在第一材料和第二材料326的构建层330上，以将形成第一材料324的固体颗粒粘合在一起，从而创建3D构建物体的物体层。图案化的材料324可以粘合并且形成期望的构建物体的物体层或截面。粘合可以在层间和层内发生，使得下层的施加了粘合剂的区域与施加了粘合剂的上方的层的相邻区域进行粘合。第二材料326被选择性地施加到第一材料324的粘合区域处(例如，已经施加了粘合剂的位置)，以与第一材料324进行粘合。构建层320可以包括第一材料324和第二材料326中的一者或两者。逐层重复该过程以完成期望的3D构建物体。如下面进一步详细讨论的，包括第一材料324和第二材料326的渐变比例的过渡区域在由第一材料324形成的第一区域与由第二材料326形成的第二区域之间延伸。
在形成和固化3D构建物体的物体层后，可以去除过量的第一材料324(例如，在未施加粘合剂的位置处)。在该过程完成之后，可以在炉中用能量源322对形成的“绿色”3D构建物体进行退火，从而去除粘合剂并熔融粉状颗粒。可替代地，与例如光子熔融一样，逐层施加能量源322。控制器306控制能量源322向构建材料施加能量，以便形成3D物体。在一些示例中，可以采用烧结或完全热熔来将构建材料颗粒(例如，粉末)的小粒熔化和熔融在一起并蒸发液体介质，以形成固体物体。能量源322可以生成热量，该热量会被粘合剂和材料324、326的成分吸收，从而烧结、熔化、熔融、或以其他方式聚结图案化的构建材料。可以使用例如红外或可见光能量来对材料进行加热、熔融或粘合。能量源322可以将固化的3D构建物体加热或烧结到合适的温度，以完全固化至最终状态。
图4A和图4B是根据本公开的方面的形成功能上渐变的3D构建物体的示例增材制造过程的截面示意图。为简单起见，这些图中未包括粘合剂的施加。图4A的左侧图图示了利用包括散布器(例如，刀片或辊)的构建材料分配设备423沿用箭头440指示的方向在构建表面402上沉积然后散布第一材料424，以形成构建层430。在另一个示例中，如图4B的左侧图所图示的，可以用喷涂组件404沿用箭头440指示的方向将第一材料424沉积到构建表面402上，以形成构建层430。接下来，在图4A和图4B的中间图中，由第一材料424在构建表面402上形成附加的构建层430。接下来，在图4A和图4B的右侧图中，在由第一材料424形成的构建层430上方将第二材料426分配在构建层430x中，以将构建层430从第一材料424过渡到第二材料426。用喷涂组件404将第二材料426分配或喷涂到构建层430上。在一个示例中，第一材料424可以包括不锈钢(SS)颗粒，并且第二材料426可以包括铬钴(Co-Cr)固体颗粒。在由喷涂组件404进行分配时，铬钴(Co-Cr)固体颗粒悬浮在液体介质中。在一个示例中，第一材料424构成3D构建物体的大部分或主要部分，并且第二材料426构成3D构建物体的小部分。
图5是示例3D构建物体550的立体示意图。根据本公开的方面，在增材制造过程期间形成构建物体550。根据本公开，示例构建物体550被图示为立方体，然而应该理解，可以形成包括复杂形状的任何形状。构建物体550可以是在增材制造系统200、300中可以制造的任何简单或复杂的形状。图5中图示的构建物体550的形状仅用于示意说明性目的，并且不应当被理解为限制性的意义。
根据本公开的方面，构建物体550包括由第一材料形成的第一区域552、由第二材料形成的第二区域554。包括渐变比例的第一材料和第二材料的过渡区域556被形成为在第一区域552与第二区域554之间延伸。过渡区域556可以包括在一个或多个构建方向上在第一区域552与第二区域554之间组成上渐变的第一材料和第二材料。如所图示的，过渡区域556沿x轴、y轴、和z轴方向在空间中逐渐变化。尽管构建物体550包括由两种材料(第一材料和第二材料)形成的两个区域552、554，但是应该理解，还可以包括附加材料和区域。
在由第一材料形成的第一区域552与由第二材料形成的第二区域554之间形成的过渡区域556可以包括一系列层，其中第一材料与第二材料的比率逐渐变化。例如，过渡区域可以由层序列构成，如：第一材料、第一材料、第二材料、第一材料、第二材料、第一材料、第二材料、第二材料。在第一区域与第二区域之间的材料的渐变或逐渐变化可以通过改变在每个构建层的所选择的区域内沉积的第一材料和第二材料的量来完成。在一个示例中，烧结可以在第一材料和第二材料可以轻易扩散的温度/时间下发生(例如，第一材料和第二材料都是金属)，过渡区域556可以由于在烧结期间第一材料和第二材料的扩散而在第一区域552与第二区域554之间形成。在一个示例中，固态扩散可以在从能量源施加能量期间发生，以在第一区域552中的第一材料与第二区域554中的第二材料之间提供平滑或渐变的过渡区域556。
设想了关于根据本公开的方面的通过增材制造形成的3D物体的各种应用，以实现3D打印的物体的期望的材料特性。例如，3D物体可以包括用金属第一材料形成的物体的大部分，该金属第一材料被形成为具有包括陶瓷第二材料的表面涂层，以便形成具有如提高的表面硬度、表面耐刮擦性、通过表面进行热控制等特性的物体。这一点将在其中有用的、3D物体的一些示例包括厨房用具、高速导弹涂层等。在其他示例中，可以将陶瓷第二材料层形成在3D物体的内部上，该物体的大部分用金属第一材料形成。在该示例中，可以提供如增强的机械强度和/或热控制等特性。本公开的示例包括形成具有如光泽、光洁度、质地、耐磨性、耐刮擦性、抗损坏性、焊接或熔接兼容性、导热性或耐热性、导电性或抗电性、抗冲击性、低成本、重量等期望的特性的3D打印的物体。为了简单起见，上面的示例中讨论了两种材料，然而，应当理解，3D物体中可以包括附加的材料。
例如，根据本公开的方面的用多于两种材料形成的示例3D物体可以包括用于形成条或板的具有不锈钢颗粒的第一材料、形成底层的具有陶瓷颗粒(具有热流控制性质)的另一种第一或第二材料、以及在不锈钢条或板上形成顶层的具有镍颗粒(具有高光泽度性质)的另一种第一或第二材料。可以在每种材料(例如，不锈钢与陶瓷、以及不锈钢与镍)之间形成过渡区域。可以使用附加材料来形成3D物体的其他部分。例如，可以由如铜等另一种第二材料形成延伸通过不锈钢板的竖直芯，并且可以由如陶瓷等另一种第二材料形成环绕该芯的环。可以在每种材料(例如，铜与陶瓷、以及陶瓷与不锈钢等)之间形成组成上渐变的过渡区域。可以在通过3D物体的任何构建方向上形成组成上渐变的过渡区域。
尽管本文已经图示和描述了特定示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，各种各样的替代和/或等效实施方式可代替所示出和描述的特定示例。本申请旨在覆盖本文所讨论的特定示例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅由权利要求及其等同物限制。

Claims (15)

1.一种用于产生三维物体的方法，包括：
在打印区域内连续形成多个层，包括：
沉积包括第一固体颗粒的第一材料；
在所述第一材料上选择性地喷涂第二材料，所述第二材料包括悬浮在液体介质中的第二固体颗粒，其中，所述第一材料具有不同于所述第二材料的化学组成；以及
对所述多个层中的每一层中的所述第一材料和所述第二材料施加熔融能量，以形成所述三维物体，所述三维物体包括：由所述第一材料构成的第一区域，由所述第二材料构成的第二区域，以及在所述第一区域与所述第二区域之间延伸的、由所述第一材料和所述第二材料构成的过渡区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述过渡区域包括从所述第一区域向所述第二区域过渡的、在空间中渐变到所述第二材料的所述第一材料。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过在所述第一材料上方多次经过来执行所述选择性地喷涂所述第二材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一固体颗粒和所述第二固体颗粒中的一者包括陶瓷颗粒。
5.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一材料包括用喷涂组件喷涂所述第一材料。
6.如权利要求1所述的方法，包括：
将试剂选择性地沉积到所述第一材料上，以粘合所述第一区域处的所述第一材料，其中，通过用流体分配器进行打印来选择性地沉积所述试剂。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料和所述第二材料中的每一者由选自陶瓷、金属和聚合物的组的材料构成。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括第一金属，并且所述第二材料包括第二金属。
9.一种增材制造构建物体，包括：
第一部分，所述第一部分具有第一材料属性，所述第一材料属性是通过对包含第一固体颗粒的第一材料的施加和选择熔融而获得的；以及
第二部分，所述第二部分具有第二材料属性，所述第二材料属性是通过对第二材料的喷涂施加和熔融而获得的，所述第二材料的所述喷涂施加包括悬浮在液体介质中的第二固体颗粒；以及
在所述第一部分与所述第二部分之间的过渡部分，所述过渡部分包括比例渐变的所述第一材料和所述第二材料。
10.如权利要求9所述的增材制造构建物体，其中，所述第一材料包括第一金属，并且所述第二材料包括第二金属。
11.如权利要求9所述的增材制造构建物体，其中，所述第一材料包括金属，并且所述第二材料包括陶瓷。
12.如权利要求9所述的增材制造构建物体，其中，所述过渡区域包括从所述第一区域向所述第二区域过渡的、在空间中渐变到所述第二材料的所述第一材料。
13.如权利要求9所述的增材制造构建物体，其中，所述第一材料和所述第二材料中的每一者由选自陶瓷和金属的组的材料构成。
14.一种增材制造系统，包括：
构建体积，用于接收第一材料和第二材料以形成三维构建物体，其中，所述第一材料具有与至少所述第二材料不同的化学组成，并且其中，至少所述第二材料包括悬浮在液体介质中的固体颗粒；
喷涂组件，所述喷涂组件包括用于分配所述第二材料的喷嘴，所述喷涂组件用于保持固体颗粒悬浮在所述液体介质中直到这些固体颗粒被从所述喷嘴分配；以及
控制器，用于：
控制所述喷涂组件以将所述第二材料在第二区域处以一图案沉积到所述第一材料上；以及
控制能量源施加熔融能量以形成物体层，所述三维构建物体的所述物体层包括：由所述第一材料构成的第一区域，由所述第二材料构成的第二区域，以及在所述第一区域与所述第二区域之间延伸的、由所述第一材料和所述第二材料的渐变比例构成的过渡区域。
15.如权利要求14所述的增材制造系统，其中，所述第二材料包括多种悬浮在所述液体介质中的材料。
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