背景技術(shù)：

增材制造機(jī)器通過逐步建立材料層來生產(chǎn)3d(三維)對(duì)象。一些增材制造機(jī)器由于通常使用噴墨或其它打印技術(shù)施加一些制造材料，故常被稱為“3d打印機(jī)”。3d打印機(jī)和其它增材制造機(jī)器使得將cad(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型或?qū)ο蟮钠渌鼣?shù)字表示直接轉(zhuǎn)換成實(shí)體對(duì)象成為可能。

附圖說明

圖1a-圖9a以及圖1b-圖9b提供一系列剖面圖和透視圖，圖示用于增材制造帶有下懸(underhang)的對(duì)象的一個(gè)示例。

圖10和圖11是圖示示例增材制造過程的流程圖。

圖12是圖示具有指令的處理器可讀介質(zhì)在對(duì)象的增材制造期間幫助形成下懸的一個(gè)示例的框圖。

圖13是圖示實(shí)現(xiàn)控制器的增材制造機(jī)器的一個(gè)示例的框圖，該控制器具有帶下懸指令的處理器可讀介質(zhì)，如圖12中所示的介質(zhì)。

圖14是圖示實(shí)現(xiàn)cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的增材制造機(jī)器的一個(gè)示例的框圖，該cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品具有帶下懸指令的處理器可讀介質(zhì)，如圖12中所示的介質(zhì)。

在所有附圖中，相同的部件符號(hào)指代相同或相似的部件。

具體實(shí)施方式

一些增材制造機(jī)器通過聚結(jié)粉末狀構(gòu)造材料的層來制造3d對(duì)象。增材制造機(jī)器基于例如用cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品建立的3d模型中的數(shù)據(jù)來制造對(duì)象。這些模型數(shù)據(jù)被處理成切片，每個(gè)切片定義要聚結(jié)的一層構(gòu)造材料或多層構(gòu)造材料的一部分。以下描述的增材制造的示例使用了一項(xiàng)技術(shù)，在該技術(shù)中，將吸光墨水或其它適合的聚結(jié)劑“打印”至所希望的圖案中的一層構(gòu)造材料上，并且然后使其曝光以聚結(jié)圖案化構(gòu)造材料。聚結(jié)劑增加光吸收以產(chǎn)生足夠的熱來燒結(jié)、熔融或除此之外聚結(jié)圖案化構(gòu)造材料，以供直接固化(當(dāng)在燒結(jié)時(shí))或經(jīng)由冷卻間接固化(當(dāng)在熔融時(shí))。

聚結(jié)劑可能會(huì)流入構(gòu)造材料中、所希望的圖案外，從而引起構(gòu)造材料的不期望的聚結(jié)和固化。另外，圖案化構(gòu)造材料中生成的熱在一些情況下會(huì)傳導(dǎo)至周圍未圖案化的構(gòu)造材料中并固化周圍未圖案化的構(gòu)造材料。構(gòu)造材料的不期望的固化可使制造的對(duì)象的總體尺寸精度和外觀降級(jí)。這種降級(jí)通常表現(xiàn)為例如邊緣界定不清。已經(jīng)開發(fā)出改性劑來阻斷或中和聚結(jié)劑的作用。通過將聚結(jié)改性劑施配至用聚結(jié)劑圖案化的構(gòu)造材料周圍的未圖案化的構(gòu)造材料上可以控制構(gòu)造材料的不期望的固化。舉例來說，在2014年4月30日提交的名稱為“三維打印方法(threedimensionalprintingmethod)”的國(guó)際專利申請(qǐng)第pct/us2014/036169號(hào)中描述的改性劑和增材制造方法可以防止或者減少目標(biāo)區(qū)域的構(gòu)造材料的聚結(jié)程度，以幫助控制沿所制造對(duì)象的每一層的邊緣的尺寸精度和表面粗糙度。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聚結(jié)改性劑還可以用于控制構(gòu)造材料與對(duì)象切片之間的不期望的熔融，該熔融會(huì)導(dǎo)致帶有下懸(延伸越過上切片的下切片的一部分)的對(duì)象的表面粗糙度過高。因此，開發(fā)出了新的增材制造方法來阻止或防止中間層熔融以便獲得光滑、邊界清晰的下懸。

在一個(gè)示例中，該新過程包括：將聚結(jié)改性劑作為熔融屏障施加至在第一層構(gòu)造材料中形成的第一對(duì)象切片上，以在第二切片形成期間保護(hù)第一切片的頂表面。該改性劑被施加于與第二切片將覆蓋第一切片的區(qū)域接界的位置處，由此覆蓋下懸的至少一部分。然后，當(dāng)加熱第二、上層中的構(gòu)造材料以形成第二切片時(shí)，熔融屏障防止或至少部分阻止該第二層中加熱的構(gòu)造材料熔融下懸區(qū)域中的第一切片，使得第二切片上的下懸的頂部保持光滑并且邊界清晰。帶有使用聚結(jié)改性劑控制下懸表面的指令的處理器可讀介質(zhì)可以例如在cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中、對(duì)象模型處理器中或在增材制造機(jī)器的控制器中實(shí)現(xiàn)。

如本文獻(xiàn)中所使用：“聚結(jié)劑”是指引起或有助于引起構(gòu)造材料聚結(jié)的物質(zhì)；“聚結(jié)改性劑”是指阻止或防止構(gòu)造材料聚結(jié)，包括例如改變聚結(jié)劑的作用的物質(zhì)；“切片”是指多個(gè)切片對(duì)象的一個(gè)切片；并且“下懸”是指延伸越過上切片的下切片的一部分(即，倒置的上懸(overhang))。

圖1a-圖9a和圖1b-圖9b中提供的一系列剖面圖和透視圖圖示用于增材制造帶有下懸的對(duì)象的一個(gè)示例。圖10是圖示在圖1a-圖9a、圖1b-圖9b中實(shí)現(xiàn)的增材制造過程100的一個(gè)示例的流程圖。參照?qǐng)D1a-圖9a、圖1b-圖9b及圖10，如圖1a、圖1b(圖10中的框102)中所示，形成構(gòu)造材料14的第一層12。如圖2a、圖2b中所示，在與對(duì)象切片對(duì)應(yīng)的圖案20中，用例如噴墨型施配器18將聚結(jié)劑16施配于構(gòu)造材料14上，(圖13中的框104)。聚結(jié)劑圖案20是由附圖中密集的點(diǎn)畫描繪的。任何適合的構(gòu)造材料14都可以用于制造圖9a和圖9b中所示的對(duì)象10，構(gòu)造材料可以是硬的或軟的、剛性的或可彎曲的、有彈性或無彈性的。另外，盡管粉末狀構(gòu)造材料14在本示例中以顆粒22描繪，但也可以使用適合的非粉末狀構(gòu)造材料。

在圖3a、圖3b中，用聚結(jié)劑圖案化后的層12的區(qū)域20暴露于來自光源26的光以使構(gòu)造材料聚結(jié)，并在固化時(shí)，形成第一對(duì)象切片28(圖10中的框106)。取決于構(gòu)造材料14、聚結(jié)劑16以及光24的特性，構(gòu)造材料可以例如通過熔融成液體或通過燒結(jié)成固體進(jìn)行聚結(jié)。如果構(gòu)造材料熔融，則固化在冷卻時(shí)發(fā)生。

在圖4a、圖4b中，例如用噴墨型施配器36以圖案32將聚結(jié)改性劑30施配至切片28上覆蓋區(qū)域34，在區(qū)域34處，第二對(duì)象切片將下懸于第一切片(圖10中的框108)。改性劑圖案32是由附圖中稀疏的點(diǎn)畫描繪的。在所示示例中，改性劑30的圖案32與下懸區(qū)域34共同延伸。其它下懸圖案32也是可能的。例如，如果光源26被配置成僅選擇性地照射構(gòu)造材料被聚結(jié)劑圖案化后的那些部分，則將圖案32限制到下懸區(qū)域中與第二切片圖案直接接界的位置是可取的。(第二切片圖案44在圖7a、圖7b中示出)，然而，如果光源26被配置成照射構(gòu)造材料的每一層的大部分或全部，則改性劑圖案32完全覆蓋下懸區(qū)域34將是可取的，如圖4a和圖4b中所示。

聚結(jié)改性劑30也可以施配至每一層中的構(gòu)造材料的其它區(qū)域以幫助定義對(duì)象切片的其它方面，包括例如散布聚結(jié)劑圖案以改變切片的材料特性。盡管示出兩種不同的施配器18、36，但也可以由整合成單一裝置的同一施配器(例如在單一噴墨打印頭組件中使用多個(gè)不同打印頭(或多組打印頭))施配試劑16和30。

針對(duì)液體改性劑30，在形成構(gòu)造材料的下一層之前，干燥圖案化區(qū)域32可能是可取的。在圖5a、圖5b中所示的示例中，將切片28的被改性劑圖案化后的區(qū)域加熱以干燥改性劑并形成固體熔融屏障38。在其它示例中，在不添加熱量的情況下使液體改性劑30干燥可能是可取的。圖5a中的加熱器40表示大體上任何適合的加熱器，該加熱器可以包括熱輻射、對(duì)流及傳導(dǎo)中的一種或多種。

在圖6a、圖6b中，構(gòu)造材料14的第二層42形成在覆蓋第一切片28的第一層12上(圖10中的框110)。在圖7a、圖7b中，以圖案44將聚結(jié)劑16施配至層42中的構(gòu)造材料14上，圖案44與下懸于第一切片28的第二對(duì)象切片對(duì)應(yīng)(圖10中的框112)。在圖8a、圖8b中，用聚結(jié)劑圖案化后的區(qū)域44暴露于光24以使構(gòu)造材料聚結(jié)，并在固化時(shí)，形成第二固體切片46(圖10中的框114)。盡管在圖8a、8b中示出不同的第一切片28和第二切片46，但這兩個(gè)切片實(shí)際上一起熔融成為單一部分。在有時(shí)稱為“切蛋糕(uncaking)”的工藝中，將現(xiàn)熔融的切片28、46從構(gòu)造材料和熔融屏障分開，如圖9a和圖9b中所示的最終對(duì)象10。第二切片46包括下懸于第一切片46的部分48。盡管示出簡(jiǎn)單的兩切片對(duì)象10，但可以使用相同的過程步驟來形成更復(fù)雜的多切片對(duì)象。

圖11是圖示增材制造過程120的另一示例的流程圖。參照?qǐng)D11，例如，如上文參照?qǐng)D1a-圖3a、圖1b-圖3b中所述，形成構(gòu)造材料的第一層(框122)，并使第一層中的構(gòu)造材料固化以形成第一切片(框124)。例如，如上文參照?qǐng)D4a和圖4b所述，將聚結(jié)改性劑施配至第一切片上覆蓋一區(qū)域，在該區(qū)域處第一切片將下懸于第二切片(框126)。例如，如上文參照?qǐng)D6a-圖8a、圖6b-圖8b所述，在構(gòu)造材料的第一層上形成構(gòu)造材料的第二層(框128)，并使第二層中的構(gòu)造材料固化以在第一切片上形成第二切片(框130)。如果使用液體聚結(jié)改性劑，則在形成構(gòu)造材料的第二層之前，可以例如通過主動(dòng)地加熱改性劑來使改性劑干燥，如圖5a和圖5b中所示。在另一示例中，新形成的切片中的熱量可能足以干燥液體改性劑，無需另外加熱。

圖12是圖示具有指令52以幫助在3d對(duì)象制造期間形成下懸的處理器可讀介質(zhì)50的框圖。處理器可讀介質(zhì)50是任何非瞬態(tài)有形介質(zhì)，其可具體化、包含、存儲(chǔ)或維持供處理器使用的指令。處理器可讀介質(zhì)包括：例如，電介質(zhì)、磁介質(zhì)、光學(xué)介質(zhì)、電磁介質(zhì)或半導(dǎo)體介質(zhì)。適合的處理器可讀介質(zhì)的更具體的示例包括：硬盤驅(qū)動(dòng)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)、只讀存儲(chǔ)器(rom)、存儲(chǔ)卡和存儲(chǔ)棒，及其它便攜式存儲(chǔ)裝置。

下懸指令52包括例如通過施配聚結(jié)改性劑(圖11中的方框126)阻止構(gòu)造材料的上層中的構(gòu)造材料與構(gòu)造材料的下層中形成的第一切片熔融的指令。指令52可以包括其它增材制造指令，例如，如圖11中框122、124、128和130中所示的形成和固化的指令。帶有指令52的處理器可讀介質(zhì)50可以例如在cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中、在對(duì)象模型處理器中或在用于增材制造機(jī)器的控制器中實(shí)現(xiàn)。阻止熔融的控制數(shù)據(jù)可以例如通過在源應(yīng)用程序(通常是cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品、在對(duì)象模型處理器中)上的處理器可讀指令生成，或在增材制造機(jī)器上由處理器可讀指令生成、。

圖13是圖示實(shí)現(xiàn)帶有上懸指令52的控制器56的增材制造機(jī)器54的一個(gè)示例的框圖。參照?qǐng)D13，機(jī)器54包括控制器56、制造床或其它適合的支撐部58、滾筒或其它適合的構(gòu)造材料分層裝置60、聚結(jié)劑施配器18、聚結(jié)改性劑施配器36、加熱器40及光源26。在制造期間，制造中的對(duì)象結(jié)構(gòu)被支撐在支撐部58上。在一些機(jī)器54中，支撐部58在控制器56的驅(qū)動(dòng)下可以是可移動(dòng)的，以補(bǔ)償例如由于在制造期間添加構(gòu)造材料層所引起的制造中的結(jié)構(gòu)的厚度變化。

構(gòu)造材料分層裝置60將構(gòu)造材料分層于支撐部58上和制造中的結(jié)構(gòu)上，并且可以包括例如，用于施配構(gòu)造材料的裝置以及用于均勻地分布構(gòu)造材料達(dá)到每一層所希望的厚度的刮刀或滾筒。例如，如上文參照?qǐng)D2a和圖7a所述，聚結(jié)劑施配器18在控制器56的指導(dǎo)下將聚結(jié)劑選擇性地施配至構(gòu)造材料上。例如，如上文參照?qǐng)D4a所述，聚結(jié)改性劑施配器36在控制器56的指導(dǎo)下將改性劑選擇性地施配至構(gòu)造材料上。盡管可以使用任何適合的施配器18、36，但噴墨打印頭由于其施配試劑所具有的精密度以及其施配不同類型和配方的試劑的靈活性而常用于增材制造機(jī)器中。如果需要預(yù)加熱構(gòu)造材料或加熱改性劑，則制造機(jī)54可以包括加熱器40。例如，如上文參照?qǐng)D3a和圖8a所描述，光源26在控制器56的指導(dǎo)下選擇性地施加光24，以使經(jīng)聚結(jié)劑處理的構(gòu)造材料聚結(jié)。

控制器56表示處理器(或多個(gè)處理器)、相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器(或多個(gè)存儲(chǔ)器)和指令，以及控制機(jī)器54的操作元件所需的電子電路和部件。具體地，控制器56包括：存儲(chǔ)器62，具有含下懸指令52的處理器可讀介質(zhì)50；以及處理器64，用于讀取和執(zhí)行指令52。例如，控制器56將從cad程序接收控制數(shù)據(jù)和其它指令以制造包括上懸的對(duì)象并執(zhí)行局部下懸指令52，作為制造對(duì)象的過程的一部分。

可替代地，例如，作為圖14中所示的cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的一部分，下懸指令52可以體現(xiàn)在與控制器56分離的處理器可讀介質(zhì)50中。參照?qǐng)D14，增材制造系統(tǒng)66包括可操作地連接至cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品68的增材制造機(jī)器54，cad計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品68具有駐留在處理器可讀介質(zhì)50上的下懸指令52?？梢栽跈C(jī)器54與cad程序產(chǎn)品68之間使用任何適合的連接以將指令和控制數(shù)據(jù)傳達(dá)到機(jī)器54，包括例如有線鏈路、無線鏈路，以及便攜式連接，如閃存驅(qū)動(dòng)器或光盤。

光源26將光能施加至構(gòu)造材料以使構(gòu)造材料中已經(jīng)輸送或滲透聚結(jié)劑的部分聚結(jié)。在一個(gè)示例中，光源26是紅外(ir)光源或近紅外光源，或鹵素?zé)?。光?6可以是單一光源或是多個(gè)光源陣列。在一些示例中，光源26被配置成以大體上均一的方式同時(shí)向構(gòu)造材料層的整個(gè)表面施加光能。在其它示例中，光源26被配置成僅向構(gòu)造材料層的整個(gè)表面的所選區(qū)域施加能量。

構(gòu)造材料可以是粉末、液體、糊漿或凝膠。構(gòu)造材料的示例包括超過5℃的加工窗口(即，在熔點(diǎn)與再結(jié)晶溫度之間的溫度范圍)的半結(jié)晶熱塑性材料。適合構(gòu)造材料可以包括聚酰胺(例如pa或尼龍11、pa或尼龍12、pa或尼龍6、pa或尼龍8、pa或尼龍9、pa或尼龍66、pa或尼龍612、pa或尼龍812、pa或尼龍912)、聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate，pet)、聚苯乙烯、聚縮醛、聚丙烯、聚碳酸酯、聚酯、熱塑性聚氨酯、其它工程塑料制品，及所列聚合物中任意兩種或更多種的混合物。也可以使用這些材料制的核殼聚合物粒子。

構(gòu)造材料可以具有約50℃至約400℃的熔點(diǎn)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，構(gòu)造材料的熔點(diǎn)小于(低于)改性劑中所使用的無機(jī)鹽的熔點(diǎn)是可取的。例如，可以使用具有熔點(diǎn)180℃的聚酰胺12，或者可以使用具有熔點(diǎn)范圍從約100℃至約165℃的熱塑性聚氨酯。在一個(gè)示例中，當(dāng)在構(gòu)造材料中使用聚合物粒子的組合時(shí)，這些粒子中的至少一種的熔點(diǎn)低于改性劑中無機(jī)鹽的熔點(diǎn)。

構(gòu)造材料可以由類似大小的粒子或不同大小的粒子構(gòu)成。在附圖中示出的示例中，構(gòu)造材料包括三種不同大小的粒子。作為各構(gòu)造材料粒子中的每一個(gè)例子的不同大小的一個(gè)示例，每一大小的粒子的平均值可以大于50μm，在10μm與30μm之間及小于10μm。在一個(gè)示例中，最大粒子以在70wt％至95wt％范圍的量存在，中等大小粒子以0.5wt％至21wt％范圍的量存在，并且最小粒子以大于0wt％、至多是21wt％的量存在。

除聚合物粒子外，構(gòu)造材料可以包括充電劑(chargingagent)和流動(dòng)助劑。添加充電劑可以阻止摩擦帶電。適合的充電劑可以包括脂肪胺(可以被乙氧基化)、脂肪酰胺、季銨鹽(例如山崳基三甲基氯化銨或椰油酰胺基丙基甜菜堿)、磷酸酯、聚乙二醇酯或多元醇。一些適合的可商購(gòu)的充電劑包括：fa38(天然乙氧基化烷基胺)、fe2(脂肪酸酯)以及hs1(磺酸烷酯)，其各自可購(gòu)自clariantint.有限公司。在示例中，充電劑的添加量以聚合物粒子的總重量百分比計(jì)在大于0wt％至小于5wt％范圍內(nèi)。流動(dòng)助劑通過減小摩擦、橫向阻力及摩擦帶電來改善構(gòu)造材料的流動(dòng)性，并且當(dāng)構(gòu)造材料粒子的大小低于25μm時(shí)是特別可取的。適合流動(dòng)助劑的示例包括：磷酸三鈣(e341)、粉末狀纖維素(e460(ii))、硬脂酸鎂(e470b)、碳酸氫鈉(e500)、亞鐵氰化鈉(e535)、亞鐵氰化鉀(e536)、亞鐵氰化鈣(e538)、骨質(zhì)磷酸鹽(e542)、硅酸鈉(e550)、二氧化硅(e551)、硅酸鈣(e552)、三硅酸鎂(e553a)、滑石粉(e553b)、鋁硅酸鈉(e554)、硅酸鋁鉀(e555)、鋁硅酸鈣(e556)、膨潤(rùn)土(e558)、硅酸鋁(e559)、硬脂酸(e570)或聚二甲基硅氧烷(e900)。在一個(gè)示例中，流動(dòng)助劑的添加量以粒子的總重量百分比計(jì)在大于0wt％至小于5wt％范圍內(nèi)。

適合的聚結(jié)劑包括：含活性輻射吸收結(jié)合劑的水基分散液。該活性劑可以是例如紅外光吸收劑、近紅外光吸收劑或可見光吸收劑。作為一個(gè)示例，聚結(jié)劑可以是包括碳黑作為活性材料的墨水型配制物。這種墨水型配制物的一個(gè)實(shí)例是可購(gòu)自hewlett-packard公司的商業(yè)上已知的cm997a。包括可見光增強(qiáng)劑作為活性劑的墨水的示例是染料型有色墨水和顏料型有色墨水。顏料型墨水的示例包括：可商購(gòu)的墨水cm993a和ce042a，可購(gòu)自hewlett-packard公司。一些聚結(jié)劑的含水性質(zhì)使聚結(jié)劑能夠滲透構(gòu)造材料層。對(duì)于疏水性構(gòu)造材料，聚結(jié)劑中共溶劑和/或表面活性劑的存在可以幫助獲得所期望的潤(rùn)濕性?？梢允┡湟环N或多種聚結(jié)劑以形成每一切片。

適合的聚結(jié)改性劑可以分離構(gòu)造材料的個(gè)別粒子以防止粒子聚結(jié)。這種類型的改性劑的示例包括：膠狀、染料型和聚合物型墨水，以及具有平均大小要小于構(gòu)造材料粒子的平均大小的固體粒子。改性劑的分子質(zhì)量和其表面張力可使得該試劑能夠充分滲透至構(gòu)造材料中以實(shí)現(xiàn)所期望的機(jī)械分離。在一個(gè)示例中，可以使用鹽溶液作為聚結(jié)改性劑。在其它示例中，可以使用可購(gòu)自hewlett-packard公司的在商業(yè)上已知的cm996a和cn673a的墨水作為聚結(jié)改性劑。

適合的聚結(jié)改性劑可以通過防止構(gòu)造材料達(dá)到熔點(diǎn)來對(duì)聚結(jié)劑的作用進(jìn)行修改。展現(xiàn)適合的冷卻作用的流體可以用作這種類型的聚結(jié)改性劑。例如，當(dāng)用冷卻液處理構(gòu)造材料時(shí)，施加至構(gòu)造材料的能量可以被吸收，由此蒸發(fā)流體以幫助防止構(gòu)造材料達(dá)到其熔點(diǎn)。因此，例如，具有高含水量的流體可以是適合的聚結(jié)改性劑。

權(quán)利要求書中使用的“一個(gè)(種)”是指一個(gè)(種)或多個(gè)(種)。

附圖中所示的以及上文中描述的示例闡述但不限制專利的范圍，專利的范圍在所附權(quán)利要求書中限定。