增材制造 背景技术 [0001] 增材制造机器器通过逐步建立材料层来生产3D(三维)物体。一些增材制造机器器由于通常使用喷墨或其它打印技术施加一些制造材料，故常被称为“3D打印机”。3D打印机和其它增材制造机器器使得将CAD(计算机辅助设计)模型或物体的其它数字表示直接转换成实体物体成为可能。 附图说明 [0002] 图1A-图12A和图1B-图12B提供一系列剖面图和透视图，图示用于增材制造复合物体的一个示例。 [0003] 图13和图14是图示增材制造过程的示例的流程图。 [0004] 图15A-图30A和图15B-图30B提供一系列剖面图和透视图，图示用于增材制造复合物体的第二示例。 [0005] 图31A和图31B是图示增材制造过程的另一种示例的流程图。 [0006] 图32是图示具有用增材制造机器帮助形成复合物体的指令的处理器可读介质的一个示例的框图。 [0007] 图33是图示实现具有诸如图32中所示的介质的处理器可读介质的控制器的增材制造机器的一个示例的框图。 [0008] 图34是图示实现具有诸如图32中所示的介质的处理器可读介质的CAD计算机程序产品的增材制造系统的一个示例的框图。 [0009] 在所有附图中，相同的部件符号指代相同或相似的部件。 具体实施方式 [0010] 一些增材制造机器通过聚结粉末状构造材料的层来制造3D物体。增材制造机器基于例如用CAD计算机程序产品建立的3D模型中的数据来制造物体。这些模型数据被处理成切片，每个切片定义要聚结的一层构造材料或多层构造材料的一部分。下面描述的增材制造的示例使用惠普公司开发的称为多射流熔融TM(MJF)的技术，其中，吸光墨水或其他合适的聚结剂在构造材料层上“打印”成期望的图案，随后，暴露于光以聚结图案化后的构造材料。MJF聚结剂提高了吸光率，以生成烧结、熔融、或聚结图案化后的构造材料的足够的热量，以供直接固化(当在烧结时)或经由冷却间接固化(当在熔融时)。 [0011] 通常用于使用MJF的增材制造的聚合物可能不适于实现一些制造物体的期望的特性。因此，已开发了通过将分立的部件集成“打印的”物体来扩大可用MJF制造的物体的范围的新过程。产生的复合物可专门配置用于实现期望的特性，包括例如：为了强度而集成陶瓷，以及为了导电性集成金属。在一个示例中，增材制造过程包括：形成粉末状或其他未聚结的构造材料的层，在每一层中聚结构造材料，以及将部件嵌入聚结后的构造材料中。部件可压入到熔融的构造材料的一层或多层中，并用随后的层覆盖，或者，部件可置于固体构造材料层上，并用随后的层覆盖。 [0012] 虽然可在不同类型的增材制造系统中实现新过程的示例，新过程特别适于MJF。 MJF是露天的层叠过程，其迅速适用于在层叠及聚结构造材料时在合适的时间和位置插入分立的部件。每层中新聚结的构造材料可保持熔融足够长的时间，以将分立的部件压入到仍然熔融的构造材料中，而不用增加热量。如果聚结后的材料已经在插入分立的部件之前固化，可在插入之前进行额外的较短的加热，以使聚结后的材料进入熔融状态。 [0013] 可在例如CAD计算机程序产品或物体模型处理器中的增材制造机器的控制器中，实现具有用MJF或其他增材制造建立复合物的处理指令的处理器可读介质。 [0014] 如本文中所使用的：“聚结剂”表示使得或帮助构造材料聚结的物质；“聚结改性剂”表示通过例如改变聚结剂的效果来抑制或阻止构造材料固化的物质；以及“切片”表示多层物体的一层或多层切片。 [0015] 图1A-图12A和图1B-图12B中提供的一系列剖面图和透视图图示制造复合物体10(图12A和12B中示出的复合物10)的一个示例。图13是图示图1A-图12A、图1B-图12B中实现的增材制造过程100的流程图。参照图1A-图12A、图1B-图12B以及图13，如图1A、图1B所示的形成构造材料14的第一层12(图13中的框102)，且如图2A、图2B中示出的，用例如喷墨式施配器18，以对应于物体切片的图案20将聚结剂16施配至构造材料14上(图13中的框104)。任意合适的构造材料14可用于制造图12A和图12B中示出的物体10，其可为硬的或软的、刚性的或柔性的、弹性的或无弹性的。此外，在此示例中，用颗粒22描绘粉状构造材料14，还可使用合适的非粉末状构造材料。 [0016] 在图3A、图3B中，层12的用聚结剂图案化后的区域20暴露于来自光源26的光24，以聚结构造材料，并且，在固化时，形成第一物体切片28(图13中的框106)。基于构造材料14的性质、聚结剂16和施加于构造材料14的光24，可例如通过熔融成液体或通过烧结成固体，聚结构造材料。如果构造材料熔融，那么冷却时发生固化。 [0017] 在图4A-图6A和图4B-图6B中，在第一层12上形成构造材料14的第二层30，(图13中的框108)，以对应于第二物体切片的图案32施配聚结剂16，形成(图13中的框110)，以及将图案化后的构造材料暴露于光24(图13中的框112)以聚结构造材料，并且在固化时，形成第二物体切片34。然后，如图7A、图8A和图7B、图8B所示，分立的部件36被压入到聚结后的构造材料34中(图13中的框114)。在一些实现方式中，在与构造材料接触之前加热部件36是可取的，以避免任何破坏性的热冲击，以及帮助保持构造材料是软的，直至部件全部插入。虽然对于部件36期望的温度可基于特定的实现方式变化，但这也是可预期的：将部件36加热至构造材料熔点的±5℃内的温度通常是足够的。 [0018] 在一个示例中，通过熔融以及随后的冷却发生图案化后的构造材料的固化，部件 36可压入到聚结后的构造材料34中，而构造材料仍然熔融。在图案化后的构造材料的固化不用熔融就发生(如在烧结中发生)，或者，允许熔融的构造材料在插入部件36之前冷却并固化的另一示例中，可加热以熔融固体构造材料，并将部件36压入到熔融的构造材料中。在另一示例中，这也是可预期的：将部件36压入到固体构造材料中，其中部件足够热，从而熔融其进入到的构造材料围绕的固体的通道。 [0019] 在图9A-图11A以及图9B-图11B中，在第二层30上形成覆盖部件36的构造材料14的第三层38(图13中的框116)，以对应于第三物体切片的图案40施加聚结剂16(图13中的框 118)，图案化后的构造材料暴露于光24(图13中的框120)以聚结构造材料，且在固化时，形成第三物体切片42。虽然图11A中示出了不同的切片28、34和42，但邻近的切片在聚结及固化时实际上也可熔融在一起成为一个部件。将具有嵌入的部件36的熔融的切片28、34和42与构造材料分开，在一过程中有时称为“切块(uncaking)”，如图12A和图12B中示出的结果复合物10(图13中的框122)。示出了具有一个嵌入的部件36的简单的三个切片物体10，相同的过程可用于形成具有更多的可变部件36的复杂的多切片物体。 [0020] 在所示的示例中，部件36完全埋入构造材料中。在其他示例中，使一些或全部部件 36暴露是可取的。另外，在所示的示例中，部件36大概与层30和切片34具有相同的厚度。在其他示例中，部件36可以比未聚结的构造材料和/或物体切片的各层更薄或更厚。针对诸如图1A-图12A、图1B-图12B以及图13中图示的过程那样的MJF增材制造过程，由一个或多个部件36造成的构造材料的不希望的位移可通过用构造材料的随后的一层或多层覆盖移位的构造材料，以及将移位的材料熔融到随后的一个切片或多个切片中来修正。放置分立的部件36可以是使用传统的机器人自动进行的，例如，以增加吞吐量以及提高再现性。针对MJF增材制造，可用控制打印头位移以供施配聚结剂的相同的系统组件协调机器人的定向和对准，或者，机器人的定向和对准可使用控制打印头位移以供施配聚结剂的相同的系统组件。 [0021] 图14是图示制造复合物体10的过程130的另一种示例的流程图。参照图14，在框 132处，形成未聚结的构造材料的多层，例如，如上面参照图1A、图1B、图4A、图4B、图9A和9B所描述的。在框134处，聚结每一层中的构造材料，例如，如上面参照图2A-图3A、图2B-3B、图 5A-6A、图5B-6B、图10A-图11A以及图10B-图11B所描述的。在框136处，部件嵌入聚结后的构造材料，例如，如上面参照图7A-图8A以及图7B-图8B所描述的。 [0022] 图15A-图30A以及图15B-图30B中提供一系列剖面图和透视图，图示制造复合物体 10的第二个示例(图30A和30B中所示)。图31A和图31B是图示在图1A-图12A、图1B-图12B中实现的增材制造过程140的一个示例。参照图15A-图30A、图15B-图30B、以及图31A、图31B，如图15A、图15B中所示，形成构造材料14的第一层12(图31A中的框142)。在一些实现方式中，预加热第一层12中或前几层中的构造材料14是可取的，以有助于在聚结和固化期间保持每层平坦。各层构造材料14可被预加热，如图16A中所示(图31A中的框144)，或者，构造材料14可在层叠之前在储料器中预加热。加热器44也可用于加热或再加热固体构造材料，以嵌入部件36，如上面参照图7A-图8A以及图7B-图8B描述的。 [0023] 在图17A、图17B中，以对应于图像切片的图案20将聚结剂16施配至构造材料14上，例如，用喷墨式施配器18(图31A中的框146)。在图18A、图18B中，例如用喷墨式发配器50，将聚结改性剂46施配至层12中的构造材料14上覆盖区域48(图31A中的框148)，区域48围绕聚结剂16的图案20。 [0024] 聚结剂可渗透进期望的图案外的构造材料中，引起构造材料不必要的聚结。再有，在一些情况下，图案化后的构造材料中产生的热量可传播入并聚结周围未图案化的构造材料。构造材料不必要的聚结可能降低整体尺寸精度以及制造的物体的外观。因此，阻止或中和聚结剂的效果的改性剂可用于控制构造材料不必要的聚结。聚结改性剂46可施配至构造材料层14的其他区域，以有助于限定物体切片的其他方面，包括散步聚结剂的图案以改变切片的材料特性。尽管示出了两个不同的喷墨式施配器18、50，但聚结剂16和46可从集成到一个装置中的施配器施配，例如在一个喷墨打印头组件中使用不同的打印头(或打印头组)。 [0025] 在图19A、图19B中，用聚结剂图案化后的层12中的区域20暴露于光24，以聚结构造材料，且在固化时，形成第一物体切片28(图31A中的框150)。分立的部件36置于第一片28上，如图20A-图20B以及图21A-图21B中所示(图31A中的框152)。在图22A、图22B中，在第一层12上围绕部件36形成构造材料14的第二层30(图31A中的框154)。在此示例中，部件36比层30更厚，因此，突出在层30中的未聚结的构造材料上方。部件36可具有与层30一样的厚度，或比层30薄的厚度。对于比层30更薄的部件36，可能不需要或不期望第三层/切片覆盖部件36。在一些实现方式中，在放到切片28上之前加热部件36是可取的，以避免对切片28或者对部件36周围形成的构造材料14的任何破坏性热冲击。如上所述的，虽然部件36的期望的温度可基于特定的实现方式变化，但这也是可预期的：将部件36加热至聚结后的构造材料熔点的±5℃内的温度通常是足够的。 [0026] 在图23A、图23B中，以对应于第二物体切片34的图案32将聚结剂16施配至沿部件 36两侧的条带中的层30上(图31A中的框156)。在图24A、图24B中，聚结改性剂46施配至层30中的构造材料14上覆盖区域52(图31A中的框158)，区域52围绕聚结剂16的图案32。用聚结剂图案化后的构造材料暴露于光24，如图25A、图25B中所示(图31A中的框160)，以聚结构造材料，且在固化时，形成第二物体切片34。 [0027] 在图26A-图27A、图26B-图27B中，在第二层30上形成覆盖部件36的构造材料14的第三层38(图31B中的框162)，以对应于第三物体切片的图案40施加将聚结剂16(图31B中的框164)。在图28A、图28B中，聚结改性剂46施配至层38中的构造材料14覆盖区域53(图31B中的框166)，区域53围绕聚结剂16的图案40。用聚结剂图案化后的构造材料暴露于光24，如图 29A、图29B中所示(图31B中的框168)，以聚结构造材料，并在固化时，形成第三物体切片42。 现在，将具有嵌入的部件36的熔融的切片28、34和42从如图30A、图30B中所示的结果复合物 10的构造材料中切出来(uncake)(图31B中的框170)。在此示例中，部件36暴露在物体10的每端处，以例如将导电部件36连接到外部电路。 [0028] 图32是图示具有像图12A、图12B和图30A、图30B中所示的物体10的有助于制造复合物体的指令56的处理器可读介质54的框图。处理器可读介质54是任意非瞬态有形介质，可嵌入、包含、存储、或保持指令以供处理器使用。处理器可读介质包括例如：电介质、磁介质、光学介质、电磁介质、或半导体介质。合适的处理器可读介质的更具体的示例包括硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、记忆卡和棒、以及其他便携式存储装置。 [0029] 在一个示例中，复合指令56包括用于将分立的部件的部分或全部埋入熔融的构造材料的一层或多层中的指令。在另一示例中，复合指令56包括用于形成未聚结的构造材料层、聚结每层中的构造材料、以及将部件嵌入到聚结后的构造材料中的指令。复合指令56可包括实现如上面参照图13、图14和图31A-图31B(以及图1A-图12A、图1B-图12B以及图15A-图30A、图15B、图30B中所示的制造序列)描述的示例的增材制造过程的指令。可例如在CAD计算机程序产品中、在物体模型处理器中、或在增材制造机器的控制器中实现具有指令56的处理器可读介质54。例如，可由物体模型处理器中的源应用(通常为CAD计算机程序产品)上的处理器可读指令或由增材制造机器上的处理器可读指令生成制造复合物体的控制数据。 [0030] 图33是图示实现具有处理器可读介质54上的复合指令56的控制器60的增材制造机器58的一种示例的框图。参照图33，机器54包括控制器60、制造床或其他合适的支撑部 62、构造材料层叠装置64、聚结剂施配器18、聚结改性剂施配器50、加热器44、以及光源26。 机器58还包括机器人装置或放置部件36的其他合适的系统66，例如，上面参照图7A-图8A、图7B-图8B以及图21A-图22A、图21B-图22B描述的。 [0031] 处理中的物体结构在制造期间支撑在支撑部62上。此外，在一些机器58中，支撑部 62是可移动的，以补偿处理中的结构(例如，在制造期间随着构造材料层的增加而)改变的厚度。构造材料层叠装置64在支撑部62上以及在下面的处理中的结构上层叠构造材料，且可包括例如施配构造材料的装置，以及将构造材料均匀分布成每层期望的厚度的叶片或辊。施配器18和50选择性地在控制器60的方向施配其对应的聚结剂，例如，如上面参照图13和图31A-图31B所描述的那样。虽然可使用任意合适的施配器18和50，由于它们能够配发聚结剂的精度以及配发不同类型及聚结剂剂型的灵活性，喷墨打印头通常用于增材制造机器中。光源26选择性地在控制器60的方向施加光能，以有助于聚结构造材料。 [0032] 控制器60表示处理器(或多个处理器)、关联的处理器(或多个处理器)和指令、以及需要控制机器58的可操作元件的电路和组件。特别地，控制器60包括具有处理器可读介质54的存储器68，处理器可读介质54具有复合指令56，处理器70用于读取和执行指令56。例如，控制器60将从CAD程序接收控制数据及其他指令，以作为制造物体的过程的部分，制造包括嵌入的部件的物体，以及执行本地复合指令56。 [0033] 可选地，复合指令56可体现为与控制器60分离的处理器可读介质54，例如，作为图 34中示出的CAD计算机程序产品的部分。参照图34，增材制造系统72包括可操作地连接至CAD计算机程序产品74的增材制造机器58，CAD计算机程序产品74具有位于处理器可读介质 54的复合指令56。机器58及CAD程序产品74之间的任意合适的连接可用于向机器58传递指令以及控制到机器58的数据，包括例如有线链路、无线链路、以及像闪驱或光盘这样的便携式连接。 [0034] 如上所述的，光源26对构造材料施加光能，以根据已给予聚结剂的位置或已生成聚结剂的位置，聚结构造材料的部分。在一些示例中，光源26是红外(IR)或近红外光源、或卤素光源。光源26可为一个光源或多个光源的阵列。在一些示例中，光源26配置用于以大致均匀的方式同时对构造材料层的整个表面施加光能。在其他示例中，光源26配置用于仅对构造材料层的整个表面的选择的区域施加光能。 [0035] 可选择物体切片的构造材料、聚结剂、改性剂、及光能的结合，使得(1)不具有聚结剂的构造材料在施加能量时不聚结，(2)仅具有聚结剂的构造材料在施加能量时聚结，或者(3)具有聚结剂和改性剂的构造材料在施加或不施加能量的情况下经受的聚结的修改程度。 [0036] 构造材料可以是粉末、液体、浆糊或凝胶。合适的构造材料的示例包括具有超过5℃(即，熔点及再结晶温度之间的温度范围)的处理窗的半结晶热塑性塑料。合适的构造材料的一些具体的示例包括像尼龙12这样的聚酰胺。构造材料可包括一种材料或具有类似大小的颗粒或不同大小的颗粒的多种材料。构造材料还可包括用于抑制摩擦带电的充电剂(charging agent)和/或用于提高流动性的流动助剂。 [0037] 合适的聚结剂包括具有活性、辐射吸收粘合剂的水性分散体。活性剂可为例如红外吸收剂、近红外吸收剂、或可见光吸收剂。作为一个示例，聚结剂可为包括作为活性材料的炭黑的油墨剂型。此油墨剂型的一种示例市场上称为CM997A，可从惠普公司获取。包括作为活性剂的可见光强化剂的油墨的示例是染料着色墨水以及颜料型彩色油墨。颜料型墨水的示例包括市售的油墨CM993A以及CE042A，可从惠普公司获取。一些聚结剂的水溶液性质使得聚结剂能够渗透构造材料层。对于疏水性构造材料，聚结剂中存在助溶剂和/或表面活性剂可有助于获得期望的湿润。可配发一种或多种聚结剂以形成每个切片。 [0038] 合适的聚结改性剂可分离建造层的各颗粒，以防止颗粒结合在一起以及固化为片的部分。此类型的聚结改性剂的示例包括胶状染料型及聚合物基油墨，以及具有小于构造材料的颗粒的平均大小的固体颗粒。聚结改性剂的分子量及其表面张力应为使得其使改性剂能够充分渗透进构造材料中，以实现期望的机械分离。在一个示例中，盐溶液可用作聚结改性剂。在其他示例中，可从惠普公司获得的市场上称为CM996A和CN673A的油墨可用作聚结改性剂。 [0039] 合适的聚结改性剂可用作通过防止构造材料在加热期间达到其熔点以上的温度来修改聚结剂的效果。显示出合适的冷却效果的液体可用作此类型的聚结改性剂。例如，构造材料用作冷却液体时，对构造材料施加的能量可被吸收，蒸发液体，以有助于防止构造材料达到其熔点。因此，例如，具有高含水量的液体可以是合适的聚结改性剂。 [0040] 可使用其他类型的聚结改性剂。可增加聚结程度的聚结改性剂的一种示例可包括例如：塑化剂。可增加聚结程度的聚结改性剂的另一种示例可包括表面张力改性剂，用于增加构造材料颗粒的润湿性。 [0041] 在一个示例中，改性剂包括无机盐、表面活性剂、共溶剂、湿润剂、杀菌剂、和水。在一些示例中，改性剂由这些成分组成，且没有其他成分。已经发现，部分因为无机盐的存在，成分的这样的特定组合有效地减少或防止聚结渗出。用在改性剂中的无机盐具有相对高的热容量，但相对较低的热发射率。这些特性使得改性剂能够吸收对其施加的辐射(及其关联的热能)，且还能够保留其中的若干热能。因此，如果有的话，非常少的热能从改性剂转移到构造材料。 [0042] 此外，无机盐还可具有比构造材料(且在一些情况下，聚结剂中的活跃材料)的导热性和/或熔点更低的导热性和/或更高的熔点。吸收辐射和热能时，无机盐不熔融，且也不向周围的构造材料传递足够量的热。因此，改性剂可有效地减少构造材料与聚结剂和改性剂接触时构造材料的固化，以及防止构造材料与改性剂单独接触时固化。 [0043] 权利要求中使用的“一个(种)”表示一个(种)或多个(种)。 [0044] 附图中所示的以及上文中描述的示例阐述但不限制要求保护的主题的范围，要求保护的主题的范围在所附权利要求中限定。