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1. CN110997193 - A MACHINE AND A METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL OBJECTS

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一种用于三维物体之增材制造的机器与模式


本专利申请已优先以斯洛文尼亚文提交,其专利申请号码为NO.P-2017-00168,日期为2017年6月13日。
技术领域
本发明是一种粉末材料,用于增材制造(3D列印)打印三维物体,属于材料技术之领域。更具体地说,本发明属于3D列印领域,其中利用质量粒子的动能使粉末状的材料熔化。
发明背景
在Tadeja Muck与Igor合著的《3D-Tisk》一书中(Pasadena,2015年11月,国际标准书号ISBN:9789616661690)详细介绍了3D打印技术,并将该技术分作四类:(i)通过材料挤压(ASTM–材料挤压)制造物体的技术;(ii)通过使用光源选择性固化液态光敏聚合物来制造物体的技术(ASTM:大桶液态光敏聚合,材料喷射);(iii)使用粉末状材料并将其与粘合剂材料粘合一起、或通过使用各种热源将粉末状材料熔化之技术(ASTM-粘合剂喷射,粉末床熔融,直接能量沉积);(iv)通过堆叠和粘合、或层压片状基本材料来制造物体的技术(ASTM–片层压膜)。
在上述所有技术中,透过增材制造的物体打印制作,是按特定顺序制造单个二维(2D)层来执行的,其方法是在一个特定的方向——通常是从高度(即z坐标)处逐渐将一层堆叠在另一层之上。因此,具有限定的最小厚度的各个2D与平坦片层被堆叠一起,并且在高度z坐标的一个方向点上以特定的顺序被熔化、或被激光燃点或熔覆结合。在通过从挤出机头挤出材料来制造物体的3D打印技术中,其单个物体层是逐点制造的,而每个点都有自己的坐标。这些单个点的坐标的打印顺序,是相对于给定堆层的、挤出机头的数量来执行的。因此,这种3D打印方法非常耗时。然而,由于打印头中材料是在材料从打印头排出到专用打印点之前熔化的,所以运用此法可以制作出各种材料的列印。
在3D打印技术中,透过使用光来固化液态聚合物用以制造物体,该技术是基于光敏聚合物二维层的顺序来制造的。在这些技术中,将每个连续的堆层添加到先前已固化的堆层上,然后将随后添加的液态光敏聚合物层的表面照亮、并以此种方式固化。这种3D打印的方法,极大地受制于材料上的选择限制,因为需要使用光敏聚合物来制造打印物体。
在通过粘结或堆叠粉末材料来制造物体的3D打印技术中,该技术也是基于连续的2D片层之制造,然后再通过逐层依次堆叠单个平面二维层、在高度z坐标的方向上逐层分层来制造物体。
技术问题
现有用于3D打印的技术,多为透过二维薄层材料的叠加堆叠来形成,这技术,分别代表了具有打印分辨率或物体外观上的限制。如果需要非常精确地制造在其外部表面具有高打印分辨率的物体,则将需要堆叠适当的薄片材料层。因此,物体在打印方向上所需的打印分辨率、或高度坐标z中的单一片层的厚度,分别确定了所需添加材料层的厚度。而已知的、用于增材制造打印三维物体的技术无法施加较厚的堆层,即使有足够的粘合剂材料、或足够的熔化或固化的能量,想要实现此目的亦无法达成。若要制造出具有光滑外表面的物体,则制造出的堆层必须尽可能地细薄。
根据本公开发明所要解决的主要问题,是针对增材制造打印三维物体的、通过依次堆叠二维材料层所生之问题。其中所述的堆层沿着一个主体的列印方向(三维,通常是在高度z坐标上)堆叠。并且,所堆叠的所述堆层的厚度,还分别确定了物体或其表面的外部边缘,而在此模式下,所述堆层的厚度影响了所制造物体的外观。
先进技术
在文献中,有大量记录描述了关于通过使用局部熔化粉末状材料这样的方式进行增材制造打印物体的技术问题。因此,在下文中的焦点,将集中在一些专利与专利申请中所描述的、使用能量电子光束来熔化粉末状材料的技术。在专利申请案件EP 2 918 396 A1中,描述了一种用于3D物体增材制造的打印机器与方法,是基于使用电子光束的动能将粉末状材料的局部熔化的技术。该机器包括以下部件:一个光束生成器、一个透镜、一个用于控制光束生成器的控制器,以及一个支撑台座,而粉末材料在该支撑台座上被紧密地铺展开来。光束生成器沿朝着单一的粉末状材料薄层之方向产生光束,而透镜用于将光束的焦点适当地分配到所述粉末状材料层的表面上、并将电子光束引导到薄层上的各个位置,粉末状材料则放置在支撑元件上。控制器可以通过以下方式来掌控电子光束生成器:选择地产生脉动、或可产生连续性的电子光束。由于电子与粉末状材料的碰撞,连续生成的电子光束可使材料局部性地熔化。通过移动的光束,在正在制造的、物体的堆层上形成二维层,并重复材料添加过程以及在高度z坐标的方向上打印顺序中的下一层制造过程。物体随即通过在高度z坐标上彼此逐渐堆叠的二维片层来依次制造。所述片层中,较小的二维区域通过顺序地熔化,在单一片层中形成所述堆层。
专利号EP2937163 B1所声明的增材制造打印方法,是基于使用两具单一的电子枪,其中第一具电子枪用于熔化给定区域内的粉末状材料,而第二具电子枪则用于消除粉末状材料上的静电。该机器包括以下部件:两具电子枪、一个真空室、一个支撑台座用于支撑逐渐堆积粉末状材料所形成的薄层,以及,一个用于控制电子枪的控制单元。在上述提到的专利中,粉末状材料以二维薄层的形式紧密地分布在支撑台座上。第一具电子枪,设置为用于熔化材料,并且与粉末床之间呈垂直的方位放置。第一具电子枪会产生电子光束,该电子光束选择性地熔化粉末状材料。第二具电子枪产生第二道电子光束,第二道电子光束被设置作较低的能量用于消除静电,并以相对于样品表面呈倾斜设置、呈45度或更小的倾斜角。第二具电子枪,用于消除由于使用第一具电子光束进行的熔化而聚集在材料中的次级电子。上述提到的专利,是描述一种三维物体的制作,通过将粉末状的二维薄材料层、以逐层逐渐堆叠和熔覆的方式来形成物体。而该专利只使用到第一具电子枪来熔化粉末状材料。
专利申请WO2015/120168 A1描述了一种增材制造系统用的能量枪,其部件包括了多个由光子或电子、或能够熔化粉末状材料的任何其他粒子所组成的能量光束。透镜用于将两道能量光束聚焦到一层粉末状材料上。将能量光束的热点设置在一定距离处,并构造与布置该能量光束,使其以受控的速度一致地移动,并在基板上沿所需方向彼此跟随。第一道能量光束从衬底产生熔池;第二道能量光束用于将熔池加热至一定的、低于熔化阈值的温度。此过程使其能够使用第二道能量光束来控制熔池的凝固速率。而在与电子枪的行进方向相反的情况下,第二能量光束用于产生熔池,而第一能量光束用于后加热以控制熔池的凝固速率。这种增材制造系统能够逐层制造出三维物体。使用粉末撒布机,将粉末状材料施加到构建台上。
专利申请US 2016/0031156 A1描述了一种包括多具打印头的机器,所述的多具打印头位于不同的空间位置,用于将材料挤出到空间内。该机器具有使用磁悬浮或声悬浮来操纵在空间中制造部件的特点。进行磁悬浮的运作,使物体(部件)冷却到低于被打印物的相变温度以下,而该状态会转变作一种超导状态,在如是状态下,物质可反应出理想的反磁性,并且,在磁场中作用于该物质的磁力很高。使用多种声源及适当的声反射器对物体的各个部分进行声悬浮,从而在空间中产生驻波或3D驻波模式。而在机器方面使用多个打印头,这些打印头则以跨空间的方式安置。使用标准打印头将材料施加到最终的打印点,其位置决定了材料的施加。运用多个打印头的组合来制造物体,并改变所述打印头相对于打印物体的空间方向,或者,使用磁悬浮或声悬浮来旋转与操纵所述物体。物体的打印,是基于添加了来自打印头的挤压材料,使用磁力或声波来让物体悬浮。根据以上提到的专利申请的机器,是唯一能够同时从多个打印方向制造物体的机器,然而会受到通过打印头施加材料的限制。这台机器,可以用逐点的方式来制造物体。
本发明与根据该公开专利申请US 2016/0031156 A1的不同之处、在于它比专利申请US 2016/0031156 A1中所描述的机器包含了多个打印头;包含了两个或多个电子束或其他质量的粒子束,用于将粉末状材料熔化成预定的、曲面的熔覆体积。专利申请US 2016/0031156 A1中所描述的发明,是使用磁悬浮与声悬浮来支撑打印物体或其组装部件;根据发明的公开内容所描述的一种机器与方法,是已打印物体部分被机械支撑,而磁悬浮的作用则是将粉末材料运输并施加到预定的熔覆体积中。
解决技术问题
所描述的机器与运作模式,使其能够使用粒子束进行附加式地制造物体,从而以逐点、逐区域及逐层的方式来制造物体。
关于使用粒子源进行材料熔化的主题的当前专利、专利申请或其他文件的概述表明,上述技术方案均未使用过两个或多个粒子簇的总和,即具有从两个或多个粒子源发出的质量,并且,总和是在预定义的时间以及预定义的三维空间(以下称“体积”)中发生的。根据本公开发明的目的,是要将材料熔化到预定义的、具有曲面的三维空间(以下称“熔覆体积”)中。所有上述技术(使用粒子束)都可以通过将一个薄状的、几近平坦的二维层堆叠并熔覆在另一个堆层上来制造出三维物体。在单一片层中,熔覆既可以透过逐点的方式进行,也可以通过单个堆层表面顺序区域的熔覆来进行。
根据本公开的发明与所有上述技术的不同之处,在于粉末状材料是使用从多个质量较大的粒子源单独发出的、两个或多个粒子簇的能量之和来将材料熔化到预定义的、具有曲面的三维熔覆体积中。这意味着,材料将仅在三维空间的那些体积的部分中熔化。在三维空间中,两个或多个粒子簇在空间与时间上重叠,或者,构成所述粒子簇的光束分别相交。
在熔覆体积中,由两个或多个粒子源所施加的能量加起来、并且高于熔化粉末材料所需的能量。以下公开一些使用电子(电子枪)的示例实施例,然而,所公开的发明并不受电子的使用所限制,因为可以使用任何质量的粒子,而这些粒子能够在碰撞过程中通过将粒子动能转移到粉末材料上来将材料加热。每个粒子源发射的光束,包含了一个包括多个粒子簇的簇系列。两个或多个粒子源以某种方式在空间上定位,在一个或多个实体中从所述粒子源发射的光束在空间上相交。粒子束的相交,在预定的时刻会形成一个或多个具有曲面的相交体积。分别使用磁悬浮或电力或静电拉力、将粉末状材料转移到粒子簇的空间相交体积中。粉末状材料仅在三维空间的那些、称为熔覆体积的部分中熔化,该部分在相交实体内,且其中的粒子簇在空间上及时重叠。因此,密度与可用动能,都高于熔化粉状材料所需的能量阈值。通过预定,从位于不同空间位置的至少两个粒子源发射的粒子簇到达之间的时间延迟,并且如有必要,通过控制粒子源的其他参数,可以改变熔覆体积的形状与位置,并以此方式熔化所需形状与数量的粉末状材料。
所描述的机器与运作模式,使其能够使用粒子束进行附加式地制造物体,从而根据逐点或逐区域或逐层制造的原理来制造物体。根据本公开发明所述,以任意逐个熔覆体积的方式来进行3D物体的增材制造——透过使用两个或多个粒子源,以受控与预定义的方式来发射质量与空间及时间重叠的单个粒子簇。根据本公开发明所述,三维物体的制造不受薄的二维层的逐步堆叠、或这些堆层的厚度所束缚,所述的二维层同时还限定了物体的外观。本文所述的发明,也不受可同时打印的打印体积的数量之限制,因为两个或更多个粒子束可以产生多个相交实体,因此可同时熔覆位于空间中不同位置的、多个熔覆体积中的材料。根据本发明所述,发明实现了空间独立的打印,这意味着可在物体内部制造较大的打印实体,因此。以这种方式能使打印过程更快,而且可以在打印物体的表面制造出较小的打印体积。以这种模式,实现了期望在物体表面上的、更高的打印分辨率,并因此改善了打印物体的外观,同时,通过制造更大的打印体积可更快地印出物体内部的部件,这可以通过增大熔覆体积来实现。根据本发明的机器与方法,也与所有其他上述机器与方法有所不同,其不同之处在于:本机器在针对施加材料方面,在粉末状材料上使用了磁力或静电作用。这使得能够将粉末状材料运输、或施加到三维空间的预定体积部件之际,在该三维空间中进行物体的打印体积的制造。因此,根据本发明的方法与机器,平面二维层在第三方向z坐标上的逐步堆叠并且不受限制。
在下文中,“具有质量的粒子”一词将简称为“粒子”。由于本文描述的发明不同于其他已知发明,故本文所使用的术语是新创的,因此特在下文中注明本文中所使用之术语的定义。为清楚定义以下术语,以下专门说明用于描述本发明的术语:
体积:应理解为是一个特定的三维空间,带有边界或外部表面;
曲面体积:是一种三维表面,其外部表面是弯曲或带有弧度的,并且其大小不受限制(即曲面体积本身是受限制的,然而在制造过程中可以具有各种大小尺寸)。因此,曲面体积既非具有特定高度的二维层,亦非具有永久固定大小尺寸的一个小点。曲面体积是用于描述任意多个点的术语,这些点描述了三维空间中任意大小的、一个封闭曲面的内部;
打印体积:是一种曲面体积,从粉末状材料102的出口、到容器101上的塞子103、乃至已打印物体1000以及从粉末状材料102的出口所经过或应执行的所有打印步骤。通过使用多向支撑系统机械化设置110或机械化设置114来移动所述物体部分1000。术语“打印体积”的目的用于表明:a)一个在模拟器8中创建的虚拟打印体积;或b)一个正在制造的真实物体内部的真实打印体积,例如物体3(图14);
熔覆体积:是一种曲面体积,其中从至少两个粒子源11、12发射的粒子的动量密度超过用于制造物体(例如物体3)的粉末状材料102的熔化阈值,使用机器1以及根据所公开的发明模式运作;
相交体积:是一种从至少两个粒子源11、12发射的、透过至少两个光束E 1 、E 2 相交并且形成熔覆体积280的曲面体积;
除非另有说明,否则术语“或”在本文中的意义均是合称的替代。
诸如“一个”、“一种”与“该”之类的术语,并非旨在仅指单数实体,而是包括其通用之类别、其可用于说明之特定示例。本文中的术语用于描述本发明的特定实施例,然而,它们的使用并不限制在本发明的范围内,除非在专利请求项中有所概述。
简要说明附图
以上已概括描述了本发明,以下呈上参考附图。这些附图未必按比例绘制,并且其中
图1是在一个示例性实施方式中描绘了根据本发明的方法与机器操作之基本原理,其中包括两个发射粒子簇的粒子源,所述粒子簇同时到达围绕所述粒子源的几何轴的交点的区域、并以此方式产生特定的相交体积;
图2描绘了从第一粒子源与第二粒子源发射的、粒子簇之间的时间延迟对相交体积的位置、形状,以及粒子密度总和的影响;
图3描绘了通过延长脉冲的持续时间、并使发散变大来增大单个粒子簇对相交体积的影响;
图4描绘了在该示例中改变粒子源的发散、以及改变粒子源的几何轴之间的角度,对由多个较小的相交体积组装而成的、相交体积的影响;
图5描绘了发明方法与机器操作的基本原理之示例实施例,其包括两个发射粒子簇的粒子源,所述粒子簇彼此相向移动,并且所述粒子源的几何轴之间的角度为180度;
图6描绘了发明方法与机器操作的基本原理之示例实施例,该方法与机器操作包括:以成对的组合方式布置的六个粒子源,在一对单个粒子源中发射的粒子会行进彼此的相对移动,并且,一对单个粒子源的几何轴之间的角度为180度。成对的单个粒子源,被布置成使得所述源的所有几何轴、都在一个点处相交;
图7描绘了机器的示例实施例,本机器包括两个粒子源、用于粉末状材料的磁悬浮系统、用于粉末状材料的静电拉动的系统,以及用于支撑所制造的物体的支撑系统;
图8描绘了该机器的示例实施例,该机器包括两个粒子源、以及用于粉末状材料的磁悬浮的系统。其中,粒子源的排列方式使光束的轴线位于垂直于绕组几何轴线的平面上;
图9描绘了用于增材制造系统来打印物体的机器之示例实施例。该机器包括:三个独立的脉动粒子源、用于粉末状材料的磁悬浮系统,以及三个用于粒子源的独立线性机械化设置;
图10描绘了用于增材制造系统来打印物体的机器之示例实施例。该机器包括:三个独立的脉动粒子源、用于粉末状材料的磁悬浮系统,以及用于其中一个粒子源的圆形机械化设置;
图11描绘了用于增材制造系统来打印物体的机器之示例实施例。该机器包括:四个独立的脉动粒子源、用于粉末状材料的磁悬浮系统,以及用于粉末材料的定量给料的系统。其中机器的所示示例实施例具有四面体的几何形状;
图12出示了用于增材制造系统来打印物体的机器之示例实施例。该机器包括:六个独立的脉动粒子源、用于粉末状材料的磁悬浮系统,以及用于粉末状材料的定量给料的系统。其中机器的所示示例实施例具有立方几何形状;
图13是本发明的增材制造方法的流程图之示意图;
图14描绘了正在制造的示例性的物体横截面示意图,并且将该物体在空间上划分为一系列的单个打印体积,在该示例中为球形与壳状。这样一个空间划分的示例,可以使用包含了六个粒子源的机器来实现。在所描绘的示例中,熔覆体积表现出类似于球形或壳状的形状。并还描述了后续的打印体积;
图15描绘了示例性物体在空间上划分为一系列打印体积的示例,并且示意性地示出了主要可能的同时打印方向;
图16示出了利用两个粒子束将粉末状材料添加到已打印部分物体上之原理,以及,一个用于将粉末状材料的静电拉到已打印物体部分表面上的系统。
发明详述
下文中的参考附图将更全面地描述本发明的各种实施例,在附图中所示出的,是本发明的部分而非全部的实施例。实际上,本发明的实施例可以透过许多不同的形式来体现,且不应被视作限于在此阐述的实施例。而提供这些实施例,则是为了使本公开发明能够满足适用的法律要求。
图1是描绘在一个示例性实施方法中根据本发明的方法与机器操作的基本原理,其中,用于熔覆材料以制造三维物体的粒子是电子。图1示出了根据本发明的机器之一部分,并且包括了第一粒子源11与第二粒子源12,两者均发射电子,因此在该示例中,所述粒子源11、12是为电子束形成枪。粒子源11,在所述粒子源11的几何轴13的方向上发射粒子束E 1 。粒子源12,在所述粒子源12的几何轴线14的方向上发射粒子束E 2 。粒子源11配备了磁透镜系统18,该磁透镜系统用于成形半径r 1 ,发散α以及相对于几何轴13的方向偏转的光束E 1 。粒子源12配备了磁透镜系统19,该磁透镜系统用于成形半径r 2 ,发散β以及相对于几何轴14的方向偏转的光束E 2 。粒子源11的几何轴13及粒子源12的几何轴14在空间上彼此相对,呈角度Ω 1 的布置,并且在交点15处相交。粒子源11由控制单元CT 1所控制,机器将控制信号CTRL 1发送到该位置;粒子源12由控制单元CT 2所控制,机器将控制信号CTRL 2发送到该位置。
控制粒子源11、12的控制信号CTRL 1、CTRL 2及时地同步,并且在该示例性实施例中,在从第一粒子源11发射的簇与从第二粒子源12发射的簇之间未有时间延迟。粒子源11,发射了通过粒子源11及时脉动而产生的簇系列16。粒子源12,发射了通过粒子源12及时脉动而产生的簇系列17。簇系列16的强度或在单位时间(即通量)中通过假想表面S的粒子的数量、其时间不是恒定就是变化。图1描绘了示例实施例,其中颗粒的通量随时间从值j=0改变到由颗粒的密度g 1 ,乃至它们的行进速度v 1 确定的某个任意值j。粒子通量的变化可以是周期性的,亦可具有任何其他预定义的时间依赖性。以这种方式,分别从粒子源11、12实现脉冲或(更好的形容)簇系列16、17的发射。其中,所述簇系列16、17包括:以预定的时间间隔彼此跟随的、多个单一粒子簇。簇系列16中的各个粒子簇具有行进速度v 1 、长度L 1 ,而且彼此相距了距离D 1 ,该距离D 1 是没有颗粒的体积部分的长度。簇系列17中的各个粒子簇具有行进速度v 2 、长度L 2 ,而且彼此相距了距离D 2 ,该距离D 2 是没有颗粒的体积部分的长度。簇系列16中,单一粒子簇的长度L 1 由颗粒从颗粒源发射的持续时间与颗粒的行进速度v 1 来定义。团簇系列17中,单个颗粒簇的长度L 2 由颗粒从颗粒源发射的持续时间与颗粒的行进速度v 2 来定义。用于操作颗粒源11、12的所有组装零件与参数包括但不限于:脉动;因此产生长度L 1 、L 2 与距离D 1 、D 2 ;通过操纵粒子源11、12中的粒子加速电压U 1 、U 2 来定义粒子行进速度v 1 、v 2 ;定义粒子通量j 1 、j 2 ;使用磁透镜18、19的系统来控制散度α,β以及其光束E 1 ,E 2 的偏转。
此外,图1示出了沿着所述粒子源11、12的几何轴13、14的方向发射簇系列16、17的两个粒子源11、12的瞬时描绘。其中所述簇系列16、17在空间上及时地相互布置,从而从不同粒子源11、12发射的两个预定粒子簇同时到达,并重叠在围绕所述几何轴13、14的交点15的体积部件中。显然,在簇系列16与17中的行进簇能够以特定的预定时间间隔、在束E 1 、E 2 的相交体积28中创建粒子密度的总和g,在此特定时间间隔内,颗粒簇的密度g 1 、g 2 进行组装光束E 1 、E 2 的重叠。图1示出了在相交体积28中的颗粒密度g 1 、g 2 之和g为最大值时的方法与机器操作的基本原理的示例实施例。在相交体积28中,颗粒密度的增加将及时地继续,并且,将通过重叠两个连续的具有长度L 1 、L 2 以及它们之间的距离D 1 、D 2 的粒子簇而重复。粒子的空间局域化的总和通量j=j 1 +j 2 ,以这种方式产生了时间上的脉动。簇系列16中的各单一粒子簇表现出速度矢量,簇系列17中的各单一粒子簇表现出速度矢量;因此相交体积28的速度矢量等于速度矢量和的矢量,以及,在所述速度矢量和速度相等并且两个簇系列16、17中的各个簇具有相同的粒子通量(j1=j2)的情况下,相交体积28的产生方向是在光束E 1 和光束E 2 之间的对称线方向上。
在下文中描述中,图1说明了在使用机器1的打印过程100(图13)期间粉末状材料102(图7)打算融化,添加粒子源11、12开始发射粒子,从而导致空间局部以及g(图1,指示区域)相交体积28中的粒子密度g 1 ,g 2 的变化。由于从粒子源11、12所发射的两个光束E 1 、E 2 的密度之和(g 1 +g 2 )为g,相交体积28的一部分中的动能密度足够高,足以克服熔化该粒子束所需的能量阈值。在电子簇重叠的时间间隔内,粉末材料位于熔化体积280内。在从粒子源11、12发射的颗粒与粉末材料102碰撞期间,颗粒将其动能转化为热量,因此使粉末状材料在相交体积28的一部分内熔化,而该相交体积就称作熔覆体积280。
一个机器的基本运作原理与方法的实施例,如图2描绘了从粒子源11发射的簇系列16与从粒子源12发射的簇系列17之间的时间延迟t f 的影响。图2示出了两个在空间上定位的粒子源11、12,它们均配备有其自己的磁透镜系统18、19,并且均在所述粒子源的几何轴13、14的方向上发射适当成形且脉动的粒子束E 1 、E 2 。粒子源11、12的几何轴13、14在相交点15处相交。粒子源11在时间上脉动,并且产生包括簇系列16的粒子束E 1 ,该簇系列16包括单个粒子簇160、161、162、163、164,它们之间的距离为D 1 。粒子源12在时间上脉动,并且产生包括簇系列17的粒子束E 2 ,该簇系列17包括单个粒子簇160、161、162、163、164,它们之间的距离为D 2 。在该示例中,长度L 1 等于长度L 2 ,并且粒子行进速度v 1 等于v 2 。相对于从粒子源12发射的簇系列17,从粒子源11发出的簇系列16具有时间延迟。如此,相对于从粒子源12发出的粒子簇170、
171、172、173、174的到达,单个粒子簇160、161、162、163、164会以时间延迟t f (相移)的方式到达交点15。因此,时间延迟t f 导致空间偏移ΔD。将簇系列16相对于簇系列17延迟时间t f 会显着影响粒子束E 1 、E 2 的相交体积28中的粒子密度之和g。出示在图2的是在特定时刻重叠的簇系列16、17的瞬时图片,并且标记了当前的相交体积。
使用时间延迟t f 实现簇系列17相对于簇系列16的空间偏移,并造成传输路径的差异,该传输路径的差异,影响光束E 1 、E 2 的相交体积28的位置与形状,并导致所述相交体积在相交体积28中,从交点15向外偏移。
此外,本发明据称,通过使用单一粒子簇之间的时间延迟t f ,例如簇系列16、17中的单一粒子簇160、170,并且通过使用光束E 1 、E 2 的受控发散α、β,相交体积28的行进方向可被操纵。正如图1所示,相交体积28中局部粒子密度g最大的行进速度与方向等于簇系列16、17中行进的单一粒子簇160、170的速度矢量的矢量和。
带有粒子源11、12的磁性透镜18、19的系统,可以附加地操纵相交体积28的位置与形状。磁透镜18、19系统,是用来控制散度α、β,以及偏转光束E 1 、E 2 。由于此应用程序的复杂性,尽管根据所公开的发明之机器与方法、该偏转代表了其操作的组成部分,然而在任何一个附图中却都未能单独示出光束E 1 、E 2 的偏转。
图3描绘了示例实施例的机器与方法之基本操作原理,其中从粒子源11、12发射的单一组装簇系列16、17比图1与图2中所示的更长而且更宽。在该示例实施例中,认为:簇系列16中的单一粒子簇的长度L 3 比图1中所描绘的长度L 1 长。如图1所示,散度α 1 比图1所示的散度α宽。如图1所示,光束E 1 的直径r 3 (图3)比图1所示的半径r 1 宽。如图1所示,长度L 4 (图4)在串联的簇系列17中比图1所示的长度L 2 长,如图1所示,散度β 1 比图1中的散度β大,如图1所示,并且光束E 2 的直径r 4 (图3)比图1所示的半径r 2 大,如图1(L 3 >L 1 、L 4 >L 1 、α 1 >α、β 1 >β、r 3 >r 1 以及r 4 >r 2 。)所示。
控制信号CTRL 1与CTRL 2的一部分是脉动的,这些部分控制加速电压U 1 、U 2 (图3)并导致发射具有特定长度L的、簇系列16、17中具有特定长度L的单一粒子簇。在图3中所述,控制信号CTRL 1、CTRL 2的脉动部分是利用比示例性实施例中更长的脉冲来实现的,如图1所示。散度α1、β1由控制信号CTRL 1、CTRL 2的另一个专用部分所控制,用以确定散度α、β,并且在图3所示的示例中,散度α、β比图1所示的大。粒子簇的相交体积28以这种方式在空间上扩大,但仍位于中心位置(意味着其中心点与相交点15重合),因为,在此示例实施例中,簇系列16与17之间没有时间延迟t f
通过延长控制信号CTRL 1、CTRL 2的专用部分内单个脉冲的持续时间(降低脉冲频率)来控制加速电压U 1 、U 2 ,可以增加相交体积28在几何轴13、14方向上的长度,并由此获得包括长度L 1 、L 2 的簇系列16、17的发射。随着散度α、β的逐渐增加,可在垂直于几何轴13、14的方向上获得更宽的熔覆体积280。熔覆体积280,是相交体积28的三维部分,定义为体积部分,其中所施加的动能高于材料熔化所需的能量阈值,因此,所述能量导致粉末状材料102的熔化(图7)。熔覆体积280与相交体积28被分别标出,因为有可能并非相交体积28的所有体积部分都能满足熔融粉末状材料102(图7)所需的能量条件。虽然如此,出于描述的目的,在本发明中,术语“相交体积”28通常用于描述熔覆体积280。出示在图3的,是熔覆体积280,其大小与相交体积28相同。当长度L增加时,所述长度L是从多个粒子源11、12发射的簇系列16、17中的单一粒子簇的长度,则相交体积28中的总施加能量也同时增加。熔覆体积280(指示区域280)的大小,可以通过控制适当的方式来适当地设置,其方法是适当地选择簇系列16、17中单一粒子簇的长度L,或者,通过适当地调整粒子束E 1 、E 2 的散度α、β。使用电磁透镜18、19的系统来控制粒子束E 1 、E 2 的散度α、β,该电磁透镜通过控制单元CT 1、CT 2由控制信号CTRL 1、CTRL 2的专用部分来控制。控制信号CTRL 1、CTRL 2是由所述控制信号之不同部分组成,它们分别包含了表示为时间函数的同步控制,以及用于在打印过程中的所需时间管理粒子源11、12的所有组成部分。控制信号CTRL 1、CTRL 2的部分,包含经过时间调整的控件、用于管理散度α、β、偏转、粒子矢量速度、颗粒密度g 1 、g 2 ,以及用于产生粒子簇的粒子加速电压U 1 、U 2
在下文中解释两个粒子源11、12的几何轴13、14之间的角度Ω 1 如何及时影响相交体积28的形状、其形状的展开以及行进的方向。为了清楚起见,图4描绘了机器与方法的基本原理之示例实施例,该方法包括两个脉冲粒子源11、12,其放置在同一平面(见平面图)上,并且,其中角度Ω 1 在此情况下,其粒子源11、12的几何轴13、14之间的角度呈Ω 1 <90度。
图4示出了两个发射簇系列16、17的粒子源11、12,它们彼此同步,并且在它们之间没有任何时间延迟t f 。使用磁透镜18、19的系统使两个光束E 1 、E 2 发散一定量,使得它们在围绕交点15的体积部分中变宽。可以从图4明显看出,在这种情况下粒子束E 1 、E 2 的相交体积28被分成多个较小的相交体积,依次用45、46、47、48、49与410来编号。因为簇系列16与17以矢量速度行进,并且它们的几何轴13、14之间的角度Ω 1 照原样存在。所以,从图4中可以明显看出,相交体积28及其较小的相交体积45、46、47、48、49与410将以矢量速度沿直线方向对称性地行进於几何轴13、14之间。在任何给定时刻,多个较小的组成相交体积45、46、47、48、49、410都可以实现沿着矢量和的方向行进的状态,矢量和是各个矢量速度的和。
在至少两个具有相同脉动频率(即长度L 1 等于长度L 2 且距离D 1 等于距离D 2 )的适当脉动的粒子束E 1 、E 2 之间施加时间延迟t f 的情况下,较小的相交体积45、46、47、48、49、410的矢量速度可以在从几何轴13与14之间的对称线向外的任意方向上进行修改。此外,本发所明声称的、较小的相交体积45、46、47、48、49、410的速度矢量的方向,可以通过修改从粒子源11、12发射的粒子通量j 1 与j 2 来操纵。
各个较小的组成相交体积45、46、47、48、49、410,如图4所示,可呈现出拉长的、扁平的三轴椭圆之形状。较小的相交体积48的最大长度A,由单一粒子簇160、170的长度L 1 、L 2 确定,在该示例中,它们以角度Ω 1 重叠。最大宽度B,是较小的相交体积48的宽度,并且由两个粒子源11、12发射的光束E 1 、E 2 的横向重叠,以角度Ω 1 确定。宽度B的最大值,取决于发散量α、β。发散量α、β定义了在特定时刻t在角度Ω 1 下重叠的粒子簇160、170的最大半径r 1 、r 2 ,并且,以此方式创建了在此示例中较小的组成相交体积48。椭圆形48的高度或第三轴,由于被定向到图像的深度位置,在这里看不见,而且其深度取决于角度Ω 1 、散度α、β与长度L 1 、L 2
这样各个较小的组成相交体积45、46、47、48、49、410的形状,总和起来构成了总相交体积28,如图4所描绘,其类似于椭球,并且由粒子束E 1 、E 2 的散度α、β、粒子源11、12的几何轴13、14之间的角度Ω 1 和控制信号CTRL 1、CTRL 2的部分中的控制形状,这些信号,确定了在时间t内经由粒子源11、12上的加速电压U 1 、U 2 射束E 1 、E 2 的脉动,并因此创建了单一粒子簇160、170,在簇系列16、17中具有预定长度L 1 、L 2 。所述控制信号CTRL 1、CTRL 2的部分,可以具有不同时间函数的形状(正弦波、方波,或任何其他形状)。图1、2与3描绘了示例实施例,其中控制信号CTRL 1、CTRL 2的所述部分确定了粒子源11、12的脉动,呈现时间的方波函数的形状,而在图4中所示,该形状是为正弦曲线。
在下文中描述的是示例实施例图5,图5示出了从两个粒子源11、12发射的两个簇系列16、17的瞬时图像,两个粒子源11、12被定位成使得它们在彼此朝向彼此的方向上发射、具有相等长度(L 1 =L 2 )的单一粒子簇160、170,因此,角度Ω是180度,并且其中所述角度Ω是所述粒子源11、12的几何轴13、14之间的角度。簇系列16、17在它们之间是同步的,并且在它们之间没有施加时间延迟t f ,这意味着,从粒子源11发射的簇系列16中的单一粒子簇160与从粒子源12发射的簇系列17中的单一粒子簇170,两者同时到达相交点15周围的体积部分。距离20标记从粒子源11到交点15的距离,距离21标记从粒子源12到交点15的距离。如果距离20与距离21不同,则可以通过适当的时间延迟t f 实现单一粒子簇160、170的同步到达,该时间延迟可以用于填补距离20与12之间的差异、或行驶速度v 1 与v 2 之差。在这样的示例性实施例中,可以明显从图5看出,如果重叠的单一粒子簇160、170为圆柱形,则在粒子簇重叠的整个时间期间,相交体积28的形状可以类似于圆柱体。这种圆柱形的相交体积28的长度,将在粒子簇重叠的时间内改变,这种相交体积28的最大长度与单一粒子簇160、170的长度L 1 、L 2 相同,即产生了这样的相交体积28。在该示例实施例中,单一粒子簇160、170的横截面是圆形的。因此,所描绘的相交体积28是半径为r 1 的圆柱体。通过对通量j 1 、j 2 或散度α、β的强度进行适当的调制,可实现单一粒子簇160、170所具有的任何其他形状。代替粒子簇160、170的圆柱形体积,单一粒子簇160、170可以成形例如为正弦波的一半,如图4所示,或者,以任何其他预定的方式成形。为清楚起见,在描述相交体积28时,如图1-3以及图5描绘了使用部分控制信号进行脉动,形状为方波函数,而发散度α、β在脉动期间不发生变化,因为,以这种方式更容易描述颗粒在高密度与低密度之间的界限。然而,在使用一部分以正弦函数形式脉动的控制信号的情况下,以正弦函数形状且彼此行进的、两个簇的相交体积28将形成触觉形状的旋转对称物体。这种触针的横截面是圆形的。如果同时使用正弦函数来调制散度α、β,则单一粒子簇160、170的形状可以呈现出球形来。因此,多个粒子簇的相交体积28也可以成形为球状。
从图5中,更容易想象相交体积28的位置(图1-3)在从粒子源11、12发射并且在相交体积28中重叠的单一粒子簇160、170的情况下,时间被延迟。如果从粒子源11发出的簇系列16将比从粒子源12发出的簇系列17超前行进,并且粒子源11在到达交点15的距离20与粒子源12的距离21相同,则簇系列16、17将在更靠近粒子源12的体积部分中重叠。簇系列16中的单一粒子簇160将向前行进、并已经经过交点15。而与此同时,簇系列17中的单一粒子簇170仍不会到达相交点15。可以使用预定义的时间延迟t f 来确定相交体积28的位置,该时间延迟t f 适用于从两个单独的粒子源11、12发出的簇系列16、17中的单一粒子簇160、170。
图6描绘了包括六个粒子源11、12、61、62、63、64的示例实施例,这些粒子源在空间上布置成使其产生3对粒子源的设定。在每对的布置中,各个组成粒子源彼此相对(彼此面对),并且所述对为:第一对包括粒子源11与12,第二对包括粒子源61与62,第三对包括粒子源63与粒子源64。所述粒子源通过控制单元CT 1、CT 2、CT 3、CT 4、CT 5、CT 6分别由控制信号CTRL 1、CTRL 2、CTRL 3、CTRL 4、CTRL 5、CTRL 6来管理。控制单元CT 1、CT 2、CT 3、CT4、CT 5、CT 6根据控制信号管理粒子源11、12、61、62、63、64,因此控制参数,例如:各个粒子簇的长度L 1 、L 2 、L 3 、L 4 、L 5 、L 6 、时间延迟tf、散度α 1 6 ,通过加速电压U 1 、U 2 、U 3 、U 4 、U 5 、U 6 确定的能量、矢量速度以及密度g。
出示在图6的,是相互布置的3对粒子源,使得所述源的所有几何轴在单个交点15处相交,并且,成对的粒子源的几何轴以角度Ω 1 、Ω 2 与Ω 3 相交。所有粒子源11、12、61、62、63、64均单独装有磁透镜系统18、19、69、70、71、72,彼此同步,并且,发射出簇系列16、17、65、66、67、68,在速度矢量的方向上同时显示,因此每个粒子源都朝着每一对粒子源中的另一个粒子源发射簇系列。在第一对粒子源中,粒子源11粒子束12在朝向相反的粒子源12的方向上发射簇系列16,并且,所述粒子源12朝粒子源11发射簇系列17,这导致所述簇系列16与17彼此行进。类似地,在第二对粒子源中,粒子源61向粒子源62发射簇系列65,并且,所述粒子源62向粒子源61发射簇系列66,这导致所述簇系列65与66彼此移动。类似地,在第三对粒子源中,粒子源63向粒子源64发射簇系列68,并且,所述粒子源64向粒子源63发射簇系列67,这导致所述簇系列67与68彼此移动。簇系列16、17、65、66、67、68中的预定义粒子簇同时到达围绕交点15的体积部分,交点15与所有六个粒子源11、12、61、62、63、64均等分离。在以下所示的示例实施例中,图6描绘了从粒子源11、12、61、62、63、64发射的光束发散相同。此外,声称所述发散有可能不同。此外,本发明声称,其偏转可以不同,其中所述偏转是从粒子源11、12、61、62、63、64发射的不同光束之一,并且是由磁透镜18、19、69、70,71,72系统来产生。
显然,在使用适当成形的控制信号的示例实施例中,所有簇系列16、17、65、66、67、68的相交体积28可以是直径为2R且中心为相交点15。本发明声称,可以通过控制控制信号CTRL 1-6的那些部分来改变相交体积28的直径2R,这些部分,确定了发散α 1 6 和从粒子源11、12、61、62、63、64所发出的、单个光束的脉动形状。在以下所示的示例实施例中,图6使用方波形状的脉冲对所述光束进行脉动,并且相交体积28在球体与立方体之间的某处成形,其形状类似于球体。此外,在以下所示的示例实施例中,如图6,清楚地描绘了从相交点15向外的矢量速度的所有方向上的相交体积28的空间对称性。
此外,本发明声称,该机器与操作模式的基本原理的示例实施例是可能的,其中多个粒子源的几何轴,例如粒子源11、12、61、62、63、64在空间中的多个相交点处相交。此外,本发明声称,该机器与方法的示例实施例是可能的,其中诸如11、12、61、62、63、64的多个粒子源的几何轴以不同的角度Ω相交。在打印过程中也会发生变化。
具体实施方式
以下根据图7、8、9、10、11、12将详细描述用于增材制造系统打印三维物体之机器的一些示例实施例。
图7描绘了用于增材制造系统打印三维物体的机器之示例实施例,该机器包括:两个粒子源11、12,它们在空间上布置成可使得它们的几何轴13、14在相交点15处相交。该机器配备有两个绕组105、106,分别承载用于产生磁场B的电流I。绕组105与106具有共同的几何轴107。绕组105、106分别独立地连接至由控制信号CTRL B1、信号CTRL B2所控制的控制单元CT B1、CT B2上。在机器打印空间2中,可以使用绕组105、106来实现时变且空间上不均匀的磁场B,从而利用磁力到预定位置来实现粉末状材料102的磁悬浮与输送。在相交体积28中,在该相交体积中的粉末状材料102在打印过程100(图13)中熔化,以用于制造处预定义的三维物体,例如物体3。机器1的印刷空间2,是机器1内部最大的区域,在该区域可以运输并熔化粉末状材料102,因此标记了可以进行制造的真空室116内部的整个空间。
控制单元CT 1、CT 2由控制信号CTRL 1、CTRL 2所控制,并用于管理从粒子源11、12发射的光束E 1 、E 2 的参数。出于控制目的,经由控制单元CT B1的控制信号CTRL B1、以及经由控制单元CT B2的控制信号CTRL B2确定在打印过程100期间流经绕组105、106的电流I的幅度与方向(图13)。此为将粉末状材料102输送到熔覆体积280中的过程(图3)。通过改变流过绕组105、106的电流I的方向、或调制幅度或相位来实现适当的磁场B,该磁场确保粉末状材料102输送到相交体积28内的所需部分中。
粉末状材料102用于制造三维物体,例如物体3(图14)在打印过程100(图1)中,粉末存储在容器101(图7)内,在打印过程100操作之前。粉末状材料102(图7)的计量,由位于容器101出口的塞子103来进行管理。在打印过程100期间,通过控制单元CT C1透过控制信号CTRL C1来控制塞子103的打开与关闭(图13)。因此,能够以这种方式来添加预定量的粉末状材料102。产生磁场B的绕组105、106,可以位于真空室116的内部或外部。支撑已打印的物体部分,例如1000(图16),是分别使用空心圆柱体或支撑杆109来达成的,其由具有极高熔点的材料、或熔点明显高于粉末状材料102(图7)的熔点之材料所制成,分别用于制造物体,例如物体3(图14)。导电针115放置在支撑杆109的中心,并在一侧到达交点15(图7),而在另一侧,导电针115连接到开关111、开关112与开关113上,它们通过控制单元CT F1、以控制信号CTRL F1操作。开关111在去除过多的带电粒子期间将导电针115接地,开关112将导电针115连接到比粒子源11、12的电势更高的电势W 1 (+),并且开关113连接导电针的电位W 2 (-)低于粒子源11、12的电位。导电针115与粒子源11、12形成整个电路,该电路通过一个真空或类似于真空室的真空室116中的环境连接,因此所述导电针115可以去除粒子的负电荷或正电荷。电荷可以积聚在制造物体的表面上,并将所述电荷转移到导电针115上。放置在支撑杆109的中央的导电针115的电连接到已打印物体部分的表面,例如已经打印的物体部分1000,如图16所示,在添加粉末材料期间。当这样的示例性已打印物体部分1000在打印过程100期间变大(图13)、并且如果需要时,机械化设置114(图7)有外部支撑杆109的支撑,使得所述支撑杆109能够从这样的、已打印物体部分1000处移开,使得所述支撑杆109仍可以机械地支撑已打印物体部分1000(图16),譬如在给定示例中。机械化设置114,如图7所示,是由具有控制信号CTRL D1的控制单元CT D1来管理的。一个多向支撑系统机械化设置110,还使得这种已打印物体部分1000成为可能(图16)启动支撑杆109(图7)导电针115,与已打印物体部分1000(图16)的运动,以改变相对于粒子源11、12的空间位置(图7),透过打印过程100(图13)。这样的已打印物体部分1000,如图16所示,在打印过程100中变得更大(图13),并以此方式在机器打印空间2中创建出某些区域,即光束E 1 、E 2 较难到达的位置,并且位于光束E 1 、E 2 产生的阴影中,以及上述已打印物体部分1000的后方部位(图16)。多向支撑系统机械化设置110,如图7所描绘,能够使已打印物体部分1000、导电针115以及支撑杆109运动,从而使已打印物体部分阴影中的所述区域最小化。因此,通过多向支撑系统机械化设置110解决了已打印物体部分(例如已打印物体部分1000)之阴影中所不可达到的区域之问题(图7)。这使得能够在任何方向上顺序进行并制造出所需的打印体积。多向支撑系统机械化设置110,还使得这种已打印物体部分1000,如图16中所示的旋转方向上,以围绕支撑杆109的轴线旋转。
图8描绘了机器1的示例实施例(图7)用于包括三个粒子源11、12,以及两个绕组105、106之三维物体的增材制造。粒子源11、12的几何轴13、14垂直于两个绕组105、106的公共几何轴107。本发明声称,机器1的组成部分的几何轴13、14、107(图7)在不同示例实施例中的机器1上,可在没有任何相互依赖性的情况下单独地在空间上布置,例如图7至图12所示。
图9描绘了机器1的示例实施例(图7)包含了三个粒子源11、12、61(图9),两个绕组105、106,以及粒子源11、12、61的三个独立的线性机械装置117。粒子源11、12、61的独立线性机械装置117可使得除了从中心水平向外的方向打印之外,还可指向上方与下方的附加打印方向。控制信号CTRL H通过控制单元CT H管理线性机械装置117。
粉末状材料102通过塞子103在受控释放下保存于容器101中。使用由绕组105、106产生的、随时间变化且在空间上不均匀的磁场B,将细分散的粉末材料102传输到光束E 1 ,E 2 ,E 3 的相交体积28的所需部分中。通过扩大粒子光束E 1 、E 2 、E 3 的散度,粉末状材料102的熔化会在这种广泛分散的光束E 1 、E 2 、E 3 重叠的最边缘处发生,因此远离交叉点15粒子源11、12、61的几何轴(图9)。如果这种散布得更广泛的粒子束恰好太弱而无法熔化材料,则熔化的时间会延长,或者,使用磁透镜系统中的偏转器将光束E 1 、E 2 、E 3 导向距离交点15更远的部件。考虑到该原理,同时,在打印过程100开始之前生成控制信号CTRL(图13)。以此方式,施加了熔化粉末状材料102所需的、足够量的粒子动能(图9)。即使在光束E 1 、E 2 、E 3 的交点、那些距离交点15更远的部分中,也可在预定的时间间隔内实现该功能。
图10描绘了机器1的示例实施例(图7)包含了三个粒子源11、12、61(图9),两个绕组105、106,以及一圆形机械化设置118。圆形机械化设置118,可使得第一粒子源11能够在垂直于其他两个粒子源12、61的轴线的平面内相对于另外两个粒子源12、61旋转。本发明声称,机器1的示例实施例(图7-12)的其中粒子源之一,例如粒子源11的轴线(图10)是可以实现相对于其他粒子源作出旋转。例如,在打印过程100期间的粒子源12与粒子源61(图13)。圆形机械化设置118,通过控制单元CT G由控制信号CTRL G所管理。
图11描绘了机器1包括四个粒子源11、12、61、62与四个绕组105、106、205、206的示例实施例。机器1具有对称的四面体,且各个粒子源11、12、61、62的几何轴指向四面体的三重轴方向,并在所述四面体的中心的公共交点15处相交。机器1包含四个绕组105、106、205、206,用于产生随时间变化并且在空间上不均匀的磁场B,该磁场B导致粉末状材料102挪移至预定的熔化体积中。粉末状材料102以与前述示例性实施例中相似的模式被存储与计量,据此被容纳在带有塞子103的容器101中。物体,例如物体3(图14)即是以粒子簇的初始重叠而逐渐制造的物体,在围绕交点15(图12)的部分中,有导电针115(图7)位于多向支撑系统机械化设置110的顶部,并且开始制造所述物体的打印过程100。
在下文中,将基于物体3的示例性制造来描述根据本发明的增材制造系统打印三维物体之方法。根据本发明的整个三维物体的附加制造方法,被分为两个主要过程,以示意性的描绘出示,如图13所示,并描述打印准备5与打印过程100。首先,详细描述所谓打印准备5的主要过程。
大多数三维增材制造技术,会要求准备所要制造的3D物体的数字文件。目前,已知这样的三维物体形状记录的数字档有多种格式,例如:立体光刻(格式缩写为.stl)、物体文件(缩写为.obj)等,并且通常是使用CAD(计算机辅助设计)软件所创建的。这类三维物体的数字文件通常分别包含外层或形状的描述,并使用软件进行制造准备,该软件可创建3D打印机可读取的控制文件,并且,该编程语言的编写也与所述3D打印机兼容。例如,一种广泛使用的格式是G代码,这种控制文件是标准家用3D打印机常用的文件格式,并且使用数字控件、以编程语言(数字控制编程语言)编写。
根据本发明以及在名为打印准备5的过程中,有一个生成控制文件10,该文件即包含了控制信号CTRL 1-CTRL H的所有同步时间功能之记录。(图7、8、9)它们在打印过程100中管理着机器1的所有控制单元CT 1-CT H、以及机器1的全面操作(图13)。为了能够使用机器(例如根据本发明的机器1)执行打印过程100(图7),首先是控制文件10(图13)在打印准备5中生成;在此所述控制文件,其模式与G代码相当,不过所述控制文件10与所述G代码仍有显着差异,由于以下事实:即使用本发明的机器1进行打印过程100所预定的曲面三维打印体积。根据本发明的方法与机器、与迄今已知的所有机器与方法亦有不同,特别是由于各个分别的打印体积非由薄片的平面与二维、或以多堆层的方式来形成。
首先,分别读取包含树状物体的形状或外表面记录的三维物体3之数字文件4,并将其导入到打印准备系统5中,根据本发明,该系统是机器1的组成部分。其次,在用于打印准备系统5中,定义了打印规格6与机器规格7。打印规格6,包含了影响打印过程100的所有信息(图13),例如,有关粉末材料(102)的信息,预定的打印物体填充度(物体可以是100%填充、或物体可具有所定义的三维结构,而内部不一定要完全填充)、外部的预定厚度物体壁、外部打印分辨率、打印方向、初始打印点151(图14)的位置及其他必要信息。机器规格7,包含了机器1的所有参数,这些参数,是区分机器1在各个示例实施例并且影响打印过程100的关键(图13)。机器规范7包含以下信息:多个粒子源n e 、所述粒子源的相互空间布置,包括距离20、21(图5)到相交点15间的距离,以及与粒子源的几何轴之间的角度Ω;多个用于磁悬浮的电绕组n b ,以及所述绕组的相互空间布置,包括到相交点15的距离,以及与两个几何轴之间的角度;容器101的大小(图7)包含粉末状材料102;粒子源机械化设置117、118(图9,图10)、多向支撑系统机械化设置110(图7),以及用以支撑所制造出来的物体的、支撑杆状机械化设置114的操作参数。
在下一步中,将上述三维物体的数字文件4(图13)、打印规格6以及机器规格7导入到打印过程的模拟器8中,其中,三维物体的数字文件4的空间划分50,是使用根据示例实施例机器1所给定的、打印过程100的模拟来执行打印的。
在模拟器8(图13)三维物体的数字文件4(图13)在空间上定位,使得初始打印点151(图14)嵌入在位于数字文件内的三维物体中。在机器1的模拟器8的坐标系中,初始打印点151(图14)可以与机器1的真实空间内的交点15相同(图7-12),执行打印过程100(图13)在机器1的单个示例实施例中,至少两个粒子源11、12的至少两个几何轴13、14相交的所述点,如图7至图12所示。如果使用示例性实施例的机器1,该示例性实施例允许多个几何轴的交点15,例如图9-12所示,可以将模拟器8坐标系中的初始打印点(图13)放置在所述的多个相交点之一中。在下一步骤中,生成单个打印体积1、2、3...Z的序列51(图13),透过利用模拟器8中的空间划分50模拟该打印过程,而所述打印体积1、2、3...Z的序列51包括:单个打印体积Z的数量。所谓单个打印体积,如图13与图14所示,是指单独的打印体积152、153、154...2000。在所描述的示例使用机器1的打印过程100(图7-图12)期间,一个三维物体3(图14)通过顺序逐渐制造出单个打印体积1、2、3...Z(图13)在依序51的操作下。在将三维物体的数字文件4的空间内划分为单个打印体积1、2、3...Z的序列51的过程中,模拟器8将每个单个打印体积1、2、3...Z的体积最大化,透过这样的方式使得所述单个打印体积1、2、3...Z仅受熔化能量的量以及粉末状材料102的量之限制(图7)而能够在特定时间内被机器1所熔化。相交体积28(图3)就此与熔覆体积280大大地扩大,一如在此所述的物体3(图14),因为打印过程100使得能够在物体3的内部制造打印体积,而不会影响制造物体3的外观(表面上的打印分辨率)完成。
在模拟器8中,序列51中的每个单个打印体积1、2、3...Z被适当地调节并调整为等于多个的、特定相交体积28或熔覆体积280,根据机器的给定示例实施例的粒子源11、12的数量,如机器1(图7-12)所示,以及根据打印过程100的给定步骤(图13)所示。制作与组装单独的打印体积1、2、3...Z可以使用多个相交体积28(图4),如已说明的一般,机器1能够同时在多个方向与多个较小的组成相交体积45、46、47、48、49、410中熔化材料。
使用模拟制作单个打印体积1、2、3...Z(图13),模拟器8可为每一单个的打印体积1、2、3...Z指定所需数量的粒子源,并且还可调节粒子源的散度、偏转、脉动,以及所有其他所需参数。通过这种方式,稍后在打印过程100(图13)诸如粒子簇160、170(图2)就此形成。所述示例性粒子簇160、170是所需材料,用于在特定时间间隔内熔化每一单个的打印体积1、2、3...Z。模拟器8为顺序中的每一单个的打印体积1、2、3...Z的打印过程100赋予并预定机器1的所有所需参数。在模拟器8(图13)中,分别对每一单个的打印体积1、2、3...Z重复分配,以及分配机器1的所需参数的过程,而且以此方式创建出打印体积1、2、3...Z的顺序51,并生成所有必需的控制信号CTRL 1-CTRL H,以制造出一个物体来,例如物体3(图14)就是透过使用打印过程100来制造。序列51(图13)在生成打印体积1、2、3...Z的同时生成,模拟器8已将阴影中的体积部分由已打印物体部分1000制作出来(图16)、在打印过程100的任何给定步骤中(图13)已将其考虑在内。在生成各个打印体积1、2、3...Z的序列51的同时,还可提前确定是否应使用高打印分辨率制造物体表面,并且可使用较低的打印分辨率。在物体的表面,例如物体3在图14所示,可以制造较小的打印体积以实现高打印分辨率,并且,可以在内部制造较大的打印体积。
在生成器9的下一步中,基于通过模拟获得的打印体积1、2、3...Z的序列51,将生成一个控制文件10,其中包含了所有所需的控制信号,例如:控制信号CTRL 1-CTRL H(图7-10)稍后在打印过程100中、在使用本示例中的机器1(图6、12)操作控制单元CT 1-CT H(图13)的物体,例如物体3(图14)。所述控制文件10(图13)是不同时间函数的记录,并且包含了同步的控制信号CTRL 1-CTRL H(图7-10)在打印过程100中操作控制单元CT 1-CT H(图13),透过使用机器1的操作。在最终控制文件10(图13)生成的同时,所有控制信号CTRL 1-CTRL H的持续时间将根据材料的熔点以及所示例实施例机器1所使用的容量来确定。
在发生器9中,实现所有其他控制信号的创建与同步,例如:控制信号CTRL C1(图7)管理容器上的塞子103并致动器104;控制信号CTRL F1管理导电针115到地面的连接、或预定的较高电势W 1 或预定的较低电势W 2 ;用于管理支撑杆109的机械化装置114的控制信号CTRL D1;控制信号CTRL E1用于管理多向支撑系统机械化装置110;控制信号CTRL H(图9)管理线性机械化装置117;控制信号CTRL G(图10)管理循环机械化装置118,以及其他可能需要的控制信号。当打印准备过程5(图13)完成控制文件10之后,通过使用示例性实施例的机器1之一、将控制文件10用于执行打印过程100,例如图7至图12所示的那些。
在下文中,详细描述打印过程100(图13)将基于三维物体3的制造示例,如图14所示,以及示例实施例的机器1使用六个粒子源(n e =6)与六个绕组(n b =6),如图6与图12所示。在所描述的示例中,真实的三维物体3(图14)将使用打印过程100来制造(图13),透过操作机器1,其中所述的物体3(图14)是数字文件4(图13)在打印准备5中所定义的物体,并且,在该示例中被塑造成为猫的形状。
图14描绘了在模拟器8中三维物体4的数字文件之空间划分50的示例横截面(图13),同时描绘了各个打印体积1、2、3...Z的顺序51,其制造将导致物体3的逐步制造(图14),透过在实际空间内的打印过程100(图13)。
在打印准备5(图13)中,三维物体的数字文件4中所包含的形状,位于机器1的模拟器8的坐标系中(图12),如此以后的打印体积壹152(图14)在打印过程100期间制造出在实际空间中形状为球形的物体。在示例性实施例的情况下,打印体积壹152的中心是初始打印点151,其可以是与粒子源11、12、61、62、63、64的几何轴的交点15相同的点。如所示机器1在视图12的使用。而导电针115的末端,也到达了初始打印点151(图14)。如所示机器1之示例实施例,从图6与图12透过使用预定控制信号CTL 1-CTRL H使得相交体积28成形为直径为2R的球形,在这种情况下,所有六个粒子源11、12、61、62、63、64的所述相交体积28。形成的球体的直径2R,可以通过单独控制散度α 1 6 来任意修改簇系列16、17、65、66、67、68中单一粒子簇的光束与长度L 1 、L 2 、L 3 、L 4 、L 5 、L 6 的分布。
在下文中,首先是打印过程100(图13)的步骤,将详细描述在打印准备5期间以空间划分50所生成的顺序51中、制造单一打印体积1、2、3...Z的过程。这是基于制造物体3的示例之继续描述。在第一步制造打印体积壹152的打印过程100中,该打印体积在示例性实施例中被成形为球状,粉末状材料102(图7)以如下方式添加到机器1的打印空间2中:在预定的持续时间内,塞子103在容器101上被打开,容器101由控制信号CTRL C1控制并用以存储粉末状材料102。以这种方式,将受控量的粉末状材料102添加到机器1的打印空间2中。在打印过程的步骤100(图13)还确保了导电针115(图7)定位在适当的位置,以使其达到初始打印点151(图14)。如
果需要,导电针115的运动(图7)与支撑杆109是通过多向支撑系统机械化设置110来完成的。如有必要,机器执行器104(图7)用以接通粉末状材料102,该执行器104通过控制单元C1由控制信号CTRL C1控制,并确保粉末状材料102不会粘在一起或转作较大的颗粒,而通过由塞子103所管理的出口进入打印空间2。在下一步骤中,关闭用于将粉末材料102释放到印刷区域2中的塞子103,并使用由控制信号CTRL B1所控制的绕组105、106、205、206、207、208产生磁场B的系统,通过控制信号CTRL B1-B6经由控制单元CT B1-B6接通,并且允许将粉末状材料102输送到期望的熔化体积中(此意味着磁场B开始出现)。在打印过程的步骤100(图13)中,此刻,细散的粉末状材料102(图7)被传送到围绕初始打印点151的区域的预定打印体积壹152(图14)中,透过磁力的操作。导电针115(图7)已经位于初始打印点151(图14)处,以及,将随后制造围绕初始打印点151的、球形的打印体积壹152。当粉状材料102(图7)位于围绕初始打印点151的预定打印体积壹152中时,粒子源11、12、61、62、63、64(图12)被接通(即开始发射粒子簇),而绕组105、106、205、206、207、208则被断开(即电场B被设置为零值)。在磁场B不干扰颗粒从粒子源11、12、61、62、63、64进入初始印刷点151周围的运动的情况下,考虑到粒子需要一些时间t e 从粒子源11、12、61、62、63、64(图12)散播至初始打印点151(图14)。因此,磁场B可以在粒子源11、12、61、62、63、64返回后的时间瞬间将t e 设置为零值,故而已知粒子到达了打印体积一152的附近或内部(图14)。
预定义的粒子簇在簇系列16、17、65、66、67、68(图6、图12)中,将在相交体积28的打印体积壹152(图14)中同步重叠(图6)同时、并围绕着粒子源11、12、61、62、63、64的几何轴的交点15(图6、图12)。
当从多个粒子源11、12、61、62、63、64发出的粒子到达相交空间28并分别具有预定的矢量速度时,产生熔覆体积280,其中粒子的总的高动能密度使粉末状材料102在相交体积28内熔化,前提是颗粒的总高动能密度超过了熔化粉状材料所需的阈值。粉末状材料102在熔覆体积280内熔化,并产生熔化的粉末状材料1020,如图16所示。
在与粉末材料的颗粒碰撞(弹性或非弹性)过程中,总的线性与角动量得以保留。在从粒子源发出的颗粒与粉末状材料之间发生非弹性碰撞的情况下,颗粒的全部动量将转移到粉末状材料上,因此可以使用总动量的守恒。这是一种将推力施加到熔覆粉末材料1020上的方式,所述推力能使粉末状材料在与颗粒碰撞之后、以特定速度运动。由于动量的守恒,由粒子源发出的颗粒所施加的推力、可以有效地用于将熔化的粉末状材料1020路由到已打印物体部分1000的所需最终位置上。
通过适当同步所有单个粒子簇,可以实现诸如16、17、65、66、67、68(图6)之类的簇系列,使得颗粒的动量传递指导熔融粉末状材料1020的最终应用(图16)施加引导到正在制造的物体的、已打印物体部分1000上。在所描述的示例中,其中打印体积壹152(图14)被制造成球形,将熔化的材料滴1020施加到导电针115上。除了在碰撞过程中将颗粒的动量转移到熔化的粉末状材料1020上之外,还可使用电力。在颗粒与已打印物体部分1000之间,或者,在制造在颗粒与导电针115之间的打印体积壹的情况下之所述电力(图16)。通过使用开关112,将已经打印物体部分1000与导电针115电连接,或者,在制造的初始步骤期间仅将导电针115(图16)从外部电压源连接到较高的电势W 1 来完成。可以理解,来自外部源的电势W 1 也可以调降得更低。在预先定义与生成控制脉冲的控制信号CTRL 1-6(图6)的上述步骤中,首先,定义与生成专用于熔化粉末物料的控制信号部分,其次,专用于施加熔覆粉末材料1020的附加信号(图16)。
在下一个打印过程的步骤100(图13)中,在将熔化的粉末状材料1020施加到已打印的目标部分1000上之后,关闭粒子源11、12、61、62、63、64(此处表示停止发射粒子),并且可以将接地开关111断开,以这种方式接通电源(表示已建立连接),
并从已打印物体部分1000(图16)的表面或内部去除多余的颗粒。围绕导电针115的、是支撑杆109(图16),该杆始终延伸至已打印物体部分1000,并且以此方式提供额外的机械支撑。在以上所述的打印过程100(图13)的步骤之后,熔覆的粉末材料1020冷却并固化,因此产生了由支撑杆109所支撑的实心球(图16),并且带有导电针115。在打印过程100(图13)所制的物体3中,导电针115成为已打印物体部分1000的一部分(图14),以及,较宽的支撑杆109的一部分(图16)可以逐渐从已打印物体部分1000处移开(图16),刚好足以使所述导电针115始终保持与已打印物体部分1000的表面连接,以及,使所述支撑杆109用作已打印物体部分1000的机械支撑。如有必要,在下一步的打印过程100(图13)中,将已打印物体部分1000(图16)透过使用多向支撑系统机械化装置110移动(图7)至预期的位置,以制造序列51中的下一个打印体积(图13)。而此后,重复制造上述打印过程100的步骤,使得能够制造出打印体积壹152(图14),以制造顺序51中的下一个打印体积(图13)。在所示的示例实施例中,图14在序列51中的下一个打印体积、是形状为壳形的打印体积贰153。
控制信号CTR 1-6完成打印体积贰153(图6)的制作,管理粒子源11、12、61、62、63、64的粒子束,透过使用预定的发散度α 1 、α 2 、α 3 、α 4 、α 5 、α 6 来增加光束E 1 、E 2 、E 3 、E 4 、E 5 、E 6 的直径r;并且,相交体积28的位置保持在系统的中心,这意味着其中心与交点15重合,在此情况下,交点15与初始打印点151的重合(图14)。在打印过程100之该步骤中,使得能够制造下一个打印体积贰153(图13、14)在此情况下塑形为壳状,并且是序列中的下一个打印体积,粒子簇在较大的相交体积中重叠体积28(图3)并且,在所述步骤中,熔覆体积280均具有较大的直径。这导致粉末材料在所述更大的打印体积贰153中熔化(图13、14),塑形为壳状,并且相对于已制成球形的打印体积壹151呈同心。下一步骤,重复上述打印过程步骤,并且使用进一步加宽的光束制造也被成形为壳体的、下一打个印体积叁154。
在示例实施例中的空间划分50(图13)与示意性描绘的打印过程100(图14)所有描述打印过
程100的步骤能够制作出单个打印体积1、2、3...Z,透过机器1(图6,图12)对每个单个打印体积1、2、3...Z的重复(图13),在依序51的操作下。在打印过程100期间,重复上述能够制造单个打印空间1152的所有上述步骤,包括通过打开塞子103而释放粉末状材料的所有步骤(图7)。在容器101上进入机器1的打印区域2,直到排出已打印物体部分1000(图16)使用开关111,并且在必要时将已打印物体部分1000重新定位到预定位置上,透过使用多向支持系统机械化设置110(图7)。
连续制作单个打印体积1、2、3...Z(图13)在该示例性实施例中被成形为壳状,持续成形至已打印物体部分1000(图16)、接近要制造的物体3的表面,其中所述已打印物体部分1000是物体3的内部组成部分(图14)。在本文所述与所示的示例实施例中,图14与图15是示例性物体3的最大内部组成部分(图14),是最大的、成形为一个壳状制造物的打印体积155,并形成一个由球体所组成的球,该球包括:通过打印体积壹152、打印体积贰153以及打印体积叁154的制造而产生出来的球体;因此,类似于示例性物体3的第一近似体。在给定的示例中,所需物体3的所有内部体积是使用一系列较大而且较厚的打印体积所制造的。这些体积,不会影响在该示例中形状像猫的物体3(图14)的外观。
如前所述,在模拟器8(圖13)中,序列51确定打印体积1、2、3...Z的大小,以便稍后在打印过程100的每个连续步骤中执行,从而可以按顺序51制作出各个打印体积1、2、3...Z,而避免了由已打印物体部分1000(图16)所产生的阴影。例如,在打印体积叁155的制造过程中(图14)其形体为壳状,因此,需要考量由打印体积贰152所产生的阴影。
到目前为止,在制造每一单个打印体积1、2、3...Z时重复上述步骤(图13)顺序51,并且从开始到通过打开容器101上的塞子103将粉末材料102(图7)释放到机器1的打印空间2之步骤,通过打开容器101上的塞子103、直到排出已打印部分1000(图16)的步骤,使用开关111并在必要时使用多向支撑系统机械化设置110来进行物体的机械运动。
在打印过程100的下一步骤中,相交体积28的中心(图1)移动到了两个新点,即156与1560(图14)。在打印过程100的这些步骤中(图13),为了能在顺序51中制造出连续性的打印体积,粉末状材料102(图7)在相交体积28中熔化,可使得同时形成打印体积157与打印体积1570。打印体积157与打印体积1570被制造在打印体积155的壳体表面上,并且,从这些新的初始打印点156与1560同时朝所有可能的方向、向外制造出来。每一单个打印体积1、2、3...Z(图13)可以从多个打印体积中组装出来,取决于用于示例实施例的机器1在打印过程100(图13)的能力,其中包括多个打印体积,例如在本示例所述的打印体积157与打印体积1570(图14)。在制造出打印体积157与打印体积1570之后,随后又同时制造出打印体积158与打印体积158,接着,同时制造出打印体积159与打印体积1590。而最终的打印物体3之组成部分会越变越大(图14),通过打印过程100的这些顺序步骤来实现(图13),从而可以按序制造出单一的打印体积来。在打印过程100期间,可以同时制造出位于不同空间位置的多个打印体积,如图14所示的,是打印体积158与1580。根据用于制造的示例实施例的机器1之能力,机器1能够同时在各种不同的打印方向上进行制造。在以下所示的示例中,图14所示的打印体积157,可以将其成形为壳状,与打印体积1570同时制造出来,其中,所述打印体积157与1570在打印体积155的已打印的外壳之相对侧边、并因此通过使用不同的粒子源来制造。
图15示意性地描绘了打印过程100(图13)在时间上的流程,并且也是顺序51(图13)单个打印体积的示意性描绘。粗线显示在打印过程100期间,从中心向外的主要可能同时打印方向。
基于上述制造步骤,显然整个打印过程100(图13)的执行方式是:对每一单个打印体积1、2、3...Z分别按照顺序51、依次从材料的添加、熔化乃至排出的方式来执行。在顺序51中,随后的每个打印体积重复进行能够制造每个打印体积的打印过程100的这些步骤。在打印过程100的每个随后步骤,使其能够制造顺序51中的下一个打印体积之后,将新制造的部分添加到已打印物体部分之上,例如在这个示例中的部分1000(图16)。在进一步顺序执行打印过程的各个
步骤期间(图13),已打印物体部分1000的形状将变得越来越类似于所需物体的形状,在给定示例中,该物体是为猫的形状。显然,当制造接近到所期望的物体表面、或所期望的物体形状时,便可以提高打印分辨率。打印分辨率,由直径2R(图6)在光束E的相交体积28上来限定,并且,在该示例实施例中,等于通过重叠的粒子束熔化粉末状材料而产生球形和壳状的直径2R。
从图16中很明显地可见,这是机器1的示例实施例(图7)的两个粒子束E 1 、E 2 扩大了单个打印体积1、2、3…Z。与通过依次堆叠高度为z坐标的二维薄层来制造此类物体相比,本领域中的其他已知机器也是如此操作。描绘于图16的,是两个粒子束E 1 、E 2 的几何轴,它们在导电针115的末端相交。在该示例中,相交体积28是一复杂形状的物体,该物体已部分地围绕在已打印物体部分1000的周边。使用电力,将熔融的粉末状材料1020施加到已打印物体部分1000的表面上。通过连接导电针115产生所述的电力,在特定的时间或持续时间内将开关112使用到较高的电势W 1 。导电针115与较高电势W 1 的连接持续时间可以确定聚集在已打印物体部分1000的、表面上的粉末状材料102的量(厚度)。