CN111107974B - 增材制造温度 - Google Patents

Abstract

一些示例包括操作增材制造机器的方法，该方法包括形成构建材料层；将熔剂选择性地施加到形成的构建材料层上；利用热能源向构建材料和熔剂施加熔化能量，以在选择性施加的熔剂处形成三维物体的物体层和牺牲物体的牺牲层；感测牺牲层的热温度；将牺牲层的感测的热温度与目标温度进行比较；和基于比较的温度调节热能源的功率水平。

Description

增材制造温度

技术领域

增材制造机器通过构建材料层来生产三维(3D)物体。一些增材制造机器通常被称为“3D打印机”。3D打印机和其他增材制造机器使得将物体的CAD(计算机辅助设计)模型或其他数字表示转化为物理对象成为可能。模型数据可以被处理为层，每层限定形成物体的一层或多层构建材料的一部分。

附图说明

图1是根据本公开的方面的示例增材制造系统的示意性横截面侧视图。

图2是根据本公开的方面的增材制造系统的示例构建表面的俯视图。

图3是根据公开的方面的增材制造系统的示例闭环反馈系统的框图。

图4是根据本公开的方面的操作增材制造机器的示例方法的流程图。

图5是根据本公开的方面的操作增材制造机器的另一示例方法的流程图。

发明内容

在以下详细描述中，参见构成该详细描述一部分的附图，并且在附图中通过例示可以实施本公开的具体示例进行示出。应当理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以使用其他示例，并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为限制意义，并且本公开的范围由随附权利要求限定。应当理解，除非另外具体指出，本文描述的各种示例的特征可以部分或全部彼此组合。

本文提供的描述和示例可以施加于各种增材制造技术、环境和材料。例如，在一些增材制造技术中，构建材料层可以由辊或再涂敷器形成，并且熔剂可以由打印头分配。再涂敷器和打印头都可以在移动的托架系统上承载。热能源也可以安装在托架系统上，并可以在构建表面上移动。在示例增材制造工艺中，能量然后可以被施加到构建材料层以固化该层的在其上沉积有熔剂的那些部分，从而形成生成的物体层。热能源可以施加适于将构建材料加热到预熔化温度的加热能量，以及适于将已经施加熔剂的构建材料熔化的熔化能量。示例增材制造技术可以基于来自三维(3D)物体模型的数据，由打印头将合适的熔剂以期望的图案分配到构建室中构建表面上的构建材料层上，然后将构建材料层和熔剂暴露于能源(诸如热能源)。构建材料可以是粉末基类型的构建材料，并且熔剂可以是可以被施加到构建材料的吸收能量的液体。例如，粉末基构建材料可以包括塑料、陶瓷和金属粉末。能源可以生成热量，该热量通过将熔剂的吸收能量的成分熔化来吸收，以烧结、融化、熔化或以其他方式聚结图案化的构建材料。该图案化的构建材料可以固化并形成物体层或期望的构建物体的横截面。该工艺逐层重复以完成3D构建物体。

在增材制造中，可期望在零件制造时精确控制其表面温度。温度控制可适用于各种增材制造技术、环境和材料。温度变化可能导致不期望的构建变化(即零件缺陷)。在固化工艺期间，不均匀的温度分布或不平衡的热应力可能导致翘曲或以其他方式影响构建物体的尺寸精度和材料性能。例如，如果构建层变得太热，则图案化的熔剂周边可能“渗出”到周围的预定不熔化的构建材料并导致不正确的几何形状、尺寸和外观。此外，在熔化不受控的情况下，增加的热量可能不期望地影响随后的构建材料层。替代地，如果构建层太冷，则材料性能在某些机械性能方面可能不足，例如，某些机械性能包括极限抗拉强度、断裂伸长率和冲击强度。因此，非常期望在熔化期间控制构建温度。

在构建工艺期间，确定精确的零件表面温度作为反馈可用于正确的熔化能量配量(dosing)。许多因素有助于零件表面温度，该零件表面温度包括进入的构建材料质量变化、构建材料温度变化、构建材料融化焓、熔化系统的污染、室内对流气流以及其他因素。

在制造期间，对构建物体的精确的温度控制可以是困难的。例如，使用某些类型的热传感器，诸如低分辨率的红外热感摄像机，可能难以进行精确的温度测量。例如，用于由热感摄像机测量的摄像机像素尺寸可以高达10mm×10mm。每个摄像机像素覆盖构建表面的有效区域。例如，有效区域的尺寸将取决于摄像机像素的尺寸、摄像机在构建表面上方的高度以及摄像机光学。形成在构建表面上的物体或物体零件(object part)可以小于有效区域，从而使得难以获得精确的温度测量值。通常，尺寸小于有效区域的构建零件或零件特征的温度不能精确测量。例如，小于有效区域的物体零件可以具有受物体零件周围的较冷的构建材料影响的热温度。例如，在物体的一部分没有完全被摄像机像素覆盖的情况下，由该摄像机像素测量的温度将是物体部分的温度和周围构建粉末的温度的平均值。这可能导致感测的温度低于物体零件的实际温度。在不依赖于构建区域中的构建物体的温度检测的情况下，在构建表面上形成构建物体时，精确控制构建温度可以是有用的。然而，因为生成的物体的性质可能不适合于提供可以用于从其进行热测量的区域或位置，所以本文的示例提供与生成的期望的物体一起生成的所谓的“牺牲物体(sacrificial object)”。一旦完成就预定丢弃的所谓的牺牲物体被生成为具有一致的可重复特征，对其可以进行热测量并可以提供热反馈。

例如，牺牲物体可以形成或设置在构建室的可构建区域中，以向熔化工艺和系统提供热反馈，以用于调节和施加期望量或适当量的能量到可构建区域中的构建零件，从而增加烧结过程以获得更好和更一致的构建物体质量。如本文所使用的，牺牲物体是由增材制造机器形成的三维物体，该三维物体不是期望的构建物体的部分。牺牲物体基于由增材制造机器生成的数据形成(例如，设定尺寸和设定位置)。牺牲物体不是客户的构建物体的部分且可以在构建结束时丢弃。

牺牲物体的顶面层的温度可以例如使用例如热感摄像机来测量，并且用作反馈并施加到控制器，诸如比例积分微分(PID)控制器，该控制器调节被供应到热能源的功率水平。牺牲物体的顶层的温度反馈可以用于调节加热并熔化构建物体的下一层所施加的功率水平。在一个示例中，牺牲物体可以形成在热边界区域(如果存在)，因此它们将不影响客户的可构建区域。牺牲物体可以在构建物体的所有层或至少一些层中形成，以在整个构建工艺中提供构建物体温度的精确指示。牺牲物体可以形成在客户的构建物体之前的层中，以在开始客户的构建物体之前帮助建立和稳定构建物体温度。牺牲物体的温度可以用作可构建区域中构建物体温度的精确指示。

图1是根据本公开的方面的示例增材制造系统10的示意性侧视图。增材制造系统10包括分配组件12、热能源14、热传感器16和控制器18。分配组件12可以包括用于分配和散布构建材料20的构建材料散布器19和用于在构建表面24上分配熔剂22的熔剂分配器21。例如，构建材料散布器19可以包括擦拭器或再涂敷器辊，以将构建材料20的分配堆散布在构建表面24上。例如，熔剂分配器21可以包括打印头。例如，构建表面24可以是构建平台或先前形成的构建材料层。构建材料20可以被分配和散布以在构建表面24上形成层，然后熔剂22可以被选择性地分配到新形成的构建材料20的层上。热能源14可以加热并熔化构建材料20，在构建材料20上已经施加熔剂22以形成三维构建物体26的层。构建材料20和熔剂22也可以由热能源14以相同的方式加热，以形成牺牲物体28的层。

分配组件12和热能源14可以安装到托架(未示出)，该托架可以在x轴方向上在构建区域的构建表面24上移动，以分配构建材料20和熔剂22以及加热并熔化构建材料20和熔剂22。例如，分配组件12和热能源14可以沿着构建表面24的x轴双向移动以形成构建材料20的新层，以基于打印指令在构建材料20的新层上打印熔剂22，并且熔化已经施加熔剂22的构建材料20。构建材料20被分层设置，并且熔剂22被选择性地施加到构建材料20的层，以对应于熔剂22的选择性施加，形成三维构建物体26的物体层和牺牲物体28的牺牲层。为了清楚起见，在图1中仅标识一个构建层30，尽管应该理解，在标识的构建层30下方包括附加的物体层。构建层30熔合在一起，其中熔剂22已经被施加到构建材料20，以基于客户期望的物体的打印指令形成3D构建物体26，并且根据客户的期望被定位以用于在构建室内构建。

热传感器16可以测量包括构建物体26和牺牲物体28的构建层30的表面的热温度。例如，热传感器16可以是热成像摄像机。控制器18可以将由热传感器16获得的测量的热温度与目标温度进行比较。例如，控制器18可以是比例积分微分(PID)控制器，尽管其他类型的控制器也可以是可接受的。控制器18可以基于测量的热温度和目标温度的比较来调节热能源14的功率水平。调节的功率水平可以被施加到构建物体26的下一层或随后层。在一个示例中，在承载热能源14的托架系统在构建区域之外，当改变方向以进行下一阶段时，功率水平被调节，并且在随后阶段期间，该功率水平是恒定的。在热能源14经过构建区域时，调节的功率水平可以是恒定的。在另一个示例中，在热能源14横过构建区域时，热能源14的功率水平可以被调节。热传感器16和控制器18可以独立安装在增材制造系统10中。

图2是根据本公开的方面的增材制造系统10的示例构建表面24的俯视图。构建表面24(例如，z轴可移动的构建平台或先前形成的构建材料层)被设置在构建室40内，并且可以包括构建区域42和热边界区域44。热边界区域44是“虚拟”区域，其被定义为占据构建表面24的任何预定部分。在一些示例中，热边界区域44可以包括构建室40内构建表面24的周边附近的构建材料20的层。例如，包括在构建室40周边的热边界区域44可以适用于牺牲层32，但是该热边界区域44可以具有较高的热传导和热特性，该较高的热传导和热特性对于生产高质量的构建物体不是最佳的。

构建层30被设置在构建表面24上，并且可以包括示例构建物体26的物体层34和示例牺牲物体28的牺牲层32。物体层34被设置在构建区域42内。牺牲物体28被设置在构建室40中的预定位置，并且在构建表面24上具有预定的横截面尺寸。在一个示例中，牺牲层32可以被设置在热边界区域44内，以提供整个构建区域42供客户期望的构建物体26的使用。牺牲层32可以是在构建表面24上的任何合适的尺寸、形状和位置，其可以具有由热传感器16感测的至少一个摄像机像素的有效区域。在一些示例中，牺牲层32可以具有几个摄像机像素的有效区域。在一些示例中，牺牲层32的尺寸、形状和位置由增材制造机器10预定。

热边界区域44可以形成在构建表面24的构建区域42周围的周边区域。如例示的，牺牲层32可以形成在构建区域42外部的热边界区域44中。尽管图2中示出两个牺牲物体28，但是可以使用单个牺牲物体28(例如，见图1)，或者可以使用多个牺牲物体28。牺牲物体28可以位于构建区域42的一侧或多侧的热边界区域44中。在一个示例中，使用多于一个的牺牲物体28，并且多于一个的牺牲物体28的测量的温度的平均值可以被平均为总的测量的温度。

在一个示例中，热边界区域44可以包括围绕构建区域42的25mm周边宽度的构建表面24。在一个示例中，牺牲物体28宽度为15mm，并且在25mm宽度的热边界区域44内居中。构建材料20通常具有低热导率。构建材料20的边缘(margin)可以保持在构建区域42和牺牲层32之间，并且构建材料的边缘可以保持在牺牲层32和构建室40的壁之间，以向牺牲层32提供一些热绝缘。在一些示例中，使用围绕牺牲层32的至少5毫米边缘的未熔化构建材料20。

形成3D构建物体26的物体层34可以包括太小而不能被热传感器16精确测量的物体零件或物体零件层34a。例如，包括构建物体26的小于有效的摄像机像素尺寸的物体零件层34a的物体零件的测量的温度可以受围绕物体零件层34a的较冷构建材料20影响。例如，测量的温度可以是在小于摄像机像素尺寸的熔化物体零件层34a和周围的构建材料20上的平均温度，从而导致感测的温度低于物体零件层34a的实际温度。牺牲物体28可以是由热传感器16的至少一个摄像机像素，以及在一些示例中几个摄像机像素可以完全在牺牲物体28上感测的任何合适的尺寸。牺牲物体28可以提供构建物体26的不能由热传感器精确地热测量的较小物体零件的精确指示。

此外，参见图1，每个牺牲层32可以具有适于由热传感器16精确感测或测量的表面区域和位置。在牺牲物体28的多个牺牲层32的形成期间，热温度可以由热传感器16周期性地或连续地测量。在一些示例中，分配组件12和热能源14位于热传感器16和牺牲物体28之间，并且当其在构建表面24上移动时，牺牲层32的热测量可能中断。感测的温度从热传感器16传输到控制器18，并与预定的目标温度进行比较。热能源14的功率水平基于比较的温度来调节，并且调节的功率水平可以施加到构建物体26的下一层。在一个示例中，对于构建体积的每一层，目标温度可以相同。

每个牺牲层32的表面区域可以为预定的尺寸。牺牲物体28可以在构建表面24上的每个构建层30处具有相同的尺寸和位置。例如，牺牲物体28可以形成为柱。牺牲物体28包括牺牲层32，该牺牲层32具有适于被精确检测的表面区域和位置，以及由热传感器16(例如热成像装置)获取的热测量值。例如，每个牺牲层32的表面区域的尺寸可以为至少有效的摄像机像素。在另一个示例中，牺牲物体28包括牺牲层32，该牺牲层32为15mm×15mm或者具有15mm×15mm截面积。

在一些示例中，牺牲物体28的一个牺牲层32或几个牺牲层32在形成构建物体26的第一层或z轴方向上的最低区域之前形成。视情况可以形成任意数量的牺牲层32，以提供由热传感器16进行的温度测量和控制器18对热能源14的调节，从而在开始构建物体26之前稳定增材制造系统10的热温度。在第一物体层34之前形成牺牲层32提供热能测量和所作出的调节，以在构建物体26的第一物体层34形成之前获得期望的热能水平。热能源14的功率水平可以在形成构建物体26的第一物体层34之前基于牺牲层32的测量的热温度来调节，以稳定热温度。构建物体26的第一物体层34可以对温度差异敏感。牺牲层32可以在构建物体26的整个构建工艺中形成，并且可以随着构建物体26的完成而终止。

图3例示根据本公开的方面的增材制造系统的示例闭环反馈系统50的框图。系统50包括增材制造工艺54、热传感器56和控制器58。系统50类似于系统10。增材制造工艺54可以包括由分配组件和热能源分配和熔化构建材料和熔剂，如上面关于图1和2讨论的。例如，熔化零件的目标温度被输入到控制器58，诸如比例积分微分(PID)控制器。牺牲物体的温度可以由温度传感器56测量并输入到控制器58。控制器58可以将测量的温度与预定的目标温度进行比较，并调节热能源，直到随后测量的温度等于目标温度。在构建工艺期间，系统50提供构建物体表面温度的闭环控制。

例如，热传感器56可以测量牺牲层(例如，图2的牺牲层32)的热温度。牺牲层的感测或测量的温度指示构建目标层(例如，图2的物体层34)的构建温度。牺牲物体28的牺牲层32的精确确定的表面温度可以由热传感器56测量，并在增材制造工艺期间用作对控制器58的反馈，以控制来自热能源的热能传递。在一个示例中，精确的表面温度测量使闭环反馈系统50能够在构建期间工艺提供正确的能量配量，这改善零件外观、材料性能和尺寸控制。在一些示例中，在构建室的构建区域外部(例如，在热边界区域)熔化的牺牲零件的热反馈可以用作向控制系统50的输入，以向客户提供对构建的每层中的事物以及零件位于可构建区域内的层中的位置的期望控制。

图4是根据本公开的方面的操作增材制造机器的示例方法100的流程图。在102，构建材料层沉积在构建表面上。在104，熔剂被选择性地施加到构建材料上。在106，利用热能源向该层施加熔化能量，以形成三维物体的物体层，并形成牺牲物体的牺牲层。在108，感测牺牲物体的热温度。在110，将牺牲物体的感测的热温度与目标温度进行比较。在112，基于比较的温度来调节热能源的功率水平。视情况可以重复以上。

图5是根据本公开的方面的操作增材制造机器的示例方法200的流程图。在202，在构建表面上形成包括牺牲物体层的构建层。在204，在构建表面上形成构建物体的构建层。在206，感测牺牲物体层的热温度。在208，将牺牲物体层的感测的热温度与目标温度进行比较。在210，基于比较的温度来调节热能源的功率水平。视情况可以重复以上。

尽管本文已经例示和描述具体示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可以用各种替代和/或等同的实施方式来代替示出和描述的具体示例。本申请旨在涵盖本文讨论的具体示例的任何修改或变化。因此，旨在本公开仅由权利要求及其等同物来限定。

Claims (15)

1.一种操作增材制造机器的方法，包括:

形成构建材料层；

将熔剂选择性地施加到形成的构建材料层上；

利用热能源向构建材料和熔剂施加熔化能量，以在选择性施加的熔剂处形成三维物体的物体层和牺牲物体的牺牲层，其中所述牺牲物体在构建结束时丢弃；

感测所述牺牲层的热温度；

将所述牺牲层的感测的热温度与目标温度进行比较；和

基于比较的温度调节所述热能源的功率水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维物体形成在构建表面的构建区域中，并且所述牺牲物体形成在所述构建区域外部的热边界区域中。

3.根据权利要求1所述的方法，包括:

在先前沉积的层上沉积第二层构建材料，并在其上选择性地施加熔剂；

利用所述热能源的调节的功率水平向所述第二层施加熔化能量，以形成所述牺牲物体的第二牺牲层和所述三维物体的第二层；

感测第所述二牺牲层的热温度；

将所述第二牺牲层的感测的热温度与目标温度进行比较；和

基于比较的温度调节所述热能源的功率水平。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述牺牲物体在每个随后的牺牲层中在构建表面上具有恒定的尺寸和位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述热温度由热感摄像机感测，并且其中所述牺牲物体被设定尺寸以由所述热感摄像机的至少一个摄像机像素感测。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述牺牲物体的牺牲层与形成所述三维物体的每个构建层一起形成。

7.一种操作增材制造机器的方法，包括:

利用热能源在构建表面上形成构建层，所述构建层包括牺牲物体的牺牲层和三维构建物体的物体层，其中所述牺牲物体在构建结束时丢弃；

感测所述牺牲层的热温度；

将所述牺牲层的感测的热温度与目标温度进行比较；和

基于比较的温度调节所述热能源的功率水平。

8.根据权利要求7所述的方法，包括:

在形成所述构建层之前，在所述构建表面上形成所述牺牲物体的第一牺牲层。

9.根据权利要求8所述的方法，包括:

在包括所述三维构建物体的物体层的每个构建层内形成所述牺牲物体的牺牲层。

10.根据权利要求7所述的方法，包括:

基于三维模型的数据形成所述三维构建物体，并且基于由所述增材制造机器生成的数据形成所述牺牲物体。

11.一种增材制造系统，包括:

分配组件，包括用以在构建表面上分配和散布构建材料层的散布器和用以在所述构建材料层上选择性地分配熔剂的打印头；

热能源，用以加热并熔化构建材料和熔剂，以在所述构建表面上形成三维物体的物体层和牺牲物体的牺牲层，其中所述牺牲物体在构建结束时丢弃；

热传感器，用以测量所述牺牲层的热温度，所述牺牲层具有由摄像机像素测量的表面尺寸；和

控制器，用以将测量的热温度与目标温度进行比较，所述控制器用以基于比较的温度调节所述热能源的功率水平。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器控制所述打印头以将所述牺牲物体设置在所述构建表面上的预定位置处并设置为预定尺寸。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述热传感器是红外摄像机。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器是比例积分微分控制器。

15.根据权利要求11所述的系统，其中所述热传感器位于所述构建表面上方。

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