CN106794630A - 对用于生成三维物体的装置中的温度进行控制 - Google Patents

Abstract

一种对用于生成三维物体的装置(1100)中的温度进行控制的方法，所述方法包括：对将被用于生成三维物体(101)的构造材料的样本执行校准测试，根据校准测试(103)对至少一个温度点进行校准，并且在装置(103)的后续温度控制期间使用至少一个校准后的温度点。

Description

对用于生成三维物体的装置中的温度进行控制

背景技术

已经提出了在逐层的基础上生成三维物体的增材制造系统，作为制造三维物体的潜在便捷方式。

附图说明

为了更好地理解本文所描述的示例，并且为了更清楚地示出如何可以实现这些示例，现将仅通过示例的方式来参考以下附图，其中：

图1示出用于对温度进行控制的方法的示例；

图2示出与校准测试相关的方法的示例；

图3a至图3c是例示了用于执行校准测试的方法的示例；

图4示出温度曲线的示例，并且例示了熔点的示例；

图5示出用于对熔点进行校准的方法的示例；

图6示出温度曲线的示例，并且例示了结晶点的示例；

图7示出用于对结晶点进行校准的方法的示例；

图8a至图8c示出可视化方法的示例；

图9示出用于对结晶点进行校准的方法的示例；

图10示出用于生成三维物体的装置的示例；

图11示出用于生成三维物体的装置的示例；以及

图12示出与校准测试相关的方法的另一示例。

具体实施方式

生成有形的三维物体的工序可以包括例如一系列步骤，包括：形成构造材料层，将试剂(例如聚结剂和聚结改性剂)选择性地递送至构造材料层的表面的一个或多个部分；将预定水平的能量暂时施加到构造材料层。暂时施加能量可以导致在其上聚结剂已被递送或已经渗透的构造材料的部分加热到构造材料的熔点之上并聚结。在冷却时，已经聚结的部分变为固体并且形成正在生成的三维物体的一部分。然后重复这些步骤以形成三维物体。也可以与这些用于生成三维物体的步骤一起使用其他的步骤和过程。

在本文所描述的示例中，聚结剂和聚结改性剂可包括可以使用任何适当的流体递送机构(也称为试剂分配器)来递送的流体。在一个示例中，试剂以液滴形式递送。

聚结改性剂可被用于多种目的。在一个示例中，聚结改性剂可以被递送至与聚结剂被递送的位置相邻的位置，例如以便有助于降低横向聚结渗出的影响。这可被用于例如提高物体边缘或表面的清晰度或精确度和/或用于降低表面粗糙度。在另一示例中，聚结改性剂可以与聚结剂穿插地递送，其可被用于使得物体性质能够被改性。

本文所描述的示例涉及构造材料。在一个示例中，构造材料是基于粉末的构造材料。如本文所使用的，术语基于粉末的材料旨在包含基于干燥粉末和基于潮湿粉末的材料两者、微粒状材料和颗粒状材料。

本文所描述的示例涉及对用于生成三维物体的装置中的温度进行控制的方法及装置，其中对构造工序中的至少一个温度点(例如构造工序中的熔点和/或结晶点)进行校准。如本文中所使用的，“熔点”是指构造材料例如通过烧结、熔化、熔合或聚结而变成粘结块的温度。如将在下面的示例中更为详细描述的，可以执行校准测试以对至少一个温度点进行校准，校准测试基于将被用于生成三维物体的构造材料。根据示例，至少一个温度点的校准可以具有如下优点，即，当构造三维物体或部件时，能够关联于这种校准后的温度点(例如熔点和/或结晶点)而更准确地对构造材料的温度进行控制。

当生成三维物体时，在一个示例中，在结晶温度和熔化温度之间对构造材料(例如粉末状或颗粒状的材料)进行预热。例如，构造材料可以被加热并保持为刚好低于熔合温度并且保持在构造材料的结晶点之上。取决于所使用的构造材料的类型(例如，哪种类型的粉末状材料、或哪种类型的塑料、或者所使用的特定制造商)，结晶点和熔点可以显着改变。应注意，在被用于对温度进行监控的传感器中或者在被用于生成三维物体的其它系统部件中也可以存在变化。

根据本文所描述的示例，通过对至少一个温度点(例如特定构造材料的熔点或结晶点中的至少一个)进行校准，能够更精确地对构造材料的特征进行控制，从而允许更可靠地生成三维物体。

图1示出在用于生成三维物体的装置中对温度进行控制的方法的示例。该方法包括：对将被用于生成三维物体的构造材料的样本执行校准测试(步骤101)。根据校准测试来对至少一个温度点进行校准(步骤103)。在步骤105中，在装置的后续温度控制期间使用至少一个校准后的温度点。

图2示出用于执行用于对至少一个温度点进行校准的校准测试的方法的示例。校准测试可以被用于例如对将要在构造工序中使用的结晶点和/或熔点进行校准。该方法包括：将聚结剂沉积在例如构造带的至少一部分上(步骤201)。应注意，聚结剂可以包括当被暴露于能量源时被用于与构造材料相互作用或聚结的任何材料或流体。例如，聚结剂可以包括吸收性油墨或其它印刷流体。应注意，聚结改性剂也可以沉积在聚结剂上或者与聚结剂一起沉积。在步骤203中，将构造材料沉积在聚结剂上。例如，可以将构造材料层沉积在将要执行监控操作的聚结剂的至少一部分上。在一个示例中，将单层的构造材料沉积在聚结剂上。在另一示例中，将多层的构造材料沉积在聚结剂上。在步骤205中，将能量施加到构造材料。例如，能量可以通过用于对构造材料进行加热的能量源(例如灯、可见光源、紫外线光源、微波能量源、辐射源或激光源)来施加。也可以使用其它能量源或热源。在一个示例中，受控量的能量被施加。

在一个示例中，步骤201包括将聚结剂沉积在构造带的至少一部分上，例如在将要监控或者采取温度测量的区域中、例如仅在构造带的中心区域中、或者仅在一个角落中。根据另一示例，步骤201包括将聚结剂沉积在多个区域中，该多个区域被监控以形成平均值或最小值或最大值。在这种示例中，可以在能够被分别监控的多个范围(region)中的每一个范围中执行校准测试。在另一示例中，步骤201包括将聚结剂沉积在整个构造带上。在这些示例中的每一个示例中，可以使用至少一个热传感器(例如热相机或传感器阵列)，来监控特定范围或多个范围或者整个构造带。

图3a至图3c示出一个示例，该示例例示了如何可以进一步地实施图2的方法。在图3a中，聚结剂33被示出为沉积在例如构造带32的至少一部分中(构造带例如由支撑体31所限定，例如为诸如粉末床等床的表面)。在图3b中，构造材料35(例如粉末层)形成或沉积在聚结剂33上。在一个示例中，构造材料层沉积在整个打印区域上(并因此位于聚结剂之上)。在另一示例中，构造材料层沉积在聚结剂的至少一部分上。如上所述，可以沉积单层或多层的构造材料。应注意，图中所示的层的厚度仅是为了说明性的目的，并且可以与所示出的不同或发生变化。图3c示出施加到构造材料的能量37，例如来自对构造材料35进行加热的灯或热源的受控能量。如以上所提及的，除了图3a至图3c所示出的示例之外，聚结剂和构造材料还可以沉积在其它范围或区域上。

图4示出温度曲线的示例，并且例示了构造材料的熔点的示例。当将能量施加到构造材料时，温度升高直到达到了范围40为止，与达到了熔点的温度点相对应。在一个示例中，该工序将针对特定的构造材料在恒定温度下进行(即，不管使用了哪种聚结材料，例如当构造材料对熔点具有更大的影响时)。在这种示例中，可以针对正在使用的每种构造材料来执行校准测试。在另一示例中，该工序将针对构造材料和聚结剂的特定组合在恒定温度下进行。在这种示例中，可以针对正在使用的构造材料与聚结剂的每种组合来执行校准测试。

因此，通过执行图2或图3a至图3c的校准步骤，随后确定在哪个温度达到熔点，这能够实现对特定构造材料或者构造材料与聚结剂的组合的熔点进行校准的示例。

在一个示例中，可以在执行诸如图2和图3a至图3c所示的校准测试的同时，对温度曲线或温度数据进行监控。

图5示出用于对熔点进行校准的方法的实例。在步骤501中，当将能量施加到构造材料时，接收与构造材料的温度相关的温度信号。温度信号可以例如从对构造材料的温度进行监控的温度传感器接收。应注意，温度传感器可以包括例如非接触式温度传感器或热传感器，诸如红外传感器等。在一个示例中，温度传感器是也在标准构造工序的一部分中使用的温度传感器。还可以使用一个以上的传感器，其中多个范围被监控。对接收到的温度信号进行监控，以检测作为熔点的特征的温度变化(步骤503)。检测温度变化可以包括例如检测图4的温度曲线中所示出的特征40。随后将校准后的熔点设置为检测到温度变化时的温度(步骤505)。

在一个示例中，监控温度信号包括监控温度曲线的轮廓或监控温度数据。这可以涉及将所接收的温度曲线与预定的温度曲线或轮廓进行比较，或者通过将温度曲线与一组温度曲线进行匹配。在一个示例中，监控温度信号包括将所接收的温度数据与表示熔点的预定数据进行比较，例如用于检测所接收的温度数据中的特定模式。

图6示出温度曲线的示例，并且例示了结晶点60的示例。温度曲线可以例如通过图2或图3a至图3c中所示的方法来生成。在移除能量源并且允许构造材料冷却之后，温度下降，直到达到了范围60为止，与达到了结晶点的温度相对应。在一个示例中，该工序将针对特定的构造材料在恒定温度下进行(即，不管使用了哪种聚结材料，例如当构造材料对结晶点具有更大的影响时)。在这种示例中，可以针对正在使用的每种构造材料来执行校准测试。在另一示例中，该工序将针对构造材料和聚结剂的特定组合在恒定温度下进行。在这种示例中，可以针对正在使用的构造材料和聚结剂的每种组合来执行校准测试。

图7示出用于对结晶点进行校准的方法的示例。在步骤701中，该方法包括将能量施加到构造材料(构造材料位于聚结剂之上，例如如图2和图3a至图3c的示例中所描述的)，直到构造材料已经超过熔点为止。在步骤703中，当构造材料冷却时，接收与构造材料的温度相关的温度信号。对接收到的温度信号进行监控，以检测作为结晶点的特征的温度变化(步骤705)。将校准后的结晶点设置为检测到温度变化时的温度(步骤707)。

在一个示例中，构造材料冷却至结晶点的速率例如通过受控地移除能量源来得到控制。

与以上所描述的熔点的示例一样，温度信号的监控可以包括监控温度曲线的轮廓或监控温度数据。这可以涉及将接收到的温度曲线与预定的温度曲线或轮廓进行比较，或者将接收到的温度数据与表示结晶点的预定数据进行比较，例如用于检测接收到的温度数据中的特定模式，或者通过将温度曲线与一组温度曲线进行匹配。

因此，在本文所描述的示例中，检测特征温度变化可以包括将温度曲线的轮廓与表示结晶点或熔点的特征的至少一个预定曲线进行比较，或者将温度数据与表示结晶点或熔点的特征的预定温度数据进行比较。

因此，示例可以涉及对温度日志的分析，以使用热传感器来确定熔点。由于构造材料/聚结剂的相变在一致的温度下发生，因此可以进行监控并明确定义，如例如在以上图4中所示出的那样。结晶点可以基于例如以上图6中所示出的特征通过相同的方法论来确定。

尽管上述示例涉及对诸如温度曲线或温度数据的温度信号进行监控，但是根据一个示例可以可视化地执行熔点的校准。

图8a至图8c示出如何可以使用可视化指示器来校准温度点的示例。

图8a示出已经沉积在聚结剂上的构造材料81的层。响应于正被暴露于能量源(例如通过灯或加热源被加热)，构造材料随着温度升高而开始经历相变，相变由图8b中的分区83示出。随着温度继续升高，如图8c中的分区85所示，当聚结剂和构造材料已经熔化并熔合时，可以可视化地确定出熔点。

图9示出根据用于对熔点进行校准的示例的方法。该方法包括：在步骤901中，当将能量施加到构造材料上时，对构造材料进行可视化监控。在步骤903中，检测构造材料中作为熔点的特征的预定颜色变化。在步骤905中，将校准后的熔点设置为检测到预定颜色变化时的温度。

在一个示例中，检测预定颜色变化包括确定颜色密度是否已经达到指定水平。

在一个示例中，通过光学感测设备来执行可视化监控。在传感器包括光学传感器或密度计的示例中，监控的步骤可以包括获取值，并且确定该读取值是否已经达到阈值，诸如先前建立的阈值(例如在针对正被使用的特定构造材料和/或聚结剂的先前校准测试期间执行)。在另一示例中，可视化监控由装置的操作者来执行。

因此，在一个示例中，可以通过目视观察来确定熔点，例如观察构造材料的顶层或表面的颜色改变。当颜色密度达到指定水平时，例如对应于图8c，其指示构造材料的熔合，例如粉末的完全熔合。使用光学感测设备，可以对熔点进行定义，并且将熔点校准为该点处的构造材料的温度。

在示例中，施加受控能量可以包括将能量施加到构造带上，直到聚结剂穿透构造材料的至少一部分为止。

图10示出用于生成三维物体的装置1000的示例。该装置包括用于对构造材料进行加热的能量源1001。校准单元1003使用将被用于生成三维物体的构造材料的样本来对至少一个温度点进行校准。温度控制器1005使用至少一个校准后的温度点来控制能量源1101。例如，温度控制器1005可以根据校准后的温度来适应或调节被供应给能量源的功率或由此发射出的能量，从而能够实施更精确的构造工序。

在一个示例中，装置1000包括联接到校准单元1003的温度传感器1007，用于向校准单元提供与构造材料相关的温度信号(例如对如以上所提及的温度曲线或温度数据进行监控)。在一个示例中，装置1000包括联接到校准单元的光学传感器1009，用于在校准测试期间对构造材料的表面进行监控(例如，用于如上所述对特定温度点进行光学检测)。

图11示出装置1100的示例，其中可以例如根据图3a至图3c中所示的步骤来执行校准测试(例如通过将能量37施加到已经被沉积在聚结剂33上的构造材料35上)，随后相应地对温度进行控制。该装置可以包括温度传感器1107和/或光学传感器1109，例如用于分别对温度曲线/数据进行监控和/或如上所述进行可视化监控。

在上述示例中，通过将构造材料沉积在聚结剂上来进行校准测试。然而，根据图12所示的另一示例，校准测试可以包括沉积构造材料(步骤1201)，并且随后将聚结剂沉积在构造材料的至少一部分上(步骤1203)，以及将能量施加到构造材料和聚结剂(步骤1205)。沉积构造材料的步骤可以包括沉积单层的构造材料或沉积多层的构造材料。在一个示例中，可以随后实施上述用于对至少一个温度点进行校准的步骤，例如通过对温度曲线或温度数据进行电子监控或者对表面进行可视化监控，以便对至少一个温度点(例如熔点或结晶点)进行校准。

在用于生成三维物体的装置的示例中，构造材料层的被选择部分可以在用于支撑构造材料的支撑体(例如支撑床)上聚结或熔合。在其上已经沉积有试剂(例如使用试剂分配器来选择性地分布(例如聚结剂和聚结改性剂))的构造材料层的部分被聚结，从而避免支撑体上的构造材料的其余部分到达熔合点或熔点。通过对这些温度点中的至少一个进行校准，可以对每种不同的构造材料结晶和熔化的地方的温度的任何变化进行补偿。校准还可以对系统参数(诸如传感器灵敏度等)的变化倾向进行补偿。

通过对温度点(例如构造材料的结晶点和/或熔点)进行校准，能够实现提供构造工序的更精确控制的示例。

更精确控制可以引发改善的熔化工序，并且避免生成劣质的物体，如果未足够精确地获知特定构造材料的温度点，则可能会发生这种情况。

从上述可以看出，一个示例包括通过沉积聚结剂(例如覆盖大部分构造带的吸收性油墨)来确定熔点，用构造材料(例如粉末)重新涂覆，以及施加受控温度。

在一个示例中，可以通过将能量(诸如来自灯的热量等)施加到构造带上来确定熔点，使得温度升高直到构造材料(例如粉末)达到聚结剂将上升而穿过构造材料的点(例如在施加有聚结剂的区域中)为止。如上面图4所示，该工序将在恒定温度下进行。

在示例中，可以如下确定结晶点。一旦超过熔点，就不再需要加热。例如通过移除能量源或以受控速度来进行冷却如上面图6所示也将在恒定温度下使熔化后的粉末结晶。

校准后的温度点(例如熔点和/或结晶点)可以由温度控制器来存储和使用。在一个示例中，校准后的温度值被用于整批的构造材料。在另一示例中，校准后的温度值可被用于当前作业/料斗，从而可以以这种方式来例如考虑由于环境条件而引起的变化。在一个示例中，校准后的温度值可以与其他材料的校准一起存储在针对特定构造材料而专门或动态生成的“配置文件”中。

这些示例使得构造材料(例如粉末或颗粒状材料)的至少一个精确工作点能够独立于特定制造商或批次而被确定并校准。

因此，在一个示例中，针对特定批次的构造材料，结晶点和/或熔点被校准一次，并且在该特定批次的构造材料的后续处理期间相应地对装置进行控制。

在一个示例中，在来自一批构造材料的构造材料的样本上对结晶点和/或熔点进行校准，并且在该特定批次的构造材料的后续处理期间相应地对装置进行控制。

在一个示例中，当构造材料被用于构造三维物体时，针对构造材料来校准结晶点和/或熔点。

在一个示例中，周期性地执行温度(例如结晶点和/或熔点)的校准，以对影响构造材料的任何环境条件进行补偿。

根据一个示例，通过能够对由于老化、温度或相对湿度而造成的构造材料(诸如粉末)所遭受的可能外部污染进行校正，能够使得生成三维物体的工序更为强壮。

本文所描述的示例可以实现提供更稳定、精确和受控的打印工序。示例可以使得所期望的性能(例如机械性、精确性或外观)能够使用任何粉末或颗粒状材料被再现。

在一个示例中，用于对温度进行监控的传感器或其他部件或者用于生成三维物体的其它系统部件中的任何变化可以由于正在将生成三维物体的装置中实施的校准操作而得到补偿，因此在校准操作期间将考虑任何这类可变因素。

根据一个示例，提供了一种对用于生成三维物体的构造材料的温度进行控制的方法，所述方法包括：将构造材料预加热到构造材料的结晶点与构造材料的熔点之间的温度；其中在进行预加热之前，至少对结晶点和/或熔点进行校准。

虽然上述一些示例涉及递送聚结剂和聚结改性剂，但应注意，示例可以与递送仅一种形式的试剂或多种不同试剂的装置一起使用。

在上述示例中，通过将构造材料递送到制剂上(而不是反之亦然)，从而具有能够更容易地检测熔点的优点。

应当注意，以上所提及的示例用于说明而不是限制本文所描述的内容，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下将能够设计许多替代示例。词语“包括”不排除权利要求中所列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现权利要求中所述的若干单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种在用于生成三维物体的装置中对温度进行控制的方法，所述方法包括：

对将被用于生成三维物体的构造材料的样本执行校准测试；

根据所述校准测试对至少一个温度点进行校准；以及

在所述装置的后续温度控制期间使用至少一个校准后的温度点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准测试包括：

沉积聚结剂；

将构造材料沉积在所述聚结剂上；以及

将能量施加到所述构造材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准测试包括：

沉积构造材料；

将聚结剂沉积在构造材料的至少一部分上；以及

将能量施加到所述构造材料和所述聚结剂。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述至少一个温度点包括熔点，并且其中所述方法包括：

当所述能量被施加到所述构造材料时，接收与所述构造材料的温度相关的温度信号；

对接收到的温度信号进行监控，以检测作为熔点的特征的温度变化；以及

将校准后的熔点设置为检测到所述温度变化时的温度。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述至少一个温度点包括结晶点，并且其中所述方法包括：

将能量施加到所述构造材料直到所述构造材料已超过熔点为止；

当所述构造材料冷却时，接收与所述构造材料的温度相关的温度信号；

对接收到的温度信号进行监控，以检测作为结晶点的特征的温度变化；以及

将校准后的结晶点设置为检测到所述温度变化时的温度。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中对温度信号进行监控包括：

对温度曲线的轮廓进行监控或者对温度数据进行监控。

7.根据权利要求6所述的方法，其中检测作为熔点或结晶点的特征的温度变化包括：

将所述温度曲线的所述轮廓与表示结晶点或熔点的特征的至少一个预定曲线进行比较；或者

将温度数据与表示结晶点或熔点的特征的预定温度数据进行比较。

8.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述温度点包括熔点，并且其中所述方法包括：

当将能量施加到所述构造材料的层上时，对所述构造材料进行可视化监控；

检测所述构造材料的层中作为熔点的特征的预定颜色变化；以及

将校准后的熔点设置为检测到所述预定颜色变化时的温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中检测预定颜色变化包括：

确定颜色密度是否已经达到指定水平。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述可视化监控通过以下来执行：

光学感测设备；或

温度传感器；或

热传感器；或

热传感器阵列；或

所述装置的操作者。

11.根据权利要求2至10中的任一项所述的方法，其中施加所述能量包括：

将热量施加到构造带上，直到所述构造材料和所述聚结剂聚结为止，或者直到聚结剂通过所述构造材料的至少一部分吸收为止。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中：

针对特定批次的构造材料，校准一次结晶点和/或熔点，并且在所述特定批次的构造材料的后续处理期间相应地对所述装置进行控制；或

在来自一批构造材料的构造材料的样本上，校准结晶点和/或熔点，并且在所述特定批次的构造材料的后续处理期间相应地对所述装置进行控制；或

当所述构造材料被用于构造三维物体时，针对所述构造材料来校准结晶点和/或熔点。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中

周期性地执行温度点、结晶点或熔点的所述校准。

14.一种用于生成三维物体的装置(1100)，所述装置包括：

能量源(1101)，用于对构造材料进行加热；

校准单元(1103)，用于使用将被用于生成三维物体的构造材料的样本来对至少一个温度点进行校准；以及

温度控制器(1105)，用于使用至少一个校准后的温度点来对所述能量源进行控制。

15.根据权利要求14所述的装置(1100)，包括：

温度传感器(1107)，联接到所述校准单元，用于向所述校准单元提供与所述构造材料相关的温度信号；和/或

光学传感器(1109)，联接到所述校准单元，用于在校准测试期间对所述构造材料的表面进行监控。