增材构造的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造方法。该方法包括，第一电位的导电元件和第二电位的离子源之间产生可变的电位差，并在导电元件和离子源之间产生电场。该电场穿过构造叠层体，到达构造叠层体的距离转印介质最近的最近表面。该方法进一步包括，使电荷（Q）从离子源累积在构造叠层体的最近表面上，并将沉积材料从转印介质转印至最近表面上。构造叠层体的最近表面处的电场的强度是可控的，以引起在最近表面上沉积材料的均匀转印。
【专利说明】增材构造
【技术领域】
[0001]本发明涉及增材构造(累积构造,additive building),特别涉及三维(3D)打印技术的改进。
【背景技术】
[0002]3D打印，也叫做增材制造，是这样一种制造技术，其中，通过打印或铺设连续的材料层，来产生三维物体。3D打印机提供了一种快速的产生原型物体的方式。3D打印机通过转换物体的3D计算机模型并产生一系列截面切片来工作。然后，打印每个切片，一个在另一个的顶部上，以产生3D物体。
[0003]绝大多数3D打印技术无法在一个部件中沉积多种材料。目前，唯一能够同时沉积多种材料的部件的系统基于挤出和喷墨打印系统。在一个这种喷墨打印系统中，打印机通过沉积几种由UV源固化的部件的截面的形状的UV可固化油墨，来产生模型，一次产生一层。重复该过程，直到打印出每层为止。
[0004]使用喷墨打印系统进行3D打印的一个缺点是，其是“湿法”打印技术，并且，需要待“打印”介质是液体，或者，可以悬浮在液体中。然而，这会限制可在此制造技术中使用的材料，因为，并不是所有物质都能够悬浮在液体中。
[0005]另一缺点涉及使用现有技术打印的图像的有限的分辨率。喷墨中的液滴稳定性将大多数功能油墨应用限制于600DPI的原始分辨率(?42 μ m的分辨率)。
[0006]此外，增材构造的预期结果是固体(或半固体)本体。如上所述，所有喷墨沉积技术都需要液体载体。从喷墨头分配的每个液滴的主要成分是液体载体，其通常占液滴体积的60%或更多。因此，当使用喷墨技术时，必须沉积远超过所需体积的总体积的介质，以累积所需体积的固体材料。典型地，该总体积可能是固体材料的所需体积的两倍。另外，如在US7322688中描述的，在打印温度下，载体应处于特定粘度范围内，典型的范围是5至45厘泊。这意味着额外的控制辅助操作，以正确地操作此打印技术。
[0007]此外，必须去除液体载体或将其转换成固体，这明显意味着打印所需的时间增加且需要使每层固化。通常，在打印液滴之后的打印(以及一些增材制造系统，例如，ZCorpTM和VoxeljetTM)应用，必须等待液滴的含水部分蒸发或用衬底吸收/与其起反应。
[0008]加热的喷墨头可打印液体蜡。然而，在能够使另一层沉积在顶层上之前，必须等待腊固化(相变)。在SolidscapeTM增材制造系统中使用此系统。虽然可通过在油墨中包括光引发剂(然后，将其进行UV固化，以导致聚合物的交联)来实现固化或相变，但是，在可打印或沉积新层之前，仍存在延时。
[0009]另一缺点涉及用于增材制造的现有打印技术的可扩缩性。喷墨技术依赖于通常以排布置的微型沉积喷嘴。制造横跨打印的整个宽度的排(或甚至多排)通常并不节省成本，因此，使打印头前后移动，以覆盖整个宽度。这也会影响打印技术的速度。
[0010]另外，喷墨头中的微型喷嘴具有堵塞的倾向。特别是如果断断续续地使用打印机；或者当打印材料(油墨)具有容易随着时间而交联的化学组成时，那么会使此问题加剧。[0011]通过【背景技术】，通常，电子照相术是一种使用墨粉和光敏表面的干法打印技术，该光敏表面通常在辊子或转鼓(drum)上，以将打印的图像转印至所需介质上:例如，激光打印机或影印机中的纸。
[0012]转鼓或辊子的表面是光敏的，并可叫做感光器或光电导体。可用无机或有机光敏材料来涂覆表面。由于广泛使用有机光电导体，所以此转鼓通常叫做0PC。转鼓旋转，以使打印的图像通过一次或多次旋转转印，在该过程中，转鼓表面通过下述步骤:
[0013]步骤1.充电
[0014]通过从电晕线进行电晕放电，将静电电荷均匀地分布在转鼓的表面上。此效果还可通过使用具有施加至其的电荷的接触辊来实现。可将施加至该表面的电荷的极性选择为是正的或负的，取决于要使用的墨粉的极性。
[0015]步骤2.曝光
[0016]在激光器或LED打印机中，将调制光投射在转鼓表面上，以产生“潜”像。在照亮转鼓的地方，导致电荷耗散。在此曝光之后留在转鼓上的电荷图案是潜像。
[0017]步骤3.显影
[0018]对转鼓提供墨粉颗粒和更大的金属载体颗粒的混合物。载体颗粒具有涂层，其在搅动过程中，产生静电的形式，其在转鼓的表面上吸引墨粉颗粒的涂层。用磁性辊子操作混合物，以使转鼓/皮带的表面具有一层墨粉。通过与载体接触，每个中性墨粉颗粒的电荷的极性与转鼓上的潜像的电荷的极性相反。电荷吸引墨粉，以在转鼓上形成可见图像。为了控制所转印的墨粉的量，对显影辊施加偏压，以抵消墨粉和潜像之间的吸引。在以上描述中，已经描述了双部件显影系统。然而，本领域的技术人员应理解，也可使用单部件显影器。
[0019]步骤4.转印
[0020]使纸在转鼓和转印电晕之间通过，其极性与墨粉上的电荷的极性相反。通过压力和产生的静电吸引的组合，将墨粉图像从转鼓转印至纸。
[0021]步骤5.分离或脱离
[0022]在转印电晕之后，使纸上的电荷中和。结果，使完成有大多数(但并不是所有)墨粉图像的纸与转鼓分离。
[0023]步骤6.固定或熔化
[0024]用热和压力机构(热辊熔化器)或辐射熔化技术(烤炉熔化器)将墨粉图像永久地固定至纸，以熔化墨粉颗粒并将其粘结在纸中。
[0025]步骤7.清洗
[0026]通过光使在脱离过程中已经部分地放电的转鼓进一步放电，并且未在步骤6中转印的任何剩余的墨粉通过旋转刷从转鼓表面去除。
[0027]在现有技术中，这些电子照相原理是众所周知的。使用电子照相的好处是，打印每张纸更便宜，可能实现高达2400dpi的更好的分辨率，并且，打印时间更快，该技术每分钟能够打印几百页。
[0028]不管电子照相的上述优点如何，之前在3D打印中都尚未使用此打印技术来直接沉积材料以进行增材制造，因为当层的数量增加时，现有的电子照相技术无法确保打印质量。
[0029]打印表面劣化的原因是，对于打印的每层，存在电荷的累积。此电荷累积的原因是两方面:1)沉积的墨粉颗粒本身仍携带大量电荷(即使在脱离过程中并且作为随着时间自然电荷衰减的结果已使其稍微放电)，并且，2)在使用带电最终转印辊的地方，使衬底和之前打印的墨粉层接触带电，即，当它们彼此接触时，将电荷从转印辊传导至衬底/之前的层。这意味着，不将新的墨粉颗粒均匀地转印在之前沉积的层上，因为其成比例地排斥在之前打印的表面上累积的相同符号的电荷。传统地，此问题已经确信，电子照相已仅适合于打印有限数量的层，例如，多达8层。此外，表面质量劣化至足够的程度，这阻止了打印多层或3D物体。
【发明内容】
[0030]本发明提供了一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造方法，包括:向转印介质提供带电颗粒，以沉积在连续的覆盖层中，从而提供构造叠层体；将一层带电颗粒沉积在衬底上，以提供第一层；减小第一层的残余电荷对于后续沉积在第一层上的第二层的排斥效果；并将第二层的带电颗粒从转印介质沉积在第一层上；执行排斥效果的减小，以防止由连续沉积的层产生的残余电荷的累积，并提供这些层的均匀沉积。
[0031]第一层可以是构造叠层体的最初沉积的层，或者，可以包括该叠层体的中间层。
[0032]沉积层上的残余电荷的排斥效果可以通过施加电场至少部分地减小，并且，可以调节电场的布置，以对连续沉积的层保持排斥效果的减小。
[0033]电场的布置可以通过施加电位差以产生电场，并根据沉积的层的数量和/或厚度增加电位差来调节。可以在第一和第二层之间引入导电层(传导层)。
[0034]残余电荷的排斥效果还可以通过在沉积第二层之前使第一层放电来减小或克服。这可以包括通过施加导电涂层，使第一层的上表面放电。
[0035]而且，该方法可以包括，通过施加与残余电荷的极性相反的带电颗粒的另一层，使
第一层放电。
[0036]减小第一沉积层上的残余电荷的排斥效果，可便于改进连续层沉积的质量。
[0037]本发明还包括一种用于执行该沉积方法的系统。
[0038]本发明的一个实施方式使用导电平面，例如，铜片或铝片，以在转印介质和要在其上打印的表面之间产生电位差。或者，可以将该平面提供为导电聚合物，在一个优选实施方式中，可以将该平面提供为半导体材料。在此实施方式中，半导体材料用来变成选择性带电。在另一实施方式中，可以用导电元件例如电晕线代替导电平面。在所有情况中，导电平面或元件具有导致带电表面变得均匀的优点。从而，这可改进打印层的表面质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]现在，将参考附图，通过实例描述本发明的实施方式，其中:
[0040]图1是根据本发明的增材构造方法的示意图；
[0041]图2是本发明的一个实施方式的示意图；
[0042]图3是图2所示的本发明的实施方式的方法步骤的流程图；
[0043]图4a至图4d是本发明的一个实施方式的转印装置的示意图，示出了如何能够通过增加沉积层的厚度和数量来补偿残余电荷；
[0044]图5a、图5b和图6是本发明的“跳步式”实施方式的图示；[0045]图7a是通常如图1所示的转印设备的图示；
[0046]图7b是本发明的电容转印实施方式的图示；
[0047]图8是图7a的转印设备和图7b的电容转印之间的比较的图示。
【具体实施方式】
[0048]图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于增材构造3D结构的设备。图1所示的实施方式包括多个处理，包括:沉积处理101，沉积带静电的颗粒的覆盖层，带静电的颗粒例如为通过电平版印刷处理而沉积在层中的墨粉颗粒；固定处理102，用于各个沉积层；以及处理103，在所得的叠层体中下一层沉积之前从沉积的层去除累积的电荷，在这里叫做抗静电措施。在图1所示的一般实例中，用激光打印处理将3D结构的各层限定为一定形状，并在站C用静电转印方法从转印转鼓沉积到衬底上，然后，在站A将沉积层固定。然后，衬底移动至站B，在那里，执行抗静电措施，以从沉积层的表面去除残余电荷，该残余电荷另外将会排斥在站C沉积在下一层中的带电颗粒，从而产生连续沉积的均匀层。
[0049]在图2中，更详细地示出了根据图1的原理的打印设备的一个实例。使构造平台10在站A、B、C之间移动。在一个实施方式中，构造平台10可以位于传送带(未示出)上，但是，本领域技术人员可想到其他布置。例如，可以将构造平台固定在适当的位置中，并且，可以使站A、B、C移动至构造平台的位置。另外，多个构造平台可在站之间往复移动。在此实例中，利用静电场来减小带电颗粒上的沉积层的表面上的残余电荷对后续沉积在第一层上的下一层的排斥效果。
[0050]构造平台10包括底板12，在底板上构造打印本体，作为多个覆盖打印层。如所示出的，底板12包括位于第一绝缘层16上的导电板14。在导电板14的上方形成第二绝缘层
18。使多个打印层20连续地沉积或打印在底板或最后的打印层上。
[0051 ] 在站C将打印层沉积之后执行固定处理的站A，在此实例中包括加热器30，并可以如在上述步骤6描述的那样操作。
[0052]在此实例中，站B包括用于如下所述的离子转印(充电)处理的高压电晕线40，该处理作为准备打印下一层的抗静电措施。
[0053]站C是用于沉积处理的打印机50。打印机50是电复印打印机，其包括打印转鼓，在打印转鼓上，对待打印的3D物体的每个连续层连续地形成静电潜像。用带负电的墨粉颗粒使每个潜像显影，并将潜像提供于转印辊52上，使得可将其转印在板12上。可根据传统的电复印技术，例如，使用激光器使转鼓曝光以产生潜像，来精确地确定每层的尺寸。
[0054]图2所示的实施方式被称为电场辅助离子转印实施方式，并参考图3的流程图进行描述。为了以下描述的目的，参考具有负电荷的墨粉26。本领域的技术人员应理解，这并不是必需的，并且，可简单地适用该方法，从而其也可应用于具有正电荷的墨粉。
[0055]在站B处或其周围，导电板14在步骤S3.1用负电压充电。由于高压电晕线和板之间的电位差的原因，这会产生电场(在步骤S3.2 )。
[0056]电场吸引正离子42 (或阳离子)，其帮助或加速正电荷在打印本体20的顶面24上的累积(步骤S3.3)。在第一打印层的情况中，该表面可以是底板12的第二绝缘层18，或者，可以是前一打印层20。
[0057]如上所述，当通过电平版印刷方法在彼此顶部上打印多层墨粉时，表面质量会随层的数量增加而劣化，这是由于残余电荷在表面上的堆积而引起的，这会阻止下一层带电墨粉颗粒从打印机的转印辊52的均匀转印。在站B通过在表面24上形成均匀的正表面电荷，去除将另外堆积在顶面24上的这样的不希望有的残余负电荷(步骤S3.4)，这也会有助于如下所述在站C打印处理中的下一墨粉层的转印。
[0058]在站B将充电状态保持足够的时间，以在表面上累积足够的电荷密度，从而抵消顶面24上的残余负电荷，并还累积均匀分布的正表面电荷，从而有助于在站C的打印处理。在一个实施方式中，这通过在高压电晕线40下方缓慢地驱动构造平台来实现。使构造平台在电晕线40下通过的时间可以在0.1至60秒的范围内(取决于离子源产生的离子密度和吸引这些离子的电场的强度)。在一个替代实施方式中，将构造平台布置为，在电线40下方停止并停留设定的持续时间，例如，0.1至60秒。给定时间范围仅是一种表示，并不代表所使用的时序的任何限制。
[0059]在以上分配的时间周期结束时，当存在足够累积的正电荷时，构造平台移动至站C。在到达站C之前，断开供应至导电板14的负电压(在步骤S3.5)。这是因为，如果不断开电压，那么将在底板12和打印机50内的转印辊52之间产生不希望有的电场。此电场将非所需地使墨粉26从打印本体20排斥，而不是吸引其。
[0060]当构造平台10处于站C时，打印本体的表面上的正电荷从转印辊52吸引带负电的墨粉26到打印本体20的上表面24上，如在步骤S3.6示出的。
[0061]在一个实施方式中，通过从辊52到打印本体20的表面24上施加压力，来帮助此吸引。另外，在本体中已经具有至少一个打印层20的情况下，之前打印的层20可能仍是热的。在此情况中，最后打印的层具有粘性，这也会有助于吸引墨粉26并将其保持在最后打印的层上。在构造平台10移动至站A的同时，墨粉26保持静电地位于原处(步骤S3.7)。
[0062]在站C打印之后，将平台移动至站A，在那里，使新沉积的墨粉26熔化或固定在原处。用加热器30来实现熔化(步骤S3.8)。
[0063]在另一实施方式中，可以通过在沉积每层之后施加化学试剂或粘合剂，将墨粉在原处熔化。或者，在另一实施方式中，可以使用弹性粘合剂。
[0064]在站A将最后打印的层固定之后,构造平台10可返回至站B (步骤S3.9),以用电晕线再次充电，使得，可在站C沉积另一打印层。
[0065]本领域的技术人员将理解，图2中示出为单独处理的离子源不需要与打印机或站C处的沉积处理独立。关键需求是，在离子源40和导电平面/元件14之间产生电位差。接着，此电位差控制电场的强度，因此，可确保将沉积材料或墨粉均匀地转印在打印本体的表面24上。
[0066]虽然以上描述涉及打印和打印机，但是应理解，所述技术可用于任何使用带电粉末的处理，如电刷(EMB)涂覆技术、粉末涂覆等。
[0067]如上所述，用离子源或电晕线40对打印本体的表面充电。为了确保上表面24上具有足够的电荷，将导电板14与非常高的电压源电连接，例如，高于1000伏直流电。在这种高电压和甚至更高的电压下，例如，3000伏直流电，可充分改进表面质量，使得平均粗糙度是 I U rn Ra。
[0068]施加至导电板的电压是可变的，并可作为打印过程的一部分来进行控制。实际上，控制电压以控制打印本体20的上表面24处的电场的强度。控制电压以在上表面24上实现最佳的电场强度，从而抵消在打印每个连续层之后出现的残余电荷，尽管会连续增加打印的层的数量。
[0069]通过主动地控制导电板的电压和电场强度本身，可以打印具有涡轮增压的(通过摩擦充电的)墨粉或粉末颗粒的多层本体。随着连续地打印层，以及随着打印本体20的深度增加，施加至板的电压增加，以保持上表面24上的电场强度。在一个实施方式中，在打印每层之后电压增加，使得，当施加下一连续的打印层时，对在站C执行的转印和脱离步骤保持最佳电场强度(也叫做临界电场强度)。因此，逐渐增加电压，以抵消由新的墨粉或打印层的累积所产生的任何屏蔽或极化效果。
[0070]图4a至图4c更详细地示出了图1中的站C的转印或沉积处理。
[0071]图4a示出了站C处的转鼓或转印辊52，具有一空间排的带负电的墨粉颗粒53，其已使之前例如通过上述使用激光器(未示出)的传统技术记录在转鼓上的静电潜像54显影。在转印过程中墨粉颗粒53示为第二绝缘层18上的第一层墨粉24-1。在站B处的前一个充电步骤中，对底板12施加相对较低的负电压。
[0072]图4b示出了从转鼓52上的第二墨粉显影潜像转印的第二层墨粉24-2。在站B处的前一个充电步骤中，对底板12施加增加的负电压。需要该增加的电压，以使得电场能够穿过第一层墨粉24-1，并实现适当水平的均匀正表面电荷，以吸引如图4b所示地沉积的下一层 24-2。
[0073]图4c示出了转印的第η层墨粉。在站C处也需要提前增加电压，以确保电场穿过所有之前的墨粉层，从而在站C处沉积下一打印层24之前，产生适当水平的正表面电荷。
[0074]相对于三角高压符号的大小,示意性地示出了所施加的电压的大小。应理解,在转印或沉积处理的过程中并不施加电压，因为，如上所述，这将导致墨粉从构造平台排斥。所包括的电压符号向在站B处的充电过程中施加的电压的水平提供参考。
[0075]图4d示出了如果不主动控制用来产生转印所需的电场的电压将会发生什么。如果足够大小的固定电压可确保电场根据需要穿透多个打印层，那么，在打印开始几层的过程中将出现发火花。这是因为电压过高，并且，第二绝缘层和该多个打印层所提供的绝缘不够。另外，不管发火花的问题如何，随着更多的层的增加，打印本体的上表面上的不足的电场强度都将导致较差的表面质量。
[0076]在一个实施方式中，导电板14由铝制成。然而，该板可由任何适当的导电金属或聚合物或半导体材料制成。
[0077]在一个实例中，根据所述过程，将标准黑色聚酯墨粉(Samsung Poly-JZTM)沉积至Imm的厚度,具有最小的表面不规则性。
[0078]此外，可以产生更高厚度如IOOmm或更大的3D部件。
[0079]为了构造这种更大厚度的3D部件，必须一层一层地打印层，以累加材料，从而形成3D物体。当在给定电压下对导电板14充电时，为了实现临界电场强度，需要限制电场穿透累加材料的深度，从而实现所需的结果。
[0080]虽然理论上可以通过任何厚度的材料(假设具有足够大的电位差)建立电场，但是，存在这样做不再实际或不再安全的问题。此外，存在打印表面不再均匀的点(取决于沉积材料的组成、密度和温度的易变性)。这会限制可用此技术构造的材料的深度。
[0081]为了克服此限制，发明人已经设计出一种不需要将施加至板14的电压增加至无法接受的高水平就能使电场进一步穿透材料从而累积越来越多的层的技术。在这里，该技术叫做跳步，并包括，将逐渐构造的打印层的叠层体的顶部之间的距离变化和在导电板14上建立的电位减到最小。
[0082]在图5a中示出了该技术，由此，底层12在两个绝缘层16、18之间包括导电板14，如上所述。在一个实施方式中，导电板14在大约-3000V直流电下是铝板。如所示出的，构造的本体包括多层非导电绝缘体材料，其代表多个打印层。在第四和第五层绝缘体材料24-4和24-5之间，是第一中间导电平面25-1。在一个实施方式中，中间导电平面25_1是一片或一层铝箔，其通过导电区域27与板14电连接。当逐渐构造时，并且，当电场无法足够地穿过多个打印或绝缘层时，与导电板14电耦接的中间导电平面25-1使电场进一步传播穿过连续施加的绝缘材料的打印层。
[0083]为了防止层之间的发火花，使导电平面25彼此绝缘并接地。另外，使中间导电平面绝缘可防止中间平面屏蔽或防止电场传播穿过材料。实际上，因为使中间导电平面/层绝缘，所以其处于使得电场能够传播穿过材料的浮动电位。
[0084]如图5b所示，在第一中间导电平面25-1的顶部上增加绝缘材料的其他打印层24。第二中间导电平面25-2位于第六和第七打印层24-6、24-7之间。此第二中间导电平面25_2也与导电板14电耦接，以当这些层累积时，使电场进一步传播通过这些层。
[0085]使电场按以上方式传播，会在打印材料的表面上产生足够的电场，使得，将新的层充分地吸引至该表面，以使得能够进一步增加其他打印层。
[0086]图6示出了与在站C的转印步骤相关执行并使用上述跳步技术的实验的细节。在此实验的过程中，导电板在3000V直流电开始，但是，这过高，因为其会导致发火花，因此，如所示出的，将电压减小至2500V直流电。
[0087]为了成功地使用跳步来使电场传播穿过打印本体(也叫做构造叠层体)，必须在沉积层达到最大可打印厚度之前引入中间导电平面。此最大厚度由用户规定的电压极限和目标电场强度来确定。
[0088]例如，当使用3000V直流电的电源时，在表面保持1.5M V/m的电场强度的同时，电场可穿过的墨粉的最大厚度是大约2_。因此，在达到此厚度之前，引入中间导电平面。在实验中，如图6所示，将中间导电平面在大约1.0mm处的一半的点处插入。
[0089]可以许多不同的方式引入此导电平面。例如，可以通过以下方式来形成中间导电平面:1)对构造叠层体增加铝或类似类型的箔片，2)用导电材料(例如金)溅射构造叠层体的上表面，3)在构造叠层体的上表面上喷射导电涂层，或者，4)通过打印具有足够导电率的材料。
[0090]如上所述，使得导电平面留在浮动电位，因此，其不会使新的墨粉与电场屏蔽。而且，调节电压，以使得与导电板或与打印设备的其他部分(即，感光器或转印辊)不会发火花。这样，使中间导电平面绝缘，以使得尚未在新的导电平面产生的电场也能够从带电底板(或从任何其他中间导电平面)通过其，并在之后在站C的转印和脱离的过程中满足其目的。
[0091]作为将打印设备和导电平面之间发火花的危险减到最小的预防措施，在将中间导电平面与电压源连接之前，打印几层。
[0092]在打印设备使用具有绝缘涂层的最终转印辊的情况下，可以使用比以上实例少的层。将电压源与中间导电平面连接。假设导电平面位于打印设备附近，减小电压，以防止发火花。
[0093]进一步增加在构造叠层体中层的累积，直到需要新的导电平面为止。这样，使与高压电源的连接使打印叠层体向上“跳步”，以使得电场可进一步传播通过构造叠层体。
[0094]因此，可跨层叠层体的上表面建立恒定强度的电场，使得将墨粉颗粒吸引至表面，并形成平滑的均匀表面。当累积层时，必须将表面处的电场强度保持相同。为了确保是这种情况，当构造层时，控制施加至底板的电压。对于开始的层，当构造深度较小时，将电位差保持较小，并且，随着层增加，电位差增加，使得在构造处理中，表面上的电场强度保持恒定。
[0095]可保持表面处的场强的一种机制是，对表面设置目标电压。当构造层时，可测量表面上的电压，并在反馈回路中反馈，使得可使所施加的电压增加，以确保所施加的电场产生保持在目标电压的表面电压。
[0096]防止电位差变得过高，从而防止发火花。室温和室内湿度下的空气在3M V/m(3X107V.m-1)下击穿，因此，将避免此值。转印线(nip)处的典型场强在0.5M和1.5MV/m之间变化。
[0097]本领域的技术人员应理解，存在其他保持电压的方式，例如，可以随着材料的厚度增加，逐渐增加电压。另外，可以手动地控制电压，使得随着层的数量/厚度增加，其逐渐增加。
[0098]铝箔层27 (中间导电平面)应被构造为，不与充电板屏蔽电场。图6所示的实验数据证明了从底层通过几层绝缘材料跳步并仍在顶层上保持光滑表面的打印的能力。
[0099]上述跳步技术包括将铝箔与高压板连接。然而，当构造物体时，还可以通过物体的电容性质而转移电场。电容性质是交替的导电层和非导电层的副产品。在本实例中，这通过使铝箔和陶瓷板交替而不将它们物理地连接来实现。当对底板充电时，在通过绝缘层分离的底板和第一层铝箔之间存在电位差。这产生变得感应充电的铝层，当电场传播通过表面时，其会增强电场的均匀性和强度。
[0100]将以与平行板电容器相似的方式，对电场内的浮动电位下的中间导电平面感应地充电。通过计算导电板上的感应电荷，可调节电源电压，使得可通过这些导电平面来传播电场，而不需要将它们与电源电压物理地连接。
[0101]可与感应充电的导电平面一起使用与高压电源电线连接的跳步，以保持临界场强和均匀性。
[0102]图7a和图7b示出了参考图2描述的转印技术和电容转印技术之间的比较。
[0103]在图7a中，在铝底板12上打印衬底之前，在+3000伏直流电下对铝底板12充电，并且其顶部上具有交替的陶瓷层29和额外的陶瓷衬底30。使用此技术，可以以大约
0.140mm的打印厚度打印20层。
[0104]图7b示出了当陶瓷层29之间具有铝箔形式的中间导电层28时的结果。在此实例中，由于电容转印的原因，可以以大约0.1lOmm的打印厚度打印20层。
[0105]在图8a和图8b中示出了图7a和图7b的传统转印和电容转印之间的比较结果。
[0106]图Sb表明，可以用此技术打印层(B卩，不需要将中间导电层与底板物理地连接)，这已经单纯通过不同板的感应充电来实现，使得电场传播通过构造平台的表面。发明人已经理解，这种感应充电在通过材料的深度方面是有限的，因此，电场的此传播可能无法贯通整个物体。然而，可用上述跳步技术来补充此技术。[0107]当其处于电场中时，感应充电技术可以工作的深度取决于场强和出现在打印材料中的极化。实验数据表面在离带电的导电底板5mm处具有场效应(其中，从底部开始叠层体包括:1mm招(Al)板,将其充电至3000V直流电；Imm陶瓷板；Imm Al板；Imm陶瓷板；Imm Al板，Imm陶瓷板，以及一个或多个打印层)。
[0108]在发明人所进行的一部分实验中，注意到打印材料的一些破裂。将这理解为，当使用特征明确且充分了解的聚酯墨粉时，打印材料的脆性的结果。
[0109]发明人已经了解，一种克服这些问题的方式是，用不太脆的材料打印。或者，或另夕卜，另一种方法包括，将打印的物体以可控的方式冷却至室温。发明人已经开发出特殊的表现出不太脆的打印材料。
[0110]另一种解决方案是，打印更大数量的更薄的层，使其不太容易提前破裂。在一个实施方式中，将几层打印成块，并且，将其装配成块，而不是在构造叠层体的整个厚度上直接
一层打印在一层上。
[0111]又一种解决方案是不在如上所述的升高温度下执行的熔化方法。一个这种熔化方法包括，在每层之间向下喷射粘合剂(即，粘附剂)，作为上述加热器熔化处理的一种替代方式。这为我们提供了两个优点:首先，可以使用并不容易熔化的材料，例如陶瓷，其次，可以这样选择粘合剂的导电率，使得其形成用于如上所述的导电充电或跳步的导电平面。可将这种导电粘合剂层用作上述导电平面的替代物。另一优点是，还可将粘合剂用作抗静电措施，其中，我们不希望产生体积充电的本体。
[0112]使用如上所述的增材构造技术(例如，激光打印技术)来打印3D物体的一个关键优点是，可以对任何物质充电，只要其绝缘即可。因此，可以使用任何聚合物、陶瓷、或无机材料。可以为了打印然后去除外壳的目的，而在非导电层中涂覆某些导电材料。在之前的使用喷墨的3D打印技术中，每个部件仅可以使用一种材料。在不同的阶段中必须制备需要多种材料的复杂物品。
[0113]本技术的关键优点是，可用激光打印技术来混合材料。因此，叠层体的连续的层可包括不同的材料组成，使得例如电子部件及它们的壳体可在一次快速处理中由不同层的材料制成。
[0114]另外，使用激光打印而不是喷墨打印的另一优点是，不存在液相。在增材制造中广泛用作支撑材料的各种材料如水溶性聚合物(糖是另一种希望的层材料，因为其是水溶性的)无法悬浮在液体中，以在喷墨打印中使用。因此，通过去除液相，可以在激光打印技术中使用这些材料。
[0115]与已知的干法打印技术(已知该技术用干粉覆盖打印区域，并选择性地沉积粘合齐U，以在增材制造技术中形成多层)相比，所述打印方法具有另一优点。在这种现有技术中，可以无法用多种材料在每层中打印。这是因为没有方法精确地控制多种粉末的放置。本发明是有利的，因为在转印处理中可控制材料本身的放置，而不仅仅是粘合剂的放置。
[0116]本领域的技术人员应理解，如何用这里描述的增材制造技术来用材料制造3D物体。还应理解，还可用此方法来制造成块的3D物体或更小的部件，然后将其装配以形成整个物体。
[0117]可以在站B使用其他抗静电措施，其包括，当使其连续地沉积时，一层一层地管理残余电荷。例如，可以在沉积下一层之前，通过使最后沉积的层的上表面与导电接地元件接触，来使残余电荷放电。
[0118]另一种方法是，对最后沉积的层的最上方的表面喷射或用其他方式施加导电涂层，这可对导电层12提供导电路径。例如，可以使用盐喷射，在沉积下一层之前，使其随后蒸发。或者，该涂层可以包括聚合物，其也对沉积层执行固定步骤，具有避免使用单独的固定站A的优点。
[0119]另一种抗静电方法是，对那些用来形成最后一层的打印下相反符号的颗粒，以使残余电荷中和。例如，连续的或连续组的沉积层可以由相反符号的带电颗粒形成，以抵消残余电荷。
[0120]落在所要求的发明的范围内的许多其他修改和变化对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。例如，图1所示的步骤并非必须以图中所示的顺序执行，而可以使用其他处理顺序。
[0121]而且，其他实现静电有利条件的用于转印或用于在固定本体上实现目标净电荷的抗静电措施包括:提供足够的停留时间使电荷衰减，以充分地不会阻止固定本体的构造处理或最终用途；使用电磁波(伽马、微波等)或离子辐射(阿尔法、原子等)；移动磁场或使其交替，以引起带电颗粒的移动；以及沉积材料或附加材料(如喷射在该层上的水或IPA)的相变，例如，蒸发、升华。
[0122]对于本领域的技术人员来说，根据落在所附权利要求的范围内的以上描述，其他改进将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造方法，包括: 向转印介质提供带电颗粒以沉积在连续的覆盖层中，从而提供所述构造叠层体， 将所述连续的覆盖层的一层带电颗粒沉积在衬底上，以提供第一层， 减小所述第一层的残余电荷对于后续沉积在所述第一层上的第二层的排斥效果，并且 将所述第二层的带电颗粒从所述转印介质沉积到所述第一层上， 执行排斥效果的减小，以防止由连续沉积的层产生残余电荷的累积，并提供这些层的均匀沉积。
2.根据权利要求1所述的方法，包括施加电场以减小所述沉积的层上的残余电荷的排斥效果。
3.根据权利要求2所述的方法，包括调节所述电场的布置以对所述连续沉积的层保持排斥效果的减小。
4.根据权利要求3所述的方法，包括通过施加电位差以产生所述电场，并根据沉积的层的数量和/或厚度增加所述电位差，来调节所述电场的布置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，包括通过在所述第一层和所述第二层之间引入导电层，来调节所述电场的布置。`
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中，通过在沉积所述第二层之前使所述第一层放电，来克服所述排斥效果。
7.根据权利要求6所述的方法，包括通过施加导电涂层使所述第一层放电。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述导电涂层执行层固定步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，包括通过施加与所述残余电荷的极性相反的带电颗粒的另一层，使所述第一层放电。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括，将离子从离子源引导至所述第一层上，所述离子的极性与所述残余电荷的极性相反，以减小所述排斥效果。
11.一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造方法，所述方法包括: 在第一电位的导电元件和第二电位的离子源之间产生可变的电位差； 在所述导电元件和所述离子源之间产生电场，其中，使所述电场通过所述构造叠层体，到达所述构造叠层体的最靠近转印介质的最近表面； 使电荷(Q)从所述离子源累积在所述构造叠层体的所述最近表面上；并且将沉积材料从所述转印介质转印至所述最近表面上，其中，所述构造叠层体的所述最近表面处的电场的强度是可控的，以在所述最近表面上实现所述沉积材料的均匀转印。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括，改变所述导电元件和所述离子源之间的电位差电压，以当层的数量增加时，增加所述最近表面处的电场的强度。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括: 将所述导电元件保持在所述第一电位；并且 改变所述离子源的所述第二电位，以改变所述电位差。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，进一步包括在转印步骤之前，使所述导电元件与所述第一电位分离。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，进一步包括使转印至自由表面的所述沉积材料熔化。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，进一步包括: 引入中间导电平面作为所述构造叠层体中的一层； 使所述中间导电平面与导电板耦接，以增加所述电场穿透所述构造叠层体的深度。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，进一步包括: 引入中间导电平面作为所述构造叠层体中的一层； 对所述中间导电平面电容充电，以增加所述电场穿透所述构造叠层体的深度。
18.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括使所述中间导电平面绝缘。
19.根据权利要求16或17所述的方法，进一步包括在所述构造叠层体中沉积多个中间导电平面； 对所述多个中间导电平面中的至少一个进行电容充电；并且 使所述多个中间导电平面中的至少一个与导电元件耦接，以增加所述电场的穿透深度。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的方法，进一步包括在转印步骤之后，当沉积每层时，使用离子源来使每 层放电，以避免体积电荷截留在所述构造叠层体内。
21.根据前述任一项权利要求所述的方法，包括通过使用热源、粘合化学试剂、暂时或永久的粘合剂、超声固结、交联和/或施加的压力，使沉积的层熔化。
22.一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造设备，包括: 转印介质，被构造为提供带电颗粒以沉积在连续的覆盖层中，从而产生所述构造叠层体， 装置，其用于减小沉积的第一层的残余电荷对后续沉积在所述第一层上的第二层的排斥效果，使得所述排斥效果的减小可防止由连续沉积的层产生的残余电荷的累积，并提供这些层的均匀沉积。
23.一种用于构造多个层以形成构造叠层体的增材构造系统，所述系统包括: 直流(DC)电压电源，与被布置为将导电元件置于第一电位的导电元件耦接； 离子源，处于第二电位，用于在所述导电元件和所述离子源之间产生电场，其中，所述电场穿过所述构造叠层体，并导致在所述构造叠层体的最靠近转印装置的最近表面上电荷(Q)的累积，所述转印装置用于将沉积材料从转印介质转印至所述最近表面上，其中，所述构造叠层体的自由表面处的电场的强度是可控的，以对所述最近表面实现所述沉积材料的均匀转印。
24.根据权利要求23所述的系统，进一步包括用于控制施加至所述导电元件的直流电压的电压控制器，以控制所述导电元件和所述离子源之间的电位差电压，从而当层的数量增加时，增加所述最近表面处的电场的强度。
25.根据权利要求24所述的系统，进一步包括用于控制施加至所述离子源的直流电压的电压控制器，以控制所述导电元件和所述离子源之间的电位差电压，从而当层的数量增加时，增加所述最近表面处的电场的强度。
26.根据权利要求24或25所述的系统，其中，将所述电压控制器布置为监测自由表面处的电场的强度，并调节所述电位差，以将场强保持在临界场强。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的系统，其中，所述导电元件是支撑于构造平台上的绝缘导电板，所述系统进一步包括:移动机构，用于使所述构造平台在充电站、转印站和熔化站之间移动，其中，将所述离子源定位在所述充电站，将所述转印装置定位在所述转印站，并将熔化装置定位在所述熔化站。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，将所述构造平台布置为，在所述离子源下以可控速度移动，以实现电荷(Q)在所述构造叠层体的所述最近表面上的所需累积。
29.根据权利要求23至27中任一项所述的系统，其中，所述离子源是电晕线。
30.根据权利要求23至29中任一项所述的系统，进一步包括用于熔化转印至所述自由表面的所述沉积材料的熔化装置。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述熔化装置是选自以下组中的一种或多种:热源；粘合化学试剂；暂时或永久的粘合剂；超声固结；交联和/或施加的压力。
32.根据权利要求23至31中任一项所述的系统，其中，在所述构造叠层体中的连续的层之间，设置至少一个中间导电平面。
33.根据权利要求32所述的系统，进一步包括用于使所述至少一个中间导电平面与所述导电元件耦接的电耦接装置。
34.根据权利要求23至33中任一项所述的系统，其中，在所述构造叠层体中的隔开的位置处，设置多个中间导电平面。
35.根据权利要求34所述的系统，进一步包括用于使所述多个中间导电平面中的一个或多个与所述导电元件选择性地耦接的选择性耦接装置。
36.根据权利 要求23至35中任一项所述的系统，其中，所述转印装置是转印辊。
37.根据权利要求23至35中任一项所述的系统，其中，所述转印装置是刷或辊。
38.根据前述任一项权利要求所述的方法或设备或系统，其中，用于所述层的沉积材料包括选自以下组的材料中的一种或多种，该组包括:磁性墨粉、非磁性墨粉、聚合物、陶瓷、半导电材料、封装导电材料、有机材料、导电材料和无机材料。
39.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，减小所述第一层的残余电荷对于后续沉积在所述第一层上的所述第二层的排斥效果包括以下至少一个:提供足够的停留时间使电荷充分地衰减，以不阻止所述第二层的沉积；使用电磁波或离子辐射；使用导致带电颗粒的移动的移动或交替的磁场；或者，所沉积的材料或喷射在所述层上的附加材料如水或IPA的相变。
【文档编号】G03G15/22GK103858060SQ201280035939
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2011年5月31日
【发明者】詹森·布莱尔·琼斯, 格雷戈里·约翰·吉本斯 申请人:华威大学