光子融合的制作方法

三维打印(另称为“3D打印”)涉及到机器通过其来将机器可读指令转变成三维物理对象的过程。机器可读指令通常包括描述该物理对象的维度和构造的电子或数字模型。物理对象的材料和对应的特性可以基于在三维打印过程中所使用的特定过程而变化。

附图说明

图1图示出使用材料的光子融合的示例三维打印过程。

图2图示出使用材料的光子融合来产生合金的示例三维打印过程。

图3描绘了示例三维打印机的示意图。

图4是三维打印的示例方法的流程图。

具体实施方式

本公开的示例实施方式包括用于使用粉化、浆状或液体的可融合材料的光子融合的三维或“3D”打印的系统、装置和方法。在此类实施方式中,可融合材料的各层构建在彼此之上。通过使用抑制材料(诸如非融合吸收性材料、非融合反射性材料或在化学或物理上抑制可融合材料进行融合的材料)进行打印或以其它方式涂覆图案来定义每一层的结构。

可以将可融合材料和抑制材料的每个组合层暴露于光子能量。如本文中使用的,术语“光子能量”和“光子融合”是指涉及到具有约0.2微米到1.5微米的光谱范围的非相干光发射的能量或过程。在各种实施方式中,光子能量可以以受控爆裂或闪镀(flash)而同时涂覆于最上一层的全部或部分。响应于光子能量,未被抑制材料掩盖或抑制的可融合材料的最上一层的区域可以被提纯、融合、熔化、汽化或熔化。在一些示例中,可融合材料响应于光子能量的融合可以以层内和层间为基础来发生。在这样的实施方式中,被抑制材料掩盖/抑制了的可融合材料的区域可以保持在未融合状态中。在本文中参考各种示例和附图更详细地描述三维打印过程和装置的具体细节。

图1图示出根据本公开的各种实施方式的用于使用光子融合来生成三维对象的示例过程10。如所示,过程10可以在参考标记11处通过提供基板105开始。在一些实施方式中,基板105可以由类似于在该过程的其它部分中使用的可融合材料的材料构成和/或包括类似于在该过程的其它部分中使用的可融合材料的材料。例如,基板105可以包括金属、塑料、木材、玻璃、陶瓷或在分离的过程中形成的其它材料基板。

基板105可以包括一次性和/或可重复使用的平台,对应的三维打印设备可以在处理三维打印的其它过程时操纵所述平台。例如,基板105可以由三维打印机根据本文中描述的过程的需要在多个维度上移动。例如,基板105可以相对于三维打印机的其它元件进行移动以促进、改善或优化各种三维打印过程的结果。

在参考标记12处,示例过程10可以包括使用可融合材料涂覆器130放下一层可融合材料110。在一些示例中,可融合材料涂覆器130可以包括打印头型涂覆器,其相对于基板105在诸如131的方向上移动。在一些实施方式中,可融合材料涂覆器130可以包括基板宽的布置,以使得可以在具有特定维度的基板105之上在单次通过中放下层110。例如,可融合材料涂覆器130可以包括喷嘴或开口的“页宽阵列”,其随着其在通过箭头131指示的方向上移动而在基板105上释放可融合材料层110。

为了实现可变厚度的可融合材料层110,可融合材料涂覆器130可以在基板100之上多次通过以趋向于将该层构建成具体的厚度。在其它示例中,可以调节可融合材料涂覆器130放下可融合材料层110的速率,以实现特定厚度。因此,本发明的实施方式可以涂覆薄至可融合材料的一个颗粒的可融合材料层。

一旦放下了可融合材料层110,抑制材料涂敷器140就可以在参考标记13处放下图案化的抑制材料层120。在一个示例中,图案化的抑制材料层120的图案可以包括要在三维对象的该特定层中融合的期望的层的负片。这样,图案化的抑制材料层120可以建立可融合材料层110的多个暴露区域125和可融合材料110的在被抑制材料120覆盖或与抑制材料120接触的面积之下的对应的遮挡区域。图案化的抑制材料层120可以是基于期望的三维对象的对应模型。

抑制材料涂敷器140可以包括能够在可融合材料层110上涂覆抑制材料120的图案的任何类型的打印装置。例如,抑制材料涂敷器140可以包括喷墨(例如,热喷墨、压电喷墨等)或喷雾器,其可以将抑制材料的液态或半液态(例如,凝胶)层120选择性地涂覆到可融合材料层110上。

抑制材料涂敷器140可以沿着方向141相对于基板105和/或可融合材料层110进行移动。在各种示例中,方向141可以包括通过其来涂覆抑制材料120的二维或三维自由度。在一些实施方式中,抑制材料涂敷器140可以包括页宽阵列打印头或扫描打印头,其跨可融合材料层110的一维移动同时跨另一维度进行扫描。在任何此类实施方式中,抑制材料涂敷器140与可融合材料层110之间的距离可以是变化的,以适应和/或优化抑制材料120的涂覆的质量。例如,当构建可融合材料层110和抑制材料层120时,本公开的示例实施方式可以包括将抑制材料涂敷器140移动进一步远离基板105以提供空隙。

在参考标记14处,可以将可融合材料层110的抑制材料层120暴露于由光子发射器150发射的光子能量151。在一些实施方式中,通过非相干光源来提供光子能量。例如,非相干光源可以包括氙(Xe)源。这样的Xe源可以发射在150nm到1100nm的范围中的、具有低于1微米(例如,475nm、827nm、885nm、919nm和980nm)的在可见光和近IR中的辐射峰的非相干光子能量(例如,电磁辐射)。

可以以短脉冲同时跨抑制材料120和可融合材料110的最上层的表面中的一些或全部来输送光子能量。在一些实施方式中,光子能量的脉冲小于1毫秒。可以使用这样的短脉冲来确保在没有由于加热了下层或由于显著地辐射到空气中而耗散能量的情况下将可融合材料的仅单个顶层加热至熔点。因此,使用光子能量151的短脉冲的实施方式允许在使用相对低的功率密度的同时熔化颗粒。

通过抑制材料层120的图案暴露可融合材料层110的最上一层在区域125下方的部分,抑制材料层120可以通过加热至可融合材料110在其处融合的温度来对光子能量151做出反应。在一些实施方式中,可融合材料层110在抑制层120的图案之下的区域被保护免于光子能量151,并且因此不会融合。

本公开的实施方式可以包括抑制材料120,其使用各种机制来抑制可融合材料110的融合。在一个示例实施方式中,抑制材料120可以包括反射或吸收在光子发射器150的光谱范围内的电磁辐射的材料。

在一个示例中,抑制材料120可以包括白色墨水,其包括反射性添加剂,诸如氧化钛(TiO2)。示例白色墨水可以反射UV、可见光和近IR区域中的电磁辐射,同时传输在1微米之上的波长。在其它实施方式中,抑制材料120可以包括提供干涉滤光片的多层结构,所述干涉滤光片选择性地反射光子发射器150的电磁辐射。例如,反射性材料可以包括由抑制材料涂敷器涂覆的不同材料的层,它们组合起来形成具有对应于光子发射器150的光谱范围的阻带的干涉介质镜。在这样的实施方式中,入射在反射性材料的表面上的光子能量151被反射离开下层的可融合材料110,从而掩蔽下层的可融合材料110。

在另一示例中,抑制材料120可以包括快速吸收光子能量151但是不融合或原本为热绝缘体或非导体的材料。例如,抑制材料层120可以包括这样的材料层:其吸收来自光子发射器150的电磁辐射(例如,Xe辐射),在光脉冲期间熔化和/或蒸发,从而庇护下层的可融合材料层110免于融合。响应于所施加的光子能量而蒸发的示例吸收性材料包括但不限于聚合物、胶乳等等。

在又另一示例中,抑制材料120可以包括化学或物理性质,其对下层的可融合材料产生影响,防止其响应于光子能量151而融合。

如在参考标记15处图示出的,被通过图案化的抑制材料层120中的间隙125暴露留下的可融合材料110的区域115可以被光子能量151融合以在可融合材料层110中形成固体成分。为了形成三维对象的下一层,可融合材料涂敷器130可以放下另一层的可融合材料,此处被标示为可融合材料层110-2。如所示,可以在第一可融合材料层110-1和图案化的抑制材料层120之上放下可融合材料层110-2。如所示,随后的可融合材料层110-2可以填充在间隙(先前被标示为125)中,同时维持基本上平坦的上表面。

在随后的可融合材料层110-2被涂覆到先前涂覆的可融合材料层110-1和抑制材料层120的情况下,抑制材料涂敷器140可以根据三维对象的对应模型涂覆另一图案化的抑制材料层120。如同先前的图案化的抑制材料层120一样,该最上面的图案化的抑制材料层120可以留下间隙125以建立可融合材料层110-2的被暴露的层。此时,可以重复在参考标号14、15和16处描绘的过程以连续地构建可融合材料的三维对象115。

光子能量151的波长、强度和/或持续时间可以基于抑制材料层120和/或可融合材料层110的材料性质而变化。例如,由光子发射器150发射的光子能量151可以包括可以以短脉冲输送的高强度光子能量。在一些实施方式中,可以作为一系列短脉冲来输送所述脉冲。在这样的实施方式中,光子能量151的持续时间和强度可以有助于将不想要的杂质从可融合材料110中去除、可融合材料110的更快融合、限制热渗漏(bleeding)以及促进可融合材料110的各层之间的融合。

在各种实施方式中,可融合材料110的各层之间的材料和厚度可以是变化的,以在所得到的三维对象中形成合金或半合金。图2描绘了根据本公开的各种实施方式的合金形成的示例。如在参考标记20处的横截面视图中所示,构建了多个可融合材料层110-1和110-2以生成融合材料区域115。随后的可融合材料层111被放在了融合材料区域115之上,并且另一图案化的抑制材料层120被放在了可融合材料层111之上以建立暴露区域125。在这样的实施方式中,可融合材料110和可融合材料111可以是不同的。例如,可融合材料可以包括一种金属,而可融合材料层111可以包括一不同的金属。当可融合材料层111被暴露于光子能量151时,一些部分可以与下层的先前融合了的可融合材料层110融合和/或与之结合以产生局部化合金。

在参考标记21处,可以根据本文中描述的各种实施方式将材料的层叠暴露于光子注入过程。响应于光子能量151,可融合材料层111的暴露区域可以融合以生成融合了的可融合材料区域117和融合了的可融合材料区域116。融合了的可融合材料区域116可以包括可融合材料110和111的混合物。以此方式,可以建立各种融合了的可融合材料区域以基于在所得到的三维对象的各层内使用不同的可融合材料而具有特定的合金性质。

图3描绘了三维打印机300的示意图。如所示,三维打印机300可以包括处理器310,其用于执行存储在存储器330中的机器可读可执行代码以实行操作并控制三维打印机300的其它组件。在各种示例中,处理器310可以是微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)等。根据示例实施方式,处理器310是硬件组件,诸如电路。存储器330可以包括易失性或非易失性存储器,诸如动态随机存取存储器(DRAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、磁阻随机存取存储器(MRAM)、忆阻器、闪速存储器、软盘、紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、数字视频盘只读存储器(DVD-ROM)或者可以在其上存储可执行代码的其它光学或磁性介质等等。

处理器310可以执行三维打印代码331。三维打印代码331可以包括用于生成使得抑制材料涂敷器140、光子能量发射器150和/或可融合材料涂敷器130根据本公开的各种实施方式实现三维打印过程的对应操作的控制信号的指令。例如,在三维打印代码331中包括的指令可以使得处理器310控制三维打印机300的组件来执行在图1中描绘的示例过程100和/或参考图4描述的方法。

在一些示例实施方式中,三维打印机可以包括通信接口320。通信接口320可以由处理器310用于在去到和来自外部计算设备(诸如台式电脑、膝上型电脑或服务器计算机)的响应信号中发送和接收命令。在各种实施方式中,通信接口320可以包括联网通信接口、通用串行总线(USB)接口、并行通信接口、串行通信接口或者适用于与其它电子或计算设备通信的任何其它通信接口。例如,三维打印机300可以通过通信接口320来接收打印指令和/或电子文件。所述指令或电子文件可以包括包含指令或模型的计算机可读代码,处理器310可以使用所述指令或模型来根据本公开的实施方式使用三维打印机300的其它组件生成三维对象。

图4是根据本公开的各种实施方式的用于打印三维对象的示例方法400的流程图。如所示,方法400可以在框410处开始,其中可融合材料涂敷器130可以建立可融合材料层110。可融合材料层110可以包括各种类型的可融合材料,诸如可融合粉末、可融合凝胶、可融合浆、可融合液体等等。由可融合材料涂敷器130放下的可融合材料层110的厚度可以基于可融合材料的特性和/或所得到的三维对象的特定层的物理特征而变化。在一些实施方式中,可融合材料涂敷器130可以包括用于喷雾、散布、铺开或喷射可融合材料的系统。这样,可融合材料涂敷器130可以在头单元中包括各种喷雾器、散布器、滚轴、喷嘴等等,所述头单元可以跨基表面、基板或先前涂覆的可融合材料层进行扫描。

一旦建立了可融合材料层,就可以向该可融合材料层的表面涂覆抑制材料图案。在本文中描述的一些实施方式中,可以将可融合材料的图案打印、绘画或以其它方式分发到可融合材料层的表面上以定义下层的可融合材料层的多个暴露区域和遮挡区域。暴露区域表示可融合材料在其处可以被融合以生成三维对象的特定物理成分的地区。如本文中描述的,可以通过抑制材料涂敷器140来涂覆抑制材料图案。在一些实施方式中,抑制材料可以包括反射性墨水,诸如包含TiO2以将入射的光子能量反射离开下层的可融合材料的白色墨水。

在抑制材料的图案被部署在下层的可融合材料层110上的情况下,可以使用光子发射器150来向可融合材料110的通过所述图案而暴露的区域施加特定量的光子能量151。光子能量151的施加可以使得可融合材料100的暴露区域融合成固体或半固体状态。在示例实施方式中,光子发射器150可以使用任何类型的高强度、短持续时间的爆裂的光子能量,其同时整体地或分区段地暴露可融合材料层110和抑制材料层120的层叠的顶部表面。这样的光子能量可以在不受限于到在抑制材料层120之下的可融合材料的未暴露/遮挡区域中的热渗漏的情况下快速且可控地融合可融合材料层。一旦融合了特定的可融合材料层110的区域,就可以重复框410、420和430中的过程以构建三维对象的各层直到其完成。

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