三维物体的冷却时间的制作方法

基于逐层生成三维物体的增材制造(additive manufacturing)系统已被提出，以作为潜在的产生三维物体的便利方式。

附图说明

现在将参照附图、以非限制性示例的方式描述各示例，图中：

图1是一种对用于生成三维物体的生成设备进行控制的方法的示例；

图2根据一示例示出了三维物体生成设备的示意性表示；

图3和图4示出了与生成的三维物体的冷却时间相关的方法的示例；并且

图5示出了确定生成的三维物体的冷却时间的处理器的示例。

具体实施方式

增材制造技术可通过构建材料(build material)的固化生成三维物体。构建材料可以是基于粉末的材料，并且生成的物体的特性可以取决于构建材料的类型以及使用的固化机制的类型。在此类技术的多个示例中，以分层方式(layer-wise manner)供给构建材料，并且固化方法包括加热构建材料层以在选择的区域中引起熔化。在其他技术中，化学固化方法可能导致热量的生成。在又一技术中，供给加热后的构建材料，以便在冷却时固化为物体的期望的形式。

增材制造系统可基于结构设计数据生成物体。这可以包括设计者例如使用计算机辅助设计(CAD)应用程序生成待生成物体的三维模型。该模型可定义物体的固体部分。为了使用增材制造系统根据模型生成三维物体，可以对模型数据进行处理以生成模型的平行平面的切片。每个切片可定义将要通过增材制造系统固化/聚结的构建材料的相应层的一部分。

在一些增材制造技术中，物体是在容器内生成的。在固化过程结束时，容器可以包含未固化/未聚结的构建材料(其可以是粉末)和生成的物体两者。

产生三维物体所花费的时间取决于多个因素，包括层的数量。然而，特别是对于包括加热构建材料的技术而言，产生时间的主要部分可能致力于形成物体之后对物体进行的冷却，例如，允许物体变得更硬和/或更坚固，和/或通过降低烧伤处理者的风险而使得物体的处理更安全。此冷却步骤可花费一大部分时间，在一些示例中是产生时间线(timeline)的50％或更多。然而，冷却不应当过于匆忙，因为过于匆忙可能导致成品不利的机械特性，比如脆断、结构不规则、物体形状的扭曲、质量不佳的表面光洁度、相比于通过较慢的冷却获得的强度较低的强度、和/或各层之间不佳的附着性。

参照图1描述了一种对用于生成三维物体的生成设备进行控制的方法的示例。如图1所示，该方法可以包括：确定指示至少一个物理特性的数据，所述物理特性影响源自物体的热传递(框102)；使用确定的数据来确定冷却时间(框104)；以及响应于确定的冷却时间来控制生成设备的组件(框106)。

存在通过加热构建材料生成三维物体的不同的技术。在包括熔结技术的一些此类方法中，选择性地加热构建材料层的部分，以使所选择的部分被软化并且随后被冷却，形成期望的物体。在一些示例中，可通过以分层方式固化构建材料来生成物体。在一些示例中，可在将构建材料置于原位(in situ)之前(例如在加热之后挤压或喷射之前)加热构建材料，以使得其冷却以形成期望的物体。

一旦形成，此类物体可具有与其环境相比升高的温度。转而又将他们冷却至可以是预定温度或期望温度的较低温度。在一些示例中，达到此温度的冷却时间可以是基于例如物体或者制造容器中的原位物体的传热特征而估计的冷却时间。在其他示例中，冷却时间可以是期望的或确定的冷却时间，或者冷却时间可以包括期望的或确定的冷却时间的考虑，例如，不会不利地影响(或者不会以令人无法接受的方式不利地影响)物体的机械特性的可能的最短冷却时间。

与较小的或者具有更大表面面积之类的物体相比，例如较大的、固体物体将花更长时间冷却。此外，在不会对物体的品质造成不当损害的情况下，可容许或使一些物体冷却得比其他物体更快。因此，可基于对生成设备的产品的物理特性(该物理特性影响源自物体的热传递)的考虑来确定冷却时间。这可以是例如产生的物体和/或原位物体的至少一部分或一方面的特性。

可被认为与冷却时间相关的物体物理特性的示例可以例如包括以下项的任意项或任意组合：

(i)形成物体的材料，

(ii)它的重量/质量和/或体积，

(iii)物体的形状/结构，可以包括例如对其最厚区域和/或表面面积的考虑，

(iv)用于形成物体的层的数量

(v)任意物体尺寸，

(vi)物体的温度，

(vii)物体热导率，

(viii)物体热传递系数。

这些品质中的一些是相关的。例如，给定材料可以具有特定的热导率。在一些情况下，热传递的固有速率可因一特性而提高，而在另一些情况下，热传递会下降。例如，相对较大的表面面积和/或热导率可能趋于提高热传递，而较厚的部分、较大的质量、较大的尺寸、和/或较多数量的层可能趋于降低热传递。

此外，物体可在容器内生成并且可以被诸如未聚结的构建材料之类的其他材料围绕，或者甚至若干个物体可以作为同一“构建体积(build volume)”的一部分在同一容器内产生。因此，可以影响冷却时间的其他物理特性可以包括：

(i)用于产生物体的构建材料的体积，无论材料是否实际上构成物体的一部分(其可能是容器内的材料的体积)；

(ii)物体在容器内的放置(例如，靠近边缘的物体可能冷却得更快)；

(iii)一次生成的任意物体或者被容器围住的同一“构建体积”内的任意物体的组合、布置、和/或物理特性。

在一些示例中，热传递可以是期望的热传递，诸如超过其物体可能会受到不利影响的冷却速率。物理特性也会影响此类期望的热传递。例如，一些材料可能冷却得比其他材料更快而不会造成损害，一些结构或形状可能相对于其他结构或形状而言不易造成诸如扭曲之类的损害。

在一些示例中，冷却时间的确定可以基于对类似物体的冷却时间的之前的观察。在其他示例中，可基于热力学原理使用热传递模型确定冷却时间。在一些示例中，确定的特定物理特性对源自物体的热传递的影响是预先确定的，并且例如可以保存在存储器中。

如果要通过排热设备主动冷却产品，则还可使用排热设备的诸如排热速率或能耗之类的至少一个特性确定冷却时间。在使用排热设备的情况下，可能存在比使用该排热设备可实现的冷却时间长的期望的最短冷却时间。在一些示例中，这可能意味着排热设备是在低于其排热峰值能力的情况下操作的，例如以确保在冷却时不会对物体的物理特性造成不当损害。

在其他示例中，可使用与物体生成相关联的温度(例如，将构建材料加热以引起聚结的温度)确定冷却时间。较高的温度可能导致更长的冷却时间。

在确定冷却时间时使用的数据可以以任意方式确定或者可以以各方式或方式的组合确定，例如，通过对特性的测量确定；从诸如数据库或查找表之类的数据源供给；从用于控制物体的形成的模型(例如，CAD模型等)获取；从存储器读取；等。在一些示例中，可以以不影响冷却的方式(例如，避免对要处理或检查的物体的任何需求)确定数据。

如果冷却时间使用至少一个物理特性(该物理特性影响源自生成的物体的热传递)的考虑确定，则更可能提供可以安全处理所生成的物体的时间的准确指示。与例如提供三维物体生成设备的标准冷却时间(其出于安全考虑可能是保守的，并且因此导致不必要的较长的等待时间，或者不够充分并且因此导致就特定物体和/或材料而言的安全问题)相比，这提供了适当的等待时间，考虑到了设备的包括生成的物体的实际输出。

一旦确定冷却时间，可使用该冷却时间适当地控制生成设备的组件。这可以例如包括：控制用于显示与冷却时间相关的指示的组件，或者控制联锁或排热设备。在下文中讨论可控制组件的示例。控制步骤可在本地执行或者例如通过网络远程执行。在一些示例中，该方法还可包括生成物体。

图2是一种用于由构建材料生成三维物体的三维物体生成设备200的示意性表示，其中，设备200包括通过加热构建材料生成物体的物体生成模块202。设备200还包括容纳所生成的物体的物体容器204。

例如，如果设备200是熔结设备，则可在容器204内逐层地生成该物体，并且物体生成模块202可包括构建材料源、热源(还可以有其他制剂以辅助和/或控制聚结)、以及控制如何将热量和/或其他制剂施加至构建材料以逐层地生成物体的处理电路。例如，在容器204内，可在适当的支撑构件上提供可以是粉末状材料的第一层构建材料。能量(例如，光)可以被选择性地施加至层内的构建材料的部分或者优选地由层内的构建材料的部分吸收，使得那些部分被加热并且使得材料聚结。可在第一层的顶部施加第二层构建材料，并且类似地进行加热以使得它的一些部分聚结，依此类推。一旦由此以分层的方式完整地形成该物体，该物体将容纳于容器204内并且被未聚结的构建材料包围。

然而，这仅仅是物体生成模块202的一个示例，并且物体可由任意通过加热构建材料来从构建材料生成三维物体的其他适当的方法形成。

在此示例中，设备200还包括控制器206和至少一个可控制组件。在此示例中，可控制组件包括排热设备208、联锁210、和显示器212。响应于确定的冷却时间，可由控制器206控制可控制组件中的每一个，冷却时间例如随着物体的生成已经使用指示物体容器204的内容的至少一个物理特性的数据进行了确定。可以计划物理特性(即，在制作物体之前确定或在制作物体之前可确定物理特性)或者在生成物体之后确定物理特性。

在其他示例中，设备200可以包括更少的、更多的、或者不同的可控制组件。

此外，在此示例中，设备200还包括存储器214和能够监视指示容器204内的物体的温度的温度传感器216。这可以例如包括确定容器204的温度、确定容器204的一部分的温度、或者容器204内未聚结的构建材料的温度。

在此示例中，控制器206与能够确定冷却时间的处理器218相关联。在其他示例中，此处理可以由诸如独立的计算装置之类的不同的实体实施，并且可以被供给至控制器206、或者直接供给至可控制组件。

在一个示例中，设备200根据图3列出的方法操作。

在框302中，指示容器204中的内容的至少一个物理特性的数据由处理器218确定，例如与上文中参照框102所讨论的那样。此步骤可在实际生成物体之前或之后实施，并且因此可能涉及物体生成之后容器将包含的内容。在此示例中，这可以是指示生成的(或者待生成的)特定物体的物理特性的数据，例如，根据保存在存储器214中的信息确定的数据，并且可以包括以下项中的任意项或任意组合：与使用的构建材料相关的信息、物体形状、物体重量、物体体积、任意物体尺寸、用于形成物体的构建材料的体积(即，容器204内构建材料的体积)、用于生成物体的层的数量、用于生成物体的温度等。与最大和/或期望冷却速率相关的数据也指示物体的物理特性，并且可以涉及材料、结构等，这是因为一些材料/结构允许比其他材料/结构冷却的更快而不造成损害(或者不造成过分/不可接受的损害)。在其他示例中，指示至少一个物理特性的数据可以包括使用温度传感器216确定的温度的指示。

在框304中，由处理器218确定至少一个期望的性能标准。此标准或这些标准可以例如涉及物体的期望的特性，诸如物体是即将被制造为“草稿”标准、“正常”标准还是“最佳品质”标准。如上所述，物体的特性可通过快速冷却而降低。然而，可能期望减少生成冷却后的物体所花费的时间，并且如果在这些情况下可接受产生品质下降的物体，则快速冷却可用于实现这一点。在其他示例中，性能标准可能涉及期望的最大冷却时间或者排热设备208的期望的能耗水平等。例如，在尽可能不跌至期望的物体特性标准之下的一些实例中，用户或者操作者可指定“经济”设定，在经济设定的情况下最小化排热设备208的使用或者干脆不使用排热设备208，或者用户或者操作者可指定“快速冷却”设定，在快速冷却设定的情况下，增加排热设备208的使用。

在此示例中，期望的性能标准可保存在存储器214中，但在其他示例中，其还可例如在操作者输入之后由不同的源供给等。

然后可由处理器218使用指示至少一个物理特性和至少一个期望的性能标准的确定的数据来确定冷却时间(框306)。可以考虑其他因素，诸如从物体生成阶段结束开始经过的时间等。冷却时间例如可以是使物体冷却得足以被安全处理的时间，比如在其坚固度方面是安全的，或者对于处理者而言是安全的，或者这些(和/或其他)考虑的组合。

一旦已确定冷却时间，控制器206控制显示器212显示与冷却时间相关的指示(框308)。这可以例如是总冷却时间，或者可以包括剩余冷却时间的“倒计时”，或者诸如剩余冷却时间的比例等其他指示。显示器212可通过任意适当的显示装置提供，诸如液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、矩阵显示器等。这向用户或操作者提供了有关工艺过程的有用信息。

在此示例中，控制器206还控制排热设备208，例如使其对容器204和/或其任意内容进行冷却(框310)。

排热设备208可以包括热交换器、风扇、制冷单元、或任意其他适当的排热设备。可根据期望的冷却时间(例如，如果在“快速冷却”或“经济”设定情况下操作)或者不超过特定的冷却速率来确定排热速率。在一些示例中，可对排热设备208进行控制以使得其在整个冷却时间期间持续操作。然而，在其他示例中，它可根据期望的冷却分布进行操作，和/或具有可变的排热速率。下文中参照图4更详细地讨论此类示例。

在框312中，处理器218确定冷却时间是否已经过。如果是，则在框314中，控制器206解除联锁210，允许打开容器204并访问容纳于其中的物体。联锁210可以是能够选择性地解除的任意锁，诸如继电器或机电锁定装置。因此，这阻止在经过冷却时间之前移除和处理物体。

图3中描述的方法允许进行特定的权衡：例如，可以为品质和/或经济效益而牺牲时间，反之亦然。

此外，可以适当地使用排热设备208。为了保护物体的物理特性，传统的冷却方案意味着主动排热被认为对于本文讨论的类型的增材制造技术而言具有不恰当的风险。然而，可以通过考虑生成的产品的实际物理特性来适当地控制排热速率以产生期望的物体特性。期望速率的确定对冷却时间的确定产生影响，因此，无论实际时间是否由冷却速率确定，冷却时间的确定都可以包括冷却速率的确定。

现在参照图4描述图2中的设备的操作方法的另一示例。在此示例中，确定指示物体的至少一个物理特性(该物理特性影响源自物体的热传递)的数据，该数据包括材料类型、温度、物体质量、及其基本尺寸(框402)。质量和基本尺寸是由用于产生物体的CAD模型确定的，温度是由温度传感器216提供的，材料类型是由存储器216提供的。在此类包括品质标准(例如，草稿标准、标准标准、或最佳标准)的示例中，还确定性能标准(框404)。然后，可基于这些标准计算冷却时间。然而，在此示例中，设备额外地确定冷却分布(框406)。

分布可以例如涉及最大冷却速率，例如，高于其时物理特性将受到不合心意的不利影响(诸如例如跌至确定的品质标准之下)的速率。在其他示例中，可存在指派给冷却工艺的最大或期望的时间和/或功耗，并且期望在该时间/功耗限制之内执行冷却。

还可能存在的情况是，在冷却时间期间，可以在不同的时间期望不同的冷却速率。例如，可能的情况是，在低于特定温度时，物体的物理特性会比较稳定，而物体可能仍然过热而无法处理。在低于此温度时，不存在使物理特性降级的风险。因此，例如如果期望较短的物体产生时间，则可控制排热设备208这样操作：初始地以相对较低的速率排热(或者甚至将排热设备控制为完全不操作)直至达到该温度，然后控制排热设备208这样操作：以相对较快的速率排热直至达到安全处理温度。其他冷却分布也是适当的，这取决于例如构建材料的特性、生成的物体、和/或期望的性能标准。

因此，在冷却时间期间，可以采用不同的排热速率。

一旦已确定期望的冷却分布，则控制排热设备208以根据此分布冷却物体(框408)。假设将通过例如基于热动力原理和模型适当控制排热设备208来实现冷却分布，可以继续进行该方法。然而，在此示例中，还使用反馈回路来酌情调整冷却时间和/或冷却分布。具体地，温度传感器216用于提供物体的温度的指示(框410)。将该温度与根据冷却分布预估的温度进行比较(框412)。如果该温度与预估的温度不同(或者区别大于可接受的量)，则可重新计算冷却时间和/或冷却分布(框414)，并且在一些示例中，可相应地控制排热设备208。在此示例中，还将该温度记录并存储在存储器214中。此信息例如可用于报告类似物体(或者将在下次生成的具有相同规格的物体)的未来的冷却分布，例如使得可以针对那个物体初始地确定更准确的冷却时间，和/或更适当的冷却分布。

因此，在一些示例中，此类反馈过程可被用于通过监视温度衰减并且动态地重新计算完成时间来提高准确性。在一些示例中，还可以例如通过更新显示器212来将冷却时间的任何改变报告给用户/操作者。当物体的实际冷却比期望的情况更快或更慢时，反馈过程的使用可以允许矫正。

图5示出了处理器500的示例。在此示例中，处理器500被布置为运行计算机可读指令并且包括数据确定模块502、冷却时间确定模块504、和控制信号生成模块506。

具体地，在运行指令时，数据确定模块502确定指示与(源自由设备产生的物体的)热传递相关的至少一个物理特性的数据，该设备被布置为通过加热构建材料以分层方式生成至少一个三维物体。

此数据例如可以由数据源提供，该数据源具体地与处理器500相关联、或者集成到处理器500、或者远离处理器500。可由处理器500请求数据，或者可在未接收到查询的情况下将数据发送至处理器500。数据可以是本文提及的物理特性数据的示例中的任意项或其任意项的组合。数据可包括测量装置的输出，该测量装置诸如是用于测量质量的设备(例如，秤盘)、温度传感器、或者是与用于形成物体的物体生成设备或处理相关联的任意仪表。在其他示例中，可从数据库或查找表中提取数据，或者可以由处理电路生成数据，该处理电路例如可被布置为从用于控制物体的形成的设计模型(例如，CAD模型等)获取与物理特性相关的数据。可通过访问计算机存储器来确定数据。

该指令还使处理器500的冷却时间确定模块504使用确定的数据来确定冷却时间。此外，在此示例中，该指令还使处理器500的控制信号生成模块506根据确定的冷却时间生成输出控制信号508。在一些示例中，此输出控制信号508可以用于直接或间接控制以下项中的任意项或任意项的组合：显示与冷却时间相关的信息的显示器，阻止访问物体直至其可被安全处理的安全联锁，例如用于辅助冷却物体的排热设备等。如图2所示，处理器500可与存储器相关联，并且可以提供图2的处理器218。

本文描述的一些示例允许通过考虑包括所生成物体的设备产品的至少一个物理特性来确定由增材制造技术形成的物体的冷却时间。在一些示例中，这可以有效地缩短处理物体的等待时间，如此等待时间趋于被标准化为将“最坏情况”考虑在内(即，等待时间被配置为对具有最长可能冷却时间的理论物体允许时间来冷却)。在其他示例中，可增强安全性。在其他示例中，该方法可提供允许操作者更好地利用他们的时间的准确信息。在又一示例中，可控制冷却时间以满足诸如等待时间、物体品质测量、和能量使用之类的至少一个性能标准。

本公开中的示例可作为方法、系统、或者机器可读指令而提供，诸如软件、硬件、固件等的任意组合。此类机器可读指令可以包括在计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光盘存储器等)上，在该机器可读存储介质中或在该机器可读存储介质上具有计算机可读程序代码。

参照根据本公开示例的方法、装置、和系统的流程图和/或框图描述了本公开。虽然上述流程图示出了指定的运行顺序，但运行的顺序可与所描绘的不同。关于一个流程图描述的框可以与另一流程图中的框组合。应理解的是，流程图和/或框图中的每个流程和/或框以及流程图和/或框图中各流程和/或图的组合可通过机器可读指令实现。

机器可读指令例如可由通用计算机、专用计算机、嵌入式处理器、或其他可编程数据处理装置的处理器运行，以实现本说明书和附图中描述的功能。具体地，处理器或处理设备可运行机器可读指令。由此，设备和装置的功能模块可由对存储在存储器中的机器可读指令进行运行的处理器来实施，或者由根据嵌在逻辑电路中的指令进行操作的处理器来实施。术语“处理器”应被广义地理解为包括CPU、处理单元、ASIC、逻辑单元、或者可编程门阵列等。方法和功能模块可以全部由单个处理器执行、或者划分到若干个处理器。

此类机器可读指令还可存储在计算机可读存储器中，该指令可引导计算机或其他可编程数据处理装置以指定模式来操作。

此类机器可读指令还可被加载到计算机或其他可编程数据处理装置上，以使得计算机或其他可编程数据处理装置执行一系列操作步骤从而产生计算机实施的处理，由此，在计算机或其他可编程装置上运行的指令提供用于实现流程图中的流程和/或框图中的框所指定的功能的步骤。

进一步，本文的教导可以以计算机软件产品的形式实施，计算机软件产品存储在存储介质中，并且包括使计算机装置实施本公开示例中记载的方法的多个指令。

虽然已经参照特定示例描述了方法、设备、和相关方面，但在不脱离本公开的精神的前提下能够进行各种修改、改变、省略和代替。因此，该方法、设备、和相关方面旨在仅受限于随附权利要求书及其等同物的范围。

任一从属权利要求的特征可与独立权利要求和其他从属权利要求中的任一权利要求的特征相结合。