制作三维对象的制作方法

背景技术：

增材制造设备允许通过逐层构建材料制作几乎任何三维对象，以形成期望的三维对象。三维对象的属性可根据所使用的材料以及所实施的增材制造技术的类型而改变。

附图说明

附图例示本文中所描述的原理的各种示例并且是说明书的一部分。所例示的示例被给出仅仅是为了说明，并不限定权利要求的范围。

图1是根据本文描述的原理的一个示例的增材制造系统的框图。

图2是根据本文描述的原理的另一示例的增材制造系统的框图。

图3是示出根据本文描述的原理的一个示例的、制作三维对象的方法的流程图。

图4是示出根据本文描述的原理的另一示例的、制作三维对象的方法的流程图。

图5是示出根据本文描述的原理的另一示例的、制作三维对象的方法(400)的流程图。

整个附图中，相同的附图标记标示相似但不一定完全相同的要素。

具体实施方式

增材制造技术可通过固化松散或液体的建构材料来产生三维对象。所制作的对象的属性取决于建构材料的类型和所使用的固化机制的类型。

在一些示例中，建构材料是基于粉末的。化学粘合剂或辐射响应聚结剂被沉积在粉末状建构材料的层中以形成对象的一层。增材制造的另一类型使用激光烧结。在该工艺中，激光被施加以加热建构材料。所使用的激光是精密的，但购买和维护可能代价高。增材制造的另一类型涉及在正被制作的对象的层的形成中将建构材料挤压到表面上。所沉积的材料随后被加热以烧结该建构材料。该工艺可相对有成本效率，但是最终产品的低分辨率可使得产品与一些需要更精密产品的应用不匹配。

本说明书描述了一种制作三维对象的方法，该方法包括：沉积建构材料的层，根据三维模型数据的切片将聚结剂沉积到建构材料的层上，以及用微波辐射照射聚结剂使得聚结剂将微波辐射转化成热量以聚结聚结剂被沉积在其中的建构材料。更具体地，建构材料例如粉末状建构材料的层被分散在增材制造系统的建构区域中。然后，聚结剂被沉积在该建构材料的层的应当被固化以形成与该层相关的正被制作的对象的部分的那些部分中。该工艺逐层重复，直至对象完成为止。

本说明书还描述了一种增材制造系统，该增材制造系统包括处理器、聚结剂沉积器和微波辐射源。处理器根据三维模型数据控制聚结剂沉积器将聚结剂沉积到建构材料的层上。处理器进一步控制微波辐射源用微波辐射照射聚结剂，使得聚结剂将微波辐射转化成热量以聚结聚结剂被沉积在其中的建构材料。

本说明书还描述了一种用来产生三维对象的装置，该装置包括聚结剂沉积器、微波辐射源、处理器以及通信地联接到处理器的数据存储设备。处理器根据存储在存储器中的三维模型数据执行计算机代码来控制聚结剂沉积器将一些聚结剂沉积到建构材料的层上。建构材料对于微波辐射源是通透的。处理器执行计算机代码来控制微波辐射源照射聚结剂，使得聚结剂将微波辐射转化成热量以聚结聚结剂被沉积在其中的建构材料。

如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“聚结”是指，例如通过熔化或烧结，将原先为松散或流体的建构材料固化或熔化成固体或紧密块。在本文描述的一个示例中，建构材料被聚结，使得无定形建构材料的部分被聚集在一起，以形成单个块或若干块。在一个示例中，建构材料的聚结可包括该建构材料的烧结。

此外，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“聚结剂”是指使建构材料聚结的任何物质。在一个示例中，聚结剂可以是吸收辐射能、使聚结剂升温、然后充分加热建构材料使得建构材料聚结的任何物质。

进一步，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“建构材料”是指松散或流体材料，例如，粉末，所需要的三维对象在增材制造中由该材料形成。

更进一步，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“切片”是指三维对象的二维截面的一组模型数据，该三维对象由该“切片”从其取出的三维模型以电子方式表示。

再进一步，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“层”是指实体三维对象的二维截面。在增材制造中，三维对象的层与三维模型数据的切片对应。

又进一步，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“增材制造设备”是指使用模型数据的切片来形成对应的对象层从而由建构材料制作三维对象的任何设备。

又进一步，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“若干”是指包括1至无穷大的任意正数。

在下面的描述中，为了说明的目的，陈述了很多特定细节，以提供对本系统和方法的全面理解。然而，显然，对于本领域的技术人员，没有这些特定细节也可以实施本装置、系统和方法。在说明书中提及“示例”或相似语言意味着结合该示例所描述的特定的特征、结构或特性被包含在所述示例中，但可能不包含在其他示例中。

转向图1，示出了根据本文描述的原理的一个示例的增材制造系统(100)的框图。增材制造系统(100)的增材制造设备(105)可以是能使用模型数据的切片来形成对应的对象层从而由建构材料制作三维对象的任何类型的增材制造设备。

在图示的示例中，增材制造系统(100)包括增材制造设备(105)和电磁辐射源(120)。在该示例中，辐射源(120)是微波源。增材制造设备(105)包括处理器(110)和聚结剂沉积器(115)。如将在下面更具体描述的，系统(100)可利用处理器控制聚结剂沉积器(115)根据正被制作的对象的三维模型数据将聚结剂沉积到建构材料的层上。然后，处理器(110)可使辐射源(120)照射聚结剂。聚结剂将所接收的能量转化成热量并将建构材料聚结在聚结剂被沉积其中的建构材料的层的部分中。

处理器(110)可包括硬件架构，以从数据存储设备(111)获取可执行代码。可执行代码在由处理器(110)执行时，可使处理器(110)至少实现在基板上沉积建构材料的层并针对三维对象的若干层将聚结剂沉积到建构材料的层上的功能。可执行代码在由处理器(110)执行时，还可使处理器(110)实现用辐射源(120)照射聚结剂使得聚结剂将所接收的辐射转化成热量以聚结建构材料的功能。在对象的所有层用聚结剂以每层或逐层的方式被形成之后，新生对象可被照射。在执行代码的进程中，处理器(110)可接收来自若干个剩余硬件单元的输入并将输出提供至若干个剩余硬件单元。

聚结剂沉积器(115)可以是能沉积聚结剂的任何设备。在一个示例中，聚结剂沉积器(115)可以是压电流体沉积器或热流体沉积器。在该示例中，流体载体可被用来传送聚结剂。在该示例中，流体可用来固化粉末状建构材料并将聚结剂相对均匀地分散在粉末之上，聚结剂沉积在该粉末上。例如，聚结剂到建构材料上的递送可使聚结剂渗透到建构材料的层中。渗透的程度可取决于，例如，被递送的化剂的量、建构材料的性质、化剂的性质，限定三维对象的三维数据，以及其他因素。

如上所述，在图示的示例中，辐射源(120)可将微波辐射提供至聚结剂。可基于用来产生三维对象的材料的类型和用来产生三维对象的工艺来调整微波辐射的能量。可基于所使用的聚结剂的属性来选择微波能量的属性。

辐射被施加的时间长度可取决于例如，辐射源的特性、建构材料的特性、聚结剂的特性或它们的组合。所使用的辐射源的类型可取决于建构材料的特性和聚结剂的特性。

在图示的示例中，建构材料对于微波能量是基本通透的，这意味着微波能量将不会在建构材料中产生明显升温。相应地，聚结建构材料所需的温度将难以或不可能通过微波或电磁能量的施加来实现。

建构材料可以是基于粉末的材料，诸如，包括微粒状或颗粒状材料的干的或湿的基于粉末的材料。例如，建构材料可以是陶瓷或玻璃粉末，诸如，氧化铝(al2o3)或矾土。可替代地，建构材料可以是金属氧化物，诸如，氧化钛(tio2)。建构材料还可以是一个或多个上述示例的组合。这些示例不旨在限定。本说明书预期适合用在本文描述的系统和方法中的其他建构材料的使用。

聚结剂可以是，例如，炭黑、石墨、金属纳米颗粒、纳米玻璃、纳米氧化物、填充剂、铁铁氧体(ironferrite)或这些的组合。一般地，聚结剂可以是能被辐射加热以便传递热量以聚结其被沉积在其中的建构材料的任何物质。不同的聚结剂可被混合或添加以修饰所产生的聚结剂的属性。其他添加剂可被包含以便控制用于活化建构材料中的聚结剂所需的辐射能的量。一些成分可被添加到聚结剂以改变所产生的三维对象的物理属性，诸如，颜色、构造、重量以及其他属性。

聚结剂沉积器(115)可在x-y网格中被扫描以视需要将聚结剂沉积到建构区域中的建构材料的层之上。可替代地，聚结剂沉积器(115)可跨越建构材料的层被沉积在其中的建构区域的宽度并可仅在建构区域之上的一个方向上扫描。这类似于传统打印中的扫描打印头和页宽阵列。

如所说明的，建构材料被加热以便通过热量聚结，该热量是由聚结剂从辐射源(120)接收的辐射而产生的。在该工艺中，聚结剂可提供所有的热量来聚结建构材料。可替代地，聚结剂可在其被沉积之前被加热，使得建构材料因聚结剂的施加而接收初始量的热量。于是，以这种方式，从提供至聚结剂的辐射中产生以聚结建构材料所需的热量可以较少。

在未被聚结的层中的建构材料可用来为未使用的建构材料的其他区域提供隔热。未使用的建构材料还可向正被形成的三维对象提供机械支撑。

尽管图1示出了辐射源(120)与增材制造设备(105)分离，辐射源(120)可被并入到增材制造设备(105)中。在辐射源(120)与增材制造设备(105)分离的情况下，辐射源可以是微波炉。在这样的示例中，每个建构材料和聚结剂的层可被沉积到诸如由三维模型数据限定的粉末层上。一旦这些层全部被沉积，整个粉末层可从增材制造设备(105)被移除并被放置在微波炉中。微波炉可使初生对象的所有层同时经受微波能量，使聚结剂升温并使建构材料在所需处聚结成期望的对象。

在辐射源(120)被并入增材制造设备(105)的情况下，辐射源(120)可包括微波发射器。在该示例中，随着每个建构材料的层被沉积在粉末层上，聚结剂沉积到该层建构材料上，并且辐射源(120)照射该层以在对象的后续层被形成之前聚结建构材料。

在一个示例中，辐射源(120)可包括如上所述的微波炉和微波发射器两者。在操作期间，建构材料可被沉积在粉末层上并且聚结剂可被沉积到建构材料上。在该示例中，微波发射器可首先熔化准备放置在微波炉中的建构材料。用来首先熔化建构材料的微波能量可以是比用来完全聚结建构材料的微波能量相对低的能量。一旦每层如上所述被沉积和熔化，整个粉末层可以从增材制造设备(105)被移除并被放置在微波炉中。然后，微波炉可使整个初生对象经受微波能量，使聚结剂升温并使建构材料完全聚结成期望的对象。

图2是根据本文描述的原理的另一示例的增材制造系统(200)的框图。系统(200)可包括辐射源(120)和增材制造设备(105)，增材制造设备(105)包括如上结合图1所述的处理器(110)和聚结剂沉积器(115)。在图2中，增材制造设备(105)可进一步包括外围设备适配器(210)、数据存储设备(205)、网络适配器(215)、经由网络(225)连接到增材制造设备(105)的网络设备(220)、和建构材料沉积器(230)。

数据存储设备(205)可存储数据，诸如，由处理器(110)或其他处理设备执行的可执行程序代码。如将介绍的，数据存储设备(205)可具体存储计算机代码，该计算机代码表示处理器(110)执行以至少实现本文描述的功能的若干应用。

在增材制造设备(105)中的硬件适配器(210、215)能使处理器(110)与各种其他的硬件元件连接，这些硬件元件可在增材制造设备(105)的外部和内部。例如，外围设备适配器(210)可将接口提供给输入/输出设备，诸如，例如，显示设备、鼠标或键盘。外围设备适配器(210)还可提供对下述设备的访问，诸如外部存储设备的其他外部设备，诸如例如服务器、交换机和路由器的若干网络设备，客户端设备，其他类型的计算设备，以及它们的组合。

网络适配器(215)可将接口提供给例如在网络(225)内的其他计算设备。这可使增材制造设备(105)和位于网络内的其他设备之间的数据，尤其是对象模型数据的传输成为可能。网络(225)可以是足以将两台设备(诸如，增材制造设备(105)和网络设备(220))通信地联接在一起的任何类型的网络。网络(225)可以是内联网、互联网或外联网等。

建构材料沉积器(230)可以是能将建构材料的层施加到粉末层上的任何类型的设备。特定建构材料的层的厚度可取决于待被施加以便形成三维对象的聚结剂和辐射能的量。在一个示例中，建构材料的层的厚度可以是1微米至5毫米厚。在另一示例中，建构材料的层的厚度可以是1微米至200微米厚。在再一示例中，建构材料的层的厚度可以是50微米至150微米厚。在又一示例中，建构材料的厚度是大约100微米厚。

图3是示出根据本文描述的原理的一个示例的、制作三维对象的方法的流程图。方法(300)可从沉积(305)建构材料的层开始。建构材料可被沉积(305)到基板上，诸如，与增材制造设备(图1的105；图2的105)相关的粉末层。在一个示例中，粉末层可根据三维模型数据在x方向、y方向和z方向上移动，以便促进聚结剂的沉积。在另一示例中，在聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)相对于粉末层移动时，工作台可保持静止。在又一示例中，粉末层和聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)各自可相对于彼此在x方向、y方向、z方向或它们组合的方向上相互移动。如下面将介绍的，整个工作台可从增材制造设备(图1的105；图2的105)被移除并被插入到微波炉中，以便使建构材料一经施加微波能量就聚结。

方法(300)可继续将聚结剂沉积(310)到建构材料的层上。如上所述，根据三维模型数据，聚结剂被放置在建构材料的聚结将发生的各部分上。

在一个示例中，从聚结剂到建构材料的能量的控制可通过在建构材料上的任意给定的点处放置相对更多或更少量的聚结剂来完成。这可至少以三种方式完成。

第一，聚结剂沉积器(115)可具有分散在流体载体中的聚结剂的供给器。较大量或体积的该载体和聚结剂被沉积在建构材料需要较高程度聚结的地方。

第二，聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)可具有若干不同的储液器或供给器，在其中的每个中，聚结剂以不同的稀释被分散在流体载体中。因此，在需要强聚结活性的情况下，更大浓度的聚结剂被沉积，其中相对大量的聚结剂被分散在流体载体的单元体积中。然后，在需要较低聚结活性的情况下，来自不同的储液器的较小浓度的聚结剂被使用。该较小浓度的聚结剂在每单位体积的流体载体中将具有相对较少量的聚结剂。不同稀释范围的聚结剂可被提供以允许系统对正被制作的对象的不同部件中的聚结活性度的更大控制。

第三，聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)可将已知浓度的聚结剂沉积在建构材料上。在该示例中，通过使聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)在任意给定区域之上通过若干次并每次沉积聚结剂，可改变由聚结剂沉积器(图1的115；图2的115)沉积的聚结剂的量。

方法(300)可继续用来自辐射源(图1的120；图1的120)的微波能量照射(315)聚结剂，使得聚结剂将所接收的辐射转化成热量，以聚结聚结剂被沉积在其中的各部分中的建构材料。在一个示例中，聚结剂的照射(315)可针对三维对象的每层发生。在该示例中，系统(图1的100；图2的200)可沉积(305)建构材料的层，沉积(310)聚结剂，然后照射(315)聚结剂。

在另一示例中，通过沉积(305)建构材料的层并将聚结剂沉积(310)到建构材料的层中的每层上，可构建三维对象的所有切片。在用建构材料和聚结剂形成多层或所有层之后，可使用辐射源(图1的120；图2的120)一起照射(315)该多层。在该示例中，包括所构建的层、并与增材制造设备(图1的105；图2的105)相关的粉末层可被递送到用于施加(315)辐射的微波炉中。

辐射源(图1的120；图2的120)可发射任何类型的辐射，该辐射足以使建构材料聚结，通过第一次加热聚结剂从而使来自聚结剂的热量聚结建构材料。所产生的热量可足以加热建构材料超过其熔点或加热到适合使建构材料软化和粘合的温度。在辐射能量的施加期间从在其上聚结剂已被递送或已被渗透的建构材料的一部分中吸收的热量可传播到建构材料的先前固化的部分，使该部分的一部分加热到其熔点之上。这种效应可有助于产生在所固化的建构材料的相邻层之间具有强的层间粘合的部分。

图4是示出根据本文描述的原理的另一示例的、制作三维对象的方法(400)的流程图。方法(400)可从沉积(405)建构材料的层开始。如上所述使用建构材料沉积器(230)可将建构材料沉积到粉末层上。在一个示例中，粉末可以是粉末层，该粉末层包括超出待被打印的三维对象的几何尺寸的顶开盒结构。在一个示例中，顶开盒可提供在打印期间足以容纳建构材料和聚结剂的外壳。

方法(400)可继续根据三维对象的切片将聚结剂沉积(410)到建构材料的层上。在一个示例中，三维模型数据的第一切片被表示在第一层建构材料和聚结剂中，建构材料和聚结剂均被沉积(410)到粉末层上。三维模型数据的连续切片中的每个由一层建构材料和聚结剂来表示。这些层被单独沉积(410)到粉末层中。

方法(400)可继续用微波辐射照射(415)聚结剂，使得聚结剂将微波辐射转化成热量以聚结聚结剂被沉积在其中的建构材料。在一个示例中，在第一层聚结剂和建构材料被照射之后，三维模型数据可进一步包括待被表示在三维对象上的数据的各切片或各部分。正因为如此，方法(400)可确定(420)是否三维模型数据的所有切片通过建构材料和聚结剂的沉积已经被表示在三维对象上。在三维模型数据的所有部分还未被表示在三维对象中的情况下(确定420为否)，方法(400)继续如上所述使用建构材料沉积器(230)沉积(405)建构材料的层，将聚结剂沉积(410)到所沉积的建构材料上，以及用辐射源照射(415)聚结剂，使得聚结剂将所接收的辐射转化成热量，以聚结至少在聚结剂被沉积在其中的建构材料的各部分中的建构材料。

该方法(400)可一直持续到三维模型数据的所有部分已经被表示在正被产生的三维对象中为止。以这种方式，三维模型数据的每个切片由各自层的建构材料和聚结剂来表示。

在一个示例中，在三维对象的产生期间，在两个不同的时段可使用两个等级的辐射能量来实施方法(400)。在该示例中，无论一些建构材料和聚结剂被沉积(410、415)在哪里，第一等级的辐射能量都被施加到已经被沉积的该部分。在该示例中，某些建构材料可被部分地聚结。后续层的建构材料和聚结剂可根据三维模型数据被添加，并且可对所施加的每层进行类似可选择的局部聚结。以这种方式，相对机械稳定的结构可被放置在辐射炉中，其中较高的第二等级的辐射能量被施加以完全聚结三维对象。随着该对象从增材制造设备被移动至例如加热炉，该示例方法在三维对象中提供相对更好的稳定性。

如上所述，方法(400)可包括：在施加辐射之前分层形成三维对象的全部层；随着被分层，将辐射施加到各个切片；随着产生三维对象的各个部分，将辐射施加到这些部分；在产生三维对象且未完全完成建构材料的聚结期间，将相对低强度的辐射施加到聚结剂；以及在所有层已经被沉积之后施加相对较高强度(高于低强度)的辐射。可采用任意组合中的这些工艺的任意排列来实现正被产生的三维对象的特定属性或特性。

图5是示出根据本文描述的原理的另一示例的、制作三维对象的方法(500)的流程图。方法(500)可从如上所述使用建构材料沉积器(230)在基板上沉积(505)建构材料的层开始。此外，如上所述该建构材料的层表示物理空间，在该物理空间中三维对象的三维模型数据的切片将被产生。然后，可针对三维对象的若干部分将聚结剂沉积(510)到建构材料的层上。这里，聚结剂的沉积(510)由至少一部分或切片三维模型数据来限定。无论聚结剂被沉积到哪里，一旦从辐射源(图1的120；图2的120)施加辐射，则三维对象的一部分可被形成。

然后，方法(500)可继续进行照射(515)聚结剂，使得聚结剂将所接收的辐射转化成热量以聚结聚结剂被沉积在其中的各部分中的建构材料。在该示例中，辐射源是第一微波辐射源，该第一微波辐射源将相对较低强度的辐射提供至聚结剂，使得建构材料在施加之后未完全被聚结。该较低强度可通过调节辐射源的功率或调节聚结剂经受辐射的时间来完成。

然后，方法(500)可确定(520)是否三维模型数据的所有部分通过建构材料和聚结剂的沉积已经被表示在三维对象中。在三维模型数据的所有部分还未被表示在三维对象中的情况下(确定520为否)，方法(500)继续如上所述使用建构材料沉积器(230)沉积(505)建构材料的层，根据三维对象的切片将聚结剂沉积(510)到所沉积的建构材料上，以及如上所述用第一辐射源照射(515)聚结剂。在三维模型的所有部分已经被表示在三维对象中的情况下(确定520为是)，则工艺继续通过照射(525)三维对象使得建构材料完全聚结。该工艺可使用使三维对象经受相对较高辐射能量的第二辐射源来完成。这样完全聚结三维对象。在一个示例中，第二辐射源可与第一辐射源包含在相同的设备中，该设备提供两个独立强度的辐射能量。在另一示例中，第一辐射源可位于增材制造设备(图1的105；图2的105)上，而第二辐射源是单独加热炉类型的辐射源，其中部分聚结的三维对象从增材制造设备(图1的105；图2的105)被传送至该加热炉。在一个示例中，从增材制造设备(图1的105；图2的105)至加热炉的三维对象的传送可通过从增材制造设备(图1的105；图2的105)移除建构材料的层并将其放置到辐射炉中来完成。

本文参考根据本文描述的原理的示例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图说明和/或框图描述了本系统(100、200)和方法(300)的各方面。流程图说明和框图的每个块以及在流程图说明和框图中的块的组合可以通过计算机可用程序代码实现。计算机可用程序代码可被提供至通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得计算机可用程序代码，当由例如增材制造设备(图1的105；图2的105)或其他可编程数据处理装置的处理器(图1的110；图2的110)执行时，实现在流程图和/或框图(一个或多个)块中的指定的功能或行为。在一个示例中，计算机可用程序代码可被体现在计算机可读存储介质的内部；计算机可读存储介质是计算机程序产品的部件。在一个示例中，计算机可读存储介质是非暂时性计算机可读介质。

具体地，计算机可用代码可包括计算机可用的代码，以在由处理器执行时，控制建构材料沉积器将建构材料的层沉积在基板上，控制聚结剂沉积器针对三维对象的若干个切片将聚结剂沉积到建构材料的层上，以及控制辐射源照射聚结剂使得聚结剂将所接收的辐射转化成热量并在聚结剂被沉积在其中的各部分中聚结建构材料。

说明书和附图描述了制作三维对象。制作三维对象的方法包括：将建构材料的层沉积到表面上，将聚结剂沉积到该材料上，以及充分照射聚结剂以使建构材料聚结。这样产生三维对象可具有若干优点，包括放弃将粘合剂施加到建构材料或材料。在这种情况下，在未聚结的三维对象经受辐射源(诸如，微波炉)之前，不需要移除过量的建构材料。此外，在聚结工艺期间在建构材料的层中留下的结构可为正被产生的对象提供附加的支撑。此外，使用微波辐射加热聚结剂比使用其他的增材制造工艺少用1/3的能量。再者，本方法用增材制造工艺的时间的大约1/10来产生相对更好品质的三维对象。作为一个附加的益处，所使用的建构材料可进一步在没有聚结剂被施加的地方充当绝缘材料。

已呈现的前述描述用于阐释和描述所描述原理的示例。本描述并不旨在穷尽性的或者限制这些原理至所公开的任何精确形式。鉴于上述教导，多种修改和变型是可能的。