多材料三维打印机的制作方法

本发明涉及使用多种不同材料进行打印的三维打印机和打印方法。更具体地，本发明涉及具有多种不同的材料粉末分配部的三维打印机和打印方法，材料粉末分配部将其材料放置在所形成的层的不同部分中，并且不同的材料粉末粘合在一起，之后在先前已完成的层上打印下一个层。

背景技术：

三维(3D)打印或增材制造作为一种制造技术被寄予厚望，因为它能够替代用于传统技术的必要的工具作业，它运用CAD/CAM系统将材料的固定直接驱动成为如CAD文件所限定的物体。3D打印的所有基本方法都设计为对物体的所有部分，以及对该打印机所生成的所有物体都使用单一类型的材料。采用被称为熔融沉积成型(FDM)技术的这一类打印机最能够使用多材料。FDM机器使用材料丝，材料丝能够融化并通过计算机控制的打印头挤出，并在材料离开挤压部之后立即固化，以形成按照CAD文件中的设计的建模。通过采用多于一个的打印头，每个打印头具有不同类型的丝材，可以建立多于一种材料的模型。虽然这些不同的丝材代表不同种类的聚合材料，但是这项技术仅限于低熔点、主要为有机材料。

因为FDM打印机要求打印头追踪3D模型中的每一个体素，一次追踪一个体素，并且是以与融化和挤压材料相兼容的速度，那么它们在生产较大体积的物体时会很慢。因为这样，FDM打印机主要被用于构建模型或原型。

基于粘合剂喷射的3D打印机因为其在可用材料的灵活性上而被寄予厚望，并且相比于其他种类的3D打印机有潜力能大幅增加产量。基于粘合剂喷射的3D打印机使用墨喷射型打印头来将胶水喷洒在粉末的薄层上，当这样设置时，胶合在一起的粉末形成固体片，并且为由计算机指令给打印头的图案所限定的构造，用于物体的给定层。当胶水凝固后，将下一个粉末的薄层铺撒在原始层之上，然后在该层的图案中重复胶水或粘合剂的定图案喷射。每个层都因此而形成图案之后，工件从打印头处大致转位，使得墨喷射部和粉末层之间的关系与它们在第一层中的关系一样。没有通过粘合剂形成图案的粉末，留在它最初被存储的位置，并充当存放在先前没有被粘合剂图案化的区域中的粉末/粘合剂部分的基底，还充当用于粉末/粘合剂结构的支撑部。当这部分的存储完成后，没有通过粘合剂形成图案的粉末被移除。

现有的系统使用的粉末从通过水粘合用于实体模型的熟石膏，到通过胶水粘合用于沙模铸造核心的沙子，到通过胶水粘合并接下来烧结成完成的金属部的金属。现有的系统中没有一个能够构建一种物体，该物体的不同区域包括不同材料。

技术实现要素：

本发明的目的是提供三维(3D)打印机，其能够构建全自由形态的3D物体，该物体内的区域包括不同的材料，并且能够在这样的物体内构建具有扭曲的出口路径(或到物体的外表面甚至无孔)的孔隙空间。根据本发明构建的物体能够在打印过程完成之后完成，但是更普遍的，当移除粘合剂材料时，被打印的物体将会以使得不同材料的粉末更加致密的方式得以处理，以产生与得到粉末材料的固体材料的性能具有类似性能的物体的部件。具体地，例如，粉末化的氧化铝陶瓷将获得与氧化铝陶瓷的固体件相同的性能，粉末化的合金钢将得到与传统粉末冶金技术构建的合金钢的条块相同的性能。可选地，物体会被充分处理为当移除未被粘合的粉末材料时，恰好将粉末的颗粒粘合在一起，留下孔隙空间或孔隙空间可由另一种材料通过注入填充。

本发明使用在现有的粘合剂喷射系统上采用的某些特定粘合剂喷射系统。具体地，本发明包括多喷嘴、墨喷射型头，以及相关联的驱动电子件和计算机，以分配粘合材料。本发明也可以包括第二相似的、多喷嘴、头，以分配不同的粘合剂材料，和/或一定量的诸如易挥发材料的填充材料。本发明还使用了粉末涂布系统，该粉末涂布系统与使用在传统粘合剂喷射系统中的粉末涂布系统相似，以存储被精确控制厚度和粉末密度的粉末的薄层。

传统的粘合剂喷射系统使用一个粉末涂布系统以存储用于全部构建过程的单一材料，而本发明包括超过一个粉末涂布系统，每一个粉末涂布系统都存储一种不同的材料。多种材料中的每一种可以存储在被打印的物体的每一层中，或任意层可以仅使用可用材料中的一种或可用材料的总数中的一部分。每个粉末涂布系统在被激活时优选地在整个可打印表面上存储均匀的且未形成图案的粉末的层，或在一些情况下仅仅在可打印的表面的意于通过特殊材料形成图案的选定部分上存储。

在粉末被存储在打印空间中之后，可以通过粘合剂使给定材料形成图案，如传统的粘合剂喷射那样，或粘合剂可以由墨喷射头存储在之前完成的层上，粉末被存储在之前完成的层上并且粘合剂允许吸收进入并弄湿图案中的所有粉末。这两种技术能够在给定物体中结合。粘合剂提前喷射进入粉末或之后喷射进入粉末，粘合剂通常都通过应用一些形式的诸如紫外线光的固化能或热能而被固化，通过固化的粘合剂材料使粉末粘合在一起形成坚固的图案。

为了方便在任意层上使用多种材料，没有被粘合到物体的层中的粉末在下一种材料被存储之前被从打印区域处移除。打印物体的层中的每一种后续的材料都通过粉末存储、图案化的粘合剂喷射、固化以及过量粉末的移除的连续循环来完成。当层上的所有材料都被存储、粘合和固化时，被打印的物体和墨喷射头之间的空间相对于先前完成的层转位以维持打印表面和打印头之间合适的关系。因为通常需要改变物体的任意给定层的厚度，出于从一层至下一层的设计上的必要改变的考虑，或出于给定的层或部分中的所需图案的精确性的考虑，完成的层的厚度以及因此部分打印的物体的量相关于打印头转位，可与每一个完成的层都不同。

在每一个材料存储步骤的最后移除过量粉末可在相同层中应用后续材料，保证了不同材料的被移除的粉末至少大部分分离，消除了在打印过程的最后移除过量粉末的需要，并且通常，加速了打印过程。也消除了对打印结构的支撑以及对在之前的层中未被打印的物体的任意部分的基底。这些功能可以根据需要容易地由功能性材料中的一种的支撑结构提供或由将在后续过程中从物体中移除而留下孔洞的易挥发材料提供。

在本发明的一个实施方式中，粉末涂布机构将涂布与构建平台一样宽的区域，并与打印头配合运动。在本优选的实施方式中，当涂布机构横跨整个构建板时，每一粉末层被存储在单独的连续操作中。在粉末层的存储完成后，涂布机构撤退，以允许打印头进入构建平台板的区域。

对特定物体所用到的每一种材料，提供单独的粉末存储机构。这些粉末存储机构中的每一个可移动以转位进入实施粉末涂布操作的位置，并且当粉末层完成时，移动到停位点，以为粘合剂打印喷射头或粉末移除机构或接下来的用于当前层上待涂布的不同粉末的粉末存储机构让路。单独的粉末存储机构能够在一个实施方式中一起运行，但是按顺序存储粉末(或不存储)，并由粘合、固化和粉末移除步骤分开。

在本发明的另一个实施方式中，粉末涂布机构涂布的区域与多喷嘴打印头一样宽，并且与打印头配合运动。该实施方式在准备粉末的存储时在粘合剂预喷射到所需图案中的情况下非常重要。粉末存储和粘合剂的存储的密切配合允许粘合剂喷射和粉末引入之间更均匀的同步，这将提升粘合剂的吸收、流动或烘干的可控性。

在本发明的另一个实施方式中，粉末涂布系统使用阀的系统，当粉末涂布部横跨打印区域时该阀能够打开和关闭，使得实际上涂布有粉末的区域能够被控制到这样的程度：没有过量的粉末被存储，以及所有的存储的粉末都涂布有粘合剂。可选地，如果粘合剂喷射头的分辨率(resolution)大于粉末阀系统的分辨率，在待由粘合剂处理的区域外部仅存储最小量的过量粉末。这个特点能够起到缩短打印时间的作用。过量粉末能够通过诸如真空吸尘器的移除系统来捕获，每一种类型的材料被分别收集以用于再循环。这也允许了在需要的情况下一定程度的提纯和/或过程再处理。仅仅存储在给定层上完成设计图案所需的最小量的粉末能够减小材料耗损，尤其在有珍贵材料或材料需要额外再处理以重复使用的过程的情况下。

在本发明中，3D部分在由构建平台/板限定的构建体积中被打印，构建平台/板实际上可以为正方形或矩形形状，尺寸范围从每边数十厘米到每边数米。构建平台由计算机控制，使得它能够在每一层完成时远离打印头向下运动。构建平台充当一个或多个物体的构建的第一层的基底，并设置有保证在打印操作期间构建物体与平台的充分粘合的机构，并且还设置为在构建物体完成后轻松移除已完成的构建物(一个或多个)。因为本发明能够应用于很多不同尺寸的部件，但是通常显著小于总的构建体积，因此很多相同的部件，或具有不同设计但是需要相同的材料设置的多个部件可以在单个构建中打印。小部件可按阵列打印以最大化地使用构建平台的可用区域，并且也可以堆叠打印，以最大化地使用打印体积。因此，给定的构建可从单个或多个设计的一个至上千个完成的部件产生。打印体积由构建平台的面积乘以构建平台从起始位置相对于打印头的最大位移限定。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中所实施的用三种材料构建物体的过程的流程图。

图2-8示出了本发明所实施的在包括两种材料的物体上形成一个附加层的过程的多个阶段的立体图。

图2示出了本发明的部分完成的3D打印物体，其涂布有第一粉末材料层以提供物体的第五完成层。

图3示出了图2中的物体处于粘合剂中，粘合剂可选择地被喷射到第一粉末材料的层中。

图4示出了图3中的物体，其中粘合剂喷射限于一定区域，以限定由CAD文件和计算机或其他控制指示的图案。

图5示出了在第一粉末材料的粘合剂喷射完成、喷射到第一粉末材料中的粘合剂已被固化、并且过量粉末被移除之后的图4的物体。

图6示出了在第二粉末材料已被存储在整个部分完成的物体上之后的图5的物体。

图7示出了图6中的物体部分经历将粘合剂喷射进第二粉末材料的过程。

图8示出了在粘合剂喷射进入第二粉末材料已完成、喷射进入第二粉末材料的粘合剂已固化、以及过量粉末被移除、物体的该附加层完成之后的图7的物体。

图9为本发明的一个实施方式中的主要部分的立体图。

具体实施方式

参考附图，其中相似的附图标记在所有的多个附图中代表相似部件，本发明涉及打印机，该打印机用多种材料进行三维打印。打印机包括构建板10(图9)，物体或物体的列阵15以连续的层构建在构建板10上。每个完成的层可由限制于其不同部分的第一材料20和第二材料30(以及附加材料)形成。也可以通过用易挥发材料填充层的该部分来在各个层内设置孔洞，易挥发材料后续将会移除。

图1的流程图描述了本发明所实施的基本过程。首先，待打印的物体开始时为三维模型，然后被切片成多个二维切片，二维切片可在构建板10上平行于构建板10取向。选择第一个切片。如果此切片内需要第一材料，那么采取任意顺序施加第一材料粉末和粘合剂，以使第一材料粉末在层内需要位置处粘合。粘合可以通过固化加速，诸如穿过辐射源。将过量的第一材料粉末移除。如果该层需要第二材料，则重复此过程，但是使用第二材料。也可使用第三材料(以及可能的其他附加材料)重复该过程。如果在层/切片上需要孔洞，则孔洞处可以由易挥发材料填充。当该层完成时，使用待打印的物体的下一个切片来控制重复该过程，但使用的是第二个切片所需的几何形状。该过程一直进行到最后一个切片被完全打印。最终，通常通过加热到诸如烧结温度来将粉末烧结在一起而完成该物体，然后使用充足的热量来使易挥发材料挥发并在物体内留下孔洞。

具体参考图2-9，本发明首先提供了构建板10，在构建板10上执行物体的3D打印。物体以多个粉末材料的层构建，由粘结材料粘结在一起，粘结材料在计算机控制模式中由喷墨型打印头150输送。

图2示出了部分完成的物体的例子，该部分完成的物体具有四个完成的层，每个完成的层包括第一材料20，以及第二材料30，并且四个完成的层中的两个进一步具有不包含打印材料的区域80。这种孔洞可以保持开放，或可以由易挥发材料的层填充以便于在随后的层中在该孔洞之上打印。图2-8描述了第五完成层的构建。在图2中，粉末分撒机构110提供了一种形式的分配部，该分配部将第一粉末层60分配在打印物体的所有已完成部分上，包括分配至第二材料30的区域50之上以及分配至沟槽80之内，在沟槽80中的第三或第四完成层上不存在打印材料。粉末分撒机构包括粉末存储部100、粉末搅拌部/调节部90和分撒头40。分撒头40可包括阀，阀允许计算机控制的开口仅将第一粉末分配至所选中区域。粉末分撒机构从第一端至与第一端相对的第二端横跨构建板的整个长度，其速度选择为分配期望厚度的均匀的第一粉末层60。

在图3中，第一粉末层60已被分撒在部分打印的物体的整个暴露的表面上，并且如图所示多喷嘴打印头150从左至右横跨过物体的一部分。当打印头移动跨越物体时，计算机根据被打印的层的设计控制每个喷嘴的操作。具体地，打印头150将粘合剂材料分配至物体的第一边缘46的整个宽度上，并且在它横跨过沟槽80的左部分55时被完全关闭。

当打印头到达中心凸起部45时，在中心部45上开始粘合剂喷射，其中只有在中心凸起部45上的喷射部160在计算机(或其他)的控制下被打开。从打印头分撒有粘合剂的区域用较暗阴影表示，没有用粘合剂喷射粉末60的区域由较浅阴影表示。图4示出了当打印头150横跨过第二材料的区域50上方时构建中的物体，其中第二材料30的区域50上的喷射部被关闭，并且只有中心凸起部161的第一材料20区域上的喷射部被打开。

图5示出了粘合剂被喷射到将成为第五层47的一部分的所有第一材料20中且粘合剂已固化并且过量的粉末60已被移除之后的物体。在本图中沟槽80示出为无阴影，以表示粉末已被移除。区域50的粉末也被移除了但是用浅色阴影示出。移除可以通过以下方式实现：吸尘、或扫除、或吹除或通过对适当材料的磁性或静电吸引而去除，或通过其他移除技术。

图6示出了第二粉末层130已被分撒在部分完成的物体的整个暴露的表面上之后的构建下的物体。第二粉末130通过第二粉末分撒机构111(图9)分撒，第二粉末分撒机构111与用于分撒第一粉末60的机构相似。第二粉末130被分撒至物体的整个上表面上。

此第二粉末层130为多平面的，具有一些放置在粘合的第一粉末60上的第二粉末130和一些放置在被打印物体的第五层中的第二粉末130。但是，放置在粘合的第一粉末60上的第二粉末130没有被粘合，而是被移除了，使得能够在平坦表面上打印物体的第六层(除非有未填充的孔洞)。如果需要，第二粉末130可以限于不被放置在存在粘合的第一材料60的位置处，以避免第二粉末130的浪费。

图7示出了粘合剂162喷射到仅在物体的第二材料区域50上的第二粉末层130中。在本发明的另一个实施方式中，根据给定设计中的几何结构和精密因素，对于任意或所有层上的任意或所有材料，粉末涂布和粘合剂喷射的顺序可以颠倒。

图8示出了已完成将粘合剂喷射到第二材料130中时的构建下的物体。并且，粘合剂已被喷射进沟槽80以向沟槽80添加第二粉末层130。将粘合剂固化，将过量的粉末移除，完成物体的已完成的第五层47。需要说明的是，所提及的第一材料层和第二材料层(以及附加材料层)指代子层，其可以包括被打印物体的完整层，但是更典型地为完成层的仅仅部分，其与可能挥发的材料一起包括物体的完成层。

虽然上述例子描述了包括两种不同材料的物体，但是本发明能够构建具有更多种材料的物体，仅仅通过增加附加的粉末分撒机构110、111、112(图9)即可，其优选地与如图2所示的类型相同。另外，易挥发材料可以由特别为易挥发材料设计的第二喷射型打印头直接喷射进物体内的洞腔区域。然后，当进行接下来的烧结或其他加热步骤时，易挥发材料挥发(通常变为气态)，在物体内的设计所需要的地方留下孔洞/洞腔。

图9以透视的形式示出了本发明的主要部分。构建板10提供了基底，用于开始对待构建物体的列阵15进行3D打印。虽然可以形成单个的物体，但在本实施方式中同时形成多个物体，多个物体示为相同，但也可以为不同。

构建平台10自身安装在升降系统210上，对于每个新层，例如通过在每个层完成后使其从正在使用的打印平面向下移动而允许完成的层的顶部最佳地相对于粉末分撒机构110和打印头150而转位。在本实施方式中，本发明的所有其他主要部件都被直接或间接地安装至主轴传送机构170，主轴传送机构170自身被接附至打印机的框架。

主轴传送机构170提供了一种形式的方式，以通过计算机解释CAD文件(或其他控制)以高度可控的方式使粉末分撒机构110、111、112，打印头150(通过与其关联的次轴传送机构180)，固化辐射源190(或其他粘合剂加速部)，以及过量粉末移除系统200(诸如真空吸尘器)，横穿过物体15的列阵的顶表面。例如，每个机构170上的转换夹能够可选择地夹持这些部件中的一个(或多个)的端部，并使这(些)部件一起在列阵15上行进，然后返回归位由夹子释放，并选择其他部件来横跨构建板上的使用中的打印平面。

粉末分撒系统109包括两个或更多个粉末分撒机构110、111、112，其在本实施方式中布置在存放系统中，存放系统诸如升降机220，其允许计算机(或其他控制)来选择容纳有用于待打印的物体阵列的当前层和区域的合适的粉末材料的粉末分撒机构，并与主轴传送机构170接合。一旦与传送机构170接合，粉末分撒机构110、111、112可以优选地以精确控制的粉末递送速度来横跨过构建板10的长度。在一个优选的实施方式中，粉末分撒机构110、111、112也会包含一系列的阀，这一系列的阀控制穿过粉末分撒机构110、111、112的宽度的多个位置，在该位置粉末被分配至构建下的物体的列阵上。所述阀将被控制为分配最小量的粉末材料以形成针对给定材料的区域和层。因此，可以将粉末分配至整个表面上或仅仅所选择的区域上。

打印头150自身接附至次轴传送机构180，使得在计算机的控制下，打印头可以横跨穿过构建板10的宽度的任意区域。次轴传送机构180自身与主轴传送机构170接合，使得次轴传送机构180可以在控制下横跨构建板10的整个长度。这样，打印头150可以移动至构建板10上的任意位置，并且是以在x-y平面中的运动的任意模式。作为替代，打印头150可以与次轴传送机构180一样宽，使得打印头150不用相对于机构180运动。

在一个实施方式中，固化辐射源190与主轴传送机构170接合，使得固化辐射源190可横跨构建板10的整个长度。在一个实施方式中，辐射固化源190构成一系列紫外线发光二极管(UV LED)，分别可由计算机访问。在另一个实施方式中，辐射固化源190构成红外辐射(IR)源，能够在非常短的时间内将粘合剂固化。在另一个实施方式中，固化辐射源190构成UV源，构建平台的宽度的一部分，与第二次轴传送机构180接合，第二次轴传送机构180又转而与主轴传送机构170接合，使得UV源能够横跨构建板10上的任意点，并以期望速度横跨。

在本发明的再另一个实施方式中，固化辐射源构成广域UV或IR源(通常为静态或仅仅能垂直移动)，广域UV或IR源同时照射构建板10的表面上的整个使用中的打印平面。广域UV或IR源可以被固定在构建板10上的位置中，布置为使得粉末分撒机构110、111、112、打印头150以及过量粉末移除系统200可以横跨辐射源下的构建板。在本发明的再另一个实施方式中，广域UV或IR固化辐射源可以为可移动的，使得其能够在固化步骤期间移动至正好位于构建板之上的位置，并且在3D打印操作的余下时间期间移至靠边位置。

在一个优选的实施方式中，过量粉末移除系统200构成高容量真空吸尘头，沿构建板10的整个宽度延伸。所述过量粉末移除系统与主轴传送系统170接合，以允许过量粉末移除系统200横跨构建板10的整个长度，以吸除没有涂粘合剂和没有固化的所有粉末。在本发明的一个优选实施方式中，为粉末分撒机构110、111、112中的每一个设置单独的过量粉末移除系统，用于将多种材料保持分离并在过量粉末再引入过程之前使过量粉末的净化和翻新最小化(或甚至消除)。在本发明的一个实施方式中，多个过量粉末移除系统附接至相应的粉末分撒机构110、111、112。如果不需要高纯度，吸入的粉末可以直接再次使用。可选的，用于每个机构110、111、112的再循环/翻新过程大致保持限于单一种类的粉末。

所提供的本公开揭示了本发明的优选实施方式和用于操作本发明的最好的模式。通过这样的方式描述本发明，那么明显地只要在不偏离本发明公开的范围和精神的情况下，可以对优选的实施方式进行各种不同的变形。当某种结构被认定为实现具体功能的方式时，这种认定应该意为包含能实现这种具体功能的所有结构。当当本发明的结构被认定为联接在一起，应当广义理解这种描述，包括直接联接或通过中间结构联接。这种联接可以为永久的或暂时的，为刚性方式联接或在提供接附方式的同时允许枢转、滑动或其他相对运动，除非特意限定。

工业实用

本发明展示了工业实用，其中提供了用于对包括超过一种材料或复合材料的物体进行三维打印的机构。

本发明的另一个目的是提供一种粘合剂喷射类型的3D打印机，能够在3D打印的物体中包括不同材料的多个区域。

本发明的另一个目的是提供一种粘合剂喷射类型的3D打印机，能够创建高度可控的多种不同材料的层。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印机，能够将易挥发材料的多个区域嵌入到主要包括坚固持久材料的物体内，易挥发材料接下来可以变为物体中的孔洞。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印机，能够将孔洞嵌入主要包括坚固持久材料的物体内，并且从空的孔洞至打印的物体的外表面只有弯曲的路径或根本没有路径。

本发明的另一个目的是提供一种构建3D物体的方式，这种方式直接来自计算机设计数据，来自高性能工程材料，而不是为配合特定的3D打印过程而选择的材料。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印机，构建速度足够高，相比于构建在结构内包括多种材料和孔洞区域的物体的传统方法在成本上更具有竞争力。

表明本发明工业实用性的其他进一步的主题，明显可以从仔细阅读本文所包含的细节性描述、从阅读本公开的附图和从本文所包括的权利要求中得到。