3D打印方法和设备与流程

本发明涉及3D打印方法和设备。

更具体地，本发明涉及适用于高速制造物体的3D打印方法和设备。

背景技术：

根据三维(3D)数字图像通过铺设连续的薄层材料而制造的3D打印部件产生物理物体。

典型地，这些3D打印部件可以通过多种方式制造，诸如选择性激光熔化或烧结，其通过粉末床来操作，在该粉末床上投射能量束以熔化该粉末床的顶层，并使得它熔接到基板或底板上。重复执行该熔化过程以向底板添加另外的层，以递增地构建该部件直至其被完全制造。

这些打印方法执行起来非常耗时，并且可能需要几天或几周来制造合理尺寸的物体。对于包含错综复杂的零部件的复杂物体，这个问题将会恶化。这显著降低了3D打印机的实用性，并且是目前妨碍消费者和工业中大规模采用3D打印的主要障碍之一。

本发明试图至少部分地克服前面所描述的3D打印方法和设备的缺点。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于打印三维物体的打印设备，包括：

操作表面；

能量源，用于将至少一个能量束发射到所述操作表面上；以及

至少一个供料斗，用于将粉末分配到所述操作表面上，该粉末适于被所述能量束熔化，

其中所述供料斗被配置成使得正被所述供料斗分配的粉末从所述供料斗向所述操作表面行进时具有气载密度，并且其中所述密度使得当所述粉末向所述操作表面行进时所述粉末不被所述能量束熔化。

所述打印设备可以包括能量束分离装置，用于将所述能量束分成多个独立的能量束并将每个独立的能量束引导到共同焦点上。

所述打印设备可以包括多个能量源，用于将多个能量束穿过正被分配的所述粉末发射并到达所述操作表面上，其中所述能量束各自被引导到共同焦点上。

所述打印设备可以包括用于将粉末分配到所述操作表面上的多个供料斗。

所述设备可以包括扫描装置，用于当包括在所述粉末中的颗粒或每个颗粒从所述供料斗向所述操作表面行进时确定包括在所述粉末中的一个或多个颗粒的位置、速度和/或尺寸。

所述扫描装置可以适用于测量粉末的气载密度。

所述扫描装置可以适于测量沉积在所述操作表面上的粉末的体积。

所述扫描装置可以适于测量沉积在所述操作表面上的粉末的水平(level)。

所述设备可以包括用于基本上调平沉积在所述操作表面上的粉末的调平装置。

所述供料斗可以被配置成在包含在粉末中的每个颗粒离开供料斗时为其提供速度，其中该速度使得颗粒以基本水平的方式沉积到所述操作表面上。

每个颗粒速度可以具有符合预定散布算法的速率和方向。

所述散射算法可以并入了基于随机的选择过程。

所述散射算法可以并入了基于伪随机的选择过程。

所述调平装置可以包括刀片，该刀片在使用中周期性地刮擦所述操作表面上的粉末的上表面。

所述调平装置可以包括静电充电装置。

所述调平装置可以包括振动产生装置，用于将振动力施加到包括在所述操作表面上的粉末中的颗粒。

所述振动产生装置可以包括机械振动发生器。

所述振动产生装置可以包括超声波振动发生器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于打印三维物体的方法，所述方法包括以下步骤：

使用供料斗将粉末分配到操作表面上，其中当所述粉末从所述供料斗向所述操作表面气载行进时，所述粉末具有密度；以及

使用能量源将能量束穿过被分配的粉末发射并到达操作表面上，

其中所述密度使得当所述粉末从所述供料斗向所述操作表面行进时其不会被熔化。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述本发明，其中：

图1是本领域已知的常规3D打印设备的侧面示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的3D打印设备的侧面示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的3D打印设备的侧面示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的3D打印设备的侧面示意图；以及

图5是根据本发明第四实施方式的3D打印设备的侧面示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了本领域已知的常规3D打印设备10的示意图。设备10包括具有操作表面14的基板12，在该操作表面14上将通过3D打印来制造打印的物体。

设备10还包括供料斗16，其将单层粉末18沉积到操作表面14上。

能量枪20(通常为激光或电子枪)将能量束22发射到粉末层18上，使粉末层18选择性地熔化或烧结以形成3D物体的单独的层。重复该过程以添加另外的层并递增地构建该物体直到其被完成为止。

参照图2，其示出了根据本发明第一实施方式的3D打印方法和设备24的示意图。

设备24包括操作表面26、用于将至少一个能量束30发射到操作表面26上的能量源28以及用于将粉末34分配到操作表面26上的至少一个供料斗32，该粉末34适于被能量束30熔化。供料斗32被配置成使得当由供料斗32分配的粉末34从供料斗32向操作表面26行进时具有气载密度，并且其中该密度使得当粉末向操作表面26行进时，粉末34不会被能量束30熔化。

更具体地，设备24包括形成操作表面26的基底36，在该操作表面26上通过3D打印来制造打印的物体。设备24包括单个的大型供料斗32。粉末34以连续的方式从供料斗32被分配并且大致向下沉淀到操作表面26上。

在使用中，当粉末34从供料斗32行进到操作表面26时，其是气载的并且形成大致柱状的动态微粒体积38。控制装置(未示出)控制由供料斗32分配的粉末34的体积流率，并且确保颗粒体积38具有基本上均匀的密度，该密度满足特定值或基本上保持在指定的密度范围内。

当粉末34沉降到操作表面26上时，粉末34形成层40。当由料斗32供应另外的粉末34并且其沉淀在层40的上表面之上时，层40的厚度以连续的方式增加。

设备24还包括能量源，在图1所示的本发明的第一实施方式中，该能量源包括用于发射能量束30的单个能量枪28。该能量枪28被布置成使得它的能量束30穿过气载粉末34并且被引导到操作表面26或压在上面的(incumbent)最上面的粉末层40上。

能量束30选择性地熔化或烧结粉末层40以形成正在被制造的3D物体的一部分。该过程会随着另外的粉末34沉淀到层40上而继续进行，从而递增地形成3D物体直到其被完全打印。

气载粉末34的选定密度或密度范围确保能量束30在其从供料斗30向操作表面26行进时不会被熔化或对气载粉末34具有任何不利或不希望的影响。

与图1所示的现有技术的3D打印设备10(其中粉末层被单独应用)相反地，本发明提供了可以连续的方式供选择性地熔化或烧结的不间断供应的粉末。这有利地引起了打印生产率的显著提高。

本发明中使用的能量源可以是以下中的任意一者：激光束、准直光束、微等离子体焊接弧、电子束、粒子束或其他合适的能量束。

在利用电子束能量源的本发明实施方式中，打印设备24(包括操作表面26)可以被完全包括并操作在真空室内，以促进电子束到粉末层上的传播。

本发明的效果基本上取决于以受控方式形成在操作表面26上的粉末层40。尤其重要的是，当被，所形成的层40具有均匀的厚度并且具有当被能量源作用时基本上水平的顶表面。

由于粉末颗粒的性质，当将粉末沉积在操作表面26上时，它们往往倾向于在操作表面26上滚动。这通常是由于粉末颗粒的形状，例如大致圆形的粉末颗粒，其在操作表面26上弹跳并与已经位于其上的其他粉末颗粒碰撞，或者所述滚动可以是由运载来自粉末供料斗30的粉末颗粒的气体进料的力所引起的，或者如果太多粉末颗粒沉积在相同的位置，所述滚动可以是由于粉末重力从“堆”上滚落而引起的。

同样已知的是，由于例如颗粒收缩，在层被能量源作用之后，粉末层36的厚度可能被减小。厚度的减小可能不利地影响随后由供料斗30沉积的粉末层和/或被制造的所得3D物体。

因此，设备24附加地包括用于在操作期间基本调平每个粉末层40的调平装置。

在图2中公开的实施方式中，调平装置包括刀片42，在使用中该刀片42周期性地在粉末层40的顶表面44上刮擦，以便根据需要改变其厚度，并且以确保其顶面保持基本水平。

使用机械控制装置和由软件或固件驱动的控制电子器件(未示出)来控制刀片42，该软件或固件实现用于控制刀片42的位置、速度和方位的算法。

所实施的算法使得随着层40被递增式地形成，刀片42在粉末层40上选择性地操作并且与能量枪28相配合。

可替换或可附加至刀片42的，设备24使用的调平装置可包括用于向粉末层36施加振动力的振动产生装置(未示出)。这些振动力使得粉末层40中的单个颗粒振动并变成动态的。该振动力可以被选择性地施加，以使得颗粒形成并沉降成所需的排列。

设备24使用的振动产生装置可以是机械振动发生器，或者可选地，是超声波振动发生器。

此外，可替代或可附加至刀片和/或振动产生装置的，调平装置可以包括静电充电装置，其以相反的极性对粉末颗粒和操作表面26进行静电充电。

例如，可将正电荷施加到操作表面26上，并且可为离开供料斗30的粉末颗粒充负电荷。因此，当粉末颗粒32离开供料斗30时，它们被朝着操作表面26排出，并且粉末颗粒一旦与其接触，粉末颗粒就会贴在操作表面26上。

这种粘附的优势在于，首先由于粉末颗粒可以被精确地放置，所以其导致最终部件的解析度得以提高，并且其次，由于在供料斗30和操作表面26之间的粉末颗粒灰尘较少，所以打印设备24内的工作环境得到改善。此外，也还可能使用其它静电装置来控制带静电粉末颗粒的流动方向。

此外，可替代或可附加至刀片42、振动产生装置和/或静电充电装置的，当包括在粉末34中的单个颗粒从供料斗30喷出时，其可以被赋予特定的速度。

优选地，根据预先确定的散射算法，赋予每个粒子具有速率和方向的速度。

优选地，散射算法并入了基于随机或伪随机的选择过程。

当颗粒碰撞操作表面26和/或压在上面的粉尘层40时，赋予至颗粒的速度使得颗粒借助发生的惯性交换和其他物理相互作用而以基本均匀和平坦的方式沉降到操作表面26上。

为了使设备24能够控制上述的气载粉末34和调平装置的体积流率和密度，设备24优选还包括扫描装置(未示出)。

优选地，扫描装置适于在颗粒或每个颗粒从供料斗30向操作表面26行进时确定包括在粉末34中的一个或多个颗粒的位置、速度和/或尺寸。

优选地，扫描装置还适于测量粉末34的气载密度。

优选地，扫描装置还适于测量沉积在操作表面26上的粉末体积。

优选地，扫描装置还适于测量沉积在操作表面26上的粉末的水平。

优选地，扫描装置可以利用超声波、激光或其他适当的已知扫描或定位技术。

使用扫描装置收集的信息和数据与控制电子设备和软件结合使用以确定从供料斗30发射的粉末的体积流率、方向和/或速度，和/或能量束46、38的方向和强度以优化正被打印的部分的制造。

参照图3，示出了根据本发明第二实施方式的3D打印方法和设备24的示意图。其所公开的实施方式相对于图2所公开的第一实施方式，除了能量源包括用于发射穿过气载粉末34到达操作表面26上的第二能量束的另外的能量枪46，其他所有方面都是相同的。

两个能量枪38、46适于使得它们各自的能量束40、48被引导到操作表面26或粉末层40上的共同焦点50。在该布置中，由能量枪38、46发射到焦点50上的组合的能量足以熔化或烧结粉末层40，并形成在焦点50处正被制造的3D物体的一部分。然而，由能量枪38、46所发射的各自的能量束40、48单独地并不足以熔化气载粉末34或对气载粉末34有任何不利或非期望的影响。

参照图4，示出了根据本发明第三实施方式的3D打印方法和设备24的示意图。其所公开的实施方式相对于图2所公开的第一实施方式，除了能量源还包括能量束分离装置52，其他所有实质方面都是相同的。

能量束分离装置52将由单个能量枪28所发射的单个能量束30分成多个定向能量束54。能量束分离装置52与控制机构(未示出)结合操作，该控制机构确保从能量束分离装置52发射的定向能量束54各自被引导到操作表面26或粉末层40上的共同焦点56上。在该布置中，由定向能量束54发射到焦点56上的组合能量足以熔化或烧结粉末，并形成在焦点56处正被制造的3D物体的一部分。

参照图5，其示出了根据本发明第四实施方式的3D打印方法和设备24的示意图。其所公开的实施方式相对于图2所公开的第一实施方式，除了设备24包括用于将粉末分配到操作表面26上的多个供料斗58、60，其他所有实质方面都是相同的。尽管附图中示出第一供料斗58和第二供料斗60，可以理解的是，可以使用替代数量的供料斗。

两个供料斗58、60各自适于以与上面针对图2中公开的本发明的第一实施方式所描述的相同的方式将粉末分配到操作表面26上。然而，两个料斗58、60进一步适于使得形成的第一和第二动态粉末列62、64以基本均匀和受控的方式使粉末沉淀到操作表面26上，从而形成非常均匀的粉末层40。

对本领域技术人员而言，所作出的显而易见的进一步的修改和变型应被视作是在本发明的范围内。

在在本发明的前述具体实施方式和所附权利要求书中，除了由于语言表述或必要暗示而引起上下文另外要求外，词语“包括”或诸如“包含”或“具有”的变型都可被以包括的意义来使用，即指定所陈述的特征的存在，但并不排除在本发明的各种实施方式中存在或添加额外的特征。