构建材料中的热特性控制的制作方法

构建材料中的热特性控制


背景技术：

[0001]
增材制造机器通过构造材料层来生产三维（3d）对象。一种类型的增材制造机器被称为3d打印系统。增材制造机器能够接收计算机辅助设计（cad）模型或要形成的物理3d对象的其它数字表示作为输入，并且基于该cad模型构建物理3d对象。模型可以由增材制造机器处理成层，并且每个层定义3d对象的（一个或多个）对应部件。
附图说明
[0002]
关于以下附图描述了本公开的一些实施方式。
[0003]
图1a和1b是根据一些示例的使用控制区中的控制或牺牲部件来控制构建材料层中的构建区的热特性的示例。
[0004]
图2是根据一些示例的闭环控制系统的框图。
[0005]
图3是根据进一步的示例的热层热控制过程的流程图。
[0006]
图4图示了根据附加示例的在构建材料层的相应区中施行热控制的示例。
[0007]
图5是根据进一步的示例的增材制造机器的框图。
[0008]
图6是根据一些示例的存储机器可读指令的存储介质的框图。
[0009]
图7是根据一些示例的增材制造机器的框图。
[0010]
图8是根据替代示例的使用冷却剂以用于构建材料层的热控制的过程的流程图。
[0011]
贯穿附图，相同的参考标记指定相似但不一定相同的元件。附图不一定按比例绘制，并且一些部件的大小可能被放大以更清楚地图示所示出的示例。此外，附图提供了与描述一致的示例和/或实施方式；然而，描述不限于附图中所提供的示例和/或实施方式。
具体实施方式
[0012]
在本公开中，术语“一”、“一个”或“该”的使用也意图包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。当在本公开中使用时，术语“包括（includes）”、“包括（including）”、“包含（comprises）”、“包含（comprising）”、“具有（have）”或“具有（having）”也指定所陈述的元件的存在，但是不排除其它元件的存在或添加。
[0013]
诸如三维（3d）打印系统之类的增材制造机器可以通过在构建平台上形成连续的构建材料层并且处理每个构建材料层来构建3d对象。在一些示例中，构建材料可以包括由细粉末或微粒形式的颗粒组成的粉末状构建材料。粉末状构建材料可以包括金属颗粒、塑料颗粒、聚合物颗粒、陶瓷颗粒或其它粉末状材料的颗粒。在一些示例中，构建材料粉末可以由短纤维形成，或者可以包括短纤维，所述短纤维例如可以已经被从长的材料线或丝切割成短的长度。
[0014]
作为对每个构建材料层的处理的一部分，可以将试剂分配（诸如通过打印头或其它液体输送机构）到构建材料层。试剂的示例包括熔合剂（其是一种形式的能量吸收液体），其吸收增材制造过程中使用的从能量源所发出的能量。例如，在将构建材料层沉积到增材制造机器中的构建平台（或部分形成的3d对象）上之后，可以将具有目标图案的熔合剂沉积
在该构建材料层上。目标图案可以基于要由增材制造机器构建的物理3d对象的对象模型（或更一般地，数字表示）。
[0015]
根据示例，熔合剂可以是包括炭黑的油墨型制剂，诸如例如，可从hp公司获得的商业上称为v1q60q“hp熔合剂”的熔合剂制剂。在示例中，熔合剂可以附加地包括红外光吸收剂、近红外光吸收剂、可见光吸收剂或紫外（uv）光吸收剂。
[0016]
在施加熔合剂之后，激活能量源（例如，包括一个或多个加热灯），以烧结、熔化、熔合或以其它方式聚结熔合剂下面的构建材料层的粉末。图案化的构建材料层（即，在其上沉积熔合剂的层的部分）可以固化并形成物理3d对象的部件或截面。
[0017]
接下来，新的粉末层被沉积在迄今为止已经形成的3d部件的顶部上，并且该过程在下一个增材制造周期中重复进行。
[0018]
在进一步的示例中，可以将其它类型的增材制造试剂添加到构建材料层。例如，细化剂可以策略性地沉积在构建材料层的部分上，在一些示例中，这也可以基于对象模型。例如，可以提供细化剂以在形成部件时实现目标表面质量和准确性。在一些示例中，细化剂也可以用于提供对构建材料区的冷却或热控制。在一些示例中，细化剂可以包括水。在更具体的示例中，细化剂可以是可从hp公司获得的商业上称为v1q61a“hp细化剂”的制剂。
[0019]
在增材制造中，期望的是在制造部件时精确控制部件的表面温度。温度变化（诸如不同构建材料层之间的温度变化）可能导致不期望的构建变化（这可能导致部件缺陷）。在构建材料粉末的固化过程期间，不均匀的温度分布或不平衡的热应力可能导致翘曲或以其它方式影响构建部件的尺寸准确性和材料属性。例如，如果构建材料层变得太热，则热能量可能渗入构建材料的没有熔合意图的周围部分中，并且导致不正确的几何形状、尺寸和外观。此外，增加的热可能用不受控制的熔合不期望地影响随后的构建材料层。替代地，如果构建材料层太冷，则材料属性可能在某些机械属性方面是不足的，所述机械属性例如包括极限拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度。
[0020]
构建材料层之间的热变化的来源可以归因于由构建材料层的区中的入射能量反射（例如，热反射）和随后的非目标（不想要的）能量吸收（例如，热吸收）导致的辐照度变化，其中能量源和构建材料层之间的反射贡献于构建材料层的区域的附加非意图加热。能量源将入射热能量引导到构建材料层上，该构建材料层包括在其中已经沉积了熔合剂的（一个或多个）区域以及在其中没有沉积熔合剂的（一个或多个）空白区域。入射热能量从（一个或多个）空白区域（例如，其包括具有白色或浅色的构建材料粉末）反射回到能量源，并且然后所反射的热能量从能量源中的（一个或多个）反射器反射回到构建材料层。
[0021]
作为非目标热能量反射的结果而吸收的非目标热能量的量和分布可以取决于当前层的对象部件密度而变化。对象部件密度可以指的是当前层被熔合剂覆盖的区域百分比。在密集的布置中，更大区域的熔合剂的存在使得熔合剂吸收更大量的能量，这导致从构建材料层的表面反射更少的热能量。另一方面，在构建材料层中（一个或多个）部件的更稀疏的布置中，施加到构建材料层的更小的（一个或多个）区域上的熔合剂意味着在构建材料层中将存在更大的（一个或多个）空白区域。更大的（一个或多个）空白区域可能导致更大量的热能量反射，这增加了非目标热能量吸收和所得到的辐照度变化。
[0022]
在一些示例中，（一个或多个）控制部件（也称为“（一个或多个）牺牲部件”）可以在构建材料层中的控制区中形成，该控制区与构建材料层的构建区分离。构建材料层的构建
区是要在其中形成目标3d对象的一部分的区。控制区远离构建区。在一些示例中，控制区是构建平台边缘周围的边界区的一部分。控制区是由于构建平台侧面处的热损失而提供的。在其它示例中，可以在构建平台的任何其它区中提供控制区。（一个或多个）控制部件由增材制造机器生成，而不是基于用于由增材制造机器构建3d对象的对象模型。一旦增材制造完成，就意图丢弃（一个或多个）控制部件。（一个或多个）控制部件的（一个或多个）顶表面层的热特性（例如，温度）可以例如使用热摄像机或其它成像设备来测量，并且被用作反馈并应用于控制器，该控制器调整供应给能量源的功率水平。在一些示例中，在每个构建材料层中形成（一个或多个）相同的控制部件。结果，基于在不同层中的控制区中使用（一个或多个）相同的控制部件的热特性反馈可能不提供不同层中的构建区中的热特性的准确表示，特别是如果不同层中的构建区具有不同的对象部件密度的话。
[0023]“对象部件密度”表示要在构建材料层的构建区中形成的部件（或部件的集合）相对于构建区的总体区域的相对量。构建材料层中的部件或部件的集合是通过将熔合剂施加到对应于部件或部件的集合的区域或区域的集合而构建的。对象部件密度可以表达为部件（或部件的集合）的区域相对于构建区的区域的百分比。换句话说，对象部件密度包括在其中施加能量吸收剂（例如，熔合剂）的构建区的相对部分（例如，表达为百分比）。
[0024]
注意，“构建区”可以指的是构建材料层的要在其中形成部件（或部件的集合）的总区域。替代地，“构建区”可以指的是构建材料层的总区域的子区。
[0025]
根据本公开的一些实施方式，为了实现构建材料层的更准确的热控制，系统确定相对于在增材制造机器中使用的构建材料层中的构建区的对象部件密度。该系统基于所确定的对象部件密度来控制构建材料层中的构建区的热特性。
[0026]
构建材料层的热特性的控制可以使用各种不同的技术中的任何一种来施行，这在下面讨论。
[0027]
在一些技术中，构建材料层中的对象部件密度是基于要由增材制造机器构建的3d对象的对象模型来计算的。如果要构建多个对象，则可以向增材制造机器提供针对多个对象的多个对象模型。对象部件密度是要在构建材料层的构建区中形成的（一个或多个）部件的对象部件密度。用在控制区中形成的（一个或多个）控制部件来模拟构建材料层的构建区的该对象部件密度。控制区中的（一个或多个）控制部件的热图像被用作反馈，以控制构建材料层中的构建区的热特性。
[0028]
图1a-1b示出了使用控制区中的控制部件来模拟构建材料层的相应构建区中的对象部件密度的示例。图1a是构建材料层102的顶视图。构建材料层102包括构建区104和控制区106。控制区106可以是构建区104与边缘或其它边界之间的构建材料层102的外围区的一部分。
[0029]
如图1a中所示出的，要由增材制造机器构建的（一个或多个）3d对象的部件108在构建材料层102的构建区104中形成。为了形成部件108，将熔合剂施加到要在其中形成部件108的区域。构建区104的剩余部分（包含部件108的区域之外的部分）被认为是空白部分109。
[0030]
在构建材料层102上方提供能量源110（其也可以被称为“熔合模块”）。能量源110包括（一个或多个）加热器，当被激活时，所述加热器针对构建材料层102施加热。例如，加热器可以包括红外加热灯。
[0031]
在一些示例中，能量源110可沿着轴线114跨构建材料层102移动。在其它示例中，能量源110可以跨其它轴线移动。更一般地，能量源110可相对于构建材料层102移动，其中这样的相对移动可以通过移动能量源110或者移动在其上提供构建材料层102的构建平台或者二者来完成。
[0032]
在对应于部件108的区域中，将存在从能量源110吸收能量的熔合剂。在构建材料层102的空白部分109中，来自能量源110的能量被从空白部分109反射。来自空白部分109的反射能量继而可以被能量源110中所使用的（一个或多个）反射器反射，所述反射器将反射能量重引导回到构建材料层102上。该重引导的反射能量导致辐照度变化，所述辐照度变化贡献于构建材料层102的附加非意图加热。
[0033]
根据本公开的一些实施方式，在控制区106中形成控制部件112，其中控制部件106具有模拟构建区104中的部件108的对象部件密度的对象部件密度。在控制区106中形成控制部件112包括将熔合剂分配到要在其中形成控制部件112的控制区106的区域，并且施加来自能量源110的能量以固化在其中施加熔合剂的控制区106的区域下方的构建材料层102部分。
[0034]
基于热成像（例如，用热传感器）的热反馈，控制部件112被用于调整构建材料层102的构建区104的热特性。构建材料层102的构建区104的热特性的调整可以基于调整供应给能量源110的电能量，或者基于将冷却剂施加到构建材料层104。
[0035]
增加能量源110的电功率（诸如通过增加所施加的电压和/或所施加的电流）使得能量源110增加向构建材料层102所施加的能量的量。相反，降低施加到能量源110的电功率降低由能量源110向构建材料层102所施加的能量的量。能量源110的能量的调整是在每个构建层的基础上施行的。
[0036]
在一些示例中，冷却剂可以是细化剂，诸如水。当冷却剂被施加到构建材料层102的表面时，冷却剂蒸发。冷却剂的蒸发冷却了在其中施加了冷却剂的构建材料层102的部分。因此，增加施加到构建材料层102的冷却剂的量可以增加构建材料层102的冷却。
[0037]
图1b示出了包括构建区124和控制区126的另一构建材料层122（其可以在图1a的构建材料层102之前或之后形成）。部件128要在构建区124中形成。构建材料层122的构建区124中的部件128的对象部件密度小于构建材料层102的构建区104中的部件108的对象部件密度。换句话说，构建区104（图1a）中的部件108比构建区124（图1b）中的部件128更密集。
[0038]
在图1b的构建材料层122的控制区126中形成的控制部件132的对象部件密度也小于在图1a的构建材料层102的控制区106中形成的控制部件112的对象部件密度。构建材料层122的控制区126中的控制部件132的对象部件密度是为了模拟构建区124中的部件128的更稀疏的对象部件密度，如基于对象模型所确定的。
[0039]
图2是根据本公开的一些实施方式的增材制造机器的示例闭环反馈布置200的框图。闭环反馈系统200包括增材制造过程202、热传感器204和控制器206。增材制造过程202可以包括将构建材料层分配到构建平台（或部分形成的3d对象）上，分配熔合剂（以及可能地其它增材制造试剂），以及施加来自能量源110的热能量。增材制造过程202可以在构建材料层的构建区中形成部件，并且在构建材料层的控制区中形成控制部件。
[0040]
如结合图1a和1b所讨论的，在多个不同的层中形成的控制部件可以具有不同的对象部件密度，所述不同的对象部件密度对应于在对应构建材料层的相应构建区中形成的部
件的对象部件密度。在不同构建材料层中可以具有不同对象部件密度的这样的控制部件在图2中被称为“可变”控制部件208。
[0041]
控制器206可以被实现为硬件处理电路，其可以包括以下中的任何或一些组合：微处理器、多核微处理器的核、微控制器、可编程集成电路设备、可编程门阵列或另一硬件处理电路。替代地，“控制器”可以被实现为硬件处理电路和可在硬件处理电路上执行的机器可读指令（软件和/或固件）的组合。
[0042]
在一些示例中，控制器206可以包括比例积分微分（pid）控制器。
[0043]
将熔合部件目标温度210输入到控制器206中。熔合部件目标温度210是要以其形成构建材料层的构建区中的部件的目标温度。
[0044]
热传感器204测量构建材料层的控制区中的可变控制部件208的热特性（例如，温度）。尽管参考了一个热传感器204，但是注意的是，在其它示例中，可以存在多个热传感器204来测量可变控制部件208的热特性。
[0045]
热传感器204向控制器206输出所测量的热特性212。所测量的热特性212（例如，所测量的温度）可以指示构建材料层的控制区的构建温度。控制器206使用所测量的热特性212作为反馈来控制来自能量源110的热能量输送。能量源110的控制是通过控制器206向能量源110提供热能量源控制指示214（其可以包括信号、命令或任何其它信息）来完成的。例如，热能量源控制指示214可以控制输送到能量源110的功率的量，这继而控制由能量源110引导到构建材料层的能量的量。
[0046]
在一些示例中，控制器206将来自热传感器204的所测量的温度212与熔合部件目标温度210进行比较。能量源110的调整基于温度212和210的比较。例如，如果所测量的温度212超过熔合部件目标温度210，则控制器206可以调整热能量源控制指示214以降低能量源110的功率的量。相反，如果所测量的温度212小于熔合部件目标温度210，则控制器206可以调整热能量源控制指示214以增加能量源110的功率的量。
[0047]
图3示出了控制构建材料层的热特性的过程。图3的过程可以由控制器施行，所述控制器诸如图2的控制器206或不同的控制器。
[0048]
控制器基于表示要由增材制造机器构建的3d对象的对象模型来确定（在302处）构建材料层的对象部件密度。控制器基于所确定的对象部件密度而访问（在304处）查找信息306，以确定要采取的热控制动作。查找信息306可以是以查找表的形式，所述查找表将不同的对象部件密度映射到对应不同热控制动作。例如，查找信息306可以包括多个条目，其中每个条目将对应对象部件密度与相应热控制动作相关。
[0049]
然后，控制器在增材制造过程中应用（在306处）所确定的热控制动作。
[0050]
热控制动作可以包括调整在增材制造过程中所使用的能量源110的功率。替代地，热控制动作可以包括调整冷却剂的量。作为又另一替代，热控制动作可以包括调整能量源110的功率和调整冷却剂的量。
[0051]
下面的表1图示了示例查找表，该示例查找表将构建材料层的不同对象部件密度映射到相应熔合功率调整和冷却剂调整。
[0052]
表1层中的对象部件密度(%)熔合功率调整(%增加)冷却剂调整(%)00.030
52.720105.310158.002010.6-62513.3-123015.9-183518.6-244021.2-304523.9-365026.5-425529.2-486031.8-546534.5-607037.1-667539.8-728042.4-788545.1-849047.7-909550.4-9610053.0-100
[0053]
尽管上面的示例查找表将对象部件密度与熔合功率调整和冷却剂调整二者相关，但是注意的是，在其它示例中，可以通过查找表来将对象部件密度映射到仅功率调整或仅冷却剂调整。
[0054]
对象部件密度被表达为要在其中形成（一个或多个）部件的构建区（即，要在其中施加熔合剂的（一个或多个）区域）的总体区域的百分比。
[0055]
查找表的熔合功率调整指示当熔合构建材料层时要施加到热能量源的熔合功率的量的百分比增加。例如，在查找表的第一条目中，如果在构建材料层中不存在要形成的部件（0%对象部件密度），则熔合功率调整为0%。然而，在第二条目中，如果对象部件密度为5%，则熔合功率调整是2.7%的增加（与0%对象部件密度的场景相比）。
[0056]
更一般地，熔合功率调整是控制能量源110的能量输出的量的能量控制值的示例。控制器基于诸如从查找表所确定的对象部件密度而获得能量控制值，并且基于该能量控制值而调整能量源的能量输出。
[0057]
类似地，如果对象部件密度为0%，则冷却剂调整为30%（这意味着与其中对象部件密度为15%的场景相比，冷却剂30%的增加被施加到构建材料层）。另一方面，如果对象部件密度为20%，则冷却剂调整为-6%（这意味着与其中对象部件密度为15%的场景相比，施加到构建材料层的冷却剂的量减少了6%）。
[0058]
更一般地，冷却剂调整是冷却控制值的示例，所述冷却控制值响应于所确定的对象部件密度来确定要施加的冷却剂的量。
[0059]
尽管示例百分比被包括在查找表中，但是注意的是，在其它示例中，不同的量可以
包括在查找表中。
[0060]
在其它示例中，代替访问查找信息306来确定要采取的热交互，控制器可以基于所确定的对象部件密度来应用产生要采取的热控制动作（例如，调整熔合热能量源和/或调整冷却剂的量）的算法，诸如公式、机器学习模型等。例如，控制器可以使用算法基于所确定的对象部件密度来计算能量控制值或冷却控制值。
[0061]
图4是示出施行构建材料层402的热控制的另一技术的框图。构建材料层402被划分成多个不同的区404和406。尽管图4中仅示出了两个区，但是注意的是，在其它示例中，构建材料层402可以被划分成多于两个的构建区。在图4的示例中，构建区404是稀疏区，并且构建区406是密集区。稀疏区404包括部件408的稀疏布置，而密集区406包括部件410的密集布置。
[0062]
诸如基于使用图3的技术，热控制可以独立于另一构建区而应用于每个构建区404或406。例如，当在构建区404中施行熔合时，控制器可以（基于对象模型）确定构建区404的对象部件密度，并且可以基于所确定的对象部件密度通过控制热能量源或者通过调整施加到构建区404的冷却剂的量来控制构建区404的热特性。
[0063]
类似地，当在构建区406中施行熔合时，控制器可以基于构建区406的所确定的对象部件密度而独立地控制构建区406的热特性。
[0064]
图5是根据一些示例的示例增材制造机器500的示意性侧视图。增材制造机器500包括分配组件502、能量源504、热传感器506和控制器508。分配组件502可以包括用于分配和散布构建材料层512的构建材料散布器510，以及用于在构建表面518上分配熔合剂516的熔合剂分配器514。
[0065]
构建材料散布器510可以包括例如刮料器或重涂覆辊，以将分配的构建材料层512散布在构建表面518上方。例如，熔合剂分配器514可以包括打印头。例如，构建表面518可以是构建平台530或先前形成的构建材料层。在构建材料散布器510形成构建材料层512之后，熔合剂分配器514选择性地将熔合剂516分配到新形成的构建材料层512上。能量源504被激活以加热和熔合已经在其上施加了熔合剂516的构建材料层512的部分，以形成3d构建对象520的层。
[0066]
在一些示例中，分配组件502和能量源504可以安装到托架（未示出），该托架可以跨构建表面518在一个方向或多个方向上可移动。
[0067]
分配组件502还包括冷却剂分配器522，其将冷却剂（例如，细化剂）分配到构建材料层512的表面上。
[0068]
根据本公开的一些示例，控制器508可以通过基于要在构建材料层512中形成的部件的所确定的对象部件密度来控制能量源504的功率和/或由冷却剂分配器522所分配的冷却剂的量和/或位置，从而应用构建材料层512的基于对象部件密度的热控制（524）。由冷却剂分配器将冷却剂分配到构建材料层512上的（一个或多个）位置基于由控制器508对构建材料层512的哪个（哪些）位置要被冷却的标识。
[0069]
图6是存储机器可读指令的非暂时性机器可读或计算机可读存储介质600的框图，所述机器可读指令在执行时使系统施行各种任务。机器可读指令包括对象部件密度确定指令602，其用于确定相对于在增材制造机器中使用的构建材料层中的构建区的对象部件密度，所述对象部件密度基于在其中施加能量吸收剂的构建区的相对部分。机器可读指令还
包括热特性控制指令604，其用于基于所确定的对象部件密度来控制构建材料层中的构建区的热特性（例如，诸如通过调整能量源和/或控制分配到构建材料层上的冷却剂的量和/或位置）。
[0070]
图7是增材制造机器700的框图。在一些示例中，增材制造机器700包括要在其上形成3d对象704的构建平台702。在其它示例中，增材制造机器700可以最初在没有构建平台702的情况下被构建，其中构建平台在稍后阶段诸如由用户或另一实体添加。
[0071]
增材制造机器700还包括用于施行各种任务的控制器706。控制器706的任务包括能量吸收剂密度确定任务708，其确定相对于用于形成3d对象704的一部分的构建材料层中的构建区的能量吸收剂的密度。任务还包括热特性控制任务710，其用于基于所确定的能量吸收剂的密度来控制构建材料层中的构建区的热特性（例如，诸如通过调整能量源和/或控制分配到构建材料层上的冷却剂的量和/或位置）。
[0072]
图8是根据一些示例的可以由控制器施行的过程的流程图。图8的过程包括确定（在802处）相对于在增材制造机器中用于形成3d对象的构建材料层中的构建区的对象部件密度。
[0073]
该过程还包括基于针对构建材料层的相应层所确定的对象部件密度来控制（在804处）每个相应层中的构建区的热特性（例如，诸如通过调整能量源和/或控制分配到构建材料层上的冷却剂的量和/或位置）。
[0074]
图6的存储介质600可以包括以下中的任何或一些组合：半导体存储器设备，诸如动态或静态随机存取存储器（dram或sram）、可擦除和可编程只读存储器（eprom）、电可擦除和可编程只读存储器（eeprom）以及闪速存储器；磁盘，诸如固定盘、软盘和可移除盘；包括磁带的另一磁性介质；光学介质，诸如压缩盘（cd）或数字视频盘（dvd）；或另一类型的存储设备。注意，上面所讨论的指令可以在一个计算机可读或机器可读存储介质上提供，或者替换地，可以在分布在可能具有多个节点的大系统中的多个计算机可读或机器可读存储介质上提供。这样的（一个或多个）计算机可读或机器可读存储介质被认为是物品（或制品）的一部分。物品或制品可以指的是任何制造的单个组件或多个组件。（一个或多个）存储介质可以位于运行机器可读指令的机器中，或者位于可以通过网络从其下载机器可读指令以用于执行的远程站点（例如，云）处。
[0075]
在前述描述中，阐述了许多细节以提供对本文中所公开的主题的理解。然而，实施方式可以在没有这些细节中的一些的情况下实践。其它实施方式可以包括对上面所讨论的细节的修改和变化。所附权利要求意图覆盖这样的修改和变化。