具有不同凝固度区域的物体的制造的制作方法

具有不同凝固度区域的物体的制造


背景技术：

[0001]
在三维（3d）打印中，增材打印工艺通常用于从数字模型制作三维固体零件。一些3d打印技术被认为是增材工艺，因为它们涉及将构建材料（例如粉末或粉末状构建材料）的连续层或体积施加到现有表面（或先前层）。3d打印通常包括构建材料的凝固（solidification），对于一些材料，这可以通过使用热和/或化学粘合剂来实现。
附图说明
[0002]
本公开的特征通过示例的方式示出，并且不限于以下（一个或多个）附图，其中相同的附图标记指示相同的元素，其中：图1示出可以使得具有较低凝固度的第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的示例性装置的框图；图2示出可以使得具有较低凝固度的第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的另一示例性装置的框图；图3描绘使得第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的示例性方法的流程图；图4示出被制造为包括预定的第一区域和预定的第二区域的示例性物体的截面侧视图；以及图5示出其上存储有用于使得处理器制造物体的机器可读指令的示例性非暂时性计算机可读介质的框图，所述物体具有预定的第一区域和预定的第二区域以提高制造的物体的抗冲击性。
具体实施方式
[0003]
本文公开的是可以被实现以制造具有围绕第二区域的第一区域的三维（3d）物体的装置和方法，其中第二区域可以由与第一区域相同的构建材料形成并且可以被凝固到比第一区域低的凝固度。3d物体可以通过在多层构建材料中形成第一区域和第二区域来形成。如本文所讨论的，3d物体可以通过许多的各种制造工艺中的任何一种来制造。另外，第二区域可以在不凝固的情况下制造或者可以部分凝固。在这点上，术语“不凝固”在本文中可以定义为完全不凝固、部分凝固、欠凝固、颗粒之间的结合较弱的完全凝结状态等。第二区域可以凝固到比第一区域低的程度，例如通过不完全热固化、较弱的较少粘合剂等。
[0004]
由于第二区域可以具有比第一区域低的密度，所以第二区域可以具有比第一区域低的断裂韧性。这样，在用会使物体中出现裂纹的足够的力撞击由第一区域和第二区域形成的物体的情况下，来自撞击的能量可被强制通过第二区域。此外，因为第二区域的断裂韧性可以低于第一区域，所以来自撞击的能量可以更容易地传播通过第二区域，因为传播通过第二区域可以比传播通过第一区域消耗更少的能量。根据示例，第二区域可以被设计成引导能量的传播，例如裂纹形成，以绕开第一区域中的方向和尽头（dead-end）。因此，例如，第二区域可以被成形并且可以被策略性地定位在第一区域内以使得裂纹传播到预定的第
一区域，其例如在物体的内部位置中。以这种方式，可以以更大的抗冲击性来制造物体。
[0005]
在一些示例中，本文公开的装置和方法可以制造具有由第一区域包围的第三区域的3d物体，其中第三区域可以被凝固到比第一区域和第二区域低的凝固度。在这些示例中，第三区域可以在第二区域之外或者可以被包围在第二区域内。在任何方面，第三区域可以具有比第二区域低的密度，并且因此，来自对包含第一区域、第二区域和第三区域的物体的冲击的能量可以比第一区域或第二区域更容易地传播通过第三区域。在示例中，第三区域还可以被成形并且可以被策略性地定位在第一区域（和/或第二区域）内以使得裂纹传播到预定的第一区域，其例如在物体的内部位置中。以这种方式，可以以更大的抗冲击性来制造物体。本文公开的装置和方法可以制造具有由第一区域包围的附加区域的3d物体，其中附加区域可以被凝固到比第一区域、第二区域和第三区域低的凝固度。因此，尽管本文具体参考第一区域和第二区域，但是应当理解，在不背离本公开范围的情况下，可以在制造的3d物体中形成具有另外凝固度的附加区域。
[0006]
在继续之前，应注意，如本文所使用的，术语“包括”和“包含”意指但不限于“包括”或“包含”和“至少包括”或“至少包含”。术语“基于”意指“基于”和“至少部分基于”。
[0007]
首先参考图1和2。图1示出了可以使得具有较低凝固度的第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的示例性装置100的框图。图2示出了也可以使得具有较低凝固度的第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的诸如3d制造系统的另一示例性装置200的框图。应当理解，图1和中描绘的示例性装置100和200可以包括附加特征，并且可以在不脱离装置100和200范围的情况下去除和/或修改本文描述的一些特征。
[0008]
一般而言，图1和图2中描绘的装置100、200可以各自是3d制造系统。装置100、200也可以被称为3d打印机、3d制造器等。一般而言，3d装置100、200可以被实现为从构建材料制造3d物体。构建材料202可以是以层的形式施加并选择性地凝固的材料。例如，构建材料202可以包括材料颗粒（例如，以粉末形式）、糊料材料等。构建材料202在图2中已经被示出为部分透明的，以使得第一区域204和第二区域206可见。应当因此理解，构建材料202可以不是透明的，而代替地，可以是不透明的。
[0009]
在其中构建材料202包括材料颗粒的情况下，构建材料颗粒可以包括适合于熔化和选择性凝固的任何材料，包括但不限于聚合物、塑料、陶瓷、尼龙、金属、其组合等，并且可以采用粉末或粉末状材料的形式。另外，颗粒可形成为具有通常在约5μm至约100μm之间的尺寸，例如宽度、直径等。在其他示例中，颗粒可以具有通常在约30μm至约60μm之间的尺寸。例如，由于较大的颗粒被磨碎成较小的颗粒，所以颗粒可以具有多种形状中的任何一种。在一些示例中，粉末可以由短纤维形成或者可以包括短纤维，所述短纤维可以是例如从材料的长股线或线屡切割成短长度的。
[0010]
装置100、200可以包括可以分别控制装置100、200的操作的处理器102。处理器102可以是基于半导体的微处理器、中央处理单元（cpu）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）和/或其他合适的硬件设备。装置100、200还可以包括处理器102可以在3d物体的制造中控制的制造系统104。具体讲，并且如本文更详细地讨论的，处理器102可以控制制造系统104以选择性地凝固构建材料202的预定的第一区域204，以具有比预定的第二区域206（例如，不完全凝固、部分凝固、以粉末形式等）更高的凝固度。
[0011]
装置100、200还可以包括存储器110，其上可以存储有处理器102可以执行的机器可读指令112和114（其也可以称为计算机可读指令）。存储器110可以是包含或存储可执行指令的电子、磁、光或其他物理存储设备。存储器110可以是例如随机存取存储器（ram）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、存储设备、光盘等。也可以被称为计算机可读存储介质的存储器110可以是非暂时性机器可读存储介质，其中术语“非暂时性”不包括暂时性传播信号。
[0012]
处理器102可以获取、解码和执行指令112以控制制造系统104来铺展构建材料202的层，作为物体制造过程的一部分。例如，制造系统104可以包括可以被控制以铺展构建平台210上的构建材料202的层的再涂覆器（recoater）208，其可以在构建室中，在该构建室中，可以由在构建平台210上的相应层中提供的构建材料202来制造3d物体。特别地，构建平台210可以设置在3d制造系统的构建室中，并且可以随着3d物体的特征在构建材料202的连续层中形成而向下移动。虽然未示出，但是可以在再涂覆器208和构建平台210之间供应构建材料202，并且再涂覆器208可以在由箭头212表示的方向上跨构建平台210移动以将构建材料202铺展到层中。
[0013]
处理器102可获取、解码并执行指令114以控制制造系统104选择性地将该层的第一区域204凝固到比由第一区域204包围的预定的第二区域206更高的凝固度。例如，处理器102可以访问文件，该文件可以包括标识第一区域204和预定的第二区域206的数据。第二区域206可以被预定，因为文件中的数据可以指定第二区域206将要在第一区域204内形成的尺寸（例如形状）和位置。文件中的数据还可以指定第二区域206中的构建材料202将要被凝固到的水平。例如，数据可以指定构建材料202可以是完全不凝固的、可以凝固到小于100%的某个百分比、或者它们之间的其他水平。
[0014]
处理器102可以重复执行指令112和114以制造具有相应的第一区域204和第二区域206的构建材料202的附加层，直到例如物体被制造。另外，邻近层中的第二区域206可以彼此连接，使得第二区域206可以形成在三维上延伸并跨多个层的特征。处理器102也可控制制造系统104以在制造的物体中形成多个第二区域206，其中第二区域206可位于物体内以最大化由物体上的冲击所引起的对物体的损坏减少，例如最大化抗冲击性。另外，第二区域206可以由与第一区域204相同的构建材料202形成，但是可以具有比第一区域204更大的孔隙率，可以更弱等。
[0015]
根据示例，制造系统104可以包括能量供应组件，其用于通过将凝固能量施加到构建材料202上来选择性地凝固构建材料202。凝固能量可以采用光（可见、红外、紫外等）的形式、热的形式、电磁能的形式、它们的组合等。作为示例，能量供应组件可以包括激光束源、加热组件等。在一些示例中，处理器102可以控制能量供应组件以熔化或烧结第一区域204中的构建材料202。此外，当加热第一区域204中的构建材料202颗粒时，第二区域206中的至少一些颗粒可以通过来自第一区域204中的颗粒的热渗出而熔化（或烧结）并熔合在一起。在一些示例中，第二区域206的宽度可以基于第二区域206中的颗粒的预期凝固度来定尺寸。例如，第二区域206的宽度可以具有足够大的尺寸，以使得第二区域206的一部分能够在通过来自第一区域204中的颗粒的热渗出而接收到热之后保持不凝固。作为特定的示例，第二区域206的宽度可基于预测通过热渗出发生的热量和该热对第二区域206中的颗粒的凝固的影响来限定，例如，第二区域206的宽度可被优化以控制发生在第二区域206中的颗粒
上的凝固度。
[0016]
然而，在其他示例中，第二区域206中的构建材料202颗粒可以被凝固到某一水平，该水平大于通过经由第一区域204中的构建材料202颗粒的热渗出的热的吸收而获得的水平。在这些示例中，处理器102可控制能量供应组件以将第一量的凝固能量施加到第一区域204中的颗粒上并且将第二量的凝固能量施加到第二区域206中的颗粒上，其中第二量的凝固能量低于第一量的凝固能量。因此，例如，第二区域206中的构建材料202可以凝固到比第一区域204中的构建材料202更低的凝固度。
[0017]
根据其中构建材料202包括颗粒并且制造系统104包括加热组件以将凝固能量施加到构建材料202的层上的示例，处理器102可控制加热组件，例如激光束源，以选择性地将凝固能量施加到层上，如由箭头220表示的。即，处理器102可控制加热组件以选择性地将凝固能量施加到位于层的第一区域204中的构建材料202颗粒上。另外，处理器102可控制加热组件以避免将凝固能量施加到位于层的第二区域206中的构建材料202颗粒上。然而，当加热第一区域204中的构建材料202颗粒时，第二区域206中的至少一些颗粒可能熔化或烧结，并通过从来自第一区域204中的颗粒的热渗出来接收热。
[0018]
根据其中构建材料202包括颗粒并且制造系统104包括凝固剂输送组件的示例，处理器102可以控制该凝固剂输送组件以选择性地将凝固剂施加到层上，如箭头222所示。凝固剂可以是油墨、粘合剂等。凝固剂输送组件可以是流体输送设备，例如打印头。在一些示例中，凝固剂可以是化学粘合剂，其可以粘合其上沉积凝固剂的颗粒以粘合在一起。在其他示例中，凝固剂可以是液体，例如油墨、颜料、染料等，其可以增强能量的吸收。在这些示例的任一个中，处理器102可控制凝固剂输送组件，以将采用液滴形式的凝固剂输送到层的所选区域上，使得凝固剂的液滴可分散在颗粒上和所选区域中的颗粒之间的间隙空间内。
[0019]
制造系统104还可以包括能量供应组件，其可以以不足以使其上尚未沉积凝固剂的颗粒保持在颗粒的熔点温度以下的水平供应能量220。另外，凝固剂的液滴可以以足够的密度被供应到第一区域204中的颗粒上，例如连续调（contone）水平，以增强足够能量的吸收，从而使得凝固剂已经沉积在其上的颗粒的温度增加到颗粒的熔点温度以上的水平。
[0020]
在其中第二区域206中的构建材料202颗粒保持完全不凝固或轻度凝固的示例中，处理器102可以控制凝固剂输送组件以将凝固剂输送到位于第一区域204中的构建材料202颗粒上，而不将凝固剂沉积到位于第二区域206中的构建材料202颗粒上。另外，处理器102可以控制能量供应组件以将能量220供应到构建材料202颗粒的层上，这可以使得第一区域204中的颗粒熔化或烧结并且随后熔合在一起。例如，在颗粒已经熔化或烧结之后，随着颗粒冷却，颗粒可以熔合在一起。在这些示例中，第二区域206中的至少一些构建材料202颗粒可以通过从第一区域204中的构建材料202颗粒接收热而熔化或烧结，并且随后熔合在一起。
[0021]
然而，在其他示例中，第二区域206中的构建材料202颗粒可以被凝固到某一水平，该水平大于可以通过经由第一区域204中的构建材料202颗粒的热渗出的热的吸收而获得的水平。在这些示例中，处理器102可控制凝固剂输送组件以比输送到位于第一区域204中的构建材料202颗粒上的凝固剂更小的浓度水平将凝固剂输送到位于第二区域206中的构建材料202颗粒上。另外，处理器102可以控制能量供应组件以将能量220供应到构建材料202颗粒的层上，这可以使得第一区域204中的颗粒熔化或烧结并且第二区域206中的一些
颗粒熔化或烧结。随着熔化或烧结的颗粒冷却，熔化或烧结的颗粒可与相邻颗粒一起变为凝固。因此，例如，第二区域206可以是部分凝固的。
[0022]
根据示例，制造系统104可以包括精细剂（detailing agent）输送组件，以选择性地将精细剂输送到构建材料202层上。也可以被称为冷却剂、缓和剂（defusing agent）等的精细剂可以冷却其上已经沉积了精细剂的颗粒，以降低颗粒的熔化或烧结的水平。处理器102可以控制精细剂输送组件以将精细剂输送到第二区域206中的颗粒上，以减少这些颗粒的熔化或烧结，并因此将第二区域206中的颗粒维持在不凝固或部分凝固的状态。通过特定的示例，在其中第二区域206具有足够小的尺寸而使得在没有精细剂的情况下来自第一区域204的热渗出可以使第二区域206中的颗粒熔化或烧结和凝固的情况下，处理器102可以控制精细剂输送组件将精细剂输送到第二区域206中的颗粒上。也就是说，可以施加精细剂以使第二区域206中的颗粒凝固到比第一区域204中的颗粒低的凝固度。
[0023]
根据示例，制造系统104可以如箭头216所示那样跨构建平台210移动以定位在构建材料202层的多个区域之上。在这点上，制造系统104可以选择性地凝固构建材料202层的多个区域。例如，制造系统104可被支撑在将要在方向216上移动的托架上。在一些示例中，再涂覆器208可以设置在相同的托架上。
[0024]
在其他示例中，代替存储器110，装置100、200可以包括可以执行类似于指令112和114的功能的硬件逻辑块。在又其他示例中，装置100、200可以包括指令和硬件逻辑块的组合，以实现或执行与指令112和114相对应的功能。在这些示例中的任何一个中，处理器102可以实现硬件逻辑块和/或执行指令112和114。
[0025]
参考图3中描绘的方法300更详细地讨论处理器102可以操作的各种方式。特别地，图3描绘了使得第二区域形成在制造的物体中以提高制造的物体的抗冲击性的示例性方法300的流程图。应当理解，图3中描绘的方法300可以包括附加操作，并且可以在不脱离方法300范围的情况下去除和/或修改其中描述的一些操作。为了说明的目的，参考图1和2中描绘的特征来进行方法300的描述。
[0026]
在框302处，处理器102可以访问要例如通过装置100、200制造的物体的文件。该文件可以包括标识预定的第一区域204和第一区域204内的预定的第二区域206的数据。预定的第一区域204可以是物体的将要完全凝固的区域，而预定的第二区域206可以是物体的将要部分凝固或不凝固的区域。
[0027]
在框304处，处理器102可以控制制造系统104以选择性地将预定的第一区域204中的构建材料202凝固到比预定的第二区域206中的构建材料202更高的凝固度。如本文所讨论的，处理器102可以以许多不同方式中的任何一种来控制制造系统104，以将预定的第一区域204中的构建材料202凝固到比预定的第二区域206中的构建材料202更高的凝固度。换言之，处理器102可控制制造系统104以形成与预定的第一区域204相比凝固度更低（例如更多孔）的预定的第二区域206。结果，例如，预定的第二区域206可以具有比预定的第一区域204低的断裂韧性，这可以使得预定的第二区域206比预定的第一区域204更容易传播物体中的裂纹。
[0028]
例如，当以会使物体中出现裂纹的足够的力撞击由预定的第一区域204和预定的第二区域206形成的物体时，来自撞击的能量可被强制通过预定的第二区域206。由于预定的第二区域206可以具有比预定的第一区域204低的断裂韧性，所以能量可以传播通过预定
的第二区域206，因为传播通过预定的第二区域206可以比传播通过预定的第一区域204消耗更少的能量。在一个方面，预定的第二区域206可以被设计成引导能量传播，例如裂纹形成，以绕开预定的第一区域204中的方向和尽头。因此，例如，预定的第二区域206可以具有形状并且可以策略性地定位在预定的第一区域204内，以使得裂纹传播到预定的第一区域204，其在物体的内部位置中。以这种方式，物体可以能够经受住更猛烈的撞击而不会引起物体的外部位置发生裂纹。
[0029]
可以确定预定的第二区域206的形状和位置，并且可以在物体中形成预定的第二区域206，以最大化由对物体的冲击引起的对物体的损伤的减少。预定的第二区域206的形状和位置可以基于例如物体的形状、用于制造物体的构建材料、所实现的制造工艺、预期的抗冲击性水平等。另外或在其他示例中，可以通过测试各种形状和位置并且确定导致对物体的最大损伤减少的形状和位置来确定预定的第二区域206的形状和位置。在任何方面，预定的第二区域206的确定的形状和位置可以作为与物体的制造有关的数据而存储在文件中。
[0030]
方法300中阐述的一些或所有操作可以作为实用程序、程序或子程序包括在任何期望的计算机可访问介质中。此外，方法300可以由计算机程序来体现，其可以以各种形式（活动和非活动两种）存在。例如，它们可以作为机器可读指令存在，包括源代码、目标代码、可执行代码、或其他格式。上述中的任何一个可以被体现在非暂时性计算机可读存储介质上。
[0031]
非暂时性计算机可读存储介质的示例包括计算机系统ram、rom、eprom、eeprom、以及磁盘或光盘或磁带或光带。因此，应当理解，能够执行上述功能的任何电子设备可以执行上面列举的那些功能。
[0032]
现在转到图4，示出了被制造为包括预定的第一区域204和预定的第二区域206的示例性物体400的截面侧视图。应当理解，图4中描绘的示例性物体400可以包括附加特征，并且可以在不脱离物体400范围的情况下去除和/或修改本文描述的一些特征。
[0033]
如图4所示，物体400可以被制造为包括预定的第二区域206，其具有多种各种形状中的任何一种并且可以位于预定的第一区域204内的多个位置中的任何一个中。例如，预定的第二区域206可以水平、垂直或对角地延伸。预定的第二区域206可以另外具有细长形状、x形、y形、t形等。作为其他示例，预定的第二区域206可以形成网格结构，可以彼此连接，等等。在任何方面，第二区域206可以具有形状并且可以被定位成最大化由物体上的冲击所引起的对物体400的损坏减少。
[0034]
现在参考图5，示出了其上存储有用于使得处理器制造物体的机器可读指令的示例性非暂时性计算机可读介质500的框图，所述物体具有预定的第一区域204和预定的第二区域206以提高制造的物体的抗冲击性。应当理解，图5中描绘的示例性非暂时性计算机可读介质500可以包括附加特征，并且可以在不脱离物体500范围的情况下去除和/或修改本文描述的一些特征。参考图1-4来进行非暂时性计算机可读介质500的描述。
[0035]
机器可读存储介质500可以是包含或存储可执行指令的电子、磁、光或其他物理存储设备。机器可读存储介质500可以是例如随机存取存储器（ram）、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、存储设备、光盘等。
[0036]
非暂时性机器可读存储介质500可以具有存储在其上的处理器（例如处理器102）
可以执行的机器可读指令502和504。机器可读指令502可以使处理器访问要制造的物体400的文件。该文件可以包括标识物体400中的预定的第一区域204和由预定的第一区域204包围的预定的第二区域206的数据。此外，该数据可以指示预定的第一区域204将要被凝固到比预定的第二区域206更高的凝固度。
[0037]
机器可读指令504可以使处理器控制制造系统104以将物体400制造为包括预定的第一区域204，所述预定的第一区域204通过构建材料202的层的制造由被凝固到比预定的第二区域206中的构建材料更高的程度的构建材料来形成。如本文所讨论的，由于预定的第二区域206可能未完全凝固，所以预定的第二区域206可具有比预定的第一区域204低的断裂韧性。结果，预定的第二区域206可以比预定的第一区域204更容易传播物体400中的裂纹，这可以提高物体400的抗冲击性。同样如本文所讨论的，预定的第二区域206可以被成形和定位成最大化对物体的损伤的减少。
[0038]
尽管贯穿本公开的整体具体地描述，但是本公开的代表性示例在广泛的应用范围内具有效用，并且以上讨论不旨在并且不应被解释为限制性的，而是被提供作为本公开的各方面的说明性讨论。
[0039]
在此已经描述和示出的是本公开的示例及其一些变型。在此使用的术语、描述和附图仅通过说明的方式阐述，而不意味着是限制。在本公开的精神和范围内，许多变化是可能的，本公开的精神和范围旨在由所附权利要求——及其等同物——限定，其中所有术语都意味着其最广泛的合理意义，除非另有说明。