使用超细喷射材料增材制造的设备、系统和方法

摘要

一种用于增材制造的设备、系统和方法。该设备、系统和方法可包括溶液分配器，该溶液分配器包括其中嵌入有尺寸为约1‑5微米的颗粒的载体；适于从分配器分散溶液的喷口；和可调热过滤器，其适于在溶液通过载体时烧尽载体并使颗粒熔融；其中增材制造打印构建接收所述熔融颗粒。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月20日提交的名称为：“使用超细喷射材料增材制造的设备、系统和方法”的美国临时申请62/782,843的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文，如同其全部内容被阐述一样。

背景技术

技术领域

本公开涉及增材制造，并且更具体地，涉及使用超细(ultra-fine)喷射材料的增材制造的设备、系统和方法。

背景说明

三维(3D)打印是在计算机控制下接合或固化其中材料以产生三维物体的各种方法中的任一种。3D打印材料例如以添加的液体分子或粉末晶粒(grain)的层或熔融进料的形式被“添加”到基底上，并且在打印材料连续熔合到基底时，形成3D物体。3D打印因此是增材制造(AM)的子集。

3D打印物体可以具有几乎任何形状或几何形状，并且通常，监督3D物体的创建的计算机控制根据数字数据模型或类似的增材制造文件(AMF)文件(即，“打印计划”)来执行。通常，该AMF在逐层的基础上执行，并且可以包括对用于形成层的其他硬件的控制，例如激光器或热源。

存在许多不同的技术用于执行AMF。示例性技术可以包括：熔融沉积成型(FDM)；立体光刻(SLA)；数字光处理(DLP)；选择性激光烧结(SLS)；选择性激光熔融(SLM)；高速烧结(HSS)；喷墨打印和/或材料/颗粒喷射制造(IPM或MJ)；分层实体制造(LOM)；和电子束熔融(EBM)。

前述方法中的一些熔融或软化打印材料以产生打印层。例如，在FDM中，通过挤出硬化以形成层的材料的珠粒(bead)或流来制造3D物体。热塑体、金属丝或其它材料的丝材被送入挤出喷嘴头，该喷嘴头通常加热材料并开启和关闭流动。

其它方法，例如激光或类似的基于光束的技术或烧结技术，可以加热或以其它方式激活打印材料，例如打印粉末，以便将粉末颗粒熔合成层。例如，这些方法可以使用高能激光熔融粉末以产生完全致密的材料，该材料可以具有与常规制造方法类似的机械性能。例如，SLS使用激光将塑料、陶瓷、玻璃、金属或其它材料的晶粒固化并结合成层以产生3D物体。激光追踪每层切片的图案进入粉末床，然后降低粉末床，并且在前一层的顶部追踪并结合另一层。

相反，其他类似的方法，例如IPM，可以通过散布粉末层并在3D物体的横截面中打印粘合剂而一次一层地产生3D物体。该粘合剂可以使用喷墨类工艺打印。

材料喷射(MJ)类似于2D打印，例如使用喷墨打印机，但是MJ不是将墨滴喷射到纸上，而是将许多光敏液体材料(通常是热固性光聚合物)微滴喷射到打印构建上。通常，多个打印头同时喷射材料以产生每一层，然后使用紫外(UV)光来固化这些层。这些层一次一个地建立以创建3D输出。

与大多数增材制造技术不同，MJ以线性方式沉积材料。多个喷射打印头可以并排地附接到相同的载体以在单次通过中在整个打印床上沉积多个打印材料。因此，MJ可获得多种材料打印、全色打印和分配可溶解的支撑结构。

完全固化的MJ模型通常可被立即处理和使用，而不需要另外的后固化。与所选择的打印材料一起，凝胶状支撑材料可以促进复杂几何形状的成功打印。

MJ是目前唯一的允许在同一打印过程中在同一3D打印内组合不同打印材料的增材制造技术。此外，应当注意，MJ的变型使用按需喷墨(DOD)打印头来分配粘性液体并产生蜡状部件。

发明内容

实施方式是并且包括至少一种喷射用于增材制造的超细颗粒的设备、系统和方法。该设备、系统和方法可包括溶液分配器，该溶液分配器包括其中嵌入有尺寸为约1-5微米的颗粒的载体；适于从分配器分散溶液的喷口；和可调热过滤器，其适于在溶液通过载体时烧尽载体并使颗粒熔化；其中增材制造打印构建接收所述熔化颗粒。

附图说明

所公开的非限制性实施方式是关于附图来讨论的，附图形成了本发明的一部分，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是增材制造系统的图示；以及

图2示出了示例性计算系统。

具体实施方式

本文提供的附图和描述可能已经被简化以说明与清楚理解本文描述的设备、系统和方法相关的方面，同时为了清楚起见，消除了可以在典型的类似设备、系统和方法中发现的其他方面。因此，本领域技术人员可以认识到，其它元件和/或操作对于实现本文所述的设备、系统和方法可能是期望的和/或必要的。但是因为这样的元件和操作在本领域中是已知的，并且因为它们不促进对本公开的更好理解，所以为了简洁起见，在此可能不提供对这样的元件和操作的讨论。然而，本公开被认为仍然包括本领域普通技术人员已知的对所描述的方面的所有这样的元件、变化和修改。

在全文中提供实施方式，使得本公开充分彻底并且将所公开的实施方式的范围完全传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如具体组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，不需要采用某些具体公开的细节，并且可以以不同的形式来实施方式。因此，实施方式不应被解释为限制本公开的范围。如上所述，在一些实施方式中，可能不详细描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不是旨在进行限制。例如，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也可旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指明。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。除非特别地被确定为优选的或需要的执行顺序，否则这里描述的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可采用额外或替代步骤来代替所揭示方面或与所揭示方面结合。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，除非另外清楚地指出，否则其可以直接在另一元件或层上、接合到、连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。此外，如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

此外，尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

所公开的设备、系统和方法提供了使用溶液/悬浮液中的超细颗粒的喷射的增材制造。如上文所提及，增材制造的方面可以包括材料喷射(MJ)打印技术，其中颗粒被“喷射”并且以图案UV固化以形成增材制造输出。如将理解的，这种喷射的颗粒可以通过任何已知的方法形成图案或精制，包括上述紫外线(UV)固化。

然而，尽管MJ的已知方法确实提供了上面提到的基本的可选性，包括多喷射、多材料打印，但是已知的MJ不能用于高度精制的增材制造，至少因为其中具有打印材料颗粒的喷射微滴不允许它们自身使用不可混溶的粉末/超细颗粒，例如一到两微米量级的颗粒。更具体地说，在现有技术的实施方案中，其中具有大于10微米数量级颗粒的微滴被喷射到打印构造上用于UV固化，在UV固化被错误地引导或不适当地调整的情况下，这可能导致喷射在微滴内的大颗粒结块和聚集。

因此，如图1所示，实施方式提供了高度精制的打印方法，其在热过滤溶液102中采用超细打印颗粒102a，避免了打印输出104的结块或凝集。如图所示，超细颗粒102a，例如在一到两微米的数量级上，并且例如可以包括聚丙烯，作为非限制性的例子，悬浮在喷射的溶液102中。溶液102可以是适合于在其中嵌入或悬浮本文所述的超细打印颗粒102a的任何形式。具有溶剂化聚合物的载体可以作为喷射微滴使用。

还示出了热过滤区106(其可由加热器106a施加)，喷射的微滴102穿过该热过滤区。如本文所用，热过滤区106可为任何类型的热，例如红外热，可包括平面或离散区/范围，可包括采用不同温度或不同类型的热的多个区，或可包括每区不同类型的加热方法，例如红外。此外，本文所讨论的热过滤器106可以是可调谐的；也就是说，热过滤器可以以选定的一个或多个频率、选定的一个或多个温度等传递热能。热过滤器106的可调节性可以手动选择，例如通过用户与本文所述的控制系统1100交互，或者可以由本文所述的控制系统1100根据例如打印材料、打印速率、打印头速度或打印计划1190的其他方面的知识自动选择。

本文所述的热过滤106可以用于驱除载体/溶剂/悬浮液，或者本文所述的细打印材料颗粒102a嵌入其中的任何其它方面。作为非限制性实例，载体可以包含水。

还希望当颗粒102a通过热过滤器106并从其中除去载体时，热过滤器106使颗粒102a熔化。然后，这些熔化颗粒102b，例如可以包括热塑体，可以被喷射到打印造型112上，并且可以在到达时冷却和/或由UV源120致动，从而“干燥”(固化)成打印方案1190的预定图案，同时等待来自打印溶液102的下一个熔化细颗粒/多个熔化细颗粒102b的到达。因此，在实施方式中，打印造型112可以接收从热过滤“上方”的溶液102喷射的熔化的精细热塑体102b，即从打印处理的与打印造型112相对的一侧喷射。

可以理解，热过滤可以采用非物理层以外的形式。作为示例，热块过滤器可以被提供为热过滤器106，诸如可以具有沿着加热的衬底的一个或多个水平的适当尺寸的过滤孔。由此，在溶液到达热块过滤器106的最顶部水平时，载体被移除，并且随着喷射的溶液通过热块过滤器106，使打印颗粒熔化。

尽管以上关于一至两微米的超细颗粒描述了实施方案的方面，但应理解，可使用小于10微米，且更优选小于5微米的颗粒来采用实施方案。例如，如果上述载体是水，则水溶液中的细打印颗粒小于5微米可能是最佳的。

根据本文的讨论，还应理解，实施方案避免了水溶液中熔化聚合物的物理不可能性，至少因为在聚合物熔化之前，水载体被热过滤器驱除。当然，根据前述讨论将理解，在实施方式中所述的溶液不必是水基的。

图2描绘了与本文所述的系统和方法结合使用的示例性计算和控制系统1100。计算系统1100能够执行软件，例如操作系统(OS)和/或一个或多个计算应用程序/算法1190，例如应用这里讨论的打印计划、监控、过程控制、过程监控和过程修改的应用程序，并且可以使用数据，例如材料和过程相关数据1115来执行这样的应用程序1190，所述数据可以本地或远程存储。

更具体地说，示例性计算系统1100的操作主要由计算机可读指令控制，例如存储在计算机可读存储介质中的指令，所述计算机可读存储介质例如硬盘驱动器(HDD)1115、诸如CD或DVD的光盘(未示出)、诸如USB“拇指驱动器”的固态驱动器(未示出)等。这些指令可以在中央处理单元(CPU)1110内执行，以使计算系统1100执行贯穿本文所讨论的操作。在许多已知的计算机服务器、工作站、个人计算机等中，CPU 1110在称为处理器的集成电路中实现。

可以理解，尽管示例性计算系统1100被示为包括单个CPU 1110，但这种描述仅是说明性的，因为计算系统1100可包括多个CPU 1110。另外，计算系统1100可以例如通过通信网络1170或一些其它数据通信手段来利用远程CPU(未示出)的资源。

在操作中，CPU 1110从计算机可读存储介质，例如HDD 1115，获取、解码和执行指令。这样的指令可以包括在软件中，例如操作系统(OS)、诸如上述相关应用的可执行程序等。诸如计算机指令和其它计算机可读数据的信息经由系统的主数据传输路径在计算系统1100的组件之间传输。主数据传输路径可以使用系统总线体系1105，尽管可以使用其他计算机体系结构(未示出)，诸如使用串行器和解串器以及纵横开关以通过串行通信路径在设备之间传送数据的体系结构。系统总线1105可以包括用于发送数据的数据线、用于发送地址的地址线、以及用于发送中断和用于操作系统总线的控制线。一些总线提供总线仲裁，该总线仲裁通过扩展卡、控制器和CPU 1110来调节对总线的访问。

耦合到系统总线1105的存储器设备可以包括随机存取存储器(RAM)1125和/或只读存储器(ROM)1130。这种存储器包括允许存储和检索信息的电路。ROM 1130通常包含不能被修改的存储数据。存储在RAM 1125中的数据可以由CPU 1110或其它硬件设备读取或改变。对RAM 1125和/或ROM 1130的访问可以由存储器控制器1120控制。存储器控制器1120可以提供地址转换功能，其在执行指令时将虚拟地址转换成物理地址。存储器控制器1120还可以提供存储器保护功能，该功能隔离系统内的进程并且将系统进程与用户进程隔离。因此，在用户模式下运行的程序通常只能访问由其自身进程虚拟地址空间映射的存储器；在这种情况下，程序不能访问另一进程的虚拟地址空间内的存储器，除非已经建立了进程之间的存储器共享。

此外，计算系统1100可以包含外围通信总线1135，其负责将指令从CPU 1110传送到外围设备和/或从外围设备接收数据，所述外围设备诸如外围设备1140、1145和1150，其可以包括打印机、键盘和/或本文通篇讨论的传感器。外围总线的一个例子是外围部件互连(PCI)总线。

由显示控制器1155控制的显示器1160可以用于响应于上述计算程序的操作，显示由计算系统1100生成的或应其请求而生成的视觉输出和/或其他呈现，诸如以GUI的形式。这样的视觉输出可以包括例如文本、图形、动画图形和/或视频。显示器1160可以用基于CRT的视频显示器、基于LCD或LED的显示器、基于气体等离子体的平板显示器、触摸面板显示器等来实现。显示控制器1155包括产生发送到显示器1160的视频信号所需的电子组件。

此外，计算系统1100可以包含网络适配器1165，其可以用于将计算系统1100耦合到外部通信网络1170，其可以包括或提供对因特网、内联网、外联网等的访问。通信网络1170可以向计算系统1100提供用户访问，其具有电子地通信和传送软件和信息的装置。另外，通信网络1170可以提供分布式处理，其涉及若干计算机以及在执行任务时的工作量或协作工作的共享。可以理解，所示的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算系统1100和远程用户之间建立通信链路的其它手段。

网络适配器1165可以使用任何可用的有线或无线技术来与网络1170进行通信。作为非限制性示例，这样的技术可以包括蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、红外等。

可以理解，示例性计算系统1100仅示出了此处所描述的系统和方法可在其中操作的计算环境，并且不限制此处所描述的系统和方法在具有不同组件和配置的计算环境中的实现。也就是说，本文描述的发明概念可以在使用各种组件和配置的各种计算环境中实现。

在上述详细描述中，为了本公开的简洁，各种特征可以在各个实施方式中组合在一起。这种公开方法不应被解释为反映了任何随后要求保护的实施方式需要比明确记载的特征更多的特征的意图。

此外，提供本公开的描述以使得本领域的任何技术人员能够制造或使用所公开的实施方式。所属领域的技术人员将容易明白对本发明的各种修改，且本文所界定的一般原理可在不脱离本发明的理念或范围的情况下应用于其它变化。因此，本公开内容并不旨在局限于本文所描述的示例和设计，而是应当符合与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。