用于三维打印的设备、系统和方法技术方案

本发明专利技术提供三维(3D)物体、3D打印过程以及用于3D物体的制造的方法、设备和系统。本发明专利技术的方法、设备和系统可减少或消除对辅助支承件的需求。本发明专利技术提供利用本文中所描述的打印过程、方法、设备和系统打印的三维(3D)物体。

Apparatus, system and method for three-dimensional printing

The invention provides a three-dimensional (3D) object, a three-dimensional printing process, and a method, apparatus and system for manufacturing a three-dimensional object. The method, equipment and system of the invention can reduce or eliminate the demand for auxiliary supporting parts. The invention provides a three-dimensional (3D) object printed using the printing process, method, equipment and system described herein.

【技术实现步骤摘要】
用于三维打印的设备、系统和方法本申请是申请日为2015年06月19日、申请号为201580032394.1、专利技术名称为“用于三维打印的设备、系统和方法”(国际申请号PCT/US2015/036802，国际申请日2015年06月19日)的专利申请的分案申请。交叉引用此申请案主张以下申请案的优先权：于2014年6月20日提交的美国临时专利申请系列No.62/015,230，于2014年7月24日提交的美国临时专利申请案第系列No.62/028,760，于2014年8月14日提交的美国临时专利申请系列No.62/063,867，于2015年3月20日提交的美国临时专利申请系列No.62/136,378，和于2015年5月29日提交的美国临时专利申请系列No.62/168,699，这些申请案中的每一者以全文引用的方式并入本文中。
技术介绍
三维(3D)打印(例如，增材制造加工工艺)为用于根据设计来制作任何形状的三维物体的过程。所述设计可为数据源形式，例如电数据源，或可为硬拷贝形式。硬拷贝可为三维物体的二维表示。数据源可为电子3D模型。3D打印可通过增材加工工艺实现，其中材料的连续层铺设于彼此的顶部。此过程可受控制(例如，计算机控制，手动控制，或两者)。3D打印机可为工业机器人。3D打印可快速且有效地产生订制配件。各种材料可用于3D打印过程中，包含金属、金属合金、陶瓷或聚合材料。在增材3D打印过程中，形成第一材料层，且随后逐个增加连续材料层，其中每一新的材料层添加到预先形成的材料层上，直到整个经设计的三维结构(3D物体)被物质化为止。3D模型可由计算机辅助设计包或经由3D扫描仪产生。准备用于3D计算机图形的几何数据的手动建模过程可与造型艺术(例如，雕塑或动画)类似。3D扫描为分析并收集关于实物形状和外观的数字数据的过程。基于此数据，可产生经扫描物体的三维模型。当前，有大量可选用的增材加工工艺。这些工艺或许对应着产生物化结构的不同沉积成层方法、或许对应着用以将所设计结构物质化的不同的材料种类。某些加工工艺通过融化或软化材料的方式进行加工。举例说明，3D打印技术包含选择性激光融化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)或熔融性沉积成型(FDM)。某些加工工艺通过使用不同的技术(例如，立体光刻(SLA))来加工液体材料。在分层实体制造(LOM)的方法中，薄层(由纸、聚合物或金属以及其他材料组成)被切割为某种形状并接合在一起。有时，所打印3D物体可在3D打印过程期间弯曲、翘曲、卷起、卷曲或以其它方式变形。可插入辅助支承件以包围此弯曲、翘曲、卷起、卷曲或其它变形。这些辅助支承件可从所打印3D物体移除以产生所要的3D产物(例如，3D物体)。
技术实现思路
在一方面中，一种用于产生三维物体的方法包括(a)(i)在第一时间(t1)将第一粉末材料层提供于外壳中，及(ii)在t1之后的第二时间(t2)将第二粉末材料层提供于外壳中，其中第二材料层经提供与第一粉末材料层相邻；(b)转换第二层中的粉末材料的至少一部分以形成经转换材料，其中所述转换由具有每单位面积第一能量(S1)的能量束辅助；及(c)在从t2到第三时间(t3)的时间间隔将能量从第二层移除，其中热能沿与第一粉末材料层下方不同的方向移除，其中在t2到t3的时间间隔期间，能量以至少约0.3倍S1的每单位面积第二能量(S2)移除，且其中在移除能量之后，经转换材料固化以形成三维物体的至少一部分。所述方法可进一步包括重复操作(a)到(d)。能量束可为电磁波束、带电粒子束或不带电束。能量束可为电磁波束、电子束或等离子束。经移除的能量可为热能。S2可为至少约0.5倍S1。S2可为至少约0.8倍S1。在操作(b)中，第一层的剩余者可为粉末材料的未经转换以形成三维物体的至少一部分的部分。剩余者可经加热到低于材料的转换温度的最高温度。第一层的剩余者可为粉末材料的未经转换以形成三维物体的至少一部分的部分。剩余者可以每单位面积第三能量S3提供有小于或等于约0.1倍S1的能量。所述方法可进一步包括以与冷却经转换材料的速率基本相同的速率来冷却剩余者。可基本上同时执行操作(b)和(c)。可使用电磁辐射束执行操作(b)。电磁辐射束可为激光。可使用电磁辐射束执行操作(c)。所述电磁辐射束可包括红外光。在操作(b)中，可在第一温度(T1)下转换材料层的部分而不转换剩余者。剩余者可经加热到小于约T1的第二温度(T2)。剩余者可缺乏延伸约1毫米或更多的连续层。剩余者可缺乏包围三维物体的至少部分的支架。剩余者可缺乏包围三维物体的支架。所述支架可包括经转换材料。相邻可为在其上。材料可包括元素金属、金属合金、陶瓷或元素碳的同素异形体。材料可包括粉末材料。转换可包括熔融(例如，粉末材料的单个颗粒)。熔融可包括熔化、烧结或粘结(例如，粉末材料的单个颗粒)。粘结可包括化学键合。化学键合可包括共价键结。在另一方面中，一种用于形成三维物体的设备包括控制器，所述控制器经编程以：(a)将粉末材料从粉末分配构件提供到以可操作方式耦接到粉末分配构件的粉末床，其中提供粉末材料包括(i)在第一时间(t1)将粉末材料提供到外壳中，及(ii)在t1之后的第二时间(t2)将第二粉末材料层提供到外壳中，其中所述第二材料层经提供与第一粉末材料层相邻；(b)将能量束从能量源引向粉末床，从而将粉末材料的至少一部分转换为随后硬化以产出三维物体的经转换材料，其中能量束具有每单位面积第一能量(S1)；及(c)引导冷却构件在t2到第三时间(t3)的时间间隔将热能从第二层移除，其中热能沿与第一粉末材料层下方不同的方向移除，其中在t2到t3的时间间隔期间，能量以至少约0.3倍S1的每单位面积第二能量(S2)移除，且其中在移除能量之后，经转换的材料固化以形成三维物体的至少一部分。在另一方面中，一种用于产生三维物体的方法包括(a)(i)在第一时间(t1)将第一粉末材料层提供于外壳中，及(ii)在t1之后的第二时间(t2)将第二粉末材料层提供于外壳中，其中第二材料层经提供与第一粉末材料层相邻，其中第一粉末材料层和第二粉末材料层形成粉末床，及；转换第二层中的材料的至少一部分从而形成经转换的材料；及(b)在从t2到第三时间(t3)的时间间隔使用与第一层或第二层相邻的冷却构件从第二层移除热能，其中热能沿粉末床上方的方向移除，且其中在移除热能之后，经转换的材料固化以形成三维物体的至少一部分。在从t2到t3的时间间隔期间，将第二层中的点处的平均温度可维持于小于或等于约250℃。在从t2到t3的时间间隔期间，平均温度可维持小于或等于约100℃。转换可由具有每单位面积第一能量(S1)的能量束辅助。在操作(c)中，在从t2到t3的时间间隔期间，热能可以可为至少约0.3倍S1的每单位面积第二能量(S2)移除。每单位面积第二能量(S2)可为至少约0.5倍S1。热能可从第一粉末材料层或第二粉末材料层的侧面移除。热能可从粉末床的顶表面移除。转换操作可包括熔融(例如，粉末材料的单个颗粒)。熔融可包括熔化或烧结(例如，单个颗粒)。在时间t3，第三粉末材料层可经提供与第二粉末材料层相邻。转换可包括将能量束引向第二层的至少一部分。在另一方面中，一种用于产生三维物体的系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于形成三维物体的系统，其包括：外壳，该外壳配置为容纳粉末床，该粉末床包括粉末材料；层分配机构，该层分配机构配置为提供具有第一表面的粉末层；粉末移除构件，该粉末移除构件配置为从所述粉末床移除粉末材料而不接触所述粉末床，从而形成平面表面；以及控制器，该控制器以可操作方式耦接到所述层分配机构和所述粉末移除构件，其中所述控制器被编程为：(i)引导所述层分配机构将第一粉末材料层分配到所述外壳中以提供具有暴露表面的所述粉末床，其中在所述粉末床中打印所述三维物体；以及(ii)引导所述粉末移除构件从所述粉末床移除第二平面表面上方的基本上所有粉末材料，其中所述第二平面表面位于所述暴露表面的下方。

【技术特征摘要】
2014.06.20 US 62/015,230;2014.07.24 US 62/028,760;1.一种用于形成三维物体的系统，其包括：外壳，该外壳配置为容纳粉末床，该粉末床包括粉末材料；层分配机构，该层分配机构配置为提供具有第一表面的粉末层；粉末移除构件，该粉末移除构件配置为从所述粉末床移除粉末材料而不接触所述粉末床，从而形成平面表面；以及控制器，该控制器以可操作方式耦接到所述层分配机构和所述粉末移除构件，其中所述控制器被编程为：(i)引导所述层分配机构将第一粉末材料层分配到所述外壳中以提供具有暴露表面的所述粉末床，其中在所述粉末床中打印所述三维物体；以及(ii)引导所述粉末移除构件从所述粉末床移除第二平面表面上方的基本上所有粉末材料，其中所述第二平面表面位于所述暴露表面的下方。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述层分配机构包括粉末分配构件，该粉末分配构件配置为将所述粉末材料分配到所述外壳中以提供所述粉末床，其中所述控制器以可操作方式耦接到所述粉末分配构件，其中所述控制器进一步被编程为：引导所述粉末分配构件将所述第一粉末材料层分配到所述外壳中以提供具有所述暴露表面的所述粉末床。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述层分配机构包括粉末平整构件，该粉末平整构件配置为平整所述粉末床的所述暴露表面以提供第三平面表面。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器以可操作方式耦接到所述粉末平整构件，其中所述控制器进一步被编程为：引导所述粉末平整构件剪切所述暴露表面以形成所述第三平面表面，其中所述第二平面表面在所述第三平面表面的最低点处或下方。5.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末平整构件连接到所述粉末分配构件。6.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末移除构件连接到所述粉末平整构件。7.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末分配构件、所述粉末平整构件和所述粉末移除构件中的至少一个位于所述粉末床的上方。8.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末平整构件包括刀片，该刀片配置为在形成所述平面表面期间允许粉末累积于其顶部。9.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末平整构件包括刀片，该刀片配置为在形成所述平面表面期间允许粉末在其顶部滑动。10.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末平整构件包括刀片，该刀片配置为在形成所述平面表面期间移除不需要的粉末。11.根据权利要求3所述的系统，其中所述粉末平整构件包括刀片，该刀片配置为在形成所述平面表面期间剪切粉末。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被编程为引导所述粉末移除构件移除所述第二平面表面上方的基本上所有粉末材料而不接触所述第二平面表面。13.根据权利要求1所述的系统，还包括能量源，该能量源配置为将能量束提供到所述粉末床中的所述粉末材料，其中所述控制器以可操作方式耦接到所述能量源，其中所述控制器被编程为引导所述能量源将所述能量束引向所述第一粉末材料层，以从所述粉末床的一部分产生所述三维物体的至少一部分。14.根据权利要求1所述的系统，其中所述粉末移除构件配置为提供使得所述粉末材料从所述粉末床朝向所述粉末移除构件的内部行进的力。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述力由负压力提供，并且所述力是静电力、电力或磁力。16.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器被编程为控制由所述粉末移除构件施加的力的量。17.根据权利要求1所述的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：本雅明·布勒，埃雷尔·米尔施泰因，谢尔曼·斯林格尔，蔡泰正，基蒙·西梅奥尼迪斯，
申请(专利权)人：维洛三D公司，
类型：发明
国别省市：美国,US