在选择性抑制烧结(SIS)工艺中减少粉末废料的方法技术

本发明专利技术揭示了在三维制造中选择性抑制烧结的方法和系统。本发明专利技术所提供的方法和系统在制作过程中利用选择性加热装置来有选择地烧结区域，从而减少废料并提高效率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及三维物体的制作，更具体地说，涉及在制造这种物体时有选择地减少选择性抑制烧结(selective inhibition of sintering)工艺中的粉末废料。
技术介绍
可以从计算机辅助设计数据库直接产生出诸如原型零件之类的三维物体。已知有各种技术来生产这样的物体，特别是可通过使用分层添加工艺(1ayeredadditive process)。商业上适用的分层制造方法使用各种形式的材料。例如，立体平版印刷术(STL)使用树脂光聚合物树脂(resin photopolymer resin)，通过放出紫外线的激光束在各树脂薄层上的所想要的点有选择地硬化该材料。熔融沉积方法(Fused Deposition Method(FDM))使用被强制穿过一热喷嘴的塑料细丝，由热喷嘴沉积材料以形成每一层。叠层物体制造(LOM)层叠特殊纸张的切割薄片以产生三维零件。共同使用的两种工艺是三维印刷和选择性激光烧结(SLS)。三维印刷(3DP)使用沉积在每一薄粉末层上的粘合剂液滴来使粉末颗粒在各层所选点粘结。选择性激光烧结(SLS)工艺利用激光有选择地结合粉末材料。SLS借助于扫描激光束通过沉积和加热来工作，从而在粉末层的所选位置处结合粉末材料。粉末材料包括聚合物、陶瓷或金属。不过，诸如SLS和3-D印刷之类的一层一层地选择性结合的工艺耗时多且成本昂贵。例如，使用激光的那些方法招致很高的激光成本，并且由于与激光束的尺寸相比供烧结的每层的横截面区域相对较宽，而致使扫描速度很慢。对于其它方法，由于利用烧结或其它熔融工艺来一层一层地扫描物体的整个体积的过程很慢而产生困难。此外，当烧结或加热一所选区域时，为了防止变形需要在粉末表面上保持相对均匀的温度。
技术实现思路
在认识到上述问题之后，本专利技术提供一种比传统方法更快速更廉价的方法和系统。本专利技术所揭示的是一种用于制作三维物体的方法。该方法包括以下步骤提供一层粉末材料，且这种类型的材料通过加热可变成结合形式(bondedform)；通过有选择地加热所述粉末材料层的许多区域的一些部分来致使诸区域有选择地结合；以及，重复所述提供和致使有选择地结合的步骤，直至所述结合最终形成所想要的三维物体。该方法还包括以下步骤根据所述三维物体的横截面设计来选择接受结合抑制剂(bonding inhibitor)的区域；以及，在所述致使有选择地结合的步骤之前将结合抑制剂有选择地沉积在所述粉末材料层的所选区域上。本专利技术还提供一种用于制作三维物体的选择性加热装置。该选择性加热装置包括一空气总管；一加热元件，它与空气总管流体连通，产生热空气，并经由所述空气总管输出所述热空气；一致动器；一闸板连杆，它包括接近致动器的一第一端和一末端；以及，一闸板，该闸板位于闸板连杆的末端上，以使致动器能将闸板连杆从一第一位置移动到一第二位置，藉此来移动位于末端的闸板，闸板与加热元件和空气流体连通，这样，闸板的移动造成一空气运动的偏转。本专利技术提供一种用于制作三维物体的选择性加热装置。该选择性加热装置包括一辐射加热元件；一致动器；一闸板连杆，它包括接近致动器的一第一端和一末端；以及，一闸板，该闸板位于闸板连杆的末端上，以使致动器能将闸板连杆从一第一位置移动到一第二位置，藉此来移动位于末端的闸板，而闸板的运动造成一热量的偏转。在附图和下面的描述中将叙述本专利技术一个或多个实施例的细节。在阅读了说明书和附图以及权利要求书后，本专利技术的其它特征、目的以及优点会变得明白。附图说明图1A-1C示出了选择性抑制烧结(SIS)工艺。图2示出一矩形选择性加热元件及其一光栅扫描移动图案。图3示出一圆形选择性加热元件及其一光栅扫描移动图案。图4示出一选择性加热元件及其一移动图案，所示移动图案跟随于零件层面轮廓(part layer profile)(矢量扫描图案)。图5A和B示出带有一闸板的一点式加热器(spot heater)选择性加热元件，由一旋转螺线管来致动该闸板。图6A-C示出包括多个单独加热元件的一加热器组件。图7更加详细地示出一闸板连杆。图8A和B是一条形选择性加热器的两个端视图。图9示出一热空气选择性加热元件的两个视图。图10A和B示出一热空气选择性加热元件在(A)关闭位置和(B)打开位置的两个视图。图11A和B示出将一热空气选择性加热元件应用于一带有多个闸板的一条形加热器的方式的分解和装配图。图12示出利用SIS工艺制造的一实体三维物体的例子。在各幅附图中同样的标号标示同样的零件。具体实施例方式在图1中示出一选择性抑制烧结(SIS)工艺300。该工艺300包括一均匀分布的薄粉末层312。可往落在该层面上的零件横截面边界上的粉末区域上施加一种烧结抑制液体(sintering inhibitor liquid)。然后，可以使用一选择性加热元件342来烧结位于所要制作的零件的一横截面324内的粉末312。该横截面324可以根据一原型的3D计算机辅助设计(CAD)模型来进行烧结。选择性加热元件342所添加的能量将粉末312加热成玻璃状态，并将诸多单个颗粒聚结成固体。选择性加热元件仅加热为了制作而要求加热的区域。选择性加热元件342所示为一具有多个闸板的条形加热器，所述闸板被打开和关闭以控制用来有选择地加热一所要区域的热能的暴露(也参见图5-12)。足够多的能量被引导至粉末，以使其熔融成该所要的零件横截面。对于以这种方式进行处理的大多数粉末，包括蜡、塑料和金属粉末，熔融机理包括烧结，在烧结过程中，受到照射的粉末的表面张力克服其粘性，以致颗粒流动到一起并结合。这样，发生烧结的温度明显低于粉末材料的熔点或软化点。一旦加热元件342已经扫描过整个横截面324，接着就将另一层粉末312放置在该已被烧结的横截面上，并重复整个过程。从一粉末存储容器供应添加的粉末，并用一辊314来分布这些粉末。作为选择性抑制结合(selective inhibition of bonding)工艺的一部分，在位于该粉末层面的零件轮廓边界上的粉末层的某些区域(如由CAD横截面所指定的)上可以施加结合抑制剂(bonding inhibitor)。这样的抑制剂被添加到一制作零件的边界上，以产生一分离区域。在施加了结合抑制剂之后，整个层面可仅仅一次暴露于用来结合或烧结未受抑制粉末的加热元件。如本文所进一步描述的，选择性加热元件也用来有选择地结合粉末层的特定区域。因此，本专利技术提供一种高效的制作方法和系统，它能减少粉末废料。因此，选择性抑制烧结(SIS)工艺对粉末层的一些所选区域施加结合抑制剂，该工艺具有优于选择性结合工艺(例如SLS和3-D印刷(3DP))的优点。例如，要求在整个横截面区域上进行粘合(如在3DP中)或烧结(如在SLS中)。通过扫过整个横截面区域的喷墨印刷(3DP)或通过扫描激光束(SLS)来进行的选择性结合是耗时的。与之形成对比的是，SIS工艺一方面有选择地将一结合抑制剂施加到每一层面的零件横截面边界上，并且，还借助于一加热装置可对诸区域有选择地进行烧结。因此，SIS工艺执行起来比选择性结合工艺明显要快。此外，不是使一系列小的区域受到加热元件作用，而是同时使粉末层的较大区域受到均匀的加热，这就使变形最少并减少粉末废料。与选择性结合工艺相比，选择性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制作三维物体的方法，该方法包括以下步骤：提供一粉末材料层；结合抑制剂有选择地沉积在所述粉末材料层的所选区域上，其中根据所述三维物体的横截面设计来选择结合抑制剂所要沉积的所述区域；使用一加热板通过烧结所述粉末材 料层的未受抑制的区域来促使所述未受抑制的区域大致同时结合，其中，所述促使结合的步骤包括烧结所述粉末材料层的未受抑制的区域，所述烧结步骤包括使用一辐射加热板来加热所述粉末材料层的整个层面，所述辐射条包括使用一计算机来控制两个隔离暴露的板的位置，所述隔离暴露的板在所述加热板的下方移动，且当所述加热板横穿所述粉末材料层时，仅仅暴露所述加热板的一必要的部分，并且在所述烧结步骤之前使暴露的层面最小，从而减小所使用的粉末材料的量；以及重复所述提供、所述有选择地沉积以及所述促使结合 的步骤，直到形成所述三维物体为止。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：B克斯尼维斯，
申请(专利权)人：南加利福尼亚大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]