Формирование трехмерного объекта - RU2693131C2

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Системы аддитивного производства (послойной печати), формирующие трехмерные объекты на основе послойного наращивания, предложены в качестве потенциально удобного пути изготовления трехмерных объектов в небольших количествах.

[0002] Качество объектов, изготовленных с помощью таких систем, может варьироваться в широких пределах в зависимости от вида используемой технологии аддитивного производства. Как правило, с использованием более дешевых систем могут изготавливаться объекты невысокого качества и небольшой прочности, тогда как с использованием более дорогих систем могут изготавливаться объекты высокого качества и высокой прочности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[0003] Теперь будут описаны примеры, только путем неограничивающего примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

[0004] на Фигуре 1 показана модель объекта, обладающая заданными свойствами объекта согласно одному примеру;

[0005] на Фигурах 2a-2g показан ряд сечений слоя или слоев модельного материала согласно одному примеру;

[0006] На Фигуре 3 показана блок-схема алгоритма, на которой в общем виде представлен способ формирования трехмерного объекта согласно одному примеру;

[0007] На Фигуре 4 показано упрощенное изометрическое изображение системы аддитивного производства согласно одному примеру;

[0008] На Фигуре 5 показана блок-схема алгоритма, на которой в общем виде представлен способ управления системой аддитивного производства согласно одному примеру;

[0009] На Фигурах 6a-6b показан ряд упрощенных изометрических видов конфигураций участков системы аддитивного производства согласно различным примерам.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[00010] Технологии аддитивного производства позволяют формировать трехмерный объект посредством затвердевания модельного материала. Модельный материал может быть на основе порошка, а свойства формируемых объектов зависят от типа модельного материала и типа используемого механизма затвердевания.

[00011] Системы аддитивного производства могут формировать объекты на основе данных для разработки конструкции. Это может предполагать участие конструктора, создающего трехмерную модель формируемого объекта, например, с использованием приложения для компьютерного проектирования (CAD). Модель может определять участки твердого тела объекта. Для формирования трехмерного объекта из модели с использованием системы аддитивного производства данные о модели могут быть обработаны для обеспечения срезов параллельных плоскостей модели. Каждый срез может определять участок соответствующего слоя модельного материала, который должен затвердевать с помощью системы аддитивного производства. Число срезов, сформированных из трехмерной модели, связано с толщиной каждого слоя, который система аддитивного производства способна формировать или обрабатывать. Системы аддитивного производства, формирующие более тонкие слои модельного материала, могут быть способны формировать объекты с более высоким разрешением, чем системы, формирующие более толстые слои модельного материала. Время, необходимое для формирования трехмерного объекта, может сильно зависеть от числа слоев.

[00012] Изменения некоторых свойств объекта, таких как жесткость объекта, можно получить путем тщательного конструирования модели формируемого трехмерного объекта. Например, включение особых конструктивных элементов, таких как ребра жесткости, в модель объекта может позволить повысить жесткость объекта или участка объекта по сравнению с объектом или участком объекта, не имеющим такого элемента.

[00013] Однако, многие свойства объекта могут зависеть от природы используемых модельных материалов и способов, с помощью которых модельный материал затвердевает с образованием требуемого трехмерного объекта. В число таких свойств могут входить, например, шероховатость поверхности, точность и прочность.

[00014] Описанные здесь системы, как станет очевидным из нижеследующего описания, могут позволить построить трехмерные объекты, которые могут иметь изменяемые контролируемым образом или различные свойства объекта в пределах единственного формируемого объекта. Это может позволить объекту иметь, например, одно или несколько переменных свойств, которые могут включать: свойства переменной точности; свойства переменной шероховатости поверхности; и свойства переменной прочности или других механических либо физических характеристик. Например, созданный объект может содержать один участок, имеющий первый уровень шероховатости поверхности, и второй участок, имеющий второй уровень шероховатости поверхности.

[00015] Следует, однако, отметить, что описанные здесь системы не ограничены формированием трехмерных объектов, имеющих переменные свойства объекта, но также позволяют формировать трехмерные объекты, обладающие по существу однородными или гомогенными свойствами объекта.

ПЕРЕМЕННЫЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТА

[00016] Объекты, обладающие переменными свойствами объекта, могут формироваться с использованием как данных, определяющих формируемый трехмерный объект, так и данных о свойствах объекта, определяющих одно или несколько свойств объекта. Данные о свойствах объекта, например, могут определять участок объекта, и требуемое свойство объекта, которым заданный участок должен обладать, после того, как объект сформирован. Данные о свойствах объекта могут определяться, например, для всего формируемого объекта, либо для одного или нескольких участков формируемого объекта. Данные о свойствах объекта могут также использоваться для определения нескольких свойств объекта для участка или участков объекта.

[00017] В одном примере данные о свойствах объекта могут определяться в пределах модели 100 объекта, показанной на Фигуре 1. На Фигуре 1 показан формируемый объект 100. Объект 100 имеет первый участок 102, который задается имеющим первые свойства объекта, и имеет второй участок 104, который задается имеющим вторые свойства объекта.

[00018] В других примерах данные о свойствах объекта могут определяться глобально для объекта. Например, объект может определяться имеющим заданное значение шероховатости поверхности. В одном таком примере глобальные данные о свойствах объекта могут быть указаны в данных проектирования объекта. В другом примере глобальные данные о свойствах объекта могут быть указаны пользователем, например, через пользовательский интерфейс системы аддитивного производства, посредством программного драйвера, из ЗУ (запоминающего устройства), хранящего данные по умолчанию или заданные данные о свойствах объекта, или любым другим пригодным способом.

[00019] Хотя описание здесь описывает три основных переменных свойства объекта, в других примерах могут быть определены другие соответствующие свойства объекта. Другие свойства объекта могут включать в себя, например, свойства пористости объекта, свойства межслойной прочности, свойства упругости объекта, плотность и т.п., и могут зависеть от типа модельного материала или агентов, используемых для формирования объекта.

ОБЗОР ПРОЦЕССА

[00020] Процесс формирования материального трехмерного объекта согласно одному примеру теперь будет описан со ссылкой на Фигуры 2a-2g и 3. На Фигурах 2a-2g показан ряд сечений слоя или слоев модельного материала согласно одному примеру. На Фигуре 3 показана блок-схема алгоритма, на которой в общем виде представлен способ формирования трехмерного объекта согласно одному примеру.

[00021] В способе по Фигуре 3 на этапе 302 может быть обеспечен первый слой 202a модельного материала, как показано на Фигуре 2a. Первый слой модельного материала обеспечивается на соответствующем элементе-опоре (не показан). В одном примере толщина обеспеченного слоя модельного материала находится в диапазоне примерно 90-110 микрон, хотя в других примерах могут быть обеспечены более тонкие или более толстые слои модельного материала. Использование более тонких слоев может обеспечить получение формируемых объектов с более высоким разрешением, но может увеличивать время, необходимое для формирования объекта.

[00022] В способе по Фигуре 3 на этапе 304 к одному или нескольким участкам поверхностного слоя 202a модельного материала выборочно подают коалесцирующий агент 204 и агент-модификатор 206 коалесценции. Селективная подача агентов 204 и 206 выполняется согласно данным, полученным из модели формируемого трехмерного объекта.

[00023] Под селективной подачей подразумевают, что как коалесцирующий агент, так и агент-модификатор коалесценции могут подаваться на выбранные участки поверхностного слоя модельного материала по соответствующим независимым рисункам. Рисунки определяются данными, полученными из модели формируемого трехмерного объекта. В некоторых примерах коалесцирующий агент 204 может выборочно подаваться на участок модельного материала согласно первому рисунку, а агент-модификатор 206 коалесценции может выборочно подаваться на участок модельного материала согласно второму рисунку. В одном примере рисунки образуют битовую карту (растровое отображение).

[00024] Свойства объекта на любом участке объекта могут изменяться контролируемым образом в зависимости от рисунков, по которым коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции подаются на модельный материал.

[00025] В одном примере коалесцирующий агент 204 и агент-модификатор 206 коалесценции представляют собой текучие среды, которые могут подаваться с использованием любого подходящего механизма подачи текучей среды, как будет подробнее описано ниже. В одном примере агенты подаются в виде капель. Следует, однако, отметить, что на Фигурах 2a - 2g подача агентов показана схематично.

[00026] На Фигуре 2b показано, что агенты 204 и 206, поданные на поверхность модельного материала, проникают в слой 202a модельного материала. Степень, в которой агенты проникают, может быть разной для двух различных агентов или может быть по существу одинаковой. Степень проникновения может зависеть, например, от количества поданного агента, от природы модельного материала, от природы агента и т.д. В примерах, показанных на Фигурах 2a-2g, агент продемонстрирован проникающим по существу полностью в слой 202a модельного материала, хотя следует понимать, что это служит лишь иллюстративным целям и никоим образом не носит ограничительного характера. В других примерах один или оба агента могут проникать менее чем на 100% в слой 202a. В некоторых примерах один или оба агента могут проникать полностью в слой 202a модельного материала. В некоторых примерах один или оба агента могут проникать полностью в слой 202a модельного материала и могут дополнительно проникать в нижележащий слой модельного материала.

[00027] После того, как коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции поданы в способе по Фигуре 3, на этапе 306 на слой 202a модельного материала временно подается заданный уровень энергии. В одном примере подаваемая энергия представляет собой инфракрасную энергию или энергию ближнего инфракрасного диапазона, хотя в других примерах могут подаваться другие виды энергии, такие как микроволновая энергия, ультрафиолетовый (УФ) свет, галогенный свет, ультразвуковая энергия и т.п.. Продолжительность времени подачи энергии или время воздействия энергии может зависеть, например, от одного или более из: характеристик источника энергии; характеристик модельного материала; характеристик коалесцирующего агента; и характеристик агента-модификатора коалесценции. Используемый тип источника энергии может зависеть от одного или более из: характеристик модельного материала; характеристик коалесцирующего агента; и характеристик агента-модификатора коалесценции. В одном примере система 400 выполнена с возможностью подачи энергии в течение заданной продолжительности времени.

[00028] Временная подача энергии может заставить участки модельного материала, на которые подан коалесцирующий агент или в которые он проник, нагреваться выше температуры плавления модельного материала и коалесцировать. При охлаждении участки, которые прокоалесцировали, становятся твердыми и образуют часть формируемого трехмерного объекта. Один такой участок показан в виде участка 208a на Фигуре 2c.

[00029] Энергия, поглощенная модельным материалом, на который подан коалесцирующий агент или в который он проник, может также распространяться в окружающий модельный материал и может быть достаточной, чтобы вызвать нагрев окружающего модельного материала. Это может вызвать, например, нагрев модельного материала выше его температуры плавления или может вызвать, например, нагрев модельного материала ниже его температуры плавления, но до температуры, пригодной, чтобы вызвать размягчение и связывание модельного материала. Это может привести к последующему затвердеванию участков модельного материала, которые не предназначались для затвердевания, и этот эффект здесь называется «расплывание коалесценции». Расплывание коалесценции может привести, например, к снижению общей точности сформированных трехмерных объектов.

[00030] Эффектами расплывания коалесценции можно управлять путем подачи агента-модификатора коалесценции на соответствующие участки модельного материала. В настоящем примере агент-модификатор коалесценции служит для уменьшения степени коалесценции участка модельного материала, на который агент-модификатор коалесценции был подан или в который он проник.

[00031] Качество сформированных трехмерных объектов может зависеть от условий окружающей среды, существующих во время формирования объекта. Например, температура модельного материала в некоторых случаях может тщательно контролироваться или регулироваться. Аналогичным образом другие условия окружающей среды, такие как температура внешней среды, влажность и т.п., могут также тщательно контролироваться или регулироваться в некоторых ситуациях.

[00032] Агент-модификатор коалесценции может использоваться в самых разных целях. В одном примере, как показано на Фигуре 2, агент-модификатор 206 коалесценции может подаваться рядом с местом подачи коалесцирующего агента 204, как показано на Фигуре 2a, чтобы способствовать снижению эффектов бокового расплывания коалесценции. Это может использоваться, например, для улучшения ограничения или точности краев или поверхностей объекта и/или для уменьшения шероховатости поверхности. В другом примере агент-модификатор коалесценции может подаваться вперемешку с коалесцирующим агентом (как будет дополнительно описано ниже), что может использоваться для обеспечения возможности изменения свойств объекта, как упоминалось ранее.

[00033] Сочетание подаваемой энергии, модельного материала и коалесцирующего агента, и агента-модификатора коалесценции может выбираться таким образом, что, исключая эффекты какого-либо расплывания коалесценции: i) участки модельного материала, на которые коалесцирующий агент не подается, не коалесцируют, когда на них временно подается энергия; ii) участки модельного материала, на которые только коалесцирующий агент был подан или в которые он проник, коалесцируют, когда на них временно подается энергия; и iii) участки модельного материала, на которые только агент-модификатор коалесценции был подан или в которые он проник, не коалесцируют, когда на них временно подается энергия.

[00034] Участки модельного материала, на которые как коалесцирующий агент, так и агент-модификатор коалесценции поданы или в которые они проникли, могут подвергаться коалесценции в изменяемой степени. Степень изменения может зависеть, например, от одного или более из:

соотношений коалесцирующего агента и агента-модификатором коалесценции на любом участке модельного материала;

рисунка, по которому коалесцирующий агент подается на модельный материал;

рисунка, по которому агент-модификатор коалесценции подается на модельный материал;

химических свойств коалесцирующего агента;

химических свойств агента-модификатора коалесценции;

химических свойств модельного материала;

химического взаимодействия между модельным материалом и агентами; и

взаимодействий между модельным материалом и агентами во время подачи энергии.

[00035] В некоторых примерах степень изменения может зависеть от порядка, в котором коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции подаются на модельный материал. В некоторых примерах степень изменения может зависеть от выбора моментов времени, в которые коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции подаются на модельный материал.

[00036] После того как один слой модельного материала был обработан по вышеописанной схеме, новый слой модельного материала 202b обеспечивается поверх ранее обработанного слоя модельного материала 202a, как показано на Фигуре 2d. Это проиллюстрировано в блоке 302 по Фигуре 3. Таким образом, ранее обработанный слой модельного материала действует как опора для последующего слоя модельного материала.

[00037] Обработка согласно блокам 304 и 306 по Фигуре 3 может затем повторяться для послойного формирования трехмерного объекта. Например, на Фигуре 2e показаны дополнительные коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции, выборочно поданные на вновь обеспеченный слой модельного материала, согласно блоку 304 по Фигуре 3. Например, на Фигуре 2f показано проникновение агентов в модельный материал 202b. Например, на Фигуре 2g показана коалесценция и затвердевание участков модельного материала 202b и модельного материала, окружающего модельный материал, на который коалесцирующий агент был подан или в который он проник, при подаче энергии согласно блоку 306 по Фигуре 3.

[00038] Тепло, поглощенное в процессе подачи энергии от участка модельного материала, на который подан коалесцирующий агент или в который он проник, может распространяться в ранее затвердевший участок, такой как участок 208a, заставляя часть этого участка нагреваться выше его температуры плавления. Этот эффект способствует созданию участка 210, обладающего сильным межслойным сцеплением между смежными слоями затвердевшего модельного материала, как показано на Фигуре 2g.

[00039] Формирование трехмерного объекта с изменяемыми контролируемым образом свойствами, как описано выше, возможно путем изменения метода, по которому коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции подаются на слои модельного материала, используемые для формирования объекта.

[00040] Конкретный метод, по которым коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции подаются на слои модельного материала, используемые для формирования объекта, может позволить объекту иметь различные свойства объекта.

ОБЗОР СИСТЕМЫ

[00041] На Фигуре 4 представлено упрощенное изометрическое изображение системы 400 аддитивного производства согласно одному примеру настоящего изобретения.

[00042] Системой 400 можно управлять, как описано ниже со ссылкой на блок-схему алгоритма по Фигуре 5, чтобы формировать материальный трехмерный объект, вызывая выборочное затвердевание участков последовательных слоев модельного материала.

[00043] В одном примере модельный материал представляет собой модельный материал на основе порошка. В контексте настоящего описания термин «материалы на основе порошка» предназначен для охвата как сухих, так и влажных материалов на основе порошка, материалов из макрочастиц и гранулированных материалов.

[00044] Следует понимать, однако, что примеры, описанные здесь, не ограничены материалами на основе порошка и могут использоваться при подходящей модификации, если требуется, с другими пригодными модельными материалами. В других примерах модельный материал может представлять собой, например, пасту или гель, или любую другую пригодную форму модельного материала.

ПРИМЕРНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ СИСТЕМЫ

[00045] Система 400 содержит контроллер 402 системы, управляющий общей работой системы 400 аддитивного производства. В примере, показанном на Фигуре 4, контроллер 402 представляет собой контроллер на базе микропроцессора, связанный с ЗУ 404, например, посредством коммуникационной шины (не показана). ЗУ хранит выполняемые процессором команды 406. Контроллер 402 может выполнять команды 406, а, следовательно, управлять работой системы 400 согласно этим командам.

[00046] Система 400 дополнительно содержит распределитель 408 коалесцирующего агента для выборочной подачи коалесцирующего агента на слой модельного материала, обеспеченный на элементе-опоре 414. В одном примере элемент-опора имеет размеры в диапазоне примерно от 10 см на 10 см до 100 см на 100 см. В других примерах элемент-опора может иметь большие или меньшие размеры.

[00047] Система 400 также содержит распределитель 410 агента-модификатора коалесценции для выборочной подачи агента-модификатора коалесценции на слой модельного материала, обеспеченный на элементе-опоре 414.

[00048] Контроллер 402 управляет выборочной подачей коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции на слой обеспеченного модельного материала согласно данным 416 управления подачей агента.

[00049] В примере, показанном на Фигуре 4, распределители 408 и 410 агентов представляют собой печатающие головки, такие как термопечатающие головки или пьезоэлектрические струйные печатающие головки. В одном примере могут использоваться печатающие головки, которые обычно применяются в имеющихся в продаже струйных принтерах.

[00050] Печатающие головки 408 и 410 могут использоваться для выборочной подачи коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции, пребывающих в форме подходящих текучих сред. В одном примере печатающие головки могут быть выполнены с возможностью подачи капель агента при разрешении от 300 до 1200 точек на дюйм (DPI). В других примерах печатающие головки могут быть выполнены с возможностью подачи капель агента при более высоком или более низком разрешении. В одном примере печатающие головки могут иметь матрицу сопел, посредством которой печатающая головка способна выборочно инжектировать капли текучей среды. В одном примере каждая капля может иметь объем порядка 10 пиколитров (пл), хотя в других примерах могут использоваться печатающие головки, способные подавать капли больших или меньших размеров. В некоторых примерах могут использоваться печатающие головки, способные подавать капли переменных размеров.

[00051] В некоторых примерах распределитель 408 агента может быть выполнен с возможностью подачи капель коалесцирующего агента, которые больше капель агента-модификатора коалесценции, подаваемых из распределителя 410 агента.

[00052] В других примерах распределитель 408 агента может быть выполнен с возможностью подачи капель коалесцирующего агента, размер которых равен размеру капель агента-модификатора коалесценции, подаваемых из распределителя 410 агента.

[00053] В других примерах распределитель 408 агента может быть выполнен с возможностью подачи капель коалесцирующего агента, которые меньше капель агента-модификатора коалесценции, подаваемых из распределителя 410 агента.

[00054] В некоторых примерах первый и второй агенты могут содержать жидкость-носитель, такую как вода или любой другой подходящий растворитель или диспергатор, чтобы обеспечить возможность их подачи посредством печатающей головки.

[00055] В некоторых примерах печатающие головки могут представлять собой капельно-импульсные печатающие головки. В других примерах печатающие головки могут представлять собой печатающие головки с непрерывной капельной подачей.

[00056] В некоторых примерах распределители 408 и 410 агентов могут представлять собой неотъемлемую составную часть системы 400. В некоторых примерах распределители 408 и 410 агентов могут быть заменяемыми пользователем, и в этом случае они могут вставляться с возможностью извлечения в соответствующий приемник для распределителей агентов или интерфейсный модуль (не показан).

[00057] В некоторых примерах для выборочной подачи как коалесцирующего агента, так и агента-модификатора коалесценции может использоваться единственная струйная печатающая головка. Например, первый набор сопел печатающей головки может быть выполнен с возможностью подачи коалесцирующего агента, а второй набор сопел печатающей головки может быть выполнен с возможностью подачи агента-модификатора коалесценции.

[00058] В примере, показанном на Фигуре 4, распределители 408 и 410 агентов имеют длину, позволяющую им перекрывать элемент-опору 414 по всей его ширине, при так называемой конфигурации матрицы по ширине листа. В одном примере это может достигаться посредством соответствующего расположения нескольких печатающих головок. В других примерах может использоваться единственная печатающая головка, имеющая матрицу сопел, длина которой позволяет им перекрывать ширину элемента-опоры 414. В других примерах распределители 408 и 410 агентов могут иметь меньшую длину, которая не позволяет им перекрывать всю ширину элемента-опоры 414.

[00059] Распределители 408 и 410 агентов установлены на подвижной каретке (не показана), чтобы позволить им перемещаться в двух направлениях по длине опоры 414 вдоль показанной y-оси. Это обеспечивает возможность выборочной подачи коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции по всей ширине и длине опоры 414 за один проход. В других примерах распределители 408 и 410 агентов могут быть неподвижными, а элемент-опора 414 может перемещаться относительно распределителей 408 и 410 агентов.

[00060] Следует отметить, что используемый здесь термин 'ширина' применяется для общего обозначения наименьшего размера в плоскости, параллельной осям x и y, показанным на Фигуре 4, в то время как используемый здесь термин 'длина' применяется для общего обозначения наибольшего размера в этой плоскости. Однако будет понятно, что в других примерах термин 'ширина' может быть взаимозаменяемым с термином 'длина'. Например, в других примерах распределители агентов могут иметь длину, позволяющую им перекрывать всю длину элемента-опоры 414, при этом подвижная каретка может перемещаться двунаправленно по ширине опоры 414.

[00061] В другом примере распределители 408 и 410 агентов не имеют длины, позволяющей им перекрывать всю ширину элемента-опоры, однако дополнительно перемещаемы в двух направлениях по ширине опоры 414 по показанной x-оси. Такая конфигурация обеспечивает возможность выборочной подачи коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции по всей ширине и длине опоры 414 с помощью множественных проходов. Другие конфигурации, однако, такие как конфигурация матрицы по ширине листа, может позволить быстрее формировать трехмерные объекты.

[00062] Распределитель 408 коалесцирующего агента может включать в себя источник подачи коалесцирующего агента или может присоединяться к отдельному источнику подачи коалесцирующего агента. Распределитель 410 агента-модификатора коалесценции может включать в себя источник подачи агента-модификатора коалесценции или может присоединяться к отдельному источнику подачи коалесцирующего агента.

[00063] Система 400 дополнительно содержит распределитель 418 модельного материала для обеспечения слоя модельного материала 202 на опоре 414. Пригодные распределители модельного материала могут включать в себя, например, ракель и валик. Модельный материал может подаваться в распределитель 418 модельного материала из бункера или накопителя модельного материала (не показан). В показанном примере распределитель 418 модельного материала перемещается по длине (y-оси) опоры 414 для нанесения слоя модельного материала. Как описывалось ранее, первый слой модельного материала наносится на опору 414, в то время как последующие слои модельного материала наносятся на ранее нанесенный слой модельного материала.

[00064] В показанном примере опора 414 может перемещаться по z-оси таким образом, что по мере нанесения новых слоев модельного материала между поверхностью самого последнего нанесенного слоя модельного материала и нижней поверхностью распределителей 408 и 410 агентов поддерживается заданный зазор. В других примерах, однако, опора 414 может быть не перемещаемой по z-оси, а распределители 408 и 410 агентов могут перемещаться по z-оси.

[00065] Система 400 дополнительно содержит источник 420 энергии для подачи энергии к модельному материалу, чтобы вызвать затвердевание участков модельного материала в соответствии с местом, куда коалесцирующий агент был подан или в которое он проник. В одном примере источник 420 энергии представляет собой источник инфракрасного (ИК) или ближнего инфракрасного света. В одном примере источник 420 энергии может представлять собой одиночный источник энергии, способный равномерно подавать энергию на модельный материал, нанесенный на опору 414. В некоторых примерах источник 420 энергии может содержать матрицу источников энергии.

[00066] В некоторых примерах источник 420 энергии выполнен с возможностью подачи энергии по существу равномерно ко всей поверхности слоя модельного материала. В этих примерах источник 420 энергии можно назвать несфокусированным источником энергии. В этих примерах ко всему слою энергия может подаваться одновременно, что может способствовать повышению скорости, с которой трехмерный объект может формироваться.

[00067] В других примерах источник 420 энергии выполнен с возможностью подачи энергии по существу равномерно к некоторому участку полной поверхности слоя модельного материала. Например, источник 420 энергии может быть выполнен с возможностью подачи энергии к полосе полной поверхности слоя модельного материала. В этих примерах источник энергии может перемещаться или сканироваться по слою модельного материала таким образом, что в конечном счете по всей поверхности слоя модельного материала прикладывается по существу равное количество энергии.

[00068] В одном примере источник 420 энергии может быть установлен на перемещаемой каретке.

[00069] В других примерах источник энергии может прикладывать различное количество энергии по мере своего перемещения по слою модельного материала, например, согласно данным управления подачей агента. Например, контроллер 402 может управлять источником энергии лишь для подачи энергии к участкам модельного материала, на которые нанесен коалесцирующий агент.

[00070] В дополнительных примерах источник 420 энергии может представлять собой фокусированный источник энергии, такой как лазерный луч. В данном примере лазерным лучом можно управлять для сканирования всего слоя модельного материала или его участка. В этих примерах лазерным лучом можно управлять для сканирования слоя модельного материала согласно данным управления подачей агента. Например, лазерным лучом можно управлять для подачи энергии к тем участкам слоя, на которые подан коалесцирующий агент.

[00071] Хотя на Фигуре 4 не показано, в некоторых примерах система 400 может дополнительно содержать устройство для предварительного нагрева, чтобы поддерживать модельный материал, нанесенный на опору 414, в заданном диапазоне температур. Использование устройства для предварительного нагрева может способствовать снижению количества энергии, подаваемой источником 420 энергии, чтобы вызвать коалесценцию и последующее затвердевание модельного материала, на который подан коалесцирующий агент или в который он проник.

[00072] В некоторых примерах опора 414 может не быть несъемной деталью системы 400, а может представлять собой, например, часть съемного модуля. В некоторых примерах как опора 414, так и распределитель модельного материала могут не быть несъемной деталью системы 400, а могут представлять собой, например, часть съемного модуля. В других примерах другие элементы системы 400 могут представлять собой часть съемного модуля.

РАБОТА СИСТЕМЫ

[00073] Для формирования трехмерного объекта контроллер 402 получает данные 416 управления подачей агента. Это проиллюстрировано в блоке 502 по Фигуре 5. Данные 416 управления подачей агента определяют для каждого среза формируемого трехмерного объекта участки или места на модельном материале, если таковые существуют, на которые должен подаваться по меньшей мере один из коалесцирующего агента или агента-модификатора коалесценции.

[00074] Данные управления подачей агента могут быть определены, например, соответствующей системой обработки трехмерного объекта (не показана). В некоторых примерах система обработки трехмерного объекта может входить в состав системы 400 аддитивного производства. Например, ЗУ 404 может дополнительно содержать команды 406, которые при выполнении их контроллером 402 заставляют контроллер 402 работать как система обработки трехмерного объекта, как описано здесь.

[00075] В других примерах система обработки трехмерного объекта может быть внешней по отношению к системе 400 аддитивного производства. Например, система обработки трехмерного объекта может представлять собой программное приложение или часть программного приложения, которое может выполняться вычислительным устройством отдельно от системы 400.

[00076] Например, такая система обработки объекта может получать данные проектирования объекта, представляющие трехмерную модель, которую требуется сформировать. Система обработки объекта может дополнительно получать данные о свойствах объекта.

[00077] Как описывалось ранее, данные о свойствах объекта могут быть получены из данных проектирования объекта или могут быть получены, например, от пользователя через пользовательский интерфейс, от программного драйвера, из программного приложения либо могут быть получены из ЗУ, хранящего глобальные данные о свойствах объекта по умолчанию или заданные пользователем.

[00078] В некоторых примерах система обработки объекта может получать данные, касающиеся характеристик системы 400 аддитивного производства. Такие характеристики могут включать в себя, например, толщину слоя модельного материала, свойства коалесцирующего агента, свойства агента-модификатора коалесценции, свойства модельного материала и свойства источника энергии.

[00079] Используя такие характеристики, данные проектирования объекта и данные о свойствах объекта, система обработки объекта может формировать данные 416 управления подачей агента, описывающие для каждого слоя модельного материала, который требуется обработать, места или участки на модельном материале, на которые должен подаваться по меньшей мере один из коалесцирующего агента или агента-модификатора коалесценции. В одном примере места или участки модельного материала, на которые должны подаваться коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции, определяются посредством соответствующих рисунков.

[00080] В некоторых примерах система обработки объекта может определять порядок, в котором коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции должны подаваться на модельный материал.

[00081] В некоторых примерах система обработки объекта может определять порядок, в котором коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции должны подаваться на модельный материал, и соответствующие данные привязки по времени. В некоторых примерах данные привязки по времени могут определять временную задержку, которую следует соблюдать между подачей коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции.

[00082] В некоторых примерах система обработки объекта может дополнительно формировать данные об объемах, указывающие объем коалесцирующего агента и объем агента-модификатора коалесценции, которые должны подаваться в каждое место или на каждый участок модельного материала.

[00083] В зависимости от вышеописанных характеристик, плотность, с которой должны подаваться коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции, может изменяться. Например, когда участок модельного материала, на который подан коалесцирующий агент или в который он проник, воспринимает подаваемую энергию, энергия, поглощенная таким участком, распространяется в другие окружающие области. В одном примере свойства коалесцирующего агента и количество подаваемого коалесцирующего агента могут подбираться таким образом, что энергия излучается в сферической области, в диапазоне примерно в 1,5 раза больше толщины слоя. Это может способствовать обеспечению не только достаточного межслойного связывания, но также достаточного связывания между боковыми смежными участками модельного материала.

[00084] Таким образом, система обработки объекта может, например, определить, что боковое разнесение между соседними каплями коалесцирующего агента может быть увеличено, при этом по-прежнему будет обеспечена достаточная прочность объекта. Такой подход позволяет снизить среднюю плотность, с которой коалесцирующий агент может подаваться на слой модельного материала, а значит, снизить потребление коалесцирующего агента без ущерба для прочности объекта.

[00085] В некоторых примерах данные управления подачей агента могут определять для любого участка модельного материала, что коалесцирующий агент должен подаваться перед агентом-модификатором коалесценции. В других примерах данные управления подачей агента могут определять для любого участка модельного материала, что коалесцирующий агент должен подаваться после агента-модификатора коалесценции.

[00086] Управление работой системы 400 согласно данным 416 управления подачей агента позволяет формировать трехмерные объекты, которые могут иметь изменяемые контролируемым образом свойства объекта, как описано выше.

[00087] В блоке 504 контроллер 402 управляет распределителем 418 модельного материала для обеспечения первого слоя модельного материала на опоре 414. В некоторых примерах толщина слоя модельного материала, обеспеченного распределителем 418 модельного материала, может быть постоянной. В других примерах толщина слоя модельного материала, обеспеченного распределителем 418 модельного материала, может изменяться, например, под управлением контроллера 402. Для управления подачей модельного материала контроллер 402 может заставить каретку, на которой установлен распределитель 418 модельного материала, перемещаться по длине опоры 414 по y-оси, например, в направлении справа налево, как показано на Фигуре 4.

[00088] В некоторых примерах контроллер 402 управляет распределителем 418 модельного материала для обеспечения законченного слоя модельного материала перед управлением распределителями 408 и 410 коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции для выборочной подачи коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции на обеспеченный слой модельного материала. В этих примерах подача коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции происходит в то время, когда распределители коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции перемещаются слева направо вдоль y-оси, как показано на Фигуре 4.

[00089] В других примерах контроллер 402 управляет распределителями 408 и 410 коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции для выборочной подачи коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции на модельный материал в то время, когда распределитель 418 модельного материала обеспечивает слой модельного материала. Другими словами, по мере того как распределитель 418 модельного материала предоставляет модельный материал для образования нового слоя модельного материала, распределители 408 и 410 коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции могут подавать коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции на модельный материал того слоя, который был только что обеспечен распределителем 418 модельного материала. В представленной конфигурации распределители коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции, и распределитель 418 модельного материала возвращаются к правой стороне опоры 414, чтобы распределить новый слой модельного материала одновременно с подачей коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции.

[00090] Увеличенная скорость и эффективность могут быть достижимыми, например, при добавлении в каретку дополнительных распределителей агентов, как показано на Фигуре 6a. На Фигуре 6a показана конфигурация, имеющая пару распределителей 408a и 408b коалесцирующего агента, расположенных с каждой стороны распределителя 418 модельного материала, и пара распределителей 410a и 410b агента-модификатора коалесценции, расположенных с каждой стороны распределителя 418 модельного материала. Такая конфигурация позволяет наносить слой модельного материала и подавать на нанесенный слой коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции в то время, когда каретка перемещается в любом направлении вдоль y-оси, тем самым обеспечивая возможность работы в двух направлениях.

[00091] На Фигуре 6b показана другая конфигурация согласно дополнительному примеру. На Фигуре 6b показана конфигурация, имеющая пару распределителей 418a и 418b модельного материала, расположенных с каждой стороны распределителя 408 коалесцирующего агента и распределителя 410 агента-модификатора коалесценции. Опять же такая конфигурация позволяет наносить слой модельного материала и подавать на нанесенный слой коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции в то время, когда каретка перемещается в любом из направлений вдоль y-оси, обеспечивая возможность работы в двух направлениях.

[00092] Такие конфигурации могут обеспечить увеличения скорости по сравнению с конфигурацией, представленной на Фигуре 4, за счет дублирования либо распределителя модельного материала, либо распределителей агентов.

[00093] В дополнительном примере распределитель 418 модельного материала может быть отделен от распределителей 408 и 410 агентов. Например, распределитель 418 модельного материала может располагаться на каретке, отдельной от той, на которой расположены распределители 408 и 410 агентов. В другом примере распределитель 418 модельного материала может располагаться на той же каретке, что и распределители 408 и 410 агентов, но отделен небольшим расстоянием.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ

[00094] Хотя описанные здесь примеры относятся к использованию единственного коалесцирующего агента и единственного агента-модификатора коалесценции, в других примерах может использоваться несколько коалесцирующих агентов. В других примерах может использоваться несколько агентов-модификаторов коалесценции. При этом возможна конфигурация системы (устройства) аддитивного производства, дополнительно содержащая третий распределитель агента для выборочной подачи второго коалесцирующего агента на слой модельного материала и/или четвертый распределитель агента для выборочной подачи второго агента-модификатора коалесценции на слой модельного материала.

[00095] Например, в некоторых примерах первый коалесцирующий агент может выборочно подаваться из первого распределителя коалесцирующего агента, а второй коалесцирующий агент может выборочно подаваться из второго распределителя коалесцирующего агента (третьего распределителя агента). Первый коалесцирующий агент может иметь иные химические свойства и/или иметь иную концентрацию, чем второй коалесцирующий агент.

[00096] Например, в некоторых примерах первый агент-модификатор коалесценции может выборочно подаваться из первого распределителя агента-модификатора коалесценции, а второй агент-модификатор коалесценции может выборочно подаваться из второго распределителя коалесцирующего агента (четвертого распределителя агента).

[00097] В некоторых примерах первый агент-модификатор коалесценции может иметь иные химические свойства, чем те, которыми обладает второй агент-модификатор коалесценции. В некоторых примерах первый агент-модификатор коалесценции может иметь иную концентрацию, чем та, которой обладает второй агент-модификатор коалесценции. В некоторых примерах первый агент-модификатор коалесценции может иметь как иные химические свойства, так и иную концентрацию, чем второй агент-модификатор коалесценции.

[00098] Например, первый агент-модификатор коалесценции может изменять коалесценцию в первое число раз, в то время, как второй агент-модификатор коалесценции может изменять коалесценцию во второе число раз. В некоторых примерах оба агента-модификатора коалесценции могут снижать степень коалесценции на разную величину. В одном примере один агент-модификатор коалесценции может снижать степень коалесценции, а один агент-модификатор коалесценции может повышать степень коалесценции. В одном примере оба агента-модификатора коалесценции могут повышать степень коалесценции.

[00099] В дополнительных примерах в дополнение к коалесцирующему агенту и агенту-модификатору коалесценции могут использоваться дополнительные агенты.

[000100] Например, в некоторых примерах может быть предусмотрен дополнительный распределитель агента для выборочной подачи агента, содержащего красящее вещество, такое как цветной пигмент или краска, на слой модельного материала.

[000101] В дополнительных примерах может быть предусмотрен дополнительный распределитель агента для выборочной подачи агента, содержащего функциональный агент для придания формируемому трехмерному объекту заданных функциональных возможностей. Например, такой агент может содержать электропроводящие элементы, позволяющие участку формируемого трехмерного объекта демонстрировать электропроводность.

[000102] В других примерах коалесцирующий агент может включать в себя соответствующее красящее вещество, чтобы позволить участкам трехмерного объекта иметь заданный цвет.

[000103] Как упоминалось ранее, скорость, с которой может обрабатываться каждый слой модельного материала, влияет на скорость, с которой может формироваться трехмерный объект. Использование печатающих головок, например, позволяет подавать небольшие капли коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции на слой модельного материала с высокой точностью и высокой скоростью.

[000104] В других примерах коалесцирующий агент и агент-модификатор коалесценции могут подаваться посредством распыляющих сопел, а не посредством печатающих головок. Это может позволить, например, формировать большие объекты с меньшей точностью, чем может достигаться при использовании струйных печатающих головок, но за более короткое время. Это может быть в частности целесообразно, например, при обработке больших слоев модельного материала, например, слоев модельного материала размером более чем примерно 200 см на 100 см.

ОПИСАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

[000105] Чтобы обеспечить функционирование способов и систем для изготовления трехмерного объекта, как описано здесь, свойства модельного материала, коалесцирующего агента и агента-модификатора коалесценции должны тщательно подбираться.

[000106] Примеры подходящих материалов приведены ниже.

МОДЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

[000107] Согласно одному примеру пригодный модельный материал может представлять собой порошковый полукристаллический термопластичный материал. Одним из пригодных материалов может быть Nylon 12, который доступен, например, от компании Sigma-Aldrich Co. LLC. Другой пригодный материал может представлять собой PA 2200, который доступен от компании Electro Optical Система EOS GmbH.

[000108] В других примерах может использоваться любой другой пригодный модельный материал. В число таких материалов могут входить, например, порошковые металлические материалы, порошковые композитные материалы, порошковые керамические материалы, порошковые стеклянные материалы, порошковый смоляной материал, порошковые полимерные материалы и т.п.

КОАЛЕСЦИРУЮЩИЙ АГЕНТ

[000109] Согласно одному неограничивающему примеру пригодный коалесцирующий агент может иметь состав типа краски, содержащий углеродную сажу, такой как состав краски, продаваемый под названием CM997A, который доступен от компании Hewlett-Packard. В одном примере такая краска может дополнительно содержать поглотитель инфракрасного света. В одном примере такая краска может дополнительно содержать поглотитель ближнего инфракрасного света. В одном примере такая краска может дополнительно содержать поглотитель видимого света. Примерами красок, содержащих усилители видимого света, являются цветная краска на основе красителей и цветная краска на основе пигментов, такие как краски, продаваемые под названием CE039A и CE042A, которые доступны от компании Hewlett-Packard.

АГЕНТ-МОДИФИКАТОР КОАЛЕСЦЕНЦИИ

[000110] Как описано выше, агент-модификатор коалесценции действует для изменения эффектов коалесцирующего агента. Показано, что для изменения эффектов коалесцирующего агента могут использоваться различные физические и/или химические эффекты.

[000111] Например, но без привязки к какой-либо теории, в одном примере агент-модификатор коалесценции может действовать для получения механического разделения между отдельными частицами модельного материала, например, чтобы предотвратить объединение таких частиц, а, следовательно, предотвратить их от затвердевания с образованием участка формируемого трехмерного объекта. Примерный агент-модификатор коалесценции может содержать жидкость, которая включает твердые частицы. Такой агент может представлять собой, например, коллоидную краску, краску на основе красителя или краску на полимерной основе.

[000112] Такой агент после подачи на слой модельного материала может заставить тонкий слой твердых частиц покрыть или частично покрыть участок модельного материала, например, после испарения какой-либо жидкости-носителя, а, следовательно, может действовать в качестве агента-модификатора коалесценции, как описано здесь.

[000113] В одном примере такой агент-модификатор коалесценции может содержать твердые частицы, средний размер которых меньше среднего размера частиц модельного материала, на который он должен подаваться. Кроме того, молекулярная масса агента-модификатора коалесценции и его поверхностное натяжение должны быть такими, чтобы позволить агенту-модификатору коалесценции проникать в достаточной степени в модельный материал. В одном примере такой агент должен также обладать высокой растворимостью таким образом, чтобы каждая капля агента имела высокое процентное содержание твердых частиц.

[000114] В одном примере в качестве агента-модификатора коалесценции может использоваться соляной раствор.

[000115] В другом примере в качестве агента-модификатора коалесценции может использоваться краска, продаваемая под названием краски CM996A, доступная от компании Hewlett-Packard. В другом примере краска, продаваемая под названием краски CN673A, доступная от компании Hewlett-Packard, также продемонстрировала свою способность работать в качестве агента-модификатора коалесценции.

[000116] В другом примере, но без привязки к какой-либо теории, агент-модификатор коалесценции может действовать для изменения эффектов коалесцирующего агента путем предотвращения достижения модельным материалом температур выше своей температуры плавления. Например, показано, что текучая среда, проявляющая надлежащий эффект охлаждения, может использоваться в качестве агента-модификатора коалесценции. Например, когда такой агент подается на модельный материал, энергия, подаваемая на модельный материал, может поглощаться агентом-модификатором коалесценции, вызывая его испарение, что может способствовать предотвращению того, что модельный материал, на который агент-модификатор коалесценции был подан или в который он проник, достигнет температуры плавления модельного материала.

[000117] В одном примере показано, что в качестве пригодного агента-модификатора коалесценции может выступать агент с высоким процентным содержанием воды.

[000118] В других примерах могут использоваться другие типы агентов-модификаторов коалесценции.

[000119] Один пример агента-модификатора коалесценции, способного повышать степень коалесценции, может включать, например, соответствующий пластификатор. Другой пример агента-модификатора коалесценции, способного повышать степень коалесценции, может включать, например, модификатор поверхностного натяжения для повышения способности к смачиванию частиц модельного материала.

[000120] Следует понимать, что описанные здесь примеры могут быть реализованы в виде аппаратного обеспечения или сочетания аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Любое такое программное обеспечение может храниться в форме энергозависимого или энергонезависимого носителя, такого как, например, устройства хранения данных, такого как ROM, поддающегося или не поддающегося стиранию или перезаписи, либо в виде ЗУ, такого как, например, RAM, однокристальных ЗУ, цепей устройств или интегральных схем, либо на носителе с оптическим или магнитным считыванием информации, таком как, например, CD, DVD, магнитный диск или магнитная лента. Следует понимать, что устройства хранения данных и носители данных представляют собой примеры машиночитаемых носителей данных, пригодных для хранения программы или программ, которые при выполнении реализуют описанные здесь примеры. Таким образом, примеры представляют программу, содержащую код для реализации системы или способа, которые заявлены в любом предшествующем пункте, и машиночитаемый носитель данных, хранящий такую программу.

[000121] Все признаки, раскрытые в данном описании (включая прилагаемые формулу изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого раскрытого способа или процесса могут комбинироваться в любом сочетании, кроме сочетаний, когда по меньшей мере некоторые из таких признаков и/или этапов являются взаимоисключающими.

[000122] Каждый признак, раскрытый в данном описании (включая прилагаемые формулу изобретения, реферат и чертежи), может быть заменен альтернативными признаками, служащими той же, одинаковой или схожей цели, если ясно не утверждается иное. Таким образом, до тех пор, пока ясно не указано иное, каждый раскрытый признак представляет собой лишь один пример из видового ряда эквивалентных или схожих признаков.

Реферат

Изобретение относится к системам аддитивного производства трехмерных объектов. Согласно одному аспекту предложено устройство для формирования трехмерного объекта. Устройство содержит первый распределитель агента для выборочной подачи коалесцирующего агента на участки слоя модельного материала, а также второй распределитель агента для выборочной подачи агента-модификатора коалесценции на участки слоя модельного материала. Кроме того, устройство содержит контроллер для управления распределителями агентов для выборочной подачи каждого из агентов на слой модельного материала по соответствующим рисункам, полученным из данных, представляющих срез формируемого трехмерного объекта. При подаче энергии к слою модельный материал коалесцирует и затвердевает с образованием среза трехмерного объекта в соответствии с рисунками. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула