金属液滴喷射三维（3d）物体打印机和用于便于从构建平台释放金属物体的操作方法与流程

金属液滴喷射三维(3d)物体打印机和用于便于从构建平台释放金属物体的操作方法
技术领域
1.本公开涉及喷射熔融金属液滴以形成物体的三维(3d)物体打印机，并且更特别地，涉及在此类打印机中的构建平台上形成金属物体的基层。


背景技术：

2.三维打印也称为增材制造，是由几乎任何形状的数字模型制备三维固体物体的工艺。许多三维打印技术使用增材法，其中增材制造设备在先前沉积的层的顶部上形成零件的连续层。这些技术中的一些技术使用喷射uv可固化材料诸如光聚合物或弹性体的喷射器，而其它技术使弹性体熔融并将热塑性材料挤出到物体层中。打印机通常操作一个或多个喷射器或挤出机以形成连续的塑料或热塑性材料层，以构造具有各种形状和结构的三维打印物体。在形成三维打印物体的每一层之后，将塑性材料进行uv固化并硬化以将该层粘结到三维打印物体的下面层。这种增材制造方法与传统物体形成技术不同，该传统物体形成技术主要依赖于通过减成法(诸如切割或钻孔)从工件上去除材料。
3.最近，已经开发出一些3d物体打印机，该3d物体打印机从一个或多个喷射器喷射熔融金属液滴以形成3d物体。这些打印机具有固体金属源，诸如线材辊或球丸，其将固体金属进料到打印机中贮器的加热接收器中，其中固体金属熔融并且熔融金属填充接收器。接收器由非导电材料制成，电线围绕该接收器包裹以形成线圈。电流通过线圈以产生电磁场，该电磁场致使接收器的喷嘴处的熔融金属的弯月面与接收器内的熔融金属分离并且从喷嘴推进。构建平台被定位成从喷射器的喷嘴接收喷射的熔融金属液滴，并且该平台通过控制器操作致动器在平行于平台的平面的x-y平面中移动。这些喷射的金属液滴在平台上形成物体的金属层，并且另一致动器由控制器操作以改变喷射器与平台之间的距离，以保持喷射器与正在形成的金属物体的最近打印层之间的适当距离。这种类型的金属液滴喷射打印机也被称为磁流体动力学(mhd)打印机。
4.在用mhd打印机执行的打印过程期间，物体的第一层必须牢固地粘附到构建平台的表面。在没有这种粘附的情况下，物体的基部不会随着物体尺寸的增加而保持稳定。构建平台的表面的高温可以使构建平台的表面变得被非常高度的氧化。这种氧化层可以干扰物体基层与构建平台的粘附，并且物体可以在打印期间过早地从构建平台表面释放。另外，氧化层可以使物体的基层不均匀地形成，因此基层的孔隙率高于稳定的物体层打印所需的孔隙率。
5.然而，构建平台表面的氧化不是影响物体与构建平台的适当粘附的唯一问题。相对清洁的构建平台表面可以导致物体的基层与构建平台表面粘结得过密。虽然因为物体的基部非常稳定，物体的制造很好地进行，但是在过程结束时移除物体可能非常困难。在一些情况下，物体与构建平台的附接是如此牢固，以至于移除物体引起对物体、构建平台或两者的损坏。将有益的是，能够充分地将基层粘附到构建平台以均匀形成具有适当孔隙率的层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损
坏。


技术实现要素：

6.一种操作3d金属物体打印机的新方法将金属物体的基层充分粘附到构建平台，以均匀形成具有适当孔隙率的层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损坏。该方法包括：将金属箔定位在喷射器头部与平面构件之间，该喷射器头部被构造成喷射熔融金属液滴，该喷射器头部朝向该平面构件喷射该熔融金属液滴；以及操作该喷射器头部以在该金属箔上喷射熔融金属液滴以形成粘结到该金属箔的金属物体。
7.新的3d金属物体打印机将金属物体的基层充分粘附到构建平台，以均匀形成具有适当孔隙率的层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损坏。新的3d金属物体打印机包括：喷射器头部，该喷射器头部具有贮器，该贮器在该贮器内具有接收器，该接收器被构造成保持熔融金属；平面构件；和金属箔，该金属箔定位在该喷射器头部与该平面构件之间以接收从该喷射器头部喷射的该熔融金属液滴。
附图说明
8.用于操作3d金属物体打印机的方法以及实现该方法的3d金属物体打印机的前述方面和其它特征结合附图在以下描述中进行解释，该方法将金属物体的基层充分粘附到构建平台，以均匀形成具有适当孔隙率的层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损坏。
9.图1描绘了新的3d金属物体打印机，该3d金属物体打印机将金属物体的基层充分粘附到构建平台上的金属箔层，以均匀形成具有适当孔隙率的基层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损坏。
10.图2是用于为形成在图1中的构建平台上的金属物体提供基层的箔保持真空系统的示意图。
11.图3a描绘了在将箔从构建平台移除之后形成在图2所示的箔上的物体，并且图3b描绘了从箔移除物体。
12.图4是过程的流程图，该过程将金属物体的基层充分粘附到构建平台上的金属箔层，以均匀形成具有适当孔隙率的层，而不会将物体如此牢固地附接到构建平台上以至于其移除导致对物体、平台或两者的损坏。
13.图5是现有技术的3d金属打印机的示意图，该3d金属打印机不包括用于固定金属物体的基层的箔层和真空系统。
具体实施方式
14.为了对如本文所公开的3d金属物体打印机及其操作的环境以及该打印机及其操作的细节的一般性理解，参考附图。在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。
15.图5示出了先前已知的3d金属物体打印机100的实施方案，该3d金属物体打印机喷射熔融金属液滴以直接在构建平台上形成金属物体。在图5的打印机中，熔融块体金属液滴
从具有单个喷嘴108的可移除贮器104的接收器被喷射，并且来自喷嘴的液滴形成物体的基层，基层具有直接施加到构建平台112的条带。如本文档中所用，术语“可移除贮器”是指具有被构造成保持液体或固体物质的接收器的中空容器，并且该容器作为整体被构造成在3d金属物体打印机中进行安装和移除。如本文档中所用，术语“贮器”是指具有被构造成保持液体或固体物质的接收器的中空容器，该容器作可以被构造成在3d金属物体打印机中进行安装和移除。如本文档中所用，术语“块体金属”是指可以聚集体形式获得的导电金属，诸如通常可用规格的线材、宏观尺寸比例的球丸以及金属粉末。
16.进一步参考图5，块体金属的源116(诸如金属线材120)被进料到线材引导件124中，该线材引导件延伸穿过喷射器头部140中的上壳体122并且在可移除贮器104的接收器中熔融，以提供熔融金属用于通过喷射器头部140的底板114中的孔110从喷嘴108喷射。如本文档中所用，术语“喷嘴”是指流体连接到容纳熔融金属的贮器的接收器内的容积的孔，该孔被构造成从贮器内的接收器中排出熔融金属液滴。如本文档中所用，术语“喷射器头部”是指3d金属物体打印机的熔融、喷射和调节熔融金属液滴的喷射以用于产生金属物体的壳体和部件。熔融金属液位传感器184包括激光传感器和反射传感器。激光从熔融金属液位的反射由反射传感器检测，该反射传感器生成指示到熔融金属液位的距离的信号。控制器接收这种信号并确定熔融金属的体积在可移除贮器104中的液位，因此其可以在可移除贮器的接收器中被保持在适当液位118处。可移除贮器104滑入加热器160中，使得加热器的内径接触可移除贮器，并且能够将可移除贮器的接收器内的固体金属加热至足以熔融固体金属的温度。如本文档中所用，术语“固体金属”是指如由元素周期表所定义的金属或由这些金属形成的合金，其是固体形式而不是液体或气体形式。加热器与可移除贮器分离以在加热器与可移除贮器104之间形成容积。惰性气体供应源128通过气体供应管132向喷射器头部提供惰性气体(诸如氩气)的压力调节源。气体流过加热器与可移除贮器之间的容积，并且围绕喷嘴108和底板114中的孔110离开喷射器头部。这种邻近喷嘴的惰性气体流将熔融金属的喷射液滴与底板114处的环境空气隔绝，以防止在喷射液滴飞行期间形成金属氧化物。喷嘴与喷射的金属滴降落的表面之间的间隙有意地保持足够小，使得在喷嘴周围离开的惰性气体在这种惰性气体流中的液滴降落之前不会消散。
17.喷射器头部140可动地安装在z轴轨道内，以用于喷射器头部相对于平台112移动。一个或多个致动器144操作地连接到喷射器头部140以沿着z轴移动喷射器头部，并且操作地连接到平台112以在喷射器头部140下方的x-y平面中移动平台。致动器144由控制器148操作，以保持喷射器头部140的底板114中的孔110与平台112上的物体的表面之间的适当距离。
18.当朝平台112喷射熔融金属液滴时，在x-y平面中移动平台112形成正在形成的物体上的熔融金属液滴的条带。控制器148还操作致动器144以调整喷射器头部140与衬底上最近形成的层之间的距离，以便于在物体上形成其他结构。虽然熔融金属3d物体打印机100在图5中被描绘为以竖直取向操作，但是也可采用其他另选取向。另外，虽然图5所示的实施方案具有在x-y平面中移动的平台并且喷射器头部沿z轴移动，但其他布置方式也是可能的。例如，致动器144能够被构造成使喷射器头部140在x-y平面中并且沿着z轴移动，或者这些致动器能够被构造成在x-y平面和z轴两者中移动平台112。
19.控制器148操作切换装置152。能够选择性地由控制器操作一个切换装置152以将
电功率从源156提供到加热器160，同时能够选择性地由控制器操作另一个切换装置152以将电功率从另一个电源156提供到线圈164，以用于生成从喷嘴108喷射液滴的电场。因为加热器160在高温下生成大量热量，所以线圈164定位在由喷射器头部140的一个壁(圆形)或更多个壁(直线形状)形成的室168内。如本文档中所用，术语“室”是指金属液滴喷射打印机内的一个或多个壁内所容纳的容积，3d金属物体打印机的加热器、线圈和可移除贮器定位在该容积中。可移除贮器104和加热器160定位在这种室内。该室通过泵176以流体方式连接到流体源172，并且还以流体方式连接到热交换器180。如本文档中所用，术语“流体源”是指具有可用于吸收热量的特性的液体的容器。热交换器180通过返回件连接到流体源172。来自源172的流体流过室以从线圈164吸收热量，并且流体携带所吸收的热量通过交换器180，在该交换器处通过已知方法移除热量。经冷却的流体返回到流体源172，以进一步用于将线圈的温度保持在适当的可操作范围内。
20.3d金属物体打印机100的控制器148需要来自外部源的数据以控制打印机用于金属物体制造。通常，待形成的物体的三维模型或其它数字数据模型存储在操作地连接到控制器148的存储器中。控制器可以通过服务器等、存储数字数据模型的远程数据库或存储数字数据模型的计算机可读介质选择性地访问数字数据模型。该三维模型或其他数字数据模型由用控制器实现的截剪器处理以生成机器就绪指令，该指令用于由控制器148以已知方式执行，从而操作打印机100的部件并且形成对应于模型的金属物体。机器就绪指令的生成可包括中间模型的产生(诸如当设备的cad模型被转变为stl数据模型、多边形网片或其他中间表示时)，继而能够处理该中间模型以生成机器指令，诸如用于由打印机制造物体的g代码。如本文档中所用，术语“机器就绪指令”是指由计算机、微处理器或控制器执行以操作3d金属物体增材制造系统的部件以在平台112上形成金属物体的计算机语言命令。控制器148执行机器就绪指令以控制熔融金属液滴从喷嘴108喷射、平台112的定位以及保持孔110与平台112上的物体的表面之间的距离。
21.图1中示出了一种新的3d金属物体打印机100'，它使用类似部件的类似参考号，并且移除了在形成期间不用于稳定物体而不将物体过于刚性地附接到平台112的一些部件。打印机100'包括金属箔片190和真空系统200(参考图2更详细地描述)以及配置有存储在连接到控制器的非暂时性存储器中的编程指令的控制器148'，因此当控制器148'执行编程指令时，其操作如下所述的真空系统以形成用于由系统产生的金属物体的稳定基础，而无需将物体过于强固地附接到构建平台112。
22.真空系统200在图2中更详细地示出。真空系统200包括真空部204，该真空部流体连接到热隔离的储器220和保持板208中的孔口216，以将金属箔190固定到保持板208。加热器212插置在保持板208与构建平台112之间，以将保持板208和箔190保持在有助于金属物体形成的温度下。控制器148'操作地连接到加热器212以选择性地操作加热器并将保持板温度保持在约400℃至约600℃的范围内。在一些实施方案中，加热器是电阻加热器，但是可以使用加热器的其它实施方式。保持板208用高度导热材料诸如黄铜制成。如本文档中所用，术语“黄铜”是指基本上由铜和锌构成的金属合金。在一些实施方案中，黄铜保持板的表面是镀镍的。储器220和连接保持板208中的孔口216和真空储器220的导管由耐高温材料制成，以承受打印机100'的环境中的温度。金属箔由与喷射器头部140喷射的金属相同的金属制成以形成金属物体。在喷射器头部喷射熔融铝液滴以形成铝物体的那些实施方案中，铝
箔的厚度在约0.5密耳至约3密耳的范围内，但是可以使用其它厚度，只要它们不干扰片上的真空拉动。如本文档中所用，术语“金属箔”是指柔性金属平面构件。真空部被被构造成拉动约10”hg至约30”hg的真空。
23.图3a示出了已经形成在由真空系统200保持就位的金属箔片190上的金属物体304。在停用真空系统200之后，已从打印机100'移除物体304和箔190。物体304正下方的金属箔片的部分已成为物体的基层。通过使用刀或其它分离工具，从物体中移除箔190的未形成物体基层的部分的部分，如图3b所示。因此，物体304已经从打印机100'移除而不损坏物体304、保持板208、电阻加热器212或构建平台112。
24.控制器148'能够用执行编程指令的一个或多个通用或专用可编程处理器实现。执行编程功能所需的指令和数据可以存储在与处理器或控制器相关联的存储器中。处理器、处理器的存储器和接口电路配置控制器来执行前面描述的以及下面描述的操作。这些部件可以设置在印刷电路卡上，或者设置为专用集成电路(asic)中的电路。每个电路可以由单独的处理器实现，或者多个电路可以在同一处理器上实现。另选地，这些电路可以由分立部件或设置在超大规模集成(vlsi)电路中的电路来实现。此外，本文所述描述的电路可以用处理器、asic、分立部件或vlsi电路的组合来实现。在金属物体形成期间，用于待产生的结构的图像数据从扫描系统或者从在线连接或工作工位连接被发送到控制器148'的一个或多个处理器，以用于处理和生成操作打印机100'的部件以在平台112上形成物体的信号。
25.图4中示出了用于操作3d金属物体打印机100'以在由真空系统200保持的金属箔片的表面上形成金属物体的过程。在该过程的描述中，该过程正在执行某一任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行编程指令以操纵打印机中的一个或多个部件来执行任务或功能，该编程指令存储在操作地连接到控制器或处理器的非暂态计算机可读存储介质中。上述控制器148'可以是此类控制器或处理器。另选地，控制器可由多于一个的处理器和相关联的电路和部件来实现，它们中的每一者均被配置为形成本文所描述的一个或多个任务或功能。此外，该方法的步骤可以以任何可行的时间顺序执行，而与图中所示的顺序或描述处理的顺序无关。
26.图4是在用打印机100'形成金属物体期间操作真空系统200以保持金属箔片190的过程400的流程图。控制器148'被构造成执行存储在操作地连接到控制器的非暂时性存储器中的编程指令，以在由打印机形成金属物体期间保持金属箔片。在打印机初始化(框404)之后，将金属箔片放置在保持板上并且启用真空系统(框408)。然后以已知方式操作打印机以形成金属物体(框412)。一旦完成物体的制造，停用真空系统，并从打印机移除带有金属箔片的物体(框416)。然后从物体修剪未附接的金属箔(框420)。
27.应当理解的是，以上公开的与其他特征和功能的变型或其替代者可期望地被组合到许多其他不同的系统、应用或方法中。本领域的技术人员随后可做出各种当前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被以下权利要求书涵盖。