金属液滴喷射三维（3D）物体打印机和用于形成金属支撑结构的操作方法与流程

金属液滴喷射三维(3d)物体打印机和用于形成金属支撑结构的操作方法
技术领域
1.本公开涉及三维(3d)物体打印机，其喷射熔融金属液滴以形成物体，并且更具体地，涉及用于利用此类打印机形成物体的金属支撑结构的形成。


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可固化材料的喷射器，诸如光聚合物或弹性体。打印机通常操作一个或多个挤出机以形成塑性材料的连续层，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，其被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。与喷射器的喷嘴相对的平台通过控制器操作致动器而在平行于平台平面的x-y平面上移动，使得喷射的金属液滴在平台上形成物体的金属层，并且另一个致动器由控制器操作以改变喷射器或平台在竖直方向或z方向上的位置，以维持喷射器与所形成的金属物体的最上层之间的恒定距离。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.在使用弹性体材料的3d物体打印系统中，通过使用另外的喷射器以喷射不同材料的液滴来形成临时支撑结构，以形成用于悬垂部和在形成物体期间远离物体延伸的其他物体特征的支撑件。因为这些支撑结构是由与形成物体的材料不同的材料制成的，所以它们不能与物体很好地粘附或粘结。因此，这些支撑结构可以很容易地与在物体制造期间它们所支撑的物体特征分离，并在物体形成完成后从物体移除。而金属液滴喷射系统则不是这样。如果打印机中的熔融金属用于形成支撑结构，其中金属被喷射以形成物体，则该结构与物体的在其固化时需要支撑的特征紧密粘结。因此，需要大量的机械加工和抛光来从物体移除支撑件。在这种制造后处理期间可以对物体造成损坏。使用不同金属来协调另一台金属液滴喷射打印机是困难的，因为不同金属的热条件可以影响物体形成系统的构建环境。例如，具有较高熔融温度的支撑结构金属可以弱化或软化形成物体的金属，或者具有较低熔融温度的支撑金属结构可以在物体特征接触结构时弱化。能够形成支撑结构将是有益的，这些支撑结构使得金属液滴喷射打印机能够形成金属物体悬垂部和其他延伸特征。


技术实现要素：

5.操作3d金属物体打印机的新方法形成支撑结构，在没有不利地影响3d金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。所述方法包括操作第一固体金属进料机构，以将第一固体金属移动到喷射器中的贮器的接收器中以进行熔融，并且操作第二固体金属进料机构，以将不同于所述第一固体金属的第二固体金属移动到所述喷射器中的所述贮器的所述接收器中以进行熔融。
6.新的3d金属物体打印机形成支撑结构，在没有不利地影响3d金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。新3d金属物体打印机包括具有贮器的喷射器(贮器内具有接收器)、被配置为将贮器加热到足以使贮器的接收器内的固体金属熔融的温度的加热器、被配置为将第一固体金属移动到喷射器中的贮器的接收器中的第一固体金属进料机构、以及被配置为将不同于第一固体金属的第二固体金属移动到喷射器中的贮器的接收器中以进行熔融的第二固体金属进料机构。
附图说明
7.下面结合附图说明了用于形成支撑结构的方法的前述方面和其他特征，在没有不利地影响3d金属物体打印机和实现该方法的3d金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密地粘附到由这些结构支撑的物体特征。
8.图1描绘了新的3d金属物体打印机，其形成支撑结构，在没有不利地影响3d金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。
9.图2是用于向图1中的线材引导件124提供线材并且测量从图1中的打印机的贮器的接收器缩回的线材的线材进料机构的示意图。
10.图3a是用于形成物体中的金属悬垂结构的金属支撑结构的形成的图示，并且图3b示出了在物体和支撑结构的冷却期间金属支撑结构从金属悬垂结构的收缩。
11.图3c示出了具有分段边界的支撑结构的形成，以便于在物体制造过程完成之后移除支撑结构。
12.图4a是形成支撑结构的过程的流程图，在没有不利地影响3d金属物体打印机的环境的情况下，这些支撑结构不紧密粘附到由这些结构支撑的物体特征。
13.图4b是形成具有分段边界的支撑结构的过程的流程图，因此其不会紧密粘附到由支撑结构支撑的物体特征部。
14.图5是现有技术3d金属打印机的示意图，其不包括用于形成用不同金属合金制成的支撑结构的组件。
具体实施方式
15.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。
16.图5示出了先前已知的3d金属物体打印机100的实施方案，其喷射单一熔融金属的液滴以在不使用支撑结构的情况下形成物体。在图5的打印机中，从具有单个喷嘴108的可移除贮器104的接收器喷射熔融块体金属液滴，并且来自喷嘴的液滴在平台112上形成用于物体的层的条带。如本文档中所用，术语“可移除贮器”是指具有被配置为保持液体或固体
物质的接收器的中空容器，并且该容器作为整体被配置为在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”是指具有被配置为保持液体或固体物质的接收器的中空容器，该容器作可以被配置为在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或宏观尺寸比例的球丸。
17.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，该孔被配置为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维持在上液位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。喷嘴与喷射的金属液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。
18.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竖直运动。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，以维持喷射器头部140的底板114中的孔口110与平台112上的物体的最上表面之间的适当距离。
19.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竖直距离，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能够被配置为使喷射器头部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配置为在x-y平面和z轴两者中移动平台112。
20.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。
21.3d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的喷射、平台112的定位以及保持孔口110与平台112上的物体的最上层之间的距离。
22.图1中示出了一种新的3d金属物体打印机100
′
，使用相同的参考标号来表示相同的部件。控制器148
′
已被配置有存储在操作地连接到控制器的非暂时性介质中的编程指令，当由控制器执行时，这些编程指令致使控制器检测模型数据中的金属支撑结构层，并生成机器就绪指令，这些机器就绪指令操作致动器144中的一个或多个致动器，以将来自供应源116b的支撑金属合金进料到可移除贮器104中，从而改变贮器中熔融金属的组成，因此来自喷嘴108的后续金属液滴喷射形成金属支撑结构。在形成金属支撑结构的全部或一部分之后，控制器148
′
随后检测用于形成物体层的机器就绪指令，并且操作致动器144中的一个或多个致动器，以将构建的金属合金从供应源116a进料到可移除贮器104中，从而改变贮器中熔融金属的组成，因此来自喷嘴108的后续金属液滴喷射形成物体结构。物体结构形成与支持结构形成之间的这种改变继续，直到物体完成为止。然后，用不同金属合金形成的金属支撑结构可以在不机加工的情况下与物体分离。
23.更详细地，打印机100
′
包括两个金属供应源116a和166b，所描绘的两个金属供应源为卷轴，尽管供应源可以是金属粉末或金属粒料的体积。将来自两个供应源116a和116b的线材独立地且分别地提供给两个线材进料机构200a和200b，下文更详细地描述了这两个线材进料机构。这些机构连接到一个或多个致动器，以为机构中的辊提供动力，从而分别通过线材引导件118a和118b推动线材。这两个线材引导件将线材引导到公共线材引导件122中，所述公共线材引导件将线材进料到贮器104中以进行熔融。
24.图2中示出了用于将线材从线材供应源116a通过线材引导件118a进料到贮器104
的机构200a。机构200a是用于机构200a和200b的一个实施方案，以将线材分配到贮器中。控制器148’操作地连接到致动器，诸如步进马达240，以控制线材从供应源116a递送到贮器104的速率。致动器240驱动辊224并且操作地连接到控制器148’，使得控制器可以调节致动器驱动辊224的速度。与辊224相对的另一个辊是自由轮转的，使得该另一个辊遵循辊224被驱动的旋转速率。
25.滑动离合器244操作地连接到致动器240的驱动轴，所述驱动轴将线材进料到贮器。如本文所用，术语“滑动离合器”是指在摩擦力达到预先确定的设定点之前，向物体施加摩擦力以移动物体的设备。当超过摩擦力的预先确定的设定点的范围时，该设备滑动，从而该设备不再向物体施加摩擦力。滑动离合器使得通过辊224施加在线材120上的力能够保持在线材的强度的约束内，无论驱动器240被驱动的频率、速度或长度如何。通过以高于驱动辊224的最快预期旋转速度的速度驱动致动器240或者通过将编码器轮248放在辊224上并用传感器252感测旋转速率来保持该恒定力。由传感器252生成的信号指示辊224的角度旋转，并且控制器148
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使用该信号和辊224的半径以识别从线材供应源116a进料到贮器104中的线材的长度。也就是说，机构200a和200b作为一种类型的线材位移传感器操作。另选地，与驱动辊224相对的自由轮转辊可以具有安装到其上的编码器248，以生成指示其角位置的信号，因此可以确定由机构进料的金属线材的长度。在另外的另选设计中，省略了滑动离合器244，并且记录了步进马达240将线材的一段进料到接收器中的马达行进的步骤的数量，并且将其用于确定线性线材行进的长度。
26.将进料到贮器104中的线材的长度用于确定添加到贮器104的熔融金属的体积。当要形成金属支撑结构层时，控制器148
′
在机构200b中操作致动器144，以将足以使贮器中熔融金属的体积主要是用于形成金属支撑结构的合金的线材长度进料到贮器104中。当控制器148
′
检测到要形成物体层的一部分时，控制器在机构200a中操作致动器144，以将足以使贮器中熔融金属的体积主要是用于形成金属物体结构的合金的线材长度进料到贮器104中。
27.供应源116b的支撑结构金属被专门选择，以具有与供应源116a的构建金属失配的热膨胀系数。热膨胀系数的失配使得支撑结构能够在物体制造已完成之后冷却物体和支撑结构时以与物体结构不同的速率收缩。根据支撑结构的完整性，其从物体结构塌缩或分离，因此支撑结构易于从物体移除以产生最终部分。
28.在一个实施方案中，用于物体结构的公共铝合金(诸如al 6061、al 356、al 7075和al 4043)的热膨胀系数为约13
×
10-6
/℃。在两种金属的最高熔点到室温的温度范围内，金属支撑结构的金属/合金具有与用于物体结构的金属的热膨胀系数失配的热膨胀系数。支撑结构金属还通过溶解在贮器内的熔融物体结构金属中来与物体结构金属兼容。这些标准将以下金属识别为合适的支撑结构材料以与先前指出的铝物体结构材料一起使用：其它铝合金、镁、锌以及镁和锌的合金。对于用al-7075制成的金属物体结构，其具有α＝～12.9
×
10-6
/℃的热膨胀系数，可用的金属支撑结构金属是具有α＝～1
×
10-5
/℃的热膨胀系数的al-4032或具有α＝～14
×
10-6
/℃的热膨胀系数的al-520。
29.在一个实施方案中，当要进行从一种金属转变到另一种金属时，控制器操作致动器以将喷射器移动远离物体，并且然后操作喷射器以排出当前正在被使用的材料的量，该量大约为喷嘴的体积的一又二分之一，以确保喷射的下一种金属液滴主要是金属物体金属
或金属支撑金属。为了使贮器中熔融金属的量对应于喷嘴的体积，贮器中熔融金属的液位被保持在低液位处，该液位接近使用先前指出的激光液位传感器的喷嘴的体积。
30.图3a中示出了两种材料的交错使用的示例。在最左图示中，物体的u形部分304使用来自物体构建材料卷轴116a的金属来形成。在用于形成部分304的熔融金属从贮器排出之后，将对应于支撑结构308的支撑结构材料的量进料到贮器中并熔融，因此可以操作喷射器以在部分304的u形凹部中形成支撑结构。在残余支撑材料从喷射器的喷嘴排出之后，在支撑结构308上形成物体悬垂部312。如图3a的最右图示中所示，移除支撑结构，因此物体具有形成支撑结构的开口。
31.图3b示出了具有支撑结构308的物体部分304和悬垂部312。当物体制造完成时，将复合物体冷却。用于形成支撑结构308的材料的热膨胀系数使得其能够比物体部分和悬垂部收缩更多。因此，支撑结构与物体部分和悬垂部分离，因此可以将其移除以形成开口，如图3b的最右图示中所示。
32.图3c示出了附加的技术，以便于移除支撑结构。除了用具有不同热膨胀系数的材料形成支撑结构之外，支撑结构308
′
也形成有凸起部316以在支撑结构308
′
的主体与物体部分304和悬垂部312之间形成分段边界320。支撑结构308
′
与物体部分304和悬垂部312之间的这种分段边界320不会如图3a和图3b中所示的固体边界一样紧密地粘附到物体和悬垂部。因此，在将复合物体冷却之后，可以比图3a和图3b中所示的支撑结构更容易地将支撑结构308
′
从物体移除。在另一个实施方案中，支撑结构308
′
由用于形成物体部分304和悬垂部312的相同材料形成。然而，分段边界320便于将支撑结构308’与物体部分304和悬垂部312分离，即使它们由相同材料制成。
33.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。
34.图4a中示出了用于操作3d金属物体打印机100
′
以形成具有熔融金属的金属支撑结构的过程，所述熔融金属与用于形成物体结构的熔融金属不同。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。
35.图4a是操作打印机100
′
以用熔融金属形成支撑结构的过程400的流程图，所述熔融金属与用于形成金属物体的部分的熔融金属不同。该过程开始于用第一熔融金属形成物
体层(框404)。在完成每个物体层之后，该过程确定待形成的下一层是否是支撑层(框408)。如果下一层不是支撑层，则过程继续用第一金属形成物体层(框404)。如果下一层是支撑层，则该过程将喷射器移动到贮器中的熔融金属可以被排出的位置，并且操作喷射器以将熔融的第一金属从喷射器排出(框412)。将适当量的用于形成结构层的第二金属进料到贮器中，熔融，并且喷射器返回到物体形成区域，以用熔融的第二金属产生支撑结构的层(框416)。形成支撑结构层(框420)，并且该过程确定待形成的下一层是否是物体层(框424)。如果下一层是支撑层，则该过程继续用第二金属形成支撑层(框420)。如果下一层是物体层，则该过程将喷射器移动到贮器中的熔融的第二金属可以被排出的位置，并且操作喷射器以将熔融的第二金属从喷射器排出(框428)。将适当量的第一金属进料到贮器中，熔融，并且喷射器返回到物体形成区域(框432)。形成物体层(框404)，并且该过程继续，直到已经形成所有物体层和支撑层。
36.图4b是操作打印机100
′
以形成具有分段边界以形成金属物体的部分的支撑结构的过程400
′
的流程图。使用类似的参考标号来描述类似的处理，该过程开始于用第一熔融金属形成物体层(框404)。在完成每个物体层之后，该过程确定待形成的下一层是否是支撑层(框408)。如果下一层不是支撑层，则过程继续用第一金属形成物体层(框404)。如果下一层是支撑层，则该过程形成具有分段边界的支撑结构(框420
′
)，直到该过程确定待形成的下一层是物体层(框424)。如果下一层是支撑层，则该过程继续形成具有分段边界的支撑结构(框420
′
)。当下一层是物体层时，该过程继续形成物体层(框404)，直到要形成另一个支撑层(框408)。此过程继续，直到已经形成所有物体层和支撑层。
37.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。