本公開涉及增材制造方法，特別地涉及一種增材制造方法，其中將諸如金屬粉末的顆粒材料以多層被沉積到構(gòu)建區(qū)域中，每層的多個部分在每層沉積期間或之后被結(jié)合在一起以形成對象的各部分，從而由一系列層在構(gòu)建區(qū)域中形成對象。對象的每個層的結(jié)合部分通常也被結(jié)合到先前層的結(jié)合部分，使得對象通過連續(xù)沉積的層以連續(xù)的方式被形成。結(jié)合通常通過選擇性沉積結(jié)合劑進行。本公開還涉及一種在這種方法中使用的處理對象數(shù)據(jù)的方法，以及用于實現(xiàn)處理對象數(shù)據(jù)的方法的數(shù)據(jù)載體和對象數(shù)據(jù)處理器。本公開還涉及實現(xiàn)制造方法的裝置以及通過制造方法制造的對象。

背景技術(shù)：

增材制造方法，其中，對象通過將構(gòu)造材料的各部分結(jié)合在一起以形成對象而被構(gòu)建，被廣泛地認為是為傳統(tǒng)減材制造方法提供重要的和有利的替代方案，在所述減材制造中，對象通過去除材料的一部分以限定對象的表面來形成。

在多種增材制造中，構(gòu)造材料作為一系列層被沉積到構(gòu)建區(qū)域中，每層的各部分被結(jié)合在一起并且還與下面的層的先前結(jié)合部分結(jié)合在一起，以建立一個待被制造的對象。一類特殊類型的增材制造(通常被稱為3d打印)涉及顆粒材料的順序?qū)拥綐?gòu)建區(qū)域中的沉積，和在每個層的沉積之后或期間，通過選擇性地施加來自例如被布置成跨過沉積層，并被布置成在每個已沉積的層上的期望位置上選擇性地沉積結(jié)合劑的噴墨頭的液體結(jié)合劑，將層的各部分選擇性地結(jié)合在一起。

如果待被制造的對象的工程要求不要求在對象中具有高強度，則在沉積結(jié)合劑到顆粒構(gòu)造材料的順序?qū)拥墓に囃瓿芍?，認為對象的制造已經(jīng)完成可能是足夠的。這種制造的對象主要由因結(jié)合劑的存在而導(dǎo)致的顆粒構(gòu)造材料的顆粒之間的結(jié)合強度獲得他們的機械工程性能。然而，依靠結(jié)合劑結(jié)合顆粒彼此通常導(dǎo)致低的強度和隨之而來的對象易于斷裂的傾向。

因此，一類3d打印技術(shù)使用顆粒構(gòu)造材料，例如金屬或非金屬粉末，其隨后在適當?shù)臈l件例如施加升高的溫度或壓力下被燒結(jié)。特別地，例如通過加熱到低于金屬熔點的溫度，由作為顆粒構(gòu)造材料的金屬粉末制成的對象可以被燒結(jié)，以實現(xiàn)具有顯著改善的機械性能的對象。

然而，當燒結(jié)對象由以下顆粒構(gòu)造材料(所述顆粒構(gòu)造材料在燒結(jié)之前包括將顆粒構(gòu)造材料的顆粒彼此結(jié)合以形成對象的結(jié)合劑制成時)，涂覆顆粒的結(jié)合劑的存在可能干擾燒結(jié)過程，且可以導(dǎo)致與通過燒結(jié)不包含任何結(jié)合劑的等效純顆粒構(gòu)造材料形成的部件相比，有利的機械性能如硬度和壓縮強度和拉伸強度的降低。

因此，存在提供能夠改善由這種技術(shù)制造的對象的機械性能的方法和裝置的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種用于制造對象的增材制造方法。該方法包括沉積顆粒金屬構(gòu)造材料的連續(xù)層。該方法包括選擇性地結(jié)合每個層的第一區(qū)域以形成構(gòu)造材料的結(jié)合殼體，通過沉積結(jié)合劑到圍繞保持未結(jié)合的第二區(qū)域的第一區(qū)域中來限定對象的外部。該方法包括從保留在殼體之外的構(gòu)造材料分離殼體和所封圍的未結(jié)合構(gòu)造材料。

在一個實施方式中，由殼體包圍的體積的至少50％，至少60％，至少70％，至少80％，至少90％或至少95％在所制造的對象中未結(jié)合。

在一個實施方式中，殼體是連續(xù)的并且基本上或完全地限定對象的外部。

在一個實施方式中，該方法還包括在殼體和所封圍的構(gòu)造材料從保留在殼體外部的構(gòu)造材料分離之后，在在第一溫度下進行的脫離結(jié)合過程中對構(gòu)造材料的結(jié)合區(qū)域進行脫離結(jié)合，所述第一溫度低于構(gòu)造材料的熔點。

在一個實施方式中，第一溫度不超過構(gòu)造材料的熔點的90％，80％，70％或60％。

在一個實施方式中，該方法還包括在其中殼體和封圍的構(gòu)造材料被燒結(jié)到一起以形成對象的燒結(jié)過程中升高殼體和封圍的構(gòu)造材料到第二溫度，所述第二溫度高于第一溫度。

在一個實施方式中，第二溫度不超過構(gòu)造材料的熔點的90％，80％或70％。

在一個實施方式中，升高殼體和封圍的構(gòu)造材料到其中殼體和封圍的構(gòu)造材料燒結(jié)在一起的第二溫度是在脫離結(jié)合過程中對構(gòu)造材料的結(jié)合區(qū)域脫離結(jié)合之后發(fā)生的。

在一個實施方式中，脫離結(jié)合過程在空氣、還原氣氛、氧化氣氛、惰性氣氛或催化氣氛中、和/或在低于800mbar的壓力下之一中進行。

在一個實施方式中，該方法包括固化結(jié)合劑。

在一個實施方式中，金屬選自純金屬或合金，純金屬或合金具有大于50％，大于60％，大于70％或大于80％的鐵，鈦，金，銅，銀或鎳。

在一個實施方式中，金屬從純金屬或合金中選擇，純金屬或純合金具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)。

在一個實施方式中，結(jié)合劑是可空氣固化的，可熱固化的或可紫外線固化的。

在一個實施方式中，殼體具有小于2mm，小于1mm，小于0.5mm，小于0.25mm，或小于0.125mm的厚度。

根據(jù)本公開的第二方面，提供了根據(jù)第一方面的方法制造的對象。

根據(jù)本公開的第三方面，提供了一種處理對象數(shù)據(jù)的方法。該方法包括獲得表示待被制造對象的對象數(shù)據(jù)。該方法包括識別待被制造的對象的表面部分。該方法包括基于所識別的表面部分生成殼體數(shù)據(jù)，殼體數(shù)據(jù)表示待被制造的對象的從所識別的表面部分向內(nèi)延伸的殼體部分。該方法包括輸出生成的殼體數(shù)據(jù)。

根據(jù)本公開的第四方面，提供了一種攜帶程序指令的數(shù)據(jù)載體，程序指令被配置為當被執(zhí)行時使數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行根據(jù)第三方面的方法。

根據(jù)本公開的第五方面，提供了一種對象數(shù)據(jù)處理器。該對象數(shù)據(jù)處理器包括對象數(shù)據(jù)獲取單元，其可操作用于獲取表示待被制造對象的對象數(shù)據(jù)。對象數(shù)據(jù)處理器包括表面部分識別單元，其可操作用于識別待被制造的對象的表面部分。對象數(shù)據(jù)處理器包括殼體數(shù)據(jù)生成單元，其可操作用于基于所識別的表面部分生成殼體數(shù)據(jù)，殼體數(shù)據(jù)表示待被制造的對象的從所識別的表面部分向內(nèi)延伸的殼體部分。對象數(shù)據(jù)處理器包括用于輸出生成的殼體數(shù)據(jù)的殼體數(shù)據(jù)輸出單元。

根據(jù)本公開的第六方面，提供了一種用于制造對象的增材制造方法。該方法包括沉積構(gòu)造材料的連續(xù)層。該方法包括選擇性地結(jié)合每個層的第一區(qū)域以形成限定對象外部的構(gòu)造材料的結(jié)合殼體。該方法包括選擇性地結(jié)合每個層的第二區(qū)域以形成與殼體接觸的支撐部分，并且其功能是內(nèi)部支撐殼體抵抗外力。

在一個實施方式中，每個層的在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間延伸的區(qū)域基本上保持不結(jié)合。

在一個實施方式中，殼體是連續(xù)的，且基本上或完全地限定對象的外部。

在一個實施方式中，第一區(qū)域通過選自以下的方法結(jié)合：局部燒結(jié)、局部熔化、液體結(jié)合劑的沉積或局部光聚合。

在一個實施方式中，第二區(qū)域通過選自以下的方法結(jié)合：局部燒結(jié)、局部熔融、液體結(jié)合劑的沉積或局部光聚合。

在一個實施方式中，第一區(qū)域和第二區(qū)域通過常用的結(jié)合方法來結(jié)合。

在一個實施方式中，第一區(qū)域和第二區(qū)域分別由不同的結(jié)合方法結(jié)合。

在一個實施方式中，第一區(qū)域和第二區(qū)域被結(jié)合成使得第一區(qū)域比第二區(qū)域相對更強地被結(jié)合。

在一個實施方式中，第一區(qū)域與第二區(qū)域相比，每單位層面積被結(jié)合有更大體積的液體結(jié)合劑。

在一個實施方式中，支撐部分具有跨過殼體延伸和在殼體內(nèi)延伸的結(jié)合材料列的形式。

在一個實施方式中，支撐部分具有跨過殼體延伸和在殼體內(nèi)延伸的結(jié)合材料的三維網(wǎng)格的形式。

在一個實施方式中，網(wǎng)格包括規(guī)則和重復(fù)單元結(jié)構(gòu)。

在一個實施方式中，網(wǎng)格包括不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

在一個實施方式中，該方法還包括從保留在殼體外部的構(gòu)造材料分離殼體和封圍的構(gòu)造材料。

在一個實施方式中，該方法還包括升高殼體和封圍的構(gòu)造材料到其中殼體和封圍的構(gòu)造材料被燒結(jié)到一起以形成對象的第一溫度。

在一個實施方式中，該方法還包括，在殼體和封圍的構(gòu)造材料從保留在殼體外部的構(gòu)造材料分離之后，并且在升高殼體和封圍的構(gòu)造材料到第一溫度之前，在低于第一溫度的第二溫度下進行的脫離結(jié)合過程中，使構(gòu)造材料的結(jié)合區(qū)域脫離結(jié)合。

根據(jù)本公開的第七方面，提供了一種處理對象數(shù)據(jù)的方法。該方法包括獲得表示待被制造的對象的對象數(shù)據(jù)。該方法包括識別待被制造的對象的表面部分。該方法包括基于所識別的表面部分生成殼體數(shù)據(jù)，殼體數(shù)據(jù)表示待被制造的對象的從所識別的表面部分向內(nèi)延伸的殼體部分。該方法包括基于所識別的表面數(shù)據(jù)生成支撐部分數(shù)據(jù)，所述支撐部分數(shù)據(jù)表示接觸殼體的支撐部分，所述支撐部分用于內(nèi)部支撐殼體來抵抗外力。該方法包括組合支撐部分數(shù)據(jù)和殼體數(shù)據(jù)以獲得表示殼體和布置在殼體內(nèi)的支撐部分的組合數(shù)據(jù)。該方法包括輸出組合數(shù)據(jù)。

根據(jù)本公開的第八方面，提供了一種攜帶程序指令的數(shù)據(jù)載體，該程序指令被配置為當被執(zhí)行時使數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行根據(jù)第七方面的方法。

根據(jù)本公開的第九方面，提供了一種對象數(shù)據(jù)處理器。該對象數(shù)據(jù)處理器包括對象數(shù)據(jù)獲取單元，用于獲取表示待被制造的對象的對象數(shù)據(jù)。對象數(shù)據(jù)處理器包括表面部分識別單元，其可操作用于識別待被制造的對象的表面部分。對象數(shù)據(jù)處理器包括殼體數(shù)據(jù)生成單元，其可操作用于基于所識別的表面部分生成殼體數(shù)據(jù)，殼體數(shù)據(jù)表示待被制造的對象的從所識別的表面部分向內(nèi)延伸的殼體部分。對象數(shù)據(jù)處理器包括支撐部分數(shù)據(jù)生成單元，其可操作用于基于所識別的表面數(shù)據(jù)生成支撐部分數(shù)據(jù)，所述支撐部分數(shù)據(jù)表示接觸殼體的支撐部分，其功能是抵抗外力內(nèi)部支撐殼體。對象數(shù)據(jù)處理器包括組合單元，其可操作以組合支支撐部分數(shù)據(jù)和殼體數(shù)據(jù)，以獲得表示殼體和布置在殼體內(nèi)的支撐部分的組合數(shù)據(jù)。對象數(shù)據(jù)處理器包括用于輸出組合的殼體數(shù)據(jù)的組合數(shù)據(jù)輸出單元。

根據(jù)本公開的第十方面，提供了通過根據(jù)第六方面的方法制造的對象。

附圖說明

為了更好地理解本公開的內(nèi)容，并且為了說明如何實施本發(fā)明，僅作為示例參考附圖，其中：

圖1至6表示增材制造工藝中的步驟；

圖7示出了增材制造工藝的流程圖；

圖8表示增材制造工藝中的一個沉積的和選擇性結(jié)合的層；

圖9表示根據(jù)被公開的增材制造工藝的制造對象，其已被分割以顯示其內(nèi)部；

圖10a表示通過根據(jù)本公開的方法形成的對象的微觀結(jié)構(gòu)；

圖10b表示通過比較方法形成的對象的微觀結(jié)構(gòu)；

圖11表示與在圖9中表示的制造對象相當?shù)闹圃鞂ο螅哂刑娲鷥?nèi)部結(jié)構(gòu)配置；

圖12示出了表示根據(jù)本公開的處理數(shù)據(jù)的方法的流程圖；

圖13表示根據(jù)本公開的用于處理對象數(shù)據(jù)的裝置；

圖14表示根據(jù)本公開的處理對象數(shù)據(jù)的替代方法；和

圖15表示根據(jù)本公開的另一方面的用于處理對象數(shù)據(jù)的裝置。

具體實施方式

圖1示出了其中本公開的概念可以被實現(xiàn)的制造裝置。圖1的裝置10具有有上表面11a的臺11。這里，上表面11a是平坦的。設(shè)置在臺11的表面11a中的是一個凹阱12，其兩側(cè)由從臺的表面11a在垂直的方向延伸的側(cè)壁11b限定。排列在凹阱12中并且具有在桌表面的平面內(nèi)(xy平面)內(nèi)與凹阱相匹配的延伸范圍的是支撐板13。支撐板13還具有平坦的上表面13a，且可移動地被布置在凹阱12中，使得凹阱的深度在垂直于臺11的表面11a的方向(z方向)上，從而在臺11的表面11a和支撐板13的表面13a之間的凹阱的深度是可變的。例如，支撐板13可以通過活塞14移動，活塞14適于根據(jù)來自裝置的控制單元(未示出)的指令升高和降低支撐板13。

雖然圖1在剖面(xz平面的橫截面)畫出，凹阱、臺和板均具有沿著在進入紙面的方向(y方向)的延伸范圍。例如，凹阱12以及相應(yīng)的支撐板13可以是矩形的、正方形的、圓形的、橢圓形的，或者當在垂直于臺11的表面11a的方向(即，進入凹阱)觀察時可以具有其它形狀。

當然，盡管臺11的表面在這里被公開為平坦的，但是該表面可以是彎曲的或傾斜的，并且在一些結(jié)構(gòu)中可能稍微向上傾斜或向下遠離凹阱。

在臺11的表面上方，打印頭15被布置成至少在x方向上平移。例如，可以設(shè)置導(dǎo)軌16，其沿著x方向延伸，打印頭15可以沿著所述導(dǎo)軌被布置成通過例如滑輪、齒輪齒條驅(qū)動或蝸桿驅(qū)動來平移。打印頭15可以在裝置的控制單元的控制下移動。這里的打印頭15具有兩個分配部件，即被布置成當打印頭15跨過凹阱12平移時將顆粒構(gòu)造材料沉積到凹阱12中的構(gòu)造材料沉積單元15a，和被布置成當打印頭15橫過凹阱12時在凹阱12中的選定位置分配結(jié)合劑(例如液體結(jié)合劑)以將先前沉積的顆粒構(gòu)造材料的部分結(jié)合在一起的結(jié)合劑沉積單元15b。

構(gòu)造材料沉積單元15a和結(jié)合劑沉積單元15b中的每一個可以被偶聯(lián)到適當?shù)牟牧蟽Υ嫫?，每個儲存器可以作為打印頭15的一部分被提供，或者可以被布置在裝置10的另一部分，或者可以從外部提供。

打印頭15可以被布置成僅在一個方向(x方向)上正向和反向跨過凹阱12平移，或者也可以被布置成在另一個方向以一定角度(例如垂直方向(y方向))平移到第一方向。

在本結(jié)構(gòu)中，打印頭15被布置成在凹阱12上方在僅一個方向(x方向)上行進。為了允許構(gòu)造材料沉積單元15a跨過凹阱12的整個寬度在垂直于打印頭15的平移方向(y方向)的方向上沉積顆粒構(gòu)造材料，構(gòu)造材料沉積單元15a可以在垂直于打印頭15的行進方向(y方向)的方向上具有與凹阱12的最大寬度方向相同或更大的延伸范圍，并且可以提供一個或多個構(gòu)造材料沉積位置，在控制單元的控制下，構(gòu)造材料可以從所述構(gòu)造材料沉積位置被分配，以便在凹阱的寬度上沉積均勻的粉末層。例如，構(gòu)造材料沉積單元15a可以具有延伸跨過凹阱12的整個寬度的狹縫形狀的單個大的分配孔口，或者可以被設(shè)置有跨過凹阱12的寬度以陣列被布置的足夠緊密地被間隔開的若干較小分配孔，以便沉積均勻的粉末層到凹阱中。

通過這種結(jié)構(gòu)，當打印頭15沿著導(dǎo)軌16橫向跨過凹阱12時，基本上均勻的粉末層可以被分配到凹阱中，其厚度可以由顆粒構(gòu)造材料從構(gòu)造材料沉積單元15a中被分配的速率和打印頭15橫向跨過凹阱12的速度來確定。

打印頭15還可以被設(shè)置有平滑裝置，例如刮刀或平滑輥，其可以相對于其中打印頭15在從構(gòu)造材料沉積單元15a分配構(gòu)造材料的同時移動的向前方向(x方向)在構(gòu)造材料沉積單元15a的后面被布置，以便平滑在此移動期間沉積的構(gòu)造材料層的深度的任何不規(guī)則性。平滑單元可以相對于打印頭15縮回，或者可以相對于臺11的表面11a或相對于構(gòu)造材料沉積單元15a的一個或多個分配孔口的高度在高度上被固定。

結(jié)合劑沉積單元15b相對于其中打印頭15在從構(gòu)造材料沉積單元15a沉積構(gòu)造材料的同時行進的行進方向被布置在構(gòu)造材料沉積單元15a的后面。結(jié)合劑沉積單元15b適于在凹阱12中的各種位置選擇性地沉積結(jié)合劑，以便將預(yù)先沉積的構(gòu)造材料的部分結(jié)合在一起，以形成在沉積的層中的接合區(qū)域。

在本結(jié)構(gòu)中，結(jié)合劑沉積單元15b是被布置成根據(jù)來自裝置的控制單元的命令噴射結(jié)合劑液滴的噴墨式打印頭。結(jié)合劑沉積單元15b可以提供一組以預(yù)定間隔跨過凹阱12的寬度方向延伸的孔口，每個孔口獨立地可控制，以便當打印頭15沿著導(dǎo)軌16橫跨過凹阱12時，跨過沉積的層在不同位置選擇性地沉積結(jié)合劑。在另一種結(jié)構(gòu)中，結(jié)合劑沉積單元15b可以僅具有一個或更少數(shù)量的孔口，結(jié)合劑可以從該孔口噴射，并且可以被布置成在垂直于打印頭15跨過凹阱12的行進方向的方向上平移跨過打印頭15。在第一種結(jié)構(gòu)中，結(jié)合劑被沉積的位置由被激活以沉積結(jié)合劑的孔口和打印頭15跨過凹阱12的位置決定，而在第二種結(jié)構(gòu)中，跨過凹阱12的寬度方向的結(jié)合劑沉積單元15b的位置也確定了其中結(jié)合劑被沉積的位置。

在一些結(jié)構(gòu)中，打印頭15從初始位置跨過凹阱12做第一次通過，其中構(gòu)造材料層被沉積，然后返回到初始位置，然后在相同方向上進行第二次通過，其中結(jié)合劑被沉積在先前沉積的層上。在另一種結(jié)構(gòu)中，構(gòu)造材料從構(gòu)造材料沉積單元15a被沉積，并且在整個層已經(jīng)沉積之前，結(jié)合劑在同一次通過中從結(jié)合劑沉積單元15b選擇性地被沉積。這兩種結(jié)構(gòu)的后者在以下被采用，雖然前者是一種替代實施方式。

如果由結(jié)合劑沉積單元15b沉積的結(jié)合劑不需要特定的固化處理，例如，如果結(jié)合劑在與空氣接觸時固化，或者如果結(jié)合劑通過兩個同時或隨后的一起反應(yīng)和固化的噴射組分的組合形成，不需要額外的固化單元。然而，結(jié)合劑可以是例如可輻射固化的，并且可能需要施加例如紫外光來硬化和固化結(jié)合劑。在這種結(jié)構(gòu)中，打印頭15可以包括在其中當沉積結(jié)合劑時打印頭15移動的向前方向上在結(jié)合劑沉積單元的后面被布置的固化單元，使得由結(jié)合劑沉積單元15b沉積的結(jié)合劑可以通過從固化單元施加紫外(uv)光固化。在本結(jié)構(gòu)中，假設(shè)使用的結(jié)合劑不需要固化單元，因此沒有顯示固化單元。

在另外可能的結(jié)構(gòu)中，結(jié)合劑是可熱固化的，并且打印裝置可以被配置成提高凹阱的溫度以烘烤和固化結(jié)合劑。

打印頭的移動、構(gòu)造材料沉積單元的激活以及結(jié)合劑沉積單元的激活和控制可以均由裝置的控制單元單獨地控制，使得當打印頭橫過凹阱12時均勻的粉末層可以被沉積，并且該層的選定區(qū)域可以被結(jié)合在一起以形成該層的結(jié)合區(qū)域。

通常，層的厚度被控制成使得由結(jié)合劑沉積單元15b噴射的結(jié)合劑不僅穿透該層的整個厚度，且因此將層的全部厚度結(jié)合在一起，而且也將穿透過至層的足夠下方，以將層的結(jié)合部分與下層的結(jié)合部分結(jié)合。如果更厚的層待被沉積，則控制單元可以增加每單位面積被沉積層的被沉積結(jié)合劑量，并且如果更薄的層待被沉積，則可以減少該量。

在如圖2所示的結(jié)構(gòu)中，支撐板13已經(jīng)從表面11a被降低至少一個待沉積構(gòu)造材料層的厚度。從在圖2中所示的位置，打印頭15橫過凹阱12并從構(gòu)造材料沉積單元15b沉積一層構(gòu)造材料，同時將沉積的層的部分與從結(jié)合劑沉積單元15b沉積的結(jié)合劑結(jié)合在一起。這導(dǎo)致圖3所示的配置。其中具有選擇性地結(jié)合在一起的部分的構(gòu)造材料層7在凹阱12中位于支撐板13的上表面13a上。并且其中打印頭15現(xiàn)在位于凹阱的與在圖2中所示的起始位置相反的一側(cè)。從如圖3所示的位置，打印頭15返回到如圖2所示的起始位置，且支撐板13被進一步降低另一層的厚度，如圖4所示。隨后打印的層可以具有與第一層相同的厚度，或者可以具有不同的厚度。在本結(jié)構(gòu)中，為簡便起見，假設(shè)所有層具有相同的厚度。

從圖4所示的結(jié)構(gòu)，打印頭15跨過凹阱12進行另一次通過，以便在凹阱12中的層7的頂部上沉積另外的層8，如與從圖2到圖3的轉(zhuǎn)變相聯(lián)系所描述的，如圖5所示。層8的部分被接合在一起，并且結(jié)合劑充分地穿透層8，以將層8的接合部分接合到直接位于下方的層7的接合部分。從圖4到圖5過渡過程然后被重復(fù)用于所需數(shù)量的層，層的數(shù)量和厚度以及每個層上的結(jié)合劑被沉積的位置根據(jù)待被制造的對象的設(shè)計來控制。最終，最后一層被打印，并且可選地在固化結(jié)合劑的烘烤過程后，打印的對象從凹阱12中被取出，得到圖6所示的結(jié)構(gòu)。從該結(jié)構(gòu)，支撐板13可以由活塞被提升以獲得在圖1中所示的結(jié)構(gòu)，可從此點再次開始打印。

制造裝置10的控制，尤其是至少在每個層上結(jié)合劑被沉積的位置的控制由根據(jù)限定待被制造的物體的預(yù)定組制造指令通過控制單元(未示出)來進行。通常，對于圖1中所示的裝置，制造指令定義通過待被制造的對象的一系列連續(xù)的切片，代表待被一起沉積的單個層的每個切片具有每個層上的結(jié)合劑待被沉積和因此組成層的顆粒將被接合在一起的位置的信息。這樣的信息可以例如作為連續(xù)xy平面上的一組沉積矢量，或者替代地，作為連續(xù)xy平面的一組像素圖像來被提供。

在一些配置中，控制單元可以被配置為以其他格式接受對象定義信息，并通過將對象數(shù)據(jù)適當?shù)靥幚頌槎x一系列層的數(shù)據(jù)來控制裝置10以產(chǎn)生由這樣的數(shù)據(jù)定義的對象。例如，對象可以通過cad數(shù)據(jù)來定義，所述數(shù)據(jù)將對象定義為待被結(jié)合在一起的包圍對象區(qū)域的一組表面，作為從一組幾何圖元形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，或者作為3d光柵網(wǎng)格上的體素數(shù)據(jù)。為了處理這種表示，控制單元可以將由對象數(shù)據(jù)表示的待被制造的對象劃分成一系列平面或切片，然后可以確定在其上結(jié)合劑待被沉積的每個平面或切片上的位置，以形成待被制造的對象。

在圖1至圖6中所示的且由制造裝置實現(xiàn)的制造工藝，可以是如圖7所示的更大的制造工藝的部分。在圖7所示的工藝中，在圖1至6所示的打印工藝被表示為步驟s2。在打印工藝之前，在打印工藝中使用的顆粒構(gòu)造材料可以在制備步驟中制備，例如可以被清潔以除去表面雜質(zhì)，或者可以進行表面處理以活化表面，以便更好地與施加的結(jié)合劑結(jié)合。這種制備工藝如圖7的步驟s1所示。

在打印工藝之后，如果結(jié)合劑在打印工藝中不會發(fā)生固化，則結(jié)合劑可以在步驟s3中例如通過加熱對象至固化溫度而固化。這樣的步驟可以在制造裝置的凹阱中或其它地方進行。接下來，對象可以被清潔以從對象的外表面去除多余的未結(jié)合的粉末，例如在步驟s4中使用液體或氣體射流和/或振動去除多余的構(gòu)造材料。

接下來，可以進行脫離結(jié)合步驟，如步驟s5所示，其中對象的溫度被升高，且/或適當?shù)臍夥毡皇┘?，以便蒸發(fā)或分解結(jié)合劑。例如，取決于結(jié)合劑或者粉末，脫離結(jié)合可以在低于燒結(jié)溫度的升高的溫度下進行，或者可能在室溫下發(fā)生。例如，脫離結(jié)合溫度可以不超過構(gòu)造材料的熔點的90％，不超過80％，不超過70％或不超過60％。脫離結(jié)合可以在例如空氣氣氛、低真空(例如小于800mbar)、中真空(例如小于1mbar)、或高真空(例如小于0.01mbar)，反應(yīng)性氣氛(如催化氣氛)，氧化氣氛或還原氣氛，或惰性氣氛(如氮氣或氬氣)下進行。氧化氣氛可以包括氧氣。催化氣氛可以包括硝酸。還原氣氛可以包括氫氣。脫離結(jié)合條件的選擇將取決于所使用的結(jié)合劑和構(gòu)造材料的組成，并且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員通過直接的實驗來優(yōu)化。

最后，在步驟s6中，對象可以被加熱到升高的溫度并保持在該溫度，從而在步驟s6中顆粒構(gòu)造材料被燒結(jié)在一起。s5和s6可以在相同的位置進行，例如在熱處理室或其他地方。燒結(jié)溫度可以不超過構(gòu)造材料的熔點的90％，不超過80％或不超過70％。

根據(jù)本公開的結(jié)構(gòu)中，不是在最終產(chǎn)品中結(jié)合整個待固化的區(qū)域，而是圍繞這些區(qū)域的殼體被沉積，其中區(qū)域的內(nèi)部實質(zhì)上不結(jié)合。

在現(xiàn)有的方法中，圓柱形或球形對象已經(jīng)這樣制造：依次沉積一系列層且在每個層上具有結(jié)合在一起的圓形區(qū)域，從而每層之間的結(jié)合部分堆疊并在層之間連接在一起，形成圓柱形或球形對象。參考圖8，在平面圖中示出了一個這樣的層7，位于圓形邊界7a內(nèi)的圓形區(qū)域7b將被結(jié)合在一起。然而，本發(fā)明人認為通過采用這種方法，即使使用脫離結(jié)合步驟，例如圖7的脫離結(jié)合步驟s5，所制造的對象的內(nèi)部中位于遠離對象的任何表面的結(jié)合劑可能難以滲透至對象，或者如果脫離結(jié)合步驟包括分解結(jié)合劑，則為結(jié)合劑的分解產(chǎn)物難以滲透。在不希望受到任何特定理論束縛下，認為在燒結(jié)步驟之前殘留在所制造的對象內(nèi)部的殘留結(jié)合劑或結(jié)合劑分解產(chǎn)物可能會抑制燒結(jié)工藝期間構(gòu)造材料顆粒表面之間的相互作用，從而可能導(dǎo)致在制造對象中的弱點。

因此，根據(jù)本公開，不是在與待被打印的對象的內(nèi)部相關(guān)聯(lián)的每個層上的每個位置處施加結(jié)合劑，本公開的結(jié)構(gòu)至少施加結(jié)合劑至從待被制造的對象的表面向內(nèi)延伸的殼體區(qū)域，其包圍基本上未結(jié)合的粉末。例如，由殼體包圍的體積的至少50％，至少60％，至少70％，至少80％，至少90％或至少95％在制造對象中可能是未結(jié)合的。

關(guān)于每個層，如圖8所示，不是結(jié)合外表面7a的整個內(nèi)部7b，而結(jié)合從外表面7a延伸到內(nèi)表面7c的相對薄的邊界區(qū)域，使得基本上未結(jié)合的粉末構(gòu)成對象的預(yù)期內(nèi)部。當制造球體或圓柱體時，如圖8所示，限定在殼體的外表面7a和內(nèi)表面7c之間的結(jié)合區(qū)域7d可以形成環(huán)7d。然而，當其他形狀被打印時，結(jié)合邊界區(qū)域7d可以具有另一適當?shù)男螤?。在一些情況下，邊界區(qū)域7d可以具有最大和最小厚度，或者可以具有例如垂直于對象的外表面7a延伸的基本均勻的厚度。例如，殼體可以具有小于2mm，小于1mm，小于0.5mm，小于0.25mm或小于0.125mm的厚度。

通過采用如圖8所示的結(jié)構(gòu)，一旦在如圖1至圖6所示的工藝完成，結(jié)果將是在對象內(nèi)部具有圍繞未結(jié)合粉末的結(jié)合外部殼體的對象。殼體的厚度可以適當?shù)乇徽{(diào)節(jié)，以便給予對象足夠的強度以允許在對象通過最終的燒結(jié)工藝獲得其最終制造強度之前處理和清潔。

根據(jù)本公開的圖1和圖6所示的工藝結(jié)果可以在圖9中看到，其中被描畫為在對象由其被形成的層7,8中的一個的平面中已被截面的制造對象20被看到具有在對象的外表面20a和殼體的內(nèi)表面20c之間延伸的外殼體部分20d，在殼體20d內(nèi)側(cè)基本上未結(jié)合的粉末發(fā)現(xiàn)處于區(qū)域20b中。脫離結(jié)合和燒結(jié)與圖7相關(guān)描述的這樣的對象，或者甚至不進行脫離結(jié)合步驟而燒結(jié)這樣的對象，可以導(dǎo)致更強的燒結(jié)結(jié)合，特別是在沒有提供結(jié)合劑的對象的內(nèi)部。因此，與其中結(jié)合劑在對象的所有最終固體部分存在的對象相比，可以獲得大大改善的機械性能。

為了在燒結(jié)之前對象可以被清潔和處理，優(yōu)選地，殼體20d可以基本上鄰接，即在其中沒有孔形成。然而，對于一些類型的粉末，允許在網(wǎng)狀殼體中具有小孔且制造時的粉末的填料足以防止內(nèi)部未結(jié)合區(qū)域的粉末在處理過程中通過孔落下是可以接受的。

本公開的概念具有有利應(yīng)用的一類構(gòu)造材料是純金屬或合金，其具有質(zhì)量上大于50％，大于60％，大于70％或大于80％的鐵，鈦，金，銅，銀或鎳。

本公開的概念具有有利應(yīng)用的一類構(gòu)造材料是具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)的純金屬或合金。

實驗研究證實，與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，根據(jù)本公開制造的對象得到了顯著改善。例如，圖10a和10b示出了一個這樣的實驗的比較結(jié)果。

兩個立方體部分通過將316l鋼的粉末用空氣硬化結(jié)合劑結(jié)合來制造。在根據(jù)先前實踐的工藝中，整個立方結(jié)構(gòu)在制造工藝中用結(jié)合劑結(jié)合。在根據(jù)本公開的示例中，厚度為1mm的立方殼體被打印以圍繞基本上未結(jié)合的粉末。顆粒粒度近似為15微米，并且在打印之后，兩種結(jié)構(gòu)都在空氣中于350℃脫離結(jié)合，在1370℃燒結(jié)。

樣品在燒結(jié)之后從兩個結(jié)構(gòu)的中心被取出。

圖10a示出了根據(jù)本公開的工藝獲得的結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖10b示出了根據(jù)其中打印后結(jié)合劑注入整個對象的工藝獲得的微觀結(jié)構(gòu)?？梢郧宄乜闯?，與圖10b相比，圖10a表現(xiàn)出大大減小的孔徑，這與經(jīng)驗觀察到的靜態(tài)和動態(tài)強度的改善是一致的。此外，與圖10b的情形相比，在圖10a中的密度也增加。在每種情況下微觀結(jié)構(gòu)的測量之后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從其中衍生出在圖10a中所示的樣品的對象的相對密度為99.7％，而從其中衍生出在圖10b中所示的樣品的對象的相對密度為97.9％。

當使用ti6al4v的粉末進行類似的工藝時，其中所有參數(shù)保持相同，除了ti6al4v的脫離結(jié)合在惰性氬氣氣氛中進行，燒結(jié)在1350℃下進行，類似的結(jié)果可以被獲得，其中通過在整個結(jié)構(gòu)中注入結(jié)合劑而產(chǎn)生的部件具有91％的相對密度，而通過僅在殼體區(qū)域中提供結(jié)合劑而產(chǎn)生的部件實現(xiàn)了99.7％的相對密度。

因此可以理解，通過采用在本公開中闡述的方法和概念可以獲得有利的效果。

對于大部件，可以理解，即使超過例如2mm的相對較厚的殼體也不足以在處理對象期間在燒結(jié)之前保持打印對象的結(jié)構(gòu)，這是由于例如對象的重量和/或質(zhì)量。因此，以下進一步的方法可以被采用，其中殼體如參照圖8和9所公開的那樣被打印，但是殼體由支撐部分內(nèi)部支撐，所述支撐部分延伸跨過殼體的內(nèi)部并且由其中用結(jié)合劑結(jié)合的區(qū)域形成。這可以通過例如包括從圖8所示的邊界區(qū)域7d的內(nèi)表面7c的一側(cè)延伸的支撐部分來實現(xiàn)，其延伸到在殼體內(nèi)部的更遠的一點的位置。獲得的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示，為了與圖9進行比較，其中具有外表面30a和終止于殼體的內(nèi)表面30c并且圍繞未結(jié)合區(qū)域30b的殼體區(qū)域30d的對象30也呈現(xiàn)橫過殼體的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)30e，以便向殼體提供內(nèi)部支撐。

在圖11中，內(nèi)部支撐被顯示為柱狀支柱。然而，其他結(jié)構(gòu)也是可能的，包括其中支撐部分形成結(jié)合材料的網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，其可以是三維網(wǎng)格，其跨過殼體延伸和在殼體內(nèi)延伸。在這種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)格可以包括規(guī)則和重復(fù)單元結(jié)構(gòu)，例如結(jié)晶或多孔結(jié)構(gòu)，而在其它結(jié)構(gòu)中，支撐結(jié)構(gòu)可以包括不規(guī)則結(jié)構(gòu)，例如纖維結(jié)構(gòu)。

通過采用在圖11所示的結(jié)構(gòu)，殼體可以被加強以抵抗外力，而在殼體內(nèi)部和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)之間延伸的未結(jié)合材料的區(qū)域允許支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)合劑至少部分地滲透。因此，與圖9的結(jié)構(gòu)有關(guān)的優(yōu)點可以至少部分地被獲得，同時在燒結(jié)之前改善對象的結(jié)構(gòu)，防止由于處理或其自身的重量或質(zhì)量引起的變形或損壞。

在一些結(jié)構(gòu)中，圖1所示的結(jié)合劑沉積單元15b可以適于沉積兩種不同類型的結(jié)合劑，且在圖11中所示的支撐結(jié)構(gòu)30e可以由與殼體30d中使用的結(jié)合劑不同的結(jié)合劑形成。例如，在支撐結(jié)構(gòu)中使用的結(jié)合劑可以在顆粒結(jié)構(gòu)介質(zhì)的顆粒之間提供比在殼體30d中使用的結(jié)合劑更弱的結(jié)合，但是可以比在殼體30d中使用的結(jié)合劑更容易分解和/或滲透。在某些情況下，結(jié)合劑的量可以在殼體和支撐結(jié)構(gòu)之間的每單位層面積上變化，使得支撐結(jié)構(gòu)可以比殼體具有每單位體積結(jié)構(gòu)相對較小的液體結(jié)合劑的體積。

在一些結(jié)構(gòu)中，可以通過替代技術(shù)而不是液體結(jié)合劑的應(yīng)用來至少結(jié)合形成支撐結(jié)構(gòu)30e的構(gòu)造材料，包括應(yīng)用激光能量的局部燒結(jié)，通過施加熱量局部熔化或局部光聚合。或者，殼體可以通過除液體結(jié)合之外的方法結(jié)合，而支柱30e通過施加液體結(jié)合劑被結(jié)合。

在上文中，已經(jīng)描述了如何通過增材制造裝置的適當?shù)牟僮鱽碇圃鞂ο?，其在燒結(jié)時能實現(xiàn)改善的機械性能。此外，本文公開的概念還可以用于轉(zhuǎn)換描述待被制造的對象的形式的對象定義數(shù)據(jù)，使得當通過數(shù)據(jù)描述的對象在常規(guī)3d打印設(shè)備上被制造時，有利的特性可以被實現(xiàn)。

將參照圖12描述用于轉(zhuǎn)換對象數(shù)據(jù)的一種這樣的方法。圖12示出了用于轉(zhuǎn)換對象數(shù)據(jù)的工藝的流程圖，該對象數(shù)據(jù)是描述待在三維上制造的對象的數(shù)據(jù)，以獲得表示相同對象的數(shù)據(jù)，但是當使用常規(guī)增材制造系統(tǒng)制造時，可以在燒結(jié)后實現(xiàn)與本發(fā)明相關(guān)的改進的機械特性。

在圖12所示的第一處理d1中，對象數(shù)據(jù)被獲得。該對象數(shù)據(jù)可以是計算機輔助設(shè)計(cad)軟件的輸出，并且可以將待被制造的對象表示為包圍對象的固體部分的一系列表面，可以將對象限定為預(yù)定組幾何圖元的組合或者可以將對象表示為在3d空間中的柵格網(wǎng)格上定義對象的一組像素?；蛘撸瑢ο髷?shù)據(jù)可以已經(jīng)被表示為穿過對象的一系列切片，將對象分成多個層，每個層具有待被結(jié)合在一起的限定區(qū)域，例如通常用于控制3d打印裝置。

在圖12所示的方法中，表示待被制造對象的對象數(shù)據(jù)被處理，以識別對象表面。這可以通過各種方法來實現(xiàn)，這些方法可以取決于輸入數(shù)據(jù)被提供的格式。例如，對于被表示為各種幾何圖元的復(fù)合物的對象，這些圖元的表面可以被識別，并且那些圖元的鄰接或位于其它圖元內(nèi)的表面可以被去除，以便限定對象的整個表面。對于由一系列表面表示的對象，該系列表面可以用于限定對象的表面，此外完全位于對象的實心部分內(nèi)的表面，或者鄰接其它表面的表面被從對象表面上省去。

在被定義為具有被限定于其中以待與結(jié)合劑結(jié)合在一起的區(qū)域的一系列切片的對象的情況下，邊緣檢測算法可以在每個切片上被執(zhí)行以確定每個區(qū)域的邊緣，然后每個區(qū)域的邊緣可以與對象的表面相關(guān)聯(lián)?？梢圆捎妙愃频姆椒?，其中對象以體素被定義，或者可選地網(wǎng)格擬合方法可以被使用以擬合有限元網(wǎng)格到對象的外表面，以將該對象的表面定義為這樣的網(wǎng)格。對象表面的識別可能是精確的或可以接近于任何期望的精度。對象的表面的識別可以包括在對象的表示之間進行變換以實現(xiàn)與用于識別對象的表面的技術(shù)最相容的對象的表示。

在工藝d2中獲得的對象表面數(shù)據(jù)然后在工藝d3中應(yīng)用以生成表示從對象表面向內(nèi)延伸并具有某些預(yù)定屬性的殼體的數(shù)據(jù)。例如，最小或最大厚度可以歸于殼體，或者殼體可以具有在垂直于對象表面的方向上注明的精確均勻的厚度。限定殼體的其他方法可以包括在對象內(nèi)定義一個或多個球體，立方體或其他幾何圖元，以便實現(xiàn)殼體的某些屬性，然后從定義對象的數(shù)據(jù)中移除對象的位于那些幾何對象內(nèi)的部分。

然后，代表殼體的數(shù)據(jù)在工藝d4中以適當?shù)母袷綇墓に囍休敵?，例如被指示為適合于輸入到前面描述的工藝d1的任何格式。在一些結(jié)構(gòu)中，特別是在其中輸出工藝d4直接用于控制增材制造裝置的結(jié)構(gòu)中，輸出被設(shè)置為表示對象的順序?qū)拥囊幌盗邢袼貓D像，其中形成殼體的部分的像素從表示對象外部和對象的未結(jié)合內(nèi)部的像素被區(qū)分開。

如圖12所示的工藝可以在如圖13所示的對象數(shù)據(jù)處理裝置100中實現(xiàn)。系統(tǒng)100是適于執(zhí)行圖12的方法的數(shù)據(jù)處理裝置。在圖13中，裝置100由系列離散的模塊表示。這些可以是諸如離散的微處理器或數(shù)據(jù)處理單元的硬件模塊，無論是在同一芯片上集成，還是設(shè)置在不同的板上，或者被設(shè)置在較大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的不同部分。模塊的替代方案可以被設(shè)置為在如本領(lǐng)域中已知的一個或多個微處理器上運行的軟件模塊。

裝置100具有適于從由數(shù)據(jù)存儲單元sd指示的數(shù)據(jù)源讀取對象數(shù)據(jù)的對象數(shù)據(jù)獲取單元110。然而，獲取單元110還可以從例如網(wǎng)絡(luò)存儲器獲得對象數(shù)據(jù)，來自另一個數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)流，或者可以獲得從例如本領(lǐng)域已知的激光掃描器或其它對象計量系統(tǒng)讀取的對象數(shù)據(jù)。

由獲取單元110獲得的對象數(shù)據(jù)被發(fā)送到表面識別單元120。表面識別單元120對獲得的對象數(shù)據(jù)進行操作以識別對象的表面。然后，表示對象的表面的數(shù)據(jù)從表面識別單元發(fā)送到殼體生成單元130，在其中表示從對象表面向內(nèi)直立的殼體的數(shù)據(jù)被生成。然后生成的殼體數(shù)據(jù)被傳遞到輸出單元140，其中數(shù)據(jù)被適當?shù)馗袷交⑤敵?。在圖13所示的例子中，對象數(shù)據(jù)被輸出到網(wǎng)絡(luò)n，但也可以輸出到本地數(shù)據(jù)存儲器或能夠處理數(shù)據(jù)的任何其他設(shè)備。在一個變型中，輸出對象數(shù)據(jù)可以直接用于控制如圖1至圖6所示和描述的制造裝置。

還可以考慮用于制造具有結(jié)合殼體和內(nèi)部支撐部分的對象的對象數(shù)據(jù)處理方法，如先前關(guān)于圖11所示和描述的。這種工藝的一個例子如圖14所示，并且共享參照圖12示出和描述的類似工藝的共同特征。然而，不是如圖12所示的生成殼體數(shù)據(jù)的步驟d3，而是如圖14所示的工藝包括分別產(chǎn)生殼體數(shù)據(jù)、生成支支撐數(shù)據(jù)和組合數(shù)據(jù)的步驟d3.1，d3.2和d3.3。

在生成殼體數(shù)據(jù)的工藝d3.1中，參考圖12的工藝d3所描述的等價工藝被執(zhí)行。然后，在步驟d3.2中，表示適當?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定參數(shù)被生成。例如，網(wǎng)格可以橫過殼體的內(nèi)部被產(chǎn)生，或者支撐柱可以隨機地或算術(shù)地被放置，以實現(xiàn)對殼體內(nèi)部的適當程度的支撐。然后，在工藝d3.3中，殼體和支撐數(shù)據(jù)被組合以提供輸出對象數(shù)據(jù)。在某些情況下，步驟d3.1和d3.2可以一起被執(zhí)行，例如通過填充具有空隙的對象的內(nèi)部，然后其被擴大直到它們達到在它們之間和對象外表面之間的最小距離。

如參照圖13所公開的，圖14的工藝可以在與圖13所示的數(shù)據(jù)處理裝置100相似的數(shù)據(jù)處理裝置100中實現(xiàn)，但殼體數(shù)據(jù)生成單元130被殼體數(shù)據(jù)生成單元131，支撐數(shù)據(jù)生成單元132和數(shù)據(jù)組合單元133分別替換，它們分別適于執(zhí)行處理d3.1，d3.2和d3的功能，如上所述。

本公開的概念也可以作為軟件模塊被分發(fā)，用于在通用計算機上執(zhí)行或在常規(guī)制造裝置的控制系統(tǒng)中執(zhí)行。在后一種情況下，特別地，常規(guī)對象數(shù)據(jù)可以由裝置的用戶提供，然后制造裝置本身用于識別表面，產(chǎn)生殼體，以及可選地支撐結(jié)構(gòu)，并根據(jù)本公開制造對象。數(shù)據(jù)處理裝置可以作為常規(guī)制造裝置的一部分來提供，或者作為硬件單元或軟件，例如在常規(guī)制造裝置的控制單元中執(zhí)行。這樣的軟件可以作為數(shù)據(jù)載體來分發(fā)，所述數(shù)據(jù)載體包括軟件指令的機器可讀表示，所述軟件指令當被適當配置的處理器執(zhí)行時使得處理器執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的概念的方法。

不言而喻，上述公開內(nèi)容應(yīng)被認為是純粹的示例性的，并且本公開可以通過替代、變化、省略或添加各種元素而以各種各樣的配置來體現(xiàn)，以實現(xiàn)各種工程要求。因此，所附權(quán)利要求被認為是提供可提供本公開的優(yōu)點的主題的特定組合。