背景

發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于控制三維打印制品的空腔在熱處理期間的翹曲的方法，其中，空腔從制品的表面向內(nèi)延伸。

發(fā)明背景

對于制造復(fù)雜的幾何制品而言特別有吸引力的三維打印工藝有三維粘合劑噴射打印工藝。該工藝有時被稱為“三維噴墨打印工藝”，因為使用類似于噴墨打印所用的打印頭進行粘合劑噴射。為簡潔起見，術(shù)語“3dpbj工藝”在下文中指三維打印粘合劑噴射工藝，由3dpbj工藝制造的打印制品在下文中將稱作“3dpbj制品”，并且使用3dpbj工藝制造3dpbj制品在下文中將被稱為“3dpbj打印”制品。例如，使用3dpbj工藝制作粘合劑結(jié)合顆粒形式的轉(zhuǎn)子在本文中將被稱為“3dpbj打印3dpbj轉(zhuǎn)子”。3dpbj制品在許多情況下經(jīng)過熱處理以將3dpbj制品轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹破繁旧?。該轉(zhuǎn)變伴隨著顯著的強度增加。

出于經(jīng)濟原因，期望使用3dpbj工藝來制造具有一個或多個從制品的表面向內(nèi)延伸的空腔的制品。這種空腔可終止于制品內(nèi)，即盲腔，或者可以穿過制品延伸到制品的另一個表面和/或可以與其它的這種空腔連接。在許多情況下，這種空腔由一個或多個壁(無論是被稱為側(cè)壁、頂壁或底壁)限定，所述壁可以具有與其跨度相比相對較薄的厚度。由于3dpbj制品的結(jié)構(gòu)特征比它們熱處理之后的狀態(tài)(即制品本身)更弱，所以在熱處理期間，一些空腔(或同樣地，它們的壁)易受由重力引起的幾何變形的影響。這種幾何變形在本領(lǐng)域中有時被稱為“塌陷”或“塌陷翹曲”，并將在下文中簡稱為“翹曲”。在一些情況下，這種翹曲的產(chǎn)生使得無法使用3dpbj工藝來制造制品。因此，在本領(lǐng)域中需要避免產(chǎn)生這種翹曲。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過提供用3dpbj打印和隨后的熱處理制造具有從外表面向內(nèi)延伸的空腔的制品的方法來改善上述翹曲問題。根據(jù)這些方法，用構(gòu)造粉末3dpbj打印3dpbj制品，適于可接觸式地插入至3dpbj制品的空腔中的3dpbj物體也是如此。術(shù)語“可接觸式地插入”應(yīng)被解釋為表示3dpbj物體的至少一部分可以插入至3dpbj制品的空腔中，具體方式為使得3dpbj物體的外表面的至少相對的部分接觸空腔表面的至少相對的部分，該接觸方式向3dpbj制品空腔的較高的接觸壁提供結(jié)構(gòu)支撐，以防止熱處理期間產(chǎn)生翹曲。另外根據(jù)這些方法，對3dpbj制品空腔表面的至少一部分和/或3dpbj物體表面的至少一部分進行處理以防止3dpbj物體在熱處理期間結(jié)合至3dpbj制品。此外，根據(jù)這些方法，將3dpbj物體插入至3dpbj制品空腔中，對3dpbj制品和3dpbj物體實施了熱處理。熱處理使3dpbj制品轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹破繁旧?，并?dpbj物體轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)熱處理的3dpbj物體。根據(jù)這些方法，隨后將經(jīng)熱處理的3dpbj物體從制品中移除，即、從制品的空腔中移除。

本發(fā)明的一些實施方式還包括3dpbj打印具有與3dpbj制品的表面匹配的表面的3dpbj體，然后處理這些匹配表面中的至少一個，以防止3dpbj體在熱處理期間結(jié)合至3dpbj制品。在這種實施方式中，3dpbj制品的匹配表面的至少一部分在熱處理期間由3dpbj體的匹配表面的相應(yīng)部分支撐。

附圖簡要說明

參照附圖能夠更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)勢的重要性。但是應(yīng)理解，附圖用于說明本發(fā)明的目的而不應(yīng)被理解為對本發(fā)明構(gòu)成限制。

圖1是根據(jù)一種實施方式的具有空腔和兩個可插入物體的3dpbj制品的示意性透視圖。

圖2是在兩個可插入物體已經(jīng)被接觸式地插入至空腔中之后的圖1的制品和兩個可插入物體的示意性透視圖。

圖3是根據(jù)一種實施方式的(a)具有多個空腔的另一個3dpbj制品、(b)可插入物體和(c)兩個支撐件的示意性透視圖。

圖4是圖3的3dpbj制品的示意性側(cè)視圖。

圖5是在可插入物體已經(jīng)被接觸式地插入至制品的一個空腔中并且制品的底表面已經(jīng)處于與兩個支撐件的頂表面支撐接觸后的圖3的3dpbj制品、可插入物體和支撐件的示意性透視圖。

圖6是具有多個適于允許可流動支撐粉末流過的孔的第二矩形可插入物體的示意性透視圖。

優(yōu)選實施方式

在本節(jié)中詳細描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式，足以使本領(lǐng)域技術(shù)人員無需過多的實驗便可實施本發(fā)明。然而，應(yīng)理解，本文描述的有限數(shù)量的優(yōu)選實施方式的事項不以任何方式限制權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的范圍。應(yīng)理解，在本文或權(quán)利要求中描述數(shù)值范圍時，該范圍包括端點及其之間的每個點，如同每個這樣的點已被明確描述。除非另有說明，本文和權(quán)利要求中使用的術(shù)語“約”應(yīng)被解釋為表示與“約”一詞所修飾的值相關(guān)的正常測量值和/或制造限制。除非另有明確說明，術(shù)語“實施方式”在本文中用于表示本發(fā)明的實施方式。

應(yīng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本文描述的方法的實施方式可用于制造單個制品或同時制造多個制品。然而，為簡潔起見，以下優(yōu)選實施方式的描述僅涉及制作單個制品。

應(yīng)理解，雖然本發(fā)明基于具有一個空腔的制品進行描述，但是本發(fā)明并不限于僅具有單個從外表面向內(nèi)延伸的空腔的制品。本發(fā)明包括具有一個或多個空腔的制品，并且空腔可彼此相同或不同，而且空腔可以相互連接。還應(yīng)理解，任意這種空腔可以是連通空腔或盲腔。

應(yīng)理解，本文的術(shù)語“粉末”在本領(lǐng)域中有時也被稱為“顆粒材料”或“顆粒”，并且術(shù)語“粉末”在本文中被解釋為以任意名稱在3dpbj工藝中用作層形成材料的任意材料，在其上沉積粘合劑以形成所需制品。粉末可包括能夠采取粉末形式的任何類型的材料，例如金屬、塑料、陶瓷、碳、石墨、復(fù)合材料、礦物等。

還應(yīng)理解，本發(fā)明可以與任意類型的具有從外表面向內(nèi)延伸的空腔的制品一起使用。

基礎(chǔ)的3dpbj工藝是馬薩諸塞理工學院在二十世紀九十年代開發(fā)的，并在數(shù)項美國專利中進行了描述，包括以下美國專利：授予sachs等人的5,490,882號，授予cima等人的5,490,962，授予cima等人的5,518,680，授予bredt等人的5,660,621，授予sachs等人的5,775,402，授予sachs等人的5,807,437，授予sachs等人的5,814,161，授予bredt的5,851,465，授予cima等人的5,869,170，授予sachs等人的5,940,674，授予sachs等人的6,036,777，授予sachs等人的6,070,973，授予sachs等人的6,109,332，授予sachs等人的6,1112,804，授予vacanti等人的6,139,574，授予sachs等人的6,146,567，授予vacanti等人的6,176,874，授予griffith等人的6,197,575，授予monkhouse等的6,280,771，授予sachs等人的6,354,361，授予sachs等人的6,397,722，授予sherwood等人的6,454,811，授予yoo等人的6,471,992，授予sachs等人的6,508,980，monkhouse等人的6,514,518，授予cima等的6,530,958，授予sachs等人的6,596,224，授予sachs等人的6,629,559，授予teung等人的6,945,638，授予sachs等人的7,077,334，授予sachs的7,250,134，授予payumo等人的7,276,252，授予pryce等的7,300,668，授予serdy等人的7,815826,授予pryce等的7,820,201，授予payumo等的7,875,290，授予pryce等人的7,931,914，授予wang等人的8,088,415，授予bredt等的8,211,226，以及授予wang等人的8,465,777號。

大體上，3dpbj工藝涉及一層粉末的鋪展，然后選擇性地將流體噴墨印刷到該層上，以使該粉末層的選定部分粘合在一起。對其他的層重復(fù)該步驟，直到構(gòu)建了所需的制品。構(gòu)成粉末層的材料通常被稱為“構(gòu)造材料”或“構(gòu)造材料粉末”，并且噴射的流體通常被稱為“粘合劑”，或者在某些情況下稱為“活化劑”。在3dpbj工藝的過程中，不通過粘合劑結(jié)合在一起的粉末層的部分在制造的一個或多個制品周圍形成支撐粉末床，即“構(gòu)造材料粉末床”。

有時需要對3dpbj制品進行熱處理，以使3dpbj制品強化和/或致密化。通常，熱處理的第一部分會加熱3dpbj制品，同時該制品仍然被粉末床支撐，以使粘合劑固化。在第一部分之后從粉末床中移除3dpbj制品，熱處理的第二部分可包括將3dpbj制品加熱至足以將3dpbj制品的粉末燒結(jié)在一起的溫度。例如，當使用金屬粉末作為構(gòu)造材料時，后處理有時包括將金屬粉末燒結(jié)在一起和/或用熔融金屬浸漬燒結(jié)后的多孔制品，例如通過轉(zhuǎn)接器2上的浸漬桿26(見圖2)。

在一些實施方式中，用構(gòu)造粉末3dpbj打印3dpbj制品，適于可接觸式地插入至3dpbj制品的空腔中的3dpbj物體也是如此。對3dpbj制品空腔表面的至少一部分和/或3dpbj物體的表面的至少一部分進行處理以防止3dpbj物體在熱處理期間結(jié)合至3dpbj制品。將3dpbj物體接觸式地插入至3dpbj制品空腔中，對3dpbj制品和3dpbj物體進行了熱處理。3dpbj制品在熱處理期間由粉末床支撐。熱處理將3dpbj制品轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹破繁旧恚?dpbj物體轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)熱處理的3dpbj物體，該物體隨后從制品空腔中移除。

相對于使用剛性可插入物體，在熱處理期間使用插入的3dpbj物體來提供支撐的優(yōu)點在于3dpbj物體的表面移動且3dpbj物體在熱處理期間收縮的方式非常類似于其所接觸并插入至空腔的3dpbj制品表面。相比之下，即使剛性可插入物體在初始、中間或最終適配空腔，也不會像3dpbj體表面或空腔收縮的方式那樣沿著3dpbj制品表面移動。

現(xiàn)參照圖1和圖2描述第一優(yōu)選實施方式。圖1是3dpbj制品(即，3dpbj流通通道彎折轉(zhuǎn)接器2)的示意性透視圖。轉(zhuǎn)接器2具有從轉(zhuǎn)接器2的圓形端部6向內(nèi)延伸以及從轉(zhuǎn)接器2的矩形端部8向內(nèi)延伸的連續(xù)空腔4。圖1還示出了3dpbj圓形物體10的透視圖，其適于在圓形端部6處可接觸式地插入至空腔4中，以及3dpbj矩形物體12的透視圖，其適于在矩形端部8處可接觸式地插入到空腔4中。圓形物體10和矩形物體12由與轉(zhuǎn)接器2相同的構(gòu)造粉末制成。需注意，圓形物體10和矩形物體12各自具有頸部，即圓形頸14和矩形頸16，分別適于在相應(yīng)的圓形端部6和矩形端部8處可接觸式地插入空腔4中。還需注意，圓形物體10和矩形物體12各自具有邊緣部分，即圓形邊緣18和矩形邊緣20，其分別保持在空腔4的外部。

圖2是圓形物體10已經(jīng)在圓形端6處接觸式地插入空腔4(不可見)中以及矩形物體12已經(jīng)在矩形端部8處接觸式地插入空腔4之后的轉(zhuǎn)接器2的示意性透視圖。需注意，圓形物體10具有溝槽22，其可用于插入工具以幫助在空腔4中放置圓形物體10和/或從空腔4中移除圓形物體10。類似地，矩形物體12具有把手24，其可以用于幫助在空腔4中放置矩形物體12和/或從空腔4中移除矩形物體12。

應(yīng)理解，盡管圖1中示出的圓形和矩形頸14,16只能以短距離插入空腔4，但是本發(fā)明的范圍還包括物體的以下部分：可接觸式地插入制品的空腔中并延伸至制品空腔中的任何所需的深度以防止在熱處理期間發(fā)生翹曲。在一些情況下，空腔的幾何形狀將限制物體能夠延伸到空腔中的深度。在任何情況下，物體延伸到空腔中的深度與基于在未使用該物體情況下預(yù)期的翹曲的設(shè)計選擇。

在將圓形和矩形體10,12接觸式地插入空腔4之前，對空腔4的表面的至少一部分和/或圓形和矩形體10,12各自的表面的至少一部分進行處理以防止圓形和矩形體10,12在熱處理期間結(jié)合至轉(zhuǎn)接器2。在一些實施方式中，處理包括用界面材料(例如氮化硼)涂覆所選擇的表面，所述界面材料防止物體和制品之間的相互擴散或反應(yīng)。在一些實施方式中，處理包括在所選擇的表面施涂材料(例如還原或氧化材料)，這將使表面自身對物體和制品之間的相互擴散或反應(yīng)變得相對惰性。當施用細粉末形式的界面材料(例如氮化硼)時，使界面材料懸浮在可蒸發(fā)液體中然后將懸浮液涂覆到待涂覆的表面上是有利的。當使用這種懸浮液時，將表面加熱到接近或高于可蒸發(fā)液體的正常沸點的溫度以防止液體浸漬到3dpbj制品、體或物體中，這也是有利的。

如上所述，3dpbj制品在熱處理期間被粉末床支撐。粉末床可包括任何滿足以下條件的粉末：所述粉末能夠向3dpbj制品提供支撐并且在整個熱處理中保持可流動，從而在熱處理完成后可以從制品中移除。優(yōu)選粉末床粉末在熱處理期間不與3dpbj制品反應(yīng)，但是在某些情況下、特別是制品的表面將在隨后經(jīng)受噴砂清潔、機械清潔、磨損清潔和/或化學清潔的情況下，可以容許少量的反應(yīng)。當熱處理包括固化粘合劑的初始階段時，粉末床優(yōu)選是構(gòu)造材料粉末床，并且固化的3dpbj制品隨后從構(gòu)造材料粉末床中移除，以在另一個動力床(powerbed)中進一步熱處理。

粉末床優(yōu)選填充3dpbj制品的空腔，包括填充插入了可插入物體的空腔。在一些實施方式中，優(yōu)選在空腔的入口的上方設(shè)置一個粉末儲存器，使得在熱處理期間的可能發(fā)生的任何沉降過程中支撐粉末可以流入空腔。在空腔的所有端部被封閉的實施方式中，例如圖2所示的實施方式中，優(yōu)選支撐粉末松散地填充空腔，因為支撐粉末的密集裝填可能不利地限制熱處理期間空腔的收縮。

向可插入物體提供一個或多個孔以允許支撐粉末流過該孔的方案也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種孔的尺寸和位置應(yīng)使其不影響空腔翹曲控制所需的可插入物體的支撐功能。參考圖6，示出了3dpbj第二矩形物體60，其被設(shè)計為替代圖1和2所示的矩形物體12。第二矩形物體60具有多個孔(例如孔62,64,66,68)，其適于在第二矩形物體已插入空腔4(參照圖1)后允許支撐粉末穿過第二矩形物體60，同時不損害第二矩形物體60的支撐功能。

在一些實施方式中，通過用一個或多個3dp體的一個或多個匹配表面支撐3dpbj制品的一個或多個外表面來改善抗翹曲性。這種實施方式包括3dpbj打印具有與3dpbj制品的表面匹配的表面的3dpbj體，然后處理這些匹配表面中的至少一個，以防止3dpbj體在熱處理期間結(jié)合至3dpbj制品。3dpbj制品的熱處理期間，3dpbj制品的匹配表面的至少一部分由3dpbj體的匹配表面的相應(yīng)部分支撐。相比可流動粉末床，以這種方式在匹配的3dpbj體表面上支撐3dpbj物品表面為3dpbj制品提供了更高程度的剛性支持。這種支撐方式相對于在剛性表面上提供支持的優(yōu)點在于，3dpbj體表面在熱處理過程中以與匹配的3dpbj制品非常相似的方式移動，而剛性表面即使在初始、中間或最終匹配，也不會如3dpbj體表面這樣以熱處理補償方式與3dpbj制品表面一起移動。

現(xiàn)將描述這種實施方式的實施例。圖3和圖4分別是另一3dpbj制品(即3dpbj密閉葉片轉(zhuǎn)子30)的示意性透視圖和側(cè)視圖。轉(zhuǎn)子30具有多個葉片腔，例如，葉片空腔32，其從轉(zhuǎn)子30的徑向周向表面34向內(nèi)延伸。每個葉片腔穿過轉(zhuǎn)子30延伸到轉(zhuǎn)子30的開放的頂端36。轉(zhuǎn)子30還具有中空的軸環(huán)38，其從轉(zhuǎn)子30的底面40向下延伸，使得底面40的一部分被軸環(huán)38圍住。

圖3除了示出轉(zhuǎn)子30之外，還示出了可接觸式地插入至葉片腔32中的3dpbj可插入物體42、3dpbj中心支撐件44和3dpbj底部支撐件46，其均由與轉(zhuǎn)子30相同的構(gòu)造粉末制成。為簡潔起見，僅示出了一個3dpbj可插入物體42，但是可以為葉片30的其它每個葉片空腔提供類似的可插入物體。

中心支撐件44和底部支撐件的頂表面48,50分別與轉(zhuǎn)子30的底表面40的相應(yīng)區(qū)域匹配，它們在轉(zhuǎn)子的熱處理的至少部分期間用于支撐。圖5示出了轉(zhuǎn)子30的示意性透視圖?？刹迦胛矬w42已經(jīng)被接觸式地插入至葉片腔32中(由于可插入物體42插入其中而不可見)，中心支撐件44(不可見)和底部支撐件46已被置于轉(zhuǎn)子30下方就位，它們各自的頂表面48,50(不可見)與轉(zhuǎn)子30的底表面40(不可見)支撐接觸。可插入物體42的把手部分52延伸出轉(zhuǎn)子30之外，以幫助在轉(zhuǎn)子30中放置可插入物體42以及將其從轉(zhuǎn)子30中取出。轉(zhuǎn)子30由中心支撐件44(不可見)和底部支撐件46各自的頂表面48,50(不可見)支撐其底表面40(不可見)。中心支撐件44(不可見)位于軸環(huán)38內(nèi)(不可見)。

雖然已經(jīng)闡述和說明了本發(fā)明的一些實施方式，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求所述的范圍的情況下可以進行多種改變和改進。所有美國專利和專利申請、所有外國專利和專利申請以及本文中認定的所有其他文件在法律允許的最大范圍內(nèi)通過引用并入本文。