連續(xù)進(jìn)料3d制造
【專利說明】連續(xù)進(jìn)料3D制造
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年I月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/748，937和2013年12月9日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/913，741的優(yōu)先權(quán)，它們通過引用整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明概括來說涉及用于制造實(shí)體物體的設(shè)備和方法，通過層層沉積用于各單個(gè)部件的材料，然后將各單個(gè)部件結(jié)合至復(fù)雜系統(tǒng)中或用來制造復(fù)雜系統(tǒng)。某些實(shí)施方式將3D打印工藝從間歇操作模式擴(kuò)展到連續(xù)操作模式以及從使用一種材料工藝擴(kuò)展到同時(shí)使用多種材料和工藝。
【背景技術(shù)】
[0004]通常，復(fù)雜系統(tǒng)包括多個(gè)三維部件的組合，這些三維部件分別由不同的工藝制造并組裝以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的功能。3D部件的制造可以通過傳統(tǒng)方法如鑄造和機(jī)加工完成，或通過3D打印完成，3D打印使用層層增添材料的工藝來構(gòu)建部件。目前的3D打印機(jī)使用了平工作臺(tái)，該工作臺(tái)用作構(gòu)建表面，在將材料層增添至工作臺(tái)之后，該表面運(yùn)動(dòng)離開材料源，然后將另一層材料增添到之前增添的材料層上。通過重復(fù)這個(gè)過程，3D物體一層一層地制成。這種技術(shù)稱為快速成型、快速制造和增材制造。
[0005]目前的生產(chǎn)質(zhì)量系統(tǒng)的特點(diǎn)在于構(gòu)建封殼包括具有固定維度的矩形盒子，該維度由笛卡爾坐標(biāo)系描述。該系統(tǒng)包括通常沿z方向以步進(jìn)運(yùn)動(dòng)行進(jìn)的構(gòu)建工作臺(tái)、在單一 x_y平面中沿一個(gè)或兩個(gè)軸線(X和Y)移動(dòng)的層沉積機(jī)構(gòu)、和用于將每個(gè)新沉積的材料層結(jié)合到之前的層的結(jié)合機(jī)構(gòu)。材料沉積發(fā)生在z坐標(biāo)上，其限定了構(gòu)建工作臺(tái)上的暴露表面。目前使用的工藝本質(zhì)上是間歇性的，并以定義明確的相繼順序使用幾個(gè)清晰定義的過程，該相繼順序在整個(gè)構(gòu)建過程中重復(fù)進(jìn)行。所使用的過程可以定義為I)材料沉積、2)熔合、3)移動(dòng)構(gòu)建盤片至新的z位置。以目前的技術(shù)，這三個(gè)過程中的每個(gè)必須及時(shí)以相繼順序使用，這三個(gè)過程都不能同時(shí)進(jìn)行，而是必須一個(gè)接一個(gè)進(jìn)行。通常，每個(gè)過程僅在之前的過程完成之后才開始。目前，一些現(xiàn)有系統(tǒng)可以組合步驟一和二，使它們幾乎同時(shí)進(jìn)行，但現(xiàn)有系統(tǒng)不能組合所有三個(gè)，這是現(xiàn)有系統(tǒng)的間歇本質(zhì)。
[0006]利用當(dāng)前的系統(tǒng)，材料由幾種技術(shù)中的一種沉積，這些技術(shù)可分為A類和B類。A類機(jī)器使用單一運(yùn)動(dòng)沉積材料層，該材料層覆蓋構(gòu)建工作臺(tái)的整個(gè)表面，所沉積的材料可以是液體或粉末。層沉積之后，使用熔合過程選擇性地僅熔合該層中將作為最終物體的部分的材料。熔合過程包括許多技術(shù)中的一種，這些技術(shù)包括電子束熔融、選擇性激光燒結(jié)、粘合劑噴射沉積(粘合劑可以是熱固化或光固化的)、以及使用激光或光學(xué)掩膜系統(tǒng)的選擇性光固化。在材料沉積和固化過程完成之后，構(gòu)建工作臺(tái)沿z方向運(yùn)動(dòng)離開材料源，并重復(fù)該過程。
[0007]B類包括液化構(gòu)建材料的選擇性沉積組合“隨沉積”固化過程。材料的沉積被限制為僅在構(gòu)建表面的X-Y平面中的位置，在這里，材料將添加至部件的最終形式。沉積過程使用幾種過程之一而完成，這些過程包括熔融塑料擠出、光敏聚合物(環(huán)氧樹脂)在構(gòu)建表面上的噴射、或薄層光敏環(huán)氧樹脂在構(gòu)建表面上的沉積，其中，使液體選擇性地暴露于光，并在暴露之后去除未使用的樹脂。
[0008]熔融塑料擠出技術(shù)被稱為熔合沉積，因?yàn)樵跀D出的塑料沉積之后，它冷卻并凝固，并且在該過程中，它與之前擠出的材料熔合。
[0009]被稱為交聯(lián)聚合的光敏樹脂光固化與兩種機(jī)器一起使用。一種機(jī)器使用噴墨式打印頭沉積(多種)構(gòu)建/支撐材料，另一種機(jī)器采用透明塑料膜用于材料沉積。第一種機(jī)器使用噴墨式噴嘴噴射或“打印”至構(gòu)建表面上的選定位置。在光敏感聚合物被噴射到構(gòu)建表面上之后，接著使用合適的光源將其固化，該光源通常為由UV 二極管提供的紫外光，該UV 二極管與打印頭一起行進(jìn)并經(jīng)過新噴射的樹脂的上方。UV光使環(huán)氧樹脂中發(fā)生交聯(lián)過程。第二種機(jī)器使用透明塑料膜提供均勻的樹脂層，接著使該樹脂層與構(gòu)建表面接觸，然后該新層利用某種掩膜暴露于光，該掩膜允許該新層僅有一部分暴露于光。只有暴露于光的樹脂被交聯(lián)并成為物體的一部分。在交聯(lián)完成之后，除去塑料膜，這也去除了所有未交聯(lián)的樹脂。
[0010]對(duì)于B類機(jī)器來說，材料在X-Y平面中的放置僅發(fā)生在“打印頭”或塑料片沉積材料的地方，且沒有其它活動(dòng)發(fā)生在構(gòu)建封殼內(nèi)，直到材料沉積過程完成。一旦完成該構(gòu)建過程，則構(gòu)建工作臺(tái)就降低(或升高)一層，并重復(fù)該過程。
[0011]在當(dāng)前的所有技術(shù)中，沒有明顯的生產(chǎn)活動(dòng)可以發(fā)生在構(gòu)建工作臺(tái)正在降低時(shí)。對(duì)于在X-Y平面中的表面上構(gòu)建的系統(tǒng)來說，沒有生產(chǎn)活動(dòng)能夠并行于材料沉積或材料結(jié)合過程發(fā)生在構(gòu)建表面上方或之上?，F(xiàn)有使用X-Y平面構(gòu)建表面的系統(tǒng)都不能同時(shí)使用多種材料。此外，即使它們?cè)诓煌臅r(shí)間使用多種材料，這樣的技術(shù)也只能使用相似的材料。
[0012]交聯(lián)聚合噴墨打印機(jī):在所有噴墨沉積環(huán)氧樹脂的情形中，新材料的沉積僅可以在被局限于“打印頭”的χ-y位置的小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。對(duì)打印頭可以在打印區(qū)域上方移動(dòng)的速率方面也有限制，因?yàn)殡S著沉積速率的增大，打印頭的尺寸必須增加，以能夠供應(yīng)更多的材料。隨著打印頭尺寸的增加，所有相關(guān)的硬件的尺寸都增加，包括移動(dòng)打印頭以及供給材料到打印頭的步進(jìn)馬達(dá)。硬件尺寸的增加導(dǎo)致機(jī)器成本的增加。對(duì)材料在材料的全速導(dǎo)致構(gòu)建表面扭曲之前可以沿χ-y方向移動(dòng)的速度多快方面有限制，并且鋪設(shè)速度受到限制，因?yàn)閁V 二極管通常與打印頭一起安裝，如果行進(jìn)速度太高，則樹脂沒有有效地足夠暴露于光而合適地固化。這可以通過與局部暴露相對(duì)的全量暴露來彌補(bǔ)，然而，全量暴露也在構(gòu)建過程中引入了其它問題，這就是優(yōu)選局部暴露的原因。此外，雖然多種材料可以在構(gòu)建中使用，但材料局限于可噴射到構(gòu)建表面上的可交聯(lián)聚合物。沒有其它工藝可以在這種打印機(jī)中使用。因?yàn)樾纬刹考姆椒ǖ木壒?，這些部件必須在它們能夠用來形成系統(tǒng)或與其它部件組合形成系統(tǒng)之前進(jìn)行后處理。后處理通常包括通過在化學(xué)浴中和/或再次在UV/光浴中清洗以便最終固化而去除多余樹脂、以及去除支撐結(jié)構(gòu)。
[0013]熔合沉積打印機(jī):如交聯(lián)聚合噴墨打印機(jī)中的那樣，對(duì)所有熔合沉積塑料來說，新材料的沉積僅可以在局限于“打印頭”的χ-y位置的小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。對(duì)打印頭可以在打印區(qū)域上方移動(dòng)的速率有限制。隨著沉積速率增大，打印(擠出機(jī))頭部的尺寸增加，所有相關(guān)的硬件的尺寸隨之一起增加，包括擠出機(jī)、擠出機(jī)中的加熱元件以及移動(dòng)頭部并供給材料到擠出機(jī)中的步進(jìn)馬達(dá)。硬件尺寸的增加導(dǎo)致機(jī)器成本的增加。對(duì)材料在材料的全速導(dǎo)致構(gòu)建表面扭曲之前可以沿χ-y方向移動(dòng)的速度多快方面有限制。這些扭曲發(fā)生的原因是當(dāng)塑料從頭部擠出時(shí)，塑料是液體，如果打印速度太高，則當(dāng)塑料沖擊構(gòu)建表面時(shí)，其將在撞擊時(shí)扭曲，很像水以高的相對(duì)速度被噴射在表面上時(shí)的情況。這一工藝的另一個(gè)缺點(diǎn)是，每次僅可以使用一種材料。雖然在構(gòu)建期間可以使用多種材料，但是每次僅可以沉積一種材料，接著機(jī)器必須改變?yōu)樾碌牟牧希缓笫褂迷撔碌牟牧蠘?gòu)建。在構(gòu)建中每次使用不同的材料時(shí)，必須進(jìn)行材料改變。這一工藝明顯的缺點(diǎn)是，僅可以使用熔合沉積材料，并且在使用時(shí)存在相當(dāng)大的后處理工作來去除支撐結(jié)構(gòu)。
[0014]激光燒結(jié)塑料和金屬打印機(jī):在激光燒結(jié)粉末(金屬和塑料)的情形中，可能直到層沉積完成才進(jìn)行熔合過程，并且熔合只能從表面上方進(jìn)行。在粉末沉積速度方面存在更嚴(yán)格的限制。粉末輸送通常使用某種重力進(jìn)料料斗進(jìn)行，其帶有橫跨Y軸的長(zhǎng)度延伸的簡(jiǎn)易金屬桿，該金屬桿橫跨整個(gè)構(gòu)建表面沿X方向散布粉末。如果散布器桿移動(dòng)得太快，將不可能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)構(gòu)建平面上一致并充足的粉末分布。散布器系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)構(gòu)建部件時(shí)，僅可以使用一種材料。
[0015]交聯(lián)聚合SLA打印機(jī):同樣也沒有顯著的生產(chǎn)活動(dòng)可以發(fā)生在構(gòu)建工作臺(tái)正在降低時(shí)。在構(gòu)建時(shí)只有一種材料可以使用，并且在部件完全固化(如果需要)或者使用之前，需要相當(dāng)大的后處理清理工作。
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