專利名稱：高溫成型裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及應(yīng)用加成法成型技術(shù)(additive process modelingtechniques)制造三維物件。特別是，本發(fā)明涉及成型機(jī)械，該機(jī)械在配料頭和成型基底之間在三維方向上移動時(shí)，把成型材料從一個(gè)配料頭淀積到一個(gè)成型基底上，從而在一個(gè)加熱室內(nèi)成型三維物件。
加成法成型機(jī)械根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通常在平面層上，建造一個(gè)成型介質(zhì)(modeling medium)，以制造三維模型。對有形部件的數(shù)學(xué)描述被分解成(通常)平面層，這些平面層被分別成型和應(yīng)用以生產(chǎn)最終的部件。三維模型被用于下列這些用途，這些用途包括美學(xué)的評估、試驗(yàn)數(shù)學(xué)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型、成型堅(jiān)硬的工具、研究干擾和空間定位，以及測試功能。近年來，分層制造技術(shù)的主要用途是快速原型建立法(rapid prototyping)。
通過分層淀積可流動的成型材料來制造三維模型的裝置和方法的例子在下列的文獻(xiàn)中得到描述Valavara美國專利第4749347；Crump美國專利第5121329，Batchelder等人美國專利第5303141，Crump美國專利第5340433，Batchelder等人美國專利第5402351，Crump等人美國專利5503785，Abrams等人美國專利第5587913，Danforth等人美國專利第5738817，Batchelder等人美國專利第5764521和Comb等人美國專利第5939008，所有這些專利被轉(zhuǎn)讓給Stratasys公司，即本發(fā)明的受讓人。一個(gè)壓出頭把受熱的、可流動的成型材料從噴嘴擠壓到一個(gè)基底上?；装ㄒ粋€(gè)成型襯底，該成型襯底被可拆卸地固定在一個(gè)成型平臺上。當(dāng)壓出頭和基底互相之間被一個(gè)XYZ方向臺架系統(tǒng)沿三維方向相對移動時(shí)，擠壓材料被逐層淀積在由CAD模型限定的區(qū)域內(nèi)。材料被淀積之后固化以形成一個(gè)三維模型。已經(jīng)公開，可以使用熱塑材料做成型材料，這種材料在淀積之后通過冷卻可以被固化。
上述專利的技術(shù)被應(yīng)用在Stratasys FDM成型機(jī)械上。壓出頭，它包括液化器和一個(gè)配料噴嘴，接收固態(tài)的成型材料。絲狀材料在液化器內(nèi)被加熱到可流動的溫度，然后通過噴嘴被配送。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱塑的材料，特別是ABS熱塑塑料，尤其適用于在Stratasys FDM成型機(jī)械上淀積成型。一個(gè)控制器控制壓出頭在水平的X-Y平面內(nèi)的移動，控制制造平臺在垂直的Z軸向的移動，控制成型材料向壓出頭內(nèi)的輸送。通過控制這些工藝過程的變量，成型材料以需要的速度以串珠(beads)狀或線(roads)狀被逐層淀積在由CAD模型限定的區(qū)域內(nèi)，以制造一個(gè)與CAD模型相似的三維物件。成型材料熱固化，然后把制成的模型從襯底上取下來。
當(dāng)熱塑材料冷卻時(shí)，特別是當(dāng)其從可流動的材料轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，材料內(nèi)會產(chǎn)生由熱塑塑料的密度變化(即收縮)造成的應(yīng)力。這些應(yīng)力會使模型產(chǎn)生幾何變形。相應(yīng)地，模型制造系統(tǒng)的一個(gè)目的是應(yīng)用熱固化以釋放由冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力，以便使幾何變形減小到最低程度。除熱塑塑料外的其它的淀積材料，如金屬、熱固性聚合物和復(fù)合材料都具有相似的問題，這些問題是把與擠壓工藝過程有關(guān)的密度、剪力、溫度和壓力變化產(chǎn)生的幾何變形減小到最小的程度。如美國專利第5866058中所公開的，在一個(gè)加熱室內(nèi)制造模型，該加熱室被加熱到高于熱塑塑料或其它的能熱固化的成型材料的固化溫度，然后逐漸冷卻，釋放材料中的應(yīng)力。在模型被制造的過程中，通過退火把這些應(yīng)力從模型中釋放出來，以使制成的模型中不存在應(yīng)力，因此幾乎沒有一點(diǎn)變形。如在058專利中進(jìn)一步公開的，加熱室的溫度應(yīng)該被保持在成型材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以下，以使模型不會變得太軟而造成塌落。制造室的優(yōu)選的溫度是在材料的固化溫度和它的蠕變松弛溫度(蠕變松弛溫度被定義為一個(gè)溫度點(diǎn)，該溫度點(diǎn)指應(yīng)力松弛系數(shù)從材料的低溫極限降低到它的十分之一時(shí)的溫度)之間的范圍。對于ABS熱塑塑料，溫度范圍(temperature window)在大約70℃和90℃之間。
現(xiàn)有的Strastasys FDM機(jī)械在一個(gè)室內(nèi)制造模型(也被稱為制造室或制造爐)，該加熱室被加熱到70℃和90℃之間。像壓出頭和XYZ向臺架一樣，在其上制造模型的基底被設(shè)置在加熱室內(nèi)。把壓出頭和XYZ向臺架設(shè)置在加熱環(huán)境內(nèi)有許多缺點(diǎn)。XYZ向臺架由動作控制組件組成，如電動機(jī)、軸承、導(dǎo)向桿、皮帶和導(dǎo)線。將這些動作控制組件放在加熱室內(nèi)使這些組件的壽命降到了最低。此外，制造室溫度的上限被限定在動作控制組件能被操作的溫度。這樣的制造室的溫度極限致使在機(jī)械內(nèi)用于成型的材料被限制為這樣的材料，這些材料應(yīng)能在相對低的溫度消除應(yīng)力。
同樣地，在Strastasys FDM機(jī)械上，把壓出頭放在加熱室內(nèi)要求設(shè)置一個(gè)冷卻機(jī)構(gòu)，以便當(dāng)成型材料的原料以固體的形態(tài)(或者是絲狀或者是片狀的材料)向壓出頭輸送時(shí)能對材料進(jìn)行冷卻。還要設(shè)置冷卻線束的機(jī)構(gòu)。萬一電力供應(yīng)出現(xiàn)故障或電力中斷，正常情況下處于冷卻狀態(tài)的材料原料和線束被暴露在制造爐的溫度下。最后，在實(shí)際的應(yīng)用方面，當(dāng)需要調(diào)整、維護(hù)、修理、更換動作控制組件或壓出頭時(shí)，操作人員必須在制造室內(nèi)工作。這樣，必須將制造室冷卻之后，才能安全地進(jìn)行這些工作。
發(fā)明綜述本發(fā)明是一個(gè)三維成型裝置，其帶有設(shè)置在絕熱的制造室外部的動作控制組件，在該加熱室內(nèi)，物件被制造。當(dāng)配料頭和基底根據(jù)由來自控制器的控制信號確定的模式沿三維方向互相之間相對移動時(shí)，成型材料從配料頭被輸送到基底上，以此形成三維物件。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，一個(gè)XY向臺架使配料頭在一個(gè)XY平面內(nèi)移動，一個(gè)Z向升降裝置使基底在垂直的Z向移動。在這個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)可變形的絕熱體構(gòu)成制造室的一部分，通過該絕熱體配料頭被移動，配料頭上有一個(gè)在制造室內(nèi)的成型材料送料出口和一個(gè)在制造室外部的成型材料入料口。Z向升降裝置通過在制造室的壁上的密封的細(xì)長口與基底連接。
使動作控制組件與制造室之間熱隔絕有若干優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)橹圃焓业臏囟炔粫艿絼幼骺刂平M件的操作溫度的限制，本發(fā)明的機(jī)械可以用在相對高的溫度上應(yīng)力消除的材料來制造模型。而且，動作控制組件的壽命不會受到制造室的溫度的負(fù)面影響。使動作控制組件與制造室之間絕熱還使得當(dāng)使用者需要接近或接觸這些組件時(shí)，操作起來更容易。本發(fā)明的裝置的動作控制組件的延長了的壽命和使用時(shí)的更簡易性提高了該機(jī)械的生產(chǎn)量和可靠性。
發(fā)明詳述本發(fā)明的裝置是這樣一種裝置，它應(yīng)用一種熔化淀積工藝在加熱室內(nèi)制造三維物件，其中的動作控制組件與加熱室隔開，以便使加熱室內(nèi)的溫度不會受到動作控制組件的溫度極限的限制。該裝置能應(yīng)用具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的材料制造物件，這種材料因?yàn)槠渚哂懈叩牟ＡЩD(zhuǎn)變溫度，所以必須被淀積進(jìn)一種高溫室內(nèi)，以生產(chǎn)一種高質(zhì)量的模型。這些材料包括高溫?zé)崴芩芰?，如聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚砜、聚醚砜、非晶態(tài)的聚酰胺以及其它的材料。


圖1表示了本發(fā)明的三維成型裝置的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。裝置10包括一個(gè)爐體12、一個(gè)壓出頭14、一個(gè)平臺16、一個(gè)XY向臺架18、一個(gè)Z向升降裝置20和一個(gè)框架22，XY向臺架18使壓出頭14在水平的XY平面內(nèi)移動，Z向升降裝置20使平臺16沿垂直的Z軸移動。爐體12坐落在腿23上，腿23被安裝在框架22內(nèi)?？蚣?2排列在爐體12的外周邊上(圖1所示，部分被剖開)，并以一個(gè)確定的構(gòu)造支撐著爐體12、XY向臺架18和Z向升降裝置20。
平臺16包括在爐體12的加熱制造室24內(nèi)，并處于壓出頭14的下方。當(dāng)壓出頭14在XY平面內(nèi)移動，而平臺16沿Z軸向移動時(shí)，裝置10通過把成型材料從壓出頭14淀積到平臺16上，在制造室24內(nèi)制造三維物件。為了支撐一個(gè)正在被制造的物件，平臺16必須有一個(gè)上表面，成型材料將粘附于該上表面上。最好把一個(gè)成型襯底安裝在平臺16的頂部，在該成型襯底上制造物件。使用成型襯底使得在模型完成后，可以從裝置上容易地取下模型。應(yīng)選擇適于應(yīng)用在高溫環(huán)境中的成型襯底用在本發(fā)明上。例如，平臺16可以是一個(gè)真空工作臺，該工作臺上可拆卸地安裝著一個(gè)彈性板襯底，如Comb等人的美國專利第5939008所公開的。真空泵啟動時(shí)，彈性板襯底吸附于平臺上，真空泵關(guān)機(jī)時(shí)，彈性板襯底被從平臺上松開。為了適應(yīng)本發(fā)明的高溫環(huán)境，可能需要一個(gè)熱交換器(例如，一個(gè)平行排列的熱交換器蛇管)，以冷卻流入真空泵的空氣。應(yīng)選擇一種會與成型材料粘合的材料作彈性板襯底的材料。在用高溫?zé)崴芩芰现圃炷Ｐ蜁r(shí)，最好選擇高溫?zé)崴芩芰现瞥傻膹椥园遄鲆r底。在一塊安裝在真空工作臺上的由UltemTM制成的襯底上，在一個(gè)加熱到大約200℃的加熱室內(nèi)，已經(jīng)成功地制造出由UltemTM制成的模型。
可以從一個(gè)絕熱的爐門25進(jìn)入爐體12的制造室24內(nèi)。如圖2所示，制造室24有一個(gè)底板以及右側(cè)和左側(cè)面，它們被一個(gè)加熱管26圍繞。加熱管26由金屬管制成并在制造室24的右上側(cè)和左上側(cè)向制造室24開通。在爐體12的下面的右手側(cè)設(shè)置兩臺鼓風(fēng)機(jī)(只表示出一臺)28，鼓風(fēng)機(jī)28吹出流經(jīng)加熱管26的順時(shí)針的空氣流。這樣，在制造室右上側(cè)的是一個(gè)進(jìn)氣口30，在制造室左上側(cè)的是一個(gè)出氣口32。，每一列均由六個(gè)750瓦帶式翅片加熱器34組成，相同的兩列加熱器被安裝在加熱管26里的加熱管的進(jìn)氣的一側(cè)。一個(gè)文氏管36被設(shè)置在加熱管26內(nèi)，以使流過出氣口32返回到制造室24的空氣形成直流的流型。當(dāng)空氣被吹過加熱器34，流經(jīng)導(dǎo)管26，再返回到制造室時(shí)，制造室24被對流加熱。一束絕熱材料37包圍著爐體12的右側(cè)和左側(cè)、底部、以及后側(cè)，以便將爐體保持在受熱狀態(tài)(圖1中，絕熱材料已經(jīng)被去掉，以便于說明)。制造室24被設(shè)計(jì)成能達(dá)到至少200℃的溫度。最好在進(jìn)氣口30上方放置一個(gè)熱電偶和一個(gè)熱熔絲，以便使制造室24內(nèi)的溫度可以被控制，如果制造室24變得太熱，加熱器34可以被關(guān)閉。
在制造室24內(nèi)，平臺16被Z向升降裝置20支撐，如圖1和2所示。Z向升降裝置被設(shè)置在爐體12的外部，由兩個(gè)相同的I型部件38、一個(gè)Z向電動機(jī)40和一個(gè)同步皮帶42組成。兩個(gè)I型部件38在爐體12的左右兩側(cè)互相平行著與框架22固定連接。通過一對剛性的水平梁44平臺16與Z向升降裝置20的每一個(gè)I型部件38連接，水平梁44把平臺16支撐在一個(gè)水平面內(nèi)。每一個(gè)梁44通過一個(gè)垂直的細(xì)長口46伸進(jìn)爐體12內(nèi)，使Z向升降裝置20在制造室24內(nèi)垂直地移動平臺16。在爐體12的每一側(cè)，在加熱管26的前面有一個(gè)細(xì)長口46，在加熱管26的后面有另一個(gè)細(xì)長口46。兩個(gè)細(xì)長口46被使用彈性的硅酮條密封起來，以便使從制造室24向Z向升降裝置20的熱傳導(dǎo)降低到最小程度。兩個(gè)梁44都由低導(dǎo)熱性的金屬如不銹鋼制成，并鉆有許多孔，以進(jìn)一步降低從制造室24向Z向升降裝置20的熱傳導(dǎo)。
每一個(gè)I型部件38由一個(gè)垂直板48、一個(gè)安裝在垂直板48上的導(dǎo)向螺母50、以及一個(gè)垂直絲杠52組成，一對梁44與垂直板48連接，在絲杠52上，導(dǎo)向螺母50上升或下降。絲杠52在它的頂部與水平頂板54的下面連接，在靠近它的下端處穿透下部水平板56，在它的底端與滑輪58連接。絲杠52與滑輪58同步轉(zhuǎn)動。每一個(gè)I型部件38的滑輪58通過同步皮帶42互相連接起來。
右手的I型部件38的滑輪58被Z向電動機(jī)40驅(qū)動，該電動機(jī)最好是一個(gè)伺服電動機(jī)。Z向電動機(jī)40可以選擇地驅(qū)動滑輪58沿順時(shí)針方向或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。同步皮帶輪42與兩個(gè)滑輪58的轉(zhuǎn)動同步?；?8的同步轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)了絲杠52的同步轉(zhuǎn)動。當(dāng)絲杠52轉(zhuǎn)動時(shí)，導(dǎo)向螺母50或者向上移動或者向下移動，根據(jù)滑輪的轉(zhuǎn)動方向，使每一個(gè)垂直板48或者被升起或者被降低。
在導(dǎo)向螺母50的相對的兩側(cè)，兩對直線導(dǎo)向軸座60與每一個(gè)垂直板48連接。每一對導(dǎo)向軸座60有一個(gè)相連的導(dǎo)軌62，導(dǎo)軌穿透每一個(gè)導(dǎo)向軸座60并與絲杠52平行。每一個(gè)導(dǎo)軌62的頂部與頂板54的下面連接，每一個(gè)導(dǎo)軌62的底部與下部板56的頂面連接。導(dǎo)向軸座60沿導(dǎo)軌62移動，當(dāng)垂直板48上下升降時(shí)，為垂直板48提供橫向的支撐。成對的托架63與每一個(gè)I型部件38的頂板54和下部板56連接并將I型部件38固定在框架22上。
壓出頭14在平臺16上方在一個(gè)XY平面內(nèi)由一個(gè)XY向臺架18移動，壓出頭14被安裝在爐體的頂部。如圖2所示，壓出頭14有一個(gè)接收成型材料的入口63和一個(gè)把成型材料以流動的狀態(tài)配送到平臺16上的出料噴嘴66。出料噴嘴66一般被加熱以在一個(gè)預(yù)定的溫度淀積成型材料。壓出頭噴嘴66被設(shè)置在制造室24內(nèi)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，壓出頭的入口63被設(shè)置在制造室24的外部。因此，壓出頭14穿透爐體12的頂部。由于優(yōu)選的實(shí)施例的壓出頭14必須能在XY平面內(nèi)移動，爐體12的頂部由可變形的絕熱體構(gòu)成，下面將對其進(jìn)行詳細(xì)的描述。
圖1-3表示了XY向的臺架18。XY向的臺架18包括一個(gè)基板64、一個(gè)橋65、一對X向?qū)к?8、一對Y向?qū)к?0、一個(gè)滑架72、一個(gè)X向電動機(jī)74、一個(gè)Y向電動機(jī)76、一個(gè)傳動皮帶78、一個(gè)傳動皮帶80和各種滑輪。基板64，上面有一個(gè)中央開口，坐落在Z向升降裝置20的頂板54的頂部，并與框架22固定連接。橋65有一個(gè)中央開口并沿Y向橫跨基板64。X向?qū)к?8在橋65的前端和后端的下面被安裝在基板64的頂部，在X向上沿基板64延伸。橋65通過兩對軸承82與X向?qū)к?8連接。一對軸承82被安裝在橋65的前端的下面，另一對軸承82被安裝在橋65的后端的下面。軸承82使橋65可以沿X向?qū)к?8移動。
Y向?qū)к?0被安裝在橋65的中央開口部分的相對的兩側(cè)的橋65的下面。Y向?qū)к?0互相之間平行著沿Y向延伸?；?2通過相對的兩對軸承84與Y向?qū)к?0連接?；?2，安置在Y向?qū)к?0上，被設(shè)置在橋65的中央開口部分。壓出頭14被安裝在滑架72上，以使滑架72沿Y向?qū)к?0的移動能帶動壓出頭14沿Y向移動。壓出頭14被這樣安裝在滑架72上，使壓出頭入料口63在橋65的上方，而噴嘴66在橋65的下方。
X向電動機(jī)74，通過X向皮帶78和數(shù)個(gè)滑輪，使橋65沿X向?qū)к?8前后移動，以實(shí)現(xiàn)壓出頭14沿X方向的移動。Y向電動機(jī)76通過Y向皮帶80和數(shù)個(gè)滑輪，使滑架72沿Y向?qū)к?0移動，以實(shí)現(xiàn)壓出頭14在Y向的移動。該系統(tǒng)被稱為H-橋臺架。
圖4表示了一個(gè)X軸向的驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，X向皮帶78通過一個(gè)驅(qū)動輪86的轉(zhuǎn)動被X向電動機(jī)74驅(qū)動。X向皮帶78被固定連接在一個(gè)系帶88上，按順序卷繞滑輪90、92、94、96、86、98、100和102，然后再被固定到一個(gè)系帶104上?；?0、96和102被安裝在橋架65上，而滑輪92、94、98和100被安裝在基板64上。
圖5示意性地表示一個(gè)Y軸向的驅(qū)動系統(tǒng)。如圖所示，Y向皮帶80通過一個(gè)驅(qū)動輪106的轉(zhuǎn)動被Y向電動機(jī)76驅(qū)動。Y向皮帶80被固定連接在一個(gè)系帶108上，并且按順序卷繞滑輪1 10、112、114、116、118、106、120、122和124，然后再被固定到一個(gè)系帶126上。滑輪110、114、120和124被安裝在橋架65上，而滑輪116和118被安裝在基板64上，而滑輪122和112被安裝在滑架72上?；?10、114和124分別與X軸向驅(qū)動系統(tǒng)的滑輪90、102、和96共用一個(gè)轉(zhuǎn)動軸。
X向電動機(jī)74和Y向電動機(jī)76最好是伺服電動機(jī)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，這兩個(gè)電動機(jī)均是固定的以降低移動組件的重量，這樣致使皮帶卷繞走向的路線形式有多種?？梢酝ㄟ^調(diào)整系帶88和104調(diào)整X向皮帶78上的拉力?？梢酝ㄟ^調(diào)整系帶108和126調(diào)整Y向皮帶80上的拉力。
XY臺架18的動作控制組件被設(shè)置在制造室24的外部并由一個(gè)可變形的絕熱體絕熱，該絕熱體包括兩組折疊成褶狀的絕熱板，如圖1-3所示。一個(gè)X向板座130，其上有一個(gè)中央開口，被固定在基板64的內(nèi)周邊并沿該內(nèi)周邊布置以支持X向的絕熱板132。X向絕熱板132在橋65的左右兩側(cè)從基板64向橋65延伸。一個(gè)Y向板座134，其上也有一個(gè)中央開口，坐落在橋65的底面以下并與其底面固定連接，以支撐一組Y向絕熱板136。這組Y向絕熱板136在壓出頭的前后兩側(cè)從基板64向壓出頭14延伸。X向絕熱板132通過與Y向板座134連接從而與橋65固定連接。在圖3中，兩組絕熱板132和136被部分地去掉，以顯示出板座130和134。
由板座130支撐的X向絕熱板132和由板座134支撐的Y向絕熱板136組成制造室24的可變形的絕熱頂。隨著橋65沿X向?qū)к?8前后移動，X向絕熱板132壓縮和展開。隨著滑架72沿Y向?qū)к?0移動，Y向絕熱板136壓縮和展開。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，兩組絕熱板132和136由高溫織物材料制成，如TeflonTM涂層玻璃纖維。用八邊形的橫斷面把這些絕熱板縫制成，以使它們能進(jìn)行展開和收縮，并把XY向臺架18與制造室24內(nèi)的熱量隔絕開。其它的絕熱板構(gòu)造形式是本領(lǐng)域所公知的，可以用它們代替涂層織物應(yīng)用在本發(fā)明上。例如，可以用不銹鋼薄鋼板焊接制成該絕熱板，或可以用互相之間滑動的板組成該絕熱板?？梢赃x擇，在X向臺架18的上方安裝一個(gè)風(fēng)扇，以便驅(qū)散從制造室24內(nèi)泄露出來的熱量，使XY向臺架18保持在周圍環(huán)境的溫度。
裝置10在控制器140的控制下，把成型材料從壓出頭14逐層淀積到平臺16上，從而制造三維物件。材料被以流暢的狀態(tài)淀積并與先前淀積的材料融合。如圖1示意性地說明的，以一種公知的方式，控制器140接收CAD數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)確定一個(gè)要被制造的物件，根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制器140發(fā)出驅(qū)動信號。驅(qū)動信號被送到X向電動機(jī)、Y向電動機(jī)和Z向電動機(jī)，以控制壓出頭14和平臺16的移動。還如圖1所示，與控制壓出頭14和平臺16的移動同步，控制器140發(fā)出驅(qū)動信號控制擠壓泵144。擠壓泵144回應(yīng)式地把成型材料從材料源146送到壓出頭14的入口63，并控制材料從噴嘴66壓出的速度。當(dāng)以CAD數(shù)據(jù)決定的模式在平臺16的上方移動壓出頭14時(shí)，通過控制壓出速度，一個(gè)與CAD模型類似的三維物件被制造出來了。
制造物件時(shí)，平臺16最初被放置在一個(gè)升起的位置，靠近壓出頭14的噴嘴66。然后開始進(jìn)行材料的淀積，淀積出成型材料的連續(xù)的水平層面，隨著每一層的形成逐漸地進(jìn)一步降低平臺16?；颍瑢用婵梢栽谝粋€(gè)垂直平面內(nèi)或相對于水平面成任何角度的平面內(nèi)形成。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以意識到，對于用本發(fā)明的裝置所完成的淀積成形工藝，和所描述的該裝置的實(shí)施例，都可以做出可枚舉的改進(jìn)。優(yōu)選的實(shí)施例中的臺架的設(shè)置方案是，壓出頭14在XY平面內(nèi)移動，而平臺16沿Z軸移動，作為替換該方案的另一方案，平臺16可以被支撐以便使其在XY平面內(nèi)移動，而壓出頭14被安裝成使其可以沿Z軸向在朝向或離開平臺16的方向上移動。在這種情況下，可變形的絕熱體成為制造室的一部分，臺架通過該部分使平臺16移動。還可以理解，在XY平面內(nèi)的移動不必限制在成直角的移動方向的范圍內(nèi)，而可以包括在XY平面內(nèi)的徑向的、切向的、拱形的和其他方向的移動。同樣，可以替換XY臺架18和Z向升降裝置20，XYZ方向的臺架可以應(yīng)用本領(lǐng)域內(nèi)熟知的任何形式的機(jī)械的驅(qū)動系統(tǒng)，只要該系統(tǒng)能被控制器發(fā)出的驅(qū)動信號控制。可以使用任何與制造環(huán)境相適應(yīng)的可變形的絕熱體替換X向絕熱板132和Y向絕熱板136。
作為另一個(gè)備選的方案，可以理解，本發(fā)明可以采用這樣一種設(shè)置，該設(shè)置能帶來優(yōu)點(diǎn)，其中，XY向臺架18在制造室24的外面并與制造室熱隔絕，而Z向升降裝置20設(shè)在制造室24內(nèi)部。如公開的實(shí)施例中描述的，臺架18使壓出頭14在XY平面內(nèi)移動，成型材料從壓出頭被淀積成層面，在XY平面內(nèi)的移動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基底沿Z軸向的移動。這樣，Z向升降裝置不需具有與XY向臺架同樣的速度和精度。在這樣一種情況下，XY臺架可能會比Z向升降裝置的成本高出許多，使Z向升降裝置的動作控制組件更適宜更換。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以使用任何帶有至少一個(gè)送出流動的成型材料的出料口的可移動的壓出頭來執(zhí)行本發(fā)明的淀積工藝，只要該壓出頭能被控制以輸送流動的材料到一個(gè)由控制信號確定的幾何區(qū)域內(nèi)。這樣的裝置可以包括，例如，通常的活塞或柱塞型的配料機(jī)構(gòu)，或能被高度控制的螺桿型供料器，如美國專利第5312224中所公開的。
同樣，可以應(yīng)用不同形式的原料作為材料源146。例如，成型材料可以以固體的形式被供給，如卷繞在一個(gè)供料卷軸上的連續(xù)的柔軟的絲狀材料，或長度限定的固體的棒材，如美國專利第5121329中所描述的。可以選擇使成型材料以片狀的形態(tài)供給，如美國專利第5764521中所描述的，或材料可以以液態(tài)的形態(tài)從一個(gè)儲液箱中被泵送，如美國專利第4749347中所描述的。不論向配料頭供給的原材料的形態(tài)，材料輸送泵必須能被控制，以便使材料的配送速度可以被準(zhǔn)確地控制，以成型三維物件。泵必須與原料類型和配料頭相匹配。
可以對淀積工藝進(jìn)行設(shè)置，以便使多種不同的原材料能被配送。在通過分層淀積能固化的材料的方法制造三維物件時(shí)，在一個(gè)正處于制造過程中的物件任何伸出部分的下面或物件的空腔里通常需要支撐層或結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種物件沒有被成型材料自身直接支撐。本領(lǐng)域中眾所周知，可以與成型材料的淀積配合淀積支撐材料，以形成這些支撐結(jié)構(gòu)或支撐層。在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，可以使用用于淀積成型材料的同樣的技術(shù)和裝置建造支撐結(jié)構(gòu)。支撐材料可以從在成型裝置里的一個(gè)單獨(dú)的壓出頭被淀積，或用淀積成型材料的同一個(gè)壓出頭淀積。更具體地，可以通過下列的方法使裝置10適于配送兩種材料(1)設(shè)置兩個(gè)配料頭，每一個(gè)被一個(gè)滑架夾持住，一個(gè)配料頭供給成型材料，另一個(gè)供給支撐材料；(2)設(shè)置一個(gè)供給成型材料和支撐材料兩種材料的配料頭，該配料頭帶有一個(gè)配送兩種材料的噴嘴(如329專利的圖6所示的)；或(3)設(shè)置一個(gè)供給兩種材料的配料頭，每一種材料通過一個(gè)單獨(dú)的噴嘴配送(如785專利的圖6所示)。同樣地，裝置可以被設(shè)計(jì)成能配送兩種不同的成型材料以成型多相的物品或多彩的物品。
當(dāng)使用快速吸濕的材料(許多高溫?zé)崴懿牧嫌锌焖傥鼭竦男再|(zhì))成型時(shí)，應(yīng)將材料源146保護(hù)起來防止其受潮。如果成型材料吸收了水分，模型的質(zhì)量會降低。例如，當(dāng)使用UltemTM成型時(shí)，高于0.05％的含水量會降低模型的質(zhì)量。通過對材料源進(jìn)行有效地干燥，可以取得適宜的干燥環(huán)境?；颍瑥闹圃飙h(huán)境內(nèi)排除氧氣，而充入另一種氣體或氣體混合物，這樣就無須有效地干燥。
如圖2所示，在所示的實(shí)施例中，一個(gè)空氣偏導(dǎo)管150被安裝在壓出頭14上，以防止在噴嘴66的區(qū)域產(chǎn)生局部過熱。當(dāng)成型一個(gè)部件只需小范圍移動壓出頭14時(shí)，從壓出頭14輻射出的熱量會傾向于滯留并在噴嘴66處產(chǎn)生局部過熱。如果產(chǎn)生局部過熱，圍繞著過熱的局部的壓出材料的溫度會升高。如果壓出材料達(dá)到了它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，材料會變形，部件的質(zhì)量會降低。在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)有一個(gè)被加熱到70℃-90℃范圍的制造室，周圍的空氣被吹進(jìn)制造室以防止在噴嘴的區(qū)域產(chǎn)生局部過熱。在一個(gè)高溫制造環(huán)境中，周圍的空氣會使壓出材料過于突然地被冷卻，造成翹曲應(yīng)力并使被制造的物件發(fā)生幾何變形。
如圖6-8所示，空氣偏導(dǎo)器150利用在制造室24內(nèi)的空氣流動冷卻噴嘴區(qū)域。如圖所示，空氣偏導(dǎo)器150有一個(gè)面對空氣出口32的鼻部152。在鼻部152的上方有一對葉片154，該葉片將來自空氣出口32的氣流分成兩股。兩股空氣流流入兩個(gè)導(dǎo)管156，這些導(dǎo)管156被設(shè)置在鼻部152的兩側(cè)。這兩個(gè)空氣導(dǎo)管156向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后向內(nèi)使互相相向，以便使從兩個(gè)導(dǎo)管來的氣流都射向噴嘴66。每一個(gè)空氣導(dǎo)管156有一個(gè)前葉片159和一個(gè)后葉片160，它們在每一個(gè)導(dǎo)管156內(nèi)把空氣流進(jìn)一步分成三道。這三道氣流確保了流向噴嘴區(qū)域的氣流的相當(dāng)均勻的分布。但是，將空氣導(dǎo)管156再進(jìn)一步分成多條氣道不是必須的。而本發(fā)明可以使用任何偏導(dǎo)流向噴嘴的空氣的裝置。
在用淀積法制造模型的過程中，當(dāng)用壓出頭淀積成型材料時(shí)，成型材料可能會積聚在噴嘴上并最終堵塞噴嘴。高溫?zé)崴芩芰咸貏e易于積聚，因?yàn)樗鼈兺钦吵淼?。相?yīng)地，本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中包括一個(gè)噴嘴清潔裝置170，用于清除積聚在噴嘴66上的成型材料。如圖9所示，噴嘴清潔裝置被安裝在靠近制造室24的頂部的右手側(cè)。在噴嘴清潔裝置下面有一個(gè)用于匯集松散的成型材料的廢料流動槽172。廢料流動槽172在加熱管26和垂直的細(xì)長口46之間變窄并在其間延伸，從爐體12的底部伸出。裝置170包括兩個(gè)并排安裝在兩個(gè)對轉(zhuǎn)軸176上的清潔器174，對轉(zhuǎn)軸176由一個(gè)電動機(jī)178(圖1中所示)驅(qū)動，電動機(jī)178對來自控制器140的信號起反應(yīng)。電動機(jī)178被安裝在爐體12的外部。
如圖所示，每一個(gè)清潔器174由一個(gè)刷子180和兩個(gè)十字形斷面的彈性的葉片182組成，兩個(gè)葉片182在空間上分開設(shè)置，并對準(zhǔn)一個(gè)軸184的中心。刷子180的優(yōu)選的材料是鋼，葉片182的優(yōu)選的材料是硅酮。使用時(shí)，驅(qū)動噴嘴66在兩個(gè)清潔器174之間來回運(yùn)動，清潔器174被驅(qū)動以對噴嘴66傳遞一個(gè)向下的力，從而使壓出頭噴嘴66被噴嘴清潔裝置170清潔。有效轉(zhuǎn)速是550轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。葉片182把材料從噴嘴66上除去，而刷子180把材料從噴嘴66上刷掉。然后松散的材料落到廢料流動槽172。最好在廢料流動槽172的出口下面放置一個(gè)廢料容器。清潔器174可從軸176上拆下來，以便清洗或更換。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到可以使用多種噴嘴清潔器174，只要該清潔器在靠近噴嘴轉(zhuǎn)動時(shí)可以把材料從噴嘴66上除去。
盡管結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，可以做出各種細(xì)節(jié)和形式的改進(jìn)，它們都不會超出本發(fā)明的思想和范圍。例如，本發(fā)明不限于只應(yīng)用在這里所述的優(yōu)選的實(shí)施例的以淀積為基礎(chǔ)的成型系統(tǒng)上。其他的在加熱室內(nèi)制造三維物品的疊合工藝制造技術(shù)都能從本發(fā)明中受益，如通過噴射能固化的材料的料滴、通過可熔化的棒料電弧焊(consumable rod arc welding)或通過等離子噴射等方法制造三維物件系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種三維成型裝置，包括一個(gè)加熱的制造室，一個(gè)設(shè)置在制造室內(nèi)的基底，一個(gè)把成型材料配送到基底上的配料頭，以及一個(gè)XYZ向臺架，在制造室內(nèi)三維物件被制造，配料頭包括一個(gè)設(shè)在制造室內(nèi)的成型材料配料出口，XYZ向臺架與配料頭連接并與基底連接以便使配料頭和基底之間在三維方向產(chǎn)生相對移動，其特征在于XYZ向臺架被設(shè)置在制造室的外部，并由一個(gè)可變形的絕熱體與制造室隔離。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中可變形的絕熱體構(gòu)成制造室的一部分，XYZ向臺架通過該部分使配料頭移動。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于其中XYZ向臺架包括一個(gè)XY向臺架，其與配料頭連接以實(shí)現(xiàn)配料頭在XY平面內(nèi)的移動；以及一個(gè)Z向升降裝置，其與基底連接以實(shí)現(xiàn)基底沿Z軸方向的移動。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于其中Z向升降裝置通過設(shè)在制造室的壁上的密封的細(xì)長口與基底連接。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中可變形的絕熱體構(gòu)成制造室的一部分，XYZ向臺架通過該部分與基底連接。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中配料頭有一個(gè)在制造室外部的成型材料入料口。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其還包括一個(gè)框架，XYZ向臺架和制造室被安裝在該框架上。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中制造室被加熱到高于150℃的溫度。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其中XYZ向臺架實(shí)現(xiàn)配料頭和基底在三個(gè)非正交的自由度上的移動。
10.一種三維成型裝置，包括一個(gè)加熱的制造室；一個(gè)設(shè)置在制造室內(nèi)的可移動的基底；一個(gè)可移動的配料頭，其有一個(gè)可控制地配送成型材料的出料口，該出料口被設(shè)置在制造室內(nèi)；以及一個(gè)XYZ向臺架，其與配料頭和基底連接，以便使配料頭和基底互相之間在三維方向上與成型材料的配送同步地移動，從而制造一個(gè)預(yù)定形狀的三維物件，XYZ向臺架被設(shè)置在制造室的外部并與制造室熱隔絕。
11.如權(quán)利要求10所述的成型裝置，其特征在于其中制造室有一個(gè)有可變形的絕熱體構(gòu)成的頂部，通過該頂部，XYZ向臺架移動配料頭。
12.如權(quán)利要求11所述的成型裝置，其特征在于其中XYZ向臺架包括一個(gè)與配料頭連接的XY向臺架，以便實(shí)現(xiàn)配料頭在XY平面內(nèi)的移動；以及一個(gè)與基底連接的Z向升降裝置，以便實(shí)現(xiàn)基底沿Z軸方向的移動。
13.如權(quán)利要求12所述的成型裝置，其特征在于其中配料頭有一個(gè)設(shè)置在制造室外部的成型材料入料口。
14.如權(quán)利要求10所述的成型裝置，其特征在于它還包括一個(gè)在制造室外部的框架，XYZ向臺架和制造室被安裝在該框架上。
15.如權(quán)利要求10所述的成型裝置，其特征在于其中制造室以這樣的方式被對流加熱，使制造室內(nèi)產(chǎn)生一種空氣流型，它還包括一個(gè)安裝在配料頭上的裝置，該裝置用于使流型中的氣體朝向配料頭出料口偏導(dǎo)。
16.如權(quán)利要求10所述的成型裝置，其特征在于其還包括一個(gè)把積聚的成型材料從配料頭出料口清除的裝置。
17.如權(quán)利要求10所述的成型裝置，其特征在于其中制造室被加熱到高于150℃的溫度。
18.一種三維成型裝置，包括一個(gè)加熱的制造室，一個(gè)設(shè)置在制造室內(nèi)的基底，一個(gè)把成型材料配送到基底上的配料頭，以及一個(gè)XY向臺架，在制造室內(nèi)三維物件被制造，配料頭包括一個(gè)設(shè)在制造室內(nèi)的成型材料配料出料口，XY向臺架與配料頭連接以便使配料頭在一個(gè)XY平面內(nèi)移動，其特征在于XY向臺架被設(shè)置在制造室的外部，并與制造室熱隔絕；以及一個(gè)可變形的絕熱體構(gòu)成制造室的一部分，通過該部分XY向臺架使配料頭移動。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于其中配料頭有一個(gè)在制造室外部的材料入料口。
20.如權(quán)利要求18所述的成型裝置，其特征在于其中制造室被對流加熱，以使其內(nèi)產(chǎn)生一種空氣流型，其還包括一個(gè)安裝在配料頭上的裝置，該裝置用于使流型中的空氣朝向配料頭出料口偏導(dǎo)。
21.如權(quán)利要求18所述的成型裝置，其特征在于其還包括一個(gè)把積聚的成型材料從配料頭出料口清除的裝置。
22.如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于其還包括一個(gè)設(shè)置在制造室外部并與其熱隔絕的Z向升降裝置，該Z向升降裝置通過在制造室的壁上的密封的細(xì)長口與基底連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維成型裝置(10),通過以一種由來自控制器(140)的控制信號確定的模式,把成型材料從一個(gè)配料頭(14)配送到一個(gè)基底(16)上,從而在一個(gè)加熱的制造室(24)內(nèi)制造三維物件。裝置(10)的動作控制組件(18、20)在制造室(24)的外部并與其熱隔絕。可變形的絕熱體(132)構(gòu)成制造室的一個(gè)頂部,使配料頭(14)在XY平面內(nèi)的移動被XY向臺架(18)控制,該臺架設(shè)置在制造室外部并與其熱隔絕。在優(yōu)選的實(shí)施例中,配料頭(14)的材料入料口(63)也在制造室(24)的外部,而配料頭的材料出料口在制造室內(nèi)。動作控制組件與制造室之間熱隔絕使制造室可以被保持在一個(gè)高溫。
文檔編號B29C71/02GK1356936SQ00809321
公開日2002年7月3日 申請日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月23日
發(fā)明者威廉·約翰·斯旺森, 帕特里克·威廉·特利, 保羅·約瑟夫·萊維特, 彼得·詹姆斯·卡沃斯基, 約瑟夫·愛德華·拉博西埃爾, 羅伯特·L·斯庫比克 申請人:斯特拉塔系統(tǒng)有限公司