專利名稱：高精度成型絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及使用基于擠壓的分層制造技術(shù)的三維物體的制造，具體來說，本發(fā)明涉及在熔融淀積三維成型設(shè)備中用作原料的成型絲。
背景技術(shù)：
三維模型可用于各種功能，其中包括審美判斷、驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型、成型堅(jiān)硬的工具、研究干擾和空間分配以及測試功能性?；跀D壓的分層制造設(shè)備通過從擠壓頭上安裝的噴嘴向基座擠壓可固化的成型材料，可以構(gòu)造三維模型。成型材料在加熱時(shí)流動(dòng)，在溫度下降時(shí)固化，并且在固化時(shí)以足夠大的粘結(jié)力附著到前一層上。合適的材料包括臘、熱塑性樹脂和各種金屬。按照從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)控制下并根據(jù)預(yù)先確定的圖案相對(duì)于基座移動(dòng)擠壓頭。
在以下的文獻(xiàn)中描述了用于制造三維物體的基于擠壓的設(shè)備和方法的實(shí)例Valavaara的美國專利No.4749347；Crump的美國專利No.5121329；Crump的美國專利No.5340433；Crump等人的美國專利No.5503785；Danforth等人的美國專利No.5738817；Danforth等人的美國專利No.5900207；Batchelder等人的美國專利No.5764521；Dahlin等人的美國專利No.6022207；Swanson的美國專利No.6004124；Stuffle等人的美國專利No.6067480；Batchelder等人的美國專利No.6085957。所有這些專利都轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人Stratasys公司。
可以以各種形式向分層淀積成型設(shè)備的擠壓頭提供成型材料，其中包括這種材料的液體或固體的原料。擠壓頭將固體原料加熱到可流動(dòng)的溫度以便用于淀積。一種技術(shù)以絲股的形式向擠壓頭提供成型材料。使用加壓裝置從擠壓頭擠壓熔融的成型材料。
現(xiàn)有技術(shù)的Stratasys FDM三維成型設(shè)備使用軟件程序來“切片(slice)”一個(gè)物體的計(jì)算機(jī)輔助(CAD)設(shè)計(jì)，使所說的物體成為多個(gè)水平層。成型設(shè)備擠壓成型材料使之成為流動(dòng)的股(稱之為“路(road)”)，借此一層接一層地堆成所說的物體。每一個(gè)擠壓的路都有一個(gè)等于切片高度的厚度。擠出的材料在先前淀積的材料上熔化并且在溫度下降時(shí)固化，從而形成類似計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的三維物體。成型材料在一般情況下是熱塑性材料或者臘材料。
在最經(jīng)常實(shí)施的結(jié)構(gòu)中，成型材料的原料是細(xì)絲形式。在使用細(xì)絲原料的現(xiàn)有的Stratasys FDM成型設(shè)備中，裝在成型設(shè)備中的成型材料是卷在供料盤上的軟絲，如在美國專利No.5121329中所公開的那樣。在一般情況下，細(xì)絲具有小的直徑，如在0.070英寸數(shù)量級(jí)。包括液化器和分配嘴的擠壓頭接納細(xì)絲、在液化器內(nèi)熔化細(xì)絲、并且從噴嘴擠出熔化的成型材料。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的供料滾輪使絲股前進(jìn)并進(jìn)入液化器內(nèi)。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的供料滾輪推動(dòng)細(xì)絲進(jìn)入液化器以產(chǎn)生一個(gè)所謂的“液化器泵”，其中的細(xì)絲本身的作用是一個(gè)活塞。當(dāng)供料滾輪使細(xì)絲前進(jìn)到液化器內(nèi)時(shí)，進(jìn)入的絲股的作用力擠壓可流動(dòng)的材料，使之從噴嘴噴出?，F(xiàn)有技術(shù)的典型擠壓流速范圍是0-20000×10-6立方微英寸/秒(micro-cubic inches persecond)。
從噴嘴擠出的材料的體積流速是細(xì)絲前進(jìn)到擠壓頭的速率的函數(shù)。于是，通過控制細(xì)絲進(jìn)入液化器內(nèi)的前進(jìn)速度，就可以控制流速。按最佳的方式，液化器應(yīng)該忠實(shí)地在形成的流量中復(fù)制輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)?？刂破饕刂茢D壓頭在水平的x-y方向的移動(dòng)，還要控制基座在垂直的z方向的移動(dòng)，而且還要控制供料滾輪推進(jìn)細(xì)絲的速率。通過同步地控制這些加工變量，成型材料才能沿著由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型確定的工具路徑(tool path)一層接一層地淀積在“路”內(nèi)。擠出的材料在先前淀積的材料上熔化并且固化以形成模擬計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的三維物體。
所說擠壓的路的橫截面積應(yīng)該按理想方式進(jìn)行精確的控制以產(chǎn)生準(zhǔn)確的模型。通常，期望有一個(gè)恒定的滴寬度。所說的滴寬度與擠壓頭速度以及噴嘴口的大小和來自噴嘴的材料的流速有關(guān)系。所說的滴寬度還受擠壓噴嘴尖端和先前的擠壓層(或基座)之間的間距的影響。當(dāng)擠壓頭的速度改變的時(shí)候，輸出的流速必須相應(yīng)地改變，否則不能獲得恒定的滴寬度。
為了努力實(shí)現(xiàn)預(yù)期的擠壓流速，所制造的成型絲要滿足容差極限。目標(biāo)直徑為0.070英寸的圓柱形細(xì)絲的直徑制造容差為+/-0.0025英寸。使用獲得目標(biāo)直徑的擠壓方法來制造細(xì)絲?，F(xiàn)有技術(shù)的方法通過在制造過程中使用激光測微儀并且在細(xì)絲干燥后用測微儀測量卷起的細(xì)絲來檢驗(yàn)容差。如果沒有大于0.0725英寸或小于0.0675英寸的測量值，則認(rèn)為這個(gè)細(xì)絲是令人滿意的。
在現(xiàn)有技術(shù)的成型系統(tǒng)中，產(chǎn)生滴寬度誤差，尤其是在工具路徑的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，例如在“接縫”的位置(即在一個(gè)閉合回路的工具路徑的起始和結(jié)束點(diǎn))。產(chǎn)生滴寬度誤差的部分原因是流速不一致。這些誤差使最終模型的形狀產(chǎn)生不期望的不一致。
在美國專利No.6085957中公開了一種用于控制輸出流速從而減小滴寬度和接縫誤差的技術(shù)。美國專利No.6085957給出的教導(dǎo)是在細(xì)絲進(jìn)入液化器時(shí)對(duì)細(xì)絲股的細(xì)絲直徑進(jìn)行瞬時(shí)檢測，并且隨后對(duì)于進(jìn)入液化器內(nèi)的細(xì)絲的供料速率進(jìn)行瞬時(shí)調(diào)節(jié)。雖然這種技術(shù)的確減小了誤差，但它仍舊有如下缺點(diǎn)，即每個(gè)成型設(shè)備必須配備一個(gè)傳感器，增加了設(shè)備的成本和維護(hù)。還有，使用這種技術(shù)，已經(jīng)觀察到仍舊有一些誤差。
因此期望，進(jìn)一步減小在使用熔融淀積成型技術(shù)制造的模型中的滴寬度和接縫誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及的是用作擠壓設(shè)備的原料的高精度成型絲和使用本發(fā)明的成型絲形成三維物體的方法，所說的擠壓設(shè)備包括內(nèi)徑為dL的液化器。液化器接收成型絲并且以熔化形式將其淀積在寬度為W和高度為L的路中。成型絲具有平均直徑和直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)于平均直徑和直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行控制，以滿足如下的各種標(biāo)準(zhǔn)阻塞阻力、滑動(dòng)阻力、模型強(qiáng)度、液化器溢流防止、無滯后過渡響應(yīng)。
直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σF)與細(xì)絲目標(biāo)直徑匹配。按照關(guān)系式0.84L＜dT＜dL-6σF來限制細(xì)絲目標(biāo)直徑dT，以滿足阻塞阻力和滑動(dòng)阻力標(biāo)準(zhǔn)。按照關(guān)系式σF≤2LWSS3πdTΔSg]]>限制標(biāo)準(zhǔn)偏差，以滿足無滯后過渡響應(yīng)的要求，這里，ΔSg是在液化器內(nèi)彎液面的期望平均移動(dòng)，SS是接縫中的最大可允許間隙，W是路寬度，L是路高度?？梢詫?duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作進(jìn)一步限制，以滿足模型強(qiáng)度和液化器溢流防止的標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于無滯后過渡響應(yīng)要求來說可能是多余的。
對(duì)于細(xì)絲進(jìn)行制造，以使平均細(xì)絲直徑<dF>等于目標(biāo)直徑。按照本發(fā)明的教導(dǎo)制造的具體的適合于用在0.076英寸內(nèi)徑的液化器中的細(xì)絲，它的目標(biāo)直徑在0.069英寸和0.073英寸之間，它的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.0004英寸。本發(fā)明的成型絲用于形成高質(zhì)量的模型。


圖1是液化器的一個(gè)實(shí)施例的平面圖，其中的某些部分是剖面圖；圖2是通過熔融淀積成型技術(shù)生產(chǎn)的典型模型的剖面圖；圖3是通過熔融淀積成型技術(shù)產(chǎn)生的聚碳酸酯模型的填充百分?jǐn)?shù)相對(duì)于相對(duì)斷裂強(qiáng)度的曲線圖；圖4A和4B是分別在低和高供料速率的情況下在未熔化的細(xì)絲和液化器的內(nèi)壁之間的間隙距離的部分剖切的平面圖；圖5是展示路寬度的滯后效應(yīng)的曲線圖；圖6是表示在典型模型中的間隙距離的透視圖；圖7是按照本發(fā)明的細(xì)絲容差限制的曲線圖；圖8是典型細(xì)絲制造步驟的流程圖；圖9是細(xì)絲成形設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例的帶有部分剖面的平面圖；圖10是圖9所示的激光測微儀的一個(gè)實(shí)施例的平面圖；和圖11是激光測微儀測量的兩個(gè)曲線圖，表示接收的強(qiáng)度相對(duì)于位置的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)目的是生產(chǎn)成型絲，成型絲的直徑要滿足根據(jù)某種鑒定標(biāo)準(zhǔn)建立的容差限制，并且使用成型絲作為原料生產(chǎn)高質(zhì)量的模型。本發(fā)明基于如下的認(rèn)識(shí)如在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的，細(xì)絲直徑的變化可能會(huì)明顯降低熔融淀積成型液化器的性能，導(dǎo)致質(zhì)量很差的模型。下面我們將描述本發(fā)明的容差限制和包括用于生產(chǎn)滿足這些限制的成型絲的細(xì)絲直徑控制的制造方法。
圖1表示一個(gè)典型的液化器22，其結(jié)合有一對(duì)供料滾輪24，供料滾輪24推動(dòng)一股細(xì)絲20進(jìn)入液化器22的入口或進(jìn)口26。供料滾輪24以可控的速率由電動(dòng)機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)。噴嘴或尖端28向結(jié)構(gòu)下邊的模型30有選擇地淀積可流動(dòng)的熱塑性材料。如圖所示，細(xì)絲20具有瞬時(shí)直徑dF，瞬時(shí)直徑dF必定要小于液化器22的內(nèi)徑dL。
在包括例如如圖1所示的液化器的當(dāng)前的成型系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的模型的精度取決于細(xì)絲供給的精度。當(dāng)細(xì)絲的橫截面積改變時(shí)，傳送到設(shè)備的液化器尖端的材料的體積不能保持不變，這將引起材料流速的漲落。例如，當(dāng)細(xì)絲太大，可能會(huì)在液化器尖端堆積過多的材料，導(dǎo)致模型各層的材料溢流。類似地，當(dāng)細(xì)絲太小，填充部件的材料可能欠缺或滯后，導(dǎo)致淀積的層有太多的微孔，表面光潔度太差，部件堅(jiān)實(shí)程度較弱。這兩種情況都容易引起模型失效。最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使細(xì)絲直徑dF有很小的變化，也能引起液化器的過渡響應(yīng)的不可接受的變化，從而導(dǎo)致最終模型的質(zhì)量的很大變化，其中包括出現(xiàn)間隙和過大的厚度。
本發(fā)明能夠識(shí)別對(duì)于擠壓的細(xì)絲原料的制造容差施加限制的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以減小流量的變化，借此改進(jìn)模型質(zhì)量。
細(xì)絲直徑容差按照本發(fā)明，所制造的細(xì)絲20的直徑同時(shí)滿足幾個(gè)獨(dú)立的容差要求。根據(jù)阻塞阻力和滑動(dòng)阻力的標(biāo)準(zhǔn)來選擇細(xì)絲的目標(biāo)直徑dT。根據(jù)模型強(qiáng)度、液化器溢流防止和無滯后過渡響應(yīng)的容差要求，針對(duì)目標(biāo)直徑dT選擇標(biāo)準(zhǔn)偏差σF。
在現(xiàn)有技術(shù)中，只有阻塞阻力和滑動(dòng)阻力的標(biāo)準(zhǔn)是被認(rèn)識(shí)和滿足的。近來的數(shù)據(jù)表明，液化器的過渡響應(yīng)對(duì)于細(xì)絲直徑和液化器內(nèi)徑之間的差的微小變化是敏感的。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到通過根據(jù)幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)限制細(xì)絲直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可以改進(jìn)模型的質(zhì)量。
阻塞阻力如果細(xì)絲直徑一旦超過在進(jìn)口26處的液化器22的內(nèi)徑，細(xì)絲20在試圖進(jìn)入液化器22時(shí)將發(fā)生阻塞。細(xì)絲制造過程的標(biāo)準(zhǔn)偏差越緊，細(xì)絲目標(biāo)直徑dT距液化器22的內(nèi)徑dL可越接近。為了保證細(xì)絲20在進(jìn)口26處不阻塞，我們要求dT＜dL-6σF公式1此外，在公式1中所示的的dT和dL之間的關(guān)系可進(jìn)一步包括使細(xì)絲20配合進(jìn)入液化器22內(nèi)的一個(gè)間隙，其目的在于適應(yīng)任何橢圓形的細(xì)絲20，橢圓形的細(xì)絲20可能在卷繞時(shí)發(fā)生。橢圓化的間隙可以由變量t0表示。
滑動(dòng)阻力供料滾輪24有一個(gè)有限的柔度。如果細(xì)絲直徑的收縮低于供料滾輪的柔度允許的收縮，則細(xì)絲20將不能以期望的速率向液化器內(nèi)供給，并且在入口26處可能發(fā)生阻塞。因此，對(duì)于由供料滾輪24向液化器22提供的細(xì)絲20的另一個(gè)要求是細(xì)絲20必須有足夠的直徑以允許使用供料滾輪24向液化器22內(nèi)進(jìn)行有效的推動(dòng)。
許多不同類型的供料滾輪傳動(dòng)都是可能的，并且在本領(lǐng)域內(nèi)是公知的，其中包括彈性材料涂敷的滾輪、齒形滾輪、單或雙彈簧偏置的滾輪。類似地，可以與供料滾輪24串行地加入一個(gè)附加的滾輪。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，彈簧偏置的齒形滾輪具有最大的柔度范圍。對(duì)于推動(dòng)細(xì)絲20進(jìn)入液化器22的一個(gè)彈簧偏置的齒形滾輪，可允許的最小細(xì)絲直徑是dT≥0.84dL公式2使用不同傳動(dòng)類型的可替換的實(shí)例可能具有不同的柔度，例如根據(jù)傳動(dòng)的類型，可達(dá)dT≥0.96dL。對(duì)于一個(gè)特定的供料滾輪類型，低于這個(gè)柔度限制的直徑將使?jié)L輪滑動(dòng)，并使液化器停止以期望的流速擠壓材料。
模型強(qiáng)度另一個(gè)成型要求是最終的模型必須要有足夠大的強(qiáng)度。如果進(jìn)入液化器22的細(xì)絲20的直徑小于預(yù)期值，則擠壓的路32將小于期望值。最終的模型30可能由于過大的孔隙率具有很低的破裂強(qiáng)度。這項(xiàng)要求也可以描述成限制最終模型的最大孔隙率。
圖2表示模型30的剖面圖。淀積的成型材料的24個(gè)單個(gè)的路32已經(jīng)熔融在一起形成模型30。小孔34保留在路32的結(jié)合點(diǎn)。通過測量在模型30的一個(gè)確定的橫截面積36內(nèi)所有的孔34的橫截面積，可以憑經(jīng)驗(yàn)確定模型30的孔隙率。在此例中，模型30的孔隙率是所有的孔34的橫截面積除以面積36，可以作為一個(gè)分?jǐn)?shù)給出。按照另一種方式，孔隙率可以表示為一個(gè)百分?jǐn)?shù)。
填充百分?jǐn)?shù)(fill percentage)(F)通過以下的關(guān)系式與孔隙率直接相關(guān)F/100+P＝1 公式3這里，F(xiàn)是一個(gè)百分?jǐn)?shù)，P是一個(gè)分?jǐn)?shù)。因此可以認(rèn)為，孔隙率對(duì)于模型破裂強(qiáng)度的影響可結(jié)合填充百分?jǐn)?shù)來考慮。例如，已經(jīng)證實(shí)，與填充百分?jǐn)?shù)為95％的聚碳酸酯模型相比，填充百分?jǐn)?shù)為90％的聚碳酸酯模型的強(qiáng)度明顯減小，如圖3上的樣品39和40所示。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于聚碳酸酯，以94％的填充百分?jǐn)?shù)(F)獲得75％的最終的破裂強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，百分之幾的孔隙率對(duì)于聚碳酸酯產(chǎn)生的相對(duì)破裂強(qiáng)度與對(duì)于各種各樣的其它非晶熱塑成型材料產(chǎn)生的相對(duì)破裂強(qiáng)度相同。
如在美國專利No.5693525中所述的，當(dāng)前的熔融淀積成型技術(shù)尋求的是實(shí)現(xiàn)模型的目標(biāo)孔隙率。目標(biāo)孔隙率是非零的，以便適應(yīng)加工變化，如細(xì)絲直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，相應(yīng)的目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)FT要小于100％。在穩(wěn)定狀態(tài)，模型的填充百分?jǐn)?shù)F為F=(dt±3σFdT)2FT]]>公式4模型強(qiáng)度是通過填充百分?jǐn)?shù)的下限(dT-3σF)確定的。取這個(gè)下限并對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)偏差求解公式4，則給出下面的對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)偏差的限制σF≤dT3(1-FFT)]]>公式5溢流的防止與以上對(duì)于模型強(qiáng)度要求的描述類似，如果細(xì)絲直徑大于期望值，則由于過度填充使最終的模型30的表面光潔度很差。當(dāng)細(xì)絲太大，則從液化器尖端擠出的細(xì)絲過多，產(chǎn)生的路32局部太厚。最終的突起可能引起表面瑕疵。因此還要有一個(gè)附加的要求設(shè)置細(xì)絲直徑的上限。
當(dāng)達(dá)到公式4的上限時(shí)，細(xì)絲可能過大，引起溢流。對(duì)于填充百分?jǐn)?shù)F為100％和(dT+3σF)求解公式4，得到制造容差σF≤dT3(100FT-1)]]>公式6無滯后過渡響應(yīng)最近的數(shù)據(jù)表明，液化器的過渡響應(yīng)對(duì)于細(xì)絲直徑和液化器內(nèi)徑之間的差的微小變化是很敏感的。由于液化器輸出速率的變化引起的過渡效應(yīng)可使接縫質(zhì)量變差，并且可使滴寬度不一致。細(xì)絲直徑的漲落可使過渡效應(yīng)變差。已經(jīng)觀察到，細(xì)絲尺寸與液化器內(nèi)部尺寸匹配得越接近、越一致，則模型的質(zhì)量越高。在細(xì)絲尺寸和液化器過渡響應(yīng)之間的影響模型質(zhì)量的已觀察到的關(guān)系是很復(fù)雜的。
在熔融淀積成型期間，細(xì)絲20通過供料滾輪24加入液化器中并且熔化。因此在液化器22中就存在已熔化的成型材料和未熔化的細(xì)絲這兩者。細(xì)絲20的絲股通過供料滾輪24“泵入”液化器22中，從而使液化器22加壓。細(xì)絲20的作用像一個(gè)活塞。這個(gè)壓力推動(dòng)熔化的成型材料從所說的尖端出來，如先前圖1所示。
在圖4A和4B中表示的是進(jìn)入液化器22的細(xì)絲20的移動(dòng)。圖4A表示慢的細(xì)絲供料速度，圖4B表示高的供料速度。如圖所示，在固態(tài)的細(xì)絲20和液化器22的內(nèi)壁44之間有一個(gè)間隙42。間隙42一般充有氣體(如空氣或成型材料煙霧)。圖4A和4B還表示出一個(gè)彎液面45，它是由固體的細(xì)絲20轉(zhuǎn)變成熔融的成型材料46而產(chǎn)生的。彎液面45標(biāo)志著熔融的材料46接觸液化器22的內(nèi)壁的那一點(diǎn)。當(dāng)細(xì)絲20以低速進(jìn)入液化器22時(shí)，如圖4A所示，在液化器進(jìn)口26和彎液面45之間存在一個(gè)小的間隙距離。當(dāng)細(xì)絲20以相當(dāng)高的速度進(jìn)入液化器22時(shí)，這個(gè)間隙距離較大，因?yàn)閺澮好?5處在較低的位置，如圖4B所示。
如果細(xì)絲20泵入液化器22的速率發(fā)生變化，在液化器22中熔融的材料46的數(shù)量隨之變化，這又影響液化器內(nèi)的壓力和相關(guān)的輸出流量。當(dāng)液化器22在相當(dāng)長的時(shí)間緩慢地?cái)D出并且隨后過渡到高流速時(shí)，由于間隙距離增大，液化器22瞬時(shí)擠出過多。當(dāng)液化器22在相當(dāng)長的時(shí)間高速率地?cái)D出并且隨后過渡到低流速時(shí)，由于間隙距離減小，液化器22瞬時(shí)擠出量不足。除了隨流速改變以外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，間隙距離還隨粘度、接通時(shí)間和斷開時(shí)間、細(xì)絲直徑、液化器直徑和非牛頓效應(yīng)而變。本發(fā)明認(rèn)為，如果細(xì)絲直徑保持近似不變，則可以簡化間隙距離的行為以便容易控制過渡效應(yīng)。
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確認(rèn)，不變的細(xì)絲直徑容易控制過渡效應(yīng)。圖5表示使用兩個(gè)不同的細(xì)絲直徑測量路寬度隨內(nèi)徑dL＝0.076英寸的液化器擠壓位置的變化所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。保持供料滾輪的速率正比于液化器尖端的速度，以產(chǎn)生0.019英寸(19密耳)寬的標(biāo)稱路。在t＝0之前的相當(dāng)長的時(shí)間，液化器的擠壓速率相當(dāng)高，為1000×10-6立方英寸/秒(MICs)。在t＝0時(shí)，液化器的速度突然下降到對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)擠壓速率180MICs的一個(gè)速度。如在2001年9月21日提交的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)No.09/960133及其對(duì)應(yīng)的國際專利申請(qǐng)No.PCT/US02/29163中描述的，期望在光學(xué)記錄液化器中存在尚未熔化的細(xì)絲以產(chǎn)生液化器輸出的瞬時(shí)浪涌，這對(duì)應(yīng)于圖5中的虛線曲線48。上述的這個(gè)申請(qǐng)給出如下的教導(dǎo)調(diào)節(jié)細(xì)絲供料速度以導(dǎo)致預(yù)期的浪涌，這里參照引用了這個(gè)申請(qǐng)，就好像它在這里提交的一樣。
圖5表明，輸出流量隨平均細(xì)絲直徑而變，并且在<dF>和dL之間較大的差將引起過渡效應(yīng)，距期望的輸出的差異較大。圖5中的曲線50代表使用0.0707英寸直徑的細(xì)絲測量的瞬時(shí)效應(yīng)。曲線52代表使用0.0683英寸直徑的細(xì)絲測量的瞬時(shí)效應(yīng)。曲線50和52表示出瞬時(shí)響應(yīng)的漲落，距期望的曲線48有偏差。這些漲落的瞬時(shí)響應(yīng)是不期望的，因?yàn)樗鼈兪菑?fù)雜的，并且因?yàn)樗鼈冸S細(xì)絲直徑的微小變化而變化。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，所獲得的特定的曲線隨以下的因素而變材料類型、在液化器內(nèi)徑dL和平均細(xì)絲直徑<dF>之間的環(huán)形面積、流速變化和溫度(粘度)。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，液化器響應(yīng)是滯后的，因?yàn)樗Q于液化器的近期流動(dòng)歷史。
輸出流量的瞬時(shí)效應(yīng)是由液化器內(nèi)材料的體積誤差引起的，體積誤差(volumetric error)歸因于液化器輸出的速率變化和細(xì)絲直徑的變化這兩者。為了評(píng)估細(xì)絲直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)于流速的影響，我們考慮由于液化器輸出速率的變化引起的體積誤差以及由于細(xì)絲直徑的變化引起的體積誤差。
我們通過以下的公式定義由于液化器輸出的速率的變化引起的平均體積誤差Verr1
Verr1=ΔSgπ(dL2-dT2)/4]]>公式7這里，ΔSg定義為當(dāng)產(chǎn)生接縫時(shí)在指定的液化器內(nèi)彎液面的平均移動(dòng)。如以上所述，當(dāng)細(xì)絲速度增加時(shí)，在液化器內(nèi)的彎液面下降(例如從圖4A下降到圖4B)。相反，當(dāng)細(xì)絲速度下降時(shí)，在液化器內(nèi)的彎液面上升。以下假定是合理的由指定的成型設(shè)備產(chǎn)生的大多數(shù)接縫，在給定大致相同的彎液面移動(dòng)的情況下，涉及大致相同的幾何形狀、加速度和減速度。按照公式7，任何時(shí)候只要有彎液面移動(dòng)，就一定有誤差。從公式7還能看出，目標(biāo)直徑dT越靠近液化器直徑dL，體積誤差就越小。
我們定義一個(gè)總體積誤差Verr2，總體積誤差Verr2包括由于液化器響應(yīng)速率變化(即，彎液面移動(dòng))引起的誤差以及由于細(xì)絲直徑變化引起的誤差，所說的總體積誤差為Verr2=(ΔSgπ(dL2-(dT-3σF)2))/4]]>公式8對(duì)于(dT-3σF)進(jìn)行選擇，以給出最差情況下的誤差，其中包括不可能出現(xiàn)的情況下(千分之一)的誤差。因?yàn)槎x了總體積誤差和歸因于彎液面移動(dòng)的體積誤差，所以通過從Verr2中扣除Verr1，就可以給出由于細(xì)絲直徑變化引起的體積誤差。
體積誤差與路的幾何形狀相關(guān)。在圖6中表示出體積誤差對(duì)于接縫的影響，其中寬度為W和高度為L的路32以一個(gè)接縫間隙相遇。我們定義常數(shù)SS為在一個(gè)指定的系統(tǒng)中對(duì)于一個(gè)接縫的最大可允許間隙或重疊部分。SS具有對(duì)應(yīng)過度填充(其中接縫重疊)的數(shù)值和如圖6所示的間隙的數(shù)值。體積誤差大致等于接縫誤差體積，接縫誤差體積是通過SS*W*L這個(gè)乘積估算的。
可以調(diào)節(jié)FDM系統(tǒng)的控制參數(shù)，以使由于在起始和停止時(shí)液化器響應(yīng)速率變化引起的接縫間隙(即，Verr1)為0。然而，接縫間隙不能完全消除，因?yàn)榧?xì)絲尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差將使接縫既具有間隙又具有過度填充。當(dāng)對(duì)由于在起始和停止時(shí)響應(yīng)速率變化引起的體積誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，這時(shí)出現(xiàn)的接縫誤差代表由于細(xì)絲直徑變化引起的體積誤差。在這種情況下，接縫誤差由下邊的公式給出SsLW＝Verr2-Verr1公式9將公式7和8代入公式9，并且展開多項(xiàng)式。舍去從多項(xiàng)式相乘中得出的σF2項(xiàng)，因?yàn)檫@項(xiàng)很小，從而可以得到SsLW=3πΔSgσFdT2]]>公式10對(duì)于σF求解公式10，可以給出為實(shí)現(xiàn)不大于SS的接縫誤差所需要的制造容差σF≤2LWSs3πdTΔSg]]>公式11本發(fā)明的各種容差限制可以用作圖的方法或者通過線性編程方法進(jìn)行組合，以確定所需要的制造容差。圖7表示對(duì)于下面給出的實(shí)例的細(xì)絲目標(biāo)直徑和細(xì)絲直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差之間所需的關(guān)系。
實(shí)施方案生產(chǎn)按照本發(fā)明的高精度細(xì)絲取決于由細(xì)絲在模型制造中的期望應(yīng)用規(guī)定的各種參數(shù)。將要使用細(xì)絲的液化器給出液化器內(nèi)徑dL。路的寬度W和高度L是指定的成型系統(tǒng)的路的幾何形狀。對(duì)于指定的成型系統(tǒng)，選擇最大可允許的接縫間隙SS，這個(gè)最大可允許的接縫間隙取決于要由這個(gè)系統(tǒng)制造的模型的特征光潔度。根據(jù)模型的最終應(yīng)用場合所需的相對(duì)破裂強(qiáng)度選擇目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)。識(shí)別這些參數(shù)以實(shí)施本發(fā)明。
通過例子，我們考慮一個(gè)聚碳酸酯模型，它是由現(xiàn)有技術(shù)的StratasysFDM成型設(shè)備制造的，它的液化器內(nèi)徑dL為0.076+/-0.001英寸，并且是彈簧偏置的齒形滾輪傳動(dòng)。為了選擇目標(biāo)直徑dT，我們回到給出阻塞阻力和滑動(dòng)阻力的標(biāo)準(zhǔn)的公式1和2。對(duì)于利用聚碳酸酯細(xì)絲的0.076英寸標(biāo)稱直徑的液化器，合適的橢圓化間隙t0是0.001英寸?？紤]到液化器內(nèi)徑和間隙的容差，公式1變?yōu)?
dT＜0.074-6σF公式12在公式2中代入標(biāo)稱直徑值0.076，則有0.064≤dT公式13下面，我們考慮模型強(qiáng)度和液化器溢流的限制。從以下的公式可以找到目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)(FT)的優(yōu)選設(shè)定值FT=12(F+100)]]>公式14因?yàn)檫@樣將目標(biāo)放在了過程窗口的中間。如果使用公式14，至少92％的填充百分?jǐn)?shù)可得到96％的目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)。將這些數(shù)值代入公式5，可以得到如下的細(xì)絲制造容差σF≤0.007·dT公式15將96％的目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)FT代入公式6，給出防止過度填充的制造容差σF≤0.007·dT公式16最后，我們考慮無滯后容差要求。在現(xiàn)有技術(shù)的熔融淀積成型系統(tǒng)中，典型的路的尺寸范圍是路的寬度W為0.014英寸-0.035英寸；路的高度L為0.007英寸-0.013英寸。在本例中，典型數(shù)值設(shè)定為W＝0.020英寸和L＝0.010英寸。估算的彎液面的最大期望移動(dòng)ΔSg為0.030英寸，并且將可允許的接縫間隙SS設(shè)定成等于一個(gè)路的寬度。將這些典型值代入公式11，則給出容差σF≤0.0000283in2dT]]>公式17公式17假設(shè)按照美國專利申請(qǐng)序列號(hào)No.09/960133和對(duì)應(yīng)的國際專利申請(qǐng)No.PCT/US02/29163(這里參照引用)的教導(dǎo)，已針對(duì)dF＝dT的情況來校準(zhǔn)正確的熔融流的補(bǔ)償。
在圖7所示的一條曲線上，將針對(duì)典型參數(shù)得出的公式12、13、15、16、17畫在一起，以確定對(duì)于細(xì)絲直徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的可允許的數(shù)值。
圖7中的邊界線54代表液化器入口直徑dL。線56左邊的區(qū)域滿足公式12的標(biāo)準(zhǔn)，因此細(xì)絲不會(huì)阻塞。線62右邊的區(qū)域滿足公式13的標(biāo)準(zhǔn)，因此不會(huì)滑動(dòng)。線58下邊的區(qū)域滿足公式15的標(biāo)準(zhǔn)，可保證預(yù)定的模型破裂強(qiáng)度。線63下邊的區(qū)域滿足公式16的標(biāo)準(zhǔn)，可防止液化器溢流。曲線60下邊的區(qū)域滿足公式17的標(biāo)準(zhǔn)，用于優(yōu)良的接縫質(zhì)量。這些區(qū)域中的各個(gè)區(qū)域的交叉部分64是細(xì)絲目標(biāo)直徑dT和標(biāo)準(zhǔn)偏差σF的數(shù)值的滿意范圍。
從圖7的區(qū)域64中給出的范圍中選擇目標(biāo)直徑。對(duì)于所選的目標(biāo)直徑，所要求的標(biāo)準(zhǔn)偏差必須落在區(qū)域64的邊界之內(nèi)?？梢杂^察到，對(duì)于本例的參數(shù)，強(qiáng)度和溢流的要求對(duì)接縫質(zhì)量容差要求來說是多余的，接縫質(zhì)量容差要求受到更多限制。還有，可以看出，所要求的dT越接近dL，標(biāo)準(zhǔn)偏差必然越小。此外，從圖5可以看出，dT越接近dL，校正瞬時(shí)效應(yīng)越容易。這樣，對(duì)于細(xì)絲目標(biāo)直徑的一個(gè)優(yōu)良的選擇可能是曲線56和60的交叉點(diǎn)。在這一點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差最大同時(shí)使瞬時(shí)響應(yīng)最小。從圖7可以看出，這點(diǎn)的目標(biāo)直徑是0.0715英寸，標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.0004英寸。
對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的標(biāo)稱直徑為0.070英寸的細(xì)絲應(yīng)用的容差限制是±0.0025英寸。按本發(fā)明生產(chǎn)的細(xì)絲超過現(xiàn)有技術(shù)的容差限制，此外，由標(biāo)準(zhǔn)偏差限制的直徑的漲落較小。本發(fā)明的成型絲產(chǎn)生的模型與期望的幾何形狀匹配得較好。
雖然實(shí)施了特定的實(shí)例，但應(yīng)該理解，對(duì)于W、L、SS、ΔSg、dL、t0、FT所用的數(shù)值不限于在實(shí)施例中所用的數(shù)值。通常根據(jù)所用設(shè)備以及要制造的模型的特點(diǎn)來選擇這些數(shù)值。因此，設(shè)備的改變將影響為按照本發(fā)明的教導(dǎo)獲得高精度的細(xì)絲的可利用的dT的數(shù)值以及所要求的σF的數(shù)值。類似地，對(duì)應(yīng)W、L、SS的不同的模型要求，將影響可利用的dT和σF的數(shù)值。
典型的細(xì)絲制造實(shí)施例
現(xiàn)在將描述按照本發(fā)明制造細(xì)絲的方法。盡管這個(gè)過程具有許多要素，可以有益地產(chǎn)生在冷卻時(shí)能夠固化的大范圍材料的細(xì)絲，典型制造實(shí)施例使用一種拉伸技術(shù)，其利用具有相當(dāng)高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg的熱塑性材料。玻璃轉(zhuǎn)變溫度高于106攝氏度(用DMA方法測量)的熱塑性材料有這樣的趨勢(shì)剛擠出的熔融體表現(xiàn)出期望的高粘性，并且顯示抵抗迅速冷卻的能力。這樣的材料在這里稱之為“高溫?zé)崴苄圆牧稀?。在已公開的美國專利申請(qǐng)No.09/854220中進(jìn)一步描述了用于三維成型的高溫?zé)崴苄圆牧系倪x擇，這里參照引用了這個(gè)美國專利申請(qǐng)。
圖8表示按照本發(fā)明制造細(xì)絲的典型過程步驟。熱塑性材料通過圖面的流動(dòng)路線由實(shí)線箭頭代表，混合、熔化和化合(框66)熱塑性材料，然后加壓和測量(框68)熱塑性材料。接下來，擠壓細(xì)絲(框70)、以可控的張力T下拉(框72)和冷卻(框74)細(xì)絲。接下來，測量所說的細(xì)絲(框76)，然后再卷起所說的細(xì)絲(框78)。細(xì)絲測量數(shù)據(jù)的流動(dòng)路線由虛線箭頭代表，將這個(gè)測量數(shù)據(jù)與目標(biāo)值(如dT)進(jìn)行比較(框80)。根據(jù)比較的結(jié)果，下拉張力T或者增加、或者減小、或者保持不變，從而控制細(xì)絲的尺寸。
圖9表示典型的細(xì)絲成形設(shè)備82的平面圖，所說的設(shè)備82包括一個(gè)螺桿擠壓機(jī)84。典型的螺桿擠壓機(jī)84包括可在市場上得到的那些擠壓機(jī)，其尺寸為直徑為1-1.5英寸，L/D(長度與直徑之比)為24∶1或更大些?？梢越邮艿奶娲a(chǎn)品對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是公知的。螺桿擠壓機(jī)84包括伺服控制電動(dòng)機(jī)86、漏斗88、桶90、可在桶90中旋轉(zhuǎn)的螺桿92、過濾器組和斷路器板94、帶有圓形開口98的模具96?？商娲镞€可以包括齒輪熔化泵或其它的本領(lǐng)域公知的等效結(jié)構(gòu)。細(xì)絲20從螺桿擠壓機(jī)84輸出，并且在下拉和冷卻后，纏繞在盤110上。
許多聚合物，包括諸如聚碳酸酯之類的高溫?zé)崴苄圆牧?，都是吸濕性的。盡管并非總是要求，但球狀的原材料在裝入漏斗88之前最好都要經(jīng)過烘干，因?yàn)樵谠牧现写嬖谒菘赡芤饠D壓期間性能的嚴(yán)重下降。例如可通過干燥劑、真空和加熱方法進(jìn)行干燥。
熱塑性材料包括球狀熱塑性原材料，并且可能額外包括著色劑、增塑劑、填充劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑或其它添加劑。將球狀熱塑原材料加上任何期望的著色劑、增塑劑、填充劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑或其它添加劑裝入漏斗88中。
在漏斗88內(nèi)的熱塑性材料被送到螺桿擠壓機(jī)84內(nèi)。桶90加熱所說的材料。螺桿92由伺服控制電動(dòng)機(jī)86驅(qū)動(dòng)。當(dāng)螺桿92旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就開始混合、化合并協(xié)助熔化所說的材料。粘性的拖拉使所說的材料進(jìn)一步向螺桿92的內(nèi)部移動(dòng)，向模具96產(chǎn)生均勻的壓力和流速。按照另一種方式，可以將一個(gè)齒輪熔化泵固定到螺桿擠壓機(jī)84上以便向模具96產(chǎn)生期望的壓力和流速，這是本領(lǐng)域中公知的。
在一個(gè)典型實(shí)施例中，來自螺桿92的熔化的熱塑性材料穿過過濾器組和斷路器板94。過濾器組94的大小與液化器開口的大小有關(guān)，以便能夠排除在熔融淀積成型過程可能引起堵塞、毛刺或其它缺陷的相當(dāng)大的顆粒。對(duì)于0.012英寸或更大些的液化器開口內(nèi)徑dn(見圖1)，令人滿意的過濾器組94由3個(gè)篩組成，最細(xì)的一個(gè)篩的孔不大于0.003英寸。對(duì)于較小的液化器開口內(nèi)徑，應(yīng)該按比例減小篩孔的大小?？商鎿Q的方案包括讓熔融體穿過一個(gè)金屬網(wǎng)罐過濾器或其它的高容量過濾器。
經(jīng)過過濾、熔化的熱塑性材料從模具96通過圓形開口98擠出，這是一個(gè)直徑為dE的尺寸過大的細(xì)絲20，如圖9所示。必須維持螺桿擠壓機(jī)84中的熱塑性材料的溫度高于Tg，以使熔融的熱塑性材料可充分地流動(dòng)以便能夠擠壓細(xì)絲20。在增加模具96的溫度使其高于Tg時(shí)，熱塑性材料的流動(dòng)性隨溫度的增加而增加。然而，模具96的溫度必須使細(xì)絲20的溫度保持在使新擠壓出來的細(xì)絲20有足夠大的拉伸強(qiáng)度的水平，以保證隨后的均勻拉拔而不會(huì)撕裂。
擠壓出來的細(xì)絲20在來自下游方向的拉出器102的張力T的作用下穿行模具96和空氣刀100之間的距離。下游方向的拉出器102由供料滾輪104、電動(dòng)機(jī)106和控制器108組成。在典型實(shí)施例中，兩個(gè)供料滾輪104是在控制器108的控制下由電動(dòng)機(jī)106驅(qū)動(dòng)的齒形主動(dòng)滾輪109。其余的兩個(gè)供料滾輪是安裝在主動(dòng)滾輪109附近的惰輪，用于當(dāng)主動(dòng)滾輪109作用在細(xì)絲20上時(shí)支撐所說的細(xì)絲20。控制器108通過向驅(qū)動(dòng)滾輪104的電動(dòng)機(jī)106提供控制信號(hào)來控制滾輪速度。通過在擠壓速率保持不變時(shí)改變滾輪速度來控制張力T。
許多不同類型的供料滾輪都是可能的，其中包括尿烷滾輪、單彈簧加載的齒形滾輪、雙彈簧加載的齒形滾輪，滾輪的不同數(shù)量也是可能的。進(jìn)而，可使用各種可替換的類型的拉出裝置來代替拉出器102，這是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)的。一個(gè)例子可能包括通過控制細(xì)絲向卷盤110的纏繞來產(chǎn)生細(xì)絲張力。
拉出器102作用在細(xì)絲20上的作用力拉長了細(xì)絲20并且向下拉拔細(xì)絲20。擠壓的直徑dE與拉拔的直徑dF之比最好在1.05∶1和1.75∶1之間。高Tg的熱塑性材料比低Tg的熱塑性材料具有更大的下拉。
下拉的細(xì)絲20通過空氣刀100，空氣刀100對(duì)于細(xì)絲20進(jìn)行空氣修剪以終止下拉操作。在典型實(shí)施例中，空氣刀提供經(jīng)過冷卻、過濾和干燥的空氣。提供給空氣刀100的空氣要經(jīng)過過濾，以清除泵油和顆粒，因?yàn)橛突蚱渌瘜W(xué)污染物的存在可能傷及細(xì)絲，在隨后的處理中引起破裂。
經(jīng)過空氣刀100后，細(xì)絲20要通過一個(gè)延長的冷卻區(qū)112，以便繼續(xù)降低平均細(xì)絲溫度。在典型實(shí)施例中，為延長的冷卻區(qū)112提供低速的、干燥的、經(jīng)過過濾的空氣。在一般情況下，在冷卻區(qū)停留5-10秒的時(shí)間就足夠了。在可替換實(shí)施例中，細(xì)絲可使用其它方法冷卻，例如通過浸漬或利用溶劑的霧化。
然后，測量冷卻的細(xì)絲20的直徑。在典型實(shí)施例中，使用雙軸激光測微儀114進(jìn)行測量。圖10表示測量的詳細(xì)情況，從細(xì)絲20從圖面上出來的方向觀察。相互垂直的光束板116穿過測量區(qū)，并且在CCD陣列118和120上被檢測到。圖11A和11B是接收的強(qiáng)度(垂直的)相對(duì)于位置的曲線表示。由細(xì)絲20投射的陰影被解釋為由CCD陣列測量的相互垂直的陰影直徑d1和d2。此外，可用其它辦法來測量細(xì)絲直徑，例如用電容、氣動(dòng)和滾動(dòng)接觸傳感器，如在美國專利No.6085957所示的。
測微儀114頻繁地測量d1和d2，并且將直徑d1和d2發(fā)送到系統(tǒng)控制器108，如圖9所示。系統(tǒng)控制器108平均所測的相互垂直的直徑d1和d2，以產(chǎn)生瞬時(shí)細(xì)絲直徑dF、長期平均細(xì)絲直徑<dF>、和代表<dF>沿細(xì)絲長度方向的變化的長期標(biāo)準(zhǔn)偏差σF。將<dF>的目標(biāo)值設(shè)定為dT，并使標(biāo)準(zhǔn)偏差維持在按照?qǐng)D7分析并導(dǎo)出的容差要求下。系統(tǒng)控制器108利用dF和<dF>的加權(quán)平均值來驅(qū)動(dòng)用于調(diào)節(jié)控制張力T的拉出器102的PID(比例積分微分)回路。在典型實(shí)施例中，每分鐘測量直徑d1和d2大約100次，并且大約12-15秒求一次平均值。可以改變所進(jìn)行的測量次數(shù)和用于計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的時(shí)間間隔，這對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯而易見的。
在一個(gè)可替換的實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器108通過調(diào)節(jié)細(xì)絲20向卷盤110纏繞的速率來控制張力T?？刂茝埩的一種可替換的方法可以是在維持恒定的滾輪速度的同時(shí)對(duì)于擠壓速率進(jìn)行系統(tǒng)控制。還有一種可替換的方法是使用系統(tǒng)控制器108來改變擠壓速率和滾輪速度這兩者。
在另一個(gè)可替換的實(shí)施例中，在拉拔和冷卻細(xì)絲之前，在擠壓機(jī)模具96之后一個(gè)很短的距離，通過測微儀測量擠壓的細(xì)絲20的直徑dE。系統(tǒng)控制器利用dE和<dE>的加權(quán)平均值來驅(qū)動(dòng)用于調(diào)節(jié)控制張力T的拉出器102的PID回路。這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是減小了對(duì)于拉拔過程的測量和控制之間的滯后時(shí)間，缺點(diǎn)是只測量到一個(gè)中間的直徑。一個(gè)附加的實(shí)施例可以測量dE和dF這兩者，并且使用這兩個(gè)參數(shù)來控制拉拔過程。
從拉出器102出來的細(xì)絲20纏繞到卷盤110上。在卷繞后，通常對(duì)于細(xì)絲20進(jìn)行真空干燥以減小它的濕氣含量。正如在2001年2月27日提交的已經(jīng)公開的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)No.09/804401中描述的，卷繞的細(xì)絲的濕氣含量在一般情況下是有意義的，因?yàn)樵诩?xì)絲中過多的溶劑或水分會(huì)在液化器中產(chǎn)生氣體和異常壓力。按照期望的成型系統(tǒng)的要求，細(xì)絲20在它向卷盤110上纏繞后要進(jìn)行干燥處理。
技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到按照本發(fā)明制造細(xì)絲的其它技術(shù)。例如，在第二典型制造實(shí)施例中，首先形成尺寸不足的細(xì)絲，然后再用這個(gè)細(xì)絲作為實(shí)芯進(jìn)行環(huán)形擠壓。在第三典型實(shí)施例中，通過第二模具設(shè)定略大的細(xì)絲尺寸以實(shí)現(xiàn)緊配合容差。
雖然已經(jīng)參照典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的條件下，還可以進(jìn)行形式上和細(xì)節(jié)上的變化。例如，本發(fā)明可以利用細(xì)絲直徑作為可控的參數(shù)。可替換的實(shí)施例可以利用其它的尺寸(如橫截面積或半徑)作為控制參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用在三維成型設(shè)備中的成型材料的原料，所說三維成型設(shè)備具有內(nèi)徑為dL的液化器，所說的原料包括細(xì)絲，所述細(xì)絲具有大于20英尺的長度，具有平均直徑，并且具有小于或等于0.0004英寸的直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差。
2.如權(quán)利要求1的成型材料的原料，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.0003英寸。
3.如權(quán)利要求1的成型材料的原料，其中平均直徑在0.069-0.074英寸之間。
4.如權(quán)利要求1的成型材料的原料，其中dL約為0.076英寸。
5.如權(quán)利要求1的成型材料的原料，其中平均直徑在0.071-0.072英寸之間，直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.0003。
6.如權(quán)利要求1的成型材料的原料，其中平均直徑在0.072-0.073英寸之間，直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.00015。
7.一種用在三維成型設(shè)備中的成型材料的原料，所說三維成型設(shè)備具有內(nèi)徑為dL的液化器，所說的原料包括熱塑性細(xì)絲，所述細(xì)絲具有大于20英尺的長度，具有平均直徑dF，并且具有符合如下關(guān)系式的直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差σF≤0.007·<dF>英寸。
8.如權(quán)利要求7的成型材料的原料，其中平均細(xì)絲直徑在0.069-0.074英寸之間。
9.如權(quán)利要求7的成型材料的原料，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.0004英寸。
10.一種用在三維成型設(shè)備中的成型材料的原料，所說三維成型設(shè)備包括內(nèi)徑為dL的液化器，所說三維成型設(shè)備在寬度為W高度為L的路內(nèi)淀積成型材料，所說的成型材料包括細(xì)絲，所述細(xì)絲具有大于20英尺的長度，具有平均直徑<dF>，平均直徑<dF>符合關(guān)系式0.84dL＜<dF>＜dL-6σF，所述細(xì)絲還具有如下式表示的標(biāo)準(zhǔn)偏差σFσF≤2LWSs3πdTΔSg]]>這里，SS是最大可允許接縫間隙，ΔSg是彎液面在液化器內(nèi)的期望平均移動(dòng)。
11.如權(quán)利要求10的成型材料的原料，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.069-0.074英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.0004英寸。
12.如權(quán)利要求10的成型材料的原料，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.071-0.072英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.0003英寸。
13.如權(quán)利要求10的成型材料的原料，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.072-0.073英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.00015英寸。
14.一種在熔融淀積成型設(shè)備中形成三維物體的方法，所說成型設(shè)備包括內(nèi)徑為dL的液化器，所說成型設(shè)備接收固體成型材料的原料并且在寬度為W、高度為L的路內(nèi)淀積熔融的材料，所說的方法包括如下步驟使用如下細(xì)絲作為成型材料的原料所述細(xì)絲具有平均直徑<dF>，符合關(guān)系式0.84dL＜<dF>＜dL-6σF，并且具有標(biāo)準(zhǔn)偏差σF，符合σF≤2LWSs3πdTΔSg]]>這里，SS是最大可允許接縫間隙，ΔSg是彎液面在液化器內(nèi)的期望平均移動(dòng)。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.069-0.074英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.0004英寸。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中dL約為0.076英寸。
17.如權(quán)利要求14的方法，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.071-0.072英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.0003英寸。
18.如權(quán)利要求14的方法，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.072-0.073英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.00015英寸。
19.如權(quán)利要求14的方法，其中所述細(xì)絲是熱塑性材料，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF還要遵守σF≤0.007·<dF>。
20.如權(quán)利要求14的方法，其中標(biāo)準(zhǔn)偏差σF還要遵守σF≤dT3(100FT-1)]]>這里，F(xiàn)T是物體的目標(biāo)填充百分?jǐn)?shù)。
21.一種在熔融淀積成型設(shè)備中形成三維物體的方法，所說成型設(shè)備包括內(nèi)徑為dL的液化器，所說成型設(shè)備接收固體成型材料的原料并且在寬度為W、高度為L的路內(nèi)淀積熔融的材料，所說的方法包括如下步驟使用長度大于20英尺、平均直徑在0.069-0.074英寸之間、直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于0.0004英寸的細(xì)絲作為成型原料。
22.如權(quán)利要求21的方法，其中dL約為0.076英寸。
23.如權(quán)利要求21的方法，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.071-0.072英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.0003英寸。
24.如權(quán)利要求21的方法，其中平均細(xì)絲直徑<dF>在0.072-0.073英寸之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差σF小于或等于0.00015英寸。
全文摘要
公開了一種用作熔融淀積成型液化器(22)中的原料的成型絲(20)以及用于制造細(xì)絲(20)的方法。對(duì)于細(xì)絲(20)的直徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行控制，以滿足如下各種容差要求阻塞阻力、滑動(dòng)阻力、模型強(qiáng)度、液化器溢流的防止和無滯后過渡響應(yīng)。細(xì)絲直徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差與細(xì)絲的目標(biāo)直徑要匹配。使用所產(chǎn)生的細(xì)絲(20)形成高質(zhì)量的模型。
文檔編號(hào)B29C47/10GK1659320SQ03812664
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月17日
發(fā)明者詹姆斯·W·庫姆, 威廉·R·Jr.·普里德曼, 保羅·J·萊維特, 羅伯特·L·斯庫比奇, 約翰·塞繆爾·巴徹爾德 申請(qǐng)人:斯特拉塔西斯公司