專利名稱：基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的帶狀液化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于構(gòu)建三維(3D)模型的直接數(shù)字制造系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的擠出頭式液化器。
背景技術(shù)：
基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)(例如，由Stratasys, Inc.，Eden Prairie, MN開發(fā)的熔融沉積成型系統(tǒng))用于通過擠出可流動(dòng)的消耗造型材料以逐層方式由3D模型的數(shù)字表示法構(gòu)建3D模型。造型材料通過由擠出頭攜帶的擠出端擠出，并被作為一系列條道沉積在 x-y平面中的基板上。擠出的造型材料熔化到先前沉積的造型材料并在溫度降低時(shí)凝固。 擠出頭相對(duì)于基板的位置接著沿著ζ軸線(垂直于χ-y平面)增長，并且所述過程接著被重復(fù)以形成類似于數(shù)字表示的3D模型。
在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)表現(xiàn)3D模型的構(gòu)建數(shù)據(jù)執(zhí)行擠出頭相對(duì)于基板的運(yùn)動(dòng)。所述構(gòu)建數(shù)據(jù)通過初始將3D模型的數(shù)字表示切成多個(gè)水平切片層而獲得。接著，主計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)切片層產(chǎn)生用于淀積造型材料的條道的構(gòu)建路徑以形成3D模型。
在通過淀積造型材料層制造3D模型中，支撐層或結(jié)構(gòu)在建造中典型地被構(gòu)建在物體的懸垂部分的下面或物體的空腔中，所述懸垂部分或所述空腔本身沒有被造型材料支撐。支撐結(jié)構(gòu)可以利用相同的沉積技術(shù)構(gòu)建，其中造型材料通過所述沉積技術(shù)沉積。主計(jì)算機(jī)產(chǎn)生用作用于形成的3D模型的懸垂或自由空間段的支撐結(jié)構(gòu)的額外幾何結(jié)構(gòu)?？上闹尾牧显跇?gòu)建過程期間接著根據(jù)生成的幾何結(jié)構(gòu)從第二噴嘴沉積。支撐材料在制造期間粘接到造型材料，并且在構(gòu)建過程完成時(shí)被從完成的3D模型移走。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種在具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱傳遞部件的基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的帶狀液化器。帶狀液化器包括外液化器部分，所述外液化器部分被構(gòu)造成從熱傳遞部件接收熱能；和通道，所述通道至少部分地由外液化器部分限定。所述通道具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲的尺寸，其中帶狀液化器被構(gòu)造成通過接收的熱能使容納在通道中的帶狀細(xì)絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流。另外，通道的尺寸被進(jìn)一步構(gòu)造成在連接到帶狀液化器的擠出端中使熔融流從不對(duì)稱流變?yōu)榛旧陷S向?qū)ΨQ流。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種在具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱傳遞部件的基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的帶狀液化器，其中帶狀液化器包括具有外表面和內(nèi)表面的外管，并且其中外管的外表面被構(gòu)造成與熱傳遞部件接合。帶狀液化器還包括設(shè)置在外管內(nèi)且具有外表面的芯體部分以及設(shè)置在外管與芯體部分之間的填隙部件。填隙部件具有沿著填隙部件的縱向長度延伸的間隙，其中間隙限定在外管的內(nèi)表面與芯體部分的外表面之間的通道。所述通道具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲的尺寸，其中芯體部分的外表面被構(gòu)造成在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與帶狀細(xì)絲接合時(shí)為帶狀細(xì)絲提供背襯支撐。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于在基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中構(gòu)建三維模型4的方法。所述方法包括以下步驟通過帶狀液化器的通道驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲，其中帶狀液化器還包括至少部分限定所述通道的外液化器部分。所述方法還包括以下步驟使通道中的帶狀細(xì)絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流，其中通道的尺寸使熔融流符合軸向不對(duì)稱流; 以及從帶狀液化器的擠出端擠出熔融流，其中熔融流在擠出端中具有基本上軸向?qū)ΨQ流。


圖1是基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)的正視圖，所述系統(tǒng)包括用于使容納的造型材料和支撐材料的帶狀細(xì)絲熔化的帶狀液化器；
圖2是擠出頭的分組件的俯視立體圖，所述擠出頭包括與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接合的帶狀液化器以及熱塊；
圖3是包括帶有端口的外管的帶狀液化器的立體圖4A是圖3中截得的截面4A-4A的剖視圖4B是圖3中截得的截面4B-4B的剖視圖4C是圖3中截得的截面4C-4C的剖視圖5是帶狀液化器的分解立體圖6是用于容納、熔化和擠出帶狀細(xì)絲的與具有可旋轉(zhuǎn)滑輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一起使用的帶狀液化器的側(cè)視圖7是用于容納、熔化和擠出帶狀細(xì)絲的與具有可旋轉(zhuǎn)的螺紋軸機(jī)構(gòu)的可選驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一起使用的帶狀液化器的側(cè)視圖8A是處于釋放的非彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲的剖視圖8B是處于彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲的剖視圖9是包括開口頂部結(jié)構(gòu)的第一可選的帶狀液化器的立體圖；以及
圖10是截面4C-4C的可選剖視圖，顯示了包括用于容納帶狀細(xì)絲的非弧形通道的第二可選的帶狀液化器。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及用于在基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用的帶狀液化器(riWxm liquef ier)，其中帶狀液化器被構(gòu)造成容納造型材料和/或支撐材料的帶狀細(xì)絲。在此使用的術(shù)語“帶狀細(xì)絲”表示具有諸如矩形和/或膜狀橫截面的非圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的材料的股線(strand)。這是與具有圓形橫截面輪廓的“圓柱形細(xì)絲”相比較。帶狀細(xì)絲與帶狀液化器的結(jié)合使用允許以減少的響應(yīng)時(shí)間熔化并擠出造型材料和支撐材料。這有益于提高沉積精度并減少構(gòu)建時(shí)間，從而增加用于通過帶狀液化器構(gòu)建3D模型和相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)的過程效率。
圖1是系統(tǒng)10的正視圖，所述系統(tǒng)為包括構(gòu)建室12、臺(tái)板14、臺(tái)架16、擠出頭18 以及電源20和22的基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)，其中擠出頭18可以包括在使用系統(tǒng)10的構(gòu)建操作期間用于熔化帶狀細(xì)絲(圖1中未示出)的連續(xù)部分的一個(gè)或多個(gè)帶狀液化器(圖 1中未示出)。用于系統(tǒng)10的適當(dāng)?shù)幕跀D出的數(shù)字制造系統(tǒng)包括由Mratasys，Inc.， Eden Prairie,麗開發(fā)的熔融沉積成型系統(tǒng)。
構(gòu)建室12為容納臺(tái)板14、臺(tái)架16以及用于構(gòu)建3D模型(稱為3D模型24)和相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)(稱為支撐結(jié)構(gòu)26)的擠出頭18的封閉環(huán)境。臺(tái)板14為其上構(gòu)建3D模型 M和支撐結(jié)構(gòu)26的平臺(tái)，并且根據(jù)計(jì)算機(jī)操作的控制器(稱為控制器28)提供的信號(hào)沿著垂直的ζ軸線移動(dòng)。臺(tái)架16為被構(gòu)造成根據(jù)從控制器觀提供的信號(hào)使擠出頭18在構(gòu)建室12內(nèi)在水平x-y平面中移動(dòng)的導(dǎo)軌系統(tǒng)。水平χ-y平面為由χ軸線和y軸線限定的平面(圖1中未示出)，其中χ軸線、y軸線和ζ軸線彼此正交。在一個(gè)可選實(shí)施例中，臺(tái)板 14可以被構(gòu)造成在構(gòu)建室12內(nèi)在水平的x-y平面中移動(dòng)，而擠出頭18可以被構(gòu)造成沿著 ζ軸線移動(dòng)。也可以使用其它類似的裝置以使臺(tái)板14和擠出頭18中的一個(gè)或兩者都可相對(duì)于彼此移動(dòng)。
擠出頭18由臺(tái)架16支撐用于根據(jù)從控制器30提供的信號(hào)以逐層方式在臺(tái)板14 上構(gòu)建3D模型M和支撐結(jié)構(gòu)26。擠出頭18包括分組件30和32，所述分組件中的每一個(gè)理想地包括本發(fā)明的帶狀液化器。因此，分組件30被構(gòu)造成容納造型材料帶狀細(xì)絲的連續(xù)部分并通過第一帶狀液化器(圖1中未示出)熔化所述連續(xù)部分，而分組件32被構(gòu)造成容納支撐材料帶狀細(xì)絲的連續(xù)部分并通過第二帶狀液化器(圖1中未示出)熔化所述連續(xù)部分。
造型材料帶狀細(xì)絲可以通過通道34被從供應(yīng)源20供應(yīng)到分組件30。類似地，支撐材料帶狀細(xì)絲可以通過通道36被從供應(yīng)源22供應(yīng)到分組件32。系統(tǒng)10還可以包括被構(gòu)造成幫助將帶狀細(xì)絲從供應(yīng)源20和22供給到分組件30和32的附加驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)。 供應(yīng)源20和22為用于造型帶狀細(xì)絲和支撐帶狀細(xì)絲的源(例如，卷線筒式容器)，并且期望保持在遠(yuǎn)離構(gòu)建室12的遠(yuǎn)位置處。用于供應(yīng)源20和22的適當(dāng)組件公開在Swanson等人的美國專利第6，923，634號(hào)；Comb等人的美國專利第7，122，246號(hào)；以及Taatjes等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2010/0096485號(hào)和第2010/0096489號(hào)中。
在構(gòu)建操作期間，臺(tái)架16使擠出頭18在構(gòu)建室12內(nèi)大約在水平χ-y平面中移動(dòng)， 并且?guī)罴?xì)絲被供應(yīng)給分組件30和32。分組件30熱熔化接收的造型材料帶狀細(xì)絲的連續(xù)部分，從而允許擠出熔融材料以構(gòu)建3D模型24。類似地，分組件32熱熔化支撐材料帶狀細(xì)絲的連續(xù)部分，從而允許擠出熔融材料以構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)26。帶狀細(xì)絲的上游未熔化部分每一個(gè)都可以用作具有粘性泵作用的活塞，以將熔融材料從各自的分組件30和32中擠出。
擠出的造型材料和支撐材料接著被沉積到臺(tái)板14上以利用基于層的添加技術(shù)構(gòu)建3D模型M和支撐結(jié)構(gòu)26。支撐結(jié)構(gòu)沈被理想地沉積以沿著ζ軸線提供用于3D模型 M的層的懸垂區(qū)域的垂直支撐件。這允許3D模型M被構(gòu)建成具有各種幾何結(jié)構(gòu)。在所述構(gòu)建操作完成之后，產(chǎn)生的3D模型24/支撐結(jié)構(gòu)沈可以被從構(gòu)建室12移除，并且支撐結(jié)構(gòu)26可以被從3D模型M移除。
圖2是擠出頭18的分組件30的俯視立體圖，其中分組件30的以下論述同樣可應(yīng)用到分組件32 (圖1所示)。如圖2所示，分組件30包括帶狀液化器38、熱塊40和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42，其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42通過帶狀液化器38供給帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分。在顯示的實(shí)施例中，帶狀液化器38包括在頂端48與底端50之間延伸的一系列環(huán)形管。頂端48和底端50 為帶狀液化器38的沿著縱向軸線46的相對(duì)端部，其中頂端48被構(gòu)造成容納處于彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲44。當(dāng)分組件30安裝在系統(tǒng)10中(圖1所示)時(shí)，縱向軸線46對(duì)應(yīng)于垂直的 ζ軸線。如圖2所示，帶狀液化器38的環(huán)形管沿著縱向軸線46延伸通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42和熱塊40。
帶狀液化器38還包括擠出端52，所述擠出端為位于底端50處并被構(gòu)造成以期望的條道寬度擠出帶狀細(xì)絲44的熔融材料的小直徑末端。在一個(gè)實(shí)施例中，擠出端52在底端50處可移除地固定到環(huán)形管中的一個(gè)或多個(gè)，從而允許可互換地使用多個(gè)擠出端52。對(duì)于擠出端52適當(dāng)?shù)哪┒藘?nèi)徑的實(shí)例從大約125微米(大約0. 005英寸)到大約510微米 (大約0.020英寸)的范圍。
熱塊40為熱傳遞部件，所述熱傳遞部件延伸帶狀液化器38的大約至少一部分并被構(gòu)造成將熱量傳導(dǎo)到帶狀液化器38和接收的帶狀細(xì)絲44。用于熱塊40的適當(dāng)?shù)臒醾鬟f部件的實(shí)例包括Swanson等人的美國專利第6，004, 124號(hào)；Comb的美國專利第6，547, 995 號(hào)；LaBossiere等人的美國公開出版物第2007/0228590號(hào)；以及Batchelder等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2009/0273122號(hào)中公開的部件。在可選實(shí)施例中，熱塊40可以被替換成沿著縱向軸線46產(chǎn)生熱梯度的許多不同的熱傳遞部件。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42包括支撐板M、基塊56和滑輪58，其中滑輪58可旋轉(zhuǎn)地固定在支撐板M與基塊56之間。支撐板M和基塊56是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42的支撐部件，并且支撐板M和基塊56中的一個(gè)或兩者都可以固定到擠出頭18 (圖1所示)?；?8為借助于內(nèi)螺紋面 (圖2中未示出)通過帶狀液化器38驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分的可旋轉(zhuǎn)部件。用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42的適當(dāng)?shù)募?xì)絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)例包括Batchelder等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2009/0274540號(hào)和第2009/0273122號(hào)中公開的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在系統(tǒng)10 (圖1所示)中的構(gòu)建操作期間，帶狀細(xì)絲44理想地彎曲到彎曲狀態(tài)以與帶狀液化器38對(duì)準(zhǔn)。彎曲的帶狀細(xì)絲44可以接著在頂端48處被裝載到帶狀液化器38 中(由箭頭60表示)以與滑輪58的內(nèi)螺紋面接合?；?8接著根據(jù)從控制器觀(圖1 所示)提供的信號(hào)旋轉(zhuǎn)(由箭頭62表示)?；?8的旋轉(zhuǎn)使滑輪58的內(nèi)螺紋面相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)，從而通過帶狀液化器38驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分。
在帶狀細(xì)絲44通過帶狀液化器38時(shí)，熱塊40產(chǎn)生的熱梯度使帶狀液化器38內(nèi)的帶狀細(xì)絲44材料熔化到至少可擠出狀態(tài)。由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42正在驅(qū)動(dòng)的帶狀細(xì)絲44的未熔化部分用作作用于未熔化部分與帶狀液化器38的壁之間的熔融材料上的具有粘性泵的活塞，從而將熔融材料從擠出端52中擠出。擠出的材料可以接著作為條道沉積，以便以逐層方式形成3D模型M。
如圖2中進(jìn)一步所示，帶狀液化器38的頂端48沿著縱向軸線46相對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 42位于上游位置。因此，帶狀細(xì)絲44可以在與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42接合之前在入口區(qū)(稱為入口區(qū)64)處進(jìn)入帶狀液化器38，并且在與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42接合期間和在與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42接合之后可以由帶狀液化器38持續(xù)支撐。這降低采用擠出頭18中斷構(gòu)建操作的風(fēng)險(xiǎn)，并且由于支持帶狀細(xì)絲44而沒有彎折而可以獲得較高的驅(qū)動(dòng)力。
帶狀液化器38和帶狀細(xì)絲44的橫截面輪廓與圓柱形細(xì)絲和液化器相比允許以減少的響應(yīng)時(shí)間使帶狀細(xì)絲44熔化并將帶狀細(xì)絲44從擠出頭18中擠出。如美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/247，067號(hào)；以及美國專利申請(qǐng)第12/612，333號(hào)中的名稱為“Non-cylindrical Filament For Use In Extrusion-Based Digital Manufacturing Systems，，所說明，認(rèn)為帶狀液化器38和帶狀細(xì)絲44的橫截面輪廓有效地去除與具有圓形橫截面的圓柱形細(xì)絲相關(guān)聯(lián)的芯體。這允許以減少的響應(yīng)時(shí)間使帶狀細(xì)絲44熔化并將帶狀細(xì)絲44從擠出頭18 中擠出，這可以相應(yīng)地增加用于構(gòu)建3D模型M和/或支撐結(jié)構(gòu)沈的系統(tǒng)10的過程效率。
例如，減少的響應(yīng)時(shí)間可以增加造型材料和支撐材料的沉積條道的起停位置的精度。在用于形成3D模型(例如，3D模型的層的構(gòu)建操作期間，擠出頭(例如，擠出頭 18)在水平χ-y平面中移動(dòng)并沉積熔融造型材料。在完成給定的沉積圖案之后，擠出頭停止淀積造型材料。這將伴隨停止將細(xì)絲供給到擠出頭的液化器中，從而停止細(xì)絲的粘性泵作用。
然而，擠出頭使將細(xì)絲供給到液化器停止的時(shí)間與造型材料實(shí)際上停止從擠出頭擠出的時(shí)間之間的響應(yīng)時(shí)間不是瞬時(shí)的。相反，具有基于諸如液化器的熱特性、細(xì)絲的成分以及如下所述的細(xì)絲和液化器通道的橫截面輪廓的因素的延遲。類似地，還具有與從零流量狀態(tài)轉(zhuǎn)變到穩(wěn)定狀態(tài)流動(dòng)相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)時(shí)間延遲。需要大的響應(yīng)時(shí)間的液化器和細(xì)絲增加這些延遲，從而潛在地降低沉積精度。然而，減少響應(yīng)時(shí)間可以提高產(chǎn)生的3D模型的美感和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，特別是在構(gòu)建含有細(xì)微特征的3D模型時(shí)更是如此。
例如，系統(tǒng)10的減少的響應(yīng)時(shí)間可以在靠近沉積開始和停止點(diǎn)的適當(dāng)位置處以閘道的方式(gate)使臺(tái)架16加速。這可以增加隱藏每一個(gè)層的接縫的能力，從而可以增加部件質(zhì)量。另外，響應(yīng)時(shí)間確定在臺(tái)架16在x-y平面中移動(dòng)大約一個(gè)拐角時(shí)臺(tái)架16可以偏離恒定切向速度多遠(yuǎn)。因此，減少的響應(yīng)時(shí)間允許擠出頭18獲得更大的拐彎加速度和減速度。這可以以與賽車的拐彎性能對(duì)于減少整個(gè)空轉(zhuǎn)時(shí)間很重要的相同方式減少構(gòu)建3D 模型和支撐結(jié)構(gòu)所需的制造時(shí)間。
圖3是帶狀液化器38的放大立體圖，所述帶狀液化器包括外管66、芯管68和填隙部件70。如圖所示，填隙部件70沿圓周方向設(shè)置在外管66與芯管68之間，使得外管66、 芯管68和填隙部件70限定沿著縱向軸線46在頂端48與底端50之間延伸的通道72。如以下論述，通道72為帶狀液化器38的容納帶狀細(xì)絲44(圖2所示)的部分。
外管66、芯管68和填隙部件70每一個(gè)可以由許多材料制成，所述材料理想地能夠承受來自熱塊40的熱能和構(gòu)建室12(圖1所示)的任何升溫。用于制造外管66、芯管68 和填隙部件70中的每一個(gè)的適當(dāng)材料包括導(dǎo)熱金屬材料，例如，不銹鋼。
外管66為帶狀液化器38的包括外表面74的外液化器部分，所述外表面沿著縱向軸線46在頂端48與底端50之間延伸。在所示實(shí)施例中，外管66具有圓柱形橫截面。在可選實(shí)施例中，外管66可以替換為具有不同橫截面幾何形狀的管。因此，在此使用的術(shù)語 “管”包括許多中空幾何結(jié)構(gòu)，例如，圓柱形幾何結(jié)構(gòu)、橢圓形幾何結(jié)構(gòu)、多邊形幾何結(jié)構(gòu)(例如，矩形和方形幾何結(jié)構(gòu))、軸向漸縮幾何結(jié)構(gòu)等。外表面74為外管66的接觸熱塊40以沿著帶狀液化器38產(chǎn)生熱梯度的部分。熱梯度在帶狀細(xì)絲44中沿著縱向軸線46建立溫度分布圖，從而在帶狀細(xì)絲44被驅(qū)動(dòng)穿過帶狀液化器38時(shí)使帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分熔化。
如圖3中進(jìn)一步所示，外管66還包括端口 76和加熱長度78。端口 76為在入口區(qū)64與加熱長度78之間穿過外管66的側(cè)向開口。如以下論述，端口 76允許滑輪58 (圖 2所示)在帶狀細(xì)絲44被裝載到通道72中之后與帶狀細(xì)絲44接合。這允許滑輪58的內(nèi)螺紋面朝向加熱長度78驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44。
端口 76的尺寸可以根據(jù)帶狀細(xì)絲44的尺寸以及使用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42)變化。例如，端口 76沿著縱向軸線46的長度(稱為端口長度80)可以根據(jù)滑輪58 的內(nèi)螺紋面的尺寸變化。端口長度80的適當(dāng)長度的實(shí)例在大約1.25毫米(大約0.05英寸)至大約25.0毫米(大約1.0英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)拈L度64在從大約5.1毫米(大約0.2英寸)至大約12. 7毫米(大約0.5英寸)的范圍內(nèi)。
加熱長度78為沿著外管66的區(qū)域，在該區(qū)域中存在通過熱塊40(圖2所示)產(chǎn)生的熱梯度以用于熔化帶狀細(xì)絲44。加熱長度78理想地在端口 76下方沿著外管66的縱向長度延伸，從而防止帶狀細(xì)絲44在與滑輪58接合時(shí)熔化。因此，加熱長度78理想地沿著外管66的縱向長度在端口 76與底端50/擠出端52之間延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，擠出頭 18(圖1所示)還可以包括氣流歧管(未示出)，所述氣流歧管被構(gòu)造成朝向頂端48和/ 或端口 76引導(dǎo)冷卻空氣以進(jìn)一步降低熱梯度在端口 76處影響帶狀細(xì)絲44的風(fēng)險(xiǎn)。
用于使加熱長度78存在于端口 76與底端50之間的適當(dāng)尺寸(稱為長度82)可以根據(jù)熱塊40的傳熱性能、外管66的厚度和材料以及帶狀細(xì)絲44的厚度、材料和驅(qū)動(dòng)速率變化。對(duì)于長度82的適當(dāng)長度的實(shí)例在大約13毫米(大約0. 5英寸)至大約130毫米 (大約5. 0英寸)之間的范圍，并且特別適當(dāng)?shù)拈L度88在從大約25毫米(大約1. 0英寸) 至大約51毫米(大約2.0英寸)的范圍內(nèi)。
芯管68為帶狀液化器38的芯體部分并在外管66內(nèi)設(shè)置在頂端48與底端50之間。如圖所示，芯管68包括在端口 76處暴露的外表面84。雖然顯示為中空管，但是也可以代替芯管68使用各種可選的芯體部分，例如，非中空被填充芯體部分。這些實(shí)施例在帶狀細(xì)絲44與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)40接合時(shí)可以有益于加強(qiáng)用于帶狀細(xì)絲44的側(cè)向支撐。盡管如此， 用于芯體部分的中空管(例如，芯管68)的使用有利于減少帶狀液化器38的重量，并且可以允許在中空管內(nèi)保持電部件和/或熱部件。例如，一個(gè)或多個(gè)附加的熱傳遞部件(未示出)可以固定在芯管68內(nèi)，以幫助熱塊40沿著縱向軸線46產(chǎn)生熱梯度。在這些實(shí)施例中， 芯管68理想地具有在帶狀細(xì)絲44與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42接合時(shí)足以支撐帶狀細(xì)絲44的壁厚(例如，至少大約0. 25毫米(大約0. 01英寸))。此外，正如以上對(duì)外管66的討論，芯管68還可以被替換為具有不同橫截面幾何形狀的管。
填隙部件70為固定在外管66與芯管68之間的C形部件，并且還在頂端48與底端50之間延伸。如以下論述，填隙部件70包括在頂端48與底端50之間延伸的間隙并基本上與端口 76對(duì)準(zhǔn)。填隙部件70的在外管66與芯管68之間的間隙限定通道72，所述通道具有弧形橫截面且基本上與端口 76對(duì)準(zhǔn)。該結(jié)構(gòu)允許驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42在帶狀細(xì)絲44延伸穿過通道72的同時(shí)接合帶狀細(xì)絲44，其中外表面84在端口 76處的部分可以用作在帶狀細(xì)絲44與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42接合時(shí)用于帶狀細(xì)絲44的側(cè)向背襯支撐部(backing support)。
在分組件30 (圖1和圖2所示)的制造期間，帶狀液化器38可以固定在熱塊40 內(nèi)，使得端口 76在熱塊40的上方延伸。如上所述，這理想地將加熱長度78限制到端口 76 下方的位置。帶狀液化器38可以以各種方式固定在熱塊40內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，熱塊40 可以被分開(或者以另外方式開口)以允許直接進(jìn)入熱塊40內(nèi)。帶狀液化器38可以接著插入熱塊40內(nèi)，并且熱塊40可以重新裝配(或者以其它方式閉合)以在帶狀液化器38的外管66與熱塊40之間提供良好的導(dǎo)熱接觸。擠出端52還可以在底端50處被固定到外管 66。帶狀液化器38還可以以允許滑輪58的內(nèi)螺紋面在端口 76處與帶狀液化器38接合的方式固定到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42。
在操作期間，通道72的尺寸被構(gòu)造成使帶狀細(xì)絲44的熔融材料的熔融流符合 (conform to)軸向不對(duì)稱流，在該實(shí)例中所述軸向不對(duì)稱流為弧形圖案流。然而，該熔融流在到達(dá)擠出端52時(shí)變成用于擠出的基本上軸向?qū)ΨQ流。這與圓柱形液化器相反，在所述圓柱形液化器中，熔融流在圓柱形液化器和擠出端中保持為軸向?qū)ΨQ流。
圖4A-4C是在圖3中分別截取的部分4A_4A、4B_4B和4C-4C的剖視圖。圖4A所示的截面顯示入口區(qū)64。如圖所示，外管66還包括內(nèi)表面86，其中內(nèi)表面86限定外管66 的內(nèi)徑(稱為內(nèi)徑86d)。對(duì)于內(nèi)徑86d適當(dāng)?shù)钠骄睆降膶?shí)例在從大約3. 8毫米(大約 0. 15英寸)到大約10. 2毫米(大約0. 40英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)闹睆皆趶拇蠹s 5.1毫米(大約0.20英寸)到大約7. 6毫米(大約0. 30英寸)的范圍內(nèi)。
相應(yīng)地，外表面74限定外管66的外徑(稱為外徑74d)。外徑74d可以根據(jù)外管 66的壁厚和內(nèi)徑86d變化，并且理想地允許外管66穿過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42的支撐板M、滑輪58 和基塊56(圖2所示)插入且由支撐板M和基塊56中的一個(gè)或兩者保持。因此，用于液化器管66的適當(dāng)?shù)钠骄诤?即，外徑74與內(nèi)徑86d之間的差值)的實(shí)例在從大約1.3 毫米(大約0.05英寸)到大約7. 6毫米(大約0.30英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)暮穸仍趶拇蠹s2. 5毫米(大約0. 10英寸)到大約5. 1毫米(大約0. 20英寸)的范圍內(nèi)。
如圖4A中進(jìn)一步所示，芯管68的外表面84限定芯管68的外徑(稱為外徑84d)。 因此，外管66的內(nèi)徑86d與芯管68的外徑84d之間的差值相應(yīng)地限定通道72的厚度(稱為通道厚度88)。對(duì)于通道厚度88的適當(dāng)尺寸的實(shí)例在從大約0. 25毫米(大約0. 01英寸)到大約2.5毫米(大約0. 10英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)暮穸仍趶拇蠹s0.51毫米(大約0.02英寸)到大約2.0毫米(大約0.08英寸)的范圍內(nèi)，以及更加特別適當(dāng)?shù)暮穸仍趶拇蠹s0. 76毫米(大約0.03英寸)到大約1.8毫米(大約0.07英寸)的范圍內(nèi)。 由于通道72部分地由填隙部件70中的間隙限定，因此填隙部件70還具有對(duì)應(yīng)于通道厚度 88的厚度。
在所示實(shí)施例中，通道72還具有跨越填隙部件70中的間隙延伸的弧形寬度，所述弧形寬度理想地對(duì)應(yīng)于彎曲狀態(tài)下的帶狀細(xì)絲44的尺寸。所述弧形寬度可以通過自通道 72的徑向同心點(diǎn)起的角度(稱為角度α)進(jìn)行測(cè)量，例如圖4A中所示。用于角度α的適當(dāng)角度的實(shí)例在從大約30度到大約180度的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)慕嵌仍趶拇蠹s45度到大約130度的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)慕嵌仍趶拇蠹s60度到大約90度的范圍內(nèi)。
可選地，通道72的寬度可以根據(jù)矩形幾何形狀而不是其弧形幾何形狀進(jìn)行測(cè)量。 用于通道72的寬度的適當(dāng)尺寸的實(shí)例在從大約1. 0毫米(大約0. 04英寸)到大約12. 7 毫米(大約0.50英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)膶挾仍趶拇蠹s3.0毫米(大約0.12英寸)到大約10. 1毫米(大約0. 40英寸)的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)膶挾仍趶拇蠹s3. 8 毫米(大約0.15英寸)到大約6. 4毫米(大約0.25英寸)的范圍內(nèi)。
如上所述，帶狀液化器38與帶狀細(xì)絲44的縱橫比可以選擇為有效地去除與具有圓形橫截面的細(xì)絲原料相關(guān)的芯體。這允許帶狀液化器38與具有相同的體積流量的圓柱形液化器相比獲得減少的響應(yīng)時(shí)間。具體地，如美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/247，067號(hào)；以及美國專利申請(qǐng)第12/612，333號(hào)中公開的名稱為“Non-Cylindrical Filament For Use In Extrusion-Based Digital Manufacturing Systems”，高縱橫比特別適用于減少響應(yīng)速率。 因此，通道72的寬度與通道厚度88的適當(dāng)縱橫比的實(shí)例包括大約2 1或更大的縱橫比。
在一些情況中，過大的縱橫比可能將不希望的高負(fù)載放置在外表面84和帶狀細(xì)絲44上，并且還可能增加帶狀細(xì)絲44與通道72之間的摩擦阻力。因此，通道72的寬度與通道厚度88的特別適當(dāng)?shù)目v橫比的實(shí)例在從大約2. 5 1到大約20 1的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)目v橫比在從大約3 1到大約10 1的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)目v橫比在從大約31到大約81的范圍內(nèi)。
通過比較熱能在給定液化器內(nèi)擴(kuò)散的M^1可以獲得與圓柱形液化器的另外的區(qū)別。熱能以兩個(gè)維度的方式擴(kuò)散到容納在圓柱形液化器內(nèi)的圓柱形細(xì)絲，其中熱能的大約50%沿著第一維度(例如，沿著χ軸線)擴(kuò)散，而熱能的大約50%沿著第二維度(例如，沿著y軸線)擴(kuò)散。然而，比較起來，大多數(shù)熱能僅沿著一個(gè)維度擴(kuò)散到液化器38中的帶狀細(xì)絲44。實(shí)際上，該單一維度擴(kuò)散帶狀細(xì)絲44與液化器38的縱橫比亞增加。因此，對(duì)于上述適當(dāng)?shù)目v橫比，至少熱能的大約60%僅以一個(gè)維度擴(kuò)散，更理想地至少熱能的大約65%僅以一個(gè)維度擴(kuò)散，并且更加理想地至少熱能的大約70%僅以一個(gè)維度擴(kuò)散。
在一個(gè)實(shí)施例中，芯管68的外表面84和/或外管66的內(nèi)表面86可以是平滑的和/或被拋光以減少帶狀細(xì)絲44的滑動(dòng)摩擦。在另外的實(shí)施例中，外表面84和內(nèi)表面86 的在入口區(qū)64處的一個(gè)或多個(gè)部分可以包括低表面能量涂層以進(jìn)一步減小與帶狀細(xì)絲44 的摩擦力。適當(dāng)?shù)耐繉硬牧习ǚ酆衔?例如，聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、和全氟烷氧基聚合物)、菱形狀碳材料及其組合。
圖4B所示的截面顯示端口 76，在所示實(shí)施例中，所述端口具有基本上與通道72對(duì)準(zhǔn)的弧形寬度。在可選實(shí)施例中，通道72的弧形寬度可以大于端口 76的弧形寬度。端口 76的弧形寬度的角度(稱為角度β)可以根據(jù)滑輪58的內(nèi)螺紋面之間的接合以及通道72 的弧形寬度變化。因此，用于角度β的適當(dāng)角度的實(shí)例在從大約30度到大約180度的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)慕嵌仍趶拇蠹s45度到大約130度的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)慕嵌仍趶拇蠹s60度到大約90度的范圍內(nèi)。
圖4C所示的截面顯示加熱長度78，在所示的實(shí)施例中，加熱長度78處的通道72 具有與入口區(qū)64 (圖4Α所示)和端口 76 (圖4Β所示)處的尺寸相同的尺寸。因此，在該實(shí)施例中，通道72在頂端48與底端50之間沿著縱向軸線46具有基本上相同的尺寸。在可選實(shí)施例中，通道72的厚度(稱為通道厚度89)和/或弧形寬度可以沿著縱向軸線46 變化。例如，通道72的通道厚度89和寬度中的一個(gè)或兩者在沿著加熱長度78朝向底端50 向下移動(dòng)時(shí)可以逐漸減小。
用于通道厚度89的適當(dāng)平均厚度的實(shí)例包括上述的用于通道厚度88 (圖4Α所示)的厚度，其中通道厚度89可以與通道厚度88相同或者可以沿著縱向長度46朝向底端 50逐漸減小。類似地，用于弧形寬度的適當(dāng)角度(稱為角度Θ)的實(shí)例包括上述用于角度 α (圖4Α所示)的角度，其中角度θ可以與角度α相同或者可以沿著縱向長度46朝向底端50逐漸減小。
圖5是帶狀液化器38的分解立體圖，顯示了用于制造帶狀液化器38的技術(shù)。帶狀液化器38可以通過初始繞著芯管68的外表面84插入填隙部件70 (例如，將滑動(dòng)芯管68 插入填隙部件70中，如箭頭90所示)制造。填隙部件70可以繞著外表面84以各種方式固定，例如通過摩擦配合、粘附劑和/或焊接操作固定。
填隙部件70包括部分限定通道72的間隙(稱為間隙92)，如上所述。另外，填隙部件70在帶狀液化器38的底端50處的部分漸縮以裝配在擠出端52內(nèi)，其中間隙92的弧形寬度還可以相應(yīng)地縮小。芯管68還包括位于帶狀液化器38的底端50處的圓錐形末端1194，所述圓錐形末端也漸縮以裝配在填隙部件70和擠出端52內(nèi)。圓錐形末端94還理想的是為密封末端以防止熔融材料回流到芯管68的中空孔區(qū)中。
組裝后的芯管68/填隙部件70可以接著被插入外管66(箭頭96所示)中，間隙 92理想地與端口 76對(duì)準(zhǔn)。外管66可以以各種方式繞著芯管68/填隙部件70固定，例如通過摩擦配合、粘附劑和/或焊接操作固定。這提供了通道72，所述通道由芯管68的外表面 84、外管66的內(nèi)表面86和間隙92處的填隙部件70限定并從頂端48延伸到底端50處的擠出端52。
外管66、芯管68、填隙部件70可以可選地以各種方式組裝。例如，填隙部件70可以在芯管68插入外管66內(nèi)之前插入外管66內(nèi)。此外，芯管68可以初始被插入外管66內(nèi)， 并且填隙部件70可以接著插入外管66與芯管68之間。另外，擠出端52可以在底端50處可移除地固定到外管66(例如，擰到外管66上)。在另外的可選實(shí)施例中，外管66、芯管 68、填隙部件70中的一個(gè)或多個(gè)可以一體形成(例如，擠壓或鑄造)在一起而不是形成為隨后組裝的獨(dú)立部件。產(chǎn)生的帶狀液化器38可以接著安裝在擠出頭18的分組件30中，如上所述。
如上所述，通道72的尺寸被構(gòu)造成使帶狀細(xì)絲44的熔融材料的熔融流符合作為軸向不對(duì)稱流類型的弧形圖案流。然而，如圖5所示，擠出端52和圓錐形末端94的尺寸提供將熔融流從弧形圖案流變成軸向?qū)ΨQ流以從擠出端52擠出的尺寸。這與圓柱形液化器相反，在所述圓柱形液化器中，熔融流在圓柱形液化器和擠出端中保持為軸向?qū)ΨQ流。
圖6是與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42的滑輪58 (圖2所示)一起使用以用于熔化并擠出帶狀細(xì)絲 44的材料以構(gòu)建3D模型M (或者可選地構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)26，圖1所示)的帶狀液化器38的側(cè)視圖。熱塊40以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42的支撐板M和基塊56為了便于說明在圖6中被省略。 如圖所示，滑輪58包括內(nèi)表面98，所述內(nèi)表面為滑輪58的內(nèi)螺紋面并在端口 76處與帶狀細(xì)絲44接合。用于內(nèi)表面98的適當(dāng)?shù)膬?nèi)螺紋面的實(shí)例在Batchelder等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2009/0274540號(hào)和第2009/0273122號(hào)中公開。
在形成3D模型M的構(gòu)建操作期間，帶狀細(xì)絲44在頂端48處被裝載到液化器38 的通道72中。如上所述，帶狀細(xì)絲理想地彎曲成具有基本上與通道72的弧形橫截面一致的彎弓形橫截面。在一個(gè)實(shí)施例中，帶狀細(xì)絲44在位于供應(yīng)源20中(圖1所示)以及通過通道34(圖1所示)供給時(shí)可以處于釋放的非彎曲狀態(tài)。帶狀細(xì)絲42在到達(dá)帶狀液化器38的頂端48時(shí)可以彎曲(例如，手動(dòng)彎曲)成期望的彎弓形橫截面并供給到通道72中。 由于帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分被拉入通道72中，因此通道72的弧形橫截面可以使帶狀細(xì)絲 44的連續(xù)部分自動(dòng)彎曲并符合通道72的尺寸。
滑輪58的旋轉(zhuǎn)允許內(nèi)表面98沿著縱向軸線46穿過通道72朝向加熱長度78向下驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分。當(dāng)在加熱長度78處通過通道72時(shí)，由熱塊40 (圖2所示)產(chǎn)生的熱梯度使帶狀細(xì)絲44的材料熔化成可擠出狀態(tài)。帶狀細(xì)絲44的位于加熱長度 78上游的未熔化的連續(xù)部分由滑輪58和內(nèi)表面98驅(qū)動(dòng)，并用作具有作用于未熔化部分與通道72之間的熔融材料的粘性泵的活塞，從而通過擠出端52擠出帶狀細(xì)絲44的熔融材料。如上所述，通道72的橫截面尺寸，特別是在上述適當(dāng)?shù)目v橫比范圍內(nèi)的尺寸，允許以減少的響應(yīng)時(shí)間擠出帶狀細(xì)絲44的材料。擠出的材料接著被沉積為條道，以便以逐層方式構(gòu)建3D模型24。
還如上所述，入口區(qū)64沿著縱向軸線46相對(duì)于滑輪58位于上游位置。因此，帶狀細(xì)絲44在與內(nèi)表面98接合之前進(jìn)入通道72，并且在與內(nèi)表面98接合期間以及之后由芯管68的外表面84(圖3-5所示)持續(xù)支撐。這有效地消除了可能發(fā)生在具有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液化器的擠出頭的潛在問題(例如，對(duì)準(zhǔn)和彎折)，從而減低中斷采用擠出頭18(圖1 所示)進(jìn)行的構(gòu)建操作的風(fēng)險(xiǎn)。
圖7是與用于熔化并擠出帶狀細(xì)絲44的材料以構(gòu)建3D模型M的可選的細(xì)絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可旋轉(zhuǎn)軸100 —起使用的液化器管32的側(cè)視圖。熱塊40(圖2所示)為了便于說明在圖7中被省略。在該實(shí)施例中，可旋轉(zhuǎn)軸100包括螺紋面102，所述螺紋面為在端口 76處與帶狀細(xì)絲44接合的外螺紋面?？尚D(zhuǎn)軸100的旋轉(zhuǎn)允許螺紋面102沿著縱向軸線 46穿過通道72朝向加熱長度78向下驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分。帶狀細(xì)絲44的材料接著以加熱長度78在通道72中被熔化，從而允許從擠出端52擠出熔融材料，以便以逐層方式構(gòu)建3D模型M。
在該實(shí)施例中，入口區(qū)64也沿著縱向軸線46相對(duì)于螺紋面102位于上游位置。因此，帶狀細(xì)絲44在與螺紋面102接合之前進(jìn)入通道72，并且在與螺紋面102接合期間以及之后由芯管68的外表面84(圖3-5所示)持續(xù)支撐。這有效地消除了可能發(fā)生在具有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液化器的擠出頭上的潛在問題(例如，對(duì)準(zhǔn)和彎折)。因此，帶狀液化器38適于與各種不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一起使用，其中所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在帶狀細(xì)絲44(例如，在端口 76處)被芯管68支撐之后接合帶狀細(xì)絲44。
圖8A和8B是沿垂直于縱向軸線46 (圖2所示)的平面截得的帶狀細(xì)絲44的剖視圖，其中圖8A示出了處于釋放的非彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲44，圖8B示出了處于彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲44。如圖8A所示，帶狀細(xì)絲44具有通常對(duì)應(yīng)于通道72的通道厚度88和弧形寬度(圖4A所示)的寬度104和厚度106。帶狀細(xì)絲44還具有可以根據(jù)供應(yīng)源20(圖1所示)中剩余的帶狀細(xì)絲44的量變化的連續(xù)長度。
寬度104可以根據(jù)通道72的尺寸以及帶狀細(xì)絲44彎曲的程度變化。用于寬度 104的適當(dāng)尺寸的實(shí)例在從大約1. 0毫米(大約0. 04英寸)到大約10. 2毫米(大約0. 40 英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)膶挾仍趶拇蠹s2.5毫米(大約0. 10英寸)到大約7.6毫米(大約0.30英寸)的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)膶挾仍趶拇蠹s3.0毫米(大約0.12 英寸)到大約5.1毫米(大約0.20英寸)的范圍內(nèi)。
用于厚度106的適當(dāng)尺寸理想地允許帶狀細(xì)絲44在處于彎曲狀態(tài)的同時(shí)插入通道72中。例如，厚度106理想地小到足以允許帶狀細(xì)絲44軸向彎曲到彎曲狀態(tài)(如箭頭 108所示)并沿著其長度彎曲以將帶狀細(xì)絲44卷入供應(yīng)源20中并通過通道34 (圖1所示) 供給帶狀細(xì)絲44。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，帶狀細(xì)絲44理想地能夠承受大于t/r的彈性應(yīng)變，其中“t”為帶狀細(xì)絲44在彎曲平面中的橫截面厚度(例如，厚度106)，“r”是彎曲半徑 (例如，供應(yīng)源20或22中的彎曲半徑和/或穿過通道34或36的彎曲半徑)。
厚度106理想地厚到足以為帶狀細(xì)絲44提供適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)整體性，從而減低帶狀細(xì)絲44保持在供應(yīng)源20或22中時(shí)以及通過系統(tǒng)10 (例如，通過通道30或3 供給時(shí)破裂或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。用于厚度106的適當(dāng)尺寸的實(shí)例在從大約0. 08毫米(大約0. 003英寸)到大約1.5毫米(大約0.06英寸)的范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)暮穸仍趶拇蠹s0.38毫米(大約0.015英寸)到大約1.3毫米(大約0.05英寸)的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)暮穸仍趶拇蠹s0.51毫米(大約0.02英寸)到大約1.0毫米(大約0.04英寸)的范圍內(nèi)。
當(dāng)帶狀細(xì)絲42彎曲以對(duì)準(zhǔn)通道72時(shí)，帶狀細(xì)絲44還理想地具有基本上與頂端48 處的通道72的縱橫比相對(duì)應(yīng)的寬度104與厚度106的縱橫比，如圖8B所示。寬度104與厚度106的適當(dāng)縱橫比的實(shí)例包括大約2 1或更大的縱橫比，并且特別適當(dāng)?shù)目v橫比在從大約2. 5 1至大約20 1的范圍內(nèi)，而且更加特別適當(dāng)?shù)目v橫比在從大約3 1至大約10 1的范圍內(nèi)，進(jìn)一步更特別適當(dāng)?shù)目v橫比在從大約3 1至大約8 1的范圍內(nèi)。
帶狀細(xì)絲44可以由各種可擠出的造型材料和支撐材料制造以分別構(gòu)建3D模型M 和支撐結(jié)構(gòu)26 (圖1所示)。用于帶狀細(xì)絲44的適當(dāng)?shù)脑煨筒牧习ň酆喜牧虾徒饘俨牧稀?在一些實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)脑煨筒牧习ň哂蟹蔷匦缘牟牧希?，熱塑性材料、非晶金屬材料及其組合。用于帶狀細(xì)絲34的適當(dāng)?shù)臒崴苄圆牧系膶?shí)例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)共聚物、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚芳砜、聚醚酰亞胺、非晶聚酰胺、其修改變體(例如。ABS-M30共聚物)、聚苯乙烯及其混合物。適當(dāng)?shù)姆蔷Ы饘俨牧习ü_在Batchelder 的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2009/(^63582號(hào)中的材料。
用于帶狀細(xì)絲44的適當(dāng)?shù)闹尾牧习ň哂蟹蔷匦缘牟牧?例如，熱塑性材料)，并且所述材料理想地可在構(gòu)建3D模型M和支撐結(jié)構(gòu)沈之后從相應(yīng)的造型材料移去。用于帶狀細(xì)絲44的適當(dāng)?shù)闹尾牧系膶?shí)例包括在貿(mào)易指定(trade designations) “WATERWORKS”和“SOLUBLE SUPPORTS”下市場(chǎng)上可從 Mratasys，Inc. ,Eden I^rairieJN買到的水溶性支撐材料；在貿(mào)易指示“BASS”下可在市場(chǎng)上從Mratasys，Inc.， Eden Prairie, MN買到的破壞支撐材料，以及公開在Crump等人的美國專利第5，503，785 號(hào)；Lombardi等人的美國專利第6，070, 107號(hào)和第6，228，923號(hào)；Priedeman等人的美國專利第6，790，403號(hào)；以及Hopkins等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2010/0096072號(hào)中公開的材料。
帶狀細(xì)絲44的成分還可以包括另外的添加劑，例如，增塑劑、流變改性劑、惰性填料、著色劑、穩(wěn)定劑及其組合。支撐材料中使用的適當(dāng)添加的增塑劑的實(shí)例包括臨苯二甲酸二烷基酯、環(huán)烷酞酸鹽、苯甲基及芳香基酞酸鹽、烷氧基酞酸鹽、烷基/磷酸芳基酯、聚乙二醇酯、己二酸鹽酯、檸檬酸鹽酯、甘油酯及其組合。適當(dāng)?shù)亩栊蕴盍系膶?shí)例包括碳酸鈣、碳酸鎂、玻璃球、石墨、炭黑、碳纖維、玻璃纖維、滑石、硅灰石、云母、礬土、硅石、高嶺土、碳化硅、 復(fù)合材料(例如，球狀及絲狀復(fù)合材料)及其組合。在其中成分中包括附加的添加劑的實(shí)施例中，附加的添加劑的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合濃度的實(shí)例根據(jù)成分的整個(gè)重量在從大約重量比至大約10%重量比的成分范圍內(nèi)，并且特別適當(dāng)?shù)臐舛仍趶拇蠹s重量比至大約5%重量比的范圍內(nèi)。
帶狀細(xì)絲44還理想地表現(xiàn)出允許帶狀細(xì)絲44用作系統(tǒng)10中的消耗材料的物理特性。在一個(gè)實(shí)施例中，帶狀細(xì)絲44的成分沿著其長度基本上是同質(zhì)的。另外，帶狀細(xì)絲 44的成分理想地表現(xiàn)出適合用于構(gòu)建室12中的玻璃轉(zhuǎn)變溫度。大氣壓力下對(duì)于帶狀細(xì)絲 44的成分的適當(dāng)?shù)牟ＡмD(zhuǎn)變溫度的實(shí)例包括大約80°C或更大的溫度。在一些實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)牟ＡмD(zhuǎn)變溫度包括大約100°C或更大。在另外的實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)牟ＡмD(zhuǎn)變溫度包括大約120°C或更大。
帶狀細(xì)絲44還理想地表現(xiàn)出低壓縮性，使得所述帶狀細(xì)絲的軸向壓縮不會(huì)造成帶狀細(xì)絲44卡在液化器內(nèi)。用于帶狀細(xì)絲44的聚合物成分的適當(dāng)?shù)臈钍夏Ａ恐档膶?shí)例包括大約0.2吉帕斯卡(GPa)(大約30，000磅/平方英寸(psi))或更大的模量值，其中楊氏模量值依據(jù)ASTM D638-08測(cè)得。在一些實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)臈钍夏Ａ吭趶拇蠹s1. OGPa(大約 145, OOOpsi)到大約5. OGPa(大約725，OOOpsi)的范圍內(nèi)。在另外的實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)臈钍夏Ａ恐翟趶拇蠹s1. 5GPa (大約200，OOOpsi)到大約3. OGPa (大約440，OOOpsi)的范圍內(nèi)。
用于帶狀細(xì)絲44的適當(dāng)?shù)膸罴?xì)絲以及用于制造帶狀細(xì)絲44的適當(dāng)技術(shù)的另外的實(shí)例包括公開在美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/M7，067號(hào)；以及美國專利申請(qǐng)第12/612，333 號(hào)中的名禾爾為 “Non-Cylindrical Filament For Use In Extrusion-Based Digital Manufacturing Systems”的帶狀細(xì)絲和技術(shù)；以及如美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/247,078 號(hào)；和美國專利申請(qǐng)第12/612，342號(hào)中所公幵的名稱為“Consumable Materials Having Topographical Surface Patterns For Use In Extrusion-Based Digital Manufacturing Systems"的具有地形表面圖案的帶狀細(xì)絲。
圖9和圖10顯示了帶狀液化器觀(圖2-7所示)的適當(dāng)?shù)目商鎿Q帶狀液化器的實(shí)例，其中上述實(shí)施例同樣可應(yīng)用到以下實(shí)例。如圖9所示，帶狀液化器138為帶狀液化器 38的第一可選方案，其中相應(yīng)的附圖標(biāo)記被增加“ 100”。在該實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)于入口區(qū)64和端口 76的入口區(qū)和端口被省略。相反，芯管168在頂端148處延伸超過外管166和填隙部件170。在該實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42)可以在通道172的上方在芯管168 的外表面184處接合帶狀細(xì)絲44。這允許驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以與上述關(guān)于帶狀液化器38所述的相同方式在外表面184用作用于帶狀細(xì)絲的側(cè)向背襯支撐部的同時(shí)驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲44的連續(xù)部分進(jìn)入通道172。
在所示的實(shí)施例中，用于使加熱長度178存在于通道172的入口與底端150之間的適當(dāng)尺寸(稱為長度18 也可以根據(jù)熱塊40(圖2所示)的熱傳遞特性、外管166的厚度和材料、以及帶狀細(xì)絲44的厚度、材料和驅(qū)動(dòng)速率變化。用于長度182的適當(dāng)長度的實(shí)例包括以上關(guān)于長度82(圖3所示)的長度。
在一個(gè)可選實(shí)施例中，填隙部件170也可以關(guān)于芯管168向上延伸。在另外的可選實(shí)施例中，外管166、芯管168和填隙部件170中的一個(gè)或多個(gè)可以包括應(yīng)變儀，如 Batchelder等人的美國專利申請(qǐng)公開出版物第2009/0273122號(hào)中所述。這有利于在系統(tǒng) 10的操作期間監(jiān)測(cè)施加到外管166、芯管168和/或填隙部件170的負(fù)載。
圖10為帶狀液化器238的剖視圖，所述帶狀液化器為帶狀液化器38 (圖2_7所示)和帶狀液化器138(圖9所示)的另一個(gè)可選方案。所述剖視圖對(duì)應(yīng)于圖3中截得的截面4A-4A，并且相應(yīng)的附圖標(biāo)記增加“200”。如圖所示，帶狀液化器238包括限定通道272 的外管沈6、芯體部分268和填隙部件270，其中通道272具有矩形橫截面而不是弧形橫截
用于外管沈6、芯體部分沈8、填隙部件270和通道272的適當(dāng)尺寸包括以上對(duì)于帶狀液化器38的各個(gè)部件所述的尺寸。例如，用于外表面274的適當(dāng)?shù)钠骄鶎挾?稱為寬度27 )、用于外表面觀4的適當(dāng)?shù)钠骄鶎挾?稱為寬度^ )、和用于內(nèi)表面觀6的適當(dāng)?shù)钠骄鶎挾?稱為寬度分別包括以上關(guān)于外徑74d、外徑84d和內(nèi)徑86d(圖4A所示)所述的平均寬度。外管266、芯體部分268和填隙部件270的尺寸可以沿著χ軸線和y 軸線基本上相同(即，如圖10所示的方形橫截面)，或者可以根據(jù)帶狀液化器238的具體設(shè)計(jì)不同(例如，矩形)。相應(yīng)地，用于通道272的適當(dāng)?shù)膶挾?稱為寬度272w)包括以上關(guān)于通道72的弧形寬度所述的寬度，并且用于通道272的適當(dāng)?shù)暮穸?稱為厚度272t)包括以上關(guān)于厚度88 (圖4A所示)所述的厚度。
在所示的實(shí)施例中，芯體部分268被填充而不是具有中空的孔區(qū)。這有利于確保芯體部分268可以承受從驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如，圖2所示的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)42)施加到外表面觀4的側(cè)應(yīng)力而不會(huì)彎折或變形。在可選的實(shí)施例中，芯體部分268可以為具有適當(dāng)?shù)谋诤竦闹锌招竟堋?br> 帶狀液化器238為本發(fā)明的適當(dāng)?shù)膸钜夯鞯囊粋€(gè)實(shí)例，所述帶狀液化器被構(gòu)造成容納處于釋放的非彎曲狀態(tài)的帶狀細(xì)絲44，如上面圖8A中所示。帶狀液化器238和帶狀細(xì)絲44的尺寸也有效地消除與具有圓形橫截面的圓柱形細(xì)絲相關(guān)的芯體。這允許帶狀液化器238與具有相同體積流量的圓柱形液化器相比也獲得減少的響應(yīng)時(shí)間。
另外，通道272的尺寸被構(gòu)造成使帶狀細(xì)絲44的熔融材料的熔融流符合也為軸向不對(duì)稱流的矩形圖案流。然而，在到達(dá)擠出端252(未示出)時(shí)，該熔融流變化到基本上軸向?qū)ΨQ流以與上述用于圖5中的帶狀液化器38相同的方式擠出。這也與圓柱形液化器相反，其中熔融流在圓柱形液化器和擠出端中保持為軸向?qū)ΨQ流。
在本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，上述圓柱形細(xì)絲和非圓柱形細(xì)絲也可以是中空的。 由于為塑料的橫截面面積由于缺少芯體而減小，因此中空細(xì)絲的液壓直徑也可以小于物理直徑。因此，用于本發(fā)明的中空細(xì)絲的適當(dāng)?shù)囊簤褐睆降膶?shí)例包括上述的實(shí)例。此外，液化器還可以包括用于中空細(xì)絲的配合芯體，使得擠出物被從內(nèi)側(cè)以及外側(cè)加熱。
中空細(xì)絲的一個(gè)潛在的另外的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)中空細(xì)絲通過由混合物迅速擠出制造時(shí)，理想地是該細(xì)絲在保持在供應(yīng)組件(例如，卷線筒)上之前被快速冷卻。該快速冷卻過程可以引起另外的實(shí)心細(xì)絲的直徑變化，所述直徑變化可以沿著細(xì)絲的長度變化。比較起來，如果中空細(xì)絲被快速冷卻，則中空細(xì)絲的內(nèi)表面的直徑可以變化，從而使外表面更一致。
為圓筒形殼體的中空細(xì)絲的另一個(gè)潛在的另外的優(yōu)點(diǎn)符合細(xì)絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。實(shí)心細(xì)絲可以接近于不可壓縮，使得如果細(xì)絲直徑略小或略大，則驅(qū)動(dòng)輥或驅(qū)動(dòng)齒可以獲得很小或很大的牽引力。然而，中空細(xì)絲提供順從性，使得細(xì)絲直徑的小變化被中空細(xì)絲的壓縮量的變化補(bǔ)償。
中空細(xì)絲的另一個(gè)潛在的另外的優(yōu)點(diǎn)是減小液化器的入口中的熱傳導(dǎo)。當(dāng)實(shí)心細(xì)絲固定時(shí)，熱量可以緩慢地沿著細(xì)絲的中心傳導(dǎo)到液化器的加熱部分上方的壁相對(duì)較冷的區(qū)域。如果細(xì)絲在該處熔化，則所述細(xì)絲趨向于抵靠較冷的壁凝固，從而潛在地使大的軸向力再次使細(xì)絲運(yùn)動(dòng)。然而，熱傳導(dǎo)到中空細(xì)絲的速率由于缺少芯體將慢于沿實(shí)心細(xì)絲傳導(dǎo)的速率。
雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對(duì)形式和細(xì)節(jié)做出改變。
權(quán)利要求
1.一種帶狀液化器，所述帶狀液化器用于在具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱傳遞部件的基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用，所述帶狀液化器包括外液化器部分，所述外液化器部分被構(gòu)造成從所述熱傳遞部件接收熱能；和通道，所述通道至少部分地由所述外液化器部分限定，所述通道具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲的尺寸，其中所述帶狀液化器被構(gòu)造成通過接收的熱能使容納在所述通道中的所述帶狀細(xì)絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流，并且其中所述狹槽的尺寸還被構(gòu)造成在連接到所述帶狀液化器的擠出端中使熔融流從軸向不對(duì)稱流變?yōu)榛旧陷S向?qū)ΨQ流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀液化器，其中，所述通道的尺寸限定弧形橫截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀液化器，其中，所述通道的尺寸限定具有寬度和厚度的橫截面，其中所述寬度與所述厚度的縱橫比大約為2 1或更大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶狀液化器，其中，所述寬度與所述厚度的縱橫比在2.5 1 到大約20 1的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀液化器，其中，所述外液化器部分包括端口，所述端口被構(gòu)造成提供用于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與容納在所述通道中的帶狀細(xì)絲接合的入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀液化器，還包括芯體部分，所述芯體部分設(shè)置在所述外液化器部分內(nèi)且還部分地限定所述通道，所述芯體部分被構(gòu)造成在所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述帶狀細(xì)絲接合時(shí)為所述帶狀細(xì)絲提供背襯支撐。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶狀液化器，還包括填隙部件，所述填隙部件設(shè)置在所述外液化器部分與所述芯體部分之間，所述填隙部件限定進(jìn)一步限定所述通道的間隙。
8.一種帶狀液化器，所述帶狀液化器用于在具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和熱傳遞部件的基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中使用，所述帶狀液化器包括外管，所述外管具有外表面和內(nèi)表面，其中所述外管的所述外表面被構(gòu)造成與所述熱傳遞部件接合；芯體部分，所述芯體部分設(shè)置在所述外管內(nèi)并具有外表面；和填隙部件，所述填隙部件設(shè)置在所述外管與所述芯體部分之間，所述填部件具有沿著所述填隙部件的縱向長度延伸的間隙，其中所述間隙限定在所述外管的內(nèi)表面與所述芯體部分的外表面之間的通道，所述通道具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲的尺寸，并且其中所述芯體部分的所述外表面被構(gòu)造成在所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述帶狀細(xì)絲接合時(shí)為所述帶狀細(xì)絲提供背襯支撐。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶狀液化器，其中，所述通道的尺寸限定弧形橫截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶狀液化器，其中，所述弧形橫截面具有從徑向同心點(diǎn)以一角度延伸的弧形寬度，其中所述角度在大約30度至大約180度的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的帶狀液化器，其中，所述角度在大約45度至大約130度的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶狀液化器，其中，所述外管包括端口，所述端口被構(gòu)造成提供用于所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與容納在所述通道中的帶狀細(xì)絲接合的入口。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的帶狀液化器，其中，所述端口基本上與所述通道對(duì)準(zhǔn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶狀液化器，其中，所述芯體部分包括芯管。
15.一種用于在基于擠出的數(shù)字制造系統(tǒng)中構(gòu)建三維模型的方法，所述方法包括以下步驟通過帶狀液化器的通道驅(qū)動(dòng)帶狀細(xì)絲，所述帶狀液化器還包括至少部分地限定所述通道的外液化器部分；使所述通道中的所述帶狀細(xì)絲熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流，其中所述通道的尺寸使熔融流符合軸向不對(duì)稱流；和從所述帶狀液化器的擠出端擠出所述熔融流，其中所述熔融流在所述擠出端中具有基本上軸向?qū)ΨQ流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述通道的尺寸限定弧形橫截面。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述通道的尺寸限定具有寬度和厚度的橫截面，其中所述寬度與所述厚度的縱橫比大約為2 1或更大。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述寬度與所述厚度的縱橫比在2.5 1至大約20 1的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述外液化器部分包括端口，并且其中所述方法還包括以下步驟使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與容納在所述通道內(nèi)的帶狀細(xì)絲在所述端口處接合。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，使所述通道中的所述帶狀細(xì)絲熔化的步驟包括以下步驟將熱能擴(kuò)散到所述帶狀細(xì)絲中，其中所述熱能的至少大約65%僅在一個(gè)維度上被擴(kuò)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶狀液化器(38)，所述帶狀液化器包括被構(gòu)造成從熱傳遞部件(40)接收熱能的外液化器部分(66)；和至少部分由外液化器部分(66)限定的通道(72)，其中通道(72)具有被構(gòu)造成容納帶狀細(xì)絲(44)的尺寸，并且其中帶狀液化器(38)被構(gòu)造成通過接收的熱能使容納在通道(72)中的帶狀細(xì)絲(44)熔化到至少可擠出狀態(tài)以提供熔融流。通道(72)的尺寸進(jìn)一步被構(gòu)造成在連接到帶狀液化器(38)的擠出端(52)中使熔融流從軸向不對(duì)稱流變?yōu)榛旧陷S向?qū)ΨQ流。
文檔編號(hào)B29C47/10GK102548736SQ201080043872
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者J·塞繆爾·巴徹爾德, S·斯科特·克倫普, 威廉·J·斯萬松 申請(qǐng)人:斯特拉塔西斯公司