具有扩展的打印体积的添加物制造系统以及其的使用方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明公开内容涉及一种用于利用基于层的添加物制造技术而构建三维(3D)部件的添加物制造系统。更具体地，本发明公开内容涉及一种用于打印大的3D部件的添加物制造系统，以及在添加物制造系统中打印3D部件的方法。
【背景技术】
[0002]添加物制造系统被用于使用一种或多种添加物制造技术而打印3D部件或以其他方式由3D部件的数字表示(例如，AMF和STL格式文件)来构建3D部件。商业上可购得的添加物制造技术的示例包括基于挤出的技术、喷射、选择性激光烧结、粉末/粘合剂喷射、电子束熔化以及立体光刻工艺。对于这些技术中的每一个，3D部件的数字表示最初被切割成多个水平层。对于每个切割层，然后产生一个或多个工具路径，该工具路径提供用于特定的添加物制造系统的指示以打印所述制定的层。
[0003]例如，在基于挤出的添加物制造系统中，通过挤出可流动部件材料以逐层的方式可以由3D部件的数字表示来打印3D部件。部件材料通过由系统的打印头所承载的挤出顶端或喷嘴而被挤出，并且被沉积为在χ-y平面中在基板上的一系列路径，同时打印头沿着工具路径移动。被挤出的部件材料融合到之前沉积的部件材料，并且在温度降低时固化。打印头相对于基板的位置然后沿着Z轴线(垂直于x-y平面)被增高，并且然后重复所述过程以形成与数字表示类似的3D部件。
[0004]在通过沉积多层部件材料制造3D部件时，支撑层或结构典型地被构建在正在构建的3D部件的悬出部的下面或者其的腔中，这些部分不被部件材料本身支撑。使用与沉积部件材料相同的沉积技术可以构建支撑结构。主机电脑生成作用为支撑结构的额外几何结构，该支撑结构用于正被形成的3D部件的悬出部或自由空间段。然后在打印过程中，按照所生成的几何结构，利用第二喷嘴来沉积支撑材料。该支撑材料在制造期间粘合到部件材料，并且当打印过程完成之后可从已完成的3D部件上移除。
【发明内容】
[0005]本发明公开内容的一方面涉及一种用于打印3D部件的添加物制造系统，以及使用所述系统的方法。所述系统包括加热机构，所述加热机构被构造成将所述系统的区域(例如，腔室或其他区域)加热至一个温度或更多的温度；打印头，所述打印头被构造为沿着非竖直打印轴线打印部件材料。所述系统还包括非水平接收表面，所述非水平接收表面被构造为在被加热的区域中接收来自于所述打印头的被打印的部件材料以逐层的方式生产三维部件；以及驱动机构，所述驱动机构被构造为沿着所述非竖直打印轴线导引所述接收表面，从而所述接收表面和所述三维部件的至少一部分移出到被加热的区域之外。
[0006]本发明公开内容的另一方面涉及一种用于打印3D部件的添加物制造系统和使用该系统的方法，其中所述系统包括多个连续的腔室，这些腔室能够加热到不同的温度以限定台阶式降低的温度梯度。该系统还包括被设置在多个连续腔室的第一腔室中的打印头，所述打印头被构造为沿着非竖直打印轴线打印部件材料，非水平接收表面被构造为在被加热的区域中接收来自打印头的被打印的部件材料以逐层的方式生产3D部件。该系统还包括驱动机构，该驱动结构被构造为沿着非竖直打印轴线导引接收表面，使得接收表面和3D部件的至少一部分在台阶式降低的温度梯度的情况下经过多个连续的腔室。
[0007]本发明公开内容的另一方面涉及一种用于利用添加物制造系统打印3D部件的方法。所述方法包括加热添加物制造系统的一个区域，并且以逐层的方式沿着非竖直打印轴线在接收表面上打印3D部件和骨架，优选地在被加热的区域中。所述方法还包括协同于打印所述3D部件和骨架，沿着打印轴线导引所述接收表面，从而接收表面、3D部件的至少一部分和骨架的至少一部分优选地移动到被加热的区域之外。
[0008]定义
[0009]除非另外定义，否则以下的用在本文中的术语具有如下所提供的含义:
[0010]由于本领域的技术人员所已知的期望变量(例如，测量中的限制和可变化性)，术语“大约”和“大致”被在本文中用于指代可测量的值和范围。
[0011]诸如“之上”、“之下”、“顶部”和“下部”等方向取向被用于指代沿着3D部件的打印轴线的方向。在打印轴线是竖直ζ轴线的实施例中，层打印方向是沿着竖直ζ轴线的向上方向。在这些实施例中，术语“之上”、“之下”、“顶部”和“下部”等基于竖直Z轴线。然而，在沿着一个不同的轴线打印3D部件的层的实施例中，诸如沿着水平X轴线或I轴线，术语“之上”、“之下”、“顶部”和“下部”等是相对于给定轴线。此外，在被打印的层是平面的实施例中，打印轴线与层的构建平面垂直。
[0012]术语“打印在……上”，诸如“将3D部件打印在打印基底上”包括在打印基底上直接和间接的打印。“直接打印”涉及将能够流动的材料直接沉积在打印基底上以形成粘合到打印基底的层。相比，“间接打印”涉及将能够流动的材料沉积在直接被打印在接收表面上的中间层上。如此，将3D部件打印在打印基底上可以包括:(i)3D部件被直接打印在打印基底上的情形，(ii)3D部件被直接打印在中间层上(例如，支撑结构的中间层上)的情形，其中中间层被直接打印在打印基底上，以及(iii)情况⑴和(ii)的组合。
[0013]术语“提供”，诸如“提供腔室”等，当在权利要求中被引述时，不是要要求任何特定的所提供物品的传送或接收。然而，出于清楚和便于阅读的目的，术语“提供”仅仅用于弓I述在权利要求的随后的元件中被提及的物品。
【附图说明】
[0014]图1A是带有支撑机构和骨架的正被打印的3D部件的侧视图，其示出了竖直打印轴线。
[0015]图1B是带有支撑机构和骨架的正被打印的3D部件的侧视图，其示出了水平打印轴线。
[0016]图2是本发明公开内容的具有用于水平地打印3D部件的压板和压板台架的第一示例性添加物制造系统的俯视图。
[0017]图3是第一示例性系统的侧视图。
[0018]图4A是打印在压板上的3D部件、支撑结构和骨架的立体图。
[0019]图4B是打印在压板上的3D部件、支撑结构和骨架的分解立体图。
[0020]图5是第一示例性系统的侧视图，其示出了正被水平地打印的3D部件。
[0021]图6是本公开的具有用于水平地打印3D部件的压板启动件的第二示例性添加物制造系统的俯视图。
[0022]图7是第二示例性系统的侧视图。
[0023]图8A是打印在压板启动件上的3D部件、支撑结构和骨架的立体图。
[0024]图8B是打印在压板启动件上的3D部件、支撑结构和骨架的分解立体图。
[0025]图SC是打印在压板启动件上的3D部件、支撑结构和骨架的立体图，其示出了可选的驱动机构。
[0026]图9是第二示例性系统的侧视图，其示出了正被水平地打印的3D部件。
[0027]图10是本公开的具有用于水平地打印3D部件的楔形启动件的第三示例性添加物制造系统的俯视图。
[0028]图11是第二不例性系统的侧视图。
[0029]图12是楔形启动件的放大侧视图，其示出了用于打印支撑结构的技术。
[0030]图13A是打印在楔形启动件上的3D部件、支撑结构和骨架的立体图。
[0031]图13B是打印在楔形启动件上的3D部件、支撑结构和骨架的分解立体图。
[0032]图14是第三示例性系统的侧视图，其示出了正被水平地打印的3D部件。
[0033]图14A是第三示例性系统(或任何其他示例性系统)的替代方案的侧视图，其包括具有一个或更多的楔形启动件的转动带机构。
[0034]图14B是被定位成接收被打印的材料的楔形启动件中的一个的分解立体图。
[0035]图14C是使用转动带机构的打印后的处理组件的侧视图。
[0036]图14D是打印后的处理组件的示例性支撑件移除站的侧视图。
[0037]图14E是第三示例性系统(或者任何其他的示例性系统)的第二替代方案的侧视图，其包括一个基于螺旋钻的粘性泵打印头。
[0038]图14F是示例性的基于螺旋钻的粘性泵打印头的侧视示意图。
[0039]图14G是第三示例性系统(或者任何其他的示例性系统)的第二替代方案的侧视图，其包括多个基于螺旋钻的粘性泵打印头。
[0040]图15是本公开的第四示例性添加物制造系统的侧视图，其具有用于竖直地打印3D部件的楔形启动件。
[0041]图16是是第四示例性系统的侧视图，其示出了正被竖直地打印的3D部件。
[0042]图17是本公开的具有用于提供多个温度区的多个腔室的第五示例性添加物制造系统的侧视图。
[0043]图18A是带有骨架的水平地打印的薄壁3D部件的正视图。
[0044]图18B是带有骨架的多个水平地打印的薄壁3D部件的正视图，其中多个3D部件被横向地打印成彼此相邻。
[0045]图18C是带有多个骨架的多个水平地打印的薄壁3D部件的正视图，其中多个3D部件以层叠布置的方式被打印成彼此相邻。
[0046]图19是带有骨架的竖直地打印的薄壁3D部件的后视立体图。
[0047]图20A和20B是打印在楔形启动件上的多个3D部件、支撑结构和骨架的立体图，其示出了用于打印多个连续的3D部件的骨架技术。
[0048]图21是带有支撑机构和骨架的水平地打印的示例性机翼部件的俯视照片。
[0049]图22是带有骨架的竖直地打印的示例性薄壁面板的正视照片。
[0050]图23是带有骨架的竖直地打印的示例性薄壁面板的后视照片。
【具体实施方式】
[0051]本发明公开内容涉及一种用于长或高的3D部件具有扩展的打印体积的添加物制造系统。该添加物制造系统包括加热机构，其被构造为加热所述系统的构建区域，诸如具有朝向腔体之外的外界条件开口的端口的腔体。该系统还包括一个或多个打印头，被构造为基底压板以逐层的方式将3D部件打印在被加热的腔体或其他构建区域中的打印基底(例如，压板或具有接收表面的其他部件)上。
[0052]随着被打印的3D部件在打印基底上生长，打印基底可被导引(index)或以其他方式移动通过上述端口。被打印的3D部件可以继续生长到该端口之外，直到达到期望的长度或高度。使用上述端口扩大了沿着系统的打印轴线的可打印体积，允许在单次打印操作中打印诸如机翼、歧管、机身等的长或高的3D部件。因此，3D部件可以比添加物制造系统的尺寸大。
[0053]如下进一步说明的那样，添加物制造系统可以被构造为在水平方向、竖直方向或沿着其他取向(诸如，相对于水平和竖直方向的斜坡)上打印3D部件。在这些实施例的每一个中，被打印的3D部件的多个层可以通过一个或多个打印的“建筑架或骨架(scaffold) ”而被稳定，该“建筑架”相对于系统的打印轴线横向地支撑3D部件以处理或提供平行于构建平面的力。这与如下的被打印的“支撑结构”进行比较:该支撑结构相对于系统的打印轴线支撑3D部件的底面以提供与构建平面垂直的力(例如，用作后续的被打印层的锚定件以降低扭曲和卷曲)。
[0054]例如，图1A是正从打印头喷嘴12以逐层的方式打印的3D部件10的简化正视图，其中，3D部件10的多个层沿着竖直ζ轴线生长。因此，图1A中的“打印轴线”是竖直ζ轴线，每个层平行于水平的χ-y构建平面(y轴线未示出)延伸。
[0055]3D部件10的多个层被打印在支撑结构14的多个层上，该支撑结构14的多个层相应地被设置在压板16上。支撑结构14包括第一系列的打印层14a，该打印层14a沿着打印轴线(例如，沿着竖直ζ轴线)支撑3D部件10的底面10a，由此提供与构建平面垂直的力。层14a有助于将3D部件10粘合至压板16或其他适当的打印基底上，为了降低使得层14a卷曲的风险，同时也允许在不损坏3D部件10的情况下从压板16上移除3D部件10。另外，支撑结构14包括第二系列打印层14b，该打印层14b沿着打印轴线支撑3D部件10的悬出表面10b。在每一清形中，支撑结构14的多个层(例如,层14a和14b)沿着打印轴线支撑3D部件10的底面(例如，底面1a和10b)，由此进一步提供垂直于构建平面的支持力。
[0056]相比，骨架18a和18b的多个层相对于3D部件10被打印在横向位置并且不用于支撑底面1a和10b。然而,示出为沿ζ轴线延伸的管状骨架的骨架18a和18b被打印为支撑3D部件10的横向侧以用作提供平行于构建平面的力的扶垛(buttress)。例如，在一些情形中，诸如当3D部件10是高且窄的时，层14a和3D部件10之间的粘合在打印操作期间可能不足以防止3D部件10的最上面的层发生摇晃。3D部件10的摇晃可能降低打印头喷嘴12和3D部件10之间的配合或对准，潜在地导致打印精度的降低。然而，骨架18a和18b提供了适当的机构，从而相对于打印轴线(即，竖直ζ轴线)在一个或多个横向位置处支撑3D部件10以稳定3D部件10防止发生摇晃。
[0057]可选地，图1B示出了正从打印头喷嘴12以逐层的方式打印的3D部件20，其中，3D部件20的多个层沿ζ轴线水平地生长。以此方式，在图1B中的“打印轴线”是水平ζ轴线，每个层平行于竖直的x-y构建表面(y轴线未示出)延伸。
[0058]在该情形中，3D部件20的多个层被打印在支撑结构24的多个层上，该支撑结构24的多个层相应地被设置在压板26上。支撑结构24包括第一系列打印层24a，该打印层24a沿着打印轴线(例如，沿着水平ζ轴线)支撑3D部件20的底面20a ；以及第二系列打印层24b，该打印层24b沿着打印轴线支撑3D部件20的悬出表面20b。在每一情形中，支撑结构24的多个层(例如，层24a和24b)沿着打印轴线支撑3D部件20的底面(例如，底面20a和20b)，以提供垂直于构建平面的力。
[0059]相比，骨架28的多个层相对于3D部件20的多个层被打印在横向位置并且不用于支撑底面20a和20b。反而是，骨架28被打印以相对于打印轴线支撑3D部件20的横向侧，该横向侧在图1B示出的视图中是3D部件20的竖直底侧。在该水平情况中，骨架