连续进料3d制造
【专利说明】连续进料3D制造
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年I月4日提交的美国临时申请号61/748，937和2013年12月9日提交的美国临时申请号61/913，741的优先权，它们通过引用整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明概括来说涉及用于制造实体物体的设备和方法，通过层层沉积用于各单个部件的材料，然后将各单个部件结合至复杂系统中或用来制造复杂系统。某些实施方式将3D打印工艺从间歇操作模式扩展到连续操作模式以及从使用一种材料工艺扩展到同时使用多种材料和工艺。
【背景技术】
[0004]通常，复杂系统包括多个三维部件的组合，这些三维部件分别由不同的工艺制造并组装以实现最终产品的功能。3D部件的制造可以通过传统方法如铸造和机加工完成，或通过3D打印完成，3D打印使用层层增添材料的工艺来构建部件。目前的3D打印机使用了平工作台，该工作台用作构建表面，在将材料层增添至工作台之后，该表面运动离开材料源，然后将另一层材料增添到之前增添的材料层上。通过重复这个过程，3D物体一层一层地制成。这种技术称为快速成型、快速制造和增材制造。
[0005]目前的生产质量系统的特点在于构建封壳包括具有固定维度的矩形盒子，该维度由笛卡尔坐标系描述。该系统包括通常沿z方向以步进运动行进的构建工作台、在单一 x_y平面中沿一个或两个轴线(X和Y)移动的层沉积机构、和用于将每个新沉积的材料层结合到之前的层的结合机构。材料沉积发生在z坐标上，其限定了构建工作台上的暴露表面。目前使用的工艺本质上是间歇性的，并以定义明确的相继顺序使用几个清晰定义的过程，该相继顺序在整个构建过程中重复进行。所使用的过程可以定义为I)材料沉积、2)熔合、3)移动构建盘片至新的z位置。以目前的技术，这三个过程中的每个必须及时以相继顺序使用，这三个过程都不能同时进行，而是必须一个接一个进行。通常，每个过程仅在之前的过程完成之后才开始。目前，一些现有系统可以组合步骤一和二，使它们几乎同时进行，但现有系统不能组合所有三个，这是现有系统的间歇本质。
[0006]利用当前的系统，材料由几种技术中的一种沉积，这些技术可分为A类和B类。A类机器使用单一运动沉积材料层，该材料层覆盖构建工作台的整个表面，所沉积的材料可以是液体或粉末。层沉积之后，使用熔合过程选择性地仅熔合该层中将作为最终物体的部分的材料。熔合过程包括许多技术中的一种，这些技术包括电子束熔融、选择性激光烧结、粘合剂喷射沉积(粘合剂可以是热固化或光固化的)、以及使用激光或光学掩膜系统的选择性光固化。在材料沉积和固化过程完成之后，构建工作台沿z方向运动离开材料源，并重复该过程。
[0007]B类包括液化构建材料的选择性沉积组合“随沉积”固化过程。材料的沉积被限制为仅在构建表面的X-Y平面中的位置，在这里，材料将添加至部件的最终形式。沉积过程使用几种过程之一而完成，这些过程包括熔融塑料挤出、光敏聚合物(环氧树脂)在构建表面上的喷射、或薄层光敏环氧树脂在构建表面上的沉积，其中，使液体选择性地暴露于光，并在暴露之后去除未使用的树脂。
[0008]熔融塑料挤出技术被称为熔合沉积，因为在挤出的塑料沉积之后，它冷却并凝固，并且在该过程中，它与之前挤出的材料熔合。
[0009]被称为交联聚合的光敏树脂光固化与两种机器一起使用。一种机器使用喷墨式打印头沉积(多种)构建/支撑材料，另一种机器采用透明塑料膜用于材料沉积。第一种机器使用喷墨式喷嘴喷射或“打印”至构建表面上的选定位置。在光敏感聚合物被喷射到构建表面上之后，接着使用合适的光源将其固化，该光源通常为由UV 二极管提供的紫外光，该UV 二极管与打印头一起行进并经过新喷射的树脂的上方。UV光使环氧树脂中发生交联过程。第二种机器使用透明塑料膜提供均匀的树脂层，接着使该树脂层与构建表面接触，然后该新层利用某种掩膜暴露于光，该掩膜允许该新层仅有一部分暴露于光。只有暴露于光的树脂被交联并成为物体的一部分。在交联完成之后，除去塑料膜，这也去除了所有未交联的树脂。
[0010]对于B类机器来说，材料在X-Y平面中的放置仅发生在“打印头”或塑料片沉积材料的地方，且没有其它活动发生在构建封壳内，直到材料沉积过程完成。一旦完成该构建过程，则构建工作台就降低(或升高)一层，并重复该过程。
[0011]在当前的所有技术中，没有明显的生产活动可以发生在构建工作台正在降低时。对于在X-Y平面中的表面上构建的系统来说，没有生产活动能够并行于材料沉积或材料结合过程发生在构建表面上方或之上。现有使用X-Y平面构建表面的系统都不能同时使用多种材料。此外，即使它们在不同的时间使用多种材料，这样的技术也只能使用相似的材料。
[0012]交联聚合喷墨打印机:在所有喷墨沉积环氧树脂的情形中，新材料的沉积仅可以在被局限于“打印头”的χ-y位置的小区域内进行。对打印头可以在打印区域上方移动的速率方面也有限制，因为随着沉积速率的增大，打印头的尺寸必须增加，以能够供应更多的材料。随着打印头尺寸的增加，所有相关的硬件的尺寸都增加，包括移动打印头以及供给材料到打印头的步进马达。硬件尺寸的增加导致机器成本的增加。对材料在材料的全速导致构建表面扭曲之前可以沿χ-y方向移动的速度多快方面有限制，并且铺设速度受到限制，因为UV 二极管通常与打印头一起安装，如果行进速度太高，则树脂没有有效地足够暴露于光而合适地固化。这可以通过与局部暴露相对的全量暴露来弥补，然而，全量暴露也在构建过程中引入了其它问题，这就是优选局部暴露的原因。此外，虽然多种材料可以在构建中使用，但材料局限于可喷射到构建表面上的可交联聚合物。没有其它工艺可以在这种打印机中使用。因为形成部件的方法的缘故，这些部件必须在它们能够用来形成系统或与其它部件组合形成系统之前进行后处理。后处理通常包括通过在化学浴中和/或再次在UV/光浴中清洗以便最终固化而去除多余树脂、以及去除支撑结构。
[0013]熔合沉积打印机:如交联聚合喷墨打印机中的那样，对所有熔合沉积塑料来说，新材料的沉积仅可以在局限于“打印头”的χ-y位置的小区域内进行。对打印头可以在打印区域上方移动的速率有限制。随着沉积速率增大，打印(挤出机)头部的尺寸增加，所有相关的硬件的尺寸随之一起增加，包括挤出机、挤出机中的加热元件以及移动头部并供给材料到挤出机中的步进马达。硬件尺寸的增加导致机器成本的增加。对材料在材料的全速导致构建表面扭曲之前可以沿χ-y方向移动的速度多快方面有限制。这些扭曲发生的原因是当塑料从头部挤出时，塑料是液体，如果打印速度太高，则当塑料冲击构建表面时，其将在撞击时扭曲，很像水以高的相对速度被喷射在表面上时的情况。这一工艺的另一个缺点是，每次仅可以使用一种材料。虽然在构建期间可以使用多种材料，但是每次仅可以沉积一种材料，接着机器必须改变为新的材料，然后使用该新的材料构建。在构建中每次使用不同的材料时，必须进行材料改变。这一工艺明显的缺点是，仅可以使用熔合沉积材料，并且在使用时存在相当大的后处理工作来去除支撑结构。
[0014]激光烧结塑料和金属打印机:在激光烧结粉末(金属和塑料)的情形中，可能直到层沉积完成才进行熔合过程，并且熔合只能从表面上方进行。在粉末沉积速度方面存在更严格的限制。粉末输送通常使用某种重力进料料斗进行，其带有横跨Y轴的长度延伸的简易金属杆，该金属杆横跨整个构建表面沿X方向散布粉末。如果散布器杆移动得太快，将不可能实现在整个构建平面上一致并充足的粉末分布。散布器系统的另一个缺点是，当构建部件时，仅可以使用一种材料。
[0015]交联聚合SLA打印机:同样也没有显著的生产活动可以发生在构建工作台正在降低时。在构建时只有一种材料可以使用，并且在部件完全固化(如果需要)或者使用之前，需要相当大的后处理清理工作。
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