选择性区域温度控制构建板的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于增材制造工艺中的构建板，增材制造工艺例如但不限于三维打印。特别地，本发明涉及一种带有多个加热/冷却区域的构建板，以使在构建板的表面之上的温度分布和热梯度可被控制。
【背景技术】
[0002]在金属和/或塑料零件制造中通过注塑或挤压来生产大批量和系列零件是常见的。塑料注塑的优点特别是由于复杂零件的几何形状的高精度生产，由此注塑工艺的功能性最佳地满足了塑料零件的成本效益的和经济生产的要求。
[0003]然而，单个单元和小批量塑料零件的需求持续增长，无论是否有在短时限之内供给的要求以及具有与注塑零件类似的性能。存在制造工艺用于这些零件的生产，这些零件被广泛的所知为术语“原型(prototyping)”。这些零件的生产一般基于从3D数据的几何形状的生成。这些几何形状通过使用相应的材料生产为各种形式，例如粉末的可熔层，通过例如激光的热输入，通过例如打印工艺的生成系统，生产为粉末零件的各种组合，并使用“熔化线材(melt strand)”工艺。
[0004]多种三维打印设备目前可用于从这种3D数据生产零件。三维(3D)打印是指基于数字3D物体模型和材料分配器来制造3D物体的工艺。在3D打印中，分配器根据确定的打印图案在至少二维中移动并分配材料。为了构建3D物体，调节保持被打印的物体的平台，使得所述分配器能够施加多个材料层。换言之，3D物体可通过打印多个材料层而被打印，一次一层。如果所述分配器在三维中移动，所述平台不需要移动。3D打印特征，例如速度、精度、色彩选择和成本，由于不同的分配机构和材料而变化。
[0005]已知的系统通过沉积热固化材料来制造固体模型或零件。在这些工艺中，可流动材料被顺序地沉积在基体上或先前沉积的热塑性材料上。所述材料在其被沉积后固化并因此能够递增地制造期望的形式。热固化系统的示例包括熔融沉积成型、蜡喷射、金属喷射、耗材电弧焊和等离子喷涂。这些工艺包括3D打印的熔融沉积成型和熔融纤维制造方法。
[0006]由于大多数沉积材料随温度改变密度，这些系统分享了由这些密度变化所产生的产品原型的最小化几何畸变的挑战。由于塑性变形等，热固化系统经受翘曲或卷曲、以及热应力和热冲击。卷曲明显是由在冷却期间引入原型的曲线几何畸变导致。对这种几何畸变(相对于利用可热固化材料的快速原型系统的当前阶段制造的原型)的单个最大贡献是所述材料的密度的变化，由于所述材料从相对热的可流动状态转换为相对冷的固态。
[0007 ]存在减少卷曲的影响的技术。一种技术涉及周围构建环境的加热以减少可能的温度差异。另一种技术是仔细选择表现出最低可能的热膨胀系数的构建材料。另一种技术是在最低可能的温度沉积构建材料。
[0008]本领域充满了各种固体成型教导。例如。克伦普(Crump)的且转让给与本申请同一受让人的美国专利号5，121，329的描述了一种熔融沉积成型系统。虽然克伦普系统结合了加热的构建环境，在添加后续的材料层时，它要求沉积的材料低于其固化温度。卫拉瓦(Vilavaara)的美国专利号4，749，347和阿尔姆奎斯特(Almquist)等人的美国专利号5，141，680描述了结合了可流动的、热固化材料的快速原型系统。这两个专利教导了保持在和低于挤压材料的固化温度的构建环境。
[0009]在巴彻尔德(Batchelder)等人的美国专利号5,866,058中公开的另一种已知的系统和方法，计算挤压热固化的可流动的材料的顺序，从而制造所期望的几何形状。加热的可流动的成型材料然后在其沉积温度下依次挤压到构建环境中，该构建环境保持新沉积的材料附近的体积在材料的固化温度和其蠕变温度之间的沉积温度窗口中。接着，将新挤压材料逐渐冷却到其固化温度以下，同时保持几何形状中的温度梯度在所期望的零件的几何精度设定的最高值以下。
[0010]如在勒普(RepRap)开放源码倡议(开发可以打印大多数自身组件的三维打印机的倡议)中公开的另一种已知的系统，公开了一种加热的构建平台。在加热床上打印允许打印零件在打印期间保持温暖，以当它冷却到低于熔点时允许更多的塑料的收缩并促进粘附。
[0011]但是，尽管控制的构建环境或现有加热床为这些技术制造的零件或制品的翘曲或卷曲的提供一些控制，制造的零件或制品的翘曲和内部热应力仍是问题。
[0012]因此，提供了温度分布的控制的构建板是有利的。特别地有利的是，提供具有多个加热/冷却区(选择性区域加热)的构建板，以使在构建板的表面上的温度分布和热梯度可以被控制，从而允许零件或制品的热应力减轻或消除。多个加热/冷却区域也减少或消除与粘附、扩张和收缩、层到层结合、分层和应力松弛相关的问题。
【发明内容】
[0013]解决方案通过如本文公开的一种构建板提供，所述构建板包括多个单元(element)，每个单元具有接触板和温度控制模块。所述接触板形成所述构建板的上表面的至少一部分，在所述至少一部分上制造有制品(article)。控制器与所述温度控制模块通信并控制相应温度控制模块的温度。多个单元允许所述构建板的上表面的选择性的温度控制，使所述制品的部分被选择性地冷却或加热。
【附图说明】
[0014]图1是位置接近本发明的构建板的说明性实施例的三维打印装置的打印头的平面图。
[0015]图2是图1的构建板的放大透视图。
[0016]图3是图2的构建板的侧视图。
[0017]图4是沿图2的线3-3截取的构建板的剖面图。
[0018]图5是构建板的一个单元的放大剖面图。
【具体实施方式】
[0019]根据本发明的原理的说明性实施例的描述旨在与附图关联阅读，附图被认为是整个文字描述的一部分。在本文所公开的本发明的实施例的描述中，任何对方向或取向的标记仅旨在为描述的方便并不旨在以任何方式限制本发明的范围。诸如“下部”、“上部”、“水平”、“竖直”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及其变型(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对性的术语应解释为在描述时或在讨论时如附图中所示所提及的方向。这些相对性的术语仅是为了方便描述且不要求该装置被在特定的方向构造或操作，除非明确指明是这样。诸如“附接”、“固定”、“连接”、“联接”、“相互连接”以及类似的术语指的是其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接的关系，以及两者可移动的或刚性的固定或关系，除非另外明确说明。此外，本发明的特征和益处通过参考优选实施例而阐述。因此，本发明明确地不应当限于这些优选实施例，这些优选实施例示出了一些可能的非限制性的特征的组合，这些特征可单独存在或以其它特征的组合存在，本发明的范围由所附的权利要求限定。
[0020]构建平台或构建板中的温度分布在构建零件或制品中起重要作用，特别是在具有紧几何公差的零件或制品中。现有的构建板缺乏对温度分布的控制，导致在构建板中不期望的热梯度。本发明解决了由于不受控的温度分布所引起的问题。另外，本发明有助于控制被构建或制造的零件或制品的粘附、膨胀和收缩、层到层粘接、应力松弛等。
[0021]用于三维打印中的现有的熔融沉积成型和熔融长丝制造具有一些问题，例如但不限于被构建的零件或制品的卷曲、翘曲，以及分层。这些问题造成了在制造期间的零件或制品不受控制的收缩和膨胀。不受控制的收缩和膨胀由被构建的零件或制品中的不受控制的温度分布、热梯度、热冲击、残余应力等引起。不受控制的收缩和膨胀可存在而与用于构建零件或制品的材料无关(例如但不限于热固化材料，例如填充和未填充的聚合物、高温热塑性塑料或金属)。
[0022]为了克服不受控制的收缩和膨胀的问题，本发明的智能的构建板具有嵌入在构建板内部的电子控制的温度控制机构，该温度控制机构优化被构建的零件或制品的温度控制。
[0023]参见图1，示出构建平台或选择性区域温度控制构建板10的说明性实施例，其接近三维打印装置的打印头12。三维打印装置可以是行业中任何已知的类型，包括但不限于，在2014年10月3日提交的同时待审美国专利申请系列号为62/059,380中所示的装置，由此通过引用并入其全文。同时三维打印装置，构建平台或构建板可以使用多种增材制造工艺，包括但不限于三维打印。
[0024]三维打印装置通过从打印头12沉积材料到构建板10上来构建三维零件或制品14。在材料的沉积发生时，打印头12在X、y平面中移动且构建板1沿z轴移动。但是，打印头12的移动和/或构建板10的移动可能会在其它方向上发生而不脱离本发明的范围。
[0025]在构建时，为了支承零件或制品14，构建板10具有上表面20，从打印头12沉积的材料将粘附到该上表面。在一些实施例中，基材安装在构建板10的顶部，在其上构建零件或制品14。基材的使用允许在该零件或制品14完成之后很容易从装置移除。
[0026]参见图2至5，构建板10包括从I到N的多个区域或模块化单元30。每个模块化单元30由接触板32、温度控制模块34和绝缘板36组成。多个模块化单元30的多个接触板32形成上表面20或上表面20的至少一部分。使用的模块化单元30的数目可基于许多因素或参数而变化，该因素或参数包括但不限于，构建板10的尺寸、被制造的零件或制品14的尺寸和复杂性、用于制造零件或制品14的材料类型和/或构建板10设置的环境。
[0027]每个温度控制模块34是具有控制其温度的能力的设备，且因此控制其相应的模块化单元30的温度。如图5所示，温度控制模块34包括加热/冷却机构38和温度传感器40。加热/冷却机构可以是但不限于，微/纳米加热器、线圈、热管、微/纳米通道、热电冷却器、电磁感应加热或它们的组合。加热/冷却机构可以根据已知的原理运行，这些原理例如但不限于热电效应、塞贝克-珀尔帖(Seback-Peltier)