专利名称：具有自定义特征的消耗材料的制作方法
技术领域：
本公开涉及用于构建三维(3D)模型的直接数字制造系统。具体地，本发明涉及用于与诸如基于挤出的数字制造系统的数字制造系统一起使用的消耗材料(consumable material)的处理。
背景技术：
基于挤出数字制造系统(例如，由Stratasys, Inc, Eden Prairie, MN研制的熔融沉积建模系统)用于通过挤出可流动消耗建模材料以逐层的方式由3D模型的数字表示构建3D模型。建模材料通过由挤出头支承的挤出末端被挤出，并作为行程的顺序(as a sequence of roads)被沉积在xy平面中的衬底上。挤出的建模材料熔融到先前沉积的建模材料，并在温度降低时固化。然后，挤出头相对于衬底的位置沿着ζ轴(垂直于xy平面) 增加，然后重复该过程以形成再现数字表示的3D模型。根据表示3D模型的构建数据在计算机控制下执行挤出头相对于衬底的移动。通过初始将3D模型的数字表示切片成多个水平切片层来获得构建数据。接着，对于每一个切片层，主计算机生成用于建模材料的沉积行程的构建路径以形成3D模型。在通过沉积多层建模材料制造3D模型中，支撑层或支撑结构典型地被构建在要构造的对象的突出部分(overhanging portion)下方或空腔中，其中所述突出部分或空腔不受到建模材料本身的支撑。可以使用沉积建模材料的相同的沉积技术构建支撑结构。主计算机生成作为用于正在被形成的3D模型的突出部分或自由空间部分的支撑结构的另外的几何形状。消耗支撑材料然后根据构建过程期间生成的几何形状从第二喷嘴沉积。在制造期间支撑材料粘附到建模材料，并当完成构建过程时从完成的3D模型移除所述支撑材料。典型地，在数字制造系统中使用的可消耗建模和支撑材料的制造商仅提供有限颜色及其它特征的建模材料。这种限制主要是由于提供大量选择材料所需的成本。然而，对在构建3D模型中使用具有各种颜色及其它特征的建模材料具有越来越多的需求。因此，需要为用户提供构建具有多种光学特征和组分特征的3D模型的解决方案。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于形成消耗材料的混合系统。该混合系统包括控制器，所述控制器被构造成可操作地接收与一个或多个用户选择的材料特征有关的用户输入；和多个驱动机构，所述多个驱动机构被构造成可操作地与控制器通信，并且进一步被构造成以独立供给速率供给多种原材料(Stock material)，所述供给速率至少部分地基于用户输入被确定。混合系统还包括挤出部件，所述挤出部件被构造成接收供给的多种原材料， 并且进一步被构造成至少部分地熔融并混合接收到的原材料以使所述自定义消耗材料在可挤出状态下被提供，其中在固化时，自定义消耗材料显示一个或多个用户选择的材料特征。
本公开的另一个方面涉及一种用于形成自定义消耗材料细丝的方法。所述方法包括以下步骤接收多种原材料细丝，其中原材料细丝中的至少一种具有在用于数字制造系统的尺寸规范内的平均尺寸。该方法还包括以下步骤接收与一个或多个用户选择的材料特征有关的用户输入；至少部分地根据用户输入为原材料细丝中的至少两种原材料确定独立的供给速率；根据确定的独立供给速率将至少两种原材料细丝供给到挤出部件；以及在挤出部件中至少部分地熔融和混合供给的原材料细丝。该方法还包括以下步骤挤出混合材料以提供自定义消耗材料细丝，其中在固化时，自定义消耗材料细丝显示一个或多个用户选择的材料特征和在用于数字制造系统的尺寸规范内的平均尺寸。本发明的另一个方面涉及一种用于形成消耗材料的方法。所述方法包括以下步骤在挤出部件中至少部分地熔融多种原材料；在挤出部件中混合至少部分熔融的材料； 从挤出部件挤出混合材料作为消耗材料；以及固化挤出的消耗材料。该方法还包括以下步骤以独立速率将多种原材料供给到所述挤出部件，从而为固化的消耗材料提供基于多种原材料的光学特征的至少一种光学特征和基于多种原材料的组分特征的至少一种组分特征。
图1是与混合系统一起使用的基于挤出的数字制造系统的正视图；图2是混合系统的放大示意图；图3是混合系统的挤出部件的放大示意图；图4是考虑了材料消耗速率的变化的可选的卷绕轴装置的示意图；图5是包括用于实施过程控制回路的传感器的第一可选混合系统的放大示意图； 和图6是适于熔模铸造处理(investment casting process)的第二可选混合系统的放大示意图。
具体实施例方式本公开涉及显示自定义特征(customized characteristics)的消耗材料 (consumable material)和用于形成该消耗材料的混合系统。如下所述，混合系统允许用户为消耗材料选择至少一个自定义特征，混合系统然后混和适当量的两种或更多种原材料 (stock material)以形成显示期望的自定义特征的消耗材料。形成的消耗材料然后可以在数字制造系统中使用以构建具有基于期望的自定义特征的性质的3D模型和/或支撑结构。 混合系统还允许由相对较小数量的不同原材料获得多个自定义特征，从而减少预制造不同原材料所需的成本。用于本公开的消耗材料的适当的自定义特征的示例包括光学特征、组分特征及其组合。如这里所使用的，关于材料的术语“光学特征”表示基于根据材料的光相互作用的一个或多个特征。用于材料的光学特征的示例包括反射色(例如，色调、饱和度和亮度)、透射色(例如，色调、饱和度和亮度)、乳白光(例如，在透明与高散射之间)、光泽度(例如，在有光泽与无光泽外观之间)等。如这里所使用的，关于材料的术语“组分特征”表示基于材料的化学组分的一个或多个特征。材料的组分特征的示例包括表面能(例如，粘度和滑移性)、密度、柔性、脆性、松软度、冲击强度、导电性、导热性等。术语光学特征和组分特征与诸如几何形状(例如，细丝的直径)的纯量纲特征不同。以下相对于具有自定义特征的“建模材料”论述消耗材料，这是因为消费者通常更加关心预定3D模型的美感和物理质量，而很少关心用于形成通常被移除和抛弃的支撑结构的“支撑材料”的这种质量。然而，本公开的混合系统还可以用于以相同的方式形成具有自定义特征的“支撑材料”。因此，术语“消耗材料”可以应用于建模材料和支撑材料。图1显示了与混合器12 —起使用的系统10，其中系统10是用于构建3D模型的数字制造系统，而混合器12是可以为系统10提供显示可自定义特征(例如，光学特征和组分特征)的建模材料的混合系统。用于系统10的适当系统的示例包括基于挤出的数字制造系统，例如，由Mratasys，Inc.，Eden Prairie, MN研制的熔融沉积建模系统。如图所示， 系统10包括构建室14、台板(platen) 16、台架(gantry) 18、挤出头20和供应源22。构建室14是包括台板16、台架18和挤出头20的用于构建3D模型(称为3D模型24)和相应的支撑结构(称为支撑结构26)的封闭环境。如以下论述，3D模型对可以由从混合器12获得的建模材料构建而成，从而允许3D模型M显示可自定义特征。台板16是3D模型M和支撑结构沈在上面被构建的平台，并且根据由计算机操作的控制器(称为系统控制器28)提供的信号理想地沿着垂直ζ轴移动。台架18是导轨系统，所述导轨系统理想地被构造成根据由控制器观提供的信号使挤出头20在构建室14 内的水平xy平面中移动。水平xy平面是由χ轴和y轴限定的平面(图1中未示出)，其中 χ轴、y轴和ζ轴相互垂直。在可选的实施例中，台板16可以被构造成在构建室14内xy平面内移动，挤出头20可以被构造成沿着ζ轴移动。还可以使用其它类似的装置，使得台板 16和挤出头20中的一个或两个都可相对于彼此移动。挤出头20由台架18支撑，用于根据由控制器观提供的信号在台板16上以逐层的方式构建3D模型M和支撑结构26。在图1中所示的实施例中，挤出头20是被构造成沉积来自混合器12的建模材料和来自供应源22的支撑材料的双末端挤出头。用于挤出头20 的适当的挤出头的示例包括LaBossiere等人的美国专利申请出版物第2007/0003656号和第2007/002^590号以及Leavitt的美国专利申请出版物第2009/003M05号中所公开的挤出头。可选地，系统10可以包括一个或多个两级式泵组件，如Batchelder等人的美国专利第5，764，521号和Skubic等人的美国专利申请出版物第2008/0213419号中所公开的泵组件。此外，系统10可以包括用于淀积建模材料和/或支撑材料的多个挤出头18。自定义建模材料从混合器12通过供给管线30被供应给(由箭头32表示)挤出头20，从而允许挤出头20淀积自定义建模材料以构建3D模型M。相应地，支撑材料从供应源22通过供给管线34被供应给(由箭头36表示)挤出头20，从而允许挤出头20淀积支撑材料以构建支撑结构26。在构建操作期间，台架18使挤出头20在构建室14内的水平xy平面内移动，并且一个或多个供给机构(未示出)被控制以通过挤出头20分别从混合器12和供应源22间歇地供给建模材料和支撑材料。接收到的建模材料和支撑材料然后被沉积到台板16上以使用基于层的添加技术构建3D模型M和支撑结构26。支撑结构22 理想地被沉积以为多层3D模型M的突出区域提供沿ζ轴的垂直支撑。这允许3D物体M 由各种几何结构构建而成。在构建操作完成之后，可以从构建室14移除产生的3D模型M/ 支撑结构26，并且可以从3D模型M移除支撑结构26。
混合器12包括壳体38，所述壳体相应地包括被构造成容纳多个原材料(例如， 容纳在盒子42a-42c中的)的多个容纳隔室(例如，隔室40a-40c)。原材料可以以各种不同介质被提供给混合器12。例如，原材料可以作为从卷轴组件和/或容器供给的连续丝束而被提供。用于提供连续丝束原材料的适当的卷轴组件包括Dahlin等人的美国专利第 6，022，207号和Taatjes等人的美国专利申请出版物第2010/0096489号中所公开的组件。 用于提供连续丝束原材料的适当的容器(例如，盒子和筒)包括Swanson等人的美国专利第6，923，634号、Comb等人的美国专利第7，122，246号和Taatjes等人的美国专利申请出版物第2010/0096485号中所公开的容器。如下所述，在第二控制器(例如，计算机操作的控制器，称为混合器控制器44)的控制下，混合器12可以混合适当量的原材料以形成显示期望的自定义特征(例如，期望的光学特征和/或期望的组分特征)的建模材料。另外，提供给系统10的建模材料理想地显示在用于系统10的尺寸规范内的尺寸。如这里所使用的，相对于消耗材料的尺寸，措词“在用于数字制造系统的尺寸规范内”等表示基本上满足在相应的数字制造系统中用消耗材料构建3D模型的尺寸公差规范的尺寸。诸如由Mratasys，Inc.，Eden Prairie, MN研制的熔融沉积建模系统的数字制造系统典型地要求建模材料满足由于通过基于层添加技术构建3D模型所需的精度的精密的尺寸公差。因此，除了混合适当量的原材料以获得期望的光学特征和组分特征之外，混合器 12还理想地提供每一种原材料的适当量，使得产生的建模材料具有可被系统10使用的尺寸。此外，在图1中所示的实施例中，混合器12可以被固定到系统10以在构建操作期间用作建模材料的供应源。在该实施例中，混合器12可以以连续方式操作以将自定义建模材料供应给系统10，同时系统10沉积建模材料以构建3D模型24。系统10与混合器12之间的接合还理想地提供用于减少将形成的建模材料暴露到潮湿空气的防潮物。在一些实施例中，混合器12可以与系统10可移除地接合，以允许系统10在不使用混合器12的情况下被操作(例如，通过标准建模材料)。在可选的实施例中，混合器12可以作为形成用于随后在系统10中使用的建模材料的独立系统被操作。如上所述，混合器12与系统10的组合允许用户构建具有期望自定义特征的3D模型(例如，3D模型M)，同时还减少制造所需的不同原材料的数量。这允许制造有限数量的原材料用于混合系统(例如，混合器12)，其中原材料中的每一种都可以显示唯一一组材料特征，例如不同的光学特征和/或不同的组分特征。对于各种用途，原材料可以显示不同的基色分量、不同水平的透明度和/或半透明度、不同水平的光泽度和/或反射度、不同的化学改性剂及其组合。混合器12然后可以使用两种或更多种原材料以根据原材料的光学特征和组分特征获得具有大量自定义特征的建模材料。图2是混合器12的放大图，其中在所示的实施例中，原材料以细丝形式被提供给混合器12。细丝是用于将原材料供给到混合器12以及如果不需要混合则可直接用作系统10中的建模材料的适当的介质。如图所示，混合器12还包括多个导管(例如，导管 46a-46c)、多个驱动机构(例如，驱动机构48a-48c)、挤出部件50、收集板52、以及卷绕轴 M，所述部件中的每一个都位于壳体38的内部区域(称为内部区域56)内。导管46a_46c将来自盒子42a_42c的原材料的细丝分别引导到驱动机构48a-48c。驱动机构48a-48c通过通信线路58与混合器控制器44通信，从而允许混合器控制器44独立控制驱动机构48a-48c中的每一个的操作。如上所述，这允许适当量的每一种原材料以彼此可以无关的速率被选择性地供给到挤出部件50。挤出部件50被构造成熔融并混合接收到的原材料，并在可挤出状态下挤出最终的混合材料作为建模材料细丝60。如图2所示， 当离开挤出部件50时，细丝60可以固化并卷绕到卷绕轴M，在所述卷绕轴上，所述细丝可以被收集和/或通过壳体38中的出口 62输送到系统10(图1中所示)。在混合器12的启动期间，用户可以将期望的自定义特征(一个或多个)(例如，光学特征和/或组分特征)输入到混合器12中(例如，通过混合器控制器44)，并分别将适当的原材料(例如，盒子42a-42c)装载到隔室40a-40c。适当量的每一种原材料然后被供给挤出部件50、熔融并混合，作为细丝60朝向收集板52向下被挤出。在到达稳态流之前， 细丝60可以显示尺寸变化(例如，细丝直径的变化)。因此，细丝60的初始部分可以被收集在收集板52上。当达到稳态流时，细丝60的初始部分可以从细丝60的其余部分被切割掉，并回收所述初始部分或丢弃所述初始部分。当细丝60持续从挤出部件50被挤出时，细丝60的其余部分可以作为建模材料绕卷绕轴M缠绕和通过出口 62被输送到系统10。细丝60在挤出部件50与卷绕轴M之间的长度理想地足够大以允许细丝60在到达卷绕轴M之前基本上或整体上被固化，同时还期望其余的细丝在挤出材料的弹性应变范围以下(例如，大约0.2%的应变)。细丝60固化时间取决于多种因素，例如，内部区域56的温度、细丝60的温度和细丝60的挤出速率。例如，在具有大约25°C的温度的内部区域56中，具有大约1.8毫米(大约70密耳)的直径并由热塑性塑料原材料(例如，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS))形成的细丝需要不小于大约八分钟的时间来固化。因此，细丝 60的环理想地提供适当的长度以允许在内部区域56内停留至少大约八分钟，并且更理想地提留至少大约十五分钟。来自挤出部件50的细丝60的适当的稳态挤出速率可以变化，并且理想地与系统 10中的建模材料消耗速率相匹配。来自挤出部件50的细丝60的适当稳态挤出速率的示例在从大约1. 3毫米/秒(大约0. 05英寸/秒)到大约50毫米/秒(大约2. 0英寸/秒) 的范围内，且特别适当的速率为从大约2. 5毫米/秒(大约0. 1英寸/秒)到大约25毫米 /秒(大约ι. O英寸/秒)，并且更加适当的速率为从大约2. 5毫米/秒(大约0. 1英寸/ 秒)到大约13毫米/秒(大约0. 5英寸/秒)。内部区域56理想地保持处于低湿度水平，以减少吸收到细丝60中的水。因此，混合器12可以包括在内部区域56中的干燥剂包(未示出)，和/或可以将干燥空气吹送通过内部区域56以保持干燥环境。这与通常会排出水的挤出部件50内的挤出过程相结合允许最终的细丝60保持低含水量(例如，小于大约每百万分之700重量比)。此外，系统10与混合器12在出口 62处的接合部可以包括防潮物，如上所述。在冷却时，细丝60理想地显示在用于系统10的尺寸规范内的尺寸。在系统10为诸如由Mratasys，Inc. , Eden I^rairie，MN研制的熔融沉积建模系统的基于挤出的数字制造系统的实施例中，细丝60适当的平均直径在大约1.3毫米(大约50密耳)到大约3毫米(大约120密耳)的范围内，且尤其适当的平均直径在大约1.5毫米(大约60密耳)到大约2.0毫米(大约80密耳)的范围内，且更加适当的平均直径在大约1.6毫米(大约65 密耳)到大约1.9毫米(大约75密耳)的范围内。
另外，细丝60理想地显示在细丝60的长度上的受限制的尺寸变化。适当的直径变化的示例包括大约12微米(大约0. 5密耳)或更小的平方根变化，且尤其适当的示例包括大约8微米(大约0.3密耳)或更小的平方根变化。此外，沿着细丝60的长度的适当峰-峰值变化包括大约250微米(大约10密耳)或更小的变化，且尤其适当的包括大约 150微米(大约6密耳)或更小的变化。如这里所使用的，根据具有30. 5米(100英尺)长度的细丝段测量平方根变化和峰-峰值变化。混合器12还可以包括用于有助于获得在用于系统10的尺寸规范内的细丝的尺寸的另外的部件。适当的另外部件包括Comb等人的美国专利第6，866，807号和第7，122，246号中所公开的部件。在一些实施例中，原材料还可以显示在用于系统10的尺寸规范内的尺寸。在这些实施例中，系统10可以直接使用给定原材料以构建具有给定原材料的期望特征的3D模型。 原材料的适当尺寸的示例包括平均直径、直径变化，并且用于原材料中的每一种的峰-峰变化包括用于细丝60的如上所述的变化。因此，细丝60可以由具有与细丝60基本上相同尺寸的原材料挤出，同时根据原材料的特征(例如，光学特征和组分特征)获得细丝60的自定义特征。在其中细丝显示非圆柱形几何体的可选实施例中，适当的非圆柱形细丝的示例包括Batchelder等人的美国专利申请第12/612，333号中所公开的细丝。在这些实施例中，非圆柱形细丝理想地显示在相应系统的诸如Batchelder等人的美国专利申请第12/612，329 号中所公开的尺寸规范内的尺寸。图3是与导管46a_46c和驱动机构48a-48c —起使用的示例性挤出部件50的放大示意图。如图所示，导管46a-46c理想地被布置成将原材料的细丝引导到驱动机构 48a-48c。驱动机构48a-48c每一个都包括一对轮，所述一对轮被构造成与原材料中的一种的细丝接合，从而允许原材料独立于彼此而被供给。对于驱动机构48a-48c中的每一个的适当驱动机构的示例包括Swanson等人的美国专利第7，169，337号、LaBossiere等人的美国专利第7，384，255号和LaBossiere等人的美国专利申请出版物第2007/0228590号中所公开的驱动机构。所述一对轮由基块64可旋转地支撑，并且所述轮对中的至少一个理想地在混合器控制器44 (图1和图2中所示)的控制下由电动机驱动以选择性地将原材料的连续部分供给挤出部件50。挤出部件50包括导向总管66和液化器68，其中导向总管包括用于将接收到的细丝从驱动机构48a-48c弓|导到液化器68的多个通道(例如，通道70a-70c)。多个入口管(例如，入口管72a-72c)还可以用于有助于将细丝从驱动机构48a-48c引导到通道70a-70c中。要注意的是虽然上述混合器12的示例说明了使用三种原材料，但是混合器12可以被制备成与任意数量的不同原材料一起使用。用于与混合器12 —起使用的不同原材料的适当数量包括至少两种，且具体地为从两种到二十种的范围内的适当数量，并且更加具体地在从三种到十种的范围内的适当数量。例如，对于光学特征，不同的原材料可以基于红-绿-蓝(RGB)色彩成分、青色-品红-黄色黑色(黑色)(CMYK)色彩成分、青色-品红-黄色黑色(黑色)_橙色-绿色(CMYKOG)色彩成分、纽介堡基色、透明度和半透明度变化、光泽度和反射度变化等。相应地，对于组分特征，不同的原材料可以包括提供期望的组分特征的添加剂。
对于所使用的每一种不同的原材料，混合器12理想地包括用于容纳原材料的至少一个相应的隔室(例如，隔室40a)、至少一个导向管(例如，导向管46a)、至少一个驱动机构(例如，驱动机构48a)和在导向总管中的至少一个通道(例如，通道70a)。另外，在一些实施例中，混合器12可以包括用于每一种原材料的两个隔室，从而允许给定原材料的供应源(例如，盒子42a)可互换地使用。这允许当给定盒子用完原材料时保持连续处理。液化器68包括安装凸缘74、液化器壳体76、热块78、搅拌器80和挤出末端82。安装凸缘74是液化器68的可固定到导向总管66 (例如，通过螺栓84)的一部分，并且邻近液化器壳体76的入口端被固定。液化器壳体76是将热能传导给接收到的原材料从而(至少部分地)熔融该原材料的传导管(例如，金属管)。热块78是绕液化器壳体76延伸以将热能传导给液化器壳体76从而提供沿液化器壳体76的纵向长度的热剖面的热量产生部件。 如下所述，热块78可以从液化器壳体76移除以允许热块78可互换地固定到多个液化器壳体76。例如，热块78可以绕液化器壳体76被夹紧或可滑动到液化器壳体76上。搅拌器80是位于液化器壳体76内用于混合熔融的原材料的混合部件。如图所示， 搅拌器80理想地至少部分地沿着液化器壳体76的纵向长度延伸，并且可以是有源混合器 (例如，粘性泵和成对螺旋挤出机))或无源混合器(例如，双螺旋打捞器装置)。具有双螺旋打捞器装置的适当的无源混合器的示例包括Wheatcraft等人的美国专利申请出版物第 2007/0289996号中所公开的装置，其中部件理想地由能够承受液化器壳体76的高温的材料制造而成。挤出末端82固定到液化器壳体76的输出端，并理想地具有允许细丝60 (图 2中所示)在冷却时显示在用于系统10(图1中所示)的尺寸规范的尺寸。在其中细丝为非圆柱形细丝的可选实施例中，挤出末端82可以显示用于挤出具有期望的非圆柱形几何形状的细丝的适当的尺寸。在混合操作期间，热块78将液化器壳体76加热到期望的温度以熔融原材料。驱动机构48a-48c选择性地将原材料的细丝的连续部分分别供给到通道70a-70c中。因此， 细丝被供给到通道70a-70c中的速率基于来自混合器控制器44的指令而彼此无关。细丝离开通道70a-70c进入到液化器壳体76的被定位成邻近于液化器壳体76的入口端的热转化区域(称为区域86)。液化器壳体76的升高温度以传导的方式加热接收到的细丝，从而将原材料熔融到可混合和可挤出的状态。原材料细丝的未熔融部分用作迫使熔融部分进入到搅拌器80中的活塞。当熔融的材料移动通过搅拌器80时，所述材料被剪切并合拢(或折叠)，从而将所述材料混合成大致均质状态。具体地，所述材料理想地混合直到产生的混合物凭肉眼基本上为均质为止，即使当3D模型M (图1中所示)被后处理(例如，被磨砂、被攻螺纹、机械加工、蒸汽平滑、介质喷砂等)。混合物然后作为细丝60在可挤出状态下离开挤出末端82， 如上所述。当冷却和固化时，均质混合物为细丝60提供基于混合原材料的特征(例如，光学特征和组分特征)的期望的自定义特征。当混合操作完成时或当用户另外希望改变细丝60的期望的自定义特征时，混合器控制器44可以直接驱动机构48a-48c，从而独立于彼此以新速率(不同于先前的速率) 供给原材料，以形成显示新的期望的自定义特征。可选地，如果新的期望的自定义特征通过现有的原材料不能达到，则用户可以移除当前的原材料并将适当的原材料供给到挤出部件 50。在任一情况下，新的原材料最终从液化器68清除先前的材料，从而允许产生的细丝60显示新期望的自定义特征。在可选的实施例中，在完成混合操作完成之后，可以从导向总管66移除液化器 68，并且用干净的液化器68替换该液化器68。该实施例的益处在于减少另外需要从液化器68 (具体地在搅拌器80的区域中)清除先前的材料的转换时间。因此，热块68可以从液化器壳体78移除，并且液化器68的其余部分可以从导向总管66拆卸。干净的液化器68 然后可以固定到导向总管66(例如，通过螺栓84)，热块78可以绕干净的液化器壳体78固定，并且可以驱动新的混合操作，如上所述。先前的液化器68然后可以随后被重新使用形成具有先前自定义的特征的细丝60，或者被清洁以便随后使用。在各种实施例中，混合器12可以以自动方式和/或手动地操作。例如，在自动操作中，混合器控制器44可以包括用于形成具有各种不同自定义特征的消耗材料的预编程操作指令，其中所述指令可以存储在一个或多个计算机存储介质上。在该实施例中，用户可以输入一个或多个期望的自定义特征并将适当的原材料装载到隔室40a-40c中。混合器控制器44然后可以基于操作指令确定将原材料供给到挤出部件50的速率。例如，如果用户期望细丝60具有绿色颜色，则具有蓝色和黄色颜色的原材料可以被供应给隔室40a和40b，如上所述。用户然后可以将具体的绿色色调输入给混合器12和 /或混合器控制器44 (或其它基于计算机的系统)。混合器控制器44然后可以根据操作指令控制驱动机构48a和48b以在预定速率下从隔室40a和40b供给原材料，从而使细丝60 获得期望的绿色色调。对于纯绿色色调，驱动机构48a和48b可以以大致相同的速率供给相应的供给原材料(在其中原材料具有大致相同的横截面面积的实施例中)。可选地，如果对于细丝60 用户期望浅绿色/青色，则混合器控制器44可以控制驱动机构48a以在大于由驱动机构 48b进行的黄色原材料的供给速率的速率下供给蓝色原材料。在另一个示例中，如果用户期望细丝60具有具体的组分特征，例如，由原材料中的任一种都不能获得的特定流变性，则用户可以将适当的原材料装载到隔室40a和40b (并且在一些情况下装载到隔室40c)。用户然后可以将具体的流变性输入给混合器12和/或混合器控制器44 (或其它基于计算机的系统)。混合器控制器44然后可以根据操作指令控制两个或更多个驱动机构48a-48c以独立并且预定的速率从隔室40a-40c供给原材料，从而使细丝60获得期望的流变性。在又一个示例中，如果用户期望细丝60具有具体的光学特征和具体的组分特征， 例如，由原材料中的任一种都不能获得的特定绿色色调和特定流变性，则用户可以将适当的原材料装载到隔室40a和40b和/或40c。用户然后可以将特定的光学特征和组分特征输入给混合器12和/或混合器控制器44 (或其它基于计算机的系统)。混合器控制器44 然后可以根据操作指令控制两个或更多个驱动机构48a-48c以独立并且预定的速率从隔室40a-40c供给原材料，从而使细丝60获得期望的绿色色调和期望的流变性。因此，混合器12可以用于以自动方式形成具有各种不同自定义特征的细丝。可选地，用户可以手动地输入一个或多个驱动机构48a-48c的独立驱动速率。例如，用户可以依靠用于混合器12的外部参考(例如，图表)，所述外部参考指示用户手动地选择独立驱动速率以获得具有期望自定义特征的细丝60。图4是卷绕轴M的可选装置的示意图，其中该装置考虑了系统10(图1中所示)
11在用于构件3D模型M (图1中所示)的构建操作期间消耗建模材料的速率的变化。如上所述，细丝60的稳态挤出速率理想地与系统10中的建模材料消耗速率相匹配。然而，系统 10中的消耗速率可以在构建操作期间变化。为了补偿这些消耗速率变化，混合器12还可以包括浮动轴滑轮88和固定轴滑轮90，其中浮动轴滑轮88被构造成沿着壳体38的轨道(称为轨道92)垂直移动。在离开卷绕轴M时，细丝60在通过出口 62(图2中所示)离开混合器12之前缠绕在浮动轴滑轮88下方并缠绕在固定轴滑轮90上。浮动轴滑轮88是当系统10对细丝60的消耗速率低于在混合器12中形成细丝的速率时沿着轨道92向下(由箭头94表示)下降的配重滚轮。这增加细丝60在混合器12 内的供应，直到系统10的消耗速率增加为止。当系统10对细丝60的消耗速率大于在混合器12中形成细丝60的速率时，浮动轴滑轮88然后沿着轨道92向上(由箭头96表示)升起。该装置改变细丝60在壳体38中的长度，并用作用于补偿当混合器12在稳态挤出速率下持续形成细丝60时系统10的消耗速率变化的缓冲器。在另外可选的实施例中，混合器 12还可以包括用于提供更多缓冲水平的另外多个浮动轴滑轮和固定轴滑轮。图5是混合器112的放大图，其中该混合器112替代混合器12(图1_3中所示)， 其中相应的附图标记增加“100”。如图所示，混合器112还包括传感器197和通讯线路198， 其中传感器197理想地是被构造成当细丝160从混合器部件150挤出时检测细丝160的光学特征、组分特征和/或尺寸特征的光学和/或接触传感器。关于细丝160的光学特征、组分特征和/或尺寸特征的信息可以通过通讯线路198被传送给混合器控制器144。该实施例的益处在于提供细丝160的光学特征、组分特征和/或尺寸特征的实时检测，从而允许混合器控制器144根据过程控制回路改变一个或多个驱动机构148a-148c的驱动率。图6是混合器212的放大图，该混合器212是混合器12 (图1_3中所示)的另一个替换物，其中相应的附图标记增加“200”。如图所示，混合器212适于在熔模铸造过程中使用，其中细丝260被沉积到模具300中以在模具300的内部空腔(称为内部空腔304)中形成期望的模型302。这提供具有基于内部空腔304的几何形状的尺寸和基于原材料的特征的自定义特征的期望的模型302。在该实施例中，内部区域256理想地被加热并保持处于在细丝260的混合建模材料的固化温度以上的一个或多个温度。这允许建模材料在固化之前大致填充内部空腔304，并降低在内部空腔304内固化时使模型302机械失真(例如，卷曲)的风险。模具300可以使用各种模制技术并使用能够承受内部区域256的升温的各种材料制造而成。在一个实施例中，模具300是在数字制造系统(例如，系统10)中制造的3D模型和/或支撑结构。用于这种熔模铸造过程的适当的技术包括Crump等人的美国专利第 7，125，512号、Priedeman，Jr.等人的美国专利第7，255，821号和Zinniel等人的美国专利第7，236，166号和第7，502，023号中公开的技术。该过程允许3D模型(例如，模型302) 基于不同的CAD模型，同时通过用细丝沈0的建模材料松散填充(bulk filling)模具300 的内部空腔而减少了整体构建时间。因此，在该实施例中，模具300可以通过高温建模材料(例如，聚碳酸酯和聚苯磺酸(polyphenyl sulfones))以逐层方式构建而成。一旦制造而成，模具300可以经受一个或多个后处理操作(例如，支撑结构移除和蒸汽平滑(vapor smoothing))。当准备好时，模具300可以在内部区域256中放置在位于挤出部件250下方的平台306上，内部区域256然后可以被加热到期望的温度。在一个实施例中，还可以在内部区域256中抽真空以降低在内部空腔304内产生气穴的风险。原材料然后可以被供给到挤出部件250，所述原材料在所述挤出部件中被熔融和混合，并作为细丝260被挤出到内部空腔304中。在该实施例中，细丝260可以显示基本上大于细丝60和160(图2和图5中所示)的尺寸，从而允许内部空腔304以大于细丝60和 160的挤出速率的速率被松散填充。用于细丝260从挤出部件250的适当的稳态挤出速率在从大约2.5毫米/秒(大约0.1英寸/秒)到大约510毫米/秒(大约20.0英寸/秒) 的范围内，且尤其适当的为从大约13毫米/秒(大约0. 5英寸/秒)到大约250毫米/秒 (大约10英寸/秒)的范围内的速率，且更适当的为从大约13毫米/秒(大约0. 5英寸/ 秒)到大约130毫米/秒(大约5. 0英寸/秒)的范围内的速率。细丝沈0的挤出速率相对于模具300理想地保持低注射压力(例如，小于大约50 磅/英寸2)以减少在填充过程期间破坏模具300的风险。在内部空腔304被填充有细丝 260的建模材料之后，内部区域256的温度可以缓慢降低以固化模型302。在固化时，可以从模型302移除模具300，从而提供基于预定CAD模型并具有基于原材料的光学特征和组分特征的光学特征和组分特征的期望的3D模型302。用于在混合器12、112和212中使用上述原材料可以由任意适当材料被挤出成细丝形式。用于原材料的适当材料的示例包括热塑性材料，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯 (ABS)共聚物、聚碳酸酯、聚苯磺酸及其修改变形物(例如，ABS-M30共聚物)及其混合物。 原材料还可以包括一个或多个光学特征添加剂、一个或多个组分特征添加剂及其组合。适当的光学特征添加剂包括染料、颜料、结晶色料(crystalline colorant)(例如，光子多晶体(photonic polycrystal))、消光剂、遮光剂及其组合，其中原材料中的光学特征添加剂的适当浓度可以基于要获得的具体的光学特征而变化。原材料中的光学特征附加物的适当的浓度的示例在从大约0.01% (按重量计算)到大约10% (按重量计算)的范围内，且尤其适当的为从大约(按重量计算)到大约5%(按重量计算)的范围内的浓度。适当的组分特征附加物的示例包括表面活性剂、流变性改性剂、导电材料、增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、增粘剂及其组合。原材料中的组分特征附加物的适当的浓度可以基于要获得的具体的组分特征而变化。用于在涂覆组分中使用的适当的表面活性剂包括非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂、有机硅化合物、氟碳表面活性剂及其组合。原材料中的表面活性剂的适当浓度的示例在从大约0.01%重量比到大约5%重量比的范围内，且尤其适当的为在从大约重量比到大约2%重量比的范围内的浓度。用于涂料组分的适当的流变性改性剂包括触变性材料(thixiotropic material)、填充剂和增稠剂，例如石英、碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、炭黑、滑石、硅灰石、云母、 矾土、硅石、高岭土、金刚砂、二氧化硅及其组合。原材料中的流变性改性剂的适当的浓度的示例在从大约0. 重量比到大约10%重量比的范围内，且尤其适当的为从大约重量比到大约5%重量比的范围内的浓度。适当的导电材料包括石墨、纳米管、导电金属(例如，银)及其组合。原材料中的导电材料的适当浓度的示例在从大约0. 重量比到大约5%重量比的范围内，且尤其适当的为从大约重量比到大约3%重量比的范围内的适当浓度。适当的增塑剂包括临苯二甲酸二烷基酯(dialkyl phthalate)、环烷酞酸盐(cycloalkyl phthalate)、苯甲基酞酸盐(benzyl phosphate)、芳基酞酸盐(aryl phthalate)、烷氧基酞酸盐(alkoxy phthalate)、烷基 / 磷酸芳基酯(alkyl/aryl phosphate)(例如，憐酸三苯酉旨(thriphenyl phosphate))、幾酸酉旨(carboxylic acid ester)、聚乙二醇酉旨(polyglycol ester)、己二酸酉旨(adipate ester)、梓樣酸酉旨(citrate ester)、甘油酯(ester of glycerin)及其组合。原材料中的导电材料的适当的浓度在从大约0. 重量比到大约30%重量比的范围内，且尤其适当的为在从大约2%重量比到大约10%重量比的范围内的浓度。上述混合系统和原材料提供构件具有自定义特征(例如，光学特征和/或组分特征)的3D模型的适当的解决方案。这允许能够从相对较小数量的不同原材料获得多种自定义特征，从而降低预制造不同原材料所需的成本并扩大可以通过数字制造系统获得的美感和功能质量的领域。虽然已经参照优选实施例说明了本公开，但是本领域的技术人员将认识到在不背离本公开的精神和保护范围的情况下可以进行形式和详细上的变化。
权利要求
1.一种用于形成自定义消耗材料的混合系统，所述混合系统包括控制器，所述控制器被构造成能够操作地接收与一个或多个用户选择的材料特征有关的用户输入；多个驱动机构，所述多个驱动机构被构造成能够操作地与所述控制器通信，并且进一步被构造成以独立供给速率供给多种原材料，所述供给速率至少部分地基于所述用户输入被确定；和挤出部件，所述挤出部件被构造成接收供给的所述多种原材料，并且进一步被构造成至少部分地熔融并混合接收到的所述原材料以使所述自定义消耗材料在能够挤出状态下被提供，其中在固化时，所述自定义消耗材料显示所述一个或多个用户选择的材料特征。
2.根据权利要求1所述的混合系统，其中，所述自定义消耗材料包括基于所述多种原材料的光学特征的至少一个光学特征；和基于所述多种原材料的组分特征的至少一个组分特征。
3.根据权利要求1所述的混合系统，其中，所述挤出部件包括具有搅拌部件的液化器；和导向总管，所述导向总管被构造成将所述多种原材料从所述多个驱动机构引导到所述液化器。
4.根据权利要求2所述的混合系统，其中，所述液化器能够移除地固定到所述导向总管。
5.根据权利要求1所述的混合系统，其中，在固化时，所述消耗材料也显示在用于数字制造系统的尺寸规范内的尺寸。
6.根据权利要求5所述的混合系统，其中，所述消耗材料的尺寸限定具有在从大约1.3 毫米到大约2. 5毫米的范围内的平均直径的细丝。
7.根据权利要求1所述的混合系统，进一步包括能够固定到数字制造系统的壳体。
8.根据权利要求1所述的混合系统，进一步包括限定内部区域的壳体，其中所述内部区域的至少一部分被构造成保持处于一个或多个升高温度。
9.一种用于形成自定义消耗材料细丝的方法，所述方法包括以下步骤接收多种原材料细丝，其中所述原材料细丝中的至少一个具有在用于数字制造系统的尺寸规范内的平均尺寸；接收与一个或多个用户选择的材料特征有关的用户输入；至少部分地根据所述用户输入为所述原材料细丝中的至少两种原材料确定独立的供给速率；根据确定的所述独立供给速率将所述至少两种原材料细丝供给到挤出部件；在所述挤出部件中至少部分地熔融和混合供给的所述原材料细丝；以及挤出混合材料以提供所述自定义消耗材料细丝，其中在固化时，所述自定义消耗材料细丝显示所述一个或多个用户选择的材料特征和在用于所述数字制造系统的尺寸规范内的平均尺寸。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多种原材料细丝中的每一种都具有每一个都在用于所述数字制造系统的尺寸规范内的平均尺寸。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述自定义消耗材料包括基于所述多种原材料细丝的光学特征的至少一个光学特征；和基于所述多种原材料细丝的组分特征的至少一个组分特征。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一种原材料细丝的平均尺寸包括在从大约1. 3毫米到大约2. 5毫米的范围内的平均直径。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述挤出部件包括 具有搅拌部件的液化器；和导向总管，所述导向总管被构造成将所述多种原材料从所述多个驱动机构引导到所述液化器。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤 从所述导向总管移除所述液化器。
15.一种用于形成消耗材料的方法，所述方法包括以下步骤 在挤出部件中至少部分地熔融多种原材料；在所述挤出部件中混合至少部分熔融的材料； 从所述挤出部件挤出混合材料作为消耗材料； 固化挤出的消耗材料；以及以独立速率将所述多种原材料供给到所述挤出部件，从而为固化的消耗材料提供基于所述多种原材料的光学特征的至少一种光学特征和为所述固化的消耗材料提供基于所述多种原材料的组分特征的至少一种组分特征。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤将固化的消耗材料输送到所述数字制造系统，同时连续挤出所述消耗材料的多个部分。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述消耗材料被挤出到通过数字制造系统制造的模具的内部空腔中。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤 将所述模具放置在壳体的内部区域中；以及将所述内部区域加热到一个或多个升高温度。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，固化的所述消耗材料的尺寸限定具有在从大约1. 3毫米到大约2. 5毫米的范围内的平均直径的细丝。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述多种原材料中的每一种限定具有在从大约1. 3毫米到大约2. 5毫米的范围内的平均直径的细丝。
全文摘要
本发明公开了一种用于形成自定义消耗材料(60，160，260)的混合系统(12，112，212)，所述混合系统包括被构造成以独立速率供给原材料的多个驱动机构(48a-48c，148a-148c，248a-248c)和挤出部件(50，150，250)，所述挤出部件被构造成接收供给的原材料，以及进一步被构造成至少部分地熔融和混合接收到的原材料以使消耗材料(60，160，260)在可挤出状态下被提供。在固化时，消耗材料(60，160，260)包括基于原材料的特征的自定义特征。
文档编号D01D5/28GK102596543SQ201080028149
公开日2012年7月18日 申请日期2010年6月22日 优先权日2009年6月23日
发明者J·塞缪尔·巴彻尔德, 罗伯特·L·津内尔 申请人:斯特拉塔西斯公司