专利名称：三维打印机的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维打印机，例如适于用作快速原型设计装置的三维打印机，其中三维模型通过多层的连续沉积来建立。
背景技术：
当前，有很多不同的技术用于使用添加制造技术建立物理三维模型，例如逐层建立模型。典型地，例如通过计算机辅助设计(CAD)软件或类似物呈现的三维模型的虚拟设计被转化成连续建立于彼此之上的多个薄的(类似ニ维的)横截面层。存在可形成横截面层的一些已知方法。例如，已知比如通过在子区域上引入激光束来烧结原材料沉积区域的所选择的子区域。此布置公开在W02004/056512中。另ー示例包括ニ维热源或光源的使用，ニ维热源或光源被布置以通过遮住区域使其不被熔化来同时熔化或固化所有的所选择的子区域。此布置公开在US 2002/0149137中。其他技术可包括挤出或以其他方式沉积已经成横截面层的适当形状的原材料 (green material)(例如，通过參照由虚拟设计数据建立的x-y-z-表)。沉积材料然后可以自然地硬化或者被固化(例如通过强大的光源)以形成需要的横截面层。在又一示例中，每个需要的横截面层可被从片材材料切下，其中模型通过将切断层粘合在一起来建立。US 2005/208168公开了ー种技木，其中需要的横截面形成于加热滚筒的表面上且随后从滚筒转移到之前的沉积层上并与其熔化在一起。发明概述最一般地，本发明的第一方面建议将热敏头(thermal head)用作可选择地热处理原材料的连续层以产生形成三维模型的多个横截面层的装置。本文中“原材料”意思是能够流动或者被挤成随后能够通过热处理被有选择地固化的层的任何材料。例如，原材料可以是可流动介质，例如粉末或类似物，或者是可挤出的介质，例如未烧结的陶瓷、浆料或类似物。通过热处理的固化被布置以凝固热处理区域的形状，例如通过熔化、烧结、固化或硬化中的任ー种。这里“固化”可指作化学硬化、热硬化和蒸发硬化中的任ー种或多种。术语“热处理”因此指作熔化、烧结、固化或硬化中的任ー种或多种。在本公开中，术语“热敏头”可一般地用于表示具有被布置以从其发出热能的多个可选择性驱动的加热元件的设备。热敏头可具有被布置例如通过扫过其上以接触区域的热发出区域，例如边缘或表面。该区域的可选择子区域可通过在热发出区域扫过该区域时适当地驱动和停用加热元件而被加热。热敏头的一些示例在热打印机领域中是已知的，其中打印的图像能够通过选择地加热热致变色纸而形成。本发明可使此技术适用于三维打印机中。根据本发明的第一方面，可提供用于通过多个横截面层的连续沉积建立三维模型的打印机，该打印机包括材料床(material bed)；层沉积机构，其用于将可流动原材料的层沉积在材料床上；和热敏头，其在沉积层上相对于材料床可移动，其中热敏头包括可选择
5驱动的加热元件的阵列，可选择驱动的加热元件的阵列被布置以通过传导传送热能，用于热处理沉积层中的原材料的可选择区域。打印机可根据如下方法操作，该方法包括以下步骤(i)在材料床上布置一薄层可流动材料；(ii)通过借助于热敏头选择性地施加热(且不影响层的需要区域之外的部分)来热处理层的需要区域以形成模型的横截面层；(iii)在之前层的顶部上布置相继的层；(iv)热处理此相继的层的需要区域以形成下一个横截面层；(V)重复步骤(iii)到 (iv)直到三维模型建立；以及(vi)从材料床去除未处理的原材料以留下需要的三维形状。 热处理步骤(iv)可包括将相继的层的需要区域固定(例如，熔化)到之前层的热处理区域。本文中“可流动”可包括成粉末的材料、液体和可挤出材料，例如浆料或类似物。成粉末的材料可以是优选的。可因而相对于材料床移动热敏头以将其引入与沉积层热连通。可选择驱动的加热元件的阵列可包括加热元件例如加热电阻或类似物的布置(例如型式)，使用中加热元件的布置扫过沉积层的上方，扫出的区域为其中热处理能够发生的活动区域。该布置可包括一排或多排(例如一直排或多个直排)加热元件，或其中邻近的加热元件在打印方向上彼此偏移的加热元件型式。活动区域中沉积层上的每一点可以通过坐标(n，t)唯一地定位， 其中η是用于加热元件的识别符号且t是扫过操作期间的时间。原材料的可选择区域可以使用这些坐标来呈现，例如由取自虚拟设计数据的横截面数据转化，其可以通过转化自CAD 模型的STL、IGES、STEP文件或类似物来呈现。用于识别相继的横截面区域并向各个加热元件提供适当引导的方法和软件分别对应于传统三维打印和直接热打印中已知的等同方法， 并且因而在本文中没有详细讨论。每层可位于材料床上的平面上。热敏头和材料床可以在正交于每个沉积层的平面的方向上相对于彼此可移动。在一种实施方式中，材料床可在热敏头每次通过之后降低预定的距离。这可允许设备适应更大数量的层。热敏头可以是用于在平坦介质上打印的常规的“斜角式”、“边沿式”或“近边”的类型。打印机可包括用于在固定路径上相对于材料床移动热敏头的移动机构(例如DC 马达，比如步进马达、伺服马达或类似物)。可选择驱动的加热元件的阵列可以在材料床的平面上以直线延伸，即相对于固定路径的方向成角度(例如垂直于)，从而随着热敏头在固定路径上移动，加热元件扫出一定的区域。加热元件可位于垂直于固定路径的直线上。固定路径可以是线性的，例如沿着平行于沉积层平面的材料床的纵向尺寸。加热元件的直线可延伸穿过材料床的全部宽度。在平面图中，材料床可以是长方形的，例如包含具有直立侧壁的长方形基底，其中的直立侧壁可具有变化的高度。每个沉积层可以是长方形的板状元件。如上所解释的，打印机被布置以连续地沉积多个横截面层。每个相继的横截面层可沉积在之前层的顶部上。除了转化(例如固化)原材料之外，热处理可用于将一层的热处理区域粘结到其在下层中接触的任何热处理材料。以此方式，当未处理的原材料被去除时，打印操作可确保三维模型的结构完整性。沉积层可通过与热敏头分离的机构来放置。然而，在一种实施方式中，用于沉积层的装置可以是随热敏头在材料床上可移动的，由此沉积和热处理的步骤能够在材料床上以单次经过而被进行。在此实施方式中，该装置可在热敏头于材料床上的路径上安装在热敏头的前方。用于沉积层的装置可包括用于放置具有基本一致厚度的可流动(例如，可变形) 材料的层的任何已知装置。例如，如果材料是可流动的粉末，该装置可包括用于在床上基本均勻分布原材料的铺展元件(例如成角度的刀片)。可提供压实元件(例如辊、冲压部件或逐渐变细的楔形元件)以压缩原材料。压缩原材料可促进充分的转化，例如通过改进横截面层的整个热传导性，并且可提供用于在建造中用于模型支撑的更好的力学稳定性。压实元件可合并到用于沉积层的装置中，或者可以是单独的设备，例如用于在层被沉积之后但在热敏头进行其通过之前进行压实。优选地， 压实元件包括被布置以在材料床上运行的逐渐变细的楔形元件。楔形元件可具有倾斜表面，倾斜表面被布置以在楔形元件运行的方向上逐步减小材料床和压实元件之间的间隔。本文描述的热处理被布置以引起原材料转化(例如转变)成凝固的固化状态。换句话说，热处理凝固了沉积层选择区域的形状。打印机可包括预加热器，预加热器被布置以在热敏头在沉积层上沿其路径移动之前预加热原材料。预加热器可与压实元件組合。预加热原材料可用于使其更接近其转化为凝固状态的温度。然后热敏头实现转化所需要的加热的量可因而被减小，这将加速整个过程。另外，由于来自预加热器的热可被引导至之前层中的热处理材料，材料床作为整体的温度可以被保持，这能减小或最小化由处理材料经受的热张力，从而减小处于建造中的模型的弯曲。因为类似的原因，打印机可包括后处理加热器，其可用于在热处理之后调整材料床的温度。控制材料床温度的概念可代表本发明的另一方面，其在以下讨论。在一种实施方式中，预加热器被布置以使得沉积层达到稍微低于转化温度例如转化温度以下5-10°C的温度。后处理加热器可被布置以使得热处理材料位于基本相同的温度。预加热器和/或后处理加热器可通过传导加热材料，即可包括用于接触暴露材料的覆盖物板。在热处理期间，在沉积层和热敏头上的加热元件之间存在相对移动。为了防止将打断建立过程并最终引起过度加热和热敏头失效的热处理材料粘结到加热元件，打印机可包括热敏头下方的保护性覆盖物(例如片材、涂层或类似物)。在热处理期间，保护性覆盖物(本文称为“保护性片材”)因而被布置在加热元件和沉积层之间。在热处理期间，保护性片材可与热敏头一起移动或者可相对于沉积层和热敏头两者移动。在优选实施方式中，保护性片材可从热敏头和沉积层的相对移动中以某种方式脱离接合，该方式为在热敏头的位置处随着热敏头相对于材料床移动，保护性片材相对于沉积层基本静止。在一种实施方式中，随着材料被压实的同吋，使得保护性片材与沉积层接触。例如，保护性片材可在如上所述的楔形元件的下方供应。预加热器可因而通过保护性片材接触沉积层。为了避免粘附到沉积材料，保护性片材优选地由呈现出良好非粘附性能的材料制成，例如PTFE(例如玻璃纤维增强的PTFE)、纯硅酮、浸渍硅酮的紙、聚酰亚胺或类似物。由于保护性片材用于从热敏头和预加热器两者转移热，ー薄层材料可用于有助于通过传导的热转移。优选地，保护性片材由具有良好热传导性的材料制成。用于通过热处理建立三维模型的打印机中保护性覆盖物的使用可以是本发明的另ー方面。根据此方面，可以提供用于通过连续沉积多个横截面层来建立三维模型的打印机，该打印机包括材料床；层沉积机构，其用于将原材料的层沉积在材料床上；热源，其被布置以产生用于热处理沉积层中的原材料的可选择区域的热能；保护性覆盖物，在热处理期间其设置在沉积层和热源之间，与可选择的区域接触；分离器，其用于在热处理之后将保护性覆盖物从可选择的区域分离；以及温度调整元件，其与沉积层热连通，以在热处理之后但在保护性覆盖物从可选择的区域分离之前控制沉积层的冷却。温度调整元件允许沉积层的冷却控制，以在最小化热处理层的弯曲方面优化分离过程。温度调整元件可合并到分离器自身中。例如，其可包括散热器或其温度可以独立地可控制，以提供适于冷却的穿过保护性片材的温度梯度。在本发明的此方面中，热源不需要限制于热敏头。例如，可以使用可移动的单个热源(例如激光)或热源的阵列或多个热源。保护性片材可以由热传导材料制成，该热传导材料能够从原材料和热处理(转化)材料中轻易地分离(即阻止与其粘结)。在一种实施方式中，保护性片材可以是一次性的。例如，保护性片材可以供应自位于装置一端处的辊。片材可通过关于材料床移动来更新自身，例如通过对于热敏头的每次通过移动小量(例如1-2_)而逐步更新，或者对于热敏头的每次通过完全更新。为有助于从片材去除热处理材料，建模软件可被布置以评定多个横截面层中的每一个可能的薄弱区域，并且在这些薄弱区域被识别的地方向横截面层增加用于在分离期间支撑这些区域的锚固元件。每个锚固元件可以是在锚固点连接到薄弱区域的热处理材料的离散区域。本文中离散区域可以表示锚固元件仅在锚固点连接到薄弱区域，即其不连接到三维模型的任何其他部分。薄弱区域可被识别为较小目标的第一层，例如在没有用于其附接到的下方层的地方。优选地，用于薄弱区域的锚固元件沿着热敏头在材料床上运行的方向定位在薄弱区域的前方。换句话说，锚固元件可以在薄弱区域前方从保护性片材分离。每个薄弱区域可具有与其连接的两个或多个锚固元件，例如沿着热敏头运行的方向定位在薄弱区域的前方和后方。锚固元件可被成形以具有与热敏头运行方向成角度的边缘。以此方式，保护性片材从横截面层分离的发生位置处的直线被防止沿着(即平行于)原材料和热处理材料之间的过渡线放置。此特征有助于分离。在三维模型完成且过量的原材料去除之后，锚固元件可以被折断(例如被拉断或切断)。锚固点可被布置以具有与模型的小接触面积，因此分离是容易的。打印机可包括用于在材料床上移动的接触部分。接触部分可包括沿着材料床上运行路径按顺序布置的层沉积装置、压实元件、预加热器、热敏头、分离器和后处理加热器中的一个或多个或所有的。接触部分可包括保护性片材，例如像一个回路，其包括在预加热器、压实元件和热敏头下方朝着分离器和后处理加热器(如果存在)运行的部分。然而，如上所述，保护性片材可以是单独构件。在这种情形下，接触部分可被布置以相对于保护性片材移动。接触部分可包括片材接收部分，例如辊或类似物，用于接收片材并将片材供应在预加热器和沉积层之间。片材接收部分可合并为层沉积装置的一部分。如上所述，接触部分还可包括分离器(本文也称为片材分离部分)。在一种实施方式中，当保护性片材被带入与沉积层接触时，其可被迫使离开平衡位置而进入张拉状态。片材分离部分可被布置以有助于突然回到现有接触部分上的平衡位置。例如，片材分离部分可包括接触部分内的尖锐后边缘和被布置以在尖锐边缘处将片材提升远离沉积层的引导元件(例如辊或类似物)。可使用其他的分离技木，例如在保护性片材和热处理层之间推动尖鋭边缘，或者施加进ー步的张カ以伸展保护性片材，或者向片材施加超声波信号。如上所述，分离之后，保护性片材可以在沉积材料和后处理加热器之间被引导。接触部分可包括冷却元件(例如散热器或类似物)，冷却元件沿着材料床上的运行路径位于热敏头之后。处理之后，冷却元件可因而在热处理区域上移动。冷却元件的目的是为了使热处理区域冷却，从而其固化有足够的结构完整性以通过分离器从保护性片材分离。为了防止不想要的弯曲，冷却速率不应该太快，因此冷却元件可以是具有独立可控温度的温度调整主体，其被布置以提供适于以需要速率冷却的跨越保护性片材的温度梯度。因而，例如，冷却元件可保持在低于预加热器和/或后处理加热器的温度预定数量度数的温度。例如，冷却元件可具有在稍微低于原材料熔点例如低于原材料熔点10-20°C的范围内的温度。冷却元件与分离器整合在一起。接触部分可以是本发明的独立方面，例如像适于可移动安装在材料床上以产生用于建立三维模型的打印机的打印组件。打印机可具有多于ー个的热敏头。例如，接触部分可包括多个热敏头，该多个热敏头沿着沉积层上的运行方向串联布置或者以直线方式相互邻近地布置以扫出较大区域。在一种实施方式中，接触部分可以是可逆的，即能够在穿过材料床的两个方向上进行材料沉积和打印。该布置可以是可期待的，这是因为全部的打印操作可以更快，并且因为双向打印可有助于保持材料床上恒定的温度曲线。可逆的接触部分可以通过互換预加热器和后处理加热器的作用而提供，通过在接触部分的相对侧处具有一对层沉积机构，根据需要其每ー个在运行和不运行状态之间是可切換的(例如通过降低和升高铺展刀片)，并且通过将压实元件、分离器和冷却元件的功能组合成単独的双重功能构件，在热敏头的每ー侧上设置其中之一。双重功能构件可包括长形部件，长形部件延伸穿过材料床并沿其长度围绕轴线可旋转，以根据需要的功能使压实表面或分离/冷却表面与沉积层接触。长形部件可具有L形横截面，其中L的每个腿提供压实表面和分离/冷却表面中的ー个。可选择地或额外地，材料床可被布置以相对于接触部分的移动方向旋转。此布置能有效地允许双向打印(或四向打印，或甚至全向打印)，同时允许接触部分保持单向构型。本发明的其他方面可包括使用以上公开的打印机产生三维模型的方法。接触部分，例如包括整体単元中的层沉积机构和热敏头，任选地具有预加热器、压实元件、分离器和后处理加热器中的一个或多个，可以是本发明的其他独立方面。本发明的其他独立方面涉及用于通过使用与沉积材料接触的覆盖物来控制沉积材料温度的装置和方法，覆盖物具有用于通过传导调整沉积材料温度的独立可控温度。根据本发明的此方面，提供用于通过连续沉积多个横截面层构建三维模型的打印机，该打印机包括材料床；层沉积机构，其用于将原材料的层沉积在材料床上；热源，其被布置以产生用于热处理沉积层中的原材料的可选择区域的热能；和覆盖物，其与沉积层接触，其中覆盖物具有用于调整沉积材料温度的独立可控温度。覆盖物可包括如上所讨论的预加热器和后处理加热器。覆盖物可通过保护性片材接触沉积材料。例如，在一种实施方式中，覆盖物可包括两个独立可加热的板，其位于热敏头每侧上的沉积材料上并基本覆盖热敏头每侧上6/10 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的沉积材料。本发明的此方面允许穿过材料床的温度梯度最小化，这能够减小最终模型的弯曲。比起提供用于打印机存在的整个环境的温度控制来说，此布置可以是更加实用的。附图简述以下参照附图讨论本发明的详细实施方式，附图中图I是本发明实施方式的三维打印机的示意性透视图；图2是适合用于本发明另一实施方式中的保护性片材分离机构的剖面图；图3是用于本发明另一实施方式中的保护性片材供应机构的剖面图，其中成角度的刀片分布原材料；图4是用于本发明另一实施方式中的具有往复冲压机的层沉积装置的剖面图；图5是横截面层的示意性图示，显示原材料被转化的区域；图6是本发明另一实施方式的三维打印机的示意性透视图；且图7是本发明又一实施方式的具有可逆打印机构的三维打印机的示意性剖面图。详述；其他选项和优选方案在以下讨论的实施方式中，使用常规的热敏打印头。这些打印头从使用热敏打印纸的打印机中是已知的。这些打印机典型地用于打印收据并且还已知为在老式传真机中使用的主要打印机类型。例如，热敏打印头可以是来自京瓷公司(Kyocera)的斜角式型号 KCE-107-12PAT2或者来自罗姆(Rohm)的近边型号SH2004-DC70A。这些热敏打印头的操作原理是相同的能够被单独开启和关闭的一系列紧密放置的电阻器位于最接近打印要发生于其上的表面的热敏头的边缘处。向电阻器引用电流导致其变热。在正常的纸上打印构型中，来自各个加热元件的热量转移到热敏纸上，该热敏纸在加热的特定区域中将变黑。通过相对于打印头移动热敏纸并选择性地驱动各个电阻器，能够在纸上打印出需要的图案。如上所述，各个加热元件的选择性驱动使用CAD模型数据的常规操作来确定。已知的逐层快速原型设计机器使用相同的数据处理技术以由三维模型数据构建横截面。构建的横截面呈现可通过以上所讨论的热敏打印头打印的二维图像。在一种示例中，CAD模型数据转化成STL格式，其被切成很多横截面，每个横截面具有被设定以等于打印机沉积层厚度的厚度。由于数据处理技术对于有技能的收受者(addressee)来说是已知的，因此在此不进一步讨论。图I显示本发明实施方式的完整打印机100。打印机100包括由借助于线性移动机构(未示出)相对于材料床102可移动的一些构件(以下描述)形成的接触部分104。 图I中材料床102描绘为多个沉积层。实践中，其可以是用于包含沉积材料的具有直立侧壁的托盘或池。线性移动机构可以是任何常规的类型，例如用于线性驱动器的齿条和小齿轮装置或类似物。在一种实施方式中，材料床由柔性壁形成以防止发生原材料在材料床边缘处的堆积。柔性壁可以由例如硅酮的闭室弹性材料制成。随着成角度的刀片经过材料床的边缘上方，壁可以弯曲以防止过量的沉积和/或压实。接触部分104包括热敏头I (其在以上所述常规的热敏打印头中)，热敏头I具有沿其边缘2布置的选择性可驱动的加热元件的阵列(例如多个)。热敏头I布置在材料床 102上，因此边缘2位于该床上，并因而当热敏头I通过线性移动机构在箭头15的方向上移动时扫过该床上的区域。
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在此实施方式中，接触部分104中的构件被布置以在ー个方向上操作，但是本发明可以使用可逆的接触部分来实施，例如在热敏头的每ー侧上具有两组以下讨论的构件的 ー个可逆的接触部分。可逆布置的一个示例以下关于图7讨论。接触部分104包括成角度的刀片4，成角度的刀片4通过当其在箭头15的方向上被推动时将ー堆原材料6铺开到层7中来用作层沉积装置的一部分(在此实施方式中，该 ー堆原材料6为细粒状的(例如具有50-150 μ m的平均粒度)聚酰胺粉末，但是可以是超高分子量聚乙烯(UHMWPm或高密度聚乙烯(HDPE)，或者任何其他合适的材料，例如丙烯腈-丁ニ烯-苯乙烯(ABQ)。在此实施方式中，该堆原材料6在接触部分104的前方堆积在之前沉积的层5上。接触部分104包括位于成角度的刀片4之后的可旋转滚筒14。旋转滚筒14可实现双重功能。首先，其可通过压实(例如压缩)层7以提高沉积的原材料的热传导性和力学稳定性而用作层沉积装置的一部分。第二，其可用作保护性片材的供应机构，由此保护性片材3在热敏头1的活动边缘2下方与沉积层7接触。从而在热处理期间，热敏头1被保护不与建造材料直接接触。其他物质可执行压实功能。例如，倾斜板可被布置以在原材料的沉积层上施加向下的压力。在此情形下，在保护性片材被供应到层上之前，可进行压实， 例如通过与接触部分物理分开的机构。然而，对于倾斜板来说，在原材料(例如粉末)被分配之后，执行压实和保护性片材供应功能两者也是可能的。板的倾斜角可以被恰当地选择以实现合适的压实。斜度优选是缓和的，即与刀片的长度相比，从刀片的起点到末端在高度上的变化是小的。此布置的示例显示在图6中。图3和4显示层沉积保护性片材供应机构的类型的示例。图3中，接触部分包括分布元件35，其均勻地铺展出原材料6的基本未压实的层。分布元件35之后是压实板34， 压实板34具有用于压实原材料6的倾斜下表面。在此实施方式中，压实板34还用作用于保护性片材3的供应机构。此处压实板34的前端成圆形以有助于经过板34平滑地滑动保护性片材3。压实导致层的厚度从a减小到b。压实率可定义为a b。在一种示例中，压实率可以为2 1左右，但是可以多达5 1。压实层厚度b可以是0. 1mm。如以下关于图 6所讨论的，压实板34和分布元件35还可用作预加热器。图4显示分布、压实和保护性片材供应的步骤发生于三个独立位置的布置。在此示例中，原材料通过分布元件36均勻地铺展且然后通过冲压机构38压实。在此实施方式中，冲压机构38形成接触部分的一部分并与其一起移动。其包括平板40，平板40被布置以在箭头42所指示的方向上朝着材料床和远离材料床往复。往复移动的频率关于接触部分在材料床上移动的速度而选择，从而来自刀片的所有未压实材料通过冲压机构38被冲压至少一次。在其他实施方式中，冲压机构可在保护性片材3被供进之后提供。在又ー实施方式中，层沉积和压实步骤可在热敏头1移动穿过材料床之前发生。在此情形下，可以使用用于同时压缩材料床的整个表面的大板。再次地，分布元件36和平板40可用作预加热器。在此实施方式中，保护性片材为具有大约0.08mm厚度的玻璃纤维增强的PTFE的热传导性片材。此材料具有适当的热性能和抗静电性能以允许热处理发生，同时还阻止了粘结到热处理材料，或者允许从热处理材料容易地去除。回到
图1，接触部分104包括片材分离部分，片材分离部分用于拉动保护性片材3 远离热处理层8，且特别是远离已经通过热效应转化的材料9。在此实施方式中，片材分离部分包括辊20和位于接触部分104的后部构件13上的尖锐后边缘，辊20被布置以采用保护性片材3远离材料床102的路径，尖锐后边缘允许方向的突然变化。后边缘和辊随着热敏头在箭头15的方向上移动，但是如下所述，保护性片材3的移动被限制。保护性片材3 和后边缘之间的相对移动因而拉动保护性片材3远离热处理层8，从而将其与转化的材料9 分离。还可在接触部分104的运行方向上引入刀状元件(未示出)以将转化的(例如固化的)材料9与保护性片材3分离。这可以是在除了尖锐后边缘13之外进行的，或者作为单独的分离设备。刀状元件可以具有接近于其中片材突然从固化材料去除的分离点放置的尖锐边缘。随着边缘与接触部分一起移动，其有助于分离。刀状元件可用于其他实施方式，例如以下参照图2所讨论的，或者用于其中热敏头的后边缘是分离点的布置。图I中，保护性片材3安装在材料床102的上方，并被辊14、16、20和后部构件13 的尖锐后边缘离开平衡位置转向成与沉积层7接触。保护性片材的一端固定到相对于材料床102静止的支架19。相对端借助于一个或多个弹性部件(例如弹簧)17附接到也相对于材料床102固定的支架18上。被辊14、16、20和后部构件13离开平衡位置的转向使得保护性片材3处于张拉状态，该张拉状态通过弹性部件17调整。在其他实施方式中，保护性片材自身可表现足够的弹性以允许弹性部件被省略。参见图6的示例。保护性片材3还可以像回路一样安装在接触部分上。操作中，热敏头I相对于材料床102在箭头15的方向上移动。热敏头I、三个辊 14、16、20、成角度的刀片4和后边缘作为整体全部一起移动并从而构成接触部分。在沉积层上移动期间，加热元件以需要的间隔开启和关闭，以通过保护性片材3 传送热，用于热处理原材料的层。如上所述，本文使用的热处理是指将原材料从可成形状态转化成凝固状态的任何方法。例如，热处理可包括将原材料熔化成需要的模型横截面9。加热能够足以使热处理层中的任何熔化材料粘结到下层中的任何之前熔化的材料，因此相继的横截面区域彼此附接。为加速处理并减小构建模型中的热张力，接触部分104可包括预加热器10，其在热敏头I的前头通过保护性片材3传送热。在此实施方式中，预加热器10紧接着地位于热敏头I之前。预加热器10被布置以在保护性片材3的整个宽度上使沉积层7变暖，从而需要来自热敏头I的较小量的能量以熔化需要的横截面区域。预加热器10从而使沉积层变暖至原材料熔点以下的温度，例如熔点以下5°C或10°C。为了有助于保护性片材3从转化的材料9分离，散热器11紧接着地位于热敏头I 之后设置在接触部分上。散热器11可用于冷却热处理材料，以将其置于适于从保护性片材 3分离的固化状态。散热器11为温控(即可加热的)元件，其温度被调整以保持穿过保护性片材3的温度梯度，这促进以需要的(即可控制的)速率冷却。接触部分104和材料床102的相对高度可以是可调节的，以允许相继的层沉积在用于上述过程的之前处理的层的顶部上，以逐层重复直到构建了需要的三维模型。在一种实施方式中，这可以通过相对于接触部分104降低(例如通过层的厚度)材料床102来实现。图2显示用于将保护性片材3从热处理材料8分离的可选择机构。与图I中共同的构件被给以相同的参照数字并不再描述。在图2所示的布置中，保护性片材3回送成在第一分离位置与热处理材料9接触，以提供对于热处理材料9的支撑。此回送部分用以随着分离发生而保持住热处理材料。从而，在此布置中，片材分离过程包括分別发生于第一和第二分离位置的两个阶段。第一分离位置位于第一分离块M的尖鋭后边缘22处，第一分离块M可以是如上所讨论的接触部分 104的构成部分。此处，“尖鋭边缘”可表示具有0. 5mm半径的斜角边缘，其可在适于分离的尖鋭和平滑之间提供妥协，用于防止对保护性片材的损伤并减小拉动片材的阻力。保护性片材3经过第一分离块M的下方并在分离辊沈的作用下从后边缘22突然向上拉动，分离辊沈还与接触部分104 —起移动，但是自由旋转以允许保护性片材3相对于接触部分104移动。保护性片材3从而在第一分离位置处与热处理材料分离(即所有的粘结被打破)。为了防止热处理材料9由于保护性片材3的分离被拉出层，接触部分104包括第二分离块观，第二分离块观具有非常接近第一分离位置的前边缘30。保护性片材3在第二分离块观下方借助于前边缘30从分离辊沈经过。保护性片材3的较早部分可因而用于保持住热处理材料9，同时保护性片材3的较后部分被分离。此布置的ー个优点是热处理材料被已知用于抵抗粘结到其上的材料保持住。第二分离块观包括后边缘32，保护性片材3通过辊20的作用从后边缘32被拉离热处理材料。图5显示由软件识别的横截面层44的示意平面图。层44对应于材料床102的可热处理的区域。为了方便，显示了指示热敏头1运动方向的箭头15。软件被布置以处理三维建模数据(例如CAD数据)，以识别用于模型的横截面形状46a、46b、46c。在此示例中， 横截面形状46c之ー是新特征的开始。其相当小且在下层中没有用于其被熔合到的转化的材料。软件可被布置以识别这些特征，例如通过尺寸阈值和/或与下层中的转化材料相关。 为了有助于保护性片材从小形状46c分离，软件被布置以引起锚固元件48与小形状46c — 起形成。这些形状増加了转化区域的尺寸，并从而有助于完全分离。当模型完成时，锚固元件48可以被折断。图6显示根据本发明的打印机106的优选实施方式。与以上讨论实施方式共同的特征被给以相同的參照数字并不再讨论。在此实施方式中，保护性片材3固定在一对夹具 50之间。一对加热板52、58设置在可移动接触部分104的每端处。加热板52、58通过保护性片材3接触材料床102，并使其温度被调整以保持材料床在基本一致的温度以防止建造中模型的弯曲。为了清楚的目的，加热板和保护性片材的总长度在附图中被缩短。实际上，加热板与材料床ー样长且保护性片材具有用于调节接触部分从材料床的ー侧到另ー侧的全部移动的长度。材料床102的侧壁和基底还可以整合加热器或绝缘板以帮助最小化通过该床的温度梯度。在此实施方式中，三个辊60、62、64提升保护性片材3远离材料床102、在铺展刀片 4 (在此示例中为竖直的)和待分布材料6的上方，并朝着材料床102折回，在此其通过压实元件讨被带回到与沉积层接触。在此实施方式中，压实元件M具有类似于图3所示布置的倾斜表面。压实元件M还合并加热器并执行与以上所讨论的预加热器10相同的功能。紧接着热敏头1之后(即优选地足够接近以使暴露给周围环境的保护性片材最小化)，接触部分包括冷却元件56，冷却元件56为被保持为比热处理材料的熔点相对较冷以促进固化到适于保护性片材3分离的水平的温控部件。在此实施方式中，冷却元件56还包括分离器，通过具有尖锐后边缘57和辊66用于将保护性片材3拉离材料床102。如图2所示的布置中，保护性片材3在紧接分离之后被拉回到与沉积层接触。在此情形下，保护性片材在后处理加热器58下方通过并不再分离。这有助于沉积层和因此的材料床102作为整体的温度调整。图7显示通过本发明另一实施方式的打印机108的剖面图。在此实施方式中，接触部分是可逆的，即能够在由箭头15、25所示相反的方向上打印。图7中，接触部分处于用于在箭头15的方向上打印的构型，即在纸面上从右到左。与图6中共同的特征被给以相同的参照数字；其中特征具有依赖于打印方向的双重功能，其被给以两个相关的参照数字。从而，设置在可移动接触部分每端处的一对加热板52/58依赖于打印方向执行前处理加热或后处理加热。在此实施方式中，一对铺展刀片4设置在热敏头I的每一侧上，每个刀片与辊62/66结合设置，辊62/66用于将保护性片材拉离材料床102。每个铺展刀片 4在用于铺展可流动原材料的运行构型和其中其不执行功能的非运行构型之间相对于材料床是可移动的。每个辊62/66也是可移动的，例如在当其处于运行构型时用于使保护性片材3围绕刀片4的第一位置和用于拉动保护性片材3远离分离器的第二位置之间是可移动的。当然，两个或多个辊可用于执行与图7所示的每个辊62/66相同的功能。压实元件、预加热器、分离器和冷却元件的功能通过一对可切换的双重功能部件 70来提供，在热敏头I的每一侧上设置一个可切换的双重功能部件70。每个双重功能部件 70围绕旋转轴线71铰接，使得压实部分74或冷却部分72分别在热处理之前或之后通过保护性片材3接触沉积层76。压实部分74具有类似于图3中所示布置的倾斜表面，且还包括加热器以执行与之前所讨论的预加热器10相同的功能。冷却部分72包括被保持为比热处理材料的熔点相对较冷以促进固化到适于保护性片材3分离的水平的温控部件，并且通过具有尖锐后边缘 75，还包括分离器。
权利要求
1.一种打印机，用于通过多个横截面层的连续沉积来建立三维模型，所述打印机包括材料床；层沉积机构，所述层沉积机构用于将可流动原材料的层沉积在所述材料床上；和热敏头，所述热敏头在沉积层上相对于所述材料床是可移动的，其中所述热敏头包括可选择驱动的加热元件的阵列，所述可选择驱动的加热元件的阵列被布置以通过传导传送热能，用于热处理所述沉积层中的原材料的可选择区域。
2.根据权利要求I所述的打印机，包括移动机构，所述移动机构用于在固定路径上相对于所述材料床移动所述热敏头，其中所述可选择驱动的加热元件的阵列在与所述固定路径的方向成角度的方向上延伸。
3.根据权利要求2所述的打印机，其中所述层沉积机构是随所述热敏头在所述材料床上可移动的。
4.根据任一之前权利要求所述的打印机，包括预加热器，所述预加热器位于所述热敏头之前并被布置以与所述热敏头沿所述热敏头在所述沉积层上的路径一起移动，以预加热所述原材料。
5.根据任一之前权利要求所述的打印机，包括保护性片材，热处理期间，所述保护性片材设置在所述加热元件的阵列和所述沉积层之间。
6.根据权利要求5所述的打印机，包括保护性片材供应机构，所述保护性片材供应机构被布置以将所述保护性片材供应成在所述可选择驱动的加热元件的阵列下方与所述沉积层接触。
7.根据权利要求5或6所述的打印机，包括保护性片材分离机构，所述保护性片材分离机构被布置以在热处理之后将所述保护性片材从热处理过的可选择区域分离。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的打印机，其中所述热敏头被布置以在热处理期间相对于所述保护性片材移动，所述保护性片材被保持为关于所述材料床基本静止。
9.根据权利要求4所述的打印机，包括接触部分，所述接触部分被布置以在所述材料床上移动，所述接触部分由沿着所述材料床上的运行路径按顺序布置的所述层沉积装置、所述预加热器和所述热敏头形成；和保护性片材，所述保护性片材用于在热处理期间定位于所述加热元件的阵列和所述沉积层之间，其中所述接触部分包括片材接收部分，所述片材接收部分用于接收所述保护性片材并将所述保护性片材供应在所述预加热器和所述沉积层之间；和片材分离部分，所述片材分离部分用于在热处理之后将所述保护性片材从所述沉积层分离。
10.根据任一之前权利要求所述的打印机，包括冷却元件，所述冷却元件沿着所述热敏头在所述材料床上的运行路径位于所述热敏头之后。
11.一种快速原型设计方法，用于产生三维模型，所述方法包括(i)在材料床上布置原材料的层；(ii)引起热敏头和所述材料床之间的相对移动，以在所述沉积层上移动所述热敏头；(iii)在所述相对移动期间通过所述热敏头有选择地施加热，以热处理所述沉积层的预定区域以形成所述模型的横截面层；(iv)在之前层的顶部上布置相继的层；(ν)引起所述热敏头和所述材料床之间的相对移动，以在所述相继的层上移动所述热敏头；(vi)在所述相对移动期间通过所述热敏头有选择地施加热，以热处理所述相继的层的预定区域以形成下ー个横截面层；(vii)重复步骤(iv)至(vi)直到所述三维模型建立；以及(viii)从所述材料床去除未处理的原材料以显露所述三维模型。
12.—种打印组件，所述打印组件是可移动地可安装在打印机的材料床上的，所述打印机用于通过在所述材料床上连续沉积多个横截面层来建立三维模型，所述打印组件包括热敏头，所述热敏头包括可选择驱动的加热元件的阵列，所述可选择驱动的加热元件的阵列被布置以通过传导传送热能来热处理所述材料床上的沉积层中的可流动原材料的可选择区域；片材接收部分，所述片材接收部分用于接收保护性片材并将所述保护性片材供应在所述加热元件的阵列和所述沉积层之间；以及片材分离部分，所述片材分离部分用于在热处理之后将所述保护性片材从热处理过的可选择区域分离。
13.根据权利要求12所述的打印组件，包括以下中的任何ー个或多个预处理加热器，所述预处理加热器沿着所述材料床上的运行路径定位在所述热敏头之前，用于调整所述材料床的温度；层沉积机构，所述层沉积机构用于将原材料的层沉积在所述材料床上； 压实元件，所述压实元件定位在所述热敏头之前，用于在热处理之前压实原材料的所述沉积层；预加热器，所述预加热器沿所述热敏头在所述沉积层上的路径定位于所述热敏头之前，以预加热所述原材料；冷却元件，所述冷却元件沿着所述材料床上的所述运行路径定位在所述热敏头之后但是在所述片材分离部分之前；以及后处理加热器，所述后处理加热器沿着所述材料床上的所述运行路径定位在所述片材分离部分之后，用于调整所述材料床的温度。
14.一种打印机，用于通过多个横截面层的连续沉积来建立三维模型，所述打印机包括材料床；层沉积机构，所述层沉积机构用于将原材料的层沉积在所述材料床上； 热源，所述热源被布置以产生用于热处理所述沉积层中的原材料的可选择区域的热能；保护性覆盖物，所述保护性覆盖物在热处理期间设置在所述沉积层和所述热源之间， 与所述可选择区域接触；分离器，所述分离器用于在热处理之后将所述保护性覆盖物从所述可选择区域分离；以及温度调整元件，所述温度调整元件与所述沉积层热连通，以在热处理之后但在所述保护性覆盖物从所述可选择区域分离之前控制所述沉积层的冷却。
15. 一种打印机，用于通过多个横截面层的连续沉积来建立三维模型，所述打印机包括材料床；层沉积机构，所述层沉积机构用于将原材料的层沉积在所述材料床上；热源，所述热源被布置以产生用于热处理所述沉积层中的原材料的可选择区域的热能；以及覆盖物，所述覆盖物与所述沉积层接触，其中所述覆盖物具有用于调整所沉积材料的温度的独立可控的温度。
全文摘要
一种打印机(106)，用于通过多个横截面层的连续沉积建立三维模型，其中通过使用在沉积层上相对于材料床(102)可移动的热敏打印头(1)。保护性片材(3)设置在热敏头(1)和沉积层之间。用于防止模型弯曲的对材料床(102)的温度控制通过与材料床(102)的表面接触，例如借助于保护性片材(3)与材料床(102)的表面接触的独立可加热的覆盖物(52、58)来实现。
文档编号B29C67/00GK102596544SQ201080046027
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月11日 优先权日2009年10月13日
发明者安德斯·奥恩肖尔特·哈特曼, 弗雷德里克·威尔斯特·特耶莱森 申请人:布鲁普林特公司