形成三维物体的装置和方法与流程

本发明涉及生产三维物体的装置、方法和材料。
背景技术：
：加成制造，也称为三维印刷，是通过一次一份构建物体直到产生最终的三维物体的形式来形成三维物体的技术。加成技术可以与减材(subtractive)技术(例如研磨)形成对照，在减材技术中从较大量的材料中去除部分材料以产生最终的三维物体。熔融长丝制造(fff)，也称为熔融沉积模制(fdm)，是一种加成制造技术，其包括将固体构建材料加热至可流动的状态，并根据对应于期望的三维物体的形状的计算机数据穿过喷嘴分配构建材料。典型地，fff机器包含用于分配构建材料穿过可移动喷嘴中开口的可移动喷嘴，用于加热构建材料至可流动的状态的加热元件，用于将构建材料引导到可移动喷嘴的与可移动喷嘴连接的驱动器，和与驱动器连接的构建材料供应。也存在平台(其任选地是可移除的)，以接收穿过可移动喷嘴中的开口分配的构建材料。通常，通过构建材料本身连接或者通过允许穿过其传输构建材料的柔性管连接，使得构建材料供应与驱动器连接，或者驱动器与可移动喷嘴连接。构建材料供应通常采用在其上卷绕有构建材料的绕线筒的形式。构建材料通常是热塑性的。当fff机器操作时，构建材料经由驱动器的操作从绕线筒退卷绕，并被引导到加热元件，在加热元件中构建材料转变到可流动的状态。然后根据对应于期望的三维物体的形状的计算机数据穿过喷嘴开口分配可流动的构建材料。离开可移动喷嘴后，构建材料在周围空气中冷却并转回到不可流动的状态。受让给stratasys,inc.的wo1997/19798采用多级加压，目的是提高构建速度并实现更高粘度的构建材料。在一个实施方式中，构建材料以可被包含在料盒(cartridge)中的“晶片”(wafers)形式存在。经由驱动器将晶片引导到加热元件。转变成可流动的状态后，晶片穿过弯曲的连通通道并朝向旋转叶轮移动。旋转叶轮驱动该流体向喷嘴移动并从喷嘴开口流出。通过已知的fff方法产生的三维物体与通过注射模塑技术生产的相同产品相比通常具有差的机械性质。因此，需要会产生具有改善机械性能的三维物体的fff方法。发明概述在现有的fff机器中，构建材料是柔性的，使得它可以缠绕在绕线筒上。构建材料也可以是柔性的，以允许容易地从材料供应到可移动喷嘴的传输，并且允许可移动喷嘴的运动，同时材料供应保持静止。虽然提供了多个好处，但这种灵活性通常限制了材料的选择。发明人发现，这些问题在如下的装置中至少被部分地减轻，在所述装置中，喷嘴开口和料斗开口能够在直轴上同时对齐使得构建材料能够至少从料斗开口沿直轴行进直到构成材料当存在时达到可流动的状态。采用这种方式，可以使用在达到可流动的状态之前不足够柔性的构建材料，或者以比现有的fff机器中使用的构建材料更高粘度流动的构建材料。此外，停留时间(构建材料保持在可流动的状态的时间的量)可以低于能够以不连续形式存在的构建材料形成三维物体的现有的机器中的停留时间。因此，根据本发明的第一实施方式，用于固体自由成形制造(solidfreeformfabrication)的装置包含：a.含有喷嘴开口的可移动喷嘴，b.与可移动喷嘴连接的加热元件，c.与可移动喷嘴连接的驱动器，d.用于接收来自可移动喷嘴的构建材料的平台，和e.用于向驱动器提供构建材料的料斗，其中喷嘴开口和料斗开口能够在直轴(straightaxis)上同时对齐，以使构建材料当存在时能够至少从料斗开口沿该直轴行进直至构建材料达到可流动的状态。本发明的第二实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器的装置，b.将来自料斗的构建材料沿直轴穿过料斗开口分配到驱动器中，c.使用驱动器使构建材料沿直轴引导到可移动喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过可移动喷嘴分配到平台上，f.重复步骤b-e足够的次数，以构建三维物体。本发明的第三实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的驱动器和可移动喷嘴的装置，b.放置含有直的纵轴的构建材料，使得所述直的纵轴与直轴对齐，c.使用驱动器使构建材料沿直轴引导到可移动喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过可移动喷嘴分配到平台上，f.重复步骤b-e足够的次数以构建三维物体。附图简要说明图1是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。图2是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。图3是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。图4是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。图5是与实施例1相关的由30％玻璃纤维填充的pa410形成的印刷部件的横截面的sem图像。发明详述典型地，fff机器将具有在蛇形轴上同轴对齐方式存在的材料供应、驱动器和可移动喷嘴。尽管这种技术有多个优点，但一个缺点是它将使用者限制在能够沿着蛇形轴的弯曲行进的柔性构建材料。根据本发明的一个实施方式，构建材料当存在时能够沿直轴行进直至构建材料达到可流动的状态。采用这种方式，在fff机器中可以使用不足够柔性以沿蛇形轴行进的构建材料。在一个实施方式中，这是在如下的装置中实现的，在所述装置中，喷嘴开口和料斗开口能够在直轴上同时对齐，以使构建材料当存在时能够沿直轴行进直至构建材料达到可流动的状态。在所述实施方式中，仅需要驱动器和料斗开口能够在直轴上同时对齐。图1是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。该装置包含含有喷嘴开口2的可移动喷嘴1。通过适当的硬件(未示出)和软件控制可移动喷嘴的运动。喷嘴开口2通常小于构建材料元件8的横截面的厚度。在一个实施方式中，只有喷嘴是可移动的并且平台是不可移动的。加热元件3与可移动喷嘴连接。加热元件3使构建材料的温度升高到至少构建材料达到可流动的状态(即构建材料能够穿过喷嘴开口2流动的状态)的点。优选地，加热元件3被放置在喷嘴开口2附近，以使尽可能少的构建材料以可流动的状态存在。驱动器4与可移动喷嘴连接。驱动器4的目的是将构建材料引导到可移动喷嘴2。驱动器4通常通过手动地接触构建材料来将其引导向可移动喷嘴来运行。因此，驱动器可以使用齿形齿轮、螺钉或辅助将构建材料引导到可移动喷嘴的其它合适的方式。如图1-4所示，驱动器包含两个旋转轮，该旋转轮在构建材料的外表面处接触构建材料并将构建材料引导到可移动喷嘴。如果驱动器引导构建材料沿轴线行动，则驱动器沿轴线对齐。存在平台5用于接收来自可移动喷嘴的构建材料。因此，在平台5上形成三维物体。平台可以是在任何数量的方向上可移动的，并且优选地是在z方向上可移动的。平台可以被加热，例如从50到100℃、优选地70-90℃。在一个实施方式中，平台包含用于加热平台的加热器。料斗6向驱动器提供构建材料。料斗可以被物理地结合于驱动器和喷嘴(如图1所示)，或者可以与驱动器和喷嘴是分离的或可分离的。料斗包含料斗开口7，构建材料元件8可以穿过该料斗开口7。适用于在装置中的构建材料可以采用任何合适的形式。优选地，构建材料以不连续形式存在，例如具有最大长度为25cm或更小的片材。在一个实施方式中，构建材料以细长元件形式存在，例如棒。图1中示出了棒状构建材料。细长元件可以具有圆形、正方形、矩形、星形横截面或一些其他横截面。在一个实施方式中，构建材料含有直的纵轴。构建材料还可以在其表面上具有有助于由驱动器4夹持构建材料的粗糙度、凹口、突起或其它表面拓扑。构建材料可以例如通过挤出或注射模塑工艺制成。本发明的一个优点是可以经济地使用经注射模塑的构建材料。因此，可以通过混合不同的聚合物和填料来改变构建材料的组成。本发明的另一个优点可以是可以使用包含定向取向填料的构建材料。当使用包含定向取向填料的构建材料时，如果填料在形成的三维物体中保持其定向取向，则是有用的。本发明可以允许形成包含定向取向填料的三维物体。此外，可以使用包含导热填料的材料。导热材料可能会增加现有技术的fff机器卡住的风险。此外，本发明可以允许使用具有非常低的断裂伸长率(例如小于2％)的构建材料。在一个实施方式中，构建材料是刚性的。在一个实施方式中，构建材料的断裂伸长率为5％以下。在一个实施方式中，构建材料可以具有2％或更小的断裂伸长率。在一个实施方式中，构建材料可以具有5gpa或更大的弹性模量。在一个实施方式中，构建材料具有7gpa或更大的弹性模量。在一个实施方式中，构建材料存在于装置中，并且构建材料包含填料。填料可以被掺入在能够在要求保护的装置中使用的大量热塑性塑料中。在一个实施方案中，构建材料包含填料并且填料在基本上平行于构建材料的纵轴的方向上取向。在一个实施方式中，构建材料包含填料并且填料在基本上垂直于构建材料的纵轴的方向上取向。在一个实施方式中，填料是导热的。在一个实施方式中，填料是导电的。在一个实施方式中，构建材料包含10到70wt％的填料，优选15-70wt％的填料，更优选20-70wt％的填料。在一个实施方式中，填料包含玻璃。在一个实施方式中，填料包含玻璃纤维。玻璃纤维通常具有2:1至5:1的长宽比。在一个实施方式中，填料是研磨玻璃和玻璃纤维的混合物，研磨玻璃与玻璃纤维的重量比为80:20至20:80、优选地60:40至40:60。在一个实施方式中，填料包含玻璃球。在一个实施方式中，填料包含中空的玻璃球。在一个实施方式中，填料包含玻璃片。在一个实施方式中，填料包含碳纤维。在一个实施方式中，碳纤维是碳纳米管。在一个实施方式中，填料包含石墨。在一个实施方式中，填料包含可膨胀的片状石墨。在一个实施方式中，填料包含石墨烯。在一个实施方式中，填料包含碳纤维和碳纳米管的混合物。在一个实施方式中，填料包含碳纤维和石墨烯的混合物。在一个实施方式中，填料包含塑料纤维。在一个实施方式中，填料包含聚酰胺纤维、聚酯纤维、芳族聚酰胺纤维或聚乙烯醇纤维，或者它们的混合物。在一个实施方式中，填料包含金属粉末或金属纤维。在一个实施方式中，填料包含tio2、zns、baso4、mgo、sio2、sb2o3、al2o3、zno、al(oh)3、mg(oh)2中的一种或多种。在一个实施方式中，装置还包含用于是填料定向的磁场发生器。磁场发生器的一个例子是电磁体。在一个实施方式中，构建材料包含一种或多种添加剂，例如热稳定剂、加工稳定剂、抗氧化剂、光稳定剂、增塑剂、抗静电剂、脱模剂、uv吸收剂、润滑剂、颜料、染料、着色剂、流动促进剂、抗冲改性剂，或者一种或多种前述添加剂的组合。在一个实施方式中，构建材料包含阻燃剂。在一个实施方式中，阻燃剂是矿物，例如氢氧化铝(ath)、氢氧化镁(mdh)、碳酸钙镁石(huntite)、氢镁矿、红磷、氧化锑、硼酸锌、多磷酸铵、石墨和纳米粘土。在一个实施方式中，阻燃剂是有机卤素化合物，如十溴二苯醚(decabde)，十溴二苯乙烷(decabde的一个代替品)，聚合溴化化合物例如溴化聚苯乙烯、溴化碳酸酯低聚物(bco)、溴化环氧低聚物(beo)、四溴邻苯二甲酸酐、四溴双酚a(tbbpa)和六溴环十二烷(hbcd)。大多数但不是全部的卤化阻燃剂与增效剂结合使用，以提高它们的效率。三氧化锑被广泛使用，但也可以使用五氧化物和锑酸钠等锑的其他形式。在一个实施方式中，阻燃剂是有机磷化合物。该类别包括有机磷酸酯，例如间苯二酚双(二苯基磷酸酯)(rdp)、双酚a二苯基磷酸酯(badp)、多磷酸铵和磷酸三甲苯酯(tcp)，膦酸酯例如甲基膦酸二甲酯(dmmp)，次膦酸酯例如二乙基次磷酸铝，磷腈，磷胺(phospham)和磷氧氮化物。在一个实施方式中，阻燃剂是氮基阻燃剂，例如三聚氰胺和三聚氰胺衍生物(即与有机或无机酸(例如硼酸、氰尿酸、磷酸或焦磷酸/聚磷酸)的盐)和三聚氰胺同系物。在一个实施方式中，阻燃剂是硅基阻燃剂，例如有机硅酮衍生物和聚二甲基硅氧烷。在一个实施方式中，阻燃剂是硫基阻燃剂。在一个实施方式中，构建材料的元件的长度是构建材料的元件的厚度的5至200倍。在一个实施方式中，构建材料的元件的长度是构建材料的元件的厚度的20至100倍。在一个实施方式中，构建材料的元件的长度是构建材料的元件的厚度的10至70倍。在一个实施方式中，料斗6被构建成将构建材料元件8以不连续的形式提供给驱动器。例如，料斗可以包括阀或允许构建材料从料斗到驱动器的受控移动的类似构件。在一个实施方式中，料斗具有漏斗形内部，其允许构建材料的元件穿过开口以可控的方式被分配，如图1所描绘。如图1中所描绘，驱动器4和料斗开口7是在直轴9上对齐的，使得构建材料当存在时能够至少从料斗开口7沿直轴9行进直至构建材料达到可流动的状态。可流动的状态通常是在加热元件附近或者内部实现的，其特征是构建材料的粘度充分降低。在装置的操作中，构建材料元件8被储存在料斗6中。构建材料穿过料斗开口7并且沿直轴9到达驱动器4。驱动器引导构建材料穿过加热元件3到达可移动喷嘴。构建材料在加热元件3附近或内部达到可流动的状态。然后，处于可流动的状态的构建材料被引导到可移动喷嘴1并且穿过喷嘴开口2。随着可移动喷嘴在所指示的方向上移动，构建材料按照三维物体的形状被分配在平台5上。分配在平台上可牵涉将构建材料分配在平台本身上，或者将构建材料分配在已经存在于平台上的构建材料的之前分配的部分上。图2是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。与图1中所描绘的实施方式形成对比，在图2的实施方式中，料斗16未被固定于驱动器14。在一个实施方式中，料斗是与驱动器可分离的。在一个实施方式中，料斗与驱动器分离。在一个实施方式中，料斗16被固定并与驱动器14分离，驱动器14和可移动喷嘴11是可移动的，以使驱动器14和料斗开口17可以是在直轴19上暂时对齐的。如图2中所描绘，可移动喷嘴11将构建材料分配穿过开口12，同时在指示的方向上移动。驱动器14引导构建材料穿过加热元件13到达可移动喷嘴11。在某个点时，例如当在可移动喷嘴中没有剩余的构建材料或者当构建材料的量达到指定量时，包含可移动喷嘴11、加热元件13和驱动器14的组件可以朝向料斗16移动，从而使驱动器14和料斗开口17在直轴19上对齐并且构建材料元件18可以进入该组件。或者，料斗16可以朝向组件移动，或者料斗和组件二者均可以移动。图3是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。如图3中所描绘的，料斗26包含料盒。料盒被构建成以有序的方式保持构建材料元件28并且一次一个地分配构建材料元件28穿过料斗开口27。如图1中所描绘的实施方式中，料斗26被固定于驱动器24。料斗开口27和驱动器24在直轴29上对齐。构建材料穿过料斗开口27离开料斗并且被提供给驱动器24。构建材料被加热元件23加热，以使构建材料在可移动喷嘴21中转变成可流动的状态。然后，随着组件在指示的方向上移动，将构建材料穿过喷嘴开口22分配在平台25上。图4是根据本发明的一个实施方式的装置的示意图。如图4中所描绘的，料斗36包含料盒。料盒被构建成以有序的方式保持构建材料元件38并且一次一个地分配构建材料元件38穿过料斗开口37。料斗36未被固定于驱动器34。料斗36被固定并与驱动器34分离，并且驱动器34和可移动喷嘴31是可移动的，以使驱动器34和料斗开口37可以在直轴39上暂时对齐。如图4中所描绘的，可移动喷嘴31分配构建材料穿过开口32，同时在指示的方向上移动。驱动器34引导构建材料穿过加热元件33到达可移动喷嘴31。在某个点时，例如当在可移动喷嘴中没有剩余的构建材料或者当构建材料的量达到指定量时，包含可移动喷嘴31、加热元件33和驱动器34的组件可以朝向料斗36移动，从而使驱动器34和料斗开口37在直轴39上对齐并且构建材料元件38可以进入该组件。或者，料斗36可以朝向组件移动，或者料斗和组件二者均可以移动。虽然已经描述了多个包含存在于设备中的构建材料的实施方式，但是并不意图(特别是考虑到所附权利要求时)将所描述的发明限制于包含构建材料的装置。然而，在一个实施方式中，该装置还包含构建材料。构建材料能够至少从料斗开口沿着直轴行进直到构建材料达到可流动的状态。直轴不需要是竖直的。在一个实施方式中，直轴基本上是竖直的。在一个实施方式中，直轴与平台的平面形成80度至90度的角。在一个实施方式中，直轴与平台的平面形成从35度到90度的角。在一个实施方式中，直轴与平台的平面形成60度至90度的角。在一个实施方式中，直轴与平台的平面形成从60度到85度的角。在一个实施方式中，装置还包含空间和控制器。在一个实施方式中，控制器改变空间中气体(例如空气)的环境条件，例如温度、湿度和/或组成，以影响fff过程的性质。在一个实施方式中，空间是封闭的。在一个实施方式中，控制器改变靠近可移动喷嘴的状态。在一个实施方式中，控制器引导受强制的气体来影响构建材料的硬化性质。例如，受强制的气体可以相对于空间外部的环境条件是受热或冷却的。本发明的第二实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器的装置，b.将来自料斗的构建材料沿直轴穿过料斗开口分配到驱动器中，c.使用驱动器使构建材料沿直轴引导到可移动喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过可移动喷嘴分配到平台上，f.重复步骤b-e足够的次数，以构建三维物体。选择性地分配构建材料可以通过如下来实现：根据某种形状来分配，例如通过根据期望的三维物体的横截面的尺寸移动可移动喷嘴或平台。在一个实施方式中，提供包含在直轴上对齐的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器的装置的步骤是通过在直轴上对齐地固定的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器进行的。在一个实施方式中，提供包含在直轴上对齐的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器的装置的步骤是通过将料斗开口、可移动喷嘴和驱动器在直轴上对齐来进行的。本发明的第三实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的驱动器和可移动喷嘴的装置，b.放置含有直的纵轴的构建材料，使得所述直的纵轴与所述直轴对齐，c.使用所述驱动器使构建材料沿直轴引导到可移动喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过可移动喷嘴分配到平台上，f.重复步骤b-e足够的次数以构建三维物体。在一个实施方式中，所提供的装置包含在直轴上对齐的料斗开口、可移动喷嘴和驱动器。此外，平台和/或喷嘴可以是可移动的。因此，在本发明的第四实施方式中，用于固体自由成形制造的装置，其包含：a.具有喷嘴开口的喷嘴，b.与喷嘴连接的加热元件，c.与喷嘴连接的驱动器，d.用于接收来自喷嘴的构建材料的可移动的平台，和e.用于向驱动器提供构建材料的料斗，该料斗包含料斗开口，其中喷嘴开口和料斗开口能够在直轴上同时对齐，以使构建材料当存在时能够至少从料斗开口沿直轴行进直至构建材料达到可流动的状态。本发明的第五实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的料斗开口、喷嘴和驱动器的装置，b.将来自料斗的构建材料沿直轴穿过料斗开口分配到驱动器中，c.使用驱动器使构建材料沿直轴引导到喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过喷嘴分配到可移动的平台上，f.重复步骤b-e足够的次数，以构建三维物体。本发明的第六实施方式是形成三维物体的方法，其包括如下步骤：a.提供包含在直轴上对齐的喷嘴和驱动器的装置，b.放置含有直的纵轴的构建材料，使得直的纵轴与直轴对齐，c.使用驱动器使构建材料沿直轴引导到喷嘴，d.加热构建材料至可流动的状态，e.选择性地使构建材料穿过喷嘴分配到可移动的平台上，f.重复步骤b-e足够的次数以构建三维物体。实施例实施例1–用30％玻璃纤维填充的pa410打印改进了cartesiofff机，使得喷嘴开口和料斗开口在直轴上对齐。通过注射模塑工艺形成圆形横截面直径为1.75mm、长度为150mm的构建材料。构建材料是30％玻璃纤维填充的dsm(聚酰胺410)。玻璃纤维是纵向取向的。打印20x20x20mm的空心校准立方体(www.thinqiverse.com)。喷嘴温度设定在265℃。将平台加热至80℃。打印速度为50mm/min。施加3dlac粘附促进剂于构建平台。打印的立方体显示出良好的分辨率和极小的翘曲。形成材料的横截面，并以约500x放大率记录横截面的sem图像。图像如图1中所示。从图像中可以看出，玻璃纤维在打印后保持取向。实施例2-拉伸试验使用实施例1中描述的装置，由30％玻璃纤维填充的dsm(聚酰胺410)和未填充的聚酰胺6打印iso527-1ba型拉伸棒。喷嘴温度为265℃或285℃。打印速度为50mm/min。打印方向为45/45°。将该平台加热至80℃。打印速度为50mm/min。打印后，使拉伸棒在室温和50％相对湿度下放置至少24小时。然后根据iso527测量杨氏模量。结果示于下表1中。表1–实施例2结果实施例材料喷嘴温度杨氏模量2-130％gfpa410265℃2848mpa2-230％gfpa410285℃3327mpa2-3pa6265℃2084mpa每个材料均被打印成功。采用玻璃纤维填充的材料时杨氏模量要高得多。描述本发明的上下文(尤其是以下权利要求书的上下文)中使用的术语“一种”、“一个”和“该”以及类似的代词是以覆盖单数和复数的方式构造的，除非本文另外指出或文中清楚地有相反表示。术语“包括”、“具有”、“含有”以及“包含”应被诠释为开放式术语(即，意思是“包括但不限于”)，除非另外注明。本文记载的数值范围仅意图用作各自地提及落在该范围内的每个分开的值的省略方法，除非本文另外指出，并且每个分开的值如同其在本文中被单独记载那样包含在说明书中。本文所述的所有方法可以任何适当顺序进行，除非本文另外指出或上下文另有清楚地相反表示。任何例子和所有例子的使用或本文提供的示例语言(例如“诸如”)仅意图更好地说明本发明且并不对本发明的范围加以限制，除非另外声明。说明书中的语言都不应诠释为指示对本发明的实践来说关键的任何未声明元素。本文中描述了本发明的较佳实施方式，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅读前述说明书时，那些较佳实施方式的变型对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。发明人预期本领域技术人员适当地采用这些变型，且发明人预期本发明可以以与本文具体所描述的实施方式不同的方式实施。因而，如可适用的法律所允许的那样，本发明包括在此所附权利要求书中记载的主题的所有更改和等同物。虽然在本发明的实施方式中讨论了某些可选的特征，但是本说明书旨在包括且具体地公开这些实施方式的所有组合，除非另有特别说明或者在物理上是不可能的。当前第1页12