多轴机器人增材制造系统的制作方法

背景技术：

本公开大体上涉及增材制造,更具体地涉及一种多轴机器人构建系统。

增材制造或3d打印通常是一种增材制造过程，其中利用物体的计算机模型构建三维(3d)物体。典型的操作包括将三维计算机模型切成薄的横截面，将所述结果转换成二维的位置数据，并且输送所述数据以控制打印机，所述打印机使用一种或多种增材制造技术以分层的方式制造三维结构。增材制造在制造方法上需要许多不同的方法，包括熔融沉积成型、喷墨、选择性激光烧结、喷射粉末/粘合剂、电子束熔化、电子照相成像和立体光刻工艺。

增材制造技术可用于原型设计(已经使用多年)以及最终使用的生产部件。对于最终使用的部件生产，需要打印净成形的部件或近净成形的部件(即，与作为源数据文件提供的数字图像非常接近匹配的部件，因此需要很少或不需要印后处理以获得所述部件的尺寸和形状的理想公差)。

在熔融沉积建模系统中，3d打印机通过沿着工具路径挤出可流动的部件材料，以逐层的方式创建3d打印的部件，其中，所述工具路径是由部件的数字表示而生成的。所述部件材料是通过系统的打印头所携带的挤出尖端挤出。挤出的部件材料与先前沉积的部件材料熔合，并在温度下降时固化。在典型的打印机中，材料沉积在平面层中，作为在限定构建平面的基板上构建的一系列路径。然后打印头相对于基板的位置沿着打印轴(垂直于构建平面)改变，然后重复该过程以形成类似于数字表示的打印部件。

在通过沉积部件材料的层来制造打印部件时，支撑层或支撑结构通常构建在悬垂部分下方或构造中的打印部件的腔中，其不由部件材料本身支撑。可以利用与沉积部件材料相同的沉积技术来构建支撑结构。主计算机产生附加的几何形状，用作所形成的打印部件的悬垂部分或自由空间部分的支撑结构。然后在打印过程中根据产生的几何形状沉积支撑材料。所述支撑材料可以在制造期间粘附到部件材料上，并且在打印过程完成时可以从已完成的打印部件上移除。

使用具有可选支撑结构的逐层打印可能导致部件需要较长构建时间、额外的后处理以及需要大量的支撑材料。此外，使用逐层打印构建的部件尽管仍然提供足够的质量和强度的部件以用于至少一些工业，但在可以打印的几何形状方面受到限制。

技术实现要素：

本公开的第一方面包括一种多轴机器人增材制造系统，所述系统包括可在六个自由度上移动的机械臂。所述系统包括构建平台，其可在至少两个自由度上移动且独立于所述机械臂的运动，以根据部件的几何形状来定位被打印的所述部件以抵消重力的影响。所述系统包括安装在所述机械臂末端的挤出器。所述挤出器被配置为用多种流率挤出至少部件材料，其中，所述机械臂和所述构建平台的运动与挤出材料的流率同步以构建所述3d部件。

本公开的另一方面涉及一种使用多轴机器人构建系统打印3d部件的方法。所述方法包括使用安装在机械臂上的挤出器沿着3d工具路径在构建平台上打印所述部件的至少一部分，其中，所述机械臂在六个自由度上移动。所述方法还包括基于被打印部件的几何形状通过在打印过程中移动所述构建平台来定向所述部件，其中，所述构建平台独立于机械臂的运动，其中，所述构建平台的运动和所述机械臂的运动被同步以在没有支撑结构的情况下打印所述部件。

本公开的还一方面涉及一种在烘箱外打印环境中打印3d部件的方法。所述方法包括在具有六个自由度的机械臂上提供挤出器，以及提供可至少在两个旋转轴上移动的构建平台。所述方法包括沿着第一3d工具路径挤出所述部件的第一部分的至少第一段，以及沿着第二3d工具路径将所述部件的第二部分的至少第二段共形挤出到所述部件的所述第一部分的表面。挤出所述部件的第二部分包括在所述工具路径的该部分上进行挤出之前，沿着所述部件的第二部分的第二3d工具路径对所述第一部分的部分进行局部预加热。

定义

除非另有说明，否则本文使用的以下术语具有以下含义：

术语“优选的”、“优选地”、“示例”和“示例性的”是指在某些情况下本发明创造的实施例可以提供某些益处。然而，在相同或其他情况下，其他实施例也可以是优选的或示例性的。此外，对一个或多个优选的或示例性的实施例的描述并不意味着其他实施例是无用的，并且不旨在将其他实施例排除在本公开的范围之外。

诸如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等的方向取向是参考3d部件的层打印方向进行的。在下面所示的实施例中，所述层印刷方向是沿垂直的z轴的向上方向。在这些实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等是基于垂直的z轴。然而，在沿着不同的轴(例如沿着水平的x轴或y轴)打印3d部件的层的实施例中，术语“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等是相对于给定的轴。

当在权利要求中陈述时，术语“提供”，例如用于“提供材料”，并不旨在要求任何特定的递送或接收所提供的物品。相反，出于清楚和易于阅读的目的，术语“提供”仅用于叙述将在权利要求的后续内容中提及的物品。

除非另有说明，否则本文提及的温度是基于大气压(即一个大气压)。

本文使用术语“约”和“基本上”针对本领域技术人员所知的预期变化(例如，测量的限制和可变性)的可测量的值和范围。

术语“近净部件”是指部件被打印成使得它在初始打印后非常接近其最终形状。近净部件与作为源数据文件提供的数字图像紧密匹配，因此需要很少或不需要后打印处理来达到所述部件的尺寸和形状的理想公差。

术语“非烘箱”指的是未被封闭在温度受控的环境室内的构建环境，但是在环境室的范围之外使用和操作。

本文参考的所有引用的专利和打印的专利申请均通过引用整体并入。

附图说明

图1为根据本公开一实施例的多轴机器人构建系统的透视图。

图2为图1的系统的放大透视图。

图3为在图1的系统上被打印的部件的透视图。

图4为在图1的系统上被打印的图3的部件的透视图，根据本公开一实施例所述系统具有倾斜的构建平台。

图5为使用本公开一实施例所打印的部件的透视图。

图6为图5的部件的一部分的局部特写透视图。

图7a为使用本公开一实施例所打印的另一部件的透视图。

图7b为以平面逐层的方式打印的具有附加部分的7a的部件的透视图。

图8为图7a的部件的一部分的局部特写透视图。

图9为根据现有技术的一种打印方法的部件和支撑结构的截面图。

图10为本公开一实施例打印部件的透视图，例如如图9所示部件。

图11为显示其优点和缺点的一系列部件的视图，包括根据本公开实施例打印的部件。

图12为根据本公开一实施例的部件和点对点支撑结构的俯视图。

图13为根据本公开一实施例的方法的流程图。

图14为根据本公开另一实施例的方法的流程图。

图15为根据本公开另一实施例的方法的流程图。

图16为根据本公开另一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的系统实施例使用机械臂在六个轴上的运动，以及构建平台在两个轴上的运动，以允许基于部件的几何形状确定熔融沉积建模部件的打印定位，并且不需要支持结构。基于部件几何形状定义印刷定位可以改善对部件性能的控制(例如复合打印材料中纤维的强度和方向性)，并且允许在更短的时间内打印更高质量的部件，并且其需要更少的后打印处理。

本公开的实施例提供了自动化部件生产，其改变了逐层打印操作并且能够实现挤出材料的真正三维打印，以允许将增材制造应用于近净部件结构，而无需额外的精加工步骤。在某些情况下，所述部件是由单一材料打印的。在其他情况下，使用多于一种材料打印部件，从而得到复合部件，其具有高商业价值。在其他情况下，材料组合物可以从部件构造的一端到另一端混合或变化，以提供各种部件性能。

图1是可用于构建三维(3d)部件的多轴机器人构建系统100的透视图。在一个实施例中，系统100包括能够沿六个轴移动的机械臂102。示例性机械臂是由德国奥格斯堡的库卡机器人公司(kukaroboticsofaugsburg，germany)制造的工业机器人。虽然针对机械臂102讨论了从固定基座的六个运动轴，但是应当理解，在不脱离本公开的情况下，本公开的实施例也适用于附加轴或其他运动。例如，所述机械臂102可以安装成在轨道或台架上移动以提供额外的自由度。

所述机械臂102带有打印头104，例如仅作为示例而不是作为限制的挤出头104，其用于从细丝原料、粉末或颗粒原料等打印部件。在某些情况下，所述原料是聚合物或共聚物，其可以选择性地装载有辅助材料，例如玻璃或碳纤维，以及抗冲改性剂。然而，本公开不限于用聚合物材料打印部件。根据本公开，可以打印的铸造工艺材料示例性地包括但不限于无机材料和复合材料。本公开的实施例适于使用的复合材料示例性地包括但不限于碳纤维填充尼龙、纤维增强热塑性塑料、玻璃纤维增强热塑性塑料、短复合纤维或连续复合纤维等。所述打印头104可以是挤出型打印头，其示例性地包括但不限于使用螺杆挤出器的打印头，例如bosveld等人的第8,955,558号美国专利所公开的的螺杆挤出器；例如第6,004,124号美国专利中所公开的粘度泵液化器；例如batchelder等人的第8,439,665号美国专利所公开的带状液化器；或者例如hjelsand等人的wo2016/014543a1所公开的齿轮泵液化器。一些代表性的铸造工艺材料在共同拥有的batchelder等人的第7,122,246号美国专利、mikulak等人的第8,801,990号和第8,920,697号美国专利、bosveld等人的第8,955,558号美国专利以及batchelder等人的第8,221,669号美国专利中公开了。

提供了构建平台106，在一个实施例中，其可沿两个旋转轴移动，绕z轴旋转以及绕x轴倾斜(旋转)。另外的旋转轴可以由不同的构建平台106提供，例如但不限于在y轴上倾斜(旋转)以及各种平移。此外，在不脱离本公开的情况下，本公开的实施例也可以用于具有不同运动轴的不同构建平台。在一个实施例中，构建平台106具有延伸部110，以在所述构建平台106附近给机械臂102和打印头104提供更大的运动自由度。构建平台106还可以包括额外的机械臂，其也提供6轴运动，而不是具有2轴运动的固定单元。

控制器108包含软件和硬件，用于控制所述机械臂102和所述构建平台106的运动，以及所述打印头104的打印操作。

在本公开的一个实施例中，其上设置有挤出器104的所述机械臂102与所述构建平台106结合使用。所述系统100的八个(或更多)运动轴允许创建和打印具有复杂几何形状的部件，这些部件以前不能用例如在平面中打印的熔融沉积建模系统打印，或者这些部件不能在不使用支撑结构的情况下打印。虽然基于固定基座讨论了机械臂102的六个运动轴，但应该理解的是，在不脱离本公开的情况下，本公开的实施例也适用于额外的运动，例如通过将所述机械臂或构建平台安装在轨道上、可移动平台上等来提供更宽或更长的打印性能或扩展的运动范围。例如，所述机械臂102可以安装成在轨道或台架上移动以提供额外的运动范围。此外，在不脱离本公开的情况下，本公开的实施例也可以适用于具有不同运动平台的不同桌台。这种额外的运动平台的例子示例性地包括但不限于耳轴台、支架、轨道或机架安装的运动平台等。

对于打印，使用不同的材料用于正在构建的部件的不同部分，或者当需要新工具时，可以使用自动化工具更换。这种自动化工具更换允许额外的操作，其示例性地包括但不限于部件的进一步增材制造、减材制造、精加工、检测和组装。工具更换架在图1中的122处示意性地示出。作为示例，其可以配置成例如在comb等人的第8,926,484号美国专利中所公开的。诸如齿条122的工具更换架可以容纳附加工具、挤出器、减材元件等。示例性的减材元件可包括但不限于发射辐射的装置，例如batchelder的公开号为20150076739的美国专利中所公开的准分子激光装置。应当理解的是，在不脱离本公开范围的情况下，所述工具更换架122(虽然在一个位置示出)在机械臂可接近的情况下可以定位在别处。

生成的工具路径用于控制所述机械臂102的运动。然而，挤出头的控制也用于沿着所述生成的工具路径精确地沉积材料。例如，本公开的一个实施例使机械臂102的运动计时与打印头104同步，以从打印头104挤出。本公开的实施例提供加速打印或减慢打印、结合机器人运动改变挤出速率、尖端清洁、尖端更换、以及基于所述生成的工具路径和所述机械臂102的运动的打印头104的其他动作来。作为示例，来自打印头104的挤出可以以comb等人的第6,814,907号、第6,547,995号和第6,814,907号美国专利所教导的方式与所述机械臂102的运动同步。

例如，当围绕部件的角部打印时，所述机械臂102的速度和挤出流率可以减小，以提供部件的精确沉积。然而，当沿笔直的工具路径打印时，所述机械臂102的速度和挤出流率可以增加，同时保持被打印部件的尺寸精度。另外，所述材料可以在3d挤出部件体积的内部区域以更快的速率被挤出成更厚的珠粒，这不会影响部件的打印质量。因此，可以以增加的速度和挤出流率打印中空3d部件、稀疏填充内部体积的3d部件和/或实心3d部件，而不会影响正在打印的3d部件的质量。稀疏填充的内部体积包括可以打印的填充图案，以便为薄壁结构增加所需的刚度。填充图案在整个部件中可以是均匀的，或者可以在部件的层或区域内变化。在使用平面工具路径的熔融沉积建模3d打印中，两种类型的填充图案是常见的，并且其还可以用于打印3d工具路径：(1)方向平行填充，其使用短的平行线段填充外部部件轮廓的内部；和(2)轮廓填充，其连续偏移外部部件轮廓以填充内部。通过改变这些线段之间的空间可以改变材料的密度，从而产生可以从稀疏、适中到完全密集的填充。

所述机械臂102和构建平台106的多个运动轴允许打印不只是朝向单个构建平面的部件。如果需要的话，使用在打印过程中变化的构建平面，这允许被打印的3d部件利用重力来支撑。利用重力来打印3d部件减少或消除了对考虑和补偿重力影响的支撑结构的需求。这减少了构建部件的时间，并减少了部件的后处理时间。机械臂102和打印头104的使用还允许在所述构建基板的朝向改变时倒置打印，其中，所述打印头挤出可以在构建过程的至少部分期间抵抗重力。

有利的是，所述机械臂102和所述构建平台106的多个运动轴可以利用复杂的工具路径来打印3d部件，包括用于多达整个部件的单个连续3d工具路径。单个3d工具路径(例如本实施例的多轴系统100中可用的那些)用于减少传统的增材制造类型打印的问题，例如阶梯式(层间混叠)、接缝、支撑件的要求，以及类似的。此外，不需要将要构建的部件切割成全部打印在同一平面中的多个层，所述部件的几何形状就可用于确定打印的方向。因此，部件强度和一致性得到了改善，并且由于更有效和连续的工具路径而缩短了构建时间。所述部件可以足够精确地印刷，不需要进一步铣削或制造，也称为“近净”打印。连续的工具路径还用于提高熔融树脂流过挤出器的一致性和准确性，因为挤出器不必启动和停止。

虽然可以利用单个连续的3d工具路径来打印一些部件，但是所述多轴系统也可以利用平面工具路径来打印3d部件，以及利用3d工具路径和平面工具路径/2d工具路径的组合来打印3d部件。此外，所述系统100可以打印中空的部件、稀疏填充的部件和实心的部件。当利用平面或2d构建路径时，利用hopkins等人的第8,349,239号、第8,974,715号和第9,724,866号美国专利中所公开的工具路径和方法，可以最小化正在打印的3d部件的周边中的接缝。与典型的基于挤出的增材制造系统相比，本系统100提供必要的性能和灵活性来打印各种3d部件，同时提高挤出流率、减少构建时间和更大的构造包络。

本公开的实施例使用热管理来沿着工具路径进行打印。在一个实施例中，利用将打印头前方的工具路径进行局部预加热。使用局部预加热操作能够消除控制热室环境或降低构建环境中的温度。在一个实施例中，利用预加热器120进行局部预加热。在一个实施例中，预加热器120被放置在所述打印头104上、前面或附近，以在所述打印头前面的3d部件的先前打印部分上提供工具路径的局部预加热。在另一个实施例中，鉴于打印区域，预加热器120被放置为远离所述打印头，而放置在诸如框架等的位置。使用合适的预加热设备(示例性地包括但不限于激光预加热、热气体预加热、感应预加热、微波预加热和超声波预加热)，可以使用预加热器沿着3d部件的先前打印部分的工具路径进行局部预加热。应当理解的是，在不脱离本公开范围的情况下，鉴于打印头和工具路径，预加热器120可以放置在别处，例如放置在第二机械臂上或类似的之上。预加热用于将要在其上打印新材料的中间部件表面(例如沿着第一部分或者所述第一部分上的第二共形打印部分的单个工具路径)加热到足以使材料良好地粘附到现有材料。可以通过这种多层加热处理来控制部件强度。可以对正在构建的部件的任何部分进行预加热，包括其第一部分和第二部分。

根据被挤出的珠粒的尺寸和机械臂102上的打印头的速度，由预热器120传递给部件的热量和热量渗透到部件的深度可以变化。例如，当以较小的珠粒以相对快的速度移动时，热量被传递到部件的表面而不会显著地渗透到先前的打印层中。当热量进入部件的渗透最小化时，刚挤出的材料可能需要冷却，也可能不需要。然而，当以较慢的速度挤出较大的珠粒时，所述热量趋于渗透到被打印的部件中。随着时间的推移，如果热量没有从正在被打印的部件中移除，则热量将累积，从而导致所述部件变得遇热不稳定并变形。

可以自定义沉积后快速冷却，以将先前提供的(无法快速冷却的热的大珠粒的，或局部预热的)热能量移除到局部区域，以将局部区域温度恢复到其预热前的原始区域温度；实质上，快速将局部热能输入“重新平衡”，以避免部件变形。在本发明创造中可以提供局部冷却，利用包括冷却气体的冷却流体或相变成气体的冷却液体，例如但不限于液氮。在一个实施例中，通过安装在所述打印头附近的冷却风扇130来将周围空气移动到刚打印的部件材料上。在一些实施例中沿着一些工具路径，也可以采用局部冷却，因为在打印头的另一次通过工具路径的先前部件之前，单个的工具路径越过所述部件300的区域，而该区域没有足够的时间自行冷却。在一个实施例中，局部冷却是基于已知的工具路径和几何形状，因为一些几何形状在工具路径返回之前更可能不会充分冷却。在沉积新的珠粒或路径之前对先前的路径进行局部预热，然后通过后冷却以快速循环方式随后移除该预热能量，这可以显著提高z方向上层的附着力，同时不会增加部件变形。

打印方法包括在第一现有部件部分的顶部上打印部件的附加部分，并且在一些实施例中沿不同的轴打印。例如，使打印轴(例如z轴)与和现有层共形打印的固体材料层相交，提供了创建强结构的能力。

应当理解的是，本公开的实施例可以使用受控的构建环境，而不是非烘箱环境。然而，在许多打印应用中，局部加热和冷却以提供热管理是可接受的。当挤出体积率和制造外形变得更大，受控室冷却并不总是可行的。

本公开的实施例适用于复合打印材料。复合材料在各种工业中的使用正在增加，因为复合材料可以提供超过金属或其他材料的许多益处。复合材料的重量通常小于由钢等制成的传统部件。在一些工业中，例如但不限于运输、石油和天然气以及医疗，复合材料可用于制造坚固而轻质的结构。然而，先前的增材制造系统受到劳动密集型工艺和几何限制的约束。

如本公开的实施例所提供的，用复合材料打印提供了较低的部件重量，这直接变成了降低燃料消耗、降低操作成本等。复合部件的打印可以自定义而无需昂贵的再加工、组装整合、拓扑改进，由于减少工具费用和废料因此其可以降低总体部件成本，其可以省去用于库存的寿命部件购买等。用于打印的复合材料的性质允许打印具有减少的旋度和增加的强度。在不脱离本公开范围的情况下，如果本发明创造的实施例利用热塑性塑料进行3d打印，则可以采用经温度控制的旋度补偿。本文不再进一步讨论旋度控制。

当复合材料中具有纤维含量，例如短切纤维、短纤维、中纤维和完全长的连续纤维，复合材料还提供打印增强部件的能力，所述纤维含量在挤出之前或挤出过程中掺入热塑性材料中。利用复合材料和所提供的多轴机器人构建系统100，可以实现真正的近净3d打印。例如，沿着单个工具路径使用控制挤出，可以在打印头104的几乎任何方向上进行打印。此外，打印可以被配置为向部件提供额外的强度，因为纤维的位置可以被配置用于所述部件的不同部分，或者用于所述部件的不同子结构。

在一个实施例中，由机器人运动的cad系统生成的工具路径的整体被转换为生成的运动路径的挤出协议。也就是说，一旦生成机器人运动路径，则使用挤出控制来调整打印参数，以沿着生成的连续工具路径正确地打印。这些参数示例性地包括但不限于打印速度、挤出速率等。

图2是系统100的一部分的近视图，其示出了轴线图200，其中箭头202和204分别表示所述构建平台106围绕z轴和x轴的旋转。所述多轴机械臂102和所述多轴构建平台106的使用允许被打印的部件的方向依赖于重力，以代替至少一些打印的支撑材料。具体地，利用所述多轴构建平台106，可以定向被打印的部件，使得打印所述被打印的部件的特征，从而减少由于缺乏支撑件而导致下垂或失败的可能性。当气流源指向新沉积的工具路径区域时，所述部件将更快地冷却并且还能够更快地制造复杂形状。下面描述的使用诸如系统100的系统打印部件的示例，包括但不限于使用一个或多个连续的三维工具路径打印的中空部件、一部分使用3d工具路径打印而另一部分使用平面路径打印所打印出的部件。所示出的3d部件实际上是示例性的而非限制性的，其中本系统100可以打印实心的部件、中空的部件、稀疏填充的部件及其组合。在典型的熔融沉积建模型打印系统中，需要支撑件的一些热塑性近净部件甚至可能不需要定向来解决重力，而是在无需使构建平台106倾斜的情况下可以直接利用机械臂102的运动来打印。

图3示出了在构建部件300的过程中的多轴机器人构建系统100。在该实施例中，部件300构建在构建平台106、延伸部分110和构建板310上。所述构建板310可移除地附接于所述构建平台106，例如，通过comb等人的第5,939,008号美国专利中所公开的吸附力粘附。所述构建板310提供可移除的基板，在所述基板上构建部件300。其他打印基础是已知的并且可以用于代替片基板，例如构建基板，其可以是dunn等人的第7,127,309号美国专利中所公开的托盘基板，其由塑料、瓦楞纸板或其他合适的材料制成，并且还可以包括柔性聚合物膜或衬里、画家的胶带、聚酰亚胺胶带或其他一次性制造，以将挤出的材料粘附到所述构建平台上106。

在一个实施例中，部件300具有连续的3d工具路径。也就是说，可以使用单个工具路径而不是一系列切片层来打印部件300的一部分或全部。例如，打印可以是螺旋形图案，具有逐渐增加的高度，然而是从印刷头104单次连续挤出材料来打印的。例如，为了打印部件300，所述机械臂102可以移动而且所述构建平台106可以静止不动。然而，所述构建平台106可以旋转x-y平面，逐渐增加z。

可以理解的是，所述机械臂102和构建平台106的运动组合可以用于打印部件或打印改变构建方向的部件，包括在不使用支持结构的情况下打印通常使用支持结构的部件。还可以理解，基于部件几何形状，挤出速率的变化可以与所述机械臂102或者所述构建平台106的运动同步，或者与所述机械臂102和所述构建平台106两者同步，以精确地打印近净部件。

通过沿着所述构建平台106的多个轴运动以及沿着所述臂102的运动轴运动来将正在被打印的部件定向在特定选择方向的能力，使得本公开的实施例可以沿着多个轴打印部件，包括沿不同方向定向的轴，例如但不限于彼此垂直的轴。这些不同的轴以及使用复合材料(例如包含连续纤维或已知纤维方向的复合材料)可以打印具有更高连续性和更高强度的部件。也就是说，在本公开的实施例中，部件的第一部分可以沿着一个轴(例如x轴)在已打印材料的位置打印，并且相同部件的第二部分可以沿着第二轴(例如z轴)在已打印材料的位置打印。更进一步地，本公开的实施例提供了沿着不同的轴在已经铺设的材料上共形地打印材料层的能力。

图4示出了在打印部件300的第一部分302之后进一步打印部件300，在该实施例中所述部件300包括圆顶形部分。在该实施例中，部分302形成有单个3d工具路径打印操作。该部分302之上的工具路径的一端306如图5所示。在打印部件300的第一部分302之后，所述构建平台106围绕x轴旋转，以允许打印部件300的第二部分304。在一个实施例中，第二部分304是一系列肋，其打印方向基本上垂直于所述第一部分302的打印方向(参见图5和6中部件300的额外视图)。本公开的实施例允许沿着一个轴打印部件的第一部分，然后沿着与第一部分302不同的第二轴共型打印部件的第二部分的这种类型。部分304到部分302的共形打印是沿着部分接触边缘308的。接触边缘308是部分304沿着其最初共形打印到部分302的边缘。

本领域技术人员将理解，添加在所述部件的先前构建部分上的部件的第二部分通常温度不同，因此在粘附方面也存在挑战。通常如本文所述使构建空间进行温度控制以允许两个部分之间的牢固粘附。通过在第一部分302上正在打印的第二工具路径部分304的材料沉积之前使用局部预加热源(例如，预热器120)，给所述第二部分304沿着工具路径进行表面预热或退火。本领域技术人员将认识到，虽然本文描述了从预加热到打印的一些时间和/或距离范围，但是不同的材料将具有不同的温度、加热速率和冷却速率，时间范围的确定取决于材料，并且这种确定在本公开的范围内和本领域技术人员的技能范围内。

图5-8示出了使用本公开的设备和方法实施例打印的代表性部件。

图5和图6示出了部件300的进一步细节。在一个实施例中，第一部分302的工具路径是单个工具路径。在一个实施例中，第二部分304的工具路径是单个3d工具路径。在部件的一部分的单个3d工具路径打印操作中，所述部件的一部分通常包括在增材制造系统中需要在多个切片层中打印的部分，整个部分以单个路径打印。例如，在所述部件300中，部分302在箭头320指示的一般轴上打印有单个3d工具路径。然后，在打印部分302之后，在不同的单个工具路径打印操作中将部分304共形地打印到部分302。部分304在箭头330所示的一般轴线上打印。然而，应该注意的是，这些部分的某些部件可以沿同一轴线打印。真正的3d打印的本质允许这样的打印，因为机器人的六个运动轴，辅以所述机器人或构建平台的附加运动来扩展运动范围，这允许相对于先前挤出的材料在不同方向上打印，包括将部件的共形部分打印到所述部件的现有部分上。

参见图7a和图8，部件700a以与部件300类似的方式打印，其中第一部分702首先使用螺旋形的单个3d工具路径打印，使用所述机械臂102、印刷头104和构建平台106打印，使得所述部件700a相对于所述轴线图710定向。在完成第一部分702的打印之后，第二部分704被打印在所述第一部分702上并在接触边缘708处开始与所述第一部分702共形地打印。在一个实施例中，打印部件700a的第二部分704，其中部件700a沿着x轴倾斜，所述打印头104沿着旋转的z轴以螺旋形式打印单个工具路径中(例如，如轴线图810中所示，围绕x轴旋转，以将zrotated轴围绕x轴相对于zoriginal轴对准90度)，同时所述部件700a围绕所述原始z轴旋转。当到达路径的表观末端706时，所述打印头104在原始x轴(现在是z轴)上被索引，而不需要重新对准所述打印头，并且在单个工具路径上的打印继续返回到所述部分704刚刚打印的部件。这样，所述表观末端706不是所述工具路径的一端，而是在打印继续时仅是工具路径的一部分。

参考图7b，所述部件700b以与所述部件700a所描述的类似方式打印，其中第一部分702和第二部分704利用连续的3d工具路径构造。所述部件700b包括由多个平面层712构成的基本上实心的基部。每个层包括围绕所述基部的周边挤出成的边界714和利用光栅工具路径716填充的基本上实心的内部区域。使用hopkins等人的第8,349,239号、第8,974,715号和第9,724,866号美国专利中所公开的工具路径和方法，可以将正在打印的3d部件的部分的边界714处的接缝最小化。

图7b示出了所述系统100可用于使用连续的3d工具路径、平面工具路径及其组合来打印部件的各部分。所述部件或所述部件的各部分可以是中空的、稀疏填充的和/或实心的，这取决于被打印部件的几何形状和特征。

根据本公开的实施例，打印部件的方法包括使用机械臂沿着单个工具路径打印部件，在打印之前，沿着所述单个工具路径进行控制挤出和进行所述工具路径的局部预加热，其中，所述机械臂能够在构建平台上在六个轴上移动，所述构建平台能够在至少两个轴上移动。在所述部件的第一部分上进行共形打印所述部件的第二部分，包括在不同于所述第一轴的第二轴上打印。共形打印意味着至少所述第二部分的第一层与所述第一部分的表面一致。

本公开的方法包括对准所述部件的部分的构建方向，随后沿着不同的轴线对准所述部件的另一部分的构建方向，并根据工具路径、工具速度和图案控制挤出。

根据一实施例，打印包括分析要构建的部件的几何形状，基于所述几何形状的分析选择打印轴以沿单个工具路径或多个工具路径构建。这样，将打印期间所述部件的方向控制成依赖于重力，从而不需要通常用于打印部件的支撑件。

根据本公开的实施例，可以使用所述打印头104以任何方向进行打印，包括倒置。这允许所述部件的几何形状被用于确定所述构建平台在打印期间相对于所述打印头的方向。在构建期间，直接在已挤出材料的附近使用诸如周围空气流或冷却空气流(或其他气体)的冷却流体或使用在工艺温度下转变成气体的冷却流体(诸如液氮)可能是有利的，例如通过如上所述的风扇130进行冷却。较高的气流或其他强制气体可以使形状更快地凝固，这些形状通常在构造期间抵抗重力。使用冷却流体还允许更高的挤出速率，因为被打印的部件保持在遇热稳定的温度。

利用沿着所述工具路径进行预加热，然后挤出材料将热量传递到局部区域的部件中。所述冷却流体可用于从所述局部区域移除热量以对所述部件的打印进行热管理。

在任何方向上使用打印头104进行打印，允许用正在被打印的部件的几何形状来确定打印路径。也就是说，使用多个切片层来打印部件的传统逐层打印可能导致所述零件需要大量支撑件的情况，或者其中，所述逐层方法导致零件没有足够的结构形式来达到其目的。此外，由于支撑结构不能提供适当的支撑，或者由于成品部件不能满足质量标准，复杂的部件可能很难在传统的逐层打印工艺中进行打印。

例如，更复杂形状的近净部分，例如图9中的横截面所示的部件900，当使用传统的逐层方法打印时，非常耗时且依赖于支撑件。在部件900的逐层打印方法中，所述部件900是细长的管状构件，例如消音管或其他弯曲的中空管，逐层打印方法将所述部件切割成层线902所示的多个层。对于每个层，从所述部件的底部904开始，部分906示出了实际部件900的部分。在后面层的高度处，对于所述部件的后面部分还必须沉积支撑结构。支撑结构在底部904处的第一层的部分908处以交叉阴影线示出。支撑结构908用于支撑所述部件900的稍后将在逐层打印过程中打印的部分，例如部分910、912和914。通常使用不同的材料打印支撑结构，因此部件900的底部904处的第一层将打印有用于部分906的部件材料，并且具有用于部分908的支撑材料。

通常通过更换所述打印头来实现部件材料和支撑材料之间的改变，在可以开始打印支撑材料之前，这涉及将所述打印头一次或多次从所述部件移开，更换打印头本身，从新的打印头清除材料以及将所述新的打印头安装到所述部件。对于每一层，进行至少一次打印头的更换以及所有相关操作。对于部件900的几乎每一层，可以看出均需要打印部件材料和支撑材料。这增加了打印时间、材料成本以及后处理时间和费用。此外，特别是在910和912示出的层处，所述打印层不遵循在打印中最重要的部件900的轮廓。也就是说，在部分910和912处，部分材料层在该部分处基本上平行于所述部件900的纵向轴线。这可能导致在所述部件边缘处的阶梯(层间混叠)问题，以及降低所述部件900的整体强度和质量。

诸如部件900之类的部件，当被切片用于增材制造时其难以以近净方式使用平面工具路径来适当地制造，例如其具有阶梯式(层间混叠)和强度的问题。根据本公开的实施例，例如该部件可以使用3d连续工具路径来打印以在整个过程中具有一致的强度。图10示出了使用系统100的打印部件900的实施例。本公开的实施例允许在没有支撑结构的情况下打印相同的部件900，如图10所示。此外，由本公开的实施例实现的所述单个3d工具路径允许构建具有一致纵向强度的部件900，因为所述打印头的螺旋工具路径可以始终与材料沉积在结构上的合理方向一致。在图10中，所述多轴机器人构建系统100从其底部开始打印部件900，并使用单个的螺旋工具路径跟踪部件900的外部，并沿管状部件的纵向轴线对齐。如图10所示，所述区域912正在被打印，其中打印头104的工具路径减少或消除了阶梯(层叠混叠)和支撑件，从而用更少的材料并沿着其几何形状更快地打印所述部件900，以使所述部件900连续和牢固。使用打印材料中的纤维的排列和取向以及复合层，本公开的实施例可用于改变正在打印的部件的强度，从而给大多数几何形状提供均匀和一致的强度，或者通过改变构造图案、密度或组成来具体改变部件内部的强度或柔韧性。

根据本公开的实施例，容易构建的另一代表性部件例如是具有垂直于部件表面的内部网格结构的部件。使用所述机械臂和构建平台之间的八个运动轴，本公开的实施例允许打印这样的部件。可以使用本公开的方法和设备实施例打印的部件，不适于使用标准熔融沉积建模技术和机器进行打印，示例包括飞机机翼的翼尖，例如在其末端向上弯曲的部分，其需要结构牢固，其通常在机翼的内部结构内包括蜂窝格子，所述格子结构在一个特定的方向排列到机翼的内部部分。

图11示出了当前逐层熔融沉积建模打印技术的限制。部件1110示出了在应力点和断点周围具有应力和强度要求的部件。金属部件提供适合使用的强度和应力性能，如部件1120所示。复合层压件1130也通过了应力和强度测试。用逐层挤出工艺打印的部件1140和1150，其中多个层是沿着部件1140中的箭头1142和沿着部件1150中的箭头1152打印的，其未能通过应力或强度测试中的一个并通过了另一个测试。当前熔融沉积建模打印系统的逐层打印模型受限于单个构建平面，并且不允许通过沿多个轴或多个构建平面打印来优化部件质量或构建过程。然而，使用本公开的实施例,使用沿箭头1162所示的所有方向行进的工具路径沿着多个轴打印的部件1160，提供了可以通过强度和应力测试的完整部件，因为本公开的实施例能够对齐复合材料和打印方向以提供满足要求的强度和应力参数。

在有或没有局部冷却的情况下,以多个自由度进行打印还允许使用窄的、点对点的支撑结构。例如，图12示出了分别固定在部件1200和支撑表面1210之间的支撑结构(1202)，和固定在部件(1204)上不同点之间的支撑结构。诸如1202和1204的薄支撑结构在逐层打印操作中是不可能的。这种薄的支撑结构可快速打印，并且不要使用与传统支撑结构一样多的材料。例如，可以使用诸如1204的中间件结构来减少部件的部分的压缩或下垂，而不需使用从构建平面构建的完整的传统支撑结构。

本公开的实施例适用于在烘箱外部或其他受热外壳外部进行打印。图1的实施例显示在非烘箱环境中。在不限于炉的打印环境中，例如在烘箱外打印，未完成部件的平衡温度大致等于环境温度。与烘箱内的打印不同，这可以显著减少窗口，在该窗口中可以实现新材料与先前打印材料的粘合以及其他构建特性。

然而，诸如沿着工具路径局部加热先前打印的部件的部分，然后沿着所述工具路径挤出材料以增加材料层之间的粘合的印刷技术，可以在加热的构建环境中使用，包括构建室。另外，可以利用沿着工具路径对最近挤出的材料进行局部冷却，以保持被印刷部件的热稳定性。

本公开的实施例对部件的部分进行预加热，例如使用激光系统、气体喷射系统，或激光系统和气体喷射系统的组合。再次参考图1，选择性地，所述加热器120可以是如本文所讨论的预加热气体喷射器、激光加热器或其组合。使用预加热，可以增强部件打印所需的构建性能和粘合性。这样的增强使得部件的非烘箱构建与烘箱内构建质量相似或更好。此外，这种增强使得新的材料系列能够用于非烘箱部件构建。

当使用激光预加热器完成预加热时，在材料的新珠粒沉积之前或之前不久，将加热能量施加到先前打印层的小区域。在一个实施例中，这预加热了在新层和前一层之间共同的界面的较冷侧，并且提高了新层和前一层之间的粘附。这种预加热还能够使用高温材料，否则这些高温材料本身不能很好地粘附在自身上或根本不能粘附在非烘箱环境中。

在一个实施例中，可以使用激光元件阵列。在本公开的实施例中，使用预先计算的和已知的工具路径以及层平面形状，可以使用这种激光元件阵列来代替单个激光源。在这样的配置中，可以连接整个激光器阵列的各个元件以仅在需要时施加激光加热。这可以防止相邻工具路径过热，特别是在紧密封装的光栅图案中，打印头在一段时间内快速返回到部件上几乎相同的位置，这通常不能完全冷却。此外，通过改变激光功率，可以控制从预加热获得的粘附量。由于激光能量不受特定最高温度的限制，激光预加热仅受限于用于打印的聚合物化合物在产生降解之前可达到的最高温度。

当使用气体喷射器完成预加热时，聚焦的高速高温空气流将热量引导到沉积路径上，例如，引导到打印头的正前方。可以获得对激光系统的类似能量输入。但是，最高温度可能会受到限制。也就是说，可以在特定温度下引入热气体，并且不存在部件温度超过气体温度的风险。在一个实施例中，气体的选择是惰性气体。可以使用空气或其他气体，这取决于预加热所需的温度。在一个实施例中，通过使用除空气之外的气体(惰性气体)，可以实现比在基于环境的局部空气中更高的温度，这是由于在惰性环境中聚合物降解的可能性降低了。

此外，根据气体喷射预加热器的设计和性能，也可以在不同温度下使用不同的气体或相同的气体来使用这种喷射器，以在打印前或打印后提供冷却。还可以提供大量气体喷射器，允许同时进行定向控制的加热和冷却。通过使用室温或较冷的空气/气体的气体喷射器或气体喷射器阵列来施加强制对流，可以在挤出之前或之后立即快速冷却材料珠粒。其他流体也可用于冷却先前沉积的材料，包括但不限于液氮。例如后冷却使得大的珠粒直径挤出可以采用短的回程时间，例如后冷却使得光栅图案减少了打印部件所需的时间，特别是与预加热相结合时后冷却使得过渡距离增加、定制的附着力，以及后冷却可以控制材料形态。例如，预冷却能够在部件内的特定点处的部件中生成薄弱点或故障点，例如通过降低粘附力。

在一个实施例中，珠子预冷却允许待打印的部件在所述部件内的特定点处具有有目的地破坏粘附性的能力。例如，这可以用于将故意弱粘附的区域引入到部件本身中，例如通过将能量引导到特定的故障位置而不是物体的另一个更关键的区域来减轻故障是必要的。此外，它可以用来定位局部区域，以便在构建之后进行捅破，例如未来的孔。此外，例如，这可以用于减少物体与另一要用作支撑件的模型构建之间的粘附。在一些构造中，模型材料将充分粘附到先前打印的材料上。然而，通过在沉积之前有意冷却部件的一个表面，共用界面将不会达到良好粘附的最佳温度。这允许在这些模型处形成定制的附着力以作为支撑件界面进行建模。

在沉积之前对部件的一部分或工具路径的一部分进行局部预加热允许在3d打印操作中使用多种不同的材料。通过在非烘箱环境中短时间内预加热材料的小深度，而不是将整个物体保持在炉中的高温下，则多种材料可以一起打印。在一个实施例中，这通过将两种材料中的一种材料进行局部预加热到两种材料中的第二种材料的相容温度范围来实现，这使得能够在其他不可用的温度范围内产生粘附，例如在烘箱中打印时使用的温度。在相同的部件中从一种热塑性材料更换到另一种热塑性材料通常在温度受控的烘箱环境中是不可行的，因为每种材料需要与其材料熔融特性相关的特定构建温度范围。通过预加热和/或预冷却利用局部构建温度控制，可以在构建中间更换材料沉积。仅作为示例而非限制，在烘箱外的实施例中，局部预加热还允许在支撑材料上打印弹性体，两者都在不同的温度范围内充分粘附。由于温度局部升高，温度控制可在短时间内完成，从而保持部件稳定性。

在一个实施例中，将增材添加到打印材料中以改变对能源的接受程度。增材示例性地包括但不限于炭黑和/或染料。在一个实施例中，使用增材来产生在某些条件下以某些方式起作用的打印材料。增材的使用进一步简化了在同一部件中使用不同材料。例如，这种材料调整允许某些波长的激光能量对不同材料具有不同的影响。例如，当激光源以目标打印材料吸收能量的波长发射能量时，所述材料可以不同地响应不含增材的基础材料。

在一个实施例中，激光预加热源的发射波长是已知的，并且通过使用增材对待打印的材料进行改性，例如使用增材来使材料对加热能源的接受或抑制范围不同。例如，这种改性使材料调整成在特定波长或波长范围吸收或抑制能量。通过使用增材，可以对可见光波长、红外波长、紫外波长等进行调谐。例如，材料对各种波长能量的响应取决于各种物理和化学特性。不同的材料对不同的增材也有不同的响应，并且可以允许进一步调整。例如，增材可用于控制打印材料的吸收率、控制打印材料的电导率、控制打印材料的比热容等。因此，通过辅以局部预加热和预冷却，材料的调整允许具有不同熔化和粘附温度的材料在烘箱外的配置中连接。

进一步的实施例使用局部预加热和/或预冷却来确定部件或者部件的一部分的部件特征。例如，根据部件结构、最小回程时间、打印珠粒尺寸等，预加热和/或预冷却可以使残余应力局部化。例如，可以内置预应力点，或者可以使用预/后加热和冷却通过调节珠粒的温度分布来减少残余应力，例如，延长小珠粒的冷却时间，和/或减少大珠粒的冷却时间。在烘箱构建中无法做到这一点。

虽然在一些实施例中将预加热器和后加热器以及预冷却器和后冷却器显示在所述打印头附近，但应该理解的是，预加热器和后加热器以及预冷却器和后冷却器的放置在本公开的范围内是可以更改的。

最小回程时间是指在一层上的一点处沉积珠粒与在下一层上的相同点处沉积珠粒之间的时间。在部件构建期间，通过传导和对流将热量分别从沉积的珠粒转移到先前的层和环境中。对于小的珠粒直径和足够大的部件，新材料沉积在顶部时，来自新沉积的珠粒的热量被充分地转移掉。

最小返程时间以及增加的制造挤出速率成为小元件和近净部件生成的因素，其中对于大的珠粒尺寸，树脂没有时间在下一层沉积之前将足够的能量转移到其周围环境中。实际上，对于足够小的元件或大的珠粒尺寸，部件内的温度失控是可能的。在这种情况下，先前层中的温度随着重复沉积而增加。这导致最新层的冷却越来越慢并且先前层有可能移动，这些层其自身沉积之后应该保持有效地锁定成形。在一些打印机中，人为地延长返程时间以确保在沉积新层之前先前沉积的层充分低于临界温度。

然而，对于携带比小珠粒大得多的热质量的大珠粒，这可能是行不通的。对于非常大的珠粒直径，无论元件尺寸如何，最小返程时间从几十秒长达几分钟，这大大增加了总构建时间，特别是对于小到中等尺寸的元件。这些大直径珠粒不仅需要很长的冷却时间，而且它们还可能留有足够长的可移动时间，使得它们在固化之前会在自身重量下变形和下垂，从而再次导致失败。快速冷却大直径珠粒允许大直径珠粒的使用，这扩大了珠粒的范围和元件尺寸。

本公开的实施例通过快速局部冷却来抵消热量的累积。通过在沉积后不久快速移除热量(在一个实施例中为特定量的热量)，减少了所述最小返程时间，这允许快速构建小元件和使用大直径珠粒，最终减少了构建时间同时减少了潜在的部件故障或非故障失真。在一个实施例中，移除的热量足以冷却部件以防止变形，但不足以防止粘附。

在一个实施例中，在存在局部冷却的情况下，也使用局部加热。由于局部加热促进了粘合，局部冷却会抑制粘合。因此，在沉积之前的局部预加热允许增加粘附，并且局部快速冷却锁定珠粒形状并减少最小返程时间。

与吹入环境空气的风扇相比，使用气体喷射器进行后冷却使得无支撑的珠粒区域或下面的珠粒区域的桥接距离可以比烘箱内打印环境的更大。使用更有效的气体喷射冷却，珠粒可以更快地固化，从而进一步延长桥接距离。对于桥接，对即将进行的接合点应用预加热，以便在桥接部位处保持足够的粘附力。大直径珠粒具有较大热质量并比薄珠粒冷却更慢，快速冷却大直径珠粒的能力允许减少最小返程时间并增加部件的完整性。这使得当前支撑结构以及新类型的支撑结构(如本文所述的固定支撑件)的使用和构建时间更少。

对于半晶状聚合物，或对于包含半晶状聚合物的合金，相对结晶度是温度和温度变化率的函数。通常，较慢的冷却过程产生比较快的冷却过程更多的相对结晶度。一个后冷却实施例通过其结晶范围快速驱动最近挤出的材料，使其与冷却更慢的材料相比为相对非晶状。相反，例如，使用预加热器(例如激光预热器、气体喷射预热器或它们的组合)的后加热，所述材料可以在更高的温度下保持更长时间，从而能够形成更多的微晶。

图13是使用增材制造系统打印3d部件的方法1300的流程图。方法1300包括在方框1302处沿着第一3d工具路径打印部件的第一部分。在方框1304处沿着第二3d工具路径将所述部件的第二部分共形地打印到所述部件的所述第一部分的表面。

图14是使用多轴机器人构建系统打印3d部件的另一方法1400的流程图。方法1400包括在方框1402处沿着3d工具路径使用挤出器打印部件，所述挤出器安装在在六个自由度移动的机械臂上。在方框1404处，在打印过程中，根据所打印部件的几何形状定向所述部件，所述部件独立于所述机械臂的运动。

图15是烘箱外打印3d部件的方法1500的流程图。方法1500包括在方框1502处在具有六个自由度的机械臂上提供挤出器，并且在方框1504处提供可在两个旋转轴上移动的构建平面。在方框1506处，沿第一三维工具路径挤出所述部件的第一部分。在方框1508处，沿着第二3d工具路径将所述部件的第二部分共形地挤出到所述部件的第一部分的表面上。挤出所述部件的第二部分包括在工具路径的该部分上挤出之前，对所述部件的所述第二部分的第二3d工具路径的部分进行局部预加热。

图16是打印3d部件的另一方法1600的流程图。方法1600包括在方框1602处挤出所述3d部件的一部分，并且在方框1604处对所述工具路径的一部分进行预加热，沿着该部分打印3d部件的下一层。在方框1606处，沿着预加热的工具路径挤出附加的部件材料，以增加新挤出的材料与先前挤出的材料之间的粘附力。

虽然本公开的实施例描述了多轴打印系统，但应当理解的是，本公开的实施例也可以用于增材制造工艺和减材制造工艺。本公开的设备和方法的实施例，使用具有定位器、支架、门架等的机器人的组合以沿着单个工具路径或多个单个工具路径根据待打印部件的几何形状调整打印过程，从而提供了真正的3d打印过程，包括将部件的部分共形地打印到所述部件先前已打印的部分上。