CN102548738A - 用在基于挤出数字化制造系统中的具有地形表面图案的消耗性料材 - Google Patents

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Abstract

一种用在基于挤出的数字化制造系统(10)中的消耗性料材(34),所述消耗性料材(34)包括地形表面图案(40),所述表面图案(40)构造为与基于挤出的数字化制造系统(10)的驱动机构(56)接合。

Description

用在基于挤出数字化制造系统中的具有地形表面图案的消耗性料材
技术领域
本发明涉及用于构件三维(3D)模型的直接数字化制造系统。尤其是,本发明涉及用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材,例如建模和支撑料材。
背景技术
基于挤出的数字化制造系统(例如由明尼苏达州伊甸草原市的Stratasys,Inc.开发的熔融沉积建模系统)用来通过挤出可流动的消耗性建模料材以逐层的方式根据3D模型的数字化表示构建3D模型。通过由挤出头承载的挤出尖端挤出建模料材,并按照一定顺序的路线将建模料材沉积在x-y平面内的基板上。被挤出的建模料材与先前沉积的建模料材熔合,并在温度下降时凝固。随后,挤出头相对于基板的位置沿着z轴线(垂直于x-y平面)逐渐增加,且随后重复该过程,以形成摹写所述数字化表示的3D模型。
根据表示3D模型的构建数据,在计算机的控制下,执行挤出头相对于基板的运动。构建数据通过首先将3D模型的数字化表示划分成多个水平切片层而被获得。随后,对于每个切片层,主机产生用于沉积建模料材的路线的构建路径以形成3D模型。
在通过沉积建模料材层而制造3D模型时,支撑层或支撑结构通常构建在悬空部分的下面或在建对象的腔中,悬空部分或腔没有被建模料材自身支撑。支撑结构可以采用与沉积建模料材相同的沉积技术构建。主机产生额外的几何构型作为被形成的3D模型的悬空或自由空间段的支撑结构。随后在构建过程中,根据所产生的几何构型,从第二喷嘴沉积消耗性支撑料材。在制造过程中,支撑料材粘结到建模料材上,在构建过程完成时可以从完成的3D模型上去除支撑料材。
发明内容
本公开的一个方面针对一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材。所述消耗性料材具有长度和沿所述长度的至少一部分的表面图案,所述表面图案构造成接合基于挤出的数字化制造系统的驱动机构。对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,地形表面图案为消耗性料材的外表面的至少一部分提供大于2的分形维数。
本公开的另一个方面针对一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材,所述消耗性料材包括成分以及几何结构,所述成分包括至少一种具有无定形特性的料材。消耗性料材的几何结构具有长度、沿所述长度延伸的外表面以及沿长度的至少一部分形成在外表面中的多个轨道,其中对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,所述多个轨道为外表面提供大于2的分形维数。
本公开的另一个方面针对一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材的形成方法。所述方法包括提供挤出的消耗性料材前体,所述前体具有长度和沿所述长度延伸的外表面,其中被挤出产品由无定形料材形成。所述方法还包括沿所述长度的至少一部分在外表面中形成地形表面图案,其中地形表面图案的至少一部分构造成与基于挤出的数字化制造系统的驱动机构接合。对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,所述地形表面图案为外表面提供大于2的分形维数。
附图说明
图1为用具有地形表面图案的消耗性料材来构建3D模型和支撑结构的基于挤出的数字化制造系统的正视图。
图2为具有包括矩形轨道的地形表面图案的圆柱形细丝的一部分的透视图。
图3为圆柱形细丝的一部分的侧视图。
图4为图3中截取的4-4部分的截面图。
图5示意性示出与挤出头子组件一起使用的圆柱形细丝,所述挤出头子组件包括具有驱动轮和惰轮的细丝驱动机构。
图6示意性示出与第一替代挤出头子组件一起使用的圆柱形细丝,所述第一替代挤出头子组件包括带端口的液化器和具有驱动轮的细丝驱动机构。
图7示意性示出与第二替代挤出头子组件一起使用的圆柱形细丝,所述第二替代挤出头子组件包括有端口的液化器和具有带螺纹的转轴的细丝驱动机构。
图8为具有地形表面图案的第一替代圆柱形细丝的一部分的侧视图,所述表面图案包括两组矩形轨道。
图9为具有地形表面图案的第二替代圆柱形细丝的一部分的侧视图,所述表面图案包括交错的两组矩形轨道。
图10为具有地形表面图案的第三替代圆柱形细丝的透视图,所述表面图案包括抛物线轨道。
图11为具有地形表面图案的第四替代圆柱形细丝的透视图,所述表面图案包括蜗纹型(worm-type)轨道。
图12为具有地形表面图案的第五替代圆柱形细丝的透视图,所述表面图案包括波纹(corrugated)轨道。
图13为具有地形表面图案的带丝(ribbon filament)的透视图,所述表面图案包括矩形轨道。
图14为具有地形表面图案的第一替代带丝的透视图,所述表面图案包括有织纹(textured)轨道。
图15为具有地形表面图案的第二替代带丝的透视图,所述表面图案包括压印锉型(impressed file-type)轨道。
图16为具有地形表面图案的第三替代带丝的透视图,所述表面图案包括鲱骨型(herringbone-type)轨道。
图17为具有地形表面图案的第四替代带丝的透视图,所述表面图案包括链轮轨道。
图18为具有地形表面图案的第五替代带丝的透视图,所述表面图案包括面向边缘的矩形轨道。
图19为具有地形表面图案的第六替代带丝的透视图,所述表面图案包括面向边缘的链轮轨道。
图20为形成具有地形表面图案的带丝的方法的流程图。
图21为用于形成具有地形表面图案的带丝的挤出片的透视图。
图22为用于形成具有地形表面图案的挤出片的片挤出系统的示意图。
图23为用挤出片形成带丝的细丝生产系统的示意图。
具体实施方式
本公开针对消耗性料材,例如建模料材和支撑料材的细丝,其用在基于挤出的数字化制造系统中。消耗性料材具有地形表面图案,所述表面图案允许细丝驱动机构接合和驱动消耗性料材的连续部分至液化器内和/或通过液化器。如下面讨论的那样,具有地形表面图案的消耗性料材适合以更高的工艺可靠性和细部质量来构建3D模型和支撑结构。
图1为系统10的正视图,该系统为基于挤出的数字化制造系统,包括构建室12、台板14、台架16、挤出头18和供给源20和22。如下面讨论的那样,在构建操作期间,挤出头18构建成接收和熔化连续部分的建模料材细丝和支撑料材细丝(未在图1中示出),其中建模料材细丝和/或支撑料材细丝具有地形表面图案。用于系统的合适的基于挤出的数字化制造系统包括明尼苏达州伊甸草原市的Stratasys,Inc.开发的熔融沉积建模系统。
构建室12为封闭环境,包含台板14、台架16和用于构建3D模型(称为3D模型24)的挤出头18以及对应的支撑结构(称为支撑结构26)。台板14是其上构建3D模型24和支撑结构26的平台,并基于从计算机操作的控制器(称为控制器28)提供的信号沿垂直的z轴移动。台架16为导轨系统,构造成基于从控制器28提供的信号在构建室12内在水平的x-y平面内移动挤出头18。水平的x-y平面是由x轴和y轴(未在图1中示出)限定的平面,其中x轴、y轴和z轴彼此正交。在替代实施例中,台板14可构造成在构建室12内在水平的x-y平面内移动,而挤出头18可构造成沿z轴移动。可以使用其它类似的布置,从而台板14和挤出头18中的一个或两者可相对于彼此移动。
挤出头18被台架16支撑,用于基于从控制器28提供的信号,以逐层方式在台板14上构建3D模型24和支撑结构26。挤出头18包括一对细丝驱动机构和液化器(未在图1中示出),第一驱动机构构造成驱动建模料材的连续部分到用于熔化和挤出建模料材的第一液化器中。类似地,第二驱动机构构造成驱动支撑料材细丝的连续部分到用于熔化和挤出支撑料材的第二液化器中。
建模料材细丝可以通过路径30从供给源20提供到挤出头18。类似地,支撑料材细丝可以通过路径32从供给源22提供到挤出头18。系统10还可包括额外的驱动机构(未示出),所述额外的驱动机构构造成帮助从供给源20和22供给细丝到挤出头18。供给源20和22是用于细丝的源(例如绕线容器),并期望保留在离构建室12较远的位置。用于供给源20和22的合适组件包括Swanson等人的美国专利6,923,634、Comb等人的美国专利7,122,246、以及Taatjes等人的美国专利申请公开2010/0096485和2010/0096489。
在构建操作期间,台架16在构建室12内在水平的x-y平面中四处移动挤出头18,细丝被供给到挤出头18的细丝驱动机构。如下面讨论的那样,第一驱动机构期望地在建模料材细丝的地形表面图案处与建模料材细丝接合并施加轴向压力到建模料材细丝,希望在建模料材细丝和第一驱动机构之间不产生滑动摩擦。轴向压力驱动建模料材细丝的连续部分到第一液化器中,第一液化器热熔化连所述续部分。建模料材细丝的上游的未熔化的部分可用作具有粘性泵作用的活塞,以将熔化的建模料材从第一液化器中挤出而构建3D模型24。
类似地,第二驱动机构在支撑料材细丝的地形表面图案处与支撑料材细丝接合,并施加轴向压力到支撑料材细丝,还希望在支撑料材细丝和第二驱动机构之间不产生滑动摩擦。轴向压力驱动支撑料材细丝的连续部分到第二液化器中,第二液化器热熔化所述连续部分。支撑料材细丝的上游的,未熔化的部分可用作具有粘性泵作用的活塞,以将熔化支撑料材从第二液化器中挤出而构建支撑结构26。
利用基于层的添加技术,挤出的建模和支撑料材沉积在台板14上以构建3D模型24和支撑结构26。期望沉积支撑结构26以提供用于3D模型24的悬空区域的沿z轴的垂直支撑。在完成构建操作以后,得到的3D模型24/支撑结构26可以从构建室12中移除,支撑结构26可以从3D模型24上移除。
图2和3示出细丝34,其作为本发明公开的合适的消耗性料材的实例作为建模料材细丝和/或支撑料材细丝与系统10一起使用。如他2所示,细丝34为具有长度36的圆柱形细丝。在替代实施例中,如下面讨论的那样,建模料材细丝和/或支撑料材细丝可以是非圆柱形细丝,其具有大致非圆形的横截面轮廓(例如具有矩形横截面轮廓的带丝)。
长度36是连续长度,其可依赖于留在供给源20或22(图1中示出)中的细丝的量而不同。细丝34沿长度36期望地弯曲,以允许细丝34保留在供给源20和22中(例如,缠绕在线轴上)并在没有塑性变形和破裂的情况下供给通过系统10(例如通过路径30和32)。例如,在一个实施例中,细丝34期望能够承受大于t/r的弹性应变,其中“t”为细丝34在弯曲面中的横截面厚度而“r”为弯曲半径(例如在供给源20或22中的弯曲半径和/或通过路径30或32的弯曲半径)。
如进一步示出的那样,细丝34还包括沿长度36延伸的外表面38,以及表面图案40,所述表面图案是沿长度36的至少一部分形成在外表面38中的地形表面图案(topographical surface pattern)。表面图案40希望沿全部长度36延伸,由此允许细丝34的大致全部长度36消耗在系统10中。在示出的实施例中,表面图案40包括轨道(track)42,所述轨道为形成在外表面38中的大致矩形的凹口,且每一个轨道42包括面向上方的表面44a和面向下方的表面44b。如下面讨论的那样,在替代实施例中,表面图案可包括各种不同的轨道设计,用于和系统10的细丝驱动机构接合(例如,如图8-19所示)。
轨道42构造成接合挤出头18的第一或第二驱动机构(图1中示出),由此允许给定的细丝驱动机构产生向下的轴向压力到轴向表面44a。施加到细丝(例如细丝34)的轴向压力被称为大致沿细丝的纵向轴线(被称为轴线46)指向的压力。该轴向压力因此向下驱动细丝34的连续部分,如箭头47所示,并且在细丝驱动机构和细丝34之间不产生任何滑动摩擦。
细丝34可以用各种可挤出的建模料材和支撑料材制造,用于分别构建3D模型24和支撑结构26(图1中示出)。合适的用于细丝34的建模料材包括聚合物料材和金属料材。在一些实施例中,合适的建模料材包括具有无定形特性(amorphous properties)的料材,例如热塑性料材、无定形金属料材及其组合。合适的用于细丝34的热塑性料材的例子包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚苯磺酰(polyphenylsulfones)、聚醚酰亚胺、无定形聚酰胺、它们的变型改变(例如ABS-M30共聚物)、聚苯乙烯及其混合物。合适的无定形金属料材的例子包括在Batchelder的美国专利申请公开2009/0263582中公开的那些料材。
合适的用于细丝34的支撑料材包括具有无定形特性的料材(例如热塑性料材),期望在3D模型24和支撑结构26构建完以后可以从相应的建模料材上去除支撑料材。用于细丝34的合适的支撑料材的例子包括商品明为“WATERWORKS”和“SOLUBLE SUPPORTS”的来自明尼苏达州伊甸草原市的Stratasys公司的市售水溶性支撑料材;商品名为“BASS”的来自明尼苏达州伊甸草原市的Stratasys公司的市售脱离支撑料材,以及在Crump等人的美国专利5,503,785、Lombardi等人的美国专利6,070,107和6,228,923、Priedeman等人的美国专利6,790,403、Hophkins等人的美国专利申请公开2010/0096072中公开的那些支撑料材。
细丝34的成分也可以包括额外的添加剂,例如增塑剂、流变改性剂、惰性填料、着色剂、稳定剂及其组合。可用在支撑料材中的合适的额外增塑剂的例子包括临苯二甲酸二烷基酯(dialkyl phthalates)、临苯二甲酸环烷基酯(cycloalkyl phthalates)、临苯二甲酸苯甲基芳基酯(benzyl and arylphthalates)、临苯二甲酸烷氧基酯(alkoxy phthalates)烷基/芳基磷酸酯(alkyl/aryl phosphates)、聚乙二醇酯、己二酸酯、柠檬酸酯、甘油酯及其组合。合适的惰性填料的例子包括碳酸钙、碳酸镁、玻璃球、石墨、碳黑、碳纤维、玻璃纤维、滑石、硅灰石、云母、矾土、硅石、高岭土、碳化硅、复合料材(例如球形和丝状复合料材)及其组合。在成分包括额外添加剂的那些实施例中,基于成分的总重量,在成分中的额外添加剂的合适结合浓度的例子在大约从1%到10重量比的范围内,尤其合适的浓度是在从大约1%到5%的重量比范围内。
细丝34还希望展现出允许细丝34在系统10中用作消耗性料材的物理特性。在一个实施例中细丝34沿长度36基本是匀质的。另外,细丝34的成分期望展现出适于用在构建室12中的玻璃态转化温度。在大气压下对细丝34的成分来说合适的玻璃态转化温度的例子包括大约80℃或更高的温度。在一些实施例中,合适的玻璃态转化温度包括大约100℃或更高的温度。在另外的实施例中,合适的玻璃态转化温度包括大约120℃或更高的温度。
还希望细丝34展现出低的可压缩性,从而其轴向压缩不会造成细丝34被卡在液化器内。对于细丝34的聚合成分来说,合适的杨氏模量值的例子包括大约0.2GPa(大约30,000磅每平方英寸(psi))或更大的模量值,其中根据ASTM D638-08测量所述杨氏模量值。在一些实施例中,合适的杨氏模量在从大约1.0GPa(大约145,000psi)到大约5.0GPA(大约725,000psi)的范围内。在另外的实施例中,合适的杨氏模量在从大约1.5GPa(大约200,000psi)到大约3.0GPA(大约440,000psi)的范围内。
对于本公开的消耗性料材(例如细丝34)来说,合适的地形表面图案共有的特征是对于细丝的外表面(例如外表面38)的至少一部分,局部表面法线在垂直于纵向轴线(例如轴线46)的平面之外。这允许外部细丝驱动机构接合所述外表面并利用在外表面上的一些压力产生轴向力。没有这些地形表面图案,细丝驱动机构就被迫或者仅以剪切应力(例如用橡皮辊驱动装置)来推动细丝,或者通过细丝的塑性变形来产生这样的图案(例如用有滚花的细丝驱动装置)。
在没有地形表面图案时,建模料材或支撑料材的细丝是平移对称的。它不必是轴向对称的(例如土13中所示的带丝636)。然而,无图案的细丝636在一些轴向位置处的表面构造几乎与沿细丝长度任意隔开距离处的表面构造相同。因而,该表面近似为被挤出一段长度的二维闭合曲线(例如圆形或矩形)。因此,无图案的细丝可以被认为二维物体,因为它沿其长度方向没有特征(除了最终的开始和停止以外)。
分形维数或分形(fractal dimensionality or fractals),是阐明物体的几何复杂度的合适方式。当表面或线的曲折性随着长度标尺而不同时,分形是有用的。具有分形值的参数的经典例子是苏格兰海岸线的长度,其中当考虑越来越小的形状起伏时,海岸线的长度增大。当从很高的高度上观看时,海岸线看起来有些像圆形,而它的维数略大于1(即,直线)。然而,当每一粒沙子的浸湿都被考虑进去时,海岸线看起来填充了平面,而海岸线的分形维数接近2。
因此,对于长度标尺在0.01毫米到1.0毫米之间的情况,无图案的细丝的分形维数为2。比较起来,织构成浓泡沫的有图案的细丝的外表面几乎可以填满立体空间,对同样的长度标尺可具有差不多3的分形维数。因而,描绘本公开的具有地形表面图案的细丝的合适方式是:该细丝对0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺具有大于2的分形维数。
如图3所示,细丝34具有表面直径48,其为细丝34的无轨道直径(即,在线50处的直径)。表面直径48期望构造成允许细丝在没有过渡摩擦的情况下匹配系统10的液化器。对表面直径48来说,合适的平均直径的例子在从大约1.143毫米(大约0.045英寸)到2.54毫米(大约0.100英寸)之间的范围内,特别合适的平均直径在从大约1.40毫米(大约0.055英寸)到2.16毫米(大约0.085英寸)之间的范围内,更加合适的平均直径在从大约1.65毫米(大约0.065英寸)到1.91毫米(大约0.075英寸)之间的范围内。
如图3中进一步示出的那样,每个轨道42具有沿轴线46的轨道高度(称为轨道高度52),所述轨道高度构造成允许细丝驱动机构的齿接合给定轨道42。在一个实施例中,连续轨道42的轨道高度52沿轴线46具有基本相同的尺寸。这使得沿着细丝34的长度36提供轨道42的基本重复的图案,所述重复图案可以和具有相同间隔的齿的细丝驱动机构一起使用。在替代实施例中,轨道高度52可以沿着轴线46在重复图案中改变,这适于和具有不等间隔的齿的细丝驱动机构一起使用。
另外,细丝34沿着长度36在相邻轨道42之间的段具有高度(称为高度54),希望所述高度足够厚以在不弯曲、破裂或裂开的情况下承受由细丝驱动机构施加的轴向压力。还期望沿着长度36的轨道42的数量能允许细丝驱动机构与轨道42连续地接合。换句话说,希望细丝驱动机构在与前一轨道42断开接合之前或同时与轨道42接合。这允许向表面基本连续地施加轴向压力,这样提高了对细丝34的驱动控制。
图4为图3中沿截面4-4截取的扩大截面图,其示出轨道42的区域相对于细丝34的无轨道区域。期望轨道42的尺寸提供在几个竞争因素之间的平衡。从一个目的来看,期望所述尺寸足够高以便为驱动机构提供合适的接触表面面积从而施加轴向压力到表面44a。因而,期望轨道42离外表面38足够深,以提供合适的轴向接触位置。从另一目的来看,期望所述尺寸足够低以便允许细丝34在用于系统10中期间保持它的结构完整性。同样,还期望轨道42足够浅,以防止细丝34在被从供给源20和/或22供给到挤出头18时破裂或裂开。
如上面讨论的那样,表面图案40可包括用于和系统10的细丝驱动机构接合的各种不同轨道几何结构(例如,如图8-17中所示)。另外,本公开的消耗性料材可具有各种不同几何结构(例如,圆柱形或非圆柱形细丝)。结果,表面图案40的每一轨道(例如,轨道42)的深度可基于轨道的几何结构和消耗性料材的几何结构而不同。确定每个轨道的尺寸的合适技术涉及确定轨道的接触表面面积与给定消耗性料材的无轨道面积的比率。
例如,每个轨道42的合适尺寸可确定为表面44a的面积相对于细丝34的无轨道面积(即,基于表面直径48的面积)的比。对于表面44a的合适面积的例子包括细丝34的无轨道面积的至少约5%,尤其合适的面积的范围从无轨道面积的约5%到30%,更加合适的面积的范围从无轨道面积的10%到20%。上述确定方法也适用于其它实施例,在那些实施例中,表面图案40包括用于给定截面轮廓的多个轨道以及不同的轨道几何结构。
图5-7是与系统10的替代细丝驱动机构(图1中示出)一起使用的细丝34的示意图。如图5中所示,细丝34与驱动机构56一起使用,该驱动机构为细丝驱动机构,包括驱动轮58和惰轮60。期望驱动机构56与控制器28信号通讯,由此允许控制器28(图1中示出)指导驱动机构56供给细丝34到液化器62的速率。驱动轮58包括多个齿64,所述齿构造成与细丝34的轨道42接合。
期望齿64的尺寸允许它们在没有过多摩擦的情况下与轨道42接合。齿的合适厚度的例子在从轨道高度52的大约50%到轨道高度52的大约95%的范围内,特别合适的厚度在从轨道高度52的大约60%到轨道高度52的大约85%的范围内。在一些实施例中,齿64可被涂覆一种或多种低表面能涂覆料材,以降低细丝34粘到齿64上的风险。合适的涂覆料材包括氟化聚合物(例如聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯树脂以及全氟烷氧聚合物)、像金刚石一样的碳料材及其组合。在细丝与驱动轮58接合的同时,惰轮60提供后撑到细丝。
图5还示出液化器62、热块66和挤出端66,它们连同驱动机构56一起,形成挤出头18(图1中示出)的子组件。液化器62为液化器管,包括顶端70和底端72,所述两端是液化器62沿轴线46相对的端。如图所示,液化器62延伸通过热块66以接收用来熔化细丝34的所接收部分的热能。
热块66是绕着液化器62的至少一部分的延伸热传递部件,并构造成将热量传导到液化器62和所接收的细丝34。对热块66来说,合适的热传递部件的例子包括在Swanson等人的美国专利6,004,124、Comb等人的美国专利6,547,995、以及LaBossiere等人的美国专利申请公开2007/0228590和Batchelder等人的美国专利申请公开2009/0273122中披露的热传递部件。在替代实施例中,热块66可以被产生和/或传递热量到液化器62的各种不同热传递部件代替,由此在液化器62内形成沿轴线46的热梯度。
挤出端68是位于液化器62的底端72处的小直径尖端,并构造成以期望的路宽挤出细丝34的熔化料材。对于挤出端72来说,合适的内尖端直径的例子在从大约125微米(约0.005英寸)到510微米(约0.020英寸)的范围内。
在系统10(图1中示出)中进行构建操作期间,细丝34与驱动轮58的齿64接合并在顶端70装入液化器62。控制器28随后指导驱动机构56驱动细丝34的连续部分到液化器62中。驱动轮58的转动使齿64施加轴向压力到细丝34的连续表面44a。这驱动细丝34到液化器62中,并期望在细丝34和驱动轮58之间不产生滑动摩擦。
当细丝34通行经过液化器62时,热块66产生的热梯度熔化液化器62内的细丝34的料材。细丝34的上游的未熔化部分被驱动机构56驱动,所述未熔化部分用作活塞,在未熔化部分和液化器62的壁之间的熔化料材上产生粘性泵作用,由此将熔化的料材从挤出端68中挤出。被挤出的料材然后可沉积成路从而以逐层的方式形成3D模型24。
如前面讨论的那样,对于用系统10构建3D模型24来说,使用带有表面图案40的细丝34提高了工艺可靠性和细部质量。这些特征可以实现,因为轨道42允许驱动机构56以高精度驱动控制来驱动细丝34。这相应地为从挤出端68沉积的建模料材的体流率提供严密的控制,而这对于用高解析度特征来构建3D模型24是令人期望的。
可以获得高精度驱动控制,因为施加到细丝34的驱动压力基本沿它的纵向轴线(即,轴线46)指向。这种情况可以与摩擦接合常规细丝的细丝驱动机构形成对比。摩擦接合典型地施加侧向压力到细丝的外表面并依赖细丝和驱动轮之间的摩擦来驱动细丝的连续部分。然而,除非所述侧向压力足够高,细丝可能从细丝驱动机构的摩擦夹握中滑脱,由此产生会降低驱动控制的摩擦滑动。
然而,增大施加到细丝的侧向压力可以也会降低驱动控制。例如,增大的侧向压力可能导致驱动轮挖出细丝的外表面(例如,用锯齿状的驱动轮)。这可能导致细丝的建模或支撑料材的移位,由此对于给定横截面轮廓的细丝潜在地扰乱被驱动到液化器的料材的预计的体积。此外,对于相对易碎的料材,增大的侧向压力可能导致细丝在接合位置处破裂或裂开。这种情况可能导致构建作业的延迟,因为要将破裂的细丝重新送回到液化器中。
另外,摩擦接合可能容易受到液化器中的背压变化的影响。液化器的热梯度的变化可能导致施加到被驱动的细丝上的背压的变化。事实上,对于摩擦接合,对特定驱动扭距,在液化器内的背压可能改变被驱动的细丝的量达到±5%。这可能进一步造成细部质量的下降。
然而,通过将施加到细丝34的驱动压力指向基本沿着轴线46的方向,表面图案40可减轻潜在的这些问题。施加轴向压力到细丝34允许驱动机构56接合细丝34,并且不需要高的侧向压力也不必冒着细丝34和驱动轮58之间滑脱的风险。结果,由驱动机构56施加到细丝34的侧向压力可以明显小于摩擦接合设计中所需要的压力。这降低了使用过程中细丝34破裂或断裂的风险,由此增加可用于建模和支撑料材的料材的数量,例如可使用相对易碎的料材。
此外,在驱动轮58的齿64和表面图案40的轨道42之间的接合允许细丝34的驱动速度被精确测量。例如,控制器28(或者系统10的其它合适部件)可监控施加到驱动轮58的扭距。由于驱动压力在轴向方向上施加到细丝34,减少或消除了细丝滑脱现象。同样,可依赖于转动驱动轮58所需要的扭距来精确地测量细丝34的驱动速度。
如图5中进一步示出的那样,在一些实施例中,细丝34可以以弯曲定向供给到驱动机构56,如细丝34a所示(用虚线示出)。如图5中所示,对于其中表面图案40仅延伸越过外表面38的单个侧向部分的实施例来说,这是特别合适的。弯曲定向减少细丝34的轴向转动,这样保持表面图案40基本与驱动轮64对准。
在完成构建作业以后,仍然留在液化器62中的任何残余数量的细丝34可以通过反向转动驱动轮58而被去除。这导致齿64施加轴向压力到轨道42的表面44b,由此驱动细丝34向上并离开液化器62。这样,轨道42可用于驱动细丝34到液化器62中并通过液化器62,以及用于在完成构建作业以后将细丝34从液化器62撤回。
图6示出与驱动机构74和带端口的液化器76一起使用的细丝34,上述驱动机构和液化器是驱动机构56和液化器62的替代方案(在图5中示出)并以相似方式工作。如图6中所示,驱动机构74包括具有多个齿80的驱动轮78,其以和驱动轮58(图5中示出)相同的方式工作。与液化器62相比,带端口的液化器76包括顶端82、底端84,以及设置在顶端82和热块66之间的端口86。在这个实施例中,在与驱动轮78在端口86处接合之前,细丝34可保留在带端口的液化器76内。
带端口的液化器76为细丝34和驱动轮78之间的接合担任承压表面,由此不需要与惰轮60(图5中示出)相对应的惰轮。对带端口的液化器76来说,合适的带端口的液化器设计的例子包括在Batchelder等人的美国专利申请公开2009/0274540和2009/0273122中公开的那些液化器。
在系统10(在图1中示出)中进行构建作业期间,细丝34在顶端82处插入带端口的液化器76,并在端口86处与驱动轮78的齿80接合。控制器28(在图1中示出)然后指导驱动机构74驱动细丝34的连续部分穿过带端口的液化器76。驱动轮78的转动让齿80施加轴向压力到细丝34的连续表面44a,由此驱动细丝34向下穿过带端口的液化器76,并且期望在细丝34和驱动轮78之间不产生滑动摩擦。当细丝34经过带端口的液化器76,热块66产生的热梯度熔化在带端口的液化器76内的细丝34的料材。细丝34的被驱动机构74驱动的上游的未熔化的部分用作活塞,其在未熔化部分和带端口的液化器76的壁之间的熔化料材上具有粘性泵作用,由此将熔化的料材挤出挤出端68。然后挤出料材可沉积成路,从而以逐层方式形成3D模型24。
图7示出与带端口的液化器76和驱动机构88一起使用的细丝34,其中驱动机构88包括可旋转轴90和螺纹表面92。螺纹表面92是外螺纹表面,其构造成与细丝34的轨道42接合。与上面针对驱动机构74(图6中示出)所讨论的方式类似,可旋转轴90的转动允许螺纹表面92驱动细丝34的连续部分向下穿过带端口的液化器76。用于驱动机构88(即,外螺纹及内螺纹机构)的合适的细丝驱动机构和用于带端口的液化器76的合适的带端口的液化器设计的例子包括在Batchelder等人的美国专利申请公开2009/0274540和2009/0273122中公开的那些。
在系统10(图1中示出)中进行构建作业期间,细丝34在顶端82处插入带端口的液化器76,并在端口86处与螺纹表面92接合。控制器28(在图1中示出)然后指导驱动机构88驱动细丝34的连续部分穿过带端口的液化器76。可旋转轴90的转动让螺纹表面92施加轴向压力到细丝34的连续表面44a,由此驱动细丝34穿过带端口的液化器76。当细丝34经过带端口的液化器76时,热块66产生的热梯度熔化在带端口的液化器76内的细丝34的料材。细丝34的被驱动机构74驱动的上游的未熔化的部分用作活塞,其在未熔化部分和带端口的液化器76的壁之间的熔化料材上具有粘性泵作用,由此将熔化的料材挤出挤出端68。然后挤出料材可沉积成路,从而以逐层方式形成3D模型24。
图8和9分别示出细丝134和234,这些细丝是细丝34(在图2-7中示出)的替代物,而附图标记则分别在数字上增大100和200。如图8所示,细丝134的表面图案140包括轨道142a和142b,其中轨道142a对应细丝34的轨道42。然而,轨道142b是额外一组轨道,其沿着长度136的至少一部分,并允许对应驱动轮58和78的第二驱动轮(未示出)用来接合和驱动细丝134。对每个轨道142a和142b来说,轨道的合适尺寸和数量包括上面针对轨道142所讨论的那些,由此允许第一驱动轮连续接合轨道142a以及第二驱动轮连续接合轨道142b。
如图9所示,细丝234的表面图案240包括轨道242a和242b,其中轨道242a对应细丝34的轨道42,但与轨道42相比沿着轴线46隔开得更远。轨道242b是沿着长度236的至少一部分的额外一组轨道,其允许对应驱动轮58和78的第二驱动轮(未示出)被用于接合和驱动细丝234。在该实施例中,轨道242a和242b是交错的,这允许细丝234和细丝驱动机构之间连续接合轮流在第一驱动轮和第二驱动轮之间交替。换句话说,期望在第二驱动轮从前一轨道242b断开接合之前或同时,第一驱动轮接合轨道242a,反之亦然。这允许基本连续地向表面244a施加轴向力,而提高对细丝34的驱动控制。
图10-12是细丝334、434和534的透视图,这些细丝是细丝34(图2-7中示出)的替代圆柱形细丝,其中附图标记在数字上分别增大300、400和500。细丝134(在图8中示出)的相对轨道和细丝234(在图9中示出)的交错相对轨道也是细丝334、434和534的合适的替代实施例。
如图10中所示,细丝334的表面图案340包括轨道342,所述轨道为具有面向上方的表面344a和面向下方的表面344b的抛物线轨道。如上面讨论的那样,对于每个轨道342,合适的尺寸可以确定为表面344a的面积相对于细丝334的无轨道面积(即,基于表面直径348的面积)的比率。然而,与矩形几何结构的轨道42相比,抛物线几何结构的轨道342让表面344a在每个轨道342内的中点处并入表面344b。这样,每个表面344a的面积可确定为轨道342的面向上方的表面直到沿长度336的所述表面与轴线346平行的那一点处的面积,所述平行典型地发生在表面344a和344b之间的中点处。
如图11所示,细丝434的表面图案440包括轨道442,其为具有面向上方的表面444a和面向下方的表面444b的蜗纹型轨道。此实施例尤其适于和基于螺杆的细丝驱动机构一起使用,例如驱动机构88(图7中示出)以及在Batchelder等人的美国专利申请公开2009/0274540和2009/0273122中公开的细丝驱动机构(例如,螺旋驱动机构)。
如图12中所示,细丝534的表面图案540包括轨道542,其为具有面向上方的表面544a和面向下方的表面544b的波纹轨道。该实施例允许细丝驱动机构在细丝532的任何侧向位置接合轨道542,由此减少对轴向对准所述表面图案540和细丝驱动机构的需要。
可以利用各种技术将地形表面图案形成在细丝34、134、234、334、434和534的外表面中。在一个实施例中,可以通过让给定细丝在一对辊之间通过来形成地形表面图案,其中所述辊中的至少一个包含齿,所述齿构造为形成地形表面图案。例如,当细丝34被从挤出机牵拉到期望直径时,通过供给细丝34通过一对辊(其中所述辊中的一个具有构造为在外表面38中形成轨道42的齿),表面图案40可以形成在外表面38中。在一个实施例中,表面图案40可以在细丝34完全固化之前形成在外表面38中。替代地,表面图案40可以在细丝完全固化之后形成在外表面34中。然而,无论在哪一种情况,期望地形表面图案在用于系统10中之前形成在细丝的外表面中(例如,在与细丝驱动机构接合之前)。
图13-19是带丝的透视图,所述带丝是可以与系统10(在图1中示出)一起使用的作为细丝34(图2-7中示出)的替代物的合适的非圆柱形细丝的例子,其中附图标记分别增大600-1200。细丝134的相对轨道(在图8中示出)、细丝234的交错的相对轨道(图9中示出),以及细丝334、434和534的轨道几何结构(在图10-12中示出)也是图13-19中公开的细丝的合适的替代实施例。
用于图13-19中所示的实施例的合适的非圆柱形细丝的例子包括题目为“Non-cylindrical Filaments For Use In Extrusion-Based DigitalManufacturing Systems”的美国专利申请12/612,333和美国临时专利申请61/247,067中公开的那些细丝。此外,用于和非圆柱形细丝一起使用的合适的液化器的例子包括题目为“Ribbon Liquefier For Use InExtrusion-Based Digital Manufacturing Systems”的美国临时专利申请61/247,068和美国专利申请12/612,329中公开的那些液化器。
如图13所示,带丝634的表面图案640包括轨道642,所述轨道是具有面向上方的表面644a和面向下方的表面644b的矩形轨道。对每个轨道642来说合适的尺寸可以用上面针对细丝34所讨论的相同的方式确定。同样,合适的尺寸可确定为表面644a的面积相对于带丝634的无轨道面积的比。带丝634的无轨道面积可以通过带丝634在沿着长度636的无轨道位置处的宽度和厚度(称为宽度648w和厚度648t)确定。
对宽度648来说,合适的尺寸的例子在从大约1.0毫米(大约0.04英寸)到大约10.2毫米(大约0.40英寸)的范围内,特别合适的宽度在从大约2.5毫米(大约0.10英寸)到大约7.6毫米(大约0.30英寸)的范围内,更加合适的宽度在从大约3.0毫米(大约0.12英寸)到大约5.1毫米(大约0.20英寸)的范围内。
对厚度348t来说,合适尺寸的例子从大约0.08毫米(大约0.03英寸)到大约1.5毫米(大约0.06英寸)的范围内,特别合适的厚度在从大约0.38毫米(大约0.015英寸)到大约1.3毫米(大约0.05英寸)的范围内,更加合适的厚度在从大约0.51毫米(大约0.02英寸)到大约1.0毫米(大约0.04英寸)的范围内。
宽度648w对厚度348t的合适高宽比的例子包括大于约2∶1的高宽比,特别合适的高宽比在大约2.5∶1到20∶1的范围内;更加合适的高宽比在大约3∶1到大约10∶1的范围内。
如题目为“Non-cylindrical Filaments For Use In Extrusion-Based DigitalManufacturing Systems”的美国专利申请12/612,333和美国临时专利申请61/247,067中讨论的那样,在用片挤出工艺制造带丝(例如带丝634)时,形成地形表面图案(例如表面图案640)是特别合适的。在这个实施例中,地形表面图案可以在把所述片切割成多个带丝之前形成在挤出片的主表面和/或边缘中。
如图14中所示,带丝734的表面图案740包括轨道742,其中每个轨道742限定在一对成排的面向外侧的多个凹痕之间。对每个轨道742来说,合适的尺寸可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。然而,在该实施例中,每个轨道742的面向上方的表面的面积可以确定为在给定排中面向外侧的凹痕的面向上方的表面的总和。此外,带丝734的无轨道面积可通过带丝734的宽度和厚度(称为宽度748w和厚度748t)确定,其中厚度748t在面向外侧的凹痕处测得,如图14所示。因此,在构建作业过程中,细丝驱动机构可施加轴向压力到面向外侧的凹痕的连续排的面向上方的表面,由此向下驱动带丝734。
如图15中所示,带丝834的表面图案840包括轨道842a和842b,每个轨道是具有面向上方的表面844a的压印锉型轨道,并且所述轨道沿长度836交错。对每个轨道842来说,合适的尺寸也可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。同样,合适的尺寸可确定为表面844a的面积相对于带丝834的无轨道面积的比,其中带丝834的无轨道面积可以通过带丝834的宽度和厚度(称为宽度848w和厚度848t)确定。
另外,表面图案840的交错的布置允许在带丝834和细丝驱动机构之间在连续接合轮流发生在第一驱动轮和第二驱动轮之间。换句话说,期望第一驱动轮在第二驱动轮从前一轨道842b断开接合之前或同时,与轨道842a接合,反之亦然。这允许轴向压力被基本连续地施加到表面844a,而提高对带丝834的驱动控制。
如图16所示,带丝934的表面图案包括轨道942,其为具有以V形图案延伸的面上上方的表面944a和面向下方的表面944b的鲱骨型轨道。该实施例适于和具有往复V形齿的驱动轮(未示出)一起使用。对每个轨道942来说,合适的尺寸可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。然而,在该实施例中,表面944a沿着轴线946延伸,而且还沿着带丝934的横轴延伸,从而带丝934的横截面轮廓与多个相邻的轨道942相交。同样,每个表面944a的面积包括整个V形图案。带丝934的无轨道面积则基于带丝934的宽度和厚度(称为宽度13188w和厚度948t),其中厚度948t为带丝沿着长度936在无轨道位置处的厚度。
如图17中所示,带丝1034的表面图案1040包括轨道1042,所述轨道是链轮轨道,具有在沿长度1036的交错位置处延伸穿过带丝1034的面向上方的表面1044a和面向下方的表面1044b。在该实施例中,对每个轨道1042来说,合适的尺寸也可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。该实施例适合与具有交替齿的驱动轮一起使用,并允许带丝1034的任一主表面面对驱动轮,这样简化了驱动轮和带丝1034之间的接合。
如图18所示,带丝1134的表面图案1140包括轨道1142,所述轨道是具有面向上方的表面1144a和面向下方的表面1144b的矩形轨道。该实施例适于和构建成接合带丝1134的边缘而非带丝的主表面(如上面对带丝634-1034所示的那样(在图13-17中示出))的细丝驱动机构一起使用。对每个轨道1142a和1142b来说,合适的尺寸可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。因此,在构建作业过程中,细丝驱动机构在带丝1134的每个边缘可施加轴向压力到表面1144a,由此向下驱动带丝1134。
如图19中所示,带丝1234的表面图案包括轨道1242,所述轨道为面对边缘的链轮轨道并具有面向上方的表面1244a和面向下方的表面1244b。该实施例同样适于和构造成接合带丝1234的边缘而不是带丝的主表面的带丝驱动机构一起使用。
对每个轨道1242来说,合适的尺寸可以用上面针对细丝34所讨论的相同方式确定。然而,在本实施例中,每个轨道1242a和每个轨道1242b的面向上方的表面的面积可确定为在带丝1234的每个边缘处的所述成对表面1244的总和。因而,轨道1242a的面积可确定为在带丝1234的一个边缘处的成对表面1244a的总和,而轨道1242b的面积可确定为在带丝1234的相对边缘处的成对表面1244a的总和。因此,在构建作业过程中,细丝驱动机构可在带丝1234的每个边缘处施加轴向压力到表面1244a,由此向下驱动带丝1234。
可以利用各种技术将地形表面图案形成在带丝634、734、834、934、1034、1134和1234的外表面中。在一个实施例中,带丝可以用发明名称为”Non-cylindrical Filaments For Use In Extrusion-Based DigitalManufacturing Systems”的美国专利申请12/612,333和美国临时专利申请61/247,067中公开的片挤出工艺形成。在本实施例中,地形表面图案可以在挤出片被分成多个带丝之前就形成在挤出片中。
图20-23示出在细丝用在基于挤出的数字化制造系统(例如,图1中所示的系统10)之前,用于制造非圆柱形细丝,例如带丝634、734、834、934、1034、1134和1234的合适实施例。图20为方法1300的流程图,其为用于制造非圆柱形细丝的合适方法的例子。如图所示,方法1300包括步骤1302-1312,并最初涉及供应给料物质到片挤出系统(步骤1302)。给料布置可以在各种不同介质形态下供入生产系统,例如小球、杆、粉末、颗粒、块、锭等等。对于给料物质来说,合适的成分包括上面针对细丝34(图2中示出)的建模料材和支撑料材所讨论的那些给料物质。
在被供应到片挤出系统后,给料物质可以被熔化并被挤出以产生给料物质的挤出片(步骤1304)。如下面讨论的那样,随后挤出片可以被使用并且被分成多个单独的带丝,期望挤出片在固体状态下的厚度与每个带丝的厚度匹配。在被挤出以后,期望挤出片被冷却以至少部分地固化挤出片(步骤1306),一个或更多地形表面图案可形成在挤出片(步骤1308)的主表面的一个或两者中。在替代实施例中,地形表面图案可在步骤1306中冷却所述挤出片之前或同时,形成在挤出片中。
在上述过程中这一点处,可以储存所述片(例如绕在卷带轴上)以用于后面的分割或被直接供给到片切割机(例如在连续工艺中时)。在片切割机处,片可以被纵向切割成多个带丝,期望带丝的至少其中之一的横截面轮廓构造成与非圆筒形液化器匹配,如上面讨论的那样(步骤1310)。更期望的是,从挤出片切下来的每个带丝都构造成与非圆筒形液化器匹配。此外,期望每个带丝包含基于形成在挤出片中的图案的一个或更多地形表面图案。
在被切割之后,带丝然后可以被装到供应组件上(步骤1312)。在一个实施例中,对多个带丝的装载过程可以用基本平行的方式执行,在被从挤出片切下来以后,带丝以基本连续的方式被供给到多个卷带轴上。供应组件然后可用在用于构建3D模型和支撑结构的一个或更多的基于挤出的数字化制造系统(例如系统10)中。
图21为片1314的透视图,其为可按照方法1300(图20中示出)的步骤1302、1304、1306和1308生产的挤出片的实例。如图21所示,片1314可被切成多个带丝1316,其中每个带丝1316可对应带丝634、734、834、934、1034、1134和1234中的一种或更多。从单个片1314生产的带丝1316的数量可以依赖于片1314的宽度(称为片宽1318)而不同。可从单个片1314挤出的带丝1316的合适数量的例子在大约5到大约100的范围内,特别合适的数量在大约10到大约50的范围内。
期望片1314的片宽1318能使浪费料材的数量最小化。同样,期望切下来的带丝1316延伸过整个片宽1318。然而,在替代实施例中,沿片1314的片宽1318的一个或更多部分可以丢弃或被再利用。例如,片1314的宽度的横向边缘部分可以根据期望被丢弃或者被再利用。对片宽1318来说,合适尺寸的例子在从0.3米(大约1.0英尺)到大约1.2米(大约4.0英尺)的范围内,特别合适的宽度在从大约0.46米(大约1.5英尺)到大约0.91米(大约3.0英尺)的范围内。
另外,期望在固化状态下的片1314,具有基本与带丝的无轨道厚度(例如图13中示出的带丝634的厚度648t)的期望厚度基本相同的片厚度(称为片厚度1320)。对片厚度1320来说,合适尺寸的例子在从0.08毫米(大约0.003英寸)到大约1.5毫米(大约0.06英寸)的范围内,特别合适的厚度在从0.38毫米(大约0.015英寸)到大约1.3毫米(大约0.05英寸)的范围内,更加合适的厚度在从0.51毫米(大约0.02英寸)到大约1.0毫米(大约0.04英寸)的范围内。
在被挤出和/或至少部分固化以后,一个或更多地形表面图案可形成在片1314中。在图21中示出表面图案1322具有沿平行于宽度1318延伸的多个轨道。按照方法1300的步骤1310,片1314然后可被切成带丝1316。在图8中示出切割线1322位于每个带丝1316之间。按照方法1300的步骤1312,在被从挤出片1314切下来以后,每个带丝然后可被装到供应组件(例如线轴)上。该过程允许从单个挤出片1314制造多个带丝1316,而不需要额外的调整大小的步骤以便保持用于带丝1316的期望厚度。这相应地允许实现高的生产率。
图22为片挤出系统1400的示意图,其为按照方法1300(图20中示出)的用于生产挤出片(例如图21中示出的片1314)的合适系统的例子。如图所示,系统1400包括挤出组件1402、压印滚筒(imprinter drum)1404、冷却滚筒1406、滑轮1408和1410以及卷带轴1412。挤出组件1402构造成接收和挤出期望的建模料材和/或支撑料材的给料物质(示出为介质1414),以生产片1314。挤出组件1402包括漏斗1416、热套管1418、传动螺杆1420和挤出出口1422。尽管示出为垂直定向,挤出组件1402(和系统1400)替代地可位于不同定向下(例如水平定向)。在运行期间,传动螺杆1420将来自漏斗1416的介质1414的连续部分供给到由热套管1418限定的挤出杆(称为挤出杆1424)。热套管1418将热能传递到介质1414(当介质1414被送入挤出杆1422中时),由此熔化介质1414并将介质1414从挤出出口1422中挤出,以生产所述片1314。
在一些实施例中,挤出片也可以被不同料材的另外的薄片层压而形成多层片。用这些片形成的合适的多层片和多层带丝的例子包括在题目为“Non-cylindrical Filaments For Use In Extrusion-Based DigitalManufacturing Systems”的美国专利申请12/612,333和美国临时专利申请61/247,067中公开的那些片和带丝。
片1314然后可接合滚筒1404和1406,以限定片1314的厚度(即,片厚1320),以及形成表面图案1320。压印滚筒1404是第一圆筒形滚筒,其具有带纹理的表面构造成以在片1314接合压印滚筒1404时形成表面图案1320的轨道到片1314中。冷却滚筒1406是第二圆筒形滚筒,其期望保持在较低温度下以在片1314在辊隙1426处接合滚筒1404和1406时冷却片1314。对于冷却滚筒1406来说,所述较低温度可依赖于下述因素而改变,例如片1314的线速、片1314的成分和尺寸等等。对冷却滚筒1406来说,合适温度的例子在从大约40℃到大约60℃的范围内。这允许片1314至少部分地固化到固态,同时在经过辊隙126以后保持片厚1320。在替代实施例中,压印滚筒1404还可用作与冷却滚筒1406相同方式的第二冷却滚筒。此外,在另一替代实施例中,冷却滚筒1406可用作第二压印滚筒以将地形表面图案压印在片1314的相对的主表面中。
期望压印滚筒1404在辊隙126处从冷却滚筒106偏移一定距离,所述距离为片1314设定片厚1320。结果,片1314的连续部分的厚度可匹配将从片1314切下来的每个带丝1316的期望厚度。这允许每个带丝1316之后与对应的非圆筒形液化器匹配,以得到反应时间的减少,如上面讨论的那样。在一个实施例中,系统1400还可包括传感器组件(未示出),其构造成实时探测和测量片1314的片厚,以及调整一个或更多处理参数(例如,调整线速、辊隙尺寸等等)以实现期望的片厚。
在另外的实施例中,系统1400可包括一个或更多涂覆单元(未示出),以施加涂层在片1314的主表面的一个或两者上。例如,系统1400可包括电晕放电单元(未示出),其构造成在片1314的主表面的一个或两者上沉积薄层料材。这允许各种涂覆料材被沉积在片1314上,例如低表面能料材。低表面能料材可利于在带丝1316被驱动到基于挤出的数字化制造系统(例如系统10)的非圆筒形液化器中时减小摩擦阻力。
片1314然后可以缠绕滑轮1408和1410,并被卷绕在卷带轴1412上,其中滑轮1408和1410、卷带轴1412以及滚筒1404和1406中的一个或更多可以被电机驱动而产生用于形成片1314的合适的线速。用于形成片1314的合适线速的例子在从大约1米/分钟到大约20米/分钟的范围内,特别合适的线速在从大约5米/分钟到大约15米/分钟的范围内。在替代实施例中,可以使用额外数量的滑轮来引导片1314到卷带轴1412。在合适长度的片1314被缠绕在卷带轴1412上以后,片1314可被分开而卷带轴1412可以被储存起来或者装配好用于随后的处理,以便将片1314切割成分开的带丝1316,如下面讨论的那样。在替代实施例中,片1314可以被直接供给到切割单元,以将片1314切割成分开的带丝1316。在该实施例中,可以省略卷带轴1412,并且在挤出和形成所述片1314的连续部分的情况下在连续工序中将片1314切割带丝1316。
图23为细丝生产系统1428的示意图,该系统是用片1314形成带丝1316的合适系统。系统1428包括切割辊1430、承压辊1432、惰滑轮1434和卷带轴1436a-1436d。如图所示,片1314可以从卷带轴(例如卷带轴1412),或者对于连续工序作为直接供料从系统1400供应到切割辊1430和承压辊1432的辊隙交叉处。
切割辊1430为第一辊,其包括圆筒形表面,所述表面具有多个平行的薄刀片,从而构造成将片1314的连续部分切割成分开的带丝(称为带丝1316a-1316d)。因此,期望切割辊1430的所述平行刀片以间隙分开,所述间隙对应带丝1316的宽度(例如,图13中示出,带丝634的宽度648w)。还期望切割辊1430被电机驱动从而在切割操作期间在切割辊1430和承压辊1432之间拉动片1314。承压辊1432为第二辊,其与切割辊1430隔开适当距离,以允许片1314在切割辊1430和承压辊1432之间通过并与切割辊1430的带刀片的表面接合。
在被从片1314上切割下来以后,期望将每个带丝1316(例如带丝1316a-1316d)供给到卷带轴1436a-1436d的单独线轴。卷带轴1436a-1436d是合适的用于供应线轴20和/或供应线轴22(图1中示出)的供应组件的例子。带丝1316a-1316d可以用惰滑轮1434引导到各自的卷带轴1436a-1436d。如图所示,惰滑轮1434放置成允许带丝1316a-13116d在不同径向位置处离开承压辊1432。这可降低带丝1316a-1316d在装到卷带轴1436a-1436d时纠缠在一起的风险。
每个卷带轴1436a-1436d同样可以是电机驱动的,以在带丝1316a-1316d被从片1314上切割下来时将上述带丝分别缠绕起来。尽管示出系统1428具有四个带丝1316和四个卷带轴1436,基于带丝1316和片1314的宽度,切割辊1430可以将片1314切割成任何合适数量的带丝1316。然后被切割下来的带丝1316可以以基本平行的方式装到单独的卷带轴1436上。
尽管系统1428示出为具有单个切割辊1430/承压辊1432对,在替代实施例中,系统1428可包括多对切割辊/承压辊。例如系统1428可包括首对切割辊1430和承压辊1432,它们可以将片1314切割成多个部分,每一部分的宽度包括多个带丝1316。每个被切割下来的部分然后可经过额外一对切割辊1430和承压辊1432,所述额外一对辊可将给定部分切成单独的带丝1316。然后单独的带丝1316可被装入单独的卷带轴1436,如上面讨论的那样。这样,在单个切割步骤期间或者在多个连续的切割步骤中,片1314可被切割成带丝1316。
期望片挤出系统1400和细丝生产系统1428的每一个容纳在壳体(未示出)内以得到干燥的环境。例如,系统1400和1428每一个可包括干燥空气循环器和/或干燥剂包,以保持较低的含水量。此外,卷带轴1412和1436每一个可包括干燥剂包,以在储存和之后的使用过程中保持接收的片1314/带丝1316干燥。用于保持系统1400和1428以及卷带轴1412和1436中环境干燥的合适的技术包括在Swanson等人的美国专利6,923,634、Comb等人的美国专利7,122,246,以及Taatjes等人的美国专利申请公开2010/0096485和2010/0096489中公开的那些技术。
上面讨论的本公开的消耗性料材的实施例(例如圆柱形和非圆柱形细丝)表现出各种地形表面图案,这些表面图案可用于允许细丝驱动机构施加轴向压力。如上面讨论的那样,轴向压力向下驱动消耗性料材的连续部分,并且不会在细丝驱动机构和消耗性料材之间引起滑动摩擦。结果,具有地形表面图案的消耗性料材适于以更高的工艺可靠性和细部质量构建3D模型和支撑结构。
有多种明显不同的方法让以其它方式平移对称的细丝形成图案,从而外力在细丝(例如细丝36和带丝636)上更容易地找到支点,以将细丝推入和/或通过液化器(例如液化器62)。所述图案可以是空间周期性的、准周期性的或随机的,并且可影响外表面的一小部分或者较大部分。此外,局部表面法线的变动范围可以从垂直于纵向轴线(即,轴线46)偏离几度到从所述平面偏离90度。
在本公开的另外的实施例中,上面讨论的圆柱形和非圆柱形细丝也可以是中空的。由于塑料的横截面面积因为芯被去掉而减小,中空细丝的水力直径也可以小于物理直径。因此,对本公开的中空细丝来说,合适的水力直径的例子包括上面讨论的那些。此外,液化器还可包括与中空细丝相匹配的芯,从而挤出物既被从外侧加热也被从内侧加热。
中空细丝的另外一个潜在优点是,当通过用混合物(compounder)快速挤出来制造中空细丝时,期望在它保留在供应组件上(例如,绕在上面)之前快速冷却。该快速冷却过程可在不同于中空细丝的实心细丝中引起实心细丝的直径改变,所述直径改变沿细丝的长度而改变。比较起来,如果中空细丝被快速冷却,中空细丝的内表面可在直径上改变,从而外表面的直径改变更均匀些。
采用圆筒形壳型式的中空细丝的另外一个潜在优点是与细丝驱动机构的顺应性。实心细丝可能几乎是不可压缩的,从而如果细丝直径略大或略小的化,驱动辊或驱动齿可能获得过大或过小的牵引力。然而,中空的细丝可提供顺应性,从而在细丝直径上的小的变化可以被中心细丝的压缩量上的变化补偿。
中空细丝的又一个另外的潜在优点是在液化器的入口中的热传导减少。当实心细丝不动时,热量会缓慢地从细丝的中心向上传导到液化器的被加热部分上方的区域,在那些区域的壁是相对较冷的。如果细丝在那里熔化,它容易固化在较冷的壁上,使得重新移动细丝潜在地需要大的轴向力。然而,由于缺少芯部分,中空细丝的热传导速率会比实心细丝的传导速率慢。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明,本领域技术人员应该认识到,可以不偏离本发明的精神和范围在形式和细节上做出改变。

Claims (20)

1.一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材,所述消耗性料材具有长度和沿着所述长度的至少一部分的地形表面图案,所述地形表面图案构造成接合所述基于挤出的数字化制造系统的驱动机构,其中对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,地形表面图案为消耗性料材的外表面的至少一部分提供大于2的分形维数。
2.根据权利要求1所述的消耗性料材,其中消耗性料材具有基本圆柱形的几何结构,基本圆柱形的几何结构的平均直径在从大约1.143毫米到大约2.54毫米的范围内。
3.根据权利要求1所述的消耗性料材,其中地形表面图案包括绕消耗性料材的外表面的至少一部分延伸的多个轨道。
4.根据权利要求3所述的消耗性料材,其中所述多个轨道从下述组中选出,所述组由矩形轨道、抛物线轨道、蜗纹型轨道、波纹轨道、带纹理轨道、压印锉型轨道、鲱骨型轨道、链轮轨道、面向边缘的轨道、交错轨道及其组合构成。
5.根据权利要求1所述的消耗性料材,其中消耗性料材的成分包括从下述组中选出的至少一种料材,所述组由热塑性料材、无定形金属合金及其组合构成。
6.根据权利要求1所述的消耗性料材,其中消耗性料材具有非圆柱形几何结构。
7.根据权利要求6所述的消耗性料材,其中非圆柱形几何结构包括具有宽度和厚度的横截面轮廓,所述宽度对所述厚度的高宽比大于约2∶1。
8.根据权利要求1所述的消耗性料材,其中地形表面图案具有的平均横截面面积是消耗性料材在无轨道位置处的平均横截面面积的至少约5%。
9.根据权利要求8所述的消耗性料材,其中地形表面图案具有的平均横截面面积在消耗性料材在无轨道位置处的平均横截面面积的约5%到约30%的范围内。
10.一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材,所述消耗性料材具有:
包括至少一种具有无定形特性的料材的成分;及
几何结构,包括:
长度;
沿所述长度延伸的外表面;及
沿所述长度的至少一部分形成在所述外表面中的多个轨道,其中对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,所述多个轨道为所述外表面提供大于2的分形维数。
11.根据权利要求10所述的消耗性料材,其中消耗性料材具有基本圆柱形的几何结构,基本圆柱形的几何结构的平均直径在从大约1.143毫米到大约2.54毫米的范围内。
12.根据权利要求10所述的消耗性料材,其中所述多个轨道从下述组中选出,所述组由矩形轨道、抛物线轨道、蜗纹型轨道、波纹轨道、带纹理轨道、压印锉型轨道、鲱骨型轨道、链轮轨道、面向边缘的轨道、交错轨道及其组合构成。
13.根据权利要求10所述的消耗性料材,其中消耗性料材具有非圆柱形几何结构。
14.根据权利要求10所述的消耗性料材,其中所述多个轨道具有的平均横截面面积是消耗性料材在无轨道位置处的平均横截面面积的至少约5%。
15.一种用在基于挤出的数字化制造系统中的消耗性料材的形成方法,所述方法包括:
提供挤出的消耗性料材前体,所述前体具有长度和沿所述长度延伸的外表面,其中被挤出产品由无定形料材形成;及
沿所述长度的至少一部分在所述外表面中形成地形表面图案,其中地形表面图案的至少一部分构造成与基于挤出的数字化制造系统的驱动机构接合,其中对于0.01毫米到1.0毫米之间的长度标尺,所述地形表面图案为所述外表面提供大于2的分形维数。
16.根据权利要求15所述的方法,其中所述地形表面图案为所述外表面提供大于2的分形维数。
17.根据权利要求15所述的方法,其中所述挤出的消耗性料材前体为挤出片,所述方法还包括将所述挤出片切割成多个非圆柱形的细丝,其中地形表面图案至少部分地沿所述多个非圆柱形细丝中的至少一个的长度延伸。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述多个非圆柱形的细丝的至少一个包括具有宽度和厚度的无轨道横截面,其中所述无轨道横截面的厚度基本等于所述挤出片的厚度。
19.根据权利要求15所述的方法,其中地形表面图案包括绕所述外表面的至少一部分延伸的多个轨道。
20.根据权利要求15所述的方法,其中地形表面图案具有的平均横截面面积是消耗性料材在无轨道位置处的平均横截面面积的至少约5%。
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