CN104379324A - 打印封装 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种打印封装方法和零件。本发明的另一方面是使用三维打印机从喷墨打印头喷射材料以建立连接至镶嵌件的材料。

Description

打印封装

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年4月10日提交的美国临时专利申请序列号61/622,146的利益和优先权，其通过引用结合于此。

背景技术和发明内容

本公开总体上涉及零件制造，以及更具体地涉及镶嵌件的打印封装(printed encapsulation)。

传统上，聚合物零件是通过注射或挤压模塑制造。在这样的工艺中，加热的聚合物液体在高压下射入到匹配金属模具中，继其之后模具内部冷却以便固化制造的零件。当熔化的聚合物注入到模具型腔中时，空气从模具型腔中排出。注射和挤压模塑是理想地适合于每年需要十万个或更多的零件的大批量生产。然而，这些传统的制造工艺不利地需要非常昂贵的机械加工的钢模具，当希望零件修改时，修改其是困难和耗费时间的，并且受制于成问题的零件至零件的公差变化。这样的变化是由于在固化期间的模塑收缩、模塑压力差异、归因于内部空隙和外部缩痕(sink mark)的零件翘曲，等等。这种传统的模具加工的费用使得聚合物零件的较小批量生产极其昂贵。

此外，嵌件模塑(insert molding)是已知的。传统的嵌件模塑要求金属镶嵌件放置在匹配金属模具间比如梭式夹具(shuttle press)上，关闭模具并且然后在高压下围绕模子中的镶嵌件的所需部分注入液体聚合物。然而，镶嵌件的至少某些部分必须从聚合物中暴露，因此在模塑过程中镶嵌件可以紧靠模具接触并且由模具支承。这种加工是昂贵的并且零件至零件的公差变化是考虑到高压液体挤压镶嵌件的通常无支承部分的问题。

根据本发明，提供一种打印封装方法和零件。在另一方面中，零件包括预制的镶嵌件，添加的聚合物材料的层紧靠该预制的镶嵌件。另一方面是使用三维打印机从喷墨打印头喷射材料以建立连接至镶嵌件的材料。又一方面是提供通过逐层沉积材料和/或连接至镶嵌件的组合布置来制造零件的方法。

本发明的打印封装方法和零件优于传统的装置。例如，本发明的方法和零件不需要任何独特的工具或模具，因此节省几十万美元和许多周的模具制造时间。此外，本发明的方法将从一个制造周期到另一个制造周期的快速和廉价的设计以及零件修改纳入考虑。在又一方面中，用本发明的方法和零件本质上是不存在零件至零件的公差变化，使得在单个机械制造周期中可以制造至少十个——以及更优选地至少四十个——完全相同的零件。还值得注意的是，本发明的方法和零件有利地能够创造模具锁定零件配置，不然用传统的嵌件模塑模具制造其将是昂贵的。在下面的说明书和附加权利要求中以及在附图中，可以获得本发明的附加优势和特征。

附图说明

图1是表明本发明的垫圈实施例的俯视立面图；

图2是表明垫圈实施例的侧视立面图；

图3是沿着图1的线3-3得到的表明垫圈实施例的剖视图；

图4是表明本发明的盖实施例的俯视立面图；

图5是表明盖实施例的侧视立面图；

图6是沿着图4的线6-6得到的表明盖实施例的剖视图；

图7是表明本发明的螺母实施例的俯视立面图；

图8是沿着图7的线8-8得到的表明螺母实施例的剖视图；

图9是表明螺母实施例的侧视立面图；

图10是表明本发明的边框和窗口实施例的俯视立面图；

图11是沿着图10的线11-11得到的表明边框和窗口实施例的剖视图；

图12是表明本发明的电路实施例的俯视立面图；

图13是表明电路实施例的侧视立面图；

图14是沿着出自图12的箭头14的方向的表明电路实施例的端部立面图；

图15是沿着出自图12的箭头15的方向的表明电路实施例的不完整的端部立面图；

图16是沿着图12的线16-16得到的表明电路实施例的剖视图；

图17是表明本发明的织物实施例的图解俯视图；

图18是表明织物实施例的图解侧视图；

图19是沿着图17的线19-19得到的表明织物实施例的图解剖视图；

图20是表明制造垫圈和边框/窗口实施例零件的机器的透视图，移除了机器的上盖；以及

图21A-D是一系列表明机器建立垫圈和边框/窗口实施例零件的图解侧视图。

具体实施方式

参考图1-3，打印封装垫圈零件31包括由三维打印聚合物罩35围绕的刚性金属镶嵌件33。镶嵌件33是由钢板冲压的预制组件并且具有圆形的外围表面37、限定通孔45的同心圆形内表面39以及一对总体上平坦的顶部和底部表面41和43。聚合物罩35除具有在其上的聚合物材料的附加厚度以外，具有与镶嵌件33的形状匹配的最终形状。然而，应该可选地领会到，尽管本发明优势的某些可能尚未实现，但镶嵌件和/或聚合物罩的外围和内部形状可以是具有齿轮齿的多边形，可以是偏心圆或其它不同的形状。在一种变体中，聚合物罩35至少2毫米厚地分别邻接内部和外围表面39和37。如此中所使用的，“预制的”意思是在聚合物打印工艺之前制造。

尽管可以可选地使用DM 9860或VeroWhite可打印聚合物，但三维打印聚合物罩35优选地是DM 9840可打印材料。聚合物罩35在打印和固化之后有些柔韧，并且肯定比位于其中的刚性镶嵌件更柔韧。因此，垫圈31是理想地适合于密封围绕螺栓、管、金属丝或穿过其中的中心孔45延伸的其它部件的孔。在至少1,000小时的盐雾试验之后，可以认为，钢镶嵌件的整个且完成的聚合物封装阻止并防止镶嵌件生锈。因此，垫圈31完美地在适合于在比如船、离岸石油平台(off-shore oil platform)、码头、海水泵或其它这种用途这样的海洋环境中使用。

图4-6表明盖零件61，其充当穿过装饰品的轮子延伸的螺钉或轴头的美观的盖。盖61优选地具有在中心封闭的端部65上终止的平截头圆锥形地逐渐变细的侧壁63。胶印且增大的端部67是公开可进入的并且包括在其中的容器腔69。圆形凸缘71从端部67横向地在外部延伸。

盖61包括杯状且凹形的金属镶嵌件81，其部分地由三维打印聚合物罩83封装。镶嵌件81是优选地由钢板1050-1065冲压、热处理至硬度44-51Rc的0.025英寸厚的预制组件。向内延伸的叉状部或按扭式指状部(snap finger)85是从侧壁63向内地局部冲压，以便将盖灵活地固定到匹配的螺钉或装饰品轴头上。窗口或空隙87设置成穿过聚合物罩83和每个指状部85后面的预制的镶嵌件81。用本发明的三维打印工艺很容易制造这样的空隙87，尽管在传统的注射模塑工艺中这将以其它方式创造需要昂贵和复杂的滑动装置的模具锁定条件。可以打印的高密度聚乙烯ASTM型号111、未填充的聚合物，或Objets Fullcure 720打印聚合物使用于罩83。在在至少650磅——以及更优选地在至少725磅——的英斯特朗(Instron)机拉伸试验中，可以认为三维打印聚合物罩将不与预制的金属镶嵌件分离。

图7-9表明螺母零件101，其包括至少部分地由三维打印聚合物罩105封装的预制金属镶嵌件103。更具体地说，螺母101是帽状螺母设计，其包括具有圆形外围表面109的横向延伸凸缘107和用于其主体的圆柱形外围111。镶嵌件103具有匹配圆柱形外围113和围绕通孔117的内螺纹115。可以可选地预见的是，螺母103的外部外围113可以具有多边形、凹槽或其它不同形状的表面以提供与罩105的匹配内表面的机械互锁接合，而罩105的外表面111可以仍然保持圆柱形或可以配备有接收扳手的总体上多边形形状。聚合物罩105优选地是Fullcure 720打印材料。

现在参考图10和11，完成的零件121包括透明窗口镶嵌件123和外围环绕的三维打印聚合物边框125。这是理想地适合于用作比如移动电话、手持式PDA(个人数字助理)装置、计算机屏幕、电视机等等这样的电子组件中的显示器。边框125围绕镶嵌件123的外围边缘127以及其一个或两个扩大的平坦表面129延伸。大的中心开口131设置在边框125中以允许通过镶嵌件123观看。附加的较小开口133和135可以设置在边框125中供照相机、麦克风或其它电子组件经由其使用。镶嵌件123优选地是比如预制的平坦或弯曲的玻璃板这样的刚性部件或可选地是预制的聚合物板。

现在参考图12-16，电路零件171包括预制的冲压电导体173和至少部分地封装导体173的三维打印聚合物绝缘体175。导体173进一步地包括弯曲的电连接器177，其可以由越过打印聚合物绝缘体175延伸的箱179、U形181或平叶片183成形部组成。这是用于制造这样的电路的理想适合的制造工艺，因为在聚合物绝缘体175的固化期间没有显著的冷却温度差异，反之嵌入的导体173将以其它方式同样在传统的注射模塑工艺中发生，传统的注射模塑工艺将导致不利的缩痕、内部空隙和归因于显著的冷却差异和零件厚度变化的其它这样的零件缺陷。然而，对于三维打印镶嵌件模塑零件来说，这不是问题。

最后，图17-19表明机织织物或织物镶嵌件零件201完全地或部分地封装在三维打印聚合物罩203里面。织物镶嵌件201和聚合物罩203两者可以由柔韧材料制成以允许拉伸和弯曲，一个可以是柔韧的并且另一个可以总体上是刚性的，或两者都可以总体上是刚性的，取决于最终用途。可选地，预制的金属丝网或间隔开的细长纤维可以封装在打印材料中。

在图20和21A-D中表明了优选的制造机器和工艺。三维打印机1501包括支承表面1503，在支承表面1503上创造一组例如垫圈31和边框/窗口121这样的完全相同的零件。机器1501进一步地包括至少一个喷墨打印机喷头1505，以及优选地八个喷头，其通过电动机或其它自动控制致动器沿着一个或多个龙门导轨(gantry rail)1507从一边至另一边地来回移动。通过电动机或其它自动控制致动器驱动，龙门导轨也在支承表面1503上方沿着外侧轨道1509前后移动。至少两个储存槽1511或可移动的墨盒通过供给软管1513连接至喷头1505，以便将容纳在每个槽1511里面的相同的或不同的聚合物材料1515输送至喷头1505中的多个喷墨打印机开口1517。开口1517可以构成设置在线性阵列中的10×10或甚至100×100个喷嘴——以及更优选地96个喷嘴——的阵列，使得在单个喷头通过期间同时喷射多个材料流。材料优选是粉末和水混合物的形式的紫外光可固化的光敏聚合物。可选地，装有聚合物材料的细长且柔韧的线或细丝的线轴可以供应至喷头，聚合物材料融化并且以层状和连续的线的方式喷射到支承表面上。

具有输入键盘1521、输出显示屏1523和微处理器的计算机控制器1519连接至机器1501的中央处理单元1525以控制来自槽1511的材料的供给以及相对于支承表面1503的喷头1505的致动器移动。机器使用者下载包含零件的设计的CAD文件到与计算机控制器1519相关的比如RAM、ROM、硬盘驱动器或可移动的存储器这样的非暂时性计算机存储器中。使用者然后使用储存在存储器中的软件指令来数码设计到支承表面1503上的所需零件的量并且确定零件在制造方向上的位置，同时添加任何支承部或像素桥(pixel bridge)到设计中，其在制造之后随后被移除。使用者还输入在制造中将使用的材料，然后计算机控制器1519中的微处理器和CPU 1525运行软件以促使喷头1505开始它的移动和材料沉积，以便创造零件组。

在喷头1505的第一次通过期间，随着喷头1505的第一次横向通过，喷墨打印开口1517喷射聚合物材料1515的流并且铺设第一层，其构成用于31的底层外表面。该第一次通过铺设厚度大约0.1-1.0毫米的材料以创造盖35的表面部分。当机器喷头在它的横向路径上继续时，它还将为在同一制造周期中每个邻接的被制造的零件铺设同样精确的材料层。一个或多个紫外光1541连接至喷头1505，其用于在层状材料的沉积之后立即发出光到结合在一起的层状材料上并且固化沉积的材料层。在已经为多个零件中的每一个沉积第一层之后，喷头1505然后在已经沉积的第一层上喷射聚合物材料1515的第二层，当通过光1541固化时其然后粘合至第一层。这种成层和固化重复多次，直到达到图21A中所示的状态。然后停止喷头，并且操作者(或自动机器人)移除建立的支承材料并且然后放置镶嵌件33到建立的聚合物表面上在其中部分制造的空腔中。机器随后如图21C中所示地重新运转，以例如随着多于五十层或五十次喷头通过而在其上附加地创造额外的打印聚合物层，直到零件被完全地创造并且被光固化。镶嵌件整体地粘合至打印聚合物，因此最终的固化零件是一单件。可选地，镶嵌件可以粘附地在区域中涂覆以接收打印聚合物。对于比如关于螺母实施例这样的一些变体，可移除的支承部可以创造位置，在支承部的移除之后，随后将镶嵌件插入到该位置中，并且其后执行进一步的附加打印成层。

材料沉积在计算机控制器219通知喷头希望壁或其它聚合物形成部的地方，然而喷头将在零件的CAD制图中呈现的开孔或其它开阔区域的地方打印可移除的(例如，可溶解的)支承材料。聚合物材料堆叠成许多层，借此在机器1501的外壳内部的流通的且不加压的气体——尤其空气——环境中将整个零件创造为整体且单件的零件。也就是说，在整个制造周期期间，除了接触支承表面1503的第一层以外，零件全部被空气所围绕。如这里所使用的，制造或机器“周期”指的是从喷头开始沉积第一层材料直到喷头沉积用于完成的零件的最后一层材料并且其在机器中固化时的时间期间。机器周期完成之后，使用者比如通过使用油灰刀或其它拆卸工具，手动地从支承表面1503移除制造的零件。在单个机器周期中至少制造四十个零件，这优选地小于九十分钟。在一个可选的步骤中，高压水液的喷射流或流应用于与限定零件的壁的主要材料不同的每个待移除的零件，其用于溶解任何支承部或桥，因为它们是由可溶解的材料制成的。另外，从打印机移除处于完全固化状态的零件，不需要额外的后处理。

由Kritchman等人在2010年8月26日公布、标题为“快速制造装置(Rapid Production Apparatus)”的美国专利公布号2010/0217429，由Batchelder等人在2011年3月31日公布、标题为“基于挤压的数码制造系统中使用的缎带液化器(Ribbon Liquefier for Use in Extrusion-Based DigitalManufacturing Systems)”的2011/0074065，以及由Napadensky在2010年12月14日发布、标题为“三维模型打印中使用的组合物和方法(Compositions and Methods for Use in Three Dimensional Model Printing)”的美国专利号7,851,122，由Kritchman等人在2008年5月6日发布、标题为“用于三维物体的精确打印的装置、系统和方法(Device,System andMethod forAccurate Printing ofThree Dimensional Objects)”的7,369,915，以及由Batchelder等人在1999年2月2日发布、标题为“用于实体模型的快速原型制作的方法(Method for Rapid Prototyping of Solid Models)”的5,866,058中公开了如这里具体说明的可以用于制造零件的示例性普通三维打印机和材料。这些专利出版物和专利全部通过引用结合于此。目前优选的机器是来自物体几何体公司(Objet Geometries Inc)的Connex500型。然而，应该领会的是，通过本发明的三维打印步骤制造这里公开的零件，也在这里公开了是技术上的重大飞跃。

虽然这里已经公开了各种实施例，但是应该领会的是，可以使用其它变体。例如，预先确定且完全封闭的空腔可以设计并且制造在任何本发明零件的增厚的壁里面，以便节省材料成本和重量。此外，可以预见的是，比如例如注射模塑尼龙这样的工程级聚合物这样的其它的镶嵌件型材或材料，可以用作放置到三维打印机中的预制镶嵌件并且其与完成的组件零件成为一体的单件。任何零件的功能、特征和其部分，可以与上文中公布的任何其它零件互换，虽然某些利益可能尚未实现。然而，这种变化、修改或变体不应视为背离本发明的精神和范围的。

Claims (31)

1.一种制造零件的方法，该方法包含：

(a)在三维打印机中创造聚合物材料的第一层；

(b)在上述步骤之后发出光到该第一层上以固化、硬化或粘合该层；

(c)在上述步骤之后在该第一层上至少创造该聚合物材料的第二层；

(d)在上述步骤之后发出光到该第二层上以固化、硬化或粘合该第二层；

(e)将预制的镶嵌件放置到该三维打印机中；

(f)在该三维打印机中促使该镶嵌件连接至该聚合物材料层中的至少一层；以及

(g)从该三维打印机中移除该完成的零件，该聚合物层和镶嵌件全部整体地连接在一起作为一单件；

该完成的零件是有多种用途的并且通过该三维打印机在小于九十分钟内制造。

2.如权利要求1所述的方法，进一步地包含在流通的且不加压的空气环境中从打印头沉积该材料的第一层到机器的支承表面上。

3.如权利要求2所述的方法，其中该聚合物材料从该机器移除之后是柔韧的。

4.如权利要求1所述的方法，其中该预制的镶嵌件是金属制的。

5.如权利要求1所述的方法，其中该镶嵌件完全地封装在该打印聚合物材料里面。

6.如权利要求1所述的方法，其中该光是紫外光，其在该零件的每一层沉积之后立即在该零件的每一层的上方通过。

7.如权利要求1所述的方法，进一步地包含从该镶嵌件和聚合物层制造具有中心孔和圆形外围的该零件垫圈。

8.如权利要求1所述的方法，进一步地包含从该镶嵌件和聚合物层使该零件制造为具有凹形中心和外围凸缘的推进盖。

9.如权利要求1所述的方法，其中该零件的聚合物部分比该镶嵌件更柔韧，该镶嵌件更刚性。

10.如权利要求1所述的方法，进一步地包含从该镶嵌件和聚合物层使该零件制造为内螺纹螺母。

11.如权利要求1所述的方法，其中该镶嵌件是透明板并且该聚合物层创造该板的边框邻接边缘。

12.如权利要求1所述的方法，其中该镶嵌件是电导体并且该聚合物层创造绝缘体。

13.如权利要求1所述的方法，其中该镶嵌件是织物片。

14.一种制造零件的方法，该方法包含：

(a)将聚合物材料的一层沉积到镶嵌件上；

(b)在每一先前层上沉积该材料的随后层直到完全地创造该零件；

(c)在该沉积步骤期间用气体围绕该零件的至少大部分；

(d)固化该零件以便该聚合物材料的层粘合在一起并且该聚合物材料层中的至少一层粘合至该镶嵌件；以及

(e)移除该完成的零件，其包括作为单件的该聚合物材料和镶嵌件。

15.如权利要求14所述的方法，其中该气体是空气并且该镶嵌件是金属。

16.如权利要求14所述的方法，进一步地包含从放置在该支承表面上方的机器喷头流出该材料，该机器喷头和该支承表面中的至少一个根据计算机指令相对于另一个自动地移动以便在同一机器周期中创造完全相同的多个该零件，由于其制造而无收缩或膨胀。

17.如权利要求14所述的方法，其中该材料是三维可打印聚合物。

18.如权利要求14所述的方法，其中在小于九十分钟的单个机器周期中实质上同时制造至少十个该零件。

19.如权利要求14所述的方法，进一步地包含从包括设置成阵列的开口的喷墨打印头流出该聚合物材料，使得用于该零件的每一层的多个材料流同时发生。

20.一种使用三维打印机的方法，该方法包含从该机器的喷墨打印头喷射材料，以及通过放置材料来附加地封装预制的镶嵌件的至少一部分以创造下列中的至少一个：(i)垫圈，(ii)密封垫，(iii)推进盖，(iv)螺纹螺母，(v)边框和窗口，(vi)电导体和绝缘体，以及(vii)封装的织物。

21.如权利要求20所述的方法，进一步地包含根据逐层原理建立材料，该机器进一步地包含支承表面，该支承表面上建立该材料和/或放置该镶嵌件，并且该打印头和该支承表面中的至少一个相对于另一个移动以随着一次移动通过创造每一层。

22.如权利要求20所述的方法，其中该材料是三维可打印聚合物，进一步地包含当正建立该零件时用光线固化该材料。

23.如权利要求20所述的方法，其中该镶嵌件是金属。

24.一种零件包含：

包括至少一个三维可打印材料的该零件的第一部分；

包括由下列中的一种制成的镶嵌件的该零件的第二部分：金属、聚合物、玻璃或织物；以及

该部分整体地连接在一起以限定该零件。

25.如权利要求24所述的零件，其中该三维可打印材料包括聚合物材料。

26.如权利要求24所述的零件，其中该镶嵌件是金属。

27.如权利要求24所述的零件，其中该镶嵌件是玻璃。

28.如权利要求24所述的零件，其中该镶嵌件是织物。

29.如权利要求24所述的零件，其中该镶嵌件是由与该第一部分不同的聚合物材料组成。

30.如权利要求24所述的零件，其中该三维可打印材料是光可固化的。

31.如权利要求24所述的零件，其中该部分中的一个是带螺纹的。