CN106671423A - 具有加强网层的增材制造系统 - Google Patents

Abstract

一种三维物体打印机包括控制器，所述控制器操作至少一个喷射器以将光聚合物材料层放置在衬底上。控制器配置成在继续将光聚合物材料喷射到纤维上之前部分固化喷射的光聚合物层并且将纤维定位在固化层上。纤维可以是松散的或被组织成网。定位在固化层上的网片可以被预切割或者切割装置可以被操作以切割具有对应于光聚合物材料层的形状的形状的网片。纤维加强了光聚合物材料层并且使正在用光聚合物材料形成的总部件增加强度和耐用性。

Description

具有加强网层的增材制造系统

技术领域

本文中公开的装置涉及产生三维物体的打印机，并且更特别地，涉及用于加强这样的物体的系统和方法。

背景技术

数字三维制造也称为数字增材物体制造，是从数字模型制造实质上任何形状的三维固体物体的过程。三维打印是增材过程，其中一个或多个打印头在衬底上以不同形状喷射材料的连续层。衬底支撑在平台上，平台通过可操作地连接到平台的致动器的操作可三维地移动，或者一个或多个打印头可操作地连接到一个或多个致动器以便控制一个或多个打印头的运动以产生形成物体的层。三维打印与主要依赖通过减材过程从工件去除材料的传统物体形成技术(如切割或钻孔)可区分。

目前的三维打印机关于可以喷射的材料的粘度范围具有明显的限制，多数材料具有10到20厘泊(cP)之间的上限。喷射被固化的液体光聚合物的打印机被限制到该范围的上限。因此，用这些材料制造的物体可能太脆弱并且因此在它们的功能性上被限制。诸如熔融沉积成型(FDM)或选择性激光烧结(SLS)的其它增材制造方法可以使用材料的更宽范围并且因此能够产生比由固化光聚合物材料制造的物体更耐用的产品。所以，能够用固化光聚合物材料产生与FDM和SLS方法产生的物体一样耐用的物体的系统将是有利的。

发明内容

在结构的增材制造过程期间将纤维或一个或多个网片嵌入三维结构中的制造方法增加结构的稳定性和耐用性。方法包括用控制器操作多个喷射器中的至少一个喷射器以在衬底上形成光聚合物材料的至少一个层，用所述控制器操作紫外(UV)辐射源以部分固化所述光聚合物的至少一个层，用所述控制器操作致动器以将纤维定位到所述部分固化的光聚合物的至少一个层的顶表面上，以及用所述控制器操作所述至少一个喷射器以将附加光聚合物材料喷射到所述纤维上从而在所述纤维上形成光聚合物材料的至少一个其它层。

在结构的增材制造过程期间将纤维或一个或多个网片嵌入物体中的系统增加结构的稳定性和耐用性。系统包括衬底，配置成朝着所述衬底喷射光聚合物材料滴的多个喷射器，发射辐射以固化从所述多个喷射器喷射的光聚合物材料的紫外(UV)辐射源，配置成将纤维定位在由所述衬底支撑的光聚合物材料上的致动器，以及可操作地连接到所述多个喷射器、所述辐射源和所述致动器的控制器。所述控制器配置成操作所述多个喷射器中的至少一个喷射器以在所述衬底上形成光聚合物材料的至少一个层，操作所述UV辐射源以部分固化所述光聚合物材料的至少一个层，操作所述致动器以将纤维定位在所述部分固化的光聚合物材料的至少一个层的顶表面上，以及操作所述多个喷射器以将附加光聚合物材料喷射到所述纤维上从而在所述纤维上形成光聚合物材料的至少一个其它层。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释将纤维或一个或多个网片嵌入增材制造的三维物体中的系统的前述方面和其它特征。

图1示出使用能够在构建过程期间定制切割网片的增材制造方法形成三维结构的系统的俯视图。

图2示出图1中所示的系统的侧视图。

图3示出根据本发明的另外实施例的包括附加元件的图1中所示的系统的俯视图。

图4是用于将一个网片或多个网片嵌入三维结构中的增材制造方法的流程图。

图5是可以在图3中所示的实施例中使用的纤维分配器的图示。

具体实施方式

为了本文中公开的系统和方法的环境以及系统和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相似的附图标记标示相似的要素。

图1和2示出使用能够在构建过程期间将纤维或网片嵌入结构中的增材制造方法形成三维结构的系统。当在本文中使用时，术语″纤维″指的是可用于将耐用性或抗拉强度赋予制造的结构的一种或多种材料的细丝的集合。当在本文中使用时，″网″指的是被组织以在至少两个不同方向上延伸并且保持在一起以形成在一定程度上可透空气和光的实体的多个纤维。打印机100包括衬底10，至少一个喷射器12，切割装置14，致动器16，控制器18，生成光栅数据的光栅图像处理器22，以及打印头驱动器24。例如由计算机辅助设计(CAD)系统产生的三维部件文件20由三维光栅图像处理器22接收，所述处理器生成待打印以形成部件11的层的光栅图像数据。光栅图像处理器22将光栅图像数据传到打印头驱动器24并且驱动器生成像素化数据，所述像素化数据用于操作至少一个喷射器12以及将数据发送到控制器18。至少一个喷射器12配置成朝着衬底10喷射光聚合物材料滴，使得滴在衬底10的顶部上形成光聚合物材料层。如图1中所示，多个喷射器可以连续被提供并且部件11移动通过喷射器的线以接收来自每一个的光聚合物材料滴。切割装置14配置成将网材料切割成实质上任何形状。致动器16配置成将来自切割装置14的至少一个网材料片13朝着衬底移动。至少一个网材料片13的目的是通过将至少一个网材料片13插入部件的层之间增加部件稳定性和强度。网用作部件内的支撑结构，并且可以放置在整个部件各处或者选择性地放置在部件内的仅仅高应力区域处。网材料可以由强度足以支撑固化部件的任何材料制造。这些材料包括、但不限于金属，如镍和不锈钢，和高强度塑料。

控制器18可操作地连接到打印头驱动器24、至少一个喷射器12、切割装置14和致动器16。控制器18配置成操作系统的各种部件。例如，控制器18配置成具有带电子存储装置的中央处理单元(CPU)和显示器或用户接口(UI)的配套、专用计算机。控制器18也配置有通用或专用可编程处理器，所述处理器执行存储在可操作地连接到控制器的存储器中的编程指令。处理器、它们的存储器和接口电路将控制器配置成执行下述的操作。这些部件设在印刷电路上或者作为专用集成电路(ASIC)中的电路被提供。电路的每一个可以用独立处理器实现或者多个电路可以在相同处理器上实现。替代地，电路可以用设在超大规模集成(VLSI)电路中的分立部件或电路实现。而且，本文中所述的电路可以用处理器、ASIC、分立部件或VLSI电路的组合实现。

首先，控制器操作至少一个喷射器12以喷射光聚合物材料滴从而在衬底10上形成光聚合物材料的至少一个层。在光聚合物材料被固化之前控制器18可以操作至少一个喷射器12以增加三维部件文件20所需的或用户期望的数量的层。一旦光聚合物材料被固化，至少一个网材料片13定位在光聚合物材料的顶层上。控制器18也可以参考用于操作至少一个喷射器12的被处理数据操作切割装置14以将网材料切割成具有对应于固化光聚合物材料的至少顶层的一部分的形状的一个或多个网片13。由此产生的至少一个网材料片13被切割成对应于部件11的顶层的一般横截面形状的一种或多种形状，如图1的实施例中所示。使网材料片13具有大致类似于部件的顶层的形状的形状最大化网材料片13接触的顶层的表面积。接触面积的该最大化加强部件的结构完整性和耐用性。用于操作至少一个喷射器12的被处理数据可以由控制器18使用以操作切割装置14从而切割单独地放置到部件的顶层上的多个网片13。切割装置14配置成使用本领域技术人员已知的各种切割方法切割网材料。在一个实施例中，切割装置14是激光切割系统并且在另一实施例中，切割装置14是可操作地连接到致动器的往复式刀片系统，所述致动器配置成响应从控制器18接收的信号移动往复式刀片系统以将网切割成对应于用于操作形成部件的喷射器的数据的形状。也就是说，控制器18在正和负X、Y和Z方向上操作致动器16以将来自切割装置14的至少一个网材料片13移动到固化光聚合物材料的至少一个层的顶表面。为了帮助加强部件，控制器18也可以操作致动器16以改变层内或不同层中的网片的取向。最后，在至少一个网材料片13被加入固化光聚合物材料的顶层之后控制器18操作至少一个喷射器12以加入附加层从而在至少一个网材料片13的顶部上形成光聚合物材料的至少一个其它层。铺在固化光聚合物的顶表面上的一个或多个网片不需要与顶层的边界一致。例如，一个或多个网片的一部分可以延伸超出顶层的边缘。片的延伸部分可以用于在生产期间操纵部件或用作随后待喷射的材料的支撑件。一旦部件完成，网片的延伸部可以由已知过程去除。加入层和网片的过程继续直到三维部件11完成。

下面公开前述系统的若干附加实施例。在一个实施例中，如图3中所示，系统还包括配置成生成形成物体的光聚合物材料的至少一个层的图像数据的光学传感器26。控制器18可操作地连接到光学传感器26以接收对应于光聚合物材料层的各种特征(特别是其形状)的图像的由光学传感器26生成的图像数据。这些图像数据被发送到控制器18，所述控制器生成用于操作切割装置14和至少一个喷射器12的信号。切割装置14然后将下一个网材料片13切割成期望规格，该期望规格对应于基于从控制器18发送的由光学传感器26生成的图像数据的信号。控制器18也可以获取这些数据并且操作至少一个喷射器12以考虑通过至少一个网材料片13的加入产生的固化光聚合物材料层的顶表面的变化。当至少一个网材料片13被加入固化光聚合物材料层的顶表面时，脊或隆起可能在网周围形成。而且，网自身可能在固化光聚合物材料层的顶表面的平面上方升高。所以，将被加入网的顶部上的光聚合物材料层必须考虑顶层表面中的这些变形。光学传感器26捕捉该信息并且生成对应于该信息的图像数据，所述图像数据被发送到控制器18。如上所述，网材料是可渗透的，因此构建和支撑材料可以填充网材料内的缝隙空间并且喷射材料的量可以由位置改变以平整下一光聚合物层中的顶表面。因此，控制器18参考这些图像数据操作至少一个喷射器12以在一些区域中加入更多的光聚合物材料并且在其它区域中加入更少的光聚合物材料从而获得光聚合物材料的下一层上的平坦顶表面。

如上所述，控制器18可以配置成生成用于参考由控制器18使用以操作至少一个喷射器12以便形成光聚合物材料的至少一个层的图像数据操作切割装置14的信号。在该配置中，对于每个层由控制器18使用的图像数据直接来自三维部件文件20。图像数据不来自正在构造的实际部件11，并且因此不显示可能在构建过程期间发生的任何可能的微小缺陷或意外改变。类似于先前所述的实施例，图像数据由控制器18使用以操作切割装置14从而切割每个网片13。另外，控制器18可以获取来自部件文件的该图像数据并且用对应于至少一个网材料片13已嵌入其中的光聚合物材料层的顶表面的变化的经验确定数据来修改它。在构建过程开始之前对应于网片已嵌入其中的光聚合物材料层的顶表面中的缺陷和脊的该经验确定数据与部件文件20一起存储在存储器中。控制器18然后获取该经验确定数据并且操作至少一个喷射器12以在一些区域中加入更多的光聚合物材料并且在其它区域中加入更少的材料从而获得光聚合物材料的下一层上的平坦顶表面。

在一个或多个网片上施加的光聚合物材料层中的这些缺陷可以使用如以下实施例中所述的其它方法进行补偿。在一个实施例中，如图3中所示的系统100还可以包括配置成参考衬底10移动板或辊30的第二致动器28。控制器18可操作地连接到第二致动器28并且还配置成操作第二致动器28以将板或辊30压入覆盖至少一个网材料片的光聚合物层中。当板或辊30被压入覆盖至少一个网材料片13的光聚合物层中时，它将光聚合物材料推动到至少一个网材料片13中。一旦光聚合物材料层被推动到一个或多个网片中时，至少一个网材料片13定位成略低于、略高于或完全齐平施加到一个或多个网片上的光聚合物材料层的顶表面。该定位保证光聚合物材料层的顶表面相对平坦并且因此准备从至少一个喷射器12接收光聚合物材料的下一层。板或辊30可以包括圆筒形滚动装置，其在光聚合物材料层和至少一个网材料片13上滚动。板或辊30也可以包括热板，其被推动到光聚合物材料层和至少一个网材料片13中以加热光聚合物层从而帮助将至少一个网材料片13附着到施加到网的光聚合物材料层并且平整光聚合物材料的顶层。

在另一实施例中，施加到一个或多个网片的光聚合物材料层的顶表面中的缺陷可以用配置成去除施加到一个或多个网片的光聚合物材料的至少一个层的一部分的平整器32进行修复。控制器18可操作地连接到平整器32并且还配置成操作平整器32以去除施加到一个或多个网片的未固化光聚合物材料的至少一个其它层的一部分。将从未固化光聚合物材料的至少一个其它层去除的部分是突出或以另外方式影响顶表面的平整度的最后层的顶表面的任何部分。一旦这些部分被去除，光聚合物材料的最后层的顶表面足够水平以使光聚合物材料的附加层加入其顶部上。不需要每个层都完全水平，原因是来自光学传感器26的数据或来自部件文件的图像数据可以用于解释这些缺陷并且于是操作至少一个喷射器12以形成下一层。

图3中所示的系统100的另一实施例包括用于将一个或多个网片定位在正在制造的部件上的机械臂34。致动器16可操作地连接到机械臂34以使控制器18能够操作致动器16从而移动机械臂34并且将至少一个网片13定位到光聚合物材料层上。因此，机械臂34的操作改善将至少一个网材料片13放置到光聚合物材料层的顶表面上的过程的速度和效率。在该实施例中，预切割网片13可以储存在另一台板上或者切割装置14可以由控制器18操作以切割网片。为了便于网形状与正在形成的部件的区域一致，具有不同宽度和长度的多个预切割网片可以储存在台板上或者切割装置14可以被供应具有不同宽度的网卷。控制器18然后从台板取下网片13以将它们放置在部件11上。由于系统100用可固化液体光聚合物形成物体，因此UV辐射源36包括在图3中所示的系统中。控制器18可操作地连接到UV辐射源36并且配置成操作UV辐射源36以固化从至少一个喷射器12喷射的液体光聚合物材料。可以根据需要不时地进行部件11的该固化。部件可以远离至少一个喷射器12移动到UV辐射源36可以直接照射部件11并且固化它的地方。部件然后可以移动回到它的初始位置，因此可以操作至少一个喷射器12以继续构建过程。

在图4中显示用于将一个网片或多个网片嵌入三维结构中的增材制造方法200。在该方法的描述中，过程正在执行某个任务或功能的陈述指的是控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的存储器中的编程指令以处理数据或操作打印机中的一个或多个部件从而执行任务或功能。上述的控制器18可以是这样的控制器或处理器。替代地，控制器18可以用一个以上处理器和关联的电路和部件实现，其每一个配置成形成本文中所述的一个或多个任务或功能。

控制器18(图1)操作多个喷射器12中的至少一个喷射器12以在衬底上形成液体光聚合物材料的至少一个层(方块204)。控制器18然后确定是否将加强网材料片13加入到光聚合物材料层的顶表面(方块208)。如果来自文件20的数据指示将不加入网材料片，控制器18用下一层的图像数据操作一个或多个喷射器12以在光聚合物材料的先前层的顶部上形成光聚合物材料的另一层(方块204)。参考由控制器18从三维部件文件20接收的图像数据进行该确定。如果数据指示将加入网材料片，控制器18操作辐射源36以部分固化喷射的光聚合物(方块210)。当在本文中使用时，″部分固化″表示不通过暴露于固化辐射完全固化光聚合物的一个或多个层。识别一个或多个网片的形状或轮廓(方块212)。通过处理从三维部件文件20接收的图像数据或通过处理由控制器18从光学传感器26接收的图像数据执行轮廓识别，当正在构造部件时所述光学传感器定位成从部件11捕捉图像数据。控制器18然后操作机械臂34以选择合适的网片或者控制器可以使用来自三维部件文件20的图像数据或来自光学传感器26的图像数据操作切割装置14以将至少一个网材料片13切割成被识别形状(方块216)。本领域中已知的任何切割方法可以用于操作先前所述的各种切割装置以切割至少一个网材料片。机械臂34然后由控制器18操作以将一个或多个网材料片13加入到部分固化层的顶表面(方块220)。至少一个网材料片13以片中的细丝的适当取向直接被放置到部分固化光聚合物材料层的顶表面上并且允许在光聚合物材料上方突出。控制器18操作至少一个喷射器12以将附加光聚合物材料喷射到至少一个网材料片13上以在至少一个网材料片13上形成光聚合物材料的至少一个其它层(方块224)。可以由从三维部件文件20或从光学传感器26发送到控制器18的图像数据确定形成光聚合物材料的下一层的光聚合物材料的分配。

为了解决施加层的顶表面中的可能缺陷，控制器18然后可选地操作第二致动器28以将板或辊30压入光聚合物材料的施加层和至少一个网材料片13中(方块228和232)。控制器18操作板或辊30以在施加层和网材料片13上滚动圆筒形滚动装置或抵靠施加层和至少一个网材料片13加压可以加热的板。圆筒形滚动装置将光聚合物材料的施加层推动到网材料13中，帮助平整网使得可以精确地加入光聚合物材料的下一层。可以加热的板将网材料13推动到层中并且平整层，以及加热它使得它进一步附着到光聚合物材料层。

附加地或替代地，可以通过使用平整器去除缺陷解决施加的光聚合物的顶层中的缺陷。因此，过程继续确定施加层是否将被平整(方块236)，如果是，控制器18操作平整器以去除未固化光聚合物的施加层的部分(方块240)。平整器32的操作去除突出或以另外方式影响层的顶表面的平整度的光聚合物材料的施加层的顶表面的任何部分。一旦可选的平整完成，控制器18然后从图像数据确定是否将光聚合物材料的附加层和可能的网材料加入到部件11(方块244)。如果控制器18确定继续加入层，方法继续(方块204)。如果控制器18确定没有附加层将被加入到部件11，方法完成(方块248)。在除了上述点以外的方法200的过程期间的任何点，光聚合物材料层可以可选地由UV辐射源36固化。如果由控制器18确定光聚合物材料层需要固化，控制器18操作UV辐射源36以固化光聚合物材料的最后施加层。

在图3中所示的系统的另一替代实施例中，机械臂34和切割装置14由图5中所示的纤维分配器504替换。分配器504可操作地连接到致动器16，因此控制器18可以操作致动器16以在部件11上方的各平面中的不同X、Y位置定位分配器504。分配器504包括渐缩到喷嘴512的主体508。多个料箱516配置成用于与主体508的内部和喷嘴512选择性连通。当料箱516移动到能够使料箱与主体508的内部和喷嘴512连通的位置时，储存在料箱内的单独的短纤维穿过主体508并且通过喷嘴512离开。因此，通过操作致动器16以将喷嘴512定位在纤维将定位的固化光聚合物层上的位置上方并且然后将料箱516移动到使纤维能够通过喷嘴512排出的位置，纤维可以沉积在部件11上。(一个或多个)附加层然后可以施加到纤维并且针对顶表面中的缺陷用辊或平整器进行调整，如上所述。

Claims (10)

1.一种用于将纤维嵌入三维结构中的增材制造方法，其包括：

用控制器操作多个喷射器中的至少一个喷射器以在衬底上形成光聚合物材料的至少一个层；

用所述控制器操作紫外(UV)辐射源以部分固化所述光聚合物的至少一个层；

用所述控制器操作致动器以将纤维定位到所述部分固化的光聚合物的至少一个层的顶表面上；以及

用所述控制器操作所述至少一个喷射器以将附加光聚合物材料喷射到所述纤维上从而在所述纤维上形成光聚合物材料的至少一个其它层。

2.根据权利要求1所述的方法，所述纤维的定位还包括：

用所述控制器操作所述致动器以将至少一个网片定位到所述固化光聚合物的至少一个层的顶表面上。

3.根据权利要求2所述的方法，其还包括：

用所述控制器操作切割装置以将所述至少一个网片切割成对应于所述光聚合物材料的至少一个层的一部分的形状。

4.根据权利要求3所述的方法，其还包括：

用光学传感器生成所述光聚合物材料的至少一个层的图像数据；以及

用所述控制器生成用于参考由所述光学传感器生成的图像数据操作所述切割装置和所述至少一个喷射器的信号。

5.根据权利要求3所述的方法，其还包括：

用所述控制器生成用于参考用于操作所述至少一个喷射器以形成所述光聚合物材料的至少一个层的图像数据操作所述切割装置的信号。

6.一种使用增材制造方法形成三维结构的系统，其包括：

衬底；

多个喷射器，所述多个喷射器配置成朝着所述衬底喷射光聚合物材料滴；

紫外(UV)辐射源，所述紫外辐射源发射辐射以固化从所述多个喷射器喷射的光聚合物材料；

致动器，所述致动器配置成将纤维定位在由所述衬底支撑的光聚合物材料上；以及

控制器，所述控制器可操作地连接到所述多个喷射器、所述辐射源和所述致动器，所述控制器配置成：

操作所述多个喷射器中的至少一个喷射器以在所述衬底上形成光聚合物材料的至少一个层；

操作所述UV辐射源以部分固化所述光聚合物材料的至少一个层；

操作所述致动器以将纤维定位在所述部分固化的光聚合物材料的至少一个层的顶表面上；以及

操作所述多个喷射器以将附加光聚合物材料喷射到所述纤维上从而在所述纤维上形成光聚合物材料的至少一个其它层。

7.根据权利要求6所述的系统，所述控制器还配置成：

操作所述致动器以将至少一个网片定位到所述部分固化的光聚合物的至少一个层的顶表面上。

8.根据权利要求7所述的系统，其还包括：

切割装置；并且

所述控制器还配置成操作所述切割装置以将所述至少一个网片切割成对应于所述光聚合物材料的至少一个层的一部分的形状。

9.根据权利要求8所述的系统，其还包括：

光学传感器，所述光学传感器配置成生成所述光聚合物材料的至少一个层的图像数据；并且

所述控制器还配置成生成用于参考由所述光学传感器生成的图像数据操作所述切割装置和所述多个喷射器的信号。

10.根据权利要求8所述的系统，所述控制器还配置成参考用于操作所述多个喷射器以形成所述光聚合物材料的至少一个层的图像数据操作所述切割装置。