CN106794624A - 用于制造物体的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用添加制造工艺制造物体的方法。该方法涉及包括用于选择性地制造材料的制造头和用于接收所制造的材料的构建区域的计算机控制设备，并且包括以下步骤：该设备接收与物体几何有关的计算机指令，以及移动制造头和构建区域，并且选择性地操作制造头，以在对应于物体几何的构建区域中制造至少一个材料条，由此至少一个条具有不均匀的厚度。

Description

用于制造物体的方法

技术领域

本发明总体涉及制造物体，并且特别涉及用计算机控制的“添加制造”设备制造物体。

背景技术

通常称为“3D打印”的添加制造通常涉及根据从物体的三维数字模型导出的计算机指令通过形成物体的横截面的连续平面层制造物体。流行的添加制造技术包括熔融沉积建模(FDM)、立体光刻(SLA)和选择性激光烧结(SLS)；所有这些通常涉及移动“打印头”越过龙门系统并且通过选择性地沉积熔融材料、固化液体材料或熔化粉末材料而选择性地制造邻近打印头的材料，从而制造该物体。

无论使用哪种添加制造工艺，典型的是，所制造的物体的每一层具有大致一致的均匀厚度(忽略了由于所使用的设备的限制或不准确而产生的该层的表面中的缺陷)。此外，通常，物体的各层的厚度通常由用户或软件在制造物体之前指定为等于所有其它层。例如，如果优先的是尽可能快地制造物体，则将层厚度设置为最大值，从而减少制造物体所需的时间，但是导致物体上的相对粗糙或“带阶梯”的表面光洁度。替代地，如果优先的是制造具有精确几何和/或精细表面光洁度的物体(称为以“高分辨率”打印)，则将层厚度设置为最小值，从而减少粗糙度/台阶高度并导致在光滑的表面光洁度，但增加制造物体所需的时间。

在某些情况下，由于结构原因，已知配置该设备以通过不同的层厚度制造物体的不同部分。例如，当使用选择性沉积工艺制造物体时，已知配置该设备以2“X”厚度尺寸制造物体的初始层，并且其余层以“X”厚度尺寸制造。这确保了初始层具有足够的热量以牢固地粘附到设备的基部，从而防止在制造过程的其余部分期间物体移动，和/或在制造过程期间为物体提供改进的稳定性。

类似地，该设备可以被配置为由于该部分的几何而通过不同层厚度来制造物体的不同部分。例如，当物体包括被排列成立方体的第一部分和在立方体的顶部上被布置为穹顶的第二部分时，该设备可以被配置为通过具有5“X”厚度尺寸的层制造立方体，并且通过具有“X”厚度尺寸的层制造穹顶部分。这种方法允许仅包括垂直壁的物体的第一部分尽可能快地制造，而包括弯曲壁(其最易形成阶梯状外观)的物体的第二部分制造得更慢，从而在物体的两个部分上实现可接受的表面光洁度，并尽可能地最小化构建时间。

不管采取哪种方法，以如上所述的连续层制造的物体经常遭受许多问题。例如，由于每个层通常彼此平行并且是平面的，所以相邻层之间的结合相对较弱。这意味着当物体暴露于某些环境条件(例如暴露于温度变化、灰尘、化学品和/或水分)或机械应力时，层之间的结合会退化，因而层彼此分层。这对于物体的功能可能是致命的。此外，能够以连续的平面层制造的物体的几何固有地受到限制，这意味着一些几何不能被制造，或者可能需要构造额外的支撑结构以在制造过程中支撑物体，从而增加了过程的复杂度、所需时间和成本。

因此，提供使用添加制造方法制造物体的替代方法将是有用的，该方法提供了制造的层之间的改进的结合，或以其他方式减少了与制造的物体分层相关的问题。此外，提供避免或改善现有技术中存在的任何缺点的解决方案或者为现有技术方法提供另一种替代方案将是有用的。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种使用计算机控制设备制造物体的方法，该设备具有用于选择性地制造材料的制造头和用于接收制造材料的构建区域，至少一个制造头和构建区域可相对于彼此移动，并且所述制造头选择性地可操作以响应于计算机指令来制造所述材料，所述方法包括以下步骤：通过所述设备接收与所述物体几何相关的计算机指令；以及移动所述制造头和构建区域中的至少一个，以及选择性地操作所述制造头，以在对应于所述物体几何的构建区域中制造至少一个材料条，所述至少一个条具有不均匀的厚度。

还公开了其他方面。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：

图1是选择性沉积材料以制造物体的设备的透视图；

图2是选择性固化材料以制造物体的替代设备的透视图；

图3是物体的横截面细节；

图4是替代物体的横截面细节；

图5是另一替代物体的横截面细节；

图6是另一替代物体的横截面细节；

图7是另一替代物体的横截面细节；

图8是另一替代物体的横截面细节；

图9是另一替代物体的横截面细节；

图10是计算机模型的横截面细节；

图11显示了由波发生器产生的四个波形；

图12A至12D示出了图1所示设备的另一方面；

图13A至14D示出了由图12A至12D所示的设备制造的各种物体；

图15A至16B是另一替代物体的横截面细节；

图17是另一替代物体的横截面细节；

图18是另一替代物体的横截面细节；

图19是另一替代物体的横截面细节；

图20A是另一替代物体的剖面透视图；

图20B是另一替代物体的剖面透视图；

图21是另一替代物体的剖面透视图；

图22是另一替代物体的剖面透视图；

图23A至23C是制造另一替代物体的三个阶段的横截面细节；

图24是另一替代物体的横截面细节；

图25是另一替代物体的透视图；

图26A至26C是另一替代物体的透视细节；

图27A是由波发生器产生的替代波形；

图27B是具有实施图27A所示波形的几何的另一个替代物体；和

图28示出了制造另一替代物体的阶段。

具体实施方式

本公开涉及一种使用计算机控制设备制造物体的方法，该设备具有用于选择性地制造材料的制造头，该制造头布置在接近制造材料的构造区域附近，由此至少制造头和构建区域可相对于彼此移动，并且制造头可选地可操作以响应于计算机指令来制造材料，该方法包括以下步骤：通过该设备接收与物体几何相关的计算机指令；以及移动所述制造头和构建区域中的至少一个，以及选择性地操作所述制造头，以在对应于所述物体几何的构建区域中制造至少一个材料条，所述至少一个条具有不均匀的厚度。

所公开的方法和设备允许制造不均匀厚度的材料条，使得不均匀厚度的条一起形成物体。这可能涉及制造具有不均匀高度和/或不均匀宽度的材料条，由此两个尺寸可以在制造过程中选择性地变化。这有利地允许制造的材料的每个条的几何被调整为适合于物体的功能和/或美学要求，因此提供优化的物体。例如，不均匀的厚度几何可以允许制造具有互锁的配合部分的相邻的条，例如从第一条延伸的与第二条中的凹部配合的突起，从而提供抗分层结构。替代地，不均匀的厚度几何可以允许制造锥形或厚度起伏的条，以形成特定的表面光洁度并提供期望的外观。类似地，不均匀的厚度几何可以允许在相邻的条之间产生空腔或空隙，以允许流体穿过其中以控制物体的温度或通风，或者使物体具有期望的性质，例如可弹性压缩。

所公开的方法涉及用添加制造(“3D打印”)设备制造材料的不均匀厚度条。合适的设备通常涉及在特定位置选择性地排出材料以形成条。替代地或附加地，合适的设备通常包括在特定位置选择性地将一定体积的材料(通常布置在储存器或容器中)的部分熔合、粘合或固化，以形成条。该设备通常由从条的数字模型导出的计算机指令来引导，由此计算机指令指导设备的操作以制造具有与数字模型相对应的几何的条。

所公开的方法和设备通常涉及制造不均匀厚度的材料条，直到所制造的不均匀厚度的条形成期望的物体几何。通常，物体将由连续的材料层制成，由此每个层包括至少一个不均匀厚度的条。由于布置在其中的条的不均匀的宽度和/或高度几何，相邻的层通常是互锁的。

在图1中，示出了用于制造物体的计算机控制的选择性沉积设备10，其包括邻近构建区域(未划定)固定的机器人臂11，机器人臂11可以在该区域中接近和制造物体13，该区域包括支撑物体13的基面12。臂11包括通过软管15与材料供应源连通的沉积头14，并且适于选择性地排出材料。臂11具有可旋转地彼此连接的多个部分，允许臂11在所有三维中相对于基部表面12移动沉积头14。可选地，构建区域的至少一部分，例如基底表面12，也是可移动的，从而相对于沉积头14移动物体13。进一步可选地，机器人手臂11也可跨表面12移动。

沉积头14适于接收材料的供应并且从其中选择性地沉积材料以响应于从物体13的三维数字模型导出的计算机指令来形成材料的至少一个条。材料通常以基本上液体或熔融形式供应并在沉积后迅速硬化。替代地，材料以颗粒形式或丸状形式供应并在沉积之前熔化。应当理解，术语“沉积”包括将材料添加到区域中以形成在其范围内的结构的所有已知方法，例如喷射液体材料，喷射(和任选地结合)颗粒材料或选择性地焊接粉末材料。

物体13由多个平面层131形成，每个平面层131包括由沉积头14沉积的材料的至少一个条。每个层131可以包括单个连续的条或多个离散条。类似地，所有层131可以由单个连续的条形成。

在图2中，示出了用于制造物体的计算机控制的选择性凝固设备20，其包括布置在相对于替代构建区域上方并可相对于替代构建区域移动并且在其中制造物体26的机器人臂21。构建区域包括填充有形成顶表面24的基本上液体的可固化材料23的储存器22。机器人臂21连接到激活头25，激活头25适于响应于由物体26的三维数字模型导出的计算机指令而选择性地固化可固化材料23。通常，激活头25包括能量源(未示出)和/或与化学试剂连通并适于从其中排出试剂的喷嘴(未示出)，能量源和化学试剂配置成在暴露于可固化材料23时快速固化可固化材料23。

激活头25通常由机器人臂21相对于顶表面24移动，并在其上方向近侧选择性地操作，以将顶表面24的特定部分暴露于能量源和/或化学试剂，使在特定部分的可固化材料23固化，从而形成至少一个凝固材料条，直到制造物体26。替代地，激活头25在可固化材料23的体积内移动和操作，在顶表面24的下方。这可以包括激活头25，其包括被选择性聚焦以形成光束的两个光源(未示出)，从而提供必要的光线以固化可固化材料23，由此光束的厚度控制固化的材料条的厚度。或者，激活头25可以包括用于排出诸如超临界碳的高压气体的喷嘴，以穿透可固化材料23并将其中的化学试剂插入从而选择性地固化可固化材料23的部分，由此喷嘴的孔的尺寸控制固化的材料条的厚度。

可选地，用于支撑形成物体26的固化的可固化材料23的平台27布置在储存器22内，并且可移动并且潜在地可围绕至少一个轴线旋转，以便使物体26相对于顶表面24和/或激活头25重新定位和重新定向。替代地，物体26制造在布置于储存器22中的固定结构(未示出)或储存器22本身的一部分上，并且容纳在储存器中的可固化材料23的体积被调节以允许材料23的不同部分选择性地固化。

图3示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的物体30的横截面。物体30包括多个不均匀厚度的条31，以形成布置在彼此之上的相应的层。每个条31由从左到右移动制造材料的设备10、20制造，并且还在至少一个位置中调节条31的高度尺寸。每个条31被制造成具有通过台阶33彼此间隔开的两个顶表面32，使得相邻条31的台阶33配合以将相邻条31互锁在一起。每个条包括具有不同厚度尺寸的至少两个部分。例如，最下面的条37具有第一厚度尺寸的第一部分34和具有大于第一厚度尺寸的第二厚度尺寸的第二部分35。

物体30由设备10、20制成，响应于提供给与物体30几何相关的设备10、20的计算机指令。计算机指令通常来源于由用户和/或运算计算机辅助设计(CAD)软件的算法创建的物体30的三维(3D)模型。软件然后向设备10、20提供指示设备10、20制造多个条31所需的指令，直到对应于3D模型几何的物体30被制造为止。

根据手动和/或自动化过程确定物体30的每个条31和/或层的几何。例如，一旦已经创建了物体30的3D模型，用户将模型手动地剖析成具有期望几何的多个条31。替代地，由软件执行算法，该软件将3D模型自动剖析成多个条31。这可能是由于用户定义影响算法剖析3D模型的标准或期望属性的范围。例如，用户可以定义所需的分辨率(外表面的平滑度)，导致算法响应于物体30的外表面的几何来计算每个凸缘31的几何，以便优化物体的表面光洁度同时尽可能快地制造物体30。或者，用户可以定义在使用期间物体将受到的力，导致算法计算每个条131的几何，使得相邻条131之间的表面接触面积提供足够的粘附力，因此提供足够强的机械粘合，以承受力。该算法可以包括迭代计算过程，由此针对一个或多个性能标准生成多个不同的几何解，并且在每个迭代之间相应地选择、修改或舍弃，从而优化物体30的几何。

在物体30由图1所示的设备10制造的情况下，每个条31通常由沉积头14制造，该沉积头以恒定速度移动穿过基底表面12并同时改变被沉积材料的流速，并垂直于基底表面12移动沉积头14。通过调整沉积头14和基底表面12之间的距离，条31的顶表面32与基面12(或先前沉积的条31)之间的距离被调整。此外，通过改变被沉积材料的流速，随后沉积材料的体积被调节。同时执行这两个动作同时导致条31的厚度被调节，而条31的底表面36保持与基面12(或先前制造的条31)接触，并且保持条31的宽度相对恒定。

可选地，沉积头14还可包括远离并围绕适于从其排出材料的喷嘴(未示出)的平面引导表面(未示出)。然后，可以通过将平面引导表面平行于基底表面12布置并且以恒定的间隔距离平行于基底表面12移动喷嘴，同时调节被沉积材料的流速来制造每个条31。这使得沉积的条31在基面12和平面引导表面之间被压缩，从而制造具有恒定厚度和可变宽度的条31。类似地，引导表面或附加的引导表面可以垂直于基面12设置，以控制正在制造的条32的宽度。

在物体30由图2所示的设备20制造的情况下，每个条31通常由以恒定速度移动激活头25越过顶部表面24，并同时改变被固化的可固化材料23的固化速率，并且朝向和远离顶表面24移动平台27而制造。通过改变固化速率，条31的固化部分的深度被调节。此外，通过调整平台27和顶面24之间的距离，条的底面36与顶面24之间的距离被调节。同时执行这两个动作同时导致条31的厚度被调节，而条31的底表面36保持与平台27(或先前制造的条31)接触，并且条31的宽度保持相对不变。

可以通过调节与激活头25连通的能量源的强度来调节设备20的固化速率，从而调节每秒可固化材料的每个面积的能量，和/或调节由材料激活头25排出的化学试剂的流速和/或浓度。替代地，能量源的强度可以保持恒定，而材料激活头25朝向或远离顶表面24移动，调节材料激活头25和顶部之间的距离。当该距离增加时，顶表面24处的能源强度减小，固化较少的可固化材料23并减小条31的深度。

图4示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的替代物体40的横截面。物体40包括多个非均匀厚度的条41，其布置成大体平坦层的叠层。每个条41限定通过台阶44彼此间隔开的至少两个顶部或底部表面42、43。由相邻条41形成的台阶44互补，从而将相邻条41互锁在一起。条41中的至少一些具有厚度不同的多个部分。

物体40的期望的外表面被示出为弯曲的虚线外边缘45。由于物体40由连续层中的多个条41制成，这固有地形成阶梯状的外边缘46，并且不一致地沿着期望的外边缘。为了改善外边缘46的表面光洁度，调节与外边缘45相邻的每个凸缘41的厚度。然后，在外边缘45的内部预定的距离处，重新调节每个条41的厚度，形成一个或多个台阶44。这可能是必要的，以减少制造物体40所需的条41(和层)的总数和/或增加条41之间的接触表面积，从而在条41之间提供充分的机械结合。

图5是用图1或图2所示的设备10,20制造的另一替代物体50的横截面。物体50包括多个非均匀厚度的条51，其布置成大体上非平面层。每个条51具有非规则起伏的顶部表面52和/或底部表面53，相邻的条51具有互补的配合顶表面52和底部表面53，以在条51之间提供牢固的粘附。每个条51具有连续变化的并且限定至少两个不同的横截面，由此两个横截面之间的条51的厚度沿梯度变化。梯度可以是线性的或非线性的，因此在横截面中分别在横截面之间形成直的或弯曲的轮廓。

物体50可以由设备10以恒定的流速沉积材料制造，同时改变沉积头14穿过基底表面12的速度，并使沉积头14垂直于基底表面12移动。通过调节沉积头14和基面12之间的距离，条51的上表面52与基面12(或先前制造的条51)之间的距离被调节。此外，通过改变材料激活头14平行于基底表面12移动的速度，同时以恒定的速率沉积材料，调节条51的随后制造的部分的体积。同时执行这两个动作同时导致条51的厚度被调节，而条51的宽度保持相对恒定。

图6是用图1或图2所示的设备10,20制造的另一个替代物体60的横截面。物体60由多个不均匀的厚度的条61形成，其一般布置在一堆非平面层。类似于图4所示的物体40，将物体60的外边缘62处的每个条61的厚度尺寸调整为落入公差窗内，从而优化物体60的表面光洁度。每个条的厚度61然后在外边缘62的内侧变化，形成多个互锁的条61。

图7是用图1或图2所示的设备10、20制造的另一个物体70的横截面。物体70包括多个基本上非平面的非均匀厚度的条71，其形成连接到两个分支部分73的主干部分72。随着主干72向上延伸，条71的厚度朝着主干部分72的中心逐渐增加，以便将条71定位在基本上垂直于每个分支73的分支部分73中。这表明，即使当物体70具有复杂的非规则几何时，改变条71的厚度怎样允许每个条71相对垂直于物体70的局部外表面布置。

图8示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的另一替代物体80的横截面。物体80包括多个非均匀厚度的条子81，其布置成大致平面的层。每个条81具有形成从其延伸的突起82的一个或多个局部增厚部分。每个条81还具有形成凹部83的相应的一个或多个局部变薄的部分，由此凹部83中的至少一些的尺寸设计成至少部分地容纳从相邻的凸缘81延伸的突起82。突起82和凹部83将相邻的条82互锁在一起，从而增强了条81之间的结合。

图9示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的另一个物体90的横截面。物体90包括多个不均匀厚度的条91，类似于物体80的条81，还具有形成在其中的凹部92。在制造过程中，跨层部分93插入每个凹部92中，跨层部分93垂直于条91的细长方向设置。例如，条92通常由设备10、20沿“y”(左右)方向制造。因此，跨层部分93被沿“x”(远离页面)方向布置。跨层部分93可以包括由设备10、20制造的附加材料，或者替代地包括被插入物体90中的预制结构，例如“钢筋”或光纤传感器。这种方式的物体90结构的跨层可以增强结构的刚度并增强物体90的抗分层性。

上述每个物体30、40、50、60、70、80、90可以由设备10、20从密度不均匀的材料制造，由此设备10、20适于选择性地改变材料的密度。例如，沉积头14可以包括与气体供应连通的喷嘴，并适于在制造之前或期间选择性地发泡材料。添加到材料中的气体的量影响随后沉积的条的部分的密度，从而调节条的特定区域的密度。类似地，设备10、20还可以包括与增强纤维供应源连通的喷嘴，并且在沉积之前或期间选择性地将纤维添加到材料中，从而允许制造材料的特定区域的密度和/或刚度被调整。

此外，上述物体30、40、50、60、70、80、90中的每一个可以由设备10通过复合材料制成，所述复合材料由在制造之前或期间混合的两种或多种构成材料形成。例如，沉积头14可以与不同的材料连通并且适于在制造过程期间混合材料。因此，可以调整制造材料的特定部分的性质，例如颜色、质地、绝热、隔音和/或导电性。或者，沉积头14可以与不同的材料连通，并且适于同时并排地沉积不同的材料，从而允许不同的材料粘合并形成共层叠的条。

如下面参照图10和11进一步详细描述的，至少一个条31、41、51、61、71、81、91的几何和至少一个条31、41、51、61、71、81、91形成的层可以通过算法计算执行两阶段过程，以便产生条几何。

在该过程的第一阶段，该算法评估物体的计算机模型的几何并将该模型划分成多个横截面层，其中每个层的几何被布置为大致垂直于计算机模型的毗邻所述层的局部外表面。然后将各层细分为多个条或连续条。

例如，在模型的外表面大致垂直和平面的情况下，例如图3所示的物体30的模型，模型被分成多个水平的平面层。或者，在模型的外表面通常是弯曲的情况下，例如图7所示的物体70的模型，模型被分成多个弯曲的非平面层。

图10进一步示出了第一阶段，示出了将计算机模型100划分为层102。计算机模型100具有大体上弯曲的外表面101，并且被分成多个层102，多个层102基本上垂直于包围每个层102的局部外表面101。

在该过程的第二阶段，该算法将波发生器应用于布置越过相邻层的结点的边界部分。这产生对应于由波发生器产生的波形的边界部分的几何。参考图10，波发生器跨越相邻层102之间的边界部分103产生波形104，其中波104具有恒定的波长、幅度和频率。这确定了相邻层102的配合表面的几何，所述配合表面在边界部分103内，作为与波形104对应的互补波形表面。应当理解，波形104仅仅是由波发生器产生的许多不同波的示例。例如，波发生器可以产生非规则波，例如体现在条51中，或者具有直线形式的波，例如体现在条81中。类似地，波发生器可以产生三维延伸的波形，从而在边界部分形成双曲配合表面。此外，应当理解，波形发生器可以被配置为产生其他非波形几何，例如刻面、三角形尖峰或矩形突起。

图11示出由波发生器产生的各种波形111、112、113、114的四个示例。波111是具有相对恒定的波长、幅度和频率的“正常”波的示例。波112是波长、幅度和/或频率不一致的非规则或“随机”波。波113是特定变化的非规则波，其具有在振幅和频率上减小的部分115，以形成增强相邻层之间的粘附的基本上垂直的小波。波114由成角度的小波形成，从而形成“锯齿”图案，其也增强了层之间的粘附。

替代地，该过程的第二阶段可以涉及根据一个或多个确定的标准在每个边界部分内添加台阶的算法，所述标准例如台阶频率/间隔、台阶高度(潜在地相对于层厚度)或台阶序列位置，例如，这些台阶可以沿着指定的方向逐渐相邻地跨越相邻的层彼此偏移布置，直到达到限定的极限，此时布置反转或重复。

例如，参考图3，在部分35和部分34的接合处有一个台阶。相邻条31中的台阶偏移到该台阶的左侧并达到限定的极限几何极限(未示出)。下一相邻层31中的台阶在前一台阶右侧的相反方向上偏移，并且下一个相邻层31中的台阶再次向右偏移。台阶序列的这种布置形成垂直向上延伸穿过条层31的“之字形”。

图12A-12D示出了设备10的替代方面，其中沉积头14包括与材料连通的多个喷嘴121并且适于从其中排出材料，每个喷嘴121可在至少一个方向上移动，并且可相对于沉积头14围绕至少一个轴线旋转。

图12B示出了横向穿过沉积头14的一些喷嘴121，从而在沉积于其下的条123之间形成空间124。

图12C示出了一些沿沉积头14垂直移位的喷嘴121，从而调节这些喷嘴121与支撑表面12之间的距离。当从移位的喷嘴121沉积的材料的流速增加时，这允许条125的厚度增加。类似地，移位的喷嘴121的位置允许喷嘴121在预先制造的条126上制造条125。在任一种情况下，喷嘴121的垂直位移允许同时制造条的台阶构造，以形成相干、不均匀厚度的条127。

图12D示出了相对于沉积头14旋转的所有喷嘴121，从而调节每个喷嘴121的取向并因此调节由喷嘴121沉积的每个条128的取向。喷嘴121的旋转允许条的替代的台阶构造，其中构造中的每个条128以与支撑表面12成一定角度形成，以形成替代的相干、不均匀厚度的条129。

图13A-13E示出了用图12A至12D所示的沉积头14制造的各种条131、135、140、145。

图13A示出了通过如图12C所示布置的四个喷嘴121沉积的四个条132、133形成的复合条131。

图13B示出了由两个喷嘴121沉积的两个条136、137形成的替代的复合条135。当沉积头14移动穿过支撑表面12时，喷嘴121选择性地朝向和远离支撑表面12移动，而同时增加或减少被沉积的材料的流速，由此制造具有从其远离表面12延伸的突起138的两个条136、137。然而，应当理解，沉积头14不需要具有多个喷嘴121以制造复合条135，相反，复合条135可以通过具有单个喷嘴121的沉积头14的替代实施例制造，其中设备10执行两个沉积动作以制造两个条136、137。

图13C示出了由两个喷嘴121沉积的两个条141、142形成的复合条140。当沉积头14穿过支撑表面12时，每个喷嘴121和支撑表面12之间的距离保持恒定，同时调节由喷嘴121沉积的材料的流速，由此当第一喷嘴121的流量增加时，第二喷嘴121的流量减小。这制造了具有可变宽度的两个条141、142，每个条141、142具有多个互补的穿过表面12延伸的突起143和尺寸被设计成接收突起143的凹部144，从而将条子141、142互锁在一起，突起143通过增加流速制造，而凹部144通过减小流速制造。

图13D示出了通过上述方法的组合制造的条145。条145具有包括沿水平方向延伸的突起146的第一加宽部分和包括在垂直方向上延伸的突起147的第二加厚部分。

图13E示出了由两个喷嘴121沉积的两个条151、152形成的复合条150。每个条151、152是条145的变体，并且已经以相同的方式制造，形成从条151、152沿不同方向延伸的突起153、154，从而将条151、152互锁在一起。

图14A示出了通过如图12D所示布置的四个喷嘴121沉积的四个条156形成的复合条155。沉积头14沿着弯曲的路径移动穿过支撑表面12，同时从每个喷嘴121沉积材料，从而制造四个条子156以形成交错的构造。

图14B和14C示出了以与图14A所示的复合条155相同的方式制造的物体160，除了沉积头14已经沿着直线路径移动而同时从每个喷嘴121沉积材料之外。物体160包括两层复合条161、162。图14C示出了物体160的端视图，其显示了条161、162的交错布置。

图14D示出了由一个喷嘴121在沿直线路径沉积条165的同时围绕轴线摆动而制造的材料的条165。喷嘴121的振荡使得条165的顶表面166形成互补的振荡双曲面几何。

图15A和15B示出了由图1或图2所示的设备10、20制造的替代物体170的横截面。物体170包括彼此顶部布置的多个层，每个层由一个或更多的材料条171形成。每个条171具有两个或多个加厚部分，即从条171垂直延伸的突起172。

当物体170由沉积设备10制造时，形成条171的材料是能够在远侧位置之间形成无支撑跨体的自支撑材料。例如，材料在被设备10沉积之后可以非常快地硬化，并且足够坚固以支撑其自身的重量。替代地，该材料可以具有高的表面张力并且能够在远侧位置之间拉伸并且在其间附接而不下垂。另外，替代地，可以在制造过程中将材料沉积成一定体积的流体状支撑材料(未示出)，例如填充有液体支撑材料的储存器，以支撑条171，特别是跨体。

在物体170由选择性凝固设备20制造的情况下，条171通常由容纳在储存器22中的可固化材料23的体积从下方支撑，因此能够在远侧位置之间形成跨体而不会下垂。

条171彼此之上制造并且在突起172之间跨越，从而在物体170中形成空腔或空隙173。如果物体170在使用期间需要冷却或加热，这是特别有用的，因为冷却剂或加热的流体可以通过空腔173。如果物体170在使用期间将变形，例如为弹性柔性结构或塑性变形结构，这也是有用的，以便吸收力。

在图15B中，形成条171的材料是柔性的，因此当在其上制造随后的条171时，其被压缩成空腔174。突起172和条171之间的接触表面可以具有在其中制造的其它变体，例如上述小波几何，以增强相邻条171之间的粘附。

图16A示出了图15A所示的物体170的变体，其中突起172相对于从相邻条171延伸的突起172沿着每个条171的长度偏移布置。例如，第一条175制造成具有从其延伸的两个突起176。然后在第一条175上制造第二条177，其具有从其延伸的两个突起178，并相对于先前制造的突起176沿着条177间隔布置。突起176、178以这种方式的偏移布置允许物体170要针对功能和/或美学要求进行优化。例如，突起176、178的相对位置可以通过物体170传递力或引导流过物体170的流体。

图16B示出了图15A和16A所示的物体170的另一变体，其中突起172布置成“双向”(对角支撑结构)，由此突起172的相对位置被优化以支撑物体170。

图17示出了由图1或图2所示的设备10、20制造的替代物体180的横截面。物体180包括至少两个不均匀厚度的条181，每个条181具有从条181的两侧延伸的突起182。在突起182之间，条181形成无支撑幅材183。类似于物体170，由更薄的幅材183连接的加厚突起180允许物体180形成开放结构，这对于从其中通过流体、光或其他物体(例如服务管道)是有用的。

图18示出了由图1或图2所示的设备10、20制造的另一替代物体190的横截面。物体190包括至少两个不均匀厚度的条191，其中每个条191由基本上恒定厚度的自支撑材料的条制成，所述自支撑材料的条朝向和远离先前制造的条191延伸。在条191被制造的同时，条191朝向和远离另一条191延伸的距离通常发生变化，从而导致网状的不均匀厚度的条191。

图19示出了由图1或图2所示的设备10、20制造的另一替代物体200的横截面。物体200包括由至少一个不均匀厚度的条201形成的多个基本平坦的层。每个条201具有至少一个不规则且典型地起伏的表面202，从而改变每个条201的高度。当条201由沉积设备10制造时，这可能是由于设备10沉积的材料的速率以脉冲变化，由此制造材料体积增加的相应部分，其形成沿着条190的顶表面的峰。

图20A是物体200的变体，其中条201具有起伏的侧壁203，从而改变每个条201的宽度。当条201由沉积设备10制造时，这可能是由于平面引导表面(未示出)被布置成从沉积头14延伸并且沉积速率以脉冲改变，导致沉积的材料从沉积头14被脉冲并且被压缩在引导表面与基面12或先前制造的条201之间，从而形成起伏的侧壁203。这因此制造具有相对恒定的高度和变化的宽度的条201。

图20B是物体200的另一变体，其中条201制造有两个相对的起伏的侧壁204，以形成物体200的周边壁。如果需要粗糙的表面光洁度，则这是有用的，例如，为了美学效果或提供更高的摩擦表面，例如接收光滑的抛光表面材料。

图21示出了由图1或图2所示的设备10、20制造的物体210，其包括多个非均匀厚度的条213、215、217，它们是图13B至13E所示的条135、140、145、150的变体。物体210包括三层212、214、216。底层212包括在基本上水平的第一假想平面(未示出)上制造的第一条213，中间层214包括在基本上水平的第二假想平面(未示出)上制造的第二条215，并且外层216包括制造在基本上垂直的、弯曲的第三假想平面(未示出)上的第三条217。

第一条213具有多个平行且垂直于第一假想平面延伸的加厚突起2131，并且多个凹部2132的尺寸被设计成容纳相邻条213的至少一些突起2131，从而与相邻条213互锁。第二条215以与其成一定角度的方式与第一条213重叠制造，并形成多个薄部分或凹部2151，以接收从第一条延伸的突起2131，从而跨越第一条213并与第一条215互锁。第三条217沿着第一条213和第二条215的外边缘向上延伸，并且具有配合突起2171和凹槽2172，以与类似的条217互锁，并且还具有加厚部分2173，其尺寸形成为与第一条213的起伏壁2133互锁。以这种方式制造的不均匀厚度的条213、215、217有利地允许生产复杂的互锁、交叉层压结构，这种结构可以在分层之前承受高水平的力和环境条件。

图22示出了替代物体220，其是图21所示的物体210的变体。物体220包括内层221、中间层222和外层223，每个层221、222、223由多个不均匀厚度的条224形成。每个条224具有多个增厚和/或变薄的部分，其改变条224的高度和/或宽度，该部分的尺寸设计成与条224中的其它增厚或变薄的部分在相同层221、222、223和/或相邻层221、222、223中互锁。条224也制造在不同的平面和/或不同的方向上，以便以一定的角度覆盖相邻层221、222、223中的多个条224，从而交叉层压所述层221、222、223。

图23A至23C示出制造至少部分地由不均匀厚度的条233、235制造另外的替代物体230的三个阶段。图23A示出了第一阶段，其中多个第一条231制造在表面239上，并且彼此间隔开以在它们之间限定空隙232。图23B示出了第二阶段，其中第二条233制造在第一条231上，第二条233延伸穿过空隙232以粘附到两个相邻的第一条231并且至少部分地渗透到空隙232中，典型地充满空隙232。第二条233在其间限定另外的空隙234。图23C示出了第三阶段，其中在第二条236上制造第三条235以粘附到相邻的第二条233，并且至少部分地填充第二条233之间的空隙234。因此，以这种方式制造物体230因此将相邻层的条231、233、235互锁在一起，第二条233和第三条235形成T形横截面。

图24示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的另一替代物体240。物体240包括由至少两个相应的不均匀厚度的条241、242形成的两层，每个条241、242由具有多个凹坑243的泡沫材料形成，所述凹坑由膨胀和弹出的气体气泡产生。发泡通常由设备10、20在每个条241、242制造时选择性地将气体添加到材料中引起。替代地，发泡是由在材料制造之后不久在形成条241、224的材料内发生的化学反应引起的。可选地，设备1可以通过选择性地将第一材料暴露于能量和/或化学试剂来促进化学反应。

第一材料的发泡产生多个凹口243，当上条242制造在下条241上方时，其使上条242符合与并且形成延伸到凹口243中互补的凸起244，从而将条241、242互锁在一起。类似地，发泡可以形成从下条241延伸并且上条242确认并且互锁的凸起(未示出)。

图25示出了用图1或图2所示的设备10、20制造的另一替代物体250.物体250包括由自支撑材料形成并从表面252延伸的多个锥形条251。

图26A和26B示出了用图2的图1所示的设备10、20制造的另一个替代物体260。在图26A中，物体260是部分制造的，在图26B中，物体260是完整的。物体260包括在彼此间隔开的多个假想水平平面(未示出)上制造的多个芯条261，由此芯条261形成一叠水平层。由于物体260的弯曲的侧壁几何，条261的端面262形成台阶状的外观。侧壁条263跨越端面262制造以覆盖台阶，从而形成物体260的光滑的侧壁。侧壁条263沿着对应于期望的侧壁几何的一个或多个非平面的假想表面(未示出)制造，并且沿不同的方向延伸到芯条260，从而与芯条260交叉层压。如图26A和26B所示，侧壁条263基本垂直地延伸，但应当理解的是，这些条263可以相对于芯条261以任何成角度的方式布置，例如围绕物体260的螺旋缠绕，以提供各种程度的交叉层压。

每个侧壁条263具有不均匀的厚度，因为每个条263被制造成填充其下方的台阶表面并形成光滑的顶表面。光滑顶表面的制造可能由设备10、20在制造期间对每个侧壁条263施加压力引起。在物体260具有弯曲的外表面的情况下，制造用侧壁条263封闭的芯条261的方法可以证明是有利的，因为芯条261可以以大的厚度快速制造，但是形成粗糙的台阶外表面。然后可以制造侧壁条263以包围芯条261并形成光滑的弯曲的外表面。这可能因此减少制造物体260的时间。

图26C示出了物体260的进一步变化，其包括水平方向布置并横向于物体260的外表面的芯条261，使得条260的侧壁264形成台阶表面。侧壁条263基本垂直于芯条261延伸，并越过芯条261，填充台阶几何并形成更平滑、弯曲和悬垂的外表面。

图27A示出了通过执行如前所述的波发生器算法来生成复合波形270的四个阶段。

在阶段1中，产生平坦的条271或层。

在阶段2中，根据诸如振幅、频率和波长的限定参数，平坦的条271被波发生器变形，以产生母波272。

在阶段3中，母波272的一个或多个部分根据进一步限定的参数来识别，例如波272的区域被计算为在相应的材料条中可能导致低粘附性，并且一个或多个部分通过波发生器根据进一步定义的参数而变形，以产生沿着母波272布置的一个或多个相应的子波273。

在阶段4中，母波272和子波273被组合以形成复合波形270。然后将其用于控制设备10、20以制造具有对应于复合波形270的几何的不均匀厚度的材料条。

图27B示出了另外的替代物体274，其包括布置成堆叠层的多个不均匀厚度的条275，每个条275基本上对应于复合波形270。这示出了可以用图27A所示的方法形成的有利的几何，因为对应于子波273的条275的部分显著增加了条275之间的接触表面积，因此显著提高了条275之间的粘合力和层间的粘合强度。

图28示出制造另一替代物体280的三个阶段。

在阶段1中，第一条281制造为具有在宽的垫283之间延伸的薄腹板282。通常，第一条281通过沉积设备10由自支撑材料制成，并且形成为作为无支撑结构延伸到自由空间。然而，可选地，条281可以通过前面描述的任何方法制造。

在阶段2中，至少一个垫283被处理以提供用于接合随后的条的接合结构。例如，如图28所示，铣削主轴284可以铣孔，以用于随后制造的材料的穿透和互锁。替代地，在固化之前，预制结构(未示出)在材料柔软时插入垫283中。进一步替代地，垫283用磨料(未示出)处理，以粗糙化垫283的表面。

在阶段3中，制造邻接并结合到垫283的第二条285，从而形成物体280。可选地，第二条285和第一条281之间的每个接合部也可以由铣削主轴铣削以形成用于将紧固件固定到其中的孔(未示出)，以将第二条285固定到第一条281。

显而易见的是，可以做出根据本发明的精神并且旨在成为本发明的一部分的明显的变化或修改。

Claims (34)

1.一种使用计算机控制设备制造物体的方法，该设备具有用于选择性地制造材料的制造头和用于接收制造的材料的构建区域，所述制造头和构建区域中的至少一个能相对于彼此移动，并且所述制造头选择性地可操作以响应于计算机指令来制造所述材料，所述方法包括以下步骤：

通过所述设备接收与所述物体的几何相关的计算机指令；和

移动所述制造头和构建区域中的至少一个，以及选择性地操作所述制造头，以在所述构建区域中制造对应于所述物体的几何的至少一个材料条，所述至少一个条具有不均匀的厚度。

2.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括将所述至少一个条制造为细长的，并且具有不均匀高度和不均匀宽度中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括将所述至少一个条制造为具有第一部分和第二部分，并且其中所述第二部分比第一部分更厚。

4.根据权利要求3所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括制造相邻并邻接的两个条，并且所述两个条具有互补的几何，使得所述两个条互锁。

5.根据权利要求4所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述两个条的步骤还包括在每个条的第一部分和第二部分之间的边界处制造互补台阶，从而使两个条互锁。

6.根据权利要求4所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述两个条的步骤还包括将所述两个条之一的所述第二部分制造为在至少一个方向上远离所述第一部分延伸的突起，并且将另一个条的第一部分制造为至少部分地接收该突起，从而互锁所述两个条。

7.根据权利要求4所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述两个条的步骤还包括在每个条上制造至少一个起伏配合表面，所述起伏配合表面是互补的，从而互锁所述两个条。

8.根据权利要求7所述的用于制造物体的方法，其中，在每个条上制造所述至少一个起伏配合表面的步骤还包括将每个起伏配合表面制造为具有双曲面几何。

9.根据权利要求7所述的用于制造物体的方法，其中在每个条上制造所述至少一个起伏配合表面的步骤还包括根据响应于输入参数由计算机指令产生的波形制造所述至少一个起伏配合表面。

10.根据权利要求9所述的用于制造物体的方法，其中，产生所述波形的步骤还包括产生包括沿着母波布置的一个或多个子波的复合波，由此所述子波中的每一个和母波限定起伏几何。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的用于制造物体的方法，其中，制造所述两个条的步骤还包括在第一取向的第一假想平面上制造第一条，以及在第二取向的第二假想平面上制造第二条，并且其中第一和第二假想平面相交。

12.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括制造一个或多个第一条，以形成台阶区域，并且制造延伸越过并基本上填充所述台阶区域的至少一部分的第二条，从而使一个或多个第一条和第二条彼此互锁。

13.根据权利要求12所述的用于制造物体的方法，其中，制造所述一个或多个第一条的步骤还包括在第一取向的各自的第一假想平面上制造一个或多个第一条，以及在第二取向的第二假想平面上制造第二条，并且其中第一和第二假想平面相交。

14.根据权利要求4所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述两个条的步骤还包括由发泡材料制造所述两个条中的至少一个，从而在相应条的外表面中形成多个凹坑，使得两个条中的至少一个与另一条中的多个凹坑内的一个或多个凹坑相符并在其内延伸，从而使两个条互锁。

15.根据权利要求14所述的用于制造物体的方法，其中，所述设备还包括用于选择性地发泡所述材料的发泡装置，并且制造所述两个条的步骤还包括所述设备选择性地使所述材料起泡，从而使所述两个条中的至少一个在特定位置发泡。

16.根据权利要求3所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括在所述第一部分与所述第二部分之间连续地改变所述至少条的厚度。

17.根据权利要求16所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括根据梯度改变所述至少一个条的厚度。

18.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括制造具有在至少一个方向上从其延伸的两个突起的第一条，以及制造邻接所述两个突起的第二条。

19.根据权利要求18所述的用于制造物体的方法，其中，制造所述第二条的步骤还包括制造在所述两个突起之间延伸的无支撑跨体。

20.根据权利要求19所述的用于制造物体的方法，其中，制造所述第二条的步骤还包括制造在至少一个方向上从其延伸的两个突起，所述两个突起布置成邻近从所述第一条延伸的相应的两个突起。

21.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括制造彼此间隔开的两个第一条，以在它们之间限定空间，并且制造在所述两个第一条之间跨越并且至少部分填充空间的第二条。

22.根据权利要求21所述的制造物体的方法，其中，制造所述第二条的步骤还包括将所述第二条制造为基本上充满所述空间，从而互锁所述第二条与所述两个第一条。

23.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，所述构建区域还包括平表面，并且选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括同时使所述制造头相对于所述平表面平行和垂直移动。

24.根据权利要求23所述的制造物体的方法，其中，制造所述至少一个条的步骤还包括同时以恒定速度移动所述制造头，改变所述制造头与所述平表面之间的距离，并且改变正在制造的材料的体积率。

25.根据权利要求23所述的用于制造物体的方法，其中，制造所述至少一个条的步骤还包括同时以可变速度移动所述制造头，改变所述制造头与所述平面之间的距离，并且保持正在制造的材料的体积率为常数。

26.根据权利要求23所述的用于制造物体的方法，其中，所述制造头还包括适于制造材料的制造喷嘴阵列，所述阵列中的至少一个喷嘴可相对于所述制造头移动，并且其中选择性制造所述至少一个条的步骤还包括移动至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴与相邻喷嘴相比距所述平坦表面更远。

27.根据权利要求23所述的用于制造物体的方法，其中，所述制造头还包括适于制造材料的制造喷嘴阵列，所述阵列中的至少一个喷嘴可相对于所述制造头移动，并且其中选择性制造所述至少一个条的步骤还包括移动至少一个喷嘴，以与相邻喷嘴间隔开。

28.根据权利要求23所述的用于制造物体的方法，其中所述制造头还包括适于制造材料的制造喷嘴阵列，所述阵列中的至少一个喷嘴可相对于所述制造头旋转，并且其中选择性制造所述至少一个条的步骤还包括旋转至少一个喷嘴，以与所述平表面成一定角度。

29.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，所述制造头是用于从其中选择性地排出材料的沉积头，并且选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括选择性地沉积所述材料以形成所述至少一个条。

30.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，所述制造头是用于选择性地固化所述材料的激活头，所述构造区域包含所述材料的体积，并且所述选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括选择性地固化材料以形成至少一个条。

31.根据权利要求1所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括选择性地制造具有不均匀密度的所述至少一个条。

32.根据权利要求31所述的用于制造物体的方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括选择性地将增强纤维加入所述至少一个条。

33.根据权利要求1所述的物体的制造方法，其中，选择性地制造所述至少一个条的步骤还包括选择性地混合两种或更多种材料以形成所述制造的材料。

34.根据权利要求33所述的制造物体的方法，其中，选择性混合两种或更多种材料的步骤还包括选择性地加入增强纤维。