CN106794634A - 用于制造接头构件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于制造被设计用于连接管以获得空间框架的接头的方法，其中空间框架可以是交通工具骨架。该方法可以生成具有可变几何形状和精细特征的接头，这可以减少生产成本、减少生产时间并且生成被配置成用于高度特定的应用的接头。所述接头可以包括定心特征，该定心特征可以在所述管的表面与所述接头的表面之间创造粘合剂可通过其流动的空间。

Description

用于制造接头构件的系统和方法

交叉引用

本申请要求于2014年7月2日提交的美国临时专利申请序列号62/020,084的优先权，该申请通过引用全文并入本文。

背景

空间框架构造用于汽车应用、结构应用、海上应用以及许多其他应用中。空间框架构造的一个示例可以是焊接的管框架骨架构造(tube frame chassis construction)，其由于低工装成本、设计灵活性以及生产高效结构的能力的优点而常用于低体积和高性能交通工具设计。这些结构要求骨架的管以多种角度相连接，并且可能要求同一连接点适应多种管几何形状。制造用于连接这样的管框架骨架的接头构件的传统方法可能产生较高的设备和制作成本。

发明内容

存在对一种可以能够生成用以连接具有多种几何形状参数的管的接头的制造方法的需要。本文提供了一种3-D打印用于诸如碳纤维管的连接管的接头的方法。所述接头可以根据每个管交点处的几何形状要求和物理要求的规范而进行打印。3-D打印接头的方法可以减少制作成本并且可以很容易地扩展。

本公开内容中描述的3-D打印方法可以允许在所述接头上打印不可以通过其他制造方法可实现的精细特征。本公开内容中描述的精细特征的示例可以是用以迫使连接管的中心与邻近的接头突出部的中心同轴的定心特征。定心特征可以在接头的内区域的外表面与连接管的内表面之间提供可在其中应用粘合剂的间隙。另一示例可以是，接套可以打印在接头上，所述接头可以连接至用以引入粘合剂以粘合接头和管组件的设备。

本发明的方面涉及一种制造用于连接多个连接管从而形成空间框架的接头构件的方法，所述方法包括：确定要由所述接头构件连接的所述多个连接管中的每一个的相对管角度、管尺寸和管形状；确定要由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级；以及3-D打印具有某种配置的接头构件，所述配置(1)适应每个接头构件处的相对管角度、管尺寸和管形状，并且(2)支撑由所述多个连接管施加的应力方向和量级。

在一些实施方式中，所述空间框架被配置成用于至少部分地包围三维体积。所述多个连接管中的每个连接管可以具有沿不同平面的纵轴。所述空间框架可以是交通工具骨架框架。

所述方法还包括在所述接头构件的至少一部分上3-D打印定心特征。所述定心特征可以打印在被配置成插入到连接管中的接头构件的接头突出部上。可以基于要由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级来确定所述定心特征的特性。可以根据经验(empirically)或根据计算来确定要由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级。

本发明的附加方面可以涉及一种交通工具骨架，其包括：多个连接管；以及多个接头构件，每个接头构件的尺寸和形状被设计成与所述多个连接管中的多个连接管的至少一个子集相配合，以形成三维框架结构，其中所述多个接头构件由3-D打印机形成。

在一些实施方式中，所述多个接头构件中的每个接头构件的尺寸和形状被设计成使得当连接管与所述接头构件相配合时，所述接头构件接触所述连接管的内表面和外表面。可选地，所述多个接头构件中的至少一个接头构件包括在该接头构件的3-D打印期间形成的内部路由特征(internal routing feature)。所述内部路由特征可以提供用于在所述三维框架结构形成时将流体传送通过所述交通工具骨架的通路网络。所述内部路由特征可以提供用于在所述三维框架结构形成时将电力传送通过整个交通工具骨架中的电气部件的通路网络。

所述多个接头构件可以包括在所述接头构件的3-D打印期间形成的安装特征。所述安装特征可以提供用于将板安装在所述三维框架结构上的板安装件。

可以根据本发明的附加方面而提供一种用于形成结构的系统。该系统可以包括：计算机系统，其接收描述了要由多个接头构件连接以形成所述结构的框架的多个连接管中的每一个的相对管角度、管尺寸和管形状的输入数据，其中所述计算机系统被编程用于确定要由所述多个连接管施加在所述多个接头构件处的应力方向和量级；以及与所述计算机系统通信的3-D打印机，其被配置成用于生成具有某种尺寸和形状的多个接头构件，所述尺寸和形状(1)适应每个接头构件处的相对管角度、管尺寸和管形状，并且(2)支撑由所述多个连接管施加的应力方向和量级。

在一些情况下，所述结构的框架至少部分地包围三维体积。所述多个接头构件还可以包括位于由所述3-D打印机形成的所述接头构件的至少一部分上的定心特征。所述定心特征可以打印在被配置成插入到连接管中的接头构件的接头突出部上。可以基于要由所述多个连接管施加在每个接头构件处的应力方向和量级来确定所述定心特征的特性。

根据以下详细描述，本公开内容的附加方面和优点将会变得对本领域技术人员显而易见，其中仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式。如将会意识到的，本公开内容能够具有其他实施方式和不同实施方式，并且其若干细节能够在都不偏离本公开内容的情况下具有在各个明显方面的修改。因此，附图和描述在本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

引用并入

本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入于此，程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一单个出版物、专利或专利申请。

附图简要说明

本发明的新颖特征特别地体现在所附权利要求中。通过参考对其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图(在本文中亦为“图”)中：

图1示出了由3-D打印节点所连接的碳纤维管构造而成的空间框架的骨架的示例。

图2示出了用于设计和构建接头的过程的流程图。

图3示出了与3-D打印机通信的计算机。

图4示出了描述可以如何使用设计模型生成用于给定设计模型的组件的打印节点的详细流程图。

图5示出了使用本文描述的方法打印的节点的示例。

图6示出了连接至管的接头，其中管相对于彼此成不相等的角度。

图7示出了具有5个突出部的接头。

图8示出了被打印成与具有不相等的截面尺寸的管相连接的接头。

图9a-图9d示出了打印在接头上的定心特征的示例。

图10示出了描述一种用以基于接头上的预期负荷或应力来选择定心特征的方法的流程图。

图11示出了具有接套的接头突出部的截面，所述接套连接至接头突出部的侧壁中的内部通路。

图12a-图12c示出了被打印成具有集成的结构特征的接头以及用于电气路由和流体路由的通路。

具体描述

虽然本文已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例的方式提供。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，可以采用对本文所描述的本发明的实施方式的各种替代方案。

本公开内容提供了一种通过增量制作和/或减量制作(诸如3-D打印)来制造接头构件的方法。接头构件可被配置成用于提供多个连接管的连接，所述多个连接管可用于构造轻质空间框架。空间框架可以是具有三维体积的框架。空间框架可以是这样的一个框架，其可以接受一个或多个板件以至少部分地包围该框架。空间框架的示例可以是交通工具骨架(vehicle chassis)。除了包括接头/管框架构造的任何其他结构之外，所描述的公开内容的各个方面还可适用于此处标识的任何应用。应当理解，本发明的不同方面可以被单独地、共同地或彼此结合地理解。

图1示出了根据本发明实施方式的交通工具骨架100，包括由一个或多个节点(亦称为接头)102连接的连接管101a、101b、101c交通工具。每个接头构件可以包括中央主体以及从中央主体延伸的一个或多个端口。可以提供多端口节点或接头构件来连接管，诸如碳纤维管，以形成二维结构或三维结构。该结构可以是框架。在一个示例中，二维结构可以是平面框架，而三维结构可以是空间框架。空间框架可以包围其中的体积。在一些示例中，三维空间框架结构可以是交通工具骨架。交通工具骨架可以具有长度、宽度和高度，它们可以包围其中的空间。交通工具骨架的长度、宽度和高度可以大于连接管的厚度。

交通工具骨架可以形成交通工具的构架。交通工具骨架可以提供用于放置交通工具的主体板件的结构，其中主体板件可以是形成交通工具外壳的门板、顶板、地板或任何其他板件。此外，骨架可以是用于车轮、传动系、发动机组、电气部件、加热和冷却系统、座椅或存储空间的结构支撑件。交通工具可以是能够承载至少约1个或多个、2个或更多个、3个或更多个、4个或更多个、5个或更多个、6个或更多个、7个或更多个、8个或更多个、十个或更多个、二十个或更多个或者三十个或更多个乘客的载客交通工具。交通工具的示例可以包括但不限于轿车、卡车、公交车、厢式货车、小型货车、旅行车、RV、拖车、牵引车、手推车、汽车、火车或摩托车、船舶、航天器或飞机。交通工具骨架可以提供与交通工具类型的成形因素相匹配的成形因素。根据交通工具的类型，交通工具骨架可以具有不同的配置。交通工具骨架可以具有不同级别的复杂度。在一些情况下，可以提供三维空间框架，该三维空间框架可以提供交通工具的外构架。外构架可被配置成用于接受主体板件以形成三维外壳。可选地，可以提供内支撑件或部件。内支撑件或部件可以通过连接至空间框架的一个或多个接头构件而连接至该空间框架。可以提供多端口节点和连接管的不同布局以适应不同的交通工具骨架配置。在一些情况下，一组节点可被布置用于形成单个独特的骨架设计。或者，该一组节点的至少一个子组可以用于形成多个骨架设计。在一些情况下，一组节点中的至少一个子组节点可被组装到第一骨架设计中并继而被拆卸和重新用于形成第二骨架设计。第一骨架设计和第二骨架设计可以是相同的，或者它们可以是不同的。节点可以能够在二维平面或三维平面中支撑管。例如，多分叉节点(multi-prong node)可被配置成用于连接没有落入同一平面内的管。连接至多分叉节点的管能够以三维方式提供并且可以跨越三个正交轴。在备选实施方式中，一些节点可以连接可能共用二维平面的管。在一些情况下，接头构件可被配置用于连接两个或更多个管，其中所述两个或更多个管中的每个管具有沿不同平面的纵轴。所述不同平面可以是相交平面。

交通工具的连接管101a、101b、101c可以由碳纤维材料或任何其他可用的复合材料形成。复合材料的示例可以包括高模量碳纤维复合物、高强度碳纤维复合物、平纹编织碳纤维复合物、线束缎纹编织碳纤维复合物、低模量碳纤维复合物或低强度碳纤维复合物。在备选实施方式中，管可以由诸如塑料、聚合物、金属或金属合金等其他材料形成。连接管可以由刚性材料形成。连接管可以具有不同的尺寸。例如，不同的连接管可以具有不同的长度。例如，连接管可以具有近似于约1英寸、3英寸、6英寸、9英寸、1ft、2ft、3ft、4ft、5ft、6ft、7ft、8ft、9ft、10ft、11ft、12ft、13ft、14ft、15ft、20ft、25ft或30ft的长度。在一些情况下，管可以具有相同的直径或不同的直径。在一些情况下，管可以具有近似于约1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4"、5"、10"、15"或20"的直径。

连接管可以具有任何截面形状。例如，连接管可以具有基本上圆形的形状、正方形形状、椭圆形形状、六边形形状或任何不规则形状。连接管截面可以是开放的截面，诸如C形通道、I形梁或角。

连接管101a、101b、101c可以是中空管。可以沿着管的整个长度而提供中空部分。例如，连接管可以具有内表面和外表面。管的内径可以对应于连接管的内表面。管的外径可以对应于管的外表面。在一些实施方式中，内径与外径之间的差可以小于或等于约1/32"、1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4或5"。连接管可以具有两个末端。两个末端可以彼此相反。在备选实施方式中，连接管可以具有三个、四个、五个、六个或更多个末端。交通工具骨架框架可以包括与节点102连接的碳纤维管。

本公开内容中呈现的多端口节点102(亦称为接头，接头构件、接头、连接器、衔套)可适于在交通工具骨架框架中使用，诸如图1中示出的框架。骨架框架100中的节点可被设计用于适配骨架设计规定的管角度。节点可以预成形为期望的几何形状以允许快速且低成本的骨架组装。在一些实施方式中，节点可以使用3-D打印技术进行预成形。3-D打印可以容许节点以可适应不同框架配置的一系列广泛几何形状形成。3-D打印可以容许节点基于计算机生成的、包括节点尺寸的设计文件形成。

节点可以由金属材料(例如，铝、钛、不锈钢、黄铜、铜、铬钼钢或铁)、复合材料(例如，碳纤维)、聚合材料(例如，塑料)或这些材料的一些组合构成。节点可以由粉末材料形成。3-D打印机可以使粉末材料的至少一部分熔化和/或烧结以形成节点。节点可以由基本上为刚性的材料形成。

节点可以支撑施加在节点处或附近的应力。节点可以支撑压应力、张应力、扭应力、剪应力或这些应力类型的一些组合。节点处所支撑的应力的量级可以为至少1兆帕(MPa)、5MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、250MPa、500MPa或1GPa。应力的类型、方向和量级可以是静态的并且取决于节点在框架中的位置。或者，应力类型、方向和量级可以是动态的并且是交通工具的运动的函数，例如节点上的应力可以随交通工具上坡和下坡而变化。

图2示出了描述一种用于3-D打印用于将管(诸如碳纤维管)连接在空间框架中的接头构件的方法的流程图。在该方法中，骨架设计模型被选择201。骨架设计模型可以是新的设计或者储存在库中的设计，所述库可以包括先前使用的设计或常见的库存设计。骨架设计可以由利用3-D打印过程形成接头的用户生成或者由不同于形成接头的用户的用户生成。骨架设计可以是可编辑的。骨架设计可以通过在线市场可获得。根据所选的骨架设计，管规范(specification)(例如，内径和外径，管截面以及管在连接点处相对于彼此的角度)被确定202。接着，每个管连接点处的动态应力和静态应力被确定203。可以使用计算模型，例如有限元分析，来确定每个管连接点处的动态应力和静态应力。使用在步骤202和203中确定的物理性质和结构性质，接头(节点)被设计204。最后，在最后步骤中，使用3-D打印机，根据由前面的步骤确定的规范使接头被生成205。可以同时形成两个或更多个接头。或者，每次形成一个接头。

骨架设计模型能够以任何可用的结构设计软件程序，例如AutoCAD、Autodesk、Solid Works或Solid Edge生成。骨架设计模型能够以针对空间框架设计的要求而定制的简单的自定义设计工具生成。这种自定义工具可以对接至现有的结构设计软件以从极少的一组输入数据(例如，进入给定节点的管的相对角度)自动生成完整的节点几何形状。在生成骨架的模型之后，可以限定每个管连接点。管连接点可以是使用接头来连接两个或更多个管的位置。管连接点的特性可以由模型确定并用于限定设计所需的接头结构，例如可以确定管的数目、管尺寸以及管的相对角度。每个接头处的管的数目可以由骨架模型确定，例如接头可以连接2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个管。接头位置处的每个连接管的直径和截面形状可以由模型确定。例如，接头可以连接正方形的管、圆形的管、椭圆形的管、三角形的管、五边形的管、六边形的管或不规则形状的管。连接至接头的管可以都具有相同的截面形状或者它们可以不同。连接管的直径可以由模型确定，连接管可以具有至少约1/16"、1/8"、1/4"、1/2"、1"、2"、3"、4"、5"、10"、15"或20"的直径。连接至接头的管可以都具有相同的直径或者直径可以不同。每个接头处的管的相对角度也可以由骨架模型确定。

可选地，用户可以设计骨架设计的一部分或者提供要符合的设计规范。由一个或多个处理器执行的软件可以设计骨架的其余部分或者提供符合所述规范的骨架细节。处理器可以在无需任何进一步的人工干预的情况下生成所述设计的至少一部分。本文描述的任何特征可以由软件、用户或者软件和用户两者初始地设计。

附加结构部件、机械部件、电气部件和流体部件的位置也可以由结构设计软件确定。例如，剪切板件、结构板件、震动系统、发动机组、电路以及流体通路的位置可以由结构设计软件确定。骨架模型可以用于限定接头设计，使得接头可以与结构部件、机械部件、电气部件和流体部件的位置集成。

骨架模型可以用于计算每个接头处的应力方向和量级。可以使用有限元分析来计算应力，所述有限元分析采用线性或非线性的应力模型。当骨架静止时或者当骨架正沿着典型路径，例如沿着直线、弯曲轨迹，沿着平滑表面，沿着粗糙表面、平坦地形或丘陵地形移动时，可以计算接头上的应力。计算得到的接头上的应力可以是剪应力、张应力、压应力、扭应力或这些应力类型的组合。接头可以包括用以支撑计算得到的应力的设计特征。接头上包括的设计特征可被配置成符合特定安全标准。例如，接头可被配置成用于承受在至少为1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45或50的安全系数内的计算得到的应力。接头可被设计用于在可能振动或经受震动或冲击的框架上支撑管。例如，交通工具骨架可以在马路上被驱动，并且可以经历长期振动。接头可以能够承受由长时间振动导致的施加在接头上的力和应力。在另一示例中，如果交通工具要撞击另一物体，则该交通工具可能会经历冲击。接头可被设计用于承受所述冲击。在一些情况下，接头可被设计用于承受多达某一预定程度的冲击。可选地，可以期望接头在超出所述预定程度后变形或改变其构型，并且减震。接头可被设计成满足各种框架规范和准则。在一些情况下，接头可被设计用于形成满足针对消费者和/或商用交通工具的州或国家安全要求的骨架。

最后的接头设计可以由管尺寸和形状要求、集成的结构部件、机械部件、电气部件和流体部件的位置以及计算得到的应力类型和量级连同任何性能规范来确定。图3示出了可以如何在设备301上的软件程序中开发满足必要规范的接头的计算模型的示图。设备可以包括处理器和/或存储器。存储器可以包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包括用于执行诸如设计步骤或计算等一个或多个步骤的代码、逻辑或指令。处理器可被配置成用于根据非暂时性计算机可读介质来执行步骤。所述设备可以是台式计算机、蜂窝电话、智能电话、平板计算机、膝上型计算机、服务器或任何其他类型的计算设备。设备可以与3-D打印机302通信。3-D打印机302可以根据软件程序中开发的设计来打印接头。3-D打印机可被配置成用于通过加量制作和/或减量制作来生成物体。3-D打印机可被配置成用于形成金属物体、复合物物体或聚合物物体。3-D打印机可以是直接金属激光烧结(DMLS)打印机、电子束熔化(EBM)打印机、熔融沉积成型(FDM)打印机或喷射打印机。3-D打印机可以打印由钛、铝、不锈钢、结构塑料或任何其他结构材料制成的接头。

3-D打印可以包括基于作为输入的计算模型或电子模型来制作三维结构的过程。3-D打印机可以采用任何已知的打印技术，包括挤压沉积、细粒度粘合、层压或立体光刻。3-D打印的一般技术可以涉及将三维物体的设计分解为一系列数字层，打印机将会继而逐层形成该一系列数字层直到物体完成。接头能够以逐层方式打印，并且可以适应范围广泛的几何形状设计和详细特征，所述详细特征可以包括内部特征和外部特征。

3-D打印的接头可以与管组装在一起以形成框架结构。该设计可能是灵活的，以适应后期设计变化。例如，如果在设计过程的后期将支撑管添加至设计中，则可以迅速地并且以低成本打印附加接头以适应该额外的支撑管。使用与3-D打印机通信的计算机模型来生成接头的方法可以允许以低成本迅速地生产范围广泛的几何形状。

图4示出了先前描述的方法的详细流程图。所描述的步骤仅通过示例的方式提供。一些步骤可以忽略，无序地完成或者与其他步骤调换。任何步骤都可以借助于一个或多个处理器自动地执行。一个或多个步骤可以在或可以不在用户输入干预的情况下执行。所述过程以步骤401开始，步骤401涉及选择框架设计，诸如骨架设计，该设计可以从储存设计的库中选择或者其可以是针对特定项目而开发的新设计。

在选择设计之后，接下来的步骤为402a、402b、402c和/或402d，所述步骤可以包括计算针对框架的接头的结构需要或规范。步骤402a-402d可以按任何顺序完成，所有步骤402a-402d可以都完成或者可以发生仅一些步骤。步骤402a涉及计算每个接头处的结构负荷。结构负荷可以通过有限元方法确定并且可以包括剪应力、压应力、张应力、扭应力或任何应力组合的方向和量级。应力的计算可以在假设交通工具正在运动或者假设交通工具是静止的情况下进行。这还可以包括计算任何性能规范，诸如安全规范、制作规范、耐久性规范。步骤402b是绘制整个交通工具中的流体线路和电气线路。流体通路的示例可以包括冷却剂管道、润滑剂管道、通风管道、空气调节管道和/或加热管道。电气系统可能需要从源到系统的电气路由，电气系统的示例可以包括音频系统、内部照明系统、外部照明系统、发送机点火部件、车载导航系统和控制系统。步骤402c是确定每个接头处的管角度、形状和尺寸。在步骤402d中，绘制诸如板件和悬挂连接等结构部件。

在于步骤402a-402d中计算接头需要/规范之后，可以在步骤403a-403d中设计接头构件以适应接头需要/规范。接头设计方法可以包括步骤403a-403d。步骤403a-403d可以按任何顺序完成，所有步骤403a-403d可以都完成或者可以发生仅一些步骤。每个接头处的已知应力分布可以确定接头的壁厚、接头材料或者要打印在接头上的必要的定心特征403a。在绘制流体线路和电气线路之后，对应的内部路由特征可被设计成打印在接头上403b。接头可以具有单独的、针对流体途径和电气途径的内部路由特征，或者接头可以具有由流体通路和电气通路共享的一个路由特征。在确定管角度、形状和尺寸之后，接头可以被设计403c以使得其可以在满足其他规范的同时适应必要的管。使用在402d中确定的图，集成的连接特征的位置被设计成打印在接头上403d。这样的设计步骤可以按顺序地或并行地发生。在设计用于打印的接头时，可以组合地考虑各种接头设计需要。在一些情况下，在设计接头的过程中还可以考虑3-D打印工艺。

在最后的步骤404中，生产一组打印接头以供在401中选择的框架组件中使用。打印接头可被3-D打印成符合使用步骤403a-403d的综合考虑而设计的接头。打印的接头可以用于完成对骨架的组装。

本文所描述的适于制造用于连接管的接头的3-D打印方法可以减少组装骨架所需的时间。例如，用以设计和构建骨架的总时间可以少于或等于约15分钟、30分钟、45分钟、1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、12小时、1天、2天、3天、4天、5天、6天、1周、2周、3周、4周或1个月。在一些情况下，打印接头本身可以花费少于或等于约1分钟、3分钟、5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时或3小时。组装骨架所需的时间可以减少，因为3-D打印方法可以比典型的制作方法需要较少的工具。在本文所描述的方法中，单一工具(例如，3-D打印机)可被配置成用于制造具有不同规范(例如，尺寸/形状)的多个接头。例如，可以使用单一3-D打印机来打印一系列接头，所述一系列接头都具有相同的设计。在另一示例中，可以使用单一3-D打印机来打印一系列接头，所述一系列接头具有不同的设计。不同的设计可以都属于同一框架组件，或者可被打印以用于不同的框架组件。这可以在调度某一场所处的接头打印工作中提供更高程度的灵活性，并且可以容许制造商优化接头的生产以满足制定目标。在一些情况下，3-D打印机的尺寸和形状可被设计成使得其可被运送至正在构建交通工具的场所。此外，3-D打印可以增加接头的质量控制或一致性。

由图4描述的制作过程可以减少制作时间和费用。可以通过减少形成一个或多个接头所需的工具的数目来减少制作时间和/或费用。所有接头也都可以利用单一的3-D打印机形成。类似地，与由3-D打印机提供的其他制作技术相比，可以通过更高水平的质量控制来减少制作时间和/或费用。例如，与其他方法相比，使用先前描述的方法生产接头的成本可以使制作成本减少至少5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。使用3-D打印制作用以在空间框架中连接管的接头允许每个接头具有不同的形状和尺寸，而无需单独的针对每个接头的模具或工具。针对接头的3-D打印过程可以很容易地规模化。

图5中示出了可以使用所描述的3-D打印方法制作的接头的示例。图5中示出的接头具有主体部分501以及离开接头主体的三个接受器端口502。接受器端口502可以是用于与连接管相配合的位置。接受器端口可以通过插入到连接管的内部部分以及/或者覆在连接管的外部表面来与该连接管相配合。接受器端口在三维空间中可以具有相对于彼此的任何角度。端口相对于彼此的角度可以由骨架设计规定。在一些情况下，可以提供三个或更多个端口。所述三个或更多个端口可以是或者可以不是共面的。端口可以能够接受圆形的、正方形的、椭圆形的或不规则形状的管。用于连接管的不同截面形状/尺寸，端口可被配置成适应管的不同形状/尺寸，端口本身可以具有不同的截面形状/尺寸。端口可以是圆形的、正方形的、椭圆形的或不规则形状的。

突出部502可被设计成使得其可以插入到连接管中。接头突出部的壁厚可被打印成使得接头能够支撑由用于完整的骨架设计的有限元模型计算出的结构负荷。例如，需要支撑大量级负荷的接头可以比支撑较小负荷的接头具有更厚的壁。

图6示出了与三个管602a-602c连接的接头601。该图示出了可以如何设计接头从而以不同的角度连接管。对应于接头的一组管之间的角度可以是相等的或不相等的。在图6中示出的示例中，标记所述角度中的两个，管602a与602b之间的角度标记为603，而管602b与602c之间的角度标记为604。在图6中，角度603和604是不相等的。603和604的可能值可以为至少1°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°或180°。

接头可被打印成具有任何数目的突出的接受器端口以与连接管相配合。例如，接头可以具有至少一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十二个、十五个、二十个、三十个或五十个接受器端口或分叉。接头可以具有少于本文所描述的任何数目的接受器端口。接头可以具有落入本文所描述的任何两个值之间的范围内的数目的接受器端口。图7示出了具有五个突出部的接头的示例。此外，突出部可以具有相等的或不相等的直径。例如，图8示出了被设计用于接受具有不同直径的管的接头801，其中在上端口802处接受较小的管并在下端口803处接受较大的管。在另一示例中，同一接头上的不同端口可以能够接受具有1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、2:3、2:5、2:7、3:5或3:7的不同管之间的直径比的管。在非圆形管的情况下，直径可以由相关的基本长度尺度表示，例如在正方形管的情况下，由边长表示。另外，具有不同截面形状的管可以能够适配至同一接头上的不同突出部上。例如，接头可以具有突出部，该突出部具有圆形形状、椭圆形形状、正方形形状、矩形形状或不规则形状中的全部或任何组合。在其他实现中，单一接头可以具有这样的突出部，所述突出部具有相等的直径和/或相同的形状。3-D打印接头可以适应这种一系列广泛的接头配置。

接头可被打印成使得其包括被配置成适配在连接管之内的突出部区域以及用以适配在连接管之上的凸缘。被配置成适配在连接管之内的接头突出部可被打印成使得可以在突出部的表面与凸缘的内径之间形成环形区域。

本文所描述的3-D打印方法可以容许包括使用其他制造方法可能是不可能的或成本高昂的精细结构特征。例如，定心特征可被打印在接头的突出部区域上。定心特征可以是接头突出部上以规则或不规则图案凸起的隆起物或其他形状。在组装接头和管时，定心特征可以使接头突出部定心在连接管之内。如果在接头突出部与连接管之间放置粘合剂，则定心特征可以在期望厚度或位置中创建用以使粘合剂分散的流体途径。在另一示例中，接套(nipple)可被打印至接头上。接套可以提供用于在接头突出部与连接管之间的空间中引入粘合剂的真空端口或注射端口。在一些情况下，定心特征可以促进粘合剂在接头突出部与连接管之间的空间中的均匀分布，如本文其他各处详细描述。

定心特征可以包括接头突出部上的凸起打印图案，其被设计成适配在连接管之内。定心特征可以在最初形成接头突出部时打印在该突出部上，或者它们可以在已经设计好接头之后打印在接头突出部上。定心特征可以从接受器端口的突出部的外表面(管接合区域)凸起。凸起的定心特征的高度可以为至少0.001"、0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"或0.050"。定心特征可以优选地打印在被配置成适配在连接管之内的突出部区域上，如图9a-图9d中所示。在备选实施方式中，定心特征可被打印在位于接头上的、被配置成适配在连接管的外径之上的凸缘区域上，以附加于或替代将定心特征打印在管接合区域上。定心特征可被打印在被配置成适配在连接管之内的突出部以及接头上的被配置成适配在连接管的外径之上的凸缘区域之一或全部两者之上。

图9a-图9d示出了四种可能的接头定心特征实施方式的详细视图。图9a示出了小块定心特征901，该特征包括位于接头突出部的管接合区域上的凸起的点的图案。接头突出部的管接合区域可以是被配置成用于与管的表面接触的接头突出部的一部分。管接合区域可被配置成插入到管中。点能够以一个或多个行或列或者以交错的行和/或列来提供。凸起的点可以具有至少0.001"、0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"或0.050"的直径。

图9b示出了螺旋形路径定心特征902，该特征包括环绕在接头突出部的管接合区域的全长周围的连续凸起的线。连续凸起的线可以包绕管接头突出部单次或多次。备选设计可以包括具有不包绕管接合区域的整个直径的凸起的螺旋形定心特征的定心特征。在备选实施方式中，螺旋形定心特征可以环绕接合区域的圆周的10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、180°、190°、200°、210°、220°、230°、240°、250°、260°、270°、280°、290°、300°、310°、320°、330°、340°、350°或整个360°。定心特征还可以包括多个凸起的线，该凸起的线环绕管的全长而不以类似于多头螺纹的方式相交。

图9c示出了迷宫定心特征(labyrinth centering feature)903，该特征包括凸起的短线，其以与接头突出部的长度方向成90度角与接头的管接合区域外切。迷宫定心特征中的相邻短线被组织成交错图案。可以提供多行短线。短线可以基本上彼此平行。或者，可以提供不同的角度。

图9d示出了断续螺旋线定心特征904，该特征包括凸起的短线，其以与管接合区域的长度方向成45度角与接头的管接合区域外切。在另一示例中，定心特征可以具有以1°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°或180°角与管接合区域外切的凸起的线。图9c和图9d中示出的定心特征中的短线可以具有至少0.005"、0.006"、0.007"、0.008"、0.009"、0.010"、0.020"、0.030"、0.040"、0.050"或0.100"的长度。

可以使用除图9a-图9d中所描述的那些图案之外的其他图案。备选图案可以包括成不规则角度或间隔的短线、线和点的组合或者环绕接合区域的一组实线，其中在所述线之间具有均匀或非均匀的间隔。在一些情况下，定心特征的图案可以被设计成在不使一个或多个定心特征相交的情况下，可能不能绘制从内突出部的远端到近端的笔直直线。这可以促使粘合剂采取更迂回的路径并且促进粘合剂的分散，如本文其他地方进一步描述。或者，在不使一个或多个定心特征相交的情况下，可以提供从内突出部的远端到近端的直线。

能够以不同的密度在接头突出部上打印定心特征。例如，接头突出部可被打印成使得突出部的90％覆盖有凸起的定心特征。在具有90％的定心特征覆盖范围的情况下，所述特征可以非常紧密地间隔开。或者，定心特征可以覆盖突出部的至少5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％。定心特征可以覆盖小于这里所描述的任何百分比。定心特征可以落在这里所描述的任何两个百分比之间的范围内。可以选择打印在接头上的定心特征的密度以提供由骨架模型确定的结构特征。

定心特征可以是凸起的，使得接头/管组件包括连接管的内表面与被设计成进入连接管中的接头突出部的表面之间的空间。内管直径与突出部之间的公差可以使得接头和管形成压力适配连接。在压力适配连接的情况下，定心特征在管插入至接头中时可以变形或者不变形。定心特征可以使接头突出部定心在连接管之内，使得连接管的内表面与接头突出部的表面之间的距离可以具有均匀的径向厚度。或者，定心特征可以促进接头突出部与连接管之间的空间的非均匀分布。

可以在同一骨架结构中的不同接头上打印不同的定心特征。可以在同一接头上的不同接头突出部上打印不同的定心特征。可以选择打印在接头突出部上的定心特征以使得该接头支撑通过在骨架结构上执行的有限元分析而确定的应力分布。图10中示出了用以确定要打印在接头上的定心特征的方法的示例。在该方法中，第一步骤1001是确定接头突出部上的负荷或应力。可以使用有限元分析来计算应力，所述有限元分析采用线性或非线性的应力模型。当骨架静止时或者当骨架正沿着典型路径，例如沿着直线、弯曲轨迹、平坦地形或丘陵地形移动时，可以计算接头上的应力。计算得到的接头上的应力可以是剪应力、张应力、压应力、扭应力或应力类型的组合。图10中示出的方法的下一步骤是选择将会为所确定的应力或负荷分布提供最佳结构支撑的定心特征1002。选择定心特征可以涉及选择可能的定心特征的图案、尺寸和密度的任何组合。该过程中的最后步骤可以是在接头上打印定心特征。

例如，预期要经历高量级张力的接头可被打印成具有小块定心特征，使得接头与管之间的粘合剂接触面积最大化。在另一示例中，预期要经历顺时针方向的扭应力的接头可被打印成具有逆时针方向的螺旋形定心特征以提供针对扭力的阻力。

还可以选择定心特征的尺寸和密度以使得接头支撑通过在骨架结构上执行的计算分析和/或经验分析而确定的应力分布。定心特征的高度可以规定形成于接头突出部的表面与连接管的内径之间的环的体积。在组装接头和管时，可以用粘合剂来填充环的体积。可以选择定心特征高度以使得粘合剂的体积被优化用于支撑接头上的预期应力或负荷。定心特征的密度还可以改变环形区域的体积。例如，与具有疏密度定心特征的接头相比，具有高密度定心特征的接头在环形区域中可以具有更小的体积。可以选择定心特征密度以使得粘合剂的体积被优化用于支撑接头上的预期应力或负荷。

可以将用于连接真空管道或注射管道的接套(nipple)直接打印在接头上。可以在打印接头时将接套打印在接头上，使得接头和接套可以由同一块材料雕刻而成。或者，可以单独地打印接套并在打印之后将其添加至接头。接套可以具有微细的内部途径，该内部途径可以是利用除3-D打印以外的制作方法不可能实现的。在一些情况下，通过接套和/或与接套流体连通的内部途径，流体可被递送至突出部的管接受区域与附接至该突出部的管的内径之间的环形空间。流体可以是粘合剂。粘合剂可以通过打印的接套而被吸入或推入至环形区域中。接套可以定位在接头的相对侧上以使粘合剂均匀地分布。两个或更多个接套可以对称地或不对称地附接至接头。例如，它们可以在周向上彼此相对地提供在接头的接受器端口上。它们可以提供在接头的接受器端口的近端处或附近。或者，它们可以提供在接头的接受器端口的远端处或附近，或其任何组合。接头可以在每个突出部上具有至少约1个、2个、3个、4个、5个、10个、15个或20个接套。

接套可以定位在远离内部接头特征处、接近内部接头特征处或者与内部接头特征同轴定位，所述内部接头特征诸如为内接头突出部的壁之内的流体途径，其可以提供均匀的粘合剂涂层。图11示出了具有接套1101的接头突出部的示例的截面，所述接套连接至接头突出部的壁之内的内部流体途径1102。内部途径可被打印在接头的侧壁中。内部途径可以具有进入环形区域中的出口1103。内部途径可以将流体(例如，粘合剂)引入至环形区域中。内部途径可以具有圆形截面、正方形截面、椭圆形截面或不规则形状的截面。内部途径的直径可以为至少1/100"、1/64"、1/50"、1/32"、1/16"、1/8"、1/4"或1/2"。如果内部流体途径具有非圆形截面，则列出的直径可以对应于截面的相关基本长度尺度。流体途径可以沿着接头突出部的全长或长度的任何部分延伸。

接套的形状和配置可被设计成与真空和/或压力注射设备相连接。将接套直接打印在接头上可以减少对用以将粘合剂注射至环形区域中的设备的需要。在引入粘合剂之后，可以通过将接套从接头切割或熔化来移除接套。

集成的结构特征可被直接打印至接头之上或之内。集成的结构特征可以包括流体管道系统、电气布线、电气总线、板安装件、悬挂安装件或定位特征。集成的结构特征可以简化骨架设计并且减少构造骨架结构所需的时间、劳动、部件和成本。集成的结构特征在每个接头上的位置可以由骨架模型确定，并且软件可以与3-D打印机通信以制造具有针对所选骨架设计而言必要的集成结构特征的每个接头。

接头可被打印成使得其包括用于交通工具的剪切板件或主体板件的安装特征。接头上的安装特征可以允许板件直接连接至交通工具骨架框架。接头上的安装特征可被设计成与板件上的互补配合特征相配合。例如，接头上的安装特征可以是具有用于硬件(例如螺丝、螺栓、螺母或铆钉)的孔洞的法兰、卡扣或被设计用于焊接或粘合剂应用的法兰。图12a-图12c示出了被设计用于与诸如交通工具等结构上装载的其他系统集成的接头的特征。接头可被设计成与结构的剪切板件或主体板件集成。

图12a示出了具有法兰1201的接头。法兰1201可以用于连接至剪切板件或主体板件(未示出)。在使用接头构件以构造交通工具骨架的情况下，接头构件可以与悬挂系统集成。悬挂系统可以包括液压减震器、空气减震器、橡胶减震器或弹簧加压减震器。悬挂系统可以通过对法兰1201的附接而连接至接头构件。法兰可被打印成使得其包含用于与连接硬件(例如，螺丝、钉、铆钉)相配合的至少一个孔洞1202。

接头可被打印成使得其包括用于电气连接的集成通路。集成到接头中的电气连接可以是电绝缘的。集成到接头中的电气连接可以是接地的。集成到接头中的电气连接可以与通过连接至该接头的管而路由的布线连通。电气布线可以用于向交通工具上装载的系统提供动力以及/或者向电池提供动力以启动或运行交通工具引擎。使用来自集成接头的动力的交通工具上装载的系统可以包括导航、音频、视频显示器、动力窗或动力座椅调节。交通工具内的动力分配可以专门通过管/接头网络而行进。图12b示出了用于使电线在整个结构中路由的可能的接头实施方式。图12b中示出的接头具有入口区域1203；该入口可以用于插入电气连接或电线。电线可以插入到入口区域中并且从接头路由至管以用于整个骨架中的传输。可使用电线提供动力的一个或多个系统可以通过入口区域与线相连接。集成到接头中的电连接可以提供插件，该插件容许用户插入一个或多个设备以获得设备的功率。在一些情况下，可以在3-D打印接头之前、之后或期间将一个或多个电接触打印至接头上。

接头可被打印成使得其包括集成的加热和冷却流体系统以提供交通工具骨架中的热调节和空气调节。其他应用可以包括冷却和/或加热交通工具的各种部件。将流体(例如，气体或液体)系统集成到接头/管构造中可以部分地或完全地消除交通工具设计对常规通风管和管道系统的需要。接头可以将热流体或冷流体从生产源(例如，电加热元件、发动机组热交换机、制冷机、空气调节单元或锅炉)路由至骨架中的某一位置，其中乘客或交通工具操作员可能希望使内部加热或冷却。接头可以包含集成部件，以从源吸入热流体或冷流体、分配热流体或冷流体并且在远离源的位置处排放热流体或冷流体。组件中的接头和管可以使用玻璃纤维、泡沫绝缘、纤维素或玻璃丝进行热绝缘。接头和管组件可以是不漏流体的。在包括集成流体系统的接头的情况下，可以使用图12b中示出的接头实施方式。入口，诸如图中所示的一个入口1203，可以用于通过在多个接头之间经由连接管来管道输送流体的方式来使流体路由，以使整个结构加热或冷却。

图12c中示出了可用于流体或电力的路由的接头的截面图。在图12c中示出的示例中，两个接头突出部由内部通路1204连结。在实施方式中，图12c中的接头可以使流体或布线从1205处的入口路由至1206处的出口。用于流体和电力的路由的通路可以是相同的通路或者它们可以是分开的。内部接头路由可以保持两种或更多种流体在接头内分离，同时仍然在管之间或者从管至安装在接头上的连接器或特征之间提供期望路由。

接头可被打印成使得其包括集成的定位特征或标识特征。该特征可以在组装和处理期间实现对接头的自动标识或处理。定位特征的示例可以包括圆柱形凸台(例如，具有平坦的且径向的凹槽的凸台)、具有帽的挤出的C形、与非对称销图案适配的卡口或逆向卡口、挂钩特征或者具有在检查时可以唯一地限定特征定向和位置的几何形状的其他特征。这些定位特征可以对接至机器人夹持器或工件固定工具或者由其夹紧。一旦夹紧运动开始、部分完成或完成，接头的接口可被完全限定。定位特征可以在空间框架组装之前和期间实现对接头的可重复和可选的自动化定位。限定特征的几何形状还可以使得自动化系统能够在将管插入到接头期间协调多个接头沿着空间中的限定路径的运动。在组装期间，至少两个管可以并行地插入到多个接头中，而不导致几何约束。集成的定位特征还可以包括整体标识特征。例如，标识特征可以是一维条形码、二维QR码、三维几何图案或这些元素的组合。标识特征可以对关于其所附接的接头的信息进行编码。这种接头信息可以包括：接头的几何形状，包括管进口相对于标识/位置特征的定向；接头的材料；粘合剂注射端口和真空端口相对于标识/定位特征的定位；接头所需的粘合剂；以及接头管直径。组合的标识/定位特征可以实现对用于组装的接头的自动化定位，而无需向自动化组装单元供应外部信息。

本文所描述的任何特征可以随接头的其余部分一起打印。例如，包括本文所描述的各种特征(例如，定心特征、接套、通路等)的整个接头能够以单一步骤打印并且由单一整体材料形成。或者，可以将特定特征打印至预先存在的接头部件上。例如，可以将定心特征打印至现有的接受器端口上。

接头制造的3-D打印方法可以是高效制作过程。单一的一组设备可被配置成用于生成具有不同详细特征的多种接头几何形状。与传统制作方法相比，生产可以具有较低的时间和成本要求，此外，所述过程可以很容易地从小批量生产扩展到大批量生产。所述过程可以提供优于传统制作方法的质量控制，其可以减少与畸形部件相关联的浪费以及重制可能不满足质量控制的标准的部件所需的时间。

虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本文并不旨在通过说明书中提供的特定示例来限制本发明。尽管已经参考前述说明书描述了本发明，但本文的实施方式的描述和图示不应以限制性的意义来解释。本领域技术人员现将会在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。此外，应当理解，本发明的所有方面并不限于本文阐述的特定描绘、配置或相对比例，而是取决于多种条件和变量。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。因此可以设想，本发明还应当覆盖任何这样的替代、修改、改变或等同物。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的方法和构造及其等效项。

Claims (20)

1.一种制造接头构件的方法，所述接头构件用于连接多个连接管从而形成空间框架，所述方法包括：

确定待由所述接头构件连接的所述多个连接管中的每一个的相对管角度、管尺寸和管形状；

确定待由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级；以及

3-D打印具有某种配置的接头构件，所述配置(1)适应每个接头构件处的相对管角度、管尺寸和管形状，并且(2)支撑由所述多个连接管施加的应力方向和量级。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述空间框架被配置成至少部分地包围三维体积。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述多个连接管中的每个连接管具有沿不同平面的纵轴。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述空间框架是交通工具骨架框架。

5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述接头构件的至少一部分上3-D打印定心特征。

6.如权利要求5所述的方法，其中将所述定心特征打印在所述接头构件的接头突出部上，所述接头突出部被配置成插入到连接管中。

7.如权利要求5所述的方法，其中基于待由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级来确定所述定心特征的特性。

8.如权利要求1所述的方法，其中根据经验或根据计算来确定待由所述多个连接管施加在所述接头构件处的应力方向和量级。

9.一种交通工具骨架，包括：

多个连接管；以及

多个接头构件，每个接头构件的尺寸和形状被设计成与所述多个连接管中的至少一个子组的多个连接管相配合，以形成三维框架结构，

其中所述多个接头构件由3-D打印机形成。

10.如权利要求9所述的交通工具，其中所述多个接头构件中的每个接头构件的尺寸和形状被设计成使得当连接管与所述接头构件相配合时，所述接头构件接触所述连接管的内表面和外表面。

11.如权利要求9所述的交通工具，其中所述多个接头构件中的至少一个接头构件包括在该接头构件的3-D打印期间形成的内部路由特征。

12.如权利要求11所述的交通工具，其中所述内部路由特征提供了用于在所述三维框架结构形成时通过所述交通工具骨架传送流体的通路的网络。

13.如权利要求11所述的交通工具，其中所述内部路由特征提供了用于在所述三维框架结构形成时通过整个交通工具骨架中的电气部件传送电的通路的网络。

14.如权利要求9所述的交通工具，其中所述多个接头构件包括在所述接头构件的3-D打印期间形成的安装特征。

15.如权利要求14所述的交通工具，其中所述安装特征提供了用于将板安装在所述三维框架结构上的板安装件。

16.一种用于形成结构的系统，包括：

计算机系统，其接收输入数据，所述输入数据描述了待由多个接头构件连接以形成所述结构的框架的多个连接管中的每一个的相对管角度、管尺寸和管形状，其中所述计算机系统被编程以确定待由所述多个连接管施加在所述多个接头构件处的应力方向和量级；以及

与所述计算机系统通信的3-D打印机，其被配置成生成具有某种尺寸和形状的多个接头构件，所述尺寸和形状(1)适应每个接头构件处的相对管角度、管尺寸和管形状，并且(2)支撑由所述多个连接管施加的应力方向和量级。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述结构的框架至少部分地包围三维体积。

18.如权利要求16所述的系统，其中所述多个接头构件还包括位于由所述3-D打印机形成的所述接头构件的至少一部分上的定心特征。

19.如权利要求18所述的系统，其中将所述定心特征打印在所述接头构件的接头突出部上，所述接头突出部被配置成插入到连接管中。

20.如权利要求18所述的系统，其中基于待由所述多个连接管施加在每个接头构件处的应力方向和量级来确定所述定心特征的特性。