CN107097408A - 用于构建三维圆柱形物体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维物体打印机，其能够产生圆柱形物体。打印机包括可操作地连接到至少两个打印头的控制器、至少一个物体处理装置、和致动器，所述致动器可操作地连接到正由至少两个支撑件支撑的圆柱形构件。所述控制器配置成操作所述致动器以在所述至少两个支撑件内旋转所述圆柱形构件以操作所述至少两个打印头的每一个中的多个喷射器，从而用供应到所述至少两个打印头的不同的材料在旋转的所述圆柱形构件上形成层的部分，并且当所述圆柱形构件正在所述至少两个支撑件内旋转时，操作所述至少一个物体处理装置以修改在旋转的所述圆柱形构件上形成的层。

Description

用于构建三维圆柱形物体的方法和设备

技术领域

本文中公开的设备涉及产生三维物体的打印机，并且更具体地，涉及生产具有圆柱形横截面的物体。

背景技术

数字三维物体制造也称为数字增材制造，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。三维物体打印是增材过程，其中在衬底上以不同形状形成材料的连续层。可以通过喷射粘合剂材料、定向能量沉积、挤出材料、喷射材料、熔融粉末床、层压片材或将液体光聚合物材料暴露于固化辐射来形成层。其上形成有层的衬底支撑在平台上，所述平台可以通过可操作地连接到平台的致动器的操作三维地移动，或者材料沉积装置可操作地连接到一个或多个致动器以便控制沉积装置的运动以产生形成物体的层。三维物体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。

产生三维物体的一个缺点是产生具有圆柱形横截面形状的物体的能力。在物体的三维打印之前，通过在车床上转动坯件并将切割器应用于该坯件以形成圆柱形部件而制成这些类型的部件。类似地，也可以使用挤出机和注射成型机形成这些类型的物体。在三维打印中，通过从一端形成物体并逐层地构建物体来产生三维圆柱形物体。用减材制造技术形成不规则形状的物体或为由能够被喷射使得它们从物体的圆周延伸的材料形成的不规则结构提供足够的支撑可能是困难的。另外，诸如固化、抛光或平滑的二次操作需要从制造站移除物体，因此其可以安装在执行二次操作的机器中。因此，可以形成具有不规则特征的圆柱形物体并且对物体执行二次操作而不需要从打印站移除物体的三维物体打印机将是有用的。

发明内容

一种可以产生三维圆柱形物体的三维物体打印机包括：至少两个支撑件，所述至少两个支撑件配置成使圆柱形构件能够被所述支撑件支撑并且在所述支撑件内旋转；至少两个打印头，每个打印头具有流体地连接到材料供给装置的多个喷射器，供应到所述至少两个打印头中的每个打印头的材料不同于供应到所述至少两个打印头中的其它打印头的材料，所述至少两个打印头围绕由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件的圆周定位；至少一个物体处理装置，所述至少一个物体处理装置围绕由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件的圆周定位；致动器，所述致动器配置成可操作地连接到由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件以在所述支撑件内旋转所述圆柱形构件；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少两个打印头、所述至少一个物体处理装置和所述致动器。所述控制器配置成操作所述致动器以在所述至少两个支撑件内旋转所述圆柱形构件，操作所述至少两个打印头的每一个中的所述多个喷射器以用供应到所述至少两个打印头的不同材料在旋转的所述圆柱形构件上形成层的部分，以及当所述圆柱形构件正在所述至少两个支撑件内旋转时，操作所述至少一个物体处理装置以修改在旋转的所述圆柱形构件上形成的层。

一种用于操作产生三维圆柱形物体的三维打印机的方法包括：用控制器操作可操作地连接到圆柱形构件的致动器以在至少两个支撑件内旋转所述圆柱形构件；用所述控制器操作供应有不同材料的至少两个打印头的每一个中的多个喷射器以用供应到所述至少两个打印头的不同材料在旋转的所述圆柱形构件上形成层的部分；以及当所述圆柱形构件正在所述至少两个支撑件内旋转时用所述控制器操作至少一个物体处理部件以修改在旋转的所述圆柱形构件上形成的层。

附图说明

在结合附图进行的以下描述中解释可以产生三维圆柱形物体的设备和方法的前述方面和其它特征。

图1A显示配置成形成圆柱形物体的打印系统的纵向侧视图。

图1B显示图1A中所示的配置成形成圆柱形物体的打印系统的端视图。

图1C显示打印系统的另一侧视纵视图，其示出当形成物体的圆柱形构件沿着构件的纵向轴线平移时用于构建和处理圆柱形物体的部件的偏移配置。

图2示出用于操作打印机以形成圆柱形物体的方法。

图3A示出围绕圆柱形构件形成的圆柱形物体的端视图。

图3B示出围绕圆柱形构件形成的圆柱形物体的纵视侧视图。

具体实施方式

为了本文中公开的设备和方法以及设备和方法的细节的一般理解，参考附图。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

在图1中显示三维物体打印系统10的纵向侧视图。打印系统10包括支撑圆柱形构件22的一对支撑件14，所述圆柱形构件可操作地连接到致动器18。支撑件14具有接收圆柱形构件22的端部的通孔26。尽管支撑件14显示为具有可以与轴承配合的通孔，但是支撑件可以用U形鞍部敞开以容纳圆柱形构件22。尽管图1的实施例具有用于圆柱形构件22的两个支撑件，但是可以提供更多的支撑件，特别是在平移以及旋转圆柱形构件22的实施例中。致动器18配置成旋转圆柱形构件22，并且在一些实施例中，包括线性致动器，其在圆柱形构件22的纵向轴线的方向上双向地牵拉和推动圆柱形构件22。所示的系统10也包括三个打印头30a、30b和30c，其围绕圆柱形构件22圆周地定位，从而当致动器18旋转并且在一些实施例中平移圆柱形构件时使打印头能够将材料滴喷射到圆柱形构件22上。实施例可以具有更少或更多的打印头，只要可以喷射构建材料和支撑材料两者以形成物体。

在图1B中显示系统10的端视图。在该视图中，圆柱形构件22具有第一材料的层40和由两种材料形成的层44。层40是由打印头30a喷射的支撑材料，并且层44中的两种材料从打印头30b和30c喷射。材料可以具有不同性质、不同颜色或具有不同性质和颜色。除了打印头之外，系统10包括平整器48、固化装置52、切割器56和抛光器60。平整器48、固化装置52、切割器56和抛光器60在本本文中统称为物体处理装置。如本文中所使用的，“物体处理装置”是指配置成修改从打印头喷射的材料中的一种的特性的任何装置。平整器48是配置成在预定高度从构件22上的外层去除材料的装置。固化装置配置成发射部分或完全固化喷射到构件22上的材料的辐射。辐射可以是紫外线、热、红外线或适于固化由打印头30a、30b和30c喷射的一种或多种材料的一些其它频率范围。在执行从层去除材料的任何处理之前，材料必须固化或凝固。必要时可以通过旋转轴以获得多次辐射实现这样的固化或凝固。在图1B所示的实施例中，打印头30a喷射支撑材料，例如蜡，而打印头30b和30c喷射用于形成物体的构建材料。切割器56是刀片或具有尖锐点的其它硬化制品以便在比用平整器48能够获得的更大的深度处从外层去除材料。抛光器60包括至少一对辊64，在所述辊周围夹带环形带68。环形带浸渍有砂砾或其它磨料以对构件22上的外层施加表面光洁度。

如图1B中所示，致动器72和76可操作地连接到打印头30a、30b、30c、平整器48、固化装置52、切割器56、环形带64和抛光器60的至少一个辊64。控制器80可操作地连接到致动器72和76。控制器80配置成选择性地操作致动器72和76以相对于圆柱形构件22的中心在径向方向上移动打印头、平整器、固化装置、切割器和抛光器。该操作使物体处理装置和打印头能够参考正在围绕构件22构造的物体的外表面移动到某个位置，使得处理装置或打印头可以有效地执行其预期功能。另外，控制器80操作致动器76以驱动抛光器60的至少一个辊64以使环形带围绕辊64旋转。

如图1C中所示，系统10的部件可以沿着圆柱形构件22的纵向轴线彼此偏移。如图所示，打印头30a、切割器56和抛光器60沿着平行于构件22的纵向轴线的方向偏移并且定位在构件22的不同侧上。致动器18由控制器80操作以调节构件22的旋转速率并且平移构件22，使得由打印头喷射的材料可以移动到与用于处理正在围绕构件22构造的物体的物体处理装置相对的位置。

在图2中显示用于操作如上所述配置的打印系统10的过程200。过程正在执行一些任务或功能的陈述是指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非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据和操作系统中的一个或多个部件以执行任务或功能。上述打印系统10的控制器80可以配置有部件和编程指令以提供执行过程200的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上的处理器和关联的电路和部件实现，其中的每一个配置成形成下面所述的一个或多个任务或功能。

参考图2，过程开始于将圆柱形构件安装到两个或更多个支撑件上并且将圆柱形构件可操作地连接到致动器(框204)。操作可操作地连接到将材料喷射到圆柱形构件上的打印头和围绕圆柱形构件定位的物体处理装置的致动器以缩回对于将用圆柱形构件执行的一个或多个第一操作不需要的那些部件或定位执行一个或多个第一操作所需的那些部件(框208)。致动可操作地连接到圆柱形构件的致动器以旋转圆柱形构件并且相应地操作执行一个或多个第一操作的部件(框212)。典型地，第一操作包括操作围绕旋转圆柱形构件定位的多个打印头中的喷射器以将不同材料喷射到旋转构件上并且在旋转构件上形成层。可以执行在那些材料的喷射之前的其它操作，例如结构抛光或切割成构件。旋转轴和围绕旋转构件定位的部件可以在必要时移动以继续在构件上制造物体层或处理正在构件上形成的层(框216)。例如，当形成层时，可以操作线性致动器以在旋转构件的纵向轴线的方向上移动旋转构件以定位构件的特定区域和与部件相对在构件上形成的层，这些部件沿着构件彼此纵向地偏移。替代地或附加地，可以操作致动器以在径向方向上远离或朝着旋转构件移动部件，从而相对于旋转构件适当地定位部件以对旋转构件的层执行操作。这些操作包括缩回打印头以适应围绕构件的层的径向生长，定位固化装置以固化构件上的材料，以及将平整器、抛光器或切割器定位成与构件上的材料接触。一旦操作完成(框220)，就终止构件旋转(框224)，并且从支撑件去除具有形成的物体的构件(框228)。否则，过程继续围绕旋转构件构建物体(框216)。

围绕圆柱形构件形成的物体的例子在图3A的端视图中并且从图3B中的纵向侧视图显示。在图3B中，物体300具有由第一材料制成的内层40和由两种材料制成的外层44。内层40由支撑材料制成，当将构件22和物体300从系统10去除时，可以通过熔化或化学作用去除所述支撑材料。支撑层40的消除使物体300能够从构件22释放。上述过程使物体特征(例如突耳304、齿308和键312)能够在物体中形成。这些特征可以用不同于层44的同心材料的附加或不同材料形成。如图3B中所示，平移构件22的能力使材料能够在区域320中被切割。而且，物体300的特定部分平移到与抛光器60相对的位置使图3B中的区域316能够获得与物体300的剩余外表面不同的表面光洁度。因此，系统10和过程200使圆柱形物体能够快速形成，原因是圆柱形状的构件22用于形成随后被去除的物体的基础。如本文中所使用的，术语“圆柱形物体”是指围绕圆柱形构件形成的三维结构，所述圆柱形构件可以具有从物体的壁延伸或切入物体的壁的特征，使得物体可以具有不规则表面，所述不规则表面围绕其纵向中心线大致为圆柱形。

Claims (10)

1.一种打印机，其包括：

至少两个支撑件，所述至少两个支撑件配置成使圆柱形构件能够被所述支撑件支撑并且在所述支撑件内旋转；

至少两个打印头，每个打印头具有流体地连接到材料供给装置的多个喷射器，供应到所述至少两个打印头中的每个打印头的材料不同于供应到所述至少两个打印头中的其它打印头的材料，所述至少两个打印头围绕由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件的圆周定位；

至少一个物体处理装置，所述至少一个物体处理装置围绕由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件的圆周定位；

致动器，所述致动器配置成可操作地连接到由所述至少两个支撑件支撑的所述圆柱形构件以在所述支撑件内旋转所述圆柱形构件；以及

控制器，所述控制器可操作地连接到所述至少两个打印头、所述至少一个物体处理装置和所述致动器，所述控制器配置成操作所述致动器以在所述至少两个支撑件内旋转所述圆柱形构件，操作所述至少两个打印头的每一个中的所述多个喷射器以用供应到所述至少两个打印头的不同材料在旋转的所述圆柱形构件上形成层的部分，以及当所述圆柱形构件正在所述至少两个支撑件内旋转时，操作所述至少一个物体处理装置以修改在旋转的所述圆柱形构件上形成的层。

2.根据权利要求1所述的打印机，所述致动器还包括：

线性致动器，所述线性致动器配置成在所述至少两个支撑件内沿着所述圆柱形构件的纵向轴线移动所述圆柱形构件；并且

所述控制器可操作地连接到所述线性致动器，所述控制器还配置成操作所述线性致动器以在所述至少两个支撑件内沿着所述圆柱形构件的纵向轴线移动所述圆柱形构件。

3.根据权利要求2所述的打印机，所述至少两个打印头沿着旋转的所述圆柱形构件的纵向轴线彼此偏移；并且

所述控制器还配置成操作所述线性致动器以选择性地在所述至少两个打印头之间移动旋转的所述圆柱形构件。

4.根据权利要求1所述的打印机，所述至少一个物体处理部件还包括：

可操作地连接到所述控制器的固化装置，所述控制器还配置成操作所述固化装置以固化喷射到旋转的所述圆柱形构件上的至少一种材料。

5.根据权利要求1所述的打印机，所述至少一个物体处理部件还包括：

可操作地连接到所述控制器的平整器，所述控制器还配置成操作所述平整器以在预定高度去除喷射到旋转的所述圆柱形构件上的至少一种材料的部分。

6.一种操作打印机的方法，其包括：

用控制器操作可操作地连接到圆柱形构件的致动器以在至少两个支撑件内旋转所述圆柱形构件；

用所述控制器操作供应有不同材料的至少两个打印头的每一个中的多个喷射器以用供应到所述至少两个打印头的不同材料在旋转的所述圆柱形构件上形成层的部分；以及

当所述圆柱形构件正在所述至少两个支撑件内旋转时用所述控制器操作至少一个物体处理部件以修改在旋转的所述圆柱形构件上形成的层。

7.根据权利要求6所述的方法，其还包括：

用所述控制器操作可操作地连接到所述圆柱形构件的线性致动器以在所述至少两个支撑件内沿着所述圆柱形构件的纵向轴线移动所述圆柱形构件。

8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：

用所述控制器操作所述线性致动器以选择性地在所述至少两个打印头之间移动旋转的所述圆柱形构件。

9.根据权利要求6所述的方法，所述至少一个物体处理装置的操作还包括：

用所述控制器操作可操作地连接到所述控制器的固化装置以固化喷射到旋转的所述圆柱形构件上的至少一种材料。

10.根据权利要求6所述的方法，所述至少一个物体处理装置的操作还包括：

用所述控制器操作可操作地连接到所述控制器的平整器以在预定高度去除喷射到旋转的所述圆柱形构件上的至少一种材料的部分。