CN109290570B - 用于基于增材制造外骨骼的运输结构的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明的一些实施例涉及增材制造车辆外部结构，该车辆外部结构设计为封装车辆表面并且支撑所需的操作负载。车辆结构包括腔体，使用外部接口的部件被插入到腔体中。多个部件被装配并集成到车辆结构中。该结构可以是使用以并行或串行方式施加的多种打印技术的3D打印的。在实施例中，部件和结构是模块化的，使用多种材料和制造技术并且能够实现单个零件的可修复性和替换。

Description

用于基于增材制造外骨骼的运输结构的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年7月25日提交的名为“用于基于增材制造外骨骼的运输结构的方法和设备”的美国专利申请No.15/659,601的权益，其整体通过引用的方式明确地结合于此。

技术领域

本发明总体上涉及用于增材制造(AM)的技术，更具体地，涉及用于3D打印运输结构和用作这种运输结构中的模块化部件的子结构的技术。

背景技术

增材制造(AM)工艺包括使用用于在“建造板”上堆积层状材料的存储几何模型，以制造具有由模型定义的特征的三维(3D)物体。AM技术能够使用许多种材料打印复杂部件。基于计算机辅助设计(CAD)模型来制造3D物体。AM工艺可使用CAD模型产生固体三维物体。

一个这种方法叫做直接金属沉积(DMD)。DMD是一种使用激光熔化金属粉末从而将其转变成固体金属物体的AM技术。与许多其他AM技术不同，DMD并不以粉末床为基础。相反，DMD使用进料喷嘴将粉末推入激光束中。然后激光使粉末金属熔合。虽然支撑件或者自由基衬底在一些情况中可用来维持结构稳固，但是DMD中的几乎所有粉末都转变成固体金属，因此留下很少的废粉末以回收利用。使用逐层策略，由激光束和进料喷嘴构成的打印头可扫描衬底以沉积连续的层。可使用此技术处理所有类型的金属材料，包括，例如，钢、铝、镍合金、钛、钴、铜等。

诸如粉末床熔合(PBF)的其他AM工艺使用激光烧结或者熔化沉积在粉末床中的金属粉末，然后这会使粉末颗粒在目标区域中粘结在一起，以产生具有预期几何形状的3D结构。在PBF中可使用不同的材料或者材料的组合，例如金属、工程塑料、热塑性弹性体、金属，和陶瓷，以产生3D物体。其他更先进的AM技术，包括下面进一步讨论的那些，也是可获得的或者是目前正在发展中的，并且各自可适用于这里的教导。

由于AM工艺持续改进，制造商越来越多地研究在其设计中使用AM部件的好处。尽管最近在AM特征(例如，建造板尺寸、打印速度和精度，以及基于AM技术的其他越来越复杂的特征)方面取得了进展，但是当与运输结构整体的尺寸相比时，AM在各种运输结构行业中的使用多半仍限于生产相对小尺度的部件。因此，使用AM来发展这种机构的更大的和越来越复杂的子结构的可能性在很大程度上仍是未开发的。

发明内容

参考三维打印技术此后将更详细地描述用于增材制造(AM)运输结构的技术的若干方面，其包括，在一个示例性方面中，车辆AM结构，其设计成封装车辆外部表面并且支撑所需的操作负载。

用于装配到运输结构中的装置的一个方面包括增材制造(AM)结构，其包括外部表面，该AM结构构造为接受操作负载并在撞击事件中保护乘员，其中，所述外部表面包括多个腔体，所述多个腔体用于容纳使用外部接口的部件。

运输结构的一个方面包括增材制造仿形夹层面板，以及装配在夹层面板的内部的多个部件，其中所述夹层面板被构造为支撑运输结构的主要结构负载。

用于生产运输结构的方法的一个方面包括增材制造(AM)框架，该AM框架包括构造为接受操作负载并在撞击事件中保护乘员的结构，并且将多个部件装配到AM框架中，其中，AM框架包括多个腔体，所述多个腔体用于容纳多个部件的需要外部接口的部件。

多方位打印机的一个方面包括限定建造区域的衬底，构造为提供用于在所述建造区域建造结构的材料的涂抹器，以及构造为在所述建造区域上方延伸的第一处理器控制臂组件和第二处理器控制臂组件，其中，其中，所述第一臂组件和第二臂组件各自构造为执行对应于不同的增材制造(AM)技术的功能。

一种使用多方位打印机(MAP)生产部件的方法，所述方法包括：使用由所述MAP提供的第一AM技术，在衬底上增材制造所述部件的第一部分；以及使用由所述MAP提供的第二AM技术，在衬底上增材制造所述部件的第二部分。

将理解的是，对于本领域技术人员来说，增材制造运输结构的其他方面从以下详细描述中将变得显而易见，其中，通过例证仅示出并描述了若干实施例。如本领域技术人员将认识到的，增材制造运输结构能够具有其他不同的实施例，并且其若干细节能够在各种其他方面中改变，所有这些改变都不脱离本发明。因此，将附图和详细描述认为本质上是说明性的而不是限制性的。

附图说明

现在将在附图中通过实例而不是通过限制在详细描述中提供用于增材制造运输结构的方法和设备的各种方面，其中：

图1举例说明了直接金属沉积(DMD)3D打印机的某些方面的示例性实施例。

图2举例说明了使用3D打印机的3D打印工艺的概念流程图。

图3A至图3D举例说明了不同操作阶段过程中的示例性粉末床熔合(PBF)系统。

图4举例说明了根据本发明的方面的多方位打印机(MAP)的概念图。

图5举例说明了根据发明的方面的车辆增材制造(AM)的立体图。

图6举例说明了车辆的侧视图,该车辆增材制造有外骨骼框架并具有用于露出内部结构的透明和剖切部分。

图7举例说明了从图6的车辆的外骨骼框架的仿形夹置面板的侧面剖切图。

图8举例说明了具有用于安装部件的腔体具有外部接口的AM框架的立体图。

图9举例说明了AM框架的另一立体图。

图10举例说明了具有结构性外夹层蒙皮的AM车辆的侧视图，其能够通过消除对于外部框架轨道的需要而实现改进的空气动力学性能。

图11举例说明了成形为泰森多边形图案用于与运输结构的AM框架装配的面板。

图12举例说明了具有以多个泰森多边形图案表征的撞击缓冲区域的AM车辆的侧视图。

图13举例说明了用于装配AM车辆的示例性方法的流程图。

图14举例说明了用于使用多方位打印机生产部件的示例性方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在提供增材制造运输结构的各种示例性实施例的描述，并非旨在仅代表可实践本发明的实施例。在本发明中使用的术语“示例性的”表示“用作实例、例子，或者例证”，不应必须解释为比本发明中提供的其他实施例优选或者有利。为了提供将本发明的范围完全传达给本领域技术人员的充分且完整的公开的目的，该详细描述包括具体细节。然而，没有这些具体细节也可实践本发明。在一些情况中，可以以框图形式示出众所周知的结构和部件，或者将其完全省略，以避免使在本发明中提供的各种概念模糊。

本发明总体上涉及使用AM技术装配运输结构。在本发明的一个方面中，AM用来打印车辆或者其他运输结构的整个框架和本体。另外，可将组成运输结构的部件(发动机、挡风玻璃、灯，等等)作为模块化部件集成到运输结构中。也就是说，可将其经由许多互连装置、匹配的穿孔，或者螺母/螺栓连接而固定到车辆，但是当需要维修时，当希望升级时，或者当出现影响某些部件而不是其他部件的碰撞时，容易将其从运输结构和其余部件移除。如下面示出的，增材制造技术与运输结构的模块化特性的组合可用来特别对运输结构增加价值和效率，一般是对制造工艺增加价值和效率。另外，这种技术可对用户提供独特的优点。这些点在下面更详细地提出。

将要受益于此所提出的特征组合的制造商包括那些实际上制造任何机械化运输工具的制造商，其通常严重依赖于复杂的且劳动密集的机器工具和模制技术，并且其产品通常需要复杂面板、节点和将与复杂机器(例如内燃机、变速器和越来越复杂的电子技术)集成的互连装置的发展。除了别的以外，这种运输结构的实例包括卡车、火车、轮船、飞机、拖拉机、摩托车、公共汽车、火车，等等。

增材制造(3D打印)。已经使用许多不同的AM技术来3D打印由各种类型的材料构成的部件。存在更多可利用的技术，并且更多的技术正在被发展。例如，直接能量沉积(DED)AM系统使用源自激光束或者电子束的直接能量来熔化金属。这些系统利用送粉和送丝。送丝系统有利地具有比其他主流AM技术更高的沉积速度。单通道喷射(SPJ)结合两个粉末撒布机和单个打印单元，以撒布金属粉末并通过明显没有浪费的运动以单通道打印结构。作为另一例证，电子束增材制造工艺使用电子束经由丝线进料沉积金属，或者通过在真空室中的粉末床上进行烧结来沉积金属。单通道喷射是另一种其开发者要求保护的比传统的基于激光的系统快得多的示例性技术。原子扩散增材制造(ADAM)是又一种最近发展的技术，其中，通过在塑料粘结剂中使用金属粉末来逐层打印部件。在打印之后，去除塑料粘结剂，并将整个零件立刻烧结成预期金属。

如所指出的，若干这种AM技术中的一种是DMD。图1举例说明了DMD 3D打印机100的某些方面的示例性实施例。DMD打印机100使用在预定方向120上移动的进料喷嘴102将粉末流104a和104b推入到激光束106中，该激光束朝向可由衬底支撑的工件112指向。进料喷嘴还可包括用于使保护气体116流动以保护焊接区域不受到氧气、水蒸气，或者其他成分影响的机构。

然后通过激光106在熔池区域108中熔融粉末金属，熔池区域108然后可结合到工件112，作为沉积材料110的区域。稀释区域114可包括工件的使沉积粉末与工件的本身材料集成的区域。进料喷嘴102可由计算机数控(CNC)机器人或者机架，或者其他计算机控制机构支撑。可在计算机控制下沿着衬底的预定方向多次移动进料喷嘴102，直到在工件112的预期区域上方形成沉积材料110的初始层为止。然后进料喷嘴102可立即扫描前一层正上方的区域以沉积连续的层，直到形成预期结构为止。通常，进料喷嘴102可构造为相对于所有三条轴线移动，在一些情况中围绕其自己的轴线旋转预定的量。

图2是举例说明了3D打印的示例性过程的流程图200。渲染预期的待打印3D物体的数据模型(步骤210)。数据模型是3D物体的虚拟设计。因此，数据模型可反映3D物体的几何特征和结构特征，以及其材料成分。可使用多种方法产生数据模型，包括基于CAE的优化、3D建模、摄影测量软件，和照相机成像。基于CAE的优化可包括，例如，基于云的优化、疲劳分析、线性或非线性有限元分析(FEA)，和耐久性分析。

3D建模软件继而可包括多种商业上可获得的3D建模软件应用中的一种。可使用合适的计算机辅助设计(CAD)封装来渲染数据模型，例如以STL格式。STL(立体光刻)是与商业上可获得的基于立体光刻的CAD软件相关的文件格式的一个实例。CAD程序可用来产生作为STL文件的3D物体的数据模型。于是，STL文件可经历一定的处理由此识别并解决文件中的错误。

在错误解决之后，可通过叫做切片机的软件应用对数据模型“切片”，从而产生一组用于3D打印物体的指令，该指令可与特殊的将使用的3D打印技术兼容且相关(步骤220)。多种切片机程序在商业上是可获得的。总体上，连同包含用于3D打印这些连续单独层以产生数据模型的实际3D打印图示的打印机特定指令的文件，切片机程序将数据模型转换成一系列单独的代表所打印物体的薄片(例如，100微米厚)的层。

与3D打印机和相关打印指令相关的层不需要是平面的或者厚度相同。例如，在一些实施例中,根据诸如3D打印装备的技术成熟度和特定制造目标等的因素，3D打印结构中的层可以是非平面的和/或在一个或多个情况中可相对于其各个厚度变化。例如，在一些示例性实施例中，可使用PBF来增材制造建造件，在此之后可应用DMD通过使用非扁平层结构和/或具有不同厚度的层来改变建造件的区域。

用于将数据模型切分成层的一种常见类型的文件是G代码文件，其是一种包括用于3D打印物体的指令的数控编程语言。将G代码文件或者构成指令的其他文件上传到3D打印机(步骤230)。因为包含这些指令的文件通常配置为可用特定3D打印工艺操作，所以将认识到，许多格式的指令文件是可能的，这取决于所使用的3D打印技术。

除了指示将渲染什么物体及如何渲染该物体的打印指令以外，将3D打印机渲染该物体所必需使用的合适的物理材料使用若干传统的且常用的打印机特定方法中的任何方法装入3D打印机中(步骤240)。在DMD技术中，例如，可选择一种或多种金属粉末以通过这种金属或者金属合金使结构分层。在选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)，和其他基于PBF的AM方法(见下文)中，可将材料作为粉末装入到将该粉末供应到建造平台的腔室中。根据3D打印机的不同，可使用用于装载打印材料的其他技术。

然后基于所提供的指令使用材料来打印3D物体的相应数据切片(步骤250)。在使用激光烧结的3D打印机中，激光器扫描粉末床并在期望结构的地方将粉末熔化在一起，并且避免切片数据表明没有东西要打印的扫描区域。可重复此过程数千次，直到形成预期结构为止，在此之后从制作装置移除打印的零件。在熔融沉积建模中，如上所述，通过将连续的模型层和支撑材料应用于衬底来打印零件。通常，为了本发明的目的可使用任何合适的3D打印技术。

另一AM技术包括粉末床熔融(“PBF”)。与DMD相同，PBF逐层产生“建造件”。通过沉积粉末层并将粉末的部分暴露于能量束，来形成每个层或者“切片”。将能量束应用于粉末层的与该层中的建造件的横截面重合的熔化区域。熔化粉末冷却并熔融以形成建造件的切片。可重复该过程以形成下建造件的下一个切片，等等。每个层沉积在前一层的顶部上。形成的结构是从头开始逐片装配的建造件。

图3A至图3D举例说明了不同操作阶段过程中的示例性PBF系统300的相应侧视图。如以上指出的，在图3A至图3D中举例说明的特殊实施例是使用本发明的原理的PBF系统的许多合适实例中的一个。还应指出，图3A至图3D和本发明中的其他图的元件并非必须按比例绘制，而是可为了更好地举例说明这里描述的概念的目的而绘制得更大或者更小。PBF系统300可包括：可沉积每层金属粉末的沉积器301、可产生能量束的能量束源303、可施加能量束以熔融粉末的偏转器305，以及可支撑一个或多个建造件(例如建造件309)的建造板307。PBF系统300还可包括位于粉末床容器内的建造底板311。粉末床容器的壁312总体上限定粉末床容器的边界，粉末床容器从侧面夹在壁312之间并在下面与建造底板311的一部分对接。建造底板311可逐渐降低建造板307，使得沉积器301可沉积下一层。整个机构可位于可封装其他部件的腔室313中，从而保护装备，使得能够进行大气和温度调节并缓解污染危险。沉积器301可包括：包含粉末317(例如金属粉末)的储料器315，和可使每层沉积粉末的顶部变平的轧平机319。

具体地参考图3A，此图示出了在熔融建造件309的切片之后但是沉积下一层粉末之前的PBF系统300。实际上，图3A举例说明了这样一种时刻,在该时刻,PBF系统300已经沉积并熔融成多层(例如150层)的切片以形成建造件309的当前状态(例如由150切片形成)。已经沉积的多层已经产生粉末床321，其包括沉积但是并未熔融的粉末。

图3B示出了建造底板311可降低粉末层厚度323的量的阶段的PBF系统300。建造底板311的降低导致建造件309和粉末床321下降粉末层厚度323的量，使得建造件和粉末床的顶部比粉末床容器壁312的顶部低一定的量，该一定的量等于粉末层厚度。这样，例如，可在建造件309和粉末床321的顶部上方产生带有等于粉末层厚度323的一致厚度的空间。

图3C示出了将沉积器301定位为在一定空间(该空间在建造件309和粉末床321的顶面上方产生并被粉末床容器壁312界定)中沉积粉末317的阶段的PBF系统300。在此实例中，沉积器301在限定空间上方逐渐移动，同时从储料器315释放粉末317。轧平机319可使所释放的粉末变平以形成粉末层325，粉末层325具有与粉末层厚度323(见图3B)基本上相等的厚度。因此，PBF系统中的粉末可由粉末支撑结构支撑，粉末支撑结构可包括，例如，建造板307、建造底板311、建造件309、壁312，等等。应指出，粉末层325的举例说明的厚度(即，粉末层厚度323(图3B))比用于以上参考图3A讨论的包括350个之前沉积的层的实例的实际厚度大。

图3D示出了在粉末层325(图3C)的沉积之后能量束源303产生能量束327且偏转器305施加能量束以在建造件309中熔融下一切片的阶段的PBF系统300。在各种示例性实施例中，能量束源303可以是电子束源，在该情形中，能量束327构成电子束。偏转器305可包括偏转板，其可产生使电子束选择性地偏转以导致电子束扫过指定待熔融区域的电场或者磁场。在各种实施例中，能量束源303可以是激光器，在该情形中，能量束327是激光束。偏转器305可包括使用反射和/或折射来操纵激光束以扫描所选择的待熔融区域的光学系统。

在各种实施例中，偏转器305可包括一个或多个万向节和执行机构，其可使能量束源旋转和/或平移以定位能量束。在各种实施例中，能量束源303和/或偏转器305可调节能量束，例如，当偏转器扫描时打开和关闭能量束，使得仅在粉末层的合适区域中施加能量束。例如，在各种实施例中，可通过数字信号处理器(DSP)调节能量束。

多方位打印。根据本发明的一个方面，为了使制造工艺流线化并将效率最大化，使用多方面打印。在许多情况中，使用多个制造工艺生产部件可能是希望的或者必要的。传统地，为了完成此结果，使用不同的专用机器。因此，例如，可使用基于DMD或者PBF的AM技术来部分地生产面板，然后面板的一部分可经历使用FDM或者喷射成型工艺的加工技术。另外，减材制造工艺也可能是必要的，例如，以从3D打印面板移除不想要的材料，或者进一步限定部件内的特征。

在此传统情况中，必须在不同的专用机器之间运输部件以经历多个不同的工艺。不同机器的使用可能是耗时的且低效的，并且可能会对零件的制造增加成本。当生产能力增加时，这些成本可能会大量增加。

在一个方面中，可将这些不同的功能组合到单个多方面机器中。在一个示例性实施例中，单个多方位打印机(MAP)包括两个或多个AM特征。在其他实施例中，该机器可包括各种减材制造(SM)功能。例如，MAP可包含由CNC机器执行的功能。MAP可包括机械臂，其联接到用于从衬底上的部件切除材料的工具。机械臂可另选地构造为接收可操作为以执行不同SM程序的多个工具中的一个。

将多种技术集成到单个机器中可大幅增加制造速度和制造能力，同时降低另外从移动部件引起的劳动力的成本和用于购买专用AM机器的资本。另外，组合功能使得能够串行地或并行地打印部件，增加设计灵活度并进一步使得生产效率最大化。通常，可以以任何顺序执行MAP的AM和SM操作。

MAP可包括单个打印机，单个打印机具有使用多个打印头的单个打印区域，包括一个或多个DMD打印头，其可操作为同时打印多个区域。MAP在打印3D结构时可用来实现更多的功能和更大的速度。MAP具有建立并实施局部PBF处理的能力。MAP也可增材制造AM操作所需的定制建造板。在一些实施例中，MAP可使用DMD来生产“建造板支撑件”，其附接到打印板并支撑所附接的建造板。这些建造板支撑件可附接在建造板下方，(如果希望的话)并可制造为可从建造板破裂以使得建造板能够变成打印结构的一部分。

MAP可进一步包括机械臂，其在需要PBF可用的特征尺寸和特性的区域中需要的地方引入建造板。MAP还可以包括可用来在更大的腔室中局部需要的地方引入建造板的机械臂。然后机器涂覆臂在烧结操作之间可涂覆建造板和后续的层。MAP可进一步包括真空臂，其用于在操作完成时移除多余粉末，允许在PBF区域上进行DMD操作。

在一个示例性实施例中，打印头可在适当的地方通过DMD进行打印。在另一实施例中，MAP可包含熔融沉积建模(FDM)打印能力，包括FDM挤出机，其加热并喷射从用于打印热塑性塑料的FDM线轴提供的熔化细丝材料，及其理想地用于内部支撑和塑料可能是有利的功能的其他材料。

图4举例说明了根据本发明的方面的多方位打印机(MAP)400的概念图。参考图4，MAP可包括，如所指出的，在机械臂组件上用于3D打印DMD结构的一个或多个DMD头或者施料器416。MAP可进一步包括PBF装备，例如电子束源或者激光束源。例如，PBF激光器414示出为设置于单独的机械臂组件上。PBF装备可进一步包括偏转器(未示出)、位于另一机械臂组件上的局部粉末施料器412，和FDM机械臂组件415。如上面指出的，在其他实施例中，在机械臂上可包括一个以上打印头或者施料器。另选地或者另外地，一个以上机械臂可包括支持相同技术(例如，DMD、PBF、FDM，等等)的打印头。还可能具有许多不同类型的、在一个或多个机械臂组件上使用的PBF技术(例如，SLS、SLM，等等)。

图4的一个或多个施料器和机械臂组件可在在所示实施例中包括PBF结构408(已经在PBF结构408上形成更大的DMD结构410)的结构上执行操作。PBF结构408可连接到由FDM和PBF形成的支撑结构406,该支撑结构用于支撑PBF结构408和DMD结构410。接着，将PBF结构408布置在局部DMD建造板子结构404上，其进一步由更大的DMD建造板支撑结构402支撑。

MAP还可包括一个或多个用于铣削的工具。MAP还可在建造件的顶层上使用FDM以进行表面精加工。还可提供用于便于SM技术的结构，例如自动铣削工具，等等。

在一些实施例中，MAP可使用DMD打印结构，并且同时地或者随后地，增加带有建造板的部分和固定支撑结构。另选地，MAP可3D打印建造板，然后应用包含粉末的机械臂以在使激光器位于粉末床上方的同时实施PBF处理。激光器可指向镜子或者偏转器，其可以是移动的或者固定的。

MAP可广泛地适用于运输结构和其他机械组件的制造。例如，MAP可使用PBF或者FDM(在塑料栅格板的情况中)打印位于不可压碎区域中的栅格板。MAP可使用DMD打印金属车辆面板。MAP还可使用FDM来3D打印支撑特征。在弯曲面板的情况中，例如，可能需要FDM来打印对应的用于支撑面板的栅格结构。如以上指出的，FDM还可用来提供表面精加工以增加3D打印零件的质量。在其他实施例中，MAP可使用FDM和PBF技术的组合来3D打印支撑材料。这些支撑件可选地可在所打印物体上进行AM处理之后破裂。

在另一示例性实施例中，MAP可包括喷射成型能力。喷射成型是使液体金属流惰性气体雾化成各种尺寸的液滴(10-500微米)，然后通过快速流动的雾化气体将液滴从雾化区域驱离。收集液滴并使其凝固成一致的、几乎完全致密的预成型件的衬底会使液滴轨迹中断。通过衬底相对于雾化器的连续移动，可生产多种几何形状的大的预成型件，包括刚坯、管子和条带。用于喷射成型的机械臂的增加对MAP提供了又一附加的多功能性。

进一步，如上所述，MAP可包含一个或多个SM过程。例如，MAP可包括CNC计算机控制臂，以在需要的地方用于精确地移除材料或者结构。

另外，MAP可包括多个臂和/或打印头用于以更快的方式执行相同的AM功能。例如，MAP可提供多个DMD打印头以并行地执行金属沉积，或者提供一个以上能量束以实施PBF过程。

多个执行独特功能的机械臂的可利用性还使得能够并行地进行一些AM处理。例如，在制造面板中，面板的一个部段可经历PBF处理，同时，已经应用PBF技术的另一部段可同时经历喷射成型。也可串行地3D打印零件，一个过程立即在另一个之后，没有与使部件移动到另一打印机或者另一生产区域相关的延迟。

MAP可在执行与MAP的每个不同能力对应的指令的中央处理系统、控制器或者计算机的一般控制之下。处理系统可操作以使这些指令集成在一起，以提供有意义的指令顺序，该指令将多个MAP的能力包含在一个整体制造操作中。在其他希望的实施例中，MAP可包括用于使用单独的AM或者SM技术的多个模式。例如，MAP可在FDM打印模式中使用以增材制造多个专有的基于FDM的物体。为了完成此目标，处理系统一般可包括多种处理模式，由此对于特定应用使用MAP的不同能力。在希望效率或者作为渲染特殊物体的固有希望的方面的地方，这些模式还可包括同时使用多个MAP特征的特定模式。

增材制造零件的能力使得制造商能够产生在传统的制造工艺中得不到的形状、构造和结构。进一步，预期AM技术中的进展会继续。打印速度正连续增加。还看到3D打印机的形状因子已经有规律地发展。这意味着，除了别的以外，与待打印的部件的尺寸相比，建造平台的面积正变得越来越大，与此相关的是建造板和打印机外形在尺寸、速度和复杂度上超过前所未有的边界。用在AM的候选材料和化合物的可用性和适用性同样增加。这意味着，除了其他之外，AM的多功能性将继续影响运输结构的其他应用和其他零件。

在本发明的一个方面中，完整的运输结构被增材制造。为了本发明的目的，AM技术与机动车一起用于阐释这些先进的制造技术的能力。然而，使用在本发明中概括的基本上相似的原理，本领域技术人员将认识到，类似的形式和相同的原理以相等的力施加到运输结构的多种类别-举例来说，飞机，火车，公共汽车，轮船，机动雪橇，和航空器。

在示例性实施例的其他方面中，所公开的车辆组件系统具有回收和替换系统，其恰当地建造在车辆组件装置的架构中。在仍是其他实施例中，运输结构制造的创新被讨论了并且特别地，用于模块化设计和制造的独特技术被引入到AM的背景中。在现代机动车的先进和超高效率的设计中的AM技术和仍其他先进制造目标可以被实现。

模块化。在一些示例性实施例中，运输结构的设计和制造本质上可以是模块化的。模块化车辆是那些通过将多个离散系统连接在一起来装配以形成一个车辆的车辆。与传统的车辆不同，模块化车辆提供可定制性的自由度。为了功能和美观的目的，可轻松地移除复杂的零件和控制台，并可以直接的方式增加新的零件和控制台。因为AM技术不是工具密集型的，所以AM可用来通过有效地制造多种与顾客需求和要求保持步调的定制化设计，而促进模块化系统的发展。

AM还提供模块化处理，其具有定义并建造复杂且有效的限定模块之间的分隔或者边界的接口特征的能力。这些特征可包括凹口、榫舌凹槽技术、粘合剂、螺母/螺栓，等等。对车辆实施模块化设计的另一优点是易于维修。模块化设计确保易于接近实际上车辆中的任何部件。在碰撞的事件中，可简单地更换受影响的模块化块。这些块也可与其余的结构共同打印以节约装配时间。这些块甚至可包含原地扫描和观察，以确保模块的精确结合和维修。

可在一些有限的方面中考虑车辆的模块化设计，例如乐高块。增材制造技术为顾客提供实际上定制每个块的机会。为了安装更高性能的动力传动系，移除旧的动力传动系并安装新的动力传动系，通过将其在合适的接口处连接到车辆的其余部分来实现。也可简单地更换外部面板，这继而提供了改变车辆的整体外观的能力。

使用上述模块化技术，可使车辆制造和操作会变得非常有效。用户可将其车辆保持更长时间，因为其具有在任何时候定制车辆外观、系统和性能的选择。车辆的骨架可保持相同，同时新的系统替换旧的系统。可只从车辆取出内部控制台以为将插入的新的、高级的控制台提供空间。用于这些控制台的安装座将是3D打印的，并且将容易使连接端口与模块匹配。

所替换或者损坏的模块可回收利用，以回收用于在AM过程中使用的原材料。因为整个零件是增材制造的，所以在回收处理过程中具有最小的材料损耗。回收的材料进入3D打印机以制造新铸造的零件。在回收利用基本上所有旧零件中的这些类型的能力可明显地增加汽车行业的对应相关方面的效率和灵活性。

使用模块化设计方法，可将AM车辆装配为一组经由一些如以上指出的用于使部件附接在限定边界处或者过渡处的互连装置集成在一起的3D打印部件和非打印部件。不需要改变车辆的其他部件便可增加和移除各个部件。使用模块化方法，可将车辆认为是一组可替换的可经由标准互连装置连接到功能运输结构中的装配零件。

如这里描述的模块化包括可共同打印车辆框架(例如，内骨骼)、本体和集成部件的实施例，其中,组成车辆的共同打印的零件可进一步构成更小子结构的设备。装配工件本质上是模块化的车辆可提供许多附加优点。如以上指出的，车辆的框架和其他部分可由使用一个或多个互连特征的联接在一起的多个组成零件限定。这种互连特征可包括螺母和螺栓、螺钉、夹具、搭扣式接合装置，或者其他机械附接机构。模块化部件还可包括穿孔、用于适应钻孔的凹陷、榫舌凹槽连接或者其他公母互连，和由螺栓孔限定的再附接机构。在一些情况中，粘合剂可能是希望的。可以以可使得能够分离和回收组成的模块化零件的方式来共同打印包括框架的结构。

在另一实施例中，可在单通道中或者在几个渲染中打印车辆的整个框架(和可选地集成在框架内的其他零件)。如果将框架进一步细分成更小的模块，那么可打印框架的更小的零件。在某些实施例中，这种模块化框架结构可使得更容易接近车辆的位于框架下方的零件。

这里描述的模块化方法提供了许多超过现有方法的优点。归纳起来，这种优点的非排他性列表可包括：

1.设计和制造简化。可使用与模块化设计相关的AM技术来简化并流线化设计和制造运输结构的整个过程。通常，与3D打印车辆及其组成部件相关的成本和时间，及与将部件集成并装配到车辆中相关的成本和时间，比与传统的机加工过程相关的成本和时间小得多，该传统的机加工过程包括很大程度上定制化的设计和专用的制造基础设施(例如，排他地专门用来生产运输结构的各个模块的装配线)。

2.打印部件和非打印部件的集成。以模块化分段来3D打印车辆还允许制造商在设计过程期间定义打印部件和任何非打印部件之间的过渡。然后可使用这些过渡装配车辆，使得可将非打印部件当做类似打印部件的模块化部段。这便于之后的影响各个部件的维修和更换程序，包括车辆内的非打印部件。

3.简单部件到复杂部件的可利用性。主要通过传统的机加工和加工技术生产零件的制造方法受到部件的容许复杂度的限制，特别是对于设定的价格范围来说。传统地，基于复杂设计的车辆部件需要使用定制模具和增材制造步骤，这可能会增加成本。通过使用3D打印技术，可使用模块化设计和增材制造，以简单且节约成本的方式，实现使用传统的机加工技术另外地不实际或者不可能生产的复杂且精致的形状。进一步，可使整体设计的复杂度和精致度分解到各个部件中，可比覆盖多种功能的更大的部件更简单地管理这些各个部件。

4.部件的可互换性。在售出车辆之后，可升级零件以包含更新的特征或者增加的功能。不管部件的复杂度如何，AM的使用都使得能够以直接的方式生产部件升级，并通过移除旧部件且使用标准互连机构将新部件装入合适位置，而将其简单地装配到车辆中。在一些实施例中，可使用“搭扣”技术或者其他为了易于可互换而特殊设计的互连装置，来使新部件的装配简单。具有标准互连装置(包括可用于电气管道、流体输送，和其他复杂特征的互连装置)的可替换部件的组合促进易于可互换性。车辆的用户可获得对车辆的升级，而不用必须引起对与定制互连装置相关的劳动力费用，和对车辆的其他不相关零件的明显改变。

5.易于维修。车辆的模块化设计简化了对由于磨损和碰撞事件中的撕裂或者损坏而导致的降级的零件的维修。传统地，当车辆卷入影响部件的某一子集的碰撞时，维修过程需要用附加部件替换受影响的部件。对另外不受影响的部件(例如车辆面板和前段)的这些替换升高了维修成本。这是因为在传统的缺少模块化特征的车辆中，各个部件通常构造为单个较大的且不可分离的部件，其包含多个可能不相关的特征。在其他情况中，如果各个部件中的任何一个受损，那么这些各个部件通常以需要大量替换所有这种部件的方式而与相邻部件相连。例如，在涉及传统的非模块化车辆的事故的过程中，如果危及单个侧面板，那么也可能必须替换与受损侧面板不可分离的相邻面板。相反，使用模块化设计，仅需要替换受影响的侧面板，相邻面板不受影响。总而言之，如果车辆的一个模块受损，那么可提供替换模块，并且简单地通过用新的零件替换受损模块来维修车辆。

6.过时的或者停产的部件。在制造行业中，零件可能变得过时和废弃。这可能大幅度限制对需要废弃零件来实现维修过程的车辆拥有者的选择。如果不再生产零件，特别是像定制车辆或者不太流行的型号的情况一样，可能需要使用传统加工从头重新制造零件。相比之下，这里描述的运输结构的模块化性质意味着可基于原始的CAD数据模型来简单地3D打印过时的或者废弃的部件(然而其是复杂的或者独特的)。然后可将该零件装配到车辆中。

7.升级：改变外观和感觉。比如以上所述的用于受损或者受影响零件的维修和替换过程,模块化更一般地对拥有者提供车辆的易定制性。此定制包括改变车辆的外观。在一个实施例中，可用更新的AM结构整体替换现有的多面板组件。可经由简单的互连装置构造并装配更新的和更现代的面板以替换更旧的面板。这种面板和相关的结构可具有范围从琐碎的到精致和复杂的设计。不管下层零件的复杂度如何，模块化都使得可能能够以可管理的成本明显地改变车辆的外观。

除了美观以外，拥有者可通过更换发动机或者其他这种零件来选择增加车辆的性能。AM的能力与如应用于发动机、变速器、传动系，和其他与性能相关的结构的模块化部件的使用一起，促进易于以与为了美观目的的升级几乎相同的方式进行性能升级。

简而言之，使用如上所述的AM能力和模块化建造技术，可简单地制造3D打印车辆部件，并且以后必要的时候重新打印和替换。不管其复杂度如何或者不管其当前是否可在库存中获得，都使得维修和替换是可能的。可制造定制模块化面板和其他具有独特形状的零件，并将其装配到AM车辆中。与如果一个零件在碰撞过程中受损则也需要替换汽车的相邻零件的传统技术不同，将使用这里的技术替换的零件可限制于受碰撞影响的那些零件。

将认识到，在其他实施例中，面板和具有模块化特征的其他零件不限于是3D打印的，但是在必要的或者希望的地方，也可使用其他技术构造，包括使用加工或者模制技术，或者其他非AM技术。相反，将认识到，在另一些涉及具体条件或者制造标准的实施例中，某些AM零件不需要由模块化特征限定。

在示例性实施例中，AM结构可以用作基于外骨骼的框架，其封装外部车辆表面并接受操作负载。运输结构可以包括一组通用部件，该组通用部件可以包括与AM结构一起共同地组成运输结构的该组车辆的一部分或全部。AM结构的外表面可以包括用于容纳使用外部接口的部件的多个腔体。

在示例性实施例中，该组通用部件可以包括部分地或全部地集成在AM结构内的部件。该组通用部件，例如，可以包括部件的位于AM结构内部的至少子集，以及部件的部分地集成在AM结构内并使用外部接口的子集。

在其他实施例中，多个组件可以包括部分地或全部地、位于AM结构内部或安置在AM结构内部的部件，诸如包括外部车辆表面的基于外骨骼的框架结构，以及部分地位于框架内部并使用外部接口的部件。

图5示出了用于车辆模型500的基于外骨骼的框架结构，其中可以呈现宽AM策略的一个示例性实施例。相对于图5和图6更详细地讨论外骨骼框架。图5示出了在一个示例性AM实施例中，车辆的简单“箱”分段可以用挤压件代替，而大型剪切面板可以用蜂窝面板代替。因此，在图5的示例中，可识别前夹具模块502，其包括冷却模块、保险杠梁、机罩闩、灯以及与车辆前部的通用区域中的这些功能相关联的其他部件。可以将前夹具模块502的模型设计并存储在数据库中，并且随后检查其与其他模块的关系。撞击结构504可包括单件式驾驶室、挡泥板和邻近碰撞结构。当将撞击结构504记录为模型的一部分时，设计者可以继续指定模块化关系以用于车辆模型500的后续集成。

挤压件506可用于跨越车辆上的区域，其包括材料的简单、直的、恒定的分段。在实施例中，挤压件506是3D打印的。更一般地，在其他实施例中，非打印的任何零件或部件可以是3D打印的。此外，公开了仪表板和挡风玻璃框架模块508。模块化仪表板和挡风玻璃框架模块508可理想地识别单件仪表板和挡风玻璃孔，以提供最佳结构性能，尺寸精度和设计灵活性。因此，在该示例中，模块508可以被处理并安装为包含所识别的仪表板和框架的单个复杂模块。

B柱模块510可包括例如单件式打印盒体分段，该单件打印盒体分段包括车辆500的该部分的硬件特征的大的分段。例如，B柱模块510可包括铰接件、撞销、座椅安全带安装件以及与框架的侧部和前乘客座椅相关联的其他装置。后底板模块512可以包括打印的“X”构件和后悬架安装件。类似地，C柱和后四分之一模块514可以具有类似于B柱模块506但是用于与车辆500的驾驶室相邻的右后部分的特征。背光孔518可以框住背光并使得顶蓬结构完整。对于掀背车和厢式货车，此特征可以变为后挡板孔，其可能包含铰接件和撞销。应当理解，车辆500可以以不同的方式分区，这取决于集成的容易程度、模块特征对其他特征的依赖性、AM工艺中涉及的3D打印机的特征和建造板尺寸、以及程序员的偏好。

因为该示例中的主底板模块516表示大的平面阵列区域，所以模块516可以包括例如复合蜂窝剪切面板，该复合蜂窝剪切面板在许多实施例中用于这种大的平面区域。还应注意，根据3D打印机和相应的建造板的尺寸，在一个示例性实施例中的基于外骨骼的框架可以以单次渲染来打印。替代地，与其他部件一样，框架可以作为一系列模块打印，特别是如果建造板和AM几何形状的尺寸小于由模块516限定的阵列。

外骨骼车辆。外骨骼车辆是其外部表面提供所需结构的这些车辆。外骨骼设计为用于维持车辆上的大部分操作与结构负载，并在响应撞击事件期间保护乘客。像传统框架一样，外骨骼框架可包括用于容纳外部接口的腔体(即，用于安装窗户以及包括前灯、HVAC系统等的其他系统的腔体和其他分段)。如下面进一步描述的，外骨骼框架可包括定制蜂窝面板或类似的加强结构，以便在撞击事件中提供支撑。在这些实施例中，可以取消车辆框架梁。

外骨骼框架的使用还提供了修改框架的特定区域中的材料以提供进一步支撑的能力。例如，为了在正面撞击的情况下保护乘员，可以使框架内的内部支撑材料更柔软以吸收能量。使用FDM进行3D打印的塑料材料可用于此目的。

为了满足行人撞击要求并在撞击事件中保护行人，外骨骼框架可由在车辆的相关区域中制成更薄，更弱或由不同材料(例如，塑料)制成的结构组成。例如，机罩或其部分可以在结构上设计得更薄或更弱，并且可以由塑料零件制成，以使其能够在撞击时变形。在远离行人保护区的区域中，这些特征可能是不必要的，并且因此可以使框架制造得更坚固。

在一个实施例中，可以使面板的分段沿竖直方向或其他方向变形或挤压，从而最大化行人保护，其中相同的分段可以沿纵向方向制造得更坚固。具有定向强度性能的复合材料，例如碳纤维，可适用于此目的。

图6示出了车辆600的侧视图，该车辆600增材制造有外骨骼框架并且具有用于露出框架结构的透明和剖切部分。使用AM，车辆可以设计成类似于飞机的机身。也就是说，外骨骼框架614可以构造为具有光滑的外部，以在A侧面上考虑优异的动态性能。相比之下，外骨骼框架的结构和肋可以布置在内部B侧面上。图6还示出了车辆的前内部空间606和后内部空间608可以使用外骨骼框架沿着线604形成。这种额外长度604是基于外骨骼框架的强度及其处理操作负载和随机力的能力。

此外，当打印基于外骨骼的运输结构时，可以打印包括填充有栅格的基体阵列的自由空间。这种构造提供结构支撑和重量减轻。图7示出了来自图6的车辆的外骨骼框架602的仿形夹层面板702的侧剖视图。应该注意的是，外骨骼车辆的剖切分段610具有类似特性的蒙皮。更具体地，可以看到剖切部段610包括内蒙皮和外蒙皮以及散置在它们之间的栅格结构。

返回参考图7，夹层面板702包括车辆的由横截面层706构成的外蒙皮以及由材料708构成的内蒙皮。这两层可包括在它们之间的蜂窝/栅格结构704，在一个实施例中，蜂窝/栅格结构覆盖运输结构的整个区域。通常，夹层面板702的分布强度消除了在各种实施例中对车辆上的框架梁(诸如前保险杠和后保险杠)的需要。

此外，如上面指出的，围绕运输结构外周设置的这种坚固的蒙皮的另一个优点是轴距距离504(图6)通常可以做得更长。通常，在这些示例性实施例中，凭借使用定制蜂窝面板的能力，蒙皮(即，外骨骼)承受所有负载。因此，在一些实施例中，可以完全消除框架梁。

在图6的一个示例性实施例中，外骨骼车辆可以具有喷涂在表面上的一层或多层涂层以保护并赋予表面一定程度的光滑度。在一个实施例中，FDM或另一种AM技术可用于此目的。该过程可以代替将外面板附接在外骨骼框架的表面周围并且使重量能够显著减轻。在车辆的需要表面粗糙度的区域中，例如在可以使用增加的表面积来进行散热的传热应用中，这些特征可以简单地在用于模块的输入模型中表示，并且AM可以容易地将这些特征集成到外骨骼中以赋予表面所需的粗糙度。换句话说，根据该实施例的AM的使用消除了执行后处理步骤以赋予外骨骼框架表面粗糙度的需要。

再次参考图7，有时使用单壳体碳纤维框架，其中双层碳片布置成其间具有蜂窝纸。然而，这种蒙皮构造非常昂贵并且是劳动密集型的。特别是，蒙皮不是由AM生产，而是用工具和真空袋装进行搁置。此外，当与金属相比时，这种结构在能量吸收能力方面较差。由于这些原因，在示例性实施例中，外骨骼框架的蒙皮702是3D打印金属，并且鉴于其极好的吸收能量的能力，金属蒙皮702被构造为从事故或粗暴骑行情形(如果不是整个负载)吸收大部分能量。在替代实施例中，蒙皮702可以由塑料材料、复合材料或不同材料的组合构成。例如，在涉及较低的总操作负载和/或冲撞风险的实施例中，可以用碳纤维或其他复合材料代替铝负载。

如上所述，外骨骼框架可以设计成在受到撞击时变形或屈服。例如，在从上方对机罩的撞击中，内部栅格结构可以被构造为塌陷。相反，当在前方车辆撞击中沿纵向撞击时，框架可设计成吸收能量并保持其结构完整性。

还应注意，虽然夹置在两层之间的蜂窝或栅格结构提供额外的加强支撑而不会显著增加质量，但在一些实施例中，蜂窝结构可在某些区域中被省略。也就是说，在某些情况下，在特定实施例中，可以从车辆的某些区域省略蜂窝/栅格支撑结构。

在上述示例的上下文中使用AM的好处包括不需要任何定制工具或工厂占地面积。AM可以使用单个3D打印机打印多种类型的车辆或运输结构。理想情况下，所选择的特定3D打印机只需要足够的打印分辨率即可能够直接打印A级表面而无需后期打印操作。具有高分辨率的AM技术可以打印具有极其复杂几何形状的零件，同时在A级面上具有光滑表面。

除了上述可能的例外，在涉及外骨骼结构的车辆实施例中，车辆的主要结构在运输结构的基本上整个表面上以蜂窝面板的形式进行增材制造。这些面板继而处理与驾驶相关的道路负载以及冲撞产生的撞击负载。

在另一个示例性实施例中，运输结构的壁被仔细地和系统地布置为在需要的地方结合更有效的结构(例如，具有更轻重量和使用更少材料的结构)，并且相反地，在强度最重要的其他区域中结合强度。

图8-图10示出了基于外骨骼的车辆的各种实施例。参考图8，外骨骼框架800包括飞机式外部壳体802。因为框架800配备为模块化成具有多个自主区域，所以它趋于避免被挤压并且避免其中框架800的大部分可能被破坏的所有外部碰撞。另外，虽然外部A级侧面呈现为光滑的，但结构可以安置在B表面上。整个车辆，包括框架800，可以3D打印有孔，以接收前灯806、尾灯810和HVAC系统。支架也可以插入孔808中，以连接到容纳在孔808中的前灯806。机罩可以容纳在孔812中。灯和其他车辆系统本身可以3D打印，并且可以被构造为适配到这些开口中，以确保极好的空气动力学特性和美观。使用模块化布局技术，可以简单地将各种车辆系统集成在特定连接点处。在其他示例性实施例中，电路也可以打印到外骨骼框架800中，从而导致车辆基部处于固态并且消除了与传统制造相关的复杂且笨重的布线/线束安装策略的需要。

图9的框架900出了类似的实施例，其示出：结构904可以包括B表面(车辆内部)上的肋和栅格结构，而A表面(车辆外部)保持平滑。图10示出了可以通过车辆框架1000实现的集成车辆结构。可以看出，集成结构允许用于车辆乘员的定位的最大开口。由通过肋和栅格结构加强的框架所产生的更坚固的蒙皮可以例如允许从前轮到后轮的更长距离1002，以便为乘员提供额外的空间。

部件集成。在本公开的另一方面，外骨骼框架的AM模型包括多个腔体和孔，以容纳需要车辆外部接口的部件。这些部件可以是整个部件组的子集，所述部件是运输结构的一体部分且装配并集成到运输结构中。如上所述，这些部件也可以被构造为是模块化的，使得对部件中的一个的损坏不反映维修或替换不相关部件的需要。在基于外骨骼的运输结构的一个实施例中，车辆的后表面和温室可以暴露。使用AM制造这种结构的一个优点是利用AM提供的设计和几何形状的灵活性。作为AM工艺的一部分或其他方式，可以随后安装面板。玻璃可以安装在温室腔体中。

该实施例中的内部门面板和类似结构将被构造为适配3D打印的外骨骼的腔体或分段。这种腔体可以具有易于接近的战略位置。仪表板、HVAC单元、照明模块和用于集成的其他部件也可以是3D打印的，之后可以将它们插入匹配分段，作为在可接近位置中的已知部件的直接插入件。如上所述，这种装配技术的一个主要优点是它可以促进对需要服务的模块和系统的直接维修和更换。

该过程与传统系统中存在的子系统管理的挑战形成鲜明对比，其中为了安装或维修的目的而有助于接近特定子系统可能不是直接的。运输结构中的典型缺点的一个例子涉及照明系统。传统的运输结构包括可以被指定为通过淡化进入的容易性来适配到运输结构中的仪器和照明系统(如果有的话)，这意味着例如其他子系统可能对安装造成障碍，或者框架不是简单地不适合于容易与照明系统和其他部件集成。如果具有不同功能的各种仪器彼此组合和/或具有独特或困难的外部连接，则问题可能恶化。

通常，移除和更换遭受这些不期望的位置、费力复杂的布线仿形和其他障碍的仪器的绝对时间在经济上是如此低效的，以至于从业者替代地选择替换相邻工作部件的更大部分以使得能够更容易修复。与这种并非罕见的情况相比，AM提供了适应性。也就是说，通过设计提供易于接近车辆中的几乎每个部件的架构，可修复性变得更容易且更便宜。与传统车辆相比，具有模块化布局的自动化运输结构有助于简单，几乎无缝的可修复性。

涉及AM外骨骼结构的另一示例性实施例是指定结构的一部分的模型设计，使得外骨骼在外侧面上并且面板嵌入物在内侧面上。外骨骼以这种方式密封。由于该实施例中消除了外部面板，因此可以实现显著的重量减轻。这些运输结构可以具有出色的碰撞吸收能力，因为具有理想几何形状的适当的碰撞吸收特征可以在运输结构的外侧上3D打印。使用传统制造技术难以实现这样的结果。

在另一个示例性实施例中，如前所述，整个结构可以基于3D外骨骼的模型与内部特征进行3D打印。然而，这次，整个结构可以3D打印以接受面板。在一个实施例中，面板可以和框架被一起打印以作为集成结构。打印的面板分段可以类似于泰森多边形图案或其他图案化特征。图11中示出了泰森多边形图案1100的示例。

图12示出了具有撞击缓冲区域1220a的AM车辆1200的侧视图，撞击缓冲区域1220a以多个泰森多边形图案1220表征。运输结构上的泰森多边形图案或类似图案可以在它们不是被需要时通过消除固体结构来减轻重量，同时改善材料的结构完整性。这些图案可以通过用作离散的撞击缓冲区域来提供额外的抗撞击加强。车辆1200表示打印的外部框架，其包括用于各种目的的多个孔和腔体。在渲染外骨骼框架1200时，多个适当尺寸的3D打印部件(或在一些情况下，商业现货(COTS)零件)与框架1200集成以形成基本上完成的车辆。前灯1204、挡风玻璃刮水器1206、挡风玻璃1208，后挡风玻璃1210和尾灯1212可以插入它们各自的腔体1204a、1206a、1208a、1210a和1212a中，并经由任何合适的附接机构(例如粘合剂、螺栓、热熔合等)固定。然后将3D打印塑料薄片或面板的泰森多边形图案熔合到它们各自的腔体1220a。

应该注意在图12中，为了避免过度模糊本公开的概念，已经省略了关于车辆装配的某些步骤。一组这样的步骤是从车辆基本框架来装配车辆1200。全面的装配工艺必须确保多个零件的所有相关零件都结合到车辆中并且正常运行。这些包括内燃机、电动机、所有电子装置、流体隔室、电池、悬架系统、车轮系统、火花塞、制动系统、加速器、所有相关仪表板部件以及许多其他部件和子系统。在示例性实施例中，这些零件中的许多或大部分是增材制造的。其他组包括车辆将要进行的全面的质量控制测试和功能测试。然而，省略了许多步骤，以避免不必要地模糊本公开的基本构思。

在其他实施例中，框架的3D打印，用于移动零件、人和机器来回各种装配单元的构造、以及模块化部件的构造由具有无缝地构建车辆的指令的自动构造器执行。

本公开解决了主要障碍并为本领域的各种缺点提供了解决方案。一个这样的障碍包括增材制造车辆框架的可行性以及对可用的建造板和用于打印的3D平台几何形状的当前尺寸的限制。该问题的多种解决方案之一是将框架本身包括为模块化子系统之一，并在框架的各个部段的多次渲染之后将框架重新连接成一个内聚单元。模块化设计可为消费者提供更容易的可修复选项。随着建造板和打印机仿形的发展以匹配或超过此类运输结构的尺寸，制造商具有确定为保持框架的模块化的选项。在一些实施例中，框架可以在具有内置凹口或连接的单次渲染中打印以保持模块化。

图13示出了用于装配AM车辆的示例性方法的流程图1300。在步骤1302处，框架可以是3D打印的。框架包括用于接受操作负载并在撞击事件中保护乘员的结构。如上所述，框架可以在一次或多次渲染中进行3D打印。打印的框架包括用于容纳需要位于车辆外部的接口的部件的腔体。在示例性实施例中，3D打印框架可以包括打印内部面板和外部面板以及在内部面板与外部面板之间的蜂窝结构或其他基体结构。在一些实施例中，面板和蜂窝结构是共同打印的。在其他实施例中，一个或多个面板和蜂窝结构是独立3D打印的。在其他实施例中，使用常规技术独立制造面板或蜂窝结构。可以使用各种技术、诸如FDM、AM或喷射成形使外部面板的外表面形成为光滑的饰层。

在步骤1304处，使用传统技术对与框架一起使用的各种部件(包括在壳体中使用的部件)进行3D打印或以其他方式生产。在其他实施例中，可以使用多方位打印机来生产部件。在又一些实施例中，一个或多个部件与车辆框架共同打印。在该步骤中也可以生产任何其余的非打印部件。部件或其一部分可以是模块化的。在步骤1306处，将部件装配到框架中。在一个实施例中，在将3D打印的模块化部件装配到它们各自的腔体中之后，可以如步骤1308所示进行另外的操作，以使用如前所述的例如一个或多个合适的互连机构将这些部件密封或以其他方式固定到位。

图14示出了使用多方位打印机(MAP)生产部件的示例性方法的流程图1400。在步骤1402处，可以经由第一AM技术增材制造MAP的衬底上的部件的第一部分。例如，可以使用选择性激光熔化(SLM)或另一种PBF技术来3D打印面板的一部分。在步骤1404处，可以经由第二AM技术增材制造MAP衬底上的部件的第二部分。在一个实施例中，可以在步骤1402中使用PBF或DMD技术来生产金属面板。在步骤1402中打印金属面板的一个部分或区域的同时，已经经由PBF或DMD进行了3D打印的金属面板的另一部分例如使用FDM进行3D打印，以提供光滑的饰层。或者，喷射成形可用于在步骤1402中提供精加工。

上面的AM步骤1402和1404可以以串行或以任何合适的顺序同时(全部或部分)执行。在另一个实施例中，在步骤1406处，可以将减材制造(SM)操作应用于该部件。例如，可以切除或移除材料以产生铰接件。SM工艺可以由MAP执行，并且步骤1406可以在步骤1402和步骤1404中的AM操作之后执行。在其他实施例中，步骤1406可以与步骤1402和步骤1404中的一个或两个并行执行。

提供之前的描述以使得本领域任何技术人员能够实践这里描述的各种方面。对应本领域技术人员来说，对在本发明中提供的这些示例性实施例的各种修改将是容易显而易见的，并且这里公开的概念可应用于其他用于打印节点和互连的技术。因此，权利要求并非旨在限制于本发明中提供的示例性实施例，而是将符合与语言权利要求一致的全部范围。所有对于本领域普通技术人员来说已知的或者以后知道的与本发明中描述的示例性实施例的元件在结构和功能上等价的等价物，旨在由权利要求覆盖。而且，这里公开的内容都并非旨在专门用于公众，不管是否在权利要求中清楚地叙述这些公开内容。不在美国专利法第112(f)条或者适用管辖区中的类似法律下解释所要求的元件，除非使用术语“用于...的装置”明确地叙述该元件，或者在所要求的方法的情况中，使用术语“用于...的步骤”叙述该元件。

Claims (35)

1.一种用于装配到运输结构中的装置，包括：

增材制造(AM)结构，其包括外部表面和内部表面，栅格结构或肋的至少一个封装在所述内部表面和外部表面内，所述AM结构被构造为接受操作负载并在撞击事件中保护乘员，

其中，所述外部表面包括多个腔体，所述多个腔体用于容纳使用外部接口的部件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述AM结构包括外骨骼。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述AM结构被构造为提供与所述运输结构相关联的大部分撞击保护。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述AM结构的撞击保护能力消除了对于碰撞梁的需要。

5.根据权利要求2所述的装置，进一步包括位于所述AM结构的后部中的一个或多个温室腔体，所述一个或多个温室腔体被构造为容纳面板或玻璃。

6.根据权利要求2所述的装置，进一步包括门腔体，其布置在所述AM结构的侧部中并构造为容纳内部门面板。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述外骨骼包括一个或多个腔体，所述一个或多个腔体被构造为在所述外骨骼的内部容纳相应的面板嵌入物，从而密封所述一个或多个腔体。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，一个或多个面板与所述AM结构的至少一部分被共同打印。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一个或多个面板使用泰森多边形图案装配。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述一个或多个面板被构造为提供可操作为用于撞击事件中的结构性加固的离散撞击缓冲区域。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述栅格结构或肋的至少一个与3D打印框架的内部表面和外部表面中的至少一个被共同打印。

12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括部分或全部集成在所述AM结构内的一组通用部件，其中，所述组通用部件包括表示使用外部接口的部件的子集。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，在所述组中的通用部件的至少一部分是增材制造的或与所述AM结构被共同打印。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，在所述组中的通用部件的至少一部分包括模块化部件。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述模块化部件中的每个包括连接端口，所述连接端口被构造为联接到至少一个其他模块化部件的连接端口或者与至少一个其他模块化部件的连接端口互连。

16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述模块化部件是3D打印的。

17.根据权利要求1所述的装置，其中，使用外部接口的所述部件包括前灯、尾灯和加热系统、通风系统和空调(HVAC)系统中的一个或多个。

18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述外部表面包括光滑表面，所述光滑表面被构造为在所述运输结构的移动期间优化空气流动。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，使用外部接口的所述部件包括一个或多个车辆柱。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述车辆柱中的至少一个包括模块化、增材制造结构。

21.根据权利要求12所述的装置，其中，所述组通用部件包括至少一个固态电路，所述固态电路打印到3D打印框架中并被构造为执行电线束的一个或多个功能。

22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述AM结构的至少部分是模块化的。

23.一种运输结构，其包括：

3D打印的仿形夹层面板；以及

多个部件，其装配在所述夹层面板的内部，所述多个部件包括封装在所述夹层面板的第一表面和第二表面内的栅格结构或肋的至少一个，

其中，所述夹层面板被构造为支撑所述运输结构的主要结构负载。

24.根据权利要求23所述的运输结构，其中，所述夹层面板仿形成是符合空气动力学的。

25.根据权利要求23所述的运输结构，其中，所述栅格结构或肋的至少一个包括布置在内面板表面之间的定制蜂窝结构。

26.一种用于生产运输结构的方法，包括：

3D打印框架，所述框架具有封装在所述框架内的栅格结构或肋的至少一个，3D打印的框架包括被构造为接受操作负载并在撞击事件中保护乘员的结构；以及

将多个部件装配到所述3D打印的框架中，

其中，所述3D打印的框架包括多个腔体，所述多个腔体用于容纳所述多个部件的使用外部接口的部件。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，3D打印框架包括3D打印内部面板和外部面板，所述内部面板与外部面板之间设有栅格结构或肋的至少一个。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，3D打印包括所述结构的框架进一步包括：3D打印用于连接所述内部面板和外部面板的栅格或蜂窝结构。

29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括将所述栅格或蜂窝结构与所述内部面板和外部面板中的至少一个共同打印。

30.根据权利要求26所述的方法，其中，装配所述多个部件进一步包括将所述多个部件与所述3D打印的框架共同打印。

31.根据权利要求26所述的方法，其中，使用外部接口的所述部件包括前灯、尾灯和加热系统、通风系统和空调(HVAC)系统中的一个或多个。

32.根据权利要求26所述的方法，进一步包括形成所述外部面板的外表面，所述外表面具有光滑的表面饰层，其被构造为在运输结构的运动期间优化空气流动。

33.根据权利要求26所述的方法，其中，所述多个部件包括模块化部件。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述模块化部件是3D打印的。

35.根据权利要求26所述的方法，其中，所述3D打印的框架的至少部分是模块化的。

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