CN110023254A - 用于制造玻璃制品的增材制造系统和方法 - Google Patents

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Abstract

玻璃制造系统(10)包括限定了桶(46)和喷嘴(54)的坩埚(38)。桶(46)接收玻璃原料(62)。加热器66与喷嘴(54)热连通。加热器66对喷嘴(54)内的原料(52)进行加热。致动器(22)放置在靠近桶(46)，并且将原料(62)挤出通过喷嘴(54)作为挤出原料。

Description

用于制造玻璃制品的增材制造系统和方法
本申请根据35 U.S.C.§119，要求2016年11月28日提交的美国临时申请系列第62/426,895号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术领域
本公开一般地涉及增材制造系统，更具体地，涉及用于形成玻璃制品的增材制造系统。
背景技术
常规可行的增材制造技术(例如，填充有玻璃颗粒的树脂的立体光刻技术或者玻璃颗粒的直接激光烧结)可能具有难以产生具有优异光学透明性的部件的困难，因为玻璃颗粒可能难以被烧结至完全密度。用于塑料的一种增材制造技术(被称作熔融沉积造型(FDM))具有采用纤维而不是粉末作为原料的优点。在FDM系统中，采用牵引机轮将纤维拉入经加热的区中。对于用脆性玻璃纤维代替挠性塑料纤维的情况而言，使用FDM导致纤维破裂。此外，并不总是可以对具有所需玻璃组成的纤维进行牵拉，因为挠性玻璃纤维的粘度曲线并不总是与纤维拉制工艺相容。常规挤出技术对于玻璃产品的增材制造同样也可能是不合适的，因为挤出是设计用于较大直径的，并且需要的温度和压力对于生产所需尺寸的玻璃串(bead)直径而言太高了。铺设薄玻璃串的另一种方法是在底部有孔的坩埚中熔化玻璃。但是，随着玻璃物流的直径减小，物流的稳定性也减小，并且流动的物流可能盘旋和压曲。
发明内容
根据本公开的至少一个方面，玻璃制品制造系统包括限定了桶和喷嘴的坩埚。桶接收玻璃原料。加热器与喷嘴热连通。加热器对喷嘴内的原料进行加热。致动器放置在靠近桶，并且将原料挤出通过喷嘴作为挤出原料。
根据本公开的另一个方面，玻璃制品制造系统包括限定了喷嘴和接收玻璃原料的坩埚。平台放置在靠近喷嘴。致动器放置在靠近坩埚并且布置成向原料施加压力，从而使得原料挤出通过喷嘴到达平台上，作为挤出玻璃原料。挤出玻璃原料是玻璃制品的形式。
根据本公开的另一个方面，玻璃制造制造系统的操作方法包括如下步骤：在限定了喷嘴的坩埚内加热玻璃原料；将玻璃原料挤出通过喷嘴的孔隙作为串到达平台上；以及当挤出玻璃原料时移动平台以形成玻璃制品。
本领域技术人员通过参考以下说明书、权利要求书和附图能够进一步理解和体会本公开的这些和其它特征、优点和目的。
附图说明
以下是结合附图进行的附图说明。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可以按比例放大显示或示意性显示。
图1A显示根据一个实施方式，在启动时间时的增材制造系统的示意图；
图1B显示根据一个实施方式，在停止时间时的增材制造系统的示意图；
图2是根据一个实施方式的图1A的增材制造系统的坩埚的横截面示意图；
图3显示根据另一个实施方式的增材制造系统的示意图；
图4是根据一个实施方式的增材制造系统的运行流程图；
图5A是根据一个实施方式，采用增材制造系统形成的玻璃制品的俯视示意图；
图5B是根据一个实施方式，采用增材制造系统形成的玻璃制品的俯视示意图；
图5C是根据另一个实施方式，采用增材制造系统形成的玻璃制品的俯视示意图；以及
图6是根据一个实施方式，通过增材制造系统形成的示例性玻璃制品的照片。
具体实施方式
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言由所述内容就容易理解，或按下面的描述和权利要求书以及附图所述实施本发明而被认识。
如本文所用，术语“和/或”当用于列举两个或更多个项目时，表示所列项目中的任意一个可以单独采用，或者可以采用所列项目中的两个或更多个的任意组合。例如，如果描述组合物含有组分A、B和/或C，则组合物可只含有A；只含有B；只含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。
在本文件中，关系术语，例如第一和第二、顶部和底部等，仅仅用于将一个实体或行为与另一个实体或行为区分开来，没有必然要求或暗示此类实体或行为之间的任何实际的此类关系或顺序。
参见图1A-3，显示的是用于制造玻璃的增材制造系统10以及其他组件。系统10包括支撑结构14，其包括适配器18。在所示的实施方式中，致动器22放置在朝向支撑结构14的顶部。致动器22包括：伺服机26、称重传感器30和活塞34。放置在致动器22下方的是坩埚38。坩埚38包括：凸缘42、桶46、关节件50、喷嘴54和孔隙58。
在图1A-3所示的实施方式中，可以通过适配器18将坩埚38保持在支撑结构14。放置在坩埚38内的是原料62。系统10还包括加热器66。加热器66包括感应单元70和感应线圈74。炉78放置在靠近支撑结构14。炉78限定了腔体82，坩埚38延伸进入所述腔体82。
平台86放置在炉78的腔体82内。用支撑杆90支撑平台86。支撑杆90可操作地连接到Z工作台94。Z工作台94构造成在炉78的腔体82内以Z方向移动平台86。支撑结构14连接到XY工作台98。Z工作台94和XY工作台98构造成使得平台86和坩埚38相对彼此移动。应理解的是，平台86和炉78可以布置成实现相对彼此移动的各种构造，这没有背离本文所提供的教导。例如，平台86和/或炉78可以环状移动、圆柱状移动，或者以笛卡尔坐标或极坐标限定的类似移动。
下文会更详细解释，增材制造系统10包括：控制器100，其构造成调节通过致动器22施加的压力，通过加热器66提供到坩埚38(即，提供到原料62)的热量，平台86与坩埚38相对彼此的移动，以及用于形成玻璃制品102的炉78的温度。
支撑结构14构造成在操作过程中使得系统10的各个组件保持在原位。支撑结构14可以包括线性滑动件，将致动器22和/或适配器18连接到所述线性滑动件，使得可以在Z方向上调节坩埚38和/或致动器22。适配器18可以包括凹槽，以实现使得坩埚38的凸缘42坐落于适配器18。可以在适配器18内，在凸缘42的两侧上都包括隔绝件，同时确保坩埚38在支撑结构14内的适当放置。在一些实施方式中，这些隔绝件可以是包含陶瓷或聚合物材料的垫圈或纤维毯，从而为坩埚38提供电隔离。此外，隔绝件可以在支撑结构14与坩埚38之间提供隔热。
放在坩埚38上方的是致动器22。会理解的是，取决于待制造的玻璃制品102，致动器22与坩埚38之间的位置关系可以发生变化。例如，坩埚38和致动器22可以放置在基本相同高度，从而使得以基本水平方向致动原料62。致动器22构造成延伸活塞34，从而朝向喷嘴54推动原料62。例如，活塞34可以以抓紧(gripping)方式连接到原料62，以施加向下作用力。在另一个例子中，活塞34可以在原料62的一个面上进行压制，以迫使原料62进入坩埚38的桶46中。
根据一个具体实施方式，伺服机26向活塞34施加作用力，其进而延伸进入桶46中。活塞34的外直径可以近似等于桶46的内直径。在此类例子中，活塞34可以“扫过”桶46的内表面106，从而所有的原料62都被迫使朝向喷嘴54。在另一个例子中，致动器22可以包括辊，用于向原料62施加向下作用力。称重传感器30可以测量通过活塞施加的作用力的量。致动器22可以向坩埚38内的原料62提供约0.1磅(0.44N)至约300磅(1334N)或更大的作用力。会理解的是，也可以通过致动器22向原料62施加最高达1000磅(4448N)的作用力。此外，施加到原料62的作用力可以随时间变化或者在玻璃制品102的形成过程中变化。
根据各种例子，原料62可以包括一种或多种玻璃或者玻璃材料。原料62可以形成为直径大于或等于约1mm、20mm、30mm、40mm、50mm、100mm或者直径大于约125mm的杆。可以通过厚度和其所能够承受的压缩力将杆与丝区分开，因为杆比丝更厚且可以承受更大的压缩力。例如，丝可能在室温下是挠性的，但是原料62的杆实例可能在室温下不是挠性的，从而从致动器22施加的作用力不会导致原料62的压曲或者变形。会理解的是，原料62的杆直径可以基于待制造的玻璃制品102的所需尺寸进行调节。此外，原料62的直径可能沿原料62的长度上不同。在其他例子中，原料62可以包括多根杆(例如，捆)、粉末、多根丝、多个碟(例如，晶片或者杆饼)、多个颗粒、多个串，和/或其组合。
如上文所解释的那样，原料62可以由玻璃或者玻璃材料形成。原料62的玻璃或玻璃材料可以包括：石英、硅酸铝玻璃、钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、碱性硼硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、碱性铝硼酸盐玻璃、熔融二氧化硅玻璃、耐高热冲击玻璃、具有高加工范围的玻璃、有色玻璃、掺杂玻璃、透明玻璃、半透明玻璃、不透明玻璃，及其组合。会理解的是，原料62的组成可以在原料62的长度上发生变化或改变。例如，可以向多根不同的杆或者不同的玻璃组合物装载到坩埚38中，使得在将原料62挤出到平台86上的过程中的不同点，形成了不同的玻璃组合物。此类实施方式对于形成具有不同组成的不同区域的玻璃制品102可能是有利的。
根据各种实施方式，原料62的玻璃可以具有长加工范围。玻璃的加工范围定义为这样的温度范围，其对应于从玻璃开始软化的点到玻璃太软从而无法控制的点。换言之，加工范围是这样的温度范围：原料62的粘度低到足以挤出，但是没有低到太过熔化和从喷嘴54滴出。通过选择玻璃的粘度曲线或加工范围不会导致繁重的温度变化以影响粘度，来指导对原料62的玻璃组成的选择。此外，在对玻璃组合物进行选择时，应该小心地选择粘度曲线对于短温度范围(例如，小于100℃、小于50℃、小于10℃)上发生的宽粘度变化没有那么敏感的玻璃。换言之，当为原料62选择玻璃组合物时，组合物不应该难以被加热到流动状态，但是也不应该难以维持流动状态或者固态。在粘度变化中包含节点(即，在小的温度范围上急剧粘度变化)的玻璃组合物对于系统10的各种启动和停止以及序列可能是有利的。原料62的加工范围可以大于或等于约100℃、150℃、200℃、275℃、300℃、350℃或者大于约500℃。
坩埚38装纳了原料62。如上文所解释的那样，坩埚38包括凸缘42、桶46、喷嘴54，并且限定了孔隙58。桶46可以具有大于或等于约10mm、20mm、30mm、34mm、40mm、50mm、100mm、200mm或500mm的内直径。桶46可以具有大于或等于约1mm、2mm、5mm、10mm、25mm或50mm的厚度。会理解的是，桶46的厚度可以是在来自致动器22的压力下和来自加热器66的温度下用于支撑原料62的任意实际可行的厚度。孔隙58可以置于坩埚38的底部，使得当加热时(例如，熔化或者任意其他方式加热至其加工温度时)，可以从其挤出原料62。孔隙58可以具有小于或等于约500mm、125mm、25mm、3mm、1.5mm、0.5mm或小于约0.1mm的内直径。会理解的是，孔隙58的直径可以基于玻璃制品102的尺寸发生变化(例如，对于较大的玻璃制品102具有较大的孔隙58以降低制造时间)或者可以基于挤出通过孔隙58的原料62的所需串尺寸发生变化。
桶46的内直径(例如，喷嘴54的入口)与孔隙58之比可以大于或等于约1、1.5、5、10、20或50。喷嘴54可以限定各种形状的孔隙58，包括圆形、正方形、三角形、星状图案或者挤出原料62的串的其他所需形状。此外，喷嘴54可以是动态的，使得贯穿系统10的一次加工运行中的孔隙58的尺寸和/或形状可以发生变化。例如，孔隙58在开始时可以是基本圆形的，但是在通过加工运行时可以变化为正方形或三角形部件，以及然后任选地返回至圆形形状。此外，喷嘴54可以包括构造成将原料62作为管或其他空心结构挤出的心轴。可以通过喷嘴54、关节件50和桶46将多个热电偶附连或者任意其他方式连接到坩埚38，以测量通过坩埚38和不同点的原料62的温度。
坩埚38可以由传导金属形成，例如铂、铑、钢、不锈钢和熔化温度充分高于原料62的加工范围的其他金属。在一个具体例子中，坩埚38可以由80重量百分比(重量％)铂和20重量％铑合金形成。坩埚38可以由熔点高于原料62的软化点的金属形成。也可以基于金属与玻璃的反应性来选择坩埚38的金属。例如，可以使用与原料62不具有反应性的金属。原料62与坩埚38的材料之间的反应性可以包括原料62与坩埚38的材料之间的离子或元素发生转移至使得原料62和/或坩埚38中的任一个不适合其预期目的的点(例如，属性或特性变化)。
作为补充或替代，坩埚38可以包括位于桶46与原料62之间的一个或多个插入物。插入物可以由不同于坩埚38的材料形成。插入物可以是插入到坩埚38中的分开的组件的形式，和/或可以是在坩埚38的内表面上的膜或涂层沉积物的形式。使用此类插入物，通过隔开了原料62与坩埚38的材料之间的接触，对于拓宽可用于坩埚38的材料(例如，否则的话与原料62具有反应性的金属)可能是有利的。例如，坩埚38可以由不锈钢制造，以及置于坩埚38的内侧上的插入物或膜可以是与原料62具有低反应性的铂铑合金。还可以基于耐蠕变性来选择用于坩埚38的金属。随着坩埚38的温度增加，坩埚38上来自致动器22的作用力可能导致坩埚38的应变。因此，对于坩埚38，可以使用当在高温下经受作用力时具有高的耐蠕变性或者低应变易感性的材料。
根据各种实施方式，在系统10的加工运行开始时，插入坩埚38中的原料62的第一杆可以被机械加工成使得原料62的外表面基本匹配坩埚38的喷嘴54的内表面，从而热量可以被更高效地从坩埚38传输到原料62。原料62的此类机械加工可以减少开始生产玻璃制品102所需的时间量。
如上文所揭示的那样，增材制造系统10包括加热器66。加热器66包括感应单元70和感应线圈74。感应单元70构造成向感应线圈74提供交流电，从而感应线圈74可以对坩埚38进行感应加热。换言之，加热器66与坩埚38的喷嘴54热连通。然后，坩埚38的热量转移到原料62对原料62进行加热。在增材制造10的加工运行过程中，当原料62挤出成玻璃制品102时，可以基于其所需的特性来改变感应单元70所提供的能量。显示感应线圈70绕着坩埚38的关节件50，但是会理解的是，感应线圈74可以置于沿着坩埚38的长度的多个位置。此外，可以沿着坩埚38使用多个感应线圈74，从而对原料62的各个位置进行加热。使用感应线圈74对于提供坩埚38和原料62的近乎瞬时控制可能是有利的。会理解的是，加热器66的感应单元70和感应线圈74可以被其他形式的坩埚38的加热所替代。例如，加热器66可以与火焰加热系统、红外加热系统、电阻线圈加热系统(例如，镍铬包裹)和其他形式的加热联用，或者被它们替代。
在所示的实施方式中，炉78放置在坩埚38的下方。坩埚38延伸进入炉78的腔体82内。会理解的是，坩埚38可以延伸进入炉78内，或者孔隙58可以与炉78的入口是共平面的。可以在顶部和底部对炉78进行密封，以保持炉78内的受热环境。炉78的腔体82可以填充惰性气体(例如，对于原料62的玻璃制品102是不具有反应性的)或者可以填充典型的气氛气体。炉78可以保持在对于玻璃制品102的退火而言足够高的温度，但是低于原料62的加工温度。炉78的温度可以是对于保持挤出玻璃制品102的柔软而言是足够高的，但是没有高到足以允许制品102发生弯垂。
平台86放在炉78的腔体82内。会理解的是，平台86可以被任意建造表面或基材所替代。如上文所解释的那样，平台86放置在炉78内，以接收或容纳挤出的玻璃原料62。会理解的是，可以在平台86上放置组件(例如，机械和/或电部件)并接收原料62，从而使得玻璃制品102是更大组件的子组件。支撑杆90从平台86的底部延伸穿过腔体82并离开炉78。支撑杆90与Z工作台94相连，使得可以在Z方向上升起或下降平台86。此外，支撑结构14与XY工作台98相连，使得喷嘴54和平台86可以相对彼此以X方向、Y方向和Z方向移动。根据至少一个替代例子，支撑结构14可以连接到Z工作台94和XY工作台98，从而控制器100可以调节坩埚38相对于平台86的移动。此类例子对于生产大的玻璃制品102可能是有利的(即，从而使得不需要移动大的玻璃制品102)。在另一个替代例子，平台86可以连接到Z工作台94和XY工作台98，从而控制器100可以调节平台86相对于坩埚38的移动。此类例子对于生产较小的玻璃制品102可能是有利的(即，因为相对较大的支撑结构104可以保持静止)。除此之外，可以将整个系统10或者部分的系统10放置在炉78内用于生产大的玻璃制品102。
根据一些实施方式，可以将加热元件114(图3)放置在平台86的底部。加热元件114可以在整个平台86上或者在一部分的平台86上延伸。加热元件114可以构造成对整个平台进行加热或者仅对一部分的平台86进行加热(即，在平台86上形成热区和冷区)。由此，平台86可以形成经过加热的建造表面。此类热区和冷区对于制造在其整个结构上具有不同属性的玻璃制品102可能是有利的。通过加热元件114对平台86进行加热可以降低当从坩埚38挤出原料62时玻璃制品102所经受的热冲击。使用加热元件114对于增材制造系统10没有结合炉78的实施方式(例如，图3)或者对于炉78保持在较低温度的实施方式可能是有利的。会理解的是，在系统10的商用例子中，平台86可能是构造成大批量生产玻璃制品102的传送带或其他装配线组件的一部分。在此类实施方式中，坩埚38可以构造成相对于平台86发生移动。
在系统10的操作中，控制器100配置成指挥致动器22向原料62施加作用力，以使得原料62移动进入坩埚38。随着坩埚38的加热，热量转移到原料62。将原料62加热到其加工范围内的温度，使得原料可以在来自致动器22的压力下开始流动通过喷嘴54的孔隙58。因此，将原料62挤出通过坩埚38的喷嘴54。可以在靠近关节件50和喷嘴54处加热原料62，但是也可以在贯穿整个桶46的各个点处进行加热。原料62作为材料的连续串离开喷嘴54。然后，原料62接触平台86并且随着其挤出而开始“凝固”或冷却。换言之，随着原料62接触平台86，原料62冷却并且粘度增加，直到原料62凝固。
在原料62的串接触平台86之后，可以采用Z工作台94和/或XY工作台98，使得平台86开始以三维方式移动。如上文所解释的那样，作为补充或替代，坩埚38可以相对于平台86移动(例如，用于生产大的玻璃制品102)。随着平台86相对于喷嘴54移动，原料62的串开始延伸通过空间(即，当其移动时凝固)以形成玻璃制品102。换言之，原料62当其挤出时凝固，从而玻璃制品102维持由于平台86与喷嘴54的相对运动所产生的形状。在玻璃制品102的终点，控制器100控制加热器66停止对坩埚38进行加热，这进而使得原料62回到低于其加工范围的温度。作为去除通过致动器22所施加的作用力的补充，原料62和坩埚38的较为快速的温度下降导致原料62由于负压被吸回喷嘴54中。此外，致动器22可以拉回原料62，导致原料62被吸回到喷嘴54中。原料62的此类快速温度变换和回缩返回到喷嘴54中可以帮助开始和停止材料流动，并降低和消除在制品的终点的“毛状(hair)”或者材料朝向喷嘴54延伸离开玻璃制品102的细缕。此外，作为温度和压力的变化的补充，(相对于形成的玻璃制品的终点)喷嘴54在运行结束时的快速运动可以去除来自玻璃制品102的终点的毛状物。控制器100可以同时控制致动器22和平台86，从原料62的单个连续串、从一个位于另一个上的原料62的多个串，或其组合来产生玻璃制品102。在挤出物和/或炉78的较热温度，原料62的串可以合并成为无缝、光学透明的多层结构。
现参见图4，显示了操作用于生产玻璃制品102(图1A)的增材制造系统10的示例性方法130。方法130从将原料62插入系统10的坩埚38的步骤134开始。与此同时，可以将原料62连接到致动器22。接着，执行对坩埚38内的玻璃原料62进行加热的步骤138。如上文所解释的那样，加热器66加热了坩埚38，这进而加热了坩埚38内的玻璃原料62。加热器66将原料62加热至足够高的温度，使得原料62处于其加工范围内。
接着，执行将玻璃原料62通过喷嘴54挤出到平台86上的步骤142。在步骤142中，致动器22向原料62施加足够的作用力，使得原料62被加热到其加工范围的部分被挤出通过喷嘴54到达平台86上。原料62作为串挤出。控制器100可以控制致动器22以挤出单个连续的串或者多个较小的原料串。
接着，执行使得坩埚38和平台86中的至少一个发生移动的步骤146。如上文所解释的那样，控制器100配置成调节坩埚38和/或平台86相对于彼此的位置控制。控制器100配置成当从喷嘴54挤出原料形成玻璃制品102时，对坩埚38和/或平台86进行移动。控制器100控制坩埚38和/或平台86的位置，使得原料62的串置于平台上以构建玻璃制品102。当移动坩埚38和/或平台86时，控制器100可以配置成拉曳喷嘴54通过之前施加的原料62的串。喷嘴54可以以小于或等于进行沉积的材料层的约一半厚度拉曳通过串。拉曳喷嘴54通过平台86上的原料62的串对于帮助涂抹先前铺设的原料62的串并在相互铺设在顶部上的原料62的串之间产生更好的粘合可能是有利的。串之间更好的粘合可以导致更紧密的堆叠容差。
接着，可以进行玻璃制品102的退火步骤150。可以在炉78中进行玻璃制品102的退火，并且可以通过控制器100来调节玻璃制品102进行退火的温度和时间。
会理解的是，可以以任意顺序进行方法130的步骤，重复、省略和/或同时执行，这没有背离本文所提供的教导。
现参见图5A-5C，显示的是通过系统10制造的玻璃制品102的各种实施方式。根据各种例子，玻璃制品102可以是基本透明和/或无色的。对于可见光，玻璃制品102可以具有大于约60％、70％、80％、90％或者大于约99％的透明度。玻璃制品102包括靠近彼此挤出以形成玻璃制品102的一个或多个串。例如，玻璃制品102可以包括延伸通过三维空间的单串(图5A和5B)或者一个堆叠在另一个上的单串或多串(例如，图5C)。
在单串例子中，玻璃制品102可以限定底座部分102A、第一主体部分102B和第二主体部分102C。第一和第二主体部分102B、102C可以相连使得在第一与第二主体部分102B、102C之间的自支撑角α小于或等于约45°。玻璃制品102可以具有在XZ和/或YZ平面中相对于水平XY平面测得的小于约45°、30°、20°、10°或者小于约1°的自支撑角α。会理解的是，形成的自支撑角α可以是约0.1°至约180°之间的任意角度。出于本公开的目的，自支撑角α是这样的角度，在该角度，玻璃制品102可以在没有额外支撑结构(例如，构造成支撑玻璃制品102的延伸部分的塔架或附加模片)的情况下支撑了延伸部分。换言之，自支撑角α没有在第一与第二主体部分102B、102C之间延伸的支撑结构。常规的增材制造系统通常采用一种或多种短效材料来形成支撑结构。在形成了制品之后，可以蚀刻掉、熔化掉和/或烧掉短效材料以形成自支撑角α。本文所揭示的系统10可以实现在不使用短效材料和/或支撑结构的情况下，在玻璃制品102中形成自支撑角α。相信此类自支撑角α是可行的原因在于，当玻璃原料62挤出到平台86上的时候发生了积累(set up)。换言之，相信当原料62挤出时，其充分凝固，提供了对于形成自支撑角α足够的强度。相比于采用常规增材制造系统形成的制品，此类自支撑角α实现了相当大的悬垂(over-hang)。此外，玻璃制品102可以展现出小于约135°、90°、45°、10°或者小于约1°的弯曲或方向变化。会理解的是，玻璃制品102的弯曲或方向变化可以是约0.1°至约359°。
在替代例子中，玻璃制品102可以由布置成堆叠的多个玻璃串形成，以形成三维玻璃制品102。在此类例子中，每个串可以与相邻串熔合。会理解的是，虽然描述为多个串，但是玻璃制品102可以由折叠或引导回自身的单个连续串形成。串可以在串长度上相互熔合或者在多个点相互熔合。在此类例子中，玻璃制品102可以是贯穿熔合串堆叠基本透明的。如上文所解释的那样，挤出原料62的串可以流入相邻串之间形成的缝隙中，这可以增强玻璃制品102的透明度(例如，由于消除了串之间的空气穴)。此外，玻璃制品102可以在制品102中限定由于原料62的串的放置所形成的一个或多个空穴。如上文所解释的那样，相比于常规玻璃增材制造技术，通过在先前形成的原料62的串中放置或拖曳喷嘴54，可以最小化玻璃制品102的堆叠容差。玻璃制品102可具有各种构造。例如，玻璃制品102可以形成玻璃包封装置(例如，用于电子器件)、流式反应器或者具有保形冷却通道的鼻锥。玻璃制品102可以是基本上不含或者完全不含气泡的，并且可以是复杂设计。如上文所解释的那样，玻璃制品102的组成可以在堆叠上发生变化(即，在多串或者堆叠单串例子中)，和/或在单个串上发生变化。
采用本文所提供的公开内容，可以获得多种优点。首先，增材制造系统10可以生产基本透明、不含起泡且复杂设计的玻璃制品102。第二点，相比于常规增材制造技术，由于系统10所提供的自支撑角α的减小，玻璃制品102可以具有增加的悬垂。第三点，使用炉78可以防止玻璃制品102中热诱发的卷曲，并且可以防止玻璃制品102经受热冲击。第四点，可以在玻璃制品102中形成复杂设计(包括管状)。第五点，系统10的启动/停止控制的改善导致玻璃制品102的终点处的一致性增加(例如，减少了“毛状”的产生)。存在的毛状物的减少可以实现形成更美观和复杂的制品102。第六点，系统10可以将原料62的串挤出到已有组件上以形成该组件的玻璃部分。第七点，可以在工艺运行过程中改变原料62的组成和/或属性(例如，颜色、透明度、抗热冲击性等)，其在玻璃制品102的不同部分展现出不同属性。第八点，随着原料62的挤出和凝固，可能不再需要用于玻璃组件的模具和其他常规成形技术，这可以节约制造时间的成本。第九点，通过改变坩埚38、喷嘴54和/或致动器22的尺寸，系统10可以缩放至生产近乎任何尺寸的玻璃制品102。第十点，使用原料62的杆实例来代替常规的丝，实现了系统10必须重新装载更多原料62之间的更长的运行时间。
实施例
图6所示是采用三维玻璃打印机(例如，系统10)所生产的玻璃结构(例如，玻璃制品102)的照片。可以看出，玻璃结构是基本透明的，并且由于结构的低自支撑角(例如，小于约45°)展现出明显的悬垂。由穿过三维空间的单根连续的玻璃串形成了该结构。串展现出光滑的向上曲线，为玻璃结构提供大致“塞螺旋(cork screw)”形式。打印机所使用的原材料(例如，原料62)是玻璃。
本领域技术人员以及利用和使用本公开内容的人会进行本公开的改进。例如，致动器22的活塞34可以被构造成在原料62上施加向下作用力的辊所替代。在另一个例子中，系统10可以用来形成具有简单的基本二维形状的玻璃制品102。因此，要理解的是，附图所示和上文所述的实施方式仅仅是示意性目的而不是旨在限制本公开的范围，本公开的范围由所附权利要求书所限定，根据专利法的原理解读为包括等同原则。
出于本公开的目的，术语“相连”(其所有形式：连接、相连接、连接的等)通常表示两个组件(以电或机械方式)相互直接或间接接合到一起。此类接合自然可以是静态或者自然可以是可移动的。可以通过这两个组件以及任何额外的中间元件(以电或机械方式)实现此类接合，所述任何额外的中间元件相互整体形成单个单体件或者与所述两个组件整体形成单个单体件。除非另有说明，否则此类接合自然可以是永久的，或者自然可以是可去除或者可脱离的。

Claims (38)

1.一种玻璃制品制造系统，其包括：
包含桶和喷嘴的坩埚，所述桶接收玻璃原料；
与喷嘴热连通的加热器，所述加热器对喷嘴内的原料进行加热；以及
放置在靠近桶的致动器，所述致动器将原料挤出通过喷嘴作为挤出原料。
2.如权利要求1所述的系统，其还包括：
接收来自喷嘴的挤出原料的建造表面。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述建造表面包括靠近喷嘴的经过加热的表面。
4.如权利要求2或3所述的系统，其还包括：
放置在靠近喷嘴的炉，其对挤出原料进行退火。
5.如权利要求2-4中任一项所述的系统，其还包括：
控制器，其调节了坩埚与建造表面相对于彼此的移动。
6.如权利要求1-5中任一项所述的系统，其中，加热器包括感应线圈、电阻线圈或其组合。
7.如权利要求1-6中任一项所述的系统，其中，坩埚包括熔点高于原料的软化点的金属。
8.如权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，致动器包括对原料进行压制的活塞。
9.如权利要求8所述的系统，其中，活塞进一步布置成扫过桶的内表面。
10.如权利要求1-9中任一项所述的系统，其中，玻璃原料是直径大于约1mm的杆。
11.如权利要求1-10中任一项所述的系统，其中，玻璃原料的组成在原料的长度上发生变化。
12.如权利要求1-11中任一项所述的系统，其还包括：
位于桶与原料之间的插入物。
13.一种玻璃制品制造系统，其包括：
包含喷嘴的坩埚，所述坩埚接收玻璃原料；
放置成靠近喷嘴的平台；以及
放置成靠近坩埚并且布置成向原料施加压力的致动器，从而使得原料挤出通过喷嘴到达平台上作为挤出玻璃原料，所述挤出玻璃原料是玻璃制品的形式。
14.如权利要求13所述的系统，其中，挤出玻璃原料是基本透明的，以及具有大于或等于100℃的加工范围。
15.如权利要求13或14所述的系统，其还包括：
控制器，其用于对与喷嘴热连通的加热器进行调节。
16.如权利要求15所述的系统，其中，控制器对放置成靠近喷嘴的炉进行调节从而对玻璃制品进行退火。
17.如权利要求15或16所述的系统，其中，加热器包括感应线圈、电阻线圈或其组合。
18.如权利要求13-17中任一项所述的系统，其还包括：
用于对平台进行加热的加热元件。
19.如权利要求15-18中任一项所述的系统，其中，控制器调节了平台相对于坩埚的移动。
20.如权利要求15-18中任一项所述的系统，其中，控制器调节了坩埚相对于平台的移动。
21.如权利要求15-18中任一项所述的系统，其中，控制器调节了平台和喷嘴相对于彼此在X方向、Y方向和Z方向上的移动。
22.一种操作玻璃制品制造系统的方法，其包括以下步骤：
对坩埚内的玻璃原料进行加热，所述坩埚包括喷嘴；
将玻璃原料挤出通过喷嘴的孔隙，作为串到达平台上；以及
当玻璃原料挤出时移动平台，以形成玻璃制品。
23.如权利要求22所述的方法，其还包括以下步骤：
对玻璃制品进行退火。
24.如权利要求22或23所述的方法，其中，玻璃原料是杆。
25.如权利要求22-24中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：
拉曳喷嘴通过串。
26.如权利要求22所述的方法，其中，平台经过加热。
27.一种通过如权利要求1所述的系统形成的玻璃制品，其包含：
底座部分；
连接到底座部分的第一主体部分；以及
连接到第一主体部分的第二主体部分，所述第一和第二主体部分以相对于XZ或YZ平面小于约45°的自支撑角相连。
28.如权利要求27所述的玻璃制品，其中，自支撑角小于约40°。
29.如权利要求27或28所述的玻璃制品，其中，在第一与第二主体部分之间没有延伸的支撑结构。
30.如权利要求27-29中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品是基本透明的。
31.如权利要求27-30中任一项所述的玻璃制品，其中，底座部分、第一主体部分和第二主体部分是整体限定的。
32.如权利要求27-31中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品的组成在整个玻璃制品上是变化的。
33.一种通过如权利要求22所述的方法形成的玻璃制品，其包含：
布置成堆叠以形成三维物体的多个玻璃串，每一串与相邻串熔合，其中，所述制品透过熔合串是基本透明的。
34.如权利要求33所述的玻璃制品，其中，玻璃串的堆叠限定了小于约90°的弯曲。
35.如权利要求33或34所述的玻璃制品，其中，堆叠限定了玻璃制品内的空穴。
36.如权利要求33-35中任一项所述的玻璃制品，其中，堆叠限定了XZ或YZ平面中的相邻串之间小于或等于约45°的自支撑角。
37.如权利要求33-36中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品的组成在堆叠上是变化的。
38.如权利要求33-37中任一项所述的玻璃制品，其中，玻璃制品的组成在至少一个串上是变化的。
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