CN110382240A - 三维打印机设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造三维物体的三维打印设备，包括控制器和三维打印机，该控制器包括信号发生器。三维打印机包括打印头、三维物体托架和电场施加器。电场施加器设置在打印头的一端。控制器与打印头、部件托架和电场施加器通信。三维打印机在三维物体托架上构建三维物体。信号发生器向电场施加器输出信号，电场施加器生成入射到三维物体托架上的三维物体的电场。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是美国非临时申请，并且要求2016年11月3日提交的美国临时申请号62/416,890的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及一种用于加热聚合物复合材料以增强3D打印部件的粘合的设备和系统。
背景技术
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能构成也可能不构成现有技术。
三维打印或增材制造代表了从数字CAD设计模型创建三维物体的几个工艺。通过堆叠几个二维材料层形成三维打印部件，使得最终结果是形成具有长度、宽度和高度的物体。在这几个工艺中，用于形成物体的材料可以是从金属到热塑性塑料和复合材料。然而，虽然这些工艺能够快速生产复杂的部件，包括非常详细的细节，但目前的工艺似乎仅能够生产用途非常有限的物体。这些用途包括原型部件、新颖物体、演示部件或组件或具有其他轻型用途的部件。这种有限的用途主要是由于增材组装工艺在生产高粘合强度部件(即，打印部件的几个二维层之间具有高粘合强度)方面的能力。
一些工艺改进包括试图增加三维打印物体各层之间的粘合强度。这些尝试包括加工中(in-process)和加工后(post-process)步骤，这些步骤涉及加热打印物体的不同方法，使得各层软化或甚至熔化以促进各层之间的交叉固化或结晶。然而，在加工中或加工后加热整个三维部件可能会由于中垂和延迟的残留应力以及其他缺陷而导致部件变形。
虽然当前的三维打印机和工艺实现了其预期目的，但是需要一种改进的三维打印机和工艺来为越来越多的需要改进强度、尺寸能力和多功能目的的应用提供部件。
发明内容
通过参考以下描述和附图，将更详细地解释本发明的其他方面和优点。
提供了一种用于制造三维物体的三维打印设备。该三维打印设备包括控制器，该控制器包括信号发生器和三维打印机。三维打印机包括打印头、三维物体托架和电场施加器。电场施加器设置在打印头的一端。控制器与打印头、部件托架和电场施加器通信。三维打印机在三维物体托架上构建三维物体。信号发生器向电场施加器输出信号，并且电场施加器生成入射到三维物体托架上的三维物体的电场。
在本发明的一个示例中，输出到电场施加器的信号包括射频(RF)信号。
在本发明的另一示例中，射频信号包括小于大约433.92MHz的频率。
在本发明的又一示例中，射频信号包括小于大约915MHz的频率。
在本发明的又一示例中，电场施加器包括第一多个电极和第二多个电极。第一多个电极中的每个电极与第二多个电极中的每个电极交替。
在本发明的又一示例中，电场施加器的第一多个电极连接到信号发生器，并且第二多个电极接地。
在本发明的又一示例中，电场施加器是圆盘，并且第一多个电极与第二多个电极同心。
在本发明的又一示例中，电场施加器是细长板。第一多个电极连接到第一母线条。第二多个电极连接到第二母线条。第一母线条连接到信号发生器。第二母线条连接到地。
在本发明的又一示例中，三维物体托架电接地。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1A描绘了根据本发明原理的用于执行三维打印工艺的三维打印设备；
图1B描绘了根据本发明原理的用于执行三维打印工艺的三维打印设备；
图2是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的侧视图；
图3A是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的俯视图；
图3B是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的侧视图；
图3C是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的透视图；
图4A是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的剖视图；
图4B-4C是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的透视图；
图5A-5D是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的示意图。
图6是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的剖视图；
图7是根据本发明原理的三维打印方法中使用的设备的剖视图；以及
图8是根据本发明原理的三维打印方法中使用的感应线圈的透视图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开、应用或用途。
参考图1A，示出了三维打印设备10的示意图，现在将对其进行描述。三维打印设备10包括三维打印机20、电场施加器设备30和控制器40。更具体地，三维打印机20包括打印头22、三维物体或部件托架24、支撑结构(例如，笛卡尔机架)以及支撑打印头22的三角形(delta-style)结构或机械臂29。当细丝28穿过打印头22，在打印头22中软化或熔化，并沉积在部件托架24或三维部件26的前一层上时，启动并在部件托架24上构建三维物体或部件26。打印头22和/或部件托架24能够在x、y和z方向或者这些方向的组合方向(从而构成圆形或弯曲图案)上移动，用于将软化或熔化的细丝沉积到三维部件26的前几层上。
电场施加器设备30包括电场施加器32和部件托架24。在三维部件26至少部分完成之后，电场施加器在三维部件上方移动，或者以其他方式充分靠近三维部件26，将三维部件26放置在施加器32产生的电场之下或落入该电场之内，这将在下面进一步详细描述。
控制器40优选地是电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、控制逻辑、用于存储数据的存储器和至少一个I/O外围设备。控制逻辑包括用于监控、操纵和生成数据的多个逻辑例程。控制器40控制三维打印机20和电场施加器设备30的操作。控制逻辑可以用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。例如，控制逻辑可以是存储在电子存储器上并可由处理器执行的程序代码的形式。控制器40向机架29、打印头22和部件托架24提供由CAD模型数据程序生成的控制信号，从而产生三维部件26。
控制器40的另一特征是向电场施加器32输出信号的信号发生器42。信号发生器42优选地提供小于大约433.92MHz或915MHz的射频信号。这些频率提供波长分别为69.1cm和32.8cm的信号。当选择更长的波长时，所选择的电场施加器32可以以电小模式(electrically small mode)操作。以这种方式，所选择的电场施加器32具有小于或等于形成电场的波长的大约八分之一的特征尺寸。当在这种电小模式下操作时，驻波形式的谐振节点被抑制或消除，使得三维部件26的加热更均匀。
现在参考图1B，示出了本发明的另一示例，现在将对该示例进行描述。三维打印设备100包括三维打印机120和控制器140。具体到这个示例，三维打印机包括打印头122、部件托架124和电场施加器132。与图1A所示的示例共同进行，当细丝128穿过打印头122，在打印头122中软化或熔化，并沉积在部件托架124或三维部件126的前一层上时，启动并在部件托架124上构建三维部件126。打印头122和/或部件托架124能够在x、y和z方向或者这些方向的组合方向(从而构成圆形或弯曲图案)上移动，用于将细丝128沉积到三维部件126的前几层上。如上所述，电场发生器132包含在三维打印机120中。在一个示例中，电场发生器132附接到电场发生器打印头134形式的打印头122。在另一示例中，电场发生器132附接到电场发生器部件托架136形式的部件托架124。在电场发生器132的一个示例中，电场发生器打印头134和电场发生器部件托架136可以包含在三维打印机120内，而不脱离本发明的范围。以下提供了电场发生器打印头134和电场发生器部件托架136中的每一个的更多细节。
与图1A所示的控制器40一样，图1B的控制器140优选地是电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、控制逻辑、用于存储数据的存储器和至少一个I/O外围设备。控制逻辑包括用于监控、操纵和生成数据的多个逻辑例程。控制器140控制三维打印机120的操作。控制逻辑可以用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。例如，控制逻辑可以是存储在电子存储器上并可由处理器执行的程序代码的形式。控制器140向机架29、打印头122和部件托架124提供由CAD模型数据程序生成的控制信号，从而产生三维部件126。
控制器140的另一特征是向电场施加器132输出信号的信号发生器142。信号发生器142优选地提供小于大约433.92MHz或915MHz的射频信号。这些频率提供波长分别为69.1cm和32.8cm的信号。当选择更长的波长时，所选择的电场施加器132可以以电小模式操作。以这种方式，所选择的电场施加器132具有小于或等于形成电场的波长的大约八分之一的特征尺寸。当在这种电小模式下操作时，驻波形式的谐振节点被抑制或消除，使得三维部件126的加热更均匀。
现在转向图2，示出了图1B的电场施加器132的更详细的版本，现在将对其进行描述。三维打印机120的电场施加器132包括平行于下板136设置的上板134。更具体地，上板134与打印头122或三维打印机120的其他部件集成在一起。下板136安装到部件托架124上或与部件托架124集成在一起。优选地，下板136是接地的导电板，而控制器140的信号发生器142向上板134提供高电压电势。因此，上板134和下板136之间产生的所得射频信号150穿透三维部件126。
现在转向图3A-3C，示出了电场施加器的另一示例，现在将对其进行描述。电场施加器332包括沿电场施加器332的长边338纵向延伸的第一母线条334和第二母线条336。第一母线条334包括朝向电场施加器332的纵向中心332A延伸的第一组电极334A。第二母线条336包括朝向电场施加器332的中心332A延伸的第二组电极336A。第一组电极334A设置在电场施加器332上，以与第二组电极336A交替。第一母线条334连接到控制器340的信号发生器342，而第二母线条336接地。因此，第一母线条334的第一电极334A和第二母线条336的第二电极336A之间产成的所得射频信号350穿透三维部件326。
更具体地如图3B所示，电场施加器332可以通过打印头322或支撑打印头322的机架329由三维打印机320支撑。相对于部件托架324，电场施加器332是可移动的，以在部件326的特定部分中选择性地引导射频信号。
现在参考图4A-4C，更详细地示出了打印头和电场施加器组件300，现在将对其进行描述。打印头和电场施加器组件300具有与图1B相似的部件，包括打印头322和电场施加器334。更具体地，打印头322包括中心孔324和喷嘴或尖端326。细丝插入中心孔324中，熔化或软化，并通过喷嘴326挤出，以形成三维部件(如图1A所示)。电场施加器234是固定到打印头322的靠近喷嘴326的下部的盘形构件，并且在该示例中包括与电场施加器334的中心同心的一系列圆形电极336，并且嵌入电场施加器334内，或者以其他方式固定到电场施加器334的表面。电极336安装到形成为大致呈环形的介电矩阵中。电场施加器334可替代地安装在机架329下方或能够扫描部件托架324的独立线性台上，如图1A所示。信号发生器342连接到交替的第一组电极336A，而相邻的第二组电极336B接地。因此，第一组电极336A或第二组电极336B之间生成的所得射频信号350穿透三维部件。扫描速率和顺序由控制器340的计算机控制程序来确定和操作，该计算机控制程序被优化，以实现期望的加热分布。
现在转向图5A-5D，示出了嵌入电场施加器上的电极336、436、536、636的形状的几个示例。如前一示例中所述，相邻电极在与信号波发生器342、442、542、642的连接和接地连接之间交替。以这种方式，可以根据特定的应用来调整射频信号的形状，从而提高三维打印工艺的有效性和效率。
由于结构强度，电极336、436、536、636可以由电介质支撑，或者如果电极336、436、536、636能够支撑其自身的重量，则电极336、436、536、636可以自由漂浮在空气中。电弧电场从螺旋延伸出平面，并与3D打印部件相互作用。电极336、436、536、636可以如图4A所示安装在打印机喷嘴周围，安装在3D打印机机架下方，或者如图1A所示安装在能够扫描部件托架24的单独的线性台上。
现在参考图6，更详细地示出了打印头和电场施加器组件700，现在将对其进行描述。打印头和电场施加器组件700具有与图1B相似的部件，包括打印头722和电场施加器734。更具体地，打印头722包括中心孔724和喷嘴或尖端726。细丝插入中心孔724中，熔化或软化，并通过喷嘴726挤出，形成三维部件728。电场施加器734包括打印头722的下部和部件托架736。信号发生器742连接到用作第一电极的打印头722，而部件托架736和部件728接地，从而用作第二电极。因此，第一电极或打印头722与部件托架736和部件728之间生成的所得射频信号750穿透三维部件728。扫描速率和顺序由控制器(如图1A所示)的计算机控制程序确定和操作，该计算机控制程序被优化，以获得期望的加热分布。
现在参考图7，更详细地示出了打印头和电场施加器组件800，现在将对其进行描述。打印头和电场施加器组件800包括电场施加器，该电场施加器通过向与3D打印部件物理接触的导体施加交流或直流电源，同时将与3D打印部件接触的第二导体用作能量地线的方式来操作。施加到直接接触施加器上的能量像流经导线的电流一样穿过3D打印部件。直接接触施加器可以安装在打印机喷嘴周围，安装在3D打印机机架下方，或者安装在能够扫描构建板的单独的线性台上。这种施加器最简单地实现为导电3D打印喷嘴，但是任何其他导电形状也将执行相同的功能。
现在参考图8，更详细地示出了电场施加器900，现在将对其进行描述。电场施加器900是具有第一端902和第二端904的线圈形状。第一端902和第二端904连接到信号发生器906。由线圈产生的交变磁场908包围线圈，以使紧邻的铁磁或磁损耗材料(包括打印喷嘴)的分子振荡，从而使其通过分子摩擦加热。感应线圈施加器可以安装在打印机喷嘴周围，安装在3D打印机机架下方，或者安装在能够扫描构建板的单独的线性台上。
本发明的描述在本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本发明的精神的变化旨在落入本发明的范围内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范围。
Claims (20)
1.一种用于制造三维物体的三维打印设备，所述设备包括：
控制器，包括信号发生器；
三维打印机，包括打印头、三维物体托架和电场施加器，其中，所述电场施加器设置在所述打印头的一端，所述控制器与所述打印头、所述部件托架和所述电场施加器通信，并且所述三维打印机在三维物体托架上构建三维物体；并且
其中，所述信号发生器向所述电场施加器输出信号，所述电场施加器生成入射到所述三维物体托架上的三维物体的电场。
2.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，输出到所述电场施加器的信号包括射频(RF)信号。
3.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述射频信号包括小于大约433.92MHz的频率。
4.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述射频信号包括小于大约915MHz的频率。
5.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极中的每个电极与所述第二多个电极中的每个电极交替。
6.根据权利要求5所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器的所述第一多个电极连接到所述信号发生器，并且所述第二多个电极接地。
7.根据权利要求6所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器是圆盘，并且所述第一多个电极与所述第二多个电极同心。
8.根据权利要求5所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器是细长板，所述第一多个电极连接到第一母线条，所述第二多个电极连接到第二母线条，所述第一母线条连接到所述信号发生器，并且所述第二母线条连接到地。
9.根据权利要求1所述的三维打印设备，其中，所述三维物体托架电接地。
10.一种用于制造三维部件的三维打印设备，所述设备包括：
控制器，包括信号发生器；
三维打印机，具有打印头，其中，所述三维打印机在部件托架上构建三维部件，并且所述部件托架电接地；
电场施加器设备，包括电场施加器，并且其中，所述信号发生器向电场施加器输出信号，并且所述电场施加器生成入射到所述部件托架上的三维部件的电场。
11.根据权利要求10所述的三维打印设备，其中，输出到所述电场施加器的信号包括射频(RF)信号。
12.根据权利要求11所述的三维打印设备，其中，所述射频信号包括小于大约433.92MHz和大约915MHz的频率。
13.根据权利要求12所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器包括第一多个电极和第二多个电极，所述第一多个电极中的每个电极与所述第二多个电极中的每个电极交替。
14.根据权利要求13所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器的所述第一多个电极连接到信号发生器，并且所述第二多个电极接地。
15.根据权利要求14所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器是圆盘，并且所述第一多个电极与所述第二多个电极同心。
16.根据权利要求13所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器是细长板，所述第一多个电极连接到第一母线条，所述第二多个电极连接到第二母线条，所述第一母线条连接到所述信号发生器，并且所述第二母线条连接到地。
17.一种用于制造三维物体的三维打印设备，所述设备包括：
控制器，包括信号发生器；
三维打印机，包括打印头、三维物体托架和电场施加器，其中，所述电场施加器设置在所述打印头的一端，所述控制器与所述打印头、所述部件托架和所述电场施加器通信，并且所述三维打印机在所述三维物体托架上构建三维物体；并且
其中，所述信号发生器向所述电场施加器输出信号，所述三维物体托架电接地，并且所述电场施加器生成从所述电场施加器到所述三维物体托架的电场，所述电场入射到所述三维物体托架上的三维物体。
18.根据权利要求17所述的三维打印设备，其中，输出到所述电场施加器的信号包括射频(RF)信号。
19.根据权利要求18所述的三维打印设备，其中，所述射频信号包括小于约433.92MHz和小于约915MHz中的一个的频率。
20.根据权利要求19所述的三维打印设备，其中，所述电场施加器是圆盘并且是第一电极，并且所述三维物体托架是第二电极。
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