CN112805406A - 喷射成型的结构接头 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造结构的系统、设备和方法。该结构包括第一部分、第二部分和结构接头。该设备被构造成接收用于打印结构接头的指令。所述指令基于结构接头的数据模型。所述设备还被构造成接收第一部分和第二部分，第一部分具有第一锥形末端，第二部分具有第二锥形末端。所述设备还被构造成接收材料。另外，所述设备被构造成基于指令打印结构接头。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头。结构接头将第一部分连接到第二部分。

Description

喷射成型的结构接头
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年7月26日提交的标题为“SPRAY FORMING STRUCTURAL JOINTS”的美国专利申请No.16/046,462的权益，其明确地通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及制造技术，并且更具体地涉及使用喷射成型来制造结构接头的3D打印方法。
背景技术
近年来，随着三维(3D)打印在各种应用中的渐增地广泛使用，制造业中取得了关键的技术发展和进步。这种应用在制造多种类型的复杂机械结构的背景下尤其普遍。对于3D打印技术本身的进步，最近也取得了类似的进步和里程碑式的成就。作为这些最近取得进步的主题的众多现代3D打印技术例如包括立体平版打印术(SLA)、数字光处理(DLP)、熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)等。
现有3D打印应用的各种限制依然存在。举例来说，使用FDM和其它技术的3D打印依赖于材料层的连续沉积。作为这种逐层沉积技术的结果，打印的零件可能呈现阶梯效应(称为条纹)，特别是对于有角度的表面。举例来说，当打印的零件是比如用于车辆的发动机罩的面板时，该零件可能不符合适用的车辆要求和规范。因此，这些打印的零件可能需要额外的打磨、机加工或其它精整步骤来使其平滑。
例如，零件可以使用常规制造技术来制造。此后，零件可能需要被连结。本文所述的系统和方法可以使用喷射成型来制造可以用于将零件连结在一起的结构接头。
发明内容
下文将参考三维(3D)打印技术更全面地描述方法的若干方面。一个方面涉及制造技术，其包括使用喷射成型来制造结构接头的3D打印方法。
公开了用于制造结构的系统、设备和方法。该结构包括第一部分、第二部分和结构接头。该设备被构造成接收用于打印结构接头的指令。所述指令基于结构接头的数据模型。所述设备还被构造成接收第一部分和第二部分，第一部分具有第一锥形末端，第二部分具有第二锥形末端。所述设备还被构造成接收材料。另外，所述设备被构造成基于指令打印结构接头。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头。结构接头将第一部分连接到第二部分。
一方面，公开了一种形成结构的方法。该结构包括第一部分、第二部分和结构接头。所述方法包括接收用于打印结构接头的指令。所述指令可以基于结构接头的数据模型。所述方法还包括接收第一部分和第二部分。此外，所述方法包括接收材料。所述方法还包括基于指令打印结构接头。该打印包括将材料喷射成型以生产结构接头，并在喷射成型期间旋转第一部分和第二部分。结构接头将第一部分连接到第二部分。
应该明白的是，从以下详细描述中，使用喷射成型的3D打印的其它方面对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中通过说明的方式仅示出和描述了几个实施例。如本领域技术人员将认识到的，所制造的结构和用于制造这些结构的方法能够具有其它不同的实施例，并且其若干细节能够在各种其它方面进行修改，所有这些都不脱离本发明。相应地，附图和详细描述本质上被认为是说明性的而不是限制性的。
附图说明
现在将在附图中以示例而非限制的方式在详细描述中提出使用喷射成型来制造结构接头的3D打印的各个方面，附图中：
图1A-1B示出了使用熔融沉积建模(FDM)的3D打印机的示意图。
图2是示出3D打印的示例性过程的流程图。
图3A、3B和3C是预期零件和支撑所得到的3D打印的零件的构建板的图示。
图4是采用喷射成型的3D打印机的示意图。
图5是集成喷射成型和熔融沉积建模(FDM)打印的3D打印机的示意图。
图6A-6B是示出使用喷射成型进行3D打印的示例性方法的流程图。
图7是示出了使用3D打印结构的阶梯效应的原位监测进行3D打印的示例性方法的流程图。
图8是示出使用喷射成型来制造结构接头的一个示例的示意图。
图9是示出使用喷射成型来制造结构接头的另一个示例的示意图。
图10是示出使用喷射成型来制造结构接头的另一个示例的示意图。
图11是示出使用喷射成型来制造结构接头的另一个示例的示意图。
图12是示出使用喷射成型来制造结构接头的另一个示例的示意图。
图13是示出使用喷射成型来制造结构接头的示例性方法的流程图。
图14示出了用于制造车辆的系统的制造单元的示例。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在提供使用喷射成型来制造结构接头的3D打印的各种示例性实施例的描述，并其不旨在表示可以实践本发明的仅有的实施例。贯穿本公开使用的术语“示例性”意指“用作一个示例、实例或图示”，并且并不一定被解释为优选或优于本公开中提供的其它实施例。详细描述包括目的在于提供向本领域技术人员充分传达本发明的范围的详尽和完整的公开内容的具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在一些情况下，众所周知的结构和部件可以以框图形式示出，或者完全省略，以便避免模糊贯穿本公开给出的各种构思。
图1A-1B示出了可以使用熔融沉积建模(FDM)的3D打印机的示意图。FDM是一种增材制造技术，其中热塑性塑料或其它材料(例如金属)可以通过温度受控的打印喷嘴102挤出。打印喷嘴102可以通过机械装置在水平和竖直方向上移动，所述机械装置处于计算机辅助制造(CAM)软件包的控制下。待构造的3D零件一次一层地构建，并且这些层以指定的方式连续地彼此重叠以制造零件121。
图1A的3D打印机还包括用于提供被供给到挤出头部102的第一材料106的第一卷轴104和用于提供被供给到挤出头部102的第二材料的第二卷轴。虽然在一些构造中，材料114可以构成用于形成零件的连续层的构建材料，并且材料116可以构成用于提供临时支撑的支撑材料，以适应由某些结构的预定形状产生的空间空缺，否则其形状在固化之前可能会受到重力的影响，但是本公开中考虑的3D打印技术可以通过使用复杂的矩阵阵列作为背衬结构来消除对支撑材料的需求。
3D打印机100还可以包括可以在其上进行打印的基板或底座112，以及可竖直移动的构建平台110。在3D打印期间，其中材料114被挤出到零件121的表面上以制造连续层，构建平台110可以被构造成在软件控制下在竖直方向上逐渐移动降低(如支撑臂123上的箭头所示)，以适应零件121的数量增加的层所占据的空间。
图1B示出了挤出头部102的放大视图。材料114和116可以相应地使用旋转驱动轮125供给到挤出喷嘴126和128中。材料114和116通过在相应的挤出喷嘴126和128中施加热量而熔化，并因此在软件控制下从喷嘴喷出到基板110上，或者喷出到先前设置在基板上的层上。
虽然为了说明的目在这里描述了FDM打印技术，但是本文的公开不限于此，并且可以结合下面的描述使用任何合适的3D打印技术。
在一些方面，图1A-1B的3D打印机100可以是用于形成结构的设备。所述结构可以包括第一部分和第二部分。在一个方面，第一部分可以具有第一锥形末端，并且第二部分可以具有第二锥形末端。所述结构可以包括结构接头。3D打印机100可以包括被构造成接收第一部分的第一接收器。例如，第一接收器可以是构建平台110的第一部分。3D打印机100可以包括被构造成接收第二部分的第二接收器。例如，第二接收器可以是构建平台110的第二部分。3D打印机100可以包括被构造成接收材料的材料接收器。例如，头部102可以是被构造成接收材料的材料接收器。3D打印机100可以是计算机控制的，并且可以包括存储器和联接到存储器的至少一个处理器。处理器可以被配置成接收用于打印结构接头的指令。所述指令可以基于结构接头的数据模型。另外，所述至少一个处理器可以基于所述指令控制结构接头的打印，所述打印包括将材料喷射成型以生产结构接头，所述结构接头将第一部分连接到第二部分，包括将第一锥形末端连接到第二锥形末端。
在一些方面中，图1A-1B的3D打印机100可以提供一种用于接收打印结构接头的指令的装置。例如，3D打印机100可以由处理器控制。处理器可以提供用于接收打印结构接头的指令的装置。3D打印机100可以提供用于接收第一部分和第二部分的装置。在一个方面，第一部分可以具有第一锥形末端，并且第二部分可以具有第二锥形末端。例如，构建平台110可以是用于接收打印结构接头的指令的装置。第一部分和第二部分可以放置在构建平台110上。3D打印机100可以提供用于接收材料的装置。用于接收材料的装置例如是3D打印机100的头部102、第一卷轴104、第二卷轴或其它部件。3D打印机100可以提供基于指令打印结构接头的装置。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头。结构接头可以将第一部分连接到第二部分。在一个方面，该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头，并在喷射成型期间旋转第一部分和第二部分。
图2是示出3D打印的示例性过程的流程图200。渲染所预期的待打印的3D对象的数据模型(步骤210)。数据模型是3D对象的虚拟设计。因此，数据模型可以反映3D对象的几何构造特征和结构特征及其材料成分。数据模型可以使用各种方法创建，包括3D扫描、3D建模软件、摄影测量软件和摄像头成像。
用于创建数据模型的3D扫描方法还可以使用各种用于生成3D模型的技术。这些技术可以包括例如飞行时间、体积扫描、结构光、调制光、激光扫描、三角测量等。
3D建模软件又可以包括众多商业上可获得的3D建模软件应用中的一种。可以使用适用的计算机辅助设计(CAD)包来渲染数据模型，例如以STL格式。STL文件是与商业上可获得的CAD软件相关联的文件格式的一个示例。CAD程序可以用于将3D对象的数据模型创建为STL文件。因此，STL文件可以经历文件中的错误被识别并解决的过程。
在错误解析之后，数据模型可被称为切片机的软件应用“分切”，从而产生用于3D打印对象的指令集，其中指令与待采用的特定3D打印技术兼容和关联(步骤220)。许多切片机程序是市售的。通常地，切片机程序将数据模型转换为表示待打印的对象的薄片(例如，100微米厚)的一系列单独的层，以及包含用于3D打印这些相继的单独层的打印机特定指令的文件，以产生数据模型的实际3D打印画像。
用于此目的的文件的常见类型是G代码文件，它是一种数字控制编程语言，其包括用于3D打印物体的指令。将G代码文件或构成指令的其它文件上载到3D打印机(步骤230)。因为包含这些指令的文件通常构造成可用特定的3D打印过程操作，所以应理解的是指令文件的许多格式是可能的，取决于所使用的3D打印技术。
除了决定待渲染的对象是什么和如何渲染它的打印指令之外，供3D打印机在渲染对象时使用所必需的适当物理材料使用常规的且通常特定于打印机的方法中任一个来装载到3D打印机中(步骤240)。在熔融沉积建模(FDM)3D打印机中，如上所述，材料可以作为线轴上的细丝而被装载，所述线轴被放置在一个或更多个线轴保持器上。细丝通常被供给到挤出器设备中，在操作中，该挤出器设备在将材料喷射到构建板或其它基板上之前将细丝加热至熔化的形式。在选择性激光烧结(SLS)打印和其它方法中，材料可以作为粉末而装载到腔室中，该腔室将粉末供给到构建平台。根据3D打印机，可以使用用于装载打印材料的其它技术。
然后，使用材料基于所提供的指令打印3D对象的相应数据切片(步骤250)。在使用激光烧结的3D打印机中，激光扫描粉末床并在需要结构的地方将粉末熔化在一起，并避免扫描切片数据指示不打印任何东西的区域。该过程可以重复数千次，直到形成所需的结构，然后从制造器移除已打印的零件。在熔融沉积建模中，如上所述，通过将模型和支撑材料的相继层施加到基板来打印零件。一般而言，出于本公开的目的，可以采用任何合适的3D打印技术。
就像其它3D打印技术，FDM技术具有最小层分辨率，在某些构造中，根据打印机分辨率和其它因素，该最小层分辨率可能大约为0.127mm。作为这种最小分辨率的结果，显而易见的是，尝试3D打印有角度的表面将导致由连续层的有限厚度造成的通常不希望的“阶梯”伪影。
这种现象可以参考图3A-3C来理解，它们是预期零件312和支撑所得到的3D打印的零件320的构建板310的图示。图3A是待打印的零件312的数据模型的视觉表示。出于该说明的目的，零件312具有基本平坦的第一表面314和在两个端部上有角度并具有平坦顶部表面的第二表面313。零件312例如可以是在运输结构中使用的面板，其中表面313旨在表示面板的外部部分，比如车门的外部部分。
图3B示出了基于零件312的数据模型的3D打印在基板310上的零件320。如可看出的，由于被沉积的层的有限最小厚度，3D打印过程在零件320的表面上产生阶梯效应322，所述表面旨在表示有角度的表面313之一(图3A)。作为结果，比如本体面板等零件的外部表面可能具有不期望且不美观的锯齿状边缘，其必须通过一些其它过程来变平滑。取决于被构造的零件和具体实施方式，所产生的阶梯效应322可能会增加进一步的复杂性。例如，它可能会使零件不符合规范或适用规程，或者无法用于特定目的。
图3C示出了经过增材制造步骤后的零件320。特别地，阶梯效应322被减小以形成零件320的基本平坦表面202和304。一个这样的制造步骤可以包括工人从3D打印机中移除零件320，将零件320沉积在第二基板330上，并应用手工喷射成型技术来平滑阶梯效应。
常规的喷射成型涉及经由惰性气体将液态金属流雾化成液滴并将半固态喷射液滴沉积到定形的基板上来铸造具有均质微观结构的金属部件。基板收集液滴，并将其固化成连贯的预成形件。在该过程的一个示例中，合金通常在感应熔炉中被熔化，然后熔化的金属通过锥形中间包缓慢倾倒到小孔陶瓷喷嘴中。熔化的金属离开熔炉，并被雾化器分解成液滴。液滴然后向下行进以撞击基板。该过程被布置成使得液滴在半固态条件下碰撞基板。该过程提供了足够的液体组分来将固体组分“粘”在一起。沉积继续进行，逐渐在基板上形成金属的喷射成型部分，比如坯料。喷射成型可以使用呈待制造的零件的形状的腔室。
喷射成型可以包括如上所述在金属结构上应用精整程序或在腔室内形成金属结构。更具体地说，金属零件可以在温度受控的腔室中喷射成型，该温度受控的腔室通常为与最终零件的形状一致的形状。在目前的金属喷射成型过程中，需要专用设备，比如腔室、喷嘴、雾化器等。此外，金属零件受限于腔室的约束，并且只能定形成基本符合腔室的几何构造。
因此，在一个实施例中，喷射成型技术被包含为3D打印机的一部分。3D打印机包括具有六个自由度的柔性、计算机控制的喷嘴，其能够在所有三个X-Y-Z方向上进行操纵，并相对于打印机构建板以各种角度倾斜。根据该实施例，包含有喷射成型器的3D打印机可以用于现有零件的表面的精整和零件的整体构造。在其它示例性实施例中，喷射成型3D打印机不限于金属的喷射成型，并且可以附加地或替代地采用塑料和其它材料(例如金属)的喷射成型。因此，3D打印机可以包含喷射成型器，其广泛地包括一个或更多个机械组件，用于将预期材料转换成液滴并且以由3D打印指令和/或与3D打印机相关联的CAM程序指定的方式将材料喷射成型。
图4示出了采用喷射成型的3D打印机400的概念图。3D打印机包括支撑臂402、构建板404和基板406。在该实施例中，工具壳体408设置在基板406的表面上。在一个示例性实施例中，工具壳体408是预先机加工或3D打印的，并且在其构造之后放置在基板408上。
在另一个示例性实施例中，如下面参考图5和6进一步描述的，工具壳体408可以在3D打印机400上被3D打印。例如，3D打印机400可以包括常规的计算机控制的打印挤出器(未示出)，其可以使用多种公知方法(SLS、FDM等)中的任何一种来3D打印模具。在另一个示例性实施例中，模具使用3D打印机400得以喷射成型。
在3D打印机的计算机控制下的机械手臂414可以用于在工具壳体408的表面上将零件410(比如面板)喷射成型。在其它示例性实施例中，喷射成型直接沉积在基板406上，以将零件410喷射成型。机械手臂414的喷嘴416将材料的液滴412射出到工具壳体408上，从而形成零件410，如上所述。
由于零件410是由3D打印机使用喷射成型来形成的，可以理解的是，零件410的有角度的或倾斜的部段418和420可以在没有任何明显的阶梯效应的情况下形成。因此，使用喷射成型(作为3D打印机的一部分并在计算机控制3D打印机的情况下)使得制造商能够形成不需要进一步精整步骤的零件410。因此，可以在单个步骤中或在单个3D打印机上提供平滑化的零件。
在示例性实施例中，机械手臂414可以在各种方向和角度上被操纵。例如，机械手臂414可以在A、B或C方向中的一个或更多个(或其间任何点的方向)上移动，所述方向可以相应地对应于3D打印机的坐标轴X、Y、Z。例如，在另一个示例性实施例中，机械手臂414可以以基本上任何角度倾斜，以便以各种角度执行喷射成型。在又另一实施例中，机械手臂414可以被构造为如箭头和对应的标记D所示那样旋转或扭转。在示例性实施例中，机械手臂414配备有六个自由度。在一个实施例中，机械手臂414被设计成相对于通常庞大的打印挤出器502和相关的机械组件而言较薄。这赋予了机械手臂414额外的灵活性来围绕基板移动。
执行塑料挤出的常规3D打印机通常具有有限的改变打印挤出器的角度的能力。这种常规打印机通常采用用于打印喷嘴的枢转点来代替薄的柔性机械手臂。由于这个原因，3D打印机上的挤出器通常没有使得它们在其运动的程度上具有显著灵活性的六个自由度。这种限制的一个原因是，常规的打印喷嘴通常具有较粗的直径，并且不能容易地围绕不同的轴进行操作，这与圆滑的机械手臂414形成对比，机械手臂的直径的范围可以做得非常细，这部分地由于喷射成型技术的固有特性和喷射喷嘴所需的小尺寸的液滴。
此外，由于挤出材料的厚度和其它约束，当挤出器角度改变时，例如，改变到稍微有角度的位置以沉积材料时，从常规的打印机中挤出的材料可能受到重力的不利影响。也就是说，常规的3D打印机中的打印挤出器通常较庞大，具有更大的惯性，并且由于其与挤出系统的其余部分的枢转点连接而在运动上受到限制，所以其改变角度和方向的灵活性因此受限。这种现象在原理上类似于试图上下颠倒地用圆珠笔进行书写。使用喷射成型的3D打印没有这种限制。喷射成型技术使得3D打印机能够以基本上任何角度(包括向上方向)将轻液滴喷射到基板或零件上，并且喷射机制基本上不受重力的不利影响。
因为机械手臂414和喷射成型能力被包含作为3D打印机的一部分，所以可以使用直接提供给3D打印机的指令在计算机控制下控制和引导机械手臂414。此外，与常规的喷射成型方法相反，在常规的喷射成型方法中，腔室约束零件成形以符合单一或有限的几何构造，如本文中公开的3D打印机可以三维地喷射成型零件，其中这些零件在软件控制下具有各种可能的几何构造和特征。
打印机和机械手臂414的机械组件可以根据实施例而变化。在执行金属的喷射成型的情况下，该组件可以包含用于加热金属的机构、雾化器和其它元件。在另一个实施例中，3D打印机的机械手臂414可以被构造成将树脂喷射到模具或基板上，用于形成或精整零件。通常，在考虑对不同类型的材料进行喷射成型时，熔化的材料不应该过度粘性从而使它们令喷嘴416难以喷出液滴。因此，在示例性实施例中，机械手臂414的喷嘴416可以包括用于调节喷射成型过程中使用的目标材料的粘度的组件。在一个实施例中，组件可以根据软件基于喷射成型过程中使用的材料进行动态调整。此外，对于塑料，加热机构可以被包括在喷嘴416之中或附近，以便促进材料的流动。
当使用热固性树脂时，树脂和硬化剂通常按一定比例混合，然后进行施用。将树脂和硬化剂预混合然后试图将所得到的粘性材料喷射成型会带来固有的困难。例如，预混合树脂和硬化剂并将组合材料喷射成型可能造成材料在喷嘴内固化，从而堵塞喷嘴。
因此，在另一个示例性实施例中，机械手臂414可以包括两个喷嘴416(仅示出一个)，每个喷嘴构成单独的喷射成型头部。第一个这样的喷嘴可以喷射树脂，而第二个喷嘴可以喷射硬化剂。这种技术消除了预混合和喷射组合的树脂与硬化剂所固有的困难。
上述3D打印技术可以用于使用喷射成型来平滑(精整)零件(比如面板)或者用于制造零件。
在对塑料进行喷射成型时，喷嘴416的直径通常非常小，在一些实施例中大约为50μm。因为喷嘴416的直径小，所以离开喷嘴416的材料的对应厚度可以忽略不计，使得当使用喷射成型技术3D打印零件时，基本上没有观察到阶梯效应。
机械手臂414有利于包含到用于喷射成型的3D打印机400中，因为除了其它原因之外，这种机械手组件可以由3D打印机中所使用的相关指令和数据模型控制。
回头参考图4，在待形成的零件410构成车辆的外部本体面板的示例中，形成面板的材料可以喷射在3D打印的工具壳体408(或者在其它实施例中的基板406)上。以这种方式，由于3D打印的工具壳体408的表面特性而产生的缺陷仅出现在最终面板的B侧，在这里零件410与工具壳体408的表面相交。相比之下，面板的A侧(零件410的表面418、420)可以被做成基本上完美无瑕地平滑，从而满足A类车辆表面要求。
在另一个示例性实施例中，如上所述的3D打印机可以用于将树脂喷射在金属或塑料的3D打印的工具上，以平滑化工具的表面。
在涉及金属的喷射成型的实施例中，各种技术和过程可以适用于与之结合使用，包括等离子体沉积、物理气相沉积、化学气相沉积等。
使用本文描述的技术，在打印机的软件控制下，具有复杂几何构造的平滑的金属或塑料零件可以从基面向上喷射成型而成。层可以从构建板404喷射而成，或者替代地，第一材料可以用作底座406，而第二材料可以用于喷射成型过程。在本文描述的系统和方法的一些方面，喷射成型可以用于制造结构接头。
在另一个示例性实施例中，喷射成型机构与常规的3D打印挤出器集成在一起，以制造单个3D打印机。根据该示例性实施例的3D打印机能够具有双重(或多重)功能；即，常规的挤出器(比如，SLS、FDM等)，其可以用于3D打印零件；以及喷射成型器，其可以用于制造零件或者为通过常规的打印挤出器打印的零件提供精整。因此，喷射成型可以用于制造各种结构。喷射成型也可以用于制造结构接头，包括使用也被喷射成型的结构来形成结构接头。
在一些方面，图4的3D打印机400可以是用于形成结构的设备。所述结构可以包括第一部分，第二部分和结构接头，所述设备。3D打印机400可以包括被构造成接收第一部分的第一接收器。在一个方面，第一部分可以具有第一锥形末端。例如，第一接收器可以是构建板404的第一部分。3D打印机400可以包括被构造成接收第二部分的第二接收器。在一个方面，第二部分可以具有第二锥形末端。例如，第二接收器可以是构建板404的第二部分。3D打印机400可以包括被构造成接收材料的材料接收器。例如，喷嘴416可以获得接受的材料并喷射所述材料以打印结构接头。3D打印机400可以是计算机控制的，并且可以包括存储器和联接到存储器的至少一个处理器。处理器可以被配置成接收用于打印结构接头的指令。所述指令可以基于结构接头的数据模型。另外，所述至少一个处理器可以基于所述指令控制结构接头的打印，所述打印包括将材料喷射成型以生产结构接头，所述结构接头将第一部分连接到第二部分。
在一些方面中，图4A-4B的3D打印机400可以提供一种用于接收打印结构接头的指令的装置。例如，3D打印机400可以由处理器控制。处理器可以提供用于接收打印结构接头的指令的装置。3D打印机400可以提供用于接收第一部分和第二部分的装置。在一个方面，第一部分可以具有第一锥形末端，并且第二部分可以具有第二锥形末端。例如，构建板404可以是用于接收打印结构接头的指令的装置。第一部分和第二部分可以放置在构建板404上。3D打印机400可以提供用于接收材料的装置。用于接收材料的装置例如是3D打印机400的喷嘴416或其它部件。3D打印机400可以提供基于指令打印结构接头的装置。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头。结构接头可以将第一部分连接到第二部分。
图5示出了集成有喷射成型和FDM打印能力的3D打印机500的示意图。虽然为了说明的目的示出了FDM组件，但是应当理解，任何常规的3D打印技术都可以与喷射成型机构集成。喷射成型机构包括机械手臂514、喷嘴516和由打印机软件引导的相关控制机构(未示出)。如先前参考图4所示，图5的机械手臂514可以在3D打印机指令的控制下，并且可以各种角度和方向(包括在A、B、C和D方向上)操作。
在所示的实施例中，使用打印挤出器502和打印材料514和518中的一个或两个，零件508被3D打印在构建板504(或中间基板或泡沫底座)上。如结合前面的实施例所讨论的，零件508的有角度部分的特征在于阶梯效应，为了清楚起见，这里放大了其比例。在零件508经由打印挤出器502被3D打印之后，机械手臂的喷嘴516应用喷射成型来精整零件，并因此减少或消除阶梯效应，使得零件508将具有如前面参考图5A和5C所述的平滑的有角度的表面。根据实施例，金属、塑料或复合材料可以喷射成型。
图6A-6B是示出使用喷射成型进行3D打印的示例性方法的流程图600。参考图6A，在610处，渲染待打印的零件的数据模型。在620处，数据模型被分切成多个层，以产生3D打印指令。根据不同的应用，这些指令可以包括用于常规的3D打印(比如SLS或FDM)、喷射成型或两者的指令。在630处，上传指令至3D打印机。
在640处，将材料提供至3D打印机500，以用于3D打印物体。这些材料可以包括塑料、金属、树脂和复合材料中的一种或更多种，所述材料处于其适当的形式以用于所采用的特定3D打印技术。该步骤还可以包括提供用于喷射成型零件的材料。在示例性实施例中，材料被提供给3D打印机内的不同功能机构。在其它实施例中，喷射成型机构可以从常见来源(如常规的3D打印头部)处抽取其材料。应该注意的是，步骤640不需要以任何特定顺序发生，并且可以发生在步骤610-630中的任何一个之前或之后，只要材料在实际打印零件的时候可用即可。
参考图6B，在650处，3D打印机500可以基于指令确定待生产的零件是否将经由喷射成型来制造(如图5中经由机械手臂514和喷嘴516施加材料的情况)，或经由常规的3D打印技术(如图5中经由打印挤出器502施加一种或更多种材料514、518)。如果确定零件将被喷射成型，那么在660处，3D打印机500将在基板504或在另一个底座板上形成零件。相反，如果确定该零件将使用常规的打印挤出器502进行3D打印，那么在步骤670处，3D打印机500将继续在基板上沉积连续层，直到形成零件508。应当理解的是，零件508的有角度部分可能包括如前所述的阶梯效应。
在示例性实施例中，在使用3D打印挤出器502打印零件508(图5)之后，则在680处，3D打印机500可以将零件508的表面喷射成型，包括阶梯部分，以精整零件，并且因此使零件508的有角度部分平滑化。在该示例性实施例中，使用常规装置打印的零件508构成了使用3D打印机500的喷射成型部分精修的中间结构。在另一个示例性实施例中并且根据提供至3D打印机500的指令，当打印挤出器502正在沉积材料层时，机械手臂514可以同时在中间结构508的部分上提供精整。在另一个示例性实施例中，基于不同的指令集，3D打印机500可以部分地使用打印挤出器502并且部分地使用经由机械手臂514和喷嘴516的喷射成型来3D打印结构508。
尽管为了清楚的目的，机械手臂514被示为在比例上相对于构建板504和零件508较小，但是在其它实施例中，机械手臂514可以以任何灵活的方式构造。例如，机械手臂514可以更长，具有更宽的范围，并且具有更灵活的几何构造，以使其能够从所有角度，或者包括相对于底板的倒置角度在内的更宽范围的角度将零件508喷射成型。
在图7的流程图700所示的另一个示例性实施例中，3D打印机采用了对阶梯效应的原位监测或对3D打印结构的其它变化的原位监测。在使用CAD模型或另一种合适的软件技术的编程期间，可以定义构成该结构的一个或更多个层的标称尺寸和公差(步骤710)。例如，可以定义层厚度的标称尺寸(在边缘或其它位置)以及与标称尺寸的对应的偏离公差。举例来说，如果特定层的标称厚度为1英寸，对应的公差可以是+/-0.005英寸，或者任何合适的数字。可以类似地定义其它尺寸。例如，该结构的倾斜表面的角度或轮廓的指定的标称尺寸可以与该角度或轮廓的对应的公差一起定义。
3D打印机打印中间结构(步骤720)。3D打印机可以扫描打印的中间结构，并因此确定所讨论的实际物理尺寸，比如层的厚度、有角度部分中的阶梯效应的测量结果等(步骤730)。在一个示例性实施例中，扫描是在渲染3D打印的中间结构之后执行的。在另一个示例性实施例中，在打印中间结构的同时实时执行扫描。在接收到所讨论的实际物理尺寸之后，3D打印机和/或其控制系统或相关联的软件应用可以将所确定的物理尺寸与标称尺寸和相应的公差进行比较(步骤740)。
3D打印机然后可以向机械手臂的控制系统提供反馈，比如举例来说，当所确定的物理尺寸落在所识别的标称尺寸的公差之外时(步骤750)。使用该反馈，3D打印机可以将中间结构喷射成型，以提供材料来使受影响的层和/或结构处于指定的公差内(步骤760)。因此，例如，喷射成型器可以使粗糙边缘平滑和/或向结构的部分添加厚度。根据实施例，喷射成型可以在中间结构的3D打印(使用FDM、SLS或另一种技术)期间实时执行。替代地，喷射成型可以在中间结构完成后执行。
各种结构，包括按照关于图2、6A-6B、7所讨论的那样和/或其它制造方法制造的结构可以使用本文描述的系统和方法连结在一起。例如，喷射成型可以用于制造结构接头。
图8-12是示出了使用喷射成型来制造结构接头的示例的示意图。例如，一些方面可以使用冷喷射成型来制造结构接头。冷喷射成型通常可以是通过喷射一种或更多种材料来形成制造物品的增材制造过程。通过冷喷射制造过程，被沉积的材料可以保持在材料的熔点以下。被沉积的材料可以以一定速度喷射在底座处，该速度足够高以在撞击时引发固态焊接。可以使用喷嘴(例如冷喷射喷嘴)来喷射材料。冷喷射可以用于沉积金属(或金属合金、塑料、陶瓷或其混合物)接头，以连结例如许多现成零件或制造零件，比如挤出零件、3D打印的零件、冷喷射3D打印的零件或其它制造零件。虽然如本文所使用的，大多数(如果不是全部的话)现成零件是制造的，但是制造零件通常可以指本地制造的零件，或者特别是将使用本文所述的系统和方法连结的零件。制造零件可以在实施本文所述的系统和方法的区域(例如建筑物)中制造。零件可以使用3D打印和/或3D冷喷射打印或其它制造技术来制造。
现成零件或制造零件可以由支架、撑条、托架或其它支撑物保持。现成零件或制造零件可以由机械手臂保持，或者可以使用一个或更多个机械手臂移动到支架、撑条、托架或其它支撑物处。一个零件(现成零件或制造零件)可以由支架、撑条、托架或其它支撑物支撑，而第二零件可以由一个或更多个机械手臂支撑。零件可以被保持，使得零件接触。例如，零件可以由支架、撑条、托架或其它支撑物保持，使得零件接触。零件可以由一个或更多个机械手臂保持，使得零件接触。这些零件可以由支架、撑条、托架、其它支撑物或机械手臂的一些组合来保持，使得零件接触。
在一个方面，零件上的表面可以被修改以允许、准许或改善冷喷射金属(或金属合金)沉积物的附着。例如，零件的接触表面可以被制备为改善冷喷射金属沉积物的附着。
在一个方面，复合材料，例如碳纤维复合材料，可以通过冷喷射过程连接。在这一方面，复合材料的部件的表面可能需要被制备为与其它部件连接。这些部件可以包括由复合材料(例如碳纤维复合材料)或者其它材料(例如金属，或者可以使用冷喷射技术结合的其它材料)制成的其它部件。可能需要制备复合材料，使得复合材料可以令人满意地附着到冷喷射沉积物。示例性的表面的制备操作可以包括复合材料的金属化。在复合材料的金属化中，薄层金属被施加到复合零件的旨在附着或结合至冷喷射沉积物的区域。
在一个方面，可以使用竖直组装单元。下面参照图14描述竖直组装单元。竖直组装单元可以增加自由度，并允许冷喷射枪进入以在两个工件之间的每个接触的部位处沉积金属。
在一个方面，一个或更多个冷喷射枪可以增材构建结构接头，其可以牢固地附着到零件。例如，当零件之间存在间隙时，一个或更多个冷喷射枪可以增材构建起一个或两个零件，以封闭零件之间的间隙。冷喷射枪可以增材构建起结构接头，其然后可以连结零件。
在一个方面，多种材料可以与本文所述的系统和方法一起使用，举例而言，比如多种金属或金属合金。可能需要选择金属(金属合金或二者)，以允许冷喷射沉积物的牢固附着。在一个方面，第一金属(或金属合金)可能需要附着到第二金属(或金属合金)，其接触并需要例如使用(金属或金属合金的)冷喷射来连接。一种金属可以使用一种或更多种中间金属来连接到另一种金属，例如，当接触的每种金属可以彼此附着时。
两个或更多个零件之间的待连结的间隙可以通过冷喷射沉积来构建起来，直到冷喷射沉积物与两个零件物理接触。如本文中使用的，一个零件可称为第一部分，而第二零件可以称为第二部分。这两个(或更多个)零件可以使用本文描述的系统和方法联接在一起，以制造结构。
图8是示出使用喷射成型来制造结构接头814的一个示例的示意图。结构800可以包括第一部分806，第二部分808和结构接头814。结构接头814可以在第一部分806和第二部分808相交的位置812处形成在第一部分806和第二部分808的末端处。
结构接头814可以使用喷射成型装置的喷嘴802在第一部分806和第二部分808之间形成，如关于图1A-1B和4的3D打印装置100、400所讨论的。喷嘴802可以喷射出喷射成型材料804，例如金属(或金属合金)。喷射成型材料可以是与第一部分806和第二部分808的每种材料相容的金属。例如，第一部分806、第二部分808和喷射成型材料804可以是相容的金属。在一个方面，第一部分806和第二部分808可以由相同的金属(或金属合金)制成，并且喷射成型材料804可以是与第一部分806和第二部分808的金属或金属合金相容的金属(或金属合金)。
在一个方面，第一部分806和第二部分808可以如箭头810所示旋转。因此，当第一部分806和第二部分808例如旋转360度时，结构接头814可以围绕整个第一部分和第二部分806、808形成。
结构接头814可以基于指令来制造。所述指令可以基于结构接头814的数据模型。数据模型可以包括比如用于第一部分806、第二部分808的合金、金属、喷射成型材料804、或第一部分806、第二部分808或喷射成型材料804的组合的材料。数据模型可以包括用于喷射成型材料804的温度。数据模型可以包括第一部分806和第二部分808的尺寸，例如，可以定位第一部分806和第二部分808的尺寸。数据模型可以包括第一部分806、第二部分808、喷射成型材料804或第一部分806、第二部分808或喷射成型材料804的组合的其它属性。其它属性可以包括但不限于例如表面光洁度、冷喷射过程期间零件的温度、公差、零件的取向、冷喷射工艺参数。指令可以基于数据模型来开发。因此，结构接头814可以基于指令来打印。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头814。结构接头814可以将第一部分806连接到第二部分808。
图9是示出使用喷射成型来制造结构接头910的另一个示例的示意图。结构900可以包括第一部分906，第二部分908和结构接头910。结构接头910可以在第一部分906和第二部分908相交的位置(结构接头910的位置)处形成在第一部分906和第二部分908的末端处。在图9的示例中，第一部分906的末端和第二部分908的末端可以是锥形的。锥形末端可以允许喷射成型材料填充锥形末端。
结构接头910可以使用喷射成型装置的喷嘴902在第一部分906和第二部分908之间形成，如关于图1A-1B和4的3D打印装置100、400所讨论的。喷嘴902可以喷射出喷射成型材料904，例如金属(或金属合金)。喷射成型材料可以是与第一部分906和第二部分908的每种材料相容的金属。例如，第一部分906、第二部分908和喷射成型材料904可以是相容的金属。在一个方面，第一部分906和第二部分908可以由相同的金属(或金属合金)制成，并且喷射成型材料904可以是与第一部分906和第二部分908的金属或金属合金相容的金属(或金属合金)。
结构接头910可以基于指令来制造。所述指令可以基于结构接头910的数据模型。数据模型可以包括比如用于第一部分906、第二部分908的合金、金属、喷射成型材料904、或第一部分906、第二部分908或喷射成型材料904的组合的材料。数据模型可以包括用于喷射成型材料904的温度。数据模型可以包括第一部分906和第二部分908的尺寸，例如，可以定位第一部分906和第二部分908的尺寸。数据模型可以包括第一部分906、第二部分908、喷射成型材料904或第一部分906、第二部分908或喷射成型材料904的组合的其它属性。指令可以基于数据模型来开发。因此，结构接头910可以基于指令来打印。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头910。结构接头910可以将第一部分906连接到第二部分908。
图10是示出使用喷射成型来制造结构接头1010的另一个示例的示意图。结构1000可以包括第一部分1006，第二部分1008和结构接头1010。结构接头1010可以在第一部分1006和第二部分1008相交的位置(结构接头1010的位置)处形成在第一部分1006和第二部分1008之间。在图10的示例中，第一部分1006和第二部分1008可以彼此平行或几乎平行地延行。第一部分1006和第二部分1008可以沿着第一部分1006和第二部分的每一个的侧部相交。
结构接头1010可以使用喷射成型装置的喷嘴1002在第一部分1006和第二部分1008之间形成，如关于图1A-1B和4的3D打印装置100、400所讨论的。喷嘴1002可以喷射出喷射成型材料1004，例如金属(或金属合金)。喷射成型材料可以是与第一部分1006和第二部分1008的每种材料相容的金属。例如，第一部分1006、第二部分1008和喷射成型材料1004可以是相容的金属。在一个方面，第一部分1006和第二部分1008可以由相同的金属(或金属合金)制成，并且喷射成型材料1004可以是与第一部分1006和第二部分1008的金属或金属合金相容的金属(或金属合金)。
结构接头1010可以基于指令来制造。所述指令可以基于结构接头1010的数据模型。数据模型可以包括比如用于第一部分1006、第二部分1008的合金、金属、喷射成型材料1004、或第一部分1006、第二部分1008或喷射成型材料1004的组合的材料。数据模型可以包括用于喷射成型材料1004的温度。数据模型可以包括第一部分1006和第二部分1008的尺寸，例如，可以定位第一部分1006和第二部分1008的尺寸。数据模型可以包括第一部分1006、第二部分1008、喷射成型材料1004或第一部分1006、第二部分1008或喷射成型材料1004的组合的其它属性。指令可以基于数据模型来开发。因此，结构接头1010可以基于指令来打印。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头1010。结构接头1010可以将第一部分1006连接到第二部分1008。
图11是示出使用喷射成型来制造结构接头1110的另一个示例的示意图。结构1100可以包括第一部分1106，第二部分1108和结构接头1110。在图11的示例中，第一部分1106和第二部分1108可以彼此平行或几乎平行地延行。第一部分1106和第二部分1108可以彼此靠近。因此，第一部分1106和第二部分1108可以在它们之间有间隙。喷射成型材料1104可以用于在间隙中构建区域，以连接第一部分1106和第二部分1108从而形成结构接头1110。
结构接头1110可以使用喷射成型装置的喷嘴1102在第一部分1106和第二部分1108之间形成，如关于图1A-1B和4的3D打印装置100、400所讨论的。喷嘴1102可以喷射出喷射成型材料1104，例如金属(或金属合金)。喷射成型材料可以是与第一部分1106和第二部分1108的每种材料相容的金属。例如，第一部分1106、第二部分1108和喷射成型材料1104可以是相容的金属。在一个方面，第一部分1106和第二部分1108可以由相同的金属(或金属合金)制成，并且喷射成型材料1104可以是与第一部分1106和第二部分1108的金属或金属合金相容的金属(或金属合金)。
结构接头1110可以基于指令来形成。所述指令可以基于结构接头1110的数据模型。数据模型可以包括比如用于第一部分1106、第二部分1108的合金、金属、喷射成型材料1104、或第一部分1106、第二部分1108或喷射成型材料1104的组合的材料。数据模型可以包括用于喷射成型材料1104的温度。数据模型可以包括第一部分1106和第二部分1108的尺寸，例如，可以定位第一部分1106和第二部分1108的尺寸。数据模型可以包括第一部分1106、第二部分1108、喷射成型材料1104或第一部分1106、第二部分1108或喷射成型材料1104的组合的其它属性。指令可以基于数据模型来开发。因此，结构接头1110可以基于指令来打印。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头1110。结构接头1110可以将第一部分1106连接到第二部分1108。
图12是示出使用喷射成型来制造结构接头1210的另一个示例的示意图。结构1200可以包括第一部分1206，第二部分1208和结构接头1210。结构接头1210可以在第一部分1206和第二部分1208相交的位置(结构接头1210的位置)处形成在第一部分1206和第二部分1208的末端处。在图12的示例中，第一部分1206的末端和第二部分1208的末端可以以一定角度相交。
结构接头1210可以使用喷射成型装置的喷嘴1202在第一部分1206和第二部分1208之间形成，如关于图1A-1B和4的3D打印装置100、400所讨论的。喷嘴1202可以喷射出喷射成型材料1204，例如金属(或金属合金)。喷射成型材料可以是与第一部分1206和第二部分1208的每种材料相容的金属。例如，第一部分1206、第二部分1208和喷射成型材料1204可以是相容的金属。在一个方面，第一部分1206和第二部分1208可以由相同的金属(或金属合金)制成，并且喷射成型材料1204可以是与第一部分1206和第二部分1208的金属或金属合金相容的金属(或金属合金)。
结构接头1210可以基于指令来形成。所述指令可以基于结构接头1210的数据模型。数据模型可以包括比如用于第一部分1206、第二部分1208的合金、金属、喷射成型材料1204、或第一部分1206、第二部分1208或喷射成型材料1204的组合的材料。数据模型可以包括用于喷射成型材料1204的温度。数据模型可以包括第一部分1206和第二部分1208的尺寸，例如，可以定位第一部分1206和第二部分1208的尺寸。数据模型可以包括第一部分1206、第二部分1208、喷射成型材料1204或第一部分1206、第二部分1208或喷射成型材料1204的组合的其它属性。指令可以基于数据模型来开发。因此，结构接头1210可以基于指令来打印。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头1210。结构接头1210可以将第一部分1206连接到第二部分1208。
图13是示出使用喷射成型来制造结构接头的示例性方法的流程图1300。所述结构可以包括第一部分、第二部分和结构接头。在1302处，实现该方法的设备可以接收用于打印结构接头的指令。所述指令可以基于结构接头的数据模型。例如，实现该方法的设备(比如3D打印机100或3D打印机400)可以接收用于打印结构接头(814、910、1010、1110、1210)的指令。所述指令可以基于结构接头(814、910、1010、1110、1210)的数据模型。
在1304处，实现该方法的设备可以接收第一部分和第二部分。例如，实现该方法的设备(比如3D打印机100或3D打印机400)可以接收第一部分(806、906、1006、1106、1206)和第二部分(808、908、1008、1108、1208)。第一部分和第二部分可以是金属或金属合金的。在一个方面，第一部分可以具有第一锥形末端，并且第二部分可以具有第二锥形末端。(例如，参见图9。)
在1306处，实现该方法的设备可以接收材料。例如，实现该方法的设备(比如3D打印机100或3D打印机400)可以接收材料。该材料可以是金属或金属合金。该材料可以用于形成喷射成型材料(804、904、1004、1104、1204)。
在1308处，实现该方法的设备可以基于指令来打印结构接头。该打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头。结构接头可以将第一部分连接到第二部分。例如，实现该方法的设备(比如3D打印机100或3D打印机400)可以基于指令打印结构接头(814、910、1010、1110、1210)。打印可以包括将材料(804、904、1004、1104、1204)喷射成型以生产结构接头(814、910、1010、1110、1210)。结构接头(814、910、1010、1110、1210)可以将第一部分(806、906、1006、1106、1206)连接到第二部分(808、908、1008、1108、1208)。在一个方面，打印可以包括将材料喷射成型以生产结构接头，并在喷射成型期间旋转第一部分和第二部分。(例如，参见图8。)在一个方面，打印可以包括将第一锥形末端连结到第二锥形末端。(例如，参见图9。)
在1310处，实现该方法的设备可以制备第一部分或第二部分中的至少一个。该制备包括第一部分或第二部分中的至少一个的金属化。例如，实现该方法的设备(比如3D打印机100或3D打印机400)可以制备第一部分(806、906、1006、1106、1206)或第二部分(808、908、1008、1108、1208)中的至少一个。该制备可以包括第一部分或第二部分中的至少一个的金属化。金属化可以包括将薄层金属施加到复合零件的旨在附着或结合到冷喷射沉积物的区域，例如第一部分(806、906、1006、1106、1206)和/或第二部分(808、908、1008、1108、1208)。
在一个方面，第一部分包括商业现成零件。
在一个方面，第二部分包括商业现成零件。
在一个方面，第一部分包括3D打印的零件。
在一个方面，第二部分包括3D打印的零件。
在一个方面，第二部分包括3D冷喷射打印的零件。
在一个方面，第一部分包括3D冷喷射打印的零件。
在一个方面，第二部分包括3D冷喷射打印的零件。
在一个方面，在打印结构接头期间，至少第一部分由支架保持。
在一个方面，在打印结构接头期间，至少第一部分由机械手臂保持。
在一个方面，第一部分和第二部分在结构接头的打印期间是接触的。
在一个方面，至少第一部分已经被制备成允许冷喷射金属沉积物的附着。
一个方面可以使用竖直组装单元来制造结构接头作为组装过程的一部分。
在一个方面，至少第一部分已使用冷喷射金属沉积物构建起来。
在一个方面，第一部分包括第一材料，第二部分包括第二材料，并且结构接头包括第三材料，并且其中第一材料和第三材料以及第二材料和第三材料已经适当地金属化以允许牢固附着。
在一个方面，第一材料和第二材料包括相同的材料。
在一个方面，第三材料可以被构造成承受第一材料与第三材料的连接部上的应力。
在一个方面，第三材料可以被构造成承受第二材料与第三材料的连接部上的应力。
图14示出了用于制造车辆的系统的制造单元1400的示例。制造单元可以是竖直组装单元。如下所述，竖直组装单元可以增加自由度，并允许冷喷射枪进入以在两个工件之间的每个接触的部位处沉积金属。制造单元1400被构造成用于组装车辆的框架1403。制造单元1400包括定位器1412、机械手载体1422和机械手1432。定位器1412被构造成接收固定台1442，其中固定台1442被构造成保持框架1403。术语“框架”还可以称为交通工具的“空间框架”、“智能框架”、“底盘”、“支撑结构”或“支撑部件”。
如图14所示，机械手载体1422包括竖直升降机1424，其中竖直升降机包括竖直柱1424a和搁板1424b，其中搁板1424b可移动地附接到竖直柱1424a，并从竖直柱1424a径向向外延伸。搁板1424b可沿竖直方向移动。机械手1432安装在搁板1424b上，并被构造成组装框架1403。定位器1412被构造成在框架1403的组装过程期间将框架1403支撑在竖直位置或主要竖直位置。
机械手载体1422可以进一步包括旋转底座1426。例如，竖直升降机1424附接到旋转底座1426。底座1426具有底座中心轴线1428，其中底座1426被构造成可围绕底座中心轴线1428旋转。机械手载体1422被构造成支撑机械手1432。在该实施例中，机械手载体1422具有2个自由度，竖直运动和旋转。机械手载体1422具有独立旋转的竖直升降柱1424a。由于底座1426被构造成可绕底座中心轴线1428旋转，安装在底座1426上的竖直柱1424a也可绕底座中心轴线1428旋转。
机械手1432可以具有各种轴线构造。例如，机械手1432可以具有机械手底座1432b和臂1432a。机械手底座1432b安装在竖直升降机1424的搁板1424b上。机械手1432可以具有六个轴线，也称为六个自由度。六轴线机械手1432允许更大的可操作性，并且可以比具有更少轴线的机械手执行更广泛的操作。然而，在其它构造中，可以使用少于六个的轴线。在一些实施例中，机械手1432具有位于机械手底座1432b处的第一轴线1438，其允许机械手从一侧旋转到另一侧。第一轴线1438是机械手1432的中心轴线1438。机械手1432被构造成围绕机械手中心轴线1438旋转。该轴线1438允许机械手1432在任一方向上从中心自转至或经过完整的1480度范围。
机械手1432可以具有允许机械手1432的下臂1432a向前和向后延伸的第二轴线。它是驱动整个下臂1432a运动的轴线。机械手1432可以具有第三轴线，该第三轴线使机械手的范围延伸。它允许上臂上升和下降。在一些铰接型号上，它允许上臂触及本体后方，从而进一步扩大工作范围。该轴为上臂提供更好的零件可及性。机械手1432可以具有第四轴线，该第四轴线有助于端部执行器的定位和对待组装零件的操纵。机械手1432还可以具有第五轴线，该第五轴线允许机械手臂的腕部上下倾斜。机械手1432还可以具有第六轴线，该第六轴线就是机械手臂1432a的腕部。
在一些实施例中，机械手中心轴线1438偏离底座中心轴线1428，如图14所示。机械手底座1432b安装在竖直升降机1424的搁板1424b上。由于搁板1424b从底座中心轴线1428处径向向外延伸，所以机械手中心轴线1438离底座中心轴线1428有一段距离。当竖直升降机1424可绕底座中心轴线1438旋转时，搁板1424b也可绕底座中心轴线1438旋转。因此，除了可绕机械手1432的第一轴线1438旋转之外，机械手1432还可围绕绕底座中心轴线1428的弧线运动旋转。机械手底座1432a围绕底座中心轴线1428的这种挥扫运动使机械手1432的工作区域延伸，从而包括在竖直轴线1428的任一侧和后面的区域。以这种方式，机械手1432能够独立地上下竖直移动、从一侧到另一侧旋转以及上述运动的组合。因此，机械手1432不限于其自身的自由度。机械手1432具有更大的工作范围。机械手载体1422和机械手1432一起具有八个自由度。更多的自由度允许制造商使用更少的机械手，这可降低成本并提高效率。
在一些实施例中，机械手载体1422可以包括控制单元(未示出)。控制单元被构造成控制机械手载体1422。制造单元1400可以进一步包括控制器1485，其可以被构造成控制机械手载体1422、机械手1432、定位器1412以及系统的其余部分的控制。控制器1485可以被构造成控制框架1403的组装过程，例如自动组装过程。整个组装过程能以高效率和低成本自动化。在其它实施例中，中央控制站可以与机械手载体1422通信，以发布用于组装过程的指令。在其它实施例中，机械手载体1422可以被授权执行某些功能并自行做出某些决定，而中央站或现场服务器可以控制其它可能更重要的决定，这些决定可以通过电子方式或其它方式传送给机械手载体1422。简而言之，取决于应用和目的，可以将各种控制自动化构造实现到系统中，并且每个这种构造旨在落入本公开的精神和范围内。
如图14所示，定位器1412被构造成在框架1403的组装过程期间将固定台1442支撑在竖直位置。与常规的组装或制造技术相比，竖直制造单元1400的一些优点包括更好的可及性、增加的自由度、减少的占地面积、更少的零件转移、减少的部件数量以及更低的维护费用。竖直组装单元还可以允许冷喷射枪进入以在两个工件之间的每个接触的部位处沉积金属。因此，在一个方面，竖直组装单元可以允许在组装期间通过允许冷喷射枪在工件组装时沉积金属来执行冷喷射操作。竖直空间利用率可被最大化。机械手能从更多角度触及框架，这能提高框架1403的组装过程的效率。
在一些实施例中，制造单元1400可以进一步包括第二机械手载体1425和第二机械手1435。两个机械手1432、1435一起工作来组装框架1403或其零件。例如，第二机械手载体1425可以定位在定位器1412的与机械手载体1422相比的相对侧。作为另一个示例，机械手载体1422可以相对于定位器1412成+45度定位，并且第二机械手载体1425可以相对于定位器1412成-45度定位。制造单元1400可以进一步包括一个或更多个机械手载体。机械手载体的数量没有限制。还存在用以放置一个或更多个机械手载体的许多构造。以上讨论的示例仅用于说明目的，并且对一个或更多个机械手载体的相对位置没有限制。
在一些实施例中，制造单元1400可以进一步包括一个或更多个固定机械手1462。例如，一个或更多个固定机械手1462中的每一个都可以放置在对应的基座1464上，该基座将固定机械手抬升到预期的工作高度，以允许更大的可接近性和触及性。固定机械手1462可以执行各种任务，比如组装组件、子组件、辅助等。
如图14中所示，制造单元1400可以冗余地或以其它方式提供二十五或更多个自由度。机械手1432可以提供六个自由度。机械手载体1422可以提供两个自由度。定位器1412可以提供三个自由度。具有一个机械手和一个机械手载体的制造单元1400可以具有11个自由度。第二机械手载体1425和第二机械手1435可以提供额外的8个自由度。具有两个机械手和两个机械手载体的制造单元1400可以提供总共19个自由度。当制造单元1400包括具有额外六个自由度的固定机械手1462时，总共可以有二十五个自由度。由于较大数量的自由度，制造单元1400可以具有比原本需要的更少数量的机械手。制造单元1400为组装各种车辆的框架提供了灵活性和灵巧性。
制造单元1400允许多个机械手被战略性地放置在单元内，从而能够汇集工作范围。制造单元1400的紧凑占地面积还具有节省空间的优点。制造单元1400可以具有各种尺寸。例如，制造单元1400可以具有400平方英尺和3600平方英尺之间的面积。制造单元1400的空间可以显著低于车辆的常规组装线。
此外，竖直制造单元1400使机械手能够充当固定件，代替常规的固定式固定件，从而在组装过程期间实现固定件的整体减少或消除。
例如，固定台可以具有带轮子的支腿，其能够在地板上移动，同时将框架保持在所需的公差内。
回头参考图14，制造单元1400可以被构造成组装、结合、紧固和测量框架1403。例如，制造单元1400可以被构造成组装、施加粘合剂、栓接和测量框架1403。机械手1432、1435可以被构造成执行多个任务，包括但不限于组装、结合、紧固和测量框架。例如，机械手1432、1435的臂1432a、1435a可以被构造成联接到多个端部执行器。多个端部执行器中的每个可构造为执行不同的功能。多个端部执行器可构造为被快速替换。制造单元1400进一步包括工具台1472。工具台可构造为保持框架1403的多个端部执行器或子组件或零件。
在一些实施例中，制造单元1400可以包括粘合剂注射子系统。机械手1432、1435还被构造成施加粘合剂以结合框架1403。粘合剂注射子系统可以包括粘合剂注射端部执行器1432c、1435c。框架1403包括多个连接部件14014、1401b、1401c、多个接头构件1402或节点1402。每个接头构件可以定尺寸和形状成与多个连接部件14014、1401b、1401c的至少一个子集配合，从而形成三维框架结构1403。多个接头构件1402或节点1402可以具有内置的粘合剂端口。例如，图14的机械手1432、1435可以被构造成抓取粘合剂注射端部执行器1432c、1435c。机械手1432、1435的臂1432a、1435a可以被构造成联接到粘合剂注射端部执行器1432c、1435c。
在一些实施例中，制造单元1400可以包括一个或更多个紧固件驱动器(未示出)。机械手1432、1435还被构造成通过使用紧固件驱动器将紧固件安装到框架1403。例如，机械手1432、1435的臂1432a、1435a可以被构造成联接到用于紧固件驱动器的端部执行器。一个或更多个紧固件驱动器可以附接到机械手1432、1435的臂1432a、1435a，以通过利用制造单元1400提供的所有自由度轴线来到达所有必要的位置。由于制造单元1400的自由度的数量增加提供了更好的可及性和可接近性，所以所需的机械手和紧固件驱动器的数量可以被最小化。
在一些实施例中，制造单元1400可以包括一个或更多个度量装置(未示出)。度量装置可以包括例如激光扫描器。机械手1432、1435还被构造成测量框架1403上的多个点，以执行框架1403的总体测量。例如，机械手1432、1435的臂1432a、1435a可以被构造成联接到用于度量装置的端部执行器。一个或更多个度量装置可以附接至机械手1432、1435的臂1432a、1435a。例如，机械手1432、1435可以被构造成扫描和测量框架1403。作为示例，机械手1432、1435可以被构造成通过扫描框架1403来测量框架1403。作为另一个示例，机械手1432、1435可以被构造成通过探测框架1403来测量框架1403。竖直制造单元1400可以有利地确保对框架1403的完全接近，从而避免需要额外的部件或硬件(例如，高架门架轨道系统)。
在一些实施例中，制造单元1400可以包括一个或更多个子组件机械手和一个或更多个子组件台。例如，一个或更多个子组件机械手中的每一个都可以被构造成在对应的子组件台上组装框架1403的子组件或子部段。子组件机械手可以将已组装的子组件传递给机械手载体1422、1425上的机械手1432、1435。机械手1432、1435可以从子组件处组装框架1403。一个或更多个子组件机械手可以实现同时组装，因此可以进一步减少组装过程的总体时间。
例如，制造单元1400可以包括一个或更多个工具更换器。工具更换器构造为为机械手替换多个端部执行器。例如，工具更换器可以用于从用于组装的专门设计的端部执行器、用于测量的扫描头、用于栓接安装的紧固件驱动器以及用于粘合剂和密封剂施加的粘合剂注入端部执行器进行切换。
如图14所示，制造单元1400可以被具有安全传感器和互锁件的安全屏障1494包围。例如，安全屏障1494使保持框架1403的固定台1442能够进入制造单元1400和离开制造单元1400，并且进一步向制造单元1400提供安全措施。例如，当安全传感器检测到意外的违规情况时，安全传感器可以向控制器1485发送信号以安全地停止组装过程。因此，如果个人无意中进入制造单元1400，控制器1485可以安全地停止组装过程，这又可以使当前移动的零件静止，否则所述部件可能是危险的，并且可能对个人造成重大伤害。总之，使用安全屏障1494可以避免伤害。在一些实施例中，安全屏障1494包括光电式光存在传感器。
制造单元1400通过减少结合、紧固和测量设备的重复度来提供灵活性和灵巧性。制造单元1400的可扩展性可通过向竖直制造单元1400增加衍生制造单元或者分离紧固、粘合和/或测量操作来实现。还可通过制造单元的串联式或并联式或两者的组合方式的复制来实现可扩展性。可通过机械手使用几乎无限数量的定制端部执行器和其它工具在交通工具上执行各种专业操作来获得灵活性。
前面的描述被提供来允许本领域中的任何技术人员实施本文描述的各个方面。对贯穿本公开给出的这些示例性实施例的各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文公开的构思可以应用于使用喷射成型的3D打印技术。因此，权利要求书并不旨在限于贯穿本公开给出的示例性实施例，而是应被赋予与权利要求语言一致的全部范围。贯穿本公开所描述的示例性实施例的要素的对于本领域的普通技术人员而言是公知或今后将公知的所有结构和功能等同物均旨在被权利要求书所包含。另外，本文公开的任何内容都不旨在贡献给公众，不管这种公开是否在权利要求书中明确记载。权利要求要素不得根据35 U.S.C.§112(f)的规定或可适用司法管辖区中的类似法律来解释，除非元件使用短语“用于...的器件”来明确记载，或者在方法权利要求的情况下，要素使用短语“用于...的步骤”来记载。

Claims (39)

1.一种形成结构的方法，所述结构包括第一部分、第二部分和结构接头，所述方法包括：
接收用于打印所述结构接头的指令，所述指令基于所述结构接头的数据模型；
接收所述第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一锥形末端，并且所述第二部分具有第二锥形末端；
接收材料；以及
基于所述指令打印所述结构接头，所述打印包括将材料喷射成型以生产所述结构接头，所述结构接头将所述第一部分连接到第二部分，这包括将所述第一锥形末端连接到第二锥形末端。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构接头填充所述第一锥形末端和第二锥形末端的区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分或第二部分中的至少一个包括商业现成零件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分包括3D打印的零件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二部分包括第二个3D打印的零件。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二部分包括3D冷喷射打印的零件。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分包括3D冷喷射打印的零件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二部分包括第二个3D冷喷射打印的零件。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在打印所述结构接头期间，至少所述第一部分由支架保持。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在打印所述结构接头期间，至少所述第一部分由机械手臂保持。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分和第二部分在所述结构接头的打印期间是物理接触的。
12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用竖直组装单元。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，至少所述第一部分已经使用冷喷射金属沉积物构建而成。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一部分包括第一材料，所述第二部分包括第二材料，并且所述结构接头包括第三材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第三材料被构造成承受所述第一材料与所述第三材料的连接部上的应力。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第三材料被构造成承受所述第二材料与所述第三材料的连接部上的应力。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括制备所述第一部分或所述第二部分中的至少一个，所述制备包括所述第一部分或第二部分中的至少一个的金属化。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一材料和第二材料包括相同的材料。
19.一种用于形成结构的设备，所述结构包括第一部分、第二部分和结构接头，所述设备包括：
第一接收器，其被构造成接收所述第一部分，所述第一部分具有第一锥形末端；
第二接收器，其被构造成接收所述第二部分，所述第二部分具有第二锥形末端；
材料接收器，其被构造成接收材料；
存储器；以及
至少一个处理器，其联接到所述存储器，并被构造成：
接收用于打印所述结构接头的指令，所述指令基于所述结构接头的数据模型；以及
基于所述指令控制所述结构接头的打印，所述打印包括将材料喷射成型以生产所述结构接头，所述结构接头将所述第一部分连接到第二部分，这包括将所述第一锥形末端连接到第二锥形末端。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述结构接头填充所述第一锥形末端和第二锥形末端的区域。
21.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一部分或第二部分中的至少一个包括商业现成零件。
22.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一部分包括3D打印的零件。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述第二部分包括第二个3D打印的零件。
24.根据权利要求22所述的设备，其中，所述第二部分包括3D冷喷射打印的零件。
25.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一部分包括3D冷喷射打印的零件。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述第二部分包括第二个3D冷喷射打印的零件。
27.根据权利要求19所述的设备，其中，在打印所述结构接头期间，至少所述第一部分由支架保持。
28.根据权利要求19所述的设备，其中，在打印所述结构接头期间，至少所述第一部分由机械手臂保持。
29.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一部分和第二部分在所述结构接头的打印期间是接触的。
30.根据权利要求19所述的设备，进一步包括使用竖直组装单元。
31.根据权利要求19所述的设备，其中，至少所述第一部分已经使用冷喷射金属沉积物构建而成。
32.根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一部分包括第一材料，所述第二部分包括第二材料，并且所述结构接头包括第三材料。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第一材料和第二材料包括相同的材料。
34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第三材料被构造成承受所述第一材料与所述第三材料的连接部上的应力。
35.根据权利要求32所述的设备，其中，所述第三材料被构造成承受所述第二材料与所述第三材料的连接部上的应力。
36.根据权利要求32所述的设备，所述至少一个处理器进一步构造成控制所述设备以使所述设备制备所述第一部分或第二部分中的至少一个，所述制备包括所述第一部分或第二部分中的至少一个的金属化。
37.一种用于形成结构的设备，所述结构包括第一部分、第二部分和结构接头，所述设备包括：
用于接收用于打印所述结构接头的指令的装置，所述指令基于所述结构接头的数据模型；
用于接收所述第一部分和第二部分的装置，所述第一部分具有第一锥形末端，并且所述第二部分具有第二锥形末端；
用于接收材料的装置；以及
用于基于所述指令打印所述结构接头的装置，所述打印包括将材料喷射成型以生产所述结构接头，所述结构接头将所述第一部分连接到第二部分，这包括将所述第一锥形末端连接到第二锥形末端。
38.一种存储计算机可执行代码的计算机可读介质，包括代码，用于：
接收用于打印所述结构接头的指令，所述指令基于所述结构接头的数据模型；
接收第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一锥形末端，并且所述第二部分具有第二锥形末端；
接收材料；以及
基于所述指令打印所述结构接头，所述打印包括将材料喷射成型以生产所述结构接头，所述结构接头将所述第一部分连接到第二部分，这包括将所述第一锥形末端连接到第二锥形末端。
39.一种形成结构的方法，所述结构包括第一部分、第二部分和结构接头，所述方法包括：
接收用于打印所述结构接头的指令，所述指令基于所述结构接头的数据模型；
接收第一部分和第二部分；
接收材料；以及
基于所述指令打印所述结构接头，所述打印包括将所述材料喷射成型以生产所述结构接头以及在所述喷射成型期间旋转所述第一部分和第二部分，所述结构接头将所述第一部分连接至所述第二部分。
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