CN112912230A - 用于3d打印的具有光滑表面的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成预定的三维(3D)物体的设备和方法，特别是一种用于在不使用后处理步骤的情况下制造具有外部精加工展示表面的预定3D物体以及选择性地在不损害外部精加工表面质量的情况下将三维特征件打印到另一表面上的设备和方法。设备的构建平台包括光滑表面，以将沉积材料分散成高度均匀的基层，其中，在沉积材料与构建平台之间的界面上具有优异的表面质量。该设备和方法能够在不使用后处理的情况下产生能够达到汽车制造业针对外部部件标准的非常光滑的表面。

Description

用于3D打印的具有光滑表面的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月7日提交的美国临时申请No.62/728,370的权益。上述申请的公开内容通过参引并入本文。
技术领域
本发明涉及选择性地制作三维物体并将三维特征件制作到所述物体上的设备和过程。
背景技术
当前可用的设备和方法、比如Crump的美国专利No.5121329A中所描述的设备和方法无法在不使用诸如湿式打磨的后处理技术的情况下产生非常光滑的表面。当生产用于视觉表面并需要满足严格的表面要求的部件时，后处理会大大降低该方法的效率。当需要在非常光滑的表面(外部)的相反侧(内部)上设置附加特征件时，传统的制造技术可能会由于变形(也称为通读)而损害外表面质量的完整性。因此，必须实施工程控制、比如在附加特征件的区域内增加部件的标称厚度，以抵消可能增加成本、增加周期时间以及引起诸如翘曲之类的几何问题的变形。
Crump的美国专利No.5121329A的基底108是粗糙的或磨蚀的。整个Crump的美国专利No.5121329A中强调砂纸接纳表面108。发现丝网砂纸108是特别令人满意的。基底可以是涂覆有砂子的细丝网筛，砂子利用双面胶带施加。Crump的美国专利No.5121329A还指出：“基底108上的砂粒对分配的材料提供了特别有效的附着力。该材料还流入并嵌入开放式矩阵丝筛的网格或网孔中。通过使用由铜线制成的导电丝网筛基底108可以有利于制品的分离，在形成制品之后向该导电丝网筛基底108施加低压电流。这将筛稍微加热并释放制品。替代性地，可以将丝网筛磁化并将铁颗粒混合到供应材料中，以增强基础层对基底108的附着。施加至基板10的磁场的中断将允许成形的制品的分离。”
已知无法在不使用后处理的情况下使用增材制造来直接生产能够达到汽车制造业的针对外部部件的标准的非常光滑的表面。
已有旨在改善并提高增材制造方法的能力的先前发明、比如美国专利申请No.20180147774A1，其修改了设备的构建平台，以改善工件与构建表面之间的机械结合。然而，在改善工件的稳定性的同时，该发明在视觉外观上进一步降低了所生产表面的质量。美国专利申请No.20140178588A1具有支撑结构，在该支撑结构的顶表面上打有孔，并且该顶表面延伸到基底的多孔夹层区域中。另外，诸如前面提到的Crump的美国专利No.5121329A和美国专利申请No.20140178588A1的发明共同要求保护一种将基底保持在创建工件的平台上的方法，以用于提高与平台构建物的附着力、改善构建过程以及提高工件在被创建后的可移除性的目的，但这些发明无法实现提高表面质量的目的——而这是所公开的当前发明的优点。
因此，需要一种用于创建具有预定的精加工展示表面设计(例如，大体上光滑的表面、非常光滑的表面、预定的精加工展示表面设计/A级表面等)的三维物体的设备和制造过程。此外，需要创造一种用于创建具有结合在制品的至少一侧上的预定的三维特征件(例如，将预定的特征件结合到作为精加工展示表面的相反侧、内侧、基本光滑的表面(例如，外表面、精加工展示表面、A级表面)的相反侧(例如，内表面)上)而不会损害另一侧的质量(外表面的质量)的完整性的三维物体的设备和制造过程。
发明内容
提供了一种用于形成预定的三维(3D)物体的设备和过程，特别是一种用于在不使用后处理步骤的情况下制造包括外部精加工展示表面的预定3D物体、以及在不损害外部精加工表面质量的完整性的情况下将三维特征件打印到另一表面上的设备和方法。该设备和方法能够在不使用后处理的情况下生产出能够达到汽车制造业针对外部部件的标准的非常光滑的表面。
附图说明
通过详细描述和附图将更加全面地理解本发明，在附图中：
图1是示出用于操作常规制品形成设备的常规计算机辅助设计系统的示意图；
图2是结合有制造三维物体的过程的3D打印设备系统的示意图；以及
图3是结合有制造三维物体的过程的3D打印设备系统的示意图。
具体实施方式
优选实施方式的以下描述本质上仅是示例性的，并且绝不旨在限制本发明、本发明的应用或用途。
参照图1，总体上示出了一种常规的设备和方法，比如Crump的美国专利No.5121329A中所述的设备和方法，其在不使用后处理技术、比如湿式打磨的情况下无法产生非常光滑的表面。诸如图1的由Crump的美国专利No.5121329A和美国专利No.20140178588A1已知的系统共同要求保护一种将基底保持在创建工件的平台上的方法，以用于提高与平台构建物的附着力、改善构建过程以及提高工件在被创建后的可移除性的目的，但不能实现提高表面质量的目的——而这是所公开的当前发明的优点。
图1示出了构建平台10、基底108和工件40a。该系统具有几个缺点，现在将重点介绍这些缺点。工件40a的移除过程对工件的底表面的质量产生负面影响。基底108使工件的底表面的质量产生缺陷。工件104需要后处理(例如，打磨、抛光等)以获得非常光滑的表面。将附加特征件打印到工件的薄的部分上会导致翘曲并使工件的底表面变形。
现在参照图2至图3，总体上提供了根据本发明的三维打印设备系统和制造三维制品的方法。总体上以1表示用于创建三维物体的设备(“三维打印系统”)，其包括总体上以2表示的至少一个打印头。打印头能够以可操作的方式移动。打印头优选地是可操作的，以分配至少一种预定的沉积材料和/或预定的打印材料。示例性的工件总体上以3示出。优选地，至少一个工件3是利用系统1内的至少一个打印头2一次形成的。
总体上以4表示的至少一个预定表面(最优选地是高度抛光的表面)位于与工件3相邻的位置，并与三维打印系统1的总体上以5表示的至少一个构建平台结合在一起。最优选地，表面4是构建平台5的面向工件形成打印头2的面朝上的高度抛光的表面。构建平台5优选地由金属或陶瓷制成以具有良好的导热性。应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用具有合适导热性的任何其他预定材料。
工件3包括总体上以6表示的至少一个光滑表面，所述至少一个光滑表面优选地为非常光滑的表面。最优选地，总体上以6表示的非常光滑的表面是具有至少一个基本面对构建平台5的A级表面的模制塑料件。可选地，在构建平台5上提供有总体上以7表示的至少一个基底，以提供替代性的界面材料、比如化学试剂、装饰膜或功能膜和/或功能分子，其在材料沉积的区域中向下放置到构建平台上，以实现沉积材料与构建平台之间的界面上优异的表面质量。
与常规系统和方法不同，本发明有效地创建了需要非常光滑的表面的三维物体，该表面能够在不使用后处理技术的情况下能够达到汽车制造业针对外体部件的视觉规范的标准。
构建平台5被高度抛光(或通过任何其他合适的机械加工技术高度抛光)以将沉积材料分散成高度均匀的基层，其中，在沉积材料与构建平台之间的界面上具有优异的表面质量。构建平台5通过但不限于陶瓷和金属制成以具有良好的导热性，并且构建平台具有被加热的能力。另外，构建平台5包括但不限于嵌套式型材，以能够使基底具有弯曲的轮廓。
基底优选地使用替代性的界面材料、比如化学试剂、装饰膜或功能膜和/或功能分子等，其在材料沉积区域中向下放置到构建平台5上，以在沉积材料与构建平台5之间的界面上实现优异的表面质量。
更具体地参照图3，将沉积材料、比如化学试剂、装饰膜或功能膜和/或功能分子等沉积到非常光滑的表面(外部)6的相反侧(内部)上，以允许在不损害外表面质量的完整性的情况下将总体上以8表示的至少一个附加特征件(见图3)创建到内表面上。
对非常光滑的表面(外部)的相反侧(内部)的物理修饰、比如抛光，允许在不损害外表面质量的完整性的情况下将至少一个附加特征件8(参见图3)创建到内表面上。
参照图2至图3，总体而言，用作构建材料的被打印材料包括但不限于比如聚酰胺6(PA6)、聚酰胺6.6(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)等热塑性塑料和PC/ABS合金，而且使用已通过诸如玻璃珠、玻璃纤维和/或碳纤维之类的添加物增强的所提及的任意材料作为用于产生具有非常光滑的表面的附加特征件或三维物体的材料。
因此，本发明的特征包括但不限于以下内容：使用高度抛光的构建平台来改善三维创建的部件的基层表面质量；构建平台能够容纳具有弯曲轮廓的构建表面；使用基底来改善三维创建的部件的基层表面质量；使用上述方法的任意组合来改善三维创建的部件的基层表面质量；在非常光滑的表面的相反侧上使用沉积材料，以允许在不会对光滑表面质量造成变形或负面影响的情况下将附加特征件创建到该表面上；在非常光滑的表面的相反侧上使用物理修饰技术，以允许在不会对光滑表面质量造成变形或负面影响的情况下将附加特征件创建到该表面上；以及使用上述方法的任意组合来改善在非常光滑的表面的相反侧上的附加的三维物体的创建，而不会对与构建区域相反的表面上的光滑表面质量造成变形或负面影响。
本发明提供了一种设备和方法，其允许在该过程期间产生的工件的基部上形成非常光滑的表面。通过对构建平台使用表面状况修饰或使用基底(或两者的组合)，设备能够直接生产能够达到汽车制造业针对外体部件的视觉规范标准的表面。
虽然基本上光滑的表面是最优选的，但应理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可以根据应用考虑任何其他预定的合适表面。
所公开的设备和方法还改善了在初始构建或分开的操作期间将一个或多个特征件添加到非常光滑的表面(外部)的相反侧(内部)上的添加过程，而不会损害外表面质量的完整性。这通过将修饰材料或基底沉积到内表面上或通过对表面进行物理修饰、比如机械加工或抛光来实现。
本发明适用于任何3D打印方法和系统。
本发明的描述本质上仅是示例性的，并且因此，旨在将不脱离本发明的主旨的变型归于本发明的范围内。这样的变型不应被认为脱离了本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于制造三维零件的设备，包括：
至少一个打印头，能够操作所述至少一个打印头以将至少一种预定材料以预定布置沉积在多个层中；以及
至少一个构建平台，所述至少一个构建平台包括至少一个高度抛光表面，所述高度抛光表面能够操作成将所述沉积材料分散并在所述沉积材料与所述高度抛光表面之间的界面处实现精加工的A级表面质量。
2.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，还包括至少一个基底，所述至少一个基底包括至少一种界面材料、比如化学制剂、装饰膜或功能膜和/或功能分子，所述至少一个基底在材料沉积区域中向下放置到所述构建平台上，以在所述沉积材料与所述构建平台之间的所述界面上实现优异的表面质量。
3.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述零件的将被用作至少一种构建材料的所述至少一种打印材料选自由热塑性塑料、聚酰胺6(PA6)、聚酰胺6.6(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、PC/ABS合金组成的组。
4.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述至少一种打印材料通过选自由玻璃珠、玻璃纤维和碳纤维组成的组中的至少一种添加剂增强。
5.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述构建平台还包括至少一个嵌套形状件，所述至少一个嵌套形状件能够操作成使所述零件具有相应的外侧轮廓。
6.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述至少一种沉积材料选自由化学试剂、装饰膜或功能膜和功能分子组成的组。
7.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述至少一种沉积材料以可操作的方式沉积到非常光滑的表面(外部)的相反侧(内部)上，以允许在不损害外表面质量的完整性的情况下将至少一个附加特征件创建到内表面上。
8.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述构建平台由预定的导热材料形成。
9.根据权利要求1所述的用于制造三维零件的设备，其中，所述零件是A级表面零件。
10.一种用于打印三维零件的方法，包括：
提供至少一种预定打印材料；
可选地，提供至少一种预定沉积材料；
能够操作至少一个打印头以沉积预定沉积材料和/或打印材料；
提供至少一个构建平台，所述至少一个构建平台包括高度抛光表面，所述高度抛光表面用以以可操作的方式将材料分散成均匀基层，所述均匀基层具有在所述沉积材料与所述构建平台之间的界面上的预定表面；
使所述至少一个打印头相对于所述构建平台的所述高度抛光表面定位；
将预定材料以形成所述均匀基层的预定的多个层和预定图案的方式挤出到所述构建平台；以及
在不使用后处理步骤的情况下，挤出附加的预定的多个层并以预定图案形成包括外部精加工展示的期望的所述三维零件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述零件的将被用作至少一种构建材料的所述至少一种打印材料选自由热塑性塑料、聚酰胺6(PA6)、聚酰胺6.6(PA66)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、PC/ABS合金组成的组。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一种打印材料通过选自由玻璃珠、玻璃纤维和碳纤维组成的组中的至少一种添加剂增强。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述构建平台还包括至少一个嵌套形状件，所述至少一个嵌套形状件能够操作成使所述零件具有相应的外侧轮廓。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一种沉积材料选自由化学试剂、装饰膜或功能膜和功能分子组成的组。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一种沉积材料以可操作的方式沉积到非常光滑的表面(外部)的相反侧(内部)上，以允许在不损害外表面质量的完整性的情况下将至少一个附加特征件创建到内表面上。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述构建平台由预定的导热材料形成。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述零件是A级表面零件。
18.一种用于打印三维制品的三维打印系统，包括：
至少一个打印头，能够操作所述至少一个打印头以将至少一种预定材料以预定布置沉积在多个层中；以及
至少一个构建平台，所述至少一个构建平台包括至少一个表面，所述至少一个表面在操作上是光滑的，并且能够操作成将所述沉积材料分散并在所述沉积材料与所述高度抛光表面之间的界面处实现精加工的A级表面质量。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述系统形成预定3D物体，所述预定3D物体包括外部精加工展示表面。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统将预定3D特征件形成到所述外部精加工展示侧的相反侧。
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