CN114103110A - 包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统和方法 - Google Patents

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J·P·戴维斯
W·T·卡特尔
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M·R·塔克
M·E·格雷厄姆
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Abstract

本发明涉及包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统和方法。用于通过使微粒固结而制备构件的方法和系统包括：构建平台，其构造成接收微粒；微粒分配器，其构造成使微粒沉积于构建平台上；以及至少一个打印头，其包括至少一个喷口。至少一个打印头构造成将粘合剂通过至少一个喷口分配到微粒上，以使微粒的至少部分固结并且形成构件。方法和系统还包括至少一个致动器组件，至少一个致动器组件构造成使构建平台和至少一个打印头中的至少一个围绕延伸通过构建平台的旋转轴线旋转并且使构建平台和至少一个打印头中的至少一个沿与构建平台垂直的构建方向移动来作为用于构件的螺旋构建过程的部分。

Description

包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统和方法
技术领域
本文中所描述的主题大体上涉及增材制造系统，并且更特别地涉及包括相对于构建平台旋转的粘合剂喷射打印头的增材制造系统。
背景技术
至少一些已知的增材制造系统涉及使微粒固结以制备构件。这样的技术促进以降低的成本并且以改进的制造效率由微粒材料生产复杂构件。至少一些已知的增材制造系统使用将粘合剂分配到微粒上的一个或多个粘合剂喷射打印头来制备构件。另外，在至少一些增材制造系统中，一个或多个致动器用于在构件的制备期间使构建平台移动。然而，所制备的构件的尺寸受到粘合剂喷射打印头、致动器以及构建平台的构造限制。
另外，在至少一些已知的增材制造系统中，再涂器用于使微粒分布于构建平台上。例如，在一些实施例中，再涂器使微粒从容器移动到构建平台上并且跨越构建平台移动。再涂器和粘合剂喷射打印头在分开的时间操作，因为当再涂器正在使微粒散布时，粘合剂喷射打印头不可使微粒固结。结果，制备构件所需的时间延长，以适应再涂器和粘合剂喷射打印头的顺序操作。
因此，需要包括允许在缩短的时间内制备具有任何尺寸的构件的粘合剂喷射打印头的改进的增材制造系统。
发明内容
在一个方面，提供了一种增材制造系统。增材制造系统包括：构建平台，其构造成接收微粒；以及微粒分配器，其构造成使微粒沉积于构建平台上。增材制造系统还包括至少一个打印头，至少一个打印头包括至少一个喷口。至少一个打印头构造成将粘合剂通过至少一个喷口分配到微粒上，以使微粒的至少部分固结并且形成构件。增材制造系统进一步包括至少一个臂，至少一个臂至少部分地跨越构建平台延伸，并且构造成支承至少一个打印头。增材制造系统还包括至少一个致动器组件，至少一个致动器组件构造成使构建平台和至少一个打印头中的至少一个围绕延伸通过构建平台的旋转轴线旋转并且使构建平台和至少一个打印头中的至少一个沿与构建平台垂直的构建方向移动来作为用于构件的螺旋构建过程的部分。
在另一方面，提供了一种使用增材制造系统来制备构件的方法。方法包括：使微粒沉积于构建平台上；以及使至少一个再涂器刀片围绕延伸通过构建平台的旋转轴线相对于构建平台旋转。方法还包括：使用至少一个再涂器刀片来接触构建平台上的微粒，以使微粒跨越构建平台分布。方法进一步包括：使至少一个打印头围绕旋转轴线相对于构建平台旋转。至少一个打印头包括至少一个喷口。方法还包括：将粘合剂通过至少一个喷口分配到微粒上，以使微粒的至少部分固结。
在又一方面，提供了一种增材制造系统。增材制造系统包括：构建平台，其构造成接收微粒；微粒分配器，其构造成使微粒沉积于构建平台上；以及至少一个打印头，其包括至少一个喷口。至少一个打印头构造成将粘合剂通过至少一个喷口分配到微粒上，以使微粒的至少部分固结并且形成构件。增材制造系统还包括至少一个致动器组件，至少一个致动器组件构造成使至少一个打印头围绕延伸通过构建平台的中心的旋转轴线相对于构建平台旋转，并且在至少一个打印头旋转时使至少一个打印头沿与构建平台垂直的构建方向移动。
附图说明
当参考附图而阅读以下详细描述时，本公开的这些及其它特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中，遍及附图，同样的字符表示同样的部分，其中：
图1是包括至少一个旋转粘合剂喷射打印头的示例性增材制造系统的透视图；
图2是图1中所示出的增材制造系统的部分的放大透视图；
图3是图1和图2中所示出的增材制造系统的框图；
图4是包括供给系统和至少一个旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统的实施例的示意性平面视图；
图5是图4中所示出的增材制造系统的示意性侧视图；
图6是包括旋转粘合剂喷射打印头和多个铰接臂的增材制造系统的实施例的透视图；
图7是使用包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统来制备构件的示例性方法的流程图；
图8是由使用包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统来制备的模具部分组装的模具的示意性透视图；
图9是使用图8中所示出的模具来铸造构件的示例性方法的流程图；
图10是用于包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统的微粒供给及分配器系统的示例性实施例的透视图；
图11是图10中所示出的微粒供给及分配器系统的部分的放大透视图；
图12是用于包括旋转粘合剂喷射打印头的增材制造系统的再涂器组件的示例性实施例的透视图；
图13是图12中所示出的再涂器组件的部分的放大透视图；以及
图14是包括旋转供给系统的增材制造系统的示意性侧视图。
除非另外指示，否则本文中所提供的附图意在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的许多种系统中。照此，附图不意在包括本领域普通技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用应当被限定成具有以下含义的许多用语。
除非上下文清楚地另外规定，否则单数形式“一”、“一种”以及“该”包括复数个引用对象。
“任选的”或“任选地”意味着，随后描述的事件或情形可发生或可不发生，并且，本描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
如在本文中遍及说明书和权利要求书使用的近似语言可适用于修饰可容许变化的任何定量表示，而不会造成与其相关的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”、“基本上”以及“近似地”的一个或多个用语修饰的值将不限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此并且遍及说明书和权利要求书，可将范围限制组合和/或互换，除非上下文或语言另外指示，否则这样的范围被标识，并且包括其中所包含的所有子范围。
增材制造过程和系统包括例如但不限于容器内光聚合(vatphotopolymerization)、粉末床熔合、粘合剂喷射、材料喷射、片材层压、材料挤出、定向能量沉积以及混合系统。这些过程和系统包括例如但不限于SLA-立体光刻设备、DLP-数字光处理、3SP-扫描、自旋以及选择性地光固化、CLIP-连续液体界面生产、SLS-选择性激光烧结、DMLS-直接金属激光烧结、SLM-选择性激光熔融、EBM-电子束熔融、SHS-选择性热烧结、MJF-多喷射熔合、3D打印、Voxeljet、Polyjet、SCP-平滑曲率打印、MJM-多喷射建模ProJet、LOM-层压物体制造、SDL-选择性沉积层压、UAM-超声增材制造、FFF-熔合长丝制备、FDM-熔合沉积建模、LMD-激光金属沉积、LENS-激光工程化净成形、DMD-直接金属沉积、混合系统以及这些过程和系统的组合。这些过程和系统可采用例如但不限于所有形式的电磁辐射、加热、烧结、熔融、固化、粘合、固结、冲压、嵌入以及它们的组合。
增材制造过程和系统采用包括例如但不限于下者的材料：聚合物、塑料、金属、陶瓷、砂、玻璃、蜡、纤维、生物物质、复合物以及这些材料的混合物。这些材料可在这些过程和系统中以如适于给定的材料和过程或系统的多种形式(包括例如但不限于作为液体、固体、粉末、片材、箔、带、长丝、球团、液体、浆料、线材、雾化物、糊剂以及这些形式的组合)使用。
本文中所描述的系统和方法包括一种增材制造系统，增材制造系统包括旋转粘合剂喷射打印头。粘合剂喷射打印头构造成相对于构建平台旋转，并且将粘合剂分配到微粒上，以使微粒固结。在粘合剂喷射打印头操作时，微粒分配器和再涂器组件构造成将微粒分配于构建平台上并且使微粒散布于构建平台上，以提供连续制备过程。另外，增材制造系统包括支承结构，支承结构支承粘合剂喷射打印头、微粒分配器以及再涂器组件。致动器构造成在增材制造系统在构建平台上制备构件时使粘合剂喷射打印头、微粒分配器以及再涂器组件相对于构建平台旋转并且上升。结果，增材制造系统能够制备处于打印系统的尺寸内的具有任何几何复杂性的物体。另外，增材制造系统能够提供可在比至少一些已知的增材制造系统更短的时间内制备物体的多重螺旋线制备过程。此外，增材制造系统能够被运输到远程地点并且被组装，因为支承结构、粘合剂喷射打印头、微粒分配器、再涂器组件以及致动器是模块化构件。
图1是包括至少一个旋转粘合剂喷射打印头102的示例性增材制造系统100的透视图。图2是增材制造系统100的部分的放大透视图。图3是增材制造系统100的框图。增材制造系统100的坐标系包括X轴线、Y轴线以及Z轴线。增材制造系统100构建物体，例如，用于铸造构件518(在图8中示出)的模具500(在图8中示出)。在示例性实施例中，增材制造系统100包括用于使微粒固结的至少一个粘合剂喷射打印头102。增材制造系统100构造成用于通过使粘合剂从粘合剂喷射打印头102沉积到微粒上而使用增材制造过程来制备物体或构件。例如，各个粘合剂喷射打印头102包括多个出口或喷口108，并且构造成将粘合剂通过喷口108分配到微粒上。备选地，增材制造系统100可包括使用本文中所描述的过程和系统中的任何过程和系统来促进材料的固结的任何固结装置。
在示例性实施例中，增材制造系统100进一步包括至少一个再涂器组件110和至少一个微粒分配器112。各个再涂器组件110和微粒分配器112与相应的旋转粘合剂喷射打印头102相关联。在示例性实施例中，增材制造系统100包括三个再涂器组件110、三个微粒分配器112以及三个粘合剂喷射打印头102。在备选实施例中，增材制造系统100包括使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何粘合剂喷射打印头102、再涂器组件110和/或微粒分配器112。例如，在一些实施例中，单个再涂器组件110和/或微粒分配器112与多个粘合剂喷射打印头102相关联。在另外的实施例中，增材制造系统100包括单个粘合剂喷射打印头102。
而且，在示例性实施例中，粘合剂喷射打印头102、再涂器组件110以及微粒分配器112联接到支承结构114并且由支承结构114支承。支承结构114包括至少一个臂116，至少一个臂116至少部分地跨越构建平台104延伸，并且构造成支承至少一个粘合剂喷射打印头102。在示例性实施例中，支承结构114包括中心支承件118和围绕中心支承件118均等地隔开的三个臂116。臂116从中心支承件118向外径向地延伸。再涂器组件110和微粒分配器112联接到臂116，并且定位成与位于臂116上的相关联的粘合剂喷射打印头102相邻。在示例性实施例中，各个臂116支承一个粘合剂喷射打印头102、一个再涂器组件110以及一个微粒分配器112。在备选实施例中，支承结构114包括使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何臂116。例如，在一些实施例中，支承结构114包括支承再涂器组件110和/或微粒分配器112并且与支承粘合剂喷射打印头102的臂116截然不同的臂。
此外，在示例性实施例中，支承结构114进一步包括轨道120和多个支柱122，多个支柱122将轨道120支承于构建平台104上方可调整的高度处。轨道120围绕构建平台104的圆周延伸，并且构造成在臂116围绕旋转轴线124旋转时支承臂116。另外，支柱122可定位成在增材制造系统100的操作期间调整支承结构114相对于构建平台104的高度。例如，各个支柱122相对于旋转轴线124的角可调整，以改变支承结构114的高度，并且因此改变构建平台104与粘合剂喷射打印头102、再涂器组件110以及微粒分配器112之间的距离。在一些实施例中，竖直致动器可用于延长/缩短各个支柱122的长度。在备选实施例中，增材制造系统100包括使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何支承结构114。
在增材制造系统100的操作期间，微粒由微粒分配器112供应，并且使用再涂器组件110来均匀地散布于构建平台104上。再涂器组件110构造成相对于螺旋线的先前回转的高度而控制微粒的高度，并且促进过量的微粒材料的移除。粘合剂喷射打印头102使微粒的第一部分固结，以形成构件的横截面层。再涂器组件110和粘合剂喷射打印头102能够同时地操作，以使微粒分布并且固结，因为再涂器组件110定位于相应的粘合剂喷射打印头102前面并且与其协调而旋转。在选择性地使微粒层固结期间，在微粒散布于构建平台104和部分构件上时，支承结构114上升，以使粘合剂喷射打印头102、再涂器组件110以及微粒分配器112升高，以允许通过粘合剂喷射打印头102而连续地使微粒固结。继续进行该过程，直到构件完全地由微粒的固结部分构建为止。
而且，在示例性实施例中，支承结构114的至少部分通过致动器系统126而移动。在示例性实施例中，致动器系统126包括第一致动器组件128和第二致动器组件130。第一致动器组件128构造成使支承结构114的臂116围绕旋转轴线124旋转，并且，第二致动器组件130构造成使臂116沿Z方向(即，正交于构建平台104的顶表面)(其也被称为构建方向)移动。在一些实施例中，致动器系统126构造成使至少一个粘合剂喷射打印头102相对于旋转轴线124沿径向方向移动。例如，在一些实施例中，在增材制造系统100的操作期间，粘合剂喷射打印头102可沿着臂116的长度移动。各个致动器组件128、130包括例如但不限于(一个或多个)线性马达、(一个或多个)液压活塞和/或气动活塞、(一个或多个)螺杆驱动机构、旋转级和/或输送机系统。在备选实施例中，增材制造系统100包括使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何致动器系统126。例如，在一些实施例中，致动器系统126构造成使构建平台104围绕旋转轴线124旋转和/或使构建平台104沿构建方向移动。
另外，在示例性实施例中，微粒分配器112定位成使微粒沉积于再涂器组件110前面。在备选实施例中，以使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何方式使微粒沉积到构建平台104上。
而且，在示例性实施例中，再涂器组件110的至少一个再涂器刀片132定位成接触位于相应的粘合剂喷射打印头102前面的微粒并且使微粒跨越构建平台104分布。例如，再涂器刀片132可至少部分地沿着构建平台104的半径延伸。在示例性实施例中，再涂器刀片132与粘合剂喷射打印头102一起相对于构建平台104旋转。结果，在增材制造系统100的操作期间，再涂器刀片132接触微粒，并且将微粒跨越构建平台104沿着再涂器刀片132的长度引导。另外，再涂器组件110在先前固结的层上方维持位于构建平台104上的微粒的各个层的均一厚度。在一些实施例中，各个层具有处于大约10微米至大约2000微米的范围内的厚度。在备选实施例中，再涂器组件110包括使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何再涂器刀片132。
此外，在示例性实施例中，增材制造系统100进一步包括壁134，壁134围绕构建平台104延伸，以限定构建容器。在示例性实施例中，构建平台104是大体上圆形的。壁134是大体上圆柱形的，并且完全地环绕位于构建平台104上的微粒。在备选实施例中，构建平台104和/或壁134可为促进如本文中所描述的增材制造系统100的操作的任何形状。在另外的实施例中，壁134可环绕微粒的部分和/或可联接到促进如本文中所描述的增材制造系统100的操作的任何其它壁或构件。另外，在一些实施例中，增材制造系统100包括减少组装构件所需的微粒的量的内微粒容纳壁(未示出)。内微粒容纳壁可为圆柱形。在包括内微粒容纳壁的实施例中，微粒可与内微粒容纳壁相邻而分配并且固结，以形成在构建平台104的中心区域附近具有腔的形状，诸如管道形状。
而且，在示例性实施例中，粘合剂喷射打印头102构造成使微粒在构建平台104的不同区域上固结，并且构造成使微粒的不同部分同时地固结。由于多个粘合剂喷射打印头102用于使微粒固结，因而在构件的制备期间，支承结构114和粘合剂喷射打印头102能够以提高的速度旋转。在备选实施例中，增材制造系统100包括任何数量的粘合剂喷射打印头102，包括单个粘合剂喷射打印头102。
此外，在示例性实施例中，增材制造系统100包括计算机控制系统或控制器136。控制器136包括处理器138、存储器140以及用户接口142，用户接口142包括输入装置144和显示器146。控制器136控制粘合剂喷射打印头102的操作，以促进将粘合剂引导至构建层的微粒的表面上，以形成构件的层。例如，控制器136控制通过粘合剂喷射打印头102的各个喷嘴或喷口108分配的粘合剂的量。
在示例性实施例中，增材制造系统100被操作来根据构件的3D几何结构的计算机建模的表示而制备构件。可在计算机辅助设计(CAD)或类似文件中产生计算机建模的表示。构件的CAD文件转换成包括用于构件的一个或多个螺旋层的多个构建参数的格式。例如，构件的构建层包括将通过增材制造系统100而固结的微粒。在示例性实施例中，构件以相对于在增材制造系统100中使用的坐标系的原点的期望的取向建模。构件的几何结构被切成一个或多个螺旋层。跨越相应的层的几何结构生成喷墨激发(firing)序列。针对各个激发序列而应用构建参数，以由微粒制备构件的该层。一旦完成该过程，就生成包括所有层的(一个或多个)电子计算机构建文件。构建文件被加载到增材制造系统100的控制器136中以在各个层的制备期间控制系统。
在构建文件被加载到控制器136中之后，增材制造系统100被操作来通过实施增材制造过程(诸如，粘合剂喷射打印方法)而生成构件。示例性增材制造过程并非将先前存在的物品用作最终构件的前体，相反，该过程由呈可构造的形式的原材料(诸如，微粒)生产构件。例如但不限于模具可使用砂来增材制造，砂使用粘合剂来固结。增材制造系统100实现使用例如但不限于金属、陶瓷、玻璃以及聚合物的广泛范围的材料来制备构件。
此外，在示例性实施例中，在增材制造系统的操作期间，控制器136能够控制支承结构114的位置，以调整粘合剂喷射打印头102的高度。例如，图1示出了位于初始位置中的支承结构114，其中，粘合剂喷射打印头102定位成与构建平台104相邻。图2示出了位于升高的位置中的支承结构，其中，粘合剂喷射打印头102定位成距构建平台104一定距离。在示例性实施例中，通过使用致动器系统126调整支柱122的位置或长度而使支承结构114竖直地移动。在备选实施例中，以使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何方式使支承结构114移动。
在一些实施例中，控制器136基于增材制造系统100的操作参数而控制粘合剂喷射打印头102、微粒分配器112和/或再涂器刀片132的旋转速度和/或竖直移动速度。增材制造系统100的操作参数包括例如但不限于微粒分配器112的构造、再涂器组件110的构造、粘合剂喷射打印头102的数量和类型以及构建平台104的尺寸。
另外，在示例性实施例中，控制器136协调粘合剂喷射打印头102、再涂器刀片132和/或微粒分配器112的旋转速度，以适应构建时间需求的局部变化。例如，控制器136确定由于构件的角扇区的厚度的变化而需要更多或更少的构建时间的层或层的区段，并且，控制器136调整粘合剂喷射打印头102、再涂器刀片132和/或微粒分配器112的旋转速率，以将区段在构建区域内维持达粘合剂喷射打印头102完成各个区段的固结所需的时间。
而且，在示例性实施例中，增材制造系统100包括清洁组件148，清洁组件148可定位成与各个粘合剂喷射打印头102相邻，并且构造成清洁粘合剂喷射打印头102。例如，清洁组件148联接到臂116，并且能够在不需要拆卸增材制造系统100的情况下清洁粘合剂喷射打印头102。
图4是增材制造系统200的示意性平面视图，增材制造系统200包括供给系统204和至少一个旋转粘合剂喷射打印头202。增材制造系统200包括粘合剂喷射打印头202、供给系统204、至少一个微粒分配器206、至少一个再涂器组件208、构建平台210以及支承结构212。支承结构212包括多个臂214，臂214支承粘合剂喷射打印头202、微粒分配器206以及再涂器组件208。粘合剂喷射打印头202、微粒分配器206以及再涂器组件208围绕延伸通过构建平台210的旋转轴线216相对于构建平台210旋转。
图5是增材制造系统200的示意性侧视图。在增材制造系统200的操作期间，在微粒分配器206和再涂器组件208相对于构建平台210旋转时，微粒分配器206使微粒218沉积于构建平台210上，并且，再涂器组件208使微粒218均匀地散布于构建平台210上。再涂器组件208构造成相对于螺旋线的先前回转的高度而控制微粒218的高度，并且促进过量的微粒218的移除。粘合剂喷射打印头202选择性地使微粒218固结，以形成构件的横截面层。在选择性地使微粒218的层固结期间，在微粒218散布于构建平台210和部分构件上时，支承结构212的臂214上升，以使粘合剂喷射打印头202、再涂器组件208以及微粒分配器206升高，以允许通过粘合剂喷射打印头202而连续地使微粒218固结。继续进行该过程，直到构件完全地由微粒218的固结部分构建为止。
另外，在示例性实施例中，各个微粒分配器206包括：上料斗或贮存器220；导管222，其联接到上料斗220的出口224；下料斗或贮存器226，其联接到导管222；以及阀228，其构造成调节微粒从上料斗220并且通过导管222到达下料斗226的流动。在示例性实施例中，上料斗220和导管222定位于下料斗226上方，并且，微粒通过重力供给到下料斗226。在一些实施例中，传感器(未示出)(诸如，定秤或接近开关)提供用于在控制微粒分配器206中使用的反馈。例如，微粒分配器206可被控制，以向构建平台210提供微粒218的适当的供给速率，并且调节构建平台210上的微粒218的量。
另外，在示例性实施例中，各个微粒分配器206包括：槽或导管230，其沿着相应的臂214延伸；以及输送机设备232，其构造成将微粒218通过槽230输送。各个槽230与微粒分配器206的相应的下料斗226流动连通，并且从微粒分配器206的相应的下料斗226接收微粒。输送机设备232包括例如但不限于带式输送机、螺旋输送器和/或任何其它输送机设备。输送机设备232将微粒218沿着槽230的长度运送，使得微粒218以期望的方式分配。例如，在一些实施例中，由于微粒分配器206的相对旋转速度在与旋转轴线隔开的距离处较大，因而额外的微粒218被分配于与构建平台210的中心隔开的位置处。槽230包括多个出口234，出口234用于使微粒218在输送机设备232将微粒218沿着槽230运送时离开槽230。输送机设备232还将过量的微粒218(即，未通过出口234分配的微粒)朝向下料斗226沿着槽230的长度运回。在备选实施例中，增材制造系统200包括使微粒分配器206能够如本文中所描述那样操作的任何微粒分配器206。
在示例性实施例中，供给系统204构造成将微粒递送到各个微粒分配器206。供给系统204包括供应贮存器236和微粒转移组件238，微粒转移组件238构造成将微粒从供应贮存器236转移到各个微粒分配器206。例如，转移组件238包括用以将微粒218运送到上料斗220的升降机或输送机设备240。在示例性实施例中，供给系统204相对于构建平台210静止。因此，供给系统204定位成在沿着微粒分配器206的旋转路径的具体角位置处与各个微粒分配器206对准。在一些实施例中，微粒分配器206在指定的旋转位置处暂停或停止，以接收微粒218。在另外的实施例中，在微粒分配器206旋转时，供给系统204将微粒218递送到微粒分配器206。在备选实施例中，增材制造系统200包括使增材制造系统200能够如本文中所描述那样操作的任何供给系统204。例如，在一些实施例(诸如，图14中所示出的实施例)中，微粒分配器206可定位于支承结构212的中心处，而非定位于支承结构212的外圆周处。
而且，在示例性实施例中，增材制造系统200包括致动器系统242，致动器系统242构造成使支承结构212围绕旋转轴线216旋转，并且使支承结构212沿与构建平台210垂直的方向上升。例如，致动器系统242包括旋转致动器(未示出)，旋转致动器构造成使支承结构212在轨道244上旋转。另外，在示例性实施例中，致动器系统242包括竖直致动器246，竖直致动器246构造成使轨道244相对于构建平台210上升，并且因此使定位于轨道244上的支承结构212相对于构建平台210上升。竖直致动器246包括使致动器系统242能够如本文中所描述那样起作用的液压致动器或任何其它致动器。在备选实施例中，增材制造系统200包括使增材制造系统200能够如本文中所描述那样操作的任何致动器系统242。
图14是增材制造系统248的示意性侧视图。增材制造系统248类似于增材制造系统200(在图4和图5中示出)，只是增材制造系统248包括定位于支承结构212的中心并且与构建平台210的中心对准的微粒分配器250。在示例性实施例中，微粒分配器250安装到支承结构212，并且与支承结构212一起旋转。
另外，在示例性实施例中，微粒分配器250包括：导管252；中心料斗或贮存器254，其联接到导管252；槽或导管256，其沿着各个臂214延伸；以及输送机设备258，其构造成将微粒218通过各个槽256输送。各个槽256与微粒分配器250的中心料斗254流动连通，并且从微粒分配器250的中心料斗254接收微粒。在备选实施例中，增材制造系统200包括使微粒分配器206能够如本文中所描述那样操作的任何微粒分配器206。
在示例性实施例中，供给系统204构造成将微粒218递送到微粒分配器250。具体地，微粒转移组件238从供应贮存器236跨越构建平台210的半径延伸到微粒分配器250的导管252。导管252构造成在微粒分配器250相对于供给系统204旋转时接收微粒218并且将微粒引导至中心料斗254。例如，在一些实施例中，导管252包括用于使微粒218从转移组件238进入导管252的入口和用于使微粒218分配到中心料斗254中的出口。而且，导管252包括用以防止微粒218从导管252泄漏和/或控制通过分配器250的微粒流的密封件或阀，诸如波纹管式密封件。在备选实施例中，增材制造系统248包括使增材制造系统200能够如本文中所描述那样操作的任何供给系统204。例如，在一些实施例中，供应贮存器236定位于构建平台210的中心处。
图6是增材制造系统300的实施例的透视图，增材制造系统300包括至少一个旋转粘合剂喷射打印头302和多个铰接臂。增材制造系统300包括支承结构304，支承结构304包括中心支承件306和至少部分地从中心支承件306向外径向地延伸的多个第一铰接臂308。粘合剂喷射打印头302和再涂器组件312联接到第一铰接臂308的端部。第一铰接臂308可定位成调整粘合剂喷射打印头302和再涂器组件312相对于构建平台316的位置。另外，第一铰接臂308可旋转地联接到中心支承件306，使得粘合剂喷射打印头302和再涂器组件312可相对于构建平台316旋转。再涂器组件312与粘合剂喷射打印头302相邻而联接到第一铰接臂308，使得在第一铰接臂308围绕中心支承件306相对于构建平台316旋转时，再涂器组件312使微粒散布于粘合剂喷射打印头302前面。
而且，在示例性实施例中，微粒分配器314联接到第二铰接臂318，第二铰接臂318允许微粒分配器314相对于构建平台316定位。微粒分配器314能够通过对第二铰接臂318进行定位而相对于构建平台径向地移动。在一些实施例中，在粘合剂喷射打印头302和再涂器组件312相对于构建平台316旋转时，微粒分配器314围绕构建平台316的中心的角位置是固定的。因此，微粒分配器314能够针对各个再涂器组件312而使微粒沉积，以跨越构建平台316散布，以用于使粘合剂喷射打印头302进行固结。在备选实施例中，增材制造系统300包括使增材制造系统300能够如本文中所描述那样操作的任何微粒分配器314。例如，在一些实施例中，增材制造系统300包括多个微粒分配器314。
图7是使用增材制造系统100(在图1-3中示出)、增材制造系统200(在图4和图5中示出)或增材制造系统300(在图6中示出)来制备构件的示例性方法400的流程图。参考图1-3和图7，方法400包括使微粒沉积402于构建平台104上。例如，使用微粒分配器112来使微粒沉积于构建平台104上。微粒分配器112相对于构建平台104旋转，并且使微粒相对于微粒分配器112的旋转方向沉积于再涂器刀片132和粘合剂喷射打印头102前面。在一些实施例中，微粒分配器112从供给系统204(在图4和图5中示出)接收微粒。在备选实施例中，以使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何方式使微粒沉积于构建平台104上。
另外，方法400包括：使至少一个再涂器刀片132相对于构建平台104旋转404；以及使用至少一个再涂器刀片132来接触406构建平台104上的微粒，以使微粒跨越构建平台104分布。而且，方法400包括使至少一个粘合剂喷射打印头102围绕延伸通过构建平台104的旋转轴线124相对于构建平台104旋转408。例如，在一些实施例中，支承粘合剂喷射打印头102和再涂器刀片132的臂116使用致动器系统126来围绕旋转轴线124旋转。在备选实施例中，以使增材制造系统100能够如本文中所描述那样操作的任何方式使再涂器刀片132和/或再涂器刀片132旋转。
而且，方法400包括将粘合剂通过喷口108分配410到微粒上，以使微粒的至少部分固结。在一些实施例中，微粒包括砂，并且，粘合剂构造成将砂粘合在一起，以形成构件，诸如模具的部分。
此外，方法400包括使至少一个粘合剂喷射打印头102沿与构建平台104垂直的方向移动412。例如，支承结构114支承粘合剂喷射打印头102、再涂器刀片132以及微粒分配器112，并且在增材制造系统100的操作期间，支承结构114通过致动器系统126而旋转并且上升。
在一些实施例中，在构件的制备期间，构建平台104相对于粘合剂喷射打印头102旋转和/或沿构建方向移动。例如，在一些实施例中，构建平台104相对于粘合剂喷射打印头102旋转。在另外的实施例中，在粘合剂喷射打印头102或构建平台104旋转时，构建平台104下降。
在示例性实施例中，方法400允许粘合剂喷射打印头102和再涂器刀片132同时地操作并且提供螺旋构建过程，在螺旋构建过程中，使用多个螺旋构建层来制备构件。结果，使用增材制造系统100(在图1-3中示出)、增材制造系统200(在图4和图5中示出)和/或增材制造系统300(在图6中示出)来制备构件所需的时间缩短。
图8是模具500的示意性透视图，模具500由使用增材制造系统100(在图1-3中示出)、增材制造系统200(在图4和图5中示出)和/或增材制造系统300(在图6中示出)来制备的构件组装。例如，增材制造系统100、200、300用于制备组装成模具500的多个模具部分或层502。在示例性实施例中，模具500是砂模具，并且，各个模具部分502由砂形成。结果，与由其它材料形成的模具相比，模具500可具有增大的尺寸和降低的成本。
图9是使用模具500(在图8中示出)来铸造构件的示例性方法504的流程图。参考图1、图4、图6、图8以及图9，方法504包括：使用包括旋转粘合剂喷射打印头102、202、302的增材制造系统100、200、300来制备506第一模具部分502；以及使用包括旋转粘合剂喷射打印头102、202、302的增材制造系统100、200、300来制备508第二模具部分502。
而且，方法504包括利用填料(诸如，砂)来支承510第一模具部分502和第二模具部分502。在一些实施例中，未固结的微粒218(在图5中示出)被移除，并且，填料砂(其可比微粒218更便宜)围绕模具部分502定位。另外，在一些实施例中，各个模具部分502被桶或瓶512环绕。而且，在一些实施例中，一个或多个冷模(chill)(未示出)在模具部分502上、与模具部分502相邻和/或在模具部分502中定位，以控制使用模具500来形成的构件的凝固。在另外的实施例中，将涂层施加到模具部分502的至少部分。在备选实施例中，以使模具500能够如本文中所描述那样起作用的任何方式支承并且处理模具部分502。
另外，方法504包括使第一模具部分502和第二模具部分502联接514在一起，以组装模具500。在示例性实施例中，模具部分502堆叠成竖直布置。在备选实施例中，以使模具500能够如本文中所描述那样起作用的任何方式将模具部分502组装。
而且，方法504任选地包括重复进行步骤508、510以及514中的任何步骤达任何迭代次数，以由任何数量的模具部分502组装模具500。
此外，方法504包括使用模具500来铸造516构件518。例如，在一些实施例中，利用呈液体形式的一种或多种前体材料来填充模具500中的腔，并且，使材料凝固，以形成构件518。
图10是微粒供给及分配器系统600的示例性实施例的透视图。微粒供给及分配器系统600可与增材制造系统100(在图1和图2中示出)、增材制造系统200(在图3和图4中示出)和/或增材制造系统300(在图6中示出)一起使用。在备选实施例中，供给及分配器系统600可与使供给及分配器系统600能够如本文中所描述那样起作用的任何增材制造系统一起使用。
在示例性实施例中，供给及分配器系统600包括多个供给组件602和多个分配器组件604。各个分配器组件604联接到相应的供给组件602，并且从相应的供给组件602接收微粒。另外，各个分配器组件604跨越构建平台606径向地延伸，并且构造成将微粒分配到构建平台606上。另外，供给及分配器系统600包括再涂器组件608，再涂器组件608联接到各个分配器组件604。再涂器组件608构造成使微粒跨越构建平台606散布。在一些实施例中，供给及分配器系统600的至少部分构造成在分配器组件604分配微粒时并且在再涂器组件608使微粒跨越构建平台606散布时相对于构建平台606旋转。在备选实施例中，供给及分配器系统600包括使微粒供给及分配器系统600能够如本文中所描述那样操作的任何分配器组件604和/或再涂器组件608。
图11是微粒供给及分配器系统600的部分的放大透视图。在示例性实施例中，各个分配器组件604包括导管610，导管610从供给组件602接收微粒并且分配微粒。再涂器组件608联接到导管610。各个再涂器组件608包括返回导管612和联接到返回导管612的再涂器刀片614。返回导管612限定腔，腔用以在再涂器刀片614使微粒跨越构建平台606散布时接收过量的微粒。输送机设备616构造成将微粒通过返回导管612朝向供给组件602运送。在一些实施例中，输送机设备616包括定位于返回导管612内的螺旋输送器(未示出)和构造成使螺旋输送器旋转的马达。在备选实施例中，供给及分配器系统600包括使供给及分配器系统600能够如本文中所描述那样操作的任何分配器组件604。
而且，在示例性实施例中，各个供给组件602包括：上料斗618；导管620，其联接到上料斗618的出口622；下料斗624，其联接到导管620；以及阀626，其构造成调节微粒从上料斗618并且通过导管620到达下料斗624的流动。在微粒供给及分配器系统600的操作期间，将微粒从供给组件602引导至分配器组件604的导管610中，并且，将微粒通过出口分配到构建平台606上。在一些实施例中，输送机设备616或分开的输送机设备(未在图11中示出)构造成将微粒通过导管610引导。例如，螺旋输送器可定位于导管610中，以将微粒沿着导管610的长度引导并且分配。在这样的实施例中，导管610的远端至少部分地开放，以允许微粒离开导管610。在一些实施例中，容器或收集装置定位成在微粒离开导管610时收集微粒。在备选实施例中，供给及分配器系统600包括使供给及分配器系统600能够如本文中所描述那样操作的任何供给组件602。
另外，在示例性实施例中，再涂器刀片614接触微粒，并且使微粒跨越构建平台606散布于具有期望的厚度的层中。在导管612中接收过量的微粒，并且，通过输送机设备616而将过量的微粒朝向供给组件602引导。
微粒供给及分配器系统600构造成提供用于通过粘合剂喷射打印头102(在图1-3中示出)、粘合剂喷射打印头202(在图4和图5中示出)或粘合剂喷射打印头302(在图6中示出)而固结的微粒的一个或多个层。在一些实施例中，微粒供给及分配器系统600与粘合剂喷射打印头102、202、302协调而相对于构建平台606旋转。在另外的实施例中，微粒供给及分配器系统600的至少部分(诸如，供给组件602)相对于构建平台606静止。
图12是再涂器组件700的部分的透视图。图13是再涂器组件700的部分的放大透视图。再涂器组件700可与增材制造系统100(在图1和图2中示出)、增材制造系统200(在图3和图4中示出)和/或增材制造系统300(在图6中示出)一起使用。在备选实施例中，再涂器组件700可与使再涂器组件700能够如本文中所描述那样起作用的任何增材制造系统一起使用。
在示例性实施例中，再涂器组件700包括槽702，槽702跨越构建平台704延伸。槽702包括：顶部706；底部708，其与顶部706相反；以及相对的壁710，其在顶部706与底部708之间延伸。顶部706基本上开放。底部708包括形成漏斗形状的成角度的壁712。底部708限定与构建平台704相邻的出口714。在槽702内接收的微粒朝向出口714向下形成漏斗状，并且从槽702通过出口714分配。在备选实施例中，再涂器组件700包括使再涂器组件700能够如本文中所描述那样操作的任何槽702。
另外，在示例性实施例中，出口714被定尺寸成限制从槽702流出的微粒的量。例如，出口714的宽度小于顶部706的宽度，微粒可通过顶部706被接收于槽702中。因此，在示例性实施例中，在以比微粒离开出口714的速率更大的速率将微粒提供给槽702时，微粒填充槽702。以使再涂器组件700能够如本文中所描述那样操作的任何方式将微粒提供给再涂器组件700并且通过再涂器组件700引导。在一些实施例中，再涂器组件700包括用以控制提供给槽702的微粒的流动的阀(未示出)。在另外的实施例中，再涂器组件700包括用以将微粒沿着槽702的长度沿至少一个方向引导的输送机设备(未在图12和图13中示出)。
而且，在示例性实施例中，再涂器刀片716与出口714相邻而联接到槽702。再涂器刀片716构造成在微粒通过出口714离开槽702时使微粒跨越构建平台704散布。再涂器刀片716可移除地联接到槽702，以允许移除和更换再涂器刀片716。在备选实施例中，再涂器组件700包括使再涂器组件700能够如本文中所描述那样操作的任何再涂器刀片716。
本文中所描述的实施例包括一种增材制造系统，增材制造系统包括旋转粘合剂喷射打印头。粘合剂喷射打印头构造成相对于构建平台旋转，并且将粘合剂分配到微粒上，以使微粒固结。在粘合剂喷射打印头操作时，微粒分配器和再涂器组件构造成将微粒分配于构建平台上，并且使微粒散布于构建平台上，以提供连续制备过程。另外，增材制造系统包括支承结构，支承结构支承粘合剂喷射打印头、微粒分配器以及再涂器组件。致动器构造成在增材制造系统在构建平台上制备构件时使粘合剂喷射打印头、微粒分配器以及再涂器组件相对于构建平台旋转并且上升。结果，增材制造系统能够制备具有任何复杂性的物体。另外，增材制造系统能够提供可在比至少一些已知的增材制造系统更短的时间内制备物体的多重螺旋制备过程。此外，增材制造系统能够被运输到远程地点并且被组装，因为支承结构、粘合剂喷射打印头、微粒分配器、再涂器组件以及致动器是模块化构件。
本文中所描述的方法、系统以及设备的示例性技术效果包括下者中的至少一个：a) 缩短使用增材制造系统来制备构件所需的时间；b) 提供能够制备具有任何复杂性的构件的增材制造系统；c) 提供允许固结装置和再涂器组件在构件的制备期间同时地操作的增材制造系统；d) 简化使微粒沉积到构建平台上所需的机构；e) 降低增材制造构件的成本；以及f) 提供模块化并且能够在原处制备构件的增材制造系统。
在上文中详细地描述了增材制造系统的示例性实施例。增材制造系统以及使用和制造这样的系统的方法不限于本文中所描述的具体实施例，而相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文中所描述的其它构件和/或步骤并且与其分开利用。例如，方法还可与其它增材制造系统组合而使用，并且不限于仅利用如本文中所描述的增材制造系统和方法来实践。相反，可结合许多其它增材制造系统而实施并且利用示例性实施例。
尽管本公开的多种实施例的具体特征可在一些附图中示出，而不在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合而引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员都能够实践实施例(包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法)。本公开的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果这些示例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同的结构元件，则这些示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (15)

1. 一种增材制造系统(100, 200, 248, 300)，包括：
构建平台(104, 210, 316, 606, 704)，其构造成接收微粒(218)；
微粒分配器(250)，其构造成使所述微粒(218)沉积于所述构建平台(104, 210, 316,606, 704)上；
至少一个打印头(102, 202, 302)，其包括至少一个喷口(108)，所述至少一个打印头(102, 202, 302)构造成将粘合剂通过所述至少一个喷口(108)分配到所述微粒(218)上，以使所述微粒(218)的至少部分固结并且形成构件(518)；
至少一个臂(116, 214)，其至少部分地跨越所述构建平台(104, 210, 316, 606,704)延伸，并且构造成支承所述至少一个打印头(102, 202, 302)；以及
至少一个致动器组件(128, 130)，其构造成使所述至少一个打印头和所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)中的至少一个围绕延伸通过所述构建平台(104, 210, 316,606, 704)的旋转轴线(124, 216)旋转并且使所述至少一个打印头和所述构建平台(104,210, 316, 606, 704)中的至少一个沿与所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)垂直的构建方向移动来作为用于所述构件(518)的螺旋构建过程的部分。
2. 根据权利要求1所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)，所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)定位成与所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)相邻，并且构造成接触沉积于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)上的所述微粒(218)并且使所述微粒(218)跨越所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)分布，其中，所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)联接到所述至少一个臂(116, 214)，并且其中，所述至少一个致动器组件(128, 130)进一步构造成使所述至少一个臂(116, 214)和所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)相对于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)旋转。
3. 根据权利要求2所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述至少一个臂(116, 214)包括第一臂(116, 214)，所述第一臂(116, 214)支承所述至少一个打印头和所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)。
4. 根据权利要求2所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述至少一个臂(116, 214)包括支承所述至少一个打印头的第一臂(116, 214)和支承所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)的第二臂(116, 214)。
5. 根据权利要求4所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述至少一个致动器组件(128, 130)包括：第一致动器，其构造成使所述第一臂(116, 214)相对于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)旋转；以及第二致动器，其构造成使所述第二臂(116, 214)相对于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)旋转。
6. 根据权利要求1-5中的任一项所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述打印头(102, 202, 302)是第一打印头(102, 202, 302)，所述增材制造系统(100, 200, 248, 300)进一步包括第二打印头(102, 202, 302)，所述至少一个致动器组件(128, 130)构造成使所述第二打印头围绕所述旋转轴线(124, 216)相对于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)旋转。
7. 根据权利要求1-6中的任一项所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)是圆形的，并且其中，所述增材制造系统(100, 200, 248, 300)进一步包括圆柱形壁(134)，所述圆柱形壁(134)围绕所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)延伸，以限定构建容器，所述旋转轴线(124, 216)延伸通过所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)的中心。
8. 根据权利要求1-8中的任一项所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述至少一个致动器组件(128, 130)构造成使所述至少一个臂(116, 214)和所述至少一个打印头围绕所述旋转轴线(124, 216)旋转，并且使所述至少一个打印头(102, 202,302)沿所述构建方向移动。
9. 根据权利要求8所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括联接到所述至少一个臂(116, 214)的至少一个支柱(122)，并且其中，所述至少一个致动器组件(128, 130)构造成调整所述至少一个支柱(122)的位置，以使所述至少一个打印头(102, 202, 302)沿所述构建方向移动。
10. 根据权利要求1-9中的任一项所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括清洁组件(148)，所述清洁组件(148)可定位成与所述至少一个打印头(102, 202, 302)相邻，并且构造成清洁所述至少一个打印头。
11. 根据权利要求1-10中的任一项所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，所述微粒分配器(250)与所述至少一个打印头相邻而联接到所述至少一个臂(116,214)，并且构造成在所述至少一个打印头旋转时使所述微粒(218)沉积于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)上，所述微粒分配器(250)将所述微粒(218)相对于所述至少一个打印头的旋转方向分配于所述至少一个打印头前面。
12. 根据权利要求11所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括微粒贮存器(220, 226, 254)和微粒转移组件(238)，所述微粒转移组件(238)构造成在所述至少一个打印头(102, 202, 302)的旋转期间将微粒(218)从所述微粒贮存器(220, 226, 254)转移到所述微粒分配器(250)。
13. 一种增材制造系统(100, 200, 248, 300)，包括：
构建平台(104, 210, 316, 606, 704)，其构造成接收微粒(218)；
微粒分配器(250)，其构造成使所述微粒(218)沉积于所述构建平台(104, 210, 316,606, 704)上；
至少一个打印头(102, 202, 302)，其包括至少一个喷口(108)，所述至少一个打印头(102, 202, 302)构造成将粘合剂通过所述至少一个喷口(108)分配到所述微粒(218)上，以使所述微粒(218)的至少部分固结并且形成构件(518)；以及
至少一个致动器组件(128, 130)，其构造成使所述至少一个打印头(102, 202, 302)围绕延伸通过所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)的中心的旋转轴线(124, 216)相对于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)旋转，并且在所述至少一个打印头(102,202, 302)旋转时使所述至少一个打印头(102, 202, 302)沿与所述构建平台(104, 210,316, 606, 704)垂直的构建方向移动。
14. 根据权利要求13所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)，所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)构造成接触沉积于所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)上的所述微粒(218)并且使所述微粒(218)跨越所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)分布，其中，所述至少一个致动器组件(128, 130)进一步构造成使所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)围绕所述旋转轴线(124, 216)旋转，并且使所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)沿所述构建方向移动。
15. 根据权利要求14所述的增材制造系统(100, 200, 248, 300)，其特征在于，进一步包括至少一个臂(116, 214)，所述至少一个臂(116, 214)支承所述至少一个打印头和所述至少一个再涂器刀片(132, 614, 716)，其中，所述至少一个臂(116, 214)至少部分地跨越所述构建平台(104, 210, 316, 606, 704)延伸，并且构造成相对于所述构建平台(104,210, 316, 606, 704)旋转。
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