TWI649128B - 聚合物噴灑沉積系統 - Google Patents

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TWI649128B
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David Mathew Johnson
安明 Ｒ 沃奇爾
Armin R. Volkel
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Victor Beck
約翰 史帝文 巴曲科威茲
John Steven Paschkewitz
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Abstract

本發明揭露了多種聚合物噴灑沉積系統及方法，其可以與廣泛的熱塑性材料使用於生產通常只使用更傳統的製造技術所取得的具複雜度及結構完整性的高分辨度物件，如注射成型方法。該等聚合物噴灑沉積系統及方法使用一拉伸流體於二個漸擴表面(諸如二個滾筒或二個活塞)之間的噴霧生成器。經拉伸的流體斷裂開而成為複數個液滴，並經導引通過一可含有可選的液滴尺寸選擇器的傳輸系統而進入一多噴嘴陣列。該多噴嘴陣列係經控制以導引該噴霧至一目標表面上，藉以產生一三維物件。所揭露的該等聚合物噴灑沉積系統及方法可使用在三維列印頭及列印技術中。

Description

聚合物噴灑沉積系統
本發明大體上係有關一種用於製造三維物件之聚合物噴灑沉積方法及系統。
零件訂製生產是一個不斷發展的產業且具有廣泛的應用。傳統上，射出成型及其他加工技術被用來產生物件的模型或生產物件本身。更具體而言，經加熱的材料(如玻璃、金屬、熱塑性塑料及其他聚合物)係射入一特成型為所預期物件形狀的射出模具中。該材料能夠在模具中冷卻，並呈現模具的形狀以形成物件。射出模具的生產是昂貴且費時的，且物件形狀的改變是難以在不進一步增加生產物件的時間和費用的情形下調整適應。
附加製造業因響應在改變射出模具以生產模具或物件本身上的費用、時間及困難性而興起。已知的附加製造技術包含熔融沉積成型(FDM)、立體微影(SLA)、選擇性雷射燒結(SLS)及噴射系統在內。各個已知的附加製造技術在材 料、費用及/或體積容量上具有限制，阻礙了使用一整套熱塑性材料進行小型運作生產、訂製生產及原型製作。再者，已知的附加製造技術不能夠精確地生產具有與通過傳統技術(如射出成型)所產生機械性能、表面處理及特徵複製度品質目標相比的零件。
在附加製造業不能產生具有足夠應用表現的零件的情況下，已經出現整個使用低成本工具的快速電腦數值控制(CNC)加工及快速射出成型的產業。然而，這些技術明顯比附加製造技術更加昂貴，並具有其本身的製造限制。
產業被迫在一通過傳統但昂貴、不易變更且耗時的技術(如射出成型)所做出的高品質及高體積容量物件，與產生較低品質物件(或許不具有所預期的結構完整度，且有時不具有所預期的材料)但有較快速度及靈活性的附加製造技術之間作出決定。例如，FDM及SLS在能夠使用的材料種類上受到限制，並產生出密度小於100%的物件。快速CNC成型具有特徵細節及完成度優異但仍是昂貴的較好品質物件。利用已知附加製造技術所產生的原型常常被精製，直至在產生出供大規模使用的射出模具的時點選定出最終設計。這樣的多階段生產過程也是費時且昂貴的。
製造業將受益於一可實現數位化、使用一套廣泛熱塑性材料的附加製造、及特徵分辨率的優點的製造過程，而能夠製造出具有藉更傳統的製造技術所得到的複雜度及結構完整性的物件。
以下的詳細描述結合了目前最好的實施本發明示例性實施例的設想模式。本發明大致上係提供一種聚合物噴灑沉積系統，其包括一噴霧生成器，該噴霧生成器自一流體源接收一流體並通過將二漸擴表面之間的流體拉伸成一流體細絲直至該流體細絲斷裂而生成複數個流體液滴，該複數個流體液滴形成一噴霧。該系統亦具有：一收集元件，其自該噴霧生成器接收該噴霧並挾帶該噴霧於一載體氣流中；一多噴嘴陣列，其接收該載體氣流並將該載體氣流引向一目標表面；以及一物件產生平台，其控制該多噴嘴陣列反覆塗覆該載體氣流於該目標表面以在該目標表面上形成一三維物件。
於本發明的一態樣中，該流體為一高分子量聚合物流體溶液。其他實施例可包含一或多個噴霧生成器，各噴霧生成器包含二個滾筒，該等滾筒吸引該流體至該二滾筒所界定的一輥隙的一上游側內，並使該流體在該輥隙的一下游側於該二滾筒的相對漸擴表面之間拉伸。
另外的實施例可使用一具有一熔點的熱塑性塑料的流體，且其中該收集元件以一高於該熔點的溫度保留該熱塑性塑料於該載體氣流中。
100‧‧‧聚合物噴灑沉積系統
102、112、430、802、902‧‧‧噴霧生成器
104、300、804‧‧‧收集元件
106、118、500、600、602、700、806、900‧‧‧多噴嘴陣列
108、808‧‧‧物件產生平台
110‧‧‧流體源
114‧‧‧溫度調節器
116、422‧‧‧液滴尺寸選擇器
120‧‧‧流體回收器
124‧‧‧噴霧
126、916‧‧‧目標表面
128‧‧‧物件
130‧‧‧回收槽
200、202、810、812‧‧‧滾筒
204‧‧‧輥隙
206‧‧‧上游側
208‧‧‧下游側
210、212、226‧‧‧流體細絲
214、224、402、404、424、426、814、816、826、838‧‧‧液滴
122、216、218、228‧‧‧流體
220、222‧‧‧活塞
230‧‧‧成串液珠結構
304‧‧‧聚合物噴霧
306‧‧‧空氣層
308‧‧‧加熱元件
310‧‧‧隔熱材料
400、418‧‧‧流動路徑
406、408‧‧‧路徑
414‧‧‧隔板
416‧‧‧側壁
420‧‧‧載體氣流
428‧‧‧聚合物噴霧
432‧‧‧氣流
434‧‧‧分隔線
502、608、610、702、828‧‧‧噴嘴
504、612、614、704‧‧‧閥門
506‧‧‧輸送管
508‧‧‧屏蔽氣體
604、606‧‧‧屏蔽氣流
706、708‧‧‧列
800‧‧‧聚合物噴灑沉積系統
818‧‧‧氣流
820、830‧‧‧目標表面
822‧‧‧橫向氣流
824‧‧‧第一層
832‧‧‧孔口
834‧‧‧進入口
836‧‧‧壓力
838‧‧‧方向
840‧‧‧回收路徑
902‧‧‧聚合物液滴噴射流
904‧‧‧主腔室
906‧‧‧第一噴嘴陣列
908‧‧‧噴嘴開口
910‧‧‧第二噴嘴陣列
912‧‧‧中間腔室
914‧‧‧開口
918‧‧‧噴嘴路徑
920‧‧‧回收槽
922‧‧‧聚合物液滴噴流
924‧‧‧氣體噴流
926‧‧‧定向脈衝氣流
圖1A為一根據本發明該等態樣的聚合物噴灑沉積系統 方塊圖。
圖1B顯示在一使用根據本發明的聚合物噴灑沉積系統及方法產生三維物件的方法中的步驟。
圖2A顯示一具有二個滾筒噴霧生成器的實例。
圖2B顯示一具有二個活塞噴霧生成器的實例。
圖3顯示一含有輸送通道的收集元件的實例。
圖4A為液滴尺寸選擇器的實例。
圖4B為液滴尺寸選擇器的另一實例。
圖5為多噴嘴陣列的實例。
圖6A及6B為具有垂直於該等噴嘴循環的氣流的多噴嘴陣列實例。
圖7為多噴嘴陣列的另一實例。
圖8A為聚合物噴灑沉積系統的實例。
圖8B為圖8A中所示聚合物噴灑沉積系統實例中的噴嘴。
圖9為用以導引該噴霧至目標表面的閘控機構的實例。
圖10A顯示一來自於圖9中所示閘控機構的單一噴嘴於關閉位置時的示意圖。
圖10B顯示一來自於圖9中所示閘控機構的單一噴嘴於開啟位置時的示意圖。
本發明所揭露的聚合物噴灑沉積系統及方法有助於實現具有更廣泛熱塑性材料及所生成物件特徵尺寸分辨 率的三維數位化附加製造技術的優勢，其在複雜度及結構完整性上近似於更傳統的製造技術(諸如射出成型製程)。本發明所揭露的聚合物噴灑沉積系統及方法可從高分子量聚合物及其溶液與其他熱塑性塑料(諸如尼龍、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚砜及乙縮醛)中氣溶膠化並產生三維物件。該等聚合物噴灑沉積系統及方法可氣溶膠化任何具有高度粘彈性的牛頓型及非牛頓型流體。
圖1A顯示了一聚合物噴灑沉積系統100實例的方塊圖，其包含一噴霧生成器102、一收集元件104、一多噴嘴陣列106及一物件產生平台108。該噴霧生成器102由一流體源110接收流體，並生成用以形成一噴霧的複數個流體液滴。該複數個流體液滴通過將流體拉伸以形成一流體細絲的流體拉伸技術而生成。該流體細絲斷裂成複數個流體液滴而形成該噴霧。流體拉伸方法及系統的實例已在名稱均為“METHODS AND SYSTEMS FOR CREATING AEROSOLS”的第14/066,418及14/066,435號美國專利申請案中討論，且該等專利均由本申請案的受讓人共同擁有，其全文以引用方式併入本文中。
圖2A及2B顯示了噴霧生成器的方法及系統實例，其通過將二個漸擴表面之間的流體拉伸成一流體細絲直至該流體細絲斷裂而生成複數個流體液滴，該複數個流體液滴形成一噴霧。其他適合在二個漸擴表面之間拉伸流體的方法可以使用多種選擇而達到，包含多個滾筒排列、共同轉動的滾筒、反向旋轉的滾筒、於環圈或皮帶內的滾筒等。
圖2A顯示了連續的流體經由一對反向旋轉的滾筒200、202而拉伸。該二個滾筒200、202之間的空間界定出一輥隙204而於該等滾筒200、202反向旋轉時吸引該流體於其內。該流體於該輥隙204的上游側206處匯集並被吸引通過該輥隙204。於該輥隙204的下游側208，該流體於該二反向旋轉的滾筒200、202的漸擴表面之間拉伸成一流體細絲210。當該等滾筒200、202反向旋轉，該流體細絲210所黏附的滾筒200、202漸擴表面保持不變，但這些表面之間的空間更大。該流體細絲212於該等滾筒200、202的表面遠離彼此旋轉時變得更長更細。
當流體細絲212達到該液橋變得不穩定的時點(對該流體細絲212而言也是毛細管斷裂點)時，該流體細絲212斷裂成數個液滴214且可留下過剩的流體216在該滾筒表面的每一者上。過剩的流體216縮回到其各自的滾筒表面上並可成為再循環及再匯集於該輥隙上游側的流體的一部分，以於該等滾筒的下次轉動時再次被吸引通過該輥隙。此過程可反復發生以提供連續的噴霧。
圖2B顯示了連續的流體於一對活塞220、222之間被拉伸，以形成一最終斷裂成複數個流體液滴224的流體細絲。流體218被放置在該等活塞220、222之間。該等活塞220、222被拉開並施以一連續拉力，促使該流體218於該等活塞220、222之間拉伸並形成一流體細絲226。當該流體細絲226變得更長更細時，該流體細絲226最終達到其毛細管斷裂點而在該點斷裂成多個液滴224，並留下過剩的流體 228在各個活塞220、222的表面。圖2B亦顯示一成串液珠結構230，其為該流體細絲達到其毛細管斷裂點且該流體細絲在該點斷裂成複數個流體液滴224前的前驅產物。過剩的流體228被匯集在該等活塞220、222上且該等活塞220、222可被帶回在一起讓該流體再次拉伸，藉以反復此過程並形成額外的噴霧液滴。
再參照圖1A，該聚合物噴灑沉積系統100可包含多個噴霧生成器112。該多個噴霧生成器112可與該主要噴霧生成器102同時生成液滴。在圖1A中所顯示的示例實施例中，全部的噴霧生成器102、112接收來自相同流體源110的流體。該多個噴霧生成器102、112中每一者生成複數個液滴而共同形成該噴霧。該收集元件104挾帶由該多個噴霧生成器102、112所形成的噴霧於該載體氣流中。
該收集元件104是一個傳輸系統，其可提供足夠的速度將該等噴霧生成器102、112所生成的液滴由該等噴霧生成器102、112輸送到該多噴嘴陣列106以及由該多噴嘴陣列106輸送到該供產生三維物件於其上的目標表面。該收集元件104亦提供一均勻且穩定流動，以流暢的輸送該等液滴至該多噴嘴陣列，防止液滴的聚結或結塊發生。
該收集元件104可包含一可選的溫度調節器114，供調節該載體氣流的溫度。例如，該流體是一種具有特定熔點的熱塑性塑料。當該熱塑性塑料液滴通過該收集元件104而挾帶於該載體氣流中時，該溫度調節器114以一高於其熔點的溫度保留該熱塑性塑料液滴於該載體氣流中，以維持 該熱塑性塑料液滴於液滴形式。若該熱塑性塑料液滴的溫度將到其熔點以下，該液滴可能會硬化或凍結，且不能或會以較低效率被導引通過該多噴嘴陣列106。該收集元件104順著其整個流動路徑對挾帶於該載體氣流中的液滴提供了溫度均勻性，以維持其熔點並確保該等液滴可被導引通過該(等)多噴嘴陣列。
例如，圖3顯示了一收集元件300實例。該收集元件可以是一個具有供該聚合物噴霧304行進於其內的輸送通道302的邊鞘流設計300。該聚合物噴霧304被一空氣層306徑向圍繞，該空氣層306通常經加熱至可維持該聚合物噴霧304在其熔點上的溫度。該空氣層306被一加熱元件308(諸如一電阻管加熱器)圍繞以助於保持該氣流306及該聚合物噴霧304中的一或二者在高於該聚合物噴霧304熔化溫度的預期溫度以上。可包含可選的隔熱材料310(如圖3中所示)以增加效率並有助於維持該聚合物噴霧304的溫度。
再參照圖1A，該收集元件104亦可包含一液滴尺寸選擇器116。該液滴尺寸選擇器116控制輸送到該多噴嘴陣列106的液滴的尺寸。控制輸送到該多噴嘴陣列106且最後被導引至該目標表面上以產生該三維物件的液滴尺寸可控制該三維物件的分辨率。較小的液滴由該多噴嘴陣列導引至該目標表面可達到有較高分辨率的三維物件。液滴的尺寸可通過一控制輸送到該多噴嘴陣列的液滴尺寸的調整機構而調整。需要產生所預期三維物件的液滴尺寸是取決於其應用，甚至在產生一單一物件的過程中有所變化。
一些液滴尺寸選擇器的實例包含使用流動流形幾何學及分離特徵的慣性撞擊、渦旋濃度和分離技術、及靜電轉向。液滴尺寸選擇器的類型可根據幾何形狀及整個聚合物噴霧沉積系統100的生產量而選定。
一慣性撞擊技術的實例係顯示於圖4A中。左側的流動路徑400顯示了液滴402、404具有不同的尺寸，且其於流向流動路徑400中的彎取處(如隔板410)或側壁時分別採取不同的路徑406、408。較大液滴的慣性大於較小液滴的慣性。當挾帶液滴的載體氣流遇到側壁、隔板或其他物體時，較大的液滴無法或較沒效率的流過該物體，並使較小的液滴圍繞該物體移動並沿著預期的流動路徑繼續行進。
例如，液滴尺寸選擇器可包含界定出一流動路徑418的多個隔板414及側壁416，該流動路徑418產生出一具有預期液滴尺寸的挾帶液滴載體氣流420。超出預期尺寸的液滴不能夠圍繞由該等隔板414及側壁416所產生流動路徑418的幾何形狀而偏向。該等隔板414及側壁416的形狀、長度、尺寸、輪廓、結構、材料及其他特徵可經調整以產生一具有預期液滴尺寸的載體氣流。
圖4B顯示另一類型的液滴尺寸選擇器422，其在該聚合物噴霧428從該噴霧生成器430散發出時，依靠重力從較小的液滴426沉降出較大的液滴424。地心引力使較大的液滴424向下回落至該噴霧生成器430。在某些情形下，向下回落的較大液滴424又流回至該聚合物噴灑沉積系統內，並成為可再次拉伸並經由該噴霧生成器430成為一批新液滴 的流體。一可選的氣流432可被導引至該較小的液滴426，且在這情形下其是以一相對於該液滴從噴霧生成器散發的方向的垂直角度而導引。該氣流432沿著輸送通道導引較小的液滴至該多噴嘴陣列。該氣流432是設置於一分隔線434的上方，該分隔線434被定義為該較大液滴424向下回落至該噴霧生成器430的地點。
再次參照圖1A，該聚合物噴霧沉積系統100可包含多個多噴嘴陣列106、118供導引該噴霧至該目標表面上。該聚合物噴霧沉積系統100可包含任何合適數量的多噴嘴陣列。顯示於圖1A中的實例包含二個多噴嘴陣列106、118，其每一者由該收集元件104接收該載體氣流並將該等液滴導引至該目標表面上以形成該三維物件。多噴嘴陣列的數量不僅可增加該三維物件的分辨率，且可增加該三維物件的生產效率。例如，在一些情形中該第二多噴嘴陣列可包含一低分辨率噴嘴以填入大部分的結構。在另一實例中，增加該多噴嘴陣列的數量可增進所形成三維物件的分辨率。再者，在多個多噴嘴陣列的系統中，各個多噴嘴陣列可經由控制濃度、液滴尺寸、以及該導向至目標表面的載體氣流的方向而個別開啟及關閉。
在任何多噴嘴陣列系統中，該多噴嘴陣列的各個噴嘴可經開啟或關閉以提供該導向至目標表面的載體氣流的幾何形狀、濃度、液滴尺寸、方向等的精細控制，以影響並控制整體的分辨率及所形成三維物件的形狀。
在該系統的一些實例中(諸如圖1A中所示的聚 合物噴灑沉積系統100)，該多噴嘴陣列包含一流體回收器120。該流體回收器120通過將回收的流體傳送回流體源110而回收利用未被從該多噴嘴陣列106導引至該目標表面的液滴。
圖5顯示一多噴嘴陣列500的實例，其具有複數個噴嘴502，每一噴嘴具有各自的閥門504。該載體氣流被氣動導引通過該多噴嘴陣列500的該等噴嘴502。從每一噴嘴502的載體氣流排出是受到一閥門504的控制。所有噴嘴502的閥門504可在相同時間成群或單獨開啟，以將載體氣流導向該目標表面。每一噴嘴具有一直徑範圍在1至100微米的孔口，其直徑取決於該裝置的分辨率而定。該孔口控制由該噴嘴導引至目標表面上的液滴的體積以及該液滴所導向的區域尺寸。
例如，一可允許只有單一液滴或少量液滴由每一噴嘴導引至目標表面的較小孔口增加了在該目標表面上所形成的三維物件的分辨率。相比之下，較大的孔口可允許大量的液滴從噴嘴分配到目標表面上，從而降低了分辨率，但增加了所施用液滴的用量。在一些實例中，在相同多噴嘴陣列內的噴嘴具有相同尺寸的孔口，而在其他實例中在相同多噴嘴陣列中的該等噴嘴的孔口尺寸可不相同。在又其它實施例中，在相同多噴嘴陣列中的該等噴嘴的孔口尺寸在尺寸上係可調整，使得所形成的三維物件的分辨率同樣也可調整。
再參照圖5，該多噴嘴陣列具有一個連續循環的載體氣流，其通過該噴嘴502及閥門504而被氣動導引至該 目標表面。該等噴嘴502導引該載體氣流至一輸送管506內。一屏蔽氣體源發出徑向圍繞該輸送管506且鄰近該等噴嘴循環的屏蔽氣體508，防止該載體氣流中的液滴凍結及防止從噴嘴502漏泄到該輸送管506。
在一些實例中，屏蔽氣流604、606垂直該等噴嘴608、610，諸如圖6A、6B中所示的多噴嘴陣列600、602實例。於圖6A中所示的多噴嘴陣列600中，該屏蔽氣流604垂直於該等噴嘴608並順著該等閥門612的軸心。於圖6B中所示的多噴嘴陣列602具有一垂直於該等噴嘴610並也垂直於該等閥門614軸心的屏蔽氣流604。在圖6A、6B中所示的多噴嘴陣列600、602實例中，該等閥門612、614為描繪成正方形的平面式閥門。
圖7顯示一替代多噴嘴陣列700，其具有複數個噴嘴702及各自的閥門704。在此實例中，該等閥門704與該等噴嘴702偏離以增加可容許的間距。該等閥門704彼此毗鄰設置，且其每一者係連接各自的噴嘴702。該等噴嘴702係排列成兩列706、708，其中一列706的噴嘴702以與另一列708噴嘴702連續交替的方式連接各自的閥門704。可實施任何合適於連接閥門的噴嘴排列方式，且在一些實例中可依據該多噴嘴陣列中可用的實體空間而實施。
圖8A的聚合物噴灑沉積系統800實例具有一噴霧生成器802、一收集元件804或傳輸系統、一多噴嘴陣列806、及一物件產生平台808。該噴霧生成器802為一個雙滾筒810、812的體現，其於該二個反向旋轉的滾筒的漸擴表面 之間拉伸流體成流體細絲。該噴霧生成器802產生複數個液滴，該等液滴含有較大的液滴814及較小的液滴816。在一些實例中，該噴霧生成器802所產生的較小液滴可在10微米的範圍內。氣流818被導向所生成的流體液滴814、816以將其導向該收集元件804。
如上所述，該流體可為任何的流體，包含高黏彈性聚合物及其溶液，諸如高溫熱塑性熔體或其溶液。可加入任何適量的溶劑至該流體，以助於控制流體的濃度，且因而控制該噴霧生成器所生成的液滴尺寸。
圖8A中所示的收集元件804實例包含具有隔熱材料、屏蔽氣流及過濾件的隔熱管，如上所述在圖3中所示的邊鞘流設計收集元件300。此收集元件804依靠慣性撞擊而從大的液滴814中分離出小的液滴816。此收集元件804輸送該等小的液滴816至該多噴嘴陣列806。該多噴嘴陣列806以數位方式控制該等液滴導引至該目標表面820上。橫向氣流822被導向該多噴嘴陣列806，使該流體的單一液滴被導向該目標表面820，如下所述在圖8B中所示。過剩的液滴可再回收至流體源內，以通過一回收路徑840而供給至噴霧生成器802。
對於每一層由該多噴嘴陣列806導向目標表面820的液滴，該物件產生平台808相對該多噴嘴陣列806位移。該三維物件的第一層824係於該多噴嘴陣列806導引第一層液滴808時產生，以形成該三維物件的第一層。該物件產生平台808以一垂直且遠離該多噴嘴陣列806的方向遠離 該多噴嘴陣列806移動，讓該系統準備好產生第二層液滴826。
該物件產生平台808基於有關於輸入到聚合物噴灑沉積系統800的三維物件數位資訊，持續相對該多噴嘴陣列806移動。於圖8A所示的系統實例中，該物件產生平台808相對於該多噴嘴陣列806移動。於該物件產生平台808與詳述該系統所產生三維物件的數位資訊一致而相對該多噴嘴陣列806移動時，該多噴嘴陣列806、該收集元件804及該噴霧生成器806保持不動。在其他實例中，該多噴嘴陣列亦可相對該目標表面移動，且該物件產生平台可或不可移動。
圖8B顯示了圖8A的多噴嘴陣列的其中一噴嘴828，其將流體的液滴導向該目標表面820。圖8B顯示了該噴嘴828的剖面圖，其具有一孔口832及一進入口834。可通過該噴嘴的進入口834對該噴嘴施加一壓力836，使該流體的單一液滴838通過該噴嘴的孔口832離開該噴嘴828而被導向該目標表面820。如上所述，該聚合物噴灑沉積系統可選擇性的控制對該等噴嘴施加壓力，且因而控制將該等流體液滴導向該目標表面。可使用任何合適的基板做為該目標表面。
當該物件產生平台相對該多噴嘴陣列移動以產生所預期的三維物件幾何形狀，該多噴嘴陣列內的各別噴嘴被選擇性的開啟或關閉。傳統的附加製造方法使用默認為被關閉，然後可以打開以噴出墨水或不打開的多噴射系統。揭露於本申請案中的獨立噴嘴控制系統提供了一橫向氣流系統，該系統具有利用按需求或依計劃爆發的空氣或壓力將從該多噴嘴陣列的一或多個噴嘴噴出的液滴導向該目標表面而 連續噴出的液滴。
當液滴從該等噴嘴(諸如圖8B中所示的噴嘴828)噴出時，該物件產生平台808控制該目標表面820。如上所述，該物件產生平台808以一垂直並遠離該多噴嘴陣列806的方向平移該目標表面820，以一層層的產生多層三維物件。圖8B顯示出該物件產生平台808亦可平移於一平行並沿著該多噴嘴陣列806的孔口軸心的方向838，以產生導向該目標表面820的液滴的每一層形狀、輪廓及結構等。圖8a及8B中所示的物件產生平台808是在兩個方向上相對於該多噴嘴陣列806位移。在其他實例中，該物件產生平台可在任何合適的方向上相對該多噴嘴陣列位移。
圖9顯示了另一多噴嘴陣列900的實施例，其包含一將載體氣流導向該目標表面的連續噴墨閘控機構。連續的聚合物液滴噴射流902是從該多噴嘴陣列900的主腔室904通過該主腔室904內的一第一噴嘴陣列906而噴出。施加於該主腔室904的壓力促使液滴從該主腔室904通過該等主腔室開口908而噴出到一中間腔室912內。該中間腔室912具有一小於該主腔室904壓力的壓力，以允許液滴從該主腔室904流至該中間腔室912，並防止液滴從該中間腔室912流回到該主腔室904內。
該中間腔室912包含一具有複數個開口914的第二噴嘴陣列910。該第二噴嘴陣列910的該等開口914與該第一噴嘴陣列906的該等開口908對齊，以對要被分發到目標表面916上的液滴提供一直通路徑。如上所述，連續的聚合 物液滴噴射流902是由該主腔室904噴出到該中間腔室912內。然而，在該第二噴嘴陣列910中的個別噴嘴可被開啟或關閉，以選擇性地將液滴從該中間腔室912噴向該目標表面916。取決於個別的噴嘴是否開啟或關閉，該等液滴可從個別的噴嘴射出。在圖9所示的機構實例中，該第二噴嘴陣列910具有兩個噴嘴路徑918是處在開啟的位置，且液滴從該二“開啟”的噴嘴射出到該目標表面916上。
可設置一回收槽130於該中間腔室910內。該回收槽130收集接收自該第一噴嘴陣列906且未穿過該第二噴嘴陣列910中已開啟的噴嘴的液滴。在一些實例中，收集到的液滴可再回收而重新使用於噴霧生成器中。
圖10A及10B分別顯示了在圖9中所示的多噴嘴陣列中處在關閉位置及開啟位置的單一噴嘴。圖10A顯示出該噴嘴處在關閉位置。該等液滴被導引通過該第一噴嘴陣列906中的噴嘴開口908，而連續的聚合物液滴噴射流922是通過該開口由該主腔室904被噴至該中間腔室912。在此實例中，該第一噴嘴陣列的開口908及該第二噴嘴陣列910的開口914彼此偏離。在此實例中使用了一可選的氣體噴流924以促進該聚合物液滴噴流922朝向該回收槽920並遠離該第二噴嘴陣列910的噴嘴開口914。於該第一噴嘴陣列906的開口908處是以一垂直該開口908的角度導引該氣體噴流924遠離該第二噴嘴陣列910的開口914。因此，於該噴嘴處在關閉位置時該聚合物液滴噴流922未被噴穿過該第二噴嘴陣列910的開口914。
當該噴嘴處在開啟的位置時，該聚合物液滴噴流922被導引通過該第二噴嘴陣列910的開口914並導引至該目標表面916上。可按需求於，以與該噴嘴關閉時所使用氣體噴流924的相反方向(該方向亦垂直於該第一噴嘴陣列906的開口908)，將一定向脈衝氣流926導向該聚合物液滴噴流922。該定向脈衝氣流926使該聚合物液滴噴流922被導向該第二噴嘴陣列910的開口914，且因而導向該目標表面916。
該目標表面916周圍附近的壓力為一低於該中間腔室912及主腔室904二者壓力的環境壓力。在一些替代實例中，該中間腔室912的壓力可與該目標表面周圍的環境壓力相等。該氣體噴流924及該定向脈衝氣流926係由與該第一噴嘴陣列906及第二噴嘴陣列910相稱的噴嘴陣列(圖中未示)所施與，且可單獨為分配液滴的每一個噴嘴而切換。所揭露的聚合物噴灑沉積系統可包含任何合適的閘控機構。
本文所揭露的聚合物噴灑沉積系統可於一用於三維列印機的列印頭中實施。該三維列印機可包含多個列印頭。在一些多列印頭的實例中，可使用一或多個列印頭以列印供該三維物件使用的支撐材料，且可使用另一或其他多個列印頭以列印覆蓋於該支撐材料上的主要材料。該等支撐材料中之一些支撐材料是可溶解的，讓其在產生該三維物件時提供支持，但在該三維物件完成後溶解掉。
圖1B顯示在使用一聚合物噴灑沉積系統產生三維物件的方法中的步驟方塊圖，其包含從一流體122產生噴霧，收集該噴霧124，將該噴霧導向一目標表面126，以及從 經導引的噴霧產生一物件128。
已經在本發明的優選實施方案中描述並闡釋了本發明的原理，應理解，在不偏離這些原理的情況下，可以在佈置和細節上對本發明做出修改。本人要求享有落在本發明的精神和範圍內的所有修改和變動的權利。

Claims (10)

  1. 一種聚合物噴灑沉積系統，包括：一噴霧生成器，其自一流體源接收一流體並通過將二漸擴表面之間的流體拉伸成一流體細絲直至該流體細絲斷裂而生成複數個流體液滴，該複數個流體液滴形成一噴霧；一收集元件，其自該噴霧生成器接收該噴霧並挾帶該噴霧於一載體氣流中；一多噴嘴陣列，接收該載體氣流，並產生橫向氣流以氣動導引該載體氣流至一目標表面上，且使該噴霧之至少一些流體液滴到達該目標表面上，而過剩的流體液滴回收至該流體源內；一物件產生平台，其控制該多噴嘴陣列反覆塗覆該載體氣流於該目標表面以在該目標表面上形成一三維物件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該流體為一高分子量聚合物流體溶液。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該噴霧生成器包含二滾筒，該等滾筒吸引該流體至該二滾筒所界定的一輥隙的一上游側內，並使該流體在該輥隙的一下游側於該二滾筒的相對漸擴表面之間拉伸。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該噴霧生成器為一生成複數個第一流體液滴之第一噴霧生成器，該第一噴霧生成器通過將該二漸擴表面之間的流體拉伸成一第一流體細絲直至該第一流體細絲斷裂成該複數個第一流體液滴，且更包括一自該流體源接收該流體而生成複數個第二流體液滴之第二噴霧生成器，該第二噴霧生成器通過將該二漸擴表面之間的流體拉伸成一第二流體細絲直至該第二流體細絲斷裂成該複數個第二流體液滴，該複數個第一流體液滴及該複數個第二流體液滴形成該噴霧。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該流體為一具有一熔點之熱塑性塑料，且其中該收集元件以一高於該熔點的溫度保留該熱塑性塑料於該載體氣流中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該收集元件包含一層徑向圍繞該載體氣流之空氣以及一徑向圍繞該空氣層的加熱元件。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該收集元件更包括徑向圍繞該加熱元件的隔熱材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該多噴嘴陣列將該載體氣流氣動引向該目標表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該多噴嘴陣列包含複數個噴嘴，且更包括一以一垂直該等噴嘴的方向圍繞該等噴嘴循環的屏蔽氣體源。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之聚合物噴灑沉積系統，其中該物件產生平台以一垂直該目標表面的方向相對該多噴嘴陣列位移，以形成該三維物件。
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