專利名稱：用于立體模注的支承拆分的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作預(yù)定形狀的立體制品的裝置和方法。這種裝置的用途之一是快速制作模型或制品。目前有各種各樣用于這樣注模的系統(tǒng)，其中包括分層敷設(shè)構(gòu)筑可固化材料的系統(tǒng)。該現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)包括立體平版印刷術(shù)和熔敷模注。本申請人的US 5121329號專利描述了后一種類型的一系統(tǒng)，它通過層層敷設(shè)正固化的材料直至形成所需要的形狀來成形立體制品。
所有目前已有的各種立體注模系統(tǒng)不同程度存在的缺點(diǎn)是若在最終成形的制品結(jié)構(gòu)中沒有支承層或結(jié)構(gòu)則不能在自由空間內(nèi)形成注模的結(jié)構(gòu)層。當(dāng)構(gòu)筑制品時，具有在最終形成的結(jié)構(gòu)中不由模注材料直接支承的懸垂節(jié)段或部分的制品要求敷設(shè)材料作為支承結(jié)構(gòu)來支承該懸垂部分。
在由上述US 5121329號美國專利所描述的計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備中，待成形制品的設(shè)計(jì)最初在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)制，而特定的軟件用來向用于操縱一模型基底部件和一模注材料敷設(shè)頭的驅(qū)動電機(jī)提供驅(qū)動信號以便在流體狀態(tài)下敷設(shè)材料從而通過敷設(shè)多層材料創(chuàng)制所需要形狀的制品。在制品成形過程中可以采用這種系統(tǒng)在適合的軟件控制下將材料敷設(shè)在底板或基底上從而形成附加的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用作正被成形的制品的懸垂或自由空間節(jié)段的支承結(jié)構(gòu)。將?；蛑破方Y(jié)構(gòu)固定到這樣的支承結(jié)構(gòu)之上可解決制作模或制品的問題，但是它會引起另外的難題，即不損壞形成的最終模或制品而將支承結(jié)構(gòu)從制品結(jié)構(gòu)上脫開。如果支承結(jié)構(gòu)由與用于構(gòu)筑所需制品的材料相同的材料制成，則該支承結(jié)構(gòu)與制品之間的粘接強(qiáng)度與制品或模本身中的各個單層之間的粘接強(qiáng)度完全相同。當(dāng)用力最終將支承結(jié)構(gòu)從制品上拆開時，要么部分支承結(jié)構(gòu)材料留在該制品上，要么制品的一部分被撕下。無論哪種情況，制品或模都會受到損壞或甚至疤痕嚴(yán)重到毫無價值的地步。
本發(fā)明旨在提供一種方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備通過下述方式可克服上述問題，即在成形制品的材料和其下方的支承結(jié)構(gòu)材料之間形成可斷開的弱粘接以便避免對最終制品的任何損壞。
本發(fā)明的主要目的是通過下述方式提供一種方法和設(shè)備，該方法是使在制品/支承交接面處的制品材料和其下方的支承結(jié)構(gòu)材料之間的界面間的粘接強(qiáng)度達(dá)到最小從而用微小的力就可快速容易地將支承結(jié)構(gòu)材料拆除，但該粘接強(qiáng)度仍具有足夠的錨固強(qiáng)度從而當(dāng)制品正在成形時可將?；蛑破饭潭ㄗ　榇四康倪x擇材料，這些材料在模/支承結(jié)構(gòu)的界面處的材料間提供微小的粘接強(qiáng)度而且易于分離的接縫。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，第一種可固化材料按預(yù)定的格式敷設(shè)以形成所需要的制品和用于該制品自由懸垂部分下設(shè)的一獨(dú)立分開的支承結(jié)構(gòu)，上述兩者之間的隔離帶限定制品的懸垂部分的底邊。其成份與構(gòu)成制品的材料不同的第二種分離材料敷設(shè)于上述隔離帶內(nèi)。對該種材料加以選擇以便其在沿制品、支承結(jié)構(gòu)交接面的容易分開的接縫中與第一種材料形成軟弱的、可斷開的粘接。最好第一和第二材料通過多層敷設(shè)方式來構(gòu)筑，而在立體制品和支承結(jié)構(gòu)復(fù)合件上，分離材料敷設(shè)于相同豎直高度平面內(nèi)的制品和支承結(jié)構(gòu)間的相隔開的層之間。
在上述實(shí)施例中，其中，分離材料作為一層敷設(shè)，該材料形成與所形成的制品材料相接觸的最終支承層，而且該材料與制品和支承結(jié)構(gòu)均相接觸。然而，該第二材料與制品材料形成的粘接強(qiáng)度顯著低于主模注或制品材料本身的粘接強(qiáng)度。這樣就允許支承結(jié)構(gòu)易于拆開。
當(dāng)按上述實(shí)施例敷設(shè)一獨(dú)立分離層時，可成功地采用多種材料。下面給出材料組合的實(shí)例。譬如，用來形成制品和支承結(jié)構(gòu)的材料可以是在環(huán)境溫度下固化的熱塑性樹脂，如聚酰胺，而用于分離層的材料可以為碳?xì)浠衔锵灐?br> 在分離材料呈薄涂層敷設(shè)于制品材料和下設(shè)的支承結(jié)構(gòu)之間的實(shí)施例中，該分離材料在模注材料和支承結(jié)構(gòu)之間的交接面處以流態(tài)敷設(shè)成如此薄的一層，從而使其幾何形狀在模和支承的構(gòu)筑中可忽略不計(jì)。在如此的工藝過程中，用來形成模或制品的材料最好也是以液態(tài)敷設(shè)的熱塑性樹脂，如聚酰胺。上述分離材料可以為脫模型材料，如溶于溶劑或水的聚合物、硬脂酸酯、硅氧烷或含氟化合物，或含有蠟或聚合物的懸浮液。
本發(fā)明的裝置采用一對敷設(shè)器，其中每個帶有用于敷設(shè)不同材料的各自的排放端頭，該設(shè)備也可用來由第一材料構(gòu)筑制品或模，由第二材料制成下設(shè)的支承結(jié)構(gòu)，該第二材料與所支承的制品懸垂部分的底邊形成弱粘接。例如，正如在此所述，用于制作制品的材料可以為熱塑性樹脂或蠟?zāi)沧⑾灒糜谥С薪Y(jié)構(gòu)的材料是一種蠟，該種蠟在與制品材料的接觸面處形成弱粘接。
用于上述方法的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，各自帶有一排放端頭的兩個敷設(shè)器裝設(shè)在一個敷設(shè)頭上。設(shè)置可控機(jī)構(gòu)來使敷設(shè)頭和材料接納基板相互間沿X、Y和Z軸方向相對移動從而分層構(gòu)筑立體制品。各敷設(shè)器上帶有一排放噴嘴，該噴嘴中裝有前述端頭。最好其中一個噴嘴可相對于另一個可豎向調(diào)節(jié)從而不敷設(shè)噴嘴的排放端頭總可定位在高于敷設(shè)噴嘴的排放端頭一足夠的高度從而使其不觸及由敷設(shè)噴嘴所正在敷設(shè)的材料以避免相互間的干擾。
結(jié)合附圖閱讀下面的描述，可容易理解本發(fā)明的上述和其它的目的以及優(yōu)點(diǎn)，在各圖中相同的標(biāo)號表示相同的部件。附圖中

圖1為本發(fā)明的敷設(shè)頭和敷設(shè)噴嘴機(jī)構(gòu)的透視圖；圖2為沿圖1中2-2線的敷設(shè)頭的豎向剖面圖；圖3為構(gòu)筑所成形制品的可分離支承結(jié)構(gòu)的一種形狀和方法的示意圖；圖4為另一種分離層實(shí)施例成形的示意性透視圖；圖5為采用一分離涂層的又一實(shí)施例的示意圖；圖6為局部側(cè)視圖，表示圖1和2中的兩個敷設(shè)端頭處于某一特定的敷設(shè)方式。
用來構(gòu)筑如圖3～5所示的立體制品的支承結(jié)構(gòu)的成形和拆開系統(tǒng)可用于各種模注系統(tǒng)。特別適合的是通過形成連續(xù)的相鄰層或?qū)訝铙w來成形立體制品的系統(tǒng)，尤其是指US 5121329號專利中所描述的這種系統(tǒng)。在最終要在自由空間中懸出的懸垂部分之下，在模注或制品成形過程中無論何處需要支承結(jié)構(gòu)，上面述及的分離層和分離涂層的方法均可適用。
優(yōu)選的材料敷設(shè)和構(gòu)制方法類似于US 5121329號專利中所描述的方法。圖1和2表示一敷設(shè)頭2，其上裝有一對敷設(shè)器8和30，用于進(jìn)行下述的支承結(jié)構(gòu)的成形和分離過程的一種系統(tǒng)。為此，敷設(shè)頭2裝設(shè)成相對于材料接納基底56可相對運(yùn)動，如圖6所示，從而能把材料敷設(shè)成多道和多層以形成預(yù)定形狀的物品。上述相對運(yùn)動沿X、Y和Z軸方向進(jìn)行從而把材料逐層敷設(shè)以形成一立體物品?？刹捎们笆龅腢S 5121329號專利中所描述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的螺桿來實(shí)現(xiàn)這樣的相對運(yùn)動。最好敷設(shè)頭2裝設(shè)于一底盤4上，該底盤4可沿X和Y軸方向運(yùn)動，而圖1和2中所示的導(dǎo)向螺桿6用來提供沿其中一個方向的運(yùn)動。按下述方式設(shè)置底盤4，借助第二導(dǎo)向螺桿沿第二方向即Y軸方向運(yùn)動，該方向與上述導(dǎo)向螺桿6的伸展方向相垂直。上述兩個螺桿均由如步進(jìn)電機(jī)之類的可控電機(jī)驅(qū)動。最好上述的相對運(yùn)動受控于可由計(jì)算機(jī)控制的CAD/CAM系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中待成形制品的設(shè)計(jì)最初在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)制?？墒褂密浖⒂?jì)算機(jī)中的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成驅(qū)動電機(jī)的受控運(yùn)動以便導(dǎo)向螺桿通過預(yù)定的運(yùn)動方式移動敷設(shè)頭2而逐層按所要求的形狀敷設(shè)和構(gòu)筑各層材料。在上述的實(shí)施例中，基底或接納基底(圖6)可沿豎直或Z軸方向運(yùn)動從而可實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動。
第一敷設(shè)器最好是管形或?qū)Ч?，它用來敷設(shè)一種材料。在應(yīng)用于供料為固態(tài)的場合，如一柔性絲或線之時，在敷設(shè)器8上設(shè)置一加熱線圈10以便加熱和熔化該固體材料從而該材料呈流體狀態(tài)供給帶一排放端頭14的一敷設(shè)噴嘴12。該排放端頭14構(gòu)成所敷設(shè)液態(tài)材料的出口。該材料在預(yù)定的條件下，如制品成形或模注的所控制的環(huán)境溫度下將固化一體。管形敷設(shè)器8在接收端設(shè)有一套16，它固定于一固定環(huán)18上。由于下面要描述的原因，敷設(shè)器8最好采用與固定環(huán)18鉸接的方式安裝以便進(jìn)行有選擇的豎直運(yùn)動。為此，一對基本沿水平延伸的鉸軸20，從套16的相對側(cè)面伸出并固定到固定環(huán)18上。
一提升支架22連接到敷設(shè)器8的另一端靠近端頭14的位置，其上帶有一連接板24。一提升裝置，例如圖示的雙向作用驅(qū)動缸28，包括有一柱塞26，該柱塞26固定于連接板24上。驅(qū)動缸28可以為氣動或液壓的流體驅(qū)動缸。它為可往復(fù)動作的雙向作用驅(qū)動缸，其由流體驅(qū)動可沿豎向伸出和收回柱塞26。在協(xié)調(diào)敷設(shè)來自圖示二個敷設(shè)器的材料的軟件程序控制之下，上述運(yùn)動可使排放端頭14上升和下降。對下面要描述的第二敷設(shè)器30來說排放端頭14的豎向高度的調(diào)節(jié)具有一特定的用途。應(yīng)注意到，提升裝置28可包括各種機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包括一彈簧加載的電磁線圈(spring-loaded solenoid)，該線圈在受電激勵時伸長并利用彈簧的回復(fù)而使柱塞26進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動。如圖6所示，一般要使柱塞26回縮從而使排放端頭14相對敷設(shè)器30的端頭36保持在一預(yù)定的較高位置。敷設(shè)器30在其敷設(shè)端部也帶有一噴嘴34，該噴嘴34上固定有排放端頭36。另外最好也采用一加熱線圈32將導(dǎo)入管狀敷設(shè)器30中的固體供料熔化成液體狀態(tài)，而該材料是由液體狀態(tài)通過端頭36而敷設(shè)的。敷設(shè)器30通過一固定套箍31固定于底架頂部4上。
排放端頭14和36分別與不同成份的材料的相應(yīng)供應(yīng)源連通并以流態(tài)供給，而后可在預(yù)定條件下固化。該材料由泵等直接從貯液器以液態(tài)供應(yīng)。材料在開始時也可以固態(tài)供給，如以US 5121329號專利中圖5所示的柔性絲或線狀供應(yīng)。該柔性絲可由固體材料制成，該固體材料可相當(dāng)迅速地加熱到其固化溫度之上并且在其敷設(shè)于接納基底或基底56后一旦溫度稍有降低即可迅速固化?？墒褂冒ê竺嫠龅母鞣N材料在內(nèi)的熱塑性樹脂、蠟或金屬柔絲。這種線或絲在圖2中用標(biāo)號50表示，它可借助一適合的材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)從一供應(yīng)卷盤(未示出)通過一導(dǎo)管和一導(dǎo)向座54輸送。使用一對夾輥46可有效地用作這種機(jī)構(gòu)以用來夾緊和推進(jìn)絲50。夾輥46的間歇性的受控驅(qū)動是由步進(jìn)電機(jī)38和40來實(shí)現(xiàn)的，每個電機(jī)帶動正齒輪42和44中的一個，通過該齒輪把驅(qū)動力傳遞給夾輥46。
電機(jī)38和40由適當(dāng)?shù)能浖枰猿炭匾蚤g歇性地驅(qū)動夾輥46，進(jìn)而有選擇地向某一敷設(shè)器8或30推送絲狀材料。用于向敷設(shè)器8供給的絲50的上述材料推進(jìn)機(jī)構(gòu)還可用于從一分開的供應(yīng)盤向敷設(shè)器30推送絲。
圖3～5表示用以在待制作的一立體制品的自由懸垂部分下方提供一可拆開支承結(jié)構(gòu)的不同方法。圖4表示一特別優(yōu)選的實(shí)施例，其中，一分離層B用來在一制品或模58和一支承結(jié)構(gòu)60之間提供一可分離、可斷開的接縫。在該實(shí)施例中，制品58和支承結(jié)構(gòu)60由同一材料A制成。如圖所示，制品58沿其右側(cè)有一懸垂部分，該懸垂部分的底側(cè)由標(biāo)號62表示。支承結(jié)構(gòu)60中相鄰的頂面或表面用標(biāo)號64表示。表面62和64間隔開從而在其間形成一連接和分隔帶，在該分隔帶中填有一種分離材料B。
在由圖4的實(shí)施例所示的一立體結(jié)構(gòu)中，材料A和B可按多種方式敷設(shè)以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)由制品58、支承結(jié)構(gòu)60和分離層B構(gòu)成。采用本說明書中所描述的這種敷設(shè)設(shè)備，上述材料由排放端頭14和36逐道敷設(shè)，其軌跡或路徑可以是位于圖4所示的X-Y平面內(nèi)的直線。從基底56開始，材料從二個敷設(shè)器8和30來構(gòu)筑進(jìn)各層，而在沿Z軸的每一個豎向高度平面上敷設(shè)若干道。用于制品58及支承結(jié)構(gòu)60的各層按圖4所示的格式敷設(shè)直至達(dá)到下述位置此處制品58的懸垂部分明顯伸出到自由空間中而需要支承。因此在用于制品58的層帶A-1敷設(shè)后，在同一水平或高度敷設(shè)分離材料B層帶B-1。之后，在同一水平敷設(shè)支承結(jié)構(gòu)層帶A-2。隨著敷設(shè)器8和30由步進(jìn)電機(jī)38和40按間歇性驅(qū)動方式來控制操作以便將所需要的供料A和B以可凝固的液態(tài)供給和敷設(shè)，上述過程可連續(xù)進(jìn)行。承載敷設(shè)過的材料的接納基底56相對敷設(shè)器2作豎向調(diào)節(jié)以便連續(xù)形成材料層，進(jìn)而最好以如圖4所示的條帶方式把制品58和支承結(jié)構(gòu)60構(gòu)筑到所需的完整高度。在每個Z坐標(biāo)或高度水平相間敷設(shè)分離層材料B以便依次把制品58和支承結(jié)構(gòu)60的相鄰表面62和64之間形成的整個分離帶填滿。在形成圖4所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)之后，由于材料B所形成的較弱或可拆開的接縫，支承結(jié)構(gòu)60可易于拆下。
因此可以看出，第二材料B用來形成支承的最終層，該層與形成制品58底邊62的材料A相接觸。因此分離材料B作為一層與懸垂部分輪廓相一致并敷設(shè)于制品58和支承結(jié)構(gòu)60之間的隔離帶之內(nèi)。對該材料B加以選擇以便與制品或成型材料A形成粘接，該粘接明顯弱于材料A自身間的粘接。當(dāng)對支承結(jié)構(gòu)60施加分開力時，它便斷開，或許留有部分分離材料B而粘連到制品58的底邊62。由于分離材料B與制品或模注材料A的粘接較弱，故殘留在制品上的任何分離材料可易于剝離下來而不對?；蛑破吩斐蓳p壞。采用下述方式可有助于這樣的支承結(jié)構(gòu)的拆下，該方式是，在厚為0.0001-0.125英寸的一相當(dāng)薄的層內(nèi)敷設(shè)分離材料B，其中以0.005-0.020英寸的范圍為最佳，上述薄層厚度是由在制品58和支承結(jié)構(gòu)60的相鄰表面之間交接面處的隔離帶來限定的。
可以使用多種材料以達(dá)到上面如圖4所描述的支承結(jié)構(gòu)60從所形成的制品58上迅速容易地拆開。用來形成制品58的結(jié)構(gòu)和支承結(jié)構(gòu)60的材料A最好為熱塑性材料，該熱塑性材料將在其所敷設(shè)的預(yù)定環(huán)境條件下易于固化。各種熱塑性樹脂均是適合的，比如蠟?zāi)沧⒂孟灐７蛛x材料可以是碳?xì)浠衔锵灥幕旌衔?。模注或制品的材料A具有較高的抗拉強(qiáng)度。譬如，當(dāng)使用其抗拉強(qiáng)度約為2700磅/平方英寸的聚酰胺模注材料A，并采用由碳?xì)浠衔锵灮旌衔锝M成的分離材料B時，通過沿由分離材料B所形成的縫或分離區(qū)斷開，所成形的制品58和支承結(jié)構(gòu)60易于分離，這是因?yàn)榉蛛x材料B和模注或制品材料A的表面張力具有很大差別的緣故。與制品和支承結(jié)構(gòu)材料A的表面張力相比大為減小的分離材料B的表面張力降低了由材料B所形成的接縫處交接面粘接強(qiáng)度，從而使支承結(jié)構(gòu)60易于斷開和分離而對制品58底邊62產(chǎn)生最小損壞。
作為另一實(shí)例，聚酰胺模注材料和用于分離材料B的水溶性蠟已得到成功地應(yīng)用。在前述實(shí)例中，不但交接面粘接強(qiáng)度減小，而且支承結(jié)構(gòu)在五分鐘內(nèi)即溶解在室溫的水中。但是如果采用水溶性分離材料，而用于制品和支承結(jié)構(gòu)的材料A不溶于水，把復(fù)合組件58-60置于一水槽中，則任何殘留的支承結(jié)構(gòu)材料可易于溶解和去除。這樣就可避免以機(jī)械方式拆下支承結(jié)構(gòu)。
在另一實(shí)例中，用于制品58和支承結(jié)構(gòu)的材料A是由蠟和聚合物的混合物組成的，而分離帶或接縫處的分離材料B則采用水溶性蠟。這也形成非常弱的交接面粘接從而易于將支承結(jié)構(gòu)分開，另外分離材料B易溶于室溫下的水中從而大大便利于將支承結(jié)構(gòu)分開。
圖5表示與圖4相似的實(shí)施例，但其中分離材料是以液態(tài)作為薄層70沿制品66和支承結(jié)構(gòu)68之間的分離線或接縫來敷設(shè)的。同樣，制品和支承結(jié)構(gòu)采用相同的材料A制成。該材料A分多層敷設(shè)，是按圖4所述方式沿豎向構(gòu)筑的。然而在本實(shí)施例中，可流動的劑料D敷加于制品66和支承結(jié)構(gòu)68之間的接觸面上。該劑料破壞位于制品和支承結(jié)構(gòu)之間的相同材料A中正常會產(chǎn)生的分子鏈接，從而在接觸面70處產(chǎn)生顯著弱化的鏈接。當(dāng)對復(fù)合結(jié)構(gòu)66和68施加拉力時，支承結(jié)構(gòu)68易于清潔地裂開而根本不留下殘?jiān)牧匣蛲耆粚κＯ碌哪；蛑破方佑|面造成損壞。在本系統(tǒng)中的分離劑料形成如此薄的一層D，從而使得該層的結(jié)構(gòu)尺寸在制品和支承結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑中可忽略不計(jì)。該薄分離涂層的厚度小于0.0002英寸。
溶液、乳化液和懸浮液均可用作分離涂層。用于制品66和支承結(jié)構(gòu)68的材料A可以為上述針對圖4中材料A所描述的任何材料。令人滿意的分離涂料中包括可溶于溶劑的化合物，如聚合物和有機(jī)物，該聚合物例指丙烯酸酯，該有機(jī)化合物例指硬脂和壬二酸。當(dāng)然可溶于水的聚合物也適于用作分離涂料，其中包括如聚環(huán)氧乙烷和乙二醇基聚合物、聚乙烯吡咯烷酮基聚合物、甲基、乙烯基醚和順式丁烯二酐基聚合物、聚噁唑啉基聚合物和Polyqaternium II等材料。普通的脫模材料也可成功地用作分離涂料。這些材料包括含氟化合物、硅氧烷、卵磷脂和硬脂酸鹽。懸浮液亦可用于上述分離材料，其中包括蠟，例如烷屬烴類、微晶料和聚乙烯類以及聚合物。
圖5實(shí)施例中在70處所采用的材料A包括例如用于制品66和支承結(jié)構(gòu)68的材料A的聚酰胺，而分離涂料D是硅氧烷。上述才料A的抗拉強(qiáng)度約為1000磅/平方英寸，而在位于制品和支承結(jié)構(gòu)之間的分離接縫70處敷設(shè)有硅氧烷涂層的試件在交接面接縫處的抗拉強(qiáng)度約為105磅/平方英寸，并且試件受彎時在接縫70處易于斷開。
適用于圖5實(shí)施例的涂層的另一組材料包括用于制品和支承結(jié)構(gòu)的蠟和聚合物混合體，而硬脂酸溶液用于分離涂層。圖5所示的由上述材料制成的試樣在接縫70處的抗拉強(qiáng)度如此之低以致于圖5所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)在一試驗(yàn)夾持中開裂。
如圖4或圖5的實(shí)施例，在由相同材料A成形的制品懸垂部分和其下設(shè)的支承結(jié)構(gòu)之間，無論是采用分離層抑或是分離涂層，均具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。第一個優(yōu)點(diǎn)涉及收縮特性。所有材料均在某種程度上收縮。如果具有明顯不同收縮特性的材料用于制品或模型結(jié)構(gòu)以及相鄰的支承結(jié)構(gòu)，則沿分離縫在二種材料之間將存在很大的收縮差值。這會產(chǎn)生極為嚴(yán)重的應(yīng)力和粘接破壞，而制品則變形扭曲。這些潛在的有害作用通過下述方式降到最小程度，即在制品結(jié)構(gòu)58或66及支承結(jié)構(gòu)60或68上采用相同數(shù)量的材料而在其間則僅帶有相當(dāng)薄的分離層或涂層。不同材料的熔化和模注溫度也產(chǎn)生影響。這樣就必須對各種材料進(jìn)行選擇以便使其隨使用的溫度相互兼容從而達(dá)到所需要的效能。因此，當(dāng)可加工的蠟敷加于制品和支承結(jié)構(gòu)之間的交接面或分離區(qū)的一相當(dāng)薄層中時，即便用作支承結(jié)構(gòu)材料的可機(jī)加工的蠟需要60℃的較高環(huán)境溫度以便獲得構(gòu)筑大而厚的支承結(jié)構(gòu)的層壓強(qiáng)度，在如澆注蠟之類的熱塑性制品和支承結(jié)構(gòu)較低的30℃模注溫度下，該材料也會相當(dāng)良好地疊置起來。換言之，甚至在材料A的模注溫度下，圖4所示的分離材料B相當(dāng)薄的層也能相當(dāng)好地疊層以形成具有足夠強(qiáng)度的一層來支承位于其上的制品材料A?？赏蛇@樣一層材料B形成相當(dāng)弱的粘接或疊層以實(shí)現(xiàn)迅速方便地分離支承結(jié)構(gòu)60。
圖3表示可結(jié)合圖1、2和6所示敷設(shè)設(shè)備而成功采用的第三實(shí)施例。在此實(shí)施例中，第一材料A用來形成制品72，具有不同成份的第二材料C用來構(gòu)筑支承結(jié)構(gòu)74。該兩結(jié)構(gòu)沿分離線或接縫76相互面接觸。同樣該兩材料A和C可借助于參照圖4所述的敷設(shè)頭2的多個行程而分層敷設(shè)，敷設(shè)頭2的每一道行程形成圖3和4所示的一長條或道。用于制品材料A和支承結(jié)構(gòu)材料C的材料組合可以采用關(guān)于材料A和B的圖4中所述的相同組合。
如上面參照圖4所述，因?yàn)椴煌牟牧鲜怯膳欧哦祟^14和36在同一水平面或豎直高度敷設(shè)的，例如圖4所示的道或條A-1、A-2和B-1，故存在非敷設(shè)排放噴嘴及其端頭對敷設(shè)排放噴嘴所敷設(shè)的材料干擾的問題。該問題通過下述方法來克服，提供如圖1、2和6所述的裝置，來豎向調(diào)節(jié)其中一個敷設(shè)端頭相對另一個敷設(shè)端頭的高度。參照這些附圖，應(yīng)注意，敷設(shè)器8至少在噴嘴12和端頭14所設(shè)置的其出料端可借助提升裝置28來豎向調(diào)節(jié)。如圖3和圖4所示，敷設(shè)器30用來敷設(shè)材料A，而敷設(shè)器8用于敷設(shè)材料B或C。如圖6所示，敷設(shè)噴嘴12及端頭14由提升裝置28保持在處在敷設(shè)器30的端頭36之上的更高位置上。該高度差在圖6中放大示出以示強(qiáng)調(diào)。當(dāng)端頭36敷設(shè)時，要求端頭14高于端頭36幾分之一英寸，甚至1/16英寸的數(shù)量級。當(dāng)要通過端頭14從敷設(shè)器8敷設(shè)材料時，要驅(qū)動提升裝置28以外伸柱塞26及降低端頭14從而該端頭14比端頭36低上述相同數(shù)量級。如此設(shè)置避免一個敷設(shè)噴嘴端頭可能擾亂另一端頭所敷設(shè)的材料。
應(yīng)注意到，在單獨(dú)的敷設(shè)頭2上載設(shè)的二個敷設(shè)器可采用不同于圖1和2所示的長管形敷設(shè)器/液化器的形式。如果供應(yīng)到敷設(shè)器的不是采用絲或條狀的可熔固體，要敷設(shè)的材料以液態(tài)由泵從貯液器直接供給，則可不需用帶有其加熱線圈的長管形敷設(shè)器。對于圖5所示的實(shí)施例，薄涂層分離材料可從注射器泵過用作排放端頭的針頭。這樣的排放組件可用作固定于敷設(shè)頭2上的一個敷設(shè)器。另外在相同應(yīng)用場合，液態(tài)分離材料可通過帶有鬃毛的刷子的端頭排出，該鬃毛用來將上述液體刷涂在位于與制品或模結(jié)構(gòu)66的交接面70處的支承結(jié)構(gòu)68的上表面上。在與制品66底側(cè)上的相鄰垂直表面的分離處，液體涂料還可沿支承結(jié)構(gòu)68的每層豎向面涂刷，這是預(yù)料之中的事。在敷設(shè)制品66的其后相鄰各層材料A之前，作為薄涂層而敷設(shè)的上述液體材料要固化并且至少局部硬化。
此外，相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)材料和分離材料可從單個敷設(shè)頭上的單個噴嘴端頭來敷設(shè)，而該敷設(shè)頭具有多個供給通道。這種敷設(shè)頭的結(jié)構(gòu)在US 5121329號專利的圖6中示出，并在第14欄第11～36行予以描述。在該敷設(shè)頭實(shí)施例中，各獨(dú)立分開的材料可通過對絲或條熔化或通過從貯液器泵抽液體的方式以液態(tài)供進(jìn)該敷設(shè)頭中的各獨(dú)立流動通道?？刹捎煤线m的流量調(diào)節(jié)器來有選擇地和間隔性地敷設(shè)一種材料或另一種材料。
在不脫離下述權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的條件下可以對上面所述的方法和設(shè)備做各種各樣的改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用于制造帶有自由懸空部分的立體制品的方法，其步驟包括按一預(yù)定格式以流體狀態(tài)敷設(shè)一第一可固化的結(jié)構(gòu)材料，來淀積構(gòu)成一立體復(fù)合體的多層所述材料，該復(fù)合體包括一立體制品和一獨(dú)立的立體支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)位于所述制品在分層敷設(shè)過程中需要支承的懸垂部分之下，而上述制品和支承結(jié)構(gòu)由其間限定該制品的懸垂部分底邊的一隔離層隔離開；在與第一材料敷設(shè)相配合的多道敷設(shè)過程中，把一第二分離材料敷設(shè)于制品和支承結(jié)構(gòu)之間的所述隔離帶內(nèi)并與第一材料相接觸，而該第二材料的成份與所述的第一材料不同，從而在制品和支承結(jié)構(gòu)之間所述的隔離帶內(nèi)的可易于斷開的接縫中，該第二材料與該第一材料形成較弱的、可斷開的粘接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述分離材料作為一層根據(jù)上述隔離帶的輪廓予以敷設(shè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，上述分離層按多層段方式構(gòu)筑，即在復(fù)合體中在同一豎向高度平面上，間歇性地把該分離材料敷設(shè)于制品和支承結(jié)構(gòu)的相鄰相隔的層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在每一敷設(shè)道中，上述分離材料沿豎直方向沉積的厚度在0.0001～0.125英寸之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為熱塑性樹脂，而上述分離材料為可機(jī)械加工的蠟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為蠟?zāi)沧⑾?，而上述分離材料為可機(jī)械加工的蠟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述分離材料作為薄涂層敷設(shè)于上述隔離帶中并與由第一結(jié)構(gòu)材料形成的制品和支承結(jié)構(gòu)的相鄰面相接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，上述薄涂層有一可忽略不計(jì)的厚度，但該厚度足夠使該薄涂層覆蓋制品和支承結(jié)構(gòu)的相鄰面并破壞在限定上述相鄰面的第一結(jié)構(gòu)材料部分之間正常會產(chǎn)生的分子鏈接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為熱塑性樹脂，而形成上述涂層的分離材料為水溶性聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為熱塑性樹脂，而形成上述涂層的分離材料為溶于溶劑的聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為熱塑性樹脂，而形成上述涂層的分離材料為硅氧烷。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，上述結(jié)構(gòu)材料為熱塑性樹脂，而形成上述涂層的分離材料為硬脂酸溶液。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述第一結(jié)構(gòu)材料和第二分離材料是從二個獨(dú)立的各具有一排放端頭的噴嘴敷設(shè)的，并均固定在用于對材料接納基底沿X、Y和Z軸方向作相對運(yùn)動的一敷設(shè)頭上，及對來自于噴嘴的結(jié)構(gòu)材料和分離材料的敷設(shè)進(jìn)行控制從而在某一時刻材料只從一個噴嘴敷設(shè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述的噴嘴之一相對接納基底可豎向調(diào)節(jié)，在敷設(shè)結(jié)構(gòu)材料和分離材料時可控制地調(diào)節(jié)所述噴嘴的高度，從而，在材料敷設(shè)過程中，不敷料噴嘴的排放端頭總是處在敷料噴嘴的排放端頭之上足夠的高度以越過上述敷料噴嘴所正在敷設(shè)的材料。
全文摘要
一種用于生產(chǎn)具有臨空懸垂部分的立體制品的方法和裝置，而在最終的制品幾何結(jié)構(gòu)中沒有任何制品材料與其直接支承連接。在分層構(gòu)筑材料以形成制品和其下的支承結(jié)構(gòu)的過程中，通過將材料敷設(shè)于待形成的制品的懸垂部分之下而形成支承結(jié)構(gòu)。容易拆開的支承結(jié)構(gòu)是沿制品結(jié)構(gòu)的懸垂部分底邊的一交接面形成的。借助交接面材料與制品材料間形成的可分離弱粘接而構(gòu)成一可拆開或可分開的弱接縫，上述分離材料可作為分離層或薄涂層來敷設(shè)。
文檔編號B29C41/00GK1139611SQ95109440
公開日1997年1月8日 申請日期1995年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月4日
發(fā)明者史蒂文·S·克倫普, 詹姆斯·W·庫姆, 威廉·R·普里德曼, 羅伯特·L·津尼爾 申請人:斯特拉特西斯公司