使用增材制造法和具有平移旋轉(zhuǎn)軸線的材料擠壓機(jī)打印3d物體的設(shè)備及方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明總體涉及增材制造（additivemanufacturing)，更具體地涉及使用具有平移旋轉(zhuǎn)自由度的材料擠壓機(jī)來打印三維（3D)物體?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]3D打印是由數(shù)字模型制出任意形狀的三維物體的增材制造工藝。在3D打印中，將連續(xù)的材料層相鄰地鋪放而形成所述物體。通常情況下，圓形或帶狀材料被擠壓穿過可運(yùn)動的噴嘴。[0003]U.S.5,121，329描述了熔融沉積造型，其中在產(chǎn)生熔化的熱塑性材料的流或帶的同時，使擠壓機(jī)在直角坐標(biāo)系中運(yùn)動。將所述帶彼此相鄰地鋪放，以產(chǎn)生填充期望物體的容量的層。[0004]U.S.5,866,058描述的是控制局部環(huán)境以維持被擠壓材料低于凝固溫度，并且在制出物體的同時高于蠕變松弛溫度。[0005]-般情況下，由現(xiàn)有技術(shù)方法產(chǎn)生的物體具有嚴(yán)重的各向異性拉伸強(qiáng)度變化的非期望性能。單獨(dú)的熔化的熱塑性材料帶具有接近材料整體強(qiáng)度的軸向強(qiáng)度，但帶間和層間結(jié)合強(qiáng)度變化很大。[0006]例如圖1所示，對于注射模制的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)而言，單獨(dú)的帶軸向拉伸強(qiáng)度約為30兆帕斯卡（MPa)，在大約20MPa下具有45/-45度交錯和0/90定向復(fù)合，以及約2MPa的橫向（帶到帶）強(qiáng)度，或者約為帶的軸向強(qiáng)度的1/15。[0007]特種聚合物，諸如以如ILS.20090295032中描述的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)功能化的ABS，可以改進(jìn)結(jié)合。諸如聚醚酰亞胺的高成本材料可以產(chǎn)生使層間結(jié)合強(qiáng)度中的最小強(qiáng)度為35MPa并且使單獨(dú)的帶拉伸強(qiáng)度最大為90MPa的部件，這是2:1的強(qiáng)度差異，但仍遠(yuǎn)好于常規(guī)ABS的15:1比率。[0008]U.S.5,906,863描述的是將短纖維添加至諸如陶瓷漿料的熱固性混合物，以產(chǎn)生具有定向纖維的"新鮮部分"。未描述控制取向的具體方法。[0009]大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)3D打印機(jī)是以工件和擠壓機(jī)的三個線性正交（XYZ)操縱的自由度為基礎(chǔ)的。[0010]-些3D打印機(jī)使用旋轉(zhuǎn)盤或柱體作為支撐基座，見W02011/011818,以便提供更均勻的表面以散播稍后將被粘合、溶劑結(jié)合或激光燒結(jié)的粉末?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0011]以增材方式制造物體的f5D打印機(jī)包括擠壓機(jī)，所述擠壓機(jī)可以在沉積材料的同時，關(guān)于所述物體沿著三個正交軸線線性地運(yùn)動并且圍繞軸線中的至少一個旋轉(zhuǎn)地運(yùn)動。[0012]門架（gantry)可沿著X軸線、Y軸線和Z軸線運(yùn)動，并且可繞A軸線和B軸線運(yùn)動的耳軸臺（trunniontable)被安裝在所述門架上。臺板（platen)被安裝在所述耳軸臺上，并且所述擠壓機(jī)在所述門架和耳軸臺運(yùn)動的同時將所述材料沉積在所述臺板上。[0013]分析所述物體的模型以產(chǎn)生所述物體的應(yīng)力張量，并且所述沉積是根據(jù)所述應(yīng)力張量來進(jìn)行的。【附圖說明】[0014][圖1][0015]圖1是由現(xiàn)有技術(shù)3D打印機(jī)使用的擠壓材料的常規(guī)各向異性拉伸強(qiáng)度特性的示意圖；[0016][圖2][0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的增材制造的方法的流程圖；[0018][圖3][0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的?打印機(jī)的示意圖；[0020][圖4A][0021]圖4A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的現(xiàn)有技術(shù)材料圖案的示意圖；[0022][圖4B][0023]圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的材料圖案的一個示意圖；[0024][圖4C][0025]圖4C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的材料圖案的另一示意圖；[0026][圖5][0027]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式基于拉伸強(qiáng)度的增材制造的方法的流程圖；[0028][圖6][0029]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的各向同性拉伸強(qiáng)度特性的示意圖；[0030][圖7A][0031]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擠壓機(jī)部件的一個示意圖；[0032][圖7B][0033]圖7B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擠壓機(jī)部件的另一示意圖；[0034][圖7C][0035]圖7C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擠壓機(jī)部件的另一示意圖；[0036][圖7D][0037]圖7D是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擠壓機(jī)部件的另一示意圖；以及[0038][圖7E][0039]圖7E是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的擠壓機(jī)部件的另一示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0040]本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種使用增材制造法來產(chǎn)生三維（3D)物體的打印機(jī)。作為優(yōu)點(diǎn)，所述物體具有沿著物體在被使用時的高應(yīng)變方向取向的高拉伸強(qiáng)度。[0041]基于應(yīng)力的設(shè)計(jì)[0042]如圖2所示，對于一個實(shí)施方式，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)模塊210用于產(chǎn)生示例性3D(球形）物體201的模型211。分析500模型以確定當(dāng)物體在使用時可能存在的應(yīng)力的分布。分析的結(jié)果為體積應(yīng)力張量221，例如，[0044]這取決于張量的坐標(biāo)是否編號為Xl、x2、x3，或者簡單地標(biāo)記為X、y、z。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，張量用于控制打印機(jī)300的運(yùn)動230和擠出速度。CAD以及分析可以由處理器502執(zhí)行，處理器502連接到本領(lǐng)域中已知的存儲器和輸入/輸出接口。[0045]作為優(yōu)點(diǎn)，為達(dá)到3D取向，打印機(jī)使用沿著正交軸線進(jìn)行的3D線性平移運(yùn)動，以及繞軸線A和B進(jìn)行的角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)于體積應(yīng)力張量221的期望拉伸強(qiáng)度。所述運(yùn)動由控制器301確定，控制器301運(yùn)行單個流的G代碼。G代碼是最廣泛使用的數(shù)值控制（NC)程序設(shè)計(jì)語言。G代碼引導(dǎo)打印機(jī)制出由指令定義的物體，該指令使用預(yù)先確定的位置和速度使擠壓機(jī)相對于支撐基座和物體運(yùn)動。[0046]打印機(jī)[0047]圖3示出了五個自由度（5D)打印機(jī)的一個實(shí)施方式?？蛇\(yùn)動門架320的線性水平軸線X301和Y302以及豎直軸線Z303用于相對于設(shè)備臺板305來定位擠壓機(jī)304。使用常規(guī)G代碼符號"A"和"B"（針對角度），臺板305可以繞兩個旋轉(zhuǎn)軸線A306和B307旋轉(zhuǎn)和傾斜。在機(jī)加工領(lǐng)域，交叉軸線A和B的組合通常被稱為"兩個軸線耳軸臺"或簡單地被稱為"耳軸臺"。[0048]通過將材料帶310饋送穿過擠壓機(jī)以及將可處置的支撐件309沉積在臺板上來構(gòu)建物體201。然后，物體可以沉積在可處置的支撐件上。一般通過很稀疏地鋪放被設(shè)計(jì)成當(dāng)制造完成時容易掙脫物體的材料帶來構(gòu)建可處置的支撐件。換句話說，使支撐件易折是理想的?？商幹玫闹渭哂凶銐虻暮穸?，以允許擠壓機(jī)達(dá)到接近物體201的完整360〇半球形。[0049]通過使擠壓機(jī)沿著X軸線、Y軸線和Z軸線線性地運(yùn)動，并且繞A軸線和B軸線成角度地運(yùn)動，擠壓機(jī)可以實(shí)現(xiàn)相對于物體而言的任何期望的位置和角度，由此可以將具有任何期望的軸線取向的擠壓材料帶310沉積在物體上。[0050]可以理解的是，可以由打印機(jī)以許多不同的取向制造所述物體。然而，由于支撐件需要的厚度減少，一些取向可能是首選的。[0051]作為這種工藝的示例，考慮應(yīng)力不均勻的平板。如果平板的應(yīng)力分析表明：材料在特定區(qū)域中的拉伸負(fù)載在東西方向?yàn)閘OMPa，在南北方向?yàn)?MPa，并且在上下方向?yàn)榱?，則最佳的材料鋪放將是兩個帶呈東西，隨之，一個帶呈南北，然后，兩個帶呈東西，隨之，一個帶呈南北，如此反復(fù)，直到獲得期望的材料厚度?？梢葬槍ζ渌螤疃褂闷渌唵蔚膱D案。[0052]示例：壓力罐[0053]如圖4A、圖4B和圖4C所示，更感興趣的示例性物體為球形壓力罐。為了便于這種描述，忽略了檢修孔和安裝硬件。[0054]從一小部分罐壁材料的局部角度來看，每個鄰近部分看起來都是相同的。應(yīng)力張量表明，每個小容量的罐壁均在垂直于罐的徑向方向的所有方向上承受均勻的張力。然而，從全局的角度來看，應(yīng)力張量隨著每個小容量的罐材料的煒度和經(jīng)度而變化。[0055]如圖4A所示，球形罐"北極"處的綴塊所經(jīng)歷的力被常規(guī)XYZ3D打印機(jī)的XY鋪放路徑良好地適應(yīng)。然而，球形罐的赤道在Ζ方向404承受較大拉伸應(yīng)力，如上所述這在常規(guī)3D打印機(jī)中是非常脆弱的。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)XYZ3D打印機(jī)無法鋪放與Ζ軸線對準(zhǔn)的帶。由此，在常規(guī)3D打印機(jī)上打印的球形罐具有脆弱的赤道，并且當(dāng)承受過壓時可能在赤道處破裂。樸素的解決方案將使赤道材料更厚，例如對ABS來說，需要十倍厚，或者使壓力罐不對稱，例如沿著Ζ軸線更長。[0056]然而，在最大強(qiáng)度罐的更好的解決方案中，罐的每個部分均應(yīng)該大部分由徑向帶當(dāng)前第1頁1 2